close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Анализ надежности фронтальных погрузчиков на горнодобывающих предприятиях Севера..pdf

код для вставкиСкачать
Механика и машиностроение
ким, сокращение среднего объёма выборки в соответствии с последовательными планами выборочного
контроля может быть уравновешено стоимостью продукции.
d) Продолжительность контроля.
Если проверка одной единицы продукции требует
много времени и несколько единиц продукции могут
быть проверены одновременно, последовательные
планы выборочного контроля требуют существенно
большего времени, чем соответствующие одноступенчатые планы.
e) Изменчивость характеристик качества в партии.
Если партия состоит из двух или большего количества подпартий, поступивших из различных источников, и если вероятно наличие существенных различий между характеристиками качества подпартий,
применение последовательного плана выборочного
контроля является менее удобным, чем соответствующего одноступенчатого плана.
Преимущества от сокращения среднего объёма
выборки для последовательного плана и вышеупомянутые недостатки показывают, что последовательные
планы выборочного контроля подходят только тогда,
когда контроль отдельных единиц является дорогостоящим по сравнению с общими затратами на проведение контроля.
Выбор между одноступенчатыми и последовательными планами выборочного контроля должен
быть сделан до начала контроля. В процессе контроля
партии запрещается изменять план контроля, поскольку оперативные характеристики плана могут существенно измениться.
Статья поступила 17.04.2014 г.
Библиографический список
1. ГОСТ Р ИСО 9000–2008 Системы менеджмента каче6. ГОСТ Р ИСО 3951–2–2009 Статистические методы.
ства. Основные положения и словарь. М.: Стандартинформ,
Процедуры выборочного контроля по количественному при2009.
знаку. Ч. 2: Общие требования к одноступенчатым планам
2. ГОСТ Р 50779.30–95 Статистические методы. Приемочна основе AQL при контроле последовательных партий по
ный контроль качества. Общие требования. М.: Изд-во станнезависимым характеристикам качества. М.: Стандартиндартов, 1996.
форм, 2009.
3. ГОСТ Р 50779.50–95 Статистические методы. Приемоч7. ГОСТ Р ИСО 3951–3–2009 Статистические методы.
ный контроль качества по количественному признаку. ОбПроцедуры выборочного контроля по количественному прищие требования. М.: Изд-во стандартов, 1996.
знаку. Ч. 3: Двухступенчатые схемы на основе AQL для кон4. ГОСТ Р 50779.53–98 Статистические методы. Приемочтроля последовательных партий. М.: Стандартинформ,
ный контроль качества по количественному признаку для
2009.
нормального закона распределения. Ч. 1: Стандартное от8. ГОСТ Р ИСО 3951–4–2013 Статистические методы.
клонение известно. М.: Изд-во стандартов, 1996.
Процедуры выборочного контроля по количественному при5. ГОСТ Р ИСО 3951–1–2007 Статистические методы.
знаку. Ч. 4: Процедуры оценки заявленного уровня качества.
Процедуры выборочного контроля по количественному приМ.: Стандартинформ, 2013.
знаку. Ч. 1: Требования к одноступенчатым планам на осно9. ГОСТ Р ИСО 3951–5–2009 Статистические методы.
ве предела приемлемого качества для контроля последоваПроцедуры выборочного контроля по количественному прительных партий по единственной характеристике и единзнаку. Ч. 5: Последовательные планы на основе AQL для
ственному AQL. М.: Стандартинформ, 2007.
известного стандартного отклонения. М.: Стандартинформ,
2009.
УДК 519.248: 621.117
АНАЛИЗ НАДЕЖНОСТИ ФРОНТАЛЬНЫХ ПОГРУЗЧИКОВ НА ГОРНОДОБЫВАЮЩИХ
ПРЕДПРИЯТИЯХ СЕВЕРА
© Е.С. Долгих1, Д.Е. Махно2
Иркутский государственный технический университет,
664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Представлены результаты статистического анализа отказов ковшей погрузчиков L-1000. Подтверждено, что отрицательная температура и ее суточный перепад оказывают влияние на надежность механизма. В ходе теплопрочностного анализа конечно-элементной модели установлено, что причиной чувствительности данного узла
погрузчика к суточным колебаниям отрицательной температуры является анизотропия свойств материала, возникшая вследствие неизбежной сварки и наплавки металла.
Ил. 1. Табл. 5. Библиогр. 8 назв.
Ключевые слова: горные машины; хладноломкость; статистический анализ; температурная усталость; конечно-элементный анализ.
___________________________
1
Долгих Евгений Сергеевич, аспирант, тел.: 89016561091, e-mail: dolgih.es@istu.edu
Dolgikh Evgeny, Postgraduate, tel.: 89016561091, e-mail: dolgih.es@istu.edu
2
Махно Дмитрий Евсеевич, доктор технических наук, профессор кафедры горных машин и электромеханических систем, тел.:
3952405085.
Makhno Dmitry, Doctor of technical sciences, Professor of the Department of Mining Machinery and Electromechanical Systems, tel.:
3952405085.
54
ВЕСТНИК ИрГТУ №6 (89) 2014
Механика и машиностроение
RELIABILITY ANALYSIS OF FRONT END LOADERS AT NORTHERN MINING ENTERPRISES
E.S. Dolgikh, D.E. Makhno
Irkutsk State Technical University,
83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.
The article presents the results of statistical analysis of bucket failures of L-1000 loaders. Reliability of the mechanism is
proved to be affected by the subzero temperature and its daily gradient. The heat-stress analysis of a finite element
model shows that the cause of loader’s bucket sensitivity to daily range of subzero temperatures is the anisotropy of m aterial properties resulting from inevitable welding and welding deposition.
1 figure. 5 tables. 8 sources.
Key words: mining machinery; cold brittleness; statistical analysis; thermal fatigue; finite element analysis.
Горнодобывающие предприятия России в основном располагаются в регионах с холодным климатом,
где продолжительность периода с температурами ниже нуля может составлять больше половины года.
Величины отрицательных температур в этих регионах
в зимние месяцы достигают -40 ÷ -60 градусов, а в
весенние месяцы при абсолютно минимальной температуре -30÷-40 градусов величина её суточного колебания может доходить до 20–30 градусов.
Согласно статистическим данным об отказах ковшей фронтальных погрузчиков L-1100, эксплуатируемых на «Удачнинском ГОКе» (АК АЛРОСА), установлено, что во время весеннего периода, когда происходит повышение суточного перепада температуры, в
интервале её отрицательных значений существенно
увеличивается количество хрупких разрушений. В результате проведённого регрессионного анализа получены поверхность отклика (рисунок) и описывающее
её уравнение, отвечающее всем предъявляемым требованиям проверки на значимость [1].
Поверхность отклика, описываемая уравнением
регрессии
Уравнение регрессии подтверждает существенное
влияние на надёжность ковша суточных колебаний
отрицательных температур. В табл. 1 представлены
данные регрессионной статистики.
Известно, что отрицательная температура оказывает влияние на надёжность металлоконструкций как
фактор, снижающий ударную вязкость металла. При
колебаниях температуры окружающей среды в металлоконструкциях возникают дополнительные напряжения [2]. Различают два рода температурных напряжений. Напряжения первого рода возникают из-за неравномерного распределения температурных полей по
объёму металлоконструкции. Напряжения второго
рода вызываются различным коэффициентом теплового расширения отдельных фаз, анизотропией термического расширения отдельных зёрен, а также различным объёмом составляющих структур [3].
Ковш фронтального погрузчика представляет собой металлоёмкую конструкцию. Имеются места перехода сечения от 40 к 100 мм. Массивная металлоконструкция вследствие этого склонна к возникновению в
ней температурных напряжений первого рода из-за
быстрого изменения температуры окружающей среды.
Трещины на ковше появляются в основном в области днища. И составляют 75% от общего количества
хрупких разрушений ковша [4]. Связано это с тем, что
область днища подвержена большему истиранию о
горную породу. Для продления срока эксплуатации
трещины заваривают, а места износа наплавляют.
Сварка и наплавка металла приводят к образованию
областей с неравномерным распределением механических и теплофизических свойств материала. По этой
причине места сварки и наплавки могут быть концентраторами напряжений второго рода.
На основании результатов статистического анализа отказов ковшей, необходимо с учётом вышеописанных особенностей металлоконструкций и свойств материала, выполнить тепло-прочностные расчёты по
определению величин температурных напряжений
обоих родов, а также выявить параметры для осуществления их контроля. Определение этих параметров выполняется с целью разработки способа ограничения предельно допустимой нагрузки на ковш.
Тепло-прочностный анализ проводился в программе конечно-элементного моделирования Ansys.
Перед выполнением модели ковша фронтального погрузчика для тестирования программы на точность
расчёта выполнено решение нескольких примеров
нестационарных тепловых, а также связанных теплопрочностных задач, затем сравнение результатов их
решения с аналитическими. В качестве тестовых созданы конечно-элементные модели для расчёта:
ВЕСТНИК ИрГТУ №6 (89) 2014
55
Механика и машиностроение
Таблица 1
Уравнение регрессии
Данные регрессионной статистики
Коэффициент
Коэффициент
Стандартная
множественной
регрессии
ошибка
корреляции
0,79
t-критерий
Уровень значимости
-0,079
0,0254
-3,12
4 103
-0,002
0,0006
-3,07
4,5 103
0,015
0,0022
6,31
6 107
Примечание: x – абсолютно-минимальная суточная температура; y – суточный перепад температур.
- температуры в центре металлического слитка
и его поверхностей в различные моменты времени
после помещения его в печь; результат сравнивался с
аналитическим примером решения 2–8 из [5];
- коэффициентов интенсивности напряжений в
вершине трещины, расположенной в центре прямоугольной металлической пластины при условии, что
температура краёв пластины отлична от температуры
берегов трещины; выполнена также модель с наклонной трещиной. Аналитические решения проведены
согласно примерам 11.16 и 11.20 из [6];
- коэффициентов интенсивности напряжений в
вершине дискообразной трещины, расположенной
параллельно границе полупространства и возмущающей равномерный тепловой поток. Аналитический
расчёт выполнен согласно примеру 11.37 из [6].
При использовании конечно-элементной модели
металлического слитка размером 200×400×500 мм
проведён расчёт для определения температуры в его
центре и центрах поверхностей через полтора часа
после помещения в печь. Представленные в табл. 2
результаты численного и аналитического решения
хорошо совпадают друг с другом.
С применением программы вычисление коэффициентов интенсивности напряжений в вершине трещины при температурном нагружении выполнено решением тепловой стационарной и прочностной статической задачи. Для расчёта коэффициентов интенсивности напряжений в Ansys реализован метод аппроксимации перемещений берегов трещины и метод
расчёта J-интеграла [7]. Значения коэффициентов
интенсивности напряжений, полученные этими методами для моделей центральной и центральной
наклонной трещины в металлической пластине, а также модели дискообразной трещины, расположенной
вблизи полупространства, хорошо согласуются с аналитическими вариантами решения. В табл. 3, 4, 5
представлены результаты расчёта вышеперечисленных моделей.
Таблица 2
Результаты расчёта температуры слитка
о
Температура, С. Аналитическое решение
Температура, С.°
Решение в Ansys
Отношение, %
В центре слитка
1282
1282,2
0,016
В середине грани 200×400 мм
1331
1329,5
0,113
В середине грани 200×500 мм
1323
1323,1
0,008
Расположение точки измерения температуры
Таблица 3
Модель пластины с центральной трещиной
ΔT,
Аналитическое решение
°С
4
7
12
Примечание:
56
Решение в Ansys
Метод расчёта J-интеграла
КI,
КI,
МРа м
МРа м
1,086
1,901
3,258
1,076
1,883
3,228
Метод аппроксимации перемещений
берегов трещины
Отношение, %
КI,
МРа м
0,93
0,93
0,93
T – разность между температурами берегов трещины и краев пластины.
ВЕСТНИК ИрГТУ №6 (89) 2014
1,076
1,883
3,228
Отношение, %
0,93
0,93
0,93
Механика и машиностроение
Таблица 4
ΔT,
Модель пластины с центральной наклонной трещиной
Аналитическое решение
Решение в Ansys. Метод расчёта J-интеграла
°С
Отношение, %
КI,
К II ,
КI,
К II ,
МРа м
МРа м
МРа м
МРа м
4
3,869
0,611
3,988
0,605
2,996
0,836
7
6,771
1,069
6,980
1,060
2,996
0,835
12
11,601
1,832
11,966
1,817
2,996
0,835
Примечание:
h, m
0,03
0,05
T – разность между температурами берегов трещины и краев пластины.
Таблица 5
Дискообразная трещина расположенная вблизи полупространства
Аналитическое решеРешение в Ansys
ние
Метод расчёта J-интеграла
Метод аппроксимации перемещений
берегов трещины
Отношение,
Отношение,
К II ,
К II ,
К II ,
КI,
КI,
КI,
%
%
Ра м
Ра м
Ра м
Ра м
-284,8
-115,4
6399,0
6436,8
-284,9
-112,0
6229,3
6356,8
0,03
2,94
2,6
1,2
Ра м
Ра м
-292,03
-115,22
6345,1
6384,4
2,5
0,2
0,8
0,8
Примечание: h – расстояние между трещиной и полупространством.
Проработанные разнообразные примеры конечноэлементных моделей для решения тепловых и теплопрочностных задач дают основу для выполнения модели ковша фронтального погрузчика с целью рассмотрения процесса возникновения в нём температурных напряжений при колебании температуры окружающей среды.
Конечно-элементная модель ковша выполнена
элементами формы тетраэдра. Доля конечных элементов неправильной формы составляет менее 0,2%.
В области стыка материалов выполнено более интенсивное сгущение конечно-элементной сетки. Проведено также сравнение результатов решений при разных
размерах конечных элементов.
Тепло-прочностный анализ модели предусматривает выполнение двух различных вариантов постановки задачи. Первый вариант используется для расчёта температурных напряжений только первого рода.
Во втором варианте, для создания концентратора
напряжений второго рода в области днища задаётся
анизотропия свойств материала в виде небольшого
включения с отличным по величине от основного материала коэффициентом теплового расширения на
10%. Моделью ковша с неоднородными свойствами
материала учитываются также напряжения первого
рода.
В ходе решения первым этапом выполняется вычисление распределения температурного поля по
объёму, а затем вызванных им напряжений. В тепловой части задачи на поверхность ковша приложена
изменяющаяся по времени температура окружающей
среды. Интенсивность теплообмена между окружающей средой и поверхностью металла задаётся вели-
чиной коэффициента конвекции. Температурная
инерционность ковша определяется теплофизическими свойствами материала и геометрическими особенностями конструкции. Продолжительность рассчитываемого нестационарного процесса составляет 24
часа. Полученные в тепловой части задачи данные о
распределении температурных полей передаются в
прочностную, где по ним согласно величине коэффициента теплового расширения вычисляются деформации и напряжения. Результаты тепловой части решения являются общими для обоих случаев постановки задачи, так как начальные условия и свойства: теплоёмкость, теплопроводность, плотность, – у материалов заданы одинаковые.
В результате выполненного решения при задании
максимально возможной в районе «Удачнинского
ГОКа» величины суточного перепада температуры,
получены значения температурных напряжений. Рассматривая их характер, можно отметить пропорциональность изменения напряжений первого рода скорости изменения температуры металла, а напряжений
второго рода – температуре металла. Концентраторы
этих напряжений при этом располагаются в разных
местах металлоконструкции. Максимальные напряжения первого рода возникают в областях с резким переходом толщины металла и их максимум составляет
7 МPa. Это места границы боковых стенок с основным
объёмом металла. Тут зафиксировано 5% отказов. Как
отмечалось выше, основная доля отказов приходится
на область днища ковша. Напряжения первого рода в
этих местах не превышают 3 МРа, а в области стыка
отличных по свойствам материалов напряжение составляет 15 МРа. В силу того что в местах сварки
ВЕСТНИК ИрГТУ №6 (89) 2014
57
Механика и машиностроение
трещин и наплавки металла концентрируются остаточные сварочные напряжения и эти места являются
менее прочными, чем остальная металлоконструкция,
различие свойств материала, приводящее к появлению и изменению напряжений первого рода при перепадах отрицательных температур, оказывает решающее действие на процесс разрушения.
Следует также отметить, что вариация величины
коэффициента конвекции, которым учитывается влияние скорости ветра на процесс теплообмена между
окружающей средой и поверхностью металла ковша,
на величину напряжений оказывает малозначительное влияние. Это обусловлено особенностями металлоконструкции ковша. За счет того что при небольшой
толщине стенки и значительной величине площади
поверхности, контактирующей с внешней средой, увеличение коэффициента конвекции от 10 до 30
Вт м2 С приводит к понижению напряжений первого рода на 1 МPa и повышению напряжений второго
рода на 1,5 МРа. Эти величины коэффициента конвекции соответствуют приблизительной скорости ветра 2 и 10 м/c согласно [8]. Понижение напряжений
первого рода при увеличении скорости ветра связано
с тем, что в данном случае величины этих напряжений
обусловлены не температурными градиентами по глубине металла, а градиентами, направление которых
определяется переходом от одной толщины металла к
другой. Усиление скорости ветра приводит к снижению
этих градиентов и тем самым уменьшает напряжения,
вызванные ими. Что касается температуры металла,
то вариация величины коэффициента конвекции в
этом же интервале вызывает изменение температуры
металла на 2°С.
При совместном рассмотрении результатов конечно-элементного моделирования и статистического
анализа можно сделать следующие выводы:
- Возникающая вследствие неизбежной сварки
и наплавки металла в области днища ковша анизотропия свойств материала становится основной причиной повышенной чувствительности этого механического узла к суточным колебаниям отрицательной
температуры.
- При приложении механических нагрузок изменяющиеся в течение дня температурные напряжения
второго рода приводят к более интенсивному разрушению металла.
- На надёжность ковшей фронтальных погрузчиков оказывает влияние циклическое изменение
напряжений второго рода в сочетании с отрицательной температурой. При этом соответствующие величине абсолютно минимальной суточной температуры
максимальные напряжения оказывают не столь сильное влияние, как амплитуда их суточного изменения.
- Погодно-климатические факторы, температура и её суточный перепад следует рассматривать как
параметры, описывающие характер температурного
нагружения, приводящего к температурной усталости.
Абсолютно минимальной температуре соответствует
максимальное напряжение за цикл, а суточный перепад – разности между максимальным и минимальным
напряжением.
Для того чтобы снизить вероятность отказов ковшей, возникающих в период больших амплитуд суточных колебаний отрицательных температур, нужно
компенсировать их влияние путем установления предельно допустимой механической нагрузки для разных
сочетаний величин температуры и её суточного перепада. При этом доля влияния каждого погодноклиматического фактора на степень ограничения предельно допустимой нагрузки должна устанавливаться
согласно полученному уравнению регрессии. Что касается определения величины степени ограничения,
то она определяется по методике, изложенной в [4].
Уравнение регрессии позволяет получить величины
степени ограничения предельно допустимой нагрузки
для разных вариантов величин абсолютно минимальной суточной температуры и её суточного перепада,
однако эти данные не дают представление о том, как
выполнять ограничение в течение дня. Так как в результате конечно-элементного анализа установлено,
что превалирующим из температурных напряжений
являются напряжения второго рода, а их величина
изменяется пропорционально температуре металла,
то при колебаниях температуры окружающей среды
ограничение нужно выполнять в зависимости от величины ускорения изменения температуры металла.
Статья поступила 27.03.2014 г.
Библиографический список
1. Бараз В.Р. Корреляционно-регрессионный анализ связи
[и др.]. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2010. 232 с.
показателей коммерческой деятельности с использованием
5. Краснощеков Е.А., Сукомел А.С. Задачник по теплопепрограммы Excel: учеб. пособие. Екатеринбург: ГУГТУ–УПИ,
редаче: учеб. пособие для вузов. 4-е изд., перераб. М.:
2005. 102 с.
Энергия, 1980. 288 с.
2. Макаров А.П. Развитие усталостных трещин в металло6. Справочник по расчёту коэффициентов интенсивности
конструкциях экскаваторов // Вестник Иркутского государнапряжений: в 2 т. / пер. с англ.; под ред. Ю. Мураками. М.:
ственного технического университета. 2009. № 11. С. 105–
Мир, 1990. 1016 с.
109.
7. Морозов Е.М., Муйземнек А.Ю., Шадский А.С. Ansys в
3. Веронский А. Термическая усталость металлов / пер. с
руках инженера: механика разрушения. Изд. 2-е, испр. М.:
польск. М.: Металлургия, 1986. 128 с.
Ленард, 2010. 456 с.
4. Хладноломкость и хладостойкость металлоконструкций
8. Кох П.И. Надёжность горных машин при низких темпегорных машин в условиях Севера: монография / Д.Е. Махно
ратурах. М.: Недра, 1972, 192 с.
58
ВЕСТНИК ИрГТУ №6 (89) 2014
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
10
Размер файла
2 360 Кб
Теги
анализа, надежности, север, фронтальной, горнодобывающих, pdf, предприятия, погрузчики
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа