CC BY
6
Автоматизация процесса подбора оптимальных параметров
гидравлических ножниц экскаватора для резки металлических
конструкций
Н.С. Галдин2, С.А. Зырянова1, Е.В. Селезнева2, О.А. Филимонова2
1 Московский государственный университет технологий и управления им. К. Г. Разумовского (Первый казачий университет) 2Сибирский государственный автомобильно-дорожный университет, Омск
Аннотация: В статье рассматривается математическая модель гидравлических ножниц экскаватора, описывающая функциональные зависимости их основных параметров на основе регрессионных статистических данных. Представлен алгоритм процесса подбора оптимальных параметров гидроножниц, используемых для разрушения металлических конструкций в процессе демонтажа, приведено описание разработанного программного приложения, автоматизирующего процесс подбора этих параметров. Описанное в статье приложение позволит сократить сроки этапа проектирования навесного оборудования экскаваторов.
Ключевые слова: навесное оборудование, гидравлические ножницы, демонтаж, резка металла, проектирование, математическая модель, автоматизация, подбор параметров, алгоритм, программа.
В современной действительности научно-технический прогресс не стоит на месте, а стремительно движется вперед. Общество постоянно наращивает темпы своего интеллектуального, технического совершенствования, улучшаются технологии, повышается эффективность разнообразных производственных процессов. Инженеры на производствах сталкиваются со все более сложными техническими задачами, для решения которых одним из самых эффективных способов является использование информационных технологий.
Интеграция компьютеров дала возможность не только использовать электронно-вычислительные машины (ЭВМ) фрагментарно для решения отдельных инженерных задач, но и автоматизировать ключевые этапы в проектировании различных конструкций во многих производственных отраслях [1].
Демонтаж объектов строительства является сложной задачей, для решения которой, необходимо привлечь большое количество техники и
инструментов. При сносе любого здания используется самый популярный вид спецтехники - экскаваторы со стандартным комплектом навесного оборудования [2].
Одним из наиболее используемых инструментов демонтажа являются гидравлические ножницы, с помощью которых можно быстро и аккуратно разрушить различные конструкции [3, 4]. Они представляют собой навесное оборудование, которое устанавливается на тяжёлые погрузчики и полноповоротные гусеничные экскаваторы вместо ковша. Принцип работы гидроножниц - сжать и разрезать объект [5, 6].
Понятие гидравлических ножниц представлено в ГОСТ Р 50982-2019 «Техника пожарная. Инструмент для проведения специальных работ на пожарах. Общие технические требования. Методы испытаний».
Кроме того, специализированные гидроножницы современной конструкции предназначены для широкого спектра задач, связанных с обработкой различных материалов. Они успешно выполняют роль в сфере металлообработки, разрушении бетона, осуществлении измельчения плит и работы с древесными материалами. Благодаря своей универсальности, эти инструменты также могут применяться при подводных работах.
Гидравлические ножницы производятся различными фирмами России, Германии, Кореи, Франции и других стран.
Наиболее распространенными металлическими профилями, используемыми при строительстве зданий и сооружений, и коммуникаций, являются прутки и трубы различных диаметров, швеллеры, пластины и уголки различных площадей поперечного сечения [2]. При демонтаже строительных конструкций эффективным средством резки и разрушения таких элементов являются гидравлические ножницы. На рис.1 представлены гидравлические ножницы для резки и разрушения арматуры, стального проката, балок [7].
М Инженерный вестник Дона, №10 (2023) ivdon.ru/ru/magazine/arcliive/nl0y2023/8740
При подборе гидравлических ножниц [8] необходимо учитывать силу резания для разрушения материалов различного вида. Это усилие зависит от таких параметров как вид профиля, площадь его поперечного сечения, вид материала, форма режущей поверхности, угол резания.
Рис. 1. -Гидроножницы для резки арматуры, стального проката, балок: 1 - гидроцилиндр; 2 - неподвижная челюсть; 3 - подвижная челюсть;
4 - сменный нож
Таким образом, автоматизация процесса подбора параметров гидравлических ножниц экскаваторов для резки металлических изделий является актуальной задачей.
Для автоматизации процесса подбора гидравлических ножниц была рассмотрена математическая модель, в которой были учтены следующие параметры: масса гидроножниц, усилия резания, длина гидроножниц, глубина челюстей, диаметр металлического прутка.
Выбор глубины челюстей и длины гидроножниц при проектировании производится подбором на основе вычисляемых массы гидроножниц и усилия резания, необходимого для резки металлического прутка заданного диаметра (входной параметр).
Определение функциональной зависимости по параметрам усилия резания и массы гидроножниц получено в результате регрессионного анализа статистических данных [7, 9]:
М Инженерный вестник Дона, №10 (2023) ivdon.ru/ru/magazine/arcliive/nl0y2023/8740
Т = -0,0002М2 + 2,7151М - 956,75,
где Т - усилие резания, кН; М- масса гидроножниц, кг; М е (400, 5500).
График зависимости усилия резания от массы гидроножниц, представленный на рис. 2 показывает, что при массе гидроножниц от 400 до 5500 кг, усилия резания для разделки металлолома и разрушения железобетонных покрытий достигают величин от 100 до 8000 кН.
Масса гидроножниц, кг
Рис. 2.-Зависимость усилия резания от массы гидроножниц Зависимость массы гидравлических ножниц от глубины челюстей и длины гидроножниц определяется формулой [7]:
М = 16.25С - 0.5721Х - 4848, где М - масса гидроножниц, кг; О - глубина челюстей гидроножниц, мм, О £ (400, 950); Ь - длина гидроножниц, мм, Ь £ (2500, 4500).
Для определения функциональной зависимости между массой гидравлических ножниц и диаметром металлического прутка, разрезаемого гидроножницами, используется формула:
М = 79.874^ - 2359.9,
где М - масса гидроножниц, кг; й - диаметр металлического прутка, мм, й е (50, 140).
На основе данной математической модели был разработан алгоритм расчета основных параметров гидроножниц [10]. На рис.3 представлена блок-схема алгоритма подбора параметров гидравлических ножниц для экскаватора.
Рис. 3.- Блок-схема алгоритма подбора параметров гидравлических ножниц
M Инженерный вестник Дона, №10 (2023) ivdon.ru/ru/magazine/arcliive/nl0y2023/8740
На основе представленного на рис. 3 алгоритма было разработано программное приложение, реализованное в MS Excel на языке программирования Visual Basic for Applications (VBA). Использование MS Excel удобно для вывода рассчитанной матрицы массы гидроножниц (рис.4).
Г А В С D Е я <3 н 1 J M N о P Q R s T и v W
1 Характеристики гидроножниц
2 Длина гидроножниц. L
3 2500 2600 2700 2800 2900 3000 3100 3200 3300 3400 3500 3600 3700 3800 3900 4000 4100 4200 4300 4400 4500
4 400 922 865 807 750 693 636 578 521 464 407 350
5 450 1734 1677 1620 1563 1505 1448 1391 1334 1277 1219 1162 1105 1048 991 T. 933 876 819 762 704 647 590
6 500 2547 2490 2432 2375 2318 2261 2203 2146 2089 2032 1975 1917 1860 1803 1746 1689 1631 1574 1517 1460 1403
7 is ш s 550 3359 3302 3245 3188 3130 3073 3016 2959 2902 2844 2787 2730 2673 2616 2558 2501 2444 2387 2329 2272 2215
8 600 4172 4115 4057 4000 3943 3886 3828 3771 3714 3657 3600 3542 3485 3428 3371 3314 3256 3199 3142 3085 3028
9 ш 3- 650 4984 4927 4870 4813 4755 4698 4641 4584 4527 4469 4412 4355 4298 4241 4183 4126 4069 4012 3954 3897 3840
10 700 5797 5740 5682 5625 5568 5511 5453 5396 5339 5282 5225 5167 5110 5053 4996 4939 4881 4824 4767 4710 4653
11 X S ID > 750 6609 6552 6495 6438 6380 6323 6266 6209 6152 6094 6037 5980 5923 5866 5808 5751 5694 5637 5579 5522 5465
12 800 7422 7365 7307 7250 7193 7136 7078 7021 6964 6907 6850 6792 6735 6678 6621 6564 6506 6449 6392 6335 6278
13 850 8234 8177 8120 8063 8005 7948 7891 7834 7777 7719 7662 7605 7548 7491 7433 7376 7319 7262 7204 7147 7090
14 900 9047 8990 8932 8875 8818 8761 8703 8646 8589 8532 8475 8417 8360 8303 8246 8189 8131 8074 8017 7960 7903
15 950 9859 9802 9745 9688 9630 9573 9516 9459 9402 9344 9287 9230 9173 9116 9058 9001 8944 8887 8829 8772 8715
Рис. 4.- Матрица значений возможной массы гидроножниц Интерфейс программы подбора параметров гидроножниц представлен на рис. 5.
Рис.5. - Интерфейс программного приложения подбора оптимальных
параметров гидроножниц Входным параметром является диаметр металлического прутка, результатом работы являются возможные варианты проектирования параметров гидравлических ножниц.
Разработанное приложение обладает понятным и простым в использовании интерфейсом, позволяет рассчитать на основе введенного диаметра металлического прутка расчетную массу гидроножниц, необходимое усилие резания (усилие на режущей кромке гидроножниц) для разрушения прутка, а также подобрать по рассчитанным величинам оптимальные параметры гидравлических ножниц: длину, глубину челюстей.
Таким образом, основной целью исследования является рассмотрение математической модели гидравлических ножниц, описывающей функциональные зависимости основных параметров гидроножниц; автоматизация процесса подбора оптимальных параметров гидравлических ножниц. В результате практического применения описанного в статье программного приложения представляется возможным сокращение сроков и трудозатрат инженеров-проектировщиков навесного оборудования для экскаваторов, используемого для разрушения металлических строительных конструкций. Кроме этого, приложение может использоваться научными работниками для исследований и моделирования экскаваторов с комплектом навесного оборудования.
1. Мухаметгалеев Т.Х., Бикбулатов Р.И., Пирогова А.М. Автоматизация расчета параметров греющего провода при зимнем бетонировании //
ivdon.ru/ru/magazine/archive/n 12y2022/8041
2. Густов, Д.Ю., Густов Ю.И. Экологические аспекты механизации работ при сносе зданий и сооружений. // Актуальные проблемы строительной отрасли и образования. Сборник докладов Первой Национальной конференции. Москва, 2020. С. 433-437.
3. Дмитревич Ю. Гидроножницы - сменный рабочий орган одноковшовых экскаваторов // Основные средства, 2011, №9. URL:
Литература
Инженерный
вестник
Дона, 2022, №12. URL:
os 1.ru/article/5212-gidronojnitsy-smenniy-rabochiy-organ-odnokovshovyh-ekskavatorov
4. Мендекеев Р.А., Нышанбаева А.Б., Кыдыралиева У.С., Турарбек У.У. Мобильные гидравлические ножницы для выполнения работ по сносу зданий и сооружений // Вестник Кыргызского государственного университета строительства, транспорта и архитектуры им. Н.Исанова, 2021, № 1 (71). С. 26-37.
5. Frimpong S. Dynamic Modeling of Hydraulic Shovel Excavators for Geomaterials // International Journal of Geomechanics, v. 8, no. 1, pp. 1532-3641.
6. Jiaqi Xu, Hwan-Sik Yoon A Review on Mechanical and Hydraulic System Modeling of Excavator Manipulator System // Journal of Construction Engineering Volume 2016 (3), Article ID 9409370, p. 11.
7. Галдин Н.С., Семенова И.А. Гидравлические ножницы для экскаваторов. Омск: СибАДИ, 2022. 165c.
8. Галдин Н.С., Архипенко М.Ю. Гидравлические ножницы как предмет моделирования // Вестник воронежского государственного технического университета, 2010. Т. 6. № 9. С. 96-98.
9. Васильева Е.В. Технология работ при досыпке грунтовых водонапорных сооружений // Инженерный вестник Дона, 2013, №4. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2013/1955.
10. Дидух И.С., Разумов И.А., Селезнева Е.В., Филимонова О.А. Автоматизация навесного гидравлического оборудования для демонтажа объектов // Архитектурно-строительный и дорожно-транспортный комплексы: проблемы, перспективы, инновации. Сборник материалов VII Международной научно-практической конференции, приуроченной к проведению в Российской Федерации Десятилетия науки и технологий. Омск, 2022. С. 539-542.
References
1. Mukhametgaleev T.Kh, Bikbulatov R.I., Pirogova A.M. Inzhenernyj vestnik Dona, 2022, №12. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n12y2022/8041
2. Gustov, D.Yu., Gustov Yu.I. Aktual'nye problemy stroitel'noy otrasli i obrazovaniya. Sbornik dokladov Pervoy Natsional'noy konferentsii. Moskva, 2020. P. 433-437.
3. Dmitrevich Yu. Osnovnye sredstva, 2011, №9. URL: os1.ru/article/5212-gidronojnitsy-smenniy-rabochiy-organ-odnokovshovyh-ekskavatorov.
4. Mendekeev R.A., Nyshanbaeva A.B., Kydyralieva U.S., Turarbek U.U. Vestnik Kyrgyzskogo gosudarstvennogo universiteta stroitel'stva, transporta i arkhitektury im. N.Isanova, 2021, № 1 (71). pp. 26-37.
5. Frimpong S. International Journal of Geomechanics, v. 8, no. 1, pp. 15323641.
6. Jiaqi Xu, Hwan-Sik Yoon Journal of Construction Engineering Volume 2016 (3), Article ID 9409370, P. 11.
7. Galdin N.S., Semenova I.A. Gidravlicheskie nozhnitsy dlya ekskavatorov. Omsk: SibADI, 2022. P. 165.
8. Galdin N.S. Arkhipenko M.Yu. Vestnik voronezhskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta, 2010. T. 6. № 9. pp. 96-98.
9. Vasil'eva E.V. Inzhenernyj vestnik Dona, 2013, №4. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2013/1955
10. Diduh I.S., Razumov I.A., Selezneva E.V., Filimonova O.A. Arhitekturno-stroitel'nyj i dorozhno-transportnyj kompleksy: problemy, perspektivy, innovacii. Sbornik materialov VII Mezhdunarodnoj nauchno-prakticheskoj konferencii, priurochennoj k provedeniyu v Rossijskoj Federacii Desyatiletiya nauki i tekhnologij. Omsk, 2022. pp. 539-542.
