Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Состояние проблемы. Цели и задачи исследования. Состояние проблемы .7
Цели и задачи исследования 15
ГЛАВА 2. Изучение причин разрушения металлоконструкций фронтального погрузчика L- 1100.
2.1. Надёжность металлоконструкций фронтальных погрузчиков в условиях суточных колебаний отрицательных температур воздуха 16
2.2. Корреляционно-регрессионный анализ причин разрушений металлоконструкций ковша .20
2.3. Анализ причин разрушения металлоконструкции ковша фронтальных погрузчиков L-1100 при колебаниях термических напряжений .28
Выводы 37
ГЛАВА 3. Анализ процесса возникновения термических напряжений в металлоконструкции ковша при суточных колебаниях отрицательной температуры .
3.1. Конечно-элементное моделирование для решения тепло-прочностных за-дач 38
3.2. Конечно-элементная модель ковша фронтального погрузчика для расчёта термических напряжений при суточных колебаниях температур воздуха .56
3.3. Анализ полученных результатов конечно-элементного моделирования и их сходимости 60 Выводы 65
ГЛАВА 4. Анализ и разработка метода формирования сигнала ограничения предельно допустимой нагрузки на металлоконструкции рабочего оборудования фронтальных погрузчиков .
4.1. Существующие методы ограничения предельно допустимой нагрузки учитывающие влияние погодно-климатических факторов 66
4.2. Разработка структурной схемы блока формирования сигнала ограничения предельно допустимой нагрузки. Определение рационального параметра для контроля влияния суточных колебаний температуры .69
4.3. Ожидаемый экономический эффект от реализации предлагаемого реше-ния .75 Выводы 80
Заключение .81
Библиографический список
- Корреляционно-регрессионный анализ причин разрушений металлоконструкций ковша
- Анализ причин разрушения металлоконструкции ковша фронтальных погрузчиков L-1100 при колебаниях термических напряжений
- Конечно-элементная модель ковша фронтального погрузчика для расчёта термических напряжений при суточных колебаниях температур воздуха
- Разработка структурной схемы блока формирования сигнала ограничения предельно допустимой нагрузки. Определение рационального параметра для контроля влияния суточных колебаний температуры
Корреляционно-регрессионный анализ причин разрушений металлоконструкций ковша
Развивающаяся горнодобывающая промышленность в регионах Восточной Сибири и Севера требует использования высоконадежной техники. Для этих районов страны свойственно неблагоприятное воздействие отрицательных температур [15]. Неблагоприятное воздействие этого климатического фактора сказывается на надежности горнодобывающего оборудования увеличением количества хрупких разрушений металлоконструкций машин, нарушения работы электрического, гидравлического и остального оборудования. В условиях отрицательных температур воздуха также возрастает трудоемкость и продолжительность выполнения ремонтных работ [55,56,57,63]. Для обеспечения требуемой производительности
Выполнение горнодобывающего предприятия в условиях суровых погодно-климатических условиях выполняется мероприятия по увеличению: - производственной мощности ремонтных баз; - количества обслуживающего персонала; - парка машин.этого в последствии приводит к дальнейшему снижению эффективности использования горнодобывающего оборудования. Большая продолжительность плановых и неплановых ремонтов есть основная причина снижения производительности горнодобывающих предприятий Севера. Неблагоприятное воздействие отрицательных температур продолжается почти в течении полугодового периода [38].
Решению проблемы повышения надежности горнодобывающего оборудования посвящено огромное количество работ. В развитие в данном направлении существенный вклад внесли работы Подерни Р.Ю., Коха П.И., Солода В.И., Солода Г.И., Болотина В.В., Когаева В.Г., Махутова Н.А., Махно Д.Е., Шадрина А.И., Кулешова А.А., Когана Б.И., Гетопанова Е.Н., Шпильберга И.Л., Спива-ковского А.О., Хромого М.Р., Насонова М.Ю., Морозова В.И и других. О том, что на надежность карьерных экскаваторов оказывают неблагоприятное воз действие погодно-климатические факторы отмечается в работах [38, 39, 40, 42, 57].
Повышение эффективности использования горнодобывающего оборудования выполняется следующими методами: оценка рациональности срока службы; разработка технологических карт технического обслуживания и ремонта; обоснование потребности в запасных частях для технического обслуживания и ремонта с оптимальным риском их дефицита; автоматическое регулирование предельно допустимой нагрузки приводов и механизмов горных машин в зависимости от температуры окружающего воздуха; использование средств и методов неразрушающего контроля и мониторинг технического состояния машин; разработка технологии восстановления узлов металлоконструкций горных машин с применением программных продуктов конечно-элементного анализа и средств технической диагностики; оптимизация структуры и ремонтного производства горных предприятий с учетом территориальности, специализации и кооперации ремонта [56,58,61,96] и т.д.
То как можно правильно оценить рациональность срока службы горных машин эксплуатирующийся в регионах с холодным климатом является очень важным вопросом. Это отражено в ряде работ [19,36,39,40,59,60,80,98]. В северных регионах стоимость эксплуатации оборудования в несколько раз превышают уровень подобных затрат в средних широтах страны. Время проведенное в ремонтах может доходить до одной третей части всего календарного времени года. Для поддержания оборудования в работоспособном состоянии в зимний период затраты увеличиваются на 20-50%. Сказывается и то, что горные предприятия удалены от транспортных путей. Накладные расходы из-за этого могут доходить до 900% [57].
Исследования в целях оценки рациональности сроков службы направлены на прогнозирование трудоемкости и стоимости ремонтов с учетом бедующих условий эксплуатации оборудования.
Вопрос определения эффективного срока службы и обновления горного оборудования дают методики представленные в работе [5]. Проведенные исследования в этом направлении позволили выявить, что размер амортизационных отчислений не оказывает влияние на рациональный срок службы машин и то, что наибольшее влияние на рациональный срок службы до момента списания техники оказывают расходы на техническое обслуживание и ремонт. Рациональный срок службы оборудования карьеров определяется по минимальному значению динамического критерия суммарных удельных затрат [56, 96].
Изучением того, как низкие температуры оказывают неблагоприятное воздействие занимался П.И. Кох. Представленная в его труде [40] схема воздействия низких температур воздуха на свойства материалов и отказы машин изображена рисунке 1.1.
Так же имеется схема комплексного воздействия основных климатических факторов внешней среды на свойства материалов и виды отказов машин (рисунок 1.2 [40]. Рис. 1.2 - Структурно логическая схема взаимосвязи хладноломкости конструкций экскаваторов с комплексом влияющих факторов
Представленными схемами характеризуется действие климатических факторов. Отрицательная температура воздуха оказывает действие на технику снижая ударную вязкость металла [21,46,49,50,53,61,68,75]. При суточных перепадах температуры воздуха в металлоконструкциях возникают термические напряжения [91]. Холодный климат как же воздействует на обслуживающий персонал. Это выражается резким увеличением проведения ремонтных работ.
Снижение величины ударной вязкости приводит к повышению вероятности возникновения хрупкого разрушения металлоконструкций [66]. Процесс хрупкого разрушения металлов начинается с образования микротрещины, которая затем переходит в магистральную, разрушая металлоконструкцию [79,92]
Так же нужно учитывать то, что низкие температуры приводят к изменениям горногеологических условий разработки полезных ископаемых при открытом способе. В результате смерзания грунта увеличивается его предел прочности, приводит к повышению нагрузок на рабочее оборудование экскаваторов и погрузчиков.
Анализ причин разрушения металлоконструкции ковша фронтальных погрузчиков L-1100 при колебаниях термических напряжений
Как видно по графикам, относительная частота отказов металлоконструкции стрелы резко увеличивается при -20С и остается практически не изменой при дальнейшем снижении температуры. График изменения относительной частоты отказов ковша имеет пик в диапазоне от -10 до -25С. Затем с понижением температуры наблюдается увеличение относительной частоты отказов при значениях температуры ниже -35С. Резкое увеличение относительной частоты отказов рукояти происходит при температуре ниже -30С. Такие варианты распределения относительной частоты отказов можно пояснить тем, что причиной разрушений металлоконструкций рабочего оборудования экскаваторов ЭКГ в весенний период является не термические напряжения вызываемые неравномерным распределением температурного поля в металлоконструкции, а напряжения возникающие в местах сварки и наплавки металла или в областях находящихся в близи от них. Металл, из которого выполнена стрела и рукоять обладает достаточно большой теплопроводностью, а так же эти металлоконструкции не являются толстостенными. Поэтому при быстрых изменениях температуры в металлоконструкции стрелы и рукояти не могут возникать температурные градиенты приводящие в появлению значительных величин термических напряжений. Стрела и рукоять сварены из разных металлов. Стрела изготовлена из стали 25Л – литые вставки, и стали 10ХСНД – балки. Места стыка разных по свойствам сталей являются концентраторами термических напряжений второго рода. Для металлоконструкции ковша могут быть опасными оба рода термических напряжений. Ковши экскаваторов ЭКГ выполняются из стали 110Г13Л. Эта сталь устойчива к удару и истиранию однако она обладает относительно низкой теплопроводностью 13 Вт и большим коэффициентом те м2 С плового расширения 23,1-10" /С[94,95]. При таких свойствах в металлоконструкции ковша возможно возникновение значительных термических напряжений при быстром изменении температуры окружающей среды. Металл ковша экскаватора ЭКГ при износе для продления срока эксплуатации также наплавляется. Если рассматривать это с позиции масштабного фактора, то в случае металлоконструкции стрелы и ковша он выражен в наибольшей степени так, как у этих конструкций присутствует большое количество нагруженных областей с неравномерным распределением свойств металла. Как в стреле так и в ковше по мере увеличения срока эксплуатации накапливается количество зон с неравномерным распределением свойств материала в виде сварных швов или мест наплавки металла и тем самым повышается чувствительность к суточным колебаниям отрицательных температур.
Ковш фронтального погрузчика также подвержен влиянию масштабного фактора. Здесь зоны наплавки металла и сварных швов располагаются по всему днищу. Площадь днища ковша фронтального погрузчика составляет около 6,40м2.
Общеизвестно, что термические напряжения так же, как и напряжения, возникающие от механических нагрузок приводят к усталости металла. Термическая усталость является более сложным процессом так, при циклическом изменении термических напряжений происходит одновременное изменение температуры. При нагреве и охлаждении происходит изменение расстояния между атомами и как следствие физико -механических свойств металла; величины объема металлоконструкции. При быстром изменении температуры окружающей среды и местном нагреве или охлаждении возникает неравномерное деформирование слоёв металла друг относительно друг друга [84]. Как писал Панасюк [69] многочисленные исследования изменения трещиностойкости материалов от температуры являются основой для построения температурных зависимостей этих характеристик, необходимых для выбора материала и расчёта элементов конструкций на хрупкую прочность в условиях низких температур. Неравномерное тепловое расширение в общем случае не может происходить свободно в сплошном теле. Оно вызывает тепловые напряжения, которые сами по себе и в сочетаниями с механическими напряжениями от внешних сил могут способствовать появлению трещин и разрушению конструкций из материала с повышенной хрупкостью. Поэтому знание зависимости трещиностойкости материала от температуры, величины и характера действия тепловых напряжений необходимо для полного анализа прочности конструкций.
Еще сложнее вопрос оценки надежности металлоконструкции состоит когда периодически изменяющимся термическим напряжениям при отрицательной температуре воздуха подвергается сварной шов или место наплавки металла. Для зоны сварного шва характерно неравномерное распределение свойств металла. Строение сварного шва показано на рисунке 2.11. Зона наплавленного металла образуется в результате смешивания присадочного и отчасти основного металлов в жидком состоянии. При расплавлении металла образуется жидкая ванночка, а затем по мере охлаждения происходит его затвердевание. В зоне сплавления происходит кристаллизация зерен, которые принадлежат основному и наплавленному металлу. Размерность зоны сплавления оценивается микронами, однако ее значение на работоспособность сварного шва очень велико. Именно в этой зоне наиболее часто появляются трещины. Считается, что имеющееся различие по химическому составу приводит к значительным структурным напряжениям, которые в последствии вызывают трещины. Далее располагается зона термического влияния. Такая зоны образуются в объеме основного металла. При воздействии быстрого нагрева и охлаждения происходят структурные изменения металла в области термического влияния при этом химический состав металла [74].
Конечно-элементная модель ковша фронтального погрузчика для расчёта термических напряжений при суточных колебаниях температур воздуха
Для того чтобы теплота распространялась обязательным условием является неравномерное распределение температуры в системе, то есть температурный градиент должен быть отличен от нуля.
В основном законе теплопроводности, который установлен Фурье, говорится, что количество тепла, переданное через элемент изотермической поверхности за временной интервал, пропорционально температурному градиенту. Сказанное описывается следующей формулой: dFdr, (3.3) где QT- есть тепловой поток; Л - коэффициент теплопроводности; — - градиент температуры; F - площадь элемента изотермической поверхности. Количество теплоты, передаваемое через единицу площади изотермической поверхности, называется плотностью теплового потока. dFdT ( )
Ещё одним теплофизическим параметром вещества является коэффициент температуропроводности. Его необходимо знать при расчёте нестационарных тепловых процессов. Коэффициент температуропроводности - это мера тепловой инерционности свойств тела. Коэффициент температуропроводности равен отношению теплопроводности к объёмной теплоёмкости при постоянном давлении: а = Л/(р-с), (3.5) где с - удельная массовая теплоёмкость, р - плотность вещества, кг/м3. Измеряется коэффициент температуропроводности в м2/с [31]. Тепло-прочностные расчеты, представленные в работе, выполнялись применением конечно-элементного моделирования в программной среде Ansys. Метод конечных элементов основан на том, что геометрическую модель как простой так и сложной формы можно представить набором элементов аппроксимирующих её [29,83].
В основе теплового анализа в Ansys лежит первое начало термодинамики устанавливающее, что внутренняя энергия системы является однозначной функцией её состояния и изменяется только под влиянием внешних воздействий [6]. В тепловом анализе выполняется решения уравнение следующего вида: [СI{Т}+[K].{T}={Q},(3.6) где [C] - матрица удельных теплоемкостей; {T }- производная по времени температуры в узле; [K]- матрица эффективной теплопроводности; {T}- вектор узловых температур;{Q}- вектор эффективного теплового потока в узле.
Программа Ansys позволяет выполнять расчёт стационарных и нестационарных тепловых задач. При этом возможен учёт нелинейного изменения свойств материала в зависимости от величины температуры. Стационарные линейные задачи рассчитываются в одну итерацию, а нелинейные стационарные и нестационарные более одной.
При выполнении совместного расчёта тепловой и прочностной задачи в Ansys возможны два варианта проведения вычисления. Первый вариант представляет собой одновременное решение тепловой и прочностной части задачи. При этом в процессе решения температура и деформации вычисляются одновременно. Этот вариант используется для расчётов моделей, в которых ожидаются большие перемещения. Примером может служить расчёт модели где происходит нагрев металлических пластин за счёт трения друг о друга [2]. Далее в работе рассматриваются модели, где расчёты выполнены последовательно то, есть сначала выполнен тепловой расчёт, а затем данные о распределении температурного поля в автоматическом режиме переданы в прочностную часть задачи, где согласно возникающим температурным деформациям рассчитываются напряжения. Кроме того, возможно получить значения напряжений возникающих от совместного действия температурных полей и механических нагрузок [44,99].
При проведении теплового анализа в Ansys используются следующие конечные элементы: - Solid87 и Solid90 – для моделирования твёрдых объёмных тел. Эти элементы могут быть формы тетраэдра с пятью или десятью узлами и гексаэдра с восемью или двадцатью узлами; - Shell57 – это четырёх и восемью узловые оболочечные элементы называющиеся ещё поверхностными телами; - Link33 – это линейные тела двух узловые линейные конечные элементы; - Conta174 и Targe170 – это контактные элементы [8,9,97]. Для выполнения тепло-прочностного расчёта модели ковша необходимо учитывать два вида теплообмена это теплообмен теплопроводностью и конвекцией. Эти оба вида теплообмена реализованы в Ansys.
Конвекция – это процесс передачи теплоты при перемещении жидкой или газообразной среды из одной точки пространства в другую. Если передача теплоты происходит и конвекцией, и теплопроводностью от этот процесс называется конвективным теплообменом. Конвективный теплообмен обусловлен большим количеством факторов: в том числе формой и размером тела, величиной температуры и характера потока среды, омывающей поверхность тела [10]. При выполнении расчётов на модели ковша в Ansys конвективный теплообмен учитывался коэффициентом [44,99].
Величины термических напряжений зависят от относительного расширения или сжатия близ лежащих областей металла возникающего из-за неравномерного распределения температурного поля. Возникающие деформации в этом случае можно определить по следующей зависимостью: et=at (t 2-h),Q6) где t\ - температура первой изотермы; = К + — А/ - температура второй изотермы; А/ - расстояние между изотермами; oct - коэффициент теплового линейного расширения. Величина термических напряжений может быть определена по формуле: crтер=±-AtatE, (3.7) где At - это градиент температуры; Е - модуль упругости Знаку «-» соответствуют нормальные напряжения растяжения, а «+» напряжения сжатия [64,70,81,84]. Перед выполнением конечно-элементной модели ковша фронтального погрузчика в качестве тестовых моделей и для отработки методики моделирования выполнены разнообразные примеры конечно-элементных моделей для решения тепловых и тепло-прочностных задач. Проработаны модели для расчёта: - температуры поверхностей и центра металлического слитка в различные моменты времени после помещения его в среду с температурой отличной от температуры слитка; - коэффициентов интенсивности напряжений в вершине трещины расположенной в центре прямоугольной металлической пластины при условии, что температура краёв пластины отлична от температуры берегов трещины; - коэффициентов интенсивности напряжений в вершине дискообразной трещины, расположенной параллельно границе полупространства и возмущающей равномерный тепловой поток.
При быстром изменении температуры воздуха в металлоконструкции ковша возникают не стационарные температурные поля, под действием которых образуются и изменяются термические напряжения. Для отработки методики моделирования нестационарных тепловых процессов при конвективном теплообмене выполнена, конечно-элементная модель металлического слитка позво ляющая рассчитать температуру его поверхностей и центра в различные моменты времени после помещения его в среду с температурой отличной от его начальной. Граничные условия при моделировании заданы согласно аналитическому примеру нестационарного теплового расчёта из задачника по теплопередаче под редакцией Краснощекова Е.А. со страницы 46 [45]. Геометрическая модель представляет собой параллелепипед с размерами 200400500 мм. Коэффициент теплопроводности стали равен 37
Теплообмен конвекцией с окружающей средой происходит по всем поверхностям слитка. Начальная температура металлического слитка составляет 20 С. Слиток помещён в печь, где величина температуры составляет 1400 С. В результате проведённого расчёта получены значения температуры в центре слитка и в центрах его поверхностей через 1,5 часа после загрузки в печь. Картина распределения температурных полей через 1,5 часа после помещения слитка в печь представлена на рис 3.3.
Разработка структурной схемы блока формирования сигнала ограничения предельно допустимой нагрузки. Определение рационального параметра для контроля влияния суточных колебаний температуры
Предлагается учитывать все перечисленные пого дно-климатические факторы при помощи одного датчика температуры металла по следующим причинам: - это позволит наиболее точно учитывать влияние всех трёх погодно-климатических факторов; - это приведёт к упрощению системы формирования сигнала ограничения предельно допустимой нагрузки, тем самым уменьшит её стоимость и повысит надёжность; - это позволит значительно упростить наладку системы формирования сигнала ограничения предельно допустимой нагрузки.
Устройство регулирования предельно допустимой нагрузки, снижающее вероятность хрупких разрушений конструкций, требует специального автоматического режима управления в силу переменного влияния колебания температуры и величины её отрицательного значения. Предложенная структурная схема устройства формирования сигнала ограничения предельно допустимой нагрузки предусматривает использование только одного датчика температуры металла учитывавшего влияние, как уровня отрицательной температуры, так и амплитуды её суточных колебаний, что выгодно отличается от ранее известных систем. Это упрощает техническую реализацию предложенной схемы. Дальнейшая разработка устройства автоматического регулирования величины предельно допустимой нагрузки видится в рекомендованном направлении продолжения данной работы рациональность и перспективность, которой доказана результатами проведённых исследований. 4.2 Ожидаемый экономический эффект от реализации предлагаемого решения
Регулирование предельно допустимой нагрузки с учётом влияния суточных колебаний отрицательных температур приведет к снижению производительности фронтальных погрузчиков. Однако при этом снизится вероятность возникновения разрушений рабочего оборудования в результате чего снизится количество неплановых простоев.
Так в результате внедрения предложенного алгоритма регулирования предельно допустимой нагрузки ожидаются как положительные так и отрицательные следствия, то требуется провести оценку экономического эффекта с их учетом.
Расчёт выполнялся согласно методике представленной в [56] Критерий эффективности ограничения загрузки приводов имеет вид ( V 1,V2 - объём работ выполняемых погрузчиком, соответственно при обычном и регулируемом режиме функционировании приводов, м3; СI ,CII - затраты на ремонты в сравниваемые варианты, руб.; Cп- постоянные годовые затраты на содержание экскаватора; Спер- переменные затраты на содержание экскаватора приходящиеся на один машино-час, руб./ч; Tм1,Tм2- фонд времени работы погрузчика соответственно при обычном и регулируемом режимах работы приводов, ч.
Затраты на неплановые ремонты погрузчиков устанавливались на основе суммарной продолжительности ликвидации отказов механической части машины и усреднённой стоимости одного часа ремонта экскаватора: СI=TIр-C, СII =TI Iр -C, (4.3) Tр, Тр - продолжительность ликвидации отказов механической части экскаватора соответственно при обычном и регулируемом режимах работы при приводов, ч; C- стоимость 1 ч ремонта механической части погрузчика, руб./ч.
При снижении предельно допустимой нагрузки в период колебания отрицательных температур воздуха произойдёт сокращение затрат времени на неплановые ремонты рабочего. Машинный фонд времени экскаватора в течение рассматриваемого периода определяется как: где К lt- снижение производительности погрузчика за весь период эксплуатации; Кь+&їу - снижение производительности погрузчика за периоды комплексного воздействия отрицательной температуры и её суточного перепада; Ти+Му- среднестатистическая продолжительность воздействия комплексного воздействия отрицательной температуры и её суточного перепада; ТYt- продолжительность периода.
Так как в летний период, выполнение регулирования предельно допустимой нагрузки не предусмотрено, то изменение производительности будет происходить только в зимний период. Производительность в зимний период, с выполнением регулирования предельно допустимой нагрузки определяется по формуле: где рз1 - производительность в зимний период с регулированием предельно допустимой нагрузки; KpZ- коэффициент, учитывающий снижение производительности в связи со снижением предельно допустимой нагрузки; рз2 - производительность в период колебания отрицательных температур при выполнении регулирования предельно допустимой нагрузки.
Среднестатистическая техническая производительность при реагировании предельно допустимой нагрузки при использовании метеоданных за 2000-2003 годы. 100% 535дн + 94% 41 \дн + 88% 30дн + 82% 2\дн + 74% 1 \дн + 68% \2дн (47) рЕ 1054 Согласно выполненным расчётам, техническая производительность погрузчика при выполнении регулирования предельно допустимой нагрузки снизится на 4 процента. Уровень надежности рабочего оборудования при этом повысится до величины летнего периода. Продолжительность неплановых ремонтов механической части погрузчика том определяется по следующей формуле: Том=Том\-То.р.о, (4.8) где Торо- продолжительность неплановых ремонтов механической части погрузчика при выполнений регулирования предельно допустимой нагрузки; Том1 - продолжительность неплановых ремонтов механической части погрузчика без выполнения регулирования предельно допустимой нагрузки; Торо продолжительность неплановых ремонтов рабочего оборудования. Машинный фонд времени погрузчика при выполнении регулирования предельно допустимой нагрузки изменяется на величину простоев в ремонтах рабочего оборудования и определяется как: Тм2=Тм1+Т о, (4.9) где тм1 - машинный фонд времени погрузчика без выполнения регулирования величины предельно допустимой нагрузки; тм2 - машинный фонд времени погрузчика при выполнении регулирования предельно допустимой нагрузки. Тм2=Тм1+Торо =4791 + 216,7 = 5041,4часов. , (4.10)
