автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.06, диссертация на тему:Повышение долговечности рам карьерных автосамосвалов на основе исследования их напряженно-деформированного состояния

На правах рукописи

/

--пзэ

АСТАХОВА Татьяна Валентиновна

ПОВЫШЕНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ РАМ КАРЬЕРНЫХ АВТОСАМОСВАЛОВ НА ОСНОВЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ИХ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ

05 05 06 - Горные машины

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Кемерово - 2007

003062709

Работа выполнена в Институте цветных металлов и золота ФГОУ ВПО Сибирский федеральный университет и Отделе машиноведения Института вычислительного моделирования СО РАН

Научный руководитель:

кандидат технических наук, доцент

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор

кандидат технических наук, доцент Ведущая организация:

Доронин Сергей Владимирович

Герике Борис Людвигович

Насонов Михаил Юрьевич

Институт горного дела Севера им Н В Черского СО РАН

Защита состоится 23 мая 2007 г в 16 часов на заседании диссертационного совета Д 212 102 01 в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Кузбасский государственный технический университет», по адресу 650026, г Кемерово, ул Весенняя, 28 Факс (3842)36-16-87

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Кузбасский государственный технический университет»

Автореферат разослан апреля 2007 г

Ученый секретарь диссертационного совета

Каширских В Г

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Рамы современных карьерных автосамосвалов представляют собой высоконагруженные несущие конструкции, к которым предъявляются противоречивые требования по одновременному снижению металлоемкости и повышению надежности В настоящее время карьерные автосамосвалы вырабатывают свой ресурс на 70-90 % При этом отечественные автосамосвалы, будучи сравнимыми с импортными по грузоподъемности и производительности, существенно уступают им по надежности Систематически возникающие случаи трещинообразования могут привести к разрушениям рам и имеют своим следствием значительные материальные потери как из-за снижения объемов транспортирования полезного ископаемого, так и из-за большой стоимости ремонта крупногабаритных узлов и конструкций Затраты на устранение последствий отказов металлоконструкций автосамосвалов достигают 80% общих затрат на текущие ремонты

Таким образом, рамы карьерных автосамосвалов необходимо рассматривать как конструкции повышенной ответственности, методы эксплуатации которых следует совершенствовать для обеспечения надежности и повышения эффективности эксплуатации машин в целом, исключения тяжелых повреждений и разрушений

В связи с этим актуальными являются разработка методических подходов к оценке прочности и ресурса несущих конструкций автосамосвалов на стадии возникновения (усталостная долговечность) и развития (живучесть) трещиноподобных дефектов и получение количественных оценок этих параметров с целью обеспечения эффективной безаварийной эксплуатации машин

В настоящей работе проанализировано современное состояние методов расчетов и эксплуатации рам автосамосвалов, установлены возможности получения оценок долговечности и живучести при эксплуатации автосамосвалов, предложены новые подходы к эксплуатации машин в условиях горных предприятий, основанные на прогнозных оценках напряженно-деформированного состояния (НДС), долговечности и живучести

Цель диссертационной работы заключается в разработке методик оценки долговечности рам карьерных автосамосвалов на стадиях возникновения и развития усталостных трещин

Идея работы состоит в использовании прогнозных оценок напряженно-деформированного состояния долговечности и живучести рам карьерных автосамосвалов при погрузке и транспортировании горной массы для предотвращения предельных состояний рам за счет разработки элементов их профилактического обслуживания

Для достижения этой цели сформулированы следующие задачи исследование зависимостей интенсивности напряжений в рамах карьерных автосамосвалов от вертикального перемещения их опор при кручении, продольном и поперечном изгибе,

анализ статистических характеристик микропрофиля карьерных автодорог и НДС рам автосамосвалов при транспортировании горной массы,

оценка опасности трещиноподобных дефектов, обоснование периодичности технической диагностики и конструктивных усилений поврежденных рам,

исследование показателей долговечности и живучести рам автосамосвалов при погрузке и транспортировании горной массы,

разработка методики учета долговечности и живучести рам автосамосвалов при обосновании структуры экскаваторно-автомобильнош комплекса (ЭАК).

На защиту выносятся следующие научные положения:

1 Расчетные зависимости интенсивности напряжений в рамах от вертикального перемещения их опор представляют собой основу для установления опасных по тре-щинообразованию конструктивных зон и моделирования процессов нагруженности рам при движении автосамосвалов с учетом статистических характеристик микропрофиля карьерных автодорог

2 Предотвращение разрушений элементов рам осуществляется на базе оценок опасности трещиноподобных дефектов и вытекающих из них расчетных значений периодичности технической диагностики и конструктивных усилений поврежденных зон

3 Для обоснования рациональной структуры экскаваторно-автомобильного комплекса необходимы оценка и учет ряда показателей, основными из которых являются-долговечность рамы при загрузке автосамосвала экскаватором, долговечность и живучесть рамы при движении автосамосвала по технологическим дорогам

Научная новизна работы заключается в том, что

получены расчетные зависимости интенсивности напряжений в рамах от вертикального перемещения их опор, выполнен сравнительный анализ НДС и живучести ряда рам автосамосвалов БелАЗ при комплексных условиях нагружения,

разработана методика оценки НДС, долговечности и живучести рам автосамосвалов при движении по карьерным автодорогам, основанная на статистическом моделировании экспериментально полученных распределений неровностей микропрофиля типовых участков автодорог,

для поврежденных фрагментов лонжеронов рам выполнена оценка опасности хрупкого разрушения, обоснованы периодичности технической диагностики и параметры конструктивных усилений,

сформулированы количественные показатели живучести рам автосамосвалов, методика их оценки и учета при обосновании рациональной структуры ЭАК

Практическая значимость работы заключается в получении оценок прочности, долговечности, живучести рамных конструкций автосамосвалов с учетом эксплуатационных условий (паспортов загрузки автосамосвалов и условий транспортирования горной массы), анализе опасности эксплуатационных дефектов и обосновании инженерно-технических решений по предотвращению разрушений рам, разработке реко-

мендаций по учету показателей долговечности и живучести при определении структуры ЭАК

Внедрение результатов. Результаты работы использованы в условиях ООО "Разрез "Саяно-Партизанский" при расчетах остаточного ресурса и оптимизации графиков планово-предупредительных ремонтов рам автосамосвалов с учетом фактических неровностей микропрофиля автодорог, в ООО «Енисейзолотоавтоматика» при разработке перспективных планов комиссионного обследования технического состояния парка оборудования с учетом расчетных значений периодичности диагностики машин, при постановке и проведении экспериментальных исследований разрушения плоских образцов с надрезом, имитирующих фрагмент вертикального листа лонжерона рамы, в ООО "Тестмаш", и при подготовке учебного пособия "Расчеты прочности рамных конструкций карьерных автосамосвалов", рекомендованного Учебно-методическим объединением вузов РФ по образованию в области горного дела для студентов вузов, обучающихся по специальности «Горные машины и оборудование», о чем имеются соответствующие акты внедрения

Достоверность результатов обеспечена проведением серии экспериментов по разрушению модели фрагмента вертикального листа лонжерона рамы, экспериментальным исследованием статистических характеристик неровностей микропрофиля карьерных автодорог, применением современных методов математического и компьютерного моделирования

Апробация работы Основные результаты работы представлены на Международной конференции "Компьютерное моделирование и информационные технологии в науке, инженерии и образовании" (Пенза, 2003), Десятой Международной конференции "Современные тенденции развития транспортного машиностроения" (Пенза, 2005), VII Всероссийской конференции "Современные методы математического моделирования природных и антропогенных катастроф" (Красноярск, 2003), Третьей и Четвертой Международных конференциях «Современные технологии освоения минеральных ресурсов» (Красноярск, 2005, Пекин, 2006), научных семинарах кафедры "Горные машины и комплексы" Института цветных металлов и золота ФГОУ ВПО «Сибирский федеральный университет», Отдела машиноведения ИВМ СО РАН

Личный вклад автора заключается в постановке и реализации цели и задач исследования, постановке, планировании и обработке экспериментов по разрушению плоских образцов с надрезом, сборе и анализе экспериментальных данных по неровностям микропрофиля карьерных автодорог, исследовании напряженного состояния рам автосамосвалов в широком спектре условий нагружения, в том числе с учетом возможного наличия трещины, анализе и обобщении полученных результатов Публикации По материалам диссертации опубликовано 12 работ Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, приложений Основное содержание работы изложено на 148 страницах и включает 77 рисунков и 10 таблиц Общий объем работы (с при-

ложениями) 200 страниц Список использованных источников включает 98 наименований

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дана общая характеристика работы, обоснована актуальность проблемы, сформулированы цель, научная новизна и практическая значимость полученных результатов

В первой главе рассмотрены показатели эффективности и области рационального использования карьерных автосамосвалов В настоящее время наиболее важными величинами, характеризующими целесообразность применения той или иной модели автосамосвала, являются дальность транспортирования и определенное соотношение между вместимостями кузова автосамосвала и ковша экскаватора (Васильев М В, Ка-зарез А А , Кулешов А А , Потапов М Г, Томаков ПИ и др) Кроме того, рассматривается целый ряд технологических, эксплуатационных, экономических показателей качества ЭАК (Зырянов И В , Кулешов А А.) В системе этих показателей надежность автосамосвалов учитывается коэффициентом их готовности, особенности эксплуатационных повреждений и закономерности формирования отказов во внимание не принимаются

Вместе с тем, анализ эксплуатационных данных, в том числе полученных другими исследователями (Зырянов И В , Ишков А М, Квагинидзе В С, Ларионов В П, Новопашин М Д, Паначев И А , Слепцов О И и др), показал наличие многочисленных повреждений, в некоторых стучаях приводящих к предельным состояниям рам автосамосвалов, что недопустимо для базовых металлоконструкций, определяющих срок службы машин В связи с этим сформулирована задача повышения эффективности карьерных автосамосвалов, заключающаяся в развитии методик расчета поврежденных рам, получении количественных оценок показателей живучести, совместном их рассмотрении с показателями эффективности ЭАК Важнейшим условием решения этой задачи является детальный анализ НДС рам, в том числе содержащих повреждения в виде трещин

Вторая глава посвящена анализу конструкций, современного состояния методов расчета рам автосамосвалов, численному моделированию их НДС Осуществлены постановка и решение задач детерминированного анализа НДС рам карьерных автосамосвалов в широком спектре режимов нагружения Получены зависимости максимальных значений интенсивности напряжений в рамах от уровня реакции со стороны подвесок Предложена методика анализа НДС в широком диапазоне условий эксплуатации, направленная на расширение представлений о свойствах и поведении различных конструктивных форм рам автосамосвалов Применение этой методики позволило выполнить сравнительный анализ прочности и жесткости рам различных модификаций автосамосвалов БелАЗ в условиях кручения и изгиба в двух плоскостях Выполнен экспериментальный анализ достоверности расчетных оценок НДС и долго-

вечности

Третья глава посвящена статистическому моделированию НДС рам автосамосвалов при транспортировании горной массы Фактической базой решения этой задачи явилось экспериментальное исследование случайных характеристик неровностей микропрофиля карьерных автодорог Построенные вероятностные модели неровностей микропрофиля четырех типовых участков карьерных автодорог (отвал, забой, горизонт, съезд) позволили смоделировать случайный характер воздействий на раму с учетом передаточной функции подвесок Предложен и реализован алгоритм оценки параметров НДС, основанный на учете совместного вклада крутящего и двух изгибающих моментов в формирование НДС рамы при движении автосамосвала по дорогам со случайным характером неровностей

В четвертой главе обоснованы необходимость и особенности решения задач с учетом возможного наличия эксплуатационных трегциноподобных дефектов Исследовано НДС содержащих дефекты несущих рам, Это позволило ранжировать рамы карьерных автосамосвалов по степени чувствительности к наличию повреждения На основании этих результатов выполнены оценка опасности хрупкого разрушения рам при наличии трещины варьируемого размера и обоснование параметров конструктивных усилений поврежденных фрагментов рам Расчеты ресурса на стадии роста трещины позволили обосновать периодичность технической диагностики рам

В пятой главе выполнена оценка ресурса рам при транспортировании горной массы, динамического и повреждающего воздействия загрузки самосвалов экскаваторами в соответствии с паспортами загрузки Для различных структур ЭАК получены прогнозные оценки числа циклов загрузки автосамосвалов до возникновения усталостного повреждения рамы Предложен ряд новых показателей живучести, для некоторых из них получены количественные оценки Разработаны рекомендации по их учету при определении структуры ЭАК

Выводы содержат основные результаты выполненных исследований На основании полученных результатов обоснованы следующие защищаемые научные положения

1. Расчетные зависимости интенсивности напряжений в рамах от вертикального перемещения их опор представляют собой основу для установления опасных по трещинообразованию конструктивных зон и моделирования процессов нагруженности рам при движении автосамосвалов с учетом статистических характеристик микропрофиля карьерных автодорог.

В любой момент времени характер деформирования рам определяется соотношением вкладов деформаций кручения, продольного и поперечного изгибов Оно зависит от вертикальных перемещений опорных точек рам - зон крепления подвески В связи с этим выполнено численное исследование зависимостей интенсивности напряжений в рамах от уровня вертикального перемещения их опорных точек

Результаты моделирования аппроксимированы зависимостью интенсивности на-

пряжений от уровня перемещения опоры вида о = а+Ыг+сЬ , где к - вертикальное перемещение опоры; а, Ь, С — коэффициенты аппроксимации (таблица 1).

Таблица 1 - Коэффициенты аппроксимации

Модель автосамосвала Кручение Продольный изгиб Поперечный изгиб

БелАЗ а Ь с а Ь с а Ъ с

7549 62,36 6,97 6,6! 83,54 -3,60 0,62 46,39 23,74 4,01

7548а 71,26 1,17 4,3) 81,54 -7,24 2,80 88,36 -11,1 3,02

75191 67,72 2,43 5,37 46,13 37,26 0,02 55,00 16.20 3,13

7420 3,94 73,53 1,12 85,30 -5,58 1,06 49,79 33,52 0.53

Детальный анализ распределения интенсивностей напряжений и деформаций для рам четырех тип он позволил установить опасные по 1рещ и ни образованию конструктивные зоны - наиболее нагруженные фрагменты вертикальных листов лонжеронов и узлы сочленения лонжеронов и поперечин.

Мри движении автосамосвалов сложный характер деформирования их рам определяется в каждый момент времени вертикальными перемещениями опорных точек вследствие реактивных воздействий системы дорога - шина ■■ колесо ~ подвеска.

и связи с определяющей ролью характеристик микропрофиля автодорог в формировании нагрузочного режима рам самосвалов выполнен статистический анализ высот неровностей микропрофиля характерных участков автодорог (отвал, горизонт, съезд, забой) в условиях Мазульскош известнякового рудника Ачинского глиноземного комбината (рисунок I). Полученные экспериментально характеристики микропрофиля существенно отличаются для различных участков.

Рисунок ] - - Характерный участок микропрофиля автодороги в забое

Полученные экспериментально графики микропрофилей оцифрованы и обработаны методами теории вероятностей и математической статистики с учетом специфики задач статистической динамики транспортных машин. Полученные реализации случайного процесса высоты неровностей микропрофиля автодороги в зависимости от времени движения Щт) описаны нормальным распределением, для которого определены его параметры (таблица 2).

Определены значения и построены графики нормированных корреляционной функции и спектральной плотности. Для практического использования выполнена аппроксимация нормированных корреляционной функции и спектральной плотности следующими зависимостями:

1,4 участки 2, 3 участки

1,4 участки 2, 3 участки

нормированная корреляционная функция р(х)=е-с,,,|созРт> р(т)=е-"1'2со8Рт, нормированная спектральная плотность а а2 + р2 + со2

р(ю)=

р(ш) =

я (т2 -р2 - а2)2 + 4а2ш2 '

+ е

4«'

(1) (2)

(3)

(4)

где а, р - полученные по статистическим данным (для скорости 1 м/с) параметры (таблица 3) Полученные функции являются основой моделирования нагрузок на несущие конструкции карьерных автосамосвалов

Таблица 2 — Параметры распределения высоты неровности микропрофиля

Участок Математическое ожидание, Среднеквадратическое

автодороги мм отклонение, мм

1 (отвал) 66,63 23,78

2 (горизонт) 58,98 19,79

3 (съезд) 39,40 7,60

4 (забой) 90,22 19,23

Методика прогнозирования количественных показателей НДС реализована следующим образом В среде пакета Уквнп разработана имитационная модель движения автосамосвала по неровным дорогам Весовые, геометрические параметры автосамосвала, передаточная функция подвески и статистические характеристики неровностей микропрофиля позволяют смоделировать четыре случайных процесса, описывающих в функции времени вертикальные перемещения точек рамы, соответствующих узлам крепления подвески (рисунок 2)

Таблица 3 - Коэффициент аппроксимации корреляционных функций и спектральных плотностей

Параметр Участок дороги

1 2 3 4

а, с'1 0,008 0,047 0,052 0,016

Р.с1 0,007 0,333 0,050 0,001

Эти четыре случайных процесса в любой момент времени определяют крутящий и два изгибающих момента, формирующих НДС рамы Таким образом реализован случайный процесс нагружения о(;) в любой точке рамы (рисунок 3), являющийся прогнозом максимальных напряжений в произвольный момент времени

Получаемые таким образом случайные процессы нат-руженности рам схематизируются методом полных циклов, в результате чего получаются распределения амплитуд напряжений эквивалентного повреждающего воздействия, являющиеся основой оценки ресурса рам.

При этом следует отметить, что для всех рассмотренных конструкций рам при движении автосамосвалов наиболее нагруженными являются вертикальные; стенки лонжеронов, особенно в зонах сочленения с поперечинами. Эти конструктивные зоны необходимо рассматривать как потенциально опасные по трещи но образован иго и раз-рутению, что подтверждает данные эксплуатационных наблюдений.

2. Предотвращение разрушений элементов рам осуществляется на базе оценок опасности трещиноподобных дефектов и вытекающих из них расчетных значений периодичности технической диагностики и конструктивных усилений поврежденных зон.

Оценка опасности трещино подобно го дефекта непосредственно связана с анализом чувствительности НДС рам к наличию этого дефекта. В качестве показателя Чувствительности построены зависимости максимальных напряжений в элементе конструкции с трещиной от ее длины. Для обеспечения сравнимости результатов зависимое™ построены не в абсолютных, а н относительных единицах u = onlas/aM0„ = j(l'), где aram ■ ■ максимальный уровень интенсивности напряжений в подкопструкции в области трещины, оном - номинальный уровень интенсивности напряжений в соответствующей области неповрежденной конструкции (рисунок 4), По мере снижения чувствительности рамы самосвалов ранжированы следующим образом: БелАЗ-75191, Ес-лАЗ-7420, БелАЗ-7549. БелЛ 3-7 548а.

Построены расчетные зависимости коэффициента интенсивности напряжений и живучести от длины трещины для рам автосамосвалов (рисунок 5), в результате анализа которых установлено следующее.

Рисунок 2 — Реализация микропрофиля первого участка автодороги и вертикальные перемещения точек крепления подвески

Рисунок 3 - Прогноз случайного процесса о(т) при движении автосамосвала по горизонту

1 При малых длинах трещин (до 10 мм) опасность хрупкого разрушения отсутствует у рам всех типов, причем у рам самосвалов БелАЗ-7549 и БелАЗ-7420 она отсутствует во всем диапазоне рассматриваемых длин трещин (до 25 мм)

2 У рам БелАЗ-7548а опасность хрупкого разрушения возникает при различных длинах трещин в зависимости от характера деформирования 16 мм при равномерном опирании, 11 мм при кручении и продольном изгибе, 25 мм при поперечном изгибе Таким образом, при наличии трещины 25 и более мм для рамы БелАЗ-7548а существует опасность хрупкого разрушения при всех видах деформирования

3 У рам БелАЗ-75191 опасность хрупкого разрушения возникает при длинах трещин 11 мм при кручении и продольном изгибе, при равномерном опирании и поперечном изгибе во всем диапазоне рассматриваемых длин трещин эта опасность отсутствует

сти I от длины трещины I для рамы автосамосвала БелАЗ-7548а номера кривых 1,2, 3,4 соответствуют зависимостям К/, а 1', 2', 3', 4' - зависимостям долговечности, кривые 1,1'- равномерному опиранию на четыре опоры, 2,2' - кручению, 3, 3' - продольному изгибу, 4, 4' - поперечному изгибу рамы

4 Периодичность технической диагностики определяется в предположении наличия трещины длиной до 5 мм Это обусловлено тем, что при малых размерах трещин скорость их роста незначительна, и за период между двумя моментами технической диагностики не возникает опасности хрупкого разрушения Рекомендуемая периодичность технической диагностики определяется как /5/пл>, где /5 - прогнозируемая

для подконструкции рамы БелАЗ-7548а 1 - номинальное опирание на все колеса, 2 - кручение, 3 - продольный изгиб, 4 — поперечный изгиб

долговечности рамы при наличии трещины длиной 5 мм, nN = 2 - минимальный коэффициент запаса по долговечности Тогда расчетные рекомендуемые периодичности технической диагностики рам составляют БелАЗ-7548а - 1000 км, БелАЗ-7549, Бе-лАЗ-75191 - 3000 км, БелАЗ-7420 - 12000 км

Оценка опасности дефектов при динамической нагрузке в процессе загрузки автосамосвала показывает, что для автосамосвала БелАЗ-7549 безопасны трещины длиной до 10 мм, для машин БелАЗ-7548а и БелАЗ-75191 опасны трещины более 2 мм, то есть фактически все визуально регистрируемые дефекты

Таким образом, наличие повреждений одного из элементов рамы, чаще всего вертикального листа лонжерона, резко снижает прочность и живучесть всей конструкции

Выполнена серия расчетов с целью обоснования геометрических размеров ремонтной заплаты Постановка задачи обусловлена следующими соображениями Уменьшение размеров заплаты может привести к снижению ее тормозящего трещину эффекта, а увеличение приводит к увеличению длины сварного шва, площади зоны термовлияния и повышению хрупкости рассматриваемой конструктивной зоны, и так ослабленной сварным швом, которым заварена трещина Для оценки эффективности ремонтной заплаты введен следующий расчетный показатель- к = асаск /орз - отношение напряжения ссгаск в зоне трещины к напряжению <трз в этой же зоне после установки ремонтной заплаты Очевидно, с ростом этого показателя эффективность заплаты растет Варьировались соотношения alb (длина и ширина заплаты), а также соотношение а/1 при различных длинах трещины (рисунки 6, 7)

Рисунок 6 - Схема установки Рисунок 7 - Показатель эффективности ремонтной

Результаты моделирования позволяют сделать следующие выводы 1 Наибольшей эффективностью характеризуется заплата, длина которой больше длины трещины примерно на 10%, те а/1 =1,1 При меньшей длине заплаты коэффициент к падает С ростом аП коэффициент к продолжает расти, но прирост его крайне незначителен и не компенсирует отрицательных эффектов, связанных с увеличением

ремонтной заплаты 1 - трещина, 2 - заплата

заплаты 1 - БелАЗ-7549, 2 - БелАЗ-7420, 3 - БелАЗ-75191,4 - БелАЗ-7548а

размеров заплаты

2 Наибольшей эффективностью характеризуется заплата с соотношением alb = 2 При меньшем соотношении увеличивается зона конструкции под заплатой, а при большем есть опасность выхода зоны термовлияния шва, устраняющего трещину, за пределы заплаты

3. В результате исследования зависимостей коэффициента к от длины трещины установлено, что наиболее эффективны ремонтные заплаты при малых длинах трещин С увеличением длин трещин эффективность этого способа усиления поврежденного элемента резко падает

Полученные результаты позволяют, с одной стороны, максимально использовать ресурс рам, то есть не прекращать их эксплуатацию при возникновении трещинопо-добного дефекта, с другой - не допустить развития дефекта до предельного состояния

3. Для обоснования рациональной структуры экскаваторно-автомобильного комплекса необходимы оценка и учет ряда показателей, основными из которых являются: долговечность рамы при загрузке автосамосвала экскаватором; долговечность и живучесть рамы при движении автосамосвала по технологическим дорогам.

В настоящее время рекомендации различных авторов по выбору рациональной структуры ЭАК сводятся преимущественно к обоснованию соотношения вместимо-стей ковша экскаватора и кузова автосамосвала и существенно отличаются при увеличении дальностей транспортирования Предложено ввести в число факторов, учитываемых при выборе структуры ЭАК, ряд показателей долговечности и живучести усталостная долговечность при загрузке автосамосвала экскаватором, усталостная долговечность при движении автосамосвала по дорогам с определенным микропрофилем,

усталостная долговечность рамы автосамосвала как элемента ЭАК, число циклов до разрушения рамы с трещиноподобными дефектами при движении автосамосвала по дорогам с определенным микропрофилем,

чувствительность НДС рамы к наличию трещиноподобных дефектов Методические аспекты оценки этих показателей сводятся к следующему Усталостная долговечность при загрузке автосамосвала экскаватором Предложен методический подход, позволяющий, с одной стороны, учесть особенности паспортов загрузки каждого типа ЭАК, с другой избежать разработки и трудоемкого решения моделей, описываемых системами дифференциальных уравнений Этот подход заключается в последовательном выполнении следующих расчетных операций

1 Сила удара горной массы по днищу кузова при загрузке автосамосвала каждым ковшом в соответствии с паспортом загрузки определяется по известной аналитической формуле (Казарез А А, Кулешов А А)

2 В соответствии с паспортом загрузки полученные в п 1 силы прикладываются

в узлы конечно-элементной модели автосамосвала и выполняется оценка максимальных напряжений в раме Таким образом, получается нерегулярный процесс изменения напряжений в раме в течение полной загрузки автосамосвала экскаватором

3. Схематизация этого процесса методом полных циклов При загрузке автосамосвала экскаватором блоком нагружения считаем процесс изменения напряжений в раме в течение времени полной загрузки автосамосвала При выполнении расчетов варьируется высота разгрузки ковша и падения груза

В качестве результата получается количество циклов загрузки автосамосвала, приводящее к возникновению усталостных повреждений (таблица 4) При этом не учитываются повреждения, накапливаемые рамой при транспортировании груза Таким образом, полученные на этом этапе результаты являются только материалом для сравнительного анализа степени повреждаемости рам при включении автосамосвала в ту или иную структуру ЭАК

Усталостная долговечность и число циклов до разрушения рамы с трещинопо-добными дефектами при движении автосамосвала по дорогам с определенным микропрофилем Оценка времени работы (ресурса) рамы осуществляется в предположении как неповрежденного первоначально материала и развития усталости (долговечность), так и при наличии трещины (живучесть)

Таблица 4 - Прогноз числа циклов загрузки автосамосвала Л^ до возникновения

усталостного повреждения рамы

Структура ЭАК Число циклов ЛГза

Вместимость ковша, м3 Тип автосамосвала БелАЗ при номинальной загрузке при перегрузке 5%

8 75191 37000 42000 33000 38000

10 75191 35000 40500 31000 35500

12,5 75191 33500 39000 29000 34000

16 75211 29500 36000 24000 31000

20 75211 28000 34500 22000 27000

Прогнозирование долговечности и живучести основано на схематизации случайного процесса нагружения ст(т) методом полных циклов, получении оценок усталостной долговечности рамы с использованием корректированной линейной гипотезы суммирования усталостных повреждений в предположении линейной упругой работы рамы и развития процесса многоцикловой усталости, вычислении на базе положений механики разрушения (с рассмотрением в качестве предельного состояния достижения трещиной критической длины) оценок живучести рамы с трещиноподобными дефектами (таблица 5)

Усталостная долговечность рамы автосамосвала как элемента ЭАК Рассматривается комплексный случайный процесс, составленный из нескольких компонент, соответствующих движению автосамосвала от забоя до места разгрузки и обратно, и

загрузке автосамосвала экскаватором Такой процесс соответствует полному циклу работы автосамосвала в рамках ЭАК В данном случае в качестве блока нагружения рассматривается уже именно этот полный цикл

Схематизация этого процесса позволяет получить наиболее адекватные оценки долговечности рам автосамосвалов с учетом максимального количества факторов В качестве примера прогнозной оценки такого рода рассматривается экскаваторно-автомобильный комплекс ЭКГ-8И + БелАЗ-75191, эксплуатируемый в условиях карьера с параметрами автодорог в соответствии с таблицей 2 Расчетная оценка усталостной долговечности составляет порядка 110 ООО км При расстоянии транспортирования 2 км это соответствует примерно 27 500 циклов работы самосвала

Таблица 5 - Число блоков нагружения А, (А. = 1 км) до возникновения усталостной

трещины (долговечности) I предельного состояния на стадии ее роста (живучести)

Рама автосамосвала Участок автодороги

1 2 3 4

БелАЗ-7549 21700/180 23500/ 193 87200/417 19350/225

БелАЗ-7420 39300/232 42200/260 102000/385 38200/ 180

БелАЗ-75191 49450/325 51500/420 174500/615 38000/365

БелАЗ-7548а 41800/290 47350/338 162900 / 520 22500/355

Оцениваемое по прогнозируемым значениям числа циклов загрузки автосамосвала и километрам пробега повреждающее воздействие погрузки экскаватором и движения по неровным дорогам оказывается сопоставимым

Методика учета показателей долговечности и живучести при выборе структуры ЭАК сводится к следующим моментам

1 Определение нескольких возможных вариантов структуры ЭАК исходя из общепринятых рекомендаций и показателей качества ЭАК

2 Считая эти варианты равнозначными по известным показателям, необходимо получить количественные оценки вышеприведенных показателей живучести рам автосамосвалов Далее выбор предпочтительного варианта необходимо осуществлять в соответствии со следующими правилами

2 1 Более предпочтительны автосамосвалы с меньшей чувствительностью к наличию трещиноподобного дефекта Важность этого правила возрастает с увеличением емкости ковша экскаватора и грузоподъемности автосамосвала Самосвалы с повышенной чувствительностью рамы к наличию дефектов следует использовать в структурах ЭАК с меньшей вместимостью ковша и для транспортирования горной массы по дорогам более высокого качества

2 2 Более предпочтительны автосамосвалы с большими значениями усталостной долговечности при загрузке экскаватором и при движении по карьерным автодорогам При этом с увеличением емкости ковша экскаватора возрастает важность первого параметра, а с ростом расстояния транспортирования - второго

2 3 Предпочтение следует отдавать автосамосвалам с большим числом циклов до разрушения рамы с трещиноподобными дефектами при движении автосамосвала по дорогам с определенным микропрофилем Желательно при этом, чтобы это число циклов (выраженное в моточасах или километрах пробега) соответствовало или было кратным периодичности технической диагностики или плановым межремонтным периодам

3 Оценка и сравнительный анализ соответствия усталостной долговечности рам при загрузке и движении автосамосвалов Это требование обеспечивает равный вклад нагрузок при загрузке машин и при их движение в накопление усталостных повреждений Его смысл поясняется следующим образом Рассмотрим ЭАК с определенной дальностью L транспортирования горной массы Допустим, в результате расчета установлено, что возникновение усталостных повреждений в раме возможно после Z\ циклов полной загрузки автосамосвала (без учета транспортирования) или после Ц км пробега (без учета погрузки) Тогда количество циклов транспортирования составит L\/L Выполнение равенства Z\ = L\/L означает равную интенсивность расходования ресурса рамы при загрузке и движении самосвала Если при сравнении вариантов при экскаваторе с одной и той же вместимостью ковша для некоторого автосамосвала отношение Z\I(L\IL) оказывается заметно большим, чем для других, это означает относительную перегруженность машины при погрузке экскаватором Наоборот, если значение Z\I(L\IL) ниже, чем у других моделей самосвалов, можно сделать вывод о работе рамы в менее жестких условиях и, возможно, увеличении производительности ЭАК путем пересмотра паспорта загрузки и увеличении объема горной массы в кузове

4 Формирование перспективных планов проведения технической диагностики рам автосамосвалов с учетом их прогнозируемой долговечности в рамках ЭАК

Таким образом, оценки долговечности и живучести рам автосамосвалов позволяют обосновать структуру ЭАК, характеризующуюся максимальными значениями надежности автосамосвалов и комплекса в целом

В связи с тем, что оценки долговечности и живучести основаны на численном моделировании НДС, для проверки достоверности полученных результатов выполнен расчетно-экспериментальный анализ живучести плоских образцов с надрезом Задача эксперимента заключалась в сравнении долговечностей плоского образца с растущей трещиной, полученных расчетным путем и экспериментально

Среднее значение долговечности по экспериментальным данным составило 3787 циклов нагружения, что достаточно хорошо совпадает с расчетным значением 4033 цикла Выполнен расчет доверительных интервалов для уровня доверительной вероятности 90% Для экспериментального и расчетного значений долговечности соответственно интервалы составляют 2616 4958, 3051 5015 циклов Таким образом, оценки НДС и ресурса, полученные на базе конечно-элементного моделирования, можно считать достоверными и обоснованными,

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является научно-квалификационной работой, в которой дано новое решение задачи повышения эффективности эксплуатации карьерных автосамосвалов путем оценки напряженно-деформированного состояния (НДС) и решения на этой основе ряда расчетных задач Выполненные исследования позволили сформулировать следующие основные результаты работы

1 Зависимости максимальных значений интенсивности напряжений в рамах от вертикального перемещения И их опор описываются выражением вида о = а+Ьк+ск2, где а, Ь, с - коэффициенты аппроксимации, полученные расчетным путем для условий кручения, продольного и поперечного изгиба

2 Разработана методика моделирования показателей НДС и ресурса при движении автосамосвала Нагрузки на раму моделируются с учетом передаточных функций подвесок и полученных экспериментально статистических характеристик неровностей микропрофиля карьерных автодорог, генерируемых методом статистических испытаний Учет совместного вклада крутящего и двух изгибающих моментов в формирование НДС рамы при движении автосамосвала по карьерным дорогам позволяет получить наиболее адекватные оценки процессов нагруженности рам Для условий карьера Ачинского глиноземного комбината установлен пробег автосамосвала БелАЗ-7549 до возникновения усталостного повреждения рам / предельного состояния при движении (км) на отвале - 21700/180, по горизонту - 23500/193, на съезде -87200/417, в забое - 19350/225

3 Исследована опасность разрушения рам при наличии трещиноподобных дефектов Выполнено обоснование рациональных параметров конструктивного усиления поврежденных зон лонжеронов Установлено, что наибольшей эффективностью характеризуется ремонтная заплата длиной, большей длины трещины примерно на 10%, и шириной, в 2 раза меньше длины Установлено, что в процессе загрузки экскаватором безопасны дефекты длиной до БелАЗ-7549 - 10 мм, БелАЗ-7548а и БелАЗ-75191 - 2 мм При транспортировании горной массы безопасны дефекты длиной до БелАЗ-7420 и БелАЗ-7549 - 25 мм, БелАЗ-7548а и БелАЗ-75191 - И мм Для исключения хрупкого разрушения элементов рам выполнено обоснование периодичности технической диагностики Расчетные рекомендуемые периоды диагностики рам составляют БелАЗ-7548а - 1000 км, БелАЗ-7549 и БелАЗ-75191 - 3000 км, БелАЗ-7420 -12000 км

4 Сформулированы количественные показатели живучести рам карьерных автосамосвалов и методика их оценки, позволяющие в детерминированной или вероятностной, статической или динамической постановках проанализировать поведение рам при наличии трещиноподобных повреждений Установлено, что рамы существенно отличаются по степени чувствительности к наличию повреждению и по мере снижения чувствительности могут быть ранжированы следующим образом БелАЗ-75191, БелАЗ-7420, БелАЗ-7549, БелАЗ-7548а

5 Обоснована целесообразность при определении структуры экскаваторно-автомобильного комплекса (ЭАК) учитывать усталостную долговечность рам автосамосвалов при загрузке экскаватором, при движении по карьерным дорогам с определенным микропрофилем, чувствительность НДС рамы к трещиноподобным дефектам и число циклов нагружения до ее разрушения В результате оценки повреждающего воздействия загрузки автосамосвалов экскаваторами в соответствии с паспортами загрузки получены оценки количества циклов загрузки до возникновения усталостного повреждения рам, средние значения которых для ЭАК различной структуры составляет ЭКГ-8И + БелАЗ-75191 - 39500, ЭКГ-10 + БелАЗ-75191 - 37750, ЭКГ-12,5 + Бе-лАЗ-75191 - 36250,201М + БелАЗ-75211 -32750, ЭКГ-20 + БелАЗ-75211 -31250

Основные положения и результаты диссертации опубликованы в следующих работах

1 Астахова, ТВ Моделирование эволюции напряженного состояния деградирующей несущей конструкции как системы с обратной связью / С В Доронин, Т В Астахова // Вестник Красноярского государственного технического университета Выпуск23 Машиностроение -Красноярск ИПЦКГТУ, 2003 -С 168-171

2 Астахова, Т В Обратные связи в исследованиях живучести несущих конструкций / С В Доронин, Т В Астахова // 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 научн конференций -Красноярск ИВМ СО РАН, 2003 - С 8-11

3 Астахова, Т В Задачи построения имитационных моделей несущих конструкций технических систем / С В Доронин, Л В Нехорошева, Т В Астахова // Сб материалов междунар научн конф «Компьютерное моделирование и информационные технологии в науке, инженерии и образовании» - Пенза РИО ПГСХА, 2003 - С 4850

4 Астахова, Т В Развитие проектных расчетов и поиск новых конструктивных форм рам карьерных автосамосвалов / С В Доронин, Ю А Плютов, Т В Астахова // Горные машины и автоматика -2004 -№6 -С 18-21

5 Астахова, Т В Расчетно-экспериментальное обоснование конструктивных решений по остановке усталостных трещин в рамах карьерных автосамосвалов / С В Доронин, 10 А Плютов, Т В Астахова // Горное оборудование и электромеханика -2005 -№3 -С 31-33

6 Астахова, Т В Анализ напряженного состояния рам карьерных автосамосвалов / С В Доронин, Ю А Плютов, Т В Астахова // Горное оборудование и электромеханика -2005 - № 3 - С 29-30

7 Астахова, Т В Напряженно-деформированное состояние рамных конструкций карьерных автосамосвалов /ТВ Астахова // Современные технологии освоения минеральных ресурсов Сб научн тр Выпуск 3 / под общ ред В.Е. Кислякова, ГУЦ-

МиЗ -Красноярск, 2005 - С 78-83

8 Астахова, Т В Моделирование рамных конструкций большегрузных автосамосвалов /ТВ Астахова // Совремешше тенденции развития транспортного машиностроения Сб статей 10 Международной научно-техн конф - Пенза, 2005 -С 14-15

9 Астахова, Т.В Расчеты прочности рамных конструкций карьерных автосамосвалов / С В Доронин, Ю А Плютов, Т В Астахова // Учеб пособие / ГУЦМиЗ. -Красноярск, 2005 -88с

10 Астахова, ТВ Моделирование живучести поврежденных рамных конструкций карьерных автосамосвалов / С В Доронин, Т В Астахова // Современные технологии освоения минеральных ресурсов Сб научн тр Выпуск 4 / Под общ ред В Е Кислякова, ГУЦМиЗ - Красноярск, 2006 -С 195-197

11 Астахова, ТВ Исследование статических характеристик микропрофиля карьерных автодорог // Совершенствование методов поиска и разведки, технологий добычи и переработки полезных ископаемых сб. материалов Всероссийской научно-техн конф студентов, аспирантов и молодых ученых / ГОУ ВПО «ГУЦМиЗ» -Красноярск,2006 -С 74-75

12 Астахова, ТВ Исследование напряженно-деформированного состояния рам карьерных автосамосвалов и повышение эффективности их эксплуатации, Гос ун-т цветных металлов и золота - Красноярск, 2007 - 12 с - Деп в депозитарии МГГУ 23 01 2007 № 559/04-07

Подписано в печать

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

ГУ Кузбасский государственный технический университет 650026, Кемерово, ул Весенняя, 28

Типография ГУ Кузбасский государственный технический университет 650099, Кемерово, ул Д Бедного, 4А

Введение

1. Эффективность эксплуатации и надежность большегрузных 9 автосамосвалов на горных предприятиях

1.1. Показатели эффективности и области рационального ис- 9 пользования карьерных автосамосвалов

1.3. Постановка задачи повышения эффективности эксплуата- 19 ции карьерных автосамосвалов

2. Напряженно-деформированное состояние рам карьерных автосамосвалов

2.1. Классические методы расчета рам автосамосвалов и задачи 31 оценки НДС

2.2. Конструктивные решения и особенности численного моде- 43 лирования рам автосамосвалов

2.3. Анализ напряженно-деформированного состояния рам 49 карьерных автосамосвалов

2.4. Экспериментальный анализ достоверности расчетных оце- 58 нок показателей напряженно-деформированного состояния и долговечности

2.5. Выводы

3. Статистическое моделирование НДС рам автосамосвалов в связи с параметрами карьерных автодорог

3.1. Исследование случайных характеристик микропрофиля 71 карьерных автодорог

3.2. Моделирование конструкций и работы подвесок

3.3. Моделирование НДС при движении автосамосвалов

3.4. Выводы

1.2. Надежность и аварийность карьерных автосамосвалов

1.4. Выводы

4. Оценка опасности и предотвращение развития эксплуатаци- 99 онной дефектности рам автосамосвалов

4.1. Чувствительность НДС рам к эксплуатационным трещино- 99 подобным дефектам

4.2. Оценка опасности хрупкого разрушения и обоснование пе- 106 риодичности технической диагностики рам

4.3. Обоснование параметров конструктивных усилений по- 114 врежденных фрагментов рам

4.4. Выводы

5. Повышение долговечности рам автосамосвалов и надежности 119 экскаваторно-автомобильных комплексов

5.1. Оценка ресурса рам при движении автосамосвала

5.2. Оценка динамического и повреждающего воздействия при 124 загрузке автосамосвала экскаватором

5.3. Формирование экскаваторно-автомобильных комплексов с 130 учетом долговечности и живучести рам автосамосвалов

5.4. Выводы 136 Заключение 138 Литература 141 Приложение 1. Напряженно-деформированное состояние рам автосамосвалов БелАЗ

Рамы современных карьерных автосамосвалов представляют собой высоконагруженные несущие конструкции, к которым предъявляются противоречивые требования по одновременному снижению металлоемкости и повышению надежности. В настоящее время карьерные автосамосвалы вырабатывают свой ресурс на 70-90 %. При этом отечественные автосамосвалы, будучи сравнимыми с импортными по грузоподъемности и производительности, существенно уступают им по надежности. Систематически возникающие случаи трещинообразования могут привести к разрушениям рам и имеют своим следствием значительные материальные потери как из-за снижения объемов транспортирования полезного ископаемого, так и из-за большой стоимости ремонта крупногабаритных узлов и конструкций.

Таким образом, рамы карьерных автосамосвалов необходимо рассматривать как конструкции повышенной ответственности, методы эксплуатации которых следует совершенствовать для обеспечения надежности и повышения эффективности эксплуатации машин в целом, исключения тяжелых повреждений и разрушений.

В связи с этим актуальными являются разработка методических подходов к оценке прочности и ресурса несущих конструкций автосамосвалов на стадии возникновения (усталостная долговечность) и развития (живучесть) трещиноподобных дефектов и получение количественных оценок этих параметров с целью обеспечения эффективной безаварийной эксплуатации машин.

В работе выполнен анализ современного состояния методов расчетов и эксплуатации рам автосамосвалов, установлены возможности получения оценок долговечности и живучести на стадии эксплуатации автосамосвалов, предложены новые подходы к эксплуатации машин в условиях горных предприятий, основанные на прогнозных оценках напряженно-деформированного состояния (НДС), долговечности и живучести.

Цель диссертационной работы заключается в разработке методик оценки долговечности рам карьерных автосамосвалов на стадиях возникновения и развития усталостных трещин.

Идея работы состоит в использовании прогнозных оценок напряженно-деформированного состояния долговечности и живучести рам карьерных автосамосвалов при погрузке и транспортировании горной массы для предотвращения предельных состояний рам за счет разработки элементов их профилактического обслуживания.

Для достижения поставленной цели сформулированы следующие задачи: исследование зависимостей интенсивности напряжений в рамах карьерных автосамосвалов от вертикального перемещения их опор при кручении, продольном и поперечном изгибе; анализ статистических характеристик микропрофиля карьерных автодорог и НДС рам автосамосвалов при транспортировании горной массы; оценка опасности трещиноподобных дефектов, обоснование периодичности технической диагностики и конструктивных усилений поврежденных рам; исследование показателей долговечности и живучести рам автосамосвалов при погрузке и транспортировании горной массы; разработка методики учета долговечности и живучести рам автосамосвалов при обосновании структуры экскаваторно-автомобильного комплекса.

На защиту выносятся следующие научные положения:

1. Расчетные зависимости интенсивности напряжений в рамах от вертикального перемещения их опор представляют собой основу для установления опасных по трещинообразованию конструктивных зон и моделирования процессов нагруженности рам при движении автосамосвалов с учетом статистических характеристик микропрофиля карьерных автодорог.

2. Предотвращение разрушений элементов рам осуществляется на базе оценок опасности трещиноподобных дефектов и вытекающих из них расчетных значений периодичности технической диагностики и конструктивных усилений поврежденных зон.

3. Для обоснования рациональной структуры экскаваторно-автомобильного комплекса необходимы оценка и учет ряда показателей, основными из которых являются: долговечность рамы при загрузке автосамосвала экскаватором; долговечность и живучесть рамы при движении автосамосвала по технологическим дорогам.

Научная новизна работы заключается в том, что получены расчетные зависимости интенсивности напряжений в рамах от вертикального перемещения их опор; выполнен сравнительный анализ НДС и живучести ряда рам автосамосвалов БелАЗ при комплексных условиях нагружения; разработана методика оценки НДС, долговечности и живучести рам автосамосвалов при движении по карьерным автодорогам, основанная на статистическом моделировании экспериментально полученных распределений неровностей микропрофиля типовых участков автодорог; для поврежденных фрагментов лонжеронов рам выполнена оценка опасности хрупкого разрушения, обоснованы периодичности технической диагностики и параметры конструктивных усилений; сформулированы количественные показатели живучести рам автосамосвалов, методика их оценки и учета при обосновании рациональной структуры ЭАК.

Практическая значимость работы заключается в получении оценок прочности, жесткости, долговечности, живучести рамных конструкций автосамосвалов с учетом эксплуатационных условий (паспортов загрузки автосамосвалов и условий транспортирования горной массы), анализе опасности эксплуатационных дефектов и обосновании инженерно-технических решений по предотвращению разрушений рам, разработке рекомендаций по учету показателей долговечности и живучести при определении структуры экскаваторно-автомобильного комплекса.

Внедрение результатов. Результаты работы использованы в условиях ООО "Разрез "Саяно-Партизанский" при расчетах остаточного ресурса и оптимизации графиков планово-предупредительных ремонтов рам автосамосвалов с учетом фактических неровностей микропрофиля автодорог. В ООО «Енисейзолотоавтоматика» использованы расчетные значения периодичности диагностики машин при разработке перспективных планов комиссионного обследования технического состояния парка оборудования. Также результаты работы использованы в ООО "Тестмаш" при постановке и проведении экспериментальных исследований разрушения плоских образцов с надрезом, имитирующих фрагмент вертикального листа лонжерона рамы, и при подготовке учебного пособия "Расчеты прочности рамных конструкций карьерных автосамосвалов", рекомендованного Учебно-методическим объединением вузов РФ по образованию в области горного дела для студентов вузов, обучающихся по специальности «Горные машины и оборудование», о чем имеются соответствующие акты внедрения.

Достоверность результатов обеспечена проведением серии экспериментов по разрушению модели фрагмента вертикального листа лонжерона рамы, экспериментальным исследованием статистических характеристик неровностей микропрофиля карьерных автодорог, применением современных методов математического и компьютерного моделирования.

Апробация работы. Основные результаты работы представлены на Международной конференции "Компьютерное моделирование и информационные технологии в науке, инженерии и образовании" (Пенза, 2003); Десятой Международной конференции "Современные тенденции развития транспортного машиностроения" (Пенза, 2005); VII Всероссийской конференции "Современные методы математического моделирования природных и антропогенных катастроф" (Красноярск, 2003), Третьей и Четвертой Международных конференциях «Современные технологии освоения минеральных ресурсов» (Красноярск, 2005, Пекин, 2006), научных семинарах кафедры "Горные машины и комплексы" Института цветных металлов и золота ФГОУ ВПО «Сибирский федеральный университет», Отдела машиноведения ИВМ СО РАН.

Личный вклад автора заключается в постановке и реализации цели и задач исследования, постановке, планировании и обработке экспериментов по разрушению плоских образцов с надрезом, сборе и анализе экспериментальных данных по неровностям микропрофиля карьерных автодорог, исследовании напряженного состояния рам автосамосвалов в широком спектре условий нагружения, в том числе с учетом возможного наличия трещины, анализе и обобщении полученных результатов.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 12 работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, приложений. Основное содержание работы изложено на 148 страницах и включает 77 рисунков и 10 таблиц. Общий объем работы (с приложениями) 200 страниц. Список использованных источников включает 98 наименований.

5.4. ВЫВОДЫ

1. Повреждающее воздействие на раму динамических нагрузок при загрузке автосамосвала экскаватором в значительной степени зависит от последовательности и высоты разгрузки ковшей, регламентированных паспортом загрузки автосамосвала. Определение этого повреждающего воздействия для каждой структуры ЭАК и паспорта загрузки дает возможность рассматривать интенсивность расходования ресурса рамы как одно из свойств ЭАК.

2. Моделирование комплексного случайного процесса нагруженно-сти, составленного из нескольких компонент, соответствующих циклу работы автосамосвала как элемента ЭАК, является базой наиболее адекватных оценок долговечности и живучести с учетом наибольшего количества факторов.

3. Оценка опасности дефектов при динамической нагрузке при загрузке автосамосвала экскаватором позволяет выявить те конструкции рам, для которых наличие дефектов представляет повышенную опасность. Для этих самосвалов требуется как более жесткая регламентация норм дефектоскопического контроля, так и пересмотр паспортов загрузки автосамосвалов с целью снижения динамических нагрузок на раму.

4. Оценки усталостной долговечности и живучести рам, полученные с использованием корректированной линейной гипотезы накопления усталостных повреждений и кинетического уравнения Формана роста трещин, при движении автосамосвалов по дорогам с различными характеристиками микропрофиля позволяют оценивать расходование ресурса рамы при перемещении на 1 км пути, что является необходимым условием рациональной эксплуатации парка автосамосвалов с учетом их технического состояния.

5. Предложен ряд статических и динамических показателей живучести рам в детерминированной и стохастической постановке, основанных на оценках НДС, полученных в рамках конечно-элементного моделирования. При определении структуры ЭАК в качестве дополнительных расчетных

136 показателей качества автосамосвала целесообразно принимать во внимание следующие показатели живучести рам: усталостная долговечность при загрузке автосамосвала экскаватором; усталостная долговечность при движении автосамосвала по дорогам с определенным микропрофилем; усталостная долговечность рамы автосамосвала как элемента ЭАК; число циклов до разрушения рамы с трещиноподобными дефектами при движении автосамосвала по дорогам с определенным микропрофилем; чувствительность НДС рамы к наличию трещиноподобных дефектов.

6. Расчетный анализ прочности рам карьерных автосамосвалов, получение количественных оценок их живучести в условиях эксплуатации и учет показателей прочности, долговечности, живучести при выборе рациональной структуры ЭАК является новым подходом к обеспечению эффективности и качества работы, как отдельных автосамосвалов, так и комплексов оборудования в целом.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является научно-квалификационной работой, в которой дано новое решение задачи повышения эффективности эксплуатации карьерных автосамосвалов путем оценки напряженно-деформированного состояния и решения на этой основе ряда расчетных задач. Выполненные исследования позволили сформулировать следующие основные результаты работы.

1. Зависимости максимальных значений интенсивности напряжений в рамах от вертикального перемещения h их опор описываются выражением вида а = a+bh+ch2, где а,Ь,с- коэффициенты аппроксимации, полученные расчетным путем для условий кручения, продольного и поперечного изгиба.

2. Разработана методика моделирования показателей напряженно-деформированного состояния и ресурса при движении автосамосвала. Нагрузки на раму моделируются с учетом передаточных функций подвесок и полученных экспериментально статистических характеристик неровностей микропрофиля карьерных автодорог, генерируемых методом статистических испытаний. Учет совместного вклада крутящего и двух изгибающих моментов в формирование напряженно-деформированного состояния рамы при движении автосамосвала по карьерным дорогам позволяет получить наиболее адекватные оценки процессов нагруженности рам. Для условий карьера Ачинского глиноземного комбината установлен пробег автосамосвала БелАЗ-7549 до возникновения усталостного повреждения рам / предельного состояния при движении (км): на отвале - 21700/180, по горизонту -23500/193, на съезде-87200/417, в забое - 19350/225.

3. Исследована опасность разрушения рам при наличии трещиноподоб-ных дефектов. Выполнено обоснование рациональных параметров конструктивного усиления поврежденных зон лонжеронов. Установлено, что наибольшей эффективностью характеризуется ремонтная заплата длиной, большей длины трещины примерно на 10%, и шириной, в 2 раза меньше длины. Установлено, что в процессе загрузки экскаватором безопасны дефекты длиной до: БелАЗ-7549 - 10 мм, БелАЗ-7548а и БелАЗ-75191 - 2 мм. При транспортировании горной массы безопасны дефекты длиной до: БелАЗ-7420 и БелАЗ-7549 - 25 мм, БелАЗ-7548а и БелАЗ-75191 - 11 мм. Для исключения хрупкого разрушения элементов рам выполнено обоснование периодичности технической диагностики. Расчетные рекомендуемые периоды диагностики рам составляют: БелАЗ-7548а - 1000 км, БелАЗ-7549 и БелАЗ-75191 - 3000 км, БелАЗ-7420 - 12000 км.

4. Сформулированы количественные показатели живучести рам карьерных автосамосвалов и методика их оценки, позволяющие в детерминированной или вероятностной, статической или динамической постановках проанализировать поведение рам при наличии трещиноподобных повреждений. Установлено, что рамы существенно отличаются по степени чувствительности к наличию повреждению и по мере снижения чувствительности могут быть ранжированы следующим образом: БелАЗ-75191, БелАЗ-7420, БелАЗ-7549, БелАЗ-7548а.

5. Обоснована целесообразность при определении структуры экскава-торно-автомобильного комплекса учитывать усталостную долговечность рам автосамосвалов при загрузке экскаватором, при движении по карьерным дорогам с определенным микропрофилем, чувствительность напряженно-деформированного состояния рамы к трещиноподобным дефектам и число циклов нагружения до ее разрушения. В результате оценки повреждающего воздействия загрузки автосамосвалов экскаваторами в соответствии с паспортами загрузки получены оценки количества циклов загрузки до возникновения усталостного повреждения рам, средние значения которых для экскаваторно-автомобильных комплексов различной структуры составляет: ЭКГ-8И + БелАЗ-75191 - 39500, ЭКГ-10 + БелАЗ-75191 - 37750, ЭКГ-12,5 + БелАЗ-75191 - 36250,201М + БелАЗ-75211 - 32750, ЭКГ-20 + БелАЗ-75211 -31250.

1. Васильев М.В., Смирнов В.П., Кулешов А.А. Эксплуатация карьерного автотранспорта. - М.: Недра, 1979. - 280 с.

2. Васильев М.В. Основные вопросы развития открытых разработок с автомобильным транспортом: Автореф. дис. . д-ра техн. наук. М.: МГИ, 1961.-35 с.

3. Флаксенберг П. Погрузка и транспорт на карьерах. М.: Недра, 1967. -160 с.

4. Довер Т.М. Вскрышные работы. В кн.: Открытые горные работы (тр. Международного симпозиума, Лондон, ноябрь 1964). -М.: Недра, 1967.

5. Бишоп Т.М. Автомобильный транспорт. -М.: Недра, 1971. 142 с.

6. Васильев М.В., Сироткин З.Л., Смирнов В.П. Автомобильный транспорт карьеров. М.: Недра, 1973. - 256 с.

7. Потапов М.Г. Исследование технологических схем и параметров оборудования транспорта на открытых горных разработках: Автореф. дис. д-ра техн. наук. М.: ИГД им. А.А.Скочинског, 1972. - 39 с.

8. Кулешов А.А. Мощные экскаваторно-автомобильные комплексы карьеров. М.: Недра, 1980. - 317 с.

9. Карьерный автотранспорт: состояние и перспективы / П.Л. Мариев, А.А.Кулешов, А.Н.Егоров, И.В.Зырянов. СПб: Элмор, 2004. - 427 с.

10. Ю.Зырянов И.В. Повышение эффективности систем карьерного автотранспорта в экстремальных условиях эксплуатации: Автореф. . д-ра техн. наук.-СПб, 2006.-40 с.

11. Характерные разрушения деталей машин и металлоконструкций (Рекомендации по ремонту и предотвращению разрушения) / Под ред. А.М.Ишкова. Якутск: ЯФ СО АН СССР, 1988. - 40 с.

12. Сварка и проблемы вязкохрупкого перехода / Ларионов В.П. и др. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 1998. - 593 с.

13. Соломонов Ю.С., Шахтарин Ф.К. Большие системы: гарантийный надзор и эффективность. М.: Машиностроение, 2003. - 368 с.

14. Дедков В.К., Северцев Н.А. Основные вопросы эксплуатации сложных систем. М.: Высшая школа, 1976. - 406 с.

15. Барзилович Е.Ю. Модели технического обслуживания сложных систем. -М.: Высшая школа, 1982. 231 с.18.0стрейковский В.А. Теория систем. М.: Высшая школа, 1997. - 240 с.

16. Махутов Н.А., Котоусов А.Г. Принципы повышения безопасности сложных технических систем // Защита металлов. 1996. - Т. 32, № 4. - С. 346-351.

17. Прочность, ресурс и безопасность машин и конструкций / Под ред. Н.А.Махутова, М.М.Гаденина. М.: ИМАШ РАН, 2000. - 528 с.

18. Кулешов А.А. Конференция "Карьерный транспорт 2003" на ПО "БелАЗ" // Горные машины и автоматика. 2003. - № 4. - С. 43-45.

19. Бычков Д.В. Строительная механика стержневых тонкостенных конструкций. М.: Госстройиздат, 1962. - 240 с.

20. Власов В.З. Тонкостенные упругие стержни. М.: Физматгиз, 1959. - 600 с.

21. Горбунов Б.Н., Стрельбицкая А.И. Теория рам из тонкостенных стержней. М.: Гостехиздат, 1948. - 320 с.

22. Рабинович И.М. Основы строительной механики стержневых систем. -М.: Госстройиздат, 1960. 400 с.

23. Баловнев Г.Г. Усталостная прочность сварных соединений рамного типапри изгибе // Автомобильная промышленность. 1969. - № 2. - С. 30-33.

24. Белокуров В.Н., Закс М.Н. К вопросу расчета автомобильных рам на кручение // Автомобильная промышленность. 1969. - № 4. - С. 20-21.

25. Гольд Б.В., Оболенский Е.П., Стефанович Ю.Г. Основы прочности и долговечности автомобиля. М.: Машиностроение, 1967. - 280 с.

26. Проскуряков В.Б. К постановке задачи о долговечности автомобильных рам // Автомобильная промышленность. 1966. - № 10. - С. 13-15.

27. Проскуряков В.Б., Павлова Г.Е. Еще один метод расчета автомобильных рам на кручение // Автомобильная промышленность. 1966. - № 5. - С. 25-28.

28. Сорокин П.И., Мезенцев В.И., Юдин Б.В. Расчет на кручение автомобильной рамы, состоящей из тонкостенных стержней открытого и закрытого профилей / Труды УПИ № 2. Ульяновск: УПИ. - 1962. - С. 40-63.

29. Проскуряков В.Б. Динамика и прочность рам и корпусов транспортных машин. Л.: Машиностроение, 1972. - 232 с.

30. ЗЗ.Осепчугов В.В. Автомобиль: Анализ конструкций, элементы расчета / В.В. Осепчугов, А.К.Фрумкин. М.: Машиностроение, 1989. - 304 с.

31. Грузовые автомобили / М.С.Высоцкий и др.; под ред. В.В.Осепчугова. -М.: Машиностроение, 1979. 384 с.

32. Гольд Б.В. Конструирование и расчет автомобиля / Б.В.Гольд. М.: Маш-гиз, 1962. — 464 с.

33. Автомобиль-самосвал БелАЗ-540 / А.Г.Денисов, Л.И.Добрых, А.В.Зотов, Э.И.Иванов, А.Н.Казарез, З.Л.Сироткин, Г.И.Терновский, М.Ф.Шумский. М.: Машиностроение, 1971. -326 с.

34. А.С. 1221007 СССР, кл. В 62 D 21/18. Рама самосвального транспортного средства.

35. А.С. 2025371 СССР, кл. В 62 D 21/02. Рама транспортного средства.

36. А.С. 1796525 СССР, кл. В 62 D 21/02. Рама автомобиля.

37. А.С. 1743969 СССР, кл. В 62 D 21/18. Рама автомобиля.

38. А.С. 1211132 СССР, кл. В 62 D 21/03. Рама автомобиля-самосвала.

39. А.С. 1569277 СССР, кл. В 62 D 21/02. Рама транспортного средства.

40. А.С. 1546330 СССР, кл. В 62 D 21/00, В 23 К 31/00. Сварное соединение рамы транспортного средства.

41. А.С. 608689 СССР, кл. В 62 D 21/02. Рама автомобиля.

42. А.С. 2037444 СССР, кл. В 62 D 21/02. Рама автомобиля.

43. Кулешов А.А. Новые конструктивно-компоновочные решения по карьерным автосамосвалам // Горный журнал. 2000. - № 1. - С. 43-45.

44. Школьник JI.M. Методика усталостных испытаний. М.: Металлургия, 1978.-304 с.

45. Прочность конструкций при малоцикловом нагружении / Под ред. Н.А.Махутова, А.Н.Романова. М.: Наука, 1983. - 272 с.

46. Черепанов Г.П. Механика хрупкого разрушения. М.: Наука, 1974. - 640 с.

47. Морозов Е.М., Никишков Г.П. Метод конечных элементов в механике разрушения. М.: Наука, 1980. - 256 с.

48. Сиратори М., Миеси Т., Мацусита X. Вычислительная механика разрушения. М.: Мир, 1986. - 334 с.

49. Безунер Ф.М., Сноу Д.У. Применение двумерного метода граничных интегральных уравнений для решения инженерных задач // Метод граничных интегральных уравнений. М.: Мир, 1978. - С. 129-151.

50. Круз Т. Метод граничных интегральных уравнений в механике разрушения // Метод граничных интегральных уравнений. М.: Мир, 1978. - С. 46-67.

51. Крауч С., Старфилд А. Методы граничных элементов в механике твердого тела. М.: Мир, 1987. - 328 с.

52. Вычислительные методы в механике разрушения / Под ред. С.Атлури. -М.: Мир, 1990.-392с.

53. Трещиностойкость и механические свойства конструкционных материалов технических систем / В.В.Москвичев, Н.А.Махутов, А.П.Черняев и др. Новосибирск: Наука, 2002. - 334 с.

54. Кулешов А.А., Плютов Ю.А. Карьерный автотранспорт на современном этапе развития. Красноярск: КИЦМ, 1994. - 88 с.

55. Казарез А.А., Кулешов А.А. Эксплуатация карьерных автосамосвалов с электромеханической трансмиссией. М.: Недра, 1988. - 264 с.

56. Финкель В.М. Физика разрушения. М.: Металлургия, 1970. - 360 с.

57. Финкель В.М. Физические основы торможения разрушения. М.: Металлургия, 1977.-360 с.

58. Партон В.З., Морозов Е.М. Механика упругопластического разрушения. -М.: Наука, 1985.-504с.

59. Crack arrest in rupturing steel gas pipelines / X.C.You, Z.Zhuang, C.Y.Huo, C.J.Zhuang, Y.R.Feng // International Journal of Fracture. 2003. - № 123. -P. 1-14.

60. Шанявский А.А. Безопасное усталостное разрушение элементов авиаконструкций. Синергетика в инженерных приложениях. Уфа: Монография, 2003. - 803 с.

61. Силаев А.А. Спектральная теория подрессоривания транспортных машин. М.: Машиностроение, 1972. - 192 с.

62. Кулешов А.А., Зырянов Н.В., Зырянов И.В. Влияние ровности карьерных дорог на эффективность эксплуатации автосамосвалов особо большой грузоподъемности // Горный журнал. 1995. - № 6. - С. 14-16.

63. Певзнер Я.М., Тихонова А.А. Исследование статистических свойств микропрофиля основных типов автомобильных дорог // Автомобильная промышленность. 1964. - №1. - С. 3-7.

64. Яценко Н.Н., Прутчиков O.K. Плавность хода грузовых автомобилей.

65. М.: Транспорт, 1969. 208 с.

66. Динамика системы дорога-шина-автомобиль-водитель / Под ред. А.А.Хачатурова. М.: Транспорт, 1976. - 531 с.

67. Бендат Дж., Пирсол А. Прикладной анализ случайных данных. М.: Мир, 1989.-540 с.

68. Проскуряков В.Б. Динамика и прочность рам и корпусов транспортных машин. JL: Машиностроение, 1972. - 232 с.

69. Савочкин В.А., Дмитриев А.А. Статистическая динамика транспортных и тяговых гусеничных машин. М.: Машиностроение, 1993. - 320 с.

70. Грачева JI.O. Взаимодействие вагонов и железнодорожного пути / Тр. ЦНИИ МПС, вып. 356. М.: Транспорт, 1968. - 208 с.

71. Крайнев А.Ф. Идеология конструирования. М.: Машиностроение, 2003. -384 с.76.3агорский В.В. Подвески самосвалов БелАЗ // Автомобильная промышленность. 2006. - № 1. -С. 11-14.

72. Дорф Р., Бишоп Р. Современные системы управления. М.: Лаборатория базовых знаний, 2002. - 832 с.

73. Филлипс Ч., Харбор Р. Системы управления с обратной связью. М.: Лаборатория базовых знаний, 2001. - 616 с.

74. Надежность механических систем и конструкций при случайных воздействиях / А.С.Гусев, А.Л.Карунин, Н.А.Крамской, С.А.Стародубцева. -М.: МГТУ «МАМИ», 2000. 284 с.

75. Светлицкий В.А. Статистическая механика и теория надежности. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2002. - 504 с.

76. Макаров Б.П. Нелинейные задачи статистической динамики машин и приборов. М.: Машиностроение, 1983. - 264 с.

77. Николаенко Н.А., Ульянов С.В. Статистическая динамика машиностроительных конструкций. М.: Машиностроение, 1977. - 368 с.

78. Зырянов И.В. Определение коэффициентов вязкоупругопластичной модели подвески и шины автосамосвала БелАЗ-75191 // Колыма. 1990. - №8.-С. 30-31.

79. Надежность механических систем и конструкций при случайных воздействиях / А.С.Гусев, А.Л.Карунин, Н.А.Крамской, С.А.Стародубцева. М.: МГТУ "МАМИ", 2000. - 284 с.

80. Когаев В.П. Расчеты на прочность при напряжениях, переменных во времени. М.: Машиностроение, 1993. - 363 с.

81. Живейнов Н.Н., Карасев Г.Н., Цвей И.Ю. Строительная механика и металлоконструкции строительных и дорожных машин. М.: Машиностроение, 1988. - 280 с.

82. Мейснер Б.А. Прочность и надежность рам локомотивных тележек (оценка и прогнозирование): Автореф. дис. На соискание ученой степени д-ра техн. наук. М.: ЦНИИ МПС, 1973. - 43 с.

83. Механическая усталость в статистическом аспекте: Сб. статей. М.: Наука, 1969.-174 с.

84. Сервисен С.В., Когаев В.П., Шнейдерович P.M. Несущая способность и расчеты деталей машин на прочность. М.: Машиностроение, 1975. - 488 с.

85. Екобори Т. Научные основы прочности и разрушения материалов. К.: Наукова думка, 1978. - 352 с.

86. Нотт Дж.Ф. Основы механики разрушения. М.: Металлургия, 1978. -256 с.94.3ырянов И.В., Кулешов А.А. Оптимизация процесса загрузки 110- и 170-тонных автосамосвалов // Горный журнал. 1991. - № 1. - С. 31-33.

87. Квагинидзе B.C., Петров В.Ф., Корецкий В.Б. Ремонтная технологичность большегрузных карьерных автосамосвалов на угольных разрезах Севера. М.: Изд-во МГГУ, 2003. - 289 с.

88. Циперфин И.М. Автомобильный карьерный транспорт. М.: Недра, 1992. -196 с.

89. Анализ отказов механического оборудования и металлоконструкций экскаваторов / В.В.Москвичев, С.В.Доронин, С.А.Утехин, В.Р.Эбич. Препринт ВЦ СО АН СССР № 7. Красноярск, 1989. - 33 с.