«БУЯНКИН ПАВЕЛ ВЛАДИМИРОВИЧ ОЦЕНКА УСТОЙЧИВОСТИ ПЛАТФОРМ И НАГРУЗОК В ОПОРНО-ПОВОРОТНЫХ УСТРОЙСТВАХ ЭКСКАВАТОРОВМЕХЛОПАТ Специальность 05.05.06 – Горные машины ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата ...»

Основным видом выемочно-погрузочного оборудования являются одноковшовые карьерные экскаваторы типа «прямая мехлопата» (далее по тексту экскаваторы-мехлопаты). Общая доля в числе экскаваторного парка ОАО «УК «Кузбассразрезуголь» составляет 65%. При этом количество экскаваторов ЭКГИ, ЭКГ-10 и их модификаций составляет 36% от общего количества мехлопат.

В ОАО «УК «Кузбассразрезуголь» происходит обновление экскаваторного парка за счёт приобретения новых мехлопат с вместимостью ковша (18-56 м3) и применения гидравлических экскаваторов.

С начала 2013 г. на предприятиях ОАО «УК «Кузбассразрезуголь» введено в эксплуатацию пять экскаваторов-мехлопат, списано четыре единицы, из них три гидравлических экскаватора.

Сведения о состоянии экскаваторного парка в филиалах ОАО «УК «Кузбассразрезуголь» на 01.01.2014 г. приведены на рис. 1.3.

Рисунок 1.3 - Состояние экскаваторного парка в филиалах ОАО «УК Кузбассразрезуголь» на 01.01.2014 г.

Экскаваторы-мехлопаты различных производителей нашли широкое применение на предприятиях ОАО «УК «Кузбассразрезуголь». В настоящее время на открытых горных работах компании (филиалы «Бачатский угольный разрез» и «Талдинский угольный разрез») эксплуатируются две самые большие в России машины с вместимостью ковша 56 м3, производства P&H Mining Equipment (Harnischfeger Corp. (США)). Этим производителем могут также поставляться машины модели P&H 4800XPC с различными ковшами грузоподъёмностью до 135 т [13].

В ОАО «УК «Кузбассразрезуголь» (филиалы «Бачатский угольный разрез», «Краснобродский угольный разрез» и «Талдинский угольный разрез») эксплуатируется пять экскаваторов модели WK-35 производства Тайюаньского завода тяжелого машиностроения (КНР), достигших высоких производственных показателей при обеспечении норм и правил безопасности [14]. В июне 2012 г. на этом заводе изготовлен и представлен экскаватор WK-75 с ковшом вместимостью 75 м3 [15].

В филиале ОАО «УК «Кузбассразрезуголь» «Краснобродский угольный разрез» эксплуатируется первый номер экскаватора ЭКГ-32Р, выпущенный ООО «ИЗ-Картэкс» им. П.Г. Коробкова». Конструкторским бюро этого российского производителя проектируются машины с вместимостью ковша до 50 м3. Также успешно работают экскаваторы ЭКГ-18Р, произведенные ОАО «Уралмашзавод» и ООО «ИЗ-Картэкс» им. П.Г. Коробкова», введённые в эксплуатацию в период 2012-2013 гг. [16].

Экскаваторы-мехлопаты производства фирмы Caterpillar, в состав которой в настояще время входит Bucyrus, на открытых горных работах Кузбасса не эксплуатируются. Опыт эксплуатации машин 395В и 495В на угольных предприятиях ОАО «СУЭК» в республике Бурятия (разрез «Тугнуйский») показал их высокую производительность и надежность [17].

Несмотря на обновление экскаваторного парка, в эксплуатации ОАО «УК «Кузбассразрезуголь» находится большое количество физически и морально изношенного оборудования. Нормативы заводов-изготовителей экскаваторов и данные «Справки о нормативных сроках службы горного оборудования»

(утверждена постановлением Совета министров СССР от 22.10.1990 г. №1072) [15] предусматривают определение износа по следующим критериям: срок эксплуатации и объём переработанной горной массы.

Заводы-изготовители определяют нормативы на каждую машину, а вышеуказанная справка - исходя из вместимости ковша. Оба критерия определения износа имеют свои недостатки. Первый - не учитывает возможности длительного простоя экскаваторов на ремонте или во время консервации или изза других организационных причин, также не учитывает возможности его полного обновления за счет замены деталей, вышедших из строя. Второй - не учитывает фактического состояния металлоконструкций, интенсивности их износа в зависимости от вида разрабатываемой горной массы, качества подготовки пород взрывом, а также замены этих металлоконструкций на новые игнорирует качество ремонта [18, 19].

В статистике ОАО «УК «Кузбассразрезуголь» приняты оба подхода. По результатам анализа состояния экскаваторного парка установлено, что износ по сроку службы составил 92,5% и 69% по наработке. Средний срок эксплуатации экскаваторов составляет 20,3 г [12] (рис. 1.4).

Рисунок 1.4 - Соотношение критериев износа экскаваторного парка предприятий ОАО «УК Кузбассразрезуголь» на 01.01.2014 г.

В настоящее время оборудование ОАО «УК «Кузбассразрезуголь», отработавшее нормативные сроки службы, в обязательном порядке проходит экспертизу промышленной безопасности, что требуется для определения возможности продления срока его эксплуатации. Экспертной организацией после оценки фактического технического состояния принимается решение о продлении срока безопасной эксплуатации до 3 лет при первой экспертизе и до 2 лет при последующих обследованиях.

В настоящее время на предприятиях Кузбасса по добыче угля открытым способом эксплуатируется большое количество экскаваторов – мехлопат, как недавно введенных, так и отработавших нормативный ресурс.

Существующие процессы обновления экскаваторного парка ОАО «УК «Кузбассразрезуголь» свидетельствуют о том, что какое-то время будет эксплуатироваться устаревшее оборудование, поэтому имеется постоянная необходимость в разработке мер и рекомендаций по модернизации отдельных узлов и устройств, обеспечивающих безопасную эксплуатацию оборудования.

1.2. Особенности эксплуатации экскаваторов-мехлопат на открытых горных работах Эффективность использования экскаваторов-мехлопат обусловлена влиянием многочисленных факторов природного, техногенного и организационного характера, что также влияет на изменение затрат на содержание оборудования. Одной из причин недостаточной интенсивности использования оборудования являются простои экскаваторов. Это часто связано с отсутствием научнообоснованных мероприятий по управлению надежностью экскаваторов-мехлопат, которые позволили бы гарантированно выполнять планируемую технологическую нагрузку и снижать расходы на содержание техники [19].

Анализ работы экскаваторного парка ОАО «УК «Кузбассразрезуголь» показывал следующее. Коэффициент использования календарного фонда времени (КФВ) в 2013 г. не превысил 0,65 при плане 0,69 [12]. Значительная часть КФВ (до 13,8 %) пришлась на плановые технические обслуживания и ремонты. Простои экскаваторов в неплановых ремонтах из-за отказов и аварий с механизмами составили 3,7% КФВ. Простои из-за отсутствия запасных частей – 1,5%.

Отдельного внимания заслуживают внеплановых простои, время устранения которых принимается с учётом вида поломки, конструкции узла и агрегата, а также своевременность снабжения запасными частями и вспомогательным оборудованием [19, 20].

В статистике внеплановых простоев экскаваторного парка ОАО «УК «Кузбассразрезуголь» принято разделение по основным системам: механическая, электрическая, наладка приводов.

Из анализа всех внеплановых простоев установлено, что значительную часть отказов экскаваторного оборудования составляют простои из-за поломок механической системы экскаваторов. На рис. 1.5 приведено сравнение внеплановых простоев экскаваторного парка мехлопат «УК «Кузбассразрезуголь» из-за отказов механической и электрической систем, а также систем управлений электрооборудованием.

Механические отказы, ч Электрические отказы, ч Системы управления, ч Рисунок 1.5 - Распределение отказов экскаваторного оборудования по причинам их возникновения Распределение времени простоев и среднее время их устранения по основным системам, агрегатам и металлоконструкциям экскаваторов-мехлопат приведено на рис. 1.6 и в табл. 1.1.

Рисунок 1.6 - Распределение времени простоев из-за отказов узлов механической системы экскаваторов-мехлопат Таблица 1.1 - Распределение времени простоев из-за отказов узлов, агрегатов и металлоконструкций экскаваторов-мехлопат Наименовахода Общие простои, час Среднее время восстановления, Анализ распределения времени отказов механической части показывает, что значительную часть простоев составляют отказы механизма хода, связанные, в первую очередь, с конструктивным исполнением ходовых телег экскаваторов типа ЭКГ-15. При эксплуатации машин с четырёхгусеничными ходовыми телегами (экскаваторы ЭКГ-15, ЭКГ-12,5У и их модификации) происходят поломки траков, осей балансиров и соскакивание гусеничных лент с катков, ремонт которых требует материальных затрат и значительную механизацию ремонтных работ [21, 22].

На втором месте находятся отказы механизма подъема, что связано с тяжелыми горно-геологическими условиями экскавации. Возникающие при черпании и экскавации крупных кусков породы динамические и ударные нагрузки, а также периодическая работа машин в режиме стопорения ковша, приводят к интенсивному износу и дальнейшему излому зубчатых передач редукторов.

На третьем месте находятся отказы опорно-поворотных устройств, детальный анализ отказов которых показал, что за 2012-2013 гг. на экскаваторахмехлопатах их произошло около 150. Количество поломок центральной цапфы составило порядка 35 единиц, а среднее время ее ремонта или замены около 48 часов.

Зубчатый венец и обегающие шестерни отнесены к механизму поворота, так как непосредственно участвуют в процессе вращения поворотной платформы относительно нижней рамы.

Наблюдения за работой экскаваторов-мехлопат на различных угольных предприятиях Кузбасса показали, что оборудование периодически эксплуатируется на рабочих площадках с наличием просадок и превышением углов наклона.

Качество подготовленной взрывным способом горной массы приводит к работе экскаваторов в режиме периодического стопорения ковша при черпании. Факт наличия и длительность устранения внеплановых отказов, свидетельствует о том, что эти два фактора являются основными причинами выхода из строя механизма хода, механизма подъема и опорно-поворотного устройства [23, 24].

Анализ условий эксплуатации экскаваторов-мехлопат, конструктивных особенностей исполнения, а также работы ремонтных служб предприятий позволяет указать на следующие причины длительности устранения внеплановых простоев, вызванных отказами опорно-поворотных устройств [25]:

- при ремонте периодически необходимо использовать мощное специализированное грузоподъемное оборудование для подъема поворотной платформы с рабочим оборудованием;

- в отдельных случаях необходимо применение специальной газорезательной аппаратуры для резки центральной цапфы, а именно при ее износе в виде «коленчатого вала», перекашиванием и смещением во втулках;

- недостаточная контроледоступность узлов (из-за ограниченного пространства) приводит к снижению количества осмотров и регулировок;

- за счет дополнительных монтажно-демонтажных работ значительно увеличиваются сроки ремонтов (снятие токоприемника на ЭКГ-8И, ЭКГ-10, ЭКГ-12;

снятие токоприемника и барабана подъемной лебедки на ЭКГ-5А);

- низкая безопасность при контрольных измерениях, приводящий к увеличению времени контроля (отключение электроэнергии, снятие ограждений).

Вместе с этим отмечается, что применяемые на разрезах экскаваторымехлопаты успешно эксплуатируются со значениями износа опорно-поворотного устройства выше значений, определенных производителями, что свидетельствует о некорректности расчетного ресурса.

Для повышения безопасности и эффективности эксплуатации экскаваторовмехлопат требуется исключение внеплановых простоев, для этого необходимо увеличивать коэффициент технической готовности оборудования, который является одним из комплексных показателей надежности [26].

При порядке обслуживания, предусматривающем немедленное начало восстановления отказавшего объекта (экскаватор-мехлопата является основным звеном горнотранспортного комплекса по добыче полезного ископаемого), коэффициент технической готовности КТГ может вычисляться по формуле:

где ТО – наработка на отказ, ТВ – среднее время восстановления.

Таким образом, в этом случае коэффициент технической готовности КТГ характеризует одновременно два различных свойства объекта - безотказность и ремонтопригодность.

Данное обстоятельство весьма актуально для опорно-поворотного устройства, так как среднее время восстановления составляет около 48 часов и влечет экономические потери как прямые (оплата подъема машины, стоимость запасных частей), так и косвенные (простои машины).

В ОАО «УК «Кузбассразрезголь» разработана собственная система проведения технических обслуживаний и ремонтов, приведенных в «Положении о технических обслуживаниях, планово-предупредительных ремонтах и монтаже оборудования открытых горных работ».

В этом документе указано, что коэффициент технической готовности КТГ определяется как:

где - общее количество дней нахождения горнотранспортного оборудования Общее количество дней нахождения горнотранспортного оборудования в технически исправном состоянии определяется как:

где общее количество дней нахождения оборудования в плановых реТ ПЛ.РЕМ - монтах, время неплановых ремонтов, вызванных отказами систем.

Т ПЛ.РЕМ Т ППР Т ПЛР

- общее количество времени нахождения оборудования в плановых ремонтах в днях;

- общее количество времени нахождения оборудования в плановых технических обслуживаниях в днях.

Исходя из влияния времени простоев на производительность экскаваторовмехлопат очевидно, что необходимо их снижение.

Влияние коэффициента технической готовности КТГ можно также выразить по отношению к стоимости часа работы экскаватора, когда машина вместо вынужденных простоев может полноценно работать, выполняя свои функции:

где Счаса работы - стоимость одного часа работы, руб/час;

V угля – месячный объем добычи угля, т;

С тонны угля – себестоимость добычи 1 т угля, руб/т;

КФВ – календарный фонд времени работы экскаватора в месяц с учетом продолжительности смен за вычетом внутрисменных простоев.

Коэффициент технической готовности КТГ учитывается в календарном фонде времени при выполнении плана по вскрыше и добыче угля:

где V горной массы – плановый объем отгрузки горной массы, м3;

Квскр – коэффициент вскрыши;

угля – плотность угля, т/м3.

Отмечается, что такой поход носит вероятностный характер и зависит от множества факторов, таких как: время нахождения экскаватора в плановых ремонтах; изменение себестоимости тонны угля и его рентабельность на рынке; изменение горно-геологических и горнотехнических условий; влияние организационных причин. Однако такая информация носит конфиденциальный характер, поэтому такие расчеты можно использовать при качественной оценке эффективности работы оборудования, в том числе при обосновании своевременности проведения сроков и объемов технических обслуживаний и ремонтов, необходимых для повышения коэффициента технической готовности оборудования.

Установлено, что при эксплуатации экскаваторов-мехлопат возникают внеплановые простои оборудования, которые зависят от качества подготовки забоя и рабочей площадки.

Особенности конструкции опорно-поворотных устройств, недостаточная организация и оснащение ремонтных служб предприятий приводят к увеличению времени устранения внеплановых простоев, от которых зависит коэффициент технической готовности оборудования.

1.3. Обзор и анализ существующих конструкций опорно-поворотных устройств и устройств контроля углов наклона В настоящее время на открытых горных работах Кузбасса эксплуатируются практически все марки экскаваторов-мехлопат, выпускаемых в Россий (ранее СССР) и за рубежом.

Опорно-поворотное устройство для каждой модели экскаватора служит для восприятия вертикальных и горизонтальных составляющих нагрузок, действующих на поворотную платформу, передачи этих нагрузок или их части на раму ходового устройства, обеспечения опирания поворотной платформы через опорно-поворотный круг на нижнюю раму, вращения поворотной платформы с минимальными сопротивлениями относительно нижней рамы и гусеничного хода экскаватора [27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36].

Для предотвращения опрокидывания поворотной платформы и использования в качестве добавочного противовеса нижней рамы экскаватора платформа снабжается захватывающим устройством. Таким устройством служит центральная цапфа с гайкой на верхнем или нижнем конце цапфы, которая воспринимает горизонтальные усилия и моменты, а также силы, отрывающие поворотную платформу от роликового круга [27].

Например, согласно [28] центральная цапфа предназначена для центрирования поворотной платформы относительно нижней рамы и удержания поворотной части экскаватора от опрокидывания при копании, когда равнодействующая всех узлов выйдет за пределы роликового круга. На экскаваторе ЭКГ-10 ось центральной цапфы установлена в центральной отливке поворотной платформы и застопорена стопорными планками. Нижняя часть цапфы вращается во втулке, запрессованной в отливку нижней рамы. Посредством гайки, опирающейся на сферическую шайбу, цапфа удерживает поворотную часть экскаватора от опрокидывания.

Гайка стопорится от проворачивания стопорными планками и вращается с осью центральной цапфы. Ось центральной цапфы выполнена полой для проводки кабелей от поворотной платформы к электрооборудованию нижней рамы. Кабели уложены в трубу, которая установлена во втулках. Для предотвращения проворачивания относительно нижней рамы труба раскреплена тягами. Сверху на фланец трубы устанавливается кольцевой токоприёмник.

При проектировании и производстве элементов опорно-поворотного устройства учитываются геометрические параметры, особенности крепления стрелы к поворотной платформе, характер и величина нагрузок (напряжений), свойства горной массы и т.д. Условия эксплуатации экскаватора, принимаемые в расчетах оборудования, предусмотрены в целом для нормальной работы машины, и приводятся в заводской документации [37].

Описание применяемых на экскаваторах схем опорно-поворотных устройств приведено ниже. На рис. 1.7-1.14 приведены следующие обозначения:

1 – верхний рельс, 2 – нижний рельс, 3 – втулка поворотной платформы, 4 – центральная цапфа, 5 – поворотная платформа, 6 – роликовый круг (ролик), 7 – втулка нижней рамы, 8 – гайка центральной цапфы, 9 – сферическая шайба, 10 – отливка нижней рамы, 11 – втулка сепаратора роликового круга, 12 – нижняя рама, 13 - сепаратор роликового круга, 14 - втулка ролика.

Экскаваторы ЭКГ-5А, ЭКГ-8И, ЭКГ-10 и их модификации в конструкции опорно-поворотного устройства имеют верхний и нижний рельсы, установленный между ними роликовый круг с цилиндрическими роликами. Центральная цапфа для регулировки зазоров имеет гайку на нижнем конце. Ролики при этом могут быть как с одной, так и с двумя ребордами (рис. 1.7-1.9) [28, 29, 30].

Рисунок - 1.7. Схема роликов и роликового круга опорно-поворотного устройства экскаваторов ЭКГ-5А, ЭКГ-8И, ЭКГ-10 и их модификации Рисунок 1.8 - Схема центральной цапфы экскаваторов ЭКГ-8И, ЭКГ-10 и их модификации Рисунок 1.9 - Схема центральной цапфы экскаватора ЭКГ-5А Экскаваторы ЭКГ-15 и ЭКГ-12,5 и их модификации в конструкции опорноповоротного устройства имеют сдвоенные верхние и нижние рельсы, установленный между ними роликовый круг, цилиндрические ролики которого выполнены с одной ребордой (рис. 1.10). Центральная цапфа для регулировки зазоров имеет гайку на верхнем конце (рис. 1.11) [31].

Рисунок 1.10 - Схема роликов и роликового круга экскаваторов ЭКГ-12, ЭКГ-15 и их модификации Рисунок 1.11 - Схема центральной цапфы экскаваторов ЭКГ-12,5 ЭКГ-15 и их модификации При проектировании и изготовлении современных экскаваторов-мехлопат имеется тенденция к применению роликового круга с коническими роликами (рис.1.12), имеющими одну реборду, расположенную с внутренней стороны рельсов. Центральная цапфа для регулировки зазоров имеет гайку на верхнем конце.

Опорно-поворотными устройствами с такой конструкцией оснащены отечественные производства ОАО «Уралмашзавод» и «ИЗ-Картэкс им. П.Г. Коробкова» (ЭКГ-12, ЭКГ-1500Р, ЭКГ-18Р и ЭКГ-32) [32, 33, 34].

Рисунок 1.12 - Схема роликов и роликового круга экскаваторов ЭКГ-12, ЭКГ-1500Р, ЭКГ-18Р и ЭКГ- Машины производства США (P&H) и КНР (WK) имеют одинаковую конструкцию опорно-поворотного устройства с роликовым кругом с коническими безребордными роликами (рис.1.13, а) и центральной цапфой с гайкой на верхнем Рисунок 1.13 - Схема роликов роликового круга (а) и центральной цапфы (б) экскаваторов P&H и WK- Конические катки для мощных машин выполняются с небольшой бочкообразностью по плоскости контакта с рельсом катания. Под нагрузкой каток деформируется и точка контакта переходит в линию. Конические катки меньше изнашиваются, чем цилиндрические, но сложнее в изготовлении.

Обзор опорно-поворотных устройств экскаваторов-мехлопат (рис. 1.7-1.13) показал, что применяемые конструкции можно обобщить единой компоновочной схемой: устройство со свободно вращающимися цилиндрическими или коническими роликами (катками), закрепленными на осях в сепараторе, а также наличие в составе устройства центральную цапфу (рис. 1.14).

Рисунок 1.14 - Схема общей конструкции опорно-поворотного устройства экскаватора-мехлопаты Изучение используемых конструкций устройств контроля наклона экскаваторов-мехлопат, применяемых в России и Кузбассе, показало следующее.

При наблюдении за работой экскаваторов установлено, что уклоны рабочих площадок присутствуют практически постоянно, при этом контролируются визуально эксплуатационным персоналом (машинист экскаватора, горный мастер).

Периодически привлекаются специалисты геолого-маркшейдерских служб предприятий, однако такое не всегда возможно по причине занятости последних.

Производителями рекомендовано эксплуатировать экскаваторы при определенных условиях, одним из которых является требование к наклону экскаватора при экскавации и при его перегоне. Требования заводов-изготовителей, эксплуатируемых на угольных разрезах Кузбасса, к наклону экскаватора приведены в табл. 1.2 [28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36].

Данные по значениям углов поперечного наклона в заводской документации практически отсутствуют (за исключением 2 градусов для ЭКГ-8И и 5 градусов для WK-35 при экскавации, а также 3 градусов для ЭКГ-18, 5 градусов для WK-35 и не более 5,75 градусов для P&H-2800 в режиме перемещения).

Таблица 1.2 - Данные производителей экскаваторов по углам уклона рабочей площадки и подъема трассы для перегона № Базовая марка Из данных табл. 1.2. следует, что для машин отечественного производства, которые в большинстве своем отработали нормативные сроки службы (марки ЭКГ-5А, ЭКГ-8И, ЭКГ-10, ЭКГ-15 и их модификации), требования к наклону экскаватора более жесткие, чем для машин, спроектированных и изготовленных в течение последних 10 лет. При этом эти модели экскаваторов не оборудованы устройствами контроля угла наклона экскаватора при экскавации и перегоне, потому как заводом-изготовителем предполагается безусловное выполнение эксплуатирующей организацией всех требований по условиям эксплуатации.

устанавливаются системы контроля, учитывающие условия и параметры работы экскаватора. При использовании этих систем для контроля состояния рабочей площадки и трассы для перегона решение о дальнейшей эксплуатации принимается оператором (машинистом) экскаватора, даже если имеется превышение допустимых углов наклона.

Требования к наклону рабочей площадки для экскаваторов производства P&H даны в процентах, для контроля которого в конструкции кабины имеется поплавковый кренометр (рис. 1.15) со шкалой деления в процентах [35]. Данное устройство предназначено для контроля продольного наклона экскаватора.

Указатель кренометра P&H состоит из стеклянной трубки со штампованными метками и шарика. Кренометр наполняется специальной жидкостью, регулирующей перемещение шарика. Жидкость в сочетании с большими четкими цифрами и метками градусов облегчает быстрое снятие точных показаний при различных неблагоприятных внешних условиях.

Рисунок 1.15 - Внешний вид поплавкового креномера экскаваторов P&H В конструкции кабин экскаваторов WK-35 производства Тайюаньского завода тяжелого машиностроения (г. Тайюань, КНР) предусмотрено два механических устройства, показывающих продольный и поперечный наклоны машины при работе (рис. 1.16 и рис. 1.17) [36].

Рисунок 1.16 - Указатель поперечного наклона экскаватора WK- Рисунок 1.17 - Указатель продольного наклона экскаватора WK- В конструкции ЭКГ-12 имеется устройство контроля продольного уклона, однако оно расположено правой стороне стрелы и не защищено от атмосферных осадков и смазки, поэтому при его возможном загрязнении вероятно искажение данных (рис. 1.18). Также контроль угла наклона машины можно осуществлять по данным бортового компьютера, который является дополнительной опцией при поставке экскаватора [32].

Рисунок 1.18 - Внешний вид указателя продольного наклона ЭКГ- На современных экскаваторах ЭКГ-18Р (ОАО «Уралмашзавод») и ЭКГ-32Р (ООО «ИЗ-Картэкс им.П.Г. Коробкова») установлена информационнодиагностическая система ИДС-18, контролирующая ряд параметров, в том числе угол стоянки экскаватора в продольной и поперечной плоскостях [33, 34, 38].

Анализ применяемых конструкций устройств контроля углов наклона показывает, что они по сути являются указателями угла наклона, и в ряде случаев дополнительно сигнализаторами. Однако решение о дальнейшей эксплуатации машины при наличии предельного угла наклона принимается человеком – машинистом (оператором) экскаватора.

Отсутствие устройств ограничения работы экскаватора при превышении предельно допустимого угла наклона машины и ее поворотной платформы приводит к использованию оборудования с отклонением от требований производителей, в том числе на рабочих площадках с превышением углов наклона, например рекомендуемых заводом-изготовителем (5О), который закладывает его при проектировании узлов и металлоконструкций.

Имеющиеся конструкции опорно-поворотных устройств карьерных экскаваторов-мехлопат возможно обобщить единой компоновочной схемой: устройство со свободно вращающимися цилиндрическими или коническими роликами, закрепленными на осях в сепараторе, а также наличие в составе устройства центральной цапфы. Этими элементами воспринимаются нагрузки, возникающие в верхней части экскаватора в процессе эксплуатации от черпания и наклона.

Углы наклона экскаватора при работе определяются заводской документацией. Существующие конструкции устройств контроля угла наклона визуализируют величину угла наклона и могут являться сигнализаторами. При этом решение о дальнейшей эксплуатации, в случае отклонения от требуемых производителем параметров по углам наклона, принимается человеком.

1.4. Анализ научно-технических подходов к определению параметров нагружения элементов опорно-поворотных устройств экскаваторов-мехлопат Экскавационная техника, работая в тяжелых условиях эксплуатации, подвержена воздействию значительных внутренних и внешних сил со стороны окружающей среды, включая объект экскавации. Многие технические характеристики и производительность экскаватора зависят от конструктивных и эксплуатационных параметров, заложенных при проектировании и производстве.

Эксплуатационный ресурс выражается для техники в виде расчетного планового жизненного цикла (в сроке службы, наработке), которому свойственны усредненные нормативные условия эксплуатации. На фактический жизненный цикл влияют многие факторы, имеющие различную природу. Одним из факторов является состояние опорно-поворотного устройства, воспринимающего значительные нагрузки при черпании горной породы, а также от массы поворотной части экскаватора.

По результатам анализа научных трудов отечественных ученых, выполненных в области анализа отказов и исследований узлов экскаваторов, следует отметить работы Русихина В.И., Коха П.И, Домбровского Н.Г., Махно Д.Е., Подерни Р.Ю., Касьянова П.А., Квагинидзе В.С. Однако подробные исследования нагруженности опорно-поворотных устройств этих экскаваторов в различных условиях не приведены. Исследования причин наклона поворотной платформы экскаваторов и оценка его влияния отсутствуют вовсе.

Имеется достаточно много работ выполненных кузбасскими учеными: Паначевым И.А., Насоновым М.Ю., Антоновым К.В., Путятиным А.Н., Черезовым А.А. посвященных исследованиям влияния грансостава горной массы, температуры окружающей среды, сейсмического воздействия и ветровой нагрузки на надежность и долговечность несущих металлоконструкций (прежде всего рабочего оборудования) одноковшовых экскаваторов [39, 40, 41].

В области исследования технологичности горного оборудования на карьерах можно отметить работы Гетопанова В.Н., Голубева В.А., Горбунова И.В., Ефимова В.Н., Квагинидзе В.С., Коха П.И., Махно Д.Е., Морозова В.И., Попандопуло К.В., Рахутина Г.С., Русихина В.И., Самарина А.М., Солода В.И., Солода Г.И., Тира Н.Д., Тропа А.Е., Федярина Е.М., Шадрина А.И, Хорешка А.А., Богомолова И.Д., Воронова Ю.Е.

Так, выполненный Квагинидзе В.С. анализ показал что, с увеличением возраста машин резко возрастают затраты на техническое обслуживание и ремонт.

Причем, если выработка машин за весь срок службы снижается на 40…50%, то расход на техническое обслуживание и ремонт возрастает в 4…5 раз [42, 43].

Насоновым М.Ю. выполнены работы по исследованию параметров механического нагружения, зависящих от качества взрывной подготовки горной массы, сейсмического воздействия взрывов на металлоконструкции, а также определена циклическая и статическая трещиностойкость сварных швов в зависимости от низких температур и химически активных веществ [44].

Карасевым Г.Н. и Степановым А.А. рассмотрены методики определения устойчивости строительных экскаваторов, выполняемых по различным методикам.

Однако в этих материалах не рассмотрены подходы к определению нагрузок и усилий в опорно-поворотных устройствах [45].

В работе «Моделирование рабочего процесса, механика, прочность и ресурс опорно-поворотных устройств шагающих драглайнов», выполненной Касьяновым П.А., предложены технические решения для проектирования узлов опорноповоротных устройств шагающих драглайнов [46].

Тотолиным П.Е. предложены технические решения по увеличению жесткости опорно-поворотного устройства строительного экскаватора, направленные для повышения надежности ходовой рамы экскавационной машины [47].

В работе Рябова А.В. «Совершенствование сварных металлоконструкций гидравлических экскаваторов на стадиях расчета, конструирования и изготовления» выполнены расчеты металлоконструкций строительных гидравлических экскаваторов [48].

Павловым В.П. в своей работе [49] предложена новая методика проектирования гидравлических экскаваторов с небольшой вместимостью ковша, применяемых при строительстве.

Красниковой Т.И. при обосновании и выборе рациональных параметров эксплуатации экскаваторов цикличного действия установлены зависимости технического состояния экскаватора и производительности от грансостава горной массы и качества подготовки рабочей площадки, однако не учтено влияние этих факторов на нагрузки в опорно-поворотном устройстве [50].

Дрыгиным М.Ю. предложена установка стационарного диагностического комплекса для одноковшовых карьерных экскаваторов, функциями которого служит фиксация, запись данных и их обработка о техническом состоянии узлов, преимущественно подшипниковых узлов. Для контроля узлов опорноповоротного устройства каких-либо решений не предложено [51].

Черезовым А.А. выполнены опытные исследования динамических процессов в рабочем оборудовании экскаваторов-мехопат при разработке взорванных горных пород на разрезах Кузбасса с предложением алгоритма расчета долговечности рабочего оборудования [52] В целом сложность в решении задачи создания надежных опорноповоротных устройств связана, прежде всего, с отсутствием научно обоснованных методов и норм расчета. Проектирование карьерных экскаваторов российского производства, отработавших нормативные сроки эксплуатации, выполнены на основании справочной литературы 60-годов прошлого века [53, 54, 55, 56, 57].

При проектировании и производстве элементов опорно-поворотного устройства учитываются геометрические параметры, особенности крепления стрелы к поворотной платформе, характер и величина нагружения, свойства горной массы, которые будут обеспечивать наибольшую надежность и прочность отдельных элементов и опорно-поворотных устройств в целом.

Принимаемые в расчетах оборудования условия эксплуатации экскаватора, которые закладываются для нормальных режимов работы, приводятся в заводской документации.

Наиболее значимыми составляющими нагрузок, вызывающих смещение равнодействующих сил, является вес рабочего оборудования и реакция от сил сопротивления копанию на ковше. Ветровая нагрузка, которая также может возникать при эксплуатации карьерных экскаваторов-мехлопат, является дополнительной [27].

Все действующие нагрузки подразделяются на:

предварительное напряжение), а также переменные нагрузки номинального режима эксплуатации машины (сопротивление копанию, вес груза в ковше, перемещение центров масс элементов), не вызывающего усталостного разрушения материала;

дополнительные или случайные нагрузки - возникающие нерегулярно, а при сочетании определенных факторов во время эксплуатации конструкции (например неблагоприятные, сравнительно редко проявляющиеся сочетание двух или более отдельно действующих нагрузок на один и тот же узел, действие ветра);

аварийные – критические нагрузки, вероятность которых весьма мала.

Для оценки влияния эксплуатационных нагрузок заводами-изготовителями закладываются условия эксплуатации, основанные на определении статических нагрузок. Влияние динамических нагрузок учитывается динамическим коэффициентом равным 2. Другими словами статические нагрузки полученные таким путем, умножаются на 2.

Согласно заводскими нормам у каждого экскаватора принимаются определенные комбинации нагрузок, по которым с учетом принятых материалов выбирают коэффициенты запасов прочности и допускаемые напряжения.

Значения коэффициентов запаса прочности n1, и допускаемых напряжений [] могут быть различными в зависимости от вида расчётных нагрузок, материалов и других факторов, влияющих на надёжность работе конструкции. Величина коэффициентов запаса прочности зависит от ряда факторов, трудно поддающихся учету, таких как неоднородность металла и его механических свойств, несоответствие отдельных сечений расчетным, неточное определение величин действующих нагрузок и принятых в расчетах величин концентрации напряжений, влияние остаточных напряжений.

ПО «Ижорский завод» при проектировании экскаваторов ЭКГ-8И и ЭКГ- принимает коэффициенты запасов прочности для рабочего оборудования – до 1,4; для прочих металлоконструкций – до 1,2. Максимальные напряжения в опорноповоротном устройстве определены исходя из статического расчета при определении массы противовеса (контргруза) с учетом динамического коэффициента равного 2.

Также ПО «Ижорский завод» [37] выполнены расчеты моментов инерции, определены силы и плечи, центры тяжести элементов экскаватора и машины в целом, выбрана масса противовеса и рассчитана устойчивость в целом экскаватора при работе.

Расчетные схемы расположения сил и их плечи относительно оси центральной цапфы построены для двух положений ковша (I – ковш на земле, начало копания и II – ковш на полном вылете, завершение черпания). Также может быть учтен один из неблагоприятных случаев, возникающих при эксплуатации экскаватора-мехлопаты - случай разбора ковшом плохо взорванного забоя. При такой работе, по мнению конструкторов, возможно опрокидывание экскаватора и возникновение максимальных нагрузок на центральной цапфе и роликовом круге.

Конструкторским бюро ОАО «Уралмашзавод» при проектировании шагающих драглайнов и гусеничных экскаваторов-мехлопат приняты значения запаса прочности n1 и допускаемых напряжений приведенные в табл. 1.3 [27].

Таблица 1.3 - Запасы прочности n1 и допускаемые напряжения [], МПа Примечание - К классу А относятся конструкции и детали, поломки которых вызывают аварии, длительные остановки машины; к классу Б – остальные конструкции.

В справочной литературе [27, 58, 59] приводятся методики расчета массы противовеса, оценки уравновешенности поворотной платформы и устойчивости экскаватора, а также усилий в опорно-поворотной устройстве. Однако эти методики также основаны на статическом расчете. При этом в них отсутствуют подходы (формулы, значения) по определению горизонтальных усилий и моментов, отрывающих поворотную платформу от роликового круга.

Изложенные в [60, 61, 62] общие подходы и методы проектных расчетов горных машин и оборудования достаточно четко описаны, но они направлены прежде всего на расчет элементов рабочего оборудования, исходя из действующих в них усилиях и моментах.

Разработанная в ОАО «ОМЗ-ГОиТ» [63] программа проектирования экскаваторов построена на основе кинематического и силового анализа применяемого типа рабочего оборудования (канатный или реечный напор) и ориентирована прежде всего на проектирование рабочего оборудования новых машин.

Таким образом возникает необходимость в проведении дополнительных работ, посвященных исследованию нагруженности опорно-поворотных устройств и устойчивости поворотных платформ экскаваторов-мехлопат с учетом перемещения центра масс поворотной платформы, усилий резания и напора, а также углов наклона поворотной платформы.

В настоящей работе использованы основные научные рекомендации, разработанные в трудах следующих ученых: Домбровского Н.Г., Панкратова С.А., Петерса Е.Р., Фролова К.В., Подерни Р.Ю., Хорешка А.А.

Недостаточность выполненных исследований, приведенных в проанализированных научно-технических источниках, оставляет задачу исследований нагруженности опорно-поворотных устройств и повышения надежности экскаваторов-мехлопат актуальной.

1.5. Выводы и задачи исследований В настоящее время на предприятиях Кузбасса по добыче угля открытым способом эксплуатируется большое количество экскаваторов – мехлопат, как недавно введенных, так и отработавших нормативный ресурс. Существующие процессы обновления экскаваторного парка ОАО «УК «Кузбассразрезуголь» свидетельствуют о том, что какое-то время будет эксплуатироваться устаревшее оборудование, поэтому имеется постоянная необходимость в разработке мер и рекомендаций по модернизации отдельных узлов и устройств, обеспечивающих безопасную эксплуатацию оборудования.

Особенности конструкции опорно-поворотных устройств, недостаточная организация и оснащение ремонтных служб предприятий приводят к увеличению времени устранения внеплановых простоев, от которых зависит техническая готовность оборудования. При эксплуатации экскаваторов-мехлопат возникают внеплановые простои оборудования, которые также зависят от качества подготовки забоя и рабочей площадки.

Опорно-поворотное устройство карьерных экскаваторов-мехлопат (со свободно вращающимися цилиндрическими или коническими роликами, закрепленными на осях в сепараторе, и с центральной цапфой) воспринимает нагрузки, возникающие в процессе эксплуатации от черпания и наклона.

Существующие конструкции устройств контроля угла наклона визуализируют величину угла наклона и являются сигнализаторами. При этом решение о дальнейшей эксплуатации, в случае отклонения от требуемых производителем параметров по углам наклона (определены заводской документацией), принимается человеком.

Недостаточность выполненных работ по изучению нагруженности и надежность опорно-поворотных устройств экскаваторов-мехлопат оставляет задачу исследований несомненно актуальной.

Для достижения поставленной цели работы, заключающейся в повышении технической готовности экскаваторов-мехлопат при максимальных параметрах нагружения элементов опорно-поворотных устройств в различных условиях эксплуатации, необходимо решить следующие задачи:

1. Проанализировать состояние экскаваторного парка, конструкции опорноповоротных устройств и устройств контроля угла наклона на примере экскаваторов-мехлопат ОАО «УК «Кузбассразрезуголь».

2. Исследовать отказы элементов опорно-поворотных устройств экскаваторов-мехлопат и причины наклона поворотной платформы.

3. Определить параметры устойчивости поворотной платформы экскаваторов-мехлопат и оценить ее воздействие на опорно-поворотное устройство.

4. Разработать динамическую модель нагружения конструктивных элементов опорно-поворотных устройств.

5. Обосновать и разработать технические решения по обеспечению допустимых параметров нагружения опорно-поворотных устройств и контролю устойчивости поворотной платформы.

Решение поставленных задач позволит изучить параметры нагружения опорно-поворотного устройства за время копания при различных углах наклона экскаватора и оценить воздействие возникающих при этом нагрузок на техническое состояние опорно-поворотного устройства.

Полученные результаты позволят обосновать и разработать технические решения по обеспечению допустимых параметров нагружения опорноповоротных устройств, исключающих влияние условий эксплуатации на техническое состояние оборудования, что в итоге должно привести к повышению надежности и безопасности эксплуатации оборудования.

НАГРУЗОК НА НЕСУЩИЕ ЭЛЕМЕНТЫ ОПОРНО-ПОВОРОТНОГО УСТРОЙСТВА

Наиболее часто встречающимися отказами опорно-поворотных устройств экскаваторов-мехлопат, устранение которых также наиболее продолжительное, являются дефекты роликового круга и верхнего рельса, выраженные в виде раскатывания и износа, а также излома верхней части центральной цапфы, возникающего по причине образования и развития трещин [64, 65].

Для установления причин, имеющихся поломок элементов опорноповоротных устройств, подробно изучен характер их повреждений [66, 67].

Настоящие исследования проводились совместно с оценкой технического состояния оборудования, выполненной в рамках проведения экспертизы промышленной безопасности экскаваторов ОАО «УК «Кузбассразрезуголь», отработавших нормативные сроки эксплуатации. За период с 2005-2013 гг. автором, являющимся экспертом по промышленной безопасности и специалистом по неразрушающему контролю горнотранспортного оборудования открытых горных работ, выполнено обследование более 400 экскаваторов, из них около 250 экскаваторов-мехлопат. При этом охвачен весь спектр экскаваторов, применяемых при добычных и вскрышных работах, а также работающих на технологических комплексах на поверхности и складах полезного ископаемого (ЭКГ-8И, ЭКГ-10, ЭКГЭКГ-15 и их модификации, ЭКГ-4,6Б и ЭКГ-5А) (табл. 2.1).

Таблица 2.1 - Перечень экскаваторов-мехлопат, прошедших экспертизу промышленной безопасности после проведения их комплексного обследования Существующие темпы обновления парка экскаваторов-мехлопат не позволяет своевременно и полностью заменять оборудование, поэтому техническое состояние оборудования будет оставаться примерно на прежнем уровне.

При обследованиях опорно-поворотных устройств экскаваторов-мехлопат установлено, что ролики роликового круга в процессе вращения поворотной платформы перемещаются по кругу, направление черпания при этом относительно нижней рамы периодически меняется, в этой связи износ нижнего рельса и роликов относительно равномерный. Схема типового износа ролика роликового круга экскаватора ЭКГ-10 приведена на рис. 2.1.

Рисунок 2.1 - Схема типового износа ролика роликового круга ЭКГ- Измерения износа верхнего рельса экскаватора ЭКГ-10, изготовленного из стали 35ХМ ГОСТ 8479-70 [68, 69], показали следующее. Наибольшему износу (раскатыванию) подвержена передняя часть верхнего рельса, поэтому сделано предположение, что именно на эту часть рельса воздействуют наибольшие эксплуатационные нагрузки, возникающие при черпании горной массы. Также можно предположить, что этот факт является следствием перемещения центра масс механической системы (равнодействующей всех сил) в сторону ковша. Минимальная нагрузка будет в задней части рельса на последних роликах в момент отрыва верхнего рельса от роликового круга.

Результаты измерений величин износа верхнего рельса по окружности приведены на рис. 2.2.

Рисунок 2.2 - Результаты измерений износа верхнего рельса экскаватора ЭКГ- Исходя из рис.2.2. видно, что наиболее подвержен износу сектор верхнего рельса в диапазоне 60 градусов, что составляет приблизительно 5 роликов (60О/9О=6,7), исходя из того, что каждый ролик расположен на каждом 9 градусе окружности роликового круга (360О/40=9О).

Краткая характеристика верхнего рельса экскаватора ЭКГ-10 приведена в табл. 2.2 [69, 70].

Таблица 2.2 - Краткая характеристика верхнего рельса экскаватора ЭКГ- 5.4.

Также экспериментально установлено, что площадь контакта переднего ролика с верхним рельсом представляет собой прямоугольник площадью 678 мм (длина 114 мм и ширина 6 мм) (рис.2.3).

Рисунок 2.3 - Отпечатки пятна контакта ролика с верхним рельсом экскаватора ЭКГ- В соответствии с законами трибологии [71] износ элемента в конкретной точке в большей степени зависит от нагрузки в его сечении, при этом обратно пропорционален твердости и также зависит от перемещений и трения. Исходя из этого предположено, что величина износа верхнего рельса зависит от вертикальных нагрузок, возникающих при эксплуатации экскаватора, поэтому износ рельса в конкретных местах прямо пропорционален нагрузкам в местах контактов с роликами. Другими словами износ рельса зависит от участия конкретного ролика при восприятии удельной (вертикальной) нагрузки.

Для определения качественного выражения удельной нагрузки воспринимаемой конкретным роликом (в центре пятна его контакта с рельсом) построены графики зависимости износа рельса от расположения центра пятна контакта роликов относительно оси вращения с привязкой к диаметру рельса, а также зависимости износа от коэффициента участия ролика при восприятии удельной нагрузки (рис. 2.4).

Коэффициент участия Рисунок 2.4 - Зависимости величины износа верхнего рельса экскаватора ЭКГ-10 от расположения линии центра пятна контакта и коэффициентов участия ролика при восприятии удельной нагрузки Количество линий центров пятен контактов по диаметру рельса принято исходя из количества всех роликов (n=40 шт.). На первой линии расположен один ролик, на последующих линиях по два, и на последней линии - один ролик.

Для определения значений нагрузок на верхнем рельсе используется термин «коэффициент участия ролика» - Ку, показывающий величину восприятия им части удельной нагрузки – Nуд, определяемой по формуле:

Коэффициенты участия роликов в восприятии эксплуатационных нагрузок приняты по участку максимального износа и определены графически по рис. 2.3:

для переднего (первого) ролика этот коэффициент равен 1, для второго и третьего – 0,98, четвертого и пятого – 0,85.

С применением программного комплекса Excel получена зависимость величины износа верхнего рельса от точки приложения вертикальной нагрузки, действующей на конкретный ролик. Эта зависимость описана полиномом четвертой степени с коэффициентом аппроксимации R2=0,9925:

В соответствии с полученной картиной износа (рис. 2.3) наибольшая величина износа наблюдается в передней части, что свидетельствует о наличии максимальных нагрузок, возникающих от смещения центра масс механической системы поворотной платформы и расположенного на ней оборудования. Это явление определяет условие устойчивости механической системы поворотной платформы и расположенного на ней оборудования, то есть способность этой системы сохранять текущее состояние при наличии внешних (эксплуатационных) воздействий в заданных пределах [72].

В справочной документации [27] описывается, что уравновесить поворотную платформу – значить устранить выход результирующей веса платформы с механизмами и рабочим оборудованием за пределы периметра опорного круга при повороте платформы с полной нагрузкой и без нагрузки на рабочем органе.

Платформа считается уравновешенной при любых положениях поворотной части с ковшом (порожним или груженым) при следующих условиях:

- равнодействующая весов вращающихся частей с рабочим оборудованием не должна выходить за периметр многоугольника, образованного соединением точек касания опорных катов с поворотным кругом;

- перемещения равнодействующей вперед и назад по отношению к центральной цапфе желательно иметь одинаковыми по величине.

Это утверждение не совсем корректно, так как в этом случае следует утверждать об устойчивости механической системы относительно кого-либо ребра опрокидывания со стороны результирующей, например, передних или задних роликов.

Из-за отсутствия устойчивости механической системы поворотной платформы и расположенного на ней оборудования, и присутствия различных по величине и направлению нагрузок возникает качание платформы. При этом часть этих нагрузок воспринимается центральной цапфой.

На рис. 2.5 и рис. 2.6 схематично указаны величины износа металлических поясов поворотной платформы, выполняющих своего рода функцию втулки, и бронзовой втулки нижней рамы.

Рисунок 2.5 - Схема износа втулки поворотной платформы ЭКГ- Рисунок 2.6 - Схема износа бронзовой втулки нижней рамы ЭКГ- Повреждения центральной цапфы ОПУ в основном выражаются в форме износа, представленного на рис. 2.7 и излома ее верхней части. Иногда поломка цапфы выражается в виде излома в средней части, в этом случае нижняя часть падает на грунт площадки, верхняя подлежит демонтажу. Из-за редкости таких отказов такие случаи не рассматривались.

Рисунок 2.7 - Схема износа центральной цапфы ЭКГ- Краткая характеристика центральной цапфы экскаватора ЭКГ-10 приведена в табл. 2.3 [69, 70].

Таблица 2.3 - Краткая характеристика центральной цапфы ЭКГ- Для более детального исследования причин разрушения (излома) центральной цапфы, как наиболее значимого и требующего срочного ремонта узла, был проведен фрактографический анализ поверхности излома его верхней части. По результатам этого установлено направление развития дефекта и рассмотрены условия его образования.

На рис. 2.8 представлен эскиз узла с указанием места излома и участка вырезки контролируемого образца и на рис. 2.9 представлена центральная цапфа с вырезанным образцом и контрольный образец, подлежащий исследованию.

Рисунок 2.8 - Схематичное изображение центральной цапфы и местоположения вырезки контрольного образца Рисунок 2.9 - Общий вид части цапфы (а) с вырезанным образцом (б) По характеру излома в соответствии с моделью разрушения материала поверхность была разделена на характерные участки (рис. 2.10).

Рисунок 2.10 - Разбивка поверхности контроля на характерные зоны Зона 1 характеризуется шероховатой поверхностью с характерным шевронным рисунком в виде полос, направленных от границы образца в направлении зоны 2. Вблизи границы зоны 2 полосы параллельны указанному контуру. Место скопления лучей шевронных полос на рис. 2.10 помечено точкой и находится в месте пересечения края образца с отверстием под рым-болт.

Зона 2 характеризуется шероховатой поверхностью без ярко выраженного шевронного рисунка, что соответствует скоротечности протекающего процесса разрушения в данной зоне.

Зона 3 характеризуется шероховатой поверхностью без ярко выраженного шевронного рисунка, однако по сравнению с зоной 2 видна структура расположения шевронных полос, направленных от границы зоны 2 в сторону верхней части контролируемого образца.

Зона 4 определена границами, образовавшимися в процессе вязкого разрушения. Имеет место грубая поверхность с развитым рельефом, обусловленным влиянием структуры материала на поверхность разрушения.

Зона 5 обусловлена грубой поверхностью без ярко выраженных полос шевронного рисунка. Состояние поверхности является характерным для участка долома.

Зона 6 имеет характерные признаки, присущие для зоны 3 - зоны быстрого разрушения.

Из общего вида представленного образца следует, что зоной концентрации напряжений стал участок объема в месте сопряжения границы образца и части отверстия с витками резьбы. Образование трещин в материале обусловлено привнесением напряжений в какой-либо объем вблизи концентратора. Привнесение напряжений вблизи концентратора, указанного ранее, обусловлено ударным воздействием конструкции посадочного места для цапфы на участок в районе галтели (рис. 2.11).

Рисунок 2.11 - Общий вид образца в районе предположительного концентратора О длительном воздействии нагрузок свидетельствует участок поверхности с ярко выраженным наклепом в районе галтели и завальцованными краями отверстия.

Таким образом, причиной разрушения конструкции можно считать совокупность нескольких факторов:

особенность изготовления цапфы – сквозное отверстие с витками резьбы в наиболее нагруженном месте и касание посадочного места о галтель центральной цапфы;

воздействие внешних нагрузок, возникающих при эксплуатации оборудования, носящих знакопеременный характер.

Механизм разрушения можно представить в виде следующей последовательности: наклеп и образование трещины вблизи концентратора; развитие трещины, переходящее в хрупкое разрушение всей конструкции.

В результате длительного наклепа вблизи отверстия в основаниях одного из витков резьбы зародилась трещина, скорость ее роста в начальный период времени была крайне мала, о чем свидетельствуют близко расположенные шевронные полосы в зоне 1 (рис. 2.11).

С увеличением размера трещины увеличивалась и скорость ее роста, то есть увеличение расстояния между полосами свидетельствует об увеличении прироста трещины за каждый отдельный скачек. В какой-то период времени трещина из зоны 1 в виде единого мгновенного скачка переходит в зону 2, при этом исходя из соотношения площади образовавшейся трещины и площади последующего скачка, можно предположить, что это произошло либо в период низких температур, либо в результате воздействия нагрузок большой величины. Из-за анизотропности структуры материала процесс трещинообразования, встречая на пути участок зоны 4 снижает свою скорость в зоне 3, и начиная с границы зоны 4 уже протекает в виде вязкого разрушения.

Зона 5 является характерным участком для зоны долома. Развитие фронта трещины в зоне 6 происходило предположительно одновременно с зоной 3 или из той же самой трещины в основании витка, постепенно снижая скорость.

Раскрываясь далее от контролируемого образца, скорость роста трещины постепенно снижалась, о чем свидетельствует увеличение зернистости поверхности и начало образования шевронных рисунков. Но в связи с обширным фронтом распространения трещины и началом долома на всю толщину тела цилиндрической части рост не прекращался. Причиной тому предположительно послужили усилия от выполнения технологического цикла экскавации, которых в настоящий период было достаточно для развития процесса трещинообразования, при этом их общие значения превышали предел текучести материала (для цапфы это сталь 40 ГОСТ 1050-88 с пределом текучести 335 МПа). На конечной стадии разрушения конструкции процесс трещинообразования проходил уже по вязкому механизму с низкой скоростью при воздействии относительно небольших нагрузок.

Установлено, что основной причиной возникновения износа и повреждений несущих элементов опорно-поворотного устройства являются эксплуатационные нагрузки, имеющие характер разрушающих.

Наличие дополнительных нагрузок, возникающих при эксплуатации машин с наклоном, приводит к значительному смещению центра масс и потере устойчивости механической системы поворотной платформы и расположенного на ней оборудования, оказывая воздействие на основание платформы – роликовый круг опорно-поворотного устройства.

2.2. Условия возникновения эксплуатационных нагрузок в элементах опорно-поворотных устройств экскаваторов-мехлопат Оценке воздействия эксплуатационных нагрузок, возникающих в процессе черпания и при наличии наклона экскаватора, посвящен настоящий раздел.

Исходя из недостаточного изучения другими авторами влияния внешних факторов (условий эксплуатации) на нагруженность ОПУ в расчетах приняты максимальные усилия резания и напора. Они всегда имеются при черпании, так как экскаваторами разрабатываются горные породы с различными физикомеханическими характеристиками в разнообразных забоях. Значения этих усилий определяются параметрам приводов механизмов подъема и напора, максимальные величины ограничиваются стопорными токами их двигателей и постоянны в любом забое и в любое время года.

По причине недостаточной изученности взаимного влияния нагрузок в опорно-поворотном устройстве и положения машины в пространстве выполнены исследования причин продольного наклона экскаватора и его поворотной платформы [73, 74].

Поперечный наклон имеется не так часто как продольный, поэтому подробного изучения причин его возникновения не приведено, но при этом его возможные значения учитываются в теоретической части настоящей работы.

Опыт многолетних наблюдений за эксплуатацией экскаваторов (как новых, так и отработавших нормативный срок службы), в том числе при проведении экспертизы показывает, что при работе машины имеют место три основных фактора, влияющих на продольный наклон (далее наклон) поворотной платформы и машины в целом общ.

Наклон машины из-за уклона рабочей площадки (до 7 градусов) 1 определяется планированием и организацией горных работ и, в ряде случаев, условиями залегания угля. Работа экскаваторов в этих условиях достаточно просто определяется визуально или с помощью простых приборов, при этом особенно ощутима при работе в комплексе с автосамосвалами.

Хронометражные наблюдения и измерения с применением разработанного прибора (рис. 2.12) на остановленных машинах (для исключения влияния наклона от износа опорно-поворотного устройства и просадки машины), а также анализ работы экскаваторов ряда угольных предприятий показал, что оборудование эксплуатируется до 40% времени работы на площадках с превышением угла установки, регламентированного заводом-изготовителем (рис. 2.13) [67].

Рисунок 2.12 - Прибор для определения угла наклона экскаваторамехлопаты на его рабочей площадке Рисунок 2.13 - Среднее время работы экскаваторов-мехлопат на рабочих площадках с наклоном Производственными службами разрезов зачастую допускается уменьшение объемов вскрыши для добычи угля. Рассмотрим пример подобной ситуации.

Для добычи полезного ископаемого (угля) с соблюдением регламентного угла наклона экскаватора (1=2О) с нормальной высотой черпания Нч необходимо освоить горную массу согласно фигуре «а-с-d», после чего потребуются маневровые работы для освоения остальных объемов «а-в-с», в которых все еще находится больший объем полезного ископаемого (рис. 2.14).

При увеличении угла наклона рабочей площадки, например 1>2О, экскаватор достигнет угля раньше, в этом случае сокращается время горных работ с итоговым объемом по фигуре «а-в-с-d» для добычи угля, исключая время маневровых работ. При этом стоимость добытого угля окупать затраты производства то есть данный вариант считается экономически выгодным.

Рисунок 2.14 - Схема отработки угольного пласта экскаватором-мехлопатой с превышением наклона рабочей площадки Работа в указанных условиях осуществляется по взорванной горной массе, где возможна просадка машины (рис. 2.15).

Рисунок 2.15 - Работа экскаватора ЭКГ-10 на рабочей площадке с увеличенным уклоном и просадкой грунта Зачастую экскаваторы в связи с отсутствием специальной техники (экскаваторы-драглайны, гидравлические экскаваторы, бульдозеры) применяют при проходке разрезных траншей, на иных вспомогательных работах, таких как строительство автомобильных дорог, планирование трассы, строительство и очистка зумпфов для сбора карьерных вод.

Таким образом, в отдельных случаях производственными службами угольных предприятий считается экономически выгодным эксплуатировать мехлопаты на рабочих площадках с большим уклоном.

Наклон машины из-за проседания грунта со стороны рабочего оборудования (до 400 мм или 3,7 градуса) 2 возникает при эксплуатации машин на грунтах со слабой несущей способностью - взорванная горная масса или наносы (глина) на горном участке или разрыхленный уголь на угольном складе. Наклон машины также проявляется в виде качания, о чем свидетельствует образовавшаяся на рабочей площадке колея. Направление рабочего оборудования относительно гусеничного хода (вдоль или поперек) может меняться от условия забоя или схемы отработки. У эксплуатирующей организаций информация о фактической несущей способности конкретного забоя отсутствует, поэтому возможность работы на площадке определяется визуально (просядет машина или нет и на какую величину).

Фактический наклон экскаватора-мехлопаты при работе определялся по величине просадки, в том числе при качании (рис. 2.16 и рис. 2.17), с использованием прибора КСЦ-1, а также рассчитаны по формуле (2.4).

На рис. 2.16 приведены следующие обозначения:

Sm - глубина проседания передней части экскаватора, мм;

L - длина опорной поверхности гусеничного хода, мм;

Rч=ХР01 – радиус черпания или горизонтальное расстояние точки приложения усилия резания Р01 и напора Р02, м;

Hк=YР01 – высота черпания (копания) или вертикальное расстояние точки приложения усилия резания Р01 и напора Р02, м;

2 – величина наклона экскаватора по причине просадки рабочей площадки, градус.

Изменение наклона экскаватора по отношению к рабочей площадке выражено как:

где Sm = 400 мм, L = 6210 мм (для ЭКГ-10).

Рисунок 2.16 - Схема для определения величины просадки передней части экскаватора и наклона поворотной платформы при черпании Рисунок 2.17 - Работа экскаватора ЭКГ-10 при наличии просадки грунта рабочей площадки Наклон машины из-за износа элементов опорно-поворотной устройства (до 1,3 градуса) 3 определяемый фактическим техническим состоянием опорноповоротного устройства экскаватора, наблюдался на машинах различного возраста.

Величина наклона в этом случае характеризует степень износа отдельных элементов опорно-поворотного устройства (зазоры во втулках центральной цапфы, зазор между нижней рамой и гайкой сферической шайбой) и может достигать 45 мм.

Измерения указанного зазора проводились при черпании горной массы, когда все возможные зазоры в опорно-поворотном устройстве (на роликах, втулке поворотной платформы, бронзовой втулке нижней рамы, на гайке центральной цапфе), были выбраны.

Заводом-изготовителем отечественных экскаваторов рекомендуется измерять зазор между сферической шайбой или гайкой центральной цапфы и нижней рамой по следующей последовательности. Экскаватору необходимо упираться ковшом в забой (с противоположной стороны располагается привод хода и кабельный барабан), выдвинуть на полный вылет рукоять с наполненным ковшом. В результате этих операций должна приподниматься передняя (задняя) часть, после чего специалист измеряет нужный зазор.

Фактические углы наклона поворотной платформы экскаватора, например ЭКГ-10 с роликовым кругом радиусом Rопу=1900, определены по результатам экспертных обследований экскаваторов, в том числе отработавших нормативные сроки эксплуатации, а также определены в ходе замеров с применением прибора КСЦ-1. Измерения и проверочный расчет показали, что величина наклона может достигать 1,3 градусов:

На рис. 2.18 и рис. 2.19 приведены фотоснимки типовых повреждений (износ и излом) элементов опорно-поворотного устройства экскаваторов-мехлопат.

Рисунок 2.18 - Излом верхнего рельса (а) и центральной цапфы (б) Рисунок 2.19 - Износ втулки ролика (а), верхнего рельса (б), пальца ролика (в) и стопорных планок центральной цапфы (г) Из-за сложности доступа для контроля зазора между гайкой сферической шайбы и нижней рамой, отсутствием оперативного доступа для контроля износа посадочных отверстий в нижней раме и раме поворотной платформы, необходимые измерения зазоров выполняются несвоевременно и не в полном объеме. Это приводит к эксплуатации машин с увеличенными зазорами, соответственно с увеличенным углом наклона поворотной платформы.

Таким образом, возможный угол наклона поворотной платформы машины при черпании горной массы может достигать 12 градусов:

Заводом-изготовителем ЭКГ-10 эта величина характеризуется только для перегона экскаватора, но не для его работ, то есть при черпании. На рис. 2.20 приведена диаграмма углов вероятного наклона поворотной платформы экскаваторамехлопаты при работе на открытых горных работах.

Рисунок 2.20 - Величина вероятного наклона поворотной платформы экскаватора-мехлопаты При эксплуатации экскаваторов-мехлопат неизбежно возникает изменение их положения в пространстве. Наклон рабочей площадки, слабые несущие грунты рабочей площадки, износ элементов опорно-поворотного устройства приводят к наклону поворотной платформы, что влияет изменение устойчивости механической системы поворотной платформы и расположенного на ней оборудования, а также к образованию дополнительных нагрузок, которые оказывают воздействие на основание поворотной платформы - опорно-поворотное устройство.

воздействии эксплуатационных нагрузок Причиной износа и излома отдельных элементов опорно-поворотного устройства является воздействие внешних (эксплуатационных) нагрузок, приводящих к неуравновешенности механической системы поворотной платформы и расположенного на ней оборудования относительно оси вращения, то есть к перемещению центра масс этой системы. Это явление при определенных условиях также приводит к смещению центра масс за периметр опорной поверхности (роликового круга) с ребром опрокидывания, например, передним роликом, что в итоге ведет к потере устойчивости поворотной платформы и перераспределению нагрузок в элементах опорно-поворотного устройства.

Неуравновешенным считается такой механизм (машина), в котором при движении его звеньев возникает условие движения центра масс механизма (машины) с ускорением относительно какой-либо точки.

При этом имеют место: статическая неуравновешенность, при котором главный вектор сил инерции не равен 0; моментная неуравновешенность, когда главный момент сил инерции не равен 0; динамическая неуравновешенность, в этом случае главный вектор и главный момент сил инерции не равны 0 [75].

При наличии какого-либо движения звеньев машина оказывает на основание дополнительные динамические нагрузки, которые изменяются циклически.

Это приводит к периодическим возмущениям машины на основание, вызывающим вибрации. Применительно к экскаватору-мехлопате динамические нагрузки от движения звеньев (поворотной платформы и расположенного на ней оборудования) будут восприниматься основанием – опорно-поворотным устройством, причем за относительно короткий промежуток времени – время черпания.

Этот обстоятельство предопределило направление дальнейших исследований оценки перемещения центра масс механической системы поворотной платформы и расположенного на ней оборудования на опорно-поворотное устройство при наличии эксплуатационных нагрузок.

При проектировании опорно-поворотных устройств влияние усилий резания и напора учитывается только при определении устойчивости всей машины [27, 37]. При этом учитываются только вертикальные нагрузки. Расчет возможных нагрузок на опорно-поворотное устройство выполняется как без учета данных усилий, так и без учета динамических нагрузок, возникающих при движении центра масс, то есть является статическим расчетом. Влияние динамических нагрузок учитывается динамическим коэффициентом и запасом прочности деталей, но не превышает Кдин = 2.

Траекторию движения, время и степень наполнения ковша горной массой, а также возникающий при работе машины наклон ее поворотной платформы необходимо учитывать в динамическом расчете, в том числе при определении уравновешенности поворотной платформы и распределении нагрузок на элементы опорно-поворотного устройства [74, 75].

Для определения качественных показателей нагрузок в опорно-поворотном устройстве проведены исследования их динамических и статических составляющих, имеющих место при черпании горной массы, а также при наличии наклона поворотной платформы.

Для оценки влияния перемещения центра масс механической системы вращающейся части экскаватора (в том числе при черпании и наклоне) на статические и динамические нагрузки, действующие на основание, то есть опорноповоротное устройство, разработана силовая и кинематическая схема расположения элементов механической системы на примере экскаватора ЭКГ-10 (приведена на рис. 2.21).

Координаты центра масс механической системы с учетом движения центров масс рукояти с ковшом и набираемого в ковш грунта, определены следующими формулами:

Вес грунта в ковше определяется формулой:

где Gгрмах – максимальный вес грунта в ковше, кН;

Кзi = 0,1 … 1 - коэффициент заполнения ковша грунтом в его i-том положении (i =1…10).

Рисунок 2.21 - Схема расположения элементов механической системы экскаватора ЭКГ-10 при определении нагрузок на его опорно-поворотное устройство На рис. 2.21 приведены следующие обозначения: Gпр, Gп.пл., Gподв, Gстр, Gлест, Gрук, Gгр i – массы противовеса, поворотной платформы с расположенным на ней оборудованием, подвески стрелы (канаты, подкосы), лестницы стрелы, ковша с подвеской и рукояти, вес грунта в i-том положении ковша за время черпания (i =1…10), кН; G – общий вес механической системы, кН; Хпр, Хп.пл., Хподв, Хстр, Хлест, Хрук, Хгр i, ХG, Yпр, Yп.пл., Yподв, Yстр, Yлест, Yрук, Yгр i, YG – координаты центра масс противовеса, поворотной платформы с расположенным на ней оборудованием, подвески стрелы, лестницы стрелы, ковша с подвеской и рукояти, а также механической системы, м; Хн.о. и Yн.о. – координаты напорной оси, м; Xр и Yр – координаты точки приложения точки резания, м; Р01 - усилие резание, Р02 - усилие напора, кН;

S – отрывающее усилие в центральной цапфе, кН; Rопу – радиус роликового круга, м; точка В – месторасположение переднего ролика, – угол наклона в продольном направлении, град.

Координаты центра тяжести рукояти и ковша в i-том положении за время черпания:

где V – скорость выдвижения рукояти, м/с;

l грн.о – расстояние от центра массы грунта в ковше до напорной оси, м;

– угловая скорость поворота ковша и рукояти относительно напорной оси, рад/с;

t – время черпания, с.

Координаты центра тяжести грунта в ковше в i-том положении за время черпания:

где l рукн.о – расстояние от центра массы рукояти до напорной оси, м;

а – расстояние от зуба до центра массы ковша, м.

Координата ХGi точки пересечения линии действия равнодействующей всех сил тяжести поворотной платформы или веса G с ее опорной поверхностью имеется при наличии наклона, при этом передний ролик (точка В) является ребром опрокидывания, проявляющимся при потере устойчивости:

Динамический расчет отрывающего усилия в центральной цапфе выполнен с учетом влияния усилий резания и напора, а также с учетом движении центра масс. Для этого составлено уравнение моментной устойчивости относительно ребра опрокидывания (в случае с экскаватором ЭКГ-10 это точка В (рис. 2.21)).

Отрывающее усилие определено следующим выражением:

где – угол наклона в поперечном направлении, град.

Согласно установленной последовательности расчета положения центра масс механической системы поворотной платформы и расположенного на ней оборудования впервые учтены: наклон экскаватора, положение ковша при черпании и его заполнение горной массой, что позволит оценить устойчивость данной механической системы при воздействии внешних нагрузок.