Развитие усталостных трещин в металлоконструкциях экскаваторов

Для удовлетворительной работы однокромочного сверла необходимо было заставить работать обе базовые направляющие с одинаковой нагрузкой. Для этого равнодействующую силу, действующую на сверло перпендикулярно его оси F и воспринимаемую поверхностью просверленного отверстия через базовые направляющие, необходимо направить по биссектрисе центрального угла между базовыми направляющими. Установлено, что оптимальный центральный угол составляет примерно 110°.

В конструкции таких свёрл также необходимо предусмотреть возможность переворачивания базовых направляющих по мере износа их передней части.

Из твёрдых сплавов марок ВК8, ВК6-ОМ, Т5К10 и ТТ10К8Б, формирующих сменные колодки базовых направляющих, наилучшие результаты показал сплав ВК6-ОМ. Сплав Т5К10 на выходе сквозных отверстий нередко имел поверхностный скол. Охлаждающая жидкость (сульфофрезол) подавалась под давлением Р=1-2 МПа. Производительность насоса составила 3 л/с.

При значительных режимах резания - V > 150

м/мин и S >0,2 мм/об., иногда наблюдался пригар базовых направляющих. При сверлении отверстий большой глубины для предотвращения увода инструмента рекомендуется применять заднюю направляющую.

Таким образом, твёрдость поверхностного слоя отверстия превышает исходную в 2-2,5 раза. Учитывая, что при термообработке твёрдость увеличивается не более чем в 2,8 раза, представляется реальным исключить термообработку при использовании метода глубокого сверления твёрдосплавными сверлами одностороннего резания.

Подобная технология поверхностного пластического деформирования слоёв отверстий с целью значительного повышения твёрдости и уменьшения степени шероховатости их стенок может применяться и при сверлении деталей под калиброванные посадочные шейки осей, валов и поршней. Данная технология уменьшает трудоёмкость изготовления и исключает термообработку (закалку) деталей, для которых она противопоказана из-за коробления или невозможности закалки всех частей детали.

Библиографический список

1. Авербух Б.А., Калашников Н.В., Кершенбаум Я.М., Протасов В.Н. Ремонт и монтаж бурового и нефтегазопромысло-вого оборудования. М.: Недра, 1976. 368 с.

2. Зайцев В.И. Технология получения глубоких отверстий // Технология материалов: ст. сб. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2009.

3. Молодык Н.В., Зенкин А.С. Восстановление деталей оборудования. М.: Наука, 1989. 475 с.

4. Троицкий Д.Л. Скоростное глубокое сверление. Л.: Машиностроение, 1991. 206 с.

УДК 621.117.18

РАЗВИТИЕ УСТАЛОСТНЫХ ТРЕЩИН В МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЯХ ЭКСКАВАТОРОВ А.П. Макаров1

Национальный исследовательский Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Рассмотрены характерные места и динамика развития усталостных трещин на балке рукояти экскаваторов с канатным механизмом напора. Даны рекомендации по предотвращению хрупких разрушений металлоконструкций экскаваторов, эксплуатирующихся при низких отрицательных температурах. Ил. 2. Библиогр. 3 назв.

Ключевые слова: экскаватор; балка рукояти; трещины; усталость; предотвращение изломов.

DEVELOPMENT OF FATIGUE CRACKS IN EXCAVATOR METAL STRUCTURES A.P. Makarov

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

The characteristic locations and development dynamics of fatigue cracks on the arm beam of excavators with a rope drive mechanism are examined. The recommendations on prevention of brittle fractures of metal structures of excavators that operate at low negative temperatures are given. 2 figures. 3 sources.

Key words: excavator; (lift) arm beam; cracks; fatigue; prevention of fractures.

В балке рукояти экскаваторов ЭКГ-8И, ЭКГ-12,5, ЭКГ-10, ЭКГ-15 и их модификациях усталостные трещины возникают в нижней части сечения рукояти и

растут с поверхности, распространяясь в глубину. Характерные места образования трещин, приводящие к полному излому, зафиксированы начиная с середины

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

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

балки до оголовка рукояти. На рис.1 стрелками указаны характерные места зарождения трещин, а цифрами - наиболее часто происходящие изломы.

К сожалению, в процессе эксплуатации экскаватора и даже при его техническом обслуживании практически очень редко удаётся обнаружить начальную стадию возникновения трещины. Её трудно различить даже тогда, когда края трещины раскрываются на 0,5-1,5 мм. С подошвы забоя на высоте 4-5 м поверхность балки рукояти отчётливо не видна, какие-либо лестницы, площадки в конструкции экскаватора предусмотреть очень сложно. Кроме того, поверхность трубы покрывают графитной смазкой для облегчения её передвижения в седловом подшипнике. Регулярное, в период осмотров, очищение и подготовка поверхности трубы под какой-либо метод неразрушаю-щего контроля - очень трудоёмкий и продолжительный процесс, который требует значительных финансовых затрат на использование специальной аппаратуры и привлечение дефектоскопистов. При визуальном обнаружении трещины на балке рукояти принимается решение о немедленной её ликвидации.

Излом балки рукояти начинается с появления гладкой, почти прямой, имеющей правильную форму мельчайшей трещины, которая затем опоясывает поверхность круглой балки по радиусу и проникает вглубь на 15-20 мм. В дальнейшем трещина постепенно распространяется от поверхности к центру, одновременно увеличивая свою длину по окружности.

Рост трещины можно описать в три стадии:

I - возникновение трещины и её проникновение вглубь металла;

II - увеличение длины трещины, раскрытие её берегов до 1+2 мм при сквозном проникновении;

III - рост длины трещины и её стабилизация на секторе, чуть превышающем толщину стенки трубы.

На рис. 2 показано сечение балки рукояти экскаватора ЭКГ-15 с характерными положениями, которые занимает трещина на определённых стадиях своего продвижения по сектору трубы.

Визуальный осмотр поверхностей излома нескольких балок рукояти позволил сделать следующие заключения:

- отсутствует пластическая деформация по всей окружности балки рукояти, т.е. разрушение можно характеризовать как хрупкое;

- не обнаружено видимых следов шлаковых включений, пустот, инородных включений и т.п., т.е. разрушение происходит не по причине дефектности металла балки рукояти;

- на месте излома некоторых балок рукояти отчётливо видны следы коррозии по длине окружности от 200 до 300 мм.

Учитывая наружный диаметр 800 мм, длину окружности 2512 мм и характер излома балки рукояти, можно судить о продолжительности работы металлоконструкции со сформировавшейся трещиной, имеющей усталостную природу образования.

Предельная длина трещины по наружному диаметру трубы составляет I = 280 мм, а по внутреннему - 200-220 мм. При этих параметрах трещина стабилизируется, происходит смыкание её краёв, хотя расстояние между берегами составляет от 0,5 до 1,5 мм. С такой трещиной экскаватор может проработать в течение двух месяцев даже в зимний период эксплуатации. Живучесть конструкции рукояти экскаваторов с канатным механизмом напора, имеющих трещины длиной до 220 мм, объясняется их запасом прочности. К тому же при подъёме ковша рукоять работает на сжатие, а это самый безопасный вид нагрузки. Изломов в этот период не происходит, если не бывает сильных рывков и ударов ковшом по подошве забоя. Все разрушения балок рукояти экскаваторов, эксплуатирующихся в Удачнинском и Айхальском ГОКах за последние 10 лет, происходили, в основном, при опускании ковша на подошву забоя. В этот момент рукоять экскаватора не нагружена сжимающим усилием канатов как при копании и на неё действует изгибающая нагрузка (самая опасная) от веса ковша и динамическая составляющая от скорости опускания ковша.

При изготовлении сварных конструкций из труб шов оказывается односторонним вследствие невозможности подварки его корневой части. К таким конструкциям относятся балки рукояти, нижние и верхние секции стрелы, двуногая стойка, подкосы рабочего оборудования экскаваторов ЭКГ-10, ЭКГ-15 и другие детали горного оборудования.

До настоящего времени сравнительно мало выполнено исследований по оценке усталости стыковых односторонних соединений. Между тем, изучение поведения таких соединений при осевой нагрузке (растяжении) или переменном изгибе представляет большой интерес, так как в этих случаях повышается опасность разрушения со стороны корневой стороны шва.

Следует отметить, что натурные наблюдения и исследования механизма хрупкого разрушения металлоконструкций карьерных экскаваторов позволили установить, что излом по сварному шву начинает развиваться именно в корневой части. Состояние зоны корня шва имеет преобладающее влияние на усталостную прочность односторонних соединений.

Пределы выносливости соединений, выполненных односторонней сваркой на толстостенных (И>150 мм) трубных заготовках из стали З4ХМ (аналог стали 35ХМФА, из которой изготовлены многие детали экскаваторов), оказались значительно (на 54-83%) сниженными по сравнению с основным металлом. Так, предел выносливости при симметричном изгибе для основного металла составляет ав = 21,5 кгс/мм2, а для сварного соединения - менее 10 кгс/мм , или на 46,5% ниже. Коэффициент концентрации напряжений Ка = а-1/а1К в сварном соединении шва больше в 2,1 раза [1].

Пониженные показатели усталостной прочности указанных соединений не следует относить за счёт плохой свариваемости этой марки стали. Детали экскаваторов: валы, оси, коромысла и др., восстановленные электрошлаковой сваркой с соответствующей термической обработкой, показали равнопрочность сварного соединения и основного металла.

Очаги усталостных разрушений зарождались в зонах концентрации напряжений со стороны корня шва, и трещины распространялись по металлу шва. Результаты проведённых исследований указывают на необходимость тщательного контроля при изготовлении односторонних сварных соединений с тем, чтобы не допускать отступлений от технологических требований к сечениям стыкового шва. Только в этом слу-

чае можно рассчитывать на создание сварной конструкции из низкоуглеродистой и низколегированной стали, обладающей достаточно высокой усталостной прочностью. При хорошем качестве корневой части сварного шва можно достичь качества сварного соединения, не отличающегося от механических характеристик основного металла, а иногда и превосходящих их.

Для увеличения сопротивления металлоконструкций хрупкому разрушению используют стали повышенной хладостойкости или, если возможно, увеличивают толщину элементов и приваривают усилители (косынки, накладки и т.п.). Трещины в зоне сварного соединения возникают в некоторых случаях на концевых участках швов. Этот факт не случаен, так как в конце швов, как правило, имеют место конструктивные сопряжения различных элементов трубы и листового металла и технологические концентраторы, прежде всего, высокие остаточные напряжения ах ост, ау ост и др. Этот факт отмечен на нижней и верхней секциях стрелы экскаваторов ЭКГ-8И, ЭКГ-12,5 и их модификациях ЭКГ-10 и ЭКГ-15.

Остаточные напряжения, возникающие при сварке металлоконструкций карьерных экскаваторов, по-разному влияют на несущую способность и усталость последних. Их следует учитывать наряду с напряжениями от внешних нагрузок при расчётах на статическую и динамическую прочность и долговечность. При плюсовых температурах влияние остаточных сварочных напряжений незначительно. Оно проявляется при низких температурах. Эксплуатация горного оборудования, причем круглосуточная, на карьерах Севера, где на низкие температуры приходится более полугода, приводит к хрупким разрушениям. Основными факторами, влияющими на эти разрушения, являются: большая амплитуда суточных колебаний температуры в весенне-зимний период, эксплуатация оборудования при низких отрицательных температурах, высокие циклические нагрузки, большие динамические и статические напряжения, недостаточные хладостойкость и пластичность используемых сталей.

Концентрация напряжений может быть конструктивной и технологической. Местное уменьшение пластичности возникает вследствие объёмного напряжённого состояния. Особенно это проявляется у крупногабаритных сварных деталей при больших толщинах сечений, пересечении швов, расположенных пространственно, изменении свойств металла из-за наклёпа, старения, вида термообработки и др. Существенную роль оказывает характер нагружения конструкции и остаточные напряжения после сборки и сварки. Хрупкие разрушения возникают при неблагоприятном сочетании отмеченных конструктивных, технологических и эксплуатационных факторов.

Концентрация напряжений, локализуемая геометрическими особенностями конструкции в местах соединения деталей, существенно влияет на усталостную прочность и долговечность. Размеры вырезов, отверстий, канавок, мест соединений и других концентраторов напряжений зависят от их расположения относительно друг друга, вида напряжения и механических свойств материала детали. При восстановлении детали рекомендуется учитывать три рода напряжений:

- остаточные напряжения сжатия-растяжения, уравновешивающие себя в пределах детали или её части, называемые напряжениями первого рода;

- при эксплуатации машин возникают напряжения второго рода. При неравномерном распределении температуры в элементе конструкции между соседними зёрнами металла возникает несогласованность. Если какое-либо зерно структуры при охлаждении стремится сократиться, то соседние зёрна будут препятствовать этому. И значит, они взаимно напрягут друг друга. В зерне, которое стремилось сократиться, возникают силы растяжения, а зерно, которое сопротивлялось, окажется сжатым. И чем больше перепад температур при быстром остывании детали, тем больше будут эти силы. В некоторых материалах они так велики, что детали растрескиваются или «взрываются» сразу или со временем;

- внутренние напряжения третьего рода возникают уже на атомарном уровне. Дефекты, вызываемые напряжениями третьего рода, настолько малы, что на протяжении десятков расстояний между атомами они уже исчезают. Они существуют как несовершенства структуры кристаллической решетки, являющиеся источниками дислокаций.

Многолетние наблюдения за работоспособностью карьерного оборудования позволили выработать рекомендации по предотвращению хрупких изломов деталей и металлоконструкций экскаваторов.

1. Использовать марки сталей, обеспечивающих высокую ударную вязкость за счёт наиболее эффективной термообработки [1].

2. Применять высококачественные, хорошо свариваемые стали с низким содержанием серы и фосфора.

3. Применять стали с мелкозернистой структурой за счёт добавления таких легирующих элементов, как никель и молибден.

4. Добиваться получения мартенситной структуры металла качественной термообработкой.

5. Применять высокий отпуск при температуре 250-400°С для снижения хрупкости стали.

6. Устранять возможные концентраторы напряжений в местах приварки дополнительных элементов на балке рукояти и других металлоконструкциях экскаватора.

7. Снижать динамические нагрузки при перемещении ковша экскаватора на забой и опускании на подошву уступа.

8. Своевременно производить регулярные проверки наладки вылета балки рукояти во избежание ударов о седловой подшипник карьерного экскаватора.

9. Избегать резких концентраций напряжений при изготовлении и ремонте, увеличить радиусы изгиба листов, в галтелях, косынках; снижать их концентрацию, вызываемую сварными швами; применять скошенные или зигзагообразные соединения взамен ступенчатых; обеспечивать гладкость кромок; избегать резких перепадов жесткостей.

10. При ремонте защищать зоны концентрации напряжений и деформаций, обеспечивать защиту от коррозии и других повреждений поверхности при высокой прочности материала, например, путем обезуглероживания или местного отпуска сталей ТВЧ; избегать крепления вспомогательных элементов вблизи зон концентрации, в частности разносить зоны конструктивной концентрации и зоны сварных швов [2].

11. Принимать меры по обеспечению качественного состояния металлоконструкций: защита от механических повреждений при экскавации и ремонтных работах, защита от трения между соприкасающимися поверхностями путём смазки и прокладок из пластмасс и т.д.; меры против водородной и других видов хрупкости при выполнении сварочных и наплавочных работ.

12. Учитывать и, где возможно, использовать внутренние напряжения, например, увеличивать полезные сжимающие и уменьшать вредные растягивающие и изгибающие поверхностные остаточные напряжения; создавать полезные поверхностные сжимающие напряжения [3].

13. Для элементов, работающих при низких отрицательных температурах, особенно резко меняющихся во времени, уменьшать температурную деформацию и температурные градиенты; избегать плотного соединения материалов с разными коэффициентами термического расширения, обеспечивать достаточную гибкость; наносить теплопроводные вставки и т.п.

14. Уменьшать долю изгибающих напряжений как наиболее опасных. Избегать применения заклепок и болтов, работающих на отрыв, а если это неизбежно, опасаться их перетяга. При двухосном растяжении применять материалы с достаточной пластичностью. У свариваемых материалов в виде накладок опасаться растягивающих напряжений поперек сварного шва и остаточных сварочных напряжений в сварном шве и в околошовной зоне [2].

15. Максимально увеличивать разрыв между собственной частотой колебаний деталей или узлов, работающих при повторном нагружении, и частотой внешнего повторного нагружения с тем, чтобы избе-

жать приближения к резонансу, особенно в момент - демпферные и разгрузочные устройства, позволяю-

опускания ковша на забой. щие разгружать узлы рабочего оборудования или вы-

16. Вносить в конструкцию узлов, испытывающих зывать немедленную остановку движущихся элемен-

динамические нагрузки, специальные «выключатели» тов после достижения опасного напряжения.

Библиографический список

1. Макаров А.П., Красноштанов С.Ю. Определение критических размеров трещин в металлоконструкциях рабочего оборудования экскаватора ЭКГ-15 // Инновационное развитие горно-металлургической отрасли: материалы Всерос. конф. с элементами научной школы для молодежи. [Электронный ресурс]. Иркутск: ИрГТУ, 2009. Электрон. опт. диск (CD-ROM).

2. Макаров А.П., Красноштанов С.Ю. Влияние остаточных напряжений на несущую способность металлоконструкций карьерных экскаваторов // Инновационное развитие горно-металлургической отрасли: материалы Всерос. конф.

с элементами научной школы для молодежи. [Электронный ресурс]. Иркутск: ИрГТУ, 2009. Электрон. опт. диск (CD-ROM).

3. Макаров А.П., Красноштанов С.Ю. Расчет элементов металлоконструкций экскаваторов на усталостную долговечность с целью повышения качества горного оборудования // Инновационное развитие горно-металлургической отрасли: материалы Всерос. конф. с элементами научной школы для молодежи. [Электронный ресурс]. Иркутск: ИрГТУ, 2009. Электрон. опт. диск (CD-ROM).

УДК 622.478:621.316.93

ПАРАМЕТРЫ ЗАЗЕМЛЯЮЩИХ УСТРОЙСТВ ДЛЯ ЗАЩИТЫ ПЕРСОНАЛА И ОБОРУДОВАНИЯ

А.И. Найденов1, Е.А. Дмитриев2

Национальный исследовательский Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Приведены некоторые результаты полевых исследований, даны рекомендации по устройству и эксплуатации защитных заземлений электроустановок горных предприятий. Показано, что местные заземлители практически не влияют на величину общего сопротивления. Ил. 1. Табл. 2. Библиогр. 7 назв.

Ключевые слова: электробезопасность; нормы сопротивления заземления; заземлители; удельное сопротивление грунта; область эффективного заземления; измерения; инструкция.

PARAMETERS OF GROUNDING DEVICES FOR PERSONNEL AND EQUIPMENT PROTECTION A.I. Naidenov, E.A. Dmitriev

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

The article presents some results of field studies, gives recommendations on the arrangement and operation of protective grounding of electrical plants of mining enterprises. It is shown that local earth electrodes virtually have no effect on the value of total resistance. 1 figure. 2 tables. 7 sources.

Key words: electrosecurity; norms of grounding resistance; earth electrodes; soil resistivity; area of efficient grounding; measurements; instruction.

Одной из эффективных мер обеспечения электробезопасности на объектах ведения горных работ является защитное заземление электроустановок. Под термином защитное заземление следует понимать электрическое присоединение корпусов электрооборудования к земле для максимального снижения потенциала между ними.

Защитное заземление электроустановок обеспечивает надлежащий уровень электробезопасности персонала и сохранность электрооборудования при

пробое изоляции, когда на металлических частях оборудования появляется напряжение.

Полное выравнивание потенциала автоматически достигается при условии крепления корпусов электроустановок к металлическому основанию, например, палубе драги, поворотной платформе экскаватора. При этом разность потенциалов между корпусами электрооборудования и землей чаще всего равна нулю.

Это утверждение с высокой вероятностью спра-

1Найденов Алексей Иванович, кандидат технических наук, доцент кафедры горных машин и электромеханических систем, тел.: 618856.

Naidenov Aleksei, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Mining Machinery and Electromechanical Systems, tel.: 618856.

2Дмитриев Евгений Алексеевич, доцент кафедры горных машин и электромеханических систем, тел.: (3952) 405101. Dmitriev Evgeny, Associate Professor of the Department of Mining Machinery and Electromechanical Systems, tel.: (3952) 405101.