К расчету нагрузок, действующих на металлоконструкцию экскаватора ЭКГ-5

УДК 621.879 Р.Х. Шарипов

К РАСЧЕТУ НАГРУЗОК, ДЕЙСТВУЮЩИХ НА МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЮ ЭКСКАВАТОРА ЭКГ-5

Рассмотрено влияние изменения скорости подъема ковша на нагрузки, действующие в металлоконструкции экскаватора при экскавации горной массы. В результате экспериментальных исследований методом тензометрии определены действующие значения нагрузок и установлена зависимость изменения напряжений в рукояти от скорости подъема ковша.

Ключевые слова: экскаватор, металлоконструкция.

Яеоспоримой тенденцией развития мировой горной промышленности на обозримую перспективу считается стабильная ориентация на открытый способ разработки, как обеспечивающий наилучшие экономические показатели. В России открытым способом добывается 91% железных руд, более 70% руд цветных металлов и 60% угля [1]. Основным видом выемочнопогрузочного оборудования при использовании открытого способа добычи полезных ископаемых являются экскаваторы. Для погрузки горной массы на карьерах Урала в основном используются экскаваторы типа ЭКГ с ковшом 4,5 -5 м3. В настоящее время большая часть эксплуатируемых экскаваторов была изготовлена в 70-х и 80-х годах прошлого века [2] и среднестатистическое значение износа экскаваторов на Урале по сроку службы уже превышает 60 %.

Анализ эксплуатационной надежности показывает, что в общей структуре потока отказов экскаваторов доля отказов механического оборудования составляет 50^70%. Значительную часть (70%) которых занимают отказы металлоконструкций. Надежность экскаваторов снижается с возрастанием числа

хрупких разрушений базовых узлов металлоконструкций.

Исследования причин отказов базовых узлов металлоконструкций экскаватора, показывают, что наибольшее количество отказов связано с проявлением пиковых нагрузок, возникающие вследствие низкой квалификации машинистов, плохой подготовленности горной массы к экскавации и др., которые не были учтены при проектировании.

Максимальные нагрузки, действующие на металлоконструкцию, возникают в период черпания горной массы [3]. При черпании горной массы скорость подъема ковша изменяется и может достигать 0,87 м/с., вследствие чего возникают пиковые динамические нагрузки, которые в существующих методиках расчета не учитываются. В качестве примера рассмотрим статический и динамический расчет нагрузок, действующих на металлоконструкцию, по существующим методикам.

Нагрузки, действующие на металлоконструкции прямой лопаты в процессе черпания, определяются усилиями в подъемном канате. Статический и динамический (таблица) расчеты усилий, в подъемном канате

Результаты статического и динамического расчетов усилий в подъемном канате ЭКГ-5 по категориям породы

Скорость подъема ковша, м/с Расчетное статическое усилие, кН

Категория пород по трудности экскавации

I II Ш IV V

287 312 359 400 475

Расчетное динамическое усилие, кН

0.05 287.01 311.01 359.01 400.01 475.01

0.87 289.67 313.89 362.34 403.72 479.42

Тензоре-

зистор

Тензо-

мост

Усилитель ТА-5

АЦП ШВ

Е 14-140 ПК

Рис. 1. Структурная схема тензометрической аппаратуры

произведенные по методикам, предложенных в [3] и [4] соответственно показывают, как изменяются нагрузки на подъемном канате при эксплуатации экскаватора ЭКГ-5 в разных категориях породы по трудности экскавации [5].

Статический и динамический расчеты по существующим методикам нагрузок, действующих на металлоконструкцию экскаватора, показывают, что нагрузки в основном зависят от характеристики горных пород.

Однако экспериментальные исследования напряжений металлоконструкций экскаватора, возникающих в процессе экскавации горной массы, значительно отличаются от теоретических расчетов. Анализ напряженно-деформированного состояния (НДС) металлоконструкций экскаватора показывает, что на возникновение пиковых нагрузок при черпании горной массы влияют не только харак-

теристики горных пород, но и изменение скорости подъема ковша. Количественное измерение и анализ напряжений в металлоконструкциях позволит дать рекомендации по их снижению.

Исследования напряженно-деформированного состояния металлоконструкций экскаватора проводились методом тензометрии, структурная схема тен-зометрической аппаратуры представлена на рис. 1.

Тензометрическая аппаратура представляет собой комплекс технических средств в основу, которого входит усилитель ТА-5 и многоканальный внешний аналого-

цифровой преобразователь Е14-140 фирмы L-CARD (Россия), подключаемый к персональному компьютеру через ШВ-интерфейс. Усилитель ТА-5 входит в комплект тензо-метрической аппаратуры, предназначенной для измерения напряжений, возникающих в металлоконструкциях машин в процессе их эксплуатации.

Так как значение выходного сигнала на измерительном стенде выражается в единицах электрического напряжения (В), а для анализа напряженно-деформированного состояния металлоконструкций значение выходного сигнала выражается в МПа. Перевод значения выходного сигнала и0 из ед. электрического напряжения в МПа производится по известной методике.

Зависимость выходного сигнала и0 от изменения сопротивления тензорези-стора при его деформации определяется по следующей формуле:

и = ^• Кв ,

4и

а =

к8ив

Е,

Рис. 2. Распределение напряжений в рукояти ЭКГ-5 в процессе экскавации горной массы

Скорость подъема ковша, м/с

Рис. 3. Зависимость напряжений в рукояти ЭКГ-5 от изменения скорости подъема ковша в период черпания горной массы

где ив - напряжение питание тензомо-ста;К - чувствительность тензорезисто-ра; є - деформация.

Деформацию є тензодатчика выражаем:

4и

є =

К

_0_

и

Нормальное напряжение при растяжении или сжатии определяются по закону Гука:

о = в • Е,

где Е - модуль упругости материала.

Подставляя деформацию е в закон Гука, получим напряжения в металлоконструкциях экскаватора, возникающих в процессе экскавации горной массы:

Напряжения, возникающие в рукояти экскаватора в процессе экскавации горной массы, представлены на рис. 2, 3.

Общая оценка НДС рукояти экскаватора ЭКГ-5 показала, что максимальные напряжения возникают в период черпания горной массы. Из экспериментальной зависимости рис. 3 видно, что напряжения возрастают в процессе черпания горной массы и достигают своего максимума в конце черпания, то есть при максимальной скорости подъема ковша.

В результате тензометри-ческих измерений напряжений в рукояти экскаватора установлено, что изменение скорости подъема ковша приводит к возникновению дополнительных нагрузок, которые ведут к аварийным отказам оборудования.

Полученные в результате тензомет-рического измерения напряжения, возникающие в рукояти при черпании горной массы, аналитически могут быть выражены следующей зависимостью:

„0,014022 •( КГЕ / Нв-Кр ) • Ку

где оК+Р - напряжение, возникающие от действия нагрузки, получаемой от веса ковша и рукояти; Кр - коэффициент сопротивления породы копанию; Е -емкость ковша; НВ - высота напорного вала экскаватора; Кр - коэффициент разрыхления горных пород; Ку - коэффициент увеличения напряжения при изменении скорости подъема ковша, значение коэффициента равняется абсо-

лютному значению скорости подъема ковша.

Таким образом, проведенный анализ показывает, что основными причинами аварийных отказов металлоконструкций являются проявления пиковых нагрузок, на которые оказывают влияние не только характеристики горных пород, но и

1. Мельников Н.Н., Решетник С.П. Перспективы решения научных проблем при отработке мощных глубоких карьеров// Горное дело: ИГД СО РАН. - Якутск, 1994. - с. 14 -23.

2. Кольга А.Д., Шарипов Р.Х., Качан В.П., Шевченко Л.П. Анализ причин выходов из строя карьерных экскаваторов // 7 международная научно-техническая конференция. Чтения памяти В.Р. Кубачека: Сб. докладов - Екатеринбург ГОУ ВПО УГГУ, 2009. - с.381-386 .

изменение скорости подъема ковша в период черпания. Поэтому для уменьшения отказов, связанных с возникновением пиковых нагрузок, необходимо на стадии проектирования металлоконструкции экскаваторов, учитывать нагрузки, возникающие при изменении скорости подъема ковша.

--------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

3. Щадов М.И., Подерни Р.Ю. и др. Справочник механика открытых горных работ. Экскавацинно - транспортные машины цикличного действия. Издательство «Недра», 1989 г.

4. Беляев Н.М. Сопротивление материалов. Москва, 1962 г.

5. Единые нормы выработки на экскавацию и транспортирование горной массы на открытых горных работах. Москва, 1978 г.

Н5ГЛ=1

— Коротко об авторе ----------------------------------------------------------

Шарипов Р.Х. - инженер, ГОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г. И. Носова», mgtu@magtu.ru

А

ТЕКУЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ О ЗАЩИТАХ ДИССЕРТАЦИЙ ПО ГОРНОМУ ДЕЛУ И СМЕЖНЫМ ВОПРОСАМ

ДИССЕРТАЦИИ

I

| Специальность | Ученая с

Автор

Название работы

ЮЖНО-РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ТКАЧУК Обоснование режима вентиляции

Роман Викторович призабойного пространства подготовительных выработок при управляемом использовании энергетического потенциала воздушной среды 25.00.21 к.т.н.