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.

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).

Конструкционные стали характеризуются высокой прочностью, пластичностью, способностью хорошо принимать термическую или химико-термическую обработку.

Конструкционные стали различают  на углеродистые и легированные. Последние, в свою очередь, разделяют на низколегированные  с суммарным содержанием легирующих компонентов менее 2,5%, среднелегированные (от 2,5 до 10%); высоколегированные (более 10%).

В зависимости от механических свойств углеродистые стали разделяют на сталь обыкновенного качества и качественную конструкционную сталь. Углеродистую сталь обыкновенного качества изготавливают следующих марок:

Группа А - СТО, СТ I, СТ 2…СТ 6

Группа Б - Б СТ 0, Б СТ I…Б СТ 6

Группа В - В СТ 0, В СТ I…В СТ6

Для обозначения степени раскисления  к марке стали добавляют индексы:

КП - кипящая, ПС - полуспокойная, СП - спокойная.

Качественные конструкционные  стали обозначаются цифрами, указывающими среднее содержание углерода в сотых долях процента, например сталь 40 содержит 0,40% С.

Легированные  стали дополнительно обозначаются буквами, указывающими на легирующие элементы.

В - вольфрам, С - кремний, Г - марганец, Н - никель, Т - титан, Д - медь, Х - хром, М - молибден, Ф - ванадий, Р - бор, Ю - алюминий

Цифры после букв обозначают % содержание соответствующего компонента. Если оно  меньше 1%, то цифру не ставят. Высококачественные легированные стали дополнительно  отличаются буквой А в конце обозначения. Например, в стали 12ХНЗА - содержание углерода 0,12%, хрома менее 1%, никеля 3%, сталь высокого качества.

Стали углеродистые качественные конструкционные применяют для деталей. Подвергаемых термической обработке.

Легированные стали применяют, если к детали предъявляются требования высокой прочности или специфических свойств, например жаропрочность, стойкость к коррозии

Среднеуглеродистые  легированные стали предназначаются  для деталей, подвергаемых улучшению, поверхностной или объемной закалке  до средней или высокой твердости.

Низкоуглеродистые стали (легированные) с цементацией  и закалкой применяют для деталей, работающих на износ (зубья шестерен).

Хромомолибденовые стали применяют для деталей, работающих в условиях высоких температур, а так же в связи с хорошей  их обрабатываемостью - для зубчатых колес.

Хромоникелевые  стали, сочетающие в себе высокие  прочность и износостойкость  с повышенной вязкостью, идут на изготовление ответственных деталей большого сечения.

Из  сталей, не содержащих дорогих компонентов, наилучшими механическими свойствами и относительной простотой обработки обладают хромокремнемарганцевые стали (марки 30 ХКСА, 35 ХКСА).

Введение  в хромомарганцевые стали титана, ванадия или молибдена позволяет  получить сталь с высокими механическими  свойствами (марки 18 ХКТ, 25 ХКТ и так далее).

Значительную  группу сталей составляют стали специального назначения, например для шарикоподшипников, (марки III-15), рессорно-пружинные, нержавеющие  и кислотоупорные - хромистые и  хромоникелевые, жаропрочные - высоколегированные хромистые.

Резина.

Резина как конструкционный  материал обладает ценными свойствами: малым удельным весом, широким диапазоном рабочих температур, химической стойкостью к агрессивным средам, высокими амортизационными и звукопоглащающими свойствами.

Применяемые в настоящее время в горном машиностроении многочисленные резиновые детали и изделия отличаются большим конструктивным многообразием

Особенно  большое распространение они  получили в транспортных и транспортно-технологических  машинах (конвейеры, питатели, грохоты), а также горно-обогатительных машинах (мельницы, дробилки, центрифуги) и самоходном шахтном и карьерном транспорте (машины на пневмоходу).

Благодаря ценным антифрикционным свойствам  и возможности работы в абразивной среде, резиновые изделия широко используются в угольной промышленности в качестве подшипников скольжения в углесосах и других горных машинах.

Традиционное  место резины - различного вида уплотнители  в гидросистемах, гидродвигателях, редукторах, амортизаторы, рукава высокого давления.

В горных машинах все чаще используют металлические конструкции с резиновым покрытием, защищающим от воздействия агрессивной среды или абразивного износа. Резина с успехом используется также для изготовления приводных ремней, конвейерных лент, различных мембран, приводных муфт, эластичных сит и др.