Дослідження причин руйнування та зносів тягових ланцюгів шахтних скребкових конвеєрів і розробка пропозицій щодо підвищення їх надійності

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ ДОНЕЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ Кафедра «Гірничозаводський транспорт»

Завідувач кафедрою___________________ Будишевський В.О.

(підпис, дата) (П.І.Б)

ДИПЛОМНА РОБОТА

Тема: Дослідження причин руйнування та зносів тягових ланцюгів шахтних скребкових конвеєрів і розробка пропозицій щодо підвищення їх надійності

Виконавець: студент ШЕСТАКОВ К.С.

гр. ПТМ-08с Керівник: професор СКЛЯРОВ М.А.

Консультанти:

доцент ПРОКОПЕНКО Б.В.

Нормо контролери:

професор МУХОПАД М.Д.

доцент ХІЦЕНКО М.В.

Донецьк — 2009

ЗАВДАННЯ

на дипломний проект студента

ШЕСТАКОВА Костянтина Сергійовича

1. Тема проекту (роботи) : «Проект підйомно-транспортного обладнання в умовах шахти ім. Є.Т. Абакумова.»

Спецчастина: «Дослідження причин руйнування та зносів тягових ланцюгів шахтних скребкових конвеєрів і розробка пропозицій що до підвищення їх надійності.»

2. Затверджена наказом по університету від 25.03 2009 р. № 310−14

3. Термін здачі студентом закінченого проекту (роботи) 01.06.2009 р.

4. Вихідні дані до проекту (роботи) згідно матеріалів НДРС та переддипломної практики

5. Зміст рограхунково-пояснювальної записки (перелік питань, що підлягають розробці): актуальність теми; мета і завдання дослідження; огляд призначення, класифікація і склад скребкових конвеєрів; аналіз чинників|, що впливають на надійність тягового ланцюга; дослідження залежності надійності тягового ланцюга|цепу| від співвідношення величин міцності її елементів та рівня сприйманих навантажень; статистичний аналіз міцностних властивостей деталей тягового ланцюга скребкових конвеєрів; теоретичні предпосилки можливості створення неруйнівного контролю міцності з'єднувальних ланок; розробка пристрою для змащування тягового ланцюга в шахтних умовах його експлуатації.

6.Перелік графічного матеріалу (з точною вказівкою обов’язкових креслень) -8 л. формату А1: 1 — загальний вигляд СП-63/3; 2 — тягові ланцюги; 3 — характерні пошкодження елементів тягового ланцюга; 4 — дослідження залежності надійності тягового ланцюга від співвідношення величин міцності її елементів та рівня сприйманих навантажень; 5 — теоретичні передумови створення неруйнівного контролю міцності сполучних ланок; 6 — модель універсального змащувального пристрою; 7 — техніка безпеки при роботі з скребковими пересувними конвеєрами; 8 — висновки.

7. Консультанти по проекту (роботі), із зазначенням розділів проекту, що стосуються їх

8. Дата видачі завдання 12.02.2009р.

Керівник

______________________ проф., Скляров М.А.

Завдання прийняв до виконання

_______________________ Шестаков К.С.

(підпис)

РЕФЕРАТ

Пояснювальна записка до дипломної роботи:

стор., мал., таблиць, додатки., 7 джерел.

Об'єкт дослідження — скребковий пересувний конвеєр.

Мета роботи: Метою роботи є встановлення фактичних величин показників експлуатаційної надійності тягових ланцюгів пересувних скребкових конвеєрів, визначення причин, що знижують ці показники і розробка методів підвищення надійності деталей тягового ланцюга.

У даній роботі викладена актуальність теми, мета і завдання дослідження. В результаті аналізу причин руйнування і зносу деталей тягових ланцюгів скребкових конвеєрів встановлені вимоги, що пред’являються до ланцюгових тягових органів, що працюють в підземних умовах. Так само в роботі представлені основні методи знаходження залежностей надійності тягового ланцюга від співвідношення величин міцності її елементів і рівня сприйманих навантажень. Досліджена міцність з'єднальних ланок. Описана методика статичного контролю, розкриті теоретичні передумови створення неруйнівного контролю якості з'єднальних ланок. Розроблено універсальний змащуючий пристрій. Зроблені висновки.

ЛАНЦЮГ, НАДІЙНІСТЬ, МІЦНІСТЬ, НАВАНТАЖЕННЯ, ЗНОС, З'ЄДНАЛЬНА ЛАНКА, РУЙНУВАННЯ.

Зміст

Вступ

1. Актуальність теми

2. Мета і завдання дослідження

3. Призначення, класифікація і склад скребкових конвеєрів

4. Дослідження причин руйнування деталей тягових ланцюгів скребкових конвеєрів

4.1 Аналіз чинників, що впливають на надійність тягового ланцюга

4.2 Дослідження залежності надійності тягового ланцюга від співвідношення величин міцності її елементів та рівня сприйманих навантажень

5. Статистичний аналіз міцностних властивостей деталей тягового ланцюга скребкових конвеєрів

5.1 Коротке описання конструкції і технології виготовлення деталей ланцюга

5.2 Дослідження міцності з'єднальних ланок

6. Розробка пропозицій по підвищенню надійності тягових ланцюгів

6.1 Сутність питання

6.2 Методика статистичного контролю міцності з'єднувальних ланок тягових ланцюгів скребкових конвеєрів

6.3 Теоретичні предпосилки можливості створення неруйнівного контролю міцності якостей з'єднувальних ланок

6.4 Розробка пристрою для змащування тягового ланцюга в шахтних умовах його експлуатації

7. Охорона праці та техніка безпеки при використанні скребкових конвеєрів з круглоланковим ланцюгом Висновки

Список використаної літератури тяговий ланцюг шахтний скребковий конвеєр

ВСТУП

Дана робота присвячена надійності тягового ланцюга скребкового пересувного конвеєра.

Скребковий пересувний конвеєр є транспортною машиною безперервної дії. Скребковий конвеєр складається з окремих, сполучених між собою секцій (рештаків), утворюючих став конвеєра, тягового органу з однієї або двох (у окремих випадках три) замкнутих (нескінченних) ланцюгів з укріпленими на них з постійним кроком скребками, і кінцевих голівок. Переміщення гірської маси на скребковому конвеєрі здійснюється волочінням її по жолобу шкрябаннями. Скребкові конвеєри застосовують переважно для транспортування щодо легких (щільністю менше 2 т/м3) неабразивных матеріалів.

Умови роботи скребкових конвеєрів у вугільних шахтах вельми специфічні і важкі, із-за обмеженості робочого простору важко його обслуговування, а потужності очисних забоїв постійно ростуть. Ці чинники приводять виникненню підвищених вимог до надійності самою уразливою і важко замінимою частці - тяговому ланцюгу. Статистика показує, що тяговий ланцюг частіше за інші складові виходить зі строю, а простій лави, зв’язаний з її заміною веде до значних матеріальних втрат.

Розробці пропозицій по підвищенню надійності тягових ланцюгів пересувних скребкових конвеєрів і присвячена дана робота.

1.АКТУАЛЬНІСТЬ ТЕМИ

Проблема підвищення надійності тягового ланцюга пересувного скребкового конвеєра розроблялася з самого моменту введення даного типу конвеєра в експлуатацію в підземних умовах.

Дуже значний внесок в розв’язання цієї проблеми вніс професор Л.І. Штокман. Також можна відзначити роботи Івашкова І.І., Шефера С.Т.

Одінга І.А., Коста Г. Н.

Умови роботи скребкових конвеєрів у вугільних шахтах вельми специфічні і важкі, із-за обмеженості робочого простору важко його обслуговувати, а потужності очисних вибоїв постійно ростуть. Як показує практика експлуатації забійних конвеєрів, значне число їх відмов викликається несправністю виконавчього органу — тягового ланцюга. Заводами-виготовниками та інститутами ведуться роботи по значному збільшенню міцності сполучних ланок тягових ланцюгів, посиленню вузлів кріплення скребків до ланцюга, підвищення міцності і жорсткості скребків і вибору їх раціональної форми.

Простій лави, який зв’язан з її заміною веде до значних матеріальних втрат. За даними ДОНУГІ, із спільного числа відмов скребкових конвеєрів СПМ-87 і СП-63, що працюють у комплексах, на пориви тягових ланцюгів падає 41,5% і це викликає простої в кількості 41,5% спільного числа простоїв цих конвеєрів. При цьому на один порив основної ланки кільцевого ланцюга доводиться близько 30 поривів сполучних ланок.

Розв’язання даної проблеми дозволить понизити частоту поломок, що приведе до значних матеріальних вигід для підприємств.

Зі всього ваше сказаного можна зробити висновок, що ця тема актуальна.

2.МЕТА І ЗАВДАННЯ ДОСЛІДЖЕННЯ

Мета і завдання роботи: Метою роботи є встановлення фактичних величин показників експлуатаційної надійності тягових ланцюгів пересувних скребкових конвеєрів, визначення причин, що знижують ці показники і розробка методів підвищення надійності деталей тягового ланцюга. Також метою є розробка пропозицій до підвищення надійності тягових ланцюгів. Для досягнення вказаної мети поставлені наступні основні завдання:

Проаналізувати чинники, що впливають на надійність тягового ланцюга.

Встановити залежність надійності тягового ланцюга від співвідношення величини міцності її елементів і рівня сприйнятих навантажень.

Дослідити міцність з'єднальних ланок.

Розробити пропозиції по підвищенню надійності тягових ланцюгів.

3.ПРИЗНАЧЕННЯ, КЛАСИФІКАЦІЯ І СКЛАД СКРЕБКОВИХ КОНВЕЄРІВ

Для повноти опису стану даного питання необхідно провести класифікацію скребкових конвеєрів і їх тягових ланцюгів, а так само знатися на типоразмерах деталей тягових ланцюгів, що випускаються нашою промисловістю.

Шахтні скребкові конвеєри є засобом доставки вугілля або сланцю з очисних і підготовчих вибоїв. В окремих випадках їх застосовують в штреках конвеєризованих ділянок для подачі гірської маси на інші засоби транспорту.

Всі скребкові конвеєри, призначені для роботи в підземних умовах, можна класифікувати:

· по характеру роботи — доставки; агрегатні;

· за способом переміщення — розбірні, пересувні;

· по числу ланцюгів — одноланцюгові, двохланцюгові, трьохланцюгові;

· по характеру рухи скребків — нереверсивні, реверсивні;

· по числу приводів — одноприводні, багатоприводні;

· по роду енергії приводу — електричні, пневматичні.

Перевагою скребкових конвеєрів є простота конструкції, міцність, можливість швидкого нарощування довжини і переміщення на нове місце, невелика висота рештачного ставу.

Недоліки таких конвеєрів: висока металлоі енергоємність, швидкий знос ланцюгів і рештаків.

Секції по взаємному розташуванню рештаків для вантажної і порожньої гілок розділяються на два типи: 1) розташовані один над одним; 2) розташовані поруч в одній плоскості. Рештачний став може складатися з роз'ємних і нероз'ємних секцій. Перші застосовуються в розбірних конвеєрах, другі - в пересувних.

Відповідно до цього скребкові підземні конвеєри підрозділені на чотири групи:

С — одноланцюгові;

СК — одноланцюгові з ланцюгом, замкнутим в горизонтальній плоскості, і консольними шкрябаннями;

СР — двохланцюгові розбірні;

СП — двохланцюгові пересувні.

Рисунок 3.1 — Скребковий конвейер С-53

Праворуч від індексу пишеться цифра, що позначає ширину жолоба в сантиметрах.

Приклад зображення скребкового конвейеру приведено на рис. 3.1.

1 — рештачний став; 2 — ланцюг; 3 — приводна голівка; 4 — кінцева голівка; 5 — головний рештак.

Круглоланкові ланцюги.

Круглоланкові ланцюги застосовуються як тягові органи комбайнів, стругів, скребкових, пластинчастих, стрічково-ланцюгових конвеєрів, а також штовхачів і інших підземних механізмів і машин.

Застосування круглоланкових ланцюгів в механізмах подачі вузькозахватних виймальних машин визначається їх більшою надійністю і підвищеним розривним зусиллям в порівнянні з канатами, а також простішого конструктивного виконання приводу. Крім того, круглоланкові ланцюги дозволяють швидко змінювати напрям руху виймальної машини і повністю усувають простої, пов’язані з перемотуванням каната і перестановкою упорної стійки. За допомогою спеціального поворотного вертлюга, через який ланцюг кріпиться до нерухомого елементу, забезпечується плавне зачеплення ланцюга з приводною зірочкою.

Застосування круглоланкових ланцюгів в скребкових конвеєрах має наступні переваги в порівнянні із застосуванням інших типів ланцюгів:

· рухливість в шарнірах в будь-якому напрямі, що дозволяє застосовувати їх на пересувних конвеєрах, що згинаються;

· можливість пересування скребкових конвеєрів без розбирання рештачного ставу;

· порівняльне легке кріплення скребків до вертикальних або горизонтальних ланок ланцюга.

Основні параметри і розміри круглоланкових ланцюгів вказані на рис. 3.2 і в табл.3.1.

Ланцюги діаметром 14 і 18 мм виготовляються з одним або двома зварними стиками, а ланцюги діаметром 23 мм і більш — тільки з двома зварними стиками.

Круглоланкові ланцюги діаметром 14 і 18 мм набули найбільшого поширення як тягові органи скребкових конвеєрів, ланцюги калібру 23Ч86 мм застосовуються в стругових установках і комбайнах. Останнім часом отримують широке застосування ланцюга калібру 26Ч92 мм в комплексах. У базових конвеєрах СП64П2 застосовується ланцюг 20Ч80, а в конвеєрах СПЦ261- 28Ч100 мм.

Високоміцні круглоланкові ланцюги виготовляються по ДСТУ 9445−70 «Ланцюги круглоланкові високоміцні для гірських машин» чотирьох класів міцності (позначення класу міцності ланцюга відповідає величині її руйнівної напруги) по технічних вимогах, вказаних в таблиці. 3.2 і 3.3.

Таблиця 3.1-Параметри кругло ланковихланцюгів.

В даний час заводами вугільного машинобудування освоєний серійний випуск ланцюгів всіх класів міцності: А1 («70»), В1 («75»), С («80») і частково Д («100»).

Таблиця 3.2-Технічні вимоги

Таблиця 3.3-Параметри класів міцності.

Високоміцні круглоланкові ланцюги, що випускаються для гірських машин, виготовляються з середньоі високолегованих сталей. Ланцюги 14Ч50 і 18Ч64 мм класів міцності А1 («70») і В1(«75») виготовляються з середнєлегованої сталі марки 25Г2.

Ланцюги калібрів 23Ч86 і 26Ч92 мм класів міцності В1 («75») і С («80») виготовляються з середнєлегованої сталі марки ЗОХМА.

Для виготовлення високоміцних ланцюгів 18Ч64 і 23Ч86 мм класів міцності С («80») і Д («100») застосовується високолегована сталь 25ХГНМА.

У табл 3.4 — ланцюги скребкових конвеєрів і перевантажувачів.

Для виємочних комбайнів і стругів круглоланкові ланцюги виготовляються відрізками завдовжки 25 м, які з'єднуються між собою сполучними ланками.

Таблиця 3.4-Ланцюги скребкових конвеєрів

Сполучні ланки типа ЗС (рис. 3.3) є конструкцією шарнірного типа, виконаною з двох однакових напівланок, сполучених між собою штифтом. Останній проходить через отвори в замку напівланок в напрямі, перпендикулярному подовжній плоскості симетрії ланки. Сполучні ланки типа ЗС виготовляються із сталі 40ХНМА і термооброблюються гартом з відпуском до твердості НКС 48…53.

Основні геометричні розміри і технічні характеристики сполучних ланок приведені в таблиці. 1.6. Сполучні ланки типа ЗС випускаються чотирьох класів міцності: А1(«70»), В1 («75»), С («80») і Д («100»). В даний час Горлівським машинобудівним заводом ім. С. М. Кирова освоєний серійний випуск сполучних ланок класів міцності А1 («70»), В1 («75») і частково С («80»).

Для скребкових конвеєрів ланцюги виготовляються відрізками завдовжки 950−960 мм. Відрізки ланцюгів, призначені для двухі трьохланцюгових скребкових конвеєрів, повинні поставлятися комплектно по два-три. За узгодженням із споживачем допускається постачання комплектів ланцюгів з числом відрізків, кратним двом і трьом. Різниця довжин відрізків в одному комплекті не повинна перевищувати 2 мм. Відрізки ланцюгів скребкових конвеєрів з'єднуються між собою і з скребками сполучними ланками типа СП виробництва харківського заводу «Світло шахтаря» і Ськопінського машинобудівного заводу.

Конвеєрні сполучні ланки типа СП (рис. 3.3) є скобою С-образної форми, що замикається болтом 2У що проходить через потовщення вільних кінців скоби і затягнутим шайбою і гайкою на певний момент затягування. Розміри В, Т, d, приймаються залежно від діаметру і кроку ланцюга.

Конвеєрні сполучні ланки виготовляються із сталі 35ХГСА і термооброблюються гартом з відпуском до твердості НВ 363…477. Тягові органи пересувних конвеєрів минають приймально-здавальні випробування не в зборі, а по елементах. Круглоланкові ланцюга випробовуються згідно вимогам ДСТУ 9445−70 на розтягування і розрив під дією пробного і руйнівного навантажень з виміром подовження зразка ланцюга, а також на втомну довговічність.

Сполучні ланки піддаються випробуванням на розтягування пробним навантаженням від кожної ідентично термообробленній партії. При цьому величина навантаження вибирається залежно від типа і калібру ланцюга (табл. 3.6). Час витримки при пробному навантаженні рекомендується не менше 30с.

Таблиця 3.6-Показники для випробування та контролю якості

Розбірні ланцюги.

Розбірні ланцюги набули великого поширення як тягові органи скребкових конвеєрів; виготовляються по ГОСТ 589–74, згідно якому для вугільної промисловості поставляються ланцюги типа Р2 з циліндровими валами, що забезпечують поворот внутрішніх ланок в плоскості осей шарнірів на кут не менше 3° в кожну сторону. Така гнучкість пов’язана з відсутністю строго прямолінійної настилки конвеєрної лінії в лаві і можливістю викривлення штреків.

Розбірний ланцюг (рис. 3.4) складається з внутрішньої ланки 1, зовнішньої ланки 2 і валу 3, які виготовляються штампуванням без подальшої механічної обробки. Розбірний ланцюг Р2−80−29,, що виготовляється Анжерським машинобудівним заводом і харківським «Світло шахтаря», має наступні розміри в міліметрах t =80, tц =160, В = 40, Вн = 34, S = 31, R = 20, d=18, l = 70. Розривне зусилля, ланцюги складає 29 тс, маса 1 м ланцюга — 8,6 кг.

Розбірні ланцюги виготовляються з низьколегованих сталей марки 45Г2 з валом із сталі 25Г2; допускається застосування стали 25Г2С і інших марок.

Ланцюги тягові розбірні повинні випробовуватися згідно вимогам пробного навантаження на розтягування з подальшим контролем відносного залишкового подовження, а також вибірково на розрив.

Основні типи конвеєрів, в яких застосовуються тягові розбірні ланцюги Р2−80−29: С53а, С53му, СП63/1.

4. ДОСЛІДЖЕННЯ ПРИЧИН РУЙНУВАННЯ ДЕТАЛЕЙ ТЯГОВИХ ЛАНЦЮГІВ СКРЕБКОВИХ КОНВЕЄРІВ

4.1 Аналіз чинників, що впливають на надійність тягового ланцюга

Умови роботи тягових ланцюгів в шахтах специфічні і вельми важкі. Унаслідок обмеженості робочого простору, особливо в лавах, не представляється можливим застосовувати зірочки великого діаметру. Тому шахтні ланцюги застосовуються з малим кроком і мають велике число ланок, що здорожує їх виробництво і ускладнює експлуатацію. Застосування коротколанкових ланцюгів викликане також частково прагненням понизити динамічні навантаження, обумовлені нерівномірністю рухи в ланцюговій передачі.

Вологість середи у поєднанні з агресивністю шахтних вод, а також в деяких випадках наявність блукаючих струмів інтенсифікує корозійні процеси, які знижують надійність і довговічність ланцюгів. Волога середа на багатьох шахтах приводить до забивання відкритих шарнірів розбірних ланцюгів сумішшю породи і вугілля. За відсутності частих роз'єднань ця суміш з часом перетворюється на тверді нашарування, що викликає додаткові труднощі при розбиранні ланцюга.

Вугілля і особливо антрацит, що транспортується, володіють абразивними властивостями і тому більшою чи меншою мірою виникає знос шарнірів, а в ланцюгах, що переміщаються ковзанням, — також і знос граней. Знос посилюється із-за наявності породи в рядовому вугіллі, абразивні властивості якої бувають вельми високими.

Стан гірських вироблень утрудняє строго прямолінійне укладання конвеєрних ліній, унаслідок чого виникають перекоси в шарнірах і нерівномірність в розподілі натягнень ланцюга між зовнішніми ланками. Вказані нерівномірність і перекоси посилюються при піддуванні породи або інших деформаціях вироблень.

Полягання конвеєрів в шахтах часто буває незадовільним, в місцях з'єднання рештаков або направляючих секцій конвеєрів з’являються «пороги», за які чіпляються самі ланцюги або прикріплені до них вантажнопересувні органи (скребки, пластини і ін.).

Знос ланцюгів.

Зовнішній знос тягових ланцюгів в шахтних умовах виявляється у вигляді стирання поверхонь граней ланок і шарнірів. Окрім величини натягнення на знос ланцюгів великий вплив робить середа, в якій працюють ланцюги.

До цих пір ще немає остаточної ясності про вплив вугілля на знос ланцюгів. Відповідно до однієї точки зору вугілля, подібно до графіту, володіє захисними властивостями і як мастило сприяє зниженню зносу. Проте є і протилежні дані, що говорять про те, що різні мінеральні включення, що містяться у вугіллі, додають йому абразивні властивості, що посилюють знос. Характерний знос ланок можливо побачити на рисунку 4.1.

Між цими протилежними думками, мабуть, суперечності немає, оскільки було б неправильним вважати, що все вугілля робить однаковий вплив на характер і величину зносу. Марка вугілля, вигляд і кількість включень, навіть властивості вміщаючих порід, не говорячи вже про кількість породи в рядовому вугіллі, — все це робить фрикційні і абразивні властивості вугілля вельми індивідуальними. У Донбасі, наприклад, добре відомо, що найбільш абразивними властивостями володіють антрациты, а найменш — м’яке вугілля. Відомо, що вугілля Кизеловського басейну, особливо в умовах агресивної середи, викликає значно більший знос ланцюгів, чим вугілля Донецького басейну. Виключно несприятливі умови створюються для ланцюгів транспортних установок буровугільних фабрик брикетів правобережжя України із-за підвищеної зольності бурого вугілля.

Виходячи з викладеного, швидкість стирання ланцюгів багато в чому залежить від характеристики вугілля, що транспортується.

Характерним для роботи тягових ланцюгів є високий питомий тиск, при якому можна чекати заїдання поверхонь, що труться, і виривання мікрочасток поверхні (тим паче, що вали і ланки виготовляються із сталі однієї марки). Тим часом в умовах розробки м’якого вугілля Донбасу на поверхні валів і проушин середніх ланок розбірних ланцюгів не спостерігається слідів заїдання, а навпаки — ці поверхні носять сліди згладжування і поліровки (рівним чином, як і поверхні рештаків скребкових конвеєрів).

Деякі лабораторні випробування показали, що при сухому терті вугільний прошарок між елементами, що труться, володіє захисними властивостями і подібно до мастила зменшує знос. Аналогічно протікає знос і внутрішніх ланок розбірних ланцюгів. Внутрішня (що треться) поверхня проушини внутрішньої ланки відомий час зберігає сліди спресованого вугільного штибу, унаслідок чого знос внутрішніх ланок розбірних ланцюгів в нормальних шахтних умовах незначний. Знос різко зростає за відсутності вугільної середи.

На харківському заводі «Світло шахтаря» були проведені стендові дослідження, метою яких було встановлення впливу мастила шарнірів розбірних ланцюгів на знос. Дослідження показали, що при роботі у вугільній середі введення мастила зменшує знос в 1,45−2,1 рази. Одночасно було встановлено, що із збільшенням питомого тиску в шарнірі (наприклад, унаслідок збільшення довжини або продуктивності конвеєра) захисна роль мастила підвищується.

Великий вплив на зношування тягових ланцюгів надає швидкість їх руху, оскільки із зміною швидкості змінюється не лише робота сил тертя в одиницю часу, але і сам характер протікання процесу зносу.

Міцність ланцюгів залежить не лише від характеру і величини навантаження, але і від характеру накладення різних навантажень в часі. Ця залежність виявляється достатньо яскраво навіть тоді, коли кожна з комплексу прикладених навантажень, узята окремо, не може привести до руйнування ланцюга. Тим часом саме при комплексній дії ці навантаження приводять до порушення міцності. Звідси витікає, що достовірна оцінка міцності ланцюга може бути проведена тільки за умови, якщо відомий не лише характер і величини навантажень, але і характер їх взаємодії в часі.

Руйнування ланцюга може і не привести до її розриву в тих випадках, коли елементи, що залишилися цілими, можуть продовжувати нести навантаження. В деяких випадках зруйнована (тріснуте) ланка також якийсь час може сприймати частку натягнення. II все-таки навіть такий стан ланцюга слід вважати за граничний, оскільки розривши ланцюги неминучий і може статися у будь-який момент часу, оскільки робота дефектного ланцюга протікає при зниженому, проти нормального, запасі міцності.

Деформації ланцюга приводять до багатьом функціональним порушенням: порушенню правильності зачеплення аж до зіскока ланцюга із зірочки, порушенню правильності роботи виконавського органу (наприклад, скребків в скребковому конвеєрі, пластин в пластинчастому конвеєрі і т. д.), порушенню розбірності ланцюгів або сполучних ланок, збільшенню опору руху. Тому вони теж мають бути віднесені до граничного стану, хоча робота конвеєра з вказаними розладами і буває можлива. Деформація і руйнування взаємозв'язані: деформовані ланки мають часто знижену міцність.

Знос ланцюга, якщо він настає до порушення міцності, робить великий вплив на експлуатаційні показники ланцюга. Знос, пов’язаний з уточненням небезпечних перетинів, приводить до зменшення міцності. Знос шарніра викликає збільшення кроку ланцюга і порушення правильності зачеплення. До цього ж приводить знос бічних граней ланок по поверхнях ковзання. Він може викликати порушення роботи виконавських органів і зростання опорів руху.

Знос замкових і інших виступів призводить до зниження надійності проти саморозмикання розбірних ланцюгів.

Зі всього сказаного виходить, що оцінка тягових ланцюгів, що практикується в даний час, по їх статичному розривному зусиллю є абсолютно недостатньою.

Виходячи із спільних міркувань надійності і довговічності до основних вимог, яким повинні задовольняти підземні тягові ланцюги, слід віднести:

1) міцність (статичну, циклічну і ударну);

2) жорсткість проти деформацій (подовжніх і поперечних);

3) зносостійкість (шарнірів, бічних граней і виступів);

4) легкість розбирання і надійність проти саморозборності;

5) антикоррозійність.

Залежно від конкретних умов експлуатації ті або інші вимоги набувають первинного значення, а деякі інші можуть бути взагалі зняті.

Враховуючи особливо важкі умови, в яких працюють підземні ланцюги, важливе значення має підхід до оцінки ланцюгів не лише по їх первинних властивостях, але і по збереженню ними цих властивостей в процесі експлуатації.

Класифікація навантажень.

Класифікація навантажень тягових ланцюгів приведена на рис. 4.2.

По характеру дії навантаження можна розділити на статичні та динамічні.

По характеру режиму роботи установки можна розрізнити навантаження при режимах, що повторюються (у тому числі нормальних), і при екстрених режимах.

Частка навантажень виникає при сталому русі установки, а інша частка — при перехідних процесах.

Як статичні, так і динамічні навантаження можуть бути нециклічними і циклічними.

Статичні навантаження при нормальній роботі установки обумовлені статичними опорами руху і первинним натягненням ланцюга. При збільшених опорах руху (обумовлених заштибовкою направляючих, виходом зі строю ходових роликів і іншими причинами) можуть виникати екстрені режими, що приводять до різкого зростання натягнень ланцюга.

Статичні навантаження як при нормальних, так і при екстрених режимах можуть носити циклічний характер.

Питання міцності ланцюгів при комплексній дії навантажень.

При комплексній (сукупному) дії навантажень руйнування ланцюга може статися навіть в тому випадку, якщо кожне навантаження з цього комплексу, узяте окремо, не може викликати руйнування. Оскільки для копальневих тягових ланцюгів характерне саме одночасна дія навантажень, вивчення цього питання представляє великий інтерес.

Варіанти комплексів навантажень можуть бути найрізноманітнішими. Навантаження можуть бути прикладені послідовно, або одночасно в самих різних комбінаціях і тому розгледіти всі можливі варіанти навряд чи представляється можливим. На перших порах можна систематизувати навантаження відповідно до даних на рис. 4.3.

У основу класифікації міцності ланцюгів покладений принцип характеру і напряму основних навантажень, що викликають остаточне руйнування, і додаткових навантажень, що діють сукупно з основними.

Якщо виходити з припущення про те, що додаткові навантаження, не викликаючи руйнування, приводять, проте, до зменшення опору руйнування ланцюга, то нові ланцюги мають бути міцніше за ланцюги, вживані. При цьому зменшення міцності останніх повинно спостерігатися навіть за відсутності зовнішнього зносу.

Довговічність тягових ланцюгів. Терміни служби і експлуатаційна надійність ланцюгів.

Працездатність ланцюгів окрім конструктивно-технологічних чинників визначається умовами їх експлуатації. Ці умови вельми різноманітні, тому і терміни служби ланцюгів коливаються в широких межах. Під терміном служби в теорії надійності розуміють календарну тривалість експлуатації системи або виробу до капітального ремонту.

Унаслідок заміни окремих ланок і відрізків, що практикується в процесі експлуатації, тяговий ланцюг з часом виявляється таким, що складається з деталей з різною тривалістю роботи, а значить і різною несучою здатністю. З цієї причини тривалість роботи ланцюга в цілому можна характеризувати, не інакше, як середнім терміном служби. Термін служби тягових ланцюгів прийнято оцінювати в місяцях. Проте така оцінка до деякої міри умовна, оскільки машинний час роботи лави агрегатів в шахті менше часу їх простоїв. Так, за даними ДОНУГІ, корисна робота скребкових конвеєрів в середньому рівна 36% тривалості зміни.

Крім того, число годин роботи ланцюгів в добу (зміну) на окремих установках різне. Об'єктивнішим показником працездатності ланцюгів було б встановлення їх терміну служби в годиннику. Проте складність отримання фактичних даних при цьому робить навряд чи можливим встановлення такого показника.

Оцінка терміну служби тягових ланцюгів проведена у ВНДІПТуглемаше, Донгіпроуглемаше і ДОНУГІ. У роботах, проведених цими інститутами, термін служби ланцюгів був визначений на підставі статистичного аналізу фактичної витрати ланцюгів на шахтах.

Фактична витрата ланцюгів не завжди характеризує термін їх служби. Річ у тому, що кількість ланцюгів, що поступають як запасні частки на технічні бази трестів, має дорівнювати кількості ланцюгів, що вийшли з роботи. Тільки в цьому випадку можна визначити термін служби ланцюгів по фактичній витраті. Якщо ж вказана рівність не витримується і кількість зношених ланцюгів перевищує кількість ланцюгів, поставлених заводами-виготівниками, шахти вимушені продовжувати експлуатацію деякої кількості ланцюгів, біля яких вже настав граничний стан, а також використовувати неповноцінні відновлені ланцюги. В результаті експлуатації таких ланцюгів виникають часті їх пориви, зіскоки із зірочок і підвищений знос елементів установки (зірочок, направляючих і ін.). При вказаному методі оцінки терміну служби ланцюгів може створитися парадоксальне положення, при якому, чим менше поступатиме ланцюгів на шахти (тобто чим більше буде фактичний брак ланцюгів), тим вище буде оцінений їх термін служби.

Тому єдино достовірним методом визначення терміну служби ланцюгів має бути метод, заснований на визначенні тривалості роботи ланцюгів до виникнення їх граничного стану. Як перший крок в цьому напрямі необхідно розробити критерії кількісної оцінки граничних станів ланцюгів.

Дані по термінах служби тягових ланцюгів, отримані окремими організаціями, відчутно відрізняються один від одного. За даними ВНДІПТуглемаша, терміни служби розбірних ланцюгів коливаються в межах 6,5−12 місяців і найбільш термін служби, що часто зустрічається, 10,5 місяця. Під гарантійним (гарантованим) терміном служби ланцюгів розуміють календарну тривалість експлуатації ланцюгів, протягом якої завод-виготівник гарантує справність ланцюгів і несе матеріальну відповідальність за виникнення несправності за умови дотримання правил експлуатації.

Виходячи із спільної теорії надійності і довговічності, середня довговічність тягового ланцюга може бути визначена по формулі

де п — кількість ланок (відрізків) ланцюга на конвеєрі;

т — кількість ланок (відрізків) ланцюга, замінених за період спостереження;

— сумарний час роботи ланок (відрізків) до їх заміни.

Інколи довговічність визначають також кількістю тонн вугілля, пропущеного конвеєром за термін служби деталі.

4.2 Дослідження залежності надійності тягового ланцюга|цепу| від співвідношення величин міцності її елементів та рівня сприйманих навантажень

Проблемі міцності тягових ланцюгів скребкових конвеєрів присвячена велика кількість досліджень.

У роботах проф. Штокмана і його учнів переконливо показано, що основною причиною відмов тягових ланцюгів скребкових конвеєрів з порівняно малою потужністю приводу, є втомне руйнування елементів ланцюга. Природно, що основний напрям переважної більшості робіт був підвищення втомної міцності тягового ланцюга за рахунок конструктивно-технологічних заходів, пов’язаних з вибором раціональних марок сталей і режимів термічної обробки деталей ланцюга, із створенням принципово нових конструкцій ланцюгів, що володіють підвищеною зносостійкістю і втомною міцністю.

В даний час у зв’язку з тенденцією до збільшення довжини очисних вибоїв і впровадженням високопродуктивних вуглевидобувних машин сумарна потужність приводу конвеєра СП-63 завдовжки 200−250 метрів більш ніж в 5 разів перевищує потужність приводу конвеєра CКР-20, складаючи 128 квт.

У цих умовах динамічні навантаження, що виникають при раптовому заклинюванні ланцюга, пропорційні зміні кінетичній енергії рухомих мас конвеєра і потенційної енергії деформації його деталей, стають сумірними з середньою міцністю деталей тягового ланцюга.

Тому, як показує досвід експлуатації, в даний час, окрім довговічності, на передній план висувалася проблема забезпечення необхідних показників надійності тягових ланцюгів, залежних головним чином від співвідношення величин двох випадкових параметрів: навантаження і міцності ланцюга, кожен з яких залежить від цілої лави конструктивних, технологічних і експлуатаційних чинників.

Відомо, що все різноманіття навантажень, що сприймаються деталями тягового ланцюга можна підрозділити на дві групи: що постійно діють і екстрені. До першої групи відносяться статичні і динамічні навантаження, що виникають при сталому русі ланцюга в процесі нормальної роботи конвеєра.

До основних причин, що викликають появу екстрених навантажень, відносяться заклинювання ланцюга, порушення зачеплення ланцюга із зірочкою, запуск заповненого вугіллям конвеєра (особливо за відсутності в його приводі турбомуфти) і ін.

Докладний аналіз причин появи і величин всіх типів навантажень, що сприймаються деталями розбірного штампованого ланцюга приведений в роботі, де показано, що найбільш небезпечними, з точки зору міцності ланцюга, є динамічні навантаження при сталому русі ланцюги і екстрені навантаження, що сприймаються при її раптовому заклинюванні. Оскільки причини появи різних типів навантажень і співвідношення між їх величинами не залежать від типа скребкового ланцюга, при аналізі причин руйнування деталей круглоланкових ланцюгів розгледимо лише ці два найбільш небезпечних видів навантаження.

У роботах, як і у всій вище переліченій літературі, присвяченій дослідженню причин руйнування тягових ланцюгів, основним аргументом на користь гіпотези про те, що руйнування ланцюга носить не статичний, а втомний характер, указує той факт, що величина максимального навантаження, що виникає при заклинюванні ланцюга, не перевищує її середньої міцності.

Не можна не відзначити, що якщо, стосовно ланцюгів конвеєра типа СКР, ця гіпотеза не викликає сумнівів, то сам факт того, що величина запасу міцності (підрахована з умови дії максимального навантаження і середньої міцності ланцюга) перевищує одиницю, ще не є гарантією безвідмовної роботи ланцюга.

Річ у тому, що в ланцюзі, що складається з великого числа однакових деталей, що володіють різною міцністю, неминуче є деяка кількість деталей, міцність яких значно поступається середній міцності всього ланцюга.

Оскільки величина екстреного навантаження зворотно пропорційна довжині заклиненої ділянки ланцюга, то руйнування кожної з цих слабких ланок станеться лише в разі поєднання двох випадкових подій, що полягають в тому, що до складу заклиненої ділянки ланцюга повинна потрапити слабка ланка, причому довжина цієї ділянки повинна забезпечити появу сили, що перевищує міцність цієї ланки.

Отже, у зв’язку з тим, що «випалювання» слабких деталей тягового ланцюга, що розуміється в звичайному сенсі, в початковий період експлуатації конвеєра не відбувається, в її складі довгий час можуть працювати ланки величина коефіцієнта запасу міцності яких значно нижча за весь ланцюг, підрахованого по середній міцності всіх ланок. Тому, з точки зору надійності, критерієм міцності деталі має бути не запас міцності, а вірогідність не руйнування її під дією фіксованого рівня навантаження.

Рівняння для обчислення цієї вірогідності, при відомому співвідношенні між математичним очікуванням і дисперсією міцності деталі і величиною сприйманого нею навантаження, приводиться далі.

У попередньому розділі було показано, що дані дослідження експлуатаційної надійності не суперечать гіпотезі про те, що в даний час, при великій сумарній потужності приводів конвеєра надійність його ланцюгів лімітується саме несприятливим співвідношенням величин екстрених навантажень, частотою їх появи і міцністю деталей ланцюга. Справедливість цієї гіпотези може бути підтверджена і даними аналізу місць і характеру зламу зварних і сполучних ланок, отриманих з місць експлуатації конвеєрів.

Відомо, що відмінною рисою втомних зламів є відсутність видимої на око пластичної деформації і наявність в зламі дрібнозернистої і грубозернистої зон, обумовлених появою спочатку втомної тріщини, а потім крихкого руйнування ослабленого перетину.

Крім того, порівняння місць руйнування сполучних ланок в процесі статичних і втомних випробувань показало, що під дією статичного навантаження воно руйнується по найбільш слабкому перетину (місце переходу циліндра в потовщення кулака), тоді як при випробуваннях на втому, ланку, як правило, руйнується по тілу кулака.

Руйнування ланок зварного ланцюга при тих і інших випробуваннях в основному відбувається в зоні зварного шва і лише в порівняно окремих випадках, коли у складі п’ятиланкового відрізку зварного ланцюга всі ланки мають якісний зварний шов, при статичному розтягуванні ланка руйнується по основному металу.

На рисунку 4.4 (1) приведена фотографія єдиного серед виявлених сполучних ланок, поломка якого сталася в місці, характерному для втомного руйнування, проте, навіть в цьому випадку, як видно з рисунка 4.4 (2) в місці зламу відсутня ділянка з дрібнозернистою структурою.

Слід зауважити, що ця ланка працювала у складі ланцюга штрекового конвеєра, який, як відомо, в менша мірі схильна до дії екстрених навантажень.

Отже, фізичний процес, що визначає інтенсивність руйнування деталей тягового ланцюга, може бути представлений у вигляді моделі, показаної на рис 4.5. Вісь абсцис представляє певний відрізок часу роботи конвеєра.

Зигзагоподібна лінія показує характер зміні навантажень, що сприймаються ланцюгом в процесі роботи конвеєра, величини яких залежать від довжини заклиненої ділянки ланцюга. По осі ординат відкладені величини міцності відрізків зварного ланцюга і сполучних ланок, причому, як видно з малюнка, міцність деталей коливається навколо свого середнього значення.

У тому випадку, коли до складу заклиненої ділянки входять ланки, що володіють міцністю меншою, ніж зусилля, що виникає при заклинюванні, відбувається відмова конвеєра, зв’язана про руйнуванням ланцюга (X), інакше станеться лише зупинка (0) конвеєра (спрацьовування турбомуфти), але руйнування ланцюга не станеться.

Таким чином, малюнок показує, що руйнування сполучних ланок може відбуватися і під дією сили, величина якої значно менше ланцюга, хоча її середня міцність значно перевищує середню міцність сполучних ланок.

Отже, інтенсивність руйнування ланок ланцюга в даних умовах експлуатації може характеризувати взаємодію між міцністю ланки і рівнем навантажень, що діють на нього. У спільному вигляді цей закон взаємодії елементу з навколишнім середовищем може бути знайдений шляхом наступних міркувань.

Вірогідність не руйнування елементу P (t) може бути представлена у вигляді суми творів вірогідності не руйнування елементу під дією n перевантажень R на вірогідність появи цих n перевантажень за проміжок часу t:

(4.1)

Першим співмножником є вірогідність не руйнування елементу при n-кратній появі сили R. Другий — вірогідність появи за час t рівно n перевантажень рівня R.

Тоді відповідно до формули (4.1)

*Оскільки,, то Нижче розглянута методика визначення параметрів даної залежності. Зараз лише відмітимо, що отримане рівняння враховує як рівень і інтенсивність появи навантаження, так і міцностні властивості елементу, що сприймає ці навантаження, тому рівняння (4.1) може бути базою для апріорної оцінки надійності нового ланцюга.

Таким чином, проведений аналіз дозволяє стверджувати, що основною причиною руйнування тягових ланцюгів пересувних скребкових конвеєрів є невідповідність міцності деталі ланцюга сприйманим піковим навантаженням, що виникають при заклинюванні тягового ланцюга.

Приведене міркування зовсім не заперечує можливості втомного руйнування ланцюга, наявність якого підтверджується характером місця руйнування на деталях ланцюгів штрекових конвеєрів, проте, найбільше число руйнувань ланцюга відбувається все-таки в результаті дії екстремальних навантажень і це необхідно враховувати при розробці заходів, направлених на підвищення надійності тягових ланцюгів.

Кажучи про конструктивні методи забезпечення необхідного рівня надійності устаткування, слід зазначити, що вирішення даної проблеми зв’язане з цілою лавою труднощів, подолання яких часом неможливе за допомогою звичайних аналітичних методів міцності вузлів і деталей машин.

Аналітичні розрахунки дозволяють отримати величини середніх і екстремальних значень навантажень при будь-яких режимах роботи конвеєра, проте, розрахунок запасів міцності деталей ланцюга з умови дії середніх навантажень не може забезпечити їх надійної роботи в умовах частої появи екстремальних навантажень. Виготовлення деталей, здатних витримати максимальні величини цих перевантажень, привело б до невиправданого збільшення металоємності і ваги ланцюга.

Отже, з погляду надійності критерієм працездатності деталі має бути не запас міцності, а вірогідність її руйнування, обчислена з урахуванням неминучих коливань величин як міцності, так і навантажень, що діють.

Природно, що при такому підході ми свідомо допускаємо можливість появи певної кількості відмов ланцюга при несприятливому поєднанні значень випадкових величин. Проте, в цьому випадку з’являється можливість проведення цілої низки конструктивних заходів, що знижують вірогідність появи аварійних ситуацій.

Ефективність цих заходів буде тим вище, чим точніше і достовірніше будуть дані про якість деталей і частоту появи і величини екстрених навантажень.

При визначенні цієї залежності необхідно враховувати, що міцність деталей ланцюга є випадковою величиною, залежною від цілої лави чинників, пов’язаних з властивостями матеріалу, технологією і ефективністю контролю якості виготовлення.

Приймемо, що навантаження R і міцність сполучної ланки є випадковим величиною і характеризується функцією розподілу щільності вірогідності навантаження і щільністю вірогідності міцності (рис. 4.6).

Умова безвідмовної роботи конвеєра (по міцності сполучних ланок тягового ланцюга) характеризується відсутністю граничного стану, коли величина максимального статичного навантаження перевищує міцність сполучних ланок і визначається нерівністю Вірогідність появи навантаження, величина якого знаходиться в інтервалі, визначається з вираження:

Вірогідність руйнування сполучної ланки при дії навантаження рівня R визначається шляхом інтеграції щільності вірогідності міцності:

Вірогідність руйнування ланки при навантаженні рівня R з урахуванням вірогідності її появи визначається як вірогідність складної події у вигляді твору:

Вірогідність відмови ланцюга для всієї сукупності можливих навантажень визначається шляхом інтеграції попереднього вираження.

У спільному випадку нижні межі інтеграції можуть бути покладені рівними, що приводить до універсального рівняння.

Для приведення цього виразу до вигляду зручнішому для практичних розрахунків проведемо центрування щільності вірогідності та, тобто перенесемо початок координат для кожної з щільності в крапки, відповідні математичним очікуванням навантаження і міцності .

В результаті отримуємо:

де

— математичне очікування навантаження і міцності.

Ввівши змінну, отримуємо:

У цьому виразі другий інтервал має вже постійну межу інтеграції, що визначається лише взаємним розташуванням щільності, тому можна змінити порядок інтеграції.

Внутрішній інтеграл є функцією змінної (y). Позначимо цю функцію .

Де (y) є функцією щільності вірогідності, відповідною композиції двох щільності вірогідності та .

Таким чином, для оцінки вірогідності пориву сполучної ланки потрібно знати розподіл випадкової величини (y), визначуваної нерівністю.

Отже, вірогідність відмови конвеєра в спільному випадку визначається вираженням:

Як окремий випадок розгледимо визначення вірогідності відмови конвеєра за умови, що навантаження і міцність підкоряються нормальним законам розподілу:

Як відомо, композиція двох нормальних законів розподілу для суми алгебри двох випадкових величин включає нормальний закон розподілу з наступними характеристиками:

1. Математичним очікуванням

2. Середньоквадратичним відхиленням

Щільність вірогідності в цьому випадку має вигляд:

Отже, вірогідність відмови конвеєра для нормальних законів розподілу навантаження і міцності може бути знайдена з вираження

(4.2)

Як відомо але Вираження (4.2) може бути приведене до вигляду Використовуючи властивість функції Лапласа, що полягає в тому що і основне рівняння безвідмовності, отримуємо рівняння для розрахунку вірогідності не руйнування деталей тягового ланцюга:

Отримане співвідношення дозволяє оцінити вірогідність не руйнування деталі при відомих законах розподілу її міцності і сприйманих навантажень.

Проте, як указувалося вище, визначення закону розподілу експлуатаційних навантажень, що сприймаються деталями скребкового ланцюга, є вельми важким завданням.

Тому для порівняльної оцінки міцностних властивостей деталей тягового ланцюга розглянемо випадок малої мінливості навантажень, що сприймаються ланцюгом (рис. 4.7).

В цьому випадку вираження для оцінки вірогідності не руйнування деталей тягового ланцюга приймає вигляд

(4.3)

Формула указує основні напрями подальших досліджень, необхідних для знаходження причин малої надійності деталей тягового ланцюга, що є основою при розробці заходів, що забезпечують підвищення рівня надійності тягового ланцюга в цілому.

Перші дві величини залежать від досконалості конструкції, технології виготовлення і методів контролю якості деталей тягового ланцюга.

Третя — від цілої лави чинників, основними з яких є: відстань від місця заклинювання до провідної голівки конвеєра, кількості встановлених на нім приводних двигунів, жорсткості системи та ін.

5. СТАТИСТИЧНИЙ АНАЛІЗ МІЦНЕСТНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ ДЕТАЛЕЙ ТЯГОВОГО ЛАНЦЮГА СКРЕБКОВИХ КОНВЕЄРІВ

5.1 Коротке описання конструкції і технології виготовлення деталей ланцюга

Виробництво круглоланкових ланцюгів за технологією і проектом, розробленим інститутом ВНДІПТуглемаш, було організовано на Артемівському заводі «Перемога праці» в 1956 році.

Не дивлячись на те, що за десятиліття проектний річний випуск ланцюгів в 4 рази перевищив проектну потужність, як указувалося вище, у вугільній промисловості до цих пір відчувається їх істотний недолік.

Для ліквідації дефіциту у високоміцних зварних ланцюгах в 1966 році їх виробництво було перенесене на лаву неспеціалізованих заводів.

В зв’язку з цим особливого значення набувають питання виготовлення, випробування і контролю якості ланцюгів, що забезпечують стабільність показників надійності продукції всіх підприємств.

Тяговий ланцюг скребкового конвеєра типа СП складається із зварних п’ятнадцатиланкових відрізків зварного круглоланкового ланцюга, сполучених між собою за допомогою сполучних ланок.