автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.06, диссертация на тему:Изучение влияния скорости подъема ковша на долговечность рукояти экскаваторов с зубчато-реечным напором

4654367

ШАРИПОВ РИШАТ ХАКИМЖАНОВИЧ

ИЗУЧЕНИЕ ВЛИЯНИЯ СКОРОСТИ ПОДЪЕМА КОВША НА ДОЛГОВЕЧНОСТЬ РУКОЯТИ ЭКСКАВАТОРОВ С ЗУБЧАТО - РЕЕЧНЫМ НАПОРОМ (НА ПРИМЕРЕ ЭКГ-5А)

Специальность 05.05.06 - «Горные машины»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 7 ОЕВ 2011

Екатеринбург — 2011

4854367

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Уральский государственный горный университет» и в ГОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова»

Научный руководитель - доктор технических наук, доцент Кольга Анатолий Дмитриевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Боярских Геннадий Алексеевич кандидат технических наук, доцент Трифанов Геннадий Дмитриевич

Ведущая организация - ОАО «Научно-технический центр угольной промышленности по открытым горным разработкам - Научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт по добыче полезных ископаемых открытым способом» (ОАО «НТЦ-НИИОГР»).

Защита диссертации состоится « 2 » марта 2011 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 212.280.03 при ГОУ ВПО «Уральский государственный горный университет» в зале заседаний Ученого совета по адресу:

620144, г. Екатеринбург, ГСП, ул. Куйбышева, 30.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Уральский государственный горный университет».

Автореферат разослан « 25 » января 2011 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

доктор технических наук, профессор

Хазин М.Л.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Основным видом выемочно-погрузочного оборудования на карьерах являются экскаваторы - мехлопаты. Для погрузки горной массы на железорудных карьерах мира и Российской Федерации (РФ) в основном используются карьерные гусеничные экскаваторы с зубчато-реечным напором типа ЭКГ. Большая часть эксплуатируемых на открытых горных работах РФ экскаваторов была изготовлена в 70-х и 80-х годах. В настоящее время среднестатистическое значение износа по сроку службы экскаваторов типа ЭКГ-5А на Урале превышает 1,1^2,5 раза.

Анализ надежности экскаваторов типа ЭКГ-5А показывает, что из общей структуры потока отказов 40 % приходится на металлоконструкции экскаваторов. Наиболее распространенные дефекты металлоконструкций проявляются в виде усталостных микротрещин металла и трещин сварных соединений. Места появления трещин являются зонами максимальных концентраций напряжений, которые при циклическом изменении нагрузки по величине и во времени вызывают усталостное разрушение металлоконструкций и приводят к аварийной остановке. Надежность экскаваторов типа ЭКГ-5А снижается с возрастанием числа хрупких разрушений металлоконструкций.

Исследования причин отказов металлоконструкций экскаваторов ЭКГ-5А, показывают, что наибольшее количество отказов связано с нагрузками, превышающими предельные значения и возникающими вследствие относительно низкой квалификации машинистов, плохой подготовленности горной массы к экскавации и др., которые не учитываются, как правило, при проектировании.

С этой точки зрения обеспечение необходимой надежности экскаваторов типа ЭКГ-5А методом оценки фактического технического состояния и прогнозирования остаточной долговечности металлоконструкций экскаваторов, своевременной остановки на ремонт с целью предотвращения их разрушения и продления безопасного периода эксплуатации является актуальной задачей.

Объект исследований: экскаваторы с зубчато-реечным напором типа ЭКГ-5А.

Предмет исследований: влияние режимов работы экскаваторов типа ЭКГ-5А на долговечность рукояти.

Цель работы: повышение эффективности работы экскаваторов типа ЭКГ-5А за счет увеличения долговечности рукояти путем снижения количества ее отказов.

Идея работы: снижение количества отказов рукояти экскаваторов типа ЭКГ-5А достигается на основе ограничения предельных нагрузок, возникающих в рукояти при черпании горной массы. Основные задачи исследований:

■ Выполнить анализ надежности экскаваторов типа ЭКГ-5А, эксплуатируемых на горных предприятиях Урала;

" установить цикличность отказов рукояти экскаваторов типа ЭКГ-5А;

■ исследовать влияние условий и режимов эксплуатации экскаваторов типа ЭКГ-5А на показатели долговечности рукояти;

• обосновать рациональные режимы работы подъемного механизма > экскаваторов типа ЭКГ-5 А, повышающие долговечность рукояти;

■ разработать методику оценки фактического технического состояния и прогнозирования технического ресурса рукояти экскаваторов типа ЭКГ-5А.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Применяемые методы расчета нагрузок, действующих на рукоять экскаваторов, не в полной мере учитывают реальные режимы эксплуатации. Фактические динамические нагрузки значительно превышают их расчетные значения, что приводит к повышенному количеству отказов.

2. Выбор рациональных размеров поперечного сечения металлоконструкции рукояти и способа ремонта рукояти целесообразно проводить на основе анализа результатов моделирования ее напряженно-деформированного состояния методом конечных элементов с учетом фактических нагрузок, возникающих при экскавации горной массы, и концентраторов напряжений.

3. Ресурс рукояти определяется приведенным числом циклов нагружения с учетом усталости материала и действительных нагрузок, зависящих от скорости подъема ковша при черпании горной массы.

Научная новизна результатов исследований:

1. Уточнена зависимость усилий в подъемных канатах экскаваторов типа ЭКГ-5А от скорости подъема ковша при черпании горной массы различной степени подготовки.

2. Установлены распределения усилий в подъемных канатах экскаваторов типа ЭКГ-5А в период черпания горной массы в зависимости от режима работы подъемного механизма.

3. Обоснован рациональный режим работы подъемного механизма экскаваторов типа ЭКГ-5А (скорость подъема ковша при черпании горной массы), при которых динамические нагрузки, возникающие в рукояти, не превышают допустимых значений.

Методы научных исследований включают анализ показателей эксплуатационной надежности ресурсных узлов экскаваторов типа ЭКГ-5А; хронометражные наблюдения процесса экскавации горной массы; экспериментальные исследования влияния режимов эксплуатации на разрушение металлоконструкций экскаваторов типа ЭКГ-5А; тензометрические натурные исследования и моделирование напряженно-деформированного состояния (НДС) рукояти; обработка результатов исследований с использованием методов математической статистики.

Достоверность научных положений, выводов и результатов исследования подтверждается корректным использованием теоретических и экспериментальных исследований, достаточным объемом проведенных экспериментов и удовлетворительной сходимостью аналитических исследований с результатами выполненных экспериментов и данными практики, относительное расхождение которых не превышает 10 %.

Практическая значимость работы состоит: в разработке методики определения ресурса рукояти экскаваторов типа ЭКГ-5А; выдаче рекомендаций по ремонту и восстановлению балки рукояти.

Личный вклад автора состоит: в организации, проведении и анализе результатов всего комплекса экспериментальных исследований; сборе и обработке статистической информации, характеризующей показатели

надежности экскаваторов типа ЭКГ-5А; разработке рекомендаций по повышению долговечности рукояти экскаваторов типа ЭКГ-5А; в оценке влияния скорости подъема ковша при черпании горной массы на усталостное разрушение рукояти экскаваторов типа ЭКГ-5А.

Реализация выводов и рекомендаций работы: рекомендации диссертации использованы для оценки долговечности рукояти и обосновании рациональной скорости подъема ковша экскаваторов типа ЭКГ-5А при черпании горной массы в условиях карьеров ОАО «Гайский ГОК» (г. Гай, Оренбургская область).

Апробация работы: результаты и основные положения диссертационной работы докладывались: на Международной научно-технической конференции «Добыча, обработка и применение природного камня» (Магнитогорск, 2008 -2010 гг.); Международной научно-технической конференции «Чтения памяти В. Р. Кубачека» (Екатеринбург, 2009-2010 гг.); на Международном симпозиуме «Неделя горняка» (Москва, 2009-2010 гг.); ежегодных научно-технических конференциях МГТУ (Магнитогорск, 2008-2010 гг.); на заседаниях научного семинара кафедры «Механизация и электрификация горных производств» и факультета «Горных технологий и транспорта» МГТУ (Магнитогорск, 20072010 гг.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 научных работ, в том числе 1 статья в издании, рекомендованном ВАК Министерства образования и науки РФ.

Объем и структура работы: Работа содержит 85 страниц машинописного текста, 59 рисунков и 22 таблицы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 121 наименования и приложений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение посвящено обоснованию актуальности выбранной темы, сформулированы цель, идея, задачи исследования и научные положения.

В первой главе рассмотрено и проанализировано современное состояние открытых горных работ РФ; приведены анализ показателей работы и результаты наблюдений за эффективностью работы экскаваторов, эксплуатируемых на рудных карьерах Урала.

Открытый способ добычи полезных ископаемых является наиболее эффективным, обеспечивающим наилучшие экономические показатели. В России открытым способом добывается 91 % железных руд, более 70 % руд цветных металлов и 60 % угля. Для экскавации горной массы на карьерах РФ в основном используются карьерные гусеничные экскаваторы с зубчато-реечным напором типа ЭКГ, большая часть которых была изготовлена в 70-х и 80-х годах, и их среднестатистический износ по сроку службы превышает 1,1^2,5 раза.

Обеспечение растущих потребностей сырьем для производства черных, цветных металлов и т. д. связано с перевооружением горнодобывающей отрасли на базе внедрения нового более мощного оборудования. В сложившейся экономической ситуации горные предприятия не имеют возможности приобретения более новых и мощных горных машин.

3

Выходом из данной ситуации является разработка долгосрочных программ по повышению надежности оборудования на стадии эксплуатации, путем обоснования рациональных режимов эксплуатации и определения остаточного ресурса, как нового, так и со сверхнормативным сроком службы, с целью предотвращения внезапных отказов, вызывающих длительные простои и значительные экономические затраты.

В решение проблемы повышения долговечности и ремонта горных машин большой вклад внесли работы ученых Н.Г. Домбровского, Р.Ю. Подерни, В.И. Солода, Г.И. Солода, В.Н. Гетопанова, А.Е. Тропа, А.Е. Голубева, Г.С. Рахутина, В.И. Русихина, Д.Е. Махно, А.И. Шадрина, В.М. Кравченко, В.Р. Кубачека, Л.Г. Куклина, М.С. Балаховского, Г.А. Боярского, И.А. Паначева, М.Ю. Насонова и др.

Одним из основных показателей работы экскаватора является время производительной работы, которое зависит от продолжительности простоев. В календарном фонде рабочего времени экскаваторов типа ЭКГ-5А, эксплуатируемых на карьерах Урала, простои составляют до 50 % и более. В общей структуре простоев экскаваторов доля простоев, связанных с отказами металлоконструкций экскаваторов, занимает до 40 %. В основу анализа были положены данные экспертизы ЗАО МНТЦ «Диагностика» и данные бортовых журналов экскаваторов типа ЭКГ-5А за период 2000-2009 гг., эксплуатируемых в условиях карьеров ГОП ОАО «ММК», а также исследования других авторов, свидетельствующие об увеличении числа случаев разрушения металлоконструкций экскаваторов, обуславливающих длительные простои и необходимость проведения долгосрочного ремонта. Наибольшее количество отказов металлоконструкций экскаваторов типа ЭКГ-5А приходится на отказ рукояти (30 %).

Для определения показателей надежности рукояти проведены производственные наблюдения за работой экскаваторов типа ЭКГ-5А в условиях карьеров ГОП ОАО «ММК».

Таблица 1

Результаты статистической обработки массива данных по наработке на отказ рукояти экскаваторов типа ЭКГ-5А за 2000-2009 гг.

Наименование параметра Обозначение Значение

Выборочное среднее 3,22 тыс. маш. ч.

Среднее квадратичное отклонение Ох 1,92 тыс. маш. ч.

Коэффициент вариации Ух 0,6

Сопоставляя гистограмму, построенную по фактическим данным (рис. 1), с теоретическим графиком распределения безотказной работы рукояти, можно утверждать, что случайные значения наработки на отказ подчиняются экспоненциальному закону распределения с функцией ДО=0,310-е"*310', что свидетельствует о достаточно высокой вероятности ее отказов в первоначальный период эксплуатации.

ч,

\ ____—-/(/)=0,310-е"0,310'

\

~Т—■ 1

т

- 0.14 0.12

г 0.1 0.08 0.06 0.04 0.02 0

^ 15

I 10

5 0

0 2 4 б 8 10 12

Наработка на отказ, тыс. маш. ч.

Рис. 1. Гистограмма и теоретическая кривая распределения плотности вероятности наработки на отказ рукояти экскаваторов типа ЭКГ-5А

В качестве критерия для проверки согласованности эмпирического и выбранного теоретического распределений использовали критерий К. Пирсона.

Данное исследование позволило получить фактические значения количественных показателей надежности рукояти экскаваторов типа ЭКГ-5А и подойти к определению причин выхода ее из строя.

Во второй главе исследованы причины выхода из строя рукояти экскаваторов типа ЭКГ-5А; произведен расчет динамических усилий в подъемных канатах экскаваторов типа ЭКГ-5А; с помощью тензометрических исследований определены фактические усилия в подъемных канатах экскаваторов типа ЭКГ-5А, возникающие при экскавации горной массы; установлено влияние изменения скорости подъема ковша при черпании горной массы на усилия, возникающие в подъемных канатах экскаваторов ЭКГ-5А.

Хрупкие разрушения и трещины, ведущие к усталостным разрушениям рукояти экскаваторов типа ЭЮГ-5А, проявляются в зонах максимальных концентраций напряжений (на балке рукояти: в начале концевой отливки - 1 и в месте крепления ковша - 2).

~ б

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

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

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

ш 35---.--.--,

1-5 лет 5-10 лет 10-15 пет

Стаж работы машинистов

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

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

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

.........Л | 1 !!

ш

-- + -1 Шт и А - ;.............--г--,-........-----

да ЩЦг и! 1 ;

*•.........................1 ——... | [....................' ......................

0 4 8 12 16 20 24 28 32

Время, с

О 2 4 6 3 10 12 14 16 18

/-¡-5 л ег, 2-5-Шлет; 10-15 лет Время, с

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

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

Таблица 2

Результаты тензометрических исследований

Стаж работы машинистов, лет Количес тво отказов (20002009 гг.) Средняя наработка на отказ балки рукояти, тыс. м3 Среднее время черпания горной массы, с Максима льная скорость подъема ковша, м/с Усилие в подъемном канате, кН Напря жение, МПа

факти ческое расчет ное

1-5 30 223 12 0,87 701 416 310

5-10 18 762 13,9 0,75 545 346 241

10-15 6 1325 17,5 0,6 397 273 176

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

Я

1700 Я 600 » 500 I 400 1 300 о 200

| 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9

Скорость подъема ковша, м/с

/ - Расчетное усилие 2 - Экспериментальное усилие Рис. 5. Зависимость усилий в подъемном канате экскаваторов типа ЭКГ-5А от скорости подъема ковша

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

Полученные в результате тензометрического измерения усилия, возникающие в подъемном канате экскаваторов при черпании горной массы, аналитически выражены следующей зависимостью с корреляционным отношением /?2=0,96:

F = F -в

1 П 1 K+P е

0,014

(1)

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

В результате обработки тензометрических измерений методами математической статистики были выявлены законы распределения усилий в подъемных канатах экскаваторов типа ЭКГ-5А при черпании горной массы в зависимости от стажа работы машинистов (рис. 6).

1 -5 лет

5-10 лет

10-15 лет

„0.9

! 0.8

$0.7

ь06

0.3

0.2

800 600 400 200 0 Усилие в подъемном канате, кН

600 450 300 150 0 Усилие а подъемном канате, кН

400 300 200 100 О Мэтмэвпоцьекномгаюта; кН

Рис. 6. Распределение усилий в подъемном канате экскаваторов типа ЭКГ-5А при черпании скальных пород (в) и усилия от скорости подъема ковша (б)

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

Для оценки напряженного состояния рукояти экскаваторов типа ЭКГ-5А были проведены эксперименты по тензометрическому измерению напряжений в металлоконструкции рукояти. Результаты исследований показали, что с

увеличением скорости подъема ковша при черпании горной массы возрастают напряжения в рукояти экскаватора, превышая допустимые значения.

Значения напряжений, возникающих в рукояти в процессе черпания горной массы, при управлении экскаваторами типа ЭКГ-5А машинистами с рассматриваемым стажем работы превышают допустимые - [о]=153 МПа, а при черпании горной массы со скоростью подъема ковша в интервале 0,78-0,87 м/с (при управлении экскаватором машинистами со стажем работы 1-5 лет) напряжения, возникающие в рукояти, превышают предел текучести: сут=260 МПа (рис. 7), что при знакопеременной нагрузке приводит к проявлению усталостных трещин.

Скорость подъема ковша, м/с

1 - Напряжение в рукояти 2 - Предел текучести 3 - Допустимое напряжение

Рис. 7. Напряжения в рукояти экскаваторов типа ЭКГ-5А при черпании скальных пород

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

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

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

9

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

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

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

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

Результат проведенного моделирования НДС рукояти экскаваторов типа ЭКГ-5А представлен на рис. 8.

Рис. 8. Распределение напряжений в рукояти экскаваторов типа ЭКГ-5А I

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

Таблица 3

Результаты моделирования НДС рукояти и тензометрических измерений

Скорость подъема ковша, м/с Напряжение в рукояти, МПа

тензометрическое измерение моделирование НДС

0,87 310 300

0,75 241 235

0,6 176 165

0,55 152 147

0,5 142 135

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

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

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

При помощи МКЭ рассматривались применяемые в настоящее время методы ремонта дефектов рукояти: заварка трещины и накладка на трещину пластины сварным швом. Рассматривался предложенный вариант ремонта рукояти наложением на трещину пластины размерами 500х500><10 мм, закрепленной болтами диаметром М42 (рис. 9).

I II

Рис.9. Схема ремонта (I) и карта НДС (II) рукояти экскаваторов типа ЭКГ-5А при черпании со скоростью подъема ковша 0,87 м/с: а - сварным швом; б - накладкой сварной пластины; в - накладкой пластины болтовым соединением

Из рис. 9 видно, при ремонте рукояти существующими методами суммарные напряжения, возникающие в зонах концентрации напряжений рукояти, превышают предел текучести (ст=260 МПа), что приводит к разрушению. Это объясняется тем, что сварка является концентратором напряжения (остаточные напряжения в сварочном шве достигают предела текучести), и в результате этого происходит нарушение кристаллической решетки металла. Анализ НДС рукояти показал, что при ремонте рукояти наложением на трещину пластины болтовым соединением максимальные напряжения снижаются с 280 до 90 МПа. Результаты моделирования НДС по ремонту рукояти экскаваторов типа ЭКГ-5А представлены в табл. 4.

Таблица 4

Результаты моделирования НДС рукояти при ремонте

Скорость подъема ковша, м/с Напряжение при методе ремонта трещин рукояти, МПа

сварной шов накладка сварной пластины накладка пластины болтовым соединением

0,87 570 550 214

0,75 500 480 150

0,55 440 410 90

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

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

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

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

При фактическом уровне нагрузок, действующих на рукоять экскаваторов типа ЭКГ-5А в процессе экскавации горной массы, можно определить по известной диаграмме усталости количество циклов, при которых произойдет разрушение материала (стали) рукояти (рис. 11).

О 5,5 6,5 7,5 1д N

Рис. 11. Диаграмма усталости стали рукояти экскаваторов типа ЭКГ-5А

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

В ходе тензометрических измерений напряжений, возникающих в рукояти экскаваторов, установлено изменение пульсаций напряжений при изменении скорости подъема ковша в период черпания скальных пород (рис. 12).

13

О 0.1 02 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9

Скорость подъема ковша, м/с Рис. 12. Зависимость числа пульсаций напряжений в рукояти экскаваторов типа ЭКГ-5Л при черпании скальных пород от скорости подъема ковша

Построенная зависимость выражается в следующем виде:

Л^ =пп -е

ът-тКу

где "о=Ю - количество пульсаций напряжений, возникающих от массы ковша и рукояти; У - плотность горной породы, т/м3;

Ку - коэффициент увеличения напряжения при изменении скорости подъема ковша, значение коэффициента равняется абсолютному значению скорости подъема ковша при черпании горной массы. Число циклов экскавации горной массы до разрушения рукояти при фактических напряжениях, возникающих в рукояти при черпании горной массы, с учетом пульсаций напряжений можно записать в следующем виде:

п

К

(3)

где п - число циклов, при которых произойдет разрушение от фактических напряжений (по диаграмме усталости); Л/о - количество пульсаций напряжений при изменении скорости подъема ковша.

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

Таблица 5

Скорости подъема ковша при черпании скальных пород

Стаж работы Скорости подъема ковша, м/с

машинистов, лет 0,87 0,75 0,6

1-5 100% 0 0

5-10 0 90% 10%

10-15 0 20% 80%

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

^31 Nэ]

где а, Ь, с - средневзвешенная доля работы при нагрузках, вызывающих соответственно напряжения о,,0^0,; Л'з/, А^э2, - число циклов экскавации горной массы, при которых произойдет разрушение материала рукояти от напряжений, возникающих при изменении скорости подъема ковша. Погрешность результатов расчета приведенного числа циклов нагружения, при котором произойдет разрушение рукояти экскаваторов типа ЭКГ-5А, при сравнении с практическими данными эксплуатации ЭКГ- 5А не превышает 5 % (табл. 6).

Таблица 6

Результаты расчета приведенного числа циклов нагружения рукояти ЭКГ-5А

Показатель Стаж работы машинистов, лет

1-5 5-10 10-15

Приведенное число циклов нагружения 49000 169000 294000

Объем горной массы, тыс. м 220 745 1310

Фактическое число циклов экскавации 48500 165000 290000

Фактический объем горной массы, тыс. м3 223 762 1325

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

На рис. 13 приведена блок-схема определения ресурса рукояти экскаваторов типа ЭКГ-5 А по приведенному числу циклов нагружения.

Рис. 13. Блок-схема определения ресурса рукояти экскаваторов типа ЭКГ-5А

15

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

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

Таблица 7

Результаты расчета долговечности рукояти экскаваторов типа ЭКГ-5А

Скорость подъема ковша, м/с Наработка на отказ

цикл млн м^

0,55 449000 2

0,75 156000 0,71

0,87 47000 0,21

0,82 107000 0,49

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

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

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

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

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

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

2. Тензометрическим измерением нагрузок и моделированием НДС МКЭ

установлено распределение критического уровня напряжений по сечению рукояти экскаваторов типа ЭКГ-5А, что позволило разработать рекомендации по их снижению.

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

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

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

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

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

Основные научные результаты диссертации опубликованы в следующих изданиях:

Статья, опубликованная в ведущем рецензируемом научном журнале:

1. Шарипов Р.Х. К расчету нагрузок, действующих на металлоконструкцию экскаватора ЭКГ-5 // Горный информационно-аналитический бюллетень. -М.:МГГУ,2010.6.-С 113-116.

Статьи, опубликованные в других изданиях:

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

3. Кольга А.Д., Шарипов Р.Х., Шевченко Л.П. К вопросу о диагностировании экскаваторов // Добыча, обработка и применение природного камня: сб. науч. тр. - Магнитогорск, 2009. - С. 108-i 11.

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

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

6. Кольга А.Д., Шарипов Р.Х. Обоснование рациональных режимов эксплуатации выемочно-погрузочных машин II Добыча, обработка и применение природного камня: сб. науч. тр. - Магнитогорск, 2010. - С. 181184.

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

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

Подписано в печать .01.2011 г. Печать на ризографе. Бумага писчая. Формат 60x84 1/16. Гарнитура Times New Roman. Печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 3

Издательство УГГУ 620144, Екатеринбург, ул. Куйбышева, 30 Уральский государственный горный университет Отпечатано с оригинал-макета в лаборатории множительной техники издательства УГГУ.

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЙ.

1 Л. Современное состояние открытых горных работ Российской Федерации.

1.2. Применяемое оборудование для экскавации горной массы на карьерах Российской Федерации.

1.3. Анализ надежности экскаваторов, эксплуатируемых на горных предприятиях Урала.

1.4. Постановка задач исследований.

2. ВЛИЯНИЕ РЕЖИМОВ ЭКСПЛУАТАЦИИ ЭКСКАВАТОРОВ ТИПА ЭКГ-5А НА ДОЛГОВЕЧНОСТЬ РУКОЯТИ.

2.1. Причины выхода из строя рукояти экскаваторов типа ЭКГ-5А.

2.2. Тензометрические измерения фактических усилий в подъемных канатах экскаваторов типа ЭКГ-5А, возникающих при черпании горной массы.

2.2.1. Используемое оборудование.

2.2.2. Результаты тензометрических измерений.

2.3. Анализ методик расчета усилий.

2.4. Расчет напряжений, возникающих в рукояти экскаваторов типа

ЭКГ-5А.

2.5 Обоснование рациональных режимов эксплуатации рабочего

Оборудования экскаваторов типа ЭКГ-5А.

Выводы.

3. ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ РУКОЯТИ ЭКСКАВАТОРОВ ТИПА ЭКГ-5А.

3.1. Распределение критических напряжений в конструкции рукояти экскаваторов типа ЭКГ-5А.

3.2. Напряжения, возникающие в рукояти экскаваторов типа ЭКГ-5А при экскавации горной массы с различными скоростями подъема ков

3.3. Обоснование выбора способа ремонта рукояти экскаваторов типа ЭКГ-5А для замедления развития трещин.

3.4. Мероприятия по снижению динамических нагрузок.

Выводы.

4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ РЕСУРСА РУКОЯТИ ЭКСКАВАТОРОВ ТИПА ЭКГ-5А.

4.1. Расчет долговечности рукояти экскаваторов типа ЭКГ-5А.

4.2. Методика определения ресурса рукояти экскаваторов типа ЭКГ-5А.

4.3. Экономический эффект мероприятий по снижению нагрузок в рукояти экскаваторов типа ЭКГ-5А.

Выводы.

Актуальность темы. Основным видом выемочно-погрузочного оборудования на карьерах являются экскаваторы — мехлопаты. Для погрузки горной массы на железорудных карьерах мира и Российской Федерации (РФ) в основном используются карьерные гусеничные экскаваторы с зубчато-реечным напором типа ЭКГ. Большая часть эксплуатируемых на открытых горных работах РФ экскаваторов была изготовлена в 70-х и 80-х годах. В настоящее время среднестатистическое значение износа по сроку службы экскаваторов типа ЭКГ-5А на Урале превышает 1,1-^-2,5 раза.

Анализ надежности экскаваторов типа ЭКГ-5А показывает, что из общей структуры потока отказов 40 % приходится на металлоконструкции экскаваторов. Наиболее распространенные дефекты металлоконструкций проявляются в виде усталостных микротрещин металла и трещин сварных соединений. Места появления трещин являются зонами максимальных концентраций напряжений, которые при циклическом изменении нагрузки по величине и во времени вызывают усталостное разрушение металлоконструкций и приводят к аварийной остановке. Надежность экскаваторов типа ЭКГ-5А снижается с возрастанием числа хрупких разрушений металлоконструкций.

Исследования причин отказов металлоконструкций экскаваторов ЭКГ-5А, показывают, что наибольшее количество отказов связано с нагрузками, превышающими предельные значения и возникающими вследствие относительно низкой квалификации машинистов, плохой подготовленности горной г массы к экскавации и др., которые не учитываются, как правило, при проектировании.

С этой точки зрения обеспечение необходимой надежности экскаваторов типа ЭКГ-5А методом оценки фактического технического состояния и прогнозирования остаточной долговечности металлоконструкций экскаваторов, своевременной остановки на ремонт с целью предотвращения их разрушения и продления безопасного периода эксплуатации является актуальной задачей.

Объект исследований: экскаваторы с зубчато-реечным напором типа ЭКГ-5А.

Предмет исследований: влияние режимов работы экскаваторов типа ЭКГ-5А на долговечность рукояти.

Цель работы: повышение эффективности работы экскаваторов типа

ЭКГ-5А за счет увеличения долговечности рукояти путем снижения количества ее отказов.

Идея работы: снижение количества отказов рукояти экскаваторов типа ЭКГ-5А достигается на основе ограничения предельных нагрузок, возникающих в рукояти при черпании горной массы.

Основные задачи исследований:

Выполнить анализ надежности экскаваторов типа ЭКГ-5А, эксплуатируемых на горных предприятиях Урала; установить цикличность отказов рукояти экскаваторов типа ЭКГ-5А; исследовать влияние условий и режимов эксплуатации экскаваторов типа ЭКГ-5А на показатели долговечности рукояти; обосновать рациональные режимы работы подъемного механизма экскаваторов типа ЭКГ-5А, повышающие долговечность рукояти; разработать методику оценки фактического технического состояния и прогнозирования технического ресурса рукояти экскаваторов типа ЭКГ-5А.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Применяемые методы расчета нагрузок, действующих на рукоять экскаваторов, не в полной мере учитывают реальные режимы эксплуатации. Фактические динамические нагрузки значительно превышают их расчетные значения, что приводит к повышенному количеству отказов.

2. Выбор рациональных размеров поперечного сечения металлоконструкции рукояти и способа ремонта рукояти целесообразно проводить на основе анализа результатов моделирования ее напряженно-деформированного состояния методом конечных элементов с учетом фактических нагрузок, возникающих при экскавации горной массы, и концентраторов напряжений.

3. Ресурс рукояти определяется приведенным числом циклов нагружения с учетом усталости материала и действительных нагрузок, зависящих от скорости подъема ковша при черпании горной массы.

Научная новизна результатов исследований:

1. Уточнена зависимость усилий в подъемных канатах экскаваторов типа ЭКГ-5А от скорости подъема ковша при черпании горной массы различной степени подготовки.

2. Установлены распределения усилий в подъемных канатах экскаваторов типа ЭКГ-5А в период черпания горной массы в зависимости от режима работы подъемного механизма.

3. Обоснован рациональный режим работы подъемного механизма экскаваторов типа ЭКГ-5А (скорость подъема ковша при черпании горной массы), при которых динамические нагрузки, возникающие в рукояти, не превышают допустимых значений.

Методы научных исследований включают анализ показателей эксплуатационной надежности ресурсных узлов экскаваторов типа ЭКГ-5А; хронометражные наблюдения процесса экскавации горной массы; экспериментальные исследования влияния режимов эксплуатации на разрушение металлоконструкций экскаваторов типа ЭКГ-5А; тензометрические натурные исследования и моделирование напряженно-деформированного состояния (НДС) рукояти; обработка результатов исследований с использованием методов математической статистики.

Достоверность научных положений, выводов и результатов исследования подтверждается корректным использованием теоретических и экспериментальных исследований, достаточным объемом проведенных экспериментов и удовлетворительной сходимостью аналитических исследований с результатами выполненных экспериментов и данными практики, относительное расхождение которых не превышает 10 %.

Практическая значимость работы состоит: в разработке методики определения ресурса рукояти экскаваторов типа ЭКГ-5А; выдаче рекомендаций по ремонту и восстановлению балки рукояти.

Личный вклад автора состоит: в организации, проведении и анализе результатов всего комплекса экспериментальных исследований; сборе и обработке статистической информации, характеризующей показатели надежности экскаваторов типа ЭКГ-5А; разработке рекомендаций по повышению долговечности рукояти экскаваторов типа ЭКГ-5А; в оценке влияния скорости подъема ковша при черпании горной массы на усталостное разрушение рукояти экскаваторов типа ЭКГ-5А.

Реализация выводов и рекомендаций работы: рекомендации диссертации использованы для оценки долговечности рукояти и обосновании рациональной скорости подъема ковша экскаваторов типа ЭКГ-5А при черпании горной массы в условиях карьеров ОАО «Гайский ГОК» (г. Гай, Оренбургская область).

Апробация работы: результаты и основные положения диссертационной работы докладывались: на Международной научно-технической конференции «Добыча, обработка и применение природного камня» (Магнитогорск, 2008-2010 гг.); Международной научно-технической конференции «Чтения памяти В. Р. Кубачека» (Екатеринбург, 2009-2010 гг.); на Международном симпозиуме «Неделя горняка» (Москва, 2009-2010 гг.); ежегодных научно-технических конференциях МГТУ (Магнитогорск, 20082010 гг.); на заседаниях научного семинара кафедры «Механизация и электрификация горных производств» и факультета «Горных технологий и транспорта» МГТУ (Магнитогорск, 2007—2010 гг.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 научных работ, в том числе 1 статья в издании, рекомендованном ВАК Министерства образования и науки РФ.

Объем и структура работы: Работа содержит 85 страниц машинописного текста, 59 рисунков и 22 таблицы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 121 наименования и приложений.

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

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

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

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

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

5. Установлено, что увеличение скорости перемещения ковша при черпании горной массы выше рекомендуемой скорости (0,55 м/с) обеспечи

109 вает относительно небольшое увеличение производительности экскаватора, но в то же время способствует возникновению недопустимых динамических нагрузок и, как правило, приводит к появлению трещин и разрушению конструкции рукояти, снижению эффективности работы экскаватора.

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

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

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

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

1. Мельников H.H., Решетник С.П. Перспективы решения научных проблем при отработке мощных глубоких карьеров// Горное дело: ИГД СО РАН. Якутск, 1994. - С. 14-23.

2. Сухорученков А.И. Железорудная база черной металлургии// Горный журнал -№ 10.-С. 55-57.

3. Анализ и оценка технической оснащенности открытых горных работ железорудной промышленности России (1990-2004 гг.). URL: http://wwv.libraiy.stroit.ru//

4. Великанов B.C. Повышение эффективности эксплуатации карьерных гусеничных экскаваторов с оборудованием «прямая механическая лопата»: автореф. дисс. канд. техн. наук. Екатеринбург, 2009.— 19 с.

5. Кочетко А.Я. Конъюктура рынка золота России. URL: http://www.libraiy.stroit.ru//

6. Махно Д.Е., Макаров А.П. Эксплуатационная технологичность карьерных экскаваторов в условиях совершенствования ТО и ремонтов машин// Изв. вузов. Горный журнал. 1991. — № 9.

7. Андреева Л.И. Методология формирования технического сервиса горно-транспортного оборудования на угледобывающем предприятии: дис. д-ра техн. наук. — Екатеринбург, 2004.

8. Состояние и особенности развития горнодобывающего комплекса России. Екатеринбург: ИГД УрО РАН, 2003 - 428 с.

9. Маковеев A.B. Обоснование параметров карьерных экскаваторов в зависимости от условий эксплуатации: дисс. канд. техн. наук. — Екатеринбург, 2008. 109 с.

10. Концепция разработки и изготовления карьерных гидравлических экскаваторов типа LB/ Публикация с сайта ЗАО Финансово Промышленная Компания «Инвест ТЭК». - 2005. — 5 с.

11. Отечественные и зарубежные гидравлические экскаваторы// Добыча и переработка угля: экспресс-информация/ ЦНИЭИуголь. 1984. -Вып. 3 - 24 с.

12. Одноковшовые экскаваторы с гидроприводом и область их применения/ JI.C. Скобелев, В.М. Штейнцайг, P.M. Штейнцайг// Реф. сб. ЦНИИТЭИТяжмаш. М., 1982. - С. 3-7.

13. Скобелев JLC. Основные концепции в создании отечественных мощных гидравлических экскаваторов// Реф. сб. ЦНИИТЭИТяжмаш. М., 1982.-С.10.

14. Мельников H.H., Неволин Д.Г., Скобелев JI.C. Технология применения и параметры гидравлических экскаваторов/ отв. ред. H.H. Мельников. Апатиты: Кольский научный центр РАН, 1992. — 216 с.

15. Семенников B.C. Экскаваторы карьерные гидравлические// Горное оборудование Уралмашзавода»/ отв. ред. сост. Г.Х. Бойко. — Екатеринбург: Уральский рабочий, 2003. - 240 е.: ил.

16. Одноковшовые экскаваторы и самоходные краны с гидравлическим приводом/ под ред. И.Л. Беркмана. М.: Машиностроение, 1971. -304 с.

17. Опыт эксплуатации канатных и гидравлических экскаваторов в условиях карьера Мурунтау/ П.А. Шеметов, С.К. Рубцов, А.Г. Шлыков// Горная промышленность. 2005. - №5.

18. Паладеева Н.И. Сравнительная оценка параметров карьерного экскаватора ЭКГ-1500Р и гидроэкскаваторов-аналогов// Технологическое оборудование для горной и нефтегазовой промышленности: сб. науч. тр. Екатеринбург: УГГУ, 2007.

19. Расчет основных параметров карьерных экскаваторов Р24: учеб. пособие/ Цветков В.Н., Дмитриев В.Д., Дурнев Н.В., Савинова Н.В.; под общ. ред. В.Н. Цветкова.-Екатеринбург: Изд-во УГГГА, 2006.-132 с.

20. Ефимов В.Н., Цветков В.Н., Садовников Е.М. Карьерные экскаваторы: справочник рабочего. — М.: Недра, 1994. — 381 е.: ил.

21. Подэрни Р.Ю. Механическое оборудование карьеров: учебник для вузов. 6-е изд., перераб. и доп. — М.: Изд-во 1У1ГГУ, 2007. — 680 с.

22. Справочник механика открытых работ. Экскавационно-транспортные машины цикличного действия/ под ред. М.И. Щадова и Р.Ю. Подэрни.-М.: Недра, 1989.

23. Крагель A.A. Модели гусеничных экскаваторов, тенденции их развития и оценка технического уровня// Горное оборудование Уралмаш-завода. Екатеринбург: Уральский рабочий, 2003. - 240 с.

24. Цветков В.Н. Экскаватор ЭКГ-20А и его модификации// Горное оборудование Уралмашзавода. — Екатеринбург: Уральский рабочий, 2003.-240 с.

25. Современные карьерные экскаваторы/ Сатовский Б.И., Ярцев Г.М., Полещук П.И., Цветков В.Н., Ясенев Д.А. 2-е изд. - М.: Недра, 1971.-480 с.

26. Состояние и перспективы развития оборудования для открытых горных работ за рубежом: отчет/ МИСИ им. В.В. Куйбышева: рук. М.С. Балаховский. М., 1982. — 69 с.

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

28. Технико-экономические показатели горных предприятий за 19902004 гг. Екатеринбург: ИГД УрОРАН. - 2005. - 430 с.

29. Перелыгин В. Состояние парка экскаваторной техники. Обзор отрасли. Тенденции. URL: http: //www.exkavator.ru//

30. Шарипов Р.Х. К вопросу о диагностировании экскаваторов/ А.Д. Кольга, Р.Х. Шарипов, Л.П. Шевченко// Добыча, обработка и применение природного камня: сб. науч. тр. Магнитогорск, 2009. — С. 108111.

31. Болотнев А.Ю. Повышение надежности базовых узлов металлоконструкций карьерных экскаваторов в условиях севера: автореф. дис. канд. техн. наук. Иркутск, 2009. - 18 с.

32. Менчугин A.B. Обеспечение безаварийной эксплуатации несущих элементов металлоконструкций экскаваторов-драглайнов на основедиагностики их технического состояния: автореф. дис канд. техн.наук. — Кемерово, 2010. 22 с.

33. Насонов М.Ю. Оценка долговечности несущих металлоконструкций одноковшовых экскаваторов при разработке взорванных горных пород: автореф. дис. д-ра техн. наук. Кемерово, 2009. - 34 с.

34. Половко A.M., Гуров C.B. Основы теории надежности: учебник для вузов. 2-е изд., перераб. и доп. - СПб.: Изд-во «БХВ-Пегербург», 2006. - 702 с.

35. Боярских Г.А., Боярских И.Г. Надежность горных машин и оборудования: учеб. пособие. 2-е изд., исправл. и доп. — Екатеринбург: УГ-ГУ, 2009.- 115 с.

36. Базовский И. Надежность. Теория и практика. М.:Мир, 1965. - 373 с.

37. Байхельт Ф., Франкен П. Надежность и техническое обслуживание. Математический подход. М.: Радио и связь, 1988. — 389 с.

38. Шемшура Е.А. Выбор рациональных вариантов проходческого оборудования с учетом фактических показателей надежности: автореф. дисс. канд. техн. наук. Новочеркасск, 2009. - 25 с.

39. ГОСТ 27.002-89. Надежность в технике. Основные понятия. Термины и определения.

40. Надежность и эффективность в технике: справочник: в 10 т. Т. 2. Математические методы в теории надежности и эффективности/ под ред. Б. В. Гнеденко. М.: Машиностроение, 1987. - 280 с.

41. Гнеденко Б. В., Беляев Ю. К., Соловьев А. Д. Математические методы в теории надежности. М.: Наука, 1965. - 524 с.

42. Надежность технических систем: справочник/Ю. К. Беляев, В. А. Богатырев, В. В. Болотин и др.; под ред. И. А. Ушакова. М.: Радио и связь, 1985.-608 с.

43. Боярских Г.А., Боярских И.Г. Надежность горных машин и оборудования: Методическое указание. -3-е изд., исправл. и доп. — Екатеринбург: УГГУ, 2008.-60 с.

44. Голубев В.А., Троп А.Е. Надежность горного оборудования и эффективность его использования. — М., 1974.

45. Стороженко A.M., Олизаренко В.В. Эксплуатационная надежность станков шарошечного бурения: учеб. пособие. Свердловск: У ПИ им. С.М. Кирова, 1979. - 92 с.

46. Надежность горных машин и комплексов / A.B. Топчиев, В.Н. Гето-панов, В.И. Солод, И.Д. Шпильберг. М., 1968.

47. Рахутин Г.С. Вероятностные методы расчета надежности, профилактики и резерва горных машин. М., 1970.

48. Богомолов М.С. Экономическая эффективность повышения надежности горных машин в условиях эксплуатации: автореф. дис. канд. экон. наук. Новосибирск, 1969.

49. Махно Д.Е., Шадрин А.И. Надежность карьерных экскаваторов и станков шарошечного бурения в условиях Севера. — М., 1976.

50. Влияние условий эксплуатации экскаватора на усталостное разрушение его металлоконструкций/ А.Д. Кольга, Р.Х. Шарипов, В. П. Качан// Материалы 67-й науч.-техн. конференции: сб. докл. Магнитогорск: МГТУ, 2009. - С. 157-159.

51. РТМ 44-62. Методика статистической обработки эмпирических данных. — М.: Изд-во стандартов, 1966. 99 с.

52. Вентцель Е.С. Теория вероятностей. — М., 1962.

53. ГОСТ 13377-67. Надежность в технике: Термины. — М., 1968.

54. Шор Я.Б., Кузьмин Ф.Е. Таблица для анализа и контроля надежности. -М., 1968.

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

56. Сопротивление материалов: учебник для вузов/ A.B. Александров, В.Д. Потапов, Б.П. Державин; под ред. A.B. Александрова. 4-е изд., испр. - М.: Высш. шк., 2004. - 560 с.

57. Дайчик M.JL, Пригоровский Н.И., Хуршудов Г.Х. Методы и средства натурной тензометрии: справочник. М.: Машиностроение, 1989. -210 с.

58. Шарипов Р.Х. К расчету нагрузок, действующих на металлоконструкцию экскаватора ЭКГ-5// Горн, инфор.-аналит. бюл. М.: МГГУ, 2010. -№ 6.-С. 113-116.

59. Тензометрические исследования моделей ковшей драглайнов/ И.И. Рутковская, ТО .Г. Закаменных, В.И. Мазо, JT.C. Скобелев// Изв. вузов. Горный журнал. Свердловск: СГИ , 1978. - № 3. - С. 87-88.

60. Исследования напряжений в конструкциях/ под ред. Н.И. Пригоров-ского. М.: Наука, 1980. - 105 с.

61. Описание усилителя для тензометрических измерений типа «ТА-5», 1974.

62. Фрайден Дж. Современные датчики: справочник. — М.: Техносфера, 2005.-592 с.

63. Степин П.А. Сопротивление материалов. М.: Интеграл-Пресс, 1997. -320 с.

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

65. Марочник сталей и сплавов / В.Г. Сорокин, A.B. Волосникова, С.А. Вяткин и др.; под общ. ред. В.Г. Сорокина. М.: Машиностроение, 1989.-640 с.

66. Айвазян С.А., Енюков И.С., Мешалкин Л.Д. Прикладная статистика. Исследование зависимостей.-М.: Финансы и статистика, 1985.-448 с.

67. Домбровский Н.Г. Экскаваторы. М.: Машиностроение, 1969.

68. Чернов Л.Б. Основы методологии проектирования машин: учеб. пособие для вузов. М.: Машиностроение, 1978. - 148 с.

69. Волков Д.П. Динамика и прочность одноковшовых экскаваторов. — М.: Машиностроение, 1965.

70. Чулков H.H. Расчет приводов карьерных машин. М.: Недра, 1987. -196 с.

71. Касьянов П.А., Алексеев Д.А. Условия эксплуатации и процессы на-гружения механизмов горных машин// Изв. вузов. Горный журнал. -2006. № 2. - С. 92-97.

72. Подэрни Р.Ю. Горные машины и комплексы для открытых горных работ: учебник для вузов. Т. 1. 4-е изд., стереотип. - М.: Изд-во МГГУ, 2001.-422 с.

73. Домбровский Н.Г., Панкратов С.А. Землеройные машины. 4.1. Одноковшовые экскаваторы. — М.: Госстройиздат, 1961. — 651 с.

74. Зеленин А.Н., Баловнев В.И., Керров И.П. Машины для земляных работ: учеб. пособие для вузов. — М.: Машиностроение, 1975. — 424 с.

75. Петере Е.Р. Основы теории одноковшовых экскаваторов. М.: Маш-гиз, 1955.

76. Никитин H.H. Курс теоретической механики, учебник для вузов. М.: Высш. шк., 1990.

77. Единые нормы выработки на экскавацию и транспортирование горной массы на открытых горных работах. М., 1978.

78. Беляев Н.М. Сопротивление материалов. — 13-е изд., стереотип. М.: Физматгиз, 1962. — 856 с.

79. Экскаватор ЭКГ-5. Каталог деталей и сборочных единиц. Паспорт № 1085.00.00 КД.-2001.

80. Качество подготовки горной массы к экскавации на карьерах СССР/ В.Р. Кубачек, Д.К. Тургель, Ю.А. Девяткин// Изв. вузов. Горный журнал. 1975. - № 8. - С. 101-103.

81. Кубачек В.Р., Касьянов П.А. Оценка кусковагости горной массы при исследовании режимов нагружения одноковшовых экскаваторов// Изв. вузов. Горный журнал. 1975. - № 1. - С. 92-95.

82. Кубачек В.Р. Основное технологическое оборудование современных горно-обогатительных комбинатов: ^цисс. д-ра техн. наук. — Свердловск, 1971.-342 с.

83. Кубачек В.Р., Куклин Л.Г. Основы надежности горных машин. — Свердловск, 1982. 76 с.

84. Насонов М.Ю. Влияние внешней среды на долговечность металлоконструкций экскаваторов// Горное оборудование и электромеханика. -2009.-№2.-С. 17-19.

85. Паршин B.C. Уменьшение динамических нагрузок в приводе машины при пуске// Изв. вузов. Горный журнал. 1976. - № 4. - С 89-91.

86. Касьянов П.А. Исследование влияния кусковатости взорванной горной массы на режимы нагружения подъемных механизмов карьерных экскаваторов: автореф. дисс. канд. техн. наук: Свердловск, 1970. -21 с.

87. Насонов М.Ю. Оценка влияния крупнокусковой горной массы на на-груженность одноковшовых экскаваторов// Горный информ. -аналит. бюл. 2009. - №1. с. 40-43.

88. Ананин В. Моделирование рабочего оборудования карьерного экскаватора с механическим приводом и анализ его напряженного состояния в среде АРМ WinMachine. URL: http: // www.sapr.ru/.

89. Головнева Т.П., Шестаков B.C. Оптимизация структурного исполнения и параметров стрел драглайнов// Технологическое оборудование для горной и нефтегазовой промышленности: сб. науч. тр. Екатеринбург: УГГУ, 2009. - С. 28-30.

90. Капанин Н.В., Шестаков B.C. К моделированию усилий на рабочее оборудование карьерного экскаватора// Технологическое оборудование для горной и нефтегазовой промышленности: сб. науч. тр. Екатеринбург: УГГУ, 2010. - С. 70-75.

91. Лукашук O.A. Прогнозирование ресурса деталей горных машин с учетом деградации свойств материала: автореф. дис. канд. техн. наук. Екатеринбург, 2009. - 16 с.

92. Капанин Н.В. К разработке методики расчета нагрузок на металлоконструкции экскаватора-драглайна// Технологическое оборудование для горной и нефтегазовой промышленности: сб. науч. тр. — Екатеринбург: УГГУ, 2009. С. 261-267.

93. Савинова Н.В., Савинов Д.В. Подготовка расчетной модели стержневой конструкции высотой более 10 м// Технологическое оборудование для горной и нефтегазовой промышленности: сб. науч. тр. — Екатеринбург: УГГУ, 2010. С. 335-340.

94. Замышляев В.Ф., Русихин В.И., Шешко Е.Е. Эксплуатация и ремонт карьерного оборудования. М.: Недра, 1991. - 285 с.

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

96. Кравченко В.М., Русихин В.И. Ремонтная технологичность карьерных механических лопат. — 2-е изд., стереотип. М.: Изд-во МГГУ, 2002. -231с.

97. Петров Г.Л., Тумарев A.C. Теория сварочных процессов. М.: Высш. шк., 1977.-392 с.

98. Петров Г.Л. Сварочные материалы. Л.: Машиностроение, 1972.

99. Прохоров H.H. Физические процессы в металлах при сварке. Т. 1. — М.: Металлургия, 1968.

100. Сефериан Д. Металлургия сварки: пер. с фр. М. : Машгиз, 1963.106.107.108.109.110.111.112.1. ИЗ,114,115116117118119120

101. Соколов И.И. Газовая сварка и резка металлов. М.: Высш. шк., 1986. Стеклов О.И. Основы сварочного производства. - М.: Высш. шк., 1986.

102. Рыбаков В.М. Сварка и резка металлов. М.: Высш. шк., 1979.-214 с. Рыбаков В.М. Дуговая и газовая сварка. - М.: Высш. шк., 1986. Рыкалин H.H. Расчет тепловых процессов при сварке. - М.: Машгиз, 1951.

103. Шебеко Л.П. Оборудование и технология автоматической и полуавтоматической сварки. М.: Высш. шк., 1986.

104. Сварка и резка материалов: учеб. пособие/ М.Д. Баннов, Ю.В. Казаков, М.Г. Козулин и др.; под ред. Ю.В. Казакова. 3-е изд., стереотип. - М.: Академия, 2003. - 400 с.

105. Биргер И.А., Иосилевич Г.Б. Резьбовые и фланцевые соединения. -М.: Машиностроение, 1990. 368 с.

106. Ключев В.И. Ограничение динамических нагрузок электропривода. — М.: Энергия, 1971.

107. Аглюков Х.И. Организация и экономика горного производства: учеб. пособие. Магнитогорск: МГТУ, 2007. - 86 с.

108. Боярских Г.А. Теория старения и восстановления машин. — Екатеринбург: УГГУ, 2007. 175 с.