Горные машины - объект эксплуатации и ремонта

ЛЕКЦИЯ III

III.1 Горные машины - объект эксплуатации  и ремонта

Машиной называется механизм или размещение на одном основании сочетание нескольких механизмов, предназначенных для преобразования подведенной энергии в полезную работу. Машины, служащие для выполнения работ, связанных с добычей горного сырья, принято называть горными машинами. Группу машин предназначенных для выполнения последовательных операций одного и того же технологического процесса, называют комплексом. Известны комплексы машин для добычи полезного ископаемого, крепления горных выработок, закладки выработанного пространства, заряжания взрывных скважин на карьерах и так далее.

Часть машины, выполняющая определенную функцию и при изготовлении обычно собираемая отдельно, называется узлом. В составе узла может быть один или несколько подузлов, объединенных между собой общей станиной, каркасом, рамой и так далее. Подузлы состоят из деталей.

Современные горные машины весьма сложны. Некоторые узлы по своей сложности  и составу могут быть приравнены к самостоятельным машинам. К ним относятся различные двигатели (пневматические, гидравлические, электрические, внутреннего сгорания и прочее). Такие узлы машин иногда называют агрегатами. Агрегаты, узлы, подузлы и детали, в общем случае называют элементами машины.

Соприкасаемые детали машины называются парными, а соприкасаемые поверхности  этих деталей сопрягаемыми.

Сопрягаемые поверхности деталей  воспринимают нагрузки. В них возникают  различного рода напряжения, в ряде случаев они подвергаются интенсивному трению и износу. Поэтому помимо точности формы к этим поверхностям предъявляются жесткие требования по степени шероховатости и размерам. Эти требования стандартизированы в виде классификаций чистоты поверхности и посадок.

Каждая деталь машины должна быть простой по форме, нетрудоемкой в изготовлении и иметь достаточную жесткость, то есть способность сопротивляться изменению формы под действием определенных сил. Прочность детали должна соответствовать действующим нагрузкам, а точность размеров и частота обработки - условиям в которых она работает.

Технологический процесс изготовления машины обычно весьма сложен. Он состоит  из заготовительных операций, операций по изготовления деталей и сборочных  операций. Изготовление машин заканчивается  наладкой, заводскими испытаниями и покраской.

После изготовления и до начала эксплуатации машина может некоторое время  храниться на складах, транспортироваться или перегоняться своим ходом  к месту работы.

На каждой из этих стадий она находится  в условиях, которые в той или  иной мере оказывают влияние на ее состояние.

При хранении в ее элементах под  действием внешней среды (пыль, солнечные  лучи, атмосферные осадки, перепады температур окружающей среды и т.п.), а также под действием собственной  массы деталей происходит разрушение изоляции электропроводки, ухудшение состояния резиновых или пластиковых уплотнителей, корродирование деталей, прогиб консольных частей и т.д. При длительном хранении некоторые элементы машины (например: резиновые изделия, полированные детали высокой частоты обработки и т.д.) могут полностью выйти из строя.

Могут произойти повреждения отдельных  деталей и узлов при транспортировке  или перегоне машины.

Но главные испытания ее ждут, естественно, во время эксплуатации в условиях работы горных предприятий.

Это связано с наличием больших динамических и, особенно, знакопеременных нагрузок, вызывающих резкое ухудшение условий трения сопрягаемых поверхностей; с высокой агрессивностью окружающей среды в связи с избытком воды. Пыли и вредных газов; с более тяжелыми условиями труда горнорабочих, что отрицательно сказывается на качестве ухода за оборудованием.

таблица 1 КЛАССИФИКАЦИЯ   повреждений деталей горных машин в эксплуатации
Виды дефектов	Характеристика  дефектов	Основные детали и их поверхности, на которых выявлены дефекты	Причины дефектов
Износы
Механический износ	Изменение начальных размеров, искажение  геометрических форм, появление рисок, задиров	Посадочные места под подшипники качения валов, стаканов, корпусов редукторов; поверхности валов, штоков, цилиндров, контактирующих с уплотнениями; рабочие поверхности зубчатых и червячных передач, гильз и золотников блоков управления, цилиндров и поршней насосов и гидродвигателей; наружные и внутренние резьбы; подшипники качения.	Трение поверхностей деталей при  значительных давлениях.
Абразивный износ	Интенсивное изменение начальных  размеров, геометрических форм, появление  глубоких рисок задиров, наволакивание  металла.	Наружные поверхности корпусов комбайнов и оснований мехкрепи, перемещающихся по почве; перекрытия крепей; шнеки; бары; погрузочные щиты комбайнов; скребки; цепи; желоба (рештаки) скребковых конвейеров и т.д.	Абразивное воздействие угля и  породы
Абразивно-механический износ.	То же	Зубья звезд; рабочие поверхности  направляющих тяговых цепей, канатных барабанов, роликов; режущие и погрузочные цепи; опорные лыжи комбайнов; рабочие поверхности зубчатых и червячных передач, подшипников качения.	Трение поверхностей деталей при  значительных давлениях в присутствии  абразивов и в условиях смазки
Пластические  деформации.
Изгиб	Искажение форм, геометрических осей, появление трещин на растянутых волокнах.	Штоки и плунжеры домкратов и  стоек; валы и оси трансмиссий; зубья  зубчатых и червячных передач; металлические  конструкции комбайнов и крепей; консольные части корпусов комбайнов, перекрытия крепей.	Внецентренное действие нагрузок, значительное превышение допустимых нагрузок.
Кручение	Поворот сечения относительно начального положения появление трещин.	Валы трансмиссий	Действие крутящих моментов, превышающих  допустимые.
Коробление.	Искажение начальной формы.	Диски фрикционов	Длительная пробуксовка под  нагрузкой.
Смятие	Искажение начальной формы, образование  наплывов металла	Рабочие поверхности гнезд клапанов; рабочие поверхности шлицевых и  шпоночных соединений.	Многоцикличный силовой контакт поверхностей; длительное действие контактных нагрузок, превышающих допустимые.
Механические  разрушения
Срез.	Отделение части детали.	Предохранительные штифты, валики цепей, валы трансмиссий.	Действия нагрузок превышающих  допустимые, многоцикличные действия знакопеременных нагрузок
Трещины	Нарушение сплошности металла по сечению.	Корпусные детали; валы и оси трансмиссий; рабочие поверхности закаленных зубчатых колес и червяков; металлические  конструкции; подшипники качения; основания крепей; пружины	Действие внутренних напряжений, возникающих  при сварке, термической обработке; действие знакопеременных нагрузок, крутящих моментов, превышающих допустимые значения; дефекты структуры
Выкрашивание	Искажение геометрической формы поверхности в результате отделения частичек металла.	Рабочие поверхности закаленных зубчатых передач и червяков; гнезд и  клапанов насосов.	Многоцикличное действие контактных нагрузок.
Изломы.	Разрушение детали или отделение  ее части	Рабочие поверхности закаленных зубчатых и червячных передач; закаленные шлицы, валы трансмиссий.	Действие динамических нагрузок, развитие трещин под нагрузкой, конструктивные причины.
Отколы.	Отделение части детали или ее элемента	Рабочие поверхности закаленных зубчатых передач, закаленные шлицы, валы трансмиссий	Действие динамических нагрузок, развитие трещин под нагрузкой, конструктивные причины.
Коррозионные  разрушения.
Общая коррозия.	Образование окисной пленки, глубоких язв.	Наружные поверхности горных машин  и механизмов, не защищенных стойкими покрытиями; детали трансмиссий; полости цилиндров	Действие агрессивной (кислотной  или щелочной) шахтной воды, сернистого газа, рудничной атмосферы, угольной пыли.
Коррозионное разрушение защитных покрытий.	Появление отдельных очагов пятен, вздутий, отслоений	Поверхности деталей, имеющие анодные (цинк, кадлит), катодные (хром, никель), а также оксидные защитные покрытия.	Действие коррозионного тока, гальванических макропар под воздействием влажной  шахтной атмосферы.
Эрозионное разрушение
Эрозионное разрушение	Изменение начальных форм, образование  промоин.	Трубопроводы; рабочие поверхности  седел и клапанов, гильз и золотников блоков управления цилиндров, поршней  насосов и гидродвигателей, цилиндров  стоек и гидродомкратов	Кавитация при истечении рабочих жидкостей
Эрозионное разрушение
Криогенное разрушение	Разрушение детали или отделение  её части	Корпусные детали, детали трансмисий, консольные конструкции, металлические  детали зданий и сооружений	Воздействие экстремально-низких температур

 

III.2 Ресурс горных машин и  их долговечность.

Горные машины отличаются разнообразием  конструкции и сложностью, поэтому  оценка их эксплуатационных свойств  должна производиться комплексно рядом  характеристик.

Эксплуатационные свойства горных машин делятся на технологические, технико-экономические и эргономические.

Технологические свойства характеризуют приспособленность машин к выполнению требований производства. Они включают производственную эффективность рабочего органа, проходимость, маневренность, плавность хода и так далее.

Эргономические свойства машин характеризуют функциональное состояние, работоспособность и безопасность обслуживающего персонала. Они зависят от метеорологических условий, состава воздуха и содержания в нем пыли, газа, паров, радиоактивности окружающей среды, вибраций, шума, перегрузок, удобства управления, освещенности, зоны комфорта, технической эстетики и так далее.

К технико-экономическим свойствам горных машин относятся надежность (или долговечность, ремонтопригодность), тягово-скоростные свойства, энергоэкономичность. Для определенных машин и условий их эксплуатации значимость этих свойств может быть различной.

Надежность (ГОСТ 13377-75) - свойство объекта (машина, сборочная единицам, деталь) выполнять заданные функции, сохраняя во времени значения установленных эксплуатационных показателей в пределах, соответствующих заданным режимам и условиям эксплуатации и транспортирования. Это комплексное свойство, которое в зависимости от значения машины и условий ее эксплуатации, может включать безотказность, долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость.

Надежность горной машины в технологической  цепи или в комплексе определяет производительную работу всех остальных  машин.

Ремонторигодность - свойство машины, заключающееся в приспособленности к предупреждению и обнаружению причин возникновения ее отказов, повреждений и устранению их последствий путем проведения ремонтов и технического обслуживания.

Безотказность - свойство машины непрерывно сохранять работоспособность в течение некоторого времени или некоторой наработки, а также в периоды хранения и транспортирования. При работоспособном состоянии машина способна выполнять заданные функции, сохраняя значения заданных параметров в пределах, установленных нормативно-технической документацией.

Наработка - представляет собой продолжительность или объем выполненной машиной работы и измеряется в часах, тоннах, кубометрах или других единицах. Она может быть суточной, месячной, между отказами и так далее.

Под отказом понимают событие, повлекшее нарушение работоспособности машины. Отказы разделяют на внезапные и постепенные. Кроме того, отказы бывают зависимыми и независимыми, конструкционными, производственными, эксплуатационными. Они возникают в результате дефектов проектирования, изготовления и ремонта, нарушения правил эксплуатации, различных повреждений, естественного износа и старения деталей. В горных машинах наибольшее количество отказов приходится на детали, воспринимающие большие динамические нагрузки.

Долговечность - свойство машины сохранять работоспособность до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонта.

Под предельным понимают состояние  машины, при котором ее дальнейшая эксплуатация должна быть прекращена из-за неустранимого нарушения требований безопасности или неустранимого  ухода её параметров за заданные пределы, или неустранимого снижения эффективности эксплуатации ниже допустимой, или необходимости проведения среднего или капитального ремонта.

Признаки предельного состояния  устанавливаются нормативно-технической  документацией на данных объект (машину).

Показателями долговечности машины являются: гамма-процентный ресурс, средний ресурс, назначенный ресурс, технический ресурс, гамма-процентный срок службы, средний срок службы.

Под техническим ресурсом принимают наработку машины с начала эксплуатации или ее возобновления после среднего или капитального ремонта до наступления предельного состояния.

Начало эксплуатации устанавливается  в технической документации на машину или в договоре на поставку и может  исчисляться с момента ее получения  или установки у потребителя, отгрузки изготовителем.

Средний ресурс - математическое ожидание ресурса.

Гамма процентный ресурс - наработка, в течение которой объект на достигнет предельного состояния с заданной вероятностью g процентов.

Величину определяют из уравнения:

1 - F(t) = g/100 (3.1.)

где F - функция распределения ресурса.

Назначенный ресурс - суммарная наработка до достижения такой величины, при которой эксплуатация прекращается независимо от состояния машины.

Срок службы - календарная продолжительность эксплуатации машины от ее начала или возобновления после капитального и среднего ремонта до наступления предельного состояния.

Средний срок службы представляет собой математическое ожидание срока службы.

Гамма процентный срок службы - календарная продолжительность эксплуатации, в течение которой машина не достигнет предельного состояния с заданной вероятностью j процентов.

Для оценки надежности машины может  быть использован также:

Коэффициент готовности К_г - вероятность того, что объект окажется работоспособным в произвольный момент времени, кроме планируемых периодов, в течение которых использование объекта по назначению не предусматривается  

К_г = Т_о / Т_о + Т_в (3.2.)

где: Т_о - наработка на отказ, Т_в - среднее время восстановления.

В повышении коэффициента готовности существенную роль играет правильно выработанная система технического обслуживания и ремонта, то есть комплекс взаимосвязанных положений и норм, обуславливающих организацию и порядок проведения работ по техобслуживанию и ремонту в определенных условиях эксплуатации.

III.3 Материалы, применяемые при производстве и ремонте горных машин

При производстве горных машин применяется  целая гамма материалов: металлы  и их сплавы, резины, пластмассы, кожа, кожзаменители, стекла и так далее.

Остановимся на наиболее важных из них.

Металлы.

Все металлы и сплавы, из которых выполнены детали машин, обладают определенными свойствами, на основании которых, в зависимости от технических требований, производится выбор соответствующего материала.

Наиболее важной характеристикой  металла является его физико-механические свойства, которые служат критерием способности без разрушения сопротивляться воздействию нагрузки.

Внешние усилия - нагрузки, действующие  на детали машин, вызывают внутреннюю силу сопротивления, величина которой, определяемая силой, приходящейся на единицу площади, называется напряжением.

Для определения механических свойств  обычно проводит два вида испытаний  образцов материала:

1. статическое испытание на растяжение, сжатие, изгиб, кручение, срез;
2. динамические испытания на удар (динамическая вязкость)

К важнейшим физическим свойствам  металлов следует отнести линейное расширение. Коэффициент линейного  расширения - относительное приращение длины образца при его нагревании на 1⁰С.

Серый чугун - обладает средней прочностью, малым удлинением, малой прочностью при ударе, удовлетворительной износостойкостью, пониженной чувствительностью к нагреву. Из серого чугуна (СЧ) изготавливают детали сложной конфигурации.

СЧ-15-32 означает: серый чугун с  пределом прочности при растяжении 15 кг-с/мм² и при изгибе 32 кг-с/мм².

Отливки из чугунов малой прочности, например, СЧ-12-28 применяют при изготовлении малонагруженных деталей (кожухи, крышки).

Более высокопрочные чугуны идут на изготовление коленчатых валов, деталей  передач, тяжело нагруженных станин (СЧ-21-40, СЧ-40-60, СЧ-28-48 и др.).

Белый чугун, закаливаемый при отливке, характеризуется высокой твердостью, допускающей обработку резанием только твердосплавным инструментом.

Основные детали из белого чугуна (БЧ):

1. детали, работающие на износ - тормозные колодки, детали насосов для откачки жидкости с абразивом (в чугун добавляются никель и бор).
2. детали, подверженные действию пламени и нагреву до высокой температуры (в чугун добавляется хром).

Ковкий чугун применяют для деталей, требующий по своей форме литой заготовки. Название ковкий является условным, так как заготовки из него, также как и из серого чугуна получают только с помощью отливки. Ковкий чугун обладает хорошими литейными свойствами, высоким модулем упругости, его обозначают буквами КЧ и значениями предела прочности при растяжении (кг/см²) и относительного удлинения при разрыве (мм) (КЧ 30-6, КЧ 35-10,КЧ 63-2).