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

Рис. 2. Хрупкое разрушение рукояти экскаваторов типа ЭКГ-5А (а) и расположения хрупких разрушений на балке рукояти (б)

Основными причинами отказов рукояти экскаваторов с зубчато-реечным напором типа ЭКГ являются: динамические нагрузки, превышающие допустимый уровень; форма конструкции, приводящая к высокой концентрации напряжений; последствия ремонтных воздействий; относительно низкая квалификация машинистов.

Установлено, что наибольшее количество отказов связано с возникновением предельных нагрузок вследствие низкой квалификации машинистов. Распределение количества отказов рукояти по стажу работы машинистов экскаваторов типа ЭКГ-5А представлено на рис. 3.

Рис. 3. Распределение количества отказов рукояти по стажу работы машинистов экскаваторов типа ЭКГ-5А

Результаты анализа рис. 3 показывают, что наибольшее количество отказов рукояти экскаваторов типа ЭКГ-5А приходится при управлении им машинистами со стажем работы от 1 - 5 лет.

Для подтверждения влияния квалификации машинистов на надежность рукояти экскаваторов типа ЭКГ-5А были произведены экспериментальные измерения нагрузок и напряжений при помощи тензометрической аппаратуры, которой были зарегистрированы усилия в подъемных канатах экскаваторов типа ЭКГ-5А в процессе многочисленных циклов экскавации горной массы машинистами экскаватора с рассматриваемым стажем работы (рис. 4).

а)

б)

Рис. 4. Распределение усилий в подъемном канате экскаваторов типа ЭКГ-5А: а - в процессе экскавации (черпание, поворот, разгрузка) при управлении машинистами со стажем работы 5-10 лет; б - при черпании скальных пород

Экспериментальная оценка нагруженности подъемных канатов экскаваторов типа ЭКГ-5А подтвердила, что максимальные нагрузки возникают в период черпания горной массы. При этом установлено, что изменение скорости подъема ковша при копании горной массы приводит к возникновению дополнительных нагрузок в подъемных канатах, вызывающих отказы оборудования. Действительно, при работе на одном и том же экскаваторе в одних и тех же эксплуатационных условиях (горно-геологические), нагрузки, возникающие в подъемных канатах, резко отличаются друг от друга при управлении экскаватором машинистами с разным стажем работы (табл. 2).

Таблица 2. Результаты тензометрических исследований

Результаты экспериментальных исследований показывают, что нагрузки, действующие на рукоять, возрастают с увеличением скорости подъема ковша при черпании горной массы, на 60% превышая теоретические расчеты (рис. 5).

Рис. 5. Зависимость усилий в подъемном канате экскаваторов типа ЭКГ-5А от скорости подъема ковша

экскаватор горный рукоять подъемный

Методы определения расчетных нагрузок на рабочем органе экскаватора в зависимости от характеристик разрабатываемого забоя изложены в работах Домбровского Н.Г., Волкова Д.П., Зеленина А.Я., Кубачека В.Р. и др. В данных методиках расчета усилий, действующих на рабочее оборудование экскаватора при экскавации горной массы, основной составляющей являются характеристики породы и коэффициент динамичности, которые не в полной мере учитывают изменение скорости подъема ковша.

Полученные в результате тензометрического измерения усилия, возникающие в подъемном канате экскаваторов при черпании горной массы, аналитически выражены следующей зависимостью с корреляционным отношением R²=0,96:

, (1)

где - усилие от массы ковша и рукояти; K_F - коэффициент сопротивления породы копанию; Е - емкость ковша; Н_В - высота до оси напорного вала экскаватора; К_р - коэффициент разрыхления горных пород; К_V - коэффициент увеличения напряжения при изменении скорости подъема ковша, значение коэффициента равняется абсолютному значению скорости подъема ковша.

В результате обработки тензометрических измерений методами математической статистики были выявлены законы распределения усилий в подъемных канатах экскаваторов типа ЭКГ-5А при черпании горной массы в зависимости от стажа работы машинистов.

При определении фактической долговечности металлоконструкций экскаваторов типа ЭКГ-5А необходимо иметь сведения об их НДС.

Для оценки напряженного состояния рукояти экскаваторов типа ЭКГ-5А были проведены эксперименты по тензометрическому измерению напряжений в металлоконструкции рукояти. Результаты исследований показали, что с увеличением скорости подъема ковша при черпании горной массы возрастают напряжения в рукояти экскаватора, превышая допустимые значения.

Значения напряжений, возникающих в рукояти в процессе черпания горной массы, при управлении экскаваторами типа ЭКГ-5А машинистами с рассматриваемым стажем работы превышают допустимые - [у]=153 МПа, а при черпании горной массы со скоростью подъема ковша в интервале 0,78-0,87 м/с (при управлении экскаватором машинистами со стажем работы 1-5 лет) напряжения, возникающие в рукояти, превышают предел текучести: у_т=260 МПа, что при знакопеременной нагрузке приводит к проявлению усталостных трещин.

По условию прочности напряжения, возникающие в рукояти экскаваторов типа ЭКГ-5А при изменении скорости подъема ковша в процессе черпания горной массы, не должны превышать допустимые. Поэтому для надежной работы экскаваторов типа ЭКГ-5А скорость подъема ковша при черпании горной массы в зависимости от условий эксплуатации не должна приводить к возникновению нагрузок, превышающих допустимые значения, и для условий ГОП ОАО «ММК» максимальная скорость подъема ковша в период черпания горной массы не должна превышать 0,55 м/с.

Проведенные исследования показывают, что причиной отказов рукояти экскаваторов типа ЭКГ-5А являются предельные нагрузки, возникающие в период черпания горной массы и превышающие допустимые значения, на которые влияют не только характеристики породы, но и скорость подъема ковша. Поэтому для снижения количества отказов рукояти, связанных с возникновением предельных нагрузок при черпании горной массы, необходимо при эксплуатации экскаваторов ограничивать интервал скорости подъема ковша.

В третьей главе исследовано НДС рукояти экскаваторов типа ЭКГ-5А; на основе использования метода конечных элементов показано распределение напряжений по сечениям конструкции рукояти экскаваторов типа ЭКГ-5А при разных скоростях подъема ковша; приведены результаты исследований по распределению критических напряжений в конструкции рукояти; рассмотрены варианты предотвращения развития хрупкой трещины и ремонта рукояти экскаваторов типа ЭКГ-5А; показаны мероприятия по снижению динамических нагрузок, возникающих в рукояти экскаваторов типа ЭКГ-5А.

Векторы нагрузок, действующих на металлоконструкции карьерных экскаваторов, изменяются и зависят от качества подготовки забоя, скорости подъема ковша и т.д. В процессе экскавации горной массы возникают напряжения, превышающие допустимые, что обусловливает возникновение усталостных трещин и разрушение металлоконструкции.

При достижении коэффициентом концентрации напряжений критических значений происходит разрушение конструкции в наиболее слабой зоне. Зная характер распределения напряжений по форме конструкции узлов машин, можно прогнозировать вероятность возникновения хрупких разрушений.

Одним из эффективных подходов к решению задачи оценки распределения напряжений является использование метода конечных элементов (МКЭ). Применение моделей МКЭ позволяет с высокой степенью точности анализировать НДС рукояти карьерных экскаваторов, находящихся под переменным воздействием нагрузки.

Для подготовки модели рукояти экскаваторов типа ЭКГ-5А использовались: геометрическая и дискретная модели объекта, данные по внешнему воздействию. Расчет, визуализация и обработка результатов анализа выполнялись в программном комплексе АРМ WinMachine на персональном компьютере. Расчет конструкций рукояти на прочность проводился только с учетом действия нагрузок в вертикальной плоскости, полученных в результате тензометрических измерений при разных скоростях подъема ковша. Выбор схемы нагружения конструкции обоснован наличием экспериментальных данных, позволяющих сравнить результаты моделирования и экспериментальных исследований.

Максимальные напряжения отмечаются в местах резкого изменения сечений конструкции рукояти (на балке рукояти в начале концевой отливки 1 (см. рис. 2)) при существенно меньших значениях рабочих напряжений по остальным сечениям конструкции, не превышающих допустимых значений. Значения напряжений в критических зонах достигают 230-300 МПа. Такое распределение напряжений при динамическом характере приложения нагрузок и приводит к возникновению и развитию хрупких трещин. Характер распределения напряжений в балке рукояти экскаваторов типа ЭКГ-5А совпадает с практическими данными расположения трещин (см. рис. 2). Все трещины зарождаются в зонах максимальных концентраций напряжений. Погрешность результатов моделирования НДС рукояти экскаваторов типа ЭКГ-5А и тензометрических измерений не превышает 5% (табл. 3).

Таблица 3. Результаты моделирования НДС рукояти и тензометрических измерений

Анализ моделирования НДС показал, что на напряжения, возникающие в рукояти экскаваторов типа ЭКГ-5А при черпании горной массы, оказывает влияние изменение скорости подъема ковша. Максимальные значения напряжений, превышающие предел текучести материла, отмечаются при черпании горной массы со скоростью подъема ковша 0,77-0,87 м/с, что при знакопеременной нагрузке приводит к возникновению усталостных трещин и хрупкому разрушению рукояти. А при черпании горной массы со скоростью больше 0,55 м/с напряжения, возникающие в рукояти, превышают допустимый предел.

Проведенное моделирование НДС рукояти экскаваторов типа ЭКГ-5А с помощью МКЭ позволяет сделать вывод о непосредственной сходимости численных расчетов НДС рукояти с данными эксплуатации экскаваторов на карьерах ГОП ОАО «ММК».

Эксплуатация экскаваторов обуславливает выполнение профилактических и ремонтно-восстановительных работ, в большинстве случаев после восстановления рукояти экскаваторов типа ЭКГ-5А наблюдается разрушение металлоконструкции в виде излома, возникающего в зоне трещины. Это объясняется тем, что любое ремонтное воздействие является концентратором напряжения и при циклической нагрузке в большинстве случаев приводит к разрушению. Для решения данной задачи необходимо обоснованно выбирать такие методы ремонтно-восстановительных работ, которые будут наиболее эффективны, или разрабатывать рекомендации по снижению нагрузок. В связи с этим в исследованиях производилось моделирование НДС рукояти при ее ремонте различными методами с учетом действительных нагрузок, возникающих при изменении скорости подъема ковша в процессе черпания горной массы.

При помощи МКЭ рассматривались применяемые в настоящее время методы ремонта дефектов рукояти: заварка трещины и накладка на трещину пластины сварным швом. Рассматривался предложенный вариант ремонта рукояти наложением на трещину пластины размерами 500Ч500Ч10 мм, закрепленной болтами диаметром М42.

При ремонте рукояти существующими методами суммарные напряжения, возникающие в зонах концентрации напряжений рукояти, превышают предел текучести (у_т=260 МПа), что приводит к разрушению. Это объясняется тем, что сварка является концентратором напряжения (остаточные напряжения в сварочном шве достигают предела текучести), и в результате этого происходит нарушение кристаллической решетки металла. Анализ НДС рукояти показал, что при ремонте рукояти наложением на трещину пластины болтовым соединением максимальные напряжения снижаются с 280 до 90 МПа. Результаты моделирования НДС по ремонту рукояти экскаваторов типа ЭКГ-5А представлены в табл. 4.

Таблица 4. Результаты моделирования НДС рукояти при ремонте