Оценка долговечности металлоконструкций шагающих экскаваторов при разработке взорванных пород на угольных разрезах Кузбасса

Актуальность работы. Постоянное развитие открытой разработки полезных ископаемых на разрезах Кузбасса ставит перед угольной промышленностью важную задачу по увеличению долговечности и производительности шагающих экскаваторов.

Шагающие экскаваторы нашли основное применение при бестранспортной системе разработки месторождений открытым способом. Обладая технологическими и экономическими преимуществами по сравнению с другими видами экскаваторов, они, в свою очередь, являются более металлоемкими и технологически сложными машинами, и, как следствие, дорогостоящими. Нормативный срок службы шагающих экскаваторов составляет 20 лет. За это время происходит не только физический износ основного оборудования, но и его моральное старение. В настоящее время горнодобывающие предприятия не в состоянии своевременно обновлять парк машин, поэтому вынуждены эксплуатировать машины, отработавшие нормативный срок службы.

Особо опасными с точки зрения трещинообразования являются динамические нагрузки. Формирование нагрузок на несущие металлоконструкции и основные механизмы шагающих экскаваторов в значительной степени зависит от физико-механических свойств разрабатываемых пород и качества их подготовки к экскавации, характеризуемого средним диаметром куска в развале пород и коэффициентом разрыхления взорванной горной массы.

Эксплуатация экскаваторов сверх нормативного срока службы приводит к дополнительному образованию трещин в отдельных элементах конструкций и их росту до критических размеров. Вследствие этого увеличивается время простоев оборудования, возрастают затраты на проведение ремонтов и, как следствие, снижается их производительность.

Под влиянием низких отрицательных температур значительно снижаются вязкостные свойства сталей, применяемых для изготовления металлоконструкций экскаваторов. Резкие колебания температур вызывают дополнительные напряжения в их металлоконструкциях. Низкие температуры окружающей среды способствуют увеличению среднего диаметра куска развала пород, что вызывает увеличение напряжений в металлоконструкциях экскаваторов, в результате чего увеличивается скорость развития трещин в металлоконструкциях и снижается их долговечность.

С этой точки зрения разработка способа оценки долговечности металлоконструкций шагающих экскаваторов с учетом горнотехнических характеристик взорванной горной массы и низких температур окружающей среды является весьма актуальной задачей.

Цель работы — оценка долговечности металлоконструкций шагающих экскаваторов с учетом влияния горнотехнических характеристик взорванной горной массы и низких температур окружающей среды.

Идея работы заключается в учете горнотехнических характеристик взорванной горной массы и низких температур окружающей среды при оценке долговечности шагающих экскаваторов.

Задачи исследования: изучить влияние горнотехнических характеристик взорванной горной массы и температуры окружающей среды на параметры надежности и трещиностойкости металлоконструкций шагающих экскаваторовустановить влияние гранулометрического состава взорванных горных пород и температуры окружающей среды на размахи напряжений, возникающих в металлоконструкциях шагающих экскаваторов. разработать методику прогноза долговечности металлоконструкций шагающих экскаваторов.

Методы исследований: конечно-элементное моделирование, натурные и лабораторные исследованияобработка экспериментального материала методами математической статистики и теории вероятности.

Основные научные положения, выносимые на защиту: — параметр потока отказов экскаватора ЭШ 10/70 в зимний период по сравнению с летним при увеличении среднего диаметра куска породы в развале на 20% увеличивается в 1,8 раза, а трещиностойкость металлоконструкций (стрела, надстройка, поворотная платформа) при понижении температуры до -40°С уменьшается в 1,4 раза.

— увеличение среднего диаметра куска развала в результате смерзаемости горных пород в диапазоне 0,3−0,45 м связанно пропорциональной зависимостью с напряжениями, возникающими в металлоконструкциях шагающих экскаваторов, которые возрастают при этом в 1,3 раза.

— учет влияния гранулометрического состава взорванных пород и низких температур при оценке долговечности металлоконструкций, позволяет прогнозировать развитие трещин в металлоконструкциях шагающих экскаваторов, увеличивать производительность экскаваторов в 1,3−1,5 раза за счет сокращения времени внеплановых ремонтов.

Научная новизна работы заключается:

— в установлении влияния горнотехнических характеристик взорванной горной массы и температуры окружающей среды на уровень нагруженности и долговечности металлоконструкций шагающих экскаваторов;

— в разработке статистических моделей, учитывающих влияние горнотехнических характеристик и температуры окружающей среды на уровень механической нагруженности металлоконструкций шагающих экскаваторовв создании методики прогноза долговечности металлоконструкций шагающих экскаваторов.

Достоверность научных результатов подтверждается:

— применением апробированных методов теории вероятностей и математической статистики;

— достаточным по статистическим критериям объемом выборок, определяющих уровень нагруженности металлоконструкций шагающих экскаваторовсходимостью расчетных значений нагруженности металлоконструкций, полученных с помощью конечно-элементного моделирования с экспериментальными данными.

Личный вклад автора заключается: в систематизации и научном обобщении методов исследования структурных и физико-механических свойств взорванных скальных пород;

— в обработке экспериментальных данных и получения регрессионных зависимостей между гранулометрическим составом, температурой окружающей среды и уровнем нагруженности металлоконструкций драглайнов;

— в разработке методики, позволяющей оперативно оценивать долговечность шагающих экскаваторов при разработке взорванных пород в летний и зимний периоды.

— в теоретических и экспериментальных исследованиях, направленных на изучение влияния гранулометрического состава взорванных пород и температур окружающей среды на уровень производительности и долговечности шагающих экскаваторов;

Практическая ценность работы. Результаты выполненных исследований позволяют по заданным горно-технологическим и температурным условиям прогнозировать скорость развития трещин в металлоконструкциях шагающих экскаваторов и устанавливать обоснованные сроки их ремонта. Это дает возможность повысить производительность экскаваторов при разработке взорванных горных пород за счет сокращения времени простоев, обусловленного устранением трещин в их металлоконструкциях.

Реализация работы. Результаты работы реализованы в виде рекомендаций по продлению межремонтных периодов работы шагающих экскаваторов с учетом качества подготовки взорванных пород и низких температур, выданных филиалу «Ерунаковский угольный разрез» ОАО УК «Кузбассразрезуголь» .

Апробация работы. Основные научные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на III Международной научно-практической конференции «Наукоемкие технологии добычи и переработки полезных ископаемых» (Новосибирск, 2003 г.) — XVIII Межреспубликанской конференции «Численные методы решения задач теории упругости и пластичности» (Новосибирск, 2003 г.) — X Международной научно-практической конференции «Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири» (Кемерово, 2004 г.) — China-Russia Symposium on Underground Engineering of City and Mine «New Progress of civil engineering and Architecture» (Qingdao, China, 2004 г.) — научно-практических конференциях студентов, аспирантов и профессорско — преподавательского состава КузГТУ (2001;2005 гг.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, приложения и изложена на.

ВЫВОДЫ.

1. Увеличение среднего диаметра куска развала пород с 0,3 м до 0,45 м приводит к снижению число циклов нагружения металлоконструкций до их разрушения в 1,6 раза, снижая их долговечность.

2. На основе результатов выполненных исследований по влиянию смерзшихся горных пород на длительность цикла экскавации, с учетом мощности экскаваторов и надежности их работы, получена математическая модель для расчета эксплуатационной производительности экскаваторов.

3. Учет влияния грансостава взорванных пород и низких температур при оценке долговечности позволило прогнозировать динамику роста трещин в металлоконструкциях драглайнов, увеличить производительность шагающих экскаваторов в 1,3−1,5 раза за счет сокращения время внеплановых ремонтов.

4. Экономический эффект от внедрения результатов исследований в филиале «Ерунаковский угольный разрез» ОАО УК «Куз-бассразрезуголь» составил порядка 350 тыс. руб. в год на один экскаватор ЭШ 10/70.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Диссертация является научно-квалификационной работой, в которой выполнен комплекс аналитических и экспериментальных исследований взаимосвязи трещиностойкости металлоконструкций драглайнов с учетом горнотехнических характеристик взорванных горных пород и низких температур, и дано обоснование новых технических решений по повышению эффективности использования экскаваторов, имеющих существенное значение для эксплуатации и совершенствования горных машин.

Основные научные и практические результаты заключаются в следующем:

1. Установлено, что в зимний период по сравнению с летним происходит снижение надежности шагающих экскаваторов. Параметр потока отказов возрастает в 1,8 разакоэффициент готовности уменьшается в 1,5 разакоэффициент неисправности увеличивается в 2,2 разанаработка на отказ уменьшается в 2,4 раза.

2. В результате исследования циклической и статической трещиностойкости стали 10ХСНД установлено, что понижение температуры до -40°С приводит к уменьшению параметров трещиностойкости в 1,4 раза.

3. Получены регрессионные модели, описывающие взаимосвязь гранулометрического состава взорванной горной массы, температуры окружающей среды и напряжений, возникающих в металлоконструкциях экскаватора ЭШ 10/70.

4. Увеличение среднего диаметра куска в развале с 0,3 до 0,45 м в результате смерзаемости горных пород связанно пропорциональной зависимостью с напряжениями, возникающими в металлоконструкциях шагающих экскаваторов, которые увеличиваются при этом в 1,3 раза.

5. Увеличение среднего диаметра куска развала пород с 0,3 м до 0,45 м приводит к снижению числа циклов нагружения металлоконструкций до их разрушения в 1,6 раза, снижая их долговечность.

6. Вследствие увеличения среднего диаметра куска развала пород в диапазоне 0,3 — 0,45 м время черпания взорванной горной массы экскаваторами ЭШ 10/70 в зимний период по сравнению с летним возрастает в 3,6 раза.

7. Для оценки долговечности металлоконструкций шагающих экскаваторов получены экспериментальные значения размахов напряжений, которые определяют уровень нагрузок и их частоту возникновения в зависимости от гранулометрического состава и сезонности разработки взорванных скальных пород.

8. Продолжительность межремонтных ремонтов в зимний период устанавливается с учетом скорости роста трещины в металлоконструкциях драглайнов. При этом производительность экскаваторов возрастает в 1,3−1,5 раза за счет повышения коэффициента использования во времени.

9. Экономический эффект от внедрения результатов исследований в филиале «Ерунаковский угольный разрез» ОАО УК «Куз-бассразрезуголь», составил 350 тыс. руб. в год на один экскаватор ЭШ 10/70.