Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Работа карьерного оборудования в регионах холодного климата. Цели и задачи исследований 8
1.1. Анализ работы горного оборудования в условиях Севера 8
1.2. Анализ работы карьерных электромеханических экскаваторов ... 13
1.3. Анализ работы гидравлических экскаваторов 19
1.4. Ремонтопригодность горного оборудования 20
Глава 2. Анализ надежности карьерных электромеханических и гидравлических экскаваторов в регионах холодного климата 23
2.1. Надежность карьерных электромеханических экскаваторов 23
2.2. Надежность гидравлических экскаваторов и погрузчиков 36
2.3. Эффективность использования карьерных и гидравлических экскаваторов 44
Глава 3. Типовые отказы базовых узлов экскаваторов и факторы воздействия внешней среды 48
3.1. Хрупкие разрушения металлоконструкций по типам экскаваторов и их анализ 48
3.2. Взаимосвязь хрупких разрушений базовых узлов машин с факторами воздействия внешней среды 54
3.3. Физика процесса хрупкого разрушения и факторы воздействия внешней среды 62
3.4. Анализ способов снижения хрупких разрушений базовых узлов металлоконструкций машин : 67
Глава 4. Прогнозирование распределения напряжений в базовых узлах машин на основе метода конечных элементов 72
4.1. Теоретические основы метода конечных элементов 72
4.2. Распределение напряжений в базовых узлах металлоконструкций карьерных экскаваторов 78
4.3. Распределение напряжений в базовых узлах металлоконструкций гидравлических экскаваторов 80
Глава 5. Направления реализации результатов исследований и ожидаемый экономический эффект 86
5.1. Требования к эксплуатации экскаваторов в регионах холодного климата 86
5.2. Рекомендации к ремонту металлоконструкций экскаваторов в экстремальных условиях 89
5.3 Ожидаемый экономический эффект от реализации предлагаемых решений 96
Выводы 98
Заключение 99
Библиографический список 100
Приложения 110
- Анализ работы карьерных электромеханических экскаваторов
- Надежность гидравлических экскаваторов и погрузчиков
- Взаимосвязь хрупких разрушений базовых узлов машин с факторами воздействия внешней среды
- Распределение напряжений в базовых узлах металлоконструкций карьерных экскаваторов
Введение к работе
Актуальность работы. Предприятия Севера находятся в климатическом регионе с низкими отрицательными температурами воздуха, неблагоприятно влияющими на надежность и работоспособность машин, эффективность их эксплуатации. Надежность горного оборудования в условиях холодного климата снижается, что связано с возрастанием числа хрупких разрушений базовых узлов металлоконструкций машин в зимнее время года. Влиянию холодного климата наиболее подвержены базовые узлы металлоконструкций экскаваторов, такие как стрела, рукоять, ковш и др. Выход из строя этих узлов приводит к значительным простоям экскаваторов, восстановление которых связано с повышенной трудоемкостью и продолжительностью ремонтных работ. Число горных предприятий, работающих в этой зоне, постоянно возрастает при увеличении количества и единичных параметров техники. Все это подтверждает актуальность исследований, направленных на повышение надежности, ремонтопригодности и эффективности использования техники, работающей в условиях Севера.
Цель работы. Повышение надежности и эффективности использования карьерных экскаваторов на горных предприятиях Севера.
Идея работы. Повышение надежности экскаваторов на основе изучения закономерности формирования хрупкігх разрушений конструкций и оценки распределения опасного уровня напряжений и динамических нагрузок в базовых узлах машин методом конечных элементов.
Основные задачи исследования: - исследование уровня надежности карьерных экскаваторов, работающих в регионах холодного климата;
изучение закономерности и анализ причин хрупких разрушений узлов металлоконструкций машин, выявление типовых отказов;
исследование взаимосвязи уровня надежности металлоконструкций экскаваторов с факторами воздействия внешней среды;
выявление закономерности формирования мест опасной концентрации напряжений и динамических нагрузок по сечениям конструкции базовых узлов машин;
обоснование и разработка рекомендаций по совершенствованию узлов металлоконструкций экскаваторов, технологии их восстановления и ремонта;
систематизация правші и требований к эксплуатации карьерных экскаваторов в регионах холодного климата.
Объект исследования. Карьерные экскаваторы, работающие в регионах холодного климата.
Научные положения, выносимые на защиту:
1. Хрупкие разрушения металлоконструкций экскаваторов определяются уровнем динамических нагрузок, опасность возникновения которых возрастает в местах интенсивной концентрации напряжений при неблагоприятном сочетании природно-климатических факторов внешней среды. Выявленные закономерности, описанные уравнениями регрессии, позволяют прогнозировать отказы, возможность их возникновения.
Метод конечных элементов обеспечивает выявление опасных сечений металлоконструкции базовых узлов экскаваторов, в которых наиболее вероятны концентрации критических напряжений и рост динамических нагрузок, являющихся причиной возникновения и развития хрупких трещин.
Результаты анализа причин хрупких разрушений и метод конечных элементов позволяют разрабатывать рекомендации, направленные на совершенствование конструкций базовых узлов карьерных экскаваторов и повышение уровня надежности машин.
Научная значимость работы:
- дана оценка уровня надежности карьерных экскаваторов, включая
гидравлические экскаваторы, с учетом зимнего и летнего периодов работы
машин;
- выявлены основные причины хрупких разрушений базовых узлов машин
во взаимосвязи с особенностями формы их конструкций;
получены уравнения регрессии, описывающие взаимосвязь возможных разрушений узлов металлоконструкций с факторами воздействия внешней среды, позволяющие прогнозировать возникновение хрупких трещин;
па основе метода конечных элементов разработана методика оценки характера распределения напряжений по сечениям конструкций базовых узлов машин, опасным с позиции повышения роста динамических нагрузок и возникновения хрупких разрушений.
Практическая значимость результатов работы:
- установлены закономерности типовых отказов базовых узлов
металлоконструкций экскаваторов и характерные места возникновения и
развития хрупких трещин, положенные в основу разработки мероприятий,
направленных на повышение ремонтопригодности и надежности машин в
условиях Севера;
разработана методика оценки опасного роста шггенсивности напряжений и динамических нагрузок по сечениям базовых узлов машин, основанная на учете формы их конструкции;
разработаны рекомендации восстановления работоспособности базовых узлов машин в зависимости от ожидаемых размеров, формы и направления развития хрупкой трещины;
разработаны требования к форме конструкции базовых узлов экскаваторов с позиции снижения возникновения хрупких трещин и повышения надежности машин, работающих в регионах холодного климата;
сформулированы общие требования к эксплуатации карьерных экскаваторов в условиях Севера, направленные на повышение эффективности использования оборудования.
Личный вклад автора диссертации заключается в обосновании тематики, цели и задач исследований; сборе и обработке статистической информации, характеризующей надежность работы экскаваторов; освоении и целевом использовании метода конечных элементов для повышения работоспособности базовых узлов машин; разработке основных требований и
рекомендаций к эксплуатации карьерных экскаваторов, направленных на повышение надежности работы машин в условиях Севера.
Публикации автора. По результатам выполненных исследований опубликовано 4 статьи, в том числе в рецензируемых изданиях, рекомендованных требованиями Инструкции ВАКа, - 2.
Апробация результатов исследований. Основные идеи выполненных исследований докладывались и обсуждались на ежегодных научно-практических конференциях «Игошинскис чтения» в 2006-2009 г.г., ИрГТУ, Иркутск; на XII Всеросийской научно-практической студенческой конференции с международным участием «БЕЗОПАСНОСТЬ 07» 2007 г, ИрГТУ, Иркутск; на научных семинарах кафедры ГМиРТ ИрГТУ 2006-2009 г.г.; техішческом совещании при главном механике Мирнинского ГОКа АК «АЛРОСА» Республики Саха (Якутия) 2009, г. Мирный.
Достоверность и обоснованность научных положений и выводов подтверждаются значительным объёмом статистической информации, характеризующей работу карьерных экскаваторов; согласованностью теоретических исследований с результатами экспериментального моделирования работы базовых узлов металлоконструкций машин, позволяющими делать выводы с доверительной вероятностью не ниже 90%.
Автор рад выразить благодарность и признательность техническим работникам АК «АЛРОСА» за предоставленную возможность в сборе необходимой статистической информации, характеризующей работу экскаваторов в условиях Севера и положенной в основу диссертации, а также программисту первой категории отдела внедрения информационных технологий ИрГТУ Унагаеву Е.И., доценту Авдееву А.Н. и преподавателям кафедры ГМиРТ ИрГТУ. Особая признательность научному руководителю профессору Махно Д.Е.
Анализ работы карьерных электромеханических экскаваторов
Одноковшовые экскаваторы являются основными выемочно-погрузочными машинами при разработке месторождения полезных ископаемых на открытых разработках. По конструкции одноковшовые экскаваторы бывают гидравлические, драглайны, прямые напорные лопаты и т. д. В зависимости от горно-геологических условий разработки месторождения, применяют тот или иной тип экскаватора. Экскаватор прямая лопата является наиболее распространенным типом выемочно-погрузочных машин на карьерах Севера.
Эксплуатационная практика и выполненные исследования показывают неизменное увеличение параметров потока отказов механического оборудования машин, не рассчитанных на эксплуатацию в холодном климате в зимние месяцы. Увеличение параметров потока отказов в холодное время, особенно таких отказов, как поломки деталей и элементов .машин, объясняется главным образов воздействием низких отрицательных температур воздуха. В табл. 1.2. приведены типичные отказы механического оборудования карьерных экскаваторов при их эксплуатации в условиях холодной погоды на Высокогорском руднике и Кемеровоуголь, из которой видно, что поломки- крупных деталей происходили при температурах ниже 28-30 С.
Факторами, вызывающими разрушения деталей и их элементов, могут быть: случайные внезапные перегрузки; усталость металла; уменьшение момента сопротивления элемента в результате изнашивания; появление в процессе работы концентраторов напряжений; переход металла деталей в хрупкое состояние под действием низких температур воздуха [28].
Эксплуатация карьерных экскаваторов в регионах холодного климата сопровождается хрупкими разрушениями базовых узлов металлоконструкций карьерных экскаваторов [34]. Хрупкое разрушение -сложный процесс, зависящий от исходного состояния металла, факторов воздействия внешней среды и особенности конструкционного выполнения отдельных узлов машин. На рис. 1.2 приводилась логическая схема, в которой прослеживается прямое и косвенное влияние низких отрицательных температур на увеличение числа отказов оборудования. В работе П:И. Коха было произведено сопоставление воздействия отрицательных температур с изменением числа поломок зубчатых колес и днищ ковшей экскаваторов СЭ-3 и ЭКГ-4, эксплуатирующихся на карьерах треста «Коркинуголь» [27]. На рис. 1.3 и 1.4 представлены графики изменения температур и числа поломок по месяцам.
На графиках приведены данные по месяцам года о числе поломок деталей ковша и зубчатых колес десяти экскаваторов СЭ-3 и ЭКГ-4, работавших на карьерах треста «Коркинуголь». Сопоставляя эти данные, П.И. Кох делает вывод о связи низких температур с надежностью работы экскаваторов.
Негативное влияние низких отрицательных температур на работу карьерных экскаваторов было отмечено и в более поздних исследованиях. Так влияние холодного климата на работу карьерных экскаваторов исследовалось Иркутским государственным техническим университетом [81]. В основу оценки надежности машин были заложены длительные наблюдения за работой карьерных экскаваторов в условиях Коршуновского ГОКа, ПО «Якуталмаз» и «Якутуголь», расположенных в районах с холодным климатом, либо приравненных к ним. При анализе использовались комплексные показатели надежности - коэффициенты готовности и технического использования. Кроме того, оценивалась вероятность безотказной работы экскаваторов, средняя наработка на отказ, параметр потока отказов. Параметры надежности, рассчитанные раздельно по летнему и зимнему периодам эксплуатации, дают возможность судить о влиянии на работу экскаваторов климатических условий. Учитывая, что на работу оборудования оказывают влияние также и горно-геологические условия, параметры надежности были рассчитаны также раздельно по категории разрабатываемого грунта. На рис. 1.5 представлены диаграммы изменения показателей надежности экскаватора ЭКГ-8И по периодам эксплуатации [29]. отмечается снижение всех показателей надежности машин и особо увеличение параметра потока отказов (W) и среднего времени восстановления (Тв). Как следствие этого произошло увеличение
продолжительности простоев в неплановых ремонтах (Кн), что в свою очередь отрицательно сказалось на комплексных показателях надежности.
Было отмечено снижение коэффициента технического использования (Кти) и коэффициента готовности (Кг) машин. Иркутским политехническим институтом было доказано негативное влияние холодного климата на эксплуатацию карьерного оборудования, а также выявлено, что следствием снижения комплексных показателей надежности становится снижение производительности экскаваторов в зимний период в среднем на 15-20%. Производительность карьерных экскаваторов является основным показателем, характеризующим в целом их работу в условиях Севера [29].
Надежность гидравлических экскаваторов и погрузчиков
Надежность горного оборудования в условиях Севера снижается, что связано прежде всего с возрастанием хрупких разрушений базовых узлов металлоконструкций машин в зимнее время года [9]. Это явилось основанием постановки исследований по выявлению взаимосвязи факторов воздействия внешней среды с работоспособностью металлоконструкций экскаваторов. В основу анализа были положены данные актов расследования аварий карьерных экскаваторов ЭКГ-12,5 и отчетная информация Якутской гидрометеорологической обсерватории, характеризующая природно-климатические факторы внешней среды, сопутствующие работе машин. За период с 1978 по 2008 г. были обработаны акты расследования аварий экскаваторов, работающих в условиях Удачнинского ГОКа АК «АЛРОСА», за этот же период были выбраны и систематизированы данные метеоусловий УГОКа. Акты расследования аварий позволили подойти к анализу причин хрупких разрушений базовых узлов металлоконструкций экскаваторов с учетом характера и места возникновения хрупких трещин, а также выявить закономерности их развития. При анализе климатических факторов учитывалась: температура воздуха на момент аварии; скорость ветра и относительная влажность воздуха.
Наибольшее количество отказов по базовым узлам металлоконструкций машин связано с балкой рукояти экскаватора ЭКГ-12,5 (94 отказа). Все отказы были взаимосвязаны с наработкой машин, полученные результаты сведены в таблицу 3.1.
Установить степень взаимосвязи между наработкой машин и факторами воздействия окружающей среды можно при помощи регрессионного анализа. Проверка значимости каждого из факторов производилась с помощью F-критерия. При этом незначимые факторы выводились из уравнения, после чего снова производился пересчет коэффициентов регрессии. Результаты регрессионного анализа сведены в уравнение: где: Y - наработка, м3 10 "5; Т С0 - температура воздуха на момент аварии.
Из всех рассмотренных климатических факторов (уравнение (3.1)) на наработку экскаваторов влияет только температура воздуха на момент аварии, при этом не оказывает влияние относительная влажность воздуха и скорость ветра.
Для выявления наиболее опасного периода воздействия низких температур воздуха в течении года все отказы по балке рукояти были отсортированы по месяцам выходов из строя, в порядке убывания и сопоставлены со среднемесячной температурой воздуха за период с 1978-1996 г.г., полученные результаты представлены Наибольшее количество аварийных отказов балки рукояти ЭКГ-12,5 УГОКа приходится на декабрь и январь месяц, в этот период преобладают максимально низкие отрицательные температуры воздуха (-30 С и ниже). На март и ноябрь месяц приходится одинаковое количество отказов (12), при этом в марте месяце температура воздуха достигает -20 С, что превышает среднегодовую температуру воздуха в ноябре месяце (-25 С). В феврале месяце количество отказов достигает 10 при среднемесячной температуре воздуха -30 С. Можно предположить о том, что характер повреждения носит накопительный характер, а именно в процессе эксплуатации оборудования в период воздействия низких отрицательных температур происходит накопление зародышей трещин пока они не достигнут своего критического значения, что в итоге приводит к аварийному выходу из строя узлов и деталей машин в весенний период.
В гипотезе Болотина В.В. говорится о том, что зарождение трещин и их развитие трактуется как результат накопления и слияния повреждений в элементах структуры (под элементами структуры понимается зерна, волокна, включения, поры и другие образования) [8]. Для проверки этой гипотезы, использовалась информация из актов расследования аварий Удачнинского ГОКа, в которых указаны даты отказов однотипного узла экскаватора. Сопоставив данную информацию с климатическими условиями Удачинского ГОКа, можно вычислить продолжительность работы машин при различных интервалах температур: от -30...-20 С; -20...-10 С; -10...0 С и свыше 0 С; учесть количество дней работы с относительной влажностью воздуха по интервалам: свыше 80%, от 70 до 80% и ниже 70%; количество дней со средней скоростью ветра по интервалам: свыше 3 м/с, от 2 до 3 м/с, и ниже 2 м/с. Все это позволит детально проанализировать взаимосвязь хрупких разрушений металлоконструкций базовых узлов карьерных экскаваторов с факторами воздействия внешней среды с целью выявления причин отказов и прогнозирования вероятности их возникновения. Результаты регрессионного анализа.сведены в уравнение:
Взаимосвязь хрупких разрушений базовых узлов машин с факторами воздействия внешней среды
Результаты регрессионного анализа.сведены в уравнение: где: Q — наработка экскаватора за период между отказами, 10" м ; Ки — коэффициент наполнения ковша (для условий УГОКа Кн=0.9, по ЕНВ 1989г. категория пород по трудности экскавации IV); VK — вместимость ковша ЭКГ 12,5; Кр - коэффициент разрыхления породы (для условий УГОКа Кр=1,5); [N .3o] суммарное количество дней работы экскаватора с интервалом температуры воздуха ниже -30С, (соответственно от -20...-30, -20...-10, 10...0, свыше 0 С); Х1У з] - суммарное количество дней работы экскаватора с интервалом скорости ветра более 3 м/с, (соответственно от 2...3 м/с, менее 2 м/с); Х[Р 8о] - суммарное количество дней работы экскаватора при относительной влажности воздуха свыше 80%. Циклы экскавации, по сравнению с наработкой, позволяют наиболее полно характеризовать нагруженность базовых узлов металлоконструкции машин. В уравнении (3.2) коэффициент множественной корреляции (R=0,98) близок к единице, что говорит о высокой степени взаимосвязи между числом циклов экскавации и количеством дней работы при различных интервалах температуры воздуха, относительной влажности воздуха и скорости ветра. Это уравнение соответствует гипотезе Болотина В.В. о накоплении повреждений при эксплуатации оборудования [8]. Уравнение (3.2) описывает влияние продолжительности воздействия природно-климатических факторов на все машины в целом, но не затрагивает причин аварий. Для исследования возможных причин выхода из строя узлов экскаватора воспользуемся информацией из актов расследования аварий Удачнинского ГОКа, в которых указан характер повреждения и причина отказа. Исследование возможных причин аварийных отказов, базовых узлов металлоконструкций карьерных экскаваторов показало, что наибольшее количество (64 отказа, примерно 70 %) связано с проявлением динамических нагрузок, что подтверждает ранее выполненные исследования российских ученых [9]. Систематизация всех аварийных отказов по балке рукояти ЭКГ-12,5 Удачнинского ГОКа производилась следующим образом: 1. Воздействие динамических нагрузок (64 отказа), к ним относятся: неправильные действия машиниста, некачественная подготовка забоя, наличие включений в породный массив, удары негабарита, нечетко выданный наряд горным мастером; 2. Влияние формы конструкции (35 отказов) связано с дополнительными концентрациями напряжений, определяемых формой конструкции узлов; 3. Последствия ремонтных воздействий (24 отказа): некачественная сварка, распространение старой трещины, нарушение режима термической обработки металла. В соответствии с принятой классификацией аварийных отказов выполнен регрессионный анализ хрупких разрушений в зависимости от влияния рассматриваемых факторов. Полученные уравнения регрессии имеют вид: 1. Воздействие динамических нагрузок: N4=2538+0,13S[N .3o]+0J06I[N o]-0,19X[V 2]+0,04I[P 80] (3.4) (коэффициент множественной корреляции R=0,97) На количество циклов экскавации, при сочетании случайных факторов, вызванных проявлением динамических нагрузок, (уравнение (3.4)) влияет продолжительность работы базовых узлов металлоконструкций карьерных экскаваторов при сочетании различных погодно-климатических факторов. Эксплуатация машин в экстремальных условиях сопровождается скрытым периодом накопления трещин, способствующих появлению «усталости» металла, который занимает по продолжительности до 90 % от общего времени работы конструкции [29]. Под нагрузкой происходит пластическая деформация металла, приводящая к возникновению зародышных трещин и субмикротрещин, при нарушении нормального хода пластической деформации под воздействием факторов внешней среды движение пластической дефомации затормаживается, что приводит к росту напряжений, вызывающих разветвление зародышных трещин и слияния их в микротрещины. Резкая концентрация напряжений в вершине трещины вызывает дальнейший рост напряжений до критических размеров, исключающих пластический ход течения деформации, что приводит к спонтанному раскрытию трещины и хрупкому разрушению [44-47]. 2. Влияние формы конструкции: (коэффициент множественной корреляции R=0,91) На форму конструкции (уравнение (3.5)) оказывает влияние продолжительность воздействия низких отрицательных температур в сочетании с динамическими нагрузками. При работе узла происходит неравномерность распределения напряжений, при динамическом характере приложения нагрузок, который может вызывать значительные превышение напряжений в локальных объемах, являющихся очагами зарождения и развития хрупких трещин. Наличие нескольких участков повышенной концентрации напряжений вызывает появление цепочки трещин. Причем с увеличением размеров тела, в результате масштабного эффекта повышается вероятность появления локальной области, являющейся очагом развития магистральной хрупкой трещины [9]. 3. Последствия ремонтных воздействий: (коэффициент множественной корреляции R=0,97) где: Т - средняя температура воздуха на момент аварии; Т=-25,5 С; [Р?о so] — количество дней работы экскаватора при относительной влажности воздуха от 70 до 80%.
Распределение напряжений в базовых узлах металлоконструкций карьерных экскаваторов
Проведенный выше анализ надежности карьерных экскаваторов ЭКГ-12,5 выявил, что при эксплуатации машины в условиях Удачнинского ГОКа наиболее часто возникают отказы балки рукояти. Это явилось основанием для построения её модели в программе МКЭ. Для подготовки модели балки рукояти экскаватора ЭКГ-12,5 использовались: геометрическая и дискретная модель объекта, данные по внешнему воздействию, граничные условия и другие параметры. Расчет, визуализация и обработка результатов анализа выполнялись в программном комплексе MSC. Patran 2008 R1 и MD Nastran R3 на персональном компьютере на базе процессора Intel 4. Программные комплексы предоставлены ИрГТУ (сертификат на оплаченную лицензию RE001916IST-3, от 20.05.08). Результаты проведенного НДС балки рукояти ЭКГ-12,5 представлен на рис. 4.1 (расчет нагрузок произведен в Приложении
Рис. 4.1. Распределение напряжений в балке рукояти ЭКГ-12,5 Максимальные напряжения отмечаются в местах резкого перехода сечений: между возвратным полублоком и головной отливкой (3); выше места крепления возвратного полублока (2); в месте крепления седлового подшипника (1) при существенно меньших значениях рабочих напряжений по остальным сечениям конструкции, равных 5 МПа. Значения напряжений в критических зонах достигают 220...300 МПа. Такие распределения напряжений при динамическом характере приложения нагрузок и приводят к возникновению и развитию хрупких трещин. Характер распределения напряжений в балке рукояти ЭКГ-12,5 соответствует расположению трещин на рис. 3.2 (б). Все трещины зарождаются в местах резких нарушений сечений, зонах сварных швов, технологических отверстиях, т.е. причина их зарождения и развития - резкая концентрация напряжений в локальных сечениях конструкций [9].
Аналогичным образом была построена модель балки рукояти ЭКГ-15 в программе МКЭ. НДС балки рукояти ЭКГ-15 представлено на рис. 4.2.
Рис. 4.2. Распределение напряжений в балке рукояти ЭКГ-15 Максимальные напряжения возникают в месте крепления седлового подшипника (1), что подтверждает место расположения трещины (1) на рис. 3.3. Между концевой отливкой и седловым подшипником (2) напряжения постепенно снижаются (3) при общем рабочем напряжении в теле конструкции, равным 10 МПа (4).
Из вышесказанного можно констатировать, что проведенные исследования работы карьерных экскаваторов и выполненный анализ НДС в программе МКЭ позволяет сделать вывод о непосредственной сходимости численных расчетов НДС базовых узлов металлоконструкций карьерных экскаваторов с данными о фактической эксплуатации горного оборудования на предприятии АК «АЛРОСА».
При эксплуатации гидравлического экскаватора Komatsu Demag H285S возникали неоднократные хрупкие разрушения стрелы. Актуальным видится исследовать НДС стрелы H285S и рассмотреть возможные способы снижения опасной концентрации напряжений при использовании программы МКЭ.
Для исследования распределения высоких концентраций напряжений в корпусе стрелы экскаватора Komatsu Demag H285S использовались: геометрическая и конечноэлементная модель объекта, данные по внешнему воздействию, граничные условия. Материал модели - сталь 09Г2С, аналогичная по своим физическим свойствам оригинальной стали фирмы — изготовителя экскаватора, предел текучести которой равен 290 -350 МПа. Стрела работает на изгиб в одной плоскости в виде балки, расположенной на трех опорах. Левой опорой стрела шарнирно крепиться к поворотной платформе, между средней и правой опорами действует нагрузка от гидроцилиндра стрелы.
Конечноэлементный анализ показал, что напряжения по конструкции стрелы распределяется крайне неравномерно. Пиковые значения напряжения 300 МПа (рис. 4.3), достигающие предела текучести материла, отмечаются в местах резких изменений сечений конструкций, сопровождаемых сварными швами: 1 — угловые сечения; 2 — технологические люки. При этом базовые конструкции узла 3 — испытывали незначительные напряжения (3 МПа). Это требует поиска специальных технических подходов к перераспределению опасных значений напряжений по конструкции стрелы в целях повышения её работоспособности.
В качестве нагрузки было принято усилие в гидроцилиндре подъема стрелы равное 4000 кН, при котором напряжения в конструкции могут достигать 300 МПа, соответствующее пределу текучести материала. Это отвечает условиям работы экскаватора при черпании кимберлитов, которые можно отнести к IV категории пород по трудности экскавации (ЕНВ 1989 г.). Все это повышает опасность возникновения хрупких разрушений в наиболее нагруженных местах конструкции стрелы и требует разработки решений по сглаживанию пиковых значений напряжений.
Характер распределения напряжений подтверждает данные результатов обследования состояния стрелы, приведенные на рис. 3.6. Ремонт стрелы изменяет структуру конструкции, и, следовательно, характер распределения напряжений, которые приводят к возникновению и развитию хрупких трещин. МКЭ позволяет оценить результаты ремонтных воздействий при различных вариантах подхода к восстановлению работоспособности конструкции стрелы. На основе МКЭ имитировались методы искусственного формирования трещины и её остановки путем сверления отверстия в направлении ее развития. Рассматривались варианты усиления конструкции стрелы накладками различной толщины и дополнительными швеллерами. Сверление отверстий предполагает снижение напряжений в вершине трещины с целью уменьшения их пиковых значений.
