Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние вопроса и постановка задач исследований 9
1.1. Современное состояние открытых горных работ Российской Федерации .9
1.2. Применяемое оборудование для экскавации горной массы на карьерах Российской Федерации 13
1.3. Анализ надежности экскаваторов, эксплуатируемых на горных предприятиях Урала 18
1.4. Постановка задач исследований 31
2. Влияние режимов эксплуатации экскаваторов типа ЭКГ-5А на долговечность рукояти 32
2.1. Причины выхода из строя рукояти экскаваторов типа ЭКГ-5А 32
2.2. Тензометрические измерения фактических усилий в подъемных канатах экскаваторов типа ЭКГ-5А, возникающих при черпании горной массы 36
2.2.1. Используемое оборудование 38
2.2.2. Результаты тензометрических измерений 46
2.3. Анализ методик расчета усилий 50
2.4. Расчет напряжений, возникающих в рукояти экскаваторов типа ЭКГ-5А 56 2.5 Обоснование рациональных режимов эксплуатации рабочего Оборудования экскаваторов типа ЭКГ-5А 60
Выводы 63
3. Исследование напряженно-деформированного состояния рукояти экскаваторов типа ЭКГ-5А 64
3.1. Распределение критических напряжений в конструкции рукояти экскаваторов типа ЭКГ-5А 65
3.2. Напряжения, возникающие в рукояти экскаваторов типа ЭКГ-5А при экскавации горной массы с различными скоростями подъема ковша 68
3.3. Обоснование выбора способа ремонта рукояти экскаваторов типа ЭКГ-5А для замедления развития трещин 70
3.4. Мероприятия по снижению динамических нагрузок 80
Выводы 89
4. Определение ресурса рукояти экскаваторов типа ЭКГ-5А 91
4.1. Расчет долговечности рукояти экскаваторов типа ЭКГ-5А 92
4.2. Методика определения ресурса рукояти экскаваторов типа ЭКГ-5А 95
4.3. Экономический эффект мероприятий по снижению нагрузок в рукояти экскаваторов типа ЭКГ-5А 100
Выводы 107
Заключение 109
Список литературы 111
Приложения 123
- Применяемое оборудование для экскавации горной массы на карьерах Российской Федерации
- Расчет напряжений, возникающих в рукояти экскаваторов типа ЭКГ-5А 56 2.5 Обоснование рациональных режимов эксплуатации рабочего Оборудования экскаваторов типа ЭКГ-5А
- Обоснование выбора способа ремонта рукояти экскаваторов типа ЭКГ-5А для замедления развития трещин
- Экономический эффект мероприятий по снижению нагрузок в рукояти экскаваторов типа ЭКГ-5А
Введение к работе
Актуальность темы. Основным видом выемочно-погрузочного оборудования на карьерах являются экскаваторы – мехлопаты. Для погрузки горной массы на железорудных карьерах мира и Российской Федерации (РФ) в основном используются карьерные гусеничные экскаваторы с зубчато-реечным напором типа ЭКГ. Большая часть эксплуатируемых на открытых горных работах РФ экскаваторов была изготовлена в 70-х и 80-х годах. В настоящее время среднестатистическое значение износа по сроку службы экскаваторов типа ЭКГ-5А на Урале превышает 1,12,5 раза.
Анализ надежности экскаваторов типа ЭКГ-5А показывает, что из общей структуры потока отказов 40 % приходится на металлоконструкции экскаваторов. Наиболее распространенные дефекты металлоконструкций проявляются в виде усталостных микротрещин металла и трещин сварных соединений. Места появления трещин являются зонами максимальных концентраций напряжений, которые при циклическом изменении нагрузки по величине и во времени вызывают усталостное разрушение металлоконструкций и приводят к аварийной остановке. Надежность экскаваторов типа ЭКГ-5А снижается с возрастанием числа хрупких разрушений металлоконструкций.
Исследования причин отказов металлоконструкций экскаваторов ЭКГ-5А, показывают, что наибольшее количество отказов связано с нагрузками, превышающими предельные значения и возникающими вследствие относительно низкой квалификации машинистов, плохой подготовленности горной массы к экскавации и др., которые не учитываются, как правило, при проектировании.
С этой точки зрения обеспечение необходимой надежности экскаваторов типа ЭКГ-5А методом оценки фактического технического состояния и прогнозирования остаточной долговечности металлоконструкций экскаваторов, своевременной остановки на ремонт с целью предотвращения их разрушения и продления безопасного периода эксплуатации является актуальной задачей.
Объект исследований: экскаваторы с зубчато-реечным напором типа ЭКГ-5А.
Предмет исследований: влияние режимов работы экскаваторов типа ЭКГ-5А на долговечность рукояти.
Цель работы: повышение эффективности работы экскаваторов типа
ЭКГ-5А за счет увеличения долговечности рукояти путем снижения количества ее отказов.
Идея работы: снижение количества отказов рукояти экскаваторов типа ЭКГ-5А достигается на основе ограничения предельных нагрузок, возникающих в рукояти при черпании горной массы.
Основные задачи исследований:
Выполнить анализ надежности экскаваторов типа ЭКГ-5А, эксплуатируемых на горных предприятиях Урала;
установить цикличность отказов рукояти экскаваторов типа ЭКГ-5А;
исследовать влияние условий и режимов эксплуатации экскаваторов типа ЭКГ-5А на показатели долговечности рукояти;
обосновать рациональные режимы работы подъемного механизма экскаваторов типа ЭКГ-5А, повышающие долговечность рукояти;
разработать методику оценки фактического технического состояния и прогнозирования технического ресурса рукояти экскаваторов типа ЭКГ-5А.
Научные положения, выносимые на защиту:
-
Применяемые методы расчета нагрузок, действующих на рукоять экскаваторов, не в полной мере учитывают реальные режимы эксплуатации. Фактические динамические нагрузки значительно превышают их расчетные значения, что приводит к повышенному количеству отказов.
-
Выбор рациональных размеров поперечного сечения металлоконструкции рукояти и способа ремонта рукояти целесообразно проводить на основе анализа результатов моделирования ее напряженно-деформированного состояния методом конечных элементов с учетом фактических нагрузок, возникающих при экскавации горной массы, и концентраторов напряжений.
-
Ресурс рукояти определяется приведенным числом циклов нагружения с учетом усталости материала и действительных нагрузок, зависящих от скорости подъема ковша при черпании горной массы.
Научная новизна результатов исследований:
-
Уточнена зависимость усилий в подъемных канатах экскаваторов типа ЭКГ-5А от скорости подъема ковша при черпании горной массы различной степени подготовки.
-
Установлены распределения усилий в подъемных канатах экскаваторов типа ЭКГ-5А в период черпания горной массы в зависимости от режима работы подъемного механизма.
-
Обоснован рациональный режим работы подъемного механизма экскаваторов типа ЭКГ-5А (скорость подъема ковша при черпании горной массы), при которых динамические нагрузки, возникающие в рукояти, не превышают допустимых значений.
Методы научных исследований включают анализ показателей эксплуатационной надежности ресурсных узлов экскаваторов типа ЭКГ-5А; хронометражные наблюдения процесса экскавации горной массы; экспериментальные исследования влияния режимов эксплуатации на разрушение металлоконструкций экскаваторов типа ЭКГ-5А; тензометрические натурные исследования и моделирование напряженно-деформированного состояния (НДС) рукояти; обработка результатов исследований с использованием методов математической статистики.
Достоверность научных положений, выводов и результатов исследования подтверждается корректным использованием теоретических и экспериментальных исследований, достаточным объемом проведенных экспериментов и удовлетворительной сходимостью аналитических исследований с результатами выполненных экспериментов и данными практики, относительное расхождение которых не превышает 10 %.
Практическая значимость работы состоит: в разработке методики определения ресурса рукояти экскаваторов типа ЭКГ-5А; выдаче рекомендаций по ремонту и восстановлению балки рукояти.
Личный вклад автора состоит: в организации, проведении и анализе результатов всего комплекса экспериментальных исследований; сборе и обработке статистической информации, характеризующей показатели надежности экскаваторов типа ЭКГ-5А; разработке рекомендаций по повышению долговечности рукояти экскаваторов типа ЭКГ-5А; в оценке влияния скорости подъема ковша при черпании горной массы на усталостное разрушение рукояти экскаваторов типа ЭКГ-5А.
Реализация выводов и рекомендаций работы: рекомендации диссертации использованы для оценки долговечности рукояти и обосновании рациональной скорости подъема ковша экскаваторов типа ЭКГ-5А при черпании горной массы в условиях карьеров ОАО «Гайский ГОК» (г. Гай, Оренбургская область).
Апробация работы: результаты и основные положения диссертационной работы докладывались: на Международной научно-технической конференции «Добыча, обработка и применение природного камня» (Магнитогорск, 2008–2010 гг.); Международной научно-технической конференции «Чтения памяти В. Р. Кубачека» (Екатеринбург, 2009–2010 гг.); на Международном симпозиуме «Неделя горняка» (Москва, 2009-2010 гг.); ежегодных научно-технических конференциях МГТУ (Магнитогорск, 2008–2010 гг.); на заседаниях научного семинара кафедры «Механизация и электрификация горных производств» и факультета «Горных технологий и транспорта» МГТУ (Магнитогорск, 2007–2010 гг.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 научных работ, в том числе 1 статья в издании, рекомендованном ВАК Министерства образования и науки РФ.
Объем и структура работы: Работа содержит 85 страниц машинописного текста, 59 рисунков и 22 таблицы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 121 наименования и приложений.
Применяемое оборудование для экскавации горной массы на карьерах Российской Федерации
Использование экскаваторного парка железорудной промышленности РФ по календарному времени в среднем составляет 0,5. Если ориентироваться на средние достигнутые коэффициенты использования календарного времени, то объемы экскавации горной массы на железорудных карьерах могут быть увеличены на 20-25 %.
Средневзвешенный износ экскаваторного оборудования по сроку службы, эксплуатируемого на железорудных карьерах РФ, превышает 1,1-К2,5 раза. Значительный износ имеют экскаваторы ЭКГ-8И, который составляет 85-100%, как и у экскаваторов ЭКГ-5 (5А). Экскаваторный парк, состоящий сегодня на вооружении угольных предприятий, почти полностью представлен традиционными машинами отечественного производства [29].
Для экскавации горной массы на угольных разрезах в основном применяются следующие типы экскаваторов: ЭКГ-5 (5А), ЭКГ-8И, ЭКГ-10, ЭКГ-12, ЭКГ-12,5, ЭКГ-15, ЭКГ-20, ЭШ-10/70, ЭШ-40/85, ЭШ-100/100, ЭШРД-5000, а также зарубежные РН-2300, Marion-201, Marion-301, «Caterpillar» и другие [7].
В настоящее время экскаваторы ЭКГ-5 А, ЭКГ-8И, ЭШ-10/70 и их модификации остаются основным экскавационным оборудованием и продолжают интенсивно эксплуатироваться на угледобывающих предприятиях. Рост количества проблем, связанных с повреждением базовых элементов и металлоконструкций, выходом из строя электромашин, систем управления главными приводами и др., указывает на значительный износ парка [29].
По результатам исследований самый распространенный карьерный экскаватор на сегодняшний день — это отечественный ЭКГ-5А производства завода Уралмаш. Базовая модель ЭКГ-5А с зубчато-реечным напором выпускается серийно с 1980 г. Машина показала себя вполне надёжной, приспособленной для работы в самых разнообразных горно-геологических условиях и до сих пор интенсивно эксплуатируется.
Опытом эксплуатации установлено, что наиболее часто у ЭКГ-5А выходят из строя электромашины главных приводов (что не является отличительной особенностью), выход из строя муфты переключения хода (ввиду заштыбовки), а так же отказы механизма напора, причинами чего могут явиться плохое качество заново устанавливаемых кремальерных шестерен, зубчатых реек, чрезмерная затяжка фрикциона в редукторе напора (исполняет роль муфты предельного момента), недостаточная квалификация машиниста. В последнее время наблюдается увеличение случаев разрушения элементов металлоконструкций экскаваторов, влекущих длительные простои и необходимость проведения долгосрочного ремонта техники.
Для погрузки горной массы на карьерах Урала в основном используются экскаваторы типа ЭКГ с ковшом 4,6-5 м3. Большая часть эксплуатируемых в настоящее время экскаваторов была изготовлена в 70-х и 80-х годах, имеющие истекший нормативный срок службы и в основном исчерпавшие свой ресурс (рис. 1.8) [27].
В настоящее время среднестатистический износ по сроку службы эксплуатируемых экскаваторов на карьерах Урала превышает 1,1- -2,5 раза %. Задача повышения потребности в полезных ископаемых связана с необходимостью разработки новых требований к горным машинам, с повышением эксплуатационной производительности и надежности машин. Повышение производительности требует создания более мощных машин без снижения надежности. Обеспечение растущих потребностей сырья для производства черных, цветных металлов и т.д. связано с перевооружением горнодобывающей отрасли на базе внедрения нового более мощного оборудования.
В сложившейся экономической ситуации горные предприятия не имеют возможности приобретения новой более мощной, надежной и дорогой техники [30].
Выходом из данной ситуации является разработка долгосрочных программ по повышению надежности оборудования на стадии эксплуатации, путем обоснования рациональных режимов эксплуатации и определения остаточного ресурса новых ЭКГ и ЭКГ с сверхнормативным сроком службы, с целью предотвращения внезапных отказов, вызывающих длительные простои и значительные экономические затраты.
В решение проблемы повышения долговечности и ремонта горных машин большой вклад внесли работы ученых Н.Г. Домбровского [67, 73], Р.Ю. Подерни [22, 72], В.И. Солода, Г.И. Солода [46], В.Н. Гетопанова [46], А.Е. Тропа, А.Е. Голубева [44], Г.С. Рахутина [47], В.И. Русихина [99, 101], Д.Е. Махно [6, 49], А.И. Шадрина [49], В.М. Кравченко [101], В.Р. Кубачека [83, 84], Л.Г. Куклина [84], М.С. Балаховского [26], Г.А. Боярского [35, 43, 109], И.А. Паначева [85, 88, 92], М.Ю. Насонова [33, 86, 87, 91] и др.
Одним из основных показателей работы экскаватора является время производительной работы, которое зависит от продолжительности простоев. В календарном фонде рабочего времени экскаваторов типа ЭКГ-5А, эксплуатируемых на карьерах Урала, простои занимают значительную часть (рис. 1.9). В основу анализа были положены данные экспертизы ЗАО МНТП, «Диагностика» и данные бортовых журналов карьерных экскаваторов типа ЭКГ-5А за период 2000-2009 гг., эксплуатируемых в условиях карьеров горно-обогатительного производства ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат» (ГОП ОАО «ММК»).
Расчет напряжений, возникающих в рукояти экскаваторов типа ЭКГ-5А 56 2.5 Обоснование рациональных режимов эксплуатации рабочего Оборудования экскаваторов типа ЭКГ-5А
Опыт эксплуатации экскаваторов типа ЭКГ-5А в условиях открытых горных работах Урала показывает наличие большого число внезапных хрупких разрушений металлоконструкции рукояти в начальных стадиях эксплуатации.
Факторы, влияющие на зарождение хрупких разрушений, могут быть сведены к двум условиям [72]: - высокие локальные напряжения (резкие концентраторы напряжений, остаточные напряжения, динамические напряжения); - низкая пластичность материала (объемность напряженного состояния, высокая скорость нагружения). Снижение хрупких разрушений рукояти, связанных с проявлением пиковых нагрузок в опасных сечениях конструкции, можно осуществлять следующими способами: - на стадии проектирования (увеличение сечения конструкции, уменьшение зон максимальных концентраций напряжений, повышение ка чественных характеристик материала конструкций и т. д.); - при эксплуатации (обоснование рациональных режимов работы обо рудования). Снижение пиковых нагрузок в рукояти экскаваторов типа ЭКГ-5А, возникающих при экскавации горной массы, путем увеличения сечений конструкций рукояти, уменьшением зон максимальных концентраций напряжений и др. (мероприятия на стадии проектирования) не целесообразно при эксплуатации оборудования. Так как данные мероприятия приводят к дальнейшему пересчету и выбору всех металлоконструкций экскаваторов типа ЭКГ-5А, напорного механизма и мощностей приводов механизмов, то есть в целом всего экскаватора, что для эксплуатирующихся экскаваторов практически не возможно. Например, увеличение размеров конструкции рукояти приведет к изменению напорного механизма и конструкций стрелы. При эксплуатации в реальных условиях, снижение нагрузок возможно изменением условий эксплуатации (качество подготовки горной массы) [71, 81, 82, 85, 86, 88] и режимов эксплуатации (скорость подъема ковша, угол наклона стрелы, уменьшение динамических нагрузок при пуске приводов) [89]. Качество подготовки горной массы определяется размерами куска взорванной породы, которые зависят от параметров буровзрывных работ (БВР). Изменение параметров БВР (уменьшение среднего размера куска породы, увеличение диаметра и количества скважин, изменение состава взрывчатых веществ) приводит к снижению нагруженности металлоконструкций рукояти и повышению ее долговечности [90, 91, 92]. Данный подход по снижению нагрузок в металлоконструкциях экскаватора экономически не эффективен потому, что изменение параметров БВР приведет к увеличению себестоимости полезного ископаемого (на БВР приходится основная доля затрат при добыче полезного ископаемого). Поэтому для уменьшения отказов рукояти при эксплуатации экскаваторов необходимо ограничение нагрузок в допускаемых пределах путем обоснования режимов работы оборудования. Для оценки напряженного состояния рукояти экскаваторов типа ЭКГ-5А были проведены эксперименты по тензометрическому измерению напряжений в опасных зонах металлоконструкций. Результаты исследований показали, что с увеличением скорости подъема ковша при черпании горной массы возрастают напряжения в металлоконструкции рукояти экскаваторов типа ЭКГ-5А (рис. 2.23). 3 По условию прочности напряжения, возникающие в рукояти экскаваторов типа ЭКГ-5А при изменении скорости подъема ковша в процессе черпания горной массы, не должны превышать допустимые. Для надежной работы экскаваторов типа ЭКГ-5А, максимальная скорость подъема ковша при черпании горной массы в зависимости от условий эксплуатации не должна приводить к возникновению нагрузок, превышающих допустимых значений, и для условий ГОП ОАО «ММК» скорость подъема ковша находится в интервале 0-0,55 м/с. Таким образом, проведенные исследования показывают, что причиной отказов рукояти экскаваторов типа ЭКГ-5А являются предельные нагрузки, возникающие в период черпания горной массы и превышающие допустимые значения, на которые влияют не только характеристики породы, но и скорость подъема ковша. Поэтому для снижения количества отказов рукояти, связанных с возникновением предельных нагрузок при черпании горной массы, необходимо при эксплуатации экскаваторов ограничивать интервал скорости подъема ковша. 1. Отказы рукояти экскаваторов типа ЭКГ-5А проявляются в виде усталостных трещин и хрупких разрушений, основными причинами которых являются максимальные нагрузки и форма конструкции, вызывающие высокую концентрацию напряжений. 2. Максимальные нагрузки, действующие на рукоять экскаваторов типа ЭКГ-5А при экскавации горной массы, возникают в период черпания горной массы и зависят не только от характеристики горных пород, но и от изменения скорости подъема ковша и достигают предельных значений при максимальной скорости подъема. 3. При проектировании экскаваторов необходимо учитывать нагрузки, возникающие при изменении скорости движения ковша в период черпания горной массы. 4. Пиковые нагрузки, действующие в рукояти экскаваторов типа ЭКГ-5А, возникают в зонах максимальных концентраций напряжений (места резкого изменения сечения конструкции). 5. Напряжения, возникающие в рукояти экскаваторов типа ЭКГ-5А, превышают допустимые значения, что при знакопеременной нагрузке приводит к разрушению. При черпании горной массы со скоростью подъема ковша более 0,55 м/с напряжения превышают предел прочности материала рукояти [о]=153 МПа, а со скоростью в интервале 0,78-0,87 м/с превышают предел текучести - ат=260 МПа.
Обоснование выбора способа ремонта рукояти экскаваторов типа ЭКГ-5А для замедления развития трещин
Максимальное использование эксплуатационных свойств оборудования обеспечивают рациональным режимом его работы, при котором достигают оптимальной производительности оборудования, минимальной стоимости продукции при наименьшем износе деталей и узлов [99].
Экспериментальные исследования по тензометрическому измерению усилий в подъемных канатах экскаваторов типа ЭКГ-5А, возникающих в процессе экскавации горной массы, показывают, что пиковые нагрузки зависят от изменения скорости движения ковша при черпании горной массы.
В результате проведенных исследований установлено, что надежность рукояти экскаваторов типа ЭКГ-5А зависит от квалификации машинистов, которая определяется скоростью подъема ковша (см. гл. 2). Также выявлено, что для уменьшения отказов рукояти необходимо снижать нагрузки путем ограничения скорости движения ковша.
Поэтому для уменьшения отказов рукояти экскаваторов типа ЭКГ-5А необходимо обосновать рациональную скорость подъема ковша. Для этого необходимо иметь сведения об изменении напряжений в опасных сечениях рукояти экскаваторов при черпании горной массы с различными скоростями. Решение данной задачи возможно при моделировании НДС рукояти экскаваторов МКЭ с учетом действия нагрузок, возникающих при изменяющих скоростях подъема ковша. Погрешность результатов моделирования НДС рукояти экскаваторов типа ЭКГ-5А и тензометрических измерений не превышает 5 % (табл.3.1) [100].
Конечноэлементный анализ показал, что напряжения в конструкции рукояти экскаваторов типа ЭКГ-5А распределяются неравномерно, и на них оказывает влияние изменения скорости подъема ковша. Пиковые значения напряжений, превышающие предел текучести материла, отмечаются при черпании горной массы со скоростью подъема ковша 0,77-0,87 м/с, что при циклической нагрузке приводит к возникновению усталостных трещин и хрупкому разрушению рукояти. А при черпании горной массы со скоростью больше 0,55 м/с напряжения превышают допустимый предел. Очевидно, что для уменьшения разрушений рукояти экскаваторов типа ЭКГ-5А скорость подъема ковша не должна превышать 0,55 м/с.
Таким образом, моделирование НДС рукояти экскаваторов типа ЭКГ-5А, при экскавации горной массы с различными скоростями подъема ковша, позволяет определить не только характер распределения пиковых напряжений по сечению конструкции, но и выдавать рекомендации по их снижению. Также моделирование дает проектировщику возможность осуществлять анализ вариантов нагружения конструкции и делать оценку несущей способности конструкции на стадии проектирования без проведения дорогостоящих и длительных испытаний опытного образца машины [93].
Надежность и технологичность экскаваторов формируются и обеспечиваются в процессе проектирования и производства, в процессе эксплуатации проводятся в основном мероприятия по поддержанию достигнутого при проектировании уровня надежности. Однако эксплуатация экскаваторов типа ЭКГ-5А показывает наличие недостатков в конструкции, допущенных в процессе проектирования, и надежность и технологичность оборудования может не только поддерживаться на должном уровне, но и превзойти уровень, предусмотренный при проектировании [101J.
Одним из направлений решения этой задачи является сокращение времени, затрачиваемого на ремонт экскаваторов, путем повышения их надежности и ремонтной технологичности, совершенствования конструкций в отношении приспособленности к техническому обслуживанию и ремонту. Причем в качестве главной следует отнести задачу обеспечения высокой технологичности экскаваторов, т.е. совокупности свойств, позволяющих добиться оптимальных затрат в ремонте.
Эксплуатация экскаваторов обуславливает выполнение профилактических и ремонтно-восстановительных работ, в большинстве случаев после восстановления рукояти экскаваторов типа ЭКГ-5А наблюдается разруше ниє металлоконструкции в виде излома, возникающего в зоне трещины. Это объясняется тем, что ремонтное воздействие является концентратором напряжения и при циклической нагрузке приводит в большинстве случаев к разрушению. Для решения данной задачи необходимо рассматривать возможные методы ремонтно-восстановительных работ, которые будут наиболее эффективны, или разрабатывать рекомендации по снижению нагрузок. В связи с этим в исследованиях производилось моделирование НДС рукояти при ее ремонте различными методами с учетом действительных нагрузок, возникающие при изменении скорости подъема ковша в процессе черпания горной массы при этом имитировались методы искусственного формирования и ремонта трещины.
Одним из ведущих технологических процессов ремонта металлических конструкций является сварка. Ее широкое применение определяется возможностью создания наиболее целесообразных, эффективных, в эксплуатации и одновременно технологичных, удобных в изготовлении конструкций. Сварка позволяет создавать конструкции, в которых целесообразно используются разнообразные металлы и сплавы в зависимости от назначения тех или иных частей конструкции, а также детали и заготовки, полученные наиболее рациональными методами их изготовления (прокат, штамповки, литье, поковки и т.д.) [102].
Методы сварки и технология сварочного производства изложены в работах Петрова Г.Л. [102, 103], Прохорова Н.Н. [104], Сефериана Д. [105], Соколова И.И. [106], Стеклова О.И. [107], Рыбакова В.М. [108, 109], Рыка-лина Н.Н. [110], Шебеко Л.П. [111] и др.
Экономический эффект мероприятий по снижению нагрузок в рукояти экскаваторов типа ЭКГ-5А
Для создания экскаваторов с гарантированным сроком службы необходимо еще на стадии проектирования определять ресурс работоспособности основных деталей, что возможно только при наличии сведений об их нагруженности в предполагаемых условиях эксплуатации [81].
Наличие сведений о ресурсе и износе несущих деталей экскаватора позволит уменьшить количество его аварийных отказов путем проведения планово-предупредительных ремонтов.
На открытых горных работах эксплуатируются экскаваторы с зубчато-реечным напором типа ЭКГ со средним сроком службы 26 лет, давно отработавшие свой нормативный срок службы (15 лет). Основным из факторов, определяющих эффективность функционирования экскаваторов типа ЭКГ-5А, являются отказы его рабочего оборудования. При межремонтном периоде до капитального ремонта экскаваторов типа ЭКГ-5А 6 лет [116] максимальная достигнутая наработка на отказ рукояти составляет 8 месяцев. В связи с этим ресурс экскаваторов типа ЭКГ-5А необходимо определять по степени износа его рабочего оборудования. В большинстве случаев при проведении экспертизы с целью продления срока эксплуатации экскаваторов типа ЭКГ-5А учитываются только визуально просматриваемые дефекты: трещины, ослабление крепления деталей, отсутствие защитных кожухов. И при последующей эксплуатации экскаваторов типа ЭКГ-5А наблюдается разрушения его металлоконструкций, которые объясняются тем, что данные экспертизы не точно определяют долговечность конструкций и не учитывают характер развития усталостных трещин, возникающих при действии динамических нагрузок. Поэтому для более точного определения ресурса экскаваторов типа ЭКГ-5А, необходимо определять долговечность его рукояти с учетом временного характера и уровня действия динамических нагрузок. Опыт эксплуатации экскаваторов типа ЭКГ-5А и анализ причин отказов и разрушения рукояти позволяет утверждать, что трещины, возникающие в зонах максимальных концентраций напряжений конструкции и приводящие, в конечном счете, к хрупкому разрушению, имеют усталостную природу. При решении задач прогнозирования ресурса экскаваторов необходимо исходить из оценки ресурса горных машин на основе усталостной прочности конкретной стали [117]. Разрушению материала в элементах конструкций предшествует упру-гопластическая деформация, величина которой зависит от напряженного состояния, от вида нагружения и тепловых процессов, которым подвергаются детали, от исходных механических свойств материала, технологических и конструктивных факторов прочности. К исходным механическим характеристикам относится диаграмма статического деформирования, связывающая величину напряжений и достигаемых под их воздействием деформаций. Для построения этой диаграммы вплоть до разрушения используют представления об истинных напряжениях и деформациях, отражающих изменение формы и размеров конструкции в процессе нагружения [118]. Существуют лишь методы расчета статической, динамической и усталостной прочности металлоконструкций экскаваторов, которые используются на стадии их проектирования, где за основу принимается положение о номинальных нагрузках. При расчете долговечности металлоконструкций экскаваторов необходимо иметь сведения не только о номинальных нагрузках, но и о всем спектре их распределения во времени. В настоящее время для оценки долговечности металлоконструкций широко применяется усталостная модель металлов, основанная на кривой усталости, заменившей в теории прочности металлов кривую Вел ера [119]. При известном уровне нагрузок, действующих на металлоконструкции экскаватора в процессе экскавации горной массы, можно определить по диаграмме усталости количество циклов, при которых произойдет разрушение материала (рис. 4.1). Из диаграммы усталости стали видно, что при действительных напряжениях, возникающих в рукояти экскаваторов типа ЭКГ-5А при изменении скорости подъема ковша в период черпания скальных пород, количество циклов на порядок выше фактических циклов экскавации горной массы. Так при скорости подъема ковша 0,87 м/с (машинисты со стажем работы 1-5 лет) число циклов по диаграмме усталости при напряжении 310 МПа составляет 1,68 млн., а фактическое число циклов 48,6 тыс. Это объясняется тем, что напряжения, возникающие в рукояти, изменяются во времени по амплитуде симметричного цикла. В ходе тензометрических измерений напряжений, возникающих в рукояти экскаваторов типа ЭКГ-5А, установлено изменение пульсаций напряжений при изменении скорости подъема ковша- в период черпания скальных пород (рис. 4.2).
