автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.06, диссертация на тему:Исследование динамических процессов экскаваторов-мехлопат при разработке взорванных горных пород на разрезах Кузбасса

На правах рукописи

С

Черезов Артём Анатольевич

ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ЭКСКАВАТОРОВ-МЕХЛОПАТ ПРИ РАЗРАБОТКЕ ВЗОРВАННЫХ ГОРНЫХ ПОРОД НА РАЗРЕЗАХ КУЗБАССА

Специальность 05.05.06 - «Горные машины»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 з '¿013 005061387

Кемерово 2013

005061387

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Кузбасский государственный технический университет имени Т.Ф.Горбачева»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Паначев Иван Андреевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Маметьев Леонид Евгеньевич

кандидат технических наук Дрыгин Михаил Юрьевич

Ведущая организация: ОАО «УК «Кузбассразрезуголь»

Защита состоится «<2•/» Ш-ОИЯ 2013г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 212.102.01 в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Кузбасский государственный технический университет имени Т.Ф.Горбачева» по адресу: 650000, г. Кемерово, ул. Весенняя, 28, факс: (3842) 36-16-87, e-mail: kuzstu@kuzstu.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Кузбасский государственный технический университет имени Т.Ф.Горбачева».

Автореферат разослан «2М&Я 2013г.

Ученый секретарь диссертационного совета

А. Г.Захарова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Одной из важных проблем при разработке взорванных горных пород при транспортной системе является эффективное управление эволюцией этапов эксплуатации экскаваторов. Одним из путей к решению названной проблемы является вычисление функции надежности экскаваторов, определяемой вероятностью безотказной их работы на заданном отрезке времени.

В настоящее время актуальной является параметрическая (физическая) теория надёжности, которая, в отличие от математической (формальной) теории надёжности, привлекает не только теорию вероятностей и математическую статистику, но и модели процессов, которые вызывают возникновение отказов.

Основной причиной отказов металлоконструкций экскаваторов-мехлопат является многоцикловое усталостное разрушение. В процессе усталости существуют две стадии: стадия I, во время которой происходит зарождение макроскопической усталостной трещины вследствие накопления повреждений, и стадия II - рост появившейся макроскопической трещины. Две названные стадии отличаются своей физической природой и подчиняются различным закономерностям. В качестве основной причины усталостного разрушения металлоконструкций экскаваторов-мехлопат выступают концентраторы напряжений - дефекты сварных соединений: поры, непровары, прожоги, неметаллические включения, подрезы. В промышленных условиях часто приходится сталкиваться с трудностью определения стадии процесса усталости. Выходом из этой ситуации является уподобление дефектов металлоконструкций экскаваторов макроскопическим усталостным трещинам, то есть игнорирование стадии I и рассмотрение только стадии II. Изучением этой стадии процесса усталости занимается механика усталостного разрушения, которая, в отличие от классической теории усталости, учитывает развитие макротрещин - процесса, неизбежно сопровождающегося усталостным разрушением.

Усталостное разрушение экскаваторов-мехлопат является следствием механического циклического нагружения. Элементы конструкций экскаваторов подвержены нерегулярному нагружению, имеющему случайный характер. Принципиальная невозможность описания детерминистическими зависимостями закона нагружения экскаваторов и недостаточная изученность кинетики усталостного разрушения при нерегулярном воздействии представляют главные трудности при достижении основного назначения теории надёжности экскаваторов-мехлопат - вычисления функции надежности.

Поэтому можно утверждать, что проблема получения закономерностей, описывающих нерегулярные процессы нагружения и роста усталостных трещин в элементах конструкций механических лопат, остаётся малоизученной. С этой точки зрения исследование динамических процессов работы экскаваторов-мехлопат при разработке взорванных горных пород на разрезах Кузбасса является актуальным и своевременным.

Работа выполнялась в рамках госбюджетной темы «Оценка надёжности экскаваторов, разрабатывающих скальные породы на разрезах Кузбасса».

Объектом исследования являются экскаваторы-мехлопаты при разработке взорванных горных пород на разрезах Кузбасса.

Предметом исследования являются динамические процессы экскава-торов-мехлопат при разработке взорванных горных пород на разрезах Кузбасса.

Цель работы заключается в исследовании нестационарных процессов нагружения и роста дефектов в элементах металлоконструкций экскаваторов-мехлопат для определения функции надёжности и повышения эффективности эксплуатации при разработке взорванных горных пород.

Идея работы заключается в экспериментальной верификации моделей динамических процессов и алгоритмизации на их базе функции надёжности элементов металлоконструкций экскаваторов-мехлопат при разработке взорванных горных пород на разрезах Кузбасса.

Задачи исследования:

- выполнить структурный анализ процесса нагружения элементов конструкции мехлопат при экскавации взорванных горных пород;

- установить закономерности кинетики усталостного разрушения при эксплуатационной структуре нагружения элементов металлоконструкций экскаваторов-мехлопат;

- разработать метод оценки надёжности дефектных элементов конструкций механических лопат, использование которого позволит эффективно управлять эволюцией этапов эксплуатации экскаваторов.

Методы исследований включают анализ литературных источников, аналитические и лабораторные исследования, моделирование роста усталостных трещин на основе методов механики разрушения, натурные испытания с обобщением результатов методами математической статистики.

Научные положения, выносимые на защиту:

- экстремумы циклов напряжений элементов конструкций экскаваторов-мехлопат при разработке взорванных горных пород разрезов Кузбасса описываются смещённым распределением Эрланга 2-го порядка (по критерию согласия Пирсона доверительная вероятность равна 88-92%; Колмогорова-Смирнова - 86-^90%);

- принятая для исследований модель Черепанова позволяет консервативно оценивать кинетику дефектов металлоконструкций механических лопат при экскавации взорванных горных пород при коэффициенте интенсивности напряжений от 11% до 41% от циклической трещиностойкости;

- разработанный метод оценки надёжности элементов конструкций мехлопат при экскавации взорванных горных пород разрезов Кузбасса позволяет учитывать протекающие в них динамические процессы и получать обоснованные показатели надёжности на 12"', 4'1, 2'1, 1 год (месячное, квартальное, полугодовое, годовое планирование открытых горных работ).

Научная новизна работы заключается;

- в определении закономерностей процесса нагружения механических лопат при экскавации взорванных горных пород для прогнозирования роста дефектов в элементах металлоконструкций;

- в обосновании возможности применения модели Черепанова для консервативной оценки времени до отказа элементов конструкции мехлопат;

- в разработке и обосновании алгоритма оценки функции надёжности элементов конструкций экскаваторов-мехлопат.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:

- применением апробированных методов натурной тензометрии стальных металлоконструкций, теории вероятностей, численного дифференцирования и интерполирования;

- сравнительно высокими значениями доверительных вероятностей (86-92%) по критериям Пирсона и Колмогорова-Смирнова при проверках статистических гипотез о законе распределения размахов напряжений цикла.

Личный вклад автора заключается:

- в проведении структурного анализа процесса нагружения элементов металлоконструкций экскаваторов-мехлопат при разработке взорванных горных пород разрезов Кузбасса;

- в установлении закономерностей кинетики усталостного разрушения при эксплуатационной структуре нагружения элементов конструкции механических лопат при разработке взорванных горных пород разрезов Кузбасса;

- в разработке алгоритма для получения функции надёжности экскаваторов-мехлопат при разработке взорванных горных пород разрезов Кузбасса.

Научное значение работы заключается в том, что оценка функции надежности элементов конструкций экскаваторов-мехлопат формируется с помощью разработанных и обоснованных математических моделей динамических процессов работы экскаваторов, разрабатывающих взорванные горные породы разрезов Кузбасса.

Практическое значение работы заключается в том, что использование разработанных моделей позволяет эффективно управлять этапами эксплуатации экскаваторов.

Реализация результатов исследования. Метод оценки функции надёжности элементов конструкций экскаваторов-мехлопат реализован в виде компьютерной программы, результаты расчётов которой позволяют повысить эффективность использования экскаваторного парка разрезов Кузбасса.

Апробация работы. Основные положения и выводы работы в период ее выполнения представлены на Международной научно-технической конференции «Чтения памяти В.Р. Кубачека. Технологическое оборудование для горной и нефтегазовой промышленности» (Екатеринбург, 2012 г.); Международной научно-практической конференции «Открытые горные работы в XXI веке» (Красноярск, 2011 г.); Международной научно-практической конференции «Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири» (Кемерово, 2006

г., 2012 г.); научно-практических конференциях студентов, аспирантов и профессорско-преподавательского состава КузГТУ (2007-2010 гг.).

Научные исследования, выполненные в рамках диссертационной работы, отмечены дипломом Президиума КемНЦ СО РАН по итогу конкурса «Интеллектуальное будущее Кузбасса - 2013». Диссертация является основой авторского проекта «Повышение надёжности горных машин при наличии дефектов», который стал одним из победителей конкурса научно-технических и инновационных проектов, направленных на решение актуальных проблем Кемеровской области (2010 г.).

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 6 научных работ, в том числе 3 - в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4-х глав, заключения, изложена на 130-ти страницах машинописного текста, содержит 56 рисунков, 8 таблиц и список литературы из 123-х наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе освещено состояние парка экскаваторов-мехлопат на разрезах Кузбасса; приводится обоснование применения функции надёжности при эксплуатации экскаваторов на основе моделирования нестационарных процессов нагружения и кинетики усталостного разрушения элементов металлоконструкций механических лопат при разработке взорванных горных пород.

Исследованию надёжности мехлопат посвящены работы Солода C.B., Бондаровича Б.А., Перепонова В.И., Фёдорова Д.И., Коха П.И., Махно Д.Е., Шадрина А.И., Паначева И.А., Насонова М.Ю., Храмовского В.А., Громад-ского A.C., Дроворуба В.Г., Квагинидзе B.C. и других. Исследования в этих работах направлены на разработку методов оценки параметров надёжности экскаваторов, учитывающих динамические процессы, протекающие в элементах конструкций. Вопросы описания нагружения экскаваторов-мехлопат рассматриваются в работах Гаевской К.С., Волкова Д.П., Домбровского Н.Г., Панкратова С.А., Ряхина В.А., Кубачека В.Р., Касьянова П.А., Белякова Ю.И., Матушенко В.М., Паляничко С.А., Юматова Б.П., Байкова Б.Н., Багина Б.П., Богородицкого М.Д., Гомозова И.М. и других.

Однако в этих работах при расчётах металлоконструкций на усталостную долговечность не учитывается рост дефектов при экскавации взорванных горных пород. Рост дефектов в элементах конструкций мехлопат является важным динамическим процессом в силу того, что он приводит к отказу экскаватора.

Определённый интерес в этом направлении представляют результаты работ акад. Болотина В.В., член-корр. Махутова H.A., Злочевского А.Б., Гусева A.C., Любимова А.К., Лепихина A.M., Костенко П.В., Черняковой H.A. и других, где рассматриваются вопросы создания математических моделей для

оценки функции надёжности элементов конструкций с усталостными трещинами.

Следуя работам акад. Болотина В.В., определение функции надёжности Я(0 элемента конструкции экскаватора-мехлопаты, содержащего усталостную трещину, с учётом диагностической информации и действующих нагрузок (механических напряжений) будет иметь вид

Н^\Д) = Н{к(сг(г|д)) < КГс}, (!)

где Н{-} — вероятность случайного события, описание которого дано в фигурных скобках; Д - объём диагностической информации о данном экскава-торе-мехлопате; | - знак условной зависимости; К - коэффициент интенсивности напряжений (КИН); о - механические напряжения в элементе конструкции экскаватора-мехлопаты; Г — время; Кь - циклическая трещиностой-кость материала элемента конструкции экскаватора-мехлопаты.

Формула (1) символизирует, что критерием отказа является неравенство К>КЬ. Это выражение также показывает, что рост дефекта формируется процессом нагружения элемента металлоконструкции экскаватора. Рост дефекта характеризуется коэффициентом интенсивности напряжений, а процесс нагружения - механическим напряжением.

Анализ литературы показал, что задачам параметрической теории надёжности экскаваторов-мехлопат посвящено недостаточно работ; это потребовало расширения и углубления экспериментальных и теоретических знаний и обусловило цель и задачи диссертационного исследования.

Во второй главе приведён структурный анализ процесса нагружения элементов конструкции экскаваторов-мехлопат при разработке взорванной горной массы разрезов Кузбасса. Анализ основывается на результатах экспериментальных исследований, выполненных с применением методов тензометрии стальных конструкций. При проведении натурных исследований использовался экспериментально-вычислительный центр (рис. 1).

Тензометрические измерения были проведены на разрезах Кедровский, Томусинский, Бачатский на экскаваторах-мехлопатах ЭКГ-8И, ЭКГ-10, ЭКГ-12, ЭКГ-12,5, ЭКГ-15, разрабатывающих взорванные горные породы. Взрывная подготовка горных пород к выемке проводилась согласно «Временной методике расчета параметров взрывной отбойки пород на угольных разрезах», разработанной на кафедре открытых горных работ КузПИ и утверждённой АН СССР.

Осциллограмма экспериментально определенного нормального напряжения ое от времени 1 (операция, черпания, разрез Кедровский, третий участок) изображёна на рис. 2. Ввиду того, что описание процесса нагружения экскаватора в дальнейшем будет использоваться для оценки показателей кинетики дефектов металлоконструкций мехлопат, из осциллограмм были выделены только экстремумы напряжений циклов, так как рост усталостной трещины не зависит от промежуточных значений между минимумом и максимумом циклов нагружения.

стальконстр»кция

из жести

(крепится посредством магнита)

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ!

|^|тензорезистор Сне под&ержен деформации)^ тензопеэистор (подвержен деформации) АКБ-аккаму/штоРная батарея

Рис. 1 - Схема экспериментально-вычислительного центра

Т Щ.....

Рис. 2. Осциллограмма процесса нагружения стрелы ЭКГ-12:

--кривая изменения экспериментально определенного нормального напряжения ст°; * -

экспериментально определенный экстремум напряжения цикла нагружения; | - ординаты процесса нагружения (метод Бондаровича-Перепонова); □ - максимальное значение напряжения в цикле экскавации (метод Волкова-Гаевской); Дас - экспериментально определенный размах напряжений цикла нагружения; остах (аСпш) - экспериментально определенное максимальное (минимальное) напряжение цикла нагружения; аст -экспериментально определенное среднее напряжение цикла нагружения; оса -экспериментально определенная амплитуда напряжений цикла нагружения; I - время

При проведении натурных экспериментов с помощью аналого-цифровых преобразователей (АЦП), используя теорему Котельникова-Нейквиста, была получена матрица I, представляющая собой численный массив дискретизации процесса изменения напряжения в элементах металлоконструкций экскаваторов-мехлопат. После цифровой обработки тензосигналов были выделены экстремумы механических напряжений. В результате чего матрица I была преобразована в матрицу в:

сг

цос

G =

mini

max I

ее

С,

(2)

rninNp, е

ч maxNi~ у

где ЦОС - цифровая обработка сигнала; ND - номер измерения тензосигнала АЦП; NDv - количество измерений тензосигнала АЦП; Np - номер цикла на-гружевия эксплуатационной реализации; Npv - количество циклов нагруже-ния эксплуатационной реализации.

Аппроксимация эмпирических распределений размахов напряжений циклов осуществлялась распределениями Вейбулла-Гнеденко, Релея-Райса, Накагами, Максвелла, Вальда, логнонормальным, гамма-распределением, бета-распределением 2-го рода, гиперэкспоненциапьным распределением 2-го порядка, усечённым распределением Гаусса. Методами математической статистики и теорией вероятностей было установлено, что параметры (максимальное, минимальное, размах, амплитуда) напряжения цикла, действующие в элементах конструкций мехлонат, наилучшим образом описываются смещенным распределением Эрланга 2-го порядка (по критерию согласия Пирсона уровень значимости 8+12%; Колмогорова-Смирнова- 10+14%):

f(a>

•ехр

<7„ -с„

С?„ >с„

(3)

где - распределение вероятностей случайной величины, описание которой дано в скобках; ак - обобщённый параметр напряжения цикла; са - параметр сдвига распределения вероятностей; Ь^ — параметр масштаба распределения вероятностей.

В результате обработки экспериментальных данных коэффициент нерегулярности £ процесса нагружения находится в диапазоне 0,82+0,86.

В качестве примера на рис. 3 изображены дифференциальная функция и гистограмма распределения размахов напряжений цикла нагружения.

Одним из главных оснований полагать, что модель Эрланга является устойчивой статистической моделью, является то, что выход фракций заданного размера взорванной горной массы, которая разрабатывается экскавато-рами-мехлопатами, описывается одним и тем же выражением, полученым коллективом авторов в составе A.B. Бирюкова, И.А. Паначева, Н.Я. Репина, A.C. Ташкинова:

г, = е'^41,

(4)

где т| - выход фракций; X - отношение линейного размера искомой фракции к диаметру среднего куска.

Графический вид этой зависимости приведён на рисунке 4.

35

|| 3»

S S 25 й

о ц

20

ш ж

s

[\

■и

иир \

О 10 20 30 40 50 60 ТО 80 90 100 110

Да0, МПа

Рис. 3. Дифференциальная функция и гисто1рамма распределения размахов напряжений цикла в рукояти ЭКГ-15: — кривая теоретической плотности вероятностей;

Щ - гистограмма распределения экспериментальных данных

О 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.5 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4

Рис. 4. График зависимости выхода фракций заданного размера от отношения линейного размера искомой фракции к диаметру среднего куска

На основе модели Эрланга была разработана схема алгоритма процесса нагружения элементов металлоконструкций экскаваторов-мехлопат при разработке взорванных горных пород разрезов Кузбасса (рис. 5).

Ч

Рис. 5. Схема алгоритма вычисления экстремумов напряжений цикла: 1п - натуральный логарифм; ¿> - оценка параметра масштаба распределения размаха напряжения цикла нагружения; Яи - случайная величина, равномерно распределённая в интервале [0,1]; осоихтт - статическое напряжение (параметр сдвига распределения вероятностей максимального (минимального) напряжения цикла нагружения)

- И -

Полученная в результате структурного анализа процесса нагружения схема алгоритма вычисления экстремумов напряжений цикла является составной частью схемы алгоритма метода оценки функций надёжности элементов металлоконструкций экскаваторов-мехлопат при разработке взорванных горных пород разрезов Кузбасса.

В третьей главе рассматривается изучение закономерностей кинетики усталостных трещин при эксплуатационной структуре нагружения элементов конструкции экскаваторов-мехлопат при разработке взорванной горной массы разрезов Кузбасса. Для проведения лабораторных экспериментов была спроектирована и изготовлена электрогидравлическая испытательная машина с управлением от цифро-аналогового преобразователя (рис. 6).

ойрачец meatopeiucmop

ЦАП Ä17-T8

Гидравлическая система

рама стенда *

гидроцилиндр '

Рис. 6. Принципиальная схема управления испытательным стендом при проведении лабораторных исследований: АЦП - аналого-цифровой преобразователь; ТУ - тензомегрический усилитель; ЦАП -цифро-аналоговый преобразователь; УМ - усилитель мощности; пЭМ ГР - пропорциональный электромагнит золотникового гидрораспределителя; ЭВМ - электронно-вычислительная машина

Для достижения идентичности закономерностей роста усталостных трещин (РУТ) в лабораторных и эксплуатационных условиях, согласно результатам работ акад. В.В. Болотина, А.Б. Злочевского, A.C. Гусева, необходимо, чтобы в двух этих условиях были одинаковыми вид (тип) распределения параметров циклов нагружения и коэффициент нерегулярности. Для удовлетворения этих требований необходимо, чтобы

+Sraean> (5)

где Р„ - обобщённое обозначение параметров цикла силы Р, прикладываемой к образцу; <р - угловой коэффициент прямой; Smcim - среднее значение диапазона изменения силы, развиваемой испытательным стендом.

С практической точки зрения представляет интерес прогнозирование кинетики усталостного разрушения при эксплуатационном нагружении. Для этого была использована модель, описывающая рост усталостной трещины, а именно формула Черепанова:

Д/ = ■

( 1 К

тах К

- + 1п

К2 -К2

1С т;

fc

К

fc

-К/

(6)

где АI - приращение трещины; р - коэффициент, определяемый по кинетической диаграмме усталостного разрушения; Ктах (Ктш) - максимальный (минимальный) КИН в цикле нагружения.

Для вычислений по этой формуле нужно выполнить ряд условий:

- если Ктах < 0, то в этой формуле следует полагать Ктах = 0;

- если Кга;п < 0 , то в этой формуле следует полагать К,™ = 0;

- если Кгаах< К,„, то Д 1 = 0 (К», - пороговый коэффициент интенсивности напряжений материала элемента конструкции).

Модель Черепанова основывается на решении задачи о развитии трещины в упруго-пластических телах при нерегулярном нагружении и получена с использованием обобщённой энергетической концепции квазихрупкого разрушения Ирвина-Орована и размерного анализа.

После обработки данных, полученных экспериментально и с помощью модели Черепанова, было проведено сравнение скоростей роста усталостной трещины для анализа адекватности предлагаемой модели (рис. 7, 8).

Рис. 7. График зависимости Рис. 8. График зависимости скорости РУТ

скорости РУТ <И/сШ от числа от максимального КИН цикла нагру-

циклов нагружения N жения Ктах и числа циклов нагружения N

Штриховая область - область нахождения истинного значения (теория) сплошная область - область нахождения истинного значения (по данным экспершлента)

Сравнение скоростей роста усталостной трещины показало, что модель Черепанова даёт выше оценку при использовании параметров циклической трещиностойкости, характеризующих верхнюю оценку кинетической диаграммы усталостного разрушения при гармоническом нагружении (внешняя верхняя кривая штриховой области (рис. 7, 8)). Причём если описать исследуемый процесс в терминах коэффициента интенсивности напряжений (КИН), то вывод по указанному выше сравнению не изменится при Ктах е(0,11К^; 0,4 1Кй). Таким образом, при описании роста дефектов в элементах металлоконструкций экскаваторов-мехлопат при разработке взорванных горных пород разрезов Кузбасса необходимо пользоваться кинетической диаграммой усталостного разрушения (рис. 9). На основе этой диаграммы была разработана схема алгоритма процесса роста дефектов (рис. 10).

Рис. 9. Кинетическая диаграмма усталостного разрушения (шкалы по осям логарифмические): --расчётный график роста усталостной трещины; соты - полоса разброса экспериментальных данных роста усталостной трещины; --верхняя оценка полосы разброса экспериментальных данных роста усталостной трещины; ■ • • - нижняя оценка полосы разброса экспериментальных данных роста усталостной трещины; сй/Ж- скорость роста усталостной трещины; I - длина усталостной трещины; N - число циклов нагружения; Ктах -максимальный КИН цикла нагружения; К*,], - левая граница применения модели Черепанова; К*1с - правая граница применения модели Черепанова; К о, - пороговый КИН (верхняя оценка полосы разброса экспериментальных данных роста усталостной трещины); К"гс - циклическая трещиностойкость материала элемента металлоконструкции экскаватора-мехлопаты (нижняя оценка полосы разброса экспериментальных данных роста усталостной трещины)

5

Рис. 10. Схема алгоритма вычисления приращения длины трещины

Полученная в результате исследования кинетики усталостных трещин схема алгоритма процесса роста дефектов является составной частью схемы алгоритма метода оценки функций надёжности элементов металлоконструкций экскаваторов-мехлопат при разработке взорванных горных пород разрезов Кузбасса.

В четвертой главе разрабатывается и обосновывается алгоритмическое обеспечение метода оценки функций надёжности дефектных элементов металлоконструкций экскаваторов-мехлопат при разработке взорванной горной массы разрезов Кузбасса. Алгоритм был разработан методом декомпозиции на базе теоремы Бома-Якопини. В общем виде схема алгоритма метода оценки изображена на рис. 11.

Вычисление оценок функций надёжности элементов конструкций экскаваторов-мехлопат основывается на численном методе, а именно на методе Монте-Карло. Результатами вычисления являются совокупность оценок вероятностей безотказной работы элементов конструкций экскаваторов и время, которые относятся к данным вероятностям. Формально эта совокупность представляет собой матрицу:

' я(о

ф=

ню

(7)

где Ф - матрица функции надёжности элемента конструкции экскаватора; tv..tm...tm^ - время до отказа элемента конструкции экскаватора в порядке

возрастания; /f (?, )...Н(tm )...H(tm ) _ оценки вероятностей безотказной работы элемента конструкции экскаватора, соответствующие времени t{...tm...tm^ ; ш - номер отказа при упорядочении по времени; mend - конечный номер отказа при упорядочении по времени.

Для получения матрицы Ф функции надёжности элемента конструкции экскаватора-мехлопаты необходимо иметь выборку времени до отказа. В силу того, что вычислить время до отказа дальше момента времени Тц, до которого запланировано ведение горных работ, не удастся, то матрица отказов будет иметь вид цензурированных данных:

В =

W,

'j WJ

ww

(8)

( начало)

металлоконструкции экскаватора-мехлопаты: У - поправочная функция, учитывающая схему нагружения и форму элемента конструкции, форму и местоположение трещины, и др.; У, - У при экскавации; Клг0 - правая граница области применения модели роста усталостной трещины; [ ] - сохранённое .численное значение; тКМ - функция, реализующая метод Каплана-Мейера; 1в, Нв, ... Ыв - порядковые номера взрывов; Т„м„ (Ткмв) - момент начала (конца) воздействия от взрыва с порядковым номером №

где - время до отказа элемента конструкции экскаватора в поряд-

ке вычисления с помощью алгоритма получения оценки функции надёжности; j - номер отказа (индекс строки в матрице отказов); jmin - наибольший номер отказа (численно равен минимально необходимому объёму выборки); W|...Wj...Wjmjii - индикаторы цензурирования, относящиеся ко времени

до отказа элемента конструкции экскаватора •

Индикатор цензурирования W определяется по формуле:

fW = 1 при t < Т ,

W = Ц (9)

W = 0 при t > Тц w

Статистическую обработку результатов моделирования целесообразно осуществлять процедурой Каплана-Мейера:

¿(0=rTmJmcnd - ™)/(mend - т + l)]w", (Ю)

где - произведение по всем отказам, завершившим в моменту времени t\ W- индикатор цензурирования, соответствующий tm.

При использовании численных методов оценка функции надёжности H(t) элемента конструкции экскаватора-мехлопаты при разработке взорванных горных пород разрезов Кузбасса будет иметь вид

Н (t\Д) = Н {к тах )) < KV; / < Тц \ (11)

где Н}}— статистическая оценка вероятности случайного события, описание которого дано в фигурных скобках (процедура Каплана—Мейера).

В качестве примера на рис. 12 приведена функция надёжности стрелы

ЭКГ-10, содержащая усталостную трещину. Расчёт проводился по разобранному выше алгоритму.

н 1ПУНТИ-ИНН-Н J 11 11

0.95 -ЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕ±ЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕ::

Ms EEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEErEEEEEEEEEEEEE o,8 EEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEErrЕЕЕЕЕЕЕЕ

o,75 ееееееееееееееееееееееееееееееёееееее

0,7 ri Mill ГТ-ri 1 |-| I | I 1 1 I I | II | I I | II | I I 1 I I 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 t, дни

Рис. 12. Функция надёжности стрелы ЭКГ-10, содержащей трещину

- 17В разработанной схеме алгоритма метода оценки функции надёжности элемента металлоконструкции экскаватора-мехлопаты процесс нагружения обозначают символы «атзх», «атш». Процесс нагружения при экскавации взорванных горных пород описывается моделью Эрланга. Процесс роста дефектов в металлоконструкциях мехлопат обозначен символом «АЬ. Этот процесс вычисляется с помощью модели Черепанова. Разработанная математическая модель оценки функции надёжности позволяет эффективно управлять эволюцией этапов эксплуатации экскаваторов, разрабатывающих взорванные горные породы разрезов Кузбасса.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертационная работа является научно-квалификационной работой, в которой содержится решение задачи разработки и обоснования моделей для получения функции надёжности элементов конструкций экскаваторов-мехлопат, разрабатывающих взорванные породы разрезов Кузбасса, и имеет важное значение для горного машиноведения и эксплуатации экскаваторов. Внедрение разработанных моделей позволит внести значительный вклад в ускорение научно-технического прогресса в горнодобывающих отраслях промышленности.

Основные научные результаты, выводы и рекомендации сводятся к следующему:

1. Выявлено, что эффективное управление эволюцией этапов эксплуатации экскаваторного парка необходимо осуществлять с помощью функций надёжности, которые рационально определять на основе моделей динамических процессов работы экскаваторов-мехлопат. Моделируемыми динамическими процессами при оценке функции надёжности элементов металлоконструкций являются процессы механического нагружения и роста усталостных трещин.

2. Установлено, что нерегулярные процессы нагружения элементов металлоконструкций мехлопат, разрабатывающих взорванные горные породы, описываются одинаковым типом распределения вероятностей параметров напряжения циклов (уровень значимости а = 8+12% по критерию х ) и имеют коэффициент нерегулярности, находящийся в узком диапазоне (£=0,82-Ю,86). В связи с этим кинетика дефектов конструкций мехлопат подчинятся единым закономерностям.

3. На основе анализа результатов экспериментального исследования циклической трещиностойкости при нагружении, соответствующем экскавации взорванных горных пород мехлопатами, рекомендовано при расчётах роста дефектов в элементах их металлоконструкций использовать нижние оценки параметров кинетической диаграммы усталостного разрушения.

4. Определено, что функция надёжности н(г) элемента металлоконструкции экскаватора-мехлопаты является цензурированной справа по оси времени г. Границей этой функции по оси абсцисс будет момент времени Тц,

до которого запланировано ведение горных работ. При этом оценка функции надёжности H(t) определяется процедурой Каплана-Мейера Н{} и формируется исходя из параметрического критерия отказа, заключающегося в достижении или превышении максимальным значением коэффициента интенсивности напряжений цикла нагружения Ктах правой границы области применения модели роста усталостной трещины Knfc. Указанная оценка основывается на диагностической информации Д и на параметрах напряжений циклов стя и

формально выражается в виде: Я('|Д) = Й{Ктах(сгж(?|д))< KnfC; t < Тц}.

5. Разработано алгоритмическое и программное обеспечение для оценки функции надёжности дефектных металлоконструкций экскаваторов-мехлопат, использование которого способствует повышению эффективности использования экскаваторного парка разрезов Кузбасса.

6. Ожидаемый экономический эффект от внедрения результатов диссертационного исследования в филиале ОАО УК «Кузбассразрезуголь» «Кедровский угольный разрез» составит, согласно укрупнённым оценкам, порядка 300 тыс. руб. в год.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах

в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, рекомендованных ВАК Росси:.

1. Черезов A.A. Моделирующий алгоритм для получения функции надежности элементов конструкций экскаваторов-мехлопат // Уголь. 2011. № 1. — С. 48-50.

2. Черезов A.A. Структурный анализ процесса нагружения элементов конструкций мехлопат // Уголь. 2011. № 2. — С. 51—52.

3. Паначев И.А. К методике экспериментальных исследований нагруженно-сти элементов конструкций экскаваторов-мехлопат / Паначев И.А., Черезов А.А.//Вестн. КузГТУ. 2013. № 1. С. 19-23.

в прочих изданиях:

4. Паначев И.А. Кинетика дефектов конструкций мехлопат при разработке взорванных пород на разрезах Кузбасса / И.А. Паначев, A.A. Черезов // Материалы X Международной научно-технической конференции «Чтения памяти В.Р. Кубачека. Технологическое оборудование для горной и нефтегазовой промышленности». — Екатеринбург, 2012. — С. 160—163.

5. Паначев И.А. Модели динамических процессов как основа методики оценки надёжности элементов конструкций мехлопат при разработке взорванных горных пород / И.А. Паначев, A.A. Черезов И Материалы XIV Международной научно-практической конференции «Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири. Сибресурс 2012». — Кемерово, 2012. — С. 143—146.

6. Черезов A.A. Определение сроков безопасной эксплуатации элементов конструкций экскаваторов-мехлопат // Материалы Международной научно-практической конференции «Открытые горные работы в XXI веке». — Красноярск, 2011.-С. 150-156.

Подписано в печать

Формат 60x84/16. Бумага офсетная. Отпечатано на ризографе. Объем 1 печ. л. Тираж 100 экз. Заказ 348.

ГУ Кузбасский государственный технический университет. 650000, Кемерово, ул. Весенняя, 28.

Типография ФГБОУ ВПО «Кузбасский государственный технический университет им. Т.Ф. Горбачёва». 650000, Кемерово, ул. Д. Бедного, 4а.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ Федеральное бюджетное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «КУЗБАССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

им. Т. Ф. ГОРБАЧЕВА"

На правах рукописи

П4?ГИ-59649

Черезов Артём Анатольевич

ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ЭКСКАВАТОРОВ-МЕХЛОПАТ ПРИ РАЗРАБОТКЕ ВЗОРВАННЫХ ГОРНЫХ ПОРОД НА РАЗРЕЗАХ КУЗБАССА

Специальность 05.05.06 - «Горные машины»

Диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель д.т.н., проф. Паначев И. А.

Кемерово 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ........................................................................... 4

1. СОСТОЯНИЕ ИЗУЧЕННОСТИ ВОПРОСА. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ............................................................................................. 9

1.1. Состояние парка экскаваторов-мехлопат на разрезах Кузбасса............ 9

1.2. Обоснование применения функции надёжности при эксплуа гацпи экскаваторов-мехлопат............................................................................. 14

1.3. Описание стохастических процессов нагружения экскаваторов-мсхпопат 23

1.4. Кинетика усталостного разрушения при эксплуатационном нагр\ жснии экскаваторов-мехлопат....................................................... 25

1.5. Постановка, цель и задачи исследования....................................... 29

2. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА НАГРУЖЕНИЯ MEXJIОП V Г ГГРИ РАЗРАБОТКЕ ВЗОРВАННЫХ ГОРНЫХ ПОРОД Н А Г i \ \ КУЗБАССА.............................................................................. 31

2.1. Экспериментальные исследования нагруженности элем с и юн komci

ций экскаваторов-мехлопат на разрезах Кузбасса........................ 31

2.2. Статистическая оценка размахов циклов нагружения элемсь ¡ о в ю i л.шо-конструкций мехлопат при разработке взорванных горных ropo i .... 40

2.3. Теоретическое обоснование функций распределения парл\к грс > цгк юв нагружения экскаваторов при разработке взорванных горн ^ i i а

разрезах Кузбасса........................................................................................................................ 49

Выводы........................................................................................................................................ 55

3. КИНЕТИКА УСТАЛОСТНОГО РАЗРУШЕНИЯ ПРИ Ч( Г V-ТАЦИОННОЙ СТРУКТУРЕ НАГРУЖЕНИЯ МЕХЛО]. \ I ...... 56

3.1. Математическое моделирование роста усталостной трспи" i гс-плуатационной структуре нагружения экскаваторов..... . ... 56

3.2. Лабораторный эксперимент для исследования кинетики \ с ю i > разрушения при нерегулярном нагружении мехлопат.... — 65

3.3. Результаты обработки данных математического моделироь чш 'оо-раторного эксперимента для исследования роста усталосп I ) I п, I | ы

при нерегулярном нагружении мехлопат...............................................

Выводы................................................................................................................................... 81

4. МЕТОДИКА ОЦЕНКИ НАДЁЖНОСТИ ЭЛЕМЕНТО И Ж ; I РУКЦИЙ МЕХЛОПАТ ПРИ РАЗРАБОТКЕ ВЗОРВА1. :>: > ' О НЫХ ПОРОД..................................................................... 82

4.1. Разработка базовой структуры алгоритма для оценки ф\ щ ч ю-

сти элементов конструкций экскаваторов-мехлопат............. 82

4.2. Обоснование применения параметров динамических про г и экскаваторов-мехлопат при разработке взорванных горп> > л 1 разрезах Кузбасса.................................................... . ........ 88

4.3 Методика оценки надёжности элементов металлоконсгрч ■ лто-

ров-мехлопат для выбора оптимальных режимов их экс 1', 10 .... 99

Выводы.......................................................................................................................... 103

ЗАКЛЮЧЕНИЕ............................................................ 105

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ................................................................................ 107

ПРИЛОЖЕНИЯ...................................................................................................... 118

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Одной из важных проблем при разработке взорванных горных пород при транспортной системе является эффективное управление эволюцией этапов эксплуатации экскаваторов. Одним из путей к решению названной проблемы является вычисление функции надежности экскаваторов, определяемой вероятностью безотказной их работы на заданном отрезке времени.

В настоящее время актуальной является параметрическая (физическая) теория надёжности, которая, в отличие от математической (формальной) теории надёжности, привлекает не только теорию вероятностей и математическую статистику, но и модели процессов, которые вызывают возникновение отказов.

Основной причиной отказов металлоконструкций экскаваторов-мехлопат является многоцикловое усталостное разрушение [26, 28, 50, 59, 65, 66, 69, 73]. В процессе усталости существуют две стадии: стадия I, во время которой происходит зарождение макроскопической усталостной трещины вследствие накопления повреждений, и стадия II - рост появившейся макроскопической трещины. Две названные стадии отличаются своей физической природой и подчиняются различным закономерностям [86]. В качестве основной причины усталостного разрушения металлоконструкций экскавато-ров-мехлопат выступают концентраторы напряжений - дефекты сварных соединений: поры, непровары, прожоги, неметаллические включения, подрезы. В промышленных условиях часто приходится сталкиваться с трудностью определения стадии процесса усталости. Выходом из этой ситуации является уподобление дефектов металлоконструкций экскаваторов макроскопическим усталостным трещинам, то есть игнорирование стадии I и рассмотрение только стадии II [25]. Изучением этой стадии процесса усталости занимается механика усталостного разрушения, которая, в отличие от классической тео-

рии усталости, учитывает развитие макротрещин - процесса, неизбежно сопровождающегося усталостным разрушением.

Усталостное разрушение экскаваторов-мехлопат является следствием механического циклического нагружения. Элементы конструкций экскаваторов подвержены нерегулярному нагружению, имеющему случайный характер. Принципиальная невозможность описания детерминистическими зависимостями закона нагружения экскаваторов и недостаточная изученность кинетики усталостного разрушения при нерегулярном воздействии представляют главные трудности при достижении основного назначения теории надёжности экскаваторов-мехлопат - вычисления функции надежности.

Поэтому можно утверждать, что проблема получения закономерностей, описывающих нерегулярные процессы нагружения и роста усталостных трещин в элементах конструкций механических лопат, остаётся малоизученной. С этой точки зрения исследование динамических процессов работы экскаваторов-мехлопат при разработке взорванных горных пород на разрезах Кузбасса является актуальным и своевременным.

Работа выполнялась в рамках госбюджетной темы «Оценка надёжности экскаваторов, разрабатывающих скальные породы на разрезах Кузбасса».

Объектом исследования являются экскаваторы-мехлопаты при разработке взорванных горных пород на разрезах Кузбасса.

Предметом исследования являются динамические процессы экскава-торов-мехлопат при разработке взорванных горных пород на разрезах Кузбасса.

Цель работы заключается в исследовании нестационарных процессов нагружения и роста дефектов в элементах металлоконструкций экскаваторов-мехлопат для определения функции надёжности и повышения эффективности эксплуатации при разработке взорванных горных пород.

Идея работы заключается в экспериментальной верификации моделей динамических процессов и алгоритмизации на их базе функции надёжности

элементов металлоконструкций экскаваторов-мехлопат при разработке взорванных горных пород на разрезах Кузбасса.

Задачи исследования:

- выполнить структурный анализ процесса нагружения элементов конструкции мехлопат при экскавации взорванных горных пород;

- установить закономерности кинетики усталостного разрушения при эксплуатационной структуре нагружения элементов металлоконструкций экскаваторов-мехлопат;

- разработать метод оценки надёжности дефектных элементов конструкций механических лопат, использование которого позволит эффективно управлять эволюцией этапов эксплуатации экскаваторов.

Методы исследований включают анализ литературных источников, аналитические и лабораторные исследования, моделирование роста усталостных трещин на основе методов механики разрушения, натурные испытания с обобщением результатов методами математической статистики.

Научные положения, выносимые на защиту:

- экстремумы циклов напряжений элементов конструкций экскаваторов-мехлопат при разработке взорванных горных пород разрезов Кузбасса описываются смещённым распределением Эрланга 2-го порядка (по критерию согласия Пирсона доверительная вероятность равна 88-^-92%; Колмогорова-Смирнова - 86-^-90%);

- принятая для исследований модель Черепанова позволяет консервативно оценивать кинетику дефектов металлоконструкций механических лопат при экскавации взорванных горных пород при коэффициенте интенсивности напряжений от 11% до 41% от циклической трещиностойкости;

- разработанный метод оценки надёжности элементов конструкций мехлопат при экскавации взорванных горных пород разрезов Кузбасса позволяет учитывать протекающие в них динамические процессы и получать обоснованные показатели надёжности на 12"1, 4"1, 2"', 1 год (месячное, квартальное, полугодовое, годовое планирование открытых горных работ).

Научная новизна работы заключается:

- в определении закономерностей процесса нагружения механических лопат при экскавации взорванных горных пород для прогнозирования роста дефектов в элементах металлоконструкций;

- в обосновании возможности применения модели Черепанова для консервативной оценки времени до отказа элементов конструкции мехлопат;

- в разработке и обосновании алгоритма оценки функции надёжности элементов конструкций экскаваторов-мехлопат.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:

- применением апробированных методов натурной тензометрии стальных металлоконструкций, теории вероятностей, численного дифференцирования и интерполирования;

- сравнительно высокими значениями доверительных вероятностей (86^92%) по критериям Пирсона и Колмогорова-Смирнова при проверках статистических гипотез о законе распределения размахов напряжений цикла.

Личный вклад автора заключается:

- в проведении структурного анализа процесса нагружения элементов металлоконструкций экскаваторов-мехлопат при разработке взорванных горных пород разрезов Кузбасса;

- в установлении закономерностей кинетики усталостного разрушения при эксплуатационной структуре нагружения элементов конструкции механических лопат при разработке взорванных горных пород разрезов Кузбасса;

- в разработке алгоритма для получения функции надёжности экскаваторов-мехлопат при разработке взорванных горных пород разрезов Кузбасса.

Научное значение работы заключается в том, что оценка функции надежности элементов конструкций экскаваторов-мехлопат формируется с помощью разработанных и обоснованных математических моделей динамических процессов работы экскаваторов, разрабатывающих взорванные горные породы разрезов Кузбасса.

Практическое значение работы заключается в том, что использование разработанных моделей позволяет эффективно управлять этапами эксплуатации экскаваторов.

Реализация результатов исследования. Метод оценки функции надёжности элементов конструкций экскаваторов-мехлопат реализован в виде компьютерной программы, результаты расчётов которой позволяют повысить эффективность использования экскаваторного парка разрезов Кузбасса.

Апробация работы. Основные положения и выводы работы в период ее выполнения представлены на Международной научно-технической конференции «Чтения памяти В.Р. Кубачека. Технологическое оборудование для горной и нефтегазовой промышленности» (Екатеринбург, 2012 г.); Международной научно-практической конференции «Открытые горные работы в XXI веке» (Красноярск, 2011 г.); Международной научно-практической конференции «Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири» (Кемерово, 2006 г., 2012 г.); научно-практических конференциях студентов, аспирантов и профессорско-преподавательского состава КузГТУ (2007-2010 гг.).

Научные исследования, выполненные в рамках диссертационной работы, отмечены дипломом Президиума КемНЦ СО РАН по итогу конкурса «Интеллектуальное будущее Кузбасса - 2013». Диссертация является основой авторского проекта «Повышение надёжности горных машин при наличии дефектов», который стал одним из победителей конкурса научно-технических и инновационных проектов, направленных на решение актуальных проблем Кемеровской области (2010 г.).

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 6 научных работ, в том числе 3 - в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4-х глав, заключения, изложена на 130-ти страницах машинописного текста, содержит 56 рисунков, 8 таблиц и список литературы из 123-х наименований.

1. СОСТОЯНИЕ ИЗУЧЕННОСТИ ВОПРОСА. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Состояние парка экскаваторов-мехлопат на разрезах Кузбасса

На 1 июля 2009 года на разрезах ОАО «УК»Кузбассразрезуголь» эксплуатируются 172 экскаватора-мехлопат. Многообразие геологических условий месторождений Кузбасса обусловило применение различных мехлопат, выпускаемых как российской, так и американской промышленностью. Структура парка механических лопат «УК»Кузбассразрезуголь» представлена на рис. 1.1.

50

48

ш

8. 45

ё 40 со

€ 35

3 30

т 25

§ 20

8 15

1 10 ц

£ 5 0

.12

Я

31

22

6

. 3

О ' □

я

15

8

о п

5

. . 3 . 1 1 " 1

.си_сэ_П_си.

к

14 ЧО

и О

I

и

I

и

<т>

< >, >> и К >> у

1ГЧ ОО X >1

О N и ^ ^ И

чо

I

и

и и

о И «

Г)

г-П

ЧО

и и и П о П

оо

I

и

О

и и

>1 г-)

00

. и Г) <Т) и Ы

О

и Г)

Си о о

о о 00

Ш Гч1

I

о и см ^

о

Он

о о

X

Си

Марка экскаватора-мехлопаты

Рис. 1.1 - Структура парка механических лопат «УК»Кузбассразрезуголь»

На иллюстрации видно, что структура парка охвачена практически всем спектром мехлопат, выпускаемых российским экскаваторостроением. Легко видеть, что практически все экскаваторы-мехлопаты являются моди-

фикациями от базовых моделей. Так, например, имеются мехлопаты с удлинённым рабочим оборудованием для погрузки в транспортные средства, расположенного на уровне стояния экскаватора, и для верхней погрузки. Разнообразная номенклатура экскаваторов обусловлено разнообразием горногеологических условий разрезов Кузбасса.

На 1 июля 2009 года на разрезах ОАО «УК»Кузбассразрезуголь» средний срок эксплуатации экскаваторов-мехлопат составляет 18 лет. Износ экскаваторного парка по сроку эксплуатации равен 76%, а по выполненным объёмам - 71%. С начала 2007 года до середины 2009 года списано 14 экскаваторов, введено в эксплуатацию - 7. Коэффициент использования экскаваторного парка за первое полугодие 2009 года составил 0,66, коэффициент технологической готовности - 0,84.

Низкий уровень использования экскаваторов-мехлопат обусловлен влиянием многочисленных факторов природного, технологического и организационного характера, что в результате приводит к возрастанию затрат на содержание оборудования. Одной из причин недостаточной интенсивности использования техники являются простои в ремонтах экскаваторов. Это связано с отсутствием научно-обоснованных мероприятий по управлению надёжностью экскаваторов-мехлопат, которые бы позволили гарантированно выполнять планируемую технологическую нагрузку и минимизировать расходы на содержание техники [118].

Анализ эксплуатационных показателей надежности показывает, что в общей структуре потока отказов экскаваторов доля отказов механического оборудования составляет 50^70%. Значительную часть (35%) занимают отказы металлоконструкций. Последнее связано с тем, что сварные соединения металлоконструкций являются зонами, в которых могут возникать и развиваться усталостные трещины [75]. Основой причиной отказов металлоконструкций экскаваторов-мехлопат является усталостное разрушение. На рисунке 1.2 показаны усталостные трещины в металлоконструкциях карьерных экскаваторов, а на рисунке 1.3 характерные места их расположения.

а)-стрела ЭКГ-6,ЗУС

б) - ковш ЭКГ-5А

в) - стрела ЭКГ-4У г) - поворотная платформа ЭКГ-8И

Рис. 1.2 - Усталостные трещины (указаны стрелками) в экскаваторах

12

а) - стрела

б) - ковш

Рис. 1.3 - Наиболее характерные места (указаны стрелками) образования и развития трещин на экскаваторе-мехлопате

(Квагинидзе B.C. [59]) 13

Управление состоянием парка экскаваторов-мехлопат на разрезах Кузбасса возможно путём оценки показателей надёжности в том, числе расчётных показателей безотказности элементов металлоконструкций мехлопат, содержащих трещиноподобные дефекты. Вычисление этих показателей целесообразно проводить с помощью научно-обоснованных методик, базирующихся на классической и современных теориях усталости.

1.2. Обоснование применения функции надёжности при эксплуатации экскаваторов-мехлопат

Одной из важных проблем при разработке взорванных горных пород при транспортной систе�