Автореферат: Изучение влияния скорости подъема ковша на долговечность рукояти экскаваторов с зубчато-реечным напором (на примере ЭКГ-5А)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Изучение влияния скорости подъема ковша на долговечность рукояти экскаваторов с зубчато-реечным напором (на примере ЭКГ-5А)

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Основным видом выемочно-погрузочного оборудования на карьерах являются экскаваторы - мехлопаты. Для погрузки горной массы на железорудных карьерах мира и Российской Федерации (РФ) в основном используются карьерные гусеничные экскаваторы с зубчато-реечным напором типа ЭКГ. Большая часть эксплуатируемых на открытых горных работах РФ экскаваторов была изготовлена в 70-х и 80-х годах. В настоящее время среднестатистическое значение износа по сроку службы экскаваторов типа ЭКГ-5А на Урале превышает 1,1ч2,5 раза.

Анализ надежности экскаваторов типа ЭКГ-5А показывает, что из общей структуры потока отказов 40% приходится на металлоконструкции экскаваторов. Наиболее распространенные дефекты металлоконструкций проявляются в виде усталостных микротрещин металла и трещин сварных соединений. Места появления трещин являются зонами максимальных концентраций напряжений, которые при циклическом изменении нагрузки по величине и во времени вызывают усталостное разрушение металлоконструкций и приводят к аварийной остановке. Надежность экскаваторов типа ЭКГ-5А снижается с возрастанием числа хрупких разрушений металлоконструкций.

Исследования причин отказов металлоконструкций экскаваторов ЭКГ-5А, показывают, что наибольшее количество отказов связано с нагрузками, превышающими предельные значения и возникающими вследствие относительно низкой квалификации машинистов, плохой подготовленности горной массы к экскавации и др., которые не учитываются, как правило, при проектировании.

С этой точки зрения обеспечение необходимой надежности экскаваторов типа ЭКГ-5А методом оценки фактического технического состояния и прогнозирования остаточной долговечности металлоконструкций экскаваторов, своевременной остановки на ремонт с целью предотвращения их разрушения и продления безопасного периода эксплуатации является актуальной задачей.

Объект исследований: экскаваторы с зубчато-реечным напором типа ЭКГ-5А.

Предмет исследований: влияние режимов работы экскаваторов типа ЭКГ-5А на долговечность рукояти.

Цель работы: повышение эффективности работы экскаваторов типа

ЭКГ-5А за счет увеличения долговечности рукояти путем снижения количества ее отказов.

Идея работы: снижение количества отказов рукояти экскаваторов типа ЭКГ-5А достигается на основе ограничения предельных нагрузок, возникающих в рукояти при черпании горной массы.

Основные задачи исследований:

§ Выполнить анализ надежности экскаваторов типа ЭКГ-5А, эксплуатируемых на горных предприятиях Урала;

§ установить цикличность отказов рукояти экскаваторов типа ЭКГ-5А;

§ исследовать влияние условий и режимов эксплуатации экскаваторов типа ЭКГ-5А на показатели долговечности рукояти;

§ обосновать рациональные режимы работы подъемного механизма экскаваторов типа ЭКГ-5А, повышающие долговечность рукояти;

§ разработать методику оценки фактического технического состояния и прогнозирования технического ресурса рукояти экскаваторов типа ЭКГ-5А.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Применяемые методы расчета нагрузок, действующих на рукоять экскаваторов, не в полной мере учитывают реальные режимы эксплуатации. Фактические динамические нагрузки значительно превышают их расчетные значения, что приводит к повышенному количеству отказов.

2. Выбор рациональных размеров поперечного сечения металлоконструкции рукояти и способа ремонта рукояти целесообразно проводить на основе анализа результатов моделирования ее напряженно-деформированного состояния методом конечных элементов с учетом фактических нагрузок, возникающих при экскавации горной массы, и концентраторов напряжений.

3. Ресурс рукояти определяется приведенным числом циклов нагружения с учетом усталости материала и действительных нагрузок, зависящих от скорости подъема ковша при черпании горной массы.

Научная новизна результатов исследований:

1. Уточнена зависимость усилий в подъемных канатах экскаваторов типа ЭКГ-5А от скорости подъема ковша при черпании горной массы различной степени подготовки.

2. Установлены распределения усилий в подъемных канатах экскаваторов типа ЭКГ-5А в период черпания горной массы в зависимости от режима работы подъемного механизма.

3. Обоснован рациональный режим работы подъемного механизма экскаваторов типа ЭКГ-5А (скорость подъема ковша при черпании горной массы), при которых динамические нагрузки, возникающие в рукояти, не превышают допустимых значений.

Методы научных исследований включают анализ показателей эксплуатационной надежности ресурсных узлов экскаваторов типа ЭКГ-5А; хронометражные наблюдения процесса экскавации горной массы; экспериментальные исследования влияния режимов эксплуатации на разрушение металлоконструкций экскаваторов типа ЭКГ-5А; тензометрические натурные исследования и моделирование напряженно-деформированного состояния (НДС) рукояти; обработка результатов исследований с использованием методов математической статистики.

Достоверность научных положений, выводов и результатов исследования подтверждается корректным использованием теоретических и экспериментальных исследований, достаточным объемом проведенных экспериментов и удовлетворительной сходимостью аналитических исследований с результатами выполненных экспериментов и данными практики, относительное расхождение которых не превышает 10%.

Практическая значимость работы состоит: в разработке методики определения ресурса рукояти экскаваторов типа ЭКГ-5А; выдаче рекомендаций по ремонту и восстановлению балки рукояти.

Личный вклад автора состоит: в организации, проведении и анализе результатов всего комплекса экспериментальных исследований; сборе и обработке статистической информации, характеризующей показатели надежности экскаваторов типа ЭКГ-5А; разработке рекомендаций по повышению долговечности рукояти экскаваторов типа ЭКГ-5А; в оценке влияния скорости подъема ковша при черпании горной массы на усталостное разрушение рукояти экскаваторов типа ЭКГ-5А.

Реализация выводов и рекомендаций работы: рекомендации диссертации использованы для оценки долговечности рукояти и обосновании рациональной скорости подъема ковша экскаваторов типа ЭКГ-5А при черпании горной массы в условиях карьеров ОАО «Гайский ГОК» (г. Гай, Оренбургская область).

Апробация работы: результаты и основные положения диссертационной работы докладывались: на Международной научно-технической конференции «Добыча, обработка и применение природного камня» (Магнитогорск, 2008-2010 гг.); Международной научно-технической конференции «Чтения памяти В.Р. Кубачека» (Екатеринбург, 2009-2010 гг.); на Международном симпозиуме «Неделя горняка» (Москва, 2009-2010 гг.); ежегодных научно-технических конференциях МГТУ (Магнитогорск, 2008-2010 гг.); на заседаниях научного семинара кафедры «Механизация и электрификация горных производств» и факультета «Горных технологий и транспорта» МГТУ (Магнитогорск, 2007-2010 гг.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 научных работ, в том числе 1 статья в издании, рекомендованном ВАК Министерства образования и науки РФ.

Объем и структура работы: Работа содержит 85 страниц машинописного текста, 59 рисунков и 22 таблицы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 121 наименования и приложений.

Основное содержание работы

экскаватор горный рукоять подъемный

Введение посвящено обоснованию актуальности выбранной темы, сформулированы цель, идея, задачи исследования и научные положения.

В первой главе рассмотрено и проанализировано современное состояние открытых горных работ РФ; приведены анализ показателей работы и результаты наблюдений за эффективностью работы экскаваторов, эксплуатируемых на рудных карьерах Урала.

Открытый способ добычи полезных ископаемых является наиболее эффективным, обеспечивающим наилучшие экономические показатели. В России открытым способом добывается 91% железных руд, более 70% руд цветных металлов и 60% угля. Для экскавации горной массы на карьерах РФ в основном используются карьерные гусеничные экскаваторы с зубчато-реечным напором типа ЭКГ, большая часть которых была изготовлена в 70-х и 80-х годах, и их среднестатистический износ по сроку службы превышает 1,1ч2,5 раза.

Обеспечение растущих потребностей сырьем для производства черных, цветных металлов и т.д. связано с перевооружением горнодобывающей отрасли на базе внедрения нового более мощного оборудования. В сложившейся экономической ситуации горные предприятия не имеют возможности приобретения более новых и мощных горных машин.

Выходом из данной ситуации является разработка долгосрочных программ по повышению надежности оборудования на стадии эксплуатации, путем обоснования рациональных режимов эксплуатации и определения остаточного ресурса, как нового, так и со сверхнормативным сроком службы, с целью предотвращения внезапных отказов, вызывающих длительные простои и значительные экономические затраты.

В решение проблемы повышения долговечности и ремонта горных машин большой вклад внесли работы ученых Н.Г. Домбровского, Р.Ю. Подерни, В.И. Солода, Г.И. Солода, В.Н. Гетопанова, А.Е. Тропа, А.Е. Голубева, Г.С. Рахутина, В.И. Русихина, Д.Е. Махно, А.И. Шадрина, В.М. Кравченко, В.Р. Кубачека, Л.Г. Куклина, М.С. Балаховского, Г.А. Боярского, И.А. Паначева, М.Ю. Насонова и др.

Одним из основных показателей работы экскаватора является время производительной работы, которое зависит от продолжительности простоев. В календарном фонде рабочего времени экскаваторов типа ЭКГ-5А, эксплуатируемых на карьерах Урала, простои составляют до 50% и более. В общей структуре простоев экскаваторов доля простоев, связанных с отказами металлоконструкций экскаваторов, занимает до 40%. В основу анализа были положены данные экспертизы ЗАО МНТЦ «Диагностика» и данные бортовых журналов экскаваторов типа ЭКГ-5А за период 2000-2009 гг., эксплуатируемых в условиях карьеров ГОП ОАО «ММК», а также исследования других авторов, свидетельствующие об увеличении числа случаев разрушения металлоконструкций экскаваторов, обуславливающих длительные простои и необходимость проведения долгосрочного ремонта. Наибольшее количество отказов металлоконструкций экскаваторов типа ЭКГ-5А приходится на отказ рукояти (30%).

Для определения показателей надежности рукояти проведены производственные наблюдения за работой экскаваторов типа ЭКГ-5А в условиях карьеров ГОП ОАО «ММК».

Таблица 1. Результаты статистической обработки массива данных по наработке на отказ рукояти экскаваторов типа ЭКГ-5А за 2000-2009 гг.

Сопоставляя гистограмму, построенную по фактическим данным (рис. 1), с теоретическим графиком распределения безотказной работы рукояти, можно утверждать, что случайные значения наработки на отказ подчиняются экспоненциальному закону распределения с функцией f(t)=0,310•e^-0,310•t, что свидетельствует о достаточно высокой вероятности ее отказов в первоначальный период эксплуатации.

Рис. 1. Гистограмма и теоретическая кривая распределения плотности вероятности наработки на отказ рукояти экскаваторов типа ЭКГ-5А

В качестве критерия для проверки согласованности эмпирического и выбранного теоретического распределений использовали критерий К. Пирсона.

Данное исследование позволило получить фактические значения количественных показателей надежности рукояти экскаваторов типа ЭКГ-5А и подойти к определению причин выхода ее из строя.

Во второй главе исследованы причины выхода из строя рукояти экскаваторов типа ЭКГ-5А; произведен расчет динамических усилий в подъемных канатах экскаваторов типа ЭКГ-5А; с помощью тензометрических исследований определены фактические усилия в подъемных канатах экскаваторов типа ЭКГ-5А, возникающие при экскавации горной массы; установлено влияние изменения скорости подъема ковша при черпании горной массы на усилия, возникающие в подъемных канатах экскаваторов ЭКГ-5А.

Хрупкие разрушения и трещины, ведущие к усталостным разрушениям рукояти экскаваторов типа ЭКГ-5А, проявляются в зонах максимальных концентраций напряжений (на балке рукояти: в начале концевой отливки - 1 и в месте крепления ковша - 2).

а) б)