автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.06, диссертация на тему:Исследование и совершенствование методов проектных расчетов несущих конструкций экскаваторов

На правах рукописи

ГЕРАСИМОВА Татьяна Александровна

(

ИССЛЕДОВАНИЕ И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ ПРОЕКТНЫХ РАСЧЕТОВ НЕСУЩИХ КОНСТРУКЦИЙ ЭКСКАВАТОРОВ

Специальность 05.05.06 - «Горные машины»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Красноярск 2005

Работа выполнена в Государственном университете цветных металлов и золота и в Отделе машиноведения Института вычислительного моделирования СО РАН

Научный руководитель:

канд. техн. наук, доцент Доронин С.В.

Официальные оппоненты: заслуженный деятель науки и техники

РФ, д-р техн. наук, профессор Черняк С.С.

канд. техн. наук Данилов А.П.

Ведущая организация:

Институт горного дела Севера им. Н.В.Черского СО РАН

Защита состоится 19 октября 2005 г. на заседании диссертационного совета Д-212.073.04 при Иркутском государственном техническом университете по адресу: 664074, г. Иркутск, ул Лермонтова, 83, корпус К, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Иркутского государственного технического университета.

Отзывы на автореферат в 2-х экземплярах, заверенных печатью организации, просим направлять в адрес диссертационного совета на имя ученого секретаря.

Автореферат разослан 25 августа 2005 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

д-р техн. наук, профессор Страбыкин Н.Н.

Л6 -f

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Современные экскаваторы, применяемые на открытых горных работах, представляют собой высокопроизводительные крупногабаритные электромеханические системы, однако анализ эксплуатационной надежности показывает высокую долю отказов механического оборудования (50-70 %) в структуре потока отказов машин. Разрушения крупногабаритных металлоконструкций (МК), происходящие чаще всего в результате распространения усталостных и хрупких трещин, приводят к значительным материальным потерям как из-за снижения добычи полезного ископаемого, так и из-за большой стоимости ремонта крупногабаритных узлов и конструкций. Одним из путей предотвращения катастрофических разрушений элементов металлоконструкций является выявление недостатков и совершенствование системы проектных расчетов. Это обусловлено следующими соображениями.

На протяжении нескольких десятилетий развития экскаваторо-строения имеющиеся недостатки проектных расчетов выражались только в недостаточно высоких показателях надежности, так как в значительной степени компенсировались высокими запасами прочности и своевременной заменой оборудования по мере окончания амортизационного периода. Современный этап проектирования и эксплуатации несущих конструкций характеризуется тенденцией к снижению применяемых при проектировании коэффициентов запаса прочности и осложняется тяжелым экономическим положением предприятий, не позволяющим своевременно обновлять парк оборудования. Это выражается в росте аварийности конструкций и тяжести единичной аварии. Совершенствование системы проектных расчетов дает возможность снизить аварийность и экономический ущерб без существенных материальных затрат.

В связи с этим в работе проанализировано современное состояние проектных расчетов экскаваторов и установлены их основные недостатки: недостаточная точность расчетных схем; ограниченное число расчетных случаев, не учитывающих многообразия эксплуатационных условий; отсутствие учета технологической дефектности, допускаемой действующими нормами неразрушающего контроля; отсутствие расчетных методов прогнозирования поведения конструкций в аварийных ситуациях.

Цель работы заключается в разработке и практической реализации комплекса методов и алгоритмов проектных расчетов несущих конструкций экскаваторов, позволяющих повысить их надежность и несущую способность с учетом технологической дефектности МК и возможных отклонений от паспортных условий эксплуатации.

Идея работы состоит в использовании современных методов математического и компьютерного моделирования для совершенствования системы проектных расчетов конструкцш

Для достижения указанной цели с< за-

О»

ПетсрАрру у}

дачи:

анализ теоретических подходов и инженерных методов проектирования и расчетов конструкций экскаваторов;

анализ надежности и аварийности экскаваторов на открытых горных работах, установление закономерностей формирования аварийных ситуаций с учетом комплексного действия технических, технологических, организационных, климатических и личностных факторов;

разработка и реализация компьютерных методов анализа и моделирования аварийных ситуаций;

исследование напряженного состояния основных несущих конструкций экскаваторов и выявление их слабых зон, требующих усиления;

постановка и решение ряда новых для проектирования экскаваторов задач, основанных на явном учете технологической дефектности несущих конструкций;

разработка метода сравнительного анализа несущей способности конструкций несущих элементов при перегрузках. Научная новизна работы:

выявлены недостатки методов проектирования конструкций экскаваторов, являющиеся одной из причин их аварийности и низкой надежности;

обобщены причины формирования аварийных ситуаций экскаваторов, построены логические диаграммы сценариев реальных аварий;

разработано информационное обеспечение и реализована компьютерная модель формирования аварийной ситуации с использованием математического аппарата нечетких множеств;

исследованы особенности напряженного состояния ряда несущих конструкций экскаваторов, выявлены недостатки их расчетных схем;

выполнена постановка и практическая реализация ряда расчетных задач проектирования растянутых трубчатых несущих элементов экскаваторов, учитывающих технологическую дефектность МК;

выполнен сравнительный анализ конструкций нижних рам с позиций их способности воспринимать перегрузки при нерасчетных режимах эксплуатации.

Практическая значимость. Усовершенствованы методы инженерного проектирования конструкций экскаваторов, уточнен характер напряженного состояния основных узлов в широком диапазоне условий эксплуатации, обоснованы рациональные конструкции нижних рам.

Достоверность результатов обеспечена использованием статистических данных по аварийности и разрушениям конструкций экскаваторов, применением апробированных математических методов и современных пакетов численного анализа конструкций.

Внедрение результатов. Результаты работы использованы при проектировании и модернизации несущих конструкций карьерных экскаваторов в отделе экскаваторов и кранов ФГУП «СибНИИСтройдормаш», ОАО «Красноярский завод тяжелых экскаваторов» и при подготовке

учебного пособия «Основы проектных расчетов горных машин и оборудования».

Апробация работы. Основные результаты работы представлены на Второй конференции пользователей программного обеспечения CAD-FEM GmbH (Москва, 2002 г.); Четвертой Всероссийской научной internet-конференции (Тамбов, 2002); I и II Евразийских симпозиумах по проблемам прочности материалов и машин для регионов холодного климата (Якутск, 2002, 2004); Международной конференции «Вычислительные технологии и математическое моделирование в науке, технике и образовании» (Алматы, 2002); VII Всероссийской конференции «Современные методы математического моделирования природных и антропогенных катастроф» (Красноярск, 2003), научных семинарах Отдела машиноведения ИВМ СО РАН, кафедры «Горные машины и комплексы» ГУЦМиЗ.

Личный вклад автора заключается в постановке и реализации цели и задач исследования, сборе и анализе данных по аварийности экскаваторов, построении компьютерных моделей аварийных ситуаций экскаваторов, исследовании напряженного состояния конструкции в широком спектре условий нагружения с учетом детерминированной и случайной технологической дефектности, анализе и обобщении полученных результатов.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 15 работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы (99 наименований), приложений и содержит 143 страницы, 73 рисунка, 10 таблиц.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. Аварии экскаваторов могут быть представлены логико-вероятностными моделями, отражающими причинно-следственную взаимосвязь технических, технологических, климатических, организационных и личностных факторов, применение которых на стадии проектирования позволяет получить количественные оценки вероятности возникновения предельных состояний.

2. Разработанные методики анализа потенциально опасных зон и структурного моделирования разрушения конструкций, учитывающие технологическую дефектность МК, дают возможность построения конструктивных форм рабочего оборудования и надстройки высокой живучести, защищенных от быстрого перехода локальных повреждений в катастрофическую аварийную ситуацию.

3. Повышение технического уровня несущих конструкций экскаваторов (снижение металлоемкости и аварийности, повышение надежности и долговечности) требует постановки ряда новых задач проектных расчетов, основанных на применении численных методов анализа напряженно-деформированного состояния (НДС), учете нелинейных характеристик и технологической дефектности МК: анализа адекватности расчетных схем конструкций экскаваторов, исследования концентрации напряжений в

связи с наличием дефектов в детерминированной и вероятностной постановке, моделирования нелинейного поведения несущих конструкций с учетом возможных перегрузок.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе выполнен анализ современного состояния методов расчетов, основанных на трудах Волкова Д.П., Домбровского Н.Г., Панкратова С.А., Родина И.И., Федорова Д.И., Чистякова Г.П. и др. исследователей, и лежащих в основе проектирования конструкций экскаваторов. Рассмотрены типовые расчетные случаи одноковшовых и многоковшовых экскаваторов, под которыми понимаются такие комбинации положений элементов рабочего оборудования, нагрузок и условий опирания, при которых элементы несущих конструкций находятся в наиболее тяжелых условиях деформирования, испытывают наибольшие внутренние усилия. Выполнена систематизация расчетных схем элементов конструкций экскаваторов. Проанализированы ограничения и источники погрешности этих расчетных схем. Рассмотрены элементы конструкций и узлы экскаваторов, рассчитываемые с использованием балочных расчетных схем. Рассмотрение типовых элементов конструкций экскаваторов и соответствующих им расчетных схем позволяет утверждать, что именно ограниченность расчетных схем и невозможность с их использованием описать все многообразие проектных задач являются одним из факторов низкой надежности машин.

Вторая глава посвящена анализу условий и причин аварий и разрушений конструкций экскаваторов. В работе выполнен анализ ряда серьезных аварий экскаваторов на горных предприятиях Сибири и Дальнего Востока. На основании рассмотрения статистики отказов, аварий и разрушений выявлены общие закономерности формирования низкой надежности, предпринята попытка систематизации фактических аварийных ситуаций экскаваторов на открытых горных работах.

Третья глава посвящена разработке моделей и методов, позволяющих формализовать аварийную ситуацию и открывающих возможность количественного прогнозирования показателей аварийности. В качестве методов исследования использован комплекс численных методов, имитационных алгоритмов и их компьютерных реализаций. Разработаны информационное обеспечение и компьютерная реализация моделей аварийных ситуаций экскаваторов, позволяющих получить количественные оценки вероятности возникновения критических предельных состояний, инициирующих необратимую последовательность развития повреждений и разрушений.

Четвертая глава посвящена обоснованию постановки ряда новых задач, решаемых на стадии проектирования экскаваторов с использованием конечно-элементных технологий: 1) исследования номинального напряженного состояния и адекватности расчетных схем конструкций экскаваторов; 2) анализа напряженного состояния с учетом технологиче-

ской дефектности (исследование концентрации напряжений в области дефектов, статистическое моделирование напряженного состояния с учетом случайных свойств параметров дефектности, анализ влияния распределения дефектов на возможные сценарии аварийной ситуации; 3) моделирования нелинейного поведения несущих конструкций экскаваторов.

Заключение содержит основные выводы по результатам выполненных исследований.

На основе выполненных исследований обоснованы следующие защищаемые научные положения.

I. Аварии экскаваторов могут быть представлены логико-вероятностными моделями, отражающими причинно-следственную взаимосвязь технических, технологических, климатических, организационных и личностных факторов, применение которых на стадии проектирования позволяет получить количественные оценки вероятности возникновения предельных состояний.

Исследованиям надежности, отказов и разрушений узлов экскаваторов посвящены труды Владимирова В.М., Волкова Д.П., Коха П.И., Ларионова В.П., Махно Д.Е., Москвичева В.В., Рахутина Г.С., Шадрина А.И. и др. авторов. Упор в этих исследованиях делается на получение количественных оценок показателей надежности, установление факторов, наиболее сильно снижающих работоспособность машин. Наиболее исследовано влияние климатического фактора на надежность экскаваторов.

В работе установлено, что среди причин отказов важнейшую роль играют эксплуатационные и технологические дефекты. В подавляющем большинстве случаев технологические дефекты и связанные с ними очаги разрушения расположены в зонах сварных соединений. Анализ аварийности экскаваторов выявил ограниченность статистических методов исследования надежности экскаваторов, необходимость развития принципиально иного подхода к исследованию тяжелых разрушений и аварий, основанного на детальном описании причинно-следственного комплекса формирования аварий и разрушений, формальном описании сценария случившейся аварии как одного реализовавшегося из множества возможных вариантов.

Рассмотрение причин аварийных ситуаций экскаваторов в их взаимосвязи и взаимовлиянии позволило представить причинно-следственный комплекс отказов, разрушений и аварий экскаваторов как сложную взаимодействующую систему факторов и причин различной природы (технической, технологической, климатической, организационной и личностной), требующую детальной систематизации и формализации.

Составлен словарь фактических причин аварий экскаваторов, с использованием которого для нескольких десятков фактически произошедших аварий разработаны графические схемы, демонстрирующие реа-

лизовавшиеся сценарии аварийных ситуаций (рис. 1). На этих схемах снизу вверх показано развитие аварийных ситуаций во времени. Можно выделить несколько фаз развития аварийной ситуации как самостоятельных этапов ее развития. Первая фаза, как правило, формируется элементарными событиями из словаря причин. На более поздних фазах события становятся более сложными и формирующими предельное состояние конструкции.

Компьютерная реализация построенной модели выполнена в среде модуля нечеткой логики пакета МАТЪАВ. В качестве иллюстрации моделирования аварийной ситуации выполнено всестороннее исследование количественных характеристик условий развития аварийной ситуации шагающего экскаватора ЭШ-40/85. При этом анализировалась вероятность разрушения подкоса стрелы в зависимости от изменения различных факторов. Например, для исходных данных, приведенных в табл. 1, влияние угла откоса борта и температуры окружающего воздуха показано графиками на рис. 2.

«ш развития аваргёнсй снтупкн

События

VII

Обрьв вшгов, опте и дефортдо) конструкции надстройки

VI

V

IV

III II

I

Дшническа перегрузи несуща конструкпй

Разрушение ПОДКФМ 1

Рис. 1. Сценарий аварии шагающего экскаватора ЭШ-40/85: А2 - наличие сезонно мерзлых грунтов; В3 - дефект сварного шва; С3 - завышенный угол откоса; Е4 -работа без защиты стрелы от растяжки; Е5 - отсутствие запасного каната

Таким образом, разработанные информационное обеспечение и компьютерная реализация аварийных ситуаций экскаваторов позволяют получить количественные оценки вероятности возникновения критического предельного состояния, инициирующего необратимую последовательность развития повреждений и разрушений.

2. Разработанные методики анализа потенциально опасных зон и структурного моделирования разрушения конструкций, учитывающие технологическую дефектность МК, дают возможность построения конструктивным форм рабочего оборудования и надстройки высокой живучести, защищенных от быстрого перехода локальных повреждений в катастрофическую аварийную ситуацию.

Использование конечно-элементного моделирования элементов конструкций экскаваторов с технологическими дефектами позволило сформулировать следующие методические подходы, применение которых на стадии проектных расчетов позволяет оценить и предотвратить наиболее тяжелые разрушения.

Методика анализа потенциально опасных зон предполагает на первом этапе анализ номинального напряженного состояния и выявление перечня наиболее нагруженных зон, представляющих собой возможные очаги инициации разрушений (рис. 3).

Таблица 1. Параметры задачи

Наименование лингвистической переменной Количественная характеристика Значение

Размер технологического дефекта сварного шва Максимальный линейный размер дефекта, мм 25

Степень повреждения подъемного каната Отношение числа оборванных прядей к их общему числу 0,5

Срок поставки запасного каната Время ожидания поставки, сут 50

Климат Средняя относительная влажность воздуха, % 20

Техническое состояние системы защиты стрелы от растяжки Балл технического состояния 3

Степень предварительного рыхления взрыванием Относительное содержание негабаритов, % 50

Степень смерзаемости грунтов Отношение объема замерзшей воды к ее общему содержанию 0,5

Нагруженность конструкции Соотношение фактических и номинальных нагрузок с учетом коэффициента динамичности 3

Степень ускорения накопления повреждений Соотношение скоростей роста трещины в рассматриваемом и номинальном режимах эксплуатации 3

Степень коррозионного повреждения Отношение поврежденной коррозией площади к общей площади сечения 0,5

Степень исчерпания несущей способности Соотношение остаточной и номинальной прочности 0,5

Далее в потенциально опасные зоны в явном виде вводятся технологические или эксплуатационные дефекты, схематизированные в соот-

ветствии с моделями механики разрушения. При определении размеров дефекта рассматриваются следующие три возможные варианта: 1 - рассматривается распределение по потенциально опасным зонам одиночного детерминированного дефекта максимально допустимых по нормам неразрушающего контроля размеров; 2 - в потенциально опасные зоны вводятся одиночные дефекты, размеры которых подчиняются установленному по статистическим данным закону распределения; 3 - выполняется оценка влияния цепочки случайных дефектов на напряженное состояние потенциально опасных зон разрушения. В конечном итоге выполняется окончательная систематизация рассматриваемых конструктивных зон по степени опасности с учетом как характеристик НДС, так и параметров дефектности, определяющая наиболее вероятный вариант сценария развития аварийной ситуации (табл. 2).

а

0,7 |

-,-----,---А—

-40 -50 -»О ОО .20 -10 0 10 20 10 40 Тоифиур*

б

Рис. 2 Расчетные зависимости вероятности разрушения подкоса: а - от угла откоса борта; б - от температуры воздуха

Методика структурного моделирования разрушения конструкций сводится к следующим основным этапам (на примере конструкции двуногой стойки).

Рис. 3. Распределение интенсивности напряжений (МПа) в конструкции двуногой стойки: 1-5 - зоны потенциального разрушения

Таблица 2. Характеристика НДС и систематизация потенциальных зон разрушения двуногой стойки (рис. 3)

Зо- Интенсивность напряжений, МПа Степень опасности

на Вариант 1 Вариант 2 Вариант 3 Вариант 1 Вариант 2 Вариант 3

1 154 418 456 3 3 1

2 156 487 342 2 2 4

3 128 359 291 4 5 5

4 119 412 430 5 4 2

5 254 561 350 1 1 3

Сначала выполняется структурный анализ конструкции, при котором выделяются составляющие элементы конструкции и их соединения (рис. 4). Конструкция представляется в виде логической схемы, представляющей пути прохождения силового потока при приложении нагрузки. В результате ее анализа определяется перечень наиболее опасных элементов с точки зрения возможности разрушения.

Далее разрабатываются сценарии возникновения аварийных ситуаций. Они представляют собой схемы, показывающие возможные пути (траектории) развития аварийной ситуации, а также протяженность во времени (количество фаз развития) каждой траектории при заданных начальных условиях (рис. 5).

На последнем этапе выполняется многоэтапное конечно-элементное моделирование НДС конструкции в условиях предполагаемой аварийной ситуации.

Вначале выполняется анализ номинального напряженного состояния. Его результаты сопоставляются с выполненной при анализе структурной схемы конструкции классификацией элементов и определяются

начальные условия развития аварийной ситуации. В качестве начальных условий рассматриваются разрушения наиболее напряженных элементов конструкции. Механизм разрушения определяется на основе уравнения предельного состояния в предположении наличия технологических или эксплуатационных дефектов. В дальнейших расчетах из модели последовательно удаляются элементы, в которых достигнуто предельное состояние заданного вида (рис. 6). При этом анализируется перераспределение силового потока, изменение характера напряженного состояния несущих элементов конструкции для определения следующих наиболее перегруженных элементов. Эта вычислительная процедура повторяется до полной потери несущей способности конструкции.

Рис. 4. Структурная модель двуногой стойки

Рис. 5. Схема последовательного развития повреждений и разрушения конструкции двуногой стойки (первая цифра в обозначении варианта повреждения соответствует номеру фазы развития аварийной ситуации, вторая - номеру траектории)

Зоны последующего разрушения

^Разрушенный шарнир (начальное условие)

Рис. 6. Напряженное состояние двуногой стойки в условиях развивающейся аварийной ситуации

Предложенный подход сценарного описания аварий, позволил на стадии проектирования выполнить анализ поведения несущих конструкций экскаваторов при получении ими начальных повреждений и возникновении локальных разрушений. Получаемые при этом результаты являются основой для проектирования конструкций высокой живучести, защищенных от быстрого перехода локальных повреждений в катастрофическую аварийную ситуацию.

3. Повышение технического уровня несущих конструкций экскаваторов (снижение металлоемкости и аварийности, повышение надежности и долговечности) требует постановки ряда новых задач проектных расчетов, основанных на применении численных методов анализа напряженно-деформированного состояния (НДС), учете нелинейных характеристик и технологической дефектности МК: анализа адекватности расчетных схем конструкций экскаваторов, исследования концентрации напряжений в связи с наличием дефектов в детерминированной и вероятностной постановке, моделирования нелинейного поведения несущих конструкций с учетом возможных перегрузок.

Одна из актуальных задач проектирования заключается в проверке обоснованности традиционных расчетных схем и определении действительного напряженного состояния. Эта задача решена для типовой конструкции ковша карьерного экскаватора. Выполнено сравнение результатов, получаемых при использовании классических расчетных схем, и конечно-элементного моделирования (табл. 3).

V

Таблица 3. Сравнительный анализ расчетных схем и методов на примере элементов ковша мехлопаты

Классический расчет Метод конечных элементов

Расчетная схема | Результаты Модель | Результаты

Корпус

.. . ■ _

Л 1 р* 1 * л , 1 \

Ма

1?г

В любом сечении стоек 10,1 МПа. В середине поперечины 175,3 МПа

При расчете плоскими конечными элементами 63,1 МПа

При расчете объемными конечными элементами 158,6 МПа.

Козырек (два расчетных случая)

Напряжение 259 МПа при сосредоточенной нагрузке и 50,7 МПа при распределенной нагрузке

Сосредоточенная нагрузка

„ п

Распределенная на-грузк п

101,9 МПа.

Сосредоточенная нагрузка

Распределенная нагрузка

Задняя стенка

В задней стенке 91,8 МПа. В проушинах 183,7 МПа.

163,8 МПа.

Продолжение табл. 3

Днище

1 К I 58,1 МПа 94,5 МПа

N п п 8

По результатам сравнительного анализа можно констатировать существенную погрешность классических расчетных схем, для которой не удается выявить какой-либо закономерности. В некоторых случаях получаются заниженные напряжения (в результате отказы и разрушения в эксплуатации), в других - завышенные запасы прочности (как следствие - необоснованное повышение металлоемкости). Классические расчетные схемы дают отклонения по абсолютным значениям напряжений в сравнении с конечно-элементным анализом на следующие величины: корпус ковша - 10,5 %, козырек - 60,7 %, задняя стенка - 12,1 %, днище - 38,5 %.

Наиболее эффективным подходом является моделирование конструкции как единого целого с широким варьированием внешних условий нагружения. Для ковша экскаватора ЭКГ-12,5 (рис. 7) выполнено исследование максимальных напряжений в основных деталях в широком диапазоне угла приложения внешних нагрузок (рис. 8).

Рис. 7. Напряженное состояние ковша (МПа) при приложении нагрузки под прямым углом к режущей кромке

Актуальность оценки напряженно-деформированного состояния с учетом технологической дефектности связана с тем, что при современном техническом уровне технологий производства и дефектоскопического контроля часть дефектов не регистрируется и содержится в эксплуатируемой конструкции. Учет этого фактора в проектных расчетах позволяет

оценить уровень концентрации напряжений и ввести его в расчеты выносливости, выполнить статистический анализ и перейти к вероятностным оценкам параметров напряженного состояния в связи со случайным характером дефектности, выявить предпочтительные сценарии развития аварийной ситуации при повреждении элементов несущих конструкций.

Уяэлгрилоямлихнафулш

Рис. 8. Напряжения в элементах ковша в различных условиях нагружения Выполнено исследование концентрации напряжений, обусловленной наличием технологического дефекта, для растянутого трубчатого элемента конструкции. Выбор объекта моделирования связан с тем, что растянутый фрагмент трубы является типовым элементом конструкций надстройки и рабочего оборудования экскаваторов. В силу многообразия форм и размеров технологических дефектов они моделировались в соответствии с моделями дефектности, принятыми в механике разрушения: сквозной эллиптической трещиной, внутренней объемной несплошностью в виде эллипсоида вращения. На примере расчета растянутой трубы двуногой стойки карьерного экскаватора установлено, что наиболее опасным является сквозной дефект. Получены количественные значения коэффициентов концентрации для дефектов трубчатых элементов, максимально допустимых по действующим нормам неразрушающего контроля.

Для моделирования случайного характера размеров технологического дефекта использован метод статистического моделирования (Монте-Карло). С использованием алгоритмического генератора случайных чисел получен вариационный ряд дефектов с размерами, подчиняющимися распределению Вейбулла. Данный закон обоснован в результате обработки статистических данных по дефектности. При этом параметры распределения выбраны таким образом, чтобы случайный размер дефекта с достаточно большой вероятностью (0,99) не превышал предельно до-

пустимого по нормам.

В результате моделирования получены следующие расчетные параметры, характеризующие характер НДС в области дефекта: интенсивность напряжений, эквивалентные напряжения по критерию Мизеса, энергия и интенсивность пластической деформации. Статистическая обработка вариационных рядов этих расчетных параметров позволила установить, что параметры НДС в упругой области распределены по нормальному закону, а при учете нелинейных эффектов упруго-пластического деформирования распределения параметров становятся асимметричными и описываются логнормальным законом распределения (рис. 9,10).

« 35

64*

0004360 0 03208« 0,059796 0.087504 0115212 0142920 0.018234 0 045942 0 073650 0101358 0129060

Работа деформации, Н-мм Рис. 9. Гистограмма распределения работы пластической деформации

.0001 0000 0 001 0.002 0 003 0 004 0005 0 006 0 007 0.008 0 009

Интенсивность деформации Рис. Ю. Гистограмма распределения интенсивности пластической деформации

Выполнено статистическое моделирование растянутого фрагмента трубчатого элемента конструкции при наличии острого трещиноподоб-ного дефекта. Выполненные в соответствии с положениями механики разрушения расчеты долговечности на стадии роста усталостной трещины с использованием уравнения Пэриса позволили установить нормальный закон ее распределения.

Полученные результаты позволяют сделать следующие выводы.

Для растянутых несущих элементов конструкций, характерных для рабочего оборудования и надстройки экскаваторов, и содержащих объемные технологические дефекты, целесообразен расчет по энергетическим и деформационным критериям предельных состояний. Расчет по силовым критериям (напряжениям) является менее достоверным.

При наличии острых трещиноподобных дефектов расчет по критериям линейной механики разрушения приводит к нормальному распределению усталостной долговечности, что не противоречит общепринятым представлениям о закономерностях процесса усталости.

В силу ряда принципиальных затруднений и ограничений классических методов инженерного проектирования несущие конструкции экскаваторов, будучи спроектированными как линейные системы, в некоторых случаях характеризуются нелинейным поведением.

Предлагается следующая схема анализа нелинейных характеристик.

На первом этапе с использованием метода конечных элементов выполняется серия вычислительных экспериментов по упругопластическо-му деформированию конструкции, для чего постепенно увеличиваем нагрузку выше номинальной до появления локальных зон упругопластиче-ской деформации. При возникновении таких зон выполняется постепенное, пошаговое увеличение нагрузок с анализом на каждом шаге моделирования конфигурации и размеров перегруженных зон. Формы и размеры этих зон являются косвенной характеристикой способности конструкции локализовать повышенные внешние нагрузки и возможные повреждения в ограниченном объеме. При переходе к каждому следующему шагу приращения нагрузки для конечных элементов, ассоциированных с зонами упругопластического деформирования, выполняются корректировки же-сткостных и прочностных характеристик. Таким образом, конфигурации и размеры поврежденных зон оказываются заранее непредсказуемыми и определяются в ходе моделирования. При этом анализируется ряд расчетных параметров НДС, максимальные значения которых можно рассматривать в качестве интегральных характеристик зон деградации на каждом шаге: интенсивность напряжений (о,), эквивалентные напряжения по критерию Мизеса (от), энергия (работа) пластической деформации (уур), интенсивность пластической деформации (е,), эквивалентные пластические деформации по критерию Мизеса (£„,).

Рассмотрение поведения комплекса расчетных параметров позволяет ранжировать их по степени чувствительности к возможным пере-

грузкам. Очевидно, чем больше изменяется тот или иной параметр с ростом нагрузок, тем он более информативен и предпочтителен для анализа. Таким образом выполняется обоснование расчетных характеристик нелинейного поведения несущих конструкций.

Для каждой конструкции определяется номинальная (для данного анализа) нагрузка Рном, при которой возникают упругопластические деформации. Тогда отношение Р/Рном текущей нагрузки Р к номинальной характеризует степень ее приращения по шагам моделирования. Рассматриваемые расчетные параметры считаются номинальными Кном (Кном = О.но«; <*тноИ; ^^рно,,; е,ном; £„,„„„) при номинальной нагрузке Ряом. Текущие относительные значения параметров К/К„ои при увеличении Р/РВОн характеризуют чувствительность этих параметров. Для каждой конструкции на одних координатных осях строятся графики зависимостей К/Кн011 = ДР/РН0М), позволяющие установить наиболее информативный расчетный параметр.

Далее по выбранным параметрам выполняется сравнительный анализ нескольких конструктивных вариантов и выбирается такой из них, который оказывается наименее чувствительным к возможным эксплуатационным перегрузкам. Для выбранных параметров на одних осях строятся их зависимости для всех конструкций, что дает возможность выполнить их сравнительный анализ. Можно предположить, что конструкция, для которой зависимости К/Киоы =ДР/РНОм) располагаются выше остальных конструкций, более чувствительна к перегрузкам, следовательно, более повреждаема и менее надежна.

Таким образом, введение предлагаемой процедуры в состав проектных расчетов позволяет учесть нелинейные свойства несущих конструкций в нештатных ситуациях и обеспечить более высокие показатели надежности и живучести.

Предлагаемый алгоритм применен к расчетам нижних рам одноковшовых экскаваторов для открытых горных работ. В качестве объекта анализа использованы принципиальные схемы конструкций ряда применяющихся и перспективных нижних рам. На первом этапе для них выполнены расчеты напряженного состояния при таких нагрузках, при которых начинали проявляться упругопластические эффекты (рис. 11). Далее для каждой рамы выполнена серия вычислительных экспериментов с постепенным увеличением рабочих нагрузок.

Максимальные значения расчетных параметров на каждом шаге увеличиваются по мере роста объема и площади перегруженных зон. Необходимо отметить, что все параметры, характеризующие степень по-врежденности конструкции, растут быстрее внешних нагрузок. При этом значения различных параметров растут с неодинаковой скоростью.

Выполненные построения позволяют сделать следующие выводы. Зависимость приращения работы пластической деформации от приращения нагрузки располагается для всех рам выше остальных зависимостей. Кривая эквивалентных напряжений по критерию Мизеса, напротив, прак-

тически параллельна оси абсцисс. Другие расчетные зависимости располагаются между этими крайними кривыми (рис. 12). Отсюда вытекает, что увеличение нагрузок на рамы выше номинальных приводит к резкому росту работы пластической деформации в перегруженных зонах, и в гораздо меньшей степени влияет на изменение напряжений по критерию

3 4

(Л » я «г«» 1»« и» та шУ! ж ъ я»г

5

Рис. 11. Распределение интенсивности напряжений (МПа) в конструкциях нижних рам при перегрузках

Мизеса. Следовательно, работа пластической деформации является наиболее, а эквивалентные напряжения по Мизесу - наименее информативными расчетными характеристиками. Поэтому, допуская возможные экс-

плуатационные перегрузки, необходимо проектные расчеты выполнять преимущественно по энергетическим критериям, силовые критерии наименее предпочтительны, а деформационные критерии с этой точки зрения занимают средние позиции.

Рис. 12. Зависимости силовых, энергетических и деформационных параметров для нижней рамы 5.1- К/К«», = о/с,яои; 2 - К/К^ = Оа/Оа^ 3 - К/К^ =

№р^рном> 4 — К/Кном ~~ Е/БШОМ' $ ~ = £„,/впшом

Поскольку установлено, что работа пластической деформации является наиболее информативным критерием при нелинейном поведении в условиях перегрузок, из рис. 13 вытекает, что рама I является наиболее предпочтительной с точки зрения надежности, живучести, устойчивости к перегрузкам, за ней следует рама 5, рамы 2,3, 4 обладают примерно одинаковыми характеристиками.

Рис 13. Зависимости работы пластической деформации от нагрузки для рам 1-5

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации, являющейся научно-квалификационной работой, дано новое решение задачи обеспечения прочности и надежности несущих конструкций экскаваторов на стадии проектных расчетов. Выполненные исследования позволили сформулировать следующие основные результаты работы.

1. Выполнен анализ современного состояния инженерного проектирования конструкций экскаваторов. Установлено, что основными недостатками инженерного проектирования являются ограниченное число расчетных случаев, не охватывающих всех возможных ситуаций, возникающих при эксплуатации, и недостаточная точность расчетных схем, не в полной мере учитывающих особенности конструктивных форм и деформирования элементов МК экскаваторов.

2. Сформулированы основные направления развития системы проектных расчетов экскаваторов: моделирование аварийных ситуаций и разрушения несущих конструкций на стадии проектирования; численное моделирование конструкций и проверка адекватности применяемых расчетных схем; проектные расчеты прочности с учетом вероятного наличия технологической дефектности; расчетный анализ поведения конструкций в упруго-пластической области деформирования.

3. Выполнен анализ ряда реальных аварий экскаваторов на открытых горных работах. Для этих аварий представлены сценарии в виде логических диаграмм. Проанализирован причинно-следственный комплекс формирования аварийных ситуаций. Показано, что значительный вклад в формирование аварийных ситуаций осуществляется недостатками существующей системы инженерного проектирования экскаваторов.

4. Выполнено информационное обеспечение логико-вероятностных моделей аварийных ситуаций. Разработаны и реализованы компьютерные модели аварий экскаваторов с использованием математического аппарата нечетких множеств. Адекватность подхода апробирована моделированием фактически произошедших аварий.

5. Предложена логическая схема анализа потенциально опасных зон и структурного моделирования разрушения конструкций на стадии проектирования. Реализованы структурные модели разрушения конструкции двуногой стойки карьерного экскаватора, положенные в основу моделирования аварийных ситуаций.

6. Выполнена постановка ряда новых для проектирования экскаваторов задач, в том числе задача исследования НДС в связи с результатами расчетов в соответствии с классическими расчетными схемами; задачи моделирования НДС с учетом технологической дефектности; задача моделирования нелинейного поведения несущих конструкций и анализа комплекса количественных параметров, не рассматриваемых в традиционных процедурах инженерного проектирования.

7. Осуществлено детальное исследование напряженного состояния

МК ряда важнейших узлов карьерных экскаваторов: ковша, двуногой стойки, нижних рам. Для ковша проведен сравнительный анализ результатов моделирования с результатами, обеспечиваемыми общепринятыми расчетными схемами. Выявлено существенное расхождение этих результатов и сформулированы возможные направления конструктивной оптимизации данной конструкции.

8. Исследован характер концентрации напряжений в связи с наличием и характером технологической дефектности. Установлено, что для растянутых трубчатых элементов, характерных для конструкций рабочего оборудования и надстройки экскаваторов, наибольшую опасность представляют сквозные и наружные поверхностные дефекты.

9. Для растянутых трубчатых элементов конструкций с использованием метода статистического моделирования установлены законы распределения ряда силовых, энергетических и деформационных параметров при наличии случайных дефектов, размеры которых распределены по закону Вейбулла. Силовые параметры (интенсивность напряжений, эквивалентные напряжения по критерию Мизеса) описываются нормальным распределением, энергетические (работа пластической деформации) и деформационные параметры распределены логнормально.

10. Проанализирована чувствительность сценариев аварийной ситуации к наличию дефектов МК. Предложен алгоритм обоснования предпочтительного сценария развития разрушения несущей конструкции, основанный на введении в потенциально опасные зоны разрушения технологических дефектов и ранжировании этих зон по степени опасности. Для двуногой стойки карьерного экскаватора и действующих норм не-разрушающего контроля выполнено обоснование наиболее опасных зон, требующих конструктивно-технологических мероприятий по усилению

11. Разработана методика исследования нелинейного характера поведения несущих конструкций, заключающаяся в постепенном увеличении внешних нагрузок и сравнительном анализе силовых, энергетических и деформационных характеристик. С ее использованием выполнен сравнительный анализ ряда нижних рам карьерных экскаваторов.

ПУБЛИКАЦИИ

1. Чурсина Т.А. Проектирование несущих конструкций повышенной живучести с учетом требований безопасности / Перспективные материалы, технологии, конструкции, экономика: Сб. науч. тр. Вып. 8 / Под общ. ред. В.В.Стацуры. - Красноярск: ГАЦМиЗ, 2002. - С. 312313.

2. Доронин C.B., Чурсина Т.А. Конечно-элементные технологии моделирования аварийных ситуаций несущих конструкций / Сб. тр. второй конференции пользователей программного обеспечения CAD-FEM GmbH (Москва, 17-18 апреля 2002 г.) / Под ред. А.С.Шадского. - Москва, 2002. - С. 187-190.

3. Доронин C.B., Чурсина Т.Д. Моделирование причинно-следственных отношений формирования аварийных ситуаций технических систем с использованием аппарата нечеткой логики / Компьютерное и математическое моделирование в естественных и технических науках. Вып. 20: Четвертая Всероссийская научная internet-конференция. - Тамбов: ТГУ, 2002. - С. 3-5.

4. Доронин C.B., Чурсина Т.А. Моделирование деградации несущих конструкций в условиях аварийных ситуаций / Труды I Евразийского симпозиума по проблемам прочности материалов и машин для регионов холодного климата. Ч. V. - Якутск: ИФТПС, 2002. - С. 114120.

5. Доронин C.B., Чурсина Т.А. Моделирование нелинейного поведения несущих конструкций в задачах анализа риска и обеспечения безопасности технических систем / Вычислительные технологии. -2002. - Т. 7. Вестник КазНУ. - 2002. - № 4 (32) (Совместный выпуск по материалам Междунар. конф. «Вычислительные технологии и математическое моделирование в науке, технике и образовании» ВТММ-2002. Ч. 2.) - Новосибирск-Алматы, 2002. - С. 258-264.

6. Доронин C.B., Чурсина Т.А. Логико-вероятностное моделирование аварийных ситуаций технических систем // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. - 2003. - № 1. - С. 5564.

7. Доронин C.B., Чурсина Т.А. Исследование напряженного состояния и проектных расчетов ковшей карьерных экскаваторов Н Вестник машиностроения. - 2003. - № 9. - С. 19-22.

8. Доронин C.B., Лепихин A.M., Чурсина Т.А. Структурное моделирование разрушений несущих конструкций в условиях аварийных ситуаций / Современные методы математического моделирования природных и антропогенных катастроф. Проблемы защиты населения и территорий от чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера: В 3 т. Т. 2.- Тр. научных конференций / Красноярск: ИВМ СО РАН, 2003. - С. 106-114.

9. Чурсина Т.А., Доронин C.B. Оценка риска сценариев аварийных ситуаций несущих конструкций / Современные методы математического моделирования природных и антропогенных катастроф. Проблемы защиты населения и территорий от чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера: В 3 т. Т. 3.: Тр. научных конференций / Красноярск: ИВМ СО РАН, 2003. - С. 81-84.

10. Чурсина Т.А. Чувствительность сценария аварийной ситуации несущих конструкций к начальному распределению дефектности / Современные методы математического моделирования природных и антропогенных катастроф. Проблемы защиты населения и территорий от чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера: В 3 т. Т. 3.: Тр. научных конференций / Красноярск: ИВМ СО РАН, 2003.-С. 77-81.

11. Бабушкин A.B., Чурсина Т.А., Доронин C.B. Задачи анализа концентрации напряжений в рамках теории безопасности технических систем / Вестник Kl ТУ. Вып. 32. Машиностроение / Отв. ред. Е.Г Синенко. - Красноярск: ИПЦ КГТУ, 2003. - С. 152-157.

12. Доронин C.B., Чурсина Т.А. Моделирование причинно-следственных отношений аварийных ситуаций горного оборудования // Изв. вузов. Горный журнал. - 2004. - № 4. - С. 62-67.

13. Доронин C.B., Чурсина Т.А. Статистическое моделирование параметров напряженно-деформированного состояния стохастически дефектных элементов конструкций / Тр. II Евразийского симпозиума по проблемам прочности материалова и машин для регионов холодного климата EURASTRENCOLD-2004: Ч. 1. Проблемы физики прочности, надежности и ресурса материалов и конструкций в условиях холодного климата. - Якутск: ЯФГУ «Изд-во СО РАН», 2004. -С. 119-125.

14. Доронин C.B., Чурсина Т.А. // Влияние распределения начальной дефектности на сценарий развития аварийной ситуации // Проблемы машиностроения и надежности машин. - 2004. - № 6. - С. 99-104.

15. Доронин C.B., Чурсина Т.А. //Основы проектных расчетов горных машин и оборудования: Учеб. пособие / ГАЦМиЗ. - Красноярск, 2002.-75 с.

Формат 60^84 /16. Усл. печ. л. 1,2. Тираж 100 экз. Отпечатано на участке множительной техники ГУЦМиЗа 660025, г. Красноярск, ул. Вавилова, 66а

IS 15 1 б О

РНБ Русский фонд

2006Л 11668

Введение

1. Инженерные методы проектирования конструкций экскаваторов

1.1.Нагрузки и определение усилий в несущих элементах конструкций

1.2.Расчетные случаи проектирования экскаваторов

1.3.Расчетные схемы конструкций экскаваторов

2. Аварии и разрушения конструкций экскаваторов

2.1.Надежность и аварийность экскаваторов на открытых горных работах

2.2.Причинно-следственный комплекс аварий и отказов несущих конструкций

2.3.Сценарии аварий экскаваторов

3. Моделирование аварийных ситуации при проектировании экскаваторов

3.1.Методы моделирования аварийных ситуаций

3.2.Вычислительное моделирование причинно-следственных отношений формирования критических предельных состояний ,,

3.3.Структурное моделирование надежности и разрушения ^

4. Новые задачи анализа напряженно-деформированного состояния при проектировании экскаваторов

4.1.Анализ номинального напряженного состояния и адекватности расчетных схем конструкций экскаваторов ^

4.2.Напряженное состояние с учетом технологической дефектности

4.2.1. Концентрация напряжений в области технологических дефектов

4.2.2 Статистическое моделирование параметров напряженно-деформированного состояния в связи с наличием дефектов

4.2.3 Обоснование сценариев аварийных ситуаций

4.2. Моделирование нелинейного поведения несущих конструкций экскаваторов Заключение Литература

Современные экскаваторы, применяемые па открытых горных работах, представляют собой высокопроизводительные крупногабаритные электромеханические системы, однако анализ эксплуатационной надежности показывает высокую долю отказов механического оборудования (50-70 %) в структуре потока отказов машин. Разрушения крупногабаритных металлоконструкции, происходящие чаще всего в результате распространения усталостных и хрупких трещин, приводят к значительным материальным потерям как из-за снижения добычи полезного ископаемого, так и из-за большой стоимости ремонта крупногабаритных узлов и конструкций. Одним из путей предотвращения катастрофических разрушений элементов металлоконструкций является выявление недостатков и совершенствование системы проектных расчетов. Это обусловлено следующими соображениями.

На протяжении нескольких десятилетий развития экскаваторострое-ния имеющиеся недостатки проектных расчетов выражались только в недостаточно высоких показателях надежности, так как в значительной степени компенсировались высокими запасами прочности и своевременной заменой оборудования по мере окончания амортизационного периода. Современный этап проектирования и эксплуатации несущих конструкций характеризуется тенденцией к снижению применяемых при проектировании коэффициентов запаса прочности и осложняется сложным экономическим положением предприятий, не позволяющих своевременно обновлять парк оборудования. Это выражается в росте аварийности конструкций и тяжести единичной аварии. Совершенствование системы проектных расчетов дает возможность снизить аварийность и экономический ущерб без существенных материальных затрат.

В связи с этим в настоящей работе проанализировано современное состояние методов проектных расчетов экскаваторов и установлены их основные недостатки, а именно: недостаточная точность расчетных схем; ограниченное число расчетных случаев, не учитывающих многообразия эксплуатационных условий; отсутствие учета технологической дефектности, допускаемой действующими нормами неразрушающего контроля; отсутствие расчетных методов прогнозирования поведения конструкций в нештатных ситуациях.

Цель диссертационной работы заключается в разработке и практической реализации комплекса методов и алгоритмов проектных расчетов несущих конструкций экскаваторов, позволяющих повысить их надежность и несущую способность с учетом технологической дефектности МК и возможных отклонений от паспортных условий эксплуатации.

Для достижения этой цели сформулированы следующие задачи: анализ теоретических подходов и инженерных методов проектирования и расчетов конструкций экскаваторов; анализ надежности и аварийности экскаваторов на открытых горных работах, установление закономерностей формирования аварийных ситуаций с учетом комплексного действия технических, технологических, организационных, климатических и личностных факторов; разработка и реализация компьютерных методов анализа и моделирования аварийных ситуаций; исследование напряженного состояния основных несущих конструкций экскаваторов и выявление их слабых зон, требующих усиления; постановка и решение ряда новых для проектирования экскаваторов задач, основанных на явном учете технологической дефектности несущих конструкций; разработка метода сравнительного анализа несущей способности конструкций несущих элементов при перегрузках.

Научная новизна работы заключается в том, что выявлены недостатки методов проектирования конструкций экскаваторов, являющиеся одной из причин их низкой надежности и аварийности; обобщены причины формирования аварийных ситуаций экскаваторов, построены логические диаграммы сценариев реальных аварий; разработано информационное обеспечение и реализована компьютерная модель формирования аварийной ситуации с использованием математического аппарата нечетких множеств; исследованы особенности напряженного состояния ряда несущих конструкций экскаваторов, выявлены недостатки их расчетных схем; выполнена постановка и практическая реализация ряда расчетных задач проектирования растянутых трубчатых несущих элементов экскаваторов, учитывающих технологическую дефектность МК; выполнен сравнительный анализ конструкций нижних рам с позиций их способности воспринимать перегрузки при нерасчетных режимах эксплуатации.

Практическая значимость работы заключается в том, что усовершенствованы методы инженерного проектирования конструкций экскаваторов, уточнен характер напряженного состояния основных узлов в широком диапазоне условий эксплуатации, обоснованы рациональные конструкции нижних рам.

Достоверность результатов обеспечена использованием статистических данных по аварийности и разрушениям конструкций экскаваторов, применением апробированных математических методов и современных пакетов численного анализа конструкций.

Внедрение результатов. Результаты работы использованы при проектировании и модернизации несущих конструкций карьерных экскаваторов в отделе экскаваторов и кранов ФГУП «СибНИИСтройдормаш», ОЛО «Красноярский завод тяжелых экскаваторов» и при подготовке учебного пособия «Основы проектных расчетов горных машин и оборудования.

Апробация работы. Основные результаты работы представлены на Второй конференции пользователей программного обеспечения CAD-FEM GmbH (Москва, 2002 г.); Четвертой Всероссийской научной internetконференции (Тамбов, 2002); I и II Евразийских симпозиумах по проблемам прочности материалов и машин для регионов холодного климата (Якутск, 2002, 2004); Международной конференции "Вычислительные технологии и математическое моделирование в науке, технике и образовании" (Алматы, 2002); VII Всероссийской конференции "Современные методы математического моделирования природных и антропогенных катастроф" (Красноярск, 2003), научных семинарах Отдела машиноведения ИВМ СО РАН, кафедры "Горные машины и комплексы" ГУЦМиЗ.

Личный вклад автора заключается в постановке и реализации цели и задач исследования, сборе и анализе данных по аварийности экскаваторов, построении компьютерных моделей аварийных ситуаций экскаваторов, исследовании напряженного состояния конструкции в широком спектре условий нагружения с учетом детерминированной и случайной технологической дефектности, анализе и обобщении полученных результатов.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 15 работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы (99 наименований), приложений и содержит 143 страницы, 73 рисунка, 10 таблиц.

выводы

1. Выполнен анализ современного состояния инженерного проектирования конструкций экскаваторов. Установлено, что основными недостатками инженерного проектирования являются ограниченное число расчетных случаев, не охватывающих всех возможных ситуаций, возникающих при эксплуатации, и недостаточная точность расчетных схем, не в полной мере учитывающих особенности конструктивных форм и деформирования элементов МК экскаваторов.

2. Сформулированы основные направления развития системы проектных расчетов экскаваторов: моделирование аварийных ситуаций и разрушения несущих конструкций на стадии проектирования; численное моделирование конструкций и проверка адекватности применяемых расчетных схем; проектные расчеты прочности с учетом вероятного наличия технологической дефектности; расчетный анализ поведения конструкций в упруго-пластической области деформирования.

3. Выполнен анализ ряда реальных аварий экскаваторов на открытых горных работах. Для этих аварий представлены сценарии в виде логических диаграмм. Проанализирован причинно-следственный комплекс формирования аварийных ситуаций. Показано, что значительный вклад в формирование аварийных ситуаций осуществляется недостатками существующей системы инженерного проектирования экскаваторов.

4. Выполнено информационное обеспечение логико-вероятностных моделей аварийных ситуаций. Разработаны и реализованы компьютерные модели аварий экскаваторов с использованием математического аппарата нечетких множеств. Адекватность подхода апробирована моделированием фактически произошедших аварий.

5. Предложена логическая схема анализа потенциально опасных зон и структурного моделирования разрушения конструкций на стадии проектирования. Реализованы структурные модели разрушения конструкции двуногой стойки карьерного экскаватора, положенные в основу моделирования аварийных ситуаций.

6. Выполнена постановка ряда новых для проектирования экскаваторов задач, в том числе задача исследования НДС в связи с результатами расчетов в соответствии с классическими расчетными схемами; задачи моделирования НДС с учетом технологической дефектности; задача моделирования нелинейного поведения несущих конструкций и анализа комплекса количественных параметров, не рассматриваемых в традиционных процедурах инженерного проектирования.

7. Осуществлено детальное исследование напряженного состояния МК ряда важнейших узлов карьерных экскаваторов: ковша, двуногой стойки, нижних рам. Для ковша проведен сравнительный анализ результатов моделирования с результатами, обеспечиваемыми общепринятыми расчетными схемами. Выявлено существенное расхождение этих результатов и сформулированы возможные направления конструктивной оптимизации данной конструкции.

8. Исследован характер концентрации напряжений в связи с наличием и характером технологической дефектности. Установлено, что для растянутых трубчатых элементов, характерных для конструкций рабочего оборудования и надстройки экскаваторов, наибольшую опасность представляют сквозные и наружные поверхностные дефекты.

9. Для растянутых трубчатых элементов конструкций с использованием метода статистического моделирования установлены законы распределения ряда силовых, энергетических и деформационных параметров при наличии случайных дефектов, размеры которых распределены по закону Вейбулла. Силовые параметры (интенсивность напряжений, эквивалентные напряжения по критерию Мизеса) описываются нормальным распределением, энергетические (работа пластической деформации) и деформационные параметры распределены логнормально.

10. Проанализирована чувствительность сценариев аварийной ситуации к наличию дефектов МК. Предложен алгоритм обоснования предпочтительного сценария развития разрушения несущей конструкции, основанный на введении в потенциально опасные зоны разрушения технологических дефектов и ранжировании этих зон по степени опасности. Для двуногой стойки карьерного экскаватора и действующих норм неразрушающего контроля выполнено обоснование наиболее опасных зон, требующих конструктивно-технологических мероприятий по усилению.

11. Разработана методика исследования нелинейного характера поведения несущих конструкций, заключающаяся в постепенном увеличении внешних нагрузок и сравнительном анализе силовых, энергетических и деформационных характеристик. С ее использованием выполнен сравнительный анализ ряда нижних рам карьерных экскаваторов.

1. Лимберк В. Сопротивление грунтов копанию. - В сб.: Вопросы механизации открытых горных и земляных работ. - М.: Госгортехиздат, 1961. - С. 55-71.

2. Ветров Ю.А. Вариация сил механического разрушения грунтов резанием и нагрузки от них на рабочие органы землеройных машин. В сб.: Вопросы механизации открытых горных и земляных работ. - М.: Госгортехиздат, 1961. - С. 72-84.

3. Ветров Ю.А. Резание грунтов землеройными машинами. М.: Машиностроение, 1971.-360 с.

4. Федоров Д.И., Бондарович Б.А., Перепонов В.И. Надежность металлоконструкций землеройных машин. М.: Машиностроение, 1971. - 360 с.

5. Волков Д.П. Динамика и прочность одноковшовых экскаваторов. М.: Машиностроение, 1965.-224 с.

6. Панкратов С.А. Конструкции и основы расчета главных узлов экскаваторов и кранов. М.: Машгиз, 1962. - 540 с.

7. Одноковшовые экскаваторы НКМЗ / Ю.Я.Вуль, Ю.Т.Калашников, А.В.Сапилов, И.М.Харахаш. М.: Недра, 1978. - 189 с.

8. Багин Б.П., Оленич В.И. Основы статистической динамики одноковшовых экскаваторов. Обзор. М.: ЦНИИТЭстроймаш, 1974. - 52 с.

9. Ю.Чистяков Г.П. Экскаваторы одноковшевые и многоковшевые: Конструкция и расчет. М.: Военно-инженерная академия РККА, 1939. - 268 с.

10. Казак С.А. Динамика мостовых кранов. М.: Машиностроение, 1968. - 226 с.

11. Повышение прочности и долговечности горных машин / А.В.Докукин, П.В.Семенча, Е.Е.Гольдбухт, Ю.А.Зислин. М.: Машиностроение, 1982. - 224 с.

12. Волков Д.П. Динамика и прочность одноковшовых экскаваторов. М.: Машипостроение, 1965.-224 с.

13. Когаев В.П. Расчеты на прочность при напряжениях, переменных во времени. М.: Машиностроение, 1993. - 364 с.

14. Подэрни Р.Ю. Горные машины и комплексы для открытых работ. М.: Недра, 1985.-544 с.

15. Домбровский Н.Г. Многоковшовые экскаваторы. Конструкции, теория и расчет. М.: Машиностроение, 1972. - 432 с.

16. Родин И.И., Соколов JI.K. Основы проектирования многоковшовых экскаваторов непрерывного действия. Красноярск: Изд-во Краснояр. ун-та, 1987. - 224 с.

17. Фрейнкман И.Е., Ильгосонис В.К. Землеройные машины. JL: Машиностроение, 1972.

18. А.с. СССР № 1432144, кл. Е 02 F 3/42. Рабочее оборудование одноковшового экскаватора / Н.Г.Казаков, В.Д.Дмитриев, В.Н.Цветков, С.И.Нелюбин,

19. A.В.Толмачев. Опубл. 23.10.88. Бюл. № 39.

20. А.С. СССР № 233544, кл. Е 02 F 3/42. Рабочее оборудование одноковшового экскаватора / Л.Д.Хмелевой, В.А.Шевченко, Е.Д.Гавриленко. Опубл. 18.12.68. Бюл. № 2.

21. А.С. СССР № 388104, кл. Е 02 F 3/42. Рабочее оборудование одноковшового экскаватора / С.В.Грудин. Опубл. 22.06.73. Бюл. № 28.

22. А.С. СССР № 240542, кл. Е 02 F 3/34. Рабочее оборудование одноковшового экскаватора типа обратная лопата / М.Д.Церлюк, П.Д.Касьянов, Ю.И.Калинин. Опубл. 21.03.69. Бюл. № 12.

23. А.С. СССР № 920121, кл. Е 02 F 3/30. Одноковшовый экскаватор /

24. B.Н.Бондарь, Л.Х.Голубчик, О.Н.Пилипей. Опубл. 15.04.82. Бюл. № 14.

25. А.С. СССР № 182064, кл. Е 02 F 3/42. Рабочее оборудование прямой лопаты одноковшового экскаватора / А.А.Изаксон, М.Д.Церлюк, П.Д.Касьянов, А.П.Фрейдлес, М.Н.Бандас. Опубл. 21.04.66. Бюл. № 10.

26. А.С. СССР Л'« 201974, кл. Е 02 F 3/42. Рабочее оборудование прямой лопаты универсального экскаватора / М.Н.Бандас, А.А.Изаксон, А.П.Фрейдлес,

27. М.Д.Церлкж. Опубл. 08.09.67. Бюл. № 18.

28. А.с. СССР № 1059088, кл. Е 02 F 9/10. Рама опорно-поворотного устройства / А.Ю.Опанащук, А.Н.Купреев. Опубл. 07.12.83. Бюл. № 18.

29. А.С. СССР № 901414, кл. Е 02 F 9/14. Рама опорно-поворотного устройства /• Ф.А.Вайцман, П.В.Сарбей, Е.Н.Караяни. Опубл. 30.01.82. Бюл. № 4.

30. А.с. СССР № 1122791, кл. Е 02 F 9/10. Опорное устройство мощных экскаваторов / А.К.Бугрин, А.М.Будовой, Н.Н.Голиков, Г.А.Еремич. Опубл. 07.11.84. Бюл. № 41.

31. Кох П.И. Надежность и долговечность одноковшовых экскаваторов. М.: Машиностроение, 1966. - 136 с.

32. Кох П.И. Надежность горных машин при низких температурах. М.: Недра, 1972.-256 с.

33. Кох П.И. Надежность механического оборудования карьеров. М.: Недра, 1978.-300 с.

34. Махно Д.Е. Эксплуатация и ремонт карьерных экскаваторов в условиях Севера. М.: Недра, 1984. - 134 с.

35. Махно Д.Е. Динамика надежности карьерных экскаваторов, работающих в условиях Севера // Горный журнал. 1988. - № 12. - С. 42.

36. Махно Д.Е., Шадрин А.И. Надежность экскаваторов и станков шарошечного бурения в условиях Севера. М.: Недра 1976. - 320 с.

37. Ларионов В.П. Электродуговая сварка конструкций в северном исполнении. -Новосибирск: Наука, 1986. 256 с.

38. Анализ отказов механического оборудования и металлоконструкций экскаваторов / Москвичев В.В., Доронин С.В., Утехин С.А., Эбич В.Р. // Препринт ВЦ

39. СО АН СССР № 7. Красноярск, 1989. - 33 с.

40. Доронин С.В. Расчеты на прочность и прогнозирование надежности элементов металлоконструкций карьерных экскаваторов: Дисс. . канд. техн. наук. -Красноярск: ВЦ СО РАН, 1993.-163 с.

41. Петропавловская И.А. Гиперболоидные конструкции в строительной механике. М.: Наука, 1988. - 230 с.

42. Беляев П.И. Причины обрушения транспортерной эстакады Солигорского калийного комбината//Промышленное строительство. 1963. -№ 12.

43. Фадеев А.И. Авария стальной фермы покрытия и восстановление ее без демонтажа // Изв. Вузов. Строительство и архитектура. 1966. - № 8.44.3юлко Е. Аварии стальных резервуаров и газгольдеров // Инженерное дело и строительство. — 1967. — № 1.

44. Беляев В.И., Корниенко B.C. Причины аварий стальных конструкций и способы их устранения. М.: Стройиздат, 1968. - 208 с.

45. Дмитриев Ф.Д. Крушения инженерных сооружений. М.: Госстройиздат, 1953.- 188 с.

46. Лащенко М.Н. Аварии металлических конструкций зданий и сооружений. -Л.: Стройиздат, 1969. 184 с.

47. Сахновский М.М., Титов A.M. Уроки аварий стальных конструкций. К.: Бу-дивельник, 1969.

48. Шкинев А.Н. Аварии на строительных объектах, их причины и способы предупреждения и ликвидации. -М.: Стройиздат, 1966.

49. Лащенко М.Н. Повышение надежности металлических конструкций зданий и сооружений при реконструкции. Л.: Стройиздат, 1987. - 136 с.

50. Мак-Кейг, Томас X. Строительные аварии. М.: Стройиздат, 1967.

51. Кикин А.И., Васильев А.А., Кошутин Б.Н. Повышение долговечности конструкций промышленных зданий. -М.: Стройиздат, 1969.

52. Мизюмский И.А. Аварии и крушения стальных конструкций и исследования причин разрушения сварных стыков уголков. Автореферат дисс. . канд. техн. наук.-Л.: ЛИСИ, 1959.

53. РД 06-376-00. Методические рекомендации по классификации аварий и инцидентов на опасных производственных объектах горнорудной промышленности и подземного строительства // Безопасность труда в промышленности. 2000. -№ 10.-С. 59-61.

54. Методика оценки последствий химических аварий. Методика оценки последствий аварийных взрывов топливно-воздушных смесей / Сборник методик № 1. М.: Госгортехнадзор РФ, НТЦ "Промышленная безопасность", 1999. - 112 с.

55. Система прогнозирования аварийных ситуаций на предприятиях, эксплуатирующих грузоподъемные машины / О.С.Ипатов, С.А.Лосев, В.Л.Рыбников, И.Н.Чернышов // Безопасность труда в промышленности. 2000. - № 10. - С. 11-12.

56. Андреева Н.Н., Ситенков В.Т. Выбор сценария развития аварии на нефтяном промысле // Безопасность труда в промышленности. 1999. - № 7. - С. 17-20.

57. Поландов Ю.Х. Взрывы паровых котлов малого давления, применяемых в качестве водогрейных // Изв. вузов. Машиностроение. 1997. - № 10-12. - С. 43-46.

58. Химмельблау Д. Обнаружение и диагностика неполадок в химических и нефтехимических процессах. Л.: Химия, 1983. - 352 с.

59. Форрестер Д.В. Мировая динамика. М.: Наука, 1978. - 406 с.

60. Швайдак Н. Н. Терминальное моделирование причинно-следственных отношений, порождающих опасности. (Часть I. Структурная формализация). Препринт ВЦ СО АН СССР №11, Красноярск, 1988.

61. Швайдак Н.Н., Доронин С.В. Причинно-следственное моделирование отказов поворотного редуктора ЭКГ-12,5 // Изв. вузов. Горный журнал. 1989. - № 5. -С. 83-87.

62. Дюбуа Д., Прад А. Теория возможностей. М.: Радио и связь, 1990. - 288 с.

63. Уотермен Д. Руководство по экспертным системам. М.: Мир, 1989. - 388 с.

64. Левин Р., Дранг Д., Эделсон Б. Практическое введение в технологию искусственного интеллекта и экспертных систем с иллюстрациями на Бейсике. М.: Финансы и статистика, 1990. -239 с.

65. Нечеткие множества в моделях управления и искусственного интеллекта / Под ред. Д.А.Поспелова. -М.: Наука, 1986. 312 с.

66. Выявление экспертных знаний / О.И.Ларичев, А.И.Мечитов, Е.М.Мошкович, Е.М.Фуремс. М.: Наука, 1989. - 128 с.

67. Критерии предельных состояний механического и гидравлического оборудования карьерных экскаваторов. Методические рекомендации. М.: ИГД им. А.А.Скочинского, 1990.-40 с.

68. СССР № 621831,Кл.2 Е 02 F 3/40 Ковш экскаватора В.Н.Гуслинстый, А.М.Петров, Б.А.Драбик, Л.Н. Прокопишин Опубл. 30.08.78. Бюл. № 32.

69. СССР № 620544, Кл.2 Е 02 F 3/40 Ковш экскаватора А.М.Петров, С.А.Полуянский, Б.А.Драбик, В.Н.Гуслистый, Л.Н.Прокопишин Опубл. 25.08.78. Бюл. №31.

70. СССР № 2030512 Кл.2 Е 02 F 3/40 Ковш экскаватора.А

71. СССР КЬ 626158 Кл/ Е 02 F 3/40 Ковш экскаватора с выпуклым днищем JI.H. Прокопишин, А.М.Петров , В.Н.Гуслистый, Б.А.Драбик. Опубл. 30.09.78. Бюл. № 36.

72. РФ № 2026931 Кл.2 Е 02 F 3/60, 3/48 Ковш экскаватора-драглайна А.А.Демин, В.Ю.Кузмина, И.П.Кузнецов, В.И.Кабанов. Опубл. 30.03.92. Бюл. № 2.

73. СССР № 619586 Кл.2 Е 02 F 3/40 Ковш экскаватора Ф.Ш.Доктор, М.Ч.Худайбергенов, В.Д.Ляк Опубл. 15.08.78. Бюл. № 30.

74. СССР № 2018573 Кл.2 Е 02 F 3/40 Ковш экскаватора.

75. СССР № 715707 Кл.2 Е 02 F 3/40 Ковш экскаватора О.Г.Люткевич, Г.И.Попов, В.А.Кузмин, М.М.Гаврилов. Опубл. 15.02.80. Бюл. № 6.

76. СССР № 1565970 Кл.2 Е 02 F 3/40 Ковш экскаватора Л.И.Шварц, Э.Г.Кузнецов, Б.И.Солохин. Опубл. 23.05.90. Бюл. № 19.

77. СССР № 1252526 Кл.2 Е 02 F 3/40, 3/407 Ковш экскаватора С.П.Артюхов, Н.А.Жуков, В.М.Киселев. Опубл. 23.08.86. Бюл. №31.

78. СССР № 1265254Кл.2 Е 02 F 3/40 Ковш экскаватора В.А.Казаков, Э.Г.Кузнецов, Л.И.Шварц, А.П.Саяпин, Е.А.Чирков. Опубл. 23.10.86. Бюл. № 39.

79. СССР № 1170057Кл.2 Е 02F 3/40 Ковш экскаватора И.И.Гаврилюк, С.М.Бро, Э.М.Паршкин, Е.Н.Криворучко. Опубл. 30.07.85. Бюл. № 28.

80. СССР № 1587139 Кл.2 Е 02 F 3/40, 9/28 Ковш экскаватора В.Л.Баладинский, А.А.Костенюк, Л.Е.Пелевин, А.В.Фомин, С.И.Денисенко. Опубл. 23.08.90. Бюл. №. 31.

81. Федоров Д.И. Рабочие органы землеройных машин. М.: Машиностроение, 1977.-288 с.

82. Горные машины и комплексы: Краткий курс лекций. Часть III. / Д.Е.Махно, Н.Н.Страбыкин, В.Н.Кисурин. Иркутск, 1997. - 224 с.

83. СТП 21-26-84. Нормы оценки качества сварных соединений по результатам ультразвукового контроля. Красноярск: ПО «Крастяжмаш», 1984.

84. Доронин С.В., Чурсина Т.А. Логико-вероятностное моделирование аварийных ситуаций технических систем // Физико-технические проблемы разработкиполезных ископаемых. 2003. - ЛЬ 1. - С. 55-64.

85. Шокин Ю.И., Москвичев В.В., Лепихии A.M. Вероятностные модели технологической дефектности сварных соединений / Препринт ВЦ СО АН СССР № 8. Красноярск: ВЦ СО АН СССР, 1988. - 20 с.

86. Доронин С.В., Бабушкин А.В. Вероятностные модели технологической дефектности кованых деталей // Тр. Международной конф. "Физико-технические проблемы Севера", ч. 2. Якутск, 2000. - С. 253-261.

87. MP 125-02-95. Правила составления расчетных схем и определение параметров нагруженности элементов конструкций с выявленными дефектами. М.: НПО ЦНИИТМАШ, 1995. - 52 с.

88. Москвичев В.В., Доронин С.В. Вероятностная схематизация результатов неразрушающего контроля сварных соединений // Современные проблемы сварочной науки и техники "Сварка-95": Тр. науч.-техн. конф. 23-25 мая 1995 г. -Пермь: ПГТУ, 1995.-С. 144-147.

89. Махутов Н.А., Котоусов А.Г. Принципы повышения безопасности сложных технических систем // Защита металлов. 1996. - № 4. - С. 346-351.

90. Махутов Н.А., Маханев В.О., Гриневич Ю.В. Нелинейные связанные задачи механики разрушения // Тр. Всес. конф. "Нелинейные явления". М.: Наука, 1991.-С. 114-117.

91. Фролов К.В. Нелинейные эффекты в механических системах // Тр. Всес. конф.

92. Нелинейные явления".-М.: Наука, 1991.-С. 154-161. 99.Махутов Н.А. Деформационные критерии разрушения и расчет элементов конструкций на прочность. М.: Машиностроение, 1981. - 272 с.