Введение к работе
Состояние проблемы и актуальность работы. Интенсификация ведения добычи угля открытым способом, а также динамика и маневренность ведения строительных работ предопределили тенденцию к расширению парка гидравлических экскаваторов как в горнодобывающей промышленности, так и на строительных площадках. Возросший спрос на качественное и быстрое проведение экскавационных работ предъявляет к экскавационной технике высокие требования по надежности, производительности и ряду других критериев.
Эти факторы и все возрастающие объемы вскрышных работ в
горнодобывающей и строительной промышленности требуют от
производителей создания высокоэффективной экскавационной техники и определяют новые задачи в области проектирования одноковшовых гидравлических экскаваторов, а также их рабочего оборудования, в частности -ковшей. Производителю необходимо обеспечить безотказную работу всех конструктивных элементов рабочего оборудования на протяжении как можно большего промежутка жизненного цикла экскаватора. Для решения данной задачи необходимо определить причины выхода из строя тех или иных элементов, результатом чего должны становиться предложения по внесению изменений в конструкцию и параметры ее элементов еще на стадии проектирования. Грунторазрушающие элементы ковшей, к которым относятся зубья, адаптерные узлы и их составляющие, являются такими звеньями ковша, которые первыми воспринимает нагрузки от экскаваируемых масс, поэтому при проектировании им следует уделять особое внимание.
Применение быстродействующей вычислительной техники и аппарата математического моделирования определяет возможность создания более совершенных методик проектирования, позволяющих на стадии разработки производить сравнительный анализ достаточно большого количества вариантов конструктивных исполнений с минимальными временными и денежными затратами. Наиболее распространенным на данный момент времени является метод конечных элементов, реализованный в ряде известных программных продуктов.
Таким образом, задача по расчету конструктивных параметров грунторазрушающих элементов ковшей гидравлических экскаваторов, которые будут обеспечивать лучшие (по критерию минимальных возникающих напряжений) прочностные характеристики, является актуальной и важной на сегодняшний момент. Ее решение позволит повысить качество проектирования экскавационной техники с точки зрения прочности ее рабочего оборудования, в частности - ковшей.
Целью работы является определение рациональных конструктивных параметров грунторазрушающих элементов ковшей гидравлических экскаваторов по критерию минимизации возникающих напряжений в наиболее ответственных элементах конструкции.
Идея работы заключается в определении взаимосвязи между рациональными конструктивными параметрами ковша экскаватора и напряженно-деформированным состоянием в наиболее ответственных его элементах. Установление подобной зависимости позволит минимизировать напряжения в наиболее ответственных элементах конструкции и энергозатраты при ведении экскавационных работ.
Расчет и обоснование рациональных конструктивных параметров предусматривает выполнение следующих задач:
- определение влияния конструктивных параметров и расположения
грунторазрушающих элементов на распределение нагрузок в ковше;
- определение зависимостей между конструктивными размерами рабочего
оборудования экскаватора и параметрами элементов ковша по критерию
минимальных напряжений;
предложение и обоснование целесообразности конструктивного исполнения ковша, реализующего на себе применение выявленных зависимостей;
проведение экспериментальных исследований в целях доказательства заявляемой рациональности расчетных конструктивных параметров.
Используемые методы. Для исследований используется ряд методов, включающих: метод твердотельного моделирования конструктивных элементов ковшей экскаваторов и его рабочего оборудования; конечно-элементного анализа для расчета действующих напряжений в расчетной модели ковша; методы теории планирования эксперимента, регрессионного анализа и математической статистики, теория подобия.
Научная новизна заключается в том, что:
-выявлена аналитическая зависимость влияния конструктивных параметров элементов ковшей и адаптерных узлов различных исполнений на возникающие напряжения как в самих элементах, так и ковше в целом;
-определены рациональные конструктивные и геометрические параметры элементов конструкции ковша с точки зрения минимизации возникающих напряжений в наиболее ответственных узлах;
-предложено и обосновано применение нового конструктивного исполнения передней кромки ковша, доказывающее рациональность расчетных конструктивных параметров с точки зрения энерго- и ресурсосбережения.
Научные положения, выносимые на защиту:
-основными конструктивными параметрами грунторазрушающих элементов, влияющими на возникающие напряжения в ковше, являются угол наклона зуба относительно нормали к вектору прикладываемого усилия а и угол отклонения от соосности передней кромки и грунторазрушающего элемента (3;
-конструктивные размеры рабочего оборудования экскаватора позволяют определить рациональные значения угловых параметров грунторазрушающих элементов;
-предлагаемое новое исполнение передней кромки ковша в совокупности с применением к ней расчетных значений конструктивных параметров
грунторазрушающих элементов позволяет уменьшить возникающие напряжения, равномерно распределить нагрузки по поверхности передней кромки, избежать появления на ней явных концентраторов напряжений;
-ковш с предлагаемым исполнением передней кромки позволяет уменьшить энергозатраты при ведении экскавационных работ благодаря улучшенным характеристикам внедрения ковша в грунт и его наполнения.
Обоснованность и достоверность научных положений и результатов подтверждается корректным использованием хорошо проверенных методов компьютерной имитации и моделирования, метода конечно-элементного анализа, согласованностью результатов математического моделирования и обработанного объема статистических данных, а также стендовыми испытаниями на действующей модели рабочего оборудования экскаватора.
Практическая ценность работы заключается:
-в возможности на стадии проектирования обоснования конструктивных параметров как грунторазрушающих элементов, так и ковша экскаватора в целом;
-совершенствовании конструктивных исполнений и способов расчета параметров грунторазрушающих элементов ковшей гидравлических экскаваторов в целях минимизации возникающих в конструкции напряжений и улучшения эксплуатационных показателей рабочего оборудования.
Реализация выводов и рекомендаций работы. Результаты работы могут быть использованы в качестве рекомендаций при проектировании ковшей экскаваторов и их грунторазрушающих элементов.
Апробация работы. Работа и ее отдельные части докладывались и получили одобрение:
-на Китайско-Русском форуме «Безопасное производство, шахты и технологическое оборудование», Ляонинский технический университет (КНР), г. Фусинь 2009г.;
-XVI и XVII Международных научно-практических конференциях «Современные техника и технологии» в 2010 и 2011гг., НИ ТПУ, г. Томск;
-I и II Международных научно-практических конференциях филиала ГУ КузГТУ в г. Прокопьевске в 2009 и 2011 гг.;
-XI Международной научно-практической конференции «Энергетическая безопасность России: новые подходы к развитию угольной промышленности», «ЭКСПО-2009», г. Кемерово;
-региональных конференциях на базе ГУ КузГТУ в 2008-2011 гг.;
Публикации по теме работы. По теме диссертации опубликовано 16 научных работ, в том числе 4 - в изданиях, входящих в перечень ВАК.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка использованной литературы и приложения. Общий объем составляет 155 страниц, включая 142 страницы основного текста, 78 рисунков и 16 таблиц, список использованной литературы из 108 наименований и приложения на 1 странице.
