CC BY
37
УДК 622:621:879.34.083
ОЦЕНКА РАБОТОСПОСОБНОСТИ ОБОРУДОВАНИЯ КАРЬЕРНЫХ ЭКСКАВАТОРОВ В ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ УСЛОВИЯХ ЭКСПЛУАТАЦИИ
1 9
© А.Н. Авдеев', Л.И. Сосновский2
Иркутский государственный технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Предложен комплексный подход к оценке работоспособности горной техники, эксплуатируемой на карьерах Севера в экстремальных условиях. Он включает в себя натурные наблюдения, статистический анализ фактических данных и создание на их основе обобщенной базы сведений. В качестве результата представлен алгоритм повышения качества эксплуатации карьерных экскаваторов. Ил. 2. Табл. 1. Библиогр. 3 назв.
Ключевые слова: экскаваторы; регионы Севера; металлоконструкции; конечно-элементное моделирование.
ASSESSING PERFORMANCE OF MINING SHOVEL EQUIPMENT UNDER EXTREME OPERATING CONDITIONS A.N. Avdeev, L.I. Sosnovskiy
Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.
A comprehensive approach to assessing the performance of mining machinery operated in the extreme conditions of the open pit mines of the North is proposed. It includes field observations, statistical analysis of the factual data and the creation on that basis of a generalized data base. The study results in the development of the algorithm to improve the operation quality of mining equipment, mainly mining shovels. 2 figures. 1 table. 3 sources.
Key words: excavators (shovels); regions of the North; metal structures; finite-element modeling.
Крупногабаритные экскаваторы эксплуатируются на карьерах Севера в экстремальных условиях при температурах от -60°С в зимний и до +40°С в летний периоды. Под воздействием низких отрицательных температур производительность техники снижается на 15-20%, в зависимости от вида оборудования. В результате увеличивается число отказов металлоконструкций машин, на которые приходится до 80% простоев оборудования в неплановых ремонтах. Резко возрастает трудоемкость ремонтно-восстанови-тельных работ. Кроме того, на отказы техники оказывают влияние: относительная влажность воздуха, скорость ветра и амплитуда изменения суточных температур, которая в весенне-осенний период может достигать 40°С при высокой влажности воздуха.
Многолетние наблюдения (свыше 20 лет) за хрупкими разрушениями узлов металлоконструкций экскаваторов показывают, что в области критических отрицательных температур (<-40°С) отмечается не более 2-6,5% общего числа разрушений, остальные поломки совершаются при температуре выше -40°С [1-3]. Значительная часть отказов происходит весной и осенью при перепадах температур до 30 градусов в течение суток. Следовательно, необходимо разрабатывать технические мероприятия защиты металлоконструкций оборудования от хрупких разрушений.
Комплексные исследования, включающие наблюдения за техническим состоянием карьерного экскаватора и квалификацией обслуживающего персонала, качеством подготовки забоя, учетом климатических факторов, позволили выявить, что одной из основных причин хрупких разрушений являются динамические нагрузки. Опасность воздействия динамических нагрузок возрастает с понижением уровня отрицательных температур [1]. Рост скорости приложения нагрузок вызывает неравномерное протекание упругих деформаций в локальных объемах устройств. Происходит интенсивный рост напряжений, который приводит к хрупкому разрушению металлоконструкций. Этому всегда предшествует пластическая деформация, проявляющаяся в движении дислокаций, приводящих к возникновению зародышевых и субмикротрещин. Под воздействием отрицательных температур и динамических нагрузок нарушается нормальный ход пластической деформации. Движение дислокаций замедляется. Происходит рост напряжений, разветвление зародышевых трещин и слияние их в микротрещины. Резкая концентрация напряжений в вершинах трещин под воздействием динамических нагрузок приводит к спонтанному раскрытию трещин и хрупкому разрушению конструкции.
1Авдеев Аркадий Николаевич, кандидат технических наук, доцент кафедры горных машин и электромеханических систем, тел.: (3952) 405085, e-mail: 1 [email protected]
Avdeev Arkady, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Mining Machinery and Electromechanical Systems, tel.: (3952) 405085, e-mail [email protected]
2Сосновский Леонид Иннокентьевич, доктор технических наук, профессор кафедры разработки месторождений полезных ископаемых, тел.: (3952) 405216, e-mail: [email protected].
Sosnovsky Leonid, Doctor of technical sciences, Professor of the Department of Exploitation of Mineral Deposits, tel.: (3952) 405216, e-mail: 1 [email protected]
Наиболее перспективным для выявления распределения напряжений в узлах металлоконструкций рабочего оборудования является моделирование методом конечных элементов (МКЭ).
МКЭ позволяет при небольших материальных затратах прогнозировать потенциальные места разрушения техники при различных условиях и нагрузках. Например, рабочее оборудование прямой мехлопаты ЭКГ-8И испытывает наибольшие нагрузки при стопо-рении ковша в забое через канаты подъема и напора, т.е. в эти периоды рабочего цикла возрастает вероятность поломки оборудования.
Для проведения расчетов распределения напряжений в узлах металлоконструкций необходимо определить все геометрические параметры исследуемого объекта в целях создания трехмерной геометрии конструкции и на ее основе - конечно-элементной модели распределения напряжений (рис. 1).
Необходимы значения основных физико-механических характеристик материала металлоконструкций, например, предел текучести материала, коэффициент Пуассона, модуль Юнга.
При расчете важны граничные условия модели, в частности, условия фиксации отдельных элементов конструкции.
Рис. 1. Геометрическая модель рукояти ковша ЭКГ-8И
Необходимо найти корректную модель действия внешней нагрузки на исследуемую металлоконструк-
цию. Задача усложняется тем, что в реальных условиях эксплуатации механизмы испытывают как статическую, так и динамическую нагрузку. Определение динамической нагрузки на элементы оборудования классическим способом (приведением масс конструкции и жесткостей к более упрощенным расчетным схемам, обладающим двумя или несколькими массами, и решением дифференциальных уравнений с несколькими массами) - процесс довольно трудоемкий. При рассмотрении множества вариантов конструкции в плане оптимизации ее параметров с использованием классического метода задача становится практически невыполнимой.
В результате расчета ряда трехмерных моделей внешней нагрузки в различные моменты цикла работы оборудования получают значения напряжений и перемещений во всех элементах конструкции за любой интервал времени, что позволяет исследовать узлы конструкции как на статические, так и на динамические режимы нагрузки.
Для корректного обоснования модели внешнюю нагрузку усилия, действующего на рабочее оборудование, необходимо определять в различные моменты цикла его работы (рис. 2).
С учетом всех вышеперечисленных исходных данных производится непосредственно сам расчет напряженно-деформированного состояния металлоконструкции с помощью соответствующих программных продуктов, например, MSC.Patran или MD Nastran R3.
В результате расчета определяются варианты поведения конструкции под действием нагрузки и напряжения в любой ее точке. На основании анализа полученных данных можно прогнозировать возможные отказы оборудования. В качестве примера приведем анализ результатов расчета напряжений, возникающих при работе карьерного экскаватора ЭКГ-12.5, который проводился с применением МКЭ по вышеизложенной методике.
Анализ значений напряжений в узлах рабочего оборудования (экскаватора ЭКГ-12.5) в зависимости
I
II
Рис. 2. Схема к определению нагрузки, действующей на рабочее оборудование прямой мехлопаты в процессе копания: I - начало копания; II - конец копания на полном вылете рукояти
Напряжения в узлах рабочего оборудования прямой мехлопаты в процессе копания _в зависимости от положения балки рукояти и ковша_
Узел Положение балки рукояти и ковша экскаватора
Вертикальное Под углом 45° Горизонтальное
Проушина крепления коромысла к ковшу Максимум напряжений (45%)* Минимум напряжений (38%) Максимум напряжений (45%)
Корпус ковша Максимум напряжений (50%) Минимум напряжений (35%)
Место крепления зубьев к ковшу Максимум напряжений (30%) Минимум напряжений (8%)
Напорная ось седлового подшипника Максимум напряжений (10%) Минимум напряжений (4%) Минимум напряжений (4%)
Средняя и нижняя оси крепления корпуса ковша к балке рукояти Минимум напряжений (12%) Максимум напряжений (10-12%)
Верхняя ось оси крепления корпуса ковша к балке рукояти Максимум напряжений (6%) Минимум напряжений (2%)
Балка рукояти и возвратный полублок Максимум напряжений (12-14%) Минимум напряжений (48%) Максимум напряжений (10-12%)
'Максимальные и минимальные значения напряжений для наглядности приведены в процентном соотношении от пределов прочности используемых материалов.
от положения балки рукояти и ковша (см. табл.) позволяет отметить следующее.
При вертикальном положении рабочих узлов максимальные напряжения отмечаются в корпусе ковша и местах крепления проушины коромысла к ковшу (4550% от допустимых). В процессе изменения положения рабочих узлов от вертикального до горизонтального в проушине крепления коромысла к ковшу напряжения постепенно уменьшаются (35% от допустимых), но незначительно. В местах крепления зубьев ковша напряжения также снижаются при движении балки рукояти от вертикального к горизонтальному положению. В корпусе ковша напряжение имеют переменный характер, сохраняя значение максимума при крайних положениях копания (45%).
В напорной оси седлового подшипника максимум напряжений отмечается в начале копания (при вертикальном положении балки рукояти). После достижения угла наклона в 45° напряжения минимальны и остаются примерно на одном уровне (4%).
При вертикальном положении балки рукояти максимальные напряжения отмечаются в верхних осях крепления ковша к балке рукояти (6%), при горизонтальном положении - в средних и нижней осях (1012%). Причем наиболее нагруженным узлом из трех групп осей ковша являются нижние оси.
В балке рукояти и возвратном полублоке наблюдаются максимальные напряжения в обоих крайних положениях копания (12-14 и 10-12% соответственно), а минимальные напряжения - при положении балки рукояти в 45°. Такое распределение напряжений связано, по-видимому, с перераспределением нагрузки на оси ковша.
На основании изложенного можно сделать следующие выводы.
Максимальные напряжения в большинстве узлов карьерного экскаватора отмечаются при вертикальном положении балки рукояти. Наиболее напряженными узлами при этом являются проушина крепления коромысла к ковшу и сам корпус ковша. Тем не менее, следует отметить, что напряжения резко снижаются по достижении угла наклона рукояти до 5-15°. Поэтому снизить пиковые напряжения возможно при регулировании загрузки приводов карьерных экскаваторов в начальный период цикла копания (от начала копания до угла 5-15°). Такой подход к загрузке привода позволит сократить цикл экскавации, снизить вероятность возникновения хрупких разрушений и увеличит надежность машин.
Для более точного определения фактического характера изменения внешней нагрузки и значений напряжений в элементах металлоконструкций рабочего оборудования машины необходимо проводить дополнительно натурные испытания, включающие в себя тензометрические исследования.
Комплексный подход к анализу эксплуатации горной техники должен включать: натурные наблюдения за работой оборудования, анализ имеющейся на предприятиях данных по отказам, создание базы данных по эксплуатации оборудования в различных условиях, разработку цифровых моделей оборудования и анализа его работы методом конечных элементов. Такой алгоритм анализа эксплуатации горного оборудования позволит надежно прогнозировать работоспособность как карьерных экскаваторов, так и другого горнодобывающего оборудования, что, в конечном итоге, приведет к качественному повышению уровня его использования.
Статья поступила 03.09.2014 г.
Библиографический список
1. Махно Д.Е., Шадрин А.И., Авдеев А.Н., Макаров А.П. струкций // Горный журнал. 2011. № 8. С. 68-76. Хладноломкость и хладостойкость металлоконструкций гор- 3. Авдеев А.Н., Болотнев А.Ю., Унагаев Е.И. Распределение ных машин в условиях Севера: монография. Иркутск: Изд-во напряжений в базовых узлах карьерных экскаваторов и ИрГТУ, 2010. 230 с. хрупкие разрушения конструкций // Вестник Иркутского госу-
2. Махно Д.Е., Авдеев А.Н., Леоненко А.С. Принципы управ- дарственного технического университета. 2009. № 2. ления загрузкой приводов карьерных экскаваторов, обеспе- С. 17-19.
чивающие снижение вероятности хрупких разрушений кон-
УДК 62:378
ТРИЗ - МЕТОДОЛОГИЯ СТАНДАРТИЗАЦИИ КАК НАУКИ В ОБЛАСТИ СИСТЕМНОГО ИЗОБРЕТАТЕЛЬСКОГО МЫШЛЕНИЯ
1 л 4
© А.А Афанасьев1, Ю.А. Проскурин2, Г.Г. Афонин3
Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова, 308012, Россия, г. Белгород, ул. Костюкова, 46.
Изобретательство является высшей формой инженерной деятельности, чаще всего инженеров-машиностроителей. В ней большое внимание уделяется теории решения изобретательских задач - ТРИЗ. Созданная в России, она получила широкое распространение за рубежом как научная. В действительности, на основе анализа имеющегося материала и инструментария, ТРИЗ следует признать как научную стандартизацию, перенесенную со всей ее методологией и инструментарием впервые в область изобретательского мышления. Ил. 4. Библиогр. 9 назв.
Ключевые слова: изобретательство; ТРИЗ; теория решения изобретательских задач; Г. С. Альтшуллер; ве-польный анализ; проблема решения технических противоречий.
TRIZ - METHODOLOGY OF STANDARDIZATION AS A SCIENCE IN THE FIELD OF SYSTEM-RELATED INVENTIVE THINKING
A.A. Afanasiev, Yu. A. Proskurin, G.G. Afonin
Shukhov Belgorod State Technological University, 46 Kostyukov St, Belgorod, 308012, Russia.
Development of inventions is the highest form of engineering activity of mostly mechanical engineers. It focuses on the theory of inventive problem solving - TRIZ (TIPS). The theory created in Russia has become widely spread abroad and is positioned as a scientific theory. In fact, based on the analysis of the available material and tools, TRIZ should be recognized as a scientific standardization for the first time transferred with all its methodology and tools in the region of inventive thinking. 4 figures. 9 sources.
Key words: invention; theory of inventive problem solving (TRIZ/TIPS); Genrich Altshuller; vepol analysis (substance-field analysis;); problem of solving technical contradictions.
Введение. В настоящее время издано огромное количество литературы, посвященной ТРИЗ [1], начало которой положила деятельность известного изобретателя Г.С. Альтшуллера. Следует упомянуть первую публикацию «О психологии изобретательского творчества» авторов Г.С. Альтшуллера и Р.Б. Шапиро, посвященную ТРИЗ, в журнале "Вопросы психологии" № 6 в 1956 г. (с. 37-49). Постепенно нечастые сообщения о ТРИЗ превратились в информационный океан о его развитии и применении. Например, средства массовой информации сообщают, что ТРИЗ завоевывает мир. Разработаны и разрабатываются компьютерные программы по ТРИЗ. Созданы и создаются
фирмы, занимающиеся ТРИЗ. Теория решения изобретательских задач распространяется в США, Канаде, странах Европы, в Израиле, в Австралии, Японии, странах Юго-Восточной Азии и Южной Америки. Компании, специализирующиеся на применении и развитии ТРИЗ, работают во многих странах мира. Они прочно обосновались в США, Канаде, Германии, Англии, Франции, Швеции, Швейцарии, Австрии, Голландии, Финляндии, Италии, Израиле, Чехии, Японии, Южной Корее, России и других странах.
Курс ТРИЗ читается в ряде университетов США, Канады, Франции, Англии, Германии, Швейцарии, Израиля, Японии и России.
Афанасьев Aлександр Aлександрович, доктор технических наук, профессор кафедры стандартизации и управления качеством, тел.: 89192808124, e-mail: [email protected]
Afanasyev Alexander, Doctor of technical sciences, Professor of the Department of Standardization and Quality Management, tel.: 89192808124, e-mail: [email protected]
2Проскурин Юрий Aнатольевич, аспирант, тел.: 89092096750, e-mail: [email protected] Proskurin Yuri, Postgraduate, tel.: 89092096750, e-mail: [email protected]
Афонин Геннадий Герасимович, инженер, тел.: 89103254285, e-mail: [email protected] Afonin Gennady, Engineer, tel.: 89103254285, e-mail: [email protected]
