CC BY
15
УДК 630
Хвойные бореальной зоны. 2019. Т. XXXVII, № 1. С. 79-83
ПРОЧНОСТНОЙ АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ ЛЕСОЗАГОТОВИТЕЛЬНОЙ МАШИНЫ В ПРОГРАММЕ SOLIDWORKS
Д. В. Черник, З. Л. Еске
Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
E-mail: dionisu2@mail.ru
Развитие компьютерных технологий оказывает значительное влияние на все сферы деятельности человека, упрощая его жизнь. При этом совершенствуется не только аппаратная составляющая, но и программное обеспечение, в том числе и системы автоматизированного проектирования, способные облегчить труд инженера не только по разработке проектной документации, но и по выполнению трудоемких прочностных расчетов различной сложности конструкций технологического оборудования. Программа SolidWorks предназначена для решения подобных задач. Кроме того, использование таких специализированных приложений, как COSMOSWorks, SolidWorks Motion и других позволит значительно разгрузить умственный труд инженера, исключив монотонные арифметические вычисления. Известно, что лесозаготовительная техника по причине специфики своей работы подвержена экстремальным нагрузкам, особенно в сложных климатических условиях, где перепады температур могут варьироваться в широких пределах. В связи с этим требуется точный системный подход на стадии проектирования лесозаготовительных машин, который позволит создавать надежную, долговечную и конкурентоспособную отечественную технику.
Ключевые слова: лесозаготовительная техника, SolidWorks, COSMOSWorks, автомобильный манипулятор, проектирование.
Conifers of the boreal area. 2019, Vol. XXXVII, No. 1, P. 79-83 THE USE OF COMPUTER TECHNOLOGY IN THE DESIGN OF FOREST MACHINES
D. V. Chernik, Z. L. Eske
Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: dionisu2@mail.ru
The development of computer technology has a significant impact on all areas of human activity, simplifying his life. At the same time, not only the hardware component is improved, but also the software, including computer-aided design systems, which can facilitate the engineer's work not only in the development of design documentation, but also in performing labor-intensive strength calculations of varying complexity of the process equipment designs. The SolidWorks program is designed to solve such problems. In addition, the use of specialized applications such as COSMOSWorks, SolidWorks Motion, and others will significantly relieve the engineer's mental work by eliminating monotone arithmetic calculations. It is known that, due to the nature of their work, logging equipment is exposed to extreme loads, especially in difficult climatic conditions, where temperature differences can vary widely. In this regard, an exact system approach is required at the design stage of forest machines, which will allow to create reliable, durable and competitive domestic equipment.
Keywords: forestry machinery, SolidWorks, COSMOSWorks, car manipulator, design.
ВВЕДЕНИЕ
По данным ООН, Россия является мировым лидером по площади лесов (22 % мировых ресурсов), а по лесам бореальной (40-60° северной широты) и умеренной зон - абсолютным монополистом (около 50 %). В настоящее время ежегодно заготавливается 130 млн куб. м, хотя потенциальный объем лесопользования в России более 550 млн куб. м в год. Расчетная лесосека используется на 18-23 %. По прогнозам, к 2020 году потребность на мировом рынке в деловой древесине возрастет на 300 млн куб. м, и леса России -
единственный источник, который может покрыть эту потребность. Несмотря на первое место в мире по запасам леса, наша лесопромышленность обеспечивает лишь 1,2 % ВВП [1]. Объем выпуска продукции на основе древесины увеличивается всего на 2-3 % за каждый год [2].
Торможение темпов роста вызвано сложившейся ситуацией в лесозаготовительной промышленности, на которой держится вся отрасль. Состояние материально-технической базы следующее: средний возраст техники в отечественном лесопромышленном
комплексе - 17-25 лет, 70 % техники необходимо модернизировать, лишь 5-10 % оборудования российской лесной отрасли соответствует мировым стандартам [3]. Ежегодная потребность в инвестициях лесопромышленного комплекса в 2-3 раза больше предоставляемой, более 56 % лесозаготовительных предприятий убыточны [1].
По числу лесопромышленных предприятий около 90 % - частные [2], поэтому закупать дорогую импортную технику невыгодно. Выход из кризиса отрасли возможен благодаря развитию научно-технического прогресса на всех фазах производства. Совершенствование существующих и создание новых систем машин должно быть направлено на повышение их технического уровня, на повышение показателей надежности, экономических и эргономических показателей.
Известно, что роль технологии, основанной на вывозке из лесосеки сортиментов, определяется ее экономическими, экологическими и социальными преимуществами в условиях России. Наиболее энергоемкими в лесной промышленности являются погрузоч-но-разгрузочные, штабелевочные и другие перемести-тельные операции, поэтому вопросы создания подъемно-транспортных машин с оптимальными характеристиками являются актуальными [4].
В настоящее время в лесной промышленности России на погрузке древесного сырья в виде сортиментов применяются лесопогрузчики поворотного типа, в том числе автомобильные манипуляторы на базе отечественных грузовых машин. Данная машина представляет собой переоборудованный грузовой автомобиль с кониками и защитой, оснащенный шар-нирно-сочлененным или комбинированным манипулятором (рис. 1). Во время погрузочно-разгрузочных работ на технологическом оборудовании автомобильного машины возникают нагрузки, которые необходимо учитывать при проектировании лесопогрузочных машин [5].
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
ИССЛЕДОВАНИЙ
Давно известный и устоявшийся факт, что компьютерное моделирование является необходимым инструментом создания современных технических объектов. Всё более широкий круг предметов и явлений становится объектом компьютерной симуляции. Она внедрилась практически во все сферы инженерной деятельности. Автоматизация проектирования на базе компьютерной графики является одним из основных средств повышения качества и сокращения сроков при создании объектов машиностроения [6].
SolidWorks представляет собой параметрическую систему создания моделей твердых тел, состоящих из элементов. Программа имеет удобный инструмент для создания чертежей, причем большая часть работы выполняется автоматически. Размеры, введенные при создании модели, можно перенести на чертеж. Режим создания сборок позволяет объединять вместе существующие или вновь создавать отдельные детали так, как это делается в реальной жизни при создании целого устройства. Различные конфигурации позволяют создавать несколько вариантов модели внутри одного документа. Для создания одновременно нескольких конфигураций используется таблица параметров. Можно создавать наиболее часто используемые элементы и сохранять их как библиотечные для использования по мере необходимости [6].
COSMOSWorks-приложение к SolidWorks, предназначенное для решения задач механики деформируемого твердого тела методом конечных элементов. Программа использует геометрическую модель детали или сборки SolidWorks для формирования расчетной модели. Интеграция с SolidWorks дает возможность минимизировать операции, связанные со специфическими особенностями конечно-элементной аппроксимации. Назначение граничных условий производится в привязке к геометрической модели. Такими же особенностями обладают и процедуры представления результатов [7].
Рис. 1. Автомобильный манипулятор:
1 - базовая машины; 2 - опорно-поворотное устройство; 3 - гидроцилиндр подъема стрелы; 4 - стрела; 5 - гидроцилиндр поворота рукояти; 6 - рукоять; 7 - грейферный захват
Рис. 2. Расчетная схема
Прежде чем приступать к статическому анализу технологического оборудования автомобильного манипулятора в программе SolidWorks, необходимо построить расчетную схему и определить наиболее нагруженные положения элементов технологического оборудования. Известно, что наибольший изгибающий момент, возникающий на технологическом оборудовании манипулятора, образуется при максимальном вылете, когда стрела и рукоять выстраиваются в одну линию, параллельную опорной поверхности, при этом грузоподъемность максимальна [8]. Согласно вышеперечисленным условиям была построена расчетная схема автомобильного манипулятора (см. рис. 2). На схеме: Ь — максимальный вылет манипулятора; 11 - расстояние от оси вращения стрелы до верхней точки крепления гидроцилиндра стрелы; 1с - расстояние от оси вращения стрелы до центра тяжести стрелы; /р - расстояние от оси вращения рукояти до центра тяжести рукояти; 12 - длина рукояти; Gс - вес стрелы; Gp - вес рукояти; Gpo - вес рабочего органа (грейферного захвата); Gгp - вес груза.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Рукоять автомобильного манипулятора представляет собой сварную конструкцию из двух лонжеронов с проушинами вначале, для крепления к стреле, и в конце, для крепления грейферного захвата. Исходные данные для расчета рукояти приведены в табл. 1. По исходным данным и рабочим чертежам в программе SolidWorks строится 3Э-модель рукояти. В приложении COSMOSWorks запускается новое исследование и устанавливаются контакты (стрелки зеленого цвета) и внешние нагрузки (стрелки красного цвета) на рукоять согласно расчетной схеме и исходным данным (рис. 3).
Стрела автомобильного манипулятора представляет собой сварную конструкцию из четырех лонжеронов с отверстием и втулкой вначале, для крепления к поворотной колонне, и проушинами в конце, для крепления рукояти. В верхней и нижней частях стре-
лы привариваются кронштейны для крепления гидроцилиндров поворота рукояти и подъема стрелы соответственно. Исходные данные для расчета стрелы приведены в табл. 2. По исходным данным и рабочим чертежам в программе SolidWorks строится 3Э-модель стрелы. В приложении COSMOSWorks запускается новое исследование и устанавливаются контакты (стрелки зеленого цвета) и внешние нагрузки (стрелки красного цвета) на стрелу согласно расчетной схеме и исходным данным (рис. 4).
РЕЗУЛЬТАТЫ
И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
После наложения ограничений и внешних нагрузок на технологическое оборудование элементам конструкции присваивается материал и строится сетка. При этом чем мельче элементы сетки конструкции, тем точнее расчет. В качестве материала использовалась низколегированная сталь 09Г2С. Результаты представлены в виде цветных трехмерных эпюр, где каждый цвет несет под собой определенную величину параметра.
На рис. 5 отображены результаты статического анализа рукояти. На рис. 5, а видно, что максимальные напряжения возникают в месте крепления проушин к лонжеронам и составляет 612,4 МПа, что не превышает допустимые напряжения. Наибольшее перемещение под нагрузкой приходится на конец рукояти и составляет 20,856 мм (рис. 5, б). Максимальное значение деформации возникает в месте изгиба проушины (рис. 5, в) и составляет 0,0014 единиц.
На рис. 6 отображены результаты статического анализа стрелы. Величина максимальных напряжений составляет 1130,02 МПа, что превышает допустимые напряжения практически в два раза. Наибольшее перемещение под нагрузкой приходится на конец стрелы и составляет 59,7 мм (рис. 6, б). Максимальное значение деформации возникает в месте крепления кронштейна гидроцилиндра поворота стрелы к стреле (рис. 6, в) и составляет 0,00276 единиц.
Таблица 1
Исходные данные для прочностного анализа рукояти в программе SolidWorks
№ Параметр Обозначение Значение
1 Вес рабочего органа (грейферного захвата) Ою 3237 Н
2 Максимальный вес груза Огр 10 938 Н
3 Вес рукояти Ор 1 658 Н
4 Длина рукояти 12 2,275 м
5 Расстояние от оси вращения рукояти до ее центра тяжести 1р 0,820 м
Таблица 2 Исходные данные для прочностного анализа стрелы в программе SolidWorks
№ Параметр Обозначение Значение
1 Приведенная сила на конец стрелы Опр 22 118 Н
2 Вес стрелы Ос 2 845 Н
3 Длина стрелы 1г-к 4,060 м
4 Расстояние от оси вращения стрелы до ее центра тяжести 1с 1,535 м
Рис. 3. Крепления и внешние нагрузки рукояти в SolidWorks
Рис. 4. Крепления и внешние нагрузки стрелы в SolidWorks
I
I
I
Рис. 5. Результаты статического анализа рукояти в COSMOSWorks:
а - эпюра напряжений; б - эпюра перемещений; в - эпюра деформаций
Рис. 6. Результаты статического анализа стрелы в COSMOSWorks:
а - эпюра напряжений; б - эпюра перемещений; в - эпюра деформаций
а
б
в
в
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Программа SolidWorks позволяет не только определять правильность подобранных сечений элементов конструкции технологического оборудования, здесь можно увидеть, как геометрия конструкции влияет на распределение напряжений. Если провести зондирование опасного поперечного сечения стрелы, то выяснится, что возникающие напряжения не превышают
Рис. 7. Кронштейн гидроцилиндра подъема стрелы
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙСПИСОК
1. Заикина О. Лесной комикс // Прямые инвестиции. 2006. № 6. С. 18-22.
2. Круглый стол: Перспективы лесопромышленного комплекса [Электронный ресурс] / Рейтинговое агентство «Эксперт РА». Режим доступа: http://www.lesis.ru (дата обращения: 10.12.2018).
3. ЛЕСПРОМБИЗНЕС-2005 : материалы пресс-конф., посвящ. Междунар. выставке [Электронный ресурс] / Экспоцентр. Режим доступа: www.expocentr. ш (дата обращения: 10.12.2018).
4. Черник Д. В. Моделирование динамики боковых нагрузок на гусеничные лесопогрузчики : монография / Сиб. гос. технологич. ун-т. Красноярск, 2011. 134 с.
5. Полетайкин В. Ф. Комбинированные манипуляторы лесосечных и лесотранспортных машин. Динамика элементов конструкции : монография / Сиб. гос. технологич. ун-т. Красноярск, 2014. 167 с.
6. Зиновьев Д. В. Основы моделирования в SolidWorks ; под ред. М. И. Азанова. Электрон. дан. М. : ДМК Пресс, 2017. 240 с.
7. Алямовский А. А. COSMOSWorks. Основы расчета конструкций на прочность в среде SolidWorks: справочник. М. : ДМК Пресс, 2010. 784 с.
8. Полетайкин В. Ф. Комбинированные манипуляторы лесосечных и лесотранспортных машин. Динамика элементов конструкции : монография / Сиб. гос. технологич. ун-т. Красноярск, 2014. 167 с.
допустимых, но в результате резкого изменения формы сечения в местах крепления кронштейна гидроцилиндра и лонжерона стрелы образовались места концентрации напряжений (рис. 7). Данные факторы необходимо учитывать при проектировании технологического оборудования и системы автоматизированного проектирования могут хорошо этому поспособствовать.
REFERENCES
1. Zaikina O. Lesnoy komiks // Pryamyye investitsii. 2006, № 6, S. 18-22.
2. Kruglyy stol: Perspektivy lesopromyshlennogo kompleksa [Elektronnyy resurs] / Reytingovoye agentstvo "Ekspert RA". Rezhim dostupa: http://www.lesis.ru (data obrashcheniya: 10.12.2018).
3. LESPR0MBIZNES-2005 : materialy press-konf., posvyashch. Mezhdunar. vystavke [Elektronnyy resurs] / Ekspotsentr. Rezhim dostupa: www.expocentr.ru (data obrashcheniya: 10.12.2018).
4. Chernik D. V. Modelirovaniye dinamiki bokovykh nagruzok na gusenichnyye lesopogruzchiki : monografiya / Sib. gos. tekhnologich. un-t. Krasnoyarsk, 2011, 134 s.
5. Poletaykin V. F. Kombinirovannyye manipulyatory lesosechnykh i lesotransportnykh mashin. Dinamika elementov konstruktsii : monografiya / Sib. gos. tekhnologich. un-t. Krasnoyarsk, 2014, 167 s.
6. Zinov'yev D. V. Osnovy modelirovaniya v SolidWorks ; pod red. M. I. Azanova. Elektron. dan. Moskva, DMK Press, 2017, 240 s.
7. Alyamovskiy A. A. COSMOSWorks. Osnovy rascheta konstruktsiy na prochnost' v srede SolidWorks: spravochnik. Moskva, DMK Press, 2010, 784 s.
8. Poletaykin V. F. Kombinirovannyye manipulyatory lesosechnykh i lesotransportnykh mashin. Dinamika elementov konstruktsii : monografiya / Sib. gos. tekhnologich. un-t. Krasnoyarsk, 2014, 167 s.
© HepHHK ft. B., EcKe 3. fl., 2019
Поступила в редакцию 11.01.2019 Принята к печати 08.02.2019
