CC BY
28
УДК 621.879.033:539.4
РАСПРЕДЕЛЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЙ В БАЗОВЫХ УЗЛАХ КАРЬЕРНЫХ ЭКСКАВАТОРОВ И ХРУПКИЕ РАЗРУШЕНИЯ КОНСТРУКЦИЙ
А.Н.Авдеев1, А.Ю.Болотнев2, Е.И.Унагаев3
Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Рассматриваются хрупкие разрушения базовых узлов металлоконструкций карьерных экскаваторов, работающих в условиях Севера. С использованием метода конечных элементов выявлена взаимосвязь причин разрушений с формой конструкции отдельных узлов карьерных экскаваторов отечественного и зарубежного производства. Обоснованы технические рекомендации в виде основных требований к форме конструкции крупногабаритных узлов машин. Приведено подтверждение результатов теоретических исследований фактическими данными работы экскаваторов на Удачнинском ГОКе АК «АЛРОСА». Ил.4. Библиогр. 1 назв.
Ключевые слова: изучение закономерностей внешних и внутренних рабочих процессов в горных машинах, комплексах и агрегатах с учетом внешней среды; повышение долговечности и надежности горных машин и оборудования.
STRESS DISTRIBUTION IN THE BASE NODES OF PIT EXCAVATORS AND BRITTLE FRACTURES
OF STRUCTURAL UNITS
A.N.Avdeev, A.Y.Bolotnev, E.I. Unagaev
Irkutsk State Technical University 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074
The authors consider brittle fractures of base nodes of metal structures of pit excavators operating under conditions of the North. With the use of the method of finite elements they discover the correlation of the fracture causes with the design shape of specific nodes of pit excavators made in Russia and abroad. The authors prove technical recommendations in the form of basic demands to the design shape of the large-scale nodes of machinery. They present the confirmation of results of theoretical researches by the fact data of excavator operation at the Udachninsky ore mining and processing enterprise of the stock corporation 'ALROSA' 4 figures. 1 sources.
Key words: study of regularities of external and internal operating processes in mining machinery, complexes and aggregates taking into consideration environment; increase of durability and reliability of mining machines and equipment.
Эксплуатация карьерных экскаваторов в регионах холодного климата сопровождается хрупкими разрушениями базовых узлов металлоконструкций карьерных экскаваторов, таких как рукоять, стрела, ковш. Отказы этих узлов приводят к значительным простоям
оборудования с высоким уровнем затрат по восстановлению работоспособности машин4. Выявление мест хрупких разрушений конструкций и разработка конкретных технических рекомендаций, направленных на снижение числа отказов, является существенным
Рис. 1. Места возникновения и распространения хрупких трещин: а - в конструкции балки рукояти ЭКГ-12,5;
б - на стреле экскаватора Н2853
1Авдеев Аркадий Николаевич, кандидат технических наук, доцент кафедры горных машин и рудничного транспорта, тел.: (3952)405069.
Avdeev Arkadiy Nikolaevich, a candidate of technical sciences, an associate professor of the Chair of Mining machinery and miner's
transport, tel.: (3952)405069.
2Болотнев Александр Юрьевич, аспирант.
Bolotnev Alexander Yurjevich, a postgraduate.
3Унагаев Евгений Иванович, программист первой категории отдела внедрения информационных технологий. Unagaev Evgeniy Ivanovich, a programmer of the first category at the department of introduction of information technologies. "Обоснование среднего срока службы деталей и узлов до замены при текущем и капитальном ремонтах горного и обогатительного оборудования на Удачнинском и Мирнинском ГОКах. Отчет о научно-исследовательской работе, тема № 799. Иркутск, 2001.
фактором повышения работоспособности экскаваторов в районах с холодным климатом [2].
Причины хрупких разрушений прежде всего связаны с дополнительным влиянием таких факторов, как динамический характер нагрузок, резкие концентрации напряжений в местах несовершенных форм конструк-
высокой степенью точности анализировать напряженно-деформированное состояние (НДС) таких сложных конструкций, как базовые узлы карьерных экскаваторов, находящихся под воздействием переменного силового и температурного воздействия. Уровень точности определения деформаций определяется точно-
Рис. 2. Распределение напряжений на балке рукояти ЭКГ-12,5
ций. Характерные места зарождения и развития хрупких трещин на балке рукояти ЭКГ-12,5 приведены на рис. 1, а (1-4), на стреле гидравлического экскаватора Кот^Би йетад Н285Б - на рис. 1, б [2].
Распределение напряжений зависит от формы конструкции отдельных узлов машин. Зная характер распределения напряжений по форме конструкции узлов машин, можно прогнозировать вероятность возникновения хрупких разрушений.
Одним из наиболее эффективных подходов в решении проблемы распределения напряжений является использование современных методов математического и компьютерного моделирования процессов работы деформируемых систем методом конечных элементов (МКЭ). Применение моделей МКЭ позволяет с
стью моделирования деталей по геометрии, которая в свою очередь определяет необходимые характеристики жесткости конструкции. Эти характеристики наряду с характеристиками силового и температурного воздействия моделируются на основе МКЭ с максимальной степенью адекватности относительно реального объекта. Таким образом, применение МКЭ и моделирование условий работы базовых узлов карьерных экскаваторов в процессе эксплуатации является актуальной задачей, решение которой позволит снизить затраты на восстановление работоспособности горного оборудования, сократить сроки простоев, повысить надежность и долговечность машин.
В подготовке моделей балок рукоятей экскаваторов ЭКГ-12,5 и ЭКГ-15, а также стрелы гидравлическо-
Рис.3. Распределение напряжений на балке рукояти ЭКГ-15
го экскаватора Komatsu Demag H285S использовались: геометрическая и конечноэлементная модель объекта, данные по внешнему воздействию, граничные условия. Расчет, визуализация и обработка результатов анализа выполнялись в программном комплексе MSC.Patran 2008 R1 и MD Nastran R3 на персональном компьютере, на базе процессора Intel Pentium 4, 3 ГГц, 1 Гб ОЗУ. Программный комплекс предоставлен ИрГТУ (сертификат на оплаченную лицензию RE001916IST-3 от 20.05.08). Материал моделей -сталь 09Г2С, предел текучести которой равен 290 -350 МПа. Результат анализа представлен на рис. 2.
Максимальные напряжения (рис. 2) находятся в местах резкого перехода сечений: между возвратным полублоком и головной отливкой, а также немного выше места крепления возвратного полублока. Напряжения в критических зонах достигают предела текучести стали.
На модели балки рукояти экскаватора ЭКГ-15 (рис.3) максимальные напряжения отмечаются в мес-
роятности возникновения хрупких разрушений от формы и сечения конструкции отдельных узлов и типов машин.
Результаты работы позволяют сформулировать рекомендации к эксплуатации базовых узлов машин с целью снижения вероятности возникновения и развития хрупких трещин:
• Выявленные высоконапряженные зоны усиливать дополнительными накладками с различной толщиной и геометрией, а также ребрами жесткости в зависимости от формы конструкции.
• Для изготовления базовых узлов конструкций применять низколегированные качественные марки сталей.
• Существенным мероприятием защиты конструкций от разрушений является регулирование нагрузки в базовых узлах машин в зависимости от уровня опасности воздействия низких отрицательных температур.
Рис. 4. Стрела экскаватора Komatsu Demag H285S
те крепления седлового подшипника и превышают предел текучести материала.
В корпусе стрелы экскаватора Кот^Би йетад Н285Б (рис. 4) максимальные напряжения отмечаются в месте резкого перехода сечения конструкции и равны пределу текучести материала.
Учтенное в моделях распределение нагрузок при динамическом характере их приложения приводит к возникновению и развитию хрупких трещин.
Достоверность полученных результатов обеспечена применением расчетного комплекса, отвечающего современному уровню развития. Необходимым условием получения достоверных данных при использовании численного решения с применением МКЭ являлось проведение исследования точности и сходимости результатов на последовательности дискретизации в области определения искомых величин. Достоверность результатов доказывается высокими характеристиками сходимости численных расчетов с данными о фактической эксплуатации горного оборудования на предприятии АК «АЛРОСА» Республики САХА (Якутия).
Проведенные исследования реальных объектов и выполненный конечноэлементный анализ позволяют сделать вывод о непосредственной зависимости ве-
• Уделять дополнительное внимание высоконапряженным зонам, применяя для них методы не-разрушающего контроля, и дополнительно проводить промежуточные визуальные осмотры.
Практическая значимость работы заключается в том, что созданные математические модели и методы позволяют проводить исследование статического НДС узлов и деталей карьерных экскаваторов без использования физического прототипа. Предложенный подход дает возможность проводить анализ распределения напряжений без объекта исследования, с применением комплекса численных экспериментов высокой степени точности. Дополнительный контроль уязвимых мест металлоконструкций экскаваторов позволяет повысить надежность и долговечность горных машин и оборудования. Полученные результаты докладывалась на совещании при главном механике АК «АЛРОСА» в феврале 2009 г. и рекомендованы к реализации при эксплуатации крупногабаритных узлов карьерных экскаваторов в условиях Севера.
Библиографический список
1. Махно Д.Е., Шадрин А.И. Эксплуатация и ремонт механических лопат в условиях Севера: справочное пособие. М.: Недра, 1992. 127 с.
