close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Управление ресурсом узлов металлоконструкций рабочего оборудования карьерных фронтальных погрузчиков в экстремальных условиях эксплуатации.

код для вставкиСкачать
кописи
На пправах рук
Евгений Сергеевич
С
ч
Долгих Е
УПР
РАВЛЕН
НИЕ РЕСУРСОМ
М УЗЛОВ МЕТАЛЛОКОН СТРУКЦ
ЦИЙ
РАБОЧЕГО
О ОБОРУ
УДОВАН
НИЯ КАР
РЬЕРНЫХ ФРОН
НТАЛЬНЫ
ЫХ
ПОГР
РУЗЧИКО
ОВ В ЭК
КСТРЕМА
АЛЬНЫХ
Х УСЛОВ
ВИЯХ
ЭКСП
ПЛУАТА
АЦИИ
05.05.06 – Горныее машины
ы
АВТ
ТОРЕФЕР
РАТ
диссерттации на ссоисканиее ученой степени
кандидата
к
а техничееских наук
Ир кутск – 2014
Рабоота выполн
нена на каафедре горрных маши
ин и электтромеханиических си
истем
Ф
ФГБОУ ВП
ПО «Иркуттский госуударственн
ный техни
ический унниверситетт».
ный рукооводитель:
Научн
Официальныее оппонен
нты:
Ведущ
щая орган
низация:
Ш
Шадрин Александр
А
Иванови
ич,
докктор техн
нических наук, проофессор кафедры
к
«Г
Горные маашины и электром
механическ
кие сиГБОУ ВП
ПО «Ирку
кутский государг
стеемы», ФГ
стввенный теехнический
й универсиитет»;
Маахно Дми
итрий Евсеевич,
докктор техн
нических наук, проофессор кафедры
к
«Г
Горные маашины и электром
механическ
кие сиГБОУ ВП
ПО «Ирку
кутский государг
стеемы», ФГ
стввенный теехнический
й универсиитет»
Деемченко Игорь
И
Ива
анович,
докктор техн
нических наук, проофессор кафедры
к
«Г
Горные маашины и комплексы
к
ы» ФГАОУ ВПО
Сибирский
й федералььный унивверситет»;
«С
Зы
ырянов Иггорь Влад
димирови
ич,
докктор техн
нических наук,
н
замееститель директод
ра по научной работее, Институут «Якутни
ипроалЛРОСА»
мааз» АК «АЛ
ОА
АО «Ирккутский научно-иссследоватеельский
ин
нститут бл
лагородных и редкиих металло
ов и алмаазов» (Иргиредмет)
ЗЗащита состоится
с
26 сентя
ября 201
14 г. в 10
0:00 часоов на засеедании
диссерртационноого советта Д 212.0073.04 при
и ФГБОУ
У ВПО «И
Иркутский
й государстввенный техническ
т
кий унивеерситет» по адресу: 6640774, г. Ир
ркутск,
ул. Леррмонтоваа, 83, корп
пус «К», кконферен
нц-зал.
С диссерттацией мо
ожно озн
накомиться в биб
блиотеке ФГБОУ ВПО
«Иркуутский гоосударстввенный ттехническкий унив
верситет»» и на сайте
http://w
www.istu.edu/structture/54/43393/
А
Автореферрат диссер
ртации раазослан: 24.07.2014
2
4.
О
Отзывы наа автореф
ферат (двва экземпляра, зав
веренные организаацией)
направвлять в ад
дрес дисссертацион
нного соввета: 6640
074, г. Ирккутск, ул
л. Лермонтова, 83, Д 212.073.0
04; e-mail:: ds04@isstu.edu; фаакс: (39522) 40-58-6
69.
Учены
ый секретаарь
диссерртационноого советта
С.Ю . Краснош
штанов
2
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 LeTourneau L-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 погодноклиматических 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 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.
Задачи исследования:
1.
Получение характеристики, описывающей изменение степени
надежности ковша погрузчика L-1100 в зависимости от величины отрицательной температуры и её суточного перепада;
2.
Выявление причин, по которым происходят разрушения металлоконструкции ковша фронтальных погрузчиков в период увеличения
суточных перепадов отрицательных температур воздуха;
3.
Разработка и экономическое обоснование алгоритма регулирования предельно допустимой нагрузки на рабочее оборудование фронтальных погрузчиков, учитывающего одновременное влияние отрицательной
температуры и ее суточного перепада.
3
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 погодноклиматических факторов:
– суточного перепада температуры;
– 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,
которые возникают в период больших суточных перепадов отрицательных
температур воздуха 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 темпе4
ратурных 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. 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 двух 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 погодноклиматических факторов на надежность горных машин; сформулированы
задачи исследования.
Во второй главе представлены результаты статистического анализа
отказов ковшей фронтальных погрузчиков L-1100. Установлено, что часто
выходящим из строя узлом в условиях эксплуатации Удачнинского ГОКа
является ковш. Наибольшее количество поломок ковшей приходится на
период окончания зимы и весну. Подтверждено, что наибольшее влияние
на надежность ковшей фронтальных погрузчиков L-1100 оказывают суточные перепады отрицательных температур. Получены уравнения регрессии, описывающие зависимость относительной частоты отказов от величины минимальной суточной температуры и суточного перепада температуры.
В третьей главе представлены примеры решения тепло-прочность
задач, выполненных с применением метода конечных элементов. Результаты решений, проведенных при использовании этих моделей, представлены
в сравнении с аналитическими вариантами. Разработана конечно5
элемен
нтная мод
дель ковш
ша погруззчика L-11
100 для проведениия исследо
ований
влияни
ия суточн
ных колеебаний теемператур
р воздухаа на терм
мические напряженияя. Установвлено, что
о причиноой, по котторой метталлоконсструкция ковша
фронттального погрузчик
п
ка разруш
шается в период больших ззначений суточных пеерепадов отрицатеельных теемператур
р, являетсся неравнномерностть распределления своойств маттериала в виде сваарных шв
вов и месст наплаввки металла. Предсттавлена сходимос
с
сть решен
ний конеечно-элем
ментной модели
м
ковшаа фронталльного поггрузчика..
В четверттой главее дан обззор спосо
обов и усстройств,, выполняяющих
регули
ирование пределььно допуустимой нагрузк
ки с уччетом по
огодноклиматтическихх факторо
ов. На осн
нове эксп
периментаальных и модельн
ных исследовваний обооснованы
ы теоретичческие (ттехническ
кие) решеения для снижес
ния веероятностти отказо
ов, возниккающих по
п причи
ине суточчных колеебаний
отрицаательной температтуры. Обооснованы
ы получен
нные завиисимости степени огрраниченияя пределььно допусстимой наагрузки отт величинны темпер
ратуры
металллоконструукции и ускорени
ия ее изменения. Разработа
Р
ана струк
ктурная
схема устройсттва, котор
рая позвооляет реко
омендоваать его длля снижен
ния вероятноости разррушений металлоко
м
онструкц
ций. Рассч
читан ожиидаемый экономическкий эффеект.
ОБ
БОСНОВ
ВАНИЕ ЗА
АЩИЩА
АЕМЫХ
Х НАУЧН
НЫХ ПОЛ
ЛОЖЕНИЙ
П
Положен
ние 1. От
тноситеельная ча
астота отказов ковшей фронтальн
ных погруузчиков описывае
о
ется эксп
перимент
тальной ззависимо
остью,
учиты
ывающей
й величин
ну темпер
ературы окружаю
ющей срееды и ее суточс
ного п
перепада.
С
Согласноо наблюдениям заа работой
й погрузч
чиков маарки L-1100 на
Удачн
нинском ГОКе
Г
устаановлено , что знач
чительнаяя доля хруупких раззрушений прриходится на ковш
ш и состаавляет 68
8 % от их
х общего количесттва. На
рис. 1 представвлена диааграмма рраспредел
ления кол
личества хрупких разрушений
й по узлам
м фронтал
льных поггрузчиковв L-1100.
Рисун
нок 1 – Расспределен
ние колич
чества хру
упких раззрушений по узлам
м фронтальных
т
п
погрузчик
ков L-1100
6
У
Установлеено, что за
з рассмаатриваемы
ый период
д общее число заф
фиксированн
ных отказзов ковшеей фронттальных погрузчик
п
ков составвляет: у погрузп
чика № 401 – 38,
3 № 402
2 – 32 (вссего 70). При
П этом наибольш
шее коли
ичество
полом
мок ковшеей отмечаается в зи
имние и весенние месяцы,
м
м
максимум
м поломок прриходитсяя на мартт, апрель и май, таак как это
от периодд характер
ризуется наи
иболее вы
ысокими суточным
с
ми перепаадами отр
рицательнных темп
ператур
воздухха.
Риссунок 2 – Распредееление чиссла полом
мок фронт
тальных п
погрузчиков
марки L
L-1100 по месяцам
Х
Характер распредел
р
ления долли отказо
ов по месяцам прии выборкаах данных, ввзятых прроизвольн
но, меняеттся незнач
чительно, что говоорит о хо
орошем
качесттве рассм
матриваем
мой выборрки стати
истически
их данныхх и устой
йчивом
влияни
ии погодн
но-климаттических факторовв (рис. 3).
Рисун
нок 3 – Расспределен
ние доли п
поломок ковшей
к
по месяцам
м при выб
борках
данных,
д
в
взятых пр
роизвольн
но
С целью определен
о
ния степе ни влиян
ния на над
дежностьь ковша отрицао
тельноой темперратуры пр
ри разны
ых ее суто
очных пер
репадах ппроведен статистичесский аналлиз отказо
ов ковшей
й погрузч
чиков.
7
П
Подготовкка данных
х и провеедение сттатистичееского аннализа вы
ыполнялись с использоованием программ
п
м Excel и Statistica.
S
А
Аналитичееская зави
исимость относитеельной чаастоты оттказов от температуры
ы при раазных вел
личинах еее суточн
ного переепада опрределена путем
провед
дения реггрессионн
ного аналлиза. Отн
носительн
ная частоота отказо
ов рассчитан
на по форрмуле:
i 
ni
,
Di
где ni – абсолю
ютное числ
ло полом
мок данного узла в принятом
м интерваале погодно--климатич
ческого фактора;
ф
Di – коли
ичество дней
д
рабооты в инттервале
погодн
но-климаттического
о фактораа за перио
од наблюд
дений.
П
Подготовлленный для регресссионногго анализза массивв данных
х представляяет собой зависимо
ость отноосительно
ой частотты отказо в от разн
ных сочетани
ий значен
ний абсол
лютно мин
нимально
ой суточн
ной темпеературы и величины суточногго перепад
да темперратуры. По
П этим данным пполучены
ы уравнения регресси
ии. Повер
рхности оотклика, описывае
о
мые линеейным и экспоненциальным уравнения
у
ями регреессии, преедставлен
ны на рис 4.
аа)
б)
б
рхности оотклика, описываем
о
мые линеейным (а)
Рисунок 4 – Повер
нциальны
ым (б) урав
внениями
и регресси
ии
и экспонен
В
Вариацию значений
й относиттельной частоты
ч
отказов
о
в большей степени объ
ъясняет уравнение
у
е экспонен
нциально
ого вида. Линейноее уравнен
ние хорошо оописываеет вариаци
ию относсительной
й частоты
ы отказов только в интервале оотрицателльных теемпературр. Провеедение проверок регресси
ионных
уравнеений показало, что уравнен
ния и каж
ждый их коэффицциент обл
ладают
8
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
t-критерий
Уровень
значимости
-0,079
0,0254
-3,12
4·10-3
b0
-0,002
0,0006
-3,07
b1
0,79
4,510-3
  b0 b1x b2 y
0,015
0,0022
6,31
6·10-7
b2
0,009
0,0023
4,33
8·10-5
b1
Экспоненциальное
-0,175
0,0141
-12,37
1·10-6
0,83
b2
  b1(eb2x )  b1(eb3y )
-0,047
0,0092
-5,08
7·10-6
b3
*  – относительная частота отказов ковшей; x – суточный перепад температуры; y – абсолютно
минимальная суточная температура.
Линейное
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.
9
Т
Трещины на
н ковшее появляю
ются в осн
новном в области дднища (и
их доля
составвляет 75 % от общ
щего колличества хрупких
х
разрушенний ковш
ша). На
рис. 5 показаны
ы места по
оявления трещин в области
и днища.
Рисунок
к 5 – Трещ
щины в зо
оне сварны
ых швов
Э
Эти отказы
ы связаны
ы с тем, чтто днищее подверж
жено болььшим мех
ханическим н
нагрузкам
м, а такжее более ин
нтенсивному истир
ранию о ггорную породу.
п
Для прродленияя срока эксплуатац
ции ковш
ша трещи
ины заварривают, а места
износаа наплавлляют. Сваарка и нааплавка металла
м
приводит
п
к образо
ованию
зон с неравном
мерным распредел
р
лением механичес
м
ских и тееплофизических
свойсттв металлла. По это
ой причин
не места сварки и наплавкии металлаа являются кконцентрааторами напряжен
н
ний второгго рода.
Н
На основании резул
льтатов сстатистич
ческого ан
нализа оттказов коввшей с
учетом
м описан
нных выш
ше особеенностей формы металлооконструк
кции и
свойсттв матери
иала вып
полнены ттепло-про
очностны
ые расчетты. Вычисление
величи
ин темперратурных
х напряжеений расссматриваеемых родоов было выполв
нено с целью определеения наи более вл
лияющего из них на надеж
жность
ковшаа.
Т
Тепло-прочностной
й анализ проводился с примененнием ко
онечноэлемен
нтного мооделирования в пррограммн
ной средее Ansys. П
Предвари
ительно
в каччестве теестовых выполнеены разн
нообразные прим
меры ко
онечноэлемен
нтных мооделей дл
ля решен ия тепловых и теепло-проччностных задач.
Прорааботаны модели
м
дл
ля расчетаа:
– темпераатуры поверхносттей и центтра метал
ллическогго слиткаа в различны
ые моментты времеени послее помещения его в среду с темпераатурой,
отличн
ной от тем
мператур
ры металлла;
– коэффи
ициентов интенсиввности напряжени
н
ий в верш
шине треещины,
располложенной
й в центтре прямооугольной
й металл
лической пластин
ны при
10
услови
ии, что теемператур
ра краев п
пластины
ы отлична от темпеературы берегов
б
трещи
ины;
– коэффи
ициентов интенсиввности напряжений
й в вершиине диско
ообразной тррещины, располож
женной п
параллелььно грани
ице полуупростран
нства и
возмущ
щающей равномер
рный теплловой потток.
П
Проработаанные при
имеры яви
ились осн
нованием для выпоолнения модели
м
ковшаа фронталльного по
огрузчикаа с целью
ю рассмоттрения прроцесса возникв
новени
ия термич
ческих напряжени
ий при ко
олебании темпераатуры окр
ружающей срреды.
К
Конечно-элементнаая модельь ковша представлена на ррис. 6. Модель
М
состои
ит из элем
ментов формы теттраэдра и гексаэдр
ра. Все эллементы выполв
нены с промеж
жуточным
ми узлами
и. Место концентра
к
ации напрряжений второго род
да в облассти днищ
ща задаетсся в виде небольш
шого вклю
ючения с отличным п
по величи
ине от осн
новного м
металла коэффици
к
иентом тепплового расшир
рения на 10 %. В этом и остальн
ных местаах концен
нтрации ннапряжен
ний модель выполненаа элементтами менььших разм
меров, чем
м ее осноовная частть.
Рисуунок 6 – Модель
М
коовша фро
онтальногго погрузч
чика
В ходе реш
шения пер
рвым этаапом выпо
олняется вычисленние распр
ределения теемпературрного пол
ля по объему, а заттем – выззванных иим напряж
жений.
В теплловой чассти задач
чи к поверрхности ковша пр
риложенаа изменяю
ющаяся
по вреемени тем
мператураа окружаю
ющей срееды. Интенсивноссть теплоо
обмена
междуу окружаю
ющей среедой и пооверхностью метаалла задае
ается вели
ичиной
11
коэфф
фициента конвекци
ии. Темпеературнаяя инерцио
онность кковша опр
ределяется тееплофизи
ическими свойстваами матер
риала и гееометричческими особено
ностям
ми констррукции. Продолжи
П
ительностть рассчитываемогго нестац
ционарного п
процесса составляяет 24 часса. Получ
ченные в тепловоой части задачи
данны
ые о распрределении
и темпераатурных полей
п
пер
редаются в прочно
остную
часть, где по ни
им, соглассно величчине коэф
ффициентта тепловоого расши
ирения
и мехааническихх свойств металла,, вычисляяются нап
пряжения..
В результаате выполненногоо решенияя при зад
дании мааксимальн
но возможноой в райооне Удачн
нинского ГОКа вееличине суточного
с
о перепад
да температууры получ
чены знач
чения террмических
х напряжений. Прии рассмоттрении
их харрактера оттмечено, что напрряжения первого
п
рода изменняются пропорп
ционалльно вели
ичине раззности меежду макссимальной и миниимальной температураами металллоконстр
рукции, а напряжеения втор
рого родаа – обратн
но пропорционально температтуре метааллоконсттрукции. График иизменени
ия температууры и нап
пряжений представвлен на ри
ис. 7.
Р
Рисунок 7 – Изменение темп
пературы
ы и термич
ческих наапряжений
й
в теечение су
уток
К
Концентрааторы расссматривааемых род
дов напряяжений ррасполагааются в
разныхх местах металлоконструккции. Макксимальн
ные напряяжения первого
п
рода ввозникаю
ют в областях с реезким пер
реходом толщины
ы металлаа, и их
максим
мум состаавляет 4,4
4 и 7,58 M
MПa. Это
о места гр
раницы бооковых сттенок с
основн
ным объеемом метаалла. Осн
новная дол
ля отказо
ов приходдится на область
о
12
днищаа ковша. Напряжен
Н
ния первоого рода в этих меестах не ппревышаю
ют значения 2 МПа, а с учетом
м неравноомерности распред
деления ссвойств металла
м
напряж
жение сосставляет 18,74 МП
Па.
Рисуноок 8 – Обл
ласти конц
центраци
ии максим
мальных ттермическ
ких
н апряжени
ий
В силу тогго, что в местах
м
свварки треещин и нааплавки м
металла конценк
трирую
ются остааточные сварочные
с
е напряж
жения, и этти места яявляютсяя менее
прочны
ыми, чем
м остальная металллоконстру
укция, нееравностьь распределения
свойсттв матери
иала, при
иводящаяя к появл
лению теермическиих напряяжений
второгго рода, оказываеет сущесственное влияние на надеежность ковша
фронттального погрузчи
п
ка (напряяжения первого
п
рода в даннном слу
учае не
являются значи
имыми, таак как ихх величин
ны малы, и в местаах, где он
ни конируются, разрушен
ния отсуттствуют).
центри
Д
Для оценкки точности моделли при зад
данных гр
раничныхх условияях проведен анализ схходимости
и решени
ия. Резулььтаты реш
шения проочностной
й части
задачи
и при разн
ном колич
честве коонечных элементов
э
в представвлены в табл.
т
2.
В теплловой чаасти задач
чи при п
представленных ваариантах количесттва конечны
ых элемен
нтов разли
ичие меж
жду вариаантами раасчета сооставляет менее
0,5 %.
Таб
блица 2
С
Сходимост
ть значен
ний терми
ических на
апряжени
ий
Количесство
конечн
ных
элемен
нтов
в модеели
1844009
2945006
4647774
8335110
Данные схо
одимости м
максимальны
ых значений термическиих напряжен
ний
отнношение
отнош
шение
в местах
м
макси
ив местах
х неравнопреддыдущего
предыд
дущего
малььных градиеенмерного распределер
значенния напрязначенияя напрятов температуры,
ния свойств
с
ж
жения
жен
ния
МПа
материала, МПа
к текуущему, %
к текущ
щему, %
8,11
–
20
0,21
–
7,58
–6,5
18
8,74
–7
7,2
7,70
1,6
18
8,45
–1,6
8,04
4,4
18
8,85
2,,2
13
При совместном рассмотрении результатов моделирования и регрессионного анализа погодно-климатические факторы – абсолютно минимальную суточную температуру 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
14
подход
дящим длля данногго контролля парамеетром явл
ляется моодуль уско
орения
изменеения тем
мпературы
ы металллоконстру
укции, ко
оторый ппри измен
нениях
термичческих наапряжени
ий позволляет получ
чить вели
ичину стеепени огр
раничения прредельно допустимой нагррузки, соо
ответству
ующую ам
мплитудее колебания термичесских напр
ряжений. На рис. 9 предстаавлены гррафики изменеи
ния моодуля усккорения изменени
и
ия темпер
ратуры ко
овша в оббласти дн
нища и
напряж
жений прри колебааниях тем
мпературы
ы (моментты времеени, когдаа необходим
мо выполн
нять ограаничение предельн
но допусттимой наггрузки, отмечео
ны заш
штриховаанными об
бластями)).
Рисунок
к 9 – Распр
ределениее величин
ны модуля
я ускорен
ния изменения
ттемператууры метал
ллоконсттрукции при
п колеба
аниях тер
рмических
х
напряжеений
В соответсствии с эттим в масссиве данн
ных, кото
орые испоользовали
ись для
получеения ураввнения реегрессии ээкспоненциальногго вида, сттолбец вееличин
суточн
ного переепада замеенен на сттолбец со
оответствующих знначений модуля
м
ускореения измеенения теемпературры метал
ллоконстр
рукции. П
Получено следующее уравнени
ие:
  0,018 (e0,038x )  0,018 (e10350y ) ,
где  – степеньь ограничения преддельно до
опустимо
ой нагрузкки (относсительная чаастота оттказов); х – абсоллютно ми
инимальная темпер
ература металла
м
(≈ абссолютно минималь
м
ьная темп
пература воздуха)); у – моддуль уско
орения
изменеения темп
пературы металла..
В графическом виде данное уравнени
ие предстаавлено наа рис. 10.
15
Ри
исунок 100 – Степен
нь ограни
ичения предельно допустимо
д
ой нагрузки
П
Полученнаая зависимость реаализуетсяя при использованиии структтурной
схемы
ы, предстаавленной на рис. 1 1. Сигнал
л Х с датч
чика темппературы металлоконсструкции
и поступаает в блокк, где пр
реобразуется в велличину сттепени
ограни
ичения соогласно левой частти получеенного ур
равнения ррегрессии
и. Сигнал Y (модуль ускорени
ия изменеения темп
пературы метала) ппреобразу
уется в
сигналл огранич
чения соггласно прравой чаасти уравнения и суммиру
уется с
другим
м. Для вы
ычислени
ия второй
й произво
одной нео
обходимы
ы как ми
инимум
три тоочки измеерения теемпературры с одинаковым временнным интер
рвалом
междуу ними. Для
Д этого
о устройство блока формир
рования ссигнала должно
д
быть сснабжено устройсттвом памяяти.
Рисуноок 11 – Сттруктурная схема бблока фор
рмирован
ния сигнаала ограни
ичения
редельно ддопустимой нагруззки
пр
16
С
Согласно предлож
женной сттруктурно
ой схемее в прогр
граммной среде
Matlabb Simulinkk, получеены граф ики измеенения сттепени огграничени
ия предельноо допусти
имой наггрузки прри суточн
ных колеб
баниях теемператур
ры металлокконструкц
ции в разл
личных ддиапазонаах.
Ри
исунок 12 – Изменение степеени ограничения пр
редельно допустим
мой
п суточн
ных колеб
баниях теемператур
ры
наагрузки при
Н
На рис. 122,а предсттавлены гграфики изменени
и
ия темперратуры мееталлоконстррукции, а на рис. 12,б
1
– сооответству
ующие им
м значениия степени
и ограничени
ия пределльно допу
устимой нагрузки
и. Предстаавлены трри вариан
нта затухающих колеебаний теемператууры, прои
исходящих в теченние трех суток.
Вариан
нт I (красная линия) – харрактеризу
уется болььшими наачальным
ми значениям
ми суточ
чного пер
репада теемператур
ры. Вариаант II (чеерная ли
иния) –
прибли
изительноо равным
ми по степ
пени влияяния знач
чениями ссуточного
о перепада ттемператууры и отри
ицательноой темпер
ратуры. Вариант
В
IIII (синяя линия)
показы
м суточн
ывает, какк отрицаттельная ттемперату
ура при небольшо
н
ном перепадее влияет на
н степен
нь ограни
ичения. В вариантее II, видноо, что вел
личина
степен
ни ограни
ичения пр
редельно допустим
мой нагру
узки пикаа 2 больш
ше значения пика 1 заа счет тогго, что при
и пике 2 перепад
п
температу
т
уры происходит
при боолее низки
их темпер
ратурах.
17
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, учитывающую 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. Полученные 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 изза 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,
18
4.
5.
6.
можно описать величиной минимальной суточной температуры и суточного перепада температуры как параметрами, соответствующими
наибольшему напряжению и разности между максимальным и минимальным напряжением за сутки.
Принятый параметр – модуль ускорения изменения температуры металлоконструкции позволяет в течение времени контролировать влияние на надежность рабочего оборудования фронтальных погрузчиков
суточного перепада температуры.
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.
Результативность выполненных исследований подтверждается размером ожидаемого экономического эффекта 106 тыс. рублей 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. 151–156.
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 // Мо-
19
лодежный вестник ИрГТУ, 2011 / № 1 [электронный ресурс]. URL: mvestnik.istu.irk.ru
3. Долгих Е.С., Иов А.А. 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. – C. 68–70.
5. Долгих Е.С. Создание, анализ и оптимизация конечноэлементной 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
20
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа