CC BY
103
УДК 622.271.0025(075.8)
И.А. Паначев, А.А. Черезов
К МЕТОДИКЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ НАГРУЖЕННОСТИ ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИЙ ЭКСКАВАТОРОВ-МЕХЛОПАТ
Для вычисления функции надёжности элемента конструкции экскаватора при наличии усталостной трещины необходимо знать распределения вероятностей экстремумов цикла напряжений. С этой целью на разрезах Кузбасса (Кедровский,
Томусинский, Бачатский) проведены натурные тензометрические эксперименты на экскаваторах-мехлопатах ЭКГ-8, ЭКГ-10, ЭКГ-12, ЭКГ-12,5,
ЭКГ-15, разрабатывающих взорванные горные породы (ВГП). Взрывная подготовка горных пород к выемке проводилась согласно «Временной методике расчета параметров взрывной отбойки пород на угольных разрезах», разработанной на кафедре открытых горных работ КузПИ и утверждённой АН СССР.
При проведении натурных исследований использовался экспериментально -вычислительный центр, состоящий из восьмиканальной тензостан-ции А17- Т8, фольговых тензорезисторов 2ФКРВ-3х400, экранированного кабеля НВПЭ, сварочного аппарата для точечной сварки, используемого для приварки металлической подложки тензорезисторов, предварительного усилителя ZET410, аналого-цифровой преобразователя E14-140D, усилителя напряжения для тензомоста LP-04 (рис.1). Общий вид экспериментально-вычислительного центра изображён на рис.2. Запись измеренных сигналов осуществлялась с помощью программного обеспечения PowerGraph v.3.3.6 Professional и Zet-
Рис.2 . Общий вид экспериментально-вычислительного центра 1 - ноутбук Acer Aspire 5630; 2 - тензостанция А17-Т8; 3 - привариваемый тензорезистор; 4 - экранированный кабель НВПЭ; 5 - аккумуляторная батарея для А17-Т8; 6 - электромагнитный экран; 7 - балансировочная коробка.
lab. Обработка экспериментальных данных проводилась с использованием программных продуктов MATLAB 7.0 realize 14 и STATISTICA 6.0.
Тензорезистивный эффект для классической конструкции тензорезистора описывается формулой [1]:
№ / R = kтен.ß, (1)
где AR - приращение электрического сопротивления тензорезистора;
R - электрическое сопротивление тензорези-стора;
ктенз - чувствительность тензорезистора;
є - относительная деформация.
В элементах металлоконструкций экскавато-ров-мехлопат, как правило, возникает плоское напряжённое состояние. При таком состоянии относительная деформация є будет результатом действия механических напряжений, действующих как параллельно, так и перпендикулярно преобразователю. Поэтому нужно применять тензоре-зисторы напряжения. Такие измерительные преобразователи, за счёт своей специальной конструкции, формируют выходной сигнал только от механических напряжений, действующих параллельно тензорезистору.
В этом случае тензоэффект описывается выражением [2]:
Рис. 1. Схема экспериментально-вычислительного центра
ю
о
стальконстрэкция
экска&атора-мехлопаты
экранированный! кавель НВПЭ
езадеиствованные жилы провода НВПЭ
короб из жести Скрепится посредством сварки) »словно показан! места точечной сварки коробо из жести к
КОНСТРУКЦИИ
УСУ10ВЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ
точка палки провода к короб» из жести
КОРОБ ИЗ жести (крепится посредством магнита)
тензорезистор (не подвержен деформации)
тензорезистор (подвержен деформации)
И.А. Паначев, А.А. Черезов
а) б)
Рис.3. Тензорезистор 2ФКРВ-3-400 а) Конструкция тензорезистора 2: 1 - подложка; 2 - чувствительный элемент; 3- узел пайки; 4- вывод
б) Общий вид тензорезистора
Рис. 4. Привариваемый тензорезистор при позиционировании на металлоконструкции экскаватора
где
к
ля/R = кЮ, (2)
- коэффициент пропорциональности
между относительным изменением электрического сопротивления и механическим напряжением, действующим параллельно продольной оси тензо-резистора;
ое- экспериментально определенное нормальное механическое напряжение.
Тензорезисторы напряжения изготавливались из тензорезисторов розеточного типа 2ФКРВ-3-400, путём соединения пары выводов (рис.З).
В силу малости изменения электрического сопротивления преобразователя был использован мост Уинстона, имеющий один рабочий тензоре-зистор. Ввиду сильной чувствительности электрического сопротивления тензорезистора к тем-
пературе была применена схемная термокомпенсация. Этот способ основан на том, что тензорези-сторы, наклеенные на один и тот же материал и находящиеся в одинаковых температурных условиях, изменяют своё сопротивление практически одинаково. Поэтому активный тензорезистор устанавливали на исследуемую стальконструкцию, включив его в одно плечо измерительного моста, а компенсационный тензорезистор наклеивали на стальную пластину, включив его в соседнее плечо с первым тензорезистором моста, что практически исключило влияние температуры на рабочий преобразователь [3].
Из измерительных преобразователей 2ФКРВ-3-400 были изготовлены привариваемые тензоре-зисторы (рис.4). Эти тензорезисторы отличается от приклеиваемых наличием дополнительной металлической подложки, с помощью которой пре-
О
22
И.А. Паначев, А.А. Черезов
образователь приваривается к металлоконструкции.
Аппликация фольгового тензорезистора на стеклобумажной основе к металлической подложке выполнялось в лабораторных условиях, чем обеспечивалось высокое качество и надежность склеивания. Особенно была важна термообработка, которая выполнялась с помощью сушильного шкафа СНОЛ-Ф-67/350-И1П (рис.5а).
Неоднократными тарировками привариваемых тензорезисторов на специальной тарировочной установке установлено, что отклонения показаний тензорезисторов на металлической подложке от соответствующих показаний на стеклобумажной подложке находятся в пределах точности измерений, как при однократных, так и при многократных нагружениях и разгрузках (рис.5б).
Применение привариваемых тензорезисторов позволяет значительно сократить сроки подготовки объекта к испытанию благодаря упрощению большинства подготовительных операций. Для приварки металлической фольги не требуется тщательная зачистка и обезжиривание мест установки тензорезисторов. Вполне достаточно снять краску и ржавчину наждачным кругом. Качество крепления тензорезисторов с помощью аппарата для точечной сварки не зависит от субъективных качеств исполнителей, так как по сравнению с приклейкой приварка требует меньших навыков персонала при более высокой надежности соединения (рис.5в).
Привариваемые тензорезисторы устанавливались на элементы металлоконструкций стрелы, рукояти, ковша, поворотной платформы и стойки экскаваторов-мехлопат (рис.6).
При проведении натурных экспериментов с
помощью аналого-цифровых преобразователей (АЦП) использовалась частота дискретизации, выбранная с помощью теоремы Ко-тельникова-Нейквиста. Согласно
этой теореме, частота дискретизации АЦП должна быть выбрана в соответствии с формулой:
VAHJI — 2^н тах . (3)
где Удцп - частота дискретизации аналого-цифрового преобразователя, Гц;
Ун-тах ~ максимальная частота нагружения элементов металлоконструкций экскаваторов-мехлопат.
В исследованиях проф. A.C. Громадского, В.Г. Дроворуба и др. определено, что для экскаваторов-мехлопат, разрабатывающих взорванные горные породы, \и.тах = 1кГц.
Согласно формуле (2.3) необходимая частота дискретизации АЦП должна быть va^ > 2 кГц. В связи с этим была выбрана va^ = 25 кГц, то есть измерения напряжений проводились через каждые 40 мкс.
В связи с использованием антиэлайзинговой фильтрации измеренных тензосигналов, выбранная частота дискретизации (25 кГц) была больше левой границы допустимого диапазона (2 кГц).
В результате проведения натурных исследований элементов металлоконструкций экскаваторов-мехлопат, разрабатывающих взорванные горные породы, были получены численные массивы механических напряжений.
В общем виде эти массивы представляют собой матрицу:
(
I =
t,
О
О
Nd
t
О,
(4)
Dv J
где ^ - моменты времени измерения тензосигнала аналого-цифровым преобразователем;
Ыи - номер измерения тензосигнала аналогоцифровым преобразователем;
Ыиу - количество измерений тензосигнала аналого-цифровым преобразователем.
После предварительной обработки значений измеренных тензосигналов, были выделены экстремумы механических напряжений.
В результате этого матрица I была преобразована в матрицу О:
e
t
N
D
Dv
G =
а.
а
i ~e Л
mini
e
maxi
p
e
minN
e
maxNp
а
а
V
(5)
minN р^
e
maxNpv J
) - макси-
_e
min
Экстремумы определенных экспериментально напряжений цикла нагружения элементов металлоконструкций экскаваторов-мехлопат, разрабатывающих взорванные горные породы на разрезах Кузбасса
где а max (а
мальное (минимальное) экспериментально определенное напряжение цикла нагружения;
Np - номер цикла нагружения эксплуатационной реализации;
Npv - количество циклов нагружения эксплуатационной реализации;
В качестве примера в таблице приведены экстремумы экспериментально определенных напряжений цикла нагружения металлоконструкций экскаваторов ЭКГ-8И, ЭКГ-10 и ЭКГ-12 на разрезах Томусинский,
Бачатский и Кедровский.
Представленные исследования являются одним из первых этапов для решения задачи о структурном анализе процесса нагружения элементов конструкции экскаваторов-мехлопат. Этот анализ выявит закономерности динамических процессов механических лопат. Разработанные модели позволят определять опти-
(раз ЭКГ-8И рез Томусинский) ЭКГ-10 (разрез Бачатский) ЭКГ-12 (разрез Кедровский)
а e ■ min 17,9 а e - min 12,0 а e - min -7,14
_ e max -25,1 _ e max -6,04 _ e max 1,44
а e - min 6,69 а e - min 10,3 а e - min -1,51
_ e max -21,3 _ e max -19,7 _ e max 4,70
а e min 0,931 а e min 6,35 а e min -12,3
_ e max -1,07 _ e max -7,65 _ e max 3,17
S 00 m, о" р а e - min 14,7 s 7 ,3 0, 1 1 р а e - min 4,66 s ,3 0, 1 1 р а e ^ min -3,83
_ e max -7,28 _ e max -3,34 _ e max 16,9
а e - min 24,4 а e - min 9,82 а e - min -13,1
_ e max -14,6 d _ e max -5,18 d _ e max 28,9
а e - min 13,4 а e - min 7,72 а e ^ min -21,1
_ e max -15,6 _ e max -6,28 _ e max 9,94
а e - min 35,7 а e ^ min 30,8 а e ^ min -3,06
_ e max -17,3 _ e max -30,2 _ e max 7,35
а e min 3,51 а e min 2,03 а e min -2,65
_ e max -3,54 _ e max -2,11 _ e max 4,27
dcp - средний диаметр куска взорванной горной массы
мальные режимы их эксплуатации, что позволяет повысить долговечность, эксплуатационную производительность и экономическую эффективность экскаваторов.
e
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Подэрни Р.Ю., Ковалёв Ю.А. Основы практического тензометрирования. М., изд. МГИ, 1980. - 47
с.
2. ДайчикМ.Л. и др. Методы и средства натурной тензометрии: Справочник/ М.Л. Дайчик, Н.И. При-горовский, Г.Х. Хоршунов. - М.: Машиностроение, 1989. - 240с.: ил.
3. Тензометрия в машиностроении: Справочное пособие/ Под общ. ред. В.В. Клюева. - М.: Машиностроение, 1989. - 627 с.
□ Авторы статьи
Паначев Иван Андреевич. докт.техн. наук. проф. каф. сопротивления материалов КузГТУ. Тел. 8-3842-21-16-68.
Черезов Артём Анатольевич зав. лаб. каф. сопротивления материалов КузГТУ. e-mail: tcherezov 85@mail.ru
