Прочность элементов горных машин

Технический прогресс в горном машиностроении сопровождается непрерывным повышением производительности и мощности машин. Эта ярко выраженная тенденция приводит к резкому возрастанию статических и динамических нагрузок в их элементах, повышению скорости их износа, усталости и снижению эксплуатационных качеств. Все это приводит к необходимости повышения прочности элементов машин.

Прочность детали, т. е. ее способность выдерживать определенную нагрузку в течение установленного времени эксплуатации, зависит от типа нагрузки. Различают статическую и динамическую прочность.

Статическая прочность — способность детали без разрушения и без существенного изменения формы выдерживать действие постоянной или медленно изменяющейся механической нагрузки. Статически нагружаемые детали обычно весьма долговечны. Однако в современных горных машинах статические нагрузки встречаются редко, что связано с особенностями их работы. Основными типами статически нагружаемых деталей являются различного рода основания, станины и опоры, балки и подвески, работающие чаще всего на сжатие, растяжение или изгиб.

Для деталей, воспринимающих сжимающие статические нагрузки, применяют преимущественно один из наиболее дешевых материалов — белый чугун, реже — серый чугун или стальное литье. На изготовление деталей, работающих на изгиб или растяжение, идут конструкционные стали.

Статически нагруженные детали мало подвержены деформациям. Так, деформации станин и плит, нормально работающих на сжатие,— это чаще всего трещинообразование вследствие явления случайных изгибающих моментов. Значительно реже деформация проявляется в виде изгиба в результате усадок материала в процессе старения. Сжимаемые стержни при чрезмерной нагрузке обычно получают продольный изгиб. 

Детали, работающие на изгиб или растяжение, со временем тут быть соответственно деформированы по причине превышая допустимых нагрузок, понижения прочности материала из-за температурных влияний, уменьшения его толщины из-за коррозийного износа и т. д. Резкие изменения формы детали, а также глубокие следы обработки, надрезы и посторонние включения в меньшей степени влияют на статическую прочность, чем на динамическую, кроме случаев, когда они вызывают существенное уменьшение сечения тела. 

Статическая прочность зависит главным образом от величины нагрузки, соотношения "основных размеров и формы элемента, его материала и вида нагружения (растяжение, изгиб, кручение и т. п.). Наличие этих данных позволяет экспериментальным или расчетным путем определить статическую прочность элемента. 

Динамическая прочность — способность детали выдерживать определенную динамическую нагрузку в течение установленного времени или определенного количества рабочих циклов. Этот тип нагрузки воспринимает подавляющее большинство деталей горных машин.

Кроме нормальных динамических нагрузок, детали машин испытывают и случайные, возникающие в процессе эксплуатации. Они действуют, например, на коренной вал шахтной подъемной машины при срабатывании аварийного тормоза, во время загрузки скипов на весу, при резком подъеме сосудов нависшим канатом и в ряде других случаев. 

При расчете прочности элементов горных машин учет случайных динамических нагрузок представляется весьма сложным и зачастую невозможен. Поэтому расчет некоторых элементов ведут приближенно — по известным статическим нагрузкам, что не всегда приводит к желаемым результатам. Действительные ударные напряжения, при которых происходит разрушение, можно определить экспериментальным путем с применением громоздких физических методов измерения, что не всегда доступно.

Наиболее типичными динамически нагружаемыми элементами являются детали привода и рабочего оборудования горных машин (шатуны, валы, детали породоразрушающих и отбойных элементов буровых и угледобывающих машин и т. п.), получающие большие нагрузки при взаимодействии исполнительного органа машины с породой. Характерными нагрузками валов являются кручение и изгиб с кручением, зубья шестерен работают на изгиб, а ступицы — на разрыв, шпонки — на срез и сжатие и т. д.

Динамические нагрузки в механизмах создаются не только в результате внешнего воздействия. Источники динамических нагрузок (вибраций) зачастую находятся внутри механизма. Так, неточность изготовления зубчатых колес, в частности отступления в шаге, приводит к неравномерной частоте вращения приводного вала, вызывает удар вступающих в зацепление зубьев и замедление или ускорение приводного вала.

Усталостная прочность. В результате многократного воздействия знакопеременных или меняющихся по величине однозначных нагрузок разрушение детали развивается постепенно, без заметной пластической деформации. Этот процесс называется усталостным разрушением. От разрушения при однократном нагружении оно отличается тем, что носит локальный характер (сосредоточено в определенном месте).

Сущность процесса разрушения заключается в следующем. Под влиянием переменных напряжений образуются зародышевые микротрещины (рис. 5). Они возникают обычно на поверхности детали в наиболее сильно нагруженном участке, где имеются концентраторы напряжений (надрезы/ выточки, риски, запрессовки, переходы от одного сечения к другому, а также металлургические и иные дефекты), и развиваются в глубь детали, пока не вызовут хрупкого ее разрушения. Поэтому типичный усталостный излом детали имеет две отличительные зоны: усталостного и единовременного разрушения. Зона усталостного разрушения обычно имеет блестящую или матовую поверхность, что объясняется ее наклепом при воздействии поверхностей обеих сторон трещины. Поверхность излома зоны единовременного разрушения имеет, как правило, кристаллическое строение.

1 — зародышевые микротрещины; 2 — зона усталостного разрушения; 3 — зона единовременного разрушения

Обнаружить усталостное развитие трещин в процессе эксплуатации обычно очень сложно.

Все известные способы дефектации связаны с необходимостью демонтажа детали и проверки ее с применением специальной, часто дорогой и дефицитной аппаратуры. 

Способность материала или детали переносить периодические динамические нагрузки заданной величины и знака без усталостного разрушения называется усталостной прочностью. 

Испытания деталей на усталостную прочность заключаются в многократном цикличном их нагружении до полного разрушения. Нагрузки прикладываются такого вида и такой величины, какие приложены к ним во время эксплуатации. О гарантированном сроке службы детали судят по количеству циклов нагружения, которое выдержал образец. 

Усталостная прочность детали зависит от характера воспринимаемых нагрузок, конструктивных и технологических особенностей детали: вида материала и качества обработки, формы детали, наличия концентраторов напряжений, а также от размеров детали — чем крупнее деталь, тем ниже усталостная прочность. Так, при изменении диаметра стального образца от 8 до 150 мм величина предела усталости снижается с 23 до 12 кгс/мм2. 

Учет этих факторов является важной задачей при конструировании, изготовлении и ремонтах деталей, подверженных усталостному разрушению. Особенно важно учитывать их при модернизации оборудования, проводимой на основе анализа поломок. 

Усталостная прочность некоторых металлов резко понижается при низких температурах. Поэтому горные машины, предназначенные для работы в северных районах, изготовляют в так называемом северном исполнении. Для них подбирают более вязкие стали, предусматривают значительно больший запас прочности и менее жесткие условия эксплуатации.

Для работы при низких температурах наиболее приемлемы мелкозернистые спокойные стали с минимально необходимым содержанием углерода. Для повышения хладостойкости в стали добавляют никель, молибден и ванадий. Минимальной хладноломкостью обладают стали со структурой, представляющей собой продукты распада мартенсита.

Характеристикой хладостойкости сталей является ударная вязкость при низких температурах. Малоуглеродистые стали марок 10, 15, 20, 20Г, выпускаемые по ГОСТ 1050—74 и рекомендуемые для изготовления работающих при низких температурах зубчатых колес, осей и валов, при охлаждении от +20 до —60° С понижают ударную вязкость всего на 35—45%, а стали, легированные хромом (например, 25Х2ГНТА по ГОСТ 3543—72), — на 15—20%. При таких же условиях марганцовистая сталь марки 14Г2 понижает ударную вязкость почти в 30 раз (с 9,5 до 0,3 кгс∙м/см2).