CC BY
13
УДК 004.94:622
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-3-310-313
АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ЗУБЬЕВ КОВША ЭКСКАВАТОРА ПРИ ЗНАЧИТЕЛЬНЫХ НАГРУЗКАХ С ПОМОЩЬЮ КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ
М.С. Григорьев
В работе проводится анализ изменения формы зубьев ковша под воздействием нагрузок, значительно превышающих выдерживаемые. Исследование проводится с помощью компьютерного моделирования. Приводятся схемы изменения формы, а также напряжений на разных стадиях потери первоначальной формы зубьев. Исследовались 3 вида коронок, которые наиболее часто применяются в горнодобывающей и других отраслях на экскаваторах и других подобных технических средствах. Напряжения и формы в работе анализируются и подвергаются обработке с целью определения оптимальной формы зуба из рассматриваемых. Все данные получены с помощью компьютерного моделирования, в том числе и графические. Приводится информация об этапах моделирования, о методе расчета, лежащего в основу программного обеспечения, параметрах компьютерного расчета. Первоначальная форма зубьев проектировалась в системах автоматизированного проектирования. Описываются также возможные задачи и проблемы, которые способны решить программные комплексы на основе метода конечных элементов.
Ключевые слова: программное обеспечение, обработка информации, моделирование, анализ, коронка, экскаватор, ковш, напряжения, деформации.
Программное обеспечение для расчетов физических задач получило очень широкое распространение, причем наиболее популярны программы на основе метода конечных элементов, так как они позволяют рассчитывать прикладные физические задачи в разных областях: гидро и газодинамика, деформирование твердого тела, обмен тепла различными методами, электродинамики и пр. [1-4]. Сам метод основан на решении дифференциальных и интегральных уравнений.
Задачи по деформированию твердого тела встречаются довольно часто в строительстве и горном деле. И позволяют, в частности, при исследовании нагружения элементов горных машин повышенным давлением, что позволяет оптимизировать форму, предугадать разрушение, найти слабые точки, выбрать подходящий вариант и пр. [4-9]. Например, метод конечных элементов подходит для определения напряжений и изменения формы разных видов зубьев экскаваторов и других машин, и оборудования, у которых имеются коронки. [4,5]. Таким образом, в этой работе будет проведено компьютерное моделирование деформирования зубьев ковша, имеющих разную геометрическую форму и отличающихся наличием и формой ребер жесткости (рис. 1). Для этого необходимо провести математическое моделирование в программе Ansys, использующей метод конечных элементов, и после провести аналитическое сравнение полученных данных.
Изменение формы коронок, показанное на рис. 1, получено с помощью моделирования, в связи с этим имеет смысл привести описание того, как проводится моделирование в целом, так как это является сложным многоступенчатым процессом. На первом этапе при помощи систем автоматизированного проектирования разрабатывается трехмерная модель всех трех видов коронок, так как получение их моделей встроенными средствами Ansys затруднено. Далее модель разделяется на отдельные блоки (элементы) во встроенной подпрограмме Ansys. После чего задаются начальные условия: материал объекта, его закрепление, к какой поверхности приложена сила, величина силы, что нужно рассчитать и др. После чего запускается расчет и через некоторое время можно увидеть результат моделирования, а именно, касательно этой работы, изменение формы (рис. 1) и напряжения в исследуемом объекте.
Согласно полученным данным, можно утверждать, что изменение форм всех коронок схоже, они изгибаются в одну и туже сторону. Однако больше изгибается первая коронка, в которой отсутствуют ребра жесткости. Исходя из средних напряжений, наименьшие видны в нижней части коронок, а наибольшие в верхней части, где происходит изгиб.
Таким образом, по оценке напряжений и тому, как происходит изменение формы коронок нельзя сделать вывод о том, какая коронка лучше, а какая хуже, так как сравниваемые параметры практически одинаковы для всех исследуемых объектов. Но исходя из предыдущих
310
Системный анализ, управление и обработка информации
исследований, в которых в качестве исследуемого параметра была выдерживаемая нагрузка [10], можно утверждать о преимуществе коронок с ребрами жесткости. В рамках этой работы были описаны только формы и напряжения, однако в дальнейшем планируется расширение исследуемых факторов, форм объектов.
в
Рис. 1. Изменение формы коронки
а б в
Рис. 2. Напряжения 311
Благодаря компьютерному моделированию и методу конечных элементов были получены требуемые данные, также сделаны определенные выводы на основе обработки полученных данных. Такой подход позволяет проводить научные исследования и опираться на них, за счет высокой точности моделирований и их качества.
Список литературы
1. Зверев И.В. Моделирование и прочностной расчет спирального индуктора с использованием программы ANSYS // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2021. Вып. 12. С. 154-159.
2. Еремеев А.А. Исследование деформирования моста под нагрузкой // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2020. Вып. 2. С. 417-420.
3. Ветрянщиков И. А. Анализ и систематизация данных об аэродинамике купольных зданий // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2021. Вып. 11. С. 86-88.
4. Тутов С.С. Исследование воздействия нагрузок на зуб ковша экскаватора // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2021. Вып. 11. С. 88-90.
5. Григорьев М.С., Ковалёва Т.Е., Тутов С.С. Анализ конструкции и особенности шагающего экскаватора, применяемого в горной промышленности // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2020. Вып. 6. С. 251-254.
6. Гетопанов В.Н., Рачек В.М. Проектирование и надежность средств комплексной механизации: учебник для вузов по специальности «Горные машины и комплексы». М.: Недра, 1986. 208 с.
7. Лукьянов В.Г. Горные машины и проведение горно-разведочных выработок Учебник для прикладного бакалавриата. М.: Юрайт, 2016. 196 с.
8. Березовский Н.И., Нагорский А.В. Горные машины и оборудование: в 2-х ч.; Белорусский национальный технический университет, кафедра «Горные машины». Минск: БНТУ, 2012. Ч. 1: Проектный расчет эксплуатационных параметров бульдозера. 143 с.
9. Материаловедение: учебник для ВУЗов, обучающих по направлению подготовки и специализации в области техники и технологии / Б.Н. Арзамасов, В.И. Макарова, Г.Г. Мухин и др. 5-е изд., стереотип. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2003. 646 с.
10. Григорьев М.С. Аналитическое исследование коронок экскаваторов математическим моделированием // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2022. Вып. 2. С. 249-252.
Григорьев Максим Сергеевич, студент, tutowserg@yandex.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
ANALYSIS OF THE STATE OF EXCAVATOR BUCKET TEETH UNDER SIGNIFICANT LOADS
USING COMPUTER SIMULATION
M.S. Grigoryev
The paper analyzes the change in the shape of the bucket teeth under the influence of loads that significantly exceed the withstand loads. The study is carried out using computer simulation. Schemes of shape change, as well as stresses at different stages of the loss of the original shape of the teeth, are given. 3 types of crowns were studied, which are most often used in mining and other industries on excavators and other similar technical means. Stresses and shapes in the work are analyzed and processed in order to determine the optimal shape of the tooth from those considered. All data were obtained using computer simulation, including graphical ones. Information is provided on the stages of modeling, on the calculation method underlying the software, and on the parameters of computer calculation. The original shape of the teeth was designed in computer-aided design systems. It also describes possible tasks and problems that can be solved by software systems based on the finite element method.
Key words: software, information processing, modeling, analysis, bit, excavator, bucket, stresses, deformations.
GrigoryevMaksim Sergeevich, student, tutowserg@yandex.ru, Russia, Tula, Tula State University
