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

Выполненное моделирование НДС рукояти показало, что наиболее эффективно ремонтировать рукоять наложением на трещину пластины болтовым соединением.

Таким образом, метод конечных элементов позволяет определять опасные сечения металлоконструкций экскаваторов, в которых наиболее вероятны концентрации критических напряжений и рост уровня динамических нагрузок, являющихся причиной возникновения и развития хрупких трещин. В целом результаты моделирования НДС позволяют разрабатывать рекомендации, направленные на повышение уровня надежности рукояти экскаваторов типа ЭКГ-5А, с помощью уменьшения предельных нагрузок, путем ограничения скорости подъема ковша или увеличения сечения балки рукояти. На основе выполненных исследований сформулированы требования к эксплуатации и ремонту рукояти экскаваторов типа ЭКГ-5А. Так, в рассматриваемом случае скорость подъема ковша при черпании горной массы не должна превышать 0,55 м/с, а для ремонта рукояти следует использовать наложение на трещину пластины болтовым соединением.

Снижение динамических нагрузок в рукояти экскаваторов типа ЭКГ-5А, вызванных изменением скорости подъема ковша при черпании горной массы, может осуществляться посредством регулируемого электропривода, который позволяет поддерживать скорость подъема в пределах допускаемого диапазона.

В четвертой главе приводится методика определения ресурса рукояти экскаваторов типа ЭКГ-5А.

При фактическом уровне нагрузок, действующих на рукоять экскаваторов типа ЭКГ-5А в процессе экскавации горной массы, можно определить по известной диаграмме усталости количество циклов, при которых произойдет разрушение материала (стали) рукояти.

Из диаграммы усталости стали видно, что при действительных напряжениях, возникающих в рукояти экскаватора при изменении скорости подъема ковша в период черпания скальных пород, количество циклов на порядок выше фактических циклов экскавации горной массы. Это объясняется тем, что напряжения, возникающие в рукояти, изменяются во времени по амплитуде симметричного цикла.

В ходе тензометрических измерений напряжений, возникающих в рукояти экскаваторов, установлено изменение пульсаций напряжений при изменении скорости подъема ковша в период черпания скальных пород.

при черпании скальных пород от скорости подъема ковша

Построенная зависимость выражается в следующем виде:

, (2)

где =10 - количество пульсаций напряжений, возникающих от массы ковша и рукояти;

- плотность горной породы, т/м³;

К_V - коэффициент увеличения напряжения при изменении скорости подъема ковша, значение коэффициента равняется абсолютному значению скорости подъема ковша при черпании горной массы.

Число циклов экскавации горной массы до разрушения рукояти при фактических напряжениях, возникающих в рукояти при черпании горной массы, с учетом пульсаций напряжений можно записать в следующем виде:

, (3)

где - число циклов, при которых произойдет разрушение от фактических напряжений (по диаграмме усталости);

- количество пульсаций напряжений при изменении скорости подъема ковша.

В результате исследований установлено, что машинисты экскаваторов типа ЭКГ-5А с рассматриваемым стажем работы при черпании горной массы работают в разных скоростных диапазонах подъема ковша (табл. 5).

Таблица 5. Скорости подъема ковша при черпании скальных пород

Долговечность рукояти экскаваторов типа ЭКГ-5А рассчитывается по приведенному числу циклов нагружения:

, (4)

где a, b, c - средневзвешенная доля работы при нагрузках, вызывающих соответственно напряжения ;

N_Э1, N_Э2, N_Э3 - число циклов экскавации горной массы, при которых произойдет разрушение материала рукояти от напряжений, возникающих при изменении скорости подъема ковша.

Погрешность результатов расчета приведенного числа циклов нагружения, при котором произойдет разрушение рукояти экскаваторов типа ЭКГ-5А, при сравнении с практическими данными эксплуатации ЭКГ - 5А не превышает 5% (табл. 6).

Таблица 6. Результаты расчета приведенного числа циклов нагружения рукояти ЭКГ-5А

На основании проведенных исследований была разработана методика «Определение ресурса рукояти экскаваторов с зубчато-реечным напором».

Разработанная методика позволяет оценивать техническое состояние рукояти экскаваторов, ее долговечность и прогнозировать безопасную работу с учетом действительных нагрузок.

Расчеты по предлагаемой методике показывают, что при черпании горной массы со скоростью подъема ковша не более 0,55 м/с долговечность рукояти экскаваторов типа ЭКГ-5А в условиях ГОП ОАО «ММК» максимальна, наработка на отказ рукояти составляет 2 млн м³, что в 4,2 раза больше фактической наработки. Это объясняется тем, что в среднем максимальная скорость подъема ковша при черпании горной массы в условиях ГОП ОАО «ММК» составляет 0,82 м/с. Результаты расчета приведены в табл. 7.

Таблица 7. Результаты расчета долговечности рукояти экскаваторов типа ЭКГ-5А

Для снижения простоев экскаваторов типа ЭКГ-5А, связанных с отказами его рукояти, скорость подъема ковша в процессе черпания горной массы не должна превышать 0,55 м/с, при которой долговечность рукояти в 4,2 раза больше фактических показателей.

Прогнозируемый экономический эффект от реализации разработанных решений на один экскаватор типа ЭКГ-5А, рассчитанный на основе уменьшения отказов рукояти путем обоснования рациональной скорости подъема ковша в период черпания горной массы и разработки рекомендаций по ремонту рукояти, составляет 400 тыс. руб. в год.

Заключение

В диссертации дано новое решение актуальной научно-практической задачи повышения долговечности рукояти экскаваторов типа ЭКГ-5А, позволяющее повысить эффективность работы экскаваторов, путем обоснования рациональных режимов их эксплуатации на основе исследования фактических нагрузок, действующих на рукоять при экскавации горной массы.

Основные выводы, научные и практические результаты работы заключаются в следующем:

Выявлено, что основной причиной отказов рукояти экскаваторов типа ЭКГ-5А являются предельные нагрузки, возникающие в период черпания горной массы, которые зависят как от характеристики экскавируемых пород, так и от скорости подъема ковша. Установлено, что при черпании скальных пород со скоростью в интервале 0,55-0,87 м/с в условиях карьеров ГОП ОАО «ММК» напряжения, возникающие в рукояти, превышают в 2 раза допустимый предел материала рукояти, что при циклически повторяющейся нагрузке приводит к возникновению трещин.

Тензометрическим измерением нагрузок и моделированием НДС МКЭ установлено распределение критического уровня напряжений по сечению рукояти экскаваторов типа ЭКГ-5А, что позволило разработать рекомендации по их снижению.

Усиление балки рукояти экскаваторов типа ЭКГ-5А в месте возникновения трещин накладкой пластины с болтовым креплением позволяет снизить критический уровень напряжений в опасных сечениях конструкции на 40%.

Установлено, что в условиях ГОП ОАО «ММК» скорость подъема ковша при черпании скальных пород не должна превышать 0,55 м/с, это обеспечивает уменьшение предельных нагрузок в опасных сечениях конструкции рукояти на 70% и повышение долговечности рукояти в 4,2 раза.

Установлено, что увеличение скорости перемещения ковша при черпании горной массы выше рекомендуемой скорости (0,55 м/с) обеспечивает относительно небольшое увеличение производительности экскаватора, но в то же время способствует возникновению недопустимых динамических нагрузок и, как правило, приводит к появлению трещин и разрушению конструкции рукояти, снижению эффективности работы экскаватора.

Разработана методика определения ресурса рукояти экскаваторов типа ЭКГ-5А по приведенному числу циклов нагружения, позволяющая определить наработку на отказ рукояти с учетом действительных нагрузок, возникающих в конструкции рукояти при черпании горной массы, в соответствии с которой установлено, что при черпании горной массы в условиях ГОП ОАО «ММК» с рекомендуемой скоростью подъема ковша (0,55 м/с, напряжение в конструкции 152 МПа) наработка на отказ рукояти в 9,5 раза выше, чем при черпании горной массы с номинальной скоростью (0,87 м/с, напряжение 310 МПа).

Рекомендации, направленные на повышение долговечности рукояти экскаваторов типа ЭКГ-5А, приняты к реализации на ОАО «Гайский ГОК» с ожидаемым экономическим эффектом 400 тыс. руб. в год на один ЭКГ-5.

Основные научные результаты диссертации опубликованы в следующих изданиях

1. Шарипов Р.Х. К расчету нагрузок, действующих на металлоконструкцию экскаватора ЭКГ-5 // Горный информационно-аналитический бюллетень. - М.: МГГУ, 2010. - №6. - С 113-116.

2. Кольга А.Д., Шарипов Р.Х. Оценка ремонтной технологичности погрузочно-выемочных машин // Добыча, обработка и применение природного камня: сб. науч. тр. - Магнитогорск, 2008. - С. 160-167.

3. Кольга А.Д., Шарипов Р.Х., Шевченко Л.П. К вопросу о диагностировании экскаваторов // Добыча, обработка и применение природного камня: сб. науч. тр. - Магнитогорск, 2009. - С. 108-111.

4. Кольга А.Д., Качан В.П., Шарипов Р.Х., Шевченко Л.П. Анализ причин выхода из строя карьерных экскаваторов // Технологическое оборудование для горной и нефтегазовой промышленности: сб. науч. тр. - Екатеринбург: УГГУ, 2009. - С. 381-386.

5. Кольга А.Д., Шарипов Р.Х., Шевченко Л.П. О ресурсе металлоконструкций экскаватора // Материалы международной научно-практической конференции «Роль стратегии индустриально-инновационного развития Республики Казахстан в условиях глобализации: проблемы и перспективы», 22-23 октября 2009 г. - Рудный: Изд-во РИИ, 2009. - С. 121-124.

6. Кольга А.Д., Шарипов Р.Х. Обоснование рациональных режимов эксплуатации выемочно-погрузочных машин // Добыча, обработка и применение природного камня: сб. науч. тр. - Магнитогорск, 2010. - С. 181-184.

7. Кольга А.Д., Туркин И.С., Шарипов Р.Х. Моделирование напряженно-деформированного состояния рукояти карьерных экскаваторов // Технологическое оборудование для горной и нефтегазовой промышленности: сб. науч. тр. - Екатеринбург: УГГУ, 2010. - С. 296-300.

8. Кольга А.Д., Шарипов Р.Х. Влияние изменения скорости подъема ковша на надежность рукояти карьерных экскаваторов // Технологическое оборудование для горной и нефтегазовой промышленности: сб. науч. тр. - Екатеринбург: УГГУ, 2010. - С. 370-374.