CC BY
58
УДК 621.879.34.001.5
АНАНИН ВЛАДИМИР ГРИГОРЬЕВИЧ, докт. техн. наук, avg@tsuab. ги
Томский государственный архитектурно-строительный университет, 634003, г. Томск, пл. Соляная, 2
РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ И МОДЕЛИРОВАНИЯ РАБОЧЕГО ОБОРУДОВАНИЯ ОДНОКОВШОВОГО ЭКСКАВАТОРА
В настоящей работе рассмотрены результаты экспериментальных исследований определения напряжений в металлоконструкциях рабочего оборудования карьерных экскаваторов. Проведено сравнение результатов экспериментальных исследований с результатами моделирования и расчётов конструкции рабочего оборудования в программном продукте APM WinMachine. Результаты исследований показали, что применение программного продукта APM WinMachine на стадии проектирования позволяет достаточно точно определять и исследовать динамику нагружения конструкции.
Ключевые слова: экспериментальные исследования; экскаватор; рабочее оборудование; динамические нагрузки; расчётная схема; математическое моделирование; карта напряжений металлоконструкций; сходимость результатов.
ANANIN, VLADIMIR GRIGORJEVICH, Dr. Tech. Sc., avg@tsuab. ru
Tomsk State University of Architecture and Building,
2 Solyanaya sq., Tomsk, 634003, Russia
RESULTS OF EXPERIMENTAL RESEARCH AND SIMULATION OF WORKING EQUIPMENT OF BUCKET EXCAVATOR
The results of experimental researches determining the stresses in steel elements of working equipment of mining excavators have been considered in the article. The comparison of results of experimental researches with the results of simulation and design calculations of working equipment in the software product APM WinMachine has been carried out. The results showed that the use of the software APM WinMachine during the designing allows one to accurately define and study the dynamic structural loading.
Key words, experimental researches; excavator; operating equipment; dynamic loads; the design scheme; mathematical modeling; stress map of steel elements; reproducibility.
Карьерный экскаватор ЭКГ-20 представляет собой землеройную машину, обладающую большой единичной массой с механическим приводом механизмов подъема и напора ковша ёмкостью 20 м3 (рис. 1).
© В.Г. Ананин., 2013
Рис. 1. Карьерный экскаватор ЭКГ-20
Такого типа машины применяются, как правило, на вскрышных работах при добыче полезных ископаемых. Опыт эксплуатации этих машин показывает, что им приходится разрабатывать как смерзшиеся взорванные скальные грунты, так и плотные глины. При экскавации таких грунтов достаточно часто случается стопорение ковша в забое, что приводит к появлению значительных динамических нагрузок в механизмах подъема и напора ковша, в элементах рабочего оборудования экскаватора (РО). Для определения действующих нагрузок в элементах РО и приводах экскаватора в реальных условиях эксплуатации машины в 1991 г. по заказу ПО «Ижорский завод» были проведены натурные испытания опытного образца карьерного экскаватора ЭКГ-20 в разрезе им. 50-летия Октября ПО «Кемеровоуголь». В процессе испытаний фиксировались значения усилий в канатах механизмов подъёма и напора ковша, токи и напряжения в электродвигателях механизмов, значения напряжений, возникающих во всех элементах РО экскаватора. На рис. 2, 3 представлены схемы расположения тензорезисторов для записи напряжений в верхней и нижней секциях стрелы.
Рис. 2. Схема расположения датчиков на нижней секции стрелы
В точках СНл и СНп измерялись напряжения растяжения-сжатия. В остальных точках - суммарные напряжения.
Рис. 3. Схема расположения датчиков на верхней секции стрелы
В точках СВл и СВп регистрировались напряжения растяжения-сжатия. В остальных точках - суммарные напряжения.
Значения внешних нагрузок и напряжений в металлоконструкциях стрелы при динамическом режиме нагружения экскаватора представлены на выкопировках из осциллограмм рис. 4, 5.
Рис. 4. Выкопировка из осциллограмм изме- Рис. 5. Выкопировка из осциллограмм из-нения усилий в канатах подъема и менения напряжений в характерных
напора ковша, тока и напряжения ме- точках металлоконструкции нижней
ханизма подъема ковша при динами- секции стрелы
ческом стопорении ковша в забое
На рис. 4 приняты следующие обозначения: 5п - усилие в канатах механизма подъема ковша, 5н - усилие в канатах механизма напора ковша, Vn -электрическое напряжение механизма подъема ковша, Jn - ток механизма подъема ковша, ОВ - отметчик времени нагружения конструкции с интервалом в 1 с. Обозначения на рис. 5 соответствуют расположениям тензодатчи-ков на схемах рис. 3, 4.
Значения измеряемых параметров при проведении натурных испытаний опытного образца экскаватора представляют реальную картину нагружения конструкций машины. Но такие испытания возможны только после его изготовления, а проектировщику для назначения оптимальных параметров конструкции машины уже на стадии проектирования необходимо знать значения возможных нагрузок на элементы её конструкции.
При создании машин подобного типа проектировщиков интересуют напряжения в её металлоконструкциях и внешние нагрузки, передаваемые на металлоконструкции экскаватора через канаты подъема и напора ковша, возникающие при режимах статического и динамического стопорения ковша в забое. Обоснованное назначение внешних нагрузок на стадии проектирования позволяет проектировщикам определять оптимальные параметры металлоконструкций машины, что существенно снижает её массу, увеличивает ресурс и повышает конкурентоспособность на внешнем рынке.
Применение современных CAD/CAE систем позволяет на стадии проектирования смоделировать действующие нагрузки и возникающие напряжения в элементах РО экскаватора. В [1] уже был рассмотрен вопрос моделирования РО экскаватора в среде АРМ WinMachine и проведен анализ статического режима нагружения конструкции, который показал хорошую сходимость результатов моделирования конструкции с результатами натурных испытаний.
В реальных условиях эксплуатации машины РО испытывает как статические, так и динамические нагрузки в процессе экскавации грунта. Определение динамических нагрузок на элементы РО экскаватора классическим способом, т. е. приведением масс конструкции и жесткостей к более упрощенным расчетным схемам, обладающим двумя или несколькими массами, и решением дифференциальных уравнений с несколькими массами, - процесс достаточно трудоёмкий, при рассмотрении множества вариантов конструкции с точки зрения оптимизации её параметров практически невыполнимый. Программный комплекс APM WinMachine позволяет исследовать не только статические, но и динамические режимы нагружения конструкции.
На рис. 6 представлена трехмерная модель рабочего оборудования экскаватора ЭКГ-20 для моделирования в модуле прочностного расчета АРМ Structure 3D программного продукта APM WinMachine [2].
Модель состоит более чем из шестнадцати тысяч конечных элементов. Соединение элементов РО во всех узлах шарнирное. Опоры конструкции обладают одной степенью свободы - вращением вокруг оси Y, что соответствует реальной конструкции машины. Значения внешних нагрузок от действия механизмов подъема и напора ковша берём из результатов эксперимента. Максимальные значения внешних нагрузок: 5п - усилие в канатах подъема ковша 2006 кН, 5н - усилие в канатах напора ковша 793 кН.
Рис. 6. Трехмерная модель конструкции рабочего оборудования карьерного экскаватора ЭКГ-20
Нагрузку прикладываем сплайном. Характер изменения внешних нагрузок во времени соответствует кривым осциллограмм «^п и «^н и представлен на рис. 7.
Рис. 7. Характер изменения внешней нагрузки при задании её сплайном в динамическом режиме нагружения конструкции рабочего оборудования
В процессе работы программа рассчитывает и выводит на экран дисплея частоты собственных и вынужденных колебаний конструкции (рис. 9, 10), перемещения элементов конструкции (рис. 11), карту напряженно деформированного состояния элементов РО экскаватора (рис. 8) и другую интересующую проектировщика информацию.
Рис. 8. Карта напряжений элементов рабочего оборудования экскаватора
Рис. 9. Частоты собственных колебаний конструкции. Изгиб с кручением
;Яя,,г1 а®езн* а Windows Commander 5,.,. 11 §3 АРМ Structure3D - [7... W Microsoft Word ■ Put 15, ■, | gfl 6shape, bmp ■ Paint | ^ 12:05
Рис. 10. Частоты собственных колебаний конструкции. Чистый изгиб
! Graph Window
v'lalHBlgil&KlMlAilHlFl I X=0.48; Y=-95
Перемещение от времени
а
■ /
. /
V
J
Z4 |\ А
? 1 1 1 1 1 0 1 ' ' ' 0 4 ' ' ' ' 0 ! ' ' ' ' 0 1 А 1 ' ' ' ' 1 1 4 ' ' ' ' 1 1
Рис. 11. Графики перемещения головы стрелы в точке приложения внешней нагрузки по осям Х, Y, Z
Целью моделирования конструкции РО являлось определение напряжений в его элементах и сравнение их с результатами натурного эксперимента. Для этого были составлены трехмерные модели четырех карьерных экскаваторов ЭКГ-16, ЭКГ-20, ЭКГ-12 УС, ЭКГ-8У. Все эти машины выполнены на одной базе с различными параметрами рабочего оборудования. Для определения действительного характера изменения внешних нагрузок и значений напряжений в элементах металлоконструкций РО вышеперечисленных машин были проведены натурные испытания опытных образцов этих экскаваторов в разрезах ПО «Кемеровоуголь» и ПО «Экибастузуголь». В таблице приведены результаты натурных испытаний опытных образцов экскаваторов и результаты расчета трехмерных моделей РО в модуле АРМ Structure 3D. Расчет параметров РО производился для внешних нагрузок, указанных в таблице.
Результаты экспериментальных исследований
Марка машины Значения SBS (МПа) SHS (МПа) SZP (МПа) SPP (МПа) SSP (МПа) Sп (кН) Sн (кН)
ЭКГ-20 Эксп. значение 35-37 48-51 22-27 12-18 12-15 1530 559
Теор. значение 42,5 47,3 30 21,4 17,5 - -
ЭКГ-16 Эксп. значение 36 32 22 19 16 1500 600
Теор. значение 41 39 31 23 18 - -
ЭКГ- 12УС Эксп. значение 34-39,5 36-39 32 26,2- 30,3 17,6 680 150
Теор. значение 32,3 34,7 26,8 27,3 12,7 - -
ЭКГ-8У Эксп. значение 43 30 33 30 15 680 150
Теор. значение 37,5 27,2 31,4 24,7 12,2 - -
В таблице приняты следующие обозначения:
SBS - значения напряжений в точках СВп, СВл верхней секции стрелы;
SHS - значения напряжений в точках СНп, СНл нижней секции стрелы;
SZP - значения напряжений в задних подкосах двуногой стойки;
SPP - значения напряжений в передних подкосах двуногой стойки;
SSP - значения напряжений в стреловом раскосе.
Сравнение результатов теоретического расчета в модуле АРМ Structure 3D и натурных испытаний показывает достаточно хорошую сходимость. Это говорит о возможности применения системы автоматизированного проектирования АРМ WinMachine для моделирования и расчета сложных машиностроительных конструкций. Анализ карты напряжений трехмерной схемы РО экскаватора показывает, что конструкция РО не равнонапряженная и имеется реальная возможность для оптимизации её геометрических параметров.
Результаты моделирования и расчёта показали, что погрешность при сравнении расчётов и натурного эксперимента не превышает 7-10 %. Это обстоятельство позволяет сделать вывод, что моделирование процессов нагружения конструкции рабочего оборудования на стадии проектирования в программном продукте APM WinMachine достаточно адекватно отображает характер и численные значения изменения напряжений в элементах рабочего оборудования при различных режимах его нагружения.
Библиографический список
1. Ананин, В.Г. Моделирование рабочего оборудования карьерного экскаватора с механическим приводом и анализ его напряженного состояния в среде APM WinMachine / В.Г. Ананин. - М. : САПР и графика, 2004. - 22 с.
2. Замрий, А.А. Проектирование и расчёт методом конечных элементов в среде АРМ Structure 3D / А.А. Замрий. - М. : Издательство АПМ, 2010. - 375 с.
References
1. Ananin V.G. Modelirovanie rabochego oborudovanija kar'emogo jekskavatora s mehaniches-kim privodom i analiz ego napijazhennogo sostojanija v srede APM WinMachine [Modelling of the working equipment of mining excavator with a mechanical drive and the analysis of its tension in the software APM WinMachine]. - Moscow : SAPR i grafika [SAPR and Graphics], 2004. - 22 p.
2. Zamrij A.A. Proektirovanie i raschjot metodom konechnyh jelementov v srede ARM Structure 3D [Designing and calculation by a method of final elements in automated workplace Structure 3D]. - Moscow : Izdatel'stvo APM [APM Publ.], 2010. - 375 p.
