Оценка долговечности несущих металлоконструкций одноковшовых экскаваторов при разработке взорванных горных пород (13.04.2009)

Автор: Насонов Михаил Юрьевич

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 0,3/0,5 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.

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

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).

Полученные зависимости аппроксимировались выражениями

??/?-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; ??н – размах номинальных напряжений; ?-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.


загрузка...