Исследование надежности редукторов шагающих экскаваторов эш 20. 90 Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 622.232.8.004(075.8)

ИССЛЕДОВАНИЕ НАДЕЖНОСТИ РЕДУКТОРОВ ШАГАЮЩИХ ЭКСКАВАТОРОВ ЭШ 20.90 © И.А. Иов1

Иркутский государственный технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Проведены исследования надежности механизмов тяги и подъема шагающих экскаваторов ЭШ 20.90, эксплуатируемых в условиях Сибири. Получены зависимости вероятности отказов редукторов от срока эксплуатации, определены наиболее нагруженные узлы редукторов и указаны причины их выходов из строя. Представлена динамика частоты отказов редукторов в зависимости от времени года. Ил. 10. Библиогр. 6 назв.

Ключевые слова: драглайн; редуктор тяги; ресурс.

RELIABILITY STUDY OF WALKING DRAGLINE ESH 20.90 REDUCTION GEAR I.A. Iov

Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.

The reliability of traction and lifting mechanisms of walking draglines ESh 20.90 exploited in Siberia is studied. Dependencies of reduction gear failure possibility on the service life of reduction gear are obtained. The most loaded gear assemblies are identified as well as the reasons for their failure. The article presents the failure rate dynamics of reduction gear depending on the time of year. 10 figures. 6 sources.

Key words: dragline; reduction gear; service life.

Шагающие экскаваторы являются основным средством механизации работ при разработке пластовых месторождений бурых и каменных углей. В настоящее время большая часть таких месторождений находится в районах Сибири с суровыми климатическими условиями. Опыт эксплуатации экскаваторов в этих условиях показывает, что значительная часть простоев связана с отказами копающих механизмов. Причиной является высокая загруженность механизмов, связанная с разработкой недостаточно разрыхленной горной массы и смерзанием массива в зимнее время года, поэтому исследование надежности копающих механизмов шагающих экскаваторов в условиях Сибири является весьма актуальной задачей.

Исследования проводились по парку шагающих экскаваторов-драглайнов ЭШ 20.90, эксплуатировавшихся на разрезе «Черемховский» ОАО «Востсибу-голь» в период с 2000 по 2011 гг. Парк составляли шесть экскаваторов с максимальным сроком эксплуатации более 25 лет.

Обработка статистических данных по отказам показывает, что с увеличением срока эксплуатации шагающего экскаватора увеличивается количество отказов тягового и подъемного механизмов: наименее надежной частью механизмов копания являются унифицированные редукторы тяги и подъема ковша. Распределение суммарного количества отказов редукторов по годам эксплуатации приведено на рис. 1.

Период

Рис. 1. Динамика частоты отказов редукторов тяги и подъема экскаваторов ЭШ 20.90 в 2000-2011 гг.

1Иов Иван Алексеевич, аспирант, тел.: 89140329437, e-mail: iovivan@rambler.ru Iov Ivan, Postgraduate, tel.: 89140329437, e-mail: iovivan@rambler.ru

Возрастающая динамика частоты отказов редукторов тяги и подъема с увеличением срока службы экскаваторов свидетельствует о постепенном исчерпывании ресурса узлов редуктора. Система планово-предупредительных ремонтов, используемая на предприятии, не позволяет обеспечить надежную работу узлов, поскольку при оценке их технического состояния пока используется только органолептический метод. Поэтому нередки случаи, когда после планового ремонта происходили повторные отказы редуктора тяги или подъема. Для определения задач и разработки путей повышения эксплуатационной надежности редукторов тяги и подъема экскаваторов ЭШ 20.90 необходимо выявить причины их отказов.

Поскольку режимы работы редукторов тяги и подъема имеют существенное различие, для каждого редуктора было выполнено исследование частоты отказов в зависимости от срока эксплуатации, определен наиболее слабый узел и найдены места повреждений.

Режимы работы редукторов тяги и подъема оказывают прямое влияние на скорость износа их узлов. Высокие статические и динамические нагрузки, возникающие в механизме тяги при заполнении ковша, связанные со стопорением механизма, интенсивно изнашивают детали редуктора. Поэтому частота отказов

редуктора тяги превышает этот показатель по редуктору подъема в 1,3-1,9 раза (рис. 2, 3).

Хаотичное изменение частоты отказов редуктора подъема является следствием несвоевременного проведения плановых ремонтов. Происходит это из-за отсутствия неразрушающего контроля состояния деталей аппаратными методами и низкого качества поставляемых запасных частей (см. рис. 3).

Исследование надежности элементов редукторов тяги и подъема показывает, что более половины всех выходов из строя редукторов приходится на вал-шестерню. Для редуктора тяги общая частота отказов валов-шестерней составляет 60% от суммарного количества отказов редуктора (рис. 4). Схожие результаты получены для редуктора подъема с общей частотой отказов валов-шестерней 62% (рис. 5).

Наиболее слабым узлом в редукторах является вал-шестерня (г=20, т=26), доля отказов которого составляет 39 и 50% в тяговом и подъемном редукторах соответственно. Наблюдается два основных типа отказов вала-шестерни: разрушение вала, связанное с образованием трещин в области галтели и окончания шлицевого содеинения эластичной муфты (60%) и предельный износ и излом зубьев вала-шестерни (40%) (рис. 6).

Рис. 2. Динамика частоты отказов редуктора тяги экскаваторов ЭШ 20.90 в 2000-2011 гг.

Рис. 3. Динамика частоты отказов редуктора подъема экскаваторов ЭШ 20.90 в 2000-2011 гг.

вал-шестерня шевронное вал барабана вал-шестерня зубчатое кол eco Z=32, m=12 колесо Z=20,m=26 Z=103, m=26

Z=140, m=12

Рис. 4. Распределение отказов редуктора тяги (z - число зубьев, т - модуль зубчатой передачи)

вал-шестерня вал барабана шевронное вал-шестерня зубчатое г=20,т=2б колесо 2-32, т=12 колесо

7=140, т=12 7=103, т=2б

Рис. 5. Распределение отказов редуктора подъема (г - число зубьев, т - модуль зубчатой передачи)

Рис. 6. Места образования повреждений на вале-шестерне (z=20; m=26)

Рассмотрим типы отказов более подробно. Пояление трещин в месте окончания шлицевого соединения в большинстве случаев присходит вследствие нарушения соосности валов и появления зазоров в шлицевом соединении. Радиальные биения, вызванные указанными причинами, дополнително нагружают соединение, способствуя развитию трещины, которая, как правило, распространяется под углом к оси вала-шестерни.

Область галтели является местом повышенной концентрации напряжений. Образование трещин в этом месте присходит, как правило, перпендикулярно оси вала-шестерни с дальнейшим развитием в направлении центральной оси.

Износ зубьев вала-шестрени происходит более интенсивно со стороны, подверженной нагрузкам. Износ профиля зуба происходит равномерно по всей длине (рис. 7), в отдельных случаях наблюдаются сколы и выкрашивания рабочей поверхности зуба на глубину до 3 мм.

Рис. 7. Износ профиля зуба вала-шестерни (2=20; т=26)

Изломы зубьев связаны с развитием усталостных трещин в основании зуба. Зародышами трещин являются микротрещины, образующиеся на рабочей поверхности зуба в процессе закалки токами высокой частоты и в результате влияния высоких динамических нагрузок (рис. 8) [2].

Рис. 8. Излом зуба вала-шестерни (2=20; т=26)

Обработка данных по наработке на отказ вал-шестерни (г=20, т=26) методами математической статистики показала, что распределение наработок

между отказами описывается полиномом четвертой степени у=-0,384х3+3,012х2-7,115х+5,641 с уровнем значимости 0,9 (рис. 9).

Рис. 9. Экспериментальное и теоретическое распределения наработки на отказ вала-шестерни (2=20; т=26)

Достаточно высокая вероятность отказа в интервале 0-3000 тыс. м3 объясняется приработкой детали, проявлением дефектов, допущенных при ковке, заготовки и изготовлении. Второй пик отражает наступление предельного состояния вала-шестерни из-за предельного износа зубьев, образования усталостных трещин.

Исследованиями установлено, что загруженность копающих механизмов в зимнее время увеличивается [5]. Это связано с увеличением гранулометрического состава пород и наличием негабаритов, в том числе и после взрыва, смерзанием горной массы. Распределение отказов хорошо согласуется с результатами вышеупомянутых исследований (рис. 10).

На графике имеются два пика отказов: первый пик приходится на начало зимы, второй - на весенние месяцы. Объясняется это тем, что с понижением температуры изменяются физико-механические свойства сталей: увеличивается предел текучести и одновременно ухудшаются пластические свойства, а также величина ударной вязкости сталей, т.е. повышается вероятность хрупких разрушений вследствие появления динамических нагрузок [1; 4].

Для деталей с концентраторами напряжений, представляющими собой трещины, шероховатости, наличие пор в металле, понижение температуры ограничивает способность противостоять динамическим нагрузкам. Поэтому отказы деталей с дефектами происходят в первые месяцы зимы [3; 6].

Второй пик связан с исчерпанием ресурса деталей редуктора в связи с более частыми динамическими нагрузками, появляющимися в результате разработки плохо разрыхленной породы и смерзшейся горной массы.

Результаты проведенных исследований показывают, что надежность редукторов в большей степени определяется надежностью валов-шестерней, с отказами которых связаны более половины выходов из строя редукторов. Образование трещин происходит в местах повышенной концентрации напряжений. Наиболее нагруженными областями являются оконча-

Рис. 10. Распределение отказов подъемной и тяговой лебедок в течение года

ния шлицевых соединений и галтель вала-шестерни. Влияние отрицательных температур сказывается на увеличении загруженности деталей редуктора в связи с разработкой плохо разрыхленной породы и смерзшейся горной массы.

Высокий уровень отказов редукторов главных приводов, являющихся причиной проведения неплановых ремонтов, в 3-5 раз более длительных и трудоемких по сравнению с плановыми, связан с тем, что невозможно точно оценить состояние отдельных деталей визуально или другими способами, что имеет

место в практике эксплуатации машин. Кроме того, анализ работы и динамики частоты отказов драглайнов показал, что для повышения их надежности необходимо уменьшить уровень нагрузки в зимние месяцы. Сокращения простоев в ремонте и увеличения выработки машин можно добиться путем применения не-разрушающих методов технической диагностики, что позволит заблаговременно подготовить программы плановых ремонтов и снизить стоимость содержания машин.

Статья поступила 16.04.2014 г.

Библиографический список

1. Авдеев А.Н., Болотнев А.Ю., Унагаев Е.Н. Распределение напряжений в базовых узлах карьерных экскаваторов и хрупкие разрушения конструкций // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2009. № 2. С. 1719.

2. Большакова М.Ю. Исследование влияния состава и структуры упрочненного поверхностного слоя на долговечность тяжело нагруженных зубчатых колес: дис. ... канд. техн. наук: 05.16.09. Пермь, 2011.

3. Квагинидзе В.С., Козлов В.А. Влияние низких отрицательных температур на работоспособность металлоконструкций

горных машин // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2003. № 9. С. 27-29.

4. Кох П.И. Надежность горных машин при низких температурах. М.: Недра, 1972.

5. Путятин А.Н. Оценка долговечности металлоконструкций шагающих экскаваторов при разработке взорванных пород на угольных разрезах Кузбасса: дис. ... канд. техн. наук: 05.05.06. Кемерово, 2005.

6. Хладноломкость и хладостойкость металлоконструкций горных машин в условиях Севера. Д.Е. Махно, А.И. Шадрин, А.Н. Авдеев [и др.]. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2010. 232 с.

УДК 669.213.3

ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ ЭЛАСТИЧНОГО КОНИЧЕСКОГО ТОРА

1 9

© В.П. Кольцов1, Нгуен Ван Хоан2

Иркутский государственный технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Рассмотрены функциональные возможности эластичного тора при его использовании в различных машинах и механизмах. Проведен силовой анализ конического эластичного тора и описаны возможности использования эластичного конического тора в качестве не только средства размещения и герметизации, но и привода перемещения устройства.

1Кольцов Владимир Петрович, доктор технических наук, профессор кафедры оборудования и автоматизации машиностроения, тел.: (3952) 405150, e-mail: kolcov@istu.edu

Koltsov Vladimir, Doctor of technical sciences, Professor of the Department of Machinery and Automation of Mechanical Engineering, tel.: (3952) 405150, e-mail: kolcov@istu.edu

2Нгуен Ван Хоан, аспирант, тел.: 89247018668, e-mail: nguyenhoanirk@yahoo.com Nguyen Van Hoan, Postgraduate, tel.: +79247018668, e-mail: nguyenhoanirk@yahoo.com