автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.06, диссертация на тему:Управление ресурсом узлов металлоконструкций рабочего оборудования карьерных фронтальных погрузчиков в экстремальных условиях эксплуатации

На правах рукописи

Долгих Евгений Сергеевич

УПРАВЛЕНИЕ РЕСУРСОМ УЗЛОВ МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЙ РАБОЧЕГО ОБОРУДОВАНИЯ КАРЬЕРНЫХ ФРОНТАЛЬНЫХ ПОГРУЗЧИКОВ В ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ УСЛОВИЯХ ЭКСПЛУАТАЦИИ

05.05.06 — Горные машины

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 4 АВГ 2014

Иркутск-2014

005551751

Работа выполнена на кафедре горных машин и электромеханических систем ФГБОУ ВПО «Иркутский государственный технический университет».

Научный руководитель: | Шадрин Александр Иванович, |

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Иркутский государственный технический университет»; Махно Дмитрий Евсеевич, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Иркутский государственный технический университет»

Демченко Игорь Иванович,

доктор технических наук, профессор ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет»; Зырянов Игорь Владимирович, доктор технических наук, заместитель директора по научной работе, Институт «Якутнипроалмаз» АК «АЛРОСА» ОАО «Иркутский научно-исследовательский институт благородных и редких металлов и алмазов» (Иргиредмет)

Защита состоится 26 сентября 2014 г. в 10:00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.073.04 при ФГБОУ ВПО «Иркутский государственный технический университет» по адресу: 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83, корпус «К», конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Иркутский государственный технический университет» и на сайте http://www.istu.edu/structure/54/4393/

Автореферат диссертации разослан: 24.07.2014.

Отзывы на автореферат (два экземпляра, заверенные организацией) направлять в адрес диссертационного совета: 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83, Д 212.073.04; e-mail: ds04@istu.edu; факс: (3952) 40-58-69.

Ученый секретарь диссертационного совета

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

/

Г^т/

С.Ю. Красноштанов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Горнодобывающая промышленность занимает одно из ключевых мест в экономике Российской Федерации. В Республике Саха (Якутия) на Удачнинском горно-обогатительном комбинате АК «АЛРОСА» (Удачнинский ГОК) при добыче алмазов используются фронтальные погрузчики Ь-1100. Специфичность добычи полезного ископаемого в условиях сурового климата этой части страны заключается в интенсивном снижении установленной прочности металлоконструкций горнодобывающей техники в связи с разрушениями, возникающими вследствие влияния отрицательных температур, которые могут достигать в зимние месяцы отметки -60 °С, а также больших суточных перепадов температуры в зимние и весенние месяцы года, составляющих 25—30 градусов. Данные факторы значительно понижают уровень надежности фронтальных погрузчиков, что ведет к снижению производительности. В связи с этим исследования неблагоприятного воздействия названных погодно-климатических факторов на надежность металлоконструкций горных машин, а также разработка решений по снижению вероятности отказов вследствие их совместного влияния являются актуальными.

Цель работы — повышение надежности и эффективности использования карьерных фронтальных погрузчиков в экстремальных условиях эксплуатации за счет увеличения ресурса металлоконструкций узлов рабочего оборудования.

Идея работы - увеличение ресурса металлоконструкции рабочего оборудования карьерных погрузчиков в экстремальных условиях эксплуатации обеспечивается регулированием уровня предельно допустимой нагрузки в зависимости от температуры металлоконструкции и ее суточного перепада.

Гипотеза состоит в следующем: ресурс узлов металлоконструкций фронтальных погрузчиков в экстремальных условиях эксплуатации зависит от уровня отрицательной температуры и величины ее суточного перепада как факторов, приводящих к термической усталости металла.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Относительная частота отказов ковшей фронтальных погрузчиков описывается экспериментальной зависимостью, учитывающей величину температуры окружающей среды и ее суточного перепада.

2. При суточных колебаниях отрицательных температур воздуха ковш фронтального погрузчика подвержен разрушениям вследствие возникающих термических напряжений, вызванных неравномерным распределением свойств материала (в виде сварных швов или мест наплавки металла).

3. В экстремальных условиях эксплуатации предельно допустимая нагрузка на металлоконструкции с неравномерным распределением

свойств материала должна устанавливаться через контроль величины температуры металлоконструкции и модуля ускорения ее изменения согласно полученной аналитической зависимости.

Научная новизна:

1. Установлена экспериментальная зависимость относительной частоты отказов ковшей фронтальных погрузчиков от комплекса погодно-климатических факторов:

- суточного перепада температуры;

- абсолютно минимальной температуры.

2. Разработана конечно-элементная модель ковша фронтального погрузчика для расчета термических напряжений при суточных колебаниях температуры воздуха.

3. Проведен сравнительный анализ характера изменения термических напряжений в металлоконструкции ковша, возникающих вследствие неравномерного распределения температурных полей, а также неравномерного распределения свойств материала, которое вызвано сваркой и наплавкой металла.

4. Выявлена связь разрушений ковшей фронтальных погрузчиков, возникающих в период суточных колебаний отрицательных температур с неравномерностью распределения свойств материала в виде сварных швов и мест наплавки металла.

5. Получены аналитические зависимости степени ограничения предельно допустимой нагрузки на рабочее оборудование фронтальных погрузчиков от величины температуры металлоконструкции и модуля ускорения ее изменения.

Практическая значимость работы заключается в том, что полученные результаты позволяют прогнозировать отказы рабочего оборудования и своевременно выполнять обоснованные ограничения предельно допустимой нагрузки в автоматическом режиме управления.

Реализация результатов работы. Выполненные исследования позволили выявить дополнительную опасность возникновения хрупких разрушений конструкции в результате неравномерного распределения температурных полей по объему крупногабаритных узлов металлоконструкций, а также в местах стыковки различных по свойствам материалов. Результаты работы приняты к реализации ОАО «Иркутский завод тяжелого машиностроения» (ОАО «ИЗТМ») при изготовлении и ремонте наиболее ответственных узлов металлоконструкций горных машин. Разработана методика ограничения предельно допустимых нагрузок в целях снижения вероятности хрупких разрушений конструкций.

Публикации. За период обучения в аспирантуре опубликовано 7 печатных работ, 2 из них - по теме диссертации в изданиях рекомендованного перечня ВАК.

Достоверность и обоснованность научных положений и выводов подтверждаются значительным объемом и качеством выборки статистических данных, использованных при получении уравнений регрессии, а также согласованностью теоретических исследований с результатами моделирования, позволяющими делать выводы с доверительной вероятностью не ниже 90 %.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения четырех глав, заключения и трех приложений, общим объемом 116 страниц машинописного текста, содержит 10 таблиц и 45 рисунков, список литературы из 99 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении приведена общая характеристика работы, сформулированы цель и идея работы, изложены защищаемые научные положения, научная новизна и практическая значимость результатов исследований.

В первой главе выполнен обзор и анализ результатов теоретических и экспериментальных исследований в области влияния погодно-климатических факторов на надежность горных машин. Установлено, что часто выходящим из строя узлом фронтального погрузчика Ь-1100 в условиях эксплуатации Удачнинского ГОКа является ковш. Наибольшее количество поломок ковша приходится на период окончания зимы и весну, то есть на тот период года, который характеризуется большими суточными перепадами отрицательных температур. Сформулированы задачи исследования.

Во второй главе проведен статистический анализ отказов ковшей фронтальных погрузчиков. Подтверждено, что наибольшее влияние на надежность оказывают суточные перепады отрицательных температур. Получены уравнения регрессии, описывающие зависимость относительной частоты отказов от величины абсолютно минимальной суточной температуры и суточного перепада температуры. Представлены результаты проверки уравнений регрессии на значимость.

В третьей главе выполнены примеры решения задач класса тепло-прочность с применением метода конечных элементов в сравнении с аналитическими вариантами расчета. Разработана конечно-элементная модель ковша для проведения исследований влияния суточных колебаний температур на термические напряжения. Установлено, что превалирующим родом напряжений являются термические напряжения, вызываемые неравномерностью распределения свойств металла в виде сварных швов и мест наплавки металла. Проведен анализ сходимости решений конечно-элементной модели ковша фронтального погрузчика при разном количестве конечных элементов.

В четвертой главе дан обзор способов и устройств, выполняющих регулирование предельно допустимой нагрузки с учетом погодно-климатических факторов. На основе экспериментальных и модельных исследований обоснованы теоретические (технические) решения для снижения вероятности отказов, возникающих по причине суточных колебаний отрицательной температуры. Обоснованы полученные зависимости степени ограничения предельно допустимой нагрузки от величины температуры металлоконструкции и ускорения ее изменения. Разработана структурная схема устройства, которая позволяет рекомендовать его для снижения вероятности разрушений металлоконструкций. Рассчитан ожидаемый экономический эффект.

ОБОСНОВАНИЕ ЗАЩИЩАЕМЫХ НАУЧНЫХ ПОЛОЖЕНИЙ

Положение 1. Относительная частота отказов ковшей фронтальных погрузчиков описывается экспериментальной зависимостью учитывающей величину температуры окружающей среды и ее суточного перепада.

Согласно наблюдениям за работой погрузчиков марки Ь-1100 на Удачнинском ГОКе установлено, что значительная доля хрупких разрушений приходится на ковш и составляет 68 % от их общего количества. На рис. 1 представлена диаграмма распределения количества хрупких разрушений по узлам фронтальных погрузчиков Ь-1100.

Рисунок 1 - Распределение количества хрупких разрушений по узлам фронтальных погрузчиков Ь-1100

Установлено, что за рассматриваемый период общее число зафиксированных отказов ковшей фронтальных погрузчиков составляет: у погрузчика № 401 - 38, № 402 - 32 (всего 70). При этом наибольшее количество поломок ковшей отмечается в зимние и весенние месяцы, максимум поломок приходится на март, апрель и май, так как этот период характеризует-

68%

ся наиболее высокими суточными перепадами отрицательных температур воздуха.

■¡е. , = 6

§.5

г 2 й 1

О

<f >v ^ //

" №401 в №402

- jf / *

■

Ш///

Рисунок 2 - Распределение числа поломок фронтальных погрузчиков марки Ь-1100 по месяцам

Доля отказов ковшей в выборках произвольно взятых данных при распределении по месяцам меняется незначительно, что говорит о хорошем качестве рассматриваемой выборки статистических данных и устойчивом влиянии погодно-климатических факторов (рис. 3).

Рисунок 3 - Распределение доли поломок по месяцам при выборках данных,

взятых произвольно

С целью определения степени влияния на надежность ковша отрицательной температуры при разных ее суточных перепадах проведен статистический анализ отказов ковшей погрузчиков.

Подготовка данных и проведение статистического анализа выполнялись с использованием программ Excel и Statistica.

Аналитическая зависимость относительной частоты отказов от температуры при разных величинах ее суточного перепада определена путем регрессионного анализа. Относительная частота отказов рассчитана по формуле

где я, - абсолютное число поломок данного узла в принятом интервале по-годно-климатического фактора; Д - количество дней работы в интервале погодно-климатического фактора за период наблюдений.

Подготовленный для регрессионного анализа массив данных представляет собой зависимость относительной частоты отказов от разных сочетаний значений абсолютно минимальной суточной температуры и величины суточного перепада температуры. По этим данным получены уравнения регрессии. Поверхности отклика, описываемые линейным и экспоненциальным уравнениями регрессии, представлены на рис 4.

Мштшальная суточная температура

Суточный перепад

Ммншлалыод суточная теипературэ

а) б)

Рисунок 4 - Поверхности отклика, описываемые линейным (а) и экспоненциальным (б) уравнениями регрессии

Вариацию значений относительной частоты отказов в большей степени объясняет уравнение экспоненциального вида. Линейное уравнение хорошо описывает вариацию относительной частоты отказов только в интервале отрицательных температур. Проведение проверок регрессионных уравнений показало, что уравнения и каждый их коэффициент обладают высокой степенью значимости. В табл. 1 представлены данные регрессионной статистики для уравнения экспоненциального и линейного вида.

Таблица 1

Данные регрессионной статистики

Уравнение регрессии* Коэффициент множ. корреляции Коэффициент регрессии Стандартная ошибка ^критерий Уровень значимости

Линейное е=Ь0+Ь,х+Ь2у 0,79 Ъо -0,079 0,0254 -3,12 4-10"3

ь, -0,002 0,0006 -3,07 4,5-10"3

ь, 0,015 0,0022 6,31 6-10"7

Экспоненциальное 0,83 ъ, 0,009 0,0023 4,33 8-Ю"5

ь, -0,175 0,0141 -12,37 МО"6

Ьз -0,047 0,0092 -5,08 7-10'6

* е- относительная частота отказов ковшей; х - суточный перепад температуры; у - абсолютно минимальная суточная температура.

Результаты анализа подтверждают, что ковш погрузчика чувствителен к отрицательным температурам воздуха, особенно к ее суточным колебаниям.

Полученные аналитические зависимости могут служить основой для обоснования метода ограничения предельно допустимой нагрузки в целях повышения ресурса рабочего оборудования фронтальных погрузчиков.

Положение 2. При суточных колебаниях отрицательных температур воздуха ковш фронтального погрузчика подвержен разрушениям вследствие возникающих термических напряжений, вызванных неравномерным распределением свойств материала (в виде сварного шва или мест наплавки металла).

Известно, что отрицательная температура оказывает влияние на надежность металлоконструкций как фактор, снижающий ударную вязкость металла. При колебаниях температуры окружающей среды в металлоконструкциях возникают дополнительные напряжения. Различают два рода термических напряжений. Напряжения первого рода возникают при неравномерном распределении температурных полей по объему металлоконструкции. Напряжения второго рода вызываются различием значений коэффициента теплового расширения отдельных фаз, анизотропией термического расширения отдельных зерен, а также различным объемом составляющих структуры.

Ковш фронтального погрузчика представляет собой металлоемкую конструкцию, у которой имеются места перехода толщины сечения от 40 к 100 мм. Массивная металлоконструкция вследствие этого склонна к возникновению в ней термических напряжений первого рода при быстром изменении температуры окружающей среды.

Трещины на ковше появляются в основном в области днища (их доля составляет 75 % от общего количества хрупких разрушений ковша). На рис. 5 показаны места появления трещин в области днища.

Рисунок 5 - Трещины в зоне сварных швов

Эти отказы связаны с тем, что днище подвержено большим механическим нагрузкам, а также более интенсивному истиранию о горную породу. Для продления срока эксплуатации ковша трещины заваривают, а места износа наплавляют. Сварка и наплавка металла приводит к образованию зон с неравномерным распределением механических и теплофизических свойств металла. По этой причине места сварки и наплавки металла являются концентраторами напряжений второго рода.

На основании результатов статистического анализа отказов ковшей с учетом описанных выше особенностей формы металлоконструкции и свойств материала выполнены тепло-прочностные расчеты. Вычисление величин температурных напряжений рассматриваемых родов было выполнено с целью определения наиболее влияющего из них на надежность ковша.

Тепло-прочностной анализ проводился с применением конечно-элементного моделирования в программной среде АпвуБ. Предварительно в качестве тестовых выполнены разнообразные примеры конечно-элементных моделей для решения тепловых и тепло-прочностных задач. Проработаны модели для расчета:

- температуры поверхностей и центра металлического слитка в различные моменты времени после помещения его в среду с температурой, отличной от температуры металла;

- коэффициентов интенсивности напряжений в вершине трещины, расположенной в центре прямоугольной металлической пластины при условии, что температура краев пластины отлична от температуры берегов трещины;

- коэффициентов интенсивности напряжений в вершине дискообразной трещины, расположенной параллельно границе полупространства и возмущающей равномерный тепловой поток.

Проработанные примеры явились основанием для выполнения модели ковша фронтального погрузчика с целью рассмотрения процесса возникновения термических напряжений при колебании температуры окружающей среды.

Конечно-элементная модель ковша представлена на рис. 6. Модель состоит из элементов формы тетраэдра и гексаэдра. Все элементы выполнены с промежуточными узлами. Место концентрации напряжений второго рода в области днища задается в виде небольшого включения с отличным по величине от основного металла коэффициентом теплового расширения на 10 %. В этом и остальных местах концентрации напряжений модель выполнена элементами меньших размеров, чем ее основная часть.

Рисунок 6 - Модель ковша фронтального погрузчика

В ходе решения первым этапом выполняется вычисление распределения температурного поля по объему, а затем - вызванные им напряжения. В тепловой части задачи к поверхности ковша приложена изменяющаяся во времени температура окружающей среды. Интенсивность теплообмена между окружающей средой и поверхностью металла задается величиной коэффициента конвекции. Температурная инерционность ковша определяется теплофизическими свойствами материала и геометрическими особенностями конструкции. Продолжительность рассчитываемого нестационар-

Конечио-элементная сетка в области концентрации напряжений, возникающих из-за неравномерного распределения температурного поля.

Конечно-элементная сетка в области стыка материалов с различными свойствами

ного процесса составляет 24 часа. Полученные в тепловой части задачи данные о распределении температурных полей передаются в прочностную часть, где по ним, согласно величине коэффициента теплового расширения и механических свойств металла, вычисляются напряжения.

В результате выполненного решения при задании максимально возможной в районе Удачнинского ГОКа величине суточного перепада температуры получены значения термических напряжений. При рассмотрении их характера отмечено, что напряжения первого рода изменяются пропорционально величине разности между максимальной и минимальной температурами металлоконструкции, а напряжения второго рода - обратно пропорционально температуре металлоконструкции. График изменения температуры и напряжений представлен на рис. 7.

20 18 1б £ 14 к 12

1 10 ■«

I- 8 = 6 4 2 0

И«

С. ¿.к

~ V »5

У с В

а >

1> £

211

¡11 хг ?

за* -

Время, час.

- — Напряжения вызванные температурным градиентом по

металлоконструкции

- • - Разность между максимальной и минимальной температурой

метаялоконструкшш

- Напряжения вызванные неравномерным распределением свойств матеркалла

- ■ ■ Температура металлоконструкции

Рисунок 7 - Изменение температуры и термических напряжений в течение суток

Концентраторы рассматриваемых родов напряжений располагаются в разных местах металлоконструкции. Максимальные напряжения первого рода возникают в областях с резких переходом толщены металла и их максимум составляет 4,4 и 7,58 МПа. Это места границы боковых стенок с основным объемом металла. Основная доля отказов приходится на область днища ковша. Напряжения первого рода в этих местах не превышают зна-

чения 2 МПа, а с учетом неравномерности распределения свойств металла

напряжение составляет 18,74 МПа.

- .....

ш

'¿.76 УЛ'г^^^^Ш

ш

Рисунок 8 - Области концентрации максимальных термических напряжений

В силу того что в местах сварки трещин и наплавки металла концентрируются остаточные сварочные напряжения и эти места являются менее прочными, чем остальная металлоконструкция, неравность распределения свойств материала, приводящая к появлению термических напряжений второго рода, оказывает существенное влияние на надежность ковша фронтального погрузчика (напряжения первого рода в данном случае не являются значимыми, так как их величины малы, и в местах, где они концентрируются, разрушения отсутствуют).

Для оценки точности модели при заданных граничных условиях проведен анализ сходимости решения. Результаты решения прочностной части задачи при разном количестве конечных элементов представлены в табл. 2. В тепловой части задачи при представленных вариантах количества конечных элементов различие между вариантами расчета составляет менее 0,5 %.

Таблица 2

Сходимость значений термических напряжений

Количество конечных элементов в модели Данные сходимости максимальных значений термических напряжений

в местах максимальных градиентов температуры, МПа отношение предыдущего значения напряжения к текущему, % в местах неравномерного распределения свойств материала, МПа отношение предыдущего значения напряжения к текущему, %

184409 8,11 - 20,21 -

294506 7,58 -6,5 18,74 -7,2

464774 7,70 1,6 18,45 -1,6

833510 8,04 4,4 18,85 2,2

При совместном рассмотрении результатов моделирования и регрессионного анализа погодно-климатические факторы - абсолютно минимальная суточная температура и суточный перепад температуры - следует оценивать как параметры, описывающие характер изменения термических напряжений при синусоидальном законе распределения и приводящие к термической усталости металла. Под термической усталостью понимается усталость металлов при малом числе циклов напряжений, вызванных циклическими колебаниями температуры. Из графиков, представленных на рис. 7, видно, что абсолютно минимальной температуре соответствует максимальное напряжение за цикл, а суточному перепаду - разность между максимальным и минимальным напряжением.

Положение 3. В экстремальных условиях эксплуатации предельно допустимая нагрузка на металлоконструкции с неравномерным распределением свойств материала должна устанавливаться через контроль величины температуры металлоконструкции и модуля ускорения ее изменения согласно полученной аналитической зависимости.

Результаты проведенных исследований показывают, что высокая опасность разрушений металлоконструкций возникает при отрицательных температурах воздуха особенно в весенние месяцы года, что подтверждается данными, представленными на рис. 2 и 3. Для снижения вероятности отказа в этот период требуются специальные средства защиты, автоматически регулирующие уровень предельно допустимой нагрузки при различных сочетаниях отрицательной температуры и ее суточного перепада. При этом доля влияния каждого погодно-климатического фактора должна устанавливаться согласно полученному экспоненциальному уравнению регрессии (см. табл. 1). Принятая в уравнении регрессии в качестве функции относительная частота отказов используется как степень ограничения предельно допустимой нагрузки. Уравнение регрессии позволяет получить величины степени ограничения предельно допустимой нагрузки по данным о различных вариантах сочетаний абсолютно минимальной суточной температуры и суточного перепада температуры. Однако уравнение не дает представления о том, как в течение времени нужно выполнять регулирование, учитывая суточный перепад температуры. Для выполнения этого необходим специальный параметр. В результате проведенных исследований конечно-элементной модели ковша фронтального погрузчика установлено, что при суточных колебаниях температуры происходят циклические изменения термических напряжений, приводящие к появлению трещин. Данные напряжения возникают по причине неравномерного распределения свойств материала в виде сварных швов и мест наплавки металла. В целях повышения надежности металлоконструкции суммарные напряжения необходимо уменьшать по мере увеличения амплитуды колебания термических напряжений за счет ограничения механической нагрузки. Наиболее

подходящим для данного контроля параметром является модуль ускорения изменения температуры металлоконструкции, который при изменениях термических напряжений позволяет получить величину степени ограничения предельно допустимой нагрузки, соответствующую амплитуде колебания термических напряжений. На рис. 9 представлены графики изменения модуля ускорения изменения температуры ковша в области днища и напряжений при колебаниях температуры (моменты времени, когда необходимо выполнять ограничение предельно допустимой нагрузки, отмечены заштрихованными областями).

о.

-р

сз &

о

н

Рисунок 9 - Распределение величины модуля ускорения изменения температуры металлоконструкции при колебаниях термических

напряжений

В соответствии с этим в массиве данных, которые использовались для получения уравнения регрессии экспоненциального вида, столбец величин суточного перепада заменен на столбец соответствующих значений модуля ускорения изменения температуры металлоконструкции. Получено следующее уравнение:

г? = 0,018- ) + 0,018- (ет"'йу),

24 30 Время, час

--- Температура металлоконструкции

- Напряжение

где е — степень ограничения предельно допустимой нагрузки (относительная частота отказов); х - абсолютно минимальная температура металла (~ абсолютно минимальная температура воздуха); у - модуль ускорения изменения температуры металла.

В графическом виде данное уравнение представлено на рис. 10.

Рисунок 10 - Степень ограничения предельно допустимой нагрузки

Полученная зависимость реализуется при использовании структурной схемы, представленной на рис. 11. Сигнал X с датчика температуры металлоконструкции поступает в блок, где преобразуется в величину степени ограничения согласно левой части полученного уравнения регрессии. Сигнал У (модуль ускорения изменения температуры метала) преобразуется в сигнал ограничения согласно правой части уравнения и суммируется с другим. Для вычисления второй производной необходимы как минимум три точки измерения температуры с одинаковым временным интервалом между ними. Для этого устройство блока формирования сигнала должно быть снабжено устройством памяти. Ограничение предельно допустимой нагрузки в зависимости от модуля ускорения изменения температуры металла будет запаздывать на время, равное двум интервалам измерений.

35

—1=ОС° —1 = -15Сг - -1 = -зос: —1 = -45С°

0

7,75 10,75 13,75 16,75 19.75 Суточный перапаа температуры, Са/сугаи

0,0001 0.0009 0.0012 0.0014 0.0017

Модуль ускорения изменения температуры металлоконструкции, С°/час~

В систему управлении

Время, час

Рисунок 12 - Изменение степени ограничения предельно допустимой нагрузки при суточных колебаниях температуры

Рисунок 11 - Структурная схема блока формирования сигнала ограничения предельно допустимой нагрузки

Согласно предложенной структурной схеме в программной среде Ма11аЬ БтшПпк получены графики изменения степени ограничения предельно допустимой нагрузки при суточных колебаниях температуры металлоконструкции в различных диапазонах.

На рис. 12,а представлены графики изменения температуры металлоконструкции, а на рис. 12,6 - соответствующие им значения степени ограничения предельно допустимой нагрузки. Представлены три варианта затухающих колебаний температуры, происходящих в течение трех суток. Вариант I (красная линия) - характеризуется большими начальными значениями суточного перепада температуры. Вариант II (черная линия) -приблизительно равными по степени влияния значениями суточного перепада температуры и отрицательной температуры. Вариант III (синяя линия) показывает, как отрицательная температура при небольшом суточном перепаде влияет на степень ограничения. В варианте II, видно, что величина степени ограничения предельно допустимой нагрузки пика 2 больше значения пика 1 за счет того, что при пике 2 перепад температуры происходит при более низких температурах.

Устройство регулирования предельно допустимой нагрузки, снижающее вероятность хрупких разрушений конструкций, требует специального автоматического режима управления в силу переменного влияния колебания температуры и величины ее отрицательного значения. Предложенная структурная схема устройства формирования сигнала ограничения предельно допустимой нагрузки предусматривает использование только одного датчика температуры металлоконструкции учитывавшего влияние, как уровня отрицательной температуры, так и амплитуды ее суточных колебаний, что выгодно отличает ее от ранее известных систем. Это упрощает техническую реализацию предложенной схемы. Дальнейшая разработка устройства автоматического регулирования величины предельно допустимой нагрузки видится в рекомендованном направлении продолжения данной работы, рациональность и перспективность которой доказана результатами проведенных исследований.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук является научно-квалификационной работой, в которой изложены новые научно обоснованные технические и технологические решения и разработки, имеющие существенное значение для дальнейшего развития и совершенствования горнодобывающей отрасли страны. Настоящая работа представляет теоретическое обоснование вопроса в рамках разработанного алгоритма с обоснованием направления дальнейшего продолжения исследования.

Результаты выполненных исследований позволяют сделать следующие выводы и рекомендации:

1. Регрессионный анализ позволил получить зависимости, характеризующие совместное влияние погодно-климатических факторов на надежность рабочего оборудования фронтальных погрузчиков. Полу-

ченные уравнения регрессии позволяют прогнозировать работу погрузчиков в суровых погодно-климатических условиях эксплуатации техники, в том числе при использовании предлагаемого режима регулирования нагрузки.

2. На основании результатов конечно-элементного моделирования ковша фронтального погрузчика с опорой на фактические данные о местах расположения хрупких разрушений установлено, что основной их причиной являются температурные напряжения, возникающие из-за неравномерности распределения свойств материала в виде сварных швов и мест наплавки металла.

3. Характер изменения термических напряжений, возникающих из-за неравномерности распределения свойств материала в виде сварных швов и мест наплавки металла, приводящих к термической усталости, можно описать величиной минимальной суточной температуры и суточного перепада температуры, как параметрами соответствующими наибольшему напряжению и разности между максимальным и минимальным напряжением за сутки.

4. Принятый параметр - модуль ускорения изменения температуры металлоконструкции позволяет в течение времени контролировать влияние на надежность рабочего оборудования фронтальных погрузчиков суточного перепада температуры.

5. Разработка устройства управления режимом загрузки видится в специальной работе, актуальность которой подчеркивается результатами выполненных исследований. Акт практической реализации диссертации подтверждает ее значимость. Рекомендации диссертации приняты к производству Иркутским заводом тяжелого машиностроения при разработке и изготовлении ответственных узлов металлоконструкции горных машин, а также ремонте металлоконструкций.

6. Результативность выполненных исследований подтверждаются размером ожидаемого экономического эффекта 106551 рубля в год на один погрузчик, получаемого за счет сокращения затрат на выполнение трудоемких ремонтных работ. Дополнительная эффективность достигается также за счет сокращения мощности ремонтной базы и численности рабочих в непроизводственной сфере обслуживания.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи в ведущих научных изданиях и журналах, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ 1. Долгих Е.С. Анализ влияния температуры и ее суточного градиента на надежность рабочего оборудования фронтальных погрузчиков //

Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. - 2014. -

№2(42)-С. 151-155.

/

5'

2. Долгих Е.С., Махно Д.Е. Анализ надежности фронтальных погрузчиков на горнодобывающих предприятиях Севера // Вестник ИрГТУ. -Иркутск : Изд-во ИрГТУ, 2014. - № 6 (89). - С. 54-58.

ПРОЧИЕ ПУБЛИКАЦИИ

1. Долгих Е.С. Пути повышения экономичности и надежности экскаваторов ЭКГ // Инновационное развитие горно-металлургической отрасли : материалы Всерос. науч.-практ. конф. с элементами научной школы для молодежи, 2009 [электронный ресурс].

2. Долгих Е.С., Корняков М. В. Анализ устройств для контроля и регулирования величины зазора в зубчатой механической передаче // Молодежный вестник ИрГТУ, 2011 / № 1 [электронный ресурс]. URL: mvest-nik.istu.irk.ru

3. Долгих Е.С., Иов A.A. Анализ рациональности применения способов компенсации зазора в зубчатой механической передаче для электроприводов поворота карьерных экскаваторов и экскаваторов драглайнов // Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири. - Иркутск : Изд-во ИрГТУ, 2011. - С. 138-141.

4. Долгих Е.С. Моделирование механизма привода поворота карьерного экскаватора в программном комплексе Ansys // Игошинские чтения. — Иркутск : Изд-во ИрГТУ, 2011. - С. 68-70.

5. Долгих Е.С. Создание, анализ и оптимизация конечно-элементной модели механизма с ударяющимися и трущимися элементами // Вестник Забайкальского государственного университета. - 2012. -№ 11(90).-С. 104—110.

Подписано в печать 21.07.2014. Формат 60 х 90 / 16. Бумага офсетная. Печать цифровая. Усл. печ. л. 1,5. Тираж 100 экз. Зак. 156. Поз. плана 12н.

Лицензия ИД № 06506 от 26.12.2001 Иркутский государственный технический университет 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83

1о