Металлоконструкции горных машин. Конструкции, эксплуатация, расчет

УДК 622.271:621.791 
ББК 
33.2:34.6 
К32 

Книга соответствует «Гигиеническим требованиям к изданиям книжным для взрослых» СанПиН 1.2.1253—03, утвержденным Главным государственным санитарным 
врачом России 30 марта 2003 г. (ОСТ 29.124—94). Санитарно-эпидемиологическое заключение Федеральной службы по надзору в сфере защиты прав потребителей № 
77.99.60.953.Д.014367.12.10 
Экспертиза проведена Учебно-методическим объединением высших учебных заведений 
Российской Федерации по образованию в области горного дела (письмо № 51-90/6 от 
21.10.2008 г.) 

Р е ц е н з е н т ы:  
д-р техн. наук С.П. Яковлева (Институт физико-технических проблем Севера Сибирского отделения РАН); 
проф., д-р техн. наук Б.Л. Герике (Институт угля и углехимии Сибирского отделения РАН) 
 
Квагинидзе В.С., Козовой Г.И., Чакветадзе Ф.А.,  
Антонов Ю.А., Корецкий В.Б. 
К32  Металлоконструкции горных машин. Конструкции, эксплуатация, расчет: Учебное пособие. — М.: Издательство 
«Горная книга», 2011. — 392 с. (БИБЛИОТЕКА ГОРНОГО 
ИНЖЕНЕРА) 
ISBN 978-5-98672-120-0 (в пер.) 
Рассмотрены металлоконструкции горных машин, места разрушений, 
особенности основных положений металловедения в условиях сварочного 
нагрева и охлаждения металла. Приведены сведения о сталях, наиболее 
широко применяемых для производства сварных конструкций. Даны методики для определения параметров термического цикла сварки. Показано 
влияние основных характеристик нагрева и охлаждения в условиях сварочного процесса на ход структурно-фазовых превращений в металле 
сварного шва и в зоне термического влияния. Изложены вопросы свариваемости и последующей термической обработки сварных соединений сталей различных структурных групп. 
Для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности «Открытые горные работы» направления подготовки «Горное дело» и 
по специальности «Горные машины и оборудование» направления подготовки «Технологические машины и оборудование». Может быть полезно  инженерно-техническим, научным работникам предприятий, связанных с проектированием, изготовлением и эксплуатацией горных машин. 

ISBN 978-5-98672-120-0  
УДК 622.271:621.791 
ББК 33.2:34.6 
© В.С. Квагинидзе, Г.И. Козовой, Ф.А. Чакветадзе,  
Ю.А. Антонов, В.Б. Корецкий, 2011 
© Издательство «Горная книга», 2011 
© Дизайн книги. Издательство «Горная книга», 2011 

ВВЕДЕНИЕ

Оборудование горно-добывающей промышленности, как правило, эксплуатируется в крайне тяжелых условиях. Оно подвергается воздействию высоких и низких температур, статических, динамических и циклических нагрузок, коррозионно-активных сред, 
а зачастую и сочетанию указанных факторов. Это существенно 
повышает технологическую и экологическую опасность конструкций и, как следствие, приводит к возрастанию требований по их 
надежности. Широкое использование сварочных процессов при 
изготовлении таких конструкций значительно усложняет задачу 
обеспечения их конструктивной прочности. Выбор материалов 
является первостепенным в решении проблемы повышения надежности сварных конструкций.
Основные промышленные способы сварки связаны с нагревом 
металла до высоких температур и последующим охлаждением 
с различными скоростями. Эти факторы, а также возникающие 
сварочные напряжения способствуют изменению структуры и 
свойств свариваемых металлов.
Сварка является основным технологическим процессом изготовления конструкций. Успешное применение тех или иных 
видов сварки, резки, наплавки и других смежных процессов во 
многом зависит от возможности обеспечения требуемого комплекса физико-механических и технологических свойств сварных 
соединений.
Фазовые и структурные превращения в условиях сварки 
являются более сложными и весьма существенно отличаются 
от превращений при термической обработке. Это объясняется 

спецификой термодеформационного цикла сварки, под действием 
которого происходит формирование структуры и свойств сварных 
соединений (прочности, пластичности, вязкости, коррозионной 
стойкости и др.), определяющих надежность конструкции в целом. 
В связи с этим знание теории фазовых и структурных превращений и их взаимосвязи со свойствами необходимо для разработки 
оптимальной технологии сварки и последующей термической 
обработки сварных соединений.

1.1. КОНСТРУКЦИИ ГОРНО-ТРАНСПОРТНОГО 
ОБОРУДОВАНИЯ

Увеличение доли открытого способа добычи полезных ископаемых является одним из основных направлений развития горно-добывающей промышленности. Открытый способ разработки 
обеспечивает ввод в более короткие сроки новых мощностей, ведение добычных работ в период строительства, высокий уровень 
производительности труда, применение тяжелой горно-транспортной техники большой единичной мощности.
На карьерах низкая эффективность использования горных 
машин во многом обусловлена отказами металлоконструкций. 
В 70% случаев разрушения металлоконструкций происходят в 
местах сварки.
Усталостные повреждения с последующим хрупким развитием 
трещин и хрупкое развитие трещин из-за снижения вязкости (пластичности) стального проката в процессе эксплуатации являются 
основными причинами отказов металлоконструкций и составляют соответственно 36% и 34% общего количества. Исследования 
показали преобладание механизма многоцикловых повреждений. 
Так, число нагружения соответствует также началу повышенного 
трещинообразования. Испытания образцов стали, вырезанных из 
работающей в течение 5 лет металлоконструкции, показали, что 
предел прочности и предел текучести снизились на 10%, а ударная 
вязкость при температуре –60 °С KCV-60 уменьшилась на 40%.
Известно, что при разработке горных пород в металлоконструкциях возникают переменные напряжения широкого спектра 
частот (от десятых долей герца до десятков и сотен герц).
Далее приведены основные металлоконструкции горных 
машин, материалы, из которых они изготовлены, и места разрушений.
Ковш экскаватора (рис. 1.1) состоит из корпуса, днища с 
механизмом открывания и торможения, подвески, зубьев, соединительных деталей. Корпус ковша сварной. Он состоит из 
передней и задней стенок, стыковые поверхности которых имеют 

шипы, воспринимающие боковые нагрузки, а также фронтальные 
усилия копания. Внутренние поверхности ковша имеют плавные 
радиусные переходы от боковых поверхностей к задней стенке. 
Передняя стенка состоит из двух частей: верхней — козырька 
и нижней — основания. Козырек и основание выполнены из 
износостойкой высокомарганцевистой стали 110Г13Л. Козырек 
в верхней части и основание в нижней части имеют сечения толщиной до 190 мм, образующие с верхним и нижним коробчатыми 
поясами задней стенки единые жесткости, которые способствуют 
восприятию двадцатикубовым ковшом значительных динамических усилий черпания. Задняя стенка ковша изготавливается из 
низколегированной стали 10ХСНД. Наиболее вероятными местами 
образования трещин на ковше являются боковые швы в корпусе 
передней стенки, основание передней стенки, места приварки 
подсоединительных проушин, швы по коробчатым поясам.
Преждевременный выход из строя металлоконструкций из 
стали 10ХСНД происходит из-за высокой ее чувствительности к 
наличию концентраторов напряжений и росту трещин при температурах ниже –30 °С, зарождающихся в дефектах, угловых швах, 
а также в зоне термического влияния. Исследования этой стали, 
проведенные в Институте физико-технических проблем Севера, 
показали, что ее прочностные и пластические свойства при различных температурах укладываются в нормы, а результаты на 
ударный изгиб по величине ударной вязкости при низких температурах не соответствуют требованиям ГОСТ 19828–73. Так, по 
ГОСТу, ударная вязкость при температуре –40 °С должна быть в 
пределах (0,4–0,5) МДж/мм2, а фактически — (0,14–0,2) МДж/мм2. 
При температуре –60 °С вместо (0,3–0,35) МДж/мм2 она составляет 
(0,06–0,61) МДж/мм2. Такие расхождения значений ударной вязкости для ответственных конструкций 
недопустимы.
Рукоять (рис. 1.2) представляет собой металлическую конструкцию, состоящую из двух 
балок сечением 500×1100 мм каж
Рис. 1.1. Ковш экскаватора; наиболее 
характерные места образования и развития трещин ука заны стрелками