Управление Ростехнадзора по Калужской области

Методика определения остаточной ресурсности элементов и узлов шахтных подъемных машин (ШПМ)


С учетом всех факторов

Юрий ПОПОВ, заведующий кафедрой горной механики УГГУ, доцент, к.т.н.

Сергей ТИМУХИН, профессор кафедры горной механики УГГУ, д.т.н.

Борис ЮДКИН, ведущий эксперт ЗАО «ЦДиЭ «Цветметналадка»

Андрей ТИМУХИН, эксперт ЗАО «ЦДиЭ «Цветметналадка» (Екатеринбург)

В практике эксплуатации шахтного стационарного оборудования зачастую действительный возраст машин в несколько раз превышает отведенные им нормативные сроки службы. При этом механизмы продолжают работать, в полном объеме выполняя возложенные на них технологические функции и принося прибыль. Массовый характер, который это явление приобрело сегодня во многих отраслях промышленности, обусловленный чаще всего отсутствием материальных средств на замену устаревшего оборудования новым, более совершенным в плане производительности, надежности, экологичности и энергопотребления.

Установленные в настоящее время нормативные сроки службы шахтных подъемных машин (ПМ) – 15 лет для ПМ с диаметром барабана до 2,0 м включительно, 20 лет – от 2,0 до 3,0 м включительно, 25 лет – более 3,0 м и 25 лет для многоканатных ПМ – не отражают их фактической нагруженности и связанного с ней напряженного состояния элементов и узлов машин. Не учитываются также и условия эксплуатации ПМ, интенсивность их нагрузки, уровень коррозийности окружающей среды и ряд других факторов. Очевидно, что назрела необходимость в дифференцированном подходе к оценке нормативных сроков службы ПМ, учитывающем все многообразие нагрузок и условий эксплуатации.

Но как определить и оценить ресурс стационарного горно-шахтного оборудования после истечения нормативного срока службы? Основная проблема, с которой сталкиваются специалисты, – отсутствие достоверных данных о нагрузках и условиях воздействия на конструкцию за весь период ее эксплуатации, так называемой «истории нагружения», а также особенностей изготовления и монтажа. Существующие способы прямой инструментальной оценки – например, отбор микропроб в критической зоне, – травмируют конструкцию. Изменяются ресурсные характеристики участков отбора проб, они требуют дополнительного усиления, изменения напряженно-деформированного состояния, что сводит на нет эффективность усилий. При этом результат в значительной степени определяется правильностью выбора места пробы. Неразрушающие же методы контроля еще недостаточно отработаны и не позволяют в полной мере решать поставленную задачу.

Так как имеются достоверные сведения о нагрузках, интенсивности и условиях воздействия на крупное стационарное оборудование, целесообразно полностью отказаться от инструментальных методов оценки состояния подъемных машин в пользу выполнения соответствующих расчетных работ, основанных на подтвержденных практикой теоретических положениях и результатах эксплуатации. При решении задачи прогнозирования ресурсности подъемных машин можно исходить как из оценки ресурса машин на основе линейного закона суммирования усталостных повреждений, так и усталостной кривой, построенной для конкретной стали.

Анализ причин кризисных состояний подъемных машин однозначно свидетельствует об их усталостной природе. Об этом говорит и характер разрушений базовых структурных единиц, определяющих общий фактический ресурс оборудования. Таким образом, оценка общего фактического ресурса подъемной машины и нормативного срока ее службы должна осуществляться на основе определения усталостной прочности основных базовых структурных единиц.

Логичным и подтверждаемым практикой исследований является предположение о том, что при нагрузке близкой к нулю разрушение наступает при числе циклов 1014, а каждому напряжению меньше предела усталости соответствует свое разрушающее число циклов.

При этом следует полагать обеспеченной прочность материала по выносливости в том случае, если рабочее допустимое число циклов за весь возможный срок эксплуатации в 1,4–1,6 раза меньше разрушающего. Данное предположение положено в основу методики определения остаточной ресурсности элементов и узлов подъемной установки с учетом фактической нагруженности и интенсивности ее эксплуатации.

Анализ последствий аварий на подъемных установках (ПУ) с точки зрения их тяжести и опасности для людей показал, что к числу важнейших узлов ПУ в первую очередь относятся коренные валы, органы навивки ПМ, тормозные устройства, соединительные муфты, подшипниковые узлы, редукторы и приводные двигатели – их разрушение зачастую означает замену всей машины. Следовательно, необходимо определить сроки их работы с последующим обоснованным принятием фактического ресурса оборудования по наименее долговечному узлу. На основании этих расчетов можно установить и нормативный срок службы, который должен быть меньше рассчитанного фактического ресурса.

При этом расчетное допустимое число рабочих циклов структурной единицы подъемной машины от начала ее эксплуатации до ее разрушения можно рассчитать по формуле: Nдоп=10 m /Кз,

где Кз – коэффициент запаса, учитывающий условия эксплуатации и техническое состояние шахтных подъемных машин (ШПМ), определяемый в зависимости от экспертной оценки по параметрам вибрации (Кз =1,6 – допустимо, 1,5 – удовлетворительно, 1,4 – хорошо);

m – показатель степени, определяемой на основе подобия треугольников усталостной кривой, представляемой в полулогарифмических координатах рассматриваемой марки стали.

Значение Nдоп сравнивается с фактическим числом циклов нагружения вала за весь предшествующий период эксплуатации ШПМ, которое определяется по формуле: Nф=Tгод•Ки t•n1•n2•t,

где Tгод – баланс времени работы ШПМ в течение года;

Киt – коэффициент использования ШПМ в течение времени;

n1 – число подъемных циклов за один час;

n2 – число циклов нагружения (оборотов) вала за один подъемный цикл;

t – число лет непрерывной эксплуатации ШПМ.

При этом остаточный ресурс структурной единицы ПМ определится как разность:

ΔNост=Nдоп–Nф,

где Nф – фактическое число рабочих циклов, совершенных структурной единицей ПМ за все время ее эксплуатации с начала пуска в работу до момента проведения экспертного обследования с расчетом остаточного ресурса машины.

Для более точного определения этой величины необходим тщательный анализ данных по работе ПУ за все время ее эксплуатации с точки зрения фактического числа подъемных операций в час (сутки), количества срабатываний тормозного устройства с учетом маневровых операций и так далее.

С учетом того, что оболочка барабанных органов навивки подвергается в основном сжимающим усилиям (кручение и изгиб не учитываются ввиду их незначительности), вместо эквивалентного напряжения используется значение максимального приведенного напряжения, а для тормозных тяг – максимального приведенного напряжения растяжения.

Если при расчете долговечности тормозных тяг рассматриваются сечения нарезанных участков, обладающих наименьшим запасом усталостной прочности, то при этом обязательно определение действительного предела выносливости материала тяги в резьбовом соединении, учитывающего значение действительного коэффициента концентрации напряжений.

Определяющим при использовании данной методики является достоверность определения фактических значений максимальных напряжений рассматриваемого органа навивки за весь предшествующий период ее эксплуатации. При этом следует исходить из того, что фактическая нагруженность элементов ПМ не превышала паспортных значений. В большинстве случаев она соответствует своим расчетным проектным значениям, которые могут быть взяты за основу в случае отсутствия более достоверной информации.

В случае установления в рамках срока, предшествовавшего обследованию, периодов с разными нагрузками, в расчет следует брать их максимальное или эквивалентное значение, полагая их такими же и на прогнозный период эксплуатации машины. Коэффициент использования подъемной машины по нагрузке Kн=Qф/Qn в любом случае должен быть меньше единицы (Qф и Qn – фактическая и паспортная статические нагрузки на элементы ПМ).

Во всех случаях расчетов значений максимальных напряжений особое внимание следует уделять правильному выбору коэффициентов концентрации напряжений в рассматриваемых сечениях элементов структурных единиц ПМ с учетом количества концентраторов в сечении, а также с учетом характера посадки ступицы на вал.

Анализ поломок валов свидетельствует также о том, что зона галтели, выполненная малым радиусом и пересеченная выходами шпоночных канавок, является слабым местом – в таком случае разрушение является следствием одновременного действия нескольких концентраторов напряжений. Кроме того, к усилению концентрации напряжений приводят также низкое качество изготовления валов, наличие задиров и грубых рисок, коррозионных язв на поверхности галтелей, ведение ремонтных работ на валу с применением электросварки без строгого соблюдения технологии и ряд других.

Данная методика расчета остаточного ресурса ПМ с истекшим нормативным сроком службы положена в основу МУ 14-2007. Анализ данных апробации методики показывает, что среднестатистическое прогнозное значение остаточного ресурса ПМ по фактору усталостной прочности коренных валов составляет 26 лет, обечаек – 20 лет, тормозных систем – 25 лет. При этом среднестатистический остаточный ресурс для ПМ с учетом всех трех факторов – 14 лет. На этот срок и следует ориентироваться при решении вопросов замены устаревшего подъемного оборудования новым или вывода его из эксплуатации с учетом конкретных условий горного предприятия.