Введение к работе
Актуальность работы. Канаты находят широкое применение на горных предприятиях: на подъёмных устройствах, экскаваторах, конвейерах, для канатной резки и др. Особенно жёсткие требования предъявляются к канатам шахтных подъемных установок, так, на грузолюдском подъёме применяются канаты с девятикратным и более запасом прочности. Это объясняется тем, что подъемные установки являются важным оборудованием рудника или шахты, от надежности работы которых зависит безопасность персонала предприятия, а также технико-экономические показатели всего предприятия.
В настоящее время для обеспечения безотказности работы каната применяют следующие способы, основанные на принципе избыточности: увеличение запаса прочности и уменьшение назначенного ресурса каната. Помимо этого, состояние каната постоянно должно контролироваться, в том числе и с помощью средств магнитной дефектоскопии.
Практика свидетельствует, что даже при этом безопасная эксплуатация подъемных установок не может быть гарантирована. Кроме того, указанные методы требуют значительных материальных и трудозатрат. Так, средний срок службы подъёмного каната скиповой машины обычно составляет 2 года. При этом канат является неремонтируемым, металлоёмким и дорогостоящим изделием. Стоимость замены одного каната может составлять 1-2 млн. руб. Учитывая количество используемых канатов, среднее предприятие тратит 5-10 млн. руб. ежегодно на замену канатов.
Особое значение для обеспечения безотказности работы канатов имеет прогнозирование долговечности и улучшение обслуживания каната. При этом следует отметить, что в настоящее время прогнозирование долговечности канатов в большинстве случаев осуществляется на основании эмпирического опыта. Наибольпше сложности возникают при прогнозировании и предотвращении внутренних дефектов каната, в частности, обрывов проволок.
Понимание внутренних деградационных процессов, происходящих в канате, позволит определить и научно обосновать влияние различных внешних
и внутренних факторов на долговечность каната. В этой связи установление закономерностей разрушения поверхности внутренних проволок шахтных канатов в зоне контактного взаимодействия и их влияние на долговечность каната представляется актуальной научной задачей.
Целью работы является установление причин снижения долговечности канатов шахтных подъёмных машин, выявление закономерностей процессов, протекающих в зоне контакта внутренних проволок, и выработка рекомендаций по повышению долговечности канатов.
Идея работы заключается в том, что процесс фретганг-разрушения, развивающийся в зоне контакта отдельных проволок, приводит к снижению долговечности каната.
Научные положения, разработанные лично соискателем, и их новизна:
математическая модель стального круглопрядного каната, отличающаяся тем, что позволяет определить наиболее нагруженные участки в нём, а также относительное микроперемещение проволок при нагружешш;
закономерности контактного взаимодействия между проволоками, которые свидетельствуют о возникновении циклических относительных микропроскальзываний, обусловливающих развитие фретгинг-усталости;
зависимости скорости разрушения проволок каната в результате процесса фреттинга, учитывающие наличие и состав смазки.
Обоснованность и достоверность результатов исследований.
Теоретические исследования основаны на прикладном математическом анализе, теории контактного взаимодействия твёрдых тел, прикладной механике, теории упругости и теории вероятности.
Экспериментальные исследования выполнены на специально спроектированной установке. Расхождение теоретических данных с экспериментальными составляет 0,12 с доверительной вероятностью 0,90.
Научное значение работы состоит в том, что были установлены закономерности протекания процесса разрушения поверхности внутренних
проволок в зоне их контакта для обоснования метода повышения долговечности шахтных канатов.
Практическое значение работы заключается в том, что была определена причина ускоренного разрушения проволок каната и разработана методика оценки долговечности каната, отбраковка которого происходит по причине обрывов внутренних проволок, которая позволяет подобрать канат, обладающий максимальной долговечностью. Показано, что наиболее эффективным методом снижения интенсивности развития фретгинга в канате является снижение величины энергии, рассеиваемой за цикл нагружения в зоне контакта, что может быть достигнуто за счет правильного выбора смазки.
Реализация работы. Рекомендованная специальная присадка канатной смазки, которая позволяет предотвратить ускоренное разрушение проволок в результате процесса фретгинга и обеспечивает повышение долговечности каната, а также методика определения долговечности стального круглопрядного каната с учётом контактного взаимодействия проволок были приняты к использованию в ОАО «ЦШШподземмап^) для проектирования стволовых проходческих комплексов и определения проектного ресурса эксплуатации канатов.
Апробация работы. Основные положения и содержание диссертации были доложены: на международных научно-технических симпозиумах "Неделя горняка - 2007", "Неделя горняка - 2008", "Неделя горняка - 2009" в Московском государственном горном университете.
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано восемь научных статей из них четыре в изданиях, рекомендованных ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 147 наименований. Ее содержание изложено на 132 страницах машинописного текста. Работа содержит 35 рисунков и 22 таблицы.
