Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал), 2003, № 8

НААЕЖНОСТЬ 
МЕТАЛЛОКОНСТРУШИЙ 
ГОРНОГО ОБОРУАОВАНИЯ 

НА СЕВЕРЕ 

л ь с г в о 

МОСКОВСКОГО ГОСУМРСТВЕННОЮ 

ГОРНОГО 
УНИВЕРСИТЕТА 

2 0 0 3 

УДК 66.232.8.004.12+658.382(043.3) 
ББК 33.16 
Н 17 

Надежность металлоконструкций горного оборудования 
Н 17 на Севере: Сб. статей Горного информационно-аналитического 
бюллетеня. — 2003. — № 8. — 32 с. — М.: Издательство Московского государственного горного университета, 2003. 

Представлены статьи, посвященные проблемам повреждений 
металлоконструкций, конструктивных и технологических причин 
разрушения деталей, влияния сварки на надежность металлоконструкций, повышения ресурса металлоконструкций, диагностики их 
нарушений в условиях пониженных температур Севера. 

Для студентов, аспирантов и инженерно-технических работников предприятий. 

УДК 66.232.8.004.12+658.382(043.3) 

ББК 33.16 

ISSN 0236-1493 
© Издательство МГГУ, 2003 
© Дизайн книги. Издательство МГГУ, 2003 

© B.C. Квагинидзе, B.A. Козлов, A.A. Мансуров, 
H.H. Огородникова, 2003 

УДК 66.232.8.004.12 + 658.382 (043.3) 

ОСНОВНЫЕ ВИДЫ 
ПОВРЕЖДЕНИЙ МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЙ 
ЭКСКАВАТОРОВ 
НА ГОРНЫХ ПРЕДПРИЯТИЯХ СЕВЕРА 

При разработке одноковшовыми карьерными экскаваторами горных пород в металлоконструкциях экскаваторов 
возникают переменные напряжения широкого спектра частот 
(от десятых долей герца до десятков и сотен герц). 

Совмещение на графике относительной частоты хрупких 
разрушений узлов металлоконструкций экскаваторов по интервалам температур с кривыми распределения ударной вязкости сталей по температурам позволяет рассмотреть более 
подробно причины хрупких разрушений конструкций. В тех 
случаях, когда разрушения металлоконструкций происходят 
при высоком уровне гарантированной ударной вязкости стали, причины разрушений — в несовершенстве конструктивных форм узлов, наличии дополнительных концентраторов 
напряжений, нарушении технологии термической обработки 
металла, старении сталей и т.д. 

Результаты выполненного анализа повреждений металлоконструкций экскаваторов приведены в таблице. 

Анализ данных таблицы позволяет сделать следующие 
выводы. 

1. Преобладающими видами повреждения являются хрупкое развитие усталостных трещин и хрупкое разрушение в 
местах конструктивных концентраторов напряжений. Наработка на отказ при этих видах повреждений снижается соответственно в 2,5 и 7,5 раз. 

3 

Основные виды повреждений 
металлоконструкций 

Вид 
повреждения 

Число 
отказов 

Закон распределения наработки на отказ 

Коэффициент 
вариации 

Средняя 
наработка 
на отказ, % 

Усталостное разрушение 
15 
Вейбулла 
0,15 
100 

Хрупкое развитие усталостных трещин 

34 
Вейбулла 
0,22 
40 

Хрупкое разрушение в 
местах конструктивных 
концентраторов напряжений 

36 
Нормальный 
13 

Хрупкое разрушение в 
местах сварки 

15 
Нормальный 
0,38 
5 

2. Основой для разработки критериев предельных состояний несущих металлоконструкций одноковшовых карьерных 
экскаваторов, работающих в условиях Севера, является определение критической длины трещины, при которой с заданной вероятностью возможно ее хрупкое развитие с учетом 
действующих напряжений, трещиностойкости стали и температуры окружающего воздуха. 

На рис. 1— 6 приведены характерные места зарождения и 
развития хрупких трещин в металлоконструкциях экскаватора. 

Ковш экскаватора (рис. 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 высокомарганцовистой 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, способствующие восприятию двадцатикубовым ковшом значительных динамических усилий черпания. 

4 

Рис. 1. Наиболее характерные места (указаны стрелками) образования и 
развития трещин на ковше экскаватора 

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 ее высокой чувствительности к концентраторам напряжений и роста трещин при 
температурах ниже -30 °С, зарождающихся в дефектах, угловых швах, а также в зоне термического влияния. Исследования этой стали, проведенные Институтом физико-технических проблем Севера, показали, что у нее прочностные и пластические свойства при различных температурах испытаний 
укладываются в нормы, а результаты на ударный изгиб по 
величине ударной вязкости при низких температурах не соответствуют требованиям ГОСТ 19828—73. Так, по требованиям ГОСТ, ударная вязкость при температуре -40 °С должна 
быть в пределах 0,4 * 0,5 МДж/мм

2, а фактически она составляет 0,14 + 0,2 МДж/мм

2. При температуре -60 °С вместо 
0,3 + 0,35 она равна 0,06 + 0,61 МДж/мм

2. Такие расхождения 
значений ударной вязкости для ответственных конструкций 
недопустимы. 

5 

Рукоять (рис. 2) представляет собой металлическую конструкцию, состоящую из двух балок сечением 500 х 1100 мм 
каждая, соединенных между собой в передней части поперечной сварки вставкой. Рукоять изготавливается из низколегированной стали 12ГН2МФАЮ. К нижним горизонтальным 
листам балок рукояти приварены цельнокованые рейки, изготавливаемые из стали 34ХН1М. Для обеспечения гарантированного контакта со стрелой и седловыми подшипниками 
боковые поверхности балок (приваренные накладные листы) 
обработаны. Наиболее вероятными местами образования 
трещин являются: боковые поверхности балок рукояти в местах стыка с усилением поперечной части рукояти на внутренних и на внешних листах; боковые поверхности поперечной 
части рукояти в местах стыка с переходами-усилениями к 
балкам рукояти; боковые поверхности, верхние и нижние 
листы поперечной части рукояти; места стыковки передних 
торцов зубчатых реек с соответствующими поверхностями 
нижних листов балок рукояти; швы приварки проушин крепления рукояти к ковшу; швы приварки средней части к продольным балкам; продольные швы приварки реек к балкам 
рукояти; стыковые швы части стрелы со средней частью. 

Исследования стали 12ГН2МФАЮ, из которой изготовлена рукоять, выполненные ИГД им. А.А. Скочинского, показали, что у нее недостаточная статическая и усталостная 
прочность, высокая чувствительность к концентраторам напряжений, предел текучести а т = 588 Н/мм

2 значительно ниже 
требуемого стт = 785 Н/мм

2, принятого для несущих металлоконструкций зарубежных экскаваторов (США, ФРГ, Япония). К недостаткам стали 12ГН2МФАЮ следует отнести дороговизну вследствие значительного содержания дефицитных 
элементов — никеля, молибдена и ванадия. 

Стрела (рис. 3) представляет собой металлическую конструкцию, 
изготовленную 
из 
низколегированной 
стали 
10ХСНД, литые элементы — из стали 20ХГСФЛ. Нижняя 
часть стрелы имеет широко расставленные литые пяты, устанавливаемые в подпятниках поворотной платформы и зафиксированные осями. Наиболее вероятными местами образования трещин на стреле являются: нижние листы корпуса стрелы около головных блоков; нижние листы корпуса — выше 
пят стрелы; внешние боковые поверхности пят стрелы; швы 

6 

приварки опор головных блоков; поперечные швы по всей 
длине стрелы; стык на высокопрочных болтах кронштейнов 
под двигатели напора с корпусом стрелы. 

Ходовая тележка состоит из нижней рамы (рис. 4) — 
металлоконструкции, к которой с обеих сторон присоединены гусеничные рамы (рис. 5). Наиболее вероятными местами 
образования трещин на нижней раме являются: вертикальные 

Рис. 2. Наиболее характерные места (указаны стрелками) образования и 
развития трещин на рукояти экскаватора 

Рис. 3. Наиболее характерные места (указаны стрелками) образования и 
развития трещин на корпусе стрелы экскаватора 

7 

Рис. 4. Наиболее характерные места (указаны стрелками) образования и 
развития трещин на нижней раме 

Рис. 5. Наиболее характерные места (указаны стрелками) образования и 
развития трещин на гусеничной раме экскаватора 

листы нижней рамы, имеющие привалочные и опорные поверхности, смежные с соответствующими поверхностями гусеничных рам; нижние и верхние листы рамы; отверстия с отбортовкой в верхнем и нижнем листах, боковых листах, во 
внутренних диафрагмах; швы приварки кронштейна под центральную цапфу; сварные швы и основной металл передней 
стенки. Наиболее вероятными местами образования трещин 
8 

на гусеничной раме являются: кованые и листовые элементы, 
образующие верхние внутренние углы окон под балансиры 
натяжных колес; кованые и листовые элементы, образующие 
опоры осей и валов ведущих, опорных и зубчатых колес; стыковые швы вертикальных листов гусеничных рам; швы и основной металл картерной части. 

Стойка — металлоконструкция (рис. 6), изготовленная из 
легированной стали 10ХСНД и расположенная на поворотной платформе; канатной подвеской соединяется со стрелой. 
Наиболее вероятными местами трещин на стойке являются: 
швы приварки боковых элементов на верхних и нижних проушинах, стыковые швы; на передних стойках — швы приварки головной части стоек, продольные швы. 

Результаты анализа отказов основных узлов металлоконструкций экскаваторов, работающих в условиях разреза 
«Нерюнгринский», показывают, что причинами отказов могут быть: нарушение технической эксплуатации — обрушение 
забоя на рабочее оборудование; удары негабаритов по рабочему 
оборудованию; 
удары 
ковша 
по 
стенке 
забоя 
(совмещение копания и поворота); удары ковша по стреле и 
гусеницам (при неотрегулированной системе защиты стрелы 
и гусениц); экскавация негабаритов; падение ковша (при отказах системы динамического торможения механизма подъема в случае внезапного отключения электроэнергии) и др. 

Рис. 6. Наиболее характерные места (указаны стрелками) образования и 
развития трещин на стойке 

9 

На характер зарождения и развития хрупких трещин оказывают влияние: изменение площади сечения деталей, сварные 
швы, технологические отверстия, вызывающие резкие концентрации напряжений. Многие разрушения происходят при температурах -30 
40 °С, при высоком уровне ударной вязкости 

сталей. Вместе с тем, совместное рассмотрение характера распределения уровня ударной вязкости стали и относительной 
частоты хрупких разрушений свидетельствует о ведущей роли 
конструктивных и технологических факторов в комплексе причин, влияющих на хрупкие разрушения. Очевидно, общим требованием к узлам металлоконструкций экскаваторов при работе в условиях низких температур, наряду с высоким уровнем 
ударной вязкости стали, должно быть равномерное распределение напряжений по сечению детали, для чего необходимо исключить внешние и внутренние концентраторы напряжений, 
места резкого перехода сечений, иметь однородную структуру 
металла и равномерное наложение сварных швов.