CC BY
57
МЕХАНИКА. Механика деформируемого твердого тела
DOI.org/10.5281/zenodo.1408217 УДК 622.23.05
И.А. Паначев, И.В. Кузнецов
ПАНАЧЕВ ИВАН АНДРЕЕВИЧ - д.т.н., профессор, e-mail: pia.sm@yandex.ru КУЗНЕЦОВ ИЛЬЯ ВИТАЛЬЕВИЧ - к.т.н., заведующий кафедрой, e-mail: kuznetcov-ilia@yandex.ru
Кафедра строительных конструкций, водоснабжения и водоотведения Кузбасский Государственный технический университет имени Т.Ф. Горбачева Весенняя ул., 28, Кемерово, 650000
О трещинообразовании в металлоконструкциях большегрузных автосамосвалов при эксплуатации на разрезах Кузбасса
Аннотация: Приведены результаты мониторинга трещинообразования в металлических конструкциях большегрузных автосамосвалов типа БелАЗ при их эксплуатации на разрезах Кузбасса. Рассматриваются возможные причины и области образования трещиноподобных дефектов при эксплуатации карьерного автотранспорта на глубинах свыше 300 м. Определены узлы и элементы карьерных автомобилей и места возникновения наибольших суммарных напряжений посредством твердотельного моделирования, прочностного анализа и мониторинга состояния металлических конструкций в производственных условиях. Установлен закон развития длины трещины в областях соединения картера и крепления гидравлического цилиндра в зависимости от числа циклов нагружения. Представлена зависимость напряжений, возникающих в элементах металлических конструкций большегрузных автосамосвалов в процессе эксплуатации под действием различных нагрузок, от количества циклов нагруже-ний до отказа.
Ключевые слова: большегрузные автосамосвалы, задний мост, трещины, напряжения, твердотельное моделирование, циклы до отказа.
Введение
Опыт эксплуатации большегрузных автосамосвалов в сложных горно-геологических и горно-технологических условиях на разрезах Кузбасса показывает, что на выбор их основных элементов конструкции (тип подвески, трансмиссия и другие узлы), а также на изменение технико-экономических показателей влияют условия работы в границах разрабатываемого месторождения [2]. Повышенные рабочие нагрузки, возникающие при транспортировании горной массы, действуют на элементы металлических конструкций автосамосвалов и приводят к возникновению трещиноподобных дефектов различных форм и размеров [3].
Цель данной работы - осветить проблематику трещинообразования в металлоконструкциях автосамосвалов при эксплуатации на разрезах Кузбасса. Для этого на основе проведенного нами мониторинга возникновения трещиноподобных дефектов в металлических конструкциях большегрузных автомобилей предпринять попытку анализа их напряженного состояния на примере модели БелАЗ-75131.
© Паначев И.А., Кузнецов И.В., 2018
О статье: поступила 05.06.2018; финансирование: бюджет КузГТУ им. Т.Ф. Горбачева.
Анализ состояния металлических конструкций
Мониторинг состояния металлоконструкций автосамосвалов различной грузоподъемности с использованием методов визуального контроля и тензометрии проводился на разрезах севера, центра и юга Кузбасса в период 2013-2016 годов (рис. 1).
Рис. 1. Трещины на раме автосамосвала БелАЗ-75131 (фото авторов).
Сложные горно-геологические и горно-технологические условия эксплуатации автосамосвалов приводят к накоплению усталостных повреждений при чрезмерно больших нагрузках [4]. Эксплуатационные повреждения при этом являются следствием их усталостной деформации, они представляют собой различные дефекты, представленные трещинами, пробоинами, обломами, прогибами, скручиванием, короблением и др. [6].
По результатам статистической обработки данных мониторинга была построена диаграмма частоты возникновения трещиноподобных дефектов в металлоконструкциях автосамосвалов в зависимости от геолокации месторождения на территории Кемеровской области (рис. 2).
Геолокация месторождения
Рама ■ Задний мост ■ Передний мост ■ Кузов
Рис. 2. Частота возникновения трещиноподобных дефектов в металлоконструкциях автосамосвалов (рис. 2 и рис. 3: графики авторские).
Рисунок 2 иллюстрирует, что наиболее часто трещины возникают в рамах и задних мостах независимо от расположения разрабатываемого месторождения. Основными причинами их образования являются глубина разработки месторождения, качество дорог, уклоны технологических дорог, расстояние транспортирования, качество взорванной горной массы, пробег автосамосвала, состояние конструкции, климатические и другие условия эксплуатации.
Металлические конструкции грузовых самосвалов во время работы испытывают статические и динамические нагрузки [7]. К статическим воздействиям относятся веса собственный и перевозимой взорванной горной массы и полезного ископаемого, реакции амортизаторов автомобиля. При движении автомобиля по технологическим дорогам, а также при его загрузке горной массой экскаватором несущие металлоконструкции подвергаются динамическому нагружению.
В результате выполненных исследований установлено, что наибольшие напряжения в металлоконструкциях большегрузных автомобилей возникают в режимах загрузки и движения. При загрузке металлоконструкции рамы и подвески подвергаются воздействию динамического нагружения, являющегося результатом удара разгружаемой горной массы. Во время движения большегруза по карьерной дороге, характеризуемой значительными неровностями, наиболее нагруженными являются средняя и консольная части кузова, а также элементы подвески, испытывающие изгибно-крутильные нагрузки.
Более детальный анализ возникновения трещиноподобных дефектов в рамах и задних мостах большегрузных автосамосвалов на примере модели БелАЗ-75131 при эксплуатации на разрезах Кузбасса позволил построить пузырьковую диаграмму влияния глубины транспортирования горной массы на размер возникающих дефектов (рис. 3).
Пузырьки синего цвета строились по статистическим данным для рам большегрузных автосамосвалов модели БелАЗ-75131, а пузырьки красного цвета - для задних мостов. По вертикали откладывалась глубина транспортирования взорванной горной массы, которая ранжировалась тремя интервалами: до 150 м, 150-300 м, свыше 300 м. По горизонтали откладывалась длина трещиноподобных дефектов, которая также ранжировалась тремя интервалами: до 25 см, 25-50 см, свыше 50 см. Размеры пузырьков соответствуют частоте возникновения тре-щиноподобных дефектов различных размеров в определенных условиях эксплуатации, где одним из основных факторов образования трещин является глубина разрабатываемого месторождения.
до 25 25 - 50 свыше 50
Длина трещиноподобного дефекта, см
Рис. 3. Влияние глубины транспортирования горной массы на размер дефектов.
Как иллюстрирует рис. 3, при эксплуатации автомобилей типа БелАЗ-75131 на глубинах свыше 300 м в металлоконструкциях задних мостов чаще возникают трещиноподобные дефекты, длина которых местами превышает 50 см. В этом случае дефект может являться
аварийным, если его размер достигает 50-60 % от размера элемента конструкции. Актуальным является вопрос определения очагов повышенной концентрации напряжений в металлоконструкциях задних мостов.
Исследование напряженного состояния заднего моста БелАЗ-75131
На рис. 4 изображен задний мост автосамосвала БелАЗ-75131. Его основные металлические конструкции выполнены из стали 30Л [5].
Рис. 4. Задний мост автосамосвала БелАЗ-75131: 1 - воздухопровод; 2 - кронштейн; 3 - упор; 4 - картер заднего моста; 5 - кронштейн крепления поперечной штанги и подвески заднего моста; 6 - электромотор-колесо; 7 - пробка сливная; 8 - кронштейн крепления цилиндра подвески заднего моста; 9 - поручень; 10 - крышка люка;
11 - защелка; 12 - пробка контрольная [5].
Для исследования напряженного состояния в элементах конструкции заднего моста автосамосвала в программном комплексе ANSYS была разработана 3D-модель.
В каждой точке балки заднего моста автосамосвала численным методом определялись компоненты напряжений путем создания замкнутой системы, состоящей из уравнений статики, физических уравнений и уравнений Коши.
Для создания конечно-элементной модели определялись тип конечных элементов и модель, характеризующая свойства стали, из которой изготовлена конструкция (рис. 5).
Рис. 5. Структура конечных элементов модели в программном комплексе ANSYS
(скриншот авторов).
Длина элемента не превышала 1 мм, всего узлов в сетке 189613, а элементов 90546. На рис. 6 изображена расчетная схема с обозначением мест закрепления и действующих нагрузок.
Данные для расчета напряженного состояния металлических конструкций заднего моста представлены ниже.
Данные для расчета напряженного состояния Входные данные
1. Полная масса с грузом (т), кг 237000
2. Допускаемый боковой угол наклона (а), град. 10
3. Передаточное отношение редуктора колеса (и) 19
4. Мощность тягового электродвигателя ЭК-420А (Р), кВт 420
5. Крутящий момент тягового электродвигателя ЭК-420А (М), Нм 5984
6. Наружный диаметр шин (П), мм 3045
7. Смещение центра тяжести при боковом наклоне (а), мм 250
8. Расстояние между центрами колеи (/), мм 2210
9. Материал корпуса Сталь 30Л
10. Материал приваренных деталей Сталь 20
Рис. 6. Расчетная схема элементов балки заднего моста автосамосвала БелАЗ-75131
(скриншот авторов).
Нагрузки, полученные путем расчета, оказывают влияние лишь на образование усталости металла. В результате большого количества переменных воздействий возникают очаги концентрации напряжений, следствием чего является рост макротрещин в материале, которые и приводят к полному разрушению [1].
Прочностной анализ при твердотельном моделировании позволил установить, что зонами повышенной концентрации напряжений в элементах задних мостов автомобилей являются места крепления, картер и воздухораспределительная коробка (рис. 7).
Рис. 7. Твердотельное моделирование балки заднего моста автосамосвала БелАЗ-75131
(скриншот авторов).
Рисунок 7 показывает, что значения суммарных напряжений, возникающих в области соединения корпуса электромотор-колеса и картера заднего моста, а также в зоне крепления цилиндров подвески, достигают примерно 240 Мпа.
Анализ полученных результатов
Результаты расчета напряженного состояния и мониторинга трещинообразования в составном узле заднего моста подвески «картер-площадка крепления гидроцилиндра» позволили установить закон роста трещины в нем:
— = 8,7 • 10-14(ДЮ
3,5
где I - длина трещины; N - количество циклов приложения нагрузки; АК - размах коэффициента интенсивности напряжений; 8,7 • 10-14 и 3,5 - эмпирические константы материала.
С учетом геометрических особенностей элемента, параметров напряженного состояния и свойств материала уравнение роста трещины запишется как:
1кр = (5,26 - 2,7 • 10-5 • М)-1'33.
С помощью полученных показателей долговечности была построена диаграмма влияния количества циклов нагружения до отказа на значения возникающих при эксплуатации напряжений (рис. 8).
Рис. 8. Зависимость возникающих напряжений от циклов нагружения
(графики авторские).
Предел выносливости для стали 30Л, из которой выполнены узлы корпуса заднего моста, составляет 215 МПа. Согласно регулирующим стандартам количество циклов нагру-жения до отказа составляет 106 в случае, когда эксплуатационные напряжения в металлоконструкциях не превышают предела выносливости.
Пунктирной линией обозначены напряжения в 240 МПа, полученные по результатам статического расчета. В этом случае количество циклов нагружения до отказа не превысит 370 000, а значит, ресурс металлоконструкций подвески сокращается более чем в 2 раза.
Эксплуатация большегрузных автомобилей на разрезах Кузбасса ведется в сложных горно-технологических условиях, и постоянно изменяющиеся факторы, которые влияют на эквивалент напряжений в металлических конструкциях, оказывают существенное воздействие на изменение величины циклов нагружения до отказа металлических конструкций заднего моста. Уравнение, полученное аппроксимированием результатов исследования, позволяет установить искомую переменную:
N = 1 • 1014М-а3'52,
где N - количество циклов нагружения до отказа металлических конструкций заднего моста; Маа - математическое ожидание амплитуды напряжений, МПа.
Коэффициент аппроксимации при этом не превышает 0,97. Количество циклов до отказа можно определять с помощью полученной зависимости при оперативном решении эксплуатационных задач.
Заключение
Эксплуатационные воздействия на металлоконструкции большегрузных автомобилей при движении по карьерным и технологическим дорогам определяют величины напряжений в элементах подвески, которые зачастую превышают предел выносливости. Результатом их возникновения является образование и рост микро- и макротрещин, прогрессирующих и разрушающих элементы конструкции.
Разработка месторождений Кузбасса на больших глубинах усложняет использование для транспортировки взорванной горной массы иной вид транспорта, кроме автомобильного. Снижение частоты возникновения трещиноподобных дефектов аварийных размеров в элементах задних мостов большегрузных автосамосвалов при эксплуатации на глубинах свыше 300 м позволит сократить время простоев и расходы на ремонтные работы, сохранить ресурс металлоконструкций и увеличить объемы добычи полезных ископаемых.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Болотин В.В., Смирнов В.П., Кулешов А.А. Прогноз ресурса машин и конструкций. М.: Машиностроение, 1984. 334 с.
2. Васильев М.В. Эксплуатация карьерного автотранспорта / под общ. ред. М.В. Васильева. М.: Недра, 1979. 280 с.
3. Гольд Б.В., Оболенский В.П. Прочность и долговечность автомобилей. М.: Машиностроение, 1974. 345 с.
4. Зырянов И.В. Повышение эффективности систем карьерного автотранспорта в экстремальных условиях эксплуатации: дис. ... д-ра тех. наук. СПб., 2006. 378 с.
5. Карьерные самосвалы БелАЗ-75131, БелАЗ-75306. Руководство по эксплуатации. М.: Автоэкспорт, 1994.
6. Кулешов А.А. Проектирование и эксплуатация карьерного автотранспорта: справочник. Ч. 2. СПб.: Санкт-Петербургский горный ин-т, 1995. 203 с.
7. Panachev I.A., Kuznetsov I.V. Management procedure for life cycle of rear axle metalworks of heavy haulers. J. of Mining Science. 2015(51);2:267-273.
THIS ARTICLE IN ENGLISH SEE NEXT PAGE
Mechanics of Deformable Solids
DOI.org/10.5281/zenodo.1408217
Panachev I., Kuznetsov I.
IVAN PANACHEV, Doctor of Engineering Sciences, Professor, e-mail: pia.sm@yandex.ru ILYA KUZNETSOV, Candidate of Engineering Sciences, Head of the Department, e-mail: kuznetcov-ilia@yandex.ru
Department of Building Structures, Water Supply and Sanitation Kuzbass State Technical University named after T.F. Gorbachev 28 Spring St., Kemerovo, Russia, 650000
Cracking in metal structures of the large dump trucks operating in the Kuzbass coal mines
Abstract: The article presents the results of monitoring of cracking in metal structures of heavy dump trucks of BelAZ type operating in the Kuzbass coal mines. It examines possible causes of cracks and the spots where crack-like defects may appear when the trucks are operated in the depth of 300 metres and lower. By way of the solid modelling, strength analysis, and the monitoring of the condition of metallic constructions in the production environment, there have been determined the units and elements of the vehicle subjected to the greatest combined stresses. Determined is the dependence of the length of the crack developing in the joins of the crank case with the hydraulic cylinder on the number of loading cycles. The dependence of the stresses arising in the elements of the metal structures of heavy dump trucks operating with various loads on the number of cycles of loads to failures has been presented here.
Key words: heavy-load dump trucks, rear axle, cracks, stresses, solid-state modelling, cycles to failure.
REFERENCES
1. Bolotin. V.V., Smirnov V.P., Kuleshov A.A. Forecast of resource of machines and structures. Moscow, Machine Building, 1984, 334 p.
2. Vasiliev M.V. Operation of quarry vehicles. Moscow, Nedra, 1979, 280 p.
3. Gold B.V., Obolensky V.P. Strength and durability of cars. M., Machine Building, 1974, 345 p.
4. Zyryanov I.V. Increase of efficiency of systems of career motor transport in extreme conditions of operation. Diss. ... Doctor of Technical Sciences, Saint Petersburg, 2006, 378 p.
5. Career dump trucks BelAZ-75131, BelAZ-75306. User manual. M., Autoexport, 1994.
6. Kuleshov A.A. Design and operation of quarry vehicles. Handbook, Part 2. Saint Petersburg, 1995, 203 p.
7. Panachev I.A., Kuznetsov I.V. Management procedure for life cycle of rear axle metalworks of heavy haulers. J. of Mining Science. 2015(51);2:267-273.
