автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.06, диссертация на тему:Прогнозирование ресурса деталей горных машин с учетом деградации свойств материала

ЛУКАШУК Ольга Анатольевна

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ РЕСУРСА ДЕТАЛЕЙ ГОРНЫХ МАШИН С УЧЕТОМ ДЕГРАДАЦИИ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛА

Специальность 05.05.06 - «Горные машины»

1 о ДЕК 2009

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Екатеринбург - 2009

003488540

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет - УПИ имени первого Президента России Б.Н. Ельцина» и ГОУ ВПО «Уральский государственный горный университет».

Научный руководитель -

кандидат технических наук, доцент Миронов Владимир Иванович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Зимин Анатолий Иванович

кандидат технических наук, доцент Таугер Виталий Михайлович

Ведущее предприятие - Институт горного дела УрО РАН (г. Екатеринбург)

Защита состоится « 22 » декабря 2009 г. в часов на заседании диссертационного совета Д.212.280.03 при ГОУ ВПО «Уральский государственный горный университет» в зале заседаний Ученого совета по адресу: 620144, г. Екатеринбург, ГСП-126, ул. Куйбышева, 30.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке университета.

Автореферат разослан «43-» ноября 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор

М.Л. Хазин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Техническое перевооружение добывающих отраслей является важным звеном в развитии экономики страны. В целях экономической безопасности в решении данной стратегической задачи нельзя полностью полагаться на зарубежные фирмы. Необходимо активное развитие отечественной научной и производственной базы по созданию новой техники на основе разработки новых технологий и методов расчета прочности и ресурса горных машин. Для повышения конкурентоспособности надо освоить методы проведения быстрой и недорогой модернизации, реконструкции и модификации изделий на основе перспективных конструкторских разработок. В этой связи значительно повышается роль этапа их проектирования. Прежде всего, резко возрастает цена ошибки проектирования в прогнозе ресурсных показателей деталей, узлов и конструкций в целом, так как разрушение элементов конструкций горных машин, оборудования шахт и обогатительных фабрик, внутрикарьерного транспорта добывающих отраслей в большинстве случаев носит отчетливо выраженный усталостный характер. Создание непротиворечивой методики для детерминированной оценки ресурса деталей горных машин является актуальной научной проблемой, имеющей важное практическое значение для смежных отраслей техники и транспорта.

Объект исследования - явление усталости материалов и конструкций горных машин.

Предмет исследования - усталостный процесс в обечайке барабана шахтной подъемной установки, конвейерной ленте, металлоконструкции угольного крана-перегружателя, боковой раме тележки думпкара.

Цель работы - прогнозирование ресурсных характеристик горных машин с учетом циклической деградации прочностных и пластических свойств материала.

Основные задачи исследования:

1. Модернизация испытательного комплекса для усталостных испытаний и построения ПДЦ конструкционных сталей, применяемых в горном машиностроении.

2. Моделирование процесса усталостной деградации и проведение базовых механических эксперименты для идентификации модели циклической деградации с конструкционными сталями, применяемыми для изготовления несущих деталей горных машин.

3. Разработка и экспериментальная проверка методики расчета долговечности конструктивного элемента с концентратором напряжений на основе модели циклической деградации свойств материала с учетом стадий зарождения и устойчивого роста усталостной трещины.

4. Разработка методики альтернативной оценки усталостного ресурса барабана шахтной подъемной установки (ШПУ), конвейерной ленты, металлоконструкции крана-перегружателя, боковой рамы тележки думпкара.

Идея работы заключается в использовании экспериментального факта деградации прочностных и пластических свойств материала с ростом циклической наработки в расчете долговечности элементов конструкций и машин, используемых в горном деле.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Математическое моделирование усталостного процесса в структурно неоднородном материале позволяет установить качественные закономерности изменения статических свойств материала под действием циклической нагрузки.

2. Экспериментально полученные кинетические кривые деградации статических свойств конструкционных сталей, применяемых в горном машиностроении, интегрально отражают процесс накопления усталостных повреждений.

3. Учет усталостной деградации свойств материала позволяет уточнить прогноз долговечности и живучести элемента конструкции с концентратором напряжений.

4. В прогнозировании долговечности горных машин следует учитывать изменения свойств материала в эксплуатации и эффект взаимодействия напряжений разного уровня.

Научную новизну диссертационной работы определяют:

- нетривиальное применение метода полных диаграмм для разработки методики расчета долговечности элементов конструкций горных машин;

- феноменологическое описание процесса накопления усталостных повреждений в ряде конструкционных сталей, не противоречащее современным физическим представлениям о природе усталости металлов;

- определение параметров усталостного процесса как перехода пластичной стали в хрупкое состояние на основании специальных экспериментов с построением циклических полных диаграмм деформирования (ПДД);

- использование методологии расчета долговечности, реализованной в определении ресурса горных машин, в других отраслях техники.

Методы исследований. В ходе исследования применялись методы математического моделирования усталостного процесса в структурно неоднородных материалах, экспериментальной проверки исходных положений и прогнозируемых результатов, конечно-элементного моделирования деформируемого твердого тела.

Достоверность научных положений и выводов обеспечивается использованием апробированных вычислительных комплексов для расчета напряженно-деформированного состояния деталей, патентованного устройства и способа испытаний образцов материала, сравнением расчетной долговечности с результатами натурных испытаний (в пределах 5 %), использованием современного оборудования и программного обеспечения.

Практическая значимость результатов:

- предлагаемая методика расчета ресурса элементов конструкций горных машин, учитывающая циклическую деградацию свойств материала, дает консервативную оценку долговечности;

- методика позволяет найти остаточную долговечность до появления усталостной трещины при известном режиме работы машины и дать рекомендации по ограничению уровня пиковых нагрузок;

- результаты исследования направлены на решение проблем расширения экспериментальной базы для построения новых моделей материала и уточнения прогноза ресурса нерегулярно нагруженных деталей горных машин;

- учет взаимодействия напряжений различного уровня, исключающий перестановку циклов в общем спектре напряжений, имеет важное значение для расчета элементов конструкций горных машин, испытывающих действие разнообразного спектра нагрузок.

Реализация результатов работы. Разработанные в результате исследований теоретические и методические рекомендации были реализованы при уточнении прогноза усталостного ресурса деталей горных машин: в дивизионе «Горное оборудование» ООО «Уралмаш-инжиниринг» при оценке долговечности несущих металлоконструкций проектируемых и действующих машин и установок; в ООО «Авитек-Плюс» при оценке долговечности элементов конструкций, работающих в условиях пиковых ударных нагрузок. Кроме того, результаты работы используются в учебном процессе на кафедре «Подъемно-транспортные машины и роботы» УГТУ-УПИ.

Личный вклад автора состоит:

- в выполнении ситуационного анализа проблемы расчета ресурса нерегулярно нагруженных конструкций [2, 3, 11, 14-18];

- в постановке задачи исследований [2-4, 11-13, 16-18];

- в организации и проведении нестандартных экспериментов, обработке, анализе и представлении полученных результатов [1-3, 5-8,12-14,19-20];

- в разработке алгоритма расчета долговечности и живучести элемента конструкции с концентратором напряжений и написании рабочих программ [9-10];

- в составлении рабочих программ по расчету долговечности барабана шахтной подъемной установки, конвейерной ленты, металлоконструкции крана-перегружателя и боковой рамы тележки думпкара [2, 3,11, 15-18].

Апробация работы. Основные результаты работы доложены на научно-технической конференции (НТК) «Перспективы развития подъемно-транспортных, строительных и дорожных машин» (Саратов, 2002 г.); IV и V отчетной конф. молодых ученых ГОУ ВПО УГТУ-УПИ (Екатеринбург, 2003-2004 гг.); Международной НТК «Актуальные проблемы надежности технологических, энергетических и транспортных машин» (Самара, 2003 г.); Международн. НТК «Современные проблемы проектирования и эксплуатации транспортных и технологических систем» (С.-Петербург, 2006 г.); III Российской НТК ИМАШ УрО РАН, (Екатеринбург, 2007 г.); конф. молодых ученых «Будущее машиностроения России» (Москва, МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2008 г.); НТК "Современные металлические материалы и технологии" (С.-Петербург, 2009 г.); научном семинаре каф. «Подъемно-транспортные машины и роботы» УГТУ-УПИ (Екатерин-

бург, 2009); V, VI, VII Международн. НТК «Технологическое оборудование для горной и нефтегазовой промышленности» (Екатеринбург, 2007- 2009 гг.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 20 научных работ, в том числе 17 в сборнике научных трудов и 3 в журнале из списка ВАК.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 105 наименований, содержит 123 страницы машинописного текста, 34 рисунка, 3 таблицы и 5 приложений.

Автор выражает глубокую признательность зав. кафедрой «Подъемно-транспортные машины и роботы» УГТУ-УПИ доктору техн. наук, профессору Г.Г. Кожушко за предоставленные условия в процессе выполнения работы, ценные советы и консультации.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение посвящено обоснованию необходимости новых подходов к определению параметров текущего и предельного циклического состояния материала эксплуатируемой конструкции, разработки объединительных методик, позволяющих с единых позиций проводить расчет числа циклов до появления усталостной трещины и до полного разрушения исследуемого объекта. Указываются преимущества феноменологического подхода в расчете ресурса реальных конструкций. Обосновывается актуальность темы, формулируется цель работы и частные задачи исследований. Далее отмечается, что усталостная прочность является одним из главных, определяющих показателей качества машин. Вопросами повышения усталостной прочности горного оборудования занимаются многие научные и производственные организации. Ведущее место среди них занимают МГГУ, ИГД УрО РАН, НТЦ ИГД им. A.A. Скочинского, ООО ПО «КрасТяжМаш», ЗАО Машиностроительная корпорация «Уралмаш».

Основные положения теории усталости излагаются в трудах ученых В.В. Болотина, С.Д. Волкова, А.П. Гусенкова, B.C. Ивановой, В.П. Когаева, A.A. Лебедева, H.A. Махутова, Ю.Н. Работнова, C.B. Серенсена, В.Ф. Терентьева, В.Т. Трощенко, Я.Б. Фридмана, Дж. Ф. Белла, В. Бэкофена.

В решение проблемы обеспечения ресурса горных машин большой вклад внесли работы Н.Г. Домбровского, С.А. Панкратова, Д.И. Зеленина, З.М. Федоровой, М.М. Федорова, А.П. Германа, A.C. Ильичева, Г.М. Еланчика, Ф.Н. Шклярского, В.Б. Уманского, Л.И. Кантовича, Я.М. Радкевича, Р.Ю. По-дэрни, B.C. Квагинидзе, В.Р. Кубачека, Н.П. Косарева, А.Г. Степанова, Н.Г. Куклина, Г.А. Боярских, Д.И. Беренова и др.

Отдельные вопросы ШПУ подробно разработаны в работах Ф.Б. Флорин-ского, Н.П. Нестерова, Г.Н. Савина, М.Ф. Глушко, Б.Л. Давыдова, В.Д. Белого, B.C. Тулина, Б.А. Носырева, С.А. Тимухина, Н.Г. Гаркуши, Е.С. Траубе, А.И. Бороховича, В.И. Дворникова, Ю.И. Мелентьева. При выполнении работы ис-

пользовались результаты научных школ Уральского государственного горного университета.

В первой главе проанализированы подходы к расчету долговечности конструктивных элементов, используемые в различных отраслях машиностроения. Рассмотрен метод полных диаграмм, основанный на экспериментальном факте деградации, с ростом наработки, параметров полной диаграммы деформирования ряда конструкционных материалов. Сформулированы задачи исследований в плане реализации метода применительно к расчету долговечности деталей горных машин.

В методе полных диаграмм экспериментально установленная взаимосвязь статических и циклических свойств материала находит проявление не только в установлении параметров циклического состояния материала или формулировке критериев разрушения, но также в постановке и методологии решения связанных краевых задач. В этом плане данный подход отвечает запросам расчетной практики, сложившейся за многолетний период исследований явления усталости, в том числе и требованию использовать при создании конкретных методик накопленный опытный материал по различным вопросам усталостной прочности. Описанный подход принят за основу для разработки инженерной методики расчета долговечности элементов горных машин.

Наиболее полное представление о сопротивлении материала деформированию дают испытания нестандартных однократных образцов в жесткой испытательной машине с построением ПДД. Такие диаграммы построены для материалов разных классов и кроме вое- ( ходящей ветви имеют продолжительную по деформациям падающую ветвь (кривая 1 на рис.1).

Деградация параметров ПДД по мере увеличения предварительной циклической наработки протекает по-разному, но пластичный материал неизбежно переходит в хрупкое состояние (кривые 2 и 3 на рис. 1). Такие макроскопические характеристики материала, как располагаемая пластичность, предельное сопротивление и работа деформирования, становятся материальными функциями, нелинейно зависящими от числа циклов тренировки (при неизменном максимальном напряжении цикла сгм = const). В проектных оценочных расчетах для аппроксимации кинетических кривых рекомендуется использовать простую математическую функцию, например, степенную

SD(oM;n) = SB0-kanm, (1)

Рис. 1. Полные диаграммы деформирования стали 20 при разной степени циклической наработки

где 8В0 - предел прочности материала, показатель степени ш определяется из условия лучшей аппроксимации экспериментальных данных, а кинетический

с _

коэффициент ка

К"

находится из условия усталостной прочности

8в(ок,>}) = ам. (2)

Выражение (2) отражает экспериментально установленный факт снижения начального сопротивления материала §|!0 до уровня максимального напряжения

цикла СУМ при числе циклов Ы, определяемом усталостной кривой.

Кроме концептуальной ясности к достоинствам данного континуального

подхода следует отнести возможность использования опытных кинетических кривых как новых ресурсных характеристик материала для прогноза долговечности при переменном спектре напряжений.

В области многоцикловой усталости кинетические кривые 8в(ам,п), построенные для разных уровней стационарного напряжения См (линии 1 и 2 на рис. 2), принадлежат одному семейству, опи-Р сываемому функцией (1). Они пересекают усталостную кривую 3 в точках А и Б. Циклически эквивалентны два состояния материала с одинаковым значением сопротивления Бв, например, состояния Д и

Рис. 2. Циклически эквивалентные состояния при разной истории напзужения

Смена напряжений после П| циклов на уровне напряжений стм, меняет интенсивность деградации предела прочности и трактуется как переход с одной кинетической кривой на другую по правилу

8ВК,1»П1) = 8вК,2>П2), (3)

здесь п2 - эквивалентное число циклов, за которое предел прочности материала на уровне напряжений ам2 стал бы таким же, как за П| циклов на уровне стМ1. Приведенное равенство (3) с учетом формулы (1) дает выражение для эквивалентного числа циклов

N.

8во ^мг

Результирующая долговечность N. при одной смене напряжений с учетом (1) определится выражением

N. = п, + (Ы2 - пэ) = п, + N2 - N

/ \ п,

N.7

8П

^во ^мг

(5)

а по линеинои гипотезе суммирования повреждении имеем

N.=11,+N,-N2 А) Ы, •

Последние выражения совпадают в двух случаях. Во-первых, когда разница напряжений двух ступеней стремится к нулю, но это будет стационарное нагружение. Во-вторых, при ш—»со, когда свойства материала не меняются вплоть до разрушения. Очевидно, что задачи с деградационными моделями материала всегда будут нелинейными в смысле Палмгрена-Майнера, в том числе и при т=1, когда кинетические кривые вырождаются в прямые линии.

Дополнительный множитель в формуле (5) отражает давно известный в экспериментальной механике эффект взаимодействия напряжений разного уровня и, кроме того, исключает возможность любой перегруппировки циклов напряжений. Таким образом, из расчета исключаются две недостаточно обоснованные гипотезы: линейного суммирования повреждений и независимости повреждающего действия цикла напряжений в общем спектре.

Во второй главе моделируются процессы деформационного разупрочнения и циклической деградации статической полной диаграммы деформирования (ПДД), получаемой при одноосном квазистатическом растяжении. В качестве объекта исследований выбраны модифицированные дискретные модели, допускающие простое математическое описание структурно неоднородных материалов.

Вопросы определения текущих свойств материала за пределами упругости представляют самостоятельный научный интерес. Особенно на стадии деформационного разупрочнения, описываемого падающей ветвью ПДД. Из большого числа теорий неупругого деформирования лучшее соответствие эксперименту дают инкрементальные физические соотношения. Компоненты тензора мгновенных (касательных) модулей Ср, входящих в эти соотношения, должны отражать историю деформирования, в том числе и стадию разупрочнения. Если материал сохраняет изотропность, то Ср определяются известными выражениями Сри=(1-ур)Ер /аЬ, С^=уРЕр/аЬ, Ср,=Ер/2а,

где а = 1 + V'', Ь = 1 -2ур, Ер-мгновенный или касательный модуль, -мгновенный коэффициент поперечной деформации, ^=1,2,3. В этом случае проблема сводится к нахождению величин Ер и на каждом этапе деформирования материала. Для описания процесса разгрузки нужны также модуль Еи и коэффи-

циент поперечной деформации Vй при разгрузке. В случае одноосного растяжения за пределами упругости все отмеченные характеристики материала становятся функциями степени деформации.

Для модельного материала сначала построены функциональные зависимости инкрементальных коэффициентов поперечной деформации и модулей активного нагружения и разгрузки от степени деформации (рис. 3). Затем показано, что циклическая тренировка приводит к деградации ПДД, проявляющейся в уменьшении предельной деформации, определяющей располагаемую пластичность материала. С появлением усталостных повреждений отмечено снижение предела прочности и модуля упругости, а также угла наклона падающей ветви ПДД.

Результаты моделирования подтверждены экспериментальными исследованиями по реализации в конструкции состояний разупрочнения материала и по вырождению механических свойств в зависимости от циклической наработки ряда литых и углеродистых сталей.

В доказательство реализации состояний разупрочнения материала в элементах конструкций приводятся результаты испытаний на изгиб чугунных балок. Деформация растянутых волокон балки в момент ее разрушения была неизменно выше деформации предела прочности. Таким образом, выделение стадии разупрочнения материала в общем сценарии деформирования имеет принципиальное значение. Оно позволяет уточнить понятие предельного состояния материала и выявить на этой основе резерв несущей способности элементов конструкций.

Циклические полные диаграммы деформирования построены с помощью кольцевого устройства повышенной жесткости (рис. 4) и установки для усталостных испытаний образцов. В работе приводится описание испытуемых образцов для построения ПДД, техники и средств эксперимента, дается интерпретация получаемых результатов.

Испытания тренированных однократных образцов выявили неизбежную деградацию прочностных, пластических и упругих свойств материала с ростом числа циклов нагружения (рис. 5). На поверхности деградации нанесены линии циклической функции сопротивления,

Рис. 3. Расчет по модели Даниэльса

Рис. 4. Нагружающее кольцевое устройство повышенной жесткости

8в(ом,п), функции располагаемой пластичности £п(стм,п) и предельной деформации разрушения еР(ам,п). Эти опытные кривые, аппроксимированные подходящей функцией, используются далее в качестве кинетических уравнений усталостного процесса.

Полученные экспериментальные данные использованы для идентификации модели накопления усталостных повреждений материала, обоснования правила суммирования повреждений и для сравнительной оценки свойств конструкционных сталей.

В качестве расчетного объекта деформирования стали 20ГЛ выбрана пластина с отверстием, часто

используемая в тестовых примерах. Элементы несущих конструкций горных машин также имеют различные конструктивные и технологические отверстия, которые являются концентраторами напряжений и местами зарождения усталостных трещин.

В третьей главе дается порядок применения полученных опытных результатов в оценке ресурса элементов конструкций. На основании опытных кинетических кривых циклической деградации статических свойств материала строится простая одномерная модель усталостного процесса, обосновывается условие эквивалентности циклического состояния материала при разной истории нагружения. Приводится алгоритм решения задачи об усталостном разрушении пластины с отверстием при многоцикловом нагружении. Определяется набор статических и циклических свойств материала, необходимых для расчета.

На примере расчета ресурса пластины с отверстием в силовой постановке задачи модель деградации циклических свойств, критерий усталостного разрушения, усталостная кривая и численные расчеты НДС на ПЭВМ сводятся в единую методику оценки ресурса изделий. Несмотря на внутреннее единство методики, задачу по оценке ресурса удобно разделить на две части. В первой части находится число циклов до появления разрушенных конечных элементов в соответствии с выбранным критерием усталостной прочности материала и заданной истории нагружения. Во второй части исследуется стадия развития усталостной трещины до полного разрушения детали в связи с потерей устойчивости процесса деформирования.

К элементам, в которых выполняется условие статического или усталостного разрушения, применялась операция деактивации (рис. 6). С появлением разрушенных элементов происходит перераспределение напряжений в детали

ЦМПа 1

Рис. 5. Деградация полной диаграммы

даже при стационарной внешней нагрузке. Именно такой случай рассмотрен в расчете долговечности пластины с отверстием, реализованном в специально разработанной программе в приложении Microsoft Access на языке программирования Visual Basic. Отличительная особенность методики состоит в том, что потеря устойчивости процесса деформирования устанавливается как единая причина статического и циклического разрушения элемента конструкции.

Von Mises _9.456е+001 j87S2e*001

ч1\1\ N\l\l\KKKI\r

!1>@:01-1 :: Static Element Stress Units : NMimA2 (MPa)

BBBBBBBBBBBBBH ввввввввввввввв4

¿gBBBBBBBSBBBB^ SsBBBBBBBBBB f BBBBBB швов

^«яяяяяяаяаяяяаявы

вввввв

SBBff

ш

атшввиввЕейввиеиаеввваавяииввяи

lS.049e+001 7.345е+001 6.642e+001 5.938e+001 5.235e+001 4.532e+0G1 3.828e+001 3.125e+001 2.421 e+001 1.718e4-001 1.014e+001

Рис. 6. Напряженное состояние в пластине с отверстием

В общих чертах постановка и пути решения задачи определения долговечности деталей одинаковы для многих отраслей техники. Особенность горных машин состоит в уникальности многих конструкций, обладающих высокой энергоемкостью, большой массой и габаритами при высокой скорости движения.

В качестве тестового примера рассчитано число циклов до появления и развития усталостной трещины в боковой раме тележки думпкара при стационарной нагрузке стендовых испытаний.

Прогноз долговечности и живучести боковой рамы существенно отличается от расчета по линейной гипотезе и приближается к результатам натурных усталостных испытаний на пульсаторе 2БМ-200 (рис. 7). Прогнозируемое место зарождения и направление развития усталостной трещины те же, что и в натурных испытаниях боковых рам. Но расчетное число циклов развития усталостной трещины в раме оказалось заниженным на 23 % по сравнению со средним значением в эксперименте. В расчете живучести деталей понадобится учесть возможность работы материала на падак> щей ветви и аномалию свойств поверхностного слоя.

Рис. 7. Разрушение боковой рамы после стендовых испытаний

Четвертая глава содержит числовые примеры расчета ресурса шахтной подъемной установки, конвейерной ленты, металлоконструкции крана-перегружателя и боковой рамы тележки думпкара при некоторых упрощающих допущениях о характере циклической нагрузки.

В работе проанализировано влияние условий пробуксовки каната по барабану шахтной подъемной машины (рис. 8) на величину давления и, следовательно, уровень напряжений. Обычное представление нагрузки на обечайку в виде равномерно распределенного внешнего давления справедливо только при допущении свободного скольжения каната по барабану. В соответствии с теорией Эйлера скольжение каната в сторону большего натяжения не происходит при выполнении известного условия

где { - коэффициент трения каната по рис. 8. Поле напряжений в обечайке барабану, а - угол навивки, Р, и Р2 - барабана

натяжения каната в двух произвольных точках дуги обхвата, причем Р, > Р2.

Разность натяжений каната определяется весом навитого каната, равным , где ц - погонный вес каната, Я - радиус барабана. Полагая Р|=(2о, а р2=<Зо-цаЛ, где <Зо- натяжение каната в точке набегания на барабан в начале подъема скипа, приходим к условию

цаЛ < (С>0 - яаЯХе1" -1), которое нарушается при Г—»0 (в отсутствие трения), но для параметров реальной установки выполняется при любом а>0. Следовательно, проскальзывания каната по барабану и выравнивания натяжений при навивке не происходит. Натяжение каната на барабане определяется значением Р2 в точке набегания. Соответствующее нормальное давление р = Р2 / В(1 по спиральной канавке шириной В находится по формуле

Р ВИ

На основании конечно-элементного расчета сформирован упрощенный график циклических нагрузок в точке действия напряжений максимальной интенсивности в месте приварки ребра жесткости к обечайке(рис. 9). Принято, что в течение суток выполняется 150 подъемов скипа с грузом и одно экстренное торможение. Полагается, также, что при снятии ускорения происходит восемь

16 24 32

Рис. 9. График циклических нагрузок в опасной точке обечайки

колебаний постоянной амплитуды, а при экстренном торможении десять колебаний. В графике не нашли отражения возможные колебательные процессы с неопределенными параметрами, связанные с загрузкой и выгрузкой породы, подъемом скипа с загрузочной рамы при ослабленном канате, прохождением стыков направляющих и др. В то же время учтены весьма значимые по амплитуде колебания пуско-тормозных режимов и экстренных торможений.

Результаты расчета долговечности и остаточной несущей способности по изложенной выше нелинейной методике приведены на рис. 10. При нормативном сроке службы шахтного оборудования 20 лет прогнозируемая прочность материала в опасной точке снизится на 20 %. Прогнозируемая долговечность обечайки барабана до появления усталостной трещины с учетом циклической деградации материала составила 40,2 года. Разница с линейным суммированием в 7,2 % невелика и не позволяет объяснить появление в барабане трещин усталостного характера через 12 лет эксплуатации.

Более правомерно связать появление трещин с перегрузкой каната при стопорении скипа в направляющих. По данным обследования действующих грузовых ШПУ шахт Южного Урала возможны не только значительная деформация, но и разрыв несущего каната, рассчитанного на 6,5-кратную перегрузку. Проведенные расчеты показывают, что действие в канате разрывного усилия вызывает появление в опасных точках барабана напряжения сопоставимые с пределом прочности материала.

В деформационной постановке задачи методика применялась для расчета конвейерной ленты. Лента рассчитывается по усталостному расслоению каркаса от переменных сдвиговых деформаций при огибании барабанов и роликоопор. Схема перехода с одной кинетической кривой на другую при нестационарной нагрузке принципиально не меняется. По результатам тягового расчета с использованием инженерных формул определения максимальных сдвиговых деформаций построен график чередования циклов деформаций в сквидже ленты

Рис. 10. График снижения предельного сопротивления материала в опасной точке обечайки барабана

при огибании контура конвейера, в котором отсутствуют значительные по величине выбросы.

Рабочая программа по расчету долговечности ленты составлена по той же схеме, что и для расчета долговечности барабана ШПУ. Прогноз долговечности по предлагаемой методике оказался близким к расчету по линейной гипотезе. Таким образом, при отсутствии пиковых перегрузок данная методика дает такой же прогноз долговечности, что и линейное суммирование усталостных повреждений.

В качестве следующего объекта для апробации методики выбран кран-перегружатель. Такие краны широко используются на открытых площадках для перегрузки горных пород и являются важным элементом в технологической цепи рудников и шахт. Поля напряжений в нижнем поясе главной балки крана, где наблюдалось появление усталостных трещин (рис. 11), определялись методом конечных элементов. При расчете долговечности принят простой характерный технологический цикл (ХТЦ), состоящий из подъема максимальных и номинальных грузов и годовых испытаний, определяющий график изменения напряжений в опасной точке. Поскольку в графике нет пиковых перегрузок, то прогнозируемая долговечность крана также мало отличается от расчета с линейным суммированием повреждений.

В эксплуатации крана случаются значительные перегрузки, например, при подъеме с подхватом, которые обоснованно не учитываются в расчете долговечности по линейной гипотезе. Так, введение в расчет одной двукратной перегрузки в год практически не отразилось на расчетной долговечности. По предлагаемой методике прогнозируемая долговечность металлоконструкции крана снизилась на 15 %. Данный результат корреспондируется с известными экспериментальными данными о влиянии пиковых перегрузок на долговечность изделий.

К подобному заключению приводит задача по оценке усталостного ресурса боковой рамы тележки думпкара до появления усталостной трещины в условиях ходовых испытаний. Распределение максимальных динамических напряжений в углу буксового проема боковой рамы тележки думпкара обычно представляется в виде ранжированного ряда амплитудных напряжений за один год. Расчетная долговечность до появления трещины с использованием линейного суммирования повреждений составила 34,5 года, при нормативном сроке службы 32 года.

По предлагаемой методике расчетный срок службы до появления усталостной трещины равен 31 году. Кроме того, равномерное распределение максимальных амплитуд напряжений по годовому спектру, отражающее условия экс-

Рис. 11. Усталостная трещина в балке крана-перегружателя

плуатации, снижает долговечность до 29,5 лет. Такая оценка средней долговечности боковой рамы на 14,5 % ниже, чем при линейном суммировании повреждений, и близка к среднестатистическому значению числа лет до выхода из строя тележек в эксплуатации.

Таким образом, перегруппировка циклов в спектре напряжений, допускаемая линейным суммированием, является одной из причин некорректности прогнозов долговечности нерегулярно нагруженных конструкций горных машин. Учет эффекта взаимодействия напряжений разного уровня в реальном спектре наряду с учетом циклической деградации прочностных и пластических свойств материала позволит уточнить усталостный ресурс элементов конструкций в условиях эксплуатации и повысить надежность горных машин.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные научные выводы и практические рекомендации заключаются в следующем:

1. Основополагающая идея диссертационной работы о взаимосвязи статических и усталостных свойств материала исследована методами математического моделирования и подтверждена экспериментально в испытаниях ряда конструкционных сталей, применяемых в горном машиностроении.

2. По изменению параметров полной диаграммы деформирования установлены закономерности протекания усталостного процесса в сталях 20ГЛ, 09Г2С, стали 20 при различных уровнях циклического нагружения.

3. Разработана и проверена в натурном эксперименте уточненная методика прогнозирования усталостного ресурса элементов конструкций горных машин на основе модели циклической деградации свойств материала, учета эффекта взаимодействия напряжений разного уровня и нелинейного суммирования повреждений.

4. Прогнозируемая долговечность обечайки барабана шахтной подъемной установки, конвейерной ленты, главной балки крана-перегружателя и боковой рамы думпкара, подсчитанная по предлагаемой методике, на 7-14 % ниже, чем при линейном суммировании повреждений.

5. Приведенный способ определения предельного сопротивления материала в опасной точке конструкции позволяет найти остаточный ресурс и ограничить перегрузки эксплуатируемой горной машины.

6. Результаты диссертационной работы использованы в дивизионе «Горное оборудование» ООО «Уралмаш-инжиниринг», ООО «Авитек-Плюс», а также в учебном процессе на кафедре «Подъемно-транспортные машины и роботы» УГТУ-УПИ.

Основные научные результаты диссертации опубликованы в следующих работах

Статьи, опубликованные в ведущем рецензируемом научном журнале,

входящем в перечень ВАК:

1. Миронов В. И., Якушев А. В., Лукашук О. А. Нестандартные свойства конструкционного материала//Физическая мезомеханика. Специальный выпуск. -2004,- Т. 7. - ЧЛ. - С. 110-113.

2. Усталостный расчет элементов конструкций горных машин с учетом деградации свойств конструкционных материалов при циклическом нагружении/ В.И. Миронов, A.B. Якушев, O.A. Лукашук, Г.А. Боярских //Горное оборудование и электромеханика.- 2008.-№3.- С. 46 -50.

3. Миронов В.И., Лукашук O.A., Якушев A.B. Прогнозирование усталостного ресурса элементов оборудования с учетом аномалии свойств поверхностного слоя материала// Горное оборудование и электромеханика,- 2008,- №12.- С. 21-24.

Статьи, опубликованные в других изданиях:

4. Применение системы сбора и обработки информации на базе ПЭВМ в экспериментальных исследованиях/ В. И. Миронов, О. А. Лукашук, А. В. Якушев, А. А. Колотыгин, Г.Г. Кожушко// Науч. тр. науч. тех. конф. - Саратов: СГТУ, 2002. -С. 71-76.

5. Миронов В.И., Якушев A.B., Лукашук О. А. О предельном состоянии разрушения материала// Сб. тр. междунар. науч.-техн. конф. - М.; Машиностроение, 2003. - Т 2. - С. 42-46.

6. Лукашук O.A., Якушев A.B., Миронов В.И. О разупрочнении материала в балке при изгибе//Научные труды V отчетной конференции молодых ученых ГОУ ВПО УГТУ-УПИ: сб. статей. Часть 1,- Екатеринбург, 2004,- С. 48-50.

7. Лукашук О.В., Якушев A.B., Миронов В.И. Влияние наработки на бифуркационную картину разрушения образца в испытательной машине//Вестник УГТУ - УПИ. Специальный выпуск. - 2004. - Ч. 1. - С. 435-439.

8. Стадия деформационного разупрочнения структурно-неоднородного материала/ В. И. Миронов, А. В. Якушев, О. А. Лукашук, Г.Г. Кожушко //Вестник УГТУ-УПИ, 2005. №18 (70). - Часть 2. - С. 172-181.

9. Миронов В.И., Якушев A.B., Лукашук O.A. Моделирование усталостного разрушения пластины с отверстием //Вестник УГТУ-УПИ. Механика микронеоднородных материалов и разрушение: сборник научных трудов. Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2006,- С. 87-92.

Ю.Миронов В.И., Лукашук O.A., Якушев A.B. Учет циклической деградации свойств материала в расчете долговечности элементов конструкций //Современные проблемы проектирования и эксплуатации транспортных и технологических систем: труды Международной НТК. -СПб.: Изд-во Политехи. ун-та, 2006,- С. 227-228.

11.К расчету долговечности элементов горных машин/ В. И. Миронов, О. А. Лукашук, А. В. Якушев, Г.А. Боярских// Технологическое оборудование для

горной и нефтегазовой промышленности: сборник трудов V Международной научно-технической конференции. Чтения памяти В.Р. Кубачека.- Екатеринбург: УГГУ, 2007,- С. 206-209.

12.Миронов В.И., Козекин Е.Е., Лукашук O.A. Экспериментальное построение полных диаграмм деформирования литых сталей// Конкурентоспособность территорий и предприятий меняющейся России: материалы X Всероссийского форума молодых ученых и студентов. Часть 1,- Екатеринбург: Изд-во УрГЭУ, 2007,- С. 243.

13.Миронов В.И., Якушев A.B., Лукашук O.A. Циклическая деградация упругих свойств стали//Разрушение, контроль и диагностика материалов и конструкций: тезисы докладов III Российской НТК.- Екатеринбург, ИМАШ УрО РАН, 2007.- С. 116.

14.Миронов В.И., Лукашук O.A., Якушев A.B. Моделирование процессов деградации свойств материала в элементе конструкции// Технологическое оборудование для горной и нефтегазовой промышленности: сборник трудов VI Международной научно-технической конференции. Чтения памяти В.Р. Кубачека,- Екатеринбург: УГГУ, 2008,- С. 210-214.

15.Миронов В.И., Якушев A.B., Лукашук O.A. Эксплуатационная живучесть тележки грузового вагона// Материалы конф. молодых ученых «Будущее машиностроения России». - М.:МГТУ им Н.Э.Баумана, 2008.- С. 257-258.

16. Способ оценки усталостного ресурса крановых конструкций // Технологическое оборудование для горной и нефтегазовой промышленности: сборник трудов VII Международной научно-технической конференции. Чтения памяти В.Р. Кубачека/ В. И. Миронов, О. А. Лукашук, Н.В. Савинова, Г.Г. Ко-жушко - Екатеринбург: УГГУ, 2009. - С. 333-336.

17.Миронов В.И., Кожушко Г.Г., Лукашук O.A. Усталостное расслоение сердечника конвейерной ленты // Технологическое оборудование для горной и нефтегазовой промышленности: сборник трудов VII Международной научно-технической конференции. Чтения памяти В.Р. Кубачека.- Екатеринбург: УГГУ, 2009. - С. 336-339.

18.Миронов В.И., Тимухин С.А., Савинова Н.В., Лукашук O.A. Прочность барабана шахтной подъемной установки // Технологическое оборудование для горной и нефтегазовой промышленности: сборник трудов VII Междунар. на-уч.-техн. конф. Чтения памяти В.Р. Кубачека,- Екатеринбург; УГГУ, 2009. -С. 339-340.

19.Миронов В.И., Якушев A.B., Лукашук O.A. Циклическая деградация материала в элементах конструкций // Труды международной НТК "Современные металлические материалы и технологии". С.-Петербург: СПбГПУ, 2009. - С. 558-559.

20.Миронов В.И., Якушев A.B., Лукашук O.A. Неизученные свойства структурно неоднородных материалов // Труды международной НТК "Современные металлические материалы и технологии",- С.-Петербург: СПбГПУ, 2009.-С. 521-523.

Подписано в печать УЗ. 11.2009 г. Печать на ризографе. Бумага офсетная. Формат 60x84'/16. Печ. л. 1,0 Тираж 100 экз. Заказ № 52 Э

Ризография НИЧ УГТУ-УПИ 620002, г. Екатеринбург, ул. Мира, 19. Уральский государственный технический университет - УПИ

имени первого Президента России Б.Н. Ельцина Отпечатано с оригинал-макета в ризографии НИЧ УГТУ-УПИ

ВВЕДЕНИЕ.

1. УСТАЛОСТНЫЙ РЕСУРС ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИЙ ГОРНЫХ МАШИН.

1.1. Усталость при стационарной нагрузке.

1.1.1 Характеристики сопротивления усталости.

1.1.2 Циклическая деградация статических свойств материала.

1.2. Усталость при нерегулярной нагрузке.

1.3. Расчет на усталость элементов конструкций машин горнодобывающей отрасли.

Выводы.

2. ЦИКЛИЧЕСКАЯ ДЕГРАДАЦИЯ СТРУКТУРНО НЕОДНОРОДНЫХ

МАТЕРИАЛОВ ДЕТАЛЕЙ ГОРНЫХ МАШИН.

2.1. Структурно-механическая модель деформирования и усталостного разрушения упругохрупкого материала.

2.2. Экспериментальное обоснование взаимосвязи статических и циклических свойств материалов деталей горных машин.

2.2.1. Образцы для построения полных диаграмм деформирования

2.2.2. Средства и техника проведения эксперимента.

2.2.3. Интерпретация результатов экспериментов.

2.2.4. Построение ПДД циклически тренированных образцов.

2.3 Реализация состояний разупрочнения материала в балке при изгибе.

2.3.1 Разупрочнение материала в составе устойчивой механической системы.

2.3.2. Испытания балок на изгиб.

Выводы.

3. МЕТОДИКА РАСЧЕТА ДОЛГОВЕЧНОСТИ И ЖИВУЧЕСТИ КОНСТРУКТИВНОГО ЭЛЕМЕНТА С КОНЦЕНТРАТОРОМ НАПРЯЖЕНИЙ.

3.1. Постановка задачи прогнозирования усталостного ресурса и живучести элементов конструкций горных машин.

3.2. Методика расчета долговечности и живучести конструктивного элемента на основе модели циклической деградации свойств материала.

3.3. Ресурс боковой рамы тележки думпкара в стендовых испытаниях

3.3.1. Исходные данные для расчета ресурса рамы.

3.3.2. Порядок расчета долговечности и живучести рамы.

3.3.3. Результаты усталостных испытаний.

Выводы.

4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ УСТАЛОСТНОГО РЕСУРСА ЭЛЕМЕНТОВ

КОНСТРУКЦИЙ ГОРНЫХ МАШИН С УЧЕТОМ ДЕГРАДАЦИИ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛА.

4.1. Прочность обечайки барабана шахтной подъемной установки.

4.2. Расчет долговечности конвейерной ленты до расслоения сердечника.

4.3 Расчет металлоконструкции крана-перегружателя.

4.4 Расчет усталостного ресурса рамы тележки думпкара.

4.4.1. Результаты ходовых прочностных испытаний тележки думпкара.

4.4.2. Оценка ресурса боковой рамы от действия эксплуатационных нагрузок и прогнозирование срока службы.

Выводы.

Актуальность темы. Техническое перевооружение добывающих отраслей является важным звеном в развитии экономики страны. В целях экономической безопасности в решении данной стратегической задачи нельзя полностью полагаться на зарубежные фирмы. Необходимо активное развитие отечественной научной и производственной базы по созданию новой техники на основе разработки новых технологий и методов расчета прочности и ресурса горных машин. Для повышения конкурентоспособности надо освоить методы проведения быстрой и недорогой модернизации, реконструкции и модификации изделий на основе перспективных конструкторских разработок. В этой связи значительно повышается роль этапа их проектирования. Прежде всего, резко возрастает цена ошибки проектирования в прогнозе ресурсных показателей деталей, узлов и конструкций в целом, так как разрушение элементов конструкций горных машин, оборудования шахт и обогатительных фабрик, внутрикарьерного транспорта добывающих отраслей в большинстве случаев носит отчетливо выраженный усталостный характер. Создание непротиворечивой методики для детерминированной оценки ресурса деталей горных машин является актуальной научной проблемой, имеющей важное практическое значение для смежных отраслей техники и транспорта.

Объект исследования - явление усталости материалов и конструкций горных машин.

Предмет исследования - усталостный процесс в обечайке барабана шахтной подъемной установки, конвейерной ленте, металлоконструкции угольного крана-перегружателя, боковой раме тележки думпкара.

Цель работы - прогнозирование ресурсных характеристик горных машин с учетом циклической деградации прочностных и пластических свойств материала.

Основные задачи исследования:

1. Модернизация испытательного комплекса для усталостных испытаний и построения ПДД конструкционных сталей, применяемых в горном машиностроении.

2. Моделирование процесса усталостной деградации и проведение базовых механических экспериментов для идентификации модели циклической деградации с конструкционными сталями, применяемыми для изготовления несущих деталей горных машин.

3. Разработка и экспериментальная проверка методики расчета долговечности конструктивного элемента с концентратором напряжений на основе модели циклической деградации свойств материала с учетом стадий зарождения и устойчивого роста усталостной трещины.

4. Разработка методики альтернативной оценки усталостного ресурса барабана шахтной подъемной установки (ШПУ), конвейерной ленты, металлоконструкции крана-перегружателя, боковой рамы тележки думпкара.

Идея работы заключается в использовании экспериментального факта деградации прочностных и пластических свойств материала с ростом циклической наработки в расчете долговечности элементов конструкций и машин, используемых в горном деле.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Математическое моделирование усталостного процесса в структурно неоднородном материале позволяет установить качественные закономерности изменения статических свойств материала под действием циклической нагрузки.

2. Экспериментально полученные кинетические кривые деградации статических свойств конструкционных сталей, применяемых в горном машиностроении, интегрально отражают процесс накопления усталостных повреждений.

3. Учет усталостной деградации свойств материала позволяет уточнить прогноз долговечности и живучести элемента конструкции с концентратором напряжений.

4. В прогнозировании долговечности горных машин следует учитывать изменения свойств материала в эксплуатации и эффект взаимодействия напряжений разного уровня.

Научную новизну диссертационной работы определяют:

- нетривиальное применение метода полных диаграмм для разработки методики расчета долговечности элементов конструкций горных машин;

- феноменологическое описание процесса накопления усталостных повреждений в ряде конструкционных сталей, не противоречащее современным физическим представлениям о природе усталости металлов;

- определение параметров усталостного процесса как перехода пластичной стали в хрупкое состояние на основании специальных экспериментов с построением циклических полных диаграмм деформирования (ПДД);

- возможность использования методологии расчета долговечности, реализованной в определении ресурса горных машин, в других отраслях техники.

Методы исследований. В ходе исследования применялись методы математического моделирования усталостного процесса в структурно неоднородных материалах, прямой экспериментальной проверки исходных положений и прогнозируемых результатов, конечно-элементного моделирования деформируемого твердого тела.

Достоверность научных положений и выводов обеспечивается использованием апробированных вычислительных комплексов для расчета напряженно-деформированного состояния деталей, патентованного устройства и способа испытаний образцов материала, сравнением расчетной долговечности с результатами натурных испытаний (расхождение в пределах 5 %), использованием современного оборудования и программного обеспечения. Практическая значимость результатов:

- предлагаемая методика расчета ресурса элементов конструкций горных машин, учитывающая циклическую деградацию свойств материала, дает консервативную оценку долговечности;

- методика позволяет найти остаточную долговечность до появления усталостной трещины при известном режиме работы машины и дать рекомендации по ограничению уровня пиковых нагрузок;

- результаты исследования направлены на решение проблем расширения экспериментальной базы для построения новых моделей материала и уточнения прогноза ресурса нерегулярно нагруженных деталей горных машин;

- учет взаимодействия напряжений различного уровня, исключающий перестановку циклов в общем спектре напряжений, имеет важное значение для расчета элементов конструкций горных машин, испытывающих действие разнообразного спектра нагрузок.

Реализация результатов работы. Разработанные в результате исследований теоретические и методические рекомендации были реализованы при уточнении прогноза усталостного ресурса деталей горных машин: в дивизионе «Горное оборудование» ООО «Уралмаш-инжиниринг» при оценке долговечности несущих металлоконструкций проектируемых и действующих машин и установок (приложение 5); в ООО «Авитек-Плюс» при оценке долговечности элементов конструкций, работающих в условиях пиковых ударных нагрузок.

Кроме того, результаты работы используются в учебном процессе на кафедре «Подъемно-транспортные машины и роботы» УГТУ-УПИ. Личный вклад автора состоит:

- в выполнении ситуационного анализа проблемы расчета ресурса нерегулярно нагруженных конструкций;

- в постановке задачи исследований;

- в организации и проведении нестандартных экспериментов, обработке, анализе и представлении полученных результатов;

- в разработке алгоритма расчета долговечности и живучести элемента конструкции с концентратором напряжений и написании рабочих программ;

- в составлении рабочих программ по расчету долговечности барабана шахтной подъемной установки, конвейерной ленты, металлоконструкции крана-перегружателя и боковой рамы тележки думпкара.

Апробация работы. Основные результаты работы доложены на научно-технической конференции (НТК) «Перспективы развития подъемно-транспортных, строительных и дорожных машин» (Саратов, 2002 г.); IV и V отчетных конф. молодых ученых ГОУ ВПО УГТУ-УПИ (Екатеринбург, 2003, 2004 гг.); Международной НТК «Актуальные проблемы надежности технологических, энергетических и транспортных машин» (Самара, 2003 г.); Международн. НТК «Современные проблемы проектирования и эксплуатации транспортных и технологических систем» (С.-Петербург, 2006 г.); III Российской НТК ИМАШ УрО РАН (Екатеринбург, 2007 г.); конф. молодых ученых «Будущее машиностроения России» (Москва, МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2008 г.); НТК "Современные металлические материалы и технологии" (С.-Петербург, 2009 г.); научном семинаре каф. «Подъемно-транспортные машины и роботы» УГТУ-УПИ (Екатеринбург, 2009); V, VI, VII Международн. НТК «Технологическое оборудование для горной и нефтегазовой промышленности» (Екатеринбург, 2007, 2008,2009 гг.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 20 научных работ, в том числе 17 в сборнике научных трудов и 3 в журнале из списка ВАК.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 105 наименований, содержит 123 страницы машинописного текста, 34 рисунка, 3 таблицы и 5 приложений.

Выводы

По результатам апробации предлагаемой методики отметим следующее:

1. Определение условий проскальзывания каната по барабану позволило уточнить действие динамических нагрузок пуско-тормозных режимов на обечайку барабана ШПМ.

2. Учет деградации свойств материала снижает прогнозируемую долговечность исследованных конструкций на 7-14 %.

3. Перегруппировка циклов в спектре напряжений, допускаемая линейным суммированием, является одной из причин некорректности прогнозов долговечности нерегулярно нагруженных конструкций горных машин.

4. Эффект взаимодействия напряжений разного уровня оказывается существенным, если реальный спектр содержит пиковые перегрузки.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные научные выводы и практические рекомендации заключаются в следующем:

1. Основополагающая идея диссертационной работы о взаимосвязи статических и усталостных свойств материала исследована методами математического моделирования и подтверждена экспериментально в испытаниях ряда конструкционных сталей, применяемых в горном машиностроении.

2. По изменению параметров полной диаграммы деформирования установлены закономерности протекания усталостного процесса в сталях 20ГЛ, 09Г2С, стали 20 при различных уровнях циклического нагружения.

3. Разработана и проверена в натурном эксперименте уточненная методика прогнозирования усталостного ресурса элементов конструкций горных машин на основе модели циклической деградации свойств материала, учета эффекта взаимодействия напряжений разного уровня и нелинейного суммирования повреждений.

4. Прогнозируемая долговечность обечайки барабана шахтной подъемной установки, конвейерной ленты, главной балки крана-перегружателя и боковой рамы думпкара, подсчитанная по предлагаемой методике, на 7-14 % ниже, чем при линейном суммировании повреждений.

5. Приведенный способ определения предельного сопротивления материала в опасной точке конструкции позволяет найти остаточный ресурс и ограничить перегрузки эксплуатируемой горной машины.

6. Результаты диссертационной работы использованы в дивизионе «Горное оборудование» ООО «Уралмаш-инжиниринг», ООО «Авитек-Плюс», а также в учебном процессе на кафедре «Подъемно-транспортные машины и роботы» УГТУ-УПИ.

1. Болотин В.В. Прогнозирование ресурса машин и конструкций. М.: Машиностроение, 1984. - 312 с.

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

3. Боярских Г.А. Теория старения машин. Екатеринбург: УГГУ, 2006.

4. Чумичев A.M. Техника и технология неразрушающих методов контроля деталей горных машин и оборудования: Учеб. пособие— 2-е изд., доп. и испр. 2006. - 335 с.

5. Ушаков В.М. Неразрушающий контроль и диагностика горно-шахтного и нефтегазового оборудования: Учеб. пособие. — 2006. 318 с.

6. Иванова B.C., Терентьев В.Ф. Природа усталости металлов. — М.: Металлургия, 1975. 454 с.

7. Серенсен С. В., Когаев В. П., Шнейдерович Р. М. Несущая способность и расчет деталей машин на прочность: Руководство и справочное пособие. Изд. 3-е, перераб. и доп.; под ред. С. В. Серенсена. М.: Машиностроение, 1975,- 488 с.

8. Трощенко В.Т., Сосновский Л.А. Сопротивление усталости металлов и сплавов. Киев: Наук, думка, 1987. - 1303 с.

9. Панин В.Е., Плешанов B.C., Кибиткин В.В., Сапожников С.В. Анализ полей векторов смещений и диагностики усталостного разрушения на мезоуровне//Дефектоскопия. 1998. - №2. - С. 80-87.

10. Ю.Волков С.Д., Миронов В.И. Метод функций сопротивления в расчётах конструкций на долговечность//УПИ: Свердловск, 1978. 33 с. - Деп. ВИНИТИ, № 1883-7 РЖ Механика, 1978.- №6. - С. 713.

11. П.Колмогоров В.Л., Мигачев Б.А., Бурдуковский В.Г. Феноменологическая модель накопления повреждений и разрушения при различных условиях нагружения- Екатеринбург: УрО РАН, 1994 104 с.

12. Усталость и выносливость металлов. Под ред. Г.В. Ужика: Сб. статей. М.: Изд. иностр. лит., 1963. - 497 с.

13. Горкунов Э.С., Саврай Р.А., Макаров А.В., и др. Применение магнитных электромагнитно-акустических методов для оценки пластической деформации при циклическом нагружении отожженной среднеуглеродистой стали//Дефектоскопия. 2006. - №5. - С. 29-36.

14. И.Волков С.Д., Миронов В.И. Метод вычисления долговечности элементов конструкций при нестационарном циклическом нагружении: Тез. докл. Всес. конф. М.: Стройиздат, 1979. - С. 45-47.

15. Воробьев А.З, Олькин Б.И., Стебенев В.Н. и др. Сопротивление усталости элементов конструкций. — М.: Машиностроение, 1990. 240 с.

16. Миронов В.И. Моделирование циклических свойств материала по изменению его статической диаграммы//Динамика, прочность и износостойкость машин. Е-журнал. - 1997. - №3. - С. 33-38.

17. Стружанов В.В., Миронов В.И., Тарташник К.А. Об одном подходе к расчету долговечности при циклическом нагружении // Вестник СамГТУ. — 2004. Вып.26. - С. 51-54.

18. Миронов В.И., Стружанов В.В., Якушев А.В. Особенности усталостного процесса стали35 // Завод, лаб. 2004. - №6. Т.70. - С.51-54.

19. Работнов Ю.Н. Механика деформируемого твердого тела. М.: Наука, 1988.-712 с.

20. Гохфельд Д.А., Садаков О.С. Пластичность и ползучесть элементов конструкций при повторных нагружениях. М.: Машиностроение, 1984. — 256 с.

21. Стружанов В.В., Миронов В.И. Деформационное разупрочнение материала в элементах конструкций. Екатеринбург.: УрО РАН, 1995 - 190 с.

22. Никитин JI.B. Направления развития моделей упруговязкопластических тел // Механика и научно технический прогресс. Т.З. Механика деформируемого твердого тела. М.: Наука, 1988. - С. 136-153.

23. Волков С. Д. О кинетике разрушения и масштабном эффекте//Заводская лаборатория. 1960. - №3. - С. 323-329.

24. Кожушко Г.Г., Миронов В.И. Прогнозирование ресурса резинотканевых конвейерных лент при нестационарном нагружении//Изв. вузов. Горный журнал.- 1991.-№7. С.61-64.

25. Миронов В.И. Циклические функции сопротивления: Тез. докл. Всесоюзной конференции. Свердловск: 1987.-С. 119.

26. Миронов В.И. Моделирование циклического деформирования и разрушения элементов конструкций после перехода материала на стадию предразрушения: Автореф. дис. канд. техн. наук. — Пермь, 1995. 19 с.

27. Миронов В. И., Якушев А. В., Лукашук О. А. Нестандартные свойства конструкционного материала//Физическая мезомеханика. Специальный выпуск. 2004. - Т. 7.-4.1.-С. 110-113.

28. Якушев А. В., Ефимов В. П., Миронов В. И. Повышение ресурса и живучести вагонных тележек: Сб. докл. третьей всерос. конф. -Комсомольск на - Амуре: ИМиМ ДВО РАН, 2005. - С. 212-218.

29. Лебедев А. А., Чаусов Н. Г., Недосека С. А. и др. Модель накопления повреждений в металлических материалах при статическом растяжении // Проблемы прочности. 1995. - №7. - С. 31-40.

30. Степанов А.Г. Динамика шахтных подъемных установок. Пермь: УрО РАН, 1994.-203 с.

31. Волков С.Д., Гуськов Ю.П., Кривоспицкая В.И. и др. Экспериментальные функции сопротивления легированной стали при растяжении и кручении//Проблемы прочности. 1979. - №1. — С. 3-5.

32. Миронов В. И., Микушин В. И., Владимиров А. П., и др. Установка для определения механических свойств материала на стадии разупрочнения // Завод, лаборатория. 2001. - №3. - С. 48-51.

33. Владимиров А. П., Стружанов В. В., Савруков Н. Т., и др. Применение и эффективность голографии и спекл-интерферометрии для контроля деталей машин: Препринт. Свердловск: УрО АН СССР, 1988. - 65 с.

34. Миронов В. И., Лукашук О. А., Якушев А. В., Колотыгин А. А., Кожушко Г.Г. Применение системы сбора и обработки информации на базе ПЭВМ в экспериментальных исследованиях: Науч. тр. науч.-тех. конф. Саратов: СГТУ, 2002.-С. 71-76.

35. Миронов В. И., Якушев А. В. Разрушение образца в испытательной машине при циклическом нагружении: Тез. докл. 13-й зим. шк. Пермь: ПГТУ, 2003. -С. 264.

36. Лебедев А. А., Чаусов Н. Г. Феноменологические основы оценки трещиностойкости материалов по параметрам падающих участков диаграмм деформаций // Проблемы прочности. 1983. - №2. - С. 6-10.

37. Миронов В.И., Якушев А.В., Лукашук О. А. О предельном состоянии разрушения материала: Сб. тр. междунар. науч.-техн. конф. М.; Машиностроение, 2003. - Т2. - С. 42-46.

38. Миронов В.И., Якушев А.В., Лукашук О.А. и др. Стадия деформационного разупрочнения структурно-неоднородного материала//Вестник УГТУ-УПИ. 2005.-№18 (70).-Часть 2.-С. 172-181.

39. Лукашук О.В., Якушев А.В., Миронов В.И. Влияние наработки на бифуркационную картину разрушения образца в испытательной машине//Вестник УГТУ УПИ. - 2004. - Специальный выпуск. - Ч. 1. -С. 435-439.

40. A.C.G 01 №3/08 Миронов В.И., Андронов В.А., Якушев А.В., Бамбулевич В.Б. Устройство и способ для испытания образцов материалов на растяжение / / Бюл. 2005 г. №13.

41. Александров А. В. Сопротивление материалов. Основы теории упругости и пластичности / /Учеб. для строит, спец. вузов. — 2-е изд., испр. М.: Высш. школа, 2002. - 400 е., ил.

42. Стружанов В.В. Об одном подходе к исследованию разрушения механических систем // Пробл. прочности. -1987. №6. - С. 118-123.

43. Миронов В.И. Свойства материала в реологически неустойчивом состоянии // Заводская лаборатория. 2002. - №10. - Т.68. - С. 41-47.

44. Фридман Я.Б. Механические свойства металлов. Деформация и разрушение. 4.1. М.: Машиностроение, 1974. - 472 с.

45. Галкин В.И., Дмитриев В.Г., Запенин И.В. и др. Современная теория ленточных конвейеров горных предприятий. М.: Издательство Московского государственного горного университета, 2005. - 543 с.

46. Лурье А.И. Теория упругости. М.: Наука, 1970. - 939 с.

47. Анциферов В.Н., Соколкин Ю.В., Ташкинов А.А. и др. Волокнистые композиционные материалы на основе титана. М.: Наука, 1990. - 136 с.

48. Миронов В.И., Крахмальник Г.Л. Моделирование свойств материала на стадии разупрочнения: Межвуз. сб. тр. ПГТУ. Пермь, 1999. - №7. - С. 34.

49. Алямовский A.A. SolidWorks/COSMOSWorks. Инженерный анализ методом конечных элементов. М.: ДМК Пресс, 2004. - 432 с.

50. Миронов В.И., Багазеев Ю.М. Механические свойства материала на стадии деформационного разупрочнения // Вестник ПГТУ. Механика композитов-1999. №1.- С. 78-85.

51. Волков С.Д.Проблема прочности и механика разрушения. //Проблемы прочности. 1978. - №7. - С. 3-10.

52. Павлов П.А. Основы инженерных расчетов машин на усталость и длительную прочность. Л.: Машиностроение, 1988. - 252 с.

53. Трощенко В.Т., Сосновский Л.А. Сопротивление усталости металлов и сплавов. Справочник. 4.1. Киев: Наукова Думка, 1987. - 510 с.

54. Справочник по кранам: Т.1. Характеристики материалов и нагрузок. Основы расчета кранов, их приводов и металлических конструкций / Под общей ред. М.М. Гохберга. Л.: Машиностроение, 1988. - 536 с.

55. Соколов С.А. Металлические конструкции подъемно-транспортных машин: Учебное пособие. СПб.: Политехника, 2005. - 423 с.

56. Лукашук О.А., Якушев А.В., Миронов В.И. О разупрочнении материала в балке при изгибе // Науч. Труды 5 отчетной конференции молодых ученых. -Екатеринбург: ГОУ УГТУ-УПИ, 2003. С. 48-50.

57. ГОСТ 27.500-83. Надежность в технике. Выбор и нормирование показателей надежности. Основные положения. —М.: Изд-во стандартов, 1983. —17 с.63 .Яковлева Т.Ю. Локальная пластическая деформация и усталость металла. -Киев: Наукова Думка, 2003. 238 с.

58. Фесенко С.Л., Осинников Б.Н., Неугодников Д.Н. и др. Выбор и обоснование основных показателей надежности думпкаров. Екатеринбург: Изв.УрГГГА. - 2001. - №12. - С. 147-156.

59. Миронов В.И., Якушев А.В., Лукашук О.А. Циклическая деградация материала в элементах конструкций // Тр. междунар. науч.-техн. конф. "Современные металлические материалы и технологии", 24-26 июня 2009 г., СПб. С. 558-559.

60. Свирский Ю.А. Расчетные кривые выносливости для нестационарного нагружения // Ученые записки ЦАГИ. 1981. - Т. 12, №4. - С. 167-171.

61. Кожушко Г.Г. Механика деформирования и прогнозирование ресурса резинотканевых лент конвейеров горнорудных предприятий: Авторефератдис. на соискание ученой степени д.т.н. Екатеринбург, 1992, Уральский Горный институт им. В.В.Вахрушева. - 36 с.

62. Миронов В.И., Якушев А.В., Лукашук О.А. Моделирование усталостного разрушения пластины с отверстием //Вестник УГТУ-УПИ. Механика микронеоднородных материалов и разрушение: Сб. научн. тр. Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2006 - С. 87-92.

63. Федоров М.М. Шахтные подъемные установки. М.: Недра, 1979. - 309 с.

64. Миронов В.И., Якушев А.В., Лукашук О.А. Неизученные свойства структурно неоднородных материалов // Тр. междунар. науч.-техн. конф. "Современные металлические материалы и технологии", 24-26 июня 2009 г., СПб.-С. 521-523.

65. Флоринский Ф.В. Динамика шахтного подъемного каната. М.: Углетехиздат, 1955.-207 с.

66. Латыпов И.Н. Обоснование и обеспечение безопасной эксплуатации шахтных барабанных подъемных установок / Автореферат дисс. на соискание ученой степени д.т.н. Екатеринбург: УГГУ, 2008. - 28 с.

67. Котельников B.C. Методы обеспечения безопасности и продления ресурса эксплуатации грузоподъемных машин: практические рекомендации // Ремонт, восстановление, модернизация. 2006. №10. С. 2-6.

68. Миронов В.И., Кожушко Г.Г. Проблемы усталостной прочности конструкций подъемно-транспортных машин (ПТМ). // Конструирование и технология изготовления машин: Сб. научных трудов. Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2000.-С. 139-141.

69. Коллинз Дж. Повреждение материала в конструкции. Анализ, предсказания, предупреждение. М.: Мир, 1984. - 624 с.

70. Миронов В.И., Якушев А.В. Метод полных диаграмм в расчете ресурса элементов подвижного состава // Транспорт Урала. Екатеринбург, 2007. -№2(13). -С. 60-64.

71. Кожушко Г.Г., Савинова Н.В., Рыбаков Г.Ю. Ремонт оправдан (к обоснованию ремонта пролетной балки мостового крана) // Технадзор, 2008. №2(15).-С. 64-67.

72. Солонин И.С. Математическая статистика в технологии машиностроения. — М.: Машиностроение, 1972. -216 с.

73. Стружанов В.В. Математическое моделирование процесса деформирования, предшествующего разрушению материала в элементах конструкций: Автореферат дис. на соискание д.ф.-м.н. — Новосибирск, 1994. 36 с.

74. Ефимов В.П. Уральскому конструкторскому бюро вагоностроения 70 лет. / Тяжелое машиностроение, 2005. №8. - С. 7-13.

75. Вершинский С.В. Расчет вагонов на прочность. М.: Машиностроение, 1971.-432 с.

76. Миронов В.И., Лукашук О.А., Якушев А.В. Учет циклической деградации свойств материала в расчете долговечности элементов конструкций //

77. Современные проблемы проектирования и эксплуатации транспортных и технологических систем: Тр. междунар. науч.-техн. конф. СПб.: Изд-во Политехи, ун-та, 2006. С. 227-228.

78. Бамбулевич В.Б., Николаев H.JL, Якушев А.В. Испытание деталей и узлов объединения на стендах оперативный и надежный способ оценки их качества // Тяжелое машиностроение. - 2004. - № 4. - С. 11-12.

79. Тележки двухосные грузовых вагонов колеи 1520 мм. Детали литые. Рама боковая и балка надрессорная (Приложение): ОСТ 32.183-2001. Введ. 01.04.2002. - М., 2002. - 23 с.

80. Надрессорные балки и боковые рамы литые двухосных тележек грузовых вагонов колеи 1520 мм. Методика статических испытаний на прочность. -М.: Гуп «ГосНИИВ» ГУП «ВНИИЖТ», 2002. - 16 с.

81. Нормы расчета и проектирования грузовых вагонов железных дорог колеи 1520 мм Российской Федерации. М.: ФГУП ВНИИЖТ ФГУП ГосНИИВ. -2005.-210 с.

82. Кожушко Г.Г. Определение сдвиговых деформаций многослойного пакета резинотканевой конвейерной ленты // Изв. вузов. Горный журнал. 1997, № Ю-11.-с. 83-89.

83. Павлов П.А. Основы инженерных расчетов на усталостную и длительную прочность. Л.: Машиностроение, 1988. - 252 с.

84. Тимухин С.А. Оптимизация параметров и процессов стационарных машин: Учебное пособие. Екатеринбург: Изд. УГГУ, 2006. 244 с.

85. Методические указания по определению остаточного ресурса шахтных подъемных машин, работающих с превышением нормативного срока эксплуатации (МУ-14-2007). Екатеринбург, 2007.

86. Головань В.П. Расчет конвейерных лент на усталость. В сб.: Горные, строительные и дорожные машины. Вып. 20. - Киев: Техника, 1975. -С. 97- 100.

87. Ефимов В.П., Пранов А.А., Белоусов К.А., Еленевский Е.Н. Разработка и проведение комплекса испытаний перспективных тележек для грузовых вагонов нового поколения. // Тяжелое машиностроение. 2005, №8. С.23-28.

88. Боярских Г.А., Хазин М.Л. Надежность технических систем: Учебное пособие. Екатеринбург: Изд. УГГГА, 2002. - 180 с.

89. Гришко А.П. Стационарные машины. Т. 1 Рудничные подъемные установки: Учебник для вузов. М.: Изд-во Московского гос. горного университета 2006. - 477 с.

90. Боярских Г.А. Надежность и ремонт горных машин: Учеб. пособие. -Екатеринбург: Изд-во УГГА, 1998. 340 с.

91. Волотковский B.C., Нохрин Е.Г., Герасимова М.С. Износ и долговечность конвейерных лент. М.: Недра, 1976.— 175 с.

92. Васильев М.В., Волотковский B.C., Кармаев Г.Д. Конвейеры большой протяженности на открытых работах. М.: Недра, 1977. 248 с.

93. Косарев Н.П., Хазин М.Л. Подготовка кадров высшей квалификации в области геолого-минералогических и технических наук: Учебное пособие. -Екатеринбург: Изд-во УГГУ, 2008. 481 с.