Содержание к диссертации
Введение
1. Эффективность эксплуатации и надежность большегрузных автосамосвалов на горных предприятиях 9
1.1. Показатели эффективности и области рационального использования карьерных автосамосвалов 9
1.2. Надежность и аварийность карьерных автосамосвалов 14
1.3. Постановка задачи повышения эффективности эксплуатации карьерных автосамосвалов 19
1.4. Выводы 29
2. Напряженно-деформированное состояние рам карьерных автосамосвалов 31
2.1. Классические методы расчета рам автосамосвалов и задачи оценки НДС 31
2.2. Конструктивные решения и особенности численного моделирования рам автосамосвалов 43
2.3. Анализ напряженно-деформированного состояния рам карьерных автосамосвалов 49
2.4. Экспериментальный анализ достоверности расчетных оценок показателей напряженно-деформированного состояния и долговечности 58
2.5. Выводы 68
3. Статистическое моделирование НДС рам автосамосвалов в связи с параметрами карьерных автодорог 71
3.1. Исследование случайных характеристик микропрофиля карьерных автодорог 71
3.2. Моделирование конструкций и работы подвесок 79
3.3. Моделирование НДС при движении автосамосвалов 90
3.4. Выводы 97
4. Оценка опасности и предотвращение развития эксплуатационной дефектности рам автосамосвалов 99
4.1. Чувствительность НДС рам к эксплуатационным третиноподобным дефектам 99
4.2. Оценка опасности хрупкого разрушения и обоснование периодичности технической диагностики рам 106
4.3. Обоснование параметров конструктивных усилений поврежденных фрагментов рам 114
4.4. Выводы 117
5. Повышение долговечности рам автосамосвалов и надежности экскаваторно-автомобильных комплексов 119
5.1. Оценка ресурса рам при движении автосамосвала 119
5.2. Оценка динамического и повреждающего воздействия при загрузке автосамосвала экскаватором 124
5.3. Формирование экскаваторно-автомобильных комплексов с учетом долговечности и живучести рам автосамосвалов 130
5.4. Выводы 136
Заключение 138
Литература 141
Приложение
- Постановка задачи повышения эффективности эксплуатации карьерных автосамосвалов
- Конструктивные решения и особенности численного моделирования рам автосамосвалов
- Оценка опасности хрупкого разрушения и обоснование периодичности технической диагностики рам
- Оценка динамического и повреждающего воздействия при загрузке автосамосвала экскаватором
Введение к работе
Рамы современных карьерных автосамосвалов представляют собой высоконагруженные несущие конструкции, к которым предъявляются противоречивые требования по одновременному снижению металлоемкости и повышению надежности. В настоящее время карьерные автосамосвалы вырабатывают свой ресурс на 70-90 %. При этом отечественные автосамосвалы, будучи сравнимыми с импортными по грузоподъемности и производительности, существенно уступают им по надежности. Систематически возникающие случаи трещинообразования могут привести к разрушениям рам и имеют своим следствием значительные материальные потери как из-за снижения объемов транспортирования полезного ископаемого, так и из-за большой стоимости ремонта крупногабаритных узлов и конструкций.
Таким образом, рамы карьерных автосамосвалов необходимо рассматривать как конструкции повышенной ответственности, методы эксплуатации которых следует совершенствовать для обеспечения надежности и повышения эффективности эксплуатации машин в целом, исключения тяжелых повреждений и разрушений.
В связи с этим актуальными являются разработка методических подходов к оценке прочности и ресурса несущих конструкций автосамосвалов на стадии возникновения (усталостная долговечность) и развития (живучесть) трещиноподобных дефектов и получение количественных оценок этих параметров с целью обеспечения эффективной безаварийной эксплуатации машин.
В работе выполнен анализ современного состояния методов расчетов и эксплуатации рам автосамосвалов, установлены возможности получения оценок долговечности и живучести на стадии эксплуатации автосамосвалов, предложены новые подходы к эксплуатации машин в условиях горных предприятий, основанные на прогнозных оценках напряженно-деформированного состояния (НДС), долговечности и живучести.
Цель диссертационной работы заключается в разработке методик оценки долговечности рам карьерных автосамосвалов на стадиях возникновения и развития усталостных трещин.
Идея работы состоит в использовании прогнозных оценок напряженно-деформированного состояния долговечности и живучести рам карьерных автосамосвалов при погрузке и транспортировании горной массы для предотвращения предельных состояний рам за счет разработки элементов их профилактического обслуживания.
Для достижения поставленной цели сформулированы следующие задачи:
исследование зависимостей интенсивности напряжений в рамах карьерных автосамосвалов от вертикального перемещения их опор при кручении, продольном и поперечном изгибе;
анализ статистических характеристик микропрофиля карьерных автодорог и НДС рам автосамосвалов при транспортировании горной массы;
оценка опасности трещиноподобных дефектов, обоснование периодичности технической диагностики и конструктивных усилений поврежденных рам;
исследование показателей долговечности и живучести рам автосамосвалов при погрузке и транспортировании горной массы;
разработка методики учета долговечности и живучести рам автосамосвалов при обосновании структуры экскаваторно-автомобильного комплекса.
На защиту выносятся следующие научные положения:
1. Расчетные зависимости интенсивности напряжений в рамах от вертикального перемещения их опор представляют собой основу для установления опасных по трещинообразованию конструктивных зон и моделирования процессов нагруженное рам при движении автосамосвалов с учетом статистических характеристик микропрофиля карьерных автодорог.
2. Предотвращение разрушений элементов рам осуществляется на
базе оценок опасности трещиноподобных дефектов и вытекающих из них
расчетных значений периодичности технической диагностики и конструк
тивных усилений поврежденных зон.
3. Для обоснования рациональной структуры экскаваторно-
автомобильного комплекса необходимы оценка и учет ряда показателей,
основными из которых являются: долговечность рамы при загрузке авто
самосвала экскаватором; долговечность и живучесть рамы при движении
автосамосвала по технологическим дорогам.
Научная новизна работы заключается в том, что
получены расчетные зависимости интенсивности напряжений в рамах от вертикального перемещения их опор; выполнен сравнительный анализ НДС и живучести ряда рам автосамосвалов БелАЗ при комплексных условиях нагружения;
разработана методика оценки НДС, долговечности и живучести рам автосамосвалов при движении по карьерным автодорогам, основанная на статистическом моделировании экспериментально полученных распределений неровностей микропрофиля типовых участков автодорог;
для поврежденных фрагментов лонжеронов рам выполнена оценка опасности хрупкого разрушения, обоснованы периодичности технической диагностики и параметры конструктивных усилений;
сформулированы количественные показатели живучести рам автосамосвалов, методика их оценки и учета при обосновании рациональной структуры ЭАК.
Практическая значимость работы заключается в получении оценок прочности, жесткости, долговечности, живучести рамных конструкций автосамосвалов с учетом эксплуатационных условий (паспортов загрузки автосамосвалов и условий транспортирования горной массы), анализе опасности эксплуатационных дефектов и обосновании инженерно-технических решений по предотвращению разрушений рам, разработке ре-
комендаций по учету показателей долговечности и живучести при определении структуры экскаваторно-автомобильного комплекса.
Внедрение результатов. Результаты работы использованы в условиях ООО "Разрез "Саяно-Партизанский" при расчетах остаточного ресурса и оптимизации графиков планово-предупредительных ремонтов рам автосамосвалов с учетом фактических неровностей микропрофиля автодорог. В 000 «Енисейзолотоавтоматика» использованы расчетные значения периодичности диагностики машин при разработке перспективных планов комиссионного обследования технического состояния парка оборудования. Также результаты работы использованы в 000 "Тестмаш" при постановке и проведении экспериментальных исследований разрушения плоских образцов с надрезом, имитирующих фрагмент вертикального листа лонжерона рамы, и при подготовке учебного пособия "Расчеты прочности рамных конструкций карьерных автосамосвалов", рекомендованного Учебно-методическим объединением вузов РФ по образованию в области горного дела для студентов вузов, обучающихся по специальности «Горные машины и оборудование», о чем имеются соответствующие акты внедрения.
Достоверность результатов обеспечена проведением серии экспериментов по разрушению модели фрагмента вертикального листа лонжерона рамы, экспериментальным исследованием статистических характеристик неровностей микропрофиля карьерных автодорог, применением современных методов математического и компьютерного моделирования.
Апробация работы. Основные результаты работы представлены на Международной конференции "Компьютерное моделирование и информационные технологии в науке, инженерии и образовании" (Пенза, 2003); Десятой Международной конференции "Современные тенденции развития транспортного машиностроения" (Пенза, 2005); VII Всероссийской конференции "Современные методы математического моделирования природных и антропогенных катастроф" (Красноярск, 2003), Третьей и Четвертой Международных конференциях «Современные технологии освоения мине-
ральных ресурсов» (Красноярск, 2005, Пекин, 2006), научных семинарах кафедры "Горные машины и комплексы" Института цветных металлов и золота ФГОУ ВПО «Сибирский федеральный университет», Отдела машиноведения ИВМ СО РАН.
Личный вклад автора заключается в постановке и реализации цели и задач исследования, постановке, планировании и обработке экспериментов по разрушению плоских образцов с надрезом, сборе и анализе экспериментальных данных по неровностям микропрофиля карьерных автодорог, исследовании напряженного состояния рам автосамосвалов в широком спектре условий нагружения, в том числе с учетом возможного наличия трещины, анализе и обобщении полученных результатов.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 12 работ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, приложений. Основное содержание работы изложено на 148 страницах и включает 77 рисунков и 10 таблиц. Общий объем работы (с приложениями) 200 страниц. Список использованных источников включает 98 наименований.
Постановка задачи повышения эффективности эксплуатации карьерных автосамосвалов
Итак, из совместного рассмотрения показателей эффективности ЭАК и областей рационального использования карьерных автосамосвалов, характерных предельных состояний можно сделать следующие выводы.
Количественные показатели эффективности никак не учитывают фактическое техническое состояние машин и опасность возникновения предельного состояния. Оно учитывается косвенно через показатели надежности, рассчитываемые по факту наличия статистики отказов, то есть эти показатели являются только информационно-статистическими и не могут быть использованы для повышения эффективности эксплуатации ЭАК. Вместе с тем отказы и разрушения происходят, что влияет на эксплуатационные и экономические показатели эффективности.
Очевидно, целесообразным является наряду с известными показателями рассматривать еще ряд величин, которые бы позволили снизить частоту или устранить вовсе отказы и разрушения конструкций автосамосвалов, и одновременно повысить как минимум некоторые из известных показателей. Для определения этих величин рассмотрим общие тенденции развития методов расчета несущих конструкций технических систем (ТС). Современный этап развития техносферы характеризуется рядом особенностей, две из которых представляют наибольший интерес с позиций как развития методологии проектирования, так и построения научно обоснованных стратегий эксплуатации ТС.
Во-первых, общей тенденцией развития ТС является рост их размерности, функциональности, усложнение эксплуатационных условий. Это выражается в непрерывном увеличении габаритных, энергосиловых, кинематических и других параметров ТС, что в свою очередь является результатом усложнения и повышения интенсивности технологических процессов в различных отраслях промышленности.
Во-вторых, наблюдается значительный рост аварийности и катастроф практически всех элементов ТС с ростом тяжести последствий и экономического ущерба единичной аварии. Основными причинами этого являются как отмеченная тенденция увеличения количественных параметров, так и в значительной мере исчерпанность классических подходов к проектированию и эксплуатации ТС.
При проектировании, в зависимости от природы и свойств разрабатываемой ТС, применяются различные методы и алгоритмы обеспечения требуемых параметров. При этом общим понятием для всех ТС является понятие расчетного случая проектирования, в качестве которого рассматривается определенная комбинация значений параметров состояния системы и комплекса внешних воздействий. Принципиальным недостатком методологии проектирования практически всех ТС является то, что количество расчетных случаев достаточно ограничено и не охватывает всего многообразия ситуаций, возникающих в течение всего жизненного цикла системы. В значительной степени это связано с тем, что поведение ТС при различных расчетных случаях рассматривается с позиции классической теории надежности, которая не учитывает влияние человеческого фактора. Предполагается, что люди действуют безупречно и что надежность систем полностью определяется надежностью изделий. Кроме того, современные ТС характеризуются не только большим числом элементов, но и сложностью структуры. Как известно, классические методы определения показателей надежности систем по известным показателям надежности элементов основаны на гипотезе полной независимости отказов элементов, которая в большинстве случаев не подтверждается практикой [15]. Существенным фактором является также то, что при увеличении числа элементов и сложности структуры быстро растет количество системных эффектов, которые не удается предусмотреть при проектировании.
Что касается классических моделей эксплуатации ТС, то они основаны на представлениях математической теории надежности и исходят из ограниченного набора свойств системы. Из анализа этих свойств вытекает обоснование постановки и решения ряда задач эксплуатации: обеспечения систем запасными элементами, оптимального управления эксплуатационными процессами, организации технической диагностики, испытаний на надежность, эксплуатации систем по заданному ресурсу и техническому состоянию и др. [16, 17].
Возникновение теоретических моделей поведения сложных систем при частичном повреждении связано с дальнейшим развитием задач эксплуатации, а именно с рассмотрением проблемы эксплуатации системы в условиях отсутствия или ограниченности запасного комплекта элементов [17]. Модель системы с выживанием предполагает наличие структурной избыточности, полную или частичную взаимозаменяемость элементов, перестройку элементов системы при повреждении некоторых из них [17]. Неободимым свойством систем с выживанием является наличие слабых связей между отдельными подсистемами, что и позволяет модифицировать структуру системы.
В качестве общесистемных, интегральных свойств системы рассматриваются эффективность, самоорганизация, безопасность, устойчивость, управляемость, надежность, живучесть [18]. Живучесть, как важнейшее свойство любой системы, было осознано и в явном виде сформулировано в конце прошлого столетия [18, 19]. Живучесть в настоящее время не является устоявшимся, общепринятым термином. В качестве фактически имеющих одинаковый смысл можно указать следующие определения:
это качество системы активно (с помощью соответствующим образом организованной структуры и поведения) противодействовать вредным воздействиям внешней среды [18];
это характеристика стойкости системы к внешним (главный отличительный признак от надежности) воздействиям со стороны окружающей среды при возникновении и развитии допустимых повреждений [19].
В качестве общих количественных оценок живучести системы любой природы рассматриваются: коэффициент живучести - доля общего числа элементов системы, выход из строя которых не приводит к отказу системы; коэффициент неуязвимости - рассматривается при целенаправленных враждебных действиях среды; живучесть - вероятность того, что уязвимая система не будет выведена из строя. Таким образом, сформулированное важнейшее для эксплуатации понятие живучести обеспечивается на этапе проектирования соответствующими конструктивно-технологическими решениями и применением неклассических алгоритмов и методов расчета.
Конкретизируем приведенные общие рассуждения к обширному классу технических систем - несущим конструкциям машин, оборудования, инженерных сооружений.
Конструктивные решения и особенности численного моделирования рам автосамосвалов
Рама служит основанием для крепления узлов и агрегатов автомобиля и основным несущим элементом конструкции, который воспринимает все нагрузки, возникающие при движении автомобиля. Выход из строя рамы вследствие поломки или необратимой деформации связан с трудоемкими и дорогостоящими ремонтными работами. В результате многолетнего опыта проектирования и эксплуатации наиболее распространены следующие компоновочные схемы рам [33-35]: лонжеронные или лестничные, хребтовые или центральные, комбинированные.
Для грузовых автомобилей наибольшее распространение получили лонжеронные рамы. Характерной особенностью таких рам является наличие двух лонжеронов, соединенных между собой дискретными связями-поперечинами. Для наилучшего использования габаритных размеров лонжероны рамы часто располагают не параллельно, а под углом, или выгибают их в горизонтальной плоскости. Расположение лонжерона по высоте в основном зависит от размера шин, конструкции балки заднего моста и заданного динамического прогиба подвески. При необходимости лонжероны выгибают и в вертикальной плоскости.
Несмотря на большой опыт проектирования и эксплуатации автомобильных рам, они обладают рядом принципиальных недостатков, попытки устранения которых предприняты во многих патентах и авторских свидетельствах [37-45].
Рассмотрим далее конструктивные особенности несущих рам некоторых моделей карьерных автосамосвалов БелАЗ.
Анализ конструктивных вариантов самосвалов Белаз-7549 (рисунок 2.2), Белаз-7420 (рисунок 2.3), Белаз-75191 (рисунок 2.4) и Белаз-540 (рисунок 2.5) показывает общность принципиальных конструктивных решений и компоновочных схем: наличие двух лонжеронов коробчатого поперечного сечения и нескольких поперечин различного сечения, каждая из которых, обеспечивая прочность и жесткость всей рамы, имеет свое функциональное назначение. Рассмотрим особенности этих конструкций на примере одной из рам.
Рама самосвала БелАЗ-540 (рисунок 2.5) состоит из двух сварных продольных лонжеронов 5, соединенных между собой поперечинами [36]. Лонжероны рамы имеют коробчатое сечение. Высота сечения лонжеронов в передней части уменьшена, а в средней и задней части увеличена в соответствии с действующими нагрузками. Закрытое коробчатое сечение лонжеронов обеспечивает необходимую жесткость рамы на изгиб и кручение. Лонжероны изготовляются из листовой низколегированной стали 10ХСНД толщиной 10 и 12 мм. Эта сталь хорошо сваривается и имеет относительно высокие механические свойства. Применение этой стали позволяет обеспечить необходимую прочность и долговечность рамы и одновременно снизить ее собственный вес.
Задняя часть лонжеронов изогнута под углом 15, в соответствии с наклоном пола платформы. В передней части рамы болтами крепится штампованный буфер 1, в котором расположены кронштейны крепления фар и подфарников и имеется прямоугольный вырез для буксирного приспособления.
Первая (передняя) поперечина 2 рамы выполнена из листового проката и служит основанием для крепления блока радиаторов, а также для размещения переднего буксирного приспособления шкворневого типа. Вторая поперечина 4 рамы установлена в зоне передней оси в месте крепления передней подвески. Она выполнена из листового проката и имеет закрытое коробчатое сечение. Внутренняя полость поперечины используется в качестве резервуара для топлива, отводимого из форсунок двигателя. Третья поперечина 6 выполнена из трубы и установлена в месте перегиба лонжеронов. Она используется в качестве воздушного баллона для аварийного торможения автомобиля. Четвертая поперечина 7 рамы установлена в зоне кронштейнов крепления цилиндров опрокидывающего механизма. Она имеет корытообразное сечение и выполнена из листа толщиной 10 мм. Пятая (задняя) поперечина 9 имеет закрытое коробчатое сечение для обеспечения необходимой жесткости и прочности задней части рамы, где крепятся задние опоры платформы и задняя подвеска автомобиля. На этой поперечине расположено также заднее буксирное устройство шкворневого типа и кронштейны для фиксирования платформы в поднятом состоянии.
На лонжеронах рамы расположены кронштейны крепления всех элементов автосамосвала. Все кронштейны крепятся к лонжеронам сваркой. На лонжеронах рамы также крепятся буферы 10 и 11 передней и задней подвесок.
Таким образом, рамы автосамосвалов разной грузоподъемности оказываются весьма сходными по конструкциям. Можно констатировать, что к настоящему времени сложилась практически одна типовая компоновочная схема большегрузных карьерных автосамосвалов, выпускаемых различными мировыми фирмами [46]. Это, в свою очередь, обусловливает возможность общих подходов и методов обеспечения их прочности и других эксплуатационных характеристик.
Развитие и внедрение в инженерную практику численных методов анализа, представленных современными вычислительными пакетами конечно-элементного моделирования (ANSYS, NASTRAN, COSMOS и др.), в совокупности с экспериментальными тензометрическими исследованиями, позволило в значительной степени снизить остроту проблемы, связанную с недостаточной точностью классических методов расчета рамных конструкций применительно к рамам автосамосвалов. При этом следует иметь в виду, что применение этого более эффективного расчетного метода позволяет только повысить точность количественных результатов, но не позволяет выйти за рамки традиционных концепций проектирования и расчета. Резкое увеличение эффективности процесса проектирования и повышение технического уровня рамных конструкций возможно при использовании методов численного анализа для постановки и решения новых типов задач, принципиально не решаемых с необходимой точностью в рамках аналитических подходов.
Оценка опасности хрупкого разрушения и обоснование периодичности технической диагностики рам
При наличии эксплуатационного трещиноподобного дефекта возможен ряд предельных состояний, из которых для рам карьерных автосамосвалов с наибольшей вероятностью реализуются хрупкие или усталостные разрушения. Повышенная опасность хрупких разрушений обусловлена преимущественно низкотемпературными условиями эксплуатации и значительной долей динамических составляющих нагрузки, а усталостных - циклическим характером деформирования. Опасность хрупкого и усталостного разрушения оценивается в ходе расчетов на статическую и циклическую трещиностойкость.
При расчетах на трещиностойкость в качестве критерия разрушения для элементов конструкций горно-транспортных машин целесообразно использовать коэффициент интенсивности напряжений (КИН). Основанием для его применения является то, что условия реализации усталостных и хрупких разрушений, характерных для металлоконструкций горных машин, с удовлетворительной точностью описываются данным критерием.
Принципиальная схема расчетов на трещиностойкость выглядит следующим образом. Рассматривается элемент конструкции с технологическим и эксплуатационным дефектом заданного размера и формы. При известных значениях параметров напряженного состояния рассчитываются текущие значения коэффициента интенсивности напряжений (таблица 4.1), которые сравниваются с его критическими значениями. Это является основой для принятия решения о допустимости эксплуатации, а также для рас чета циклической долговечности.
Показанные в таблице 4.1 схемы - лишь небольшая часть известных расчетных схем, позволяющих выполнить расчеты для многих типовых элементов машиностроительных конструкций. При отсутствии соответствующей схемы и выражения для КИН значения критерия могут быть получены с использованием расчетных и экспериментальных методов.
Применительно к рамам автосамосвалов в качестве критерия предельного состояния принимаем коэффициент интенсивности напряжений К\, поскольку он удовлетворяет следующим требованиям: 1) соответствие возможному характеру разрушения рассматриваемых элементов конструкции; 2) правомерность использования критерия в диапазоне условий эксплуатации рам; 3) возможность практического получения необходимой информации для расчета текущего и критического значения критерия.
В соответствии с положениями линейной механики разрушения в качестве условия отказа принято достижение текущей длиной трещины ее критического значения / / с, после которого начинается нестабильное разрушение. Критическое значение размера трещины определяется из выражения
Критический КИН К[с определяется с использованием обобщенной зависимости сопротивления хрупкому разрушению с учетом температуры эксплуатации.
Задание КИН в форме где ас - разрушающее напряжение, справедливо для трещин и тел идеализированной геометрической формы, которая значительно отличается от реальной. Для учета влияния на критический КИН фактических размеров со единений и трещин, а также условий нагружения используется поправочная функция Y. Поскольку номинальные напряжения находятся в пределах допустимых, то размах КИН соответствует среднему участку диаграммы усталостного разрушения, а следовательно, правомерно использование в качестве кинетического уравнения зависимости Пэриса-Эрдогана. где параметры циклической трещиностойкости приняты для низколегированных перлитных сталей в размере С = 2,883-1О"4, т = 2,66. Интегрирование последнего уравнения дает возможность вычислить время роста трещины от размера /, до li+\ (/, , li+\ - размеры трещины на границах интервала г-го шага интегрирования от /о до 1С): Поскольку в процессе подрастания трещины изменяется ее геометрия, поправочная функция Y вычисляется на каждом шаге интегрирования. Предположим наличие краевой трещины в зоне выреза вертикального листа поперечины рамы самосвала. В соответствии с приведенными уравнениями построены зависимости коэффициента интенсивности напряжений (расчетная схема - полоса с одним боковым разрезом в условиях изгиба [49]) и усталостной долговечности при регулярном гармоническом нагру-жении (использовано кинетическое уравнение Пэриса) от длины трещины 1 (рисунок 4.11).
Оценка динамического и повреждающего воздействия при загрузке автосамосвала экскаватором
В п. 5.1 получены оценки ресурса при движении автосамосвалов по карьерным автодорогам. Вместе с тем, при использовании на карьерах мощных экскаваторов с большой вместимостью ковша и загрузке ими автосамосвалов в несущих элементах последних возникают динамические нагрузки, могущие привести к разрушениям и частичным повреждениям рам. В любом случае ударные нагрузки при загрузке экскаватором автосамосвалов вносят свой вклад в накопление повреждений и расходование ресурса рам и должны быть учтены.
В общем случае динамика ударного процесса загрузки автосамосвала может быть описана следующей системой дифференциальных уравнений [58]: Здесь zn, z, Zj, z-l,...,4 - динамические перемещения соответственно точечной массы тп груза номера п, центра тяжести подрессоренной массы т и точечных масс пневматиков т\, /=1,...,4. Перемещения z и z, масс т и /я( от-считываются по вертикальной оси z относительно исходного положения соответствующих элементов при покоящемся ненагруженном автосамосвале, а перемещения zn грузов тп - относительно указанного исходного положения центра тяжести подрессоренной массы. 1Х, 1У - моменты инерции масс относительно осей координат, g - ускорение свободного падения, а - углы поворота кузова самосвала, силы Р - силы реакции в различных элементах. Символы ї означают вторую производную по времени от соответствующей функции z. В первом уравнении системы (5.8) используется символ для функции включения Хэвисайда: ф)=1 (t 0); 0,5 (/=0); 0 (t 0). Через хп в уравнении обозначены, таким образом, моменты начала падения очередной порции груза.
Применение этой математической модели и сравнение результатов с экспериментальными данными подтвердило достаточно близкое их совпадение [58]. Вместе с тем, в уравнения в явном виде не входят координаты падающего груза, т.е. положение по горизонтали ковша экскаватора относительно кузова автосамосвала в момент разгрузки. Необходимость учета этого фактора обусловлена следующими соображениями.
Загрузка автосамосвала экскаватором выполняется в соответствии с паспортами загрузки, определяющими рациональное размещение горной массы на платформе автомобиля и последовательность разгрузки ковшей в пределах платформы (рисунки 5.2, 5.3). При этом, как видно, для различных экскаваторно-автомобильных комплексов последовательность загрузки существенно различна, что приводит к отличиям в характере динамических процессов в конструкциях автосамосвала и интенсивности накопления повреждений. Таким образом, актуальной является оценка интенсивности повреждающего процесса для различных типов ЭАК. В настоящей работе предлагается следующий методический подход, позволяющий, с одной стороны, учесть особенности паспортов загрузки каждого типа ЭАК, с другой избежать разработки и трудоемкого решения моделей типа (5.8). Этот подход заключается в последовательном выполнении следующих расчетных операций. типами экскаваторов на руднике "Центральный" ПО "Апатит" [94]: а - действующий на предприятии; б, в, г- предлагаемые к внедрению; Оцт центр тяжести подрессоренной части; 1-6 - очередность разгрузки ковшей где m - масса падающего груза; Н - высота падения груза; т - продолжительность контакта груза с днищем кузова, учитывающая кусковатость горной массы.
В соответствии с паспортом загрузки полученные в п. 1 силы прикладываются в точки конечно-элементной модели самосвала и выполняется оценка максимальных напряжений в раме автосамосвала. Таким образом, получается нерегулярный процесс изменения напряжений в раме в течение полной загрузки автосамосвала экскаватором.
Схематизация этого процесса методом полных циклов и оценка усталостной долговечности так же, как это описано в п. 3.3 и 5.1. Отличие заключается в следующем. При оценке ресурса при движении автомобиля в качестве блока нагружения рассмотрен процесс изменения напряжений в раме при движении автомобиля по неровной дороге длиной 1 км. При загрузке автосамосвала экскаватором блоком нагружения считаем процесс изменения напряжений в раме в течение времени полной загрузки автосамосвала. В качестве результата получается количество циклов загрузки автосамосвала, приводящее к возникновению усталостных повреждений (таблица 5.3). При выполнении расчетов и построении таблицы варьировалась высота разгрузки ковша и падения груза. При этом не учитываются повреждения, накапливаемые рамой при транспортировании груза. Таким образом, полученные на этом этапе результаты являются только материалом для сравнительного анализа степени повреждаемости рам при включении автосамосвала в ту или иную структуру ЭАК.
Рассматривается комплексный случайный процесс, составленный из нескольких компонент, соответствующих движению автосамосвала от забоя до места разгрузки и обратно, и загрузке автосамосвала экскаватором. Такой процесс соответствует полному циклу работы автосамосвала в рамках ЭАК. В данном случае в качестве блока нагружения рассматривается уже именно этот полный цикл. Схематизация этого процесса позволяет получить наиболее адекватные оценки долговечности рам автосамосвалов с учетом максимального количества факторов. В качестве примера прогнозной оценки такого рода рассматривается экскаваторно-автомобильный комплекс ЭКГ-8И + БелАЗ-75191, эксплуатируемый в условиях карьера с параметрами автодорог в соответствии с п. 3.1. Расчетная оценка усталостной долговечности составляет порядка ПО 000 км. При расстоянии транспортирования 2 км это соответствует примерно 27 500 циклов работы самосвала.
Похожие диссертации на Повышение долговечности рам карьерных автосамосвалов на основе исследования их напряженно-деформированного состояния
