Integrity and life estimation of steel structure of large mining machines

[Ž. M. Lazarević]

XI, 149 listova

Proizvodnja lignita na površinskim kopovima u našoj zemlji se vrši u rudarskim basenima „Kolubara“ u Lazarevcu i „Kostolac“ u Kostolcu i predstavlja jednu od najznačajnijih privrednih delatnosti. U cilju proizvodnje uglja, na površinskim kopovima je angažovana brojna i raznovrsna mehanizacija. Bitno mesto u eksploataciji lignita čini rotorni bager, koji predstavlja jedan od najkompleksnijih tehničkih sistema u industriji uopšte. Potreba za visokom kapacitativnom iskorišćenošću sistema, starost bagera i teški uslovi otkopavanja doveli su do znatnog porasta nepredviđenih tehničkih zastoja koji su često imali i teške posledice po bager kao i višemesečna, ili čak višegodišnja ispadanja iz sistema. Cilj doktorske disertacije je razvoj metodologije koja se sastoji od više tehnika za dobijanje kvalitetnih rezultata o proceni integriteta i veka čelične konstrukcije velikih rudarskih mašina, korišćenjem numeričko-eksperimentalnih metoda. Tehnike se sastoje od ispitivanja sa i bez razaranja čelične konstrukcije, eksperimentalnih merenja, kompjuterskog modeliranja, proračuna konstrukcije primenom metode konačnih elemenata i iterativnim usaglašavanjem sa eksperimentalnim rezultatima. U disertaciji se akcenat daje na čeličnu konstrukciju, koja iako dugog radnog veka, čiji otkaz ima veliki uticaj na pouzdanost, dugovečnost i siguran rad cele rudarske mašine. Primena razvijene metodologije je prikazana na rotornom bageru SchRs 800/1,2x2.5 koji se nalazi na površinskom kopu „Drmno“ u Kostolcu. Bager je tokom eksploatacije pokazivao „loše ponašanje“, odnosno dolazilo je, između ostalog, do pojave prslina na čeličnoj konstrukciji „P“ nosača bagera, što je zahtevalo zaustavljanje rada bagera radi popravki. Na početku su izvršena ispitivanja sa i bez razaranja u cilju sagledavanja trenutnog stanja konstrukcije „P“ nosača. Sledeći korak je sanacija čelične konstrukcije „P“ nosača. Nakon toga sledi postavljanje mernih traka na čeličnu konstukciju „P“ nosača i tenzometrijska ispitivanja čelične konstrukcije u cilju određivanja stvarnog deformacijskog i naponskog stanja u neopterećenom i opterećenom stanju. Naredni korak obuhvata analitičko određivanje i analizu varijanti opterećenja koja deluju na čeličnu konstrukciju „P“ nosača, formiranje MKE modela i analizu naponskog stanja čelične konstrukcije „P“ nosača u karakterističnim položajima bagera. Izlaz iz metodologije su saznanja koja omogućavaju određivanje realnog ponašanja konstrukcije u eksploataciji, procenu stanja i radnog veka, kao i uzroka lošeg ponašanja konstrukcije. Na osnovu tih saznanja slede određene aktivnosti, čijom primenom se konstrukcija poboljšava, odnosno povećava joj se radni vek, a samim tim se povećava i radni vek cele rudarske mašine. Te aktivnosti, u opštem slučaju, mogu biti: nastavak daljeg rada rudarske mašine bez intervencije, zatim sanacija, rekonstrukcija, revitalizacija, modernizacija ili otpis.

The lignite production in our country is carried out at the opencast mines within the mining basins “Kolubara” in Lazarevac and “Kostolac” in Kostolac and is considered one of the most important economic activities. For the purpose of coal production, the opencast mines are equipped with numerous and diverse machines. Bucket-wheel excavator has a key role in the exploitation of lignite and represents one of the most complex technical systems in the industry in general. The need for a high rate of capacity utilization of systems, the obsolesce of excavators and difficult conditions for excavation led to a significant increase in unexpected operating delays which often had serious consequences for the excavator and induced system outages that lasted for several months or even for years. The goal of this PhD thesis (doctoral dissertation) is the development of a methodology that consists of several techniques for obtaining high-quality results of the assessment of the integrity and lifespan of steel structures of large mining machines by using numerical and experimental methods. The techniques are based on destructive and non-destructive testing, experimental measurements, computer modeling, structural analysis by applying the finite element method and iterative alignment with experimental results. In the thesis dissertation, the emphasis is placed on the steel structure and the fact that, despite of its long lifespan, its failure has a considerable impact on reliability, longevity and operational safety of the entire mining machine. The application of the developed methodology is demonstrated on BWE SchRs 800/1,2x2.5, which is located at “Drmno” opencast mine in Kostolac. Namely, the excavator was “performing poorly” during exploitation, i.e. among other issues, some cracks appeared on the structural P (Cyrillic) shape steel beam, which required a halt in the excavator’s operation to carry out the repairs. At the beginning, destructive and non-destructive tests were undertaken in order to gauge the current state of the “P” beam structure. The next step is the rehabilitation of the steel structure of the “P” beam. It is followed by placing measuring tapes on the steel structure of the “P” beam and carrying out tensometric testing of the steel structure in order to identify the actual stress-strain state under the unloaded and loaded conditions. The next step encompasses the analytical determination and analysis of the impact of load variants on the steel structure of the “P” beam, the formation of the FEM model and the analysis of the stress state of the “P” beam steel structure in the characteristic positions of the excavator. The output of the methodology comprises the findings that enable the determination of the actual behavior of the steel structure during exploitation, the assessment of its state and lifespan, as well as the causes of unsatisfying performance of the steel structure. On the basis of these findings, it would be possible to undertake specific activities aimed at improving the steel structure, i.e. increasing its lifespan, thus also increasing the lifespan of the entire mining machine. Generally speaking, these activities could be the continuation of further operation of the mining machine without intervention, then rehabilitation, reconstruction, revitalization, modernization or write-off.

rotorni bager, čelična konstrukcija, mašinski otkazi, pouzdanost

bucket wheel excavator, steel structures, mechanical failures, reliability

621:620.1(043.3)

Tekst