WWW.DISS.SELUK.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА
(Авторефераты, диссертации, методички, учебные программы, монографии)

 

На правах рукописи

Болотнев Александр Юрьевич

ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ БАЗОВЫХ УЗЛОВ

МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЙ КАРЬЕРНЫХ ЭКСКАВАТОРОВ В

УСЛОВИЯХ СЕВЕРА

Специальность 05.05.06 - «Горные машины»

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Иркутск - 2009

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Иркутский государственный технический университет»

доктор технических наук, профессор

Научный руководитель:

МАХНО ДМИТРИЙ ЕВСЕЕВИЧ

доктор технических наук, профессор Официальные

ЧЕРНЯК САУЛ САМУИЛОВИЧ;

оппоненты:

кандидат технических наук

БРОЙДО ВЛАДИМИР ЛЬВОВИЧ

ОАО «Иргиредмет»

Ведущая организация:

Защита состоится 14 октября 2009 г. в 13 часов на заседании диссертационного совета Д 212.073.04 в ГОУ ВПО «Иркутский государственный технический университет» по адресу: 664074, Иркутск ул. Лермонтова, 83, конференц-зал (К-амф.), тел. / факс (3952) 40-50e-mail: 1.gor@istu.edu.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Иркутского государственного технического университета.

Автореферат разослан « 12 » сентября 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор Н.Н. Страбыкин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Предприятия Севера находятся в климатическом регионе с низкими отрицательными температурами воздуха, неблагоприятно влияющими на надежность и работоспособность машин, эффективность их эксплуатации. Надежность горного оборудования в условиях холодного климата снижается, что связано с возрастанием числа хрупких разрушений базовых узлов металлоконструкций машин в зимнее время года. Влиянию холодного климата наиболее подвержены базовые узлы металлоконструкций экскаваторов, такие как стрела, рукоять, ковш и др. Выход из строя этих узлов приводит к значительным простоям экскаваторов, восстановление которых связано с повышенной трудоемкостью и продолжительностью ремонтных работ. Число горных предприятий, работающих в этой зоне, постоянно возрастает при увеличении количества и единичных параметров техники. Все это подтверждает актуальность исследований, направленных на повышение надежности, ремонтопригодности и эффективности использования техники, работающей в условиях Севера.





Цель работы. Повышение надежности и эффективности использования карьерных экскаваторов на горных предприятиях Cевера.

Идея работы. Повышение надежности экскаваторов на основе изучения закономерности формирования хрупких разрушений конструкций и оценки распределения опасного уровня напряжений и динамических нагрузок в базовых узлах машин методом конечных элементов.

Основные задачи исследования:

- исследование уровня надежности карьерных экскаваторов, работающих в регионах холодного климата;

- изучение закономерности и анализ причин хрупких разрушений узлов металлоконструкций машин, выявление типовых отказов;

- исследование взаимосвязи уровня надежности металлоконструкций экскаваторов с факторами воздействия внешней среды;

- выявление закономерности формирования мест опасной концентрации напряжений и динамических нагрузок по сечениям конструкции базовых узлов машин;

- обоснование и разработка рекомендаций по совершенствованию узлов металлоконструкций экскаваторов, технологии их восстановления и ремонта;

- систематизация правил и требований к эксплуатации карьерных экскаваторов в регионах холодного климата.

Объект исследования. Карьерные экскаваторы, работающие в регионах холодного климата.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Хрупкие разрушения металлоконструкций экскаваторов определяются уровнем динамических нагрузок, опасность возникновения которых возрастает в местах интенсивной концентрации напряжений при неблагоприятном сочетании природно-климатических факторов внешней среды. Выявленные закономерности, описанные уравнениями регрессии, позволяют прогнозировать отказы, возможность их возникновения.

2. Метод конечных элементов обеспечивает выявление опасных сечений металлоконструкции базовых узлов экскаваторов, в которых наиболее вероятны концентрации критических напряжений и рост динамических нагрузок, являющихся причиной возникновения и развития хрупких трещин.

3. Результаты анализа причин хрупких разрушений и метод конечных элементов позволяют разрабатывать рекомендации, направленные на совершенствование конструкций базовых узлов карьерных экскаваторов и повышение уровня надежности машин.

Научная значимость работы:

- дана оценка уровня надежности карьерных экскаваторов, включая гидравлические экскаваторы, с учетом зимнего и летнего периодов работы машин;

- выявлены основные причины хрупких разрушений базовых узлов машин во взаимосвязи с особенностями формы их конструкций;





- получены уравнения регрессии, описывающие взаимосвязь возможных разрушений узлов металлоконструкций с факторами воздействия внешней среды, позволяющие прогнозировать возникновение хрупких трещин;

- на основе метода конечных элементов разработана методика оценки характера распределения напряжений по сечениям конструкций базовых узлов машин, опасным с позиции повышения роста динамических нагрузок и возникновения хрупких разрушений.

Практическая значимость результатов работы:

- установлены закономерности типовых отказов базовых узлов металлоконструкций экскаваторов и характерные места возникновения и развития хрупких трещин, положенные в основу разработки мероприятий, направленных на повышение ремонтопригодности и надежности машин в условиях Севера;

- разработана методика оценки опасного роста интенсивности напряжений и динамических нагрузок по сечениям базовых узлов машин, основанная на учете формы их конструкции;

- разработаны рекомендации восстановления работоспособности базовых узлов машин в зависимости от ожидаемых размеров, формы и направления развития хрупкой трещины;

- разработаны требования к форме конструкции базовых узлов экскаваторов с позиции снижения возникновения хрупких трещин и повышения надежности машин, работающих в регионах холодного климата;

- сформулированы общие требования к эксплуатации карьерных экскаваторов в условиях Севера, направленные на повышение эффективности использования оборудования.

Личный вклад автора диссертации заключается в обосновании тематики, цели и задач исследований; сборе и обработке статистической информации, характеризующей надежность работы экскаваторов; освоении и целевом использовании метода конечных элементов для повышения работоспособности базовых узлов машин; разработке основных требований и рекомендаций к эксплуатации карьерных экскаваторов, направленных на повышение надежности работы машин в условиях Севера.

Публикации автора. По результатам выполненных исследований опубликовано 4 статьи, в том числе в рецензируемых изданиях, рекомендованных требованиями Инструкции ВАКа, - 2.

Апробация результатов исследований. Основные идеи выполненных исследований докладывались и обсуждались на ежегодных научнопрактических конференциях «Игошинские чтения» в 2006-2009 г.г., ИрГТУ, Иркутск; на ХII Всеросийской научно-практической студенческой конференции с международным участием «БЕЗОПАСНОСТЬ 07» 2007 г, ИрГТУ, Иркутск; на научных семинарах кафедры ГМиРТ ИрГТУ 2006- г.г.; техническом совещании при главном механике Мирнинского ГОКа АК «АЛРОСА» Республики Саха (Якутия) 2009, г. Мирный.

Достоверность и обоснованность научных положений и выводов подтверждаются значительным объёмом статистической информации, характеризующей работу карьерных экскаваторов; согласованностью теоретических исследований с результатами экспериментального моделирования работы базовых узлов металлоконструкций машин, позволяющими делать выводы с доверительной вероятностью не ниже 90%.

Автор рад выразить благодарность и признательность техническим работникам АК «АЛРОСА» за предоставленную возможность в сборе необходимой статистической информации, характеризующей работу экскаваторов в условиях Севера и положенной в основу диссертации, а также программисту первой категории отдела внедрения информационных технологий ИрГТУ Унагаеву Е.И., доценту Авдееву А.Н. и преподавателям кафедры ГМиРТ ИрГТУ. Особая признательность научному руководителю профессору Махно Д.Е.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы (100 наименований), приложений и содержит 115 страниц, рисунков, 14 таблиц.

В первой главе диссертации приводится анализ работы горного оборудования в регионах холодного климата, по результатам которого сформулированы цели и задачи исследований.

Вторая глава посвящена оценке надежности карьерных экскаваторов, включая машины с гидравлическим приводом. Приводится сравнительный анализ надежности экскаваторов в зимний и летний периоды эксплуатации машин.

В третьей главе дан анализ типовых отказов базовых узлов металлоконструкций с систематизацией причин хрупких разрушений конструкций. Приводятся результаты воздействия климатических факторов на работу базовых узлов металлоконструкций экскаваторов. Получены уравнения регрессии, описывающие эти взаимосвязи. Дан обзор физики процесса хрупкого разрушения конструкций.

В четвертой главе на основе анализа метода конечных элементов показана возможность его применения для прогнозирования распределения напряжений по сечениям конструкций базовых узлов карьерных экскаваторов. Обсуждаются результаты исследований по распределению критического уровня напряжений в конструкции стрел и рукоятей основных типов карьерных экскаваторов, определяющих вероятность возникновения и развития хрупких трещин. Рассматриваются варианты остановки хрупкой трещины и технологии ремонта базовых узлов машин.

Пятая глава посвящена обзору направлений реализации результатов исследований. Систематизируются требования к эксплуатации экскаваторов в регионах холодного климата. Приводятся результаты расчета ожидаемого экономического эффекта.

В заключении излагаются итоги выполненных исследований.

Комплекс выполненных исследований позволяет выдвинуть и обосновать следующие научные положения.

1. Хрупкие разрушения металлоконструкций экскаваторов определяются уровнем динамических нагрузок, опасность возникновения которых возрастает в местах интенсивной концентрации напряжений при неблагоприятном сочетании природно-климатических факторов внешней среды. Выявленные закономерности, описанные уравнениями регрессии, позволяют прогнозировать отказы, возможность их возникновения.

Надежность является одним из главных, определяющих показателей качества машин. Обеспечением надежности горного оборудования занимаются многие научные и производственные организации. Ведущее место среди них занимают МГГУ, ИГД МЧМ РФ, НИИОГР, НТЦ ИГД им.

А.А. Скочинского, НИИКМА, ООО ПО «КрасТяжМаш», Объединённые машиностроительные заводы, ЗАО Машиностроительная корпорация «Уралмаш». В решение проблемы надежности и ремонта горных и транспортных машин большой вклад внесли работы Подэрни Р.Ю., Коха П.И., Солода В.И., Солода Г.И., Гетопанова В.Н., Тропа А.Е., Голубева А.Е., Шпильберга И.Л., Барзиловича Е.Ю., Кулешова А.А., Спиваковского А.О., Бескровного Н.Т., Русихина В.И., Морозова В.И., Радкевича Я.М., Нестерова В.И., Махно Д.Е., Самарина А.М., Когана Б.И., Ефимова В.Н., Ермоленко В.А., Хромого М.Р., Логвинова Г.Н., Паршина А.А., Шадрина А.И., Насонова М.Ю. и других исследователей.

Надежность горного оборудования в условиях Севера снижается, что связано с возрастанием хрупких разрушений базовых узлов металлоконструкций машин в зимнее время года. Это явилось основой постановки исследований по выявлению взаимосвязи факторов воздействия внешней среды с работоспособностью металлоконструкций карьерных экскаваторов. В основу анализа были положены данные актов расследования аварий карьерных экскаваторов ЭКГ-12,5 в условиях Удачнинского ГОКа и отчетная информация Якутской гидрометеорологической обсерватории, характеризующая природно-климатические факторы внешней среды, сопутствующие работе машин. Были обработаны акты расследования аварий карьерных экскаваторов за период с 1978 по 2008 г.г., работающих в условиях Удачнинского ГОКа АК «АЛРОСА», за этот же период выбраны и систематизированы данные метеоусловий УГОКа. Акты расследования аварий позволили подойти к анализу причин хрупких разрушений базовых узлов металлоконструкций карьерных экскаваторов с учетом характера и места возникновения хрупких трещин, а также выявить закономерности их развития. Объем информации составил 555 отказов.

Наибольшее количество отказов по базовым узлам металлоконструкций экскаватора ЭКГ-12,5 связано с балкой рукояти (94 отказа). Для выявления наиболее опасного периода воздействия низких температур воздуха в течение года все отказы по балке рукояти были систематизированы по месяцам, в порядке убывания и сопоставлены со среднемесячной температурой воздуха за период с 1978-1996 г.г., полученные результаты представлены на рис. 1.

Рис. 1. Распределение количества отказов балки рукояти ЭКГ-12, УГОКа и среднемесячной температурой воздуха Наибольшее количество аварийных отказов балки рукояти ЭКГ-12, УГОКа приходится на декабрь и январь месяцы, в этот период преобладают максимально низкие отрицательные температуры воздуха (-30о С и ниже). На март и ноябрь месяц приходится одинаковое количество отказов (12). Можно предположить, что повреждения носят накопительный характер, а именно, в процессе эксплуатации оборудования в период воздействия низких отрицательных температур происходит накопление зародышей трещин, пока они не достигнут своего критического значения, что в итоге приводит к аварийному выходу из строя узлов и деталей машин. Это соответствует гипотезе Болотина В.В., в которой говорится, что зарождение трещин и их развитие есть результат накопления и слияния повреждений в элементах структуры (под элементами структуры понимаются зерна, волокна, включения, поры и другие образования). Для проверки гипотезы использовалась информация из актов расследования аварий Удачнинского ГОКа, в которых указаны даты аварийных отказов однотипных узлов экскаватора. Сопоставление данной информации с климатическими условиями Удачинского ГОКа, позволило вычислить продолжительность работы машин в днях при различных интервалах температур: от -30…-20о С;

-20…-10о С; -10…0о С и свыше 0о С; учесть количество дней работы с относительной влажностью воздуха по интервалам свыше 80 %, от 70 до % и ниже 70 %; количество дней со средней скоростью ветра по интервалам свыше 3 м/с, от 2 до 3 м/с и ниже 2 м/с. Все это сопутствовало детальному анализу взаимосвязи хрупких разрушений металлоконструкций базовых узлов карьерных экскаваторов с факторами воздействия внешней среды с целью выявления возможных причин отказов и прогнозирования их возникновения.

Регрессионный анализ дал возможность установить степень взаимосвязи наработки машин с факторами воздействия окружающей среды. Проверка значимости каждого из факторов производилась с помощью F-критерия. При этом незначимые факторы выводились из уравнения, после чего производился пересчет коэффициентов регрессии. Результаты регрессионного анализа сведены в уравнение (1):

Nц=-0,33+0,35[N-30]+0,19[N-20…-30]+0,16[N-20…-10]+0,22[N-10…0] +0,33[N0]-0,24[V3]-0,20[V2…3]-0,28[V2]+0,06[Р80] (1) (коэффициент множественной корреляции R=0,98), где: Nц - количество циклов экскавации, подсчитанные из наработки машины по формуле:

где: Q – наработка экскаватора за период между отказами, м3 в плотном теле;

Кн – коэффициент наполнения ковша (для условий УГОКа Кн=0.9, по ЕНВ 1989г. категория пород по трудности экскавации IV); Vк – вместимость ковша ЭКГ-12,5; Kр – коэффициент разрыхления породы (для условий УГОКа Kр=1,5); [N-30] – суммарное количество дней работы экскаватора с минимальной температурой воздуха ниже -30о С, (соответственно от -20…свыше 0о С); [V3] – суммарное количество дней работы экскаватора с интервалом скорости ветра более 3 м/с, (соответственно от 2…3 м/с, менее 2 м/с); [Р80] – суммарное количество дней работы экскаватора при относительной влажности воздуха свыше 80 %.

Использование понятия количество циклов экскавации, при оценке наработки, позволяет более полно характеризовать нагруженность базовых узлов металлоконструкции машин. В уравнении (1) коэффициент множественной корреляции (R=0,98) близок к единице, что говорит о высокой степени взаимосвязи между числом циклов экскавации и количеством дней работы при различных интервалах температуры воздуха, относительной влажности воздуха и скорости ветра.

Для исследования причин выхода из строя узлов экскаватора использовалась информация из актов расследования аварий Удачнинского ГОКа, в которых указан характер повреждения и причина отказа.

Исследования показали, что наибольшее количество (64 отказа, примерно 70%) связано с проявлением динамических нагрузок, что подтверждает ранее полученные результаты. Все акты аварийных отказов балки рукояти экскаватора ЭКГ-12,5 были систематизированы по предполагаемым причинам их возникновения: динамические нагрузки (64 отказа); влияние формы конструкции, высокая концентрация напряжений (35 отказов);

последствия ремонтных воздействий (24 отказа). В соответствии с этим получены уравнения связи количества циклов экскавации с факторами воздействия внешней среды:

1. Воздействие динамических нагрузок:

Nц =2,38+0,13[N-30]+0,06[N0]-0,19[V2]+0,04[Р80] (3) (коэффициент множественной корреляции R=0,97) 2. Влияние формы конструкции:

(коэффициент множественной корреляции R=0,91) 3. Последствия ремонтных воздействий:

(коэффициент множественной корреляции R=0,97) где: Т – средняя температура на момент аварии, Т= -25,5о С; [Р70…80] – количество дней работы экскаватора при относительной влажности воздуха от 70 до 80 %.

На количество циклов экскавации, при сочетании случайных факторов, вызванных воздействием динамических нагрузок, (уравнение (3)) влияет продолжительность работы базовых узлов металлоконструкций карьерных экскаваторов при сочетании различных погодно-климатических факторов.

Эксплуатация машин в экстремальных условиях сопровождается скрытым периодом накопления трещин, способствующих появлению «усталости»

металла, который занимает по продолжительности до 90 % от общего времени работы конструкции до отказа. На форму конструкции (уравнение (4)) оказывает влияние предельная концентрация локальных напряжений.

Неравномерность распределения напряжений при динамическом характере приложения нагрузок является причиной появления очагов зарождения и развития хрупких трещин. Возможной причиной последствий ремонтных воздействий (уравнение (5)) может рассматриваться одна из рабочих гипотез хладноломкости стали, связанная с водородным охрупчиванием. Водород, благодаря малым размерам, легко перемещается как в объеме зерна, так и по его границам. Наиболее активное насыщение металла водородом происходит в периоды сварки путем термодиффузии, особо опасно резкое изменение температуры в зоне сварки, которое ускоряет насыщение металла водородом.

В целом высокие коэффициенты множественной корреляции подтверждают надежный уровень связи хрупких разрушений с факторами воздействия внешней среды, из которых основным является уровень динамических нагрузок, вызывающий критический рост напряжений в локальных сечениях конструкций. Выявленные закономерности, описанные уравнениями регрессии, дают возможность прогнозировать отказы.

2. Метод конечных элементов обеспечивает выявление опасных сечений металлоконструкции базовых узлов экскаваторов, в которых наиболее вероятны концентрации критических напряжений и рост динамических нагрузок, являющихся причиной возникновения и развития хрупких трещин.

Эксплуатация карьерных экскаваторов в регионах холодного климата сопровождается хрупкими разрушениями базовых узлов металлоконструкций машин. Отказы этих узлов приводят к значительным простоям оборудования с высоким уровнем затрат на восстановление работоспособности машин. В подтверждение вышесказанному на рис. представлены фотографии типовых разрушений балки рукояти ЭКГ-15.

Рис. 2. Хрупкие разрушения балки рукояти ЭКГ-15: а) излом балки рукояти; б) балка рукояти с ковшом; в) излом балки рукояти в районе Для выявления причин хрупких разрушений использовалась информация из актов расследования аварий Удачнинского ГОКа АК «АЛРОСА». При этом учитывались: марка экскаватора, дата и причина отказа, характер разрушения, возможные причины аварии, температура воздуха на момент аварии.

На рис. 3 представлены характерные места зарождения и развития хрупких трещин (1-4) на балке рукояти ЭКГ-12,5 и ЭКГ-15 Удачнинского ГОКа.

Рис. 3. Схематическое расположение хрупких разрушений на балке На балке рукояти ЭКГ-12,5 трещины возникают в районе головной отливки (3), в месте приварки ограничителя хода (4) и в месте крепления возвратного полублока (1, 2). На балке рукояти ЭКГ-15 трещины отмечаются в районе возвратного полублока и на концевой отливке (2, 3), а также на самой балке в сварных швах.

На практике основным техническим мероприятием по защите металлоконструкций экскаваторов от хрупких разрушений является актированная остановка машин в периоды воздействия критических отрицательных температур. Однако такие мероприятия вызывают лишь значительные простои основного технологического оборудования.

В качестве первопричин хрупких разрушений, наряду с температурными факторами, необходимо учитывать нагрузки и, как следствие, напряжения, возникающие в основных узлах машин. Нагрузки формируют напряжения как в самом образце, так и в локальных его объемах. При достижении коэффициентом интенсивности напряжений критических значений происходит разрушение образца в наиболее слабой зоне. Зная характер распределения напряжений по форме конструкции узлов машин, можно прогнозировать вероятность возникновения хрупких разрушений.

Одним из наиболее эффективных подходов в решении проблемы оценки распределения напряжений является использование современных методов математического и компьютерного моделирования процессов работы деформируемых систем методом конечных элементов (МКЭ). Применение моделей МКЭ позволяет с высокой степенью точности анализировать напряженно-деформированное состояние (НДС) таких сложных конструкций, как базовые узлы карьерных экскаваторов, находящиеся под переменным силовым и температурным воздействием. Характеристики силового и температурного воздействия в МКЭ моделируются с максимальной степенью адекватности относительно реального объекта.

В автореферате, в качестве примера, объектом исследования была выбрана балка рукояти карьерного экскаватора ЭКГ-12,5. Для подготовки модели использовались: геометрическая и дискретная модель объекта, данные по внешнему воздействию, граничные условия и другие параметры.

Расчет, визуализация и обработка результатов анализа выполнялись в программном комплексе MSC. Patran 2008 R1 и MD Nastran R3 на персональном компьютере на базе процессора Intel Pentium 4. Программные комплексы предоставлены ИрГТУ (сертификат на оплаченную лицензию RE001916IST-3, от 20.05.08). Результат проведенного НДС балки рукояти ЭКГ-12,5 представлен на рис. 4.

Рис. 4. Распределение напряжений в балке рукояти ЭКГ-12, Максимальные напряжения отмечаются в местах резкого перехода сечений: между возвратным полублоком и головной отливкой (3); выше места крепления возвратного полублока (2); в месте крепления седлового подшипника (1) при существенно меньших значениях рабочих напряжений по остальным сечениям конструкции, равных 5 МПа. Значения напряжений в критических зонах достигают 220…300 МПа. Такие распределения напряжений при динамическом характере приложения нагрузок и приводят к возникновению и развитию хрупких трещин. Характер распределения напряжений в балке рукояти ЭКГ-12,5 соответствует расположению трещин на рис. 3 (а). Все трещины зарождаются в местах резких нарушений сечений, зонах сварных швов, технологических отверстиях, т.е. причина их зарождения и развития – резкая концентрация напряжений в локальных сечениях конструкций.

Аналогичным образом была построена модель загрузки балки рукояти ЭКГ-15 в программе МКЭ (рис. 5).

Рис. 5. Распределение напряжений в балке рукояти ЭКГ- Максимальные напряжения в балке рукояти ЭКГ-15 возникают в месте крепления седлового подшипника (1), что подтверждает место расположения трещины (1) на рис. 3 (б). Между концевой отливкой и седловым подшипником (2) напряжения постепенно снижаются (3), при общем рабочем напряжении в остальных местах конструкции, равным 10 МПа (4).

В Удачнинском ГОКе эксплуатируется гидравлический экскаватор Komatsu Demag H285S. В зимний период работы машины возникали неоднократные хрупкие разрушения стрелы, которые сопровождались неплановыми простоями. В подтверждение вышесказанному на рис. представлены фотографии типовых разрушений гидравлического экскаватора.

Рис. 6. Типовые разрушения гидравлического экскаватора:

в) трещина на вырезанном монтажном люке; г) трещина в проушине Причиной многократных отказов стрелы является возникновение и повторное распространение двух крупных трещин с правой стороны конструкции по ходу экскаватора. Схематичное расположение трещин в корпусе стрелы экскаватора Н285S представлено на рис. 7. Первая трещина распространилась по центру стрелы в месте монтажного люка, вторая располагалась вертикально в зоне резкого перехода сечений, не доходя до верхней и нижней стенок по 200 мм. Ремонт трещин производился неоднократно по технологии сварки, согласно рекомендациям фирмы с наложением усиливающих накладок, но через 2-3 месяца трещина появлялась вновь. После детального обследования стрелы встал вопрос о её замене.

Рис. 7. Схема расположения трещин в корпусе стрелы экскаватора Н285S: 1 – центральная трещина длиной до 500 мм;

Возможной причиной возникновения и развития трещин в стреле H285S является длительная работа машины в условиях низких отрицательных температур при высоком уровне динамических нагрузок, которые локализовались критической концентрацией напряжений в месте крепления монтажного люка при помощи сварных швов (центральная трещина), а также в месте резкого перехода сечения конструкции (угловая трещина).

Конечноэлементный анализ показал, что напряжения в конструкции стрелы распределяются крайне неравномерно. Пиковые значения напряжений МПа, достигающие предела текучести материла, отмечаются в местах резких изменений сечений конструкций, сопровождаемых сварными швами: 1 – угловые сечения; 2 – технологические люки. При этом базовые конструкции узла 3 – испытывали незначительные напряжения (рис. 8).

Рис. 8. Характер распределения напряжений по сечениям конструкции стрелы гидравлического экскаватора H285S Характер распределения напряжений подтверждает данные результатов обследования состояния стрелы, приведенные на рис. 7.

Проведенные исследования работы экскаваторов в условиях холодного климата и выполненный анализ НДС в программе МКЭ позволяют сделать вывод о непосредственной сходимости численных расчетов НДС базовых узлов металлоконструкций экскаваторов с данными результатов эксплуатации горного оборудования на предприятиях АК «АЛРОСА»

Республики Саха (Якутия).

Таким образом, метод конечных элементов позволяет определять опасные сечения конструкции базовых узлов экскаваторов, в которых наиболее вероятны концентрации критических напряжений и рост уровня динамических нагрузок, являющихся причиной возникновения и развития хрупких трещин.

3. Результаты анализа причин хрупких разрушений и метод конечных элементов позволяют разрабатывать рекомендации, направленные на совершенствование конструкций базовых узлов карьерных экскаваторов и повышение уровня надежности машин.

Эксплуатация экскаваторов в условиях холодного климата требует выполнения ремонтно-восстановительных работ, поэтому в диссертации рассматриваются возможные подходы к технологии их реализации. Были исследованы НДС стрелы H285S и возможные способы снижения вероятности возникновения опасной концентрации напряжений на основе применения МКЭ.

Имитировались методы искусственного формирования и остановки трещины путем сверления отверстия в направлении её развития.

Рассматривались варианты усиления конструкции стрелы накладками различной толщины и дополнительными швеллерами. Сверление отверстий предполагает снижение концентрации напряжений в вершине трещины с целью уменьшения их пиковых значений. На рис. 9 (а) показано максимальное напряжение в вершине трещины, равное 900 МПа, которое снижается до 425 МПа после засверливания в вершине трещины отверстия диаметром 20 мм (рис. 9 (б)).

Рис. 9. Распределение напряжений в вершине трещины:

а) до момента сверления отверстия; б) после сверления отверстия Для снижения вероятности повторного распространения трещин в уязвимых местах рассматривались варианты усиления модели стрелы посредствам наложения дополнительных накладок и трех швеллеров, размерами h=200 мм, b=76 мм. МКЭ позволяет рассчитать оптимальную толщину дополнительных накладок, а также способ их крепления при помощи сварных швов с учетом естественного зазора, который возникает изза шероховатости поверхностей между основной пластиной и накладкой. В расчете естественный зазор принят равным 1 мм, дополнительные накладки выполнялись с обеих сторон конструкции. Результаты расчетов представлены в таблице.

Распределение максимальных напряжений в месте угловой трещины при усилении конструкции стрелы накладками и швеллерами Конечноэлементный анализ показал, что при наложении цельной накладки от места крепления монтажного люка и до места с угловой трещиной толщиной 40 мм, а также при установке 3-х дополнительных швеллеров S=14 мм, t=25 мм, максимальные напряжения снижаются с 300 до 171 МПа. На рис. 10 представлена общая схема распределения напряжений в теле конструкции стрелы гидравлического экскаватора H285S при усилении зоны трещины накладками и швеллерами.

Рис. 10. Распределение напряжений при усилении конструкции стрелы гидравлического экскаватора H285S накладкой толщиной 40 мм и Проведенные исследования реальных объектов и выполненный конечноэлементный анализ позволяют сделать вывод о непосредственной зависимости вероятности возникновения хрупких разрушений от формы и сечения конструкции отдельных узлов машин. В целом результаты анализа причин хрупких разрушений и метод конечных элементов позволяют разрабатывать рекомендации, направленные на совершенствование конструкций базовых узлов карьерных экскаваторов и повышение уровня надежности машин. На основе выполненных исследований сформулированы направления реализации результатов работы, включающие требования к эксплуатации и ремонту карьерных экскаваторов в суровых природноклиматических условиях Севера.

Эффективность реализации исследований подтверждается проведенным анализом работы карьерных экскаваторов в условиях УГОКа за период 2000 – 2007 г.г. представленным на рис. 11. Гидравлический экскаватор Н285S отгрузил в 2007 г. 2500 тыс. м3 горной массы, против 1000 тыс. м3 карьерным экскаватором типа ЭКГ-15, что явилось результатом повышения уровня надежности базовых узлов металлоконструкций машин.

LETORN

LETORN

Рис. 11. Эффективность использования карьерных экскаваторов УГОКа Ожидаемый экономический эффект от реализации разработанных решений на один экскаватор H285S, рассчитанный на основе сокращения времени простоев в неплановых ремонтах, составляет 537 тыс. руб. в год.

Полученные результаты исследований докладывались на совещании при главном механике Мирнинского ГОКа АК «АЛРОСА» и приняты к реализации при эксплуатации крупногабаритных узлов карьерных экскаваторов в условиях Севера.

Диссертация является законченной научно-квалификационной работой, в которой решена задача повышения надежности базовых узлов металлоконструкций машин, имеющая важное народно-хозяйственное значение при эксплуатации карьерных экскаваторов в регионах холодного климата.

Результаты выполненных исследований позволяют сделать и обосновать следующие выводы и рекомендации:

1. Дана оценка уровня надежности карьерных экскаваторов, включая машины с гидравлическим приводом во взаимосвязи с факторами воздействия внешней среды и периодами эксплуатации оборудования.

2. Выявлены типовые отказы базовых узлов машин, закономерности и причины их возникновения.

3. Получены уравнения регрессии, описывающие взаимосвязь хрупких разрушений конструкции с факторами внешней среды, характеризующими условия эксплуатации машин.

4. Разработана методика оценки распределения критического уровня напряжений, ответственных за рост динамических нагрузок, возникновение и развитие хрупких трещин.

5. С использованием возможности метода конечных элементов разработана методика восстановления и ремонта базовых узлов металлоконструкций экскаваторов, обеспечивающая снижение вероятности хрупких разрушений и повышение надежности работы машин.

6. Даны рекомендации к ремонту базовых узлов металлоконструкций экскаваторов, предназначенных для работы в регионах холодного климата.

7. Сформулированы требования к эксплуатации карьерных экскаваторов в условиях Севера.

8. Рекомендации, направленные на повышение надежности базовых узлов металлоконструкций экскаваторов, приняты к реализации на предприятиях АК «АЛРОСА».

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

Публикации в ведущих, рецензируемых научных изданиях, входящих в перечень Инструкции ВАКа 1. Махно, Д.Е. Проблема хладостойкости конструкций при эксплуатации карьерных экскаваторов в регионах холодного климата / Д.Е. Махно, А.Н.

Авдеев, А.Ю. Болотнев // Горное оборудование и электромеханика. – 2008. С. 25-28.

2. Авдеев, А.Н. Распределение напряжений в базовых узлах карьерных экскаваторов и хрупкие разрушения конструкций / А.Н. Авдеев, А.Ю.

Болотнев, Е.И. Унагаев // Вестник ИрГТУ. – 2009. - №2. - С. 17-19.

Публикации в других изданиях 3. Махно, Д.Е. К вопросу о повышении надежности и безопасной работы экскаваторов на карьерах Севера / Д.Е. Махно, А.Ю. Болотнев // Материалы докладов ХII Всероссийской научно-практической студенческой конференции с международным участием «БЕЗОПАСНОСТЬ 07»: сб. науч.

тр. – Иркутск, 2007. – С. 265-268.

4. Махно, Д.Е. Влияние природно-климатических факторов внешней среды на работоспособность базовых узлов металлоконструкций карьерных экскаваторов / Д.Е. Махно, А.Н. Авдеев, А.Ю. Болотнев // Проблемы освоения минеральной базы Восточной Сибири: сб. науч. тр. - Иркутск, 2009.

– С. 144-149.

Подписано в печать 10.09.2009. Формат 60 х 90 / 16.

Бумага офсетная. Печать офсетная. Усл. печ. л. 1,25.

Тираж 120 экз. Зак. 182. Поз. плана 4н.

Иркутский государственный технический университет 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова,

 
Похожие работы:

«Макарова Ирина Анатольевна АНАЛИЗ И СИНТЕЗ ОРГАНИЗАЦИОННО-ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ В СОРБЦИОННЫХ СИСТЕМАХ ОЧИСТНЫХ СООРУЖЕНИЙ Специальности: 05.02.22 – Организация производства (строительство) 05.13.06 – Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (строительство) АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Москва – 2010 –2– Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального...»

«Гришина Елена Александровна ГАЗОДИНАМИКА И РАСЧЕТ ЭЖЕКЦИОННЫХ И ВИХРЕВЫХ ПНЕВМОЗАТВОРОВ Специальность 05.04.13 – Гидравлические машины и гидропневмоагрегаты АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Челябинск – 2013 2 Работа выполнена на кафедре Гидравлика и гидропневмосистемы Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования Южно-Уральский государственный университет (научный...»

«УДК 621.791.6 КОРОЛЕВ Роман Александрович ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ И ОБЕСПЕЧЕНИЕ ИХ КОНТРОЛЯ ПРИ АЛЮМИНОТЕРМИТНОЙ СВАРКЕ РЕЛЬСОВ Специальность 05.03.06. – Технологии и машины сварочного производства АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Москва – 2006 Работа выполнена в Московском государственном университете путей сообщения (МИИТ). Научный руководитель : доктор технических наук, проф. Воронин Николай Николаевич...»

«Демьянов Владимир Александрович РАСЧЕТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОБОСНОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ ЭКОЛОГИЧНЫХ ПОВОРОТНО - ЛОПАСТНЫХ ГИДРОТУРБИН Специальность 05.04.13 - Гидравлические машины и гидропневмоагрегаты АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Санкт-Петербург - 2013 Работа выполнена в ОАО Силовые машины. Научный руководитель : доктор физико-математических наук, профессор, член - корреспондент РАН, Петреня Юрий Кириллович. Официальные оппоненты...»

«БУЯНКИН ПАВЕЛ ВЛАДИМИРОВИЧ ОЦЕНКА УСТОЙЧИВОСТИ ПЛАТФОРМ И НАГРУЗОК В ОПОРНО-ПОВОРОТНЫХ УСТРОЙСТВАХ ЭКСКАВАТОРОВ-МЕХЛОПАТ Специальность 05.05.06 – Горные машины Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Кемерово - 2014 Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Кузбасский государственный технический университет имени Т. Ф. Горбачева. Научный руководитель - доктор...»

«КОНДРЕНКО Виталий Андреевич ПОВЫШЕНИЕ ТЕХНИЧЕСКОГО УРОВНЯ ФОРСИРОВАННЫХ ДИЗЕЛЕЙ ПУТЕМ СНИЖЕНИЯ ТЕПЛОМЕХАНИЧЕСКОЙ НАПРЯЖЕННОСТИ РАСПЫЛИТЕЛЕЙ ФОРСУНОК (на примере дизелей типа ЧН 12/12) 05.04.02 - Тепловые двигатели Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Барнаул-2008 Работа выполнена в Федеральном государственном унитарном предприятии 15 Центральный автомобильный ремонтный завод Министерства обороны РФ Научный руководитель : доктор...»

«САЖИН ПАВЕЛ ВАСИЛЬЕВИЧ ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ И РАЗРАБОТКА СРЕДСТВ НАПРАВЛЕННОГО ГИДРОРАЗРЫВА ГОРНЫХ ПОРОД Специальность: 05.05.06 - Горные машины Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Новосибирск - 2007 Работа выполнена в Институте горного дела Сибирского отделения Российской академии наук Научный руководитель – доктор технических наук Клишин Владимир Иванович Официальные оппоненты : доктор технических наук, профессор Маметьев Леонид...»

«МОРОЗИХИНА ИРИНА КОНСТАНТИНОВНА ВЛИЯНИЕ ЗАСОРЕННОСТИ ТРАНСМИССИОННОГО МАСЛА НА ИЗНОС И ДОЛГОВЕЧНОСТЬ ЗУБЧАТЫХ КОЛЕС СИЛОВЫХ ПЕРЕДАЧ ТОРФЯНЫХ МАШИН Специальность 05.05.06 - Горные машины Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Тверь 2010 Работа выполнена на кафедрах Механизация природообустройства и ремонт машин и Торфяные машины и оборудование ГОУ ВПО Тверской государственный технический университет. Научный руководитель : Доктор...»

«СТРЕЛКОВ Михаил Александрович Определение динамических нагрузок и ресурса одноканатных шахтных подъемных установок Специальность 05.05.06 – Горные машины Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Екатеринбург – 2011 Работа выполнена в ГОУ ВПО Пермский государственный технический университет Научный руководитель – кандидат технических наук, доцент Трифанов Геннадий Дмитриевич Официальные оппоненты : доктор технических наук, профессор...»

«МОСКОВКО Юрий Георгиевич МЕТОДИКА ПРОЕКТИРОВАНИЯ И РАЗРАБОТКА ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНЫХ ОСЕВЫХ ВЕНТИЛЯТОРОВ С ПРОФИЛЯМИ ЛОПАТОК СПЕЦИАЛЬНОЙ ФОРМЫ Специальность: 05.04.06 - Вакуумная, компрессорная техника и пневмосистемы АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Санкт-Петербург- 2011 Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Санкт-Петербургский государственный...»

«Репин Сергей Васильевич МЕТОДОЛОГИЯ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ СИСТЕМЫ ТЕХНИЧЕСКОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАШИН Специальность 05.05.04 – Дорожные, строительные и подъемно-транспортные машины АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени доктора технических наук Санкт-Петербург 2008 Работа выполнена в ГОУ ВПО Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет Научный консультант : доктор технических наук, профессор Евтюков Сергей Аркадьевич Официальные...»

«Рачков Дмитрий Сергеевич МОДЕЛЬ ОЦЕНКИ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИНФОРМАТИЗАЦИИ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ СТРОИТЕЛЬНЫМИ ПРОЕКТАМИ Специальность: 05.02.22 – Организация производства (строительство) АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Москва – 2011 –2– Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Московский государственный строительный университет (ФГБОУ ВПО МГСУ). Научный...»

«Костюк Инна Викторовна МЕТОДЫ ОЦЕНКИ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕХНОЛОГИИ АДАПТИВНОГО РАСТРИРОВАНИЯ Специальность 05.02.13 – Машины, агрегаты и процессы (печатные средства информации) АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Москва – 2010   Работа выполнена на кафедре Технологии допечатных процессов в ГОУ ВПО Московский государственный университет печати. Научный руководитель : доктор технических наук, профессор Кузнецов Юрий Вениаминович Официальные...»

«ЗОЛОТАРЁВА ОЛЬГА ВИКТОРОВНА ОБОСНОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА МЕТОДА САМООРИЕНТАЦИИ ДЕТАЛЕЙ НА ОСНОВЕ ВЫЯВЛЕННЫХ ВЗАИМОСВЯЗЕЙ, ДЕЙСТВУЮЩИХ В ПРОЦЕССЕ ИХ ПОШТУЧНОЙ ВЫДАЧИ ИЗ БУНКЕРА Специальность 05.02.08 Технология машиностроения АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Москва 2006 4 Работа выполнена на кафедре технологии машиностроения государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования Ковровская государственная...»

«САМОЙЛОВА Елена Викторовна ПОВЫШЕНИЕ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ ЗУБЧАТЫХ ПЕРЕДАЧ ТЯГОВЫХ РЕДУКТОРОВ ТЕПЛОВОЗОВ Специальность 05.02.18 – Теория механизмов и машин АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Санкт-Петербург – 2010 Работа выполнена в Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Петербургский государственный университет путей сообщения на кафедре Теория механизмов и робототехнические системы....»

«УДК 621.787.4 АНТОНОВА ЕЛЕНА НИКОЛАЕВНА ПРОГНОЗИРОВАНИЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ШЕРОХОВАТОСТИ И ФОРМЫ МИКРОРЕЛЬЕФА ПОВЕРХНОСТИ ПРИ УПРОЧНЯЮЩЕЙ ПНЕВМОЦЕНТРОБЕЖНОЙ ОБРАБОТКЕ ОТВЕРСТИЙ Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук по...»

«КОВКОВ ДЖОРДЖ ВЛАДИМИРОВИЧ Разработка методики выбора орбит космических аппаратов астрофизических комплексов Специальность 05.07.09 Динамика, баллистика, управление движением летательных аппаратов АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Москва – 2011 1 Работа выполнена на кафедре Системный анализ и управление Московского авиационного института (государственного технического университета, МАИ). Научный руководитель : доктор технических...»

«Сергеева Ирина Владиславовна Моделирование зацепления при проектировании приводов машин на основе спироидных передач Специальность 05.02.02 - Машиноведение, системы приводов и детали машин (технические наук и) Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Новосибирск – 2012 Работа выполнена на кафедре Подъемно-транспортные, путевые, строительные и дорожные машин Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего...»

«ГУСЬКОВА ЕЛЕНА ВАЛЕРЬЕВНА ПОВЫШЕНИЕ СТОЙКОСТИ ЦЕЛЬ НЫХ ЧЕРВЯЧНО-МОДУЛЬНЫХ ФРЕЗ НА ОСНОВЕ УСТАНОВЛЕНИЯ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ВЛИЯНИЯ ПОЛОЖИТЕЛЬНЫХ ПЕРЕДНИХ УГЛОВ НА ТОЧНОСТЬ ПРОФИЛЯ ЗУБЬЕВ ПРЯМОЗУБЫХ КОЛЕС Специальность 05.02.07 – Технология и оборудование механической и физико-технической обработки АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Ульяновск – 2012 Работа выполнена на кафедре Математическое моделирование технических систем Федерального...»

«Яранцев Николай Владимирович НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МОДЕРНИЗАЦИИ ОРГАНИЗАЦИОННОЙ СТРУКТУРЫ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ДЛЯ ИННОВАЦИОННОГО РАЗВИТИЯ ПРЕДПРИЯТИЯ ПО ПРОИЗВОДСТВУ ЭЛЕКТРОННЫХ КОМПОНЕНТОВ Специальность 05.02.22 – Организация производства (в области радиоэлектроники) Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Москва – 2011 1 Работа выполнена в открытом акционерном обществе Биметалл, г. Калуга, и закрытом акционерном обществе...»








 
© 2013 www.diss.seluk.ru - «Бесплатная электронная библиотека - Авторефераты, Диссертации, Монографии, Методички, учебные программы»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.