Пути снижения остаточных сварочных напряжений в металлоконструкциях карьерных экскаваторов

Остаточные напряжения в металлоконструкциях карьерного оборудования, вызванные сваркой, возникают из-за неравномерного одновременного нагрева и охлаждения локальных участков конструкций, переменных скоростей охлаждения в разных областях сварного шва, а также деформаций, связанных с металлургическими фазовыми преобразованиями. Остаточное напряжение в сварном соединении может существенно увеличить внешнюю нагрузку и привести к разрушению конструкции. Исследования по расчету, измерению и снижению остаточных напряжений при сварке являются важными вопросами при прогнозировании ресурса узлов металлоконструкций горных машин и оборудования. Точная количественная оценка остаточных напряжений в сварных изделиях, включая ремонтные швы, а также поиск основных принципов, лежащих в основе методов устранения остаточных деформаций, представляет значительный практический интерес, актуальный и для авторов данного исследования. В ходе работы нами была обобщена информация по последним исследованиям в области оценки и измерения остаточных напряжений, вызванных электрогазосварочным воздействием. Предложено использование в исследовании различных техник и аналитических методов для количественной оценки остаточных напряжений сварного шва на основе механики разрушения, что позволяет на ранних стадиях предпринимать упреждающие меры по снижению затрат на ремонт и техническое обслуживание сварных металлоконструкций карьерных экскаваторов. В результате проведенных работ сформированы предложения для снижения остаточных сварочных напряжений в металлоконструкциях карьерных экскаваторов.

1. Guo J., Fu H., Pan B., Kang R. Recent progress of residual stress measurement methods: a review // Chinese Journal of Aeronautics. 2021. Vol. 34. Iss. 2. P. 54–78. https://doi.org/10.1016/j.cja.2019.10.010.

2. Zerbst U., Ainsworth R.A., Beier H.Th., Pisarski H., Zhang Z.L., Nikbin K., et al. Review on fracture and crack propagation in weldments – a fracture mechanics perspective // Engineering Fracture Mechanics. 2014. Vol. 132. P. 200–276. https://doi.org/10.1016/j.engfracmech.2014.05.012.

3. Joseph A., Rai S.K., Jayakumar T., Murugan N. Evaluation of residual stresses in dissimilar weld joints // International Journal of Pressure Vessels and Piping. 2005. Vol. 82. Iss. 9. P. 700–705. https://doi.org/10.1016/j.ijpvp.2005.03.006.

4. Hensel J., Nitschke-Pagel T., Tchoffo Ngoula D., Beier H.-Th., Tchuindjang D., Zerbst U., Welding residual stresses as needed for the prediction of fatigue crack propagation and fatigue strength // Engineering Fracture Mechanics. 2018. Vol. 198. P. 123–141. https://doi.org/10.1016/j.engfracmech.2017.10.024.

5. Michaleris P., Dantzig J., Tortorelli D.A. Minimization of welding residual stress and distortion in large structures // Welding Journal. 1999. Vol. 78. Iss. 11. P. 361.

6. Xu S., Thermal Stress Analysis of dissimilar welding joints by Finite Element Method // Procedia Engineering. 2011. Vol. 15. P. 3860–3864. https://doi.org/10.1016/j.proeng.2011.08.722.

7. Larsen M.L., Arora V., Clausen H.B. Finite element shape optimization of weld orientation in simple plate structure considering different fatigue estimation methods // Procedia Structural Integrity. 2021. Vol. 31. P. 70–74. https://doi.org/10.1016/j.prostr.2021.03.011.

8. Зива В.В., Косухина А.А., Осадчий С.О. Анализ факторов, влияющих на результаты теплового анализа методом конечных элементов // Студенческий форум. 2020. № 26. С. 28–32 [Электронный ресурс]. URL: https://nauchforum.ru/archive/studjournal/26%28119%29.pdf (15.12.2022).

9. Занин А.В., Квасов И.Н. Расчет врезки трубопровода с использованием программного продукта ANSYS и анализ с помощью метода конечных элементов // Динамика систем, механизмов и машин. 2019. Т. 7. № 2. С. 103–113. https://doi.org/10.25206/2310-9793-7-2-103-113.

10. Борискина З.М., Барышникова О.О. Анализ деформированного состояния металлоконструкций подъемно-транспортных машин с использованием метода конечных элементов // Проблемы механики современных машин: материалы V Междунар. конф. (г. Улан-Удэ, 25–30 июня 2012 г.). Улан-Удэ: Изд-во ВСГУТУ, 2012. Т. 2. Ч. 1. С. 53–56.

11. Liu F., Tao C., Dong Z., Jiang K., Zhou S., Zhang Z., et al. Prediction of welding residual stress and deformation in electro-gas welding using artificial neural network // Materials Today Communications. 2021. Vol. 29. P. 102786. https://doi.org/10.1016/j.mtcomm.2021.102786.

12. Mathew J., Moat R.J., Paddea S., Fitzpatrick M.E., Bouchard P.J. Prediction of residual stresses in girth welded pipes using an artificial neural network approach // International Journal of Pressure Vessels and Piping. 2017. Vol. 150. P. 89–95. https://doi.org/10.1016/j.ijpvp.2017.01.002.

13. Na M.-G., Kim J.-W., Lim D.-H. Prediction of residual stress for dissimilar metals welding at nuclear power plants using fuzzy neural network models // Nuclear Engineering and Technology. 2007. Vol. 39. Iss. 4. P. 337–348. https://doi.org/10.5516/NET.2007.39.4.337.

14. Макаров А.П. Развитие усталостных трещин в металлоконструкциях экскаваторов // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2011.№ 11. С. 105–109.

15. Макарчук А.В., Макарчук Н.В., Старцев В.Н. Разработка математической модели многопроходной дуговой сварки // Вестник Государственного университета морского и речного флота имени адмирала С.О. Макарова. 2017. № 1. С. 121–131.

16. Серенко А.Н. Оценка влияния остаточных напряжений на кинетику развития усталостных трещин в сварных соединениях. Часть I // Вісник Приазовського Державного Технічного Університету. Серія: Технічні науки. 2011. № 22. С. 156–161.

17. Заворин А.С., Любимова Л.Л., Буваков К.В., Кулеш А.С., Ташлыков А.А., Кулеш Р.Н. Влияние остаточных напряжений в зонах сварного узла на сопротивление хрупким разрушениям // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. 2018. Т. 329. № 10. С. 128–142. https://doi.org/10.18799/24131830/2018/10/2112.

18. Авдеев А.Н., Храмовских В.А. Анализ отказов базовых узлов экскаваторов, работающих в районах Крайнего Севера // Горное оборудование и электромеханика. 2005. № 1. С. 53–55.

19. Храмовских В.А. Оценка ресурса базовых узлов металлоконструкций карьерных экскаваторов на основе обработки статистической информации // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2005. № 1. С. 167.

20. Hensel J., Nitschke-Pagel T., Tchoffo Ngoula D., Beier H.-Th., Tchuindjang D., Zerbst U. Welding residual stresses as needed for the prediction of fatigue crack propagation and fatigue strength // Engineering Fracture Mechanics. 2018. Vol. 198. P. 123–141. https://doi.org/10.1016/j.engfracmech.2017.10.024.

21. Макаров А.П. Шевченко А.Н., Павлов А.М. Определение критической длины трещины в металлоконструкциях карьерных экскаваторов // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2015. № 12. С. 57–63.

22. Серебренников А.В., Демченко И.И., Серебренников В.Л. Оценка методов и приборов для измерения механических напряжений в конструкционных материалах горных машин // Безопасность труда в промышленности. 2013. № 11. С. 56–62.

23. Panfilova O.R., Dyorina N.V., Velikanov V.S. Substantiation of parameters of metal structure elements of mining transport machines // Известия Уральского государственного горного университета. 2020. № 2. С. 110-116. https://doi.org/10.21440/2307-2091-2020-2-110-116.

24. Серебренников А.В., Демченко И.И., Серебренников В.Л., Левченко Е.А. Способ измерения локальных напряжений в металлоконструкциях горных машин // Безопасность труда в промышленности. 2016. № 6. С. 42–46.