Содержание к диссертации
Введение
1. Надежность работы и эффективность использования экскаваторов на карьерах Севера. Цели и задачи исследования . 5
1.1 Анализ работы карьерного оборудования в условиях холодного климата. 5
1.2 Работа карьерных экскаваторов в условиях холодного климата. 14
1.3 Анализ надежности карьерных экскаваторов. 19
1.4 Анализ причин снижения надежности экскаваторов в зимний период . 31
1.5 Анализ производительности карьерных экскаваторов. 36
1.6 Цели и задачи исследования. 41
2. Анализ хрупких разрушений базовых узлов металлоконструкций и физика процесса разрушения . 42
2.1 Связь надежности узлов экскаваторов с климатическими факторами. 42
2.2 Закономерности разрушений базовых узлов металлоконструкций экскаваторов . 49
2.3 Физика процесса хрупкого разрушения. 60
2.4 Анализ способов снижения вероятности хрупких разрушений металлоконструкций. 71
Вывды 78
3. Динамика работы экскаваторов и моделирование загрузки приводов машин . 79
3.1 Динамика работы экскаваторов. 79
3.2 Методика моделирования работы экскаватора. 85
3.3 Моделирование процессов погрузки. 108
3.4 Предложения и направление для практической реализации предлагаемых решений . 118
Выводы. 121
4. Регулирование загрузки приводов экскаваторов и эффективность реализации решении . 122
4.1 Анализ существующих методов регулирования загрузки приводов экскаваторов. 122
4.2 Выбор и обоснование рационального способа регулирования электропривода. 129
4.3 Математическое моделирование работы приводов экскаваторов с регулированием тока возбуждения двигателя . 141
4.4 Ожидаемый экономический эффект от реализации предлагаемых решений. 146
Выводы. 151
Заключение. 152
Библиографический список. 154
- Анализ причин снижения надежности экскаваторов в зимний период
- Закономерности разрушений базовых узлов металлоконструкций экскаваторов
- Предложения и направление для практической реализации предлагаемых решений
- Математическое моделирование работы приводов экскаваторов с регулированием тока возбуждения двигателя
Введение к работе
Развитие горнодобывающей промышленности в районах Восточной Сибири и Севера страны с длительным зимним периодом выявило задачу повышения надежности техники, работающей в условиях постоянного неблагоприятного воздействия низких отрицательных температур. Влияние климата проявляется в снижении надежности и производительности экскаваторов в зимнее время года на 15-20 % [66,62], в росте трудоемкости и уровня затрат на техническое обслуживание и ремонт машин, сокращении сроков службы оборудования. В период амортизационных сроков службы карьерных экскаваторов затраты на эксплуатацию и ремонт машин в условиях Севера в 2-3 раза [66,62] превышают стоимость приобретения нового оборудования. Поддерживание работоспособного состояния экскаваторов при продолжительности зимнего периода 5-6 месяцев в году обеспечивается, в основном, за счет увеличения затрат на ремонт машин, расширения производственной мощности ремонтных баз, занятости людей в малопроизводительной сфере обслуживания. При этом повышенный уровень заработной платы и стоимости материалов в условиях Севера, острый дефицит людских ресурсов снижают показатели работы горных машин и предприятий в целом. Низкий уровень использования карьерных экскаваторов (0,4 — 0,5) в большинстве случаев компенсируется увеличением количества действующих машин, что приводит к непосредственному росту основных фондов и дальнейшему снижению эффективности использования оборудования в условиях Севера.
Одной из причин недостаточно эффективного использования экскаваторов является большая продолжительность их пребывания в плановых и неплановых ремонтах. На проведение плановых ремонтов затрачивается от 8 до 15% календарного времени, а неплановых - от 3 до 7% [51].
Основными путями сокращения больших трудовых и материальных затрат на проведение ремонтов экскаваторов являются: повышение безотказности экскаваторов; увеличение сроков службы деталей и узлов экскаваторов; повышение ремонтопригодности и ремонтной технологичности конструкций экскаваторов; улучшение организации и повышение технического уровня ремонтов.
Из-за снижения уровня надежности карьерных экскаваторов, эксплуатирующихся в условиях Севера, зависимости показателей их работы от факторов воздействия внешней среды, постоянного роста затрат на техническое обслуживание и ремонт машин, снижения рентабельности разрабатываемых месторождений, проблема повышения надежности карьерных экскаваторов становится все более актуальной. Для решения этой проблемы необходимо комплексное исследование надежности экскаваторов, работающих в условиях Севера, изучение причин снижения работоспособности экскаваторов в зимний период времени, анализ существующих способов снижения негативного влияния низких отрицательных температур, разработка математической модели электромеханической системы экскаватора, позволяющей определять предельные значения нагрузок возникающих в рабочем оборудовании экскаваторов, разработка методики регулирования нагрузок, возникающих в рабочем оборудовании, позволяющей снизить вероятность хрупких разрушений конструкций.
Работа выполнялась в 2002-2005 годах в Иркутском государственном техническом университете на кафедре горных машин и рудничного транспорта в соответствии с плановой госбюджетной тематикой НИР ВУЗа (Тема №53/150 «Повышение эффективности использования карьерных экскаваторов в условиях Севера»),
Цель работы - повышение надежности карьерных экскаваторов, работающих в условиях Севера путем снижения вероятности возникновения хрупких разрушений узлов и деталей металлоконструкций машин.
Идея работы заключается в снижении вероятности возникновения хрупких разрушений конструкций, в зимний период за счет снижения динамических нагрузок в основных узлах машин путем введения обратной связи по скорости. Научные положения, выдвигаемые к защите:
Хрупкие разрушения узлов металлоконструкций экскаваторов определяется комплексом факторов воздействия внешней среды, основными из которых являются динамические нагрузки. Частота отказов по интервалам отрицательных температур подчиняется экспоненциальному закону распределения.
Математическая модель, рассматривающая экскаватор как единую электромеханическую систему, позволяет исследовать загрузку приводов, в зависимости от условий работы машин и уровня ожидаемых динамических нагрузок.
Снижение вероятности хрупких разрушений узлов металлоконструкций узлов металлоконструкций обеспечивается регулированием загрузки приводов подъема экскаватора по предлагаемому алгоритму, учитывающему экспоненциальный характер распределения отказов и прочность сталей в взаимосвязи с уровнем опасности воздействия отрицательных температур.
Научная новизна результатов исследования состоит в: - установлении фактического уровня критических отрицательных температур для узлов металлоконструкций экскаваторов ЭКГ-10, ЭКГ-15, при эксплуатации в условиях Удачнинского ГОКа; выявлении экспоненциальной зависимости, вероятности возникновения хрупких разрушений металлоконструкций карьерных экскаваторов от уровня отрицательных температур; выявлении причин определяющих характер зависимости хладноломкости конструкций, следствием которых является превышение предела выносливости сталей, при снижении температуры в зимний период времени; разработке математической модели экскаватора как единой электромеханической системы, позволяющей определять предельные значения нагрузок, возникающих в узлах металлоконструкций экскаваторов; разработке методики регулирования загрузки приводов машин, для снижения, вероятности хрупких разрушений узлов металлоконструкций экскаваторов в зимний период времени.
Методы и объекты исследования. Достижение поставленной в диссертационной работе цели осуществлялась на основе комплексного подхода к исследованиям, включающего: анализ статистических данных о надежности работы карьерных экскаваторов; анализ причин возникновения хрупких разрушений, проведенный на основе обработки предоставленной информации, актов расследования аварий карьера трубки «Удачная», за период с 1982 по 2002 годы; математическое моделирование предельных значений нагрузок, возникающих в рабочем оборудовании карьерного экскаватора; разработка методики, снижения вероятности хрупких разрушений узлов металлоконструкций экскаваторов, работающих в условиях Севера.
Основными объектами исследования были карьерные экскаваторы, эксплуатирующиеся Удачнинским ГОКом, на карьере трубки «Удачная», расположенной в районе Крайнего Севера.
Достоверность н обоснованность результатов исследования подтверждена теоретическими обобщениями общепринятых положений по вопросам хладноломкости конструкций. Корректным построением исходной математической модели исследуемого типа карьерных экскаваторов. Значительным объемом исследуемой информации, характеризующей работу карьерных экскаваторов в условиях Удачнинского ГОКа АК «АЛРОСА», и использованием современных методов математического анализа. Практическая значимость работы заключается в: разработке и реализации способа, регулирования загрузки приводов экскаваторов в целях снижения уровня динамических нагрузок и вероятности хрупких разрушений узлов металлоконструкций экскаваторов, защищенного патентом.
Реализацией предлагаемого устройства Удачнинское монтажно-наладочное управление «Алмазавтоматика» при сезонной наладке приводов машин, подтвержденного актом внедрения.
Ожидаемый экономический эффект от реализации технического решения составляет 77 797 рублей на один экскаватор в год.
Апробация работы. Результаты проведенных исследований и разработок были доложены и обсуждены на традиционных научно - технических конференциях Иркутского государственного технического университета в 2002-2005гт.; международной конференции, посвященной памяти А.А.Игошина; на заседаниях кафедры горных машин и рудничного транспорта Иркутского государственного технического университета.
Публикации. По теме диссертационной опубликовано семь печатных работ в научно - технических журналах, сборниках научных трудов и материалах научно - технических конференций, получен патент на изобретение.
Успешному выполнению работы способствовали, предоставление большой объем исчерпывающей технической информации, диспетчерской службой Удачнинского ГОКа и главным механиком карьера «Удачный». Большая помощь в разработке методики ограничения динамических нагрузок в рабочем оборудовании экскаваторов, оказанная профессором С.С. Леоненко и доцентом А.В. Сорокиным. Автор выражает глубокую признательность научному руководителю, коллективам кафедр «горных машин и рудничного транспорта)) и (електропривода и автоматики промышленных установок и технологических комплексов горного производства)), а также работникам Удачнинского ГОКа с которыми ему довелось сотрудничать в процессе выполнения работ положенных в основу диссертации.
Анализ причин снижения надежности экскаваторов в зимний период
Данной схемой рассматривается обобщенное воздействие низких температур на горное оборудование. Из данной логической схемы следует, что низкие температуры могут снижать срок службы узлов и деталей, увеличивать параметр рабочих отказов, ухудшать ремонтопригодность оборудования.
Известно что, следствием снижения температур также является смерзание и обледенение грунта, Увеличение твердости в зимний период в расчетах учитывается принятием соответствующего коэффициента сопротивления грунта резанию. Как известно его величина различна не только у разных по геологическому строению пород [101], но и зависит от качества проведения буровзрывных работ и от того, не является ли порода смерзшейся, обледеневшей [58,85]. Данное явление создает дополнительные нагрузки на металлоконструкции рабочего оборудования.
Отвердение полимерных материалов может снизить ремонтопригодность, ведь электрокабели, электропровода и другие содержащие полимеры части теряют эластичность. Приводить к замыканиям электрической проводки это не должно, поскольку полимерные материалы, используемые в условиях Севера, должны быть соответствующего исполнения [50].
Снижение ударной вязкости может привести к хрупким разрушениям стальных деталей и элементов металлических конструкций. Снижение ударной вязкости сталей вызывает их низкотемпературную хрупкость или хладноломкость. Процесс хрупкого разрушения металлов начинается с образования (зарождения) трещины, которая затем, распространяясь с различной скоростью, приводит к разрушению образца элемента металлоконструкции. Данное явление проиллюстрируем на примере, изменения ударной вязкости стали ВстЗ по ГОСТ380-94.
Для каждой стали, существует свой опасный интервал температур, называемый порогом хладноломкости. Критические температуры хрупкости (порог хладноломкости) стали, зависят от ее химического состава, вида термической обработки, наличия концентраторов напряжений и других факторов.
Наибольшее влияние низкие температуры воздуха оказывают на нехладостойкие, -обычно углеродистые, термически необработанные стали, стали с объемной центрированной кристаллической решеткой, наименьшее, - на легированные (в первую очередь никелевые) термически обработанные стали [16].Очевидно, для надежной работы любой машины, механизма или металлической конструкции при низких температурах необходимо, чтобы температурный порог хладноломкости металла, из которого они изготовлены, был ниже той температуры, при которой данные машины и механизмы работают.
Способ стандартных испытаний малых образцов сталей на изгиб и оценки значений ударной вязкости является основным в регламентировании допустимого уровня критических, отрицательных температур для машин и оборудования определённого класса, работающих в условиях Севера. По критическим значениям отрицательных температур для различных марок сталей, применяемых в основных узлах металлоконструкций машин, судят о допустимом пороге хладноломкости машины в целом и возможности эксплуатации оборудования в тех или иных условиях. Лишь в отдельных случаях, при разработке более ответственного оборудования и машин, используется метод испытаний крупномасштабных образцов сталей с критерием оценки порога хладноломкости по величине критического значения коэффициента интенсивности напряжений или энергии упругой деформации в зоне трещины [67]. Методика стандартных испытаний на ударную вязкость в настоящее время является основным методом оценки работоспособности горных машин в условиях низких отрицательных температур. В зависимости от сред него значения критического уровня отрицательных температур для базовых узлов ме таллоконструкцин конкретной машины назначается допустимый уровень эксплуатации оборудования по температурному критерию [51].
Зависимость электрического сопротивления проводников от температуры лишь на отдельных промежутках температур может быть выражена линейно, для разных проводников эта зависимость различна, поэтому при значительных перепадах температур сопротивление в электрических цепях изменяется на сложно прогнозируемые значения [2,59]. В результате параметры электропривода значительно изменяются и могут также привести к отказам,
Все выше перечисленные следствия низких температур неблагоприятно воздействуют на работу оборудования. Износ техники и старение машин неизбежны, но в условиях Севера процесс износа протекает более интенсивно. Следствием этого является снижение уровня надежности машин, их производительности и существенное возрастание затрат на техническое обслуживание и ремонт оборудования с целью поддержания его работоспособности. Затраты на техническое обслуживание и ремонт машин в условиях Севера значительно превосходят аналогичные расходы, имеющие место при эксплуатации оборудования в средних широтах.
Так для анализа работы оборудования в условиях холодного климата были исследованы статистические данные об отказах оборудования, эксплуатируемого в Удачнин-ском ГОКе в период с мая 2000 года по ноябрь 2002 года. Информация об отказах была собрана на основе данных диспетчерской службы Удачнинского ГОКа, службы главного механика карьера «Удачный», а также главного механика АТТ-3 Удачнинского ГОКа. Статистические данные были обработаны по типам оборудования. Для статистического исследования было выделено количество простоев оборудования в неплановых ремонтах (Л ), их суммарная продолжительность (Т р), количество простоев оборудования в плановых ремонтах и техническом обслуживании (N„.PX их суммарная продолжительность (ТярХ атакже общее время наблюдений (Т„бщ) и время работы оборудования (Траб).
Из собранных данных, были получены следующие показатели надежности; средняя наработка на отказ (Тер) , параметр потока отказов (W); среднее время восстановления в часах (Те); удельная продолжительность неплановых ремонтов (Л я); удельная продолжительность плановых ремонтов (А"я); коэффициент готовности (/Q; коэффициент технического использования (Кщ . Все эти показатели характеризуют надежность горного оборудования и ее изменение по периодам эксплуатации.
Закономерности разрушений базовых узлов металлоконструкций экскаваторов
Анализ надежности и производительности экскаваторов на примере Удачнинского ГОКа показал, что в зимний период снижается надежность практически всех типов экскаваторов, при этом снижается и производительность машин.
Отмеченное увеличение простоев в неплановых ремонтах влечет за собой снижение надежности эксплуатируемых экскаваторов. Хотя в зимний период не у всех типов экскаваторов просматривается снижение коэффициента технического использования, но происходит это благодаря грамотно составленному графику планово-предупредительных ремонтов. В результате сезонные колебания производительности карьерных экскаваторов несколько сглажены, что важно, значительные колебания производительности нежелательны, так как они будут нарушать весь технологический процесс. Однако это не может увеличить коэффициент технического использования в целом, в течение всего года. Значит, негативное влияние низких отрицательных температур на надежность карьерных экскаваторов сохраняется. Работы, направленные на повышение надежности данного типа горного оборудования сохраняют свою актуальность.
Учитывая выше изложенные данные, полученные в проведенном анализе, основное направление работы должно быть, сосредоточено на: - дальнейшем изучении отказов, хрупких разрушений, являющихся основной причиной снижения надежности экскаваторов в зимний период времени; - выявлении наиболее характерных случаев, типовых отказов; - исследовании и оценке причин возникновения отказов, хрупких разрушений; - анализе возможных мероприятий, направленных на снижение вероятности возникновения данных отказов; - анализе причин снижения производительности экскаваторов в зимний период времени; - разработке практических решений, направленных на повышение надежности экскаваторов, работающих в районах холодного климата. 2. Ana. in І хрупких разрушений базовых узлов металлоконструкций экскаваторов и физика процесса разрушения. 2.1 Связь надежности узлов экскаваторов с климатическими факторами.
Выше было отмечено, что снижение надежности экскаваторов в зимний период связано главным образом с хрупкими разрушениями конструкций. Анализ причин снижения надежности показал, что отказы различных узлов, в разной мере зависят от снижения температуры. Было отмечено, что в зимний период основной объем времени проведенного в неплановых ремонтах затрачивается на восстановление узлов подвергшимся хрупкому разрушению. С тем чтобы, определить причины возникновения хрупких разрушений были систематизированы данные 200 актов расследования аварий, произошедших на карьере трубки Удачная в период с 1982 по 2003 годы, акты расследования предоставлены главным механиком карьера. ( В качестве примера в приложении 4 приводится несколько актов расследования аварий). Рис.54 Относительная частота хрупких разрушений, по периодам эксплуатации.
Экскаваторы ЭКГ8И и ЭКГ 10 показывают более высокую надежность. Очевидно, что их конструкция в большей степени адаптирована к эксплуатации в данных условиях. Тем не менее, и на их примере четко прослеживается снижение надежности машин в зимний период времени. Большую надежность ЭКГ15, в сравнении с ЭКГ12,5 можно объяснить как большей конструкторской проработанностью, так и более совершенным техническим обслуживанием и ремонтом. ЭКГ12,5 значительно более старая модель, нежели ЭКГ 15, и именно на данной модели были отработаны технологии ремонта, а также исследованы наиболее уязвимые узлы. Сравнение распределения относительной частоты отказов экскаваторов различных типов подтверждает возрастание негативного влияния масштабного фактора при увеличении единичных размеров машин, а также более высокую надежность новых моделей экскаваторов. Рассмотрим, структуру отказов по узлам экска Как видно из диаграмм аварии отмечались исключительно в зимний период. Наименьшую надежность показал седловои подшипник, среднее время восстановления данного узла сравнительно невелико. Аварийные отказы центральной цапфы при сравнительно небольшой частоте требуют значительного объема ремонтных работ.
Отмеченные аварии седлового подшипника и лебедки подъема чаще происходили в зимний период. Разрушения кузова экскаватора, как следствие обрушений забоя, не имеют отношения к данному исследованию. В целом же у данных экскаваторов отмечена большая надежность, чем у ЭКГ-12,5 и ЭКГ-15. Для того, чтобы выделить причины относительно большей надежности, рассмотрим какие отказы характерны для экскаваторов этих типов.
В структуре отказов ЭКГ-12,5 выделяются большим объемом ремонтных работ механизм поворота - 16%, ходовая тележка - 26%, стрела экскаватора - 22% и ремонт рабочего оборудования, балки рукояти - 17%, ковша и траверсы ковша - в сумме 5%. Аварии лебедок подъема и напора составляют соответственно 7% и 1%. Аварии седлового подшипника составили 5%, еще 1% приходится на аварии центральной цапфы.
Наиболее уязвимыми узлами данных экскаваторов являются металлоконструкции стрелы, ходовой тележки, механизма поворота, а также рабочего оборудования и металлоконструкции узлов непосредственно связанных с ним: балка рукояти, ковш, седловой подшипник, лебедка подъема и напора. В общей сложности хрупкие разрушения узлов металлоконструкций последней группы составляют 35%. Рассмотрение надежности узлов ЭКГ-12,5 по периодам эксплуатации показывает характерное снижение надежности в целом всех узлов экскаватора в зимний период времени. У данного типа экскаваторов отмечается сравнительно низкий уровень надежности стрелы, балки рукояти и траверсы ковша. Изломы ходовой тележки являются наиболее частым видом отказов. Большее среднее время восстановления требуется для восстановления работоспособности стрелы.
Среднее время восстановления у ряда узлов экскаваторов также изменяется в зависимости от периода эксплуатации. Данная тенденция отмечается, в частности, на примере стрелы. Аварии стрелы в летний период отмечаются крайне редко и их общий объем незначителен, поэтому, возможно, что отмеченная тенденция связана со статистической погрешностью. В остальных же случаях некоторое увеличение среднего времени восстановления в зимний период не столь значительно, и возможно связано с объективными причинами, снижающими ремонтопригодность в зимний период.
Предложения и направление для практической реализации предлагаемых решений
Пластичность с ростом скорости растяжения снижается и уже при сравнительно невысоких скоростях деформирования наблюдается тенденция к хрупкому разрушению.
Повышение скорости деформирования и понижение температуры значительно увеличивают сопротивление пластическим деформациям, и критическая температура хладноломкости (хрупкости) повышается. Иными словами происходит более интенсивное повышение напряжений, характеризующих сопротивление пластическим деформациям (dm, апч)
Для контроля механических свойств материалов, склонных к хрупкому разрушению, большое практическое значение имеет ударная вязкость ст„, которую определяют ударным разрушением на копре образца стандартной формы, со специальным острым надрезом, имитирующим концентратор напряжения. Число ан равно отношению работы А, идущей на разрушение образца, к площади F поперечного сечения образца в месте излома:
Для сталей величина ударной вязкости обычно колеблется в пределах а„ = 0,5 4-1 МДж/м. Для каждой стали существует свой опасный интервал температур, называемый порогом хладноломкости. За критическую величину порога хладноломкости принимается уровень температур, при котором величина ударной вязкости стали, снижается до значений 0,3-0,4 МДж/м. Этот критерий определяется по результатам стандартных испытаний стальных образцов на изгиб по ГОСТу 9454-78.
Для хрупкого разрушения характерно резкое снижение предельного напряжения. Разрушение происходит мгновенно в результате увеличения хрупкой трещины без дополнительного приложения внешних нагрузок [69]. В освещенном выше анализе отмечено что, как правило, хрупкие разрушения происходят в условиях воздействия низких отрицательных температур. Данная закономерность отмечается и в литературных источниках [11,47, 49,50,52,69,70]. Отмечается также опасность, сопряженная с хрупким разрушением, так как оно происходит мгновенно в результате роста трещины без воздействия внешних нагрузок в условиях побочного действия условий внешней среды. С учетом общей схемы физики процесса разрушения, это возможно лишь при наличии в материале мест резких концен траций напряжений в локальных объемах конструкций. При этом коэффициенты концентрации напряжений в отдельных точках могут достигать значений, равных 200. Этим и объясняется различиеуровнейтеоретической и фактической прочности материала.
Важный фактор разрушения — механизм формирования нагрузок.. При переменных напряжениях из-за возникновения усталостных трещин деталь разрушается от меньших нагрузок, чем при постоянных. Нагрузки формируют напряжения в локальных объемах конструкций, которые и являются основной причиной возникновения и развития хрупких трещин. У основания трещины создается высокая концентрация напряжений, в результате чего происходит постепенное развитие трещины, которое идет по поверхности действия наибольших нормальных напряжений.
При постоянных напряжениях материал, обладающий достаточной пластичностью, по достижении в местах концентрации напряжений предела текучести, деформируется без увеличения напряжений. В результате напряжения по сечению выравниваются, и разрушающая нагрузка практически не зависит от концентрации напряжений. В более хрупких материалах неравномерное распределение напряжений сохраняется до момента разрушения и оценивается эффективным коэффициентом концентрации напряжений при постоянной нагрузке ks. При переменных напряжениях концентрация существенно влияет на величину предела выносливости и оценивается эффективным коэффициентом концентрации напряжений при переменной нагрузке ка, который определяют экспери ментально как отношение предела выносливости гладкого обраща см к пределу вы носливости детали или образца того же масштаба с концентрацией напряжений (напри мер, с надрезом) Сік. ка =——; (2.3) Предположение о наличии в реальных материалах существенных нарушений кристаллической решетки и мест резких концентраций напряжений было высказано А. А. Гриффитсом, а затем подтверждено Ж. Р. Ирвиным и Е. Орованом, Согласно данной гипотезе, подтвержденной рядом исследований [43] известно, что для хрупкого разрушения было описанное энергетическое условие перехода материала из пластического в хрупкое состояние, выражается через коэффициент интенсивности напряжения,- 1С, который определяется размерами трещин -ей напряжением - q в ее вершине. безразмерный коэффициент, зависящий от размеров и формы образца. Значит, интенсивность напряжения зависит не только от созданной нагрузки в данный конкретный момент времени, но и от размеров уже сформировавшихся микротрещин. Поэтому разрушение конструкции может произойти не только в момент, когда ударная вязкость снизится до критических значений вследствие низких температур, но и при превышении размеров трещины, изменении направления напряжения, относительно вершины трещины, в результате которого увеличится напряжение в ее вершине свыше допустимых значений. Это значительно осложняет расчет металлоконструкций. Изломы при постоянных и переменных напряжениях имеют различный характер, что позволяет по виду излома установить причину разрушения [5,115]. При постоянных напряжениях разрушение пластических материалов сопровождается значительными остаточными деформациями. Излом имеет неровную поверхность, примерно одинаковую во всех точках сечения (рис. 77). При переменных напряжениях, когда разрушение наступает в результате усталости, остаточные деформации обычно незаметны. В изломе можно наблюдать три характерные зоны (рис. 78): зона 1 — область зарождения трещины на поверхности детали, в месте наибольшей концентрации напряжений; зона 2 — область развития трещины; там, где трещина уже образовалась, материал испытывает сильный наклеп от многократного соприкосновения разрушающихся половин детали, поэтому поверхность излома в этой зоне бывает гладкой, нередко с несколькими уступами; Чтобы оценить сопротивляемость материала действию переменных напряжений, проводят испытания на выносливость, по данным которых строятся кривые усталости — зависимость числа циклов N до разрушения от величины амплитуды цикла при постоянном среднем напряжении. Чем больше амплитуда напряжений, тем меньшее число циклов выдерживает образец. Наибольшее переменное напряжение, при котором материал, не разрушаясь, выдерживает определенное число циклов, называют пределом выносливости.
Математическое моделирование работы приводов экскаваторов с регулированием тока возбуждения двигателя
Не малую роль играет и проработанность конструкций на стадии проектирования. Изменения конструкций должны направляется на ликвидацию мест возможной концентрации напряжений, включая резкие переходы сечений, сварные швы, технологические отверстия и т.д. [85,93]. Повсеместное внедрение новейшей компьютерной техники, использование нового программного обеспечения, расширяют возможности конструкторов, как следствие качество проработанности более нового оборудования должно повышаться.
Климатические факторы проявляют себя в снижении вязких свойств металла под воздействием отрицательных температур. Этому же способствуют дополнительные неблагоприятные воздействия среды, связанные с ростом скорости ветра, относительной влажности воздуха, резких амплитуд колебания температур. С целью уменьшения непосредственно данного аспекта на вероятность хрупких разрушений могут применяться актированные простои оборудования. Кроме того, в частности для используемых Удачнинским ГОКом гидравлических экскаваторов H285S и H135S, фирмой производителем было предложено использование специальных средств для создания зон микроклимата. Данные средства представляют собой тент, устанавливаемый над экскаватором и калориферы, поднимающие температуру внутри тента. Названные способы нельзя считать решениями, снимающими проблему воздействия климатических факторов на хладноломкость металлоконструкций экскаватора.
Применение актированных простоев влечет за собой материальные потери производства, невозможность проведения, отгрузки горной массы, как следствие нарушение цикла работы обогатительной фабрики. Кроме того, возникает вопрос, какой именно период нужно актировать, если снижение показателей надежности наблюдается практически весь зимний период, а в условиях Севера это большая часть года. Актирование всего периода нанесет потери производству явно превышающие те убытки, которые принесут возможные отказы.
Второй, описанный выше способ, может применяться лишь в отдельных случаях, например при проведении ремонтных работ. Его недостатками являются значительное повы шение потребления электроэнергии, необходимое для обогрева большого объема воздуха, а также невозможность полноценного использования техники.
В целом на сегодня нет способов изолировать горное оборудование, работающее в холодном климате, от влияния низких температур.
Активным фактором, определяющим процесс хладноломкости конструкций, является уровень нагрузок. Нагрузки формируют напряжения в локальных объемах конструкций, которые и являются основной причиной возникновения и развития хрупких трещин. Значит, интенсивность напряжения зависит не только от созданной нагрузки, в данный конкретный момент времени, но и от размеров уже сформировавшихся микротрещин. Поэтому разрушение конструкции может произойти не только в момент, когда ударная вязкость снизится до критических значений, вследствие низких температур, но и при превышении размеров трещины, изменении направления напряжения, относительно вершины трещины, в результате которого увеличится напряжение в ее вершине свыше допустимых значений.
Учитывая данные факты, необходим контроль за состоянием конструкций. К сожалению практика, показывает, что периодические осмотры, проводимые рабочим персоналом, не ликвидируют вероятность хрупких разрушений. Выявить возникающие микротрещины в узлах экскаватора чрезвычайно сложно. Выявить же трещины, зарождающиеся внутри металла можно лишь используя достаточно дорогостоящие методы дефектоскопии, например, рентгеноскопию, что в ходе периодических осмотров оборудования, практически неосуществимо, по крайней меры в настоящее время. В общем, контроль за состоянием металлоконструкций нужен, он периодически проводится. Но, несмотря на это, хрупкие разрушения металлоконструкций происходят. Поэтому необходимо изыскание бо);ее эффективных и технологичных методов защиты от хрупких разрушений.
Состояние забоя зависит от качества буро - взрывных работ и его смерзания. Взрывные работы проводятся в отдельные дни, их проведение требует приостановки всех погрузочных работ, а также вывода рабочего персонала и перегона оборудования из опасной зоны. В последующие дни, после проведения взрывных работ, порода смерзается, и при ее черпании на металлоконструкции экскаватора создаются дополнительные нагрузки. За качеством проведения взрывных работ ГОСГОРТЕХНАДЗОР осуществляет контроль, но устранить такое явление, как смерзание грунта в настоящее время невозможно. Поэтому рассматривать данный путь снижения нагрузок на узлы экскаватора мы не будем.
Известно, что на нагрузки в узлах влияет температура в них. Были попытки применять различные устройства для обогрева металлоконструкций горного оборудования, они доста точно подробно освещены в литературе [49,50,52,85]. Общим недостатком подобных устройств, является большой расход энергии, направленной на обогрев и, как следствие, удорожание эксплуатации. В настоящее время данные устройства практически не применяются.
Снижение нагрузок на металлоконструкции возможно также снижением загрузки приводов экскаваторов. Это направление также широко освещено в литературе. Известно что, нагрузки имеют как статический, так и динамический характер. Причем, динамические нагрузки, испытываемые рабочим оборудованием экскаватора, хотя и занимают лишь отдельные промежутки времени в процессе черпания породы, но их величина, может значительно превышать статические. Поэтому именно динамические нагрузки, имеющие периодический сложно описываемый характер, формируют наибольшие напряжения в узлах и металлоконструкциях.
Возникающие в металлоконструкциях карьерных экскаваторов динамические нагрузки исследуются как моделированием, так и экспериментально. В различных исследованиях, на основе осциллограмм изменения нагрузок, возникающих при разработке экскаваторами тяжелых скальных пород в механизмах подъема и напора, а также их металлоконструкциях, было установлено что, значительные увеличения напряжений изгиба в вертикальной плоскости и нагрузок в подъемных канатах в начале и в конце копания [18,20]. Так же экспериментально установлено, что при разработке грунтов до III-IV группы без крупных каменистых включений существенных динамических нагрузок не возникает [20]. В большинстве случаев грунты на месторождениях полезных ископаемых более прочные, и при их разработке рабочее оборудование испытывает существенные динамические нагрузки. Причем при увеличении прочности грунтов, нагрузки увеличиваются, максимальные нагрузки возникают при упоре ковша в препятствие. Значительные динамические нагрузки возникают также при разгоне и стопорений приводов. Максимальные динамические нагрузки превышают стопорные статические в « 1,6 и 2 раза [20,88]. Динамические процессы в экскаваторах формируются под влиянием, как внешних динамических нагрузок, так и динамики элементов конструкции.
Внешними нагрузками для узлов экскаватора являются движущие или тормозящие усилия, создаваемые двигателями и тормозами приводов, а также внешним сопротивлением, возникающим на рабочем органе.
Сопротивление на рабочем органе зависит как от категории разрабатываемого грунта, так и от конструктивных особенностей рабочего оборудования, - так для сглаживания динамических нагрузок в конструкцию рабочего оборудования и его приводов вводились различные демпфирующие устройства. Их конструкции описываются во множестве научных статей и книг. Подобные устройства можно подразделить на два типа: сглаживающие колебания, вставки с определенной жесткостью; и упругие вставки, резко меняющие собственную жесткость, при превышении допустимой нагрузки (демпферы).
