Содержание к диссертации
Введение
1. Цель и задачи исследования 10
1.1.. Условия эксплуатации горного оборудования на угольных разрезах Якутского каменноугольного бассейна 10
1.2. Особенности работы металлоконструкций горного оборудования в условиях низких отрицательных температур 14
1.3. Основные виды разрушений узлов металлоконструкций горно-транспортного оборудования 20
1.4. Концентрация напряжений в сварных соединениях 30
1.5. Влияние дефектов на механические свойства сварных соединений и их работоспособность 42
1.6. Анализ работ по ремонту металлоконструкций горного оборудования 49
1.7. Задачи исследования 56
Выводы 57
2. Методика определения влияния параметров режима ремонтной сварки на работоспособность металлоконструкций горно-транспортного оборудования, эксплуатируемого в условиях Севера 59
2.1. Выбор основного металла для ремонта металлоконструкций горно-транспортного оборудования, эксплуатируемого при низких температурах 59
2.2. Выбор сварочных материалов для ремонтной сварки металлокон- струкций горн о-транспортного оборудования, работающего в условиях отрицательных температур 61
2.3. Пространственные положения ремонтной сварки металлоконструкций в полевых условиях 64
2.4. Подбор теплового режима ремонтной сварки металлоконструкций при низких температурах 70
2.5. Методы контроля качества сварных соединений и их испытания.. 73
Выводы 84
3. Исследование влияния параметров режима сварки на работоспособность сварных соединений металлоконструкций горного оборудования 86
3.1. Влияние сварочных материалов на работоспособность сварных соединений
3.2. Влияние пространственного положения сварки на работоспособность сварных соединений 89
3.3. Влияние основного металла на служебные свойства сварных соединений 90
3.4. Влияние теплового режима сварки на дефектность сварных соединений 92
3.5. Влияние температуры окружающей среды на дефектность и работоспособность сварного соединения 94
Выводы 95
4. Разработка рекомендаций по повышению работоспособности сварных соединений металлоконструкций горного оборудования 97
Совершенствование технологии ремонта металлоконструкций горного оборудования в условиях отрицательных температур 97
4.1. Выбор сварочных материалов при проведении ремонтной сварки металлоконструкций горно-транспортного оборудования 99
4.2. Выбор теплового режима ремонтной сварки металлоконструкций горно-транспортного оборудования, работающего на Севере 100
4.3. Конструктивно - технологические мероприятия по повышению работоспособности сварных соединений металлоконструкций горно-транспортного оборудования 102
4.4. Дополнительные требования к квалификации сварщика для проведения ремонтной сварки металлоконструкций в условиях карьера 106
4.5. Разработка комплекса организационно-технических мероприятий для повышения работоспособности сварных соединений металлоконструкций горно-транспортного оборудования и оценка их экономической эффективности 107
Выводы 110
Заключение 112
Библиографический список 114
Приложения 122
- Условия эксплуатации горного оборудования на угольных разрезах Якутского каменноугольного бассейна
- Выбор основного металла для ремонта металлоконструкций горно-транспортного оборудования, эксплуатируемого при низких температурах
- Влияние сварочных материалов на работоспособность сварных соединений
Введение к работе
В настоящее время открытый способ добычи полезных ископаемых развивается по пути, характеризуемом ростом производительности предприятий, увеличением коэффициента вскрыши, объема работ экскавации; открытые разработки продвигаются в отдаленные районы Севера с суровыми климатическими условиями. Наблюдается рост удельного веса добычи угля открытым способом, который составляет на сегодняшний день 45%. В связи с этим создаются благоприятные условия для применения горно - транспортного оборудования высокой производительности.
Задачи повышения работоспособности и долговечности карьерного оборудования продиктованы совершенствованием и развитием разработки полезных ископаемых в районах Крайнего Севера и Сибири. На таких предприятиях, как ОАО ХК «Якутуголь», АК «АЛРОССА» все в большей степени находит применение оборудование большой мощности со сложной конструкцией машин, эксплуатируемых в тяжелых климатических условиях при длительном воздействии низких отрицательных температур. Таким образом, из соответствующих условий эксплуатации вытекают особые требования к конструкции машин и механизмов, где необходимо учесть такие факторы как: дополнительные нагрузки, возникающие в результате смерзаем ости грунта; значительное снижение свойств стали под влиянием низких температур. Работа горного оборудования связана с нестабильностью горнотехнических условий, с нагрузками, имеющими знакопеременный и ударный характер, с наличием вибраций, высокими влажностью и запыленностью воздуха, а также резкими перепадами температуры. Все перечисленные условия работы оборудования приводят к снижению производительности, а также повышению трудоемкости технического обслуживания и ремонта техники.
Недостаточная долговечность и малоэффективность технического обслуживания и ремонта горно - транспортного оборудования приводит к тому, что фактически простои в ремонте более чем в три раза превышают нормативные. Расходы на содержание и ремонт техники в Северных районах превышают аналогичные расходы в средней полосе страны в 2 — 6 раз, что объясняется снижением уровня работо-
способности, приводящему к сокращению ремонтного цикла и удорожанию ремон-* тов в целом.
Наиболее трудоемким процессом на открытых разработках является ремонт оборудования, на который из всех общих затрат по добыче полезных ископаемых отводится третья часть. Доля операций, выполняемых вручную, составляет до 76%, т.е. уровень механизации очень низкий. В ремонте задействовано от 18% до 30% рабочих списочного состава.
Анализ простоев горно - транспортного оборудования показал, что время его % работы составляет порядка 40% календарного фонда, на долю неплановых простоев приходится почти 25%. Из внеплановых простоев основная часть отказов приходится на механическое (примерно 48%) и электрическое (49%) оборудование. Основными составляющими простоев механического оборудования являются: простои металлоконструкций (порядка 45%), редукторов (почти 33%) и около 18% приходится на отказы зубчатых передач. Отказы металлоконструкций горно — транспортного оборудования в основном обусловлены разрушением сварных соединений.
Эксплуатация металлоконструкций горно - транспортного оборудования в ус-4f ловиях отрицательных температур характеризуется низкой работоспособностью и малым сроком службы, что, в свою очередь, требует больших, а зачастую и неоправданных трудовых и материальных затрат на ремонты. Все перечисленные факторы ставят во главу угла проблему повышения надежности и долговечности металлоконструкций горно - транспортного оборудования, работающего в условиях Севера.
Целью работы является разработка технологии ремонтной сварки, обеспечивающей повышение работоспособности металлоконструкций горно-транспортного оборудования, эксплуатируемого в условиях низких температур.
Идея работы заключается в разработке методики исследования влияния параметров режима ремонтной сварки на работоспособность сварных соединений металлоконструкций горно-транспортного оборудования; установления влияния сварочных материалов, теплового режима, технологического процесса на дефектность сварных швов; разработке по результатам проведенных исследований комплекса организационно-технических мероприятий по улучшению ремонтной сварки в услови-ях карьера с оценкой экономической эффективности в результате внедрения.
Задачи исследований:
статистический анализ разрушений металлоконструкций горнотранспортного оборудования, эксплуатируемого в условиях низких температур с учетом особенностей их работы, концентрации напряжений и различных дефектов. Определены основные виды разрушений и причины их возникновения;
разработка методики определения степени влияния основных параметров режима сварки (химический состав основного металла, тип сварочного материала, пространственное положение, погонная энергия сварки и температура окружающей среды) на дефектность и работоспособность сварных соединений основных несущих узлов;
разработка комплекса организационно - технических мероприятий по совершенствованию технологии ремонтной сварки в условиях карьера металлоконструкций горно-транспортного оборудования и технологических карт ремонта сваркой конкретных узлов и оценка экономической эффективности в результате их внедрения.
Методы исследований, использованные в работе:
лабораторные методы исследования влияния параметров режима ремонтной сварки на количество дефектов в сварном соединении;
методы производственного эксперимента по оценке качества сварных соединений металлоконструкций горно - транспортного оборудования при концентрации напряжений;
пассивные и активные методы экспериментальных исследований при промышленной апробации разработанного комплекса организационно - технических мероприятий по оптимизации режимов ремонтной сварки металлоконструкций горного оборудования, эксплуатируемого в условиях Севера;
- методы анализа наблюдений с использованием регрессионного анализа
Научные положения, выносимые на защиту:
низкая работоспособность и повышение частоты отказов горнотранспортного оборудования на 70% обусловлена разрушением металлоконструкций в зоне термического влияния ремонтных сварных соединений, что вызвано несовершенством технологии ремонтной сварки в условиях карьера;
- разработанная методика позволяет провести соответствующие исследования
и оценить влияние сварочных материалов, основного металла, теплового режима,
пространственного положения сварки на технологическую прочность сварных соединений металлоконструкций горно-транспортного оборудования, эксплуатируемого в условиях Севера;
- разработанный комплекс организационно-технических мероприятий по со
вершенствованию технологии ремонтной сварки металлоконструкций горно
транспортного оборудования, работающего в условиях низких температур, позволя-
^ ет повысить их работоспособность.
Обоснованность и достоверность положений и выводов диссертации определяется представительным объемом статистической выборки (более ста единиц оборудования на протяжении пяти лет) хронометражных наблюдений; применением оборудования, прошедшего государственную поверку; проведением экспериментальных исследований с учетом требований нормативно-технической документации и комплексного характера работы.
Научная новизна работы заключается в следующем:
ф. - показано, что низкая работоспособность и повышение частоты отказов гор-
но-транспортного оборудования на 70% обусловлена низкой трещиностойкостью зоны термического влияния в местах ремонтных сварных соединений;
разработана комплексная методика, позволяющая в условиях карьера определить влияние всех основных параметров технологии ремонтной сварки на работоспособность металлоконструкций горно-транспортного оборудования, эксплуатируемого на Севере;
оценено влияние химического состава основного металла, сварочных материалов, теплового режима и пространственного положения сварки на работоспособность металлоконструкций горно-транспортного оборудования, работающих в условиях низких температур;
- разработана технология ремонтной сварки металлоконструкций горно
транспортного оборудования в условиях карьера при низких температурах.
Практическая ценность и реализация результатов исследования:
- разработан комплекс организационно — технических мероприятий по совер-
шенствованию технологии ремонтной сварки металлоконструкций горнотранспортного оборудования в условиях низких температур, который внедрен на ОАО ХК «Якутуголь», что позволило получить экономический эффект около 14 млн. руб. в год (в ценах 2003г.).
Апробация работы. Основное содержание работы, отдельные ее положения и результаты были доложены и обсуждены на техническом совете ОАО ХК «Якут-щ уголь», на Ученом совете Технического института (филиала) Якутского государственного университета в г.Нерюнгри, на Международной научно - практической конференции «АМТЕСН 2003» (Болгария, г.Варна, Технический университет, 2003г.), на научно - практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых (г.Нерюнгри, ТИ (Ф) ЯТУ, 2003г.), на научно - практической конференции «Пути решения актуальных проблем добычи и переработки полезных ископаемых» (г.Якутск, 2003г.), на II Международной научно-практической конференции «Совершенствование управления научно-техническим прогрессом в современных усло-щ виях» (г.Пенза, 2004г.)
Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, библиографического списка литературы из 104 наименований, 4 приложений, изложенных на 138 страницах.
*
Условия эксплуатации горного оборудования на угольных разрезах Якутского каменноугольного бассейна
В Южно Якутском регионе сконцентрирована большая доля природных ресурсов, изучение, разработка и добыча которых будут способствовать развитию и укреплению экономического потенциала Республики Саха (Якутия) и России в це лом. При освоении месторождений полезных ископаемых в данном регионе приори
тетом пользуется открытый способ разработки, что объясняется спецификой клима
тических, геологических, социальных, экономических и других условий расположе
ния месторождений на территории Южной Якутии.
Ряд факторов обуславливает определенные особенности при формировании парка требуемого оборудования, его эксплуатации и обслуживании.
Одними из таких факторов являются климатические, под воздействием которых происходят изменения свойств материалов, условий работы оборудования и
ухудшаются характеристики техники.
Отдаленность, относительная малонаселенность, высокие затраты труда, недостаточно развитая транспортная сеть, слаборазвитый уровень производственного комплекса, - все это обуславливает формирование особых требований к технике, эксплуатируемой в районах Южной Якутии.
Горно - транспортное оборудование, применяемое в суровых климатических условиях, испытывает повышенный уровень нагрузок, износ основных деталей узлов и механизмов машин носит ускоренный характер.
Специфика условий эксплуатации горно - транспортного оборудования в северных районах в основном заключается в следующем:
- температура окружающей среды в зимний период составляет порой до -60С;
- горная порода характеризуется многолетней мерзлотой;
- высокая абразивность породы;
- высокие темпы разработки месторождений;
- рассосредоточенность горных объектов;
- отдаленность ремонтных баз;
- техническое обслуживание машин и механизмов и материальная обеспечен ность находятся на низком уровне, что продиктовано издержками производства, транспортными расходами, удаленностью от развитых промышленных районов страны.
Тем не менее, не смотря на вышеизложенные факторы, доля применяемой техники достаточно высока. Так, например, на Севере применяется более 600 тыс. щ автомобилей, свыше 250 тыс. тракторов, 6 тыс. экскаваторов, 8 тыс. бульдозеров, 9,5 тыс. кранов и т.д. [42].
Машины не всегда отвечают требованиям ГОСТ 14892 - 68 «Машины, приборы и другие технические изделия, предназначенные для эксплуатации в районах с холодным климатом», т.е. процент поставляемой техники в северном исполнении низок [51]. По конструкции и материалам, применяемое оборудование в исполнении ХЛ составляет около 20%, тогда как основная доля приходится на механизмы и машины стандартного исполнения, применяемые для работы в регионах с умеренным щ климатом [43]. Таким образом, зачастую, требования нормативно - технической документации о поставке в районы Севера машин и механизмов исполнения ХЛ не выполняются, что, в свою очередь, приводит к снижению уровня производительности.
Оборудование, применяемое в условиях Крайнего Севера, неприспособленно к погодно — климатическим условиям. Проблемы, связанные с эксплуатацией, усугубляются также недостаточно развитой ремонтной базой, невысоким уровнем оснащенности ремонтной службы, отсутствием в достаточном количестве квалифици-рованных специалистов. Таким образом, снижается уровень ремонтных работ в целом и увеличиваются материальные затраты.
В Южно — Якутском регионе осеннее — зимний и весенний периоды составляют 9—10 месяцев в году, таким образом, низкие температуры оказывают влияние на свойства грунтов, которые, в конечном итоге, ухудшают эксплуатационные качества горной техники.
Выбор основного металла для ремонта металлоконструкций горно-транспортного оборудования, эксплуатируемого при низких температурах
При ремонте конструкций, их усилении или реконструкции выбор стали имеет особое значение. Для замены поврежденных участков металлоконструкции необходимо применять те же марки стали, из которых изготовлены базовые узлы. При разработке проекта усиления конструкции или при разработке технологии ремонта необходимо учитывать химический состав и механические свойства стали. Для конструкций, эксплуатируемых в условиях Севера, необходимо применять низколегированные стали [19]. Для ремонта металлоконструкций горно-транспортного оборудования, эксплуатируемого при низких температурах можно рекомендовать стали марок состав и механические свойства указаны в таблицах 2.1 и 2.2 [37]). Применение «. низколегированных сталей обусловлено рядом их преимуществ: высокая прочность, относительно низкая стоимость, легкая обрабатываемость (газовая резка), свариваемость.
Необходимо, чтобы в сталях, используемых при отрицательных температурах, возникновение хрупкого разрушения было не только затруднено, но и плохо распространялось.
При использовании низколегированных сталей необходим также тщательный выбор сварочных электродов и технологических режимов сварки, которые обеспечивали бы создание сварных соединений с характеристиками, близкими к свойствам основного металла.
2.2. Выбор сварочных материалов для ремонтной сварки металлоконструкций горно-транспортного оборудования, работающего в условиях отрицательных температур
При выполнении ремонтной сварки в условиях карьера необходим правильный выбор сварочных материалов и их подготовка к проведению сварочных работ. В соответствии с действующими стандартами сварочно-технологические свойства электродов всех типов должны удовлетворять следующим требованиям:
1. Обеспечение стабильного горения дуги и хорошего формирования шва;
2. Получение металла сварного шва заданного химического состава;
3. Спокойное и равномерное расплавление электродного стержня и покрытия;
4. Минимальное разбрызгивание электродного металла и высокая производи тельность сварки;
5. Легкая отделяемость шлака и достаточная прочность покрытий;
6. Обеспечение технологических свойств при сварке;
7. Минимальная токсичность при изготовлении и при сварке.
Металлические электроды для дуговой сварки сталей изготавливают в соответствии с требованиями ГОСТ 9466-75. В зависимости от компонентов, входящих в состав электродных покрытий, для сварки сталей применяются электроды с кислым, целлюлозным, рутиловым и основным покрытием.
Электроды с кислым покрытием пригодны для сварки во всех пространственных положениях переменным и постоянным током и характеризуются достаточно большой скоростью расплавления. Их не рекомендуется применять для сварки сталей, которые имеют повышенное содержание серы и углерода, так как металл шва, выполненный этими электродами чувствителен к образованию кристаллизационных трещин. Поры в швах при сварке электродами с кислым покрытием образуются по следующим причинам: из-за высокого содержания марганца в покрытии; при применении ферромарганца с большим содержанием углерода и кремния; при сварке металла с высоким содержанием кремния. Из электродов с кислым покрытием рекомендуются к применению для сварки металлоконструкций марки АНО-2, СМ-5 и др. Они достаточно технологичны, но наличие оксидов марганца делает их токсичными. Недостатками этих электродов являются пониженная стойкость против образования кристаллизационных трещин, повышенное разбрызгивание металла и выделение в процессе сварки марганцовистых соединений, вредно влияющих на организм человека.
Целлюлозные покрытия состоят из целлюлозы, органической смолы, ферросплавов, талька и др. Эти электроды обеспечивают небольшое разбрызгивание металла и малое количество шлака. Пригодны для сварки во всех пространственных положениях как переменным, так и постоянным током. Недостатком их является то, что они дают наплавленный металл пониженной пластичности. Марки электродов ВСЦ-1, ВСЦ-2, ОЗЦ-1 рекомендуются для сварки неответственных конструкций.
Электроды марок АНО-3, АНО-4, ОЗС-03, ОЗС-4, ОЗС-6, MP-3, МР-4 относятся к электродам с рутиловым покрытием и также могут применяться для сварки металлоконструкций. В своем составе имеют преобладающее количество рутила ТіОг, такие покрытия менее вредны для дыхательных путей сварщика, по сравнению с другими. Рутиловыми электродами можно выполнять швы в любом положении, так как шлак на шве образуется тонкий, быстрозатвердевающий. Сварку производят как на переменном, так и на постоянном токе. Электроды этой группы при сварке мало склонны к образованию пор при изменении длины дуги или по окисленным поверхностям, а также по металлу, наплавленному ранее электродами со стабилизирующим покрытием. В процессе сварки рутиловое покрытие обеспечивает устойчивое горение дуги, хорошее формирование шва, минимальное разбрызгивание металла. Содержание водорода в металле шва зависит от наличия в покрытии органических веществ. Стойкость металла шва против образования кристаллизационных трещин такая же, как у электродов с кислым покрытием.
Влияние сварочных материалов на работоспособность сварных соединений
Для повышения работоспособности сварного соединения металлоконструкции необходим правильный выбор сварочных материалов, которые в зависимости от химического состава и механических свойств обеспечивают соблюдение ряда требований, предъявляемых при выполнении ремонтных работ, а также повышают работоспособность и увеличивают долговечность конструкции в процессе ее эксплуатации в условиях отрицательных температур. Для исследований применялись электроды следующих марок: УОНИ 13/55, АНО - 21, ТМУ - 21, Е8018 - С1 и 48Н - 1 химический состав и механические свойства которых представлены в всех исследованных образцов характерным является тот факт, что с увеличением диаметра электрода надежность соединения снижается.
В результате проведенных исследований получены гистограммы, отображающие распределение количества дефектов в образцах для различных марок исследованных электродов с учетом их диаметров.
Наиболее хорошие результаты получены при сварке электродами марки Е8018-С1, в химический состав которых входит никель (порядка 3 %), который придает большую пластичность металлу шва и, соответственно повышает надежность соединения при воздействии статических и динамических нагрузок.
Влияние пространственного положения сварки на работоспособность сварных соединений
Долговечность металлоконструкций обеспечивается не только правильно выбранной технологией ремонта, но и техникой выполнения сварки. При проведении ремонтной сварки в условиях карьера без разборки оборудования тудность заключается в том, что проводить сварочные работы приходится в труднодоступных местах, из неудобных положений. Пространственное положение сварки может быть разным: потолочное, горизонтальное и вертикальное. Качество шва, выполненное в каждом из этих положений, отличается и зависит, в основном, от квалификации сварщика, выполняющего сварку. С целью определения количества дефектов в сварном соединении в зависимости от положения сварки в пространстве проведены соответствующие исследования. 60
И Количество
дефектов сі=3мм Количество
дефектов с!=4мм Количество
дефектов с1=5мм
горизонтальное вертикальное потолочное Положение в пространстве Рис.3.2. Гистограмма распределения дефектов в сварном соединении в зависимости от положения в пространстве для различных диаметров электрода
В результате проведенных исследований получены гистограммы распределен Ш ния количества дефектов в образцах (рисунок 3,2) в зависимости от пространственного положения сварки для различных диаметров электрода.
Для всех образцов характерно снижение степени надежности получаемых соединений с увеличением диаметра электрода. Результаты, полученные при изучении влияния пространственного положения сварки на надежность сварного соединения, показывают, что количество дефектов в швах, выполненных в горизонтальном положении меньше на 15-20% по сравнению с швами, выполненными в потолочном ф положениях.
Влияние основного металла на служебные свойства сварных соединений
В условиях эксплуатации Севера горно-транспортного оборудования характерным является тот факт, что возрастает вероятность возникновения холодных трещин и процессов замедленного разрушения. Такую особенность необходимо
учитывать при проведении ремонтной сварки металлоконструкций, поскольку отремонтированное оборудование сразу поступает в эксплуатацию [93]. Кроме того существуют требования к сталям, применяемым для изготовления и ремонта металлоконструкций горно - транспортного оборудования. Из наиболее важных следует отметить следующие требования:
1. Должны обладать высокими пластическими свойствами;
2. Марки сталей, применяемых для замены поврежденных узлов машин и механизмов горного оборудования должны быть тех же марок, что и базовые узлы.
Низколегированные стали имеют применение при изготовлении металлоконструкций горного оборудования благодаря не только требованиям, перечисленным выше, но также и благодаря тому, что при низких температурах они обладают высокой прочностью, хорошей свариваемостью, легко обрабатываются [72].
