Постановка задачи повышения эффективности эксплуатации карьерных автосамосвалов

Итак, из совместного рассмотрения показателей эффективности ЭАК и областей рационального использования карьерных автосамосвалов, характерных предельных состояний можно сделать следующие выводы.

Количественные показатели эффективности никак не учитывают фактическое техническое состояние машин и опасность возникновения предельного состояния. Оно учитывается косвенно через показатели надежности, рассчитываемые по факту наличия статистики отказов, то есть эти показатели являются только информационно-статистическими и не могут быть использованы для повышения эффективности эксплуатации ЭАК. Вместе с тем отказы и разрушения происходят, что влияет на эксплуатационные и экономические показатели эффективности.

Очевидно, целесообразным является наряду с известными показателями рассматривать еще ряд величин, которые бы позволили снизить частоту или устранить вовсе отказы и разрушения конструкций автосамосвалов, и одновременно повысить как минимум некоторые из известных показателей. Для определения этих величин рассмотрим общие тенденции развития методов расчета несущих конструкций технических систем (ТС).

Современный этап развития техносферы характеризуется рядом особенностей, две из которых представляют наибольший интерес с позиций как развития методологии проектирования, так и построения научно обоснованных стратегий эксплуатации ТС.

Во-первых, общей тенденцией развития ТС является рост их размерности, функциональности, усложнение эксплуатационных условий. Это выражается в непрерывном увеличении габаритных, энергосиловых, кинематических и других параметров ТС, что в свою очередь является результатом усложнения и повышения интенсивности технологических процессов в различных отраслях промышленности.

Во-вторых, наблюдается значительный рост аварийности и катастроф практически всех элементов ТС с ростом тяжести последствий и экономического ущерба единичной аварии. Основными причинами этого являются как отмеченная тенденция увеличения количественных параметров, так и в значительной мере исчерпанность классических подходов к проектированию и эксплуатации ТС.

Эксплуатация карьерных автосамосвалов
Эксплуатация карьерных автосамосвалов

При проектировании, в зависимости от природы и свойств разрабатываемой ТС, применяются различные методы и алгоритмы обеспечения требуемых параметров. При этом общим понятием для всех ТС является понятие расчетного случая проектирования, в качестве которого рассматривается определенная комбинация значений параметров состояния системы и комплекса внешних воздействий. Принципиальным недостатком методологии проектирования практически всех ТС является то, что количество расчетных случаев достаточно ограничено и не охватывает всего многообразия ситуаций, возникающих в течение всего жизненного цикла системы. В значительной степени это связано с тем, что поведение ТС при различных расчетных случаях рассматривается с позиции классической теории надежности, которая не учитывает влияние человеческого фактора. Предполагается, что люди действуют безупречно и что надежность систем полностью определяется надежностью изделий. Кроме того, современные ТС характеризуются не только большим числом элементов, но и сложностью структуры. Как известно, классические методы определения показателей надежности систем по известным показателям надежности элементов основаны на гипотезе полной независимости отказов элементов, которая в большинстве случаев не подтверждается практикой. Существенным фактором является также то, что при увеличении числа элементов и сложности структуры быстро растет количество системных эффектов, которые не удается предусмотреть при проектировании.

Что касается классических моделей эксплуатации ТС, то они основаны на представлениях математической теории надежности и исходят из ограниченного набора свойств системы. Из анализа этих свойств вытекает обоснование постановки и решения ряда задач эксплуатации: обеспечения систем запасными элементами, оптимального управления эксплуатационными процессами, организации технической диагностики, испытаний на надежность, эксплуатации систем по заданному ресурсу и техническому состоянию и др..

Возникновение теоретических моделей поведения сложных систем при частичном повреждении связано с дальнейшим развитием задач эксплуатации, а именно с рассмотрением проблемы эксплуатации системы в условиях отсутствия или ограниченности запасного комплекта элементов. Модель системы с выживанием предполагает наличие структурной избыточности, полную или частичную взаимозаменяемость элементов, перестройку элементов системы при повреждении некоторых из них. Необходимым свойством систем с выживанием является наличие слабых связей между отдельными подсистемами, что и позволяет модифицировать структуру системы.

В качестве общесистемных, интегральных свойств системы рассматриваются эффективность, самоорганизация, безопасность, устойчивость, управляемость, надежность, живучесть. Живучесть, как важнейшее свойство любой системы, было осознано и в явном виде сформулировано в конце прошлого столетия. Живучесть в настоящее время не является устоявшимся, общепринятым термином. В качестве фактически имеющих одинаковый смысл можно указать следующие определения:

  • это качество системы активно (с помощью соответствующим образом организованной структуры и поведения) противодействовать вредным воздействиям внешней среды;
  • это характеристика стойкости системы к внешним (главный отличительный признак от надежности) воздействиям со стороны окружающей среды при возникновении и развитии допустимых повреждений.

В качестве общих количественных оценок живучести системы любой природы рассматриваются: коэффициент живучести – доля общего числа элементов системы, выход из строя которых не приводит к отказу системы; коэффициент неуязвимости – рассматривается при целенаправленных враждебных действиях среды; живучесть – вероятность того, что уязвимая система не будет выведена из строя. Таким образом, сформулированное важнейшее для эксплуатации понятие живучести обеспечивается на этапе проектирования соответствующими конструктивно-технологическими решениями и применением неклассических алгоритмов и методов расчета.

Конкретизируем приведенные общие рассуждения к обширному классу технических систем – несущим конструкциям машин, оборудования, инженерных сооружений.

Теоретической основой проектирования несущих конструкций в части определения внутренних силовых факторов и параметров напряженно-деформированного состояния (НДС) являются модели и методы механики деформируемого твердого тела (МДТТ). Принципиальные затруднения в применении этих моделей и методов к несущим конструкциям ТС сводятся к следующим положениям.

Во-первых, формы и размеры элементов несущих конструкций таковы, что в подавляющем большинстве случаев теоретические модели и методы МДТТ лишь приближенно, причем, как правило, с неизвестной погрешностью, позволяют описать характер деформирования проектируемых конструкций.

Во-вторых, структурная сложность несущих конструкций практически всегда такова, что не удается их описать как единый объект на базе расчетных схем МДТТ. Вследствие этого выполняется декомпозиция – последовательное вычленение из механической системы отдельных элементов таким образом, чтобы они в как можно большей степени соответствовали одной из принятых моделей МДТТ. При этом воздействие отброшенной части конструкции конечной жесткости заменяется абсолютно жесткими опорами, что приводит к снижению уровней деформаций и напряжений.

В-третьих, разнообразие ситуаций, возникающих в течение жизненного цикла конструкции, таково, что чаще всего выходит за пределы, ограниченные набором проектных расчетных случаев. Поведение конструкций в условиях этих нерасчетных случаев не регламентируется и не рассматривается при проектировании.

В-четвертых, традиционные процедуры проектирования несущих конструкций неявно построены на концепции безопасного ресурса, то есть в предположении, что в течение регламентированного срока службы невозможно возникновение значительных отказов, повреждений и разрушений. В связи с этим поведение конструкций при наличии повреждений и частичном выходе из строя отдельных элементов непредсказуемо.

Указанные принципиальные недостатки проектирования несущих конструкций в настоящее время обостряются вследствие увеличения габаритов, нагрузок, сложности конструкций на фоне общей тенденции к снижению металлоемкости и запасов прочности. Таким образом, современный этап развития ТС требует признания локальных повреждений и разрушений отдельных элементов не как чрезвычайных ситуаций, а как закономерных и неизбежных явлений, неоднократно возникающих в течение жизненного цикла конструкции. Это, в свою очередь, предполагает формулировку количественных показателей живучести с учетом специфики проектируемой конструкции ТС, а также введение расчетов живучести в состав обязательных проектных процедур.

Необходимо отметить неравномерность развития методов проектных расчетов несущих конструкций в различных отраслях техники (таблица 1.2). В ряде передовых отраслей в настоящее время выполняются проектные расчеты живучести. Однако механический перенос соответствующих методов на конструкции других типов ТС невозможен, так как эти расчеты весьма жестко привязаны к структуре, возможным предельным состояниям и условиям эксплуатации конструкций.

В связи с вышесказанным, очевидно, что развитие проектных расчетов живучести различных типов машин и конструкций является в настоящее время одной из наиболее актуальных задач машиноведения.

Итак, в качестве предварительного вывода можно утверждать, что одна из основных тенденций в развитии методов расчета машин и конструкций заключается в следующем.

  1. Признается возможность (и неизбежность) наличия в элементах конструкций дефектов и повреждений различной природы.
  2. Признается (и допускается) тот факт, что значительную часть своего жизненного цикла машина может работать при наличии дефекта и повреждения. Это обеспечивается соответствующим свойством конструкции, называемым в общем случае живучестью.
  3. Живучесть как свойство конструкции должна быть описана некоторым набором количественных параметров (показателей), специфичных для определенной конструктивной формы, выполняемой ею функции, условий ее эксплуатации. Требуются методы и алгоритмы оценки и нормирования этих показателей.

Таблица 1.2 – Этапы развития расчетов конструкций

Область науки Отрасль техники Примерные сроки
Динамика и прочность машин Сельскохозяйственные машины, автомобили, технологическое оборудование Конец 1930-х гг.
Усталость и долговечность Авиация, транспорт, гидроэнергетика Конец 1940-х гг.
Низкотемпературная прочность Северная, криогенная техника Начало 1950-х гг.
Малоцикловая усталость Тепловая энергетика, нефтехимия 1960 г.
Ползучесть и длительная прочность Сельскохозяйственные машины, авиация, энергетика Середина 1960-х гг.
Надежность и ресурс машин Общее машиностроение Конец 1960-х гг.
Механика разрушения Реакторостроение 1970 г.
Живучесть машин Термоядерная энергетика, ракетостроение Конец 1970-х гг.
Безопасность машин Потенциально опасные объекты Середина 1980-х гг.
  1. Признается, что в эксплуатации возможны ситуации, не сводимые к номинальным условиям, традиционно рассматриваемым на этапе проектирования. При этом конструкция, обладающая свойством живучести, не должна получить необратимых катастрофических повреждений как минимум в некоторых из этих ситуаций.

Рассмотрим специфику и перспективы развития расчетов живучести в связи с современными требованиями к проектированию и качеству транспортных машин.

Все вышесказанное относительно недостатков проектирования несущих конструкций ТС в полной мере относится и к конструкциям транспортных машин. Наиболее ярко, однако, указанные тенденции и особенности проявляются в сфере горного производства в связи с повышенными габаритами, нагрузками и тяжестью условий эксплуатации транспортных машин.

Недостаточные уровни надежности и живучести транспортных машин, спроектированных на основе традиционных методов, обусловлены тем, что при наличии повреждений в виде исходной технологической дефектности или возникшей в эксплуатации трещины естественные усталостные процессы протекают во много раз быстрее, приводя к низким значениям ресурса, преждевременным разрушениям базовых несущих конструкций. Так, например, в настоящее время по тяговым, мощностным и топливным характеристикам самосвалы БелАЗ практически находятся на уровне зарубежных – “Катерпиллер”, ”Юнит Риг” и др., однако пока они уступают им по ресурсу.

Другими словами, для транспортных машин низкой живучести характерна повышенная чувствительность к эксплуатационным повреждениям.

Анализ классических методов расчета и проектирования, сложившихся на протяжении прошлого века, и повсеместно применяющихся в настоящее время, позволяет констатировать отсутствие специальных разделов строительной механики, учитывающих специфику конструктивных форм и условий эксплуатации элементов транспортных машин. Базой проектирования остаются общетехнические методы расчета, классические модели и методы МДТТ. В связи с этим уровень точности определения внутренних силовых факторов и параметров НДС не удовлетворяет современным требованиям.

Проектирование конструкций транспортных машин выполняется на базе традиционных подходов машиностроения, то есть как отдельных объектов, связь которых с технологическими процессами в производственной системе и окружающей средой определена ограниченным числом расчетных случаев. Рассмотрение транспортной машины как элемента системы горного производства требует введения понятия живучести не только конструкции машины, но и комплекса машин и технологических процессов, исследования взаимосвязи показателей живучести конструкций с эффективностью горного предприятия как системы.

Несмотря на то, что свойства живучести машины закладываются на этапе проектирования принятием эффективных конструктивно-технологических решений и выполнением соответствующих расчетов, постановка и решение ряда расчетных задач для парка эксплуатируемых горно-транспортных машин открывает возможность снижения уровня их отказов и аварий, повышения общей эффективности их эксплуатации, в том числе как элементов экскаваторно-автомобильных комплексов. Практически на этапе эксплуатации необходимо периодическое получение оценок количественных показателей живучести, которые бы дали возможность:

  • более полно использовать ресурс автосамосвалов, допуская безопасную эксплуатацию конструкций при наличии повреждений;
  • исключить наступление предельных состояний путем прекращения эксплуатации при достижении повреждением (дефектом) опасного размера.

Перечень указанных расчетных задач, требующих постановки, решения, осмысления возможности практического применения результатов, выглядит следующим образом.

  1. Детальное исследование общего НДС рам карьерных автосамосвалов в широком спектре режимов опирания и нагружения. Несмотря на то, что эти расчеты выполнялись при проектировании машин, целесообразность решения этой задачи связана с тем, что
  • проектные расчетные оценки НДС выполнены однократно и использованы для обоснования линейных размеров и поперечных сечений элементов рам. Вместе с тем, наличие информации о распределении полей напряжений и деформаций на стадии эксплуатации позволяет более эффективно обеспечивать надежность работы машин;
  • условия эксплуатации могут оказаться, особенно с течением времени, отличными от принятых при расчетном проектировании машин.
  1. Исследование особенностей НДС с учетом возможного наличия эксплуатационных трещиноподобных дефектов, предполагающее
  • анализ чувствительности НДС рам к эксплуатационным трещиноподобным дефектам;
  • оценка опасности хрупкого разрушения и обоснование периодичности технической диагностики рам;
  • расчетное обоснование конструктивных усилений поврежденных фрагментов рам.
  1. Вероятностно-статистическое моделирование НДС и оценка ресурса при движении автосамосвалов по карьерным автодорогам с определенным уровнем неровностей микропрофиля, в том числе с учетом возможного наличия эксплуатационных повреждений, предполагающее
  • экспериментальное исследование фактических особенностей микропрофиля карьерных автодорог;
  • получение количественных оценок случайных параметров НДС и ресурса.
  1. Расчетное обоснование возможности повышения эффективности работы экскаваторно-автомобильных комплексов путем
  • оценки динамического и повреждающего воздействия горной массы при погрузке автосамосвалов;
  • определения количественных показателей живучести рам автосамосвалов и установления их связи с показателями надежности ЭАК;
  • обоснование структуры ЭАК с учетом живучести рам автосамосвалов.

Наиболее краткая формулировка задачи повышения эффективности эксплуатации парка карьерных автосамосвалов заключается в развитии методик расчета поврежденных конструкций, получении количественных оценок показателей живучести и совместном их рассмотрении с показателями эффективности экскаваторно-автомобильного комплекса. При этом основным объектом исследования являются несущие рамные конструкции, как базовые конструкции, повреждения и разрушения которых недопустимы из соображений обеспечения безопасности и экономической эффективности.

Ссылка на основную публикацию
Adblock detector