Введение

После длительного застоя экономика России встала на путь стабильного развития. Наиболее конкурентоспособной продукцией экономики РФ являются продукция горнодобывающей отрасли промышленности. Самым распространенным видом оборудования, в этой отрасли, а также при гражданском строительстве и строительстве дорог является землеройная техника и, прежде всего, экскаваторы с циклическим характером работы. В обороте находится большое количество отечественной техники, исчерпавшей свой срок службы. Находит применение также большое количество зарубежной техники, бывшей в употреблении. Вся эта техника подпадает под действие федерального закона N 116–ФЗ от 21.07.1997 г. «О промышленной безопасности опасных производственных объектов» [1].
Главной задачей экспертизы промышленной безопасности таких технических устройств, является ответ на вопрос о возможности их дальнейшей, безопасной эксплуатации и периоде времени этой безопасной эксплуатации. Этим объясняется важность и актуальность вопросов, связанных с теорией и практикой расчетов остаточного ресурса безопасной эксплуатации оборудования. Следует отметить отсутствие на сегодняшний день доступных и понятных в использовании методических материалов на эту тему.
Назначение разрабатываемой методики
Методика предназначена для определения остаточного ресурса эксплуатации экскаваторного оборудования, исчерпавшего свой нормативный срок службы. 
Согласно п. 31 РД06-565-03 в качестве базовой концепции определения остаточного ресурса оборудования предлагается подход, согласно которому оценка технического состояния объекта производится по параметрам его технического состояния. Определение остаточного ресурса экскаватора предлагается осуществлять по величине отклонения его технических параметров начиная от нормативных и до их предельных значений.
Ознакомление с конструкцией и условиями работы экскаваторов показывает, что она (работа) носит строго циклический характер, при этом продолжительность цикла является одним из важных элементов технической характеристики экскаваторов.
Величина цикловых нагрузок (суммарная), а также характер ее изменения во времени в пределах цикла практически постоянны. Постоянным является плоскость действия этих нагрузок со стороны исполнительного оборудования на поворотную платформу, центральную цапфу, поворотный круг и нижнюю тележку экскаватора [2]. 
Динамические нагрузки, возникающие при экскавации и разгрузке носят знакоперемеменный характер.
Таким образом, можно утверждать, что экскаватор представляет собой такую металлоконструкцию, детали и узлы которой при каждом цикле испытывают следующие нагрузки:
нагрузки, имеющие постоянный характер изменения в пределах цикла и постоянный вектор действия в пределах цикла;
нагрузки, имеющие знакопеременный вектор действия в пределах цикла.
Учитывая, описанный характер работы экскаватора, можно с достаточной степенью точности, утверждать, что при длительном режиме работы, элементы исполнительного оборудования и металлоконструкция экскаватора подвержены не только действию износа, но также и усталостному разрушению. При этом следует отметить, что в ходе технического обслуживания устраняются дефекты износа (как наиболее просто определяемые), а усталостные дефекты накапливаются.
На основании вышеизложенного авторы методики, приняли концептуальное для нее допущение, а именно:
Полный срок службы экскаватора с момента его ввода в эксплуатацию и до списания на полную утилизацию равен периоду времени, в течении которого металлоконструкция экскаватора, выдерживает напряжение равное его пределу текучести, не достигая необратимого потока поломок, отказов, который не остановить ремонтом отдельно взятой детали. Этот период времени для стальных изделий равен 107 циклов.
Это допущение является главной отличительной чертой этой методики, ее «новизной».
Использованные в методике понятия и символы
Усталостное разрушение – разрушение материала под действием повторно-переменных напряжений.
Усталость материала – постепенное накопление повреждений в материале под действием переменных напряжений, приводящих к образованию трещин в материале и разрушению.
Выносливость – способность материала сопротивляться усталостному разрушению.
Предел выносливости (усталости) σ_R – наибольшее (предельное) напряжение цикла, при котором не происходит усталостного разрушения образца после произвольно большого числа циклов. 
Обозначение предела выносливости для симметричного цикла – σ_–1.

Рисунок 1. Кривая усталости. Кривая Велера.

Кривая усталости, рис.1, показывает, что с увеличением числа цикла максимальное напряжение, при котором происходит разрушение материала, значительно уменьшается. При этом для многих материалов, например, углеродистой стали, можно установить такое наибольшее напряжение цикла, при котором образец не разрушается после любого числа циклов (горизонтальный участок диаграммы), называемое пределом выносливости (σ_R).
Так как испытания нельзя проводить бесконечно большое время, то число циклов ограничивают некоторым пределом, который называют базовым числом циклов. В этом случае, если образец выдерживает базовое число циклов, то считается, что напряжение в нем не выше предела выносливости. 
Для черных металлов базовое число циклов N_б = 10⁷ [3].

Длительность цикла нагружения (Т_ц) исполнительных элементов рабочего оборудования экскаватора, при заданном угле поворота стрелы (90 или 135) в секундах.
Отработанный ресурс экскаватора (N_от.р.)

N_от.р =  К_в К_т (циклов), где

Q_от.об. – объем отработанной экскаватором породы, м³;
m – объем ковша экскаватора, м³;
К_н – коэффициент наполнения ковша;
К_в – коэффициент использования экскаватора во времени;
К_т – коэффициент, учитывающий характер пород, отрабатываемых экскаватором;
К_р – коэффициент, учитывающий результат рыхления пород, подлежащих экскавации;
Остаточный ресурс эксплуатации экскаватора (N_ост.р.)

Кд – коэффициент долговечности, учитывающий однородность элементов экскаватора по годам службы;
Ки – коэффициент износа, учитывающий износ экскаватора на момент проведения обследования;
Для получения величины остаточного ресурса в единицах времени необходимо перемножить значение остаточного ресурса в циклах на продолжительность цикла.

Т_ост.р. =  (лет), где

3,1х10⁷ – количество секунд в году (60 сек х 60 мин х 24 часа х 365 дней =3,1х10⁷).
Принятые в методике допущения и корректирующие коэффициенты
Основные допущения, на основании которых построена настоящая методика, следующие:
Экскаватор циклического действия представляет собой конструкцию, элементы оборудования которой испытывают циклические нагрузки.
Экскаватор представляет собой техническое устройство, которое более чем на 90% по весу состоит из стальных деталей.
На основании допущений принимаем, что срок службы экскаватора (от начала эксплуатации до списания на утилизацию) равен базовому числу циклов, в ходе которых не возникает необратимых поток поломок, который не остановить ремонтом одной, отдельно взятой детали. Этот период времени по продолжительности равен времени достижения экскаватором предела выносливости (или усталости) и равен N_б = 107 циклов.
При определении удельного веса элементов используются параметры массы, хотя данная величина вычисляется исходя из параметров стоимости. Такая замена параметров обусловлена тем, что в условиях рыночной экономики цены на одно и тоже изделие могут существенно отличаться друг от друга. При укрупненной оценке стоимости того или иного изделия на горнорудных предприятиях нашла применение практика оценки стоимости исходя из массы изделия. Приблизительно стоимость 1 кг = 1 уе.
Перечень коэффициентов, используемых для корректировки расчетных значений показателей:
К_н – коэффициент наполнения ковша- степень заполнения объема ковша экскаватора разрыхленным материалом. Определяется отношением объема занятого горной массой к геометрической вместимости ковша. Находится в пределах 0,9 – 1,05 и зависит от свойств горных пород.

d_ср – крупность кусков породы, находится в диапазоне 0,1÷0,6 м.
Значение коэффициента наполнения ковша в зависимости от категории пород приведены в таблице 1.

Таблица 1 – Коэффициенты наполнения ковша

Категория пород по трудности экскавации	Расчетная плотность породы в массиве, кг/м3	Коэффициент разрыхления горной массыКр	Коэффициент наполнения ковша экскаватора, Кн
			Прямая лопатаДраглайн
I	1600	1,15	1,051,00
II	1800	1,25	1,051,00
III	2000	1,35	0,950,90
IV	2500	1,50	0,900,85
V	3500	1,60	0,90-

К_р – коэффициент, учитывающий результат рыхления пород, подлежащих экскавации – отношение объема породы в разрыхленном (насыпном) виде к ее объему в массиве.
Чем лучше рыхление породы, тем меньше усилия, действующие на рабочее оборудование экскаватора в процессе копания. Кр для ковша объемом 8 м³ принимается равным 1,2-1,6.

Значение коэффициента разрыхления горной массы в зависимости от категории пород приведены в таблице 1.
К_в – коэффициент использования экскаватора во времени.

К_в= , где

Т_р – время работы экскаватора;
t_пр – время простоев экскаватора на устранение его поломок и неисправностей и по организационным причинам.
К_в = 0,55 – 0,9. Чем больше К_в тем больше эксплуатационная надежность экскаватора, тем больше отработанный ресурс (N_отр.р) и, соответственно меньше остаточный ресурс (N_ост.р.).
К_т – коэффициент, учитывающий характер пород, отрабатываемых экскаватором.
Остаточный ресурс экскаватора в определенной степени зависит от крепости отрабатываемых им пород. Чем больше крепость отрабатываемых пород, тем больше усилия, прикладываемые к исполнительным органам в процессе работы. Соответственно возрастает износ элементов экскаватора и, как следствие уменьшается остаточный ресурс. Коэффициент К_т является эмпирическим и определен на основании информации о данных расхода запчастей на ведущих ГОКах, а также с учетом рекомендаций завода-изготовителя. Принимается по таблице 2. 

Таблица 2 – Значение коэффициента Кт

К_д – коэффициент долговечности, учитывающий однородность элементов экскаватора по годам службы.

К_д = , где

К_д – частный коэффициент долговечности для отдельного узла.
n – количество рассмотренных узлов.

К_д =, где

а – количество одноименных элементов в экскаваторе;
Qо_т.об. – объем отработанной экскаватором породы, м³;
N_ср – средняя норма смены элементов, исходя из нормы выработки.
В этом коэффициенте отражены объем и повторяемость смены элементов экскаватора. В процессе эксплуатации экскаватора годность всей машины, как и отдельных ее элементов, снижается из-за различного рода износов происходящих во время работы, транспортировки и хранения. Однако годность экскаватора периодически восстанавливается за счет ремонта или замены изношенных элементов. Это происходит столько раз, сколько предусмотрено конструкцией, при условии выполнения заданных проектом объемов работ и обеспечения надлежащего технического обслуживания. Каждый раз при ремонте или замене изношенных элементов экскаватор претерпевает целый комплекс регулировок, настроек, подгонок и т.п., которые адаптируя вновь установленные или отремонтированные детали в общем объеме экскаватора стремятся, в конечном счете, приблизить его техническое состояние к состоянию новой машины.
Другими словами, коэффициент долговечности К_д определяет способность экскаватора сохранять первоначальные свойства в процессе эксплуатации.
К_и – коэффициент, учитывающий износ экскаватора на момент проведения обследования.

К_и =,%, где

_i – удельный вес элемента экскаватора, %;
P_i – износ элемента, %.

_i = ,%, где

m_i – масса узла;
М_экс. – масса экскаватора.
Коэффициент износа отражает действительное состояние экскаватора, прошедшего обследование и определяет остаточный ресурс отдельных элементов до достижения ими предельного состояния. Является комплексным показателем, отражающем в себе основные виды износа такие как износ трением и коррозионный износ. В общем случае коэффициент износа корректирует остаточный ресурс, пропорционально общему износу экскаватора.
Последовательность действий при определении остаточного ресурса экскаватора
1. Определяется отработанный ресурс в циклах:

N_{от. р.}=  К_в К_т

2. Определяется остаточный ресурс в циклах:

3. Определяется остаточный ресурс в годах:

Т_ост.р. = 

1. Федеральный закон «О промышленной безопасности опасных производственных объектов» № 116 – ФЗ от 21.07.1997 г. (с изменениями и дополнениями).
2. Подэрни Р.Ю. Горные машины и комплексы для открытых работ, М.: Недра, 1971 г. – 456 с.
3. Трейер В.Н. Расчет деталей машин по предельным состояниям, Минск: Государственное издательство БССР, 1960. – 255 с.
4. Титиевский Е.М., И.Е. Щербань И.Е. Ремонт карьерных экскаваторов, М.: Недра, 1992 г. – 238 с.
5. Селиванов А.И. Основы теории старения машин, М.: Машиностроение, 1964 г. – 404 с. Справочник механика открытых работ. Экскавационно- транспортные машины цикличного действия, М.: Недра,1989 г. – 374 с.
6. Бубновский Б.И., Ефимов В.Н., Морозов В.И. Ремонт шагающих экскаваторов. Справочник., М.: Недра, 1991 г. – 347 с.
7. Владимиров В.И. Физическая природа разрушения металлов. – М.: Металлургия, 1984. – 280 с.
8. Горицкий В.М., Терентьев В.Ф. Структура и усталостное разрушение. – М.: Металлургия, 1980. – 280 с.
9. Иванова В.С., Терентьев В.Ф. Природа усталости металлов. – М.: Металлургия, 1975. – 454 с.
10. Металлы. Метод испытания на многоцикловую и малоцикловую усталость. ГОСТ 23.026 – 78. – М.: Изд-во стандартов, 1978.
11. Методы механических испытаний металлов. Методы испытаний на усталость. ГОСТ 25.502 – 79. – М.: Изд-во стандартов, 1986.
12. Механика разрушения и прочность материалов: Справочное пособие. Под ред. Панасюка В.В. Том 4: Усталость и циклическая трещиностойкость конструкционных материалов. Романив О.Н., Ярема С.Я., Никифорчин Г.Н. и др. – Киев: Наукова думка, 1990. – 680 с.
13. Новиков И.И., Ермишкин В.А. Об анализе деформационных кривых металлов. // Металлы. – 1995. № 6. – С. 142-154.

Все статьи автора «e.stadnyuk»