Определение критической длины трещины в металлоконструкциях карьерных экскаваторов

но-строительного и дорожно-транспортного комплексов России: материалы 65-й Всерос. науч.-техн. конф. СибАДИ. Омск: СибАДИ, 2011. С. 54-59.

10. Лапшин В.Л., Глухов А.В. Исследование вязкого элемента упруго-вязко-пластичной модели // Системы. Методы. Технологии. 2011. № 4 (12). С. 14-19.

11. Лапшин В.Л., Глухов А.В. Исследование остаточных деформаций при ударном взаимодействии упруго-вязко-пластичной механореологический модели // Современные технологии, системный анализ, моделирование. 2011. Вып. 4 (32). С. 39-45.

12. Лапшин В.Л., Глухов А.В. Компьютерное исследование упруго-вязко-пластичной механореологиче-ской модели // Современная техника и технологии: исследования и разработки: сб. докладов Между-нар. науч. заоч. конф. Липецк: Изд. центр «Гравис», 2011. С. 20-27.

13. Лапшин В.Л., Глухов А.В. Программа для ЭВМ «Удар упруго-вязко-пластичной модели сферического тела»; Свидетельство № 2011619238. 2011. 7 с.

14. Лапшин В.Л., Глухов А.В. Регрессионный анализ силы ударного взаимодействия упруго-вязко-пластичной механореологической модели // Вестник ИрГТУ. 2011. № 10 (57). С. 44-49.

15. Лапшин В.Л., Демаков Е.И. Упруго-вязко-пластичная механореологическая модель для оценки упруго-вязких свойств минералов при моделировании процессов вибросепарации // Механика - XXI веку: сб. докладов VI Всерос. науч.-техн. конф. с международным участием. Братск, 2007. С. 67-71.

16. Пановко Я.Г. Основы прикладной теории колебаний и удара. Л.: Политехника, 1990. 272 с.

17. Пат. № 2272274 РФ, МПК G01N 3/32. Способ определения модуля упругости материала / В.Л. Лапшин, В.П. Ященко, А.В. Рудых, Б.О. Вугмейстер, Е.И. Демаков, А.В. Петров. № 2004134044/28; заявл. 22.11.04.; опубл. 20.03.06. Бюл. № 8.

18. Пат. № 2526233 РФ, МПК G 01 N 3/48. Способ определения модуля упругости материала / В.Л. Лапшин, А.В. Рудых, А.В. Глухов; опубл. 20.08.14. Бюл. № 23.

19. Разработка ударного способа определения модуля упругости материала / В.Л. Лапшин, А.В. Глу-хов, А.В. Рудых // Системы. Методы. Технологии. 2015. № 2 (26). С. 37-43.

20. Тимошенко С.П. Теория упругости Л.- М.: ОНТИ, Главная редакция технико-теоретической литературы, 1937. 451 с.

УДК 622.118.14

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КРИТИЧЕСКОЙ ДЛИНЫ ТРЕЩИНЫ В МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЯХ КАРЬЕРНЫХ ЭКСКАВАТОРОВ

© А.П. Макаров1, А.Н. Шевченко2, А.М. Павлов3

Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Оценка живучести основных и базовых металлоконструкций карьерных экскаваторов является важной и необходимой процедурой на любом горном предприятии. В этой связи рассмотрены силовые критерии разрушения металлоконструкций и виды роста трещин в толстостенной трубе большого диаметра с учетом коэффициента интенсивности напряжения. Приведены параметры трещиностойкости деталей рабочего оборудования карьерных экскаваторов. Даны рекомендации по повышению долговечности конструкции. Определены критическая длина и скорость распространения трещин для деталей рабочего оборудования экскаваторов ЭКГ-15. Ключевые слова: трещина; экскаватор; прочность; усталостная трещина; интенсивность напряжений.

CRACK CRITICAL LENGTH DETERMINATION IN MINING SHOVEL METAL STRUCTURES A.P. Makarov, A.N. Shevchenko, A.M. Pavlov

Irkutsk National Research Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.

Survivability evaluation of the main and base metal structures of mining shovels is an important and necessary procedure at any mining enterprise. In this connection consideration is given to the force criteria of metal structure failure and types of crack growth in a large-diameter thick-walled pipe taking into account the stress intensity factor. The parameters of

Макаров Анатолий Павлович, кандидат технических наук, доцент кафедры горных машин и электромеханических систем, тел.: 8(3952)405085, e-mail: mak@istu.edu

Makarov Anatoly, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Mining Machines and Electro-Mechanical Systems, tel.: 8 (3952) 405085, e-mail: mak@istu.edu

2Шевченко Алексей Николаевич, кандидат технических наук, доцент кафедры горных машин и электромеханических систем, тел.: 8(3952)405069, +79646541034, e-mail: shan@istu.edu

Shevchenko Aleksei, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Mining Machines and Electro-Mechanical Systems, tel.: 8 (3952) 405069, +79646541034, e-mail: shan@istu.edu

3Павлов Александр Митрофанович, доктор технических наук, профессор кафедры разработки месторождений полезных ископаемых, тел.: (3592) 405216.

Pavlov Alexander, Doctor of technical sciences, Professor of the Department of Development of Mineral Deposits, tel.: (3592) 405216.

crack resistance of the parts of mining shovel implement are provided. Recommendations to improve structure durability are given. The critical length and crack propagation rate are determined for the parts of the EKG-15 excavator implement.

Keywords: crack; excavator; strength; fatigue crack; stress intensity.

Оценку прочности конструкции или детали производят по силовым, энергетическим и деформационным критериям разрушения, позволяющим при определенных условиях по одному известному параметру напряженно-деформированного состояния и экспериментально округленной характеристике прочности материала формулировать условия предельного состояния тел с трещинами [4].

Силовые критерии получили распространение при хрупком и квазихрупком разрушении материалов с трещинами, когда номинальные разрушающие напряжения не превышают 0,6 предела текучести материала (аТ) и деформирование перед разрушением происходят упруго или при незначительной пластической деформации у вершины трещины, что, собственно, и присуще всем металлоконструкциям карьерных экскаваторов. Также эти критерии позволяют при обеспечении определенных условий по характеристикам, полученным при испытании образцов, определить предельную несущую способность тел с трещинами, имеющих различные размеры и форму, что важно для практики.

Силовой критерий разрушения К (коэффициент интенсивности напряжения) более удобен в инженерной практике, чем энергетические или деформационные критерии J1С ^ - интеграл) и аС (предельное раскрытие трещин), так как он позволяет определять допускаемые нагрузки или номинальные напряжения, не требуя измерения перемещений или величины раскрытия трещин на конструкции при ее эксплуатации [3].

Условие хрупкого разрушения материала с трещинами имеет следующий вид: К>КС, где КС - критическое значение коэффициента интенсивности напряжений (КИН), не зависящее от формы и размеров тел с трещиной. КИН является характеристикой хрупкой прочности материала и обо-

значается в соответствии со схемой нагру-жения (рис. 1): для растяжения (отрыв) -КС; поперечный сдвиг - К^; продольный сдвиг - Кию. Разрушения деталей рабочего оборудования экскаваторов происходят из-за нагрузок, вызванных, в большинстве случаев, кручением и изгибом.

К1С является характеристикой материала только в тех случаях, когда зона пластической деформации у вершины трещин при разрушении детали мала по сравнению с длиной трещины и толщиной образца. Наблюдениями установлено, что разрушение деталей рабочего оборудования экскаваторов происходит без видимой пластической деформации мест излома. При малой пластической зоне поперечная деформация у вершины трещины отсутствует (ег=0), и сохраняется подобие тензоров напряжений в окрестности вершины трещины. Это дает возможность сделать расчетную оценку предельной несущей способности конструктивного элемента с трещиной по результатам лабораторных испытаний образцов данного материала.

В соответствии с рекомендациями РД 50-260-81 условие деформации материала (развитие трещины) определяют по формуле

\ТР >ß(Кис / от)2 < Ь0,

где Ь0 - толщина детали до приложения нагрузки; 1тр - длина трещины; в - коэффициент, зависящий от класса материала (в = 2,5) для низкоуглеродистых и низколегированных сталей).

Из формулы (1) выразим критическое значение КИН и через толщину детали произведем расчет длины трещины по исходным данным табл. 1:

К С

о

ß

z

Рис. 1. Виды роста трещины в толстостенной трубе: I - растяжение перпендикулярно боковым поверхностям трещины

Полученные значения КИН являются гипотетическими показателями, показывающими 2^4 кратный запас прочности по КИН для данных деталей (табл. 2) в основном за счет толщины стенки деталей ^ и предела текучести материала (аТ). В действительности трещиностойкость нормализованной стали 09Г2С по параметру КИН, определенная в лабораторных условиях, при температуре +20°С равняется

. Для стали 08ГДНФЛ

= 6750Н / мм3'2

чс

коэффициент интенсивности напряжений определялся при температуре -20°С и составил 2700 ^мм32.

По параметру трещиностойкости К1С запас прочности в металлоконструкциях

Параметры трещиностойкости деталей

экскаватора можно рассчитать по отношению К|о/К|о(г).

Из полученных результатов видно, что наименьший запас прочности имеет балка рукояти экскаватора, затем - двуногая стойка. Это подтверждается практикой, поскольку соответствует потоку отказов данных металлоконструкций на карьерах Севера.

Критическая длина трещины определяется в соответствии с критерием Ирвина ^ = Кю [3]:

г ~ л2

I =

К

1С

v U2^

Наименование детали Марка стали Коэффициент ß Предел текучести, оТ, МПа Толщина стенки, b0, мм Запас КИН, К1С(г), Н/мм3/2

Рукоять 09Г2С 08ГДНФЛ 2,5 350 400 51,5 51,5 1588 1815

Двуногая 09Г2С6 2,5 380 40 1400

стойка 08ГДНФЛ 400 40 1600

Стрела 09Г2С 08ГДНФЛ 2,5 350 400 20 20 989,9 1131

Подкос 09Г2С 08ГДНФЛ 2,5 380 400 22 22 1038 1186

где атах - максимальный параметр цикла нагружения.

Таблица 1 рабочего оборудования экскаваторов

Таблица 2

Запас прочности в металлоконструкциях экскаватора Э КГ-15

Наименование металлоконструкции Марка стали Отношение Кс / Кс(г), Н / ммт Запас прочности

Рукоять 09Г2С 08ГДНФЛ 6750/1588 2700/1815 4,2 1,48

Двуногая стойка 09Г2С 08ГДНФЛ 6750/1400 2700/1600 4,8 1,68

Стрела 09Г2С 08ГДНФЛ 6750/989,9 2700/1131 6,8 2,38

Подкос 09Г2С 08ГДНФЛ 6750/1038 2700/1186 6,5 2,27

L

Для стали 09Г2С г 6750 ч 1,12*200*1,77 у

289мм.

Используя результаты усталостных испытаний образцов из нормализованной стали 09Г2С, имеющей показатели Кс = 67,5 МПа/м1/2 или 6750 Н/мм3/2; С = 6,32 • 10-14, по формуле Пэриса с постоянной п = 3,82 можно определить скорость распространения трещины:

Ш , __ ___14 ( ^ т^\3>82

6,32 • 10

(АК )3 10 мм / цикл.

ШЫ = 0,68-10" Размах коэффициента интенсивности напряжения для тяжелонагруженных узлов и деталей из низколегированных сталей составляет

АК = К1с/1,5 = 4500 Н/мм3/2. Интегрируя уравнение Пэриса, получаем, что на распространение трещины от 10 = 220 мм до 1С = 289 мм нужно

10Г470 циклов. В практике эксплуатации была обнаружена трещина (после излома балки рукояти ЭКГ-15) длиной 220 мм, покрытая слоем ржавчины, а критическая трещина, при которой произошел излом, составила 289 мм. При трехсменной работе экскаватора в течение года и из расчета два цикла нагружения в минуту металлоконструкций рабочее оборудование испытывает в год Г036'800 циклов перегрузки. Это значит, что балка рукояти экскаватора ЭКГ-15 должна обеспечить работоспособность экскаватора гарантированно в течение 30^35 дней. Аналогичная картина наблюдается на карьерах Севера, когда разрушение двуногих стоек, балок рукоятей и т.д. происходит в январе-марте после сильнейших декабрьских морозов.

Число циклов, за которые появляется трещина (область I, рис. 2), достаточно неопределенно и зависит от количества

N

Рис. 2. Схема зарождения и распространения усталостной трещины

2

начальных дефектов. Последние, в свою очередь, могут быть дислокациями, микротрещинами, порами, шлаковыми включениями и другими несовершенствами структуры, определение которых затруднено.

Область II на рис. 2 соответствует дефектам, которые могут быть обнаружены с помощью аппаратуры неразрушающего контроля. Здесь расположена граница, отделяющая зону начальных трещин от распространяющихся. В области III рост трещины определяется визуально.

Для повышения долговечности конструкции есть следующие пути ее обеспечения:

1. Увеличить критическую длину трещины /С, применив материал с более высоким значением К1С, или снизить расчетное напряжение атах.

2. Уменьшить размах напряжений Ао для уменьшения АК и, следовательно, для уменьшения скорости роста трещины. Это вызывает соответствующее увеличение числа циклов при подрастании трещины от /0 до /С. Скорость роста трещины —

ёЫ

связана с Ао = отах-от!П нелинейно, и небольшая трансформация Да вызывает достаточно большое изменение —.

ёЫ

3. Изменить технологию и контроль изготовления детали с тем, чтобы уменьшить начальную длину трещины и увеличить время ее усталостного возникновения. Из рис. 2 видно, что область I может дать наибольший вклад в долговечность конструкции.

Трещины и трещиноподобные дефекты в сварных металлоконструкциях не являются уникальным событием, хотя нормы проектирования и изготовления сварных деталей их не допускают. При наличии трещин прочность детали, безусловно, уменьшается. Развитие трещины может происходить только за счет силовых напряжений, сосредоточенных в окрестности трещины. Силовым критерием оценки живучести металлоконструкций является коэффициент интенсивности напряжений (К1С).

Известно, что с ростом напряжения увеличивается и коэффициент К1С. Когда номинальное напряжение достигает некоторого критического (максимального) значения, при котором трещина начинает развиваться без притока энергии извне, значение К1С становится критическим:

К1С = ,

где / - длина трещины; отах - (критическое) значение напряжения.

В условиях плоской деформации К1С есть своеобразная константа материала, зависящая от температуры. Зная величину К1С, можно установить номинальную прочность материала с трещиной любого размера; решая обратную задачу, - определить размер безопасной трещины при данном уровне напряжения [4].

Экспериментальная оценка величин К1С показывает, что этот коэффициент может считаться константой только для плос-кодеформированного состояния (^ = 0). В нашей стране испытания по определению К1С ведутся в соответствии с ГОСТ 25.506-85. Для малоуглеродистых и низколегированных сталей толщина образцов для определения К1С теоретически достигает 1 м и более. Поэтому определяется критическое значение КИН при конкретной, небольшой толщине образцов, когда известно заранее, что эти значения не являются константой материала и могут быть использованы только при оценке прочности конструкций с такой же толщиной и геометрическим видом. В таких случаях критическое значение коэффициента К1С обычно обозначается КС с указанием толщины и температуры, при которых он определен экспериментально (табл. 3).

Значения К1С и КС существенно зависят от температуры. Теоретически эта зависимость, как и температурная зависимость предела текучести, стали подчиняется экспоненциальному закону:

К,с = КСехр[-г(1/Т -1/Тс)], где К1С и КС - коэффициенты, соответствующие абсолютным температурам Т и ТС соответственно, если Т<ТС; Y - коэффициент, константа материала по марке стали.

Таблица 3

Критические коэффициенты интенсивности напряжении для малоуглеродистых и низколегированных сталей

Марка стали Толщина, х10-3м Кс, МН/м3/2 при

-40°С -60 °С

Ст3сп 25 55,8 43,4

09Г2С 40 80,6 52,7

10ХСНД 20 183,0 130,2

10ХСНД 40 99,0 79,9

16Г2АФ 32 149,0 90,0

12ГН2МФАЮ 30 161,0 127,0

14Г2АФ 25 145,7 114,7

14Г1С 12 96,0 68,2

Линейная механика разрушения используется для прогнозирования живучести металлоконструкций в различных температурных режимах и при допущении имеющихся начальных трещин. Хладостойкость элементов конструкций с трещинами фактически отождествляется с хладостойко-стью стали, что не совсем правомерно, потому что не учитывается масштабный фактор. Оценка долговечности и живучести крупногабаритных металлоконструкций карьерного оборудования должна производиться с учетом их геометрических размеров и массы. Первый показатель можно оценить толщиной детали, а второй предельно допустимым напряжением атах в конструкции.

Квазихрупкое разрушение металлоконструкций, как один из видов хрупкого разрушения в процессе эксплуатации, при воздействии низких температур не может быть проанализировано с позиций линейной механики разрушения. Тем не менее, при достаточно высоком уровне электроники и автоматики в горных машинах, хрупкие разрушения остаются доминирующими по тяжести отказов. Поэтому оценка критерия КС углеродистых и низколегированных сталей остается актуальной задачей для обоснования объективного выбора марки стали в том или ином узле или металлоконструкции с учетом требований трещино-стойкости.

Необходимо исходить из того, что начальный трещиноподобный дефект существует в конструкции с момента ее изготовления (несмотря на дефектоскопический контроль, который, как известно, имеет определенный допуск на размер необ-наруживаемых дефектов). Для металлоконструкций карьерных экскаваторов этот допуск составляет от 1 до 5 мм. Повышение качества выпускаемых заводами-изготовителями запасных частей горного оборудования будет зависеть от соблюдения технологии изготовления и точности неразрушающего контроля.

Прикладное значение имеет возможность на основании вышерассмотрен-ных критериев определить критическую длину трещины в эксплуатируемой металлоконструкции. Как известно, все крупногабаритные сварные детали и узлы имеют первоначальные дефекты в виде микро-или макротрещин, непроваров, шлаковых включений, пор и т.п. Оценка живучести основных и базовых металлоконструкций карьерных экскаваторов является важной и необходимой процедурой на любом горном предприятии.

В табл. 4 определены критические размеры трещин для основных деталей рабочего оборудования экскаваторов ЭКГ-15.

Анализ полученных данных критического размера трещин деталей рабочего

Таблица 4

Критический размер трещины у деталей из различных сталей _рабочего оборудования экскаватора ЭКГ-15_

Название детали Марка стали Формула Ирвина LC, мм

Балка рукояти 09Г2С Lc =f 8060 Y с У 1,12*320*1,77 ) (12,7)2 161,3

08ГДНФЛ Lc =f 9600 Ï L У 1,12*320*1,77 ) (15,13)2 229,0

Двуногая стойка 09Г2С Lc -{ 5600 Ï c У1,12*420*1,77 ) (6,72)2 45,2

08ГДНФЛ L =f 6400 ï c У1,12*420*1,77 ) (7,68)2 59,0

Стрела 09Г2С Lc =f 2800 Y c y1,12*180*1,77 ) (7,84)2 61,52

08ГДНФЛ Lc =f 3200 Y c y1,12*180*1,77 ) (8,96)2 80,35

Подкос 09Г2С Lc = f 3500 Ï c y 1,12*380*1,77 ) (4,64)2 21,5

08ГДНФЛ L =f 4000 ï c У 1,12*380*1,77 ) (5,3)2 28,1

оборудования показывает, что морально показатели по сравнению с модифициро-устаревшая сталь 09Г2С (создана в начале ванной сложнолегированной сталью 50-х гг. прошлого века) имеет более низкие 08ГДНФЛ.

Статья поступила 08.09.2015 г.

Библиографический список

1. Макаров А.П. Развитие усталостных трещин в 3. Партон В.З. Механика разрушения: От теории к металлоконструкциях экскаваторов // Вестник практике. М.: Наука, 1990. 240 с.

ИрГТУ. 2011. № 11. С. 105-109. 4. Проектирование металлических конструкций:

2. Макаров А.П., Красноштанов С.Ю. Обеспечение учеб. пособие для вузов / В.В. Бирголев, И.И. Кош-запасными частями оборудования горных предприя- кин, И.И. Крылов, А.В. Сильверстов. М.: Стройиздат, тий: сб. науч. тр. / ИрГТУ. 2006. С. 122-124. 1990. 432 с.

УДК 621.982.5

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ФОРМООБРАЗОВАНИЯ И ПРАВКИ МАЛОЖЕСТКИХ ПОДКРЕПЛЕННЫХ РЕБРАМИ ДЕТАЛЕЙ РАСКАТКОЙ РОЛИКАМИ

© А.А. Макарук1, Н.В. Минаев2

Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Представлена раскатка роликами как эффективный способ формообразования и правки маложестких подкрепленных деталей, изготавливаемых из малопластичных алюминиевых сплавов. Показаны: методика определения технологических параметров процесса с учетом требуемых к получению/устранению компонентов деформации,

1Макарук Александр Александрович, кандидат технических наук, доцент кафедры технологии и оборудования машиностроительных производств, тел.: 89526106495, e-mail: makaruk_aa@mail.ru

Makaruk Alexander, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Technology and Equipment of Machine-Building Industries, tel.: 89526106495, e-mail: makaruk_aa@mail.ru

2Минаев Николай Владимирович, научный сотрудник, тел.: 89642150149, e-mail: Minaev@istu.edu Minaev Nikolai, Researcher, tel.: 89642150149, e-mail: Minaev@istu.edu