Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и постановка задач исследований 7
1.1. Устройство стрел экскаваторов-драглайнов 7
1.2. Нагрузки, действующие на стрелу экскаватора-драглайна 14
1.3. Обзор методик расчета стрел экскаваторов-драглайнов 17
1.3. Постановка задач исследований 22
2. Разработка методики расчета усилий на стрелу драглайнов 23
2.1. Расчет нагрузок на стрелу драглайна от ковша 25
2.1.1. Расчетная схема 26
2.1.2. Математическая модель расчета усилий в канатах лебедки от силы тяжести ковша 27
2.1.3. Модель процесса транспортирования ковша 29
2.1.4. Действие сил инерции, возникающих при движении ковша с ускорением 36
2.1.5. Действие динамических усилий при разгоне барабанов лебедок 38
2.2. Расчет максимальных усилий в канатах при входе в зону растяжки ковша 43
2.3. Расчет ветровых нагрузок 49
2.4. Расчет инерционных нагрузок на стрелу при повороте платформы... 50
3. Разработка методики расчета параметров при проектировании стрел драглайнов 52
3.1. Выбор способа расчетов и инструментальных средств 52
3.2. Методика расчетов при применении АРМ WinStructure3D 54
3.2.1. Создание модели конструкции 54
3.2.2. Создание модели закреплений 61
3.2.3. Создание модели нагружения 61
3.3. Задачи расчетов стрел драглайнов 66
3.3.1. Расчет на прочность ; 67
3.3.2. Выбор формы сечений и расчет элементов стрелы на устойчивость... 68
3.3.3. Расчет на выносливость 72
4. Проведение исследований и поиск оптимальных значений параметров стрел драглайнов ... 79
4.1. Влияние траекторий движения ковша на усилия в канатах 80
4.2. Влияние способа задания инерционных, центробежных сил и ветровой нагрузки 83
4.3. Влияние положения ковша ; 84
4.4. Влияние действующих нагрузок на металлоконструкции 87
4.5. Методика проведения расчетов элементов стрелы на долговечность . 90
4.6. Влияние величины предварительного натяжения вант на НДС стрелы95
4.7. Методика оптимизации параметров стрел драглайнов 97
4.7.1. Оптимизация параметров стрел драглайнов на примере экскаватора-драглайна ЭШ-11.75 99
4.7.2. Оптимизация параметров стрел длиной 90 метров 102
Заключение 106
Список литературы 107
Приложения 117
- Нагрузки, действующие на стрелу экскаватора-драглайна
- Модель процесса транспортирования ковша
- Создание модели конструкции
- Методика проведения расчетов элементов стрелы на долговечность
Введение к работе
Актуальность темы. При добыче полезных ископаемым открытым способом большую долю в себестоимости составляют затраты от работы экскаваторов-драглайнов. Даже незначительное повышение производительности экскаватора позволит получить существенный экономический эффект.
Для переноса вскрышных пород на требуемые расстояния увеличивают длину стрелы, что приводит к увеличению массы стрелы и всего экскаватора. Удлинение даже на 1 % стрелы драглайна, которая составляет 5…7 % от массы всей машины, увеличивает массу последней на 0,5-0,7 %.
Влияние металлоконструкций стрелы на массу экскаватора в целом обусловливает необходимость реального проектирования и поиск оптимального конструктивного решения для снижения массы стрелы.
Учитывая сложность проектируемого объекта, невозможно создать качественное, надежное и конкурентоспособное оборудование без пакетов инженерного анализа (ANSIS, АРМ WinМachine и др.) и принять на его основе грамотные конструктивные решения. Инженерный анализ – это, в первую очередь, исследование напряженно-деформированного состояния (НДС) моделей проектируемых конструкций, получение их динамических характеристик и характеристик устойчивости.
Особенностью расчета стреловых металлоконструкций экскаватора-драглайна, по сравнению со стационарными, является сложный характер нагружения элементов металлоконструкций в процессе работы драглайна.
Таким образом, обеспечение на стадии проектирования снижения массы экскаватора, увеличения долговечности трехгранной стрелы экскаватора-драглайна за счет оптимизации ее параметров, своевременной остановки на ремонт с целью предотвращения её разрушения, продления безопасного периода эксплуатации и, как следствие, повышение производительности является актуальной научно-технической задачей.
Объект исследований: трехгранные стрелы экскаваторов-драглайнов.
Предмет исследований: оценка напряженно-деформированного состояния трехгранных стрел экскаваторов-драглайнов на любой стадии жизненного цикла.
Цель работы – снижение массы экскаватора-драглайна и повышение производительности за счет оптимизации параметров трехгранных стрел на стадии проектирования.
Идея работы. Оптимизация параметров трехгранных стрел экскаваторов-драглайнов выполняется на основе исследования напряженно-деформи-рованного состояния элементов. Расположение и поперечные сечения элементов стрелы определяются использованием в расчетах усилий в канатах, получаемых математическим моделированием работы лебедок подъема и тяги.
Научные положения, выносимые на защиту:
1. Максимальные усилия в канатах при прочностном расчете стрелы необходимо определять по имитационным моделям работы приводов подъема и тяги с учетом инерционности элементов лебедок.
2. Расчет долговечности стрелы целесообразно проводить с учетом конструктивных исполнений её элементов по усилиям в подъемных и тяговых канатах при отработке экскаваторной заходки.
3. Уменьшение металлоемкости и обеспечение долговечности стрелы экскаватора-драглайна достигается рациональными размерами и расположением элементов стрелы, определяемых расчетами НДС.
Научная новизна результатов исследований.
-
Предложена методика расчета усилий в подъемных и тяговых канатах с использованием имитационных моделей работы механизмов, разработан алгоритм, составлена программа для ЭВМ.
-
Установлено влияние усилий в подъемных и тяговых канатах, а также исполнений конструктивных элементов на прочность, устойчивость и долговечность стрелы.
3. Разработана методика определения оптимальных параметров стрелы на основе исследования НДС её конструктивных элементов.
Методы научных исследований: математическое моделирование; моделирование напряженно-деформированного состояния стрелы драглайна с использованием модуля APM WinStructure3D среды инженерного анализа АРМ WinМachine, который предназначен для комплексного анализа трехмерных конструкций и основан на методе конечных элементов (МКЭ).
Достоверность научных положений, выводов и результатов
исследования подтверждается корректным использованием уравнений механики и апробированных методов численного интегрирования, применением сертифицированного модуля расчета напряженно-деформированного состояния металлоконструкций.
Практическая значимость работы. Использование результатов научных исследований позволит снизить металлоемкость стрелы и всего экскаватора, что приведет к уменьшению времени рабочего цикла и увеличению производительности машины. Разработанный алгоритм позволит оптимизировать параметры трехгранных стрел экскаваторов-драглайнов. Составленная математическая модель расчета усилий на металлоконструкции стрелы реализована в виде программы для ЭВМ.
Личный вклад автора заключается:
- в разработке методики моделирования напряженно-деформированного состояния стрелы драглайна;
- в разработке методики расчета усилий в канатах с учетом инерционности подъемной и тяговой лебедок;
- в разработке алгоритма поиска оптимальных параметров трехгранных стрел.
Реализация выводов и рекомендаций работы. Методика расчета параметров стрел драглайнов рекомендуется организациям, проектирующим экскаваторы-драглайны. Методика расчетов стрел для подготовки к проведению капитального ремонта принята к внедрению ОАО «Ураласбест» (акт внедрения от 19.10.2011).
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на международных и российских научных конференциях: «Уральская горная школа» (г. Екатеринбург, 2009, 2011 гг.), «Неделя горняка – 2008-2011 гг.» (г. Москва, 2008-2011 гг.), Технологическое оборудование для горной и нефтегазовой промышленности. Чтения памяти В.Р. Кубачека (г. Екатеринбург, 2008-2011 гг.).
Публикации. Основные научные результаты опубликованы в 9 работах, в том числе 4 из Перечня ведущих рецензируемых научных журналов и изданий.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4-х глав, заключения, библиографического списка из 107 наименований и 2-х приложений. Работа изложена на 135 страницах машинописного текста, в том числе содержит 55 рисунков, 14 таблиц и 2 приложения на 19 страницах.
Нагрузки, действующие на стрелу экскаватора-драглайна
Методы определения расчетных нагрузок на стреловые конструкции изложены в работах Винокурского Х.А., Волкова Д.П., Домбровского Н.Г., Ломакина В.П., Легоминова В.В., Михайлова Л.К., Подэрни Р.Ю., Полянского Е.С. и др. [14, 18, 31, 34, 35, 39, 50, 51, 57, 68, 71-73, 77,80, 83, 96, 105, 107]. При расчете металлоконструкции стрелы, учитывают все действующие на нее нагрузки: основные — сила тяжести стрелы; горизонтальные инерционные и центробежные силы, появляющиеся при поворотах экскаватора (без учета колебаний ковша); переменные нагрузки в подъемных канатах от силы тяжести ковша с грунтом с разным положением ковша; нагрузки от предварительного натяжения гибких элементов; дополнительные - ветровые нагрузки; аварийные - нагрузки при падении груженого ковша с уступа; нагрузки при переподъеме ковша; нагрузки при растяжке ковша, когда не срабатывает защита от возможной растяжки, горизонтальные инерционные нагрузки от ковша с грунтом с учетом раскачиваний ковша.
Сила тяжести стрелы в работе [52] определяется по формуле, зависящей от объемной массы материала, площади поперечных сечений элементов, их длины и массы конструктивных узлов. В работах [5, 12, 28] авторы используют эмпирическую формулу, в которой учитывают объем ковша, длину стрелы и коэффициент конструкции стрелы. Найденную силу тяжести рас пределяют равномерно на все узлы металлоконструкции, т. е. общую силу тяжести стрелы делят на количество ее элементов. Такое распределение нагрузки является приближенным, и полученные результаты напряженно-деформированного состояния от этого нагружения будут значительно отличаться от фактических данных. В инженерных пакетах силу тяжести прикладывают в виде распределенной силы ко всем элементам конструкции. Подобный метод позволяет более точно отследить поведение металлоконструкции при нагружении этого рода.
Инерционные и центробежные силы действуют в горизонтальной плоскости и возникают при разгоне и торможении .платформы экскаватора. В общем случае на них влияют угловые ускорение и скорость поворота платформы экскаватора, а также масса элементов и радиус от расчетного сечения до оси вращения экскаватора [11]. В некоторых методиках при расчете напряжений в элементах стрел экскаватора-драглайна центробежные усилия не учитывают, в других предлагается прикладывать нагрузку сосредоточенной силой к каждому элементу металлоконструкции [85].
В известных методиках расчета стрел усилия в подъемных канатах рассчитывают для трех положений ковша [6, 85, 93, 98]. Для расчета верхних поясов и подвески стрелы принимается положение I ковша с породой, при котором набегающая ветвь подъемных канатов направлена вертикально или близка к вертикали. Такое направление возможно во время отрыва ковша от забоя (при интенсивном копании на коротком участке и максимальном удалении от пяты стрелы) или при повороте экскаватора с груженым ковшом на максимальном вылете. В этом случае усилие в подъемном канате равно произведению силы тяжести ковша и коэффициента динамики (при отрыве ковша или повороте экскаватора). Это положение является расчетным для верхних поясов стрел и подвесок, а также решетки вертикальной фермы для стрел вантовой конструкции. Для расчета нижних поясов стрел принимают /7 расчетное положение груженого ковша. В этом положении набегающая ветвь подъемных канатов проходит на наибольшем расстоянии от нижнего пояса стрелы (отрыва ковша с породой вблизи от пяты стрелы, транспортирование груженого ковша к головной части стрелы) при усилиях в подъемных канатах, равных стопорным. Усилия в верхнем поясе стрелы максимальны при / положении груженого ковша, несмотря на то, что усилие в подъемных канатах при II положении ковша почти в два раза больше, чем при / положении груженого ковша. Для нижнего пояса стрелы наибольшая сила сжатия получается при положении ковша, когда усилие в подъемном канате равно максимальному (стопорному), а угол между подъемным канатом и вертикалью наименьший.
Для проверки на выносливость, нужно знать минимальные усилия в элементах стрелы. Минимальное усилие в верхнем поясе возникает, когда подъемный канат имеет наименьший угол с горизонталью, а усилие в подъемном канате равно максимальному (стопорному). Дальнейший расчет ведется на равнодействующую или на каждое усилие в отдельности (с последующим суммированием усилий в элементах). Однако в этой методике не учитывают процесс движения ковша при входе в зону растяжки, в случае, когда подъемная и тяговая лебедки работают на себя, т. е. уменьшают длину канатов. При работе реальной лебедки из-за большой инерционности ковш не остановится на границе, а продолжит движение к стреле. Между подъемными и тяговыми канатами увеличится угол и это приведет к увеличению усилий в канатах.
Предварительное натяжение гибких элементов определяют из условия, что предварительное сжимающее усилие в элементе должно превосходить усилие растяжения, появляющееся от внешних нагрузок. В отличие от стрел с головной подвеской, где стрела работает, в целом, как сжатый стержень, а на растяжение работает подвеска стрелы, выполненная из канатов, в трехгранной жесткой стреле верхний пояс заменяет подвеску и работает на растяжение. Чтобы обеспечить работу верхнего пояса на сжатие, и тем самым, повысить его выносливость, часто верхний пояс стрелы подвергают предварительному сжатию с помощью канатов. В методическом указании [85] ве личину преднапряжения канатов предлагается находить исходя из единичной силы, приложенной к верхнему поясу; модулей упругости, площадей поперечного сечения, длины трубы и канатов. В работе [52] автор подробно исследует влияние предварительного напряжения на примере стрел драглайнов и замечает, что при увеличении предварительного напряжения верхнего пояса запас прочности с учетом устойчивости в панелях пояса уменьшается. При этом коэффициент ассиметрйи цикла увеличивается. Напряженное состояние панелей пояса смещается в область сжимающих напряжений и долговечность пояса за счет повышения предела выносливости увеличивается.
В известных методиках [69] отмечено, что ветровую нагрузку в основном учитывают при расчетах металлических конструкций кранов. Для стрел экскаваторов-драглайнов таким видом нагружения пренебрегают.
При траектории экскавации близкой к бровке забоя возможны случаи срыва ковша и его падения, высота падения ковша ограничена величиной слабины подъемных канатов. При расчетах обычно определяют допустимую высоту падения ковша исходя из прочности стрелы. Как показали эксперименты, падение ковша даже с небольшой высоты приводит к большим перегрузкам стрелы и авариям [6].
При перемещении ковша на него действует сила тяжести, инерционные силы при разгоне и торможении ковша лебедками подъема и тяги, центробежная сила при повороте платформы, инерционные силы от ускорений при повороте платформы. Вышеперечисленные силы уравновешены усилиями в канатах подъемной и тяговой лебедок. Эти усилия передаются через головные блоки на стрелу. Сила тяжести канатов увеличивает нагрузку на стрелу и изменяет направление действия усилий на блоки стрелы.
Модель процесса транспортирования ковша
Достоинством методики допускаемых напряжений является простота, но эта методика недостаточно точно учитывает факторы, влияющие на работу конструкции, степень воздействия каждой из действующих нагрузок, не оценивает изменчивость различных видов нагрузок, а также не в полной мере учитывает механические свойства материала. Это приводит к неправильной оценке несущей способности конструкции, вследствие чего одни конструкции могут обладать чрезмерным запасом прочности, а другие недостаточным. Расчет по методу допускаемых напряжений можно представить как частный случай расчета по методу предельных состояний. Необходимо отметить, что при расчете по предельному состоянию конструкция будет иметь несколько меньшую массу и будет более близка к равнопрочной. Вероятностные методы слишком сложны и громостки для повседневной практики, и они могут быть использованы для обоснования значений коэффициентов запаса. Но следует заметить, что применение вероятностных методов расчета не всегда возможно из-за недостатка экспериментальной информации о нагрузках, характеричтиках прочности и пр.
Сложность расчета стрел драглайнов заключается в том, что величины внешних нагрузок от силы тяжести ковша с грунтом в элементах зависят не только от места положения ковша под стрелой, но и от параметров внешней и внутренней конфигурации самой стрелы. Поэтому разработка отдельных методик и программ динамического расчета стреловых конструкций как систем с распределенными параметрами до сих пор остается задачей исследовательского характера.
При традиционных расчетах стрелы принимают множество допущений. Существуют примеры расчета стрел в виде прямолинейных стержней на гибкой подвеске [70]. Расчетные схемы приводят к статически определимым фермам с шарнирами в узлах. Нижние и верхние пояса на изгиб от силы тяжести проверяют как неразрезные балки с опорами в узлах фермы. Подобного рода условия приближенно отражают реальные нагружения, и не позволяют описать все многообразие проектных задач, все это приводит к неточности оценки состояния элементов стрелы. Нет возможности проследить изменение изгибающих моментов в узлах стрелы и внутренних усилий в ее элементах. Условные вертикальные фермы, являющиеся проекцией наклонных ферм на вертикальную плоскость[12], рассчитывают на вертикальные нагрузки что, в свою очередь, не учитывает расположение металлоконструкции в пространстве. Вертикальные и горизонтальные фермы рассчитывают независимо друг от друга на вертикальные и горизонтальные нагрузки - это не отражает работу всех элементов стреловой металлоконструкции как пространственной системы.
Для расчета ферменных конструкций до внедрения ЭВМ применяли: метод сил, метод перемещений и метод моментных или угловых фокусов и т.д. Применение методов зависит от расчетной схемы. Эти методы не исключают, а наоборот, дополняют друг друга. Одну схему выгоднее рассчитать методом сил, другую - методом перемещений, третью - методом моментальных или угловых фокусов и т.д.- Для определений усилий в элементах стрелы производят построение силовых диаграмм, с помощью графических методов, которые в настоящее время не используют, потому что их применение увеличивает время расчетов и, как следствие, снижает производительность труда.
Ряд работ [5, 15, 53] по расчету стреловых конструкций основан на результатах предварительно проведенных экспериментальных исследований натурных моделей металлоконструкций стрел с целью выявления характера колебаний элементов для обоснования расчетных динамических схем.
При сложном нагружении ответственных металлоконструкций анализ напряженно-деформированного состояния (НДС) может быть проведен только на основании решения краевых задач, учитывающих различные нелинейные деформации и свойства материала. Расчет НДС должен учитывать сложную геометрию конструкции. Такого рода задачи могут быть решены в основном численными методами, наибольшей универсальностью из которых обладает метод конечных элементов (МКЭ). В МКЭ расчетная область разделена на значительное число мелких областей - элементов, т. е. выполняется дискретизация, позволяющая понизить уровень задачи до конечного числа неизвестных, представляя их через аппроксимирующие (интерполирующие) функции. Для конструкций, состоящих из большого числа конструктивных элементов, каждый из которых описан своим дифференциальным уравнением, МКЭ является, по сути, единственным методом, позволяющим рассчитать напряженное состояние конструкции [1, 7, 88].
Такой подход невозможно применить для ручного способа вычислений даже с использованием персональных компьютеров. Непросто оценить точность таких расчетов без экспериментальной проверки на моделях и изделиях. Поэтому разработаны системы автоматизированного проектирования на основе МКЭ, которые расширяют возможности пользователя. В настоящее время разработаны пакеты инженерного анализа, реализующие идеи МКЭ, которые позволяют описать геометрическую форму изделий различной сложности, выполнить анализ связей всевозможных параметров, провести их оптимизацию и т. д. Исчезает необходимость в разбивке трехмерных конструкций на плоские элементы и вообще в расчете изолированных крупных узлов металлоконструкций. МКЭ в совокупности с программным пакетом применим к любым системам. Сравнительный анализ между расчетами с применением МКЭ и классическими расчетами с характерными для них схемами был проведен в научных работах [16, 79]. По полученным результатам авторы констатировали существенную погрешность классического расчета, в некоторых случаях получались заниженные напряжения, что приводит к отказам и разрушениям элементов металлоконструкции при эксплуатации, в других - завышенные запасы прочности приводят к увеличению металлоемкости. Классические расчетные схемы дают отклонения по абсолютным значениям напряжений в сравнении с МКЭ вплоть до 60%.
Распространение персональных ЭВМ позволило применить при расчетах пакеты инженерного анализа на основе МКЭ. Каждая из существующих универсальных программных систем обладает своей особенностью и спецификой. При использовании пакетов для анализа конкретных объектов необходимо составить собственные методики, обеспечивающие подготовку исходных данных.
Создание модели конструкции
При проектировании стрел драглайнов необходимо определять напряжения и перемещения в элементах стрелы, проводить расчеты на устойчивость и усталость. Выполнив расчет и последующий анализ, можно принять решение по изменению и доработке проектируемой стрелы. Для расчета и последующего анализа используют пакеты прикладных программ, в основе которых метод МКЭ.
При выборе для расчетов АРМ WinStructure3D применяют модели: конструкции, защемлений, нагружения, материалов.
Для проектирования стрел драглайнов предложена модель конструкции двух типов. При расчетах на первом этапе выполняют выбор сечений и размеров элементов, которые реализуют схему стрелы. Модель конструкции для такого расчета представляет собой стержневую систему.
На основе МКЭ разработано несколько пакетов ANSIS, NASTRAN, COSMOSXpress, АРМ WinMachine. Анализ работы с этими пакетами показал, что наиболее простым для применения является российский продукт АПМ WinMachine, созданный НПЦ АПМ (г. Королев). В этом программном продукте может работать специалист, имеющий инженерное образование без специальной математической подготовки. Пакет обеспечивает удобство ввода моделей сложных изделий, наглядность и достоверность результатов расчетов. Немаловажным является и доступность в цене такого продукта. Имеются сравнительные оценки по точности расчетов по отношению к пакетам ANSIS, NASTRAN, доказывающих адекватность результатов [ 38, 101 ].
Многоцелевая система АРМ WinMachine, ее структурный модуль АРМ WinStructureSD (модуль имеет сертификат соответствия № РОСС RU.Cn 15.Н00086 (система сертификации ГОСТ Р Госстандарт России) представляет собой «систему, предназначенную для комплексного анализа трехмерных конструкций, состоящих из совокупности стержневых, пластинчатых и объемных элементов и любых их произвольных комбинаций». Имеющиеся возможности в АРМ WinMachine инструментального обеспечения решения инженерных задач позволяют выполнить различные расчеты: прочности, жесткости и устойчивости; выносливости при переменных режимах нагружения [38,101].
В результате расчетов в модуле АРМ WinStructure 3D выдается следующая информация:
распределение главных и эквивалентных напряжений, также их составляющих; изменение напряженно-деформированного состояния конструкции под действием произвольно-меняющихся во времени нагрузок; распределение линейных, угловых и суммарных перемещений; распределение деформаций по элементам модели; карты распределения и эпюры внутренних усилий; распределение усилий в контактной зоне; коэффициент запаса и форма потери устойчивости; распределение коэффициентов запаса и числа циклов по критерию усталостной прочности; распределение коэффициентов запаса по текучести и прочности; координаты центра масс, вес, объем, длина, площадь поверхности, моменты инерции модели, а также моменты инерции, статические моменты и площади поперечных сечений; карта распределения напряжений в произвольном сечении стержня; частоты и формы собственных колебаний конструкции; реакции в опорах, а также суммарные реакции, приведенные к центру масс модели. Выполнив расчет и последующий анализ, можно принять решение по изменению и доработке базового варианта модели, затем внести необходимые изменения и произвести расчет заново. При расчетах в АРМ WinStructure3D используются модель конструкции, модель закреплений, модель нагружения, модель материалов [17, 22, 38]. При расчетах методом конечных элементов (КЭ) вначале определяются перемещения узлов модели. Величины внутренних усилий в элементе пропорциональны перемещениям в его узлах. Коэффициентом пропорциональности выступает квадратная матрица жесткости, количество строк которой равно числу степеней свободы элемента. Все остальные параметры КЭ, такие как напряжения, поле перемещений и т. п., вычисляются на основе его узловых перемещений [101]. Для проведения конечно-элементного анализа необходимо: выбрать тип конечных элементов (для всей модели или ее отдельных частей), с помощью которых можно адекватно смоделировать реальную конструкцию; построить модель проектируемого объекта в трехмерном пространстве; провести разбиение модели на конечные элементы. Основными типами применяемых на практике конечных элементов являются: стержневые; оболочечные/пластинчатые; объемные. В АРМ Structure3D имеются также специальные инструменты моделирования конструкций, такие как совместные перемещения, упругие связи, узловые массы, контактные элементы и т. д. Все многообразие моделей конструкций и деталей может быть описано с помощью КЭ разных типов или их комбинаций.
Методика проведения расчетов элементов стрелы на долговечность
При поиске оптимального технического решения возможно проведение структурной и параметрической оптимизации. К структурной оптимизации отнесем выбор типа стрелы: трехгранная жесткая, вантовая, ферменная; выбор исполнения для каждого типа стрелы: количество поясов, наличие или отсутствие некоторых элементов и т. п. При параметрической оптимизации для каждого конструктивного исполнения определяются такие параметры, как поперечные сечения и линейные размеры элементов.
Поиск оптимального решения организуется путем проведения расчетов для всех структурных вариантов стрелы с определением оптимальных размеров ее элементов. Полученные минимальные значения массы для каждого варианта сравнивают и принимают окончательное решение по выбору варианта.
Итак, основной задачей при оптимизации является определение напряжений и перемещений элементов стрелы под действием внешних нагрузок. Как уже отмечалось, для выполнения такого расчета необходимо решить задачи создания следующих моделей: материала, формы, закрепления и нагру-жения.
Расчет ограничений при оптимизации проводим в модуле инженерного анализа Structure 3D. Оптимизация параметров стрел драглайнов на примере экскаватора-драглайна ЭШ-11.75 Базовая модель стрелы ЭШ-11.75 показана на рис. 4.1. Критерием оптимизации принята масса стрелы. Ограничениями служат условия прочности, устойчивости и долговечности. Переменными оптимизации являются геометрические размеры сечений элементов стрелы; длина и угол наклона задних стоек (15 по рис. 4.1), определяющих расстояние между нижними и верхними поясами стрелы; длина панелей нижних поясов (5...9 по рис. 4.1). Проведен поиск оптимальных размеров элементов стрелы. В процессе оптимизации варьировались линейные размеры элементов стрелы и ее конструктивное исполнение. 1. Изменялись размеры панелей 5, 6, 7, 8, 9 в принятом интервале (см. рис. 4.1) двух нижних поясов (включая один вариант равной длины), стойки 17, 18, 19 устанавливались перпендикулярно панелям (рис. 4.1); 2. Изменялись углы наклона стоек 16, 17, 18, 19 (см. рис. 4.1) в вертикальной плоскости, панели 1, 2, 3, 4 верхнего пояса принимались равной длины (рис. 4.1); 3. Из базового образца модели стрелы удалены элементы 10, 20, 21 (рис. 4.1); 4. По сравнению с базовым образцом модели уменьшено количество панелей нижних поясов на одну при неизменной толщине труб (рис. 4.1). 5. По сравнению с базовым образцом уменьшено количество панелей нижних поясов на одну, толщина стенок трубчатых элементов уменьшена относительно их базового размера (рис. 4.1). По каждому варианту проводился расчет НДС, устойчивости, долговечности и массы при изменении переменных в допустимых пределах. Результаты расчета с выводом «лучших» значений из расчетных по каждому варианту представлены в табл. 4.9. Для первых двух вариантов результаты исследований показали, что линейные и угловые изменения размеров стрелы практически не повлияли на напряжения в элементах и массу, а также на долговечность металлоконструкции в сравнении с базовым образцом. Для третьего расчетного варианта масса стрелы уменьшилась на 5 %, при этом не произошло значимого изменения напряжений и коэффициента усталостной прочности в элементах стрелы. Но необходимо отметить, что при исключении элементов 10, 20, 21 (см. рис. 4.1), наклонные стойки 15 теряют местную устойчивость, что может негативно сказаться на всей конструкции модели стрелы. Анализ существующих конструкций треугольных трубчатых стрел драглайнов производства ОАО «Уралмаш» показал, что наряду с использованием стрел с пятью панелями, как в базовом варианте, применяют и стрелы с четырьмя панелями. Уменьшенное количество панелей наблюдается у стрел имеющих большую длину (подобные стрелы у шагающих экскаваторов ЭШ 65.100, ЭШ 100.100, ЭШ 100.125). Поэтому последующие расчетные варианты соответствуют этим моделям. В результате в четвертом расчетном варианте при наличии элементов 10, 20, 21 (см. рис 4.1) масса модели снижается на 4,5 % при одновременном некотором снижении напряжения. Наиболее показательное снижение массы было достигнуто в пятом расчетном варианте и составило 8,2 %. Такой результат был получен благодаря уменьшению сечений элементов металлоконструкции стрелы. В табл. 4.10 представлены значения сечений элементов модели стрелы. Материалом элементов моделей стрел является конструкционная сталь 17ГС, сечения - ГОСТ 10704-91. При проведении параметрической оптимизации было принято решение не менять сечение элементов нижнего пояса, чтобы не было ограничений по технологической возможности изготовления. Параметры усталостной прочности для всех расчетных вариантов незначительно отклоняются от результатов базовой модели, коэффициент устойчивости остается в допустимых пределах. Вывод. Методика, основанная на анализе НДС, позволяет проводить оптимизацию стрел драглайнов. При оптимальных параметрах стрелы обеспечено снижение её массы на 8,2 %. Уменьшение массы стрелы позволит уменьшить массу противовеса, снизить момент инерции поворотной части экскаватора и за счет этого сократить время рабочего цикла. При проведении оптимизации, рассматривалось несколько вариантов изменения стреловой конструкции. При этом удалось определить влияние геометрических параметров металлоконструкции на НДС, показатели усталостной прочности и устойчивости, а также массу стрелы. Переменными оптимизации приняты угол наклона крайних стержней фермы а стрелы и высота h (рис. 4.18). Проводились расчеты для двух конструктивных исполнений стрел с 5-ю и 4-мя панелями нижнего пояса.
