Размещено на http://www.allbest.ru/

На правах рукописи

оценка долговечности несущих металлоконструкций одноковшовых экскаваторов при разработке взорванных горных пород

Специальность 05.05.06 - «Горные машины»

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Насонов Михаил Юрьевич

Кемерово-2009



ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Развитие угольной промышленности России связано, прежде всего, с открытым способом разработки угля. Основным видом выемочно-погрузочного оборудования при использовании открытого способа добычи полезных ископаемых являются экскаваторы. Их количество на разрезах Кузбасса, начиная с 1965 года, постоянно увеличивалось, и достигло к 2005 г. 496 шт. За последнее время списочный состав экскаваторного парка несколько уменьшился, что является следствием отсутствия обновления этого важнейшего для разрезов оборудования.

Однако большая часть эксплуатируемых экскаваторов была изготовлена в 70-х и 80-х годах прошлого века. В настоящее время среднестатистическое значение износа экскаваторов в Кузбассе по сроку службы уже превышает 80 %. В 2006 г по нормативному сроку службы должно было быть списано около 125 технологических экскаваторов, однако большинство из них продолжает эксплуатироваться, что увеличивает число отказов работы оборудования.

Анализ эксплуатационной надежности показывает, что в общей структуре потока отказов экскаваторов доля отказов механического оборудования составляет 50ч70%. Значительную часть (35%) занимают отказы металлоконструкций. Последнее связано с тем, что сварные соединения металлоконструкций до настоящего времени остаются зонами, в которых могут возникать и развиваться трещины.

С увеличением срока работы экскаваторов происходит процесс ускорения образования и роста трещин, что может привести к аварийным ситуациям. В настоящий момент существует два подхода в оценке износа экскаваторов: первый - нормативный срок эксплуатации, второй - объем переработанной горной массы. Оба этих подхода имеют недостатки, в результате негативного действия которых могут быть поставлены на ремонт экскаваторы, еще имеющие значительные запасы по долговечности.

С этой точки зрения проблема создания метода оперативной оценки технического состояния и изменения долговечности металлоконструкций экскаваторов с целью предотвращения их разрушения, своевременной постановки на ремонт и продлению безопасного периода эксплуатации является своевременным и актуальной.

Наиболее важной составляющей в решении этой проблемы является учет влияния горнотехнических условий эксплуатации и факторов, связанных с качеством взрывной подготовки горных пород к экскавации, и учет воздействий внешней среды на долговечность металлоконструкций экскаваторов.

Цель работы состоит в повышении долговечности несущих металлоконструкций экскаваторов при наличии трещиноподобных дефектов на основе оперативной оценки их технического состояния.

Идея работы заключается в использовании установленных закономерностей развития трещиноподобных дефектов и накопления повреждений в несущих металлоконструкциях экскаваторов с учетом качества взрывной подготовки пород к экскавации и внешней среды для продления сроков их безопасной эксплуатации.

Задачи исследований:

- изучить влияние грансостава и коэффициента разрыхления взорванных горных пород на уровень механической нагруженности и рост трещин в несущих металлоконструкциях экскаваторов;

- установить зависимость уровня механического нагружения металлоконструкций экскаваторов при разработке взорванных гонных пород от энергопотребления;

- получить параметры роста трещин в несущих металлоконструкциях экскаваторов от сейсмического воздействия взрывов при подготовке горных пород к разработке

-определить параметры циклической и статической трещиностойкости металлоконструкций экскаваторов в зависимости от воздействия внешней среды;

- разработать расчетный метод оценки долговечности несущих металлоконструкций экскаваторов с учетом их фактического технического состояния, позволяющий определять сроки безопасной эксплуатации.

Научные положения, выносимые на защиту

1. Время преобразования трещиноподобных дефектов в трещины в несущих металлоконструкциях экскаваторов и продолжительность их роста до критического размера определяется параметрами механического нагружения, зависящими от качества взрывной подготовки, определяемого средним диаметром куска в развале, числом и размером некондиционных кусков взорванной породы, объемом неразрыхленных слоев развала, числом невзорванных естественных отдельностей и описывается параболическими зависимостями. Полученные теоретические распределения амплитуд нагружения на основе этих зависимостей позволяют прогнозировать время развития трещин.

2. Возрастание числа циклов нагружения металлоконструкций экскаваторов при снижении качества взрывной подготовки пород характеризуется увеличением энергоемкости экскавации и описывается полиномом третьей степени, при этом время преобразования трещиноподобных дефектов в трещины и скорость их роста в зависимости относительного энергопотребления описывается полиномом второй степени; анализ изменения энергозатрат за определенный период работы экскаватора позволяет воспроизводить историю нагружения металлоконструкций.

3. Сейсмическое воздействие взрывов на металлоконструкции экскаваторов оказывает влияние на величину подрастания имеющихся трещин только при условии, когда максимальное значение коэффициента интенсивности напряжений (КИНа) в циклах нагружения превышает величину динамического КИНа. Возрастание размахов относительных напряжений, связанных с коэффициентами интенсивности напряжений, при увеличении приведенной массы взрываемого заряда описывается логарифмическими зависимостями. Приращение длины трещины определяется с учетом максимальных ускорений грунта при взрывах.

4. Воздействие внешней среды на долговечность металлоконструкций экскаваторов выражается в изменении параметров циклической и статической трещиностойкости сварных швов: в зимний период характеризуется низкими температурами, в летний - химически активными веществами. Статическая трещиностойкость при воздействии внешней среды уменьшается по параболическим зависимостям, низкие температуры при циклическом нагружении снижают скорость роста трещин в среднем в 1,4 раза, химически активные вещества увеличивают в 1,5 раза.

5. Параметры трещиностойкости металлоконструкций экскаваторов при нарастании объема переработанной горной массы определяются накоплением повреждений и описываются экспоненциальной и полиномиальными зависимостями; использование разработанной методики оценки долговечности позволяет устанавливать срок безаварийной эксплуатации экскаваторов на основе учета фактического технического состояния несущих металлоконструкций, характеризующегося изменением скорости роста трещин.

Методы исследовании включают: анализ литературных источников; аналитические и лабораторные исследования; натурные испытания с обобщением результатов методами математической статистики; моделирование работы металлоконструкций экскаваторов на основе методов строительной механики, теории упругости, механики разрушения; научное обобщение теоретических и экспериментальных исследований.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Впервые установлены количественные зависимости между качеством подготовки горных пород взрывом к экскавации и скоростью роста трещин в несущих металлоконструкциях экскаваторов.

2. Впервые найдены зависимости между параметрами энергопотребления экскаваторов и числом циклов нагружения их металлоконструкций, скоростью трещинообразования и скоростью роста трещины.

3. Впервые получены параметры сейсмического воздействия взрывов при подготовке горных пород к разработке на рост трещин в металлоконструкциях экскаваторов.

4. Впервые получены параметры циклической и статической трещиностойкости металлоконструкций экскаваторов при воздействии внешней среды в диапазоне рабочих температур.

5. Впервые установлены закономерности изменений трещиностойкости металлоконструкций от накопления повреждений.

6. Впервые разработаны расчетные методы оценки долговечности металлоконструкций экскаваторов с учетом их фактического технического состояния.

Личный вклад автора состоит: в установлении влияния технологических параметров взорванных горных пород и условий эксплуатации на возникновение и развитие трещин в металлоконструкциях экскаваторов; в получении численных зависимостей между энергопотреблением экскаваторов и уровнем их механической нагруженности; в выявлении воздействия импульсных нагрузок при взрывной подготовке пород на основные элементы экскаваторов; в разработке расчетных моделей роста трещин в элементах металлоконструкций экскаваторов с учетом горнотехнических факторов и факторов воздействия внешней среды; в разработке методов оценки технического состояния и долговечности металлоконструкций экскаваторов при наличии трещиноподобных дефектов и продления сроков их безаварийной работы.

Практическая ценность работы заключается в том, что результаты работы позволяют: прогнозировать долговечность металлоконструкций экскаваторов, управлять процессом ее продления, предотвращать аварийные ситуации в процессе эксплуатации экскаваторов, устанавливать оптимальные сроки проведения ремонтов их металлоконструкций, продлевать сроки их безаварийной эксплуатации.

Обоснованность и достоверность научных положении, выводов и рекомендаций подтверждается: результатами теоретических исследований, основанных на фундаментальных положениях механики деформированного твердого тела, теории упругости, строительной механики, механики разрушений, математического анализа; корректностью сделанных допущений при построении математических моделей; представительным объемом экспериментальных данных, полученных в лабораторных и промышленных условиях; использованием современного компьютерного оборудования и математического программного обеспечения; расхождением расчетных и экспериментальных результатов не более 15% и доверительной вероятностью не менее 0,95.

Реализация работы. Основные результаты исследования апробированы на ряде горных предприятий при оценке долговечности экскаваторов с учетом принимаемых решений с целью постановки на ремонт и дальнейшей их эксплуатации. Материалы работы использованы при составлении нормативных документов: «Методические указания по проведению экспертизы промышленной безопасности карьерных одноковшовых экскаваторов», «Временная инструкция по оценке долговечности и остаточного ресурса металлоконструкций экскаваторов, продления межремонтных сроков их работы и сроков безопасной эксплуатации», «Методические указания по проведению экспертизы промышленной безопасности одноковшовых экскаваторов для предприятий Кузбасса». Фактический экономический эффект составил 350 тыс. руб. в год на один экскаватор.

Апробация работы. Основные научные положения докладывались на международных конференциях: III Международной научно-практической конференции «Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири. Сибресурс - 97» (г. Кемерово, 1997 г.); II Российско-Китайского симпозиуме «Строительство подземных сооружений и шахт» (г. Кемерово, 2002 г.); V Международной научно-практической конференции (г. Кемерово, 2002 г); III Международной научно-практической конференции «Наукоемкие технологии добычи и переработки полезных ископаемых» (г. Новосибирск, 2003 г.); II Международной научно-практической конференции «Геотехнология 2004: Современное состояние и перспективы развития горнодобывающих отраслей промышленности» (г. Рудный, Казахстан, 2004 г.); Международной научно-практической конференции «Энергетическая безопасность России: Новые подходы к развитию угольной промышленности» (г. Кемерово, 2004 г.); X Международной научно-практической конференции «Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири. Сибресурс 2004» (г. Кемерово, 2004 г.); Международной конференции «Проблемы и перспективы развития горных наук», посвященной 60-летию образования Горно-геологического института СО РАН (г. Новосибирск 2004 г); VI Международной научно-практической конференции (г. Кемерово, 2005 г.); "Безопасность жизнедеятельности предприятий в угольных регионах"; IV Российско-Китайского симпозиуме «Строительство и эксплуатация угольных шахт и городских подземных сооружений» (г. Кемерово, 2006 г.); XI Международной научно-практической конференции «Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири. Сибресурс 2006» (г. Кемерово 2006 г.); VII Международной научно-практической конференции «Безопасность жизнедеятельности предприятий в промышленно развитых регионах» (г. Кемерово, 2007 г); Х международной научно-практической конференции «Энергетическая безопасность России. Новые подходы к развитию угольной промышленности» (г. Кемерово, 2008 г.); XII международной научно-практической конференции «Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири» (г. Кемерово, 2008 г.).

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 58 научных статьях.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы из 287 наименований и содержит 324 страницы машинописного текста, 20 таблиц и 143 рисунков.

Диссертационная работа написана на основе материалов исследований, выполненных автором в ГУ «Кузбасский Государственный Технический Университет» и предприятиях ОАО «УК «Кузбассразрезуголь»», ОАО «Южный Кузбасс», ЗАО «Черниговец».

Автор выражает глубокую признательность доктору технических наук, профессору Паначеву И.А. за ценные советы при проведении исследований и написании диссертации.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе приведен анализ существующих методов оценки долговечности металлоконструкций при наличии циклического нагружения и наличии трещиноподобных дефектов.

На разрезах Кузбасса работает значительное число экскаваторов различных типов и различной мощности. В основной массе они уже выработали свой ресурс или имеют достаточно большие сроки эксплуатации. В тоже время методика, позволяющая продлевать срок безаварийной эксплуатации экскаваторов или управлять их долговечностью при разработке взорванных горных пород в настоящее время отсутствует. Существуют лишь методы расчета статической, динамической и усталостной прочности металлоконструкций экскаваторов, которые используются на стадии их проектирования, где за основу принимается положение о нормативных нагрузках и не учитывается наличие трещиноподобных дефектов, которые неизбежно образуются в процессе изготовления и монтажа машины, а также в ходе сварочных работ при устранении трещин.

Большой вклад в науку о механизме разрушения различных материалов внесли исследования Д. Броека, В.П. Когаева, В.Т. Трощенко, С.В. Серенсена, Г.П. Черепанова, В.В. Болотина, С.Н. Журкова, К.Д. Махутова, В.В. Москвичева, Г.М. Волохова, Д.А. Трощенко, А.А. Шаталова, Н.А. Хапонена, А.Н. Романова.

Однако результаты этих исследований не могут быть применены для оценки долговечности металлоконструкций экскаваторов при разработке взорванных пород, когда данные по нагрузкам, действующим на металлоконструкции экскаваторов, могут быть получены только экспериментальным путем с учетом горнотехнических и горно-технологических факторов. При расчете долговечности металлоконструкций экскаваторов необходимо иметь сведения не только о номинальных нагрузках, но и о всем спектре их распределения во времени.

Для мягких грунтов I-III категории по классификации Ю.И. Белякова в работах Н.Г. Домбровского, С.А. Панкратова, Ю.И. Белякова, А.Н. Зеленина установлены спектры распределения нагрузок применительно к разным типам экскаваторов, но, к сожалению, результаты этих исследований не могут быть применены к решению задач о долговечности несущих металлоконструкций экскаваторов, эксплуатирующихся при разработке взорванных пород.

Известно, что производительность экскаваторов существенно зависит от качества взрывной подготовки пород к экскавации, характеризуемого, как правило, средним диаметром куска в развале (Н.Я. Репин, А.В. Бирюков, И.А. Паначев, А.С. Ташкинов).

Это свидетельствует о том, что при изменении грансостава экскавируемых пород, их коэффициента разрыхления и качества проработки подошвы забоя нагрузки в несущих металлоконструкциях будут изменяться, и в процессе черпанья при встрече ковша с некондиционным куском будут достигать максимальных значений, приводящих к образованию различных микро- и макротрещин и последующему разрушению конструкции.

В тоже время не в полной мере исследовано влияние перечисленных факторов на концентрацию напряжений в металлоконструкциях экскаваторов при нестационарных циклических нагрузках с учетом коррозионного воздействия внешней среды. С этой точки зрения на сегодняшний день для обеспечения стабильной и безопасной эксплуатации экскаваторного парка на угольных разрезах остается нерешенной важная проблема обеспечения долговечности несущих конструкций.

Изменению трещиностойкости сталей при нормальной и низкой температурах посвящены работы В.В. Ларионова, А.Б. Злочевского, Х.М. Ханухова, А.Е. Воронецкого и др. Однако для специальных сталей, используемых в экскаваторостроении, данных о трещиностойкости недостаточно.

При выполнении работы использованы научные решения в области механики разрушения пород взрывом М.А. Лаврентьева, Н.В. Мельникова, Г.П. Демидюка, Н.Н. Казакова, Б.Н. Кутузова, В.А. Падукова, В.Н. Мосинца, Н.Я. Репина, И.А. Тангаева, И.А. Паначева, А.В. Бирюкова, А.С. Ташкинова и др. В области технологии открытых горных работ - В.В. Ржевского, П.И. Токмакова, В.А. Галкина, Г.А. Холоднякова и др. В области механизации открытых горных работ - Н.Г. Домбровского, С.А. Панкратова, Д.П. Волкова, Р.Ю. Подерни, П.И. Коха, А.Г. Матиса, Д.Е. Махно, В.Р. Кубачека, В.А. Ряхина и др.

Во второй главе приводятся анализ причин отказов металлоконструкций экскаваторов и результаты экспериментальных исследований влияния качества подготовки горных пород на механическую нагруженность экскаваторов

В качестве объектов исследований были приняты одноковшовые экскаваторы, работающие на экскавации взорванных пород. Это шагающие драглайны ЭШ 10/70 и ЭШ 13/50, карьерные мехлопаты ЭКГ-12,5 и ЭКГ-15/18, т.е. экскаваторы, широко распространенные на разрезах Кузбасса.

Проведенные обследования 35 экскаваторов на разрезах северного и южного Кузбасса показали, что трещины образуются практически во всех несущих металлоконструкциях. Несмотря на то, что чаще всего наблюдаются отказы, связанные с ковшом и его упряжью, значительная часть разрушений приходится на несущие металлоконструкции.

Наблюдения показали, что зонами наиболее частого образования трещин у драглайнов являются боковые стенки прямоугольной балки стрелы, где возникают вертикальные трещины, и сварные швы нижнего пояса стрелы - кольцевые трещины, что составляет от общего числа случаев трещинообразования 32%.

У мехлопат трещины наиболее часто проявляются в рамах и ходовых тележках, там возникают трещины разного направления, особенно часто - в зонах осей гусеничных катков, что составляет в целом 62% случаев. Установлено, что трещины в указанных местах развиваются со значительной скоростью и достигают весьма больших размеров, максимально зафиксированный во время осмотров размер трещины составил 0,7 м.

Для оценки напряженного состояния несущих металлоконструкций экскаваторов на участках забоев с различным грансоставом были проведены эксперименты по тензометрическому измерению деформаций в опасных зонах конструкций при помощи пишущего осциллографа. Средний диаметр куска в развале пород в зависимости от забоя при этом изменялся в пределах 0,3ч0,5 м и коэффициент разрыхления в зависимости от слоя развала - от 1,1 до 1,5.

Результаты исследований показали, что с увеличением среднего диаметра куска взорванной горной массы возрастают усилия во всех металлоконструкциях экскаватора, независимо от квалификации машинистов. В экстремальных ситуациях, при использовании экскаваторов в тяжелых забоях (со средним диаметром куска более 0,45 м), когда имеет место некачественная подготовка пород к экскавации, наблюдается стопорение механизмов экскаватора, механическая нагруженность металлоконструкций при этом резко возрастает, что приводит к быстрому трещинообразованию и высокой скорости развития трещин.

В результате обработки экспериментальных данных установлено, что процесс экскавации взорванных пород представляется сложным спектром изменения напряжений во времени, при котором возникают многочисленные циклы нагружения. Они могут быть разделены на циклы от экскавации кусков породы некондиционного размера при их раскладке, разворачивании и окапывании, от взаимодействия ковша с массой кусков кондиционного размера и циклы нагружения, возникающие после отрыва ковша от развала породы (рис. 1).

Наиболее сильное воздействие на несущие металлоконструкции оказывает взаимодействие ковша экскаватора с некондиционными кусками породы, когда возникают циклы напряжений, превышающие среднемаксимальные рабочие, приводящие к преобразованию типичных трещиноподобных дефектов в трещины. Такие циклы напряжений соответствуют циклам, возникающим при аварийных нагрузках.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Аналогичное воздействие оказывает разработка слоев развала породы с низким коэффициентом разрыхления, при взаимодействии ковша с невзорванными естественными отдельностями и в случаях аварийного падения ковша.

Число таких циклов составляет 43% от общего числа циклов при взаимодействии ковша с некондиционными кусками породы. Установлено некондиционным куском породы является кусок, имеющий размер равный 0,6 ширины ковша и более.

Количество некондиционных кусков в развале пород с заданным размером в зависимости от грансостава фракции + хо определялось по формуле

, (1)

где V - суммарный объем всех частиц дисперсной системы, в данном случае может быть принят равным объему, (м3), переработки горной массы экскаватором за час и равняется технической производительности экскаватора Qт, умноженной на 1 час; М1 - момент диаметра частиц (кусков в развале пород).

В результате обработки экспериментальных данных были получены зависимости размахов относительных максимальных напряжений (Nнк) и числа циклов с таким уровнем при экскавации единичного некондиционного куска от его относительного размера (рис. 2).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Полученные зависимости аппроксимировались выражениями

, (2)

Ду/у-1 = 7,42 (dнк/bk)3 - 21,26(dнк/bk)2 + 20,51 (dнк/bk) - 5,89, (3)

где n - число циклов нагружения с фиксированной амплитудой при экскавации некондиционного куска; dнк - диаметр некондиционного куска; bk - ширина ковша; Дун - размах номинальных напряжений; у-1 - предел выносливости при симметричном цикле нагружения.

Установлено, что для практических расчетов при экскавации некондиционного куска число циклов напряжений с размахом ниже максимального должно быть увеличено в 3 раза по отношению к числу циклов для максимального уровня напряжений, при этом размах напряжений должен быть равным 1/3 от максимального размаха.

При расположении некондиционных кусков породы в глубине развала с более низким коэффициентом разрыхления число циклов нагружения металлоконструкций экскаватора с определенной амплитудой возрастает на коэффициент

к = - 72,143 (Кр)2 + 168,67 Кр - 89,449, (3)

где Кр - коэффициент разрыхления породы в слое развала.

При экскавации некондиционных кусков неизбежно возникают боковые движения ковша. Число боковых движений при экскавации куска зависит от его размеров и вычисляется по формуле

(4)

где Nбок - боковые движения ковша при экскавации некондиционного куска породы; Nверт - вертикальные движения ковша при экскавации некондиционного куска породы; Vнек - объем некондиционных кусков породы в развале пород; Vконд - объем кондиционных кусков породы в развале пород; dср нк - средний диаметр некондиционного куска породы.

При разработке части развала пород с кусками кондиционного размера исключаются боковые движения ковша, единичные циклы нагружения соответствуют числу его столкновений с каждым куском породы, поэтому число амплитуд соответствует числу кусков в развале и может быть определено из выражения (1). Величина амплитуды напряжений зависит от размера куска породы и коэффициента разрыхления слоя развала, в котором находится кусок.

Количественное распределение относительного числа циклов нагружения в зависимости от уровня амплитуды определяется численным методом (рис. 3).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Число циклов нагружения с определенной амплитудой выражается формулой

, (5)

где V - объем переработанной горной массы; N - общее число циклов нагружения, возникающих при переработке горной массы объемом V и соответствующее числу кусков кондиционного размера в перерабатываемом объеме; N/V - относительное число циклов нагружения с фиксированным уровнем амплитуды.

Зависимость относительного числа циклов нагружения с фиксированным уровнем относительной амплитуды механического нагружения от коэффициента разрыхления породы, в прямоугольной балке стрелы драглайна ЭШ 10/70 аппроксимировалось следующим выражением:

(6)

металлоконструкция экскаватор горный порода

Напряжения в металлоконструкциях экскаватора после отрыва ковша от развала породы зависят от объема породы в ковше. В результате статистической обработки экспериментальных данных установлено, что вероятность распределения напряжений подчиняется нормальному закону распределения. С увеличением среднего диаметра куска породы в развале среднее значение относительных напряжений уменьшается и определяется как

Дн/-1 = 0,34 (dср ) - 0,15, (7)

где Дн - размах номинальных напряжений; -1 - предел выносливости; dср - средний диаметр куска в развале.

В результате вычислений были получены теоретические распределения относительных амплитуд механического нагружения металлоконструкций экскаваторов (рис. 4).

Размещено на http://www.allbest.ru/

При расчете длительности роста трещины в металлоконструкциях экскаваторов циклы нагружения суммировались в общее число

N = Nнк n1 + Nкn2 + Nэn3, (8)

где Nнк - число циклов нагружения при разработке некондиционных кусков породы; Nк - число циклов нагружения металлоконструкций при разработке объема породы, состоящей из кондиционных кусков; Nэ - число циклов нагружения после отрыва ковша от развала породы (число экскавационных циклов); n1, n2, n3, - коэффициенты, учитывающие увеличение числа циклов. На основе расчетов были получены зависимости продолжительности роста типичных трещин до критического размера от грансостава пород (рис. 5).

Полученные зависимости (см. рис. 5) аппроксимировались выражениями типа (фланцевое соединение стрелы ЭШ 13/50)

N = - 6129,5 ? (dср)2 + 4389,5 ? dср - 598,34; (9)

N = 1751,6 ? (Кр)2 - 4218,6 ? (Кр) + 2582,9. (10)

Размещено на http://www.allbest.ru/

Выполненные исследования позволили производить расчет продолжительности роста трещин, устанавливать оптимальные сроки постановки экскаваторов на ремонт и могут быть использованы при оценке долговечности несущих металлоконструкций экскаваторов.

В третьей главе приводятся результаты исследований энерго-технологических характеристик экскаваторов в связи с механической нагруженностью металлоконструкций.

Наиболее распространенными способами оценки качества подготовки горных пород к экскавации взрывом являются фотопланиметрический способ и способ непосредственного замера (метод Зуркова). Кроме названных, существует энерготехнологический способ. Отличие этого способа от остальных состоит в том, что качество подготовки забоя к экскавации оценивается по показаниям энергосчетчиков. Основоположниками этого метода являются И.А. Тангаев, М.Д. Коломийцев, В.Ф. Голубев, М.Б. Носырев, А.И. Карякин, И.В. Васильев, Б.П. Белых, И.С. Свердель, В.К. Олейников. Анализ их работ показал, что по таким характеристикам, кроме качества подготовки пород к экскавации может определяться история механического нагружения металлоконструкций экскаваторов, продолжительность образования и роста в них трещин.

С целью установления взаимосвязи между удельным энергопотреблением экскаваторов, механической нагруженностью металлоконструкций, продолжительностью образования и скоростью развития трещин на разрезах Кузбасса были проведены экспериментальные исследования. В качестве объектов исследования были выбраны экскаваторы типа ЭКГ-12,5, ЭКГ-15 с ковшом 18 м3 (дальше по тексту ЭКГ-15(18)), ЭШ-13/50 и ЭШ 10/70.

При определении общего потребления электроэнергии использовались стандартные счетчики переменного тока СА-3, которые устанавливались в энергораспределительные ячейки экскаваторов. Эксперименты проводились в забоях с разным грансоставом взорванной горной массы.

На исследуемые элементы металлоконструкций экскаваторов в зонах интенсивного образования трещин наклеивались тензорезисторы, электросигналы которых в процессе экскавации регистрировались с помощью пишущего осциллографа. Расшифровка полученных осциллограмм позволила оценить деформации элементов конструкций и определить изменения уровня напряжений в этих зонах.

По полученным значениям напряжений рассчитывались коэффициенты интенсивности напряжений, и определялась скорость роста трещин. Характерные зависимости энергопотребления экскаваторов от грансостава пород приведены на рис. 6.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Удельные энергозатраты на экскавацию 1 м3 горной массы, соответствующие совершаемой полезной работе, составили в зависимости от грансостава для ЭКГ-12,5 - 0,180,29 кВтч/м3 ЭКГ-15(18) - 0,170,27 кВтч/м3 ЭШ 13/50 - 0,310,58 кВтч/м3.

Энергозатраты на операцию черпания определялись в зависимости от коэффициента разрыхления

е = 0,75 Кр -2,7. (11)

Для драглайна ЭШ 13/50 при dср = 0,45 м и Кр = 1,15 удельные энергозатраты составили 0,8 кВтч/м3, при Кр = 1,3 - 0,5 кВтч/м3, Кр = 1,5 - 0,4 кВтч/м3.

В результате обработки полученных данных устанавливалены зависимости между потребляемой экскаватором электроэнергией и числом дополнительных циклов нагружения. Полученные зависимости аппроксимированы следующим выражениям:

ЭКГ 15(18) - Nобщ/Nбаз = 37,35 ? (е)3 - 55,08 ? (е)2 + 27,03 ? (е) - 3,39;

ЭКГ 12,5 - Nобщ/Nбаз = 2,78 ? (е)3 - 4,64 ? (е)2 + 3,5 ?(е) + 0,06; (12)

ЭШ 13/50 - Nобщ/Nбаз = 0,31 ? (е)3 - 1,38 ? (е)2 + 2,37 ?(е) - 0,3;

ЭШ 13/50 - Nобщ/Nбаз = - 0,05 ? (е)3 + 0,7 ? (е)2 - 2,2 ? 2(е) + 3,06,

где Nобщ - число циклов нагружения при разработке некачественно подготовленного забоя; Nбаз - число циклов нагружения при разработке базового забоя; е - удельный расход электроэнергии.

Для оценки процессов преобразования дефектов, имеющихся в сварных швах металлоконструкций экскаваторов в макротрещины, были исследованы однотипные экскаваторы ЭКГ-12,5, работавшие в различных условиях северного и южного Кузбасса. В результате были получены зависимости между скоростью образования макротрещин в сварных швах ходовых рам и энергозатратами.

В результате установлено, что при увеличении энергозатрат в 2,5 раза с 0,2 до 0,5 кВтч/м3 скорость роста трещин увеличивалась в 3ч4 раза.

В четвертой главе содержатся результаты исследований воздействия взрывов на подрастание трещин в металлоконструкциях экскаваторов.

На карьерах при массовых взрывах общая масса зарядов достигает 500 т. При этом образуются сейсмические волны, которые влияют на состояние металлоконструкций экскаваторов и приводят к образованию трещин.

Для определения ускорения частиц горного массива использовались сейсмоприемники типа СПМ 16, "Светлячок", ВИБ-А и ВБП. Зависимость ускорения от мощности заряда приведена на рис. 7. По зависимости была получена формула, связывающая эти параметры:

, (13)

где а - ускорение движения грунта, м/с2 Q - мощность заряда, т r - расстояние до экскаватора, м.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Для оценки влияния импульсного воздействия взрывов на сварные швы экскаваторов были проведены лабораторные эксперименты при изменении температуры окружающей среды в диапазоне от 213 до 293 К. Для этого использовался вертикальный копер. Внизу копра устанавливался образец, имеющий в верхней части трещину и прорезь, в которую вставлялся клин. С разной высоты на клин по направляющим ронялся груз и определялся динамический коэффициент интенсивности напряжений в зависимости от температуры в момент начала спонтанного развития трещины при ударе. На рис. 8 представлены сравнительные зависимости динамического при ударе и критического при статическом нагружении коэффициентов интенсивности напряжений от изменения температуры.

Экспериментально и теоретически были получены зависимости относительных напряжений, возникающих в металлоконструкциях экскаваторов, от приведенной мощности взрывов в поворотной платформе ЭШ 10/70 и в ходовой тележке ЭКГ 15(18)

ун /ут = 0,65 ln(Q) + 3,5; (14)

ун /ут = 0,53 ln(Q) + 2,61. (15)

На этой основе были разработаны принципы учета импульсного воздействии взрывов на металлоконструкции экскаваторов и методика по расчету приращения длины трещины при проведении взрывных работ.

В пятой главе приведены результаты исследований воздействия внешней среды на трещиностойкость металлоконструкций экскаваторов, напряженно состояния металлоконструкций экскаваторов с применением конечно-элементного моделирования и расчет долговечности металлоконструкций экскаваторов при накоплении повреждений.

Одним из важных факторов, влияющих на развитие трещин в металлоконструкциях экскаваторов, является окружающая среда: низкие температуры и химически активные вещества, образующиеся после проведения взрывных работ.

При массовом взрыве в атмосферу выбрасывается значительный объем пыли. После взрывов 80 % пыли оседает в пределах разреза, большая часть - в ближайших границах от взрываемого блока, т.е. в зоне работы экскаватора. При взрыве слои угля, находящиеся вблизи взрываемой породы, также разрушаются и выносятся на поверхность. Угли, добываемые в Кузбассе, относятся к малосернистым и имеют максимальное содержание серы 3,8%. Однако оседание даже такого количества серы при соединении их с водой заметно влияет на изменение рабочей среды экскаваторов. Проведенные для летнего периода (май - октябрь) исследования показали, что в вершине трещины до 50% времени рН среды составляет 4ч6, что соответствует параметрам слабокислой среды. Причиной образования кислой среды является растворы из серы и воды.

Адсорбционное понижение прочности конструкции в области развития трещины вызывает уменьшение поверхностной энергии вследствие физических и химических процессов на поверхности твердых тел. При этом происходит изменение механических свойств металла в окрестности трещины, приводящих к снижению прочности, возникновению хрупкости, понижению пластичности и, в итоге, к уменьшению долговечности конструкции. Это явление согласуется с гипотезой о скачкообразном росте трещины при проявлении эффекта Ребиндера.

Для получения циклических характеристик металлоконструкций экскаваторов в рабочей среде было проведены лабораторные испытания образцов из сварных соединений. Испытания проводились при температурах от 313о К до 213о К и в условиях воздействия слабокислых растворов с рН = 4ч6, т.е. соответствующих основным условиям эксплуатации.

При этом использовалось два варианта испытаний. Первый - это испытание образцов при высокой частоте нагружения свыше 3 Гц. Второй - при низкой частоте, в диапазоне от 1 до 0,01 Гц. Такие частоты отвечают режимам работы металлоконструкций экскаватора. Высокочастотный режим соответствует взаимодействию ковша экскаватора с развалом породы при черпании, низкочастотный - полному циклу экскавации. В каждом из вариантов применялись особые испытательные установки, отличавшиеся конструктивным исполнением.

Высокочастотные испытания проводилось на гидравлической разрывной машине - ГРМ-1, низкочастотные - на установке циклического действия специального изготовления с регулировкой частоты, подготовленных для испытания при низких температурах и воздействия слабокислой среды. Для создания отрицательных температур использовались пары жидкого азота, подводившиеся по трубкам в зону развития трещины, кислотный раствор подавался капиллярным способом. Испытания выполнялись, как на образцах внецентренно нагружаемых со сквозной боковой трещиной и центрально нагружаемых с центральной поверхностной.

В результате испытаний были получены параметры циклической трещиностойкости - параметры уравнения Пэриса рабочего диапазона температур для рабочей среды, а также коэффициенты, учитывающие влияние среды на изменение КИН в зависимости от глубины поверхностной трещины (рис. 9).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Для оценки статической трещиностойкости исследуемых сталей и их сварных соединений определялся критический коэффициент интенсивности напряжений в среде при рабочих температурах (КISCC). С этой целью использовалась испытательная установка на статическое растяжение ИМ-43. В качестве образцов использовались цилиндрические гладкие образцы с кольцевым надрезом и наведенной трещиной.

В результате обработки экспериментальных данных установлено, что входе испытаний при уменьшении температур с 273 К до 233 К критический коэффициент интенсивности напряжений (КIC) снижается в 1,2ч1,6 раза в зависимости от марки стали и зоны сварного соединения. В коррозионной среде наблюдается для всех зон сварного шва стабильное уменьшение критического коэффициента интенсивности напряжений (КISCC) в 1,2ч1,3 раза по сравнению с испытаниями на воздухе. Данные зависимости для стали ВСт3сп5 были аппроксимированы выражениями вида:

Т < 273 K, рН - отсутствует: КIC = - 0,005 Т2 + 2,66 Т - 263,63,

Т > 273 K, рН = 4: КISCC = - 0,017 Т2 + 9,49 Т - 1222,4, (16)

Т > 273 K, рН = 6: КISCC = - 0,0068 Т2 + 3,68 Т - 407,16,

где Т - температура внешней среды в К.

На основании полученных экспериментальных данных была разработана методика подрастания трещины до критического размера при циклическом нагружении и воздействии внешней среды для марок экскаваторных сталей.

Для исследования напряженно-деформированного состояния металлоконструкций экскаваторов в зонах развития трещин были созданы компьютерные конечно-элементные модели, имитирующие основные части экскаваторов (рис. 10).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Эти модели позволяют определять теоретически концентрацию напряжений в любой точке возможного образования трещин, исключая необходимость их экспериментального определения, увеличивая оперативность и снижая стоимость проведения оценки долговечности металлоконструкций.

Разработанные модели были экспериментально проверены при экскавции взорванных пород на разрезах Кузбасса как в режиме нормальной работы, так и в режиме стопорения. В результате была получена достаточно высокая сходимость.

Для оценки долговечности металлоконструкций экскаваторов, отработавших определенный срок и накопивших достаточный объем повреждений, были проведены исследования изменения их трещиностойкости. К повреждениям относятся накопление дислокаций при многоцикловой усталости, пластических микроповреждений и микротрещин при малоцикловом нагружении и трещиноподобных дефектов при проведении ремонтно-сварочных работ.

С целью определения изменений трещиностойкости сварных соединений с длительными сроками эксплуатации были проведены натурные и лабораторные исследования. В процессе натурных исследований металлоконструкций при помощи ультразвукового контроля проводилось определение видов трещиноподобных дефектов, их числа, размеров, а также количество микроповреждений. В лабораторных условиях были проведены испытания образцов, вырезанных и изготовленных из сварных швов металлоконструкций экскаваторов, отработавших 15ч25 лет. При этом оценивалось влияние дефектов и микроповреждений на предел выносливости сварных соединений, скорость трещинообразования, и их статическая и циклическая трещиностойкость.

В результате исследований получены зависимости: "относительного предела выносливости сталей от числа и амплитуды циклов предварительного нагружения"; "относительного предела выносливости стали от числа дефектов, обнаруженных дефектоскопическим контролем"; "относительной длины сварных швов, находящихся в условиях малоциклового нагружения, от наработки и от условий эксплуатации"; "накопления трещиноподобных дефектов в сварных швах от объема переработанной горной массы и качества подготовки пород".

Установлено, что относительный предел выносливости сварных швов экскаваторов, отработавших нормативный срок эксплуатации, зависит от амплитуды циклов предварительного нагружения (пр нагр/-1) и числа циклов превышающих предел выносливости:

-1сост мет/-1= [0,94 - (пр нагр/-1)] N?105, (17)

где -1сост мет - предел выносливости сварного шва экскаватора, отработавшего длительный срок эксплуатации; -1 - предел выносливости материала в состоянии поставки; пр нагр - напряжения предварительного нагружения; N - число циклов нагружения, превышающих предел выносливости материала в состоянии поставки.

Исследования статической и циклической трещиностойкости показало, что параметры статической трещиностойкости снижаются по экспоненте

Кст = e-0,15nд, (18)

где nд - число дефектов размером более 0,002 м на 1м сварного шва.

Параметры циклической трещиностойкости увеличиваются по зависимостям:

Кцикл n = 0,007 nд 2 - 0,008 nд + 1,02, (19)

Кцикл C = 0,005 nд 2 - 0,021 nд + 1,014, (20)

где Кцикл n - коэффициент увеличения параметра "n" формулы Пэриса; Кцикл С - коэффициент увеличения параметра "С" формулы Пэриса.

С увеличением срока работы экскаватора происходит ускорение процесса накопления повреждений, приводящих к уменьшению числа циклов нагружения, необходимых для подрастания типичных трещин до критического размера. Тогда коэффициент, учитывающий ускорение накопления повреждений, определяется из выражения

, (21)

где е = 2,718 - основание натурального логарифма; Ксд - коэффициент снижения долговечности, определяемый как

, (22)

где Nфакт - фактическое число циклов нагружения объекта между двумя обследованиями Nрасч - расчетное число циклов нагружения, необходимое для роста трещины от допускаемого сварочного дефекта до максимальной трещины, зафиксированной при помощи неразрушающих методов контроля и определяемое с помощью формулы Пэриса.

На основании проведенных исследований были разработаны методики: "Оценка технического состояния металлоконструкций экскаваторов" и "Оценки долговечности несущих металлоконструкций экскаваторов".

На рис. 11. приведен блок-схема оценки долговечности (определения срока безопасной эксплуатации) металлоконструкций экскаваторов по скорости роста трещин.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Разработанные методики позволяют оценивать техническое состояние металлоконструкций экскаватора, их долговечность, устанавливать межремонтные сроки и прогнозировать безопасную работу на длительный период эксплуатации.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе на основании экспериментальных и теоретических исследований решена крупная научная проблема оценки долговечности несущих металлоконструкций экскаваторов в процессе их циклического нагружения с целью продления их безопасной эксплуатации на длительный период и имеющая важное значение для горного машиноведения. Внедрение разработанных положений позволит внести значительный вклад в ускорение научно-технического прогресса в горнодобывающих отраслях промышленности.

Основные научные результаты и выводы заключаются в следующем:

1. Интенсивное образование трещин в металлоконструкциях экскаваторов происходит во второй половине их срока эксплуатации, а в отдельных случаях - в последней трети, при этом частота возникновения трещин по сравнению с основным периодом эксплуатации возрастает в 4,5 раза.

2. Основным фактором, влияющим на трещинообразование в металлоконструкциях экскаваторов, является наличие случайных перегрузок, возникающих вследствие столкновения ковша с некондиционными кусками породы (55%), слоями разрушенных пород с низким коэффициентом разрыхления (25%), не взорванными естественными отдельностями (20%) и аварийного падения ковша (3%).

3. Увеличение среднего диаметра куска в развале при разработке некачественно подготовленного забоя с 0,3 до 0,5 м уменьшает длительность роста трещины в 3ч3,5 раза, а при изменении коэффициента разрыхления по слоям развала с 1,1 до 1,5 - увеличивает в 4,2 раза.

4. Уменьшение среднего диаметра куска взорванной горной массы в 1,5 раза увеличивает в 2,5 раза необходимый объем породы, перерабатываемой экскаваторами, для преобразования стандартного трещиноподобного дефекта в трещину.

5. Число циклов нагружения металлоконструкций экскаваторов при возрастании энергоемкости при увеличении ее в 2,5 раза увеличивается в среднем в 1,7 раза, что свидетельствует о переходе к работе от базового забоя (dср = 0,3 м) к некачественно подготовленному (dср = 0,5 м).

6. Сейсмическое воздействие взрывов с приведенной массой зарядов 0,02ч0,04 т1/3/м характерного для разрезов Кузбасса диапазона, вызывает уменьшение долговечности металлоконструкций экскаваторов в среднем на 15%.

7. Воздействие низких температур на металлоконструкции экскаваторов при циклическом нагружении увеличивает параметр начальной скорости роста трещин С в 1,6 раза, параметр ускорения роста трещин n уменьшает в 1,3 раза, а параметр статической трещиностойкости КIC уменьшает в 1,5 раза.

8. Воздействие химически активных веществ на металлоконструкции экскаваторов при циклическом нагружении снижает параметр начальной скорости роста трещин С в 2 раза, параметр ускорения роста трещин n увеличивает в 1,4 раза, а параметр статической трещиностойкости при воздействии коррозионной среды КISCC уменьшает в 1,7 раза.

9. При разработке пород средней блочности и крупноблочных пород в процессе зачистки подошвы забоя число стопорных усилий в механизмах тяги и подъема экскаватора возрастает в 1,8 раз.

10. Управление горнотехническими условиями работы экскаваторов на основе разработанных методик оценки фактического технического состояния металлоконструкций, их долговечности, и ее прогнозирования позволяет продлевать срок их безаварийной эксплуатации в среднем в 1,5 раза.

11. Экономический эффект от внедрения рекомендаций, выданных филиалу «Ерунаковский угольный разрез» ОАО УК «Кузбассразрезуголь», составил 350 тыс. руб. в год на один экскаватор.

12. Разработанная методика оценки долговечности металлоконструкций экскаваторов изложена в Методических указаниях по проведению экспертизы промышленной безопасности карьерных одноковшовых экскаваторов (ЗАО Научно-исследовательский испытательный центр КузНИУИ), во Временной инструкции по оценке долговечности и остаточного ресурса металлоконструкций экскаваторов, продления межремонтных сроков их работы и сроков безопасной эксплуатации (НФ “КУЗБАСС-НИИОГР - ГУ КузГТУ) и в Методических указаниях по проведению экспертизы промышленной безопасности одноковшовых экскаваторов для предприятий Кузбасса, рекомендованных к применению консультативным советом по экспертизе промышленной безопасности при Управлении Ростехнадзора Кемеровской области.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах

1. Паначев И.А. К оценке прочности стреловых конструкций шагающих экскаваторов при наличии различных типов трещин / И.А. Паначев, М.Ю. Насонов, С.А. Сидельников // Вестн. Кузбас. Гос. техн. ун-та. - 1997. - № 1. - С. 45-49.

2. Паначев И.А. Исследование характеристик трещиностойкости сталей, применяемых при производстве шагающих экскаваторов / И.А. Паначев, М.Ю. Насонов // Вестн. Кузбас. Гос. техн. ун-та. - 1999. - № 4. - С. 27-30.

3. Паначев И.А. Трещинообразование в металлоконструкциях шагающих экскаваторов / И.А. Паначев, А.В. Бирюков, М.Ю. Насонов, М.В. Беленко // Горный журнал «Известие ВУЗов» - Екатеренбург. - 2000. - № 5. - С. 117-122.

4. Паначев И.А. Оценка долговечности ковшей экскаваторов на горнодобывающих предприятиях Кузбасса / И.А. Паначев, М.Ю. Насонов, К.В. Антонов // Вестник КузГТУ - 2002 г. - № 5. - С. 98-99.

5. Паначев И.А. О некоторых аспектах трещинообразования в ковшах шагающих экскаваторах / И.А. Паначев, М.Ю. Насонов, К.В. Антонов // Вестн. Кузбас. Гос. техн. ун-та. - 2003. - № 6, - С. 45-47.

6. Паначев И.А О стопорении ковшей шагающих экскаваторов при взаимодействии со взорванной горной породой / И.А. Паначев, М.Ю. Насонов, К.В. Антонов // Вестн. Кузбас. Гос. техн. ун-та. - 2003. - № 6. -С. 47-49.

7. Паначев И.А. Влияние грансостава взорванной горной массы на надежность шагающих экскаваторов / И.А. Паначев, М.Ю. Насонов, А.Н. Путятин // Вестн. Кузбас. Гос. техн. ун-та. - 2004. - №1 - С. 13-15.

8. Паначев И.А. К разработке модели взаимодействия режущей кромки ковша шагающего экскаватора со взорванной горной породой / И.А. Паначев, М.Ю. Насонов, К.В. Антонов // Вестн. Кузбас. Гос. техн. ун-та. - 2004. -№ 2. - С. 37-40.

9. Паначев И.А. К оценке напряженно-деформированного состояния некоторых сварных металлоконструкций шагающих экскаваторов / И.А. Паначев, М.Ю. Насонов, А.Н. Путятин // Вестн. Кузбас. Гос. техн. ун-та. - 2004. №3. - С. 57-59.

10. Паначев И.А. Обоснование критериев списания экскаваторов / И.А. Паначев, М.Ю. Насонов, К.В. Антонов // Вестн. Кузбас. Гос. техн. ун-та. - 2004. - №3. - С. 59-62.

11. Паначев И.А. О некоторых аспектах взаимодействия ковша драглайна со взорванной скальной породой. / И.А. Паначев, М.Ю. Насонов, К.В. Антонов // Вестн. Кузбас. Гос. техн. ун-та. - 2004. - №5. - С. 13-17.

12. Паначев И.А. О влиянии призмы волочения на режим нагружения металлоконструкций драглайна / И.А. Паначев, М.Ю. Насонов, К.В. Антонов // Вестн. Кузбас. Гос. техн. ун-та. - 2004. - №5. - С. 17-22.

13. Паначев И.А. Об учете влияния взрывной подготовки на упругие характеристики горных пород при оценке долговечности металлоконструкций драглайнов / И.А. Паначев, М.Ю. Насонов, К.В. Антонов // Вестн. Кузбас. Гос. техн. ун-та. - 2006. - №1. - С. 59-62.

14. Паначев И.А. Торможение роста усталостных трещин в металлоконструкциях карьерных экскаваторов / И.А. Паначев, М.Ю. Насонов, А.А. Черезов // Вестн. Кузбас. Гос. техн. ун-та. - 2006 г. - №6. - С. 37-40.

15. Паначев И.А. Оценка вероятности разрушения металлоконструкций экскаваторов при наличии сварочных дефектов различного типа / И.А. Паначев, М.Ю. Насонов, А.Б.Желтышев // Вестн. Кузбас. Гос. техн. ун-та. - 2006. -№6-2. - С. 54-56.

16. Паначев И.А. Вероятностный прогноз остаточного ресурса металлоконструкций шагающих экскаваторов / И.А. Паначев, М.Ю. Насонов, А.Б. Желтышев // Вестн. Кузбас. Гос. техн. ун-та. - 2006. - № 6-2. - С. 56-59.

17. Насонов М.Ю. Оценка влияния крупнокусковой горной массы на нагруженность одноковшовых экскаваторов / Горный информ. -аналит. бюл. - 2009. - №1. - С. 40-43.

18. Насонов М.Ю. Оценка роста трещин в металлоконструкциях экскаваторов при ведении взрывных работ на разрезах Кузбасса / Горный информ. -аналит. бюл. - 2009. - №2. - С. 26-29.