Влияние низких отрицательных температур на работоспособность металлоконструкций горных машин Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

© B.C. Квагинилзе, В.А. Козлов, 2003 УЛК 66.232.8.004.12+ 658.382 (043.3)

B.C. Квагинилзе, В.А. Козлов

ВЛИЯНИЕ НИЗКИХ ОТРИЦАТЕЛЬНЫХ ТЕМПЕРАТУР НА РАБОТОСПОСОБНОСТЬ МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЙ ГОРНЫХ МАШИН

Рассматривая работоспособность горных машин и оборудования в регионах с низкими климатическими температурами можно отметить, что поток отказов ряда деталей, узлов машин и металлоконструкций увеличивается здесь в 2-3 раза и наработка на отказ уменьшается в 3 и более раз.

Например, коэффициент использования экскаватора ЭКГ-20 в зимний период уменьшается по сравнению с летним периодом на 35-40%, а экономический ущерб от простоев увеличивается в 56 раз. Время простоя экскаваторов из-за аварии металлоконструкций составляло на разрезе «Не-рюнгринский» 30-45% в зимнее время и 11% в летние месяцы от общего времени аварийных простоев. Как правило, с увеличением срока эксплуатации экскаваторов продолжительность аварийных ремонтов ежегодно увеличивается на 10-12%.

Анализ данных наработки на отказ при температуре ниже -30 °С по сравнению с работой при температуре окружающей среды +20 °С механизма

подъема показывает, что время наработки на отказ в самые холодные месяцы зимы (декабрь-февраль) сокращается в 8 раз.

Число поломок металлоконструкции стрелы составило 2,9%, а балки рукояти 3,2% от общего числа отказов по механической части. В тоже время простои, связанные с отказами стрелы и рукояти в зимнее время составили 12,5%. Характер поломок в основном связан с появлением трещин в нижних и боковых листах рукояти и стрелы рис. 1, 2.

Исследования причин отказов металлоконструкций экскаваторов, проведенных в течении ряда лет в ОАО «Якутуголь», выявили, что высокий уровень динамических нагрузок, низкие отрицательные температуры и конструктивные недостатки, допущенные при проектировании и изготовлении являются главными причинами значительного уменьшения технического ресурса металлоконструкций экскаваторов.

Анализ поломок металлоконструкций экскаваторов [2] показывает, что при рассмотрении ресурса работоспособности металлоконструкций при низких климатических температурах необходимо рассматри-вать условия работы металлоконструкций как для малоциклового нагружения при повышенных нагрузках (Нц =

104 - 105 наработки на отказ) в отличие от принятого при проектировании многоциклового нагружения (Нц = 106 - 107). Например, при эксплуатации экскаватора ЭКГ-20 на разрезе «Нерюнгринский» ОАО «Якутуголь» наработка на отказ основных металлоконструкций составляет 1,7 • 104 - 1,4-105 циклов.

При низких температурах изменяются физикомеханические характеристики сталей: прочностные характеристики возрастают с одновременным уменьшением показателей их пластических свойств. Начинают проявляться свойства низкотемпературной хрупкости и хладноломкости. Причем хрупкие разрушения преобладают в деталях, испытывающих динамические нагрузки и уже имеющих повреждения - трещины.

К тому же при низких температурах наблюдается существенное снижение исходного предела выносливости элемента конструкции с концентратором напряжений, которым, как правило, является сварочный шов или зародыш трещины [3].

В конкретной металлоконструкции система сварочных швов играет роль своеобразного каркаса. Вследствие различной структуры основного металла и металла сварочных швов, на их грани-

Рис. 1. Наиболее характерные места (указаны стрелками) образования и развития трещин на рукояти экскаватора

Рис. 2. Наиболее характерные места (указаны стрелками) образования и развития трещин на корпусе стрелы экскаватора

цах при понижении температуры будут возникать термические напряжения. Величина этих напряжений будет определяться коэффициентом теплового сжатия (сокращения) линейных размеров конструкции при понижении температуры.

Обусловлены эти напряжения будут, по нашему мнению, разницей температур при изготовлении металлоконструкций и температурой их эксплуатации. Чем больше эта разница температур, тем больше будут внутренние напряжения в металле, концентрирующиеся в металле шва и зоне термического влияния.

Таким образом, при оценке хладостойкости конструкции необходимо учитывать результаты исследования надежности и долговечности сварных соединений, так как сварные швы и участки, прилегающие к местам сварки, являются характерными очагами, в близи или непосредственно у которых начинались разрушения [2].

В работе [3] установлено, что при низких отрицательных температурах уменьшается трещино-стойкость металла шва и металла зоны термического влияния. Например, для стали 03Х13АГ19 необходимо, чтобы число циклов нагружения пульсирующей нагрузкой ( ан / а02 = 0,6) при +20 °С за срок службы не превышало 1,5- 104 , а при температуре -160 °С не превышало 1,9- 103 циклов, т.е. срок наработки на отказ сокращается в 8 раз.

Обычно допускаемые размеры дефектов устанавливают на основании анализа статистики отказов. Такой подход не учитывает конструктивных особенностей и условий эксплуатации конкретной металлоконструкции, когда механические свойства металла и уровень нагруженности элементов существенно отличается от принятых при проектировании уровнях нагрузок.

Напряжения в металлоконструкциях экскаватора, таких как, рукоять ковша и стрела, изменяются по сложному закону, но имеют периодический (циклический)характер.

Считается, что влияние формы кривой изменения напряжений на сопротивление усталости незначительно, а решающую роль играют значения максимального и минимального напряжений цикла и их отношение [1].

При анализе причин усталостного разрушения в рукояти и стрелы экскаватора ЭКГ-20 в местах наиболее частого образования трещин, указанных на рис. 1, 2 можно сделать вывод, что в этих местах металл находится в постоянно сжатом состоянии, а цикл напряжений этих металлоконструкций за цикл работы экскаватора можно считать отну-левым (пульсационным).

Результаты исследования прочности и механических свойств металлов при низких температурах позволяют сделать вывод: снижение температуры, как правило, сопровождается повышением прочности и уменьшением пластичности конструкционных ме-

таллов. При понижении температуры происходит увеличение предела прочности аи, предела текучести ат и условного предела текучести а0,2 .

При снижении температуры изменяется сопротивление металла начальной пластической деформации, в зонах концентрации повышаются максимальные напряжения, увеличивается размах упругой и уменьшается размах пластической и полной деформации. Этот фактор необходимо учитывать при оценке хладостойкости элементов, так как экспериментально установлено, что при понижении температуры повышается чувствительность металлов к действию концентрации напряжений.

Данные испытаний металлических образцов в режиме циклического нагружения показывают, что в условиях значительных нагрузок (И = 104-

105 циклов) снижение температуры, как правило, сопровождается уменьшением прочности образцов с надрезом. Одной из причин снижения усталостной прочности образцов при низкой температуре является рост концентрации напряжений вследствие повышения сопротивления металла начальной пластической деформации. Циклические перегрузки вызывают в местах резкого изменения формы элемента напряжения, величина которых превышает предел текучести. С понижением температуры пластичность металла падает, увеличивается величина предела текучести, и перегрузки вызывают резкий рост уровня максимальных напряжений.

Таким образом, при низких температурах величина максимального перенапряжения апер увеличивается в большей степени, чем ат, что и приводит к опасности разрушения элемента металлоконструкции в местах концентрации напряжений. Отрицательное воздействие данного фактора может существенно усилиться при неправильном выборе термического режима сварки, приводящего к снижению пластичности [4].

В условиях низких температур трещиностой-кость металла снижается из-за значительного уменьшения критичеких размеров трещины и трещинообразующих дефектов, при достижении которых конструкция теряет несущую способность.

Рис. 3. Диаграмма растяжения (сжатия) стали при температуре: 1 - +20 оС; 2 - - 40 оС.

При низкой отрицательной температуре сокращается протяженность зоны пластической деформации стали.

Рассмотрим диаграмму растяжения (сжатия) стали, приведенную на рис. 3. Диаграмма-1 является характерной для упруго-пластических материалов, т.е. материалов способных получать относительно значительные остаточные деформации не разрушаясь, к которым можно отнести сталь 12ХН2МФАЮ, из которой изготовлена стрела экскаватора ЭКГ-20, эксплуатируемой при температуре +20 °С. Диаграмма-2 характерена для той же стали при температуре -40 °С, когда металл находится в хрупком или квази-хрупком состоянии, т.е. способен разрушаться при незначительных деформациях.

На рисунке штриховкой показана зона пластических деформаций стали, при рассмотрении которой видно, что с понижением температуры ширина зоны уменьшается. Из чего можно сделать вывод, что при низких температурах металл склонен к хрупкому разрушению при меньших внутренних деформациях, т.е. при относительно небольших деформациях в металле возникают значительные внутренние напряжения, которые превышают допустимые напряжения, принятые в расчетах при проектировании металлоконструкции.

Если предположить, что вдоль сварных швов действуют касательные напряжения, вызванные разницей температуры при изготовлении металлоконструкции и низкой климатической температуры в зимнее время ее эксплуатации, то согласно [1] экстремальные касательные напряжения (ттах) при действии сжимающих нагрузок (асж), отмеченных стрелками на рис. 1, 2 можно определить по формуле:

Ттах = 0,5 • (асж2 + 4т2)1/2.

Так как величина предельных разрушающих напряжений существенно меньше величины предельных сжимающих напряжений, то касательные на-

пряжения, действующие вдоль сварочных швов, увеличивают вероятность зарождения трещины. Особенно данное явление опасно при низких климатических температурах, когда уменьшается зона пластической деформации металла.

Зона пластической деформации играет роль демпфирующей структуры, сглаживающей предельные напряжения и приводящей к снижению внутренних напряжений за счет пластической деформации. При низких климатических температурах действие этого механизма уменьшается, что и приводит к образованию трещин в зонах сварных швов.

При ремонте элементов металлоконструкций экскаваторов в ОАО «Якутуголь» автор статьи применил идею расширения зоны пластической деформации сварочного шва применением электродов с содержанием никеля 2-3% (Н12, ОЗС-24), что позволило увеличить время наработки металлоконструкции на отказ после ремонта в 2-3 раза по сравнению с обычно применяемыми сварочными материалами (УОНИ 13/55) при ремонте.

Таким образом, можно сделать вывод, что снижение усталостной прочности элементов металлоконструкций при низких климатических температурах вызвано: повышением уровня нагрузок из-за температурных напряжений в местах сварочных швов и зоне термического влияния; ростом концентрации напряжений в металле вследствие повышения сопротивления металла начальной пластической деформации; уменьшением зоны пластичности металла.

Действие этих факторов приводит при понижении температуры к увеличению уровня внутренних напряжений в металлоконструкции и, как правило, сопровождается уменьшением величины разрушающих нагрузок. В результате снижается запас прочности и возрастает риск отказа металлоконструкции.

1. Степин П.А. Сопротивление

материалов. - М.: Интеграл-

Пресс,1997.-320с.

2. Квагинидзе В. С., Радкевич

ЯМ, Русихин В.И. Ремонтная технологичность металлоконструкций

карьерных механических лопат на угольных разрезах Севера. - М.: Изд-во МГГУ, 1997,-224 с.

3. Кузьмин В.Р, Ишков А.М.

Прогнозирование хладостойкости конструкций и работоспособности

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

техники на Севере. - М.: Машиностроение, 1996,- 304 с.

4. Ларионов В.П. Электродуго-

вая сварка конструкций в северном исполнении. - Новосибирск; Наука, 1986, - 253 с.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Квагпнпдзе В.С. - доцент, кандидат технических наук, ОАО «Якутуголь». Козлов В.А. - доцент, кандидат технических наук, ОАО «Якутуголь».

Файл:

Каталог:

Шаблон:

Ш

Заголовок:

Содержание:

Автор:

Ключевые слова:

Заметки:

Дата создания:

Число сохранений:

Дата сохранения:

Сохранил:

Полное время правки: 1 мин.

Дата печати: 09.11.2008 1:18:00

При последней печати страниц: 3

слов: 1 787 (прибл.)

знаков: 10 190 (прибл.)

КВАГИН_8

G:\По работе в универе\2003г\Папки 2003\GIAB9_03 C:\Users\Таня\AppData\Roaming\Microsoft\Шаблоны\Normal.do УДК 66

ГУП "Якутуголь"

18.07.2003 13:28:00 2

18.07.2003 13:28:00 Гитис Л.Х.