Оценка долговечности несущих металлоконструкций карьерных автосамосвалов с использованием системы спутникового мониторинга GPS

Актуальность работы.

На современном этапе развития разработок полезных ископаемых открытым способом наиболее трудоемким, энергоемким и дорогостоящим технологическим процессом является перемещение горной массы. На сегодняшний день основным видом карьерного транспорта, применяемого на разрезах Кузбасса, является автомобильный, доля перевозимой горной массы которого достигает 65%. Тенденции постоянного увеличения грузоподъемности автотранспорта приводят к расширению области его эффективного применения. Вместе с тем, рост глубины карьеров усложняет условия эксплуатации автотранспорта и предъявляет повышенные требования к его надежности, определяемой, в частности, долговечностью металлоконструкций.

Анализ структуры простоев парка карьерных автосамосвалов на разрезах Кузбасса показал, что доля простоев из-за отказов их металлоконструкций составляет 25 — 30%. Количество отказов механизмов и систем автосамосвала зависит от возникновения и развития трещин, которые образуются, главным образом, в раме и кузове автосамосвала. В процессе эксплуатации наиболее опасными, с точки зрения трещинообразования, являются динамические нагрузки, возникающие в процессе движения автомобиля по карьерным дорогам и при его экскаваторной загрузке.

В связи с изложенным, исследования, направленные на разработку и обоснование методов расчета на прочность и долговечность несущих металлоконструкций карьерных автосамосвалов, с учетом грансостава отгружаемой взорванной горной массы, а также качества карьерных дорог, являются актуальными.

Цель работы — разработка и обоснование методов расчета на прочность и долговечность несущих металлоконструкций большегрузных карьерных автосамосвалов.

Идея работы заключается в использовании данных спутниковой навигационной системы GPS при оценке механической нагруженности несущих металлоконструкций большегрузных карьерных автосамосвалов.

Задачи исследования:

— выявление влияния характеристик карьерных дорогие учетомсезон-ности и скоростей движения автосамосвалов, на' рост трещин их металлоконструкций;

— определение параметров статического и динамического нагружения металлоконструкций карьерных автосамосвалов в процессе погрузки отгружаемой взорванной горной массы;

— обоснование прочности и долговечности металлоконструкций карьерных автосамосвалов на основе численных методов анализа механической нагруженности несущих металлоконструкций автосамосвалов.

Методыисследований: конечно-элементное моделирование, твердотельное моделирование, натурные и лабораторные исследования, использование оцифрованных данных систем GPS, обработка результатов экспериментальных исследований" методами^ математической статистики и теории* вероятности.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

— применение систем-спутникового мониторинга GPS при обработке спектра напряжений для нестационарных режимов нагружения металлоконструкций карьерных автосамосвалов позволило установить, что* количество циклов нагружения в весенне-осенние периоды эксплуатации возрастает в 1,8−2,5 раза;

— при увеличении среднего диаметра куска взорванной горной массы в ковше экскаватора (0,3−0,6 м) максимальные размахи напряжений в несущих металлоконструкциях автосамосвала в процессе погрузки возрастают на 30−40%;

— долговечность металлоконструкций карьерных автосамосвалов зависит от среднего размаха амплитуд напряжений, превышающих предел выносливости в 2−2,5 раза, и описывается полиномом второй степени.

Научная новизна работы заключается:

— в установлении влияния качества карьерных^ дорог и скоростных режимов движения на уровень нагруженности металлоконструкций большегрузных карьерных автосамосвалов путем синтеза результатов, полученных с использованием системы GPS и измерительно-вычислительного комплекса.

— в установлении влияния грансостава взорванной горной массы в ковше экскаватора на параметры нагружения и долговечности металлоконструкций большегрузных карьерных автосамосвалов с применением. конечно-элементного и твердотельного моделирования;

— в создании расчетной методики, позволяющей оценивать долговечность металлоконструкций карьерных автосамосвалов, эксплуатирующихся на разрезах Кузбасса.

Достоверность научных результатов подтверждается:

— применением апробированных методов теории вероятности^ нематематической статистики;

— достаточным по статистическим критериям объемом выборок, определяющих уровень механической нагруженности несущих металлоконструкций большегрузных карьерных автосамосвалов;

— сходимостью расчетных значений нагруженности металлоконструкций, полученных с помощью конечно-элементного и твердотельного моделирования с экспериментальными и расчетными данными.

Личный вклад автора заключается:

— в обработке экспериментальных данных и получении регрессионных зависимостей между гранулометрическим составом отгружаемой взорванной горной массы и уровнем нагруженности несущих металлоконструкций карьерных автосамосвалов;

— в теоретических и экспериментальных исследованиях, направленных на изучение влияния гранулометрического состава взорванных горных пород и характеристик карьерных дорог на уровень производительности и долго-вечностикарьерных автосамосвалов;

— в разработке методики, позволяющей оперативно оценивать долговечность. несущих металлоконструкций карьерных автосамосвалов при транспортировании взорваннойгорной массы.

Практическая ценность работы;

Результаты выполненных исследований позволяют по заданным-горнотехнологическим и эксплуатационным условиям, прогнозировать скорость развития трещин в-несущих металлоконструкциях карьерных автосамосвалов. Это позволяет повысить производительность карьерных автосамосвалов, транспортирующих взорванную горную массу, за счет сокращения времени простоев," обусловленного устранением трещин в их металлоконструкциях.

Реализация работы.

Результаты выполненных исследований опубликованы в i нормативном документе «Методические указания, по проведению экспертизы промышленной безопасности карьерных самосвалов'.' и используются экспертными организациями^ при экспертной' оценке трещиностойкости< элементовнесущих металлоконструкций автосамосвалов. Включены в отчетные материалы X-XIII международных выставок «Экспо-Сибирь».

Апробация работы.

Основные научные положения' диссертационной работы докладывались и обсуждались на VI, VII Международных научно-практических конференциях «Безопасность, жизнедеятельности предприятий в угольных регионах» (Кемерово, 2005; 2007) — Международных научно-практических конференциях «Фундаментальные проблемы формирования техногенной геосреды» (Новосибирск 2008, 2010) — XI' Международной научно-практической конференции «Природные-и интеллектуальные ресурсы Сибири» (Кемерово- 2007) — Х-ХП1 международных выставках «Экспо-Сибирь» (Кемерово, «20 077.

2010) — научно-практических конференциях студентов, аспирантов и профессорско-преподавательского состава КузГТУ (2005;2010 гг.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ, из них 3 — в изданиях рекомендованных ВАК.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, приложения и изложена на 124 страницах машинописного текста, содержит 11 таблиц, 42 рисунка и список литературы из 85 наименований.

4.4. Выводы.

1. На процесс загрузки и разгрузки приходится 25%, от общего числа циклов нагружения несущих металлоконструкций карьерных автосамосвалов, 75% циклов приходится на процесс движения, причем 45% - на груженый и 30% - на порожний режим работы. Соответственно качество карьерпри различных значениях коэффициента разрыхления, количество нагрузочных дорог и скоростные режимы движения автосамосвалов на % будут определять время роста усталостной трещины.

2. Наибольшие значения параметра интенсивности нагруженности несущих металлоконструкций приходятся при движении автосамосвала по забойным дорогам, величина параметра интенсивности на всех типах дорог в зимний и’особенно — в межсезонный периоды существенно возрастает. Вместе с тем, параметр интенсивности на основных дорогах в любой сезон не превышает 290, из чего можно сделать вывод, что качество основных дорог позволяет эксплуатировать автосамосвалы с максимально возможной1 скоростью (до 50 км/ч) без риска наступления опасного состояния несущих металлоконструкций.

3. При увеличении среднегодовой скорости на участках-«отвал, забой» с 14 до 22 км/ч для всех видов автосамосвалов, годовое время ремонта несущих металлоконструкций и простоев связанное с заменой колес и агрегатов подвески возрастает в 1,8 раза. Соответственно, при прогнозе долговечности несущих металлоконструкций, помимо непосредственно дорожных условий, необходимо особое внимание обратить на скоростные режимы автосамосвалов на дорогах «отвал и забой», с учетом фактора сезонности.

4. При увеличении емкости ковша с 5 до 20 м³, при различных значениях коэффициента разрыхления, количество нагрузочных циклов до наступления опасного состояния уменьшается — в 1,5−1,8 раза.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В* диссертации выполнен комплекс аналитических и экспериментальных исследований,.в результате которых установлены взаимосвязи прочности и долговечности несущих металлоконструкций большегрузных карьерных автосамосвалов с учетом горнотехнических характеристик отгружаемой-взорванной1 горной^ массы, качества^ карьерных дорог. Выявлены степени' влияния* эксплуатационных факторов на долговечность металлоконструкций автосамосвалов. Рекомендованы технические решения по повышению эффективности, использования* карьерных автосамосвалов, имеющие существенное значение для эксплуатации и совершенствования горных машин.

Основные научные и практические результаты заключаются в следующем:

1. Разработаны методические1 указания' (инструкция)^ по проведению" экспертизы промышленной безопасности карьерных самосвалов, позволяющие проводить оценку прочности и долговечности металлоконструкций большегрузных автосамосвалов.

2. Мониторинг скоростных режимов работы автосамосвалов, на характерных участках карьерных дорог, осуществляемый посредством^ спутниковой навигационной системы GPS, с последующим факторным* анализом комплекса данных показал, что влияние дорожных условий на количество отказов несущих металлоконструкций автосамосвалов в 2,2 раза больше, чем условий/при погрузке взорванной горной массы.

3. Получены регрессионные модели, описывающие взаимосвязь гранулометрического состава отгружаемой взорванной горной массы с размахами и количеством напряжений, возникающих в несущих металлоконструкциях карьерных автосамосвалов.

4. При увеличении коэффициента разрыхления в ковше экскаватора с 1,35 до 1,65 максимальные размахи напряжений в несущих металлоконструкциях автосамосвала возрастают на ЗСН-40%, что уменьшает долговечность в 1,3 раза.

5. Значения размахов напряжений и количество циклов нагружения в связи с ухудшением качества карьерных дорог в весенне-осенний период эксплуатации возрастает в 2—2,5 раза, что уменьшает долговечность в 1,5 раза.

6. Получены регрессионные модели, описывающие взаимосвязь между характеристиками микропрофиля карьерных дорог, скоростью движения автосамосвала и напряжениями, возникающими в несущих металлоконструкциях карьерных автосамосвалов.

7. Получены расчетные зависимости количества погрузочных циклов при экскаваторной загрузке до наступления опасного состояния несущих металлоконструкций — при увеличении коэффициента разрыхления в ковше экскаватора с 1,5 до 1,9 расчетное число циклов снижается на 20−35%.