Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса по определению оптимальных параметров рабочего оборудования прямая лопата и постановка задачи исследования 8
1.1. Анализ основных схем рабочего оборудования прямая лопата 8
1.2. Обзор работ по определению динамических нагрузок в рабочем оборудовании экскаватора 13
1.3. Обзор методов определения оптимальных параметров стержневых систем 18
Выводы 25
2. Составление математической модели и синтез параметров рабочего оборудования в статическом режиме нагружения 26
2.1. Методика синтеза геометрических параметров рабочего оборудования 26
2.2. Определение усилий в элементах рабочего оборудования при действии нагрузок от механизма подъема 31
2.3. Определение усилий в элементах рабочего оборудования при действии нагрузок от механизма напора 34.
2.4. Определение усилий в элементах рабочего оборудования при совместном действии нагрузок механизмов подъема и напора 36
Научные результаты и выводы 48
3. Аналитическое исследование динамических силовых факторов возникающих в элементах рабочего оборудования 56
3.1. Выбор расчетной схемы при стопорений механизма подъема 56
3.2. Определение зависимостей динамических нагрузок в канатах подъема и подвеске стрелы от изменяемых геометрических параметров 60
3.3. Обоснование выбора расчетной схемы для определения динамических нагрузок от действия механизма напора 68
3.4. Определение аналитической зависимости динамической нагрузки напора 69
Выводы 83
4. Определение динамических нагрузок в системе "рабочее оборудование - привод" на ЭВМ 84
4.1. Формализованное описание механизмов в виде компонентной цепи 85
4.2. Математические модели основных компонентов механической системы экскаватора 92
4.3. Покомпонентное описание механической системы "рабочее оборудование - привод" экскаватора 96
4.4. Представление механической системы "рабочее оборудование - привод" в виде компонентной цепи 101
4.5. Расчет и исследование механической системы "рабочее оборудование - привод" в системе МАРС 114
Выводы 142
5. Синтез оптимальных параметров рабочего оборудования 143
5.1. Выбор параметров рабочего оборудования и критерия оптимизации 143
5.2. Алгоритм оптимизации 146
5.3. Комплекс программ оптимизации параметров рабочего
оборудования и результаты оптимизации 150
Выводы 175
Основные результаты и выводы 176
Литература 178
- Обзор работ по определению динамических нагрузок в рабочем оборудовании экскаватора
- Определение усилий в элементах рабочего оборудования при совместном действии нагрузок механизмов подъема и напора
- Определение зависимостей динамических нагрузок в канатах подъема и подвеске стрелы от изменяемых геометрических параметров
- Покомпонентное описание механической системы "рабочее оборудование - привод" экскаватора
Введение к работе
Основными направлениями экономического и социального развития СССР на I98I-I985 годы и на период до 1990 года, принятыми на ХХУІ съезде КПСС предусмотрено: "...существенно сократить сроки создания новой техники; ...расширять автоматизацию проект-но-конструкторских и научно-исследовательских работ с применением электронно-вычислительной техники.
Разработать и осуществить систему мероприятий по снижению удельной металлоемкости машин и оборудования..." III.
Эти положения и все возрастающие объемы земляных работ в строительстве и горнорудной промышленности требуют оперативного создания высокоэффективной землеройной техники и определяют новые задачи в области проектирования одноковшовых экскаваторов. Опыт проектирования и эксплуатации экскаваторов с механическим приводом показал, что выбор параметров рабочего оборудования на основе анализа их существующих геометрических схем с последующей проработкой нескольких вариантов весьма трудоемок, дорог, требует больших временных затрат, а проектировщикам обычно неизвестно насколько принятые параметры отличаются от наиболее выгодных. Создание же действующих моделей либо испытательных стендов для проведения сравнительного анализа проектируемых машин являются малоэффективным средством с точки зрения затрат времени и средств.
Расширение области применения быстродействующей вычислительной техники и применение аппарата математического моделирования определяют возможность создания более совершенных методик проектирования, позволяющих на стадии проектирования проводить сравнительный анализ достаточно большого количества вариантов машин с минимальными временными и денежными затратами.
Таким образом создание методики определения оптимальных параметров рабочего оборудования прямая лопата одноковшовых экскаваторов с механическим приводом является актуальной и важной на-роднохозяйственной задачей, решение которой позволит сократить время, повысить качество проектирования и уменьшить металлоемкость машины.
Целью настоящей работы является разработка методики определения оптимальных параметров рабочего оборудования прямая лопата на основе методов математического моделирования. Методика определения оптимальных параметров предусматривает выполнение следующих этапов:
определение характера изменения усилий в элементах рабочего оборудования экскаватора при варьировании изменяемыми геометрическими параметрами в статическом режиме нагружения по всей траектории копания;
вывод аналитических зависимостей для определения действующих усилий в элементах рабочего оборудования с учетом динамики нагружения металлоконструкций;
представление сложной неоднородной механической системы "рабочее оборудование - привод" в виде компонентной механической цепи и решение ее на ЭВМ для определения действительных внешних нагрузок действующих на рабочее оборудование экскаватора;
составление алгоритма комплекса программ оптимизации параметров рабочего оборудования экскаватора на ЭВМ.
Научная новизна работы заключается в создании методики синтеза оптимальных параметров рабочего оборудования экскаваторов. На основании выполненных исследований составлена математическая модель рабочего оборудования, позволяющая проводить оптимизацию рабочего оборудования как в статическом, так и в динамическом режимах нагружения металлоконструкции. Установлено, что при поиске оптимальных параметров расчетные положения ковша под стрелой одноз начно задавать нельзя, т.к. при каждом новом шаге итерации оно изменяется, поэтому необходимо исследовать всю траекторию копания. Составлены алгоритм и комплекс программ поиска оптимальных параметров рабочего оборудования.
При определении действующих нагрузок в рабочем оборудовании использованы методы математического моделирования, основанные на численных методах. Для эффективного использования универсальных алгоритмов и программ численного анализа проведено формализованное описание сложной неоднородной механической системы "рабочее оборудование - привод" как объекта исследования. Сформировано покомпонентное представление объекта исследования в виде механической цепи. Реализация разработанной модели компонента &RUNT позволяет моделировать любую категорию грунта по прочности.
Практическая ценность работы заключается в создании методики синтеза оптимальных параметров рабочего оборудования прямая лопата одноковшовых экскаваторов с учетом реальных условий нагружения конструкции, которая позволяет проводить анализ различных геометрических схем рабочего оборудования на стадии проектирования машины, что существенно сокращает время проектирования и позволяет избежать ненужных затрат при сравнении опытных образцов машин.
Реализация на ЭВМ механической цепи сложной неоднородной механической системы "рабочее оборудование - привод" позволяет получить действительные значения внешних нагрузок на рабочее оборудование и использовать эти значения в алгоритме синтеза его оптимальных параметров.
Разработанная автором методика синтеза оптимальных параметров рабочего оборудования экскаваторов принята к использованию для проектирования новой техники производственным объединением Ижорский завод им. А.А. Дцанова. Годовой экономический эффект от применения разработанной методики составил 44 тыс. рублей
Результаты исследований включены в учебное пособие для обеспечения курсового и дипломного проектирования студентов МИСИ им. В.В.Куйбышева по специальности 0511 при моделировании строительно-дорожных машин и механизмов.
На защиту выносятся: методика синтеза оптимальных параметров рабочего оборудования; теоретические исследования по определению оптимальных параметров рабочего оборудования прямая лопата одноковшовых экскаваторов с механическим приводом; метод определения действительных нагрузок на рабочее оборудование экскаватора; комплекс программ для определения динамических силовых факторов в сложной неоднородной механической системе "рабочее оборудование - привод"; комплекс программ синтеза оптимальных параметров рабочего оборудования.
Работа выполнена на кафедре "Строительные машины" Московского Ордена Трудового Красного Знамени инженерно-строительного института.
Обзор работ по определению динамических нагрузок в рабочем оборудовании экскаватора
Рабочее оборудование и привод одноковшовых экскаваторов, как объект исследования, представляет собой сложную механическую систему. При проектировании одноковшовых экскаваторов возникает задача анализа динамических нагрузок как в рабочем оборудовании, так и в приводах механизмов подъема и напора. Это вызвано прежде всего тем, что в современных машинах механический привод, как правило, представляет собой сложную разветвленную механическую цепь, для которой нормальным эксплуатационным режимом является непрерывное чередование разгонов и торможений, а нередко и полная остановка рабочего органа и основных механизмов (режим стопорения). Очевидно, что для правильного анализа динамических усилий, действующих в механизмах приводов и элементах металлоконструкций рабочего оборудования, необходимо располагать данными, характеризующими динамику внешней нагрузки, динамику элементов конструкции. Исследование динамических нагрузок в сложных механических системах как в нашей стране, так и за рубежом развивалось в ос- новном по нескольким направлениям: 1 - определение динамических нагрузок экспериментальным путем; 2 - разработка инженерных методов расчета динамических нагру зок; 3 - исследование динамических процессов с применением методов аналогового моделирования и электронного аналогизирова-ния; 4 - математическое моделирование на ЭВМ динамических процессов; Первые экспериментальные исследования динамических нагрузок в одноковшовых экскаваторах были проведены в конце сороковых начале пятидесятых годов МИСИ им. В.В. Куйбышева и ВНИИстройдорма-шем. Результаты экспериментальных исследований нашли отражение в работах Волкова Д.П. /25-28/, Гаевской К.С. /30/, Домбровского Н.Г. /36,38,39/, Ряхина В.А. /77.78/, Балаховского М.С., Тотоли-на П.Е., Вагина Б.П. /48/, Богородицкого М.Д. /16/, Девяткина Ю.А. /34,35/ и др. Несмотря на достаточно большое количество работ по определению динамических нагрузок экспериментальным путем большая их часть отражала частные случаи процессов нагружения без доработки до инженерных методов расчета. Определению динамических нагрузок в строительных машинах теоретическим путем были посвящены работы Панкратова А.С. /60-69/, Ряхина В.А. /79,78/, Казака С.А. /42/, Комарова Н.С. /44/ и др. Однако работы перечисленных авторов отражали исследования либо одного класса машин, либо конкретных механизмов.
Основные инженерные методы расчета динамических нагрузок в одноковшовых экскаваторах, а так же в их узлах и деталях на прочность и долговечность с учетом режимов нагружения и эксперименталь ных исследований были разработаны Волковым Д.П. /24,29/. Автором была доказана приемлемость решения двух-трех массовых эквивалентных расчетных схем для определения динамических нагрузок в одноковшовых экскаваторах, что позволило значительно упростить анализ динамических, нагрузок, поскольку анализ и решение многомассовых систем весьма трудоемок, а конечные выражения громоздки и не удобны для практических расчетов.
Развитию третьего направления исследования действующих нагрузок в механических системах уделяется достаточно большое внимание как в нашей стране /40,41,61,62,54,71,92-94/, так и за рубежом /46,99-101/. Аналоговое моделирование и электронное аналогизиро-вание, как вспомогательное средство исследования механизмов, позволило рассматривать характерные для современной техники динамические системы и дало возможность исследователю проникать в самое существо процесса. Использование при моделировании систем аналоговых машин (АВМ) и ЭВМ позволило сравнивать различные варианты машин на стадии проектирования, не прибегая к изготовлению специальных экспериментальных стендов или нескольких вариантов машин, что обычно приводит к большим непроизводительным затратам времени и средств. Активное развитие в механике получил метод аналогий, который предполагает замену механической системы электронной схемой, где токи и напряжения электрической схемы отображают усилия и скорости в механической системе. Крон Г. /46/, используя метод аналогий при определении нагрузок в механической системе, в качестве основного компонента механической конструкции использует модель упругой балки, что представляет несомненный интерес, хотя область рассматриваемой задачи не охватывает кинематику процесса.
Малиновским Е.Ю. и Зарецким Л.Б. в работах /61,62/ на основе методов аналогового моделирования с применением АВМ рассмотрены процессы динамики автономных механических и гидромеханических систем. Авторами было получено исчерпывающее решение энергетики процесса в целом, однако исключение из исходных расчетных схем высокочастотных составляющих (жесткости валов, осей и т.д.) не позволило получить их максимальные значения при исследовании динамики нагружения.
Как правило при аналоговом моделировании применяется следующий порядок построения моделей: составление математического описания объекта моделирования в виде уравнений; подбор электрической цепи, способной служить моделью, и составление уравнений этой цепи; установление сходственных величин и написание масштабных соотношений; установление связи между масштабными коэффициентами; выбор масштабных коэффициентов и определение параметров модели по параметрам объекта. Такой порядок получения моделей компонентов механической системы представляется громоздким и не всегда выполним. Например не всегда оказывается возможным описание сложной механической системы системой дифференциальных уравнений. Представляет определенную трудность подбор электрической цепи адекватной механической. АВМ позволяет производить набор расчетных схем только определенного размера, кроме того при реализации схемы на АВМ накладывает ограничения выбор масштабных коэффициентов.
Определение усилий в элементах рабочего оборудования при совместном действии нагрузок механизмов подъема и напора
Рабочее оборудование прямая лопата одноковшовых экскаваторов для определения статических усилий в его элементах от действия нагрузок в вертикальной плоскости может быть представлено шарнир-но-стержневой системой (рис. 2.1). Усилия в стреле, ее подвеске, переднем, заднем подкосах двуногой стойки и стреловом раскосе зависят как от положения ковша под стрелой, так и от изменяемых геометрических параметров: fb - угла между обратной ветвью каната подъема и осью стрелы, Ц - угла между осями стрелы и ее подвески, Н - высоты двуногой стойки, (-)С - координаты верхнего шарнира двуноги. Расстояние Ї- между передним и задним подкосами в основном определяется базой экскаватора и компоновкой механизмов на поворотной платформе. Так как определение геометрических параметров поворотной платформы экскаватора является отдельной прикладной задачей, не рассматриваемой в данной работе, то расстояние Я при определении оптимальных параметров рабочего оборудования принимаем постоянным.
При работе ковша в забое возможна неравномерность нагружения элементов рабочего оборудования за счет резания грунта крайними зубьями ковша. В данном случае будем рассматривать равномерное распределение усилий, т.е. предполагаем, что нагрузки от резания грунта приложены к центральному зубу ковша.
Анализ зависимостей статических усилий от изменения геометрических параметров для выявления расчетных положений проводим при всех положениях ковша под стрелой. Положение ковша под стрелой в программе исследования на ЭВМ задаем углом между осями стрелы и рукояти (тС31 и длиной рукояти, как исходными данными. Таким образом на каждом шаге итерации при определенных значениях изменяемых геометрических параметров мы имеем возможность провести анализ изменения статических усилий в элементах рабочего оборудования.
-Статические усилия возникающие в элементах рабочего оборудования от действия нагрузок подъема, напора, масс элементов конструкции, определяются по зависимостям, выведенным классическим методом из условия равновесия системы.
В дальнейшем условимся расчетную схему, у которой канат подъе ма проходит с барабана лебедки на головные блоки стрелы, называть - схема I (рис. 2.1), а схему где канат подъема проходит от барабана до головных блоков через блоки двуногой стойки - схема 2. (рис. 2.I.).
Сформируем группы исходных данных и варьируемых геометрических параметров. К исходным данным оптимального проектирования рабочего оборудования будем относить: g - статическая нагрузка от действия механизма подъема, н - статическая нагрузка от действия механизма напора, Ж. - угол наклона стрелы, (ЗЛУ - масса ковша с грунтом, ZrCyV - габаритные размеры поворотной платформы, Gaon- конструктивные массы элементов рабочего оборудования. При принятых исходных данных группа варьируемых геометрических параметров рабочего оборудования будет сформирована следующим образом: Л5/ - угол, определяющий положение ковша под стрелой, 1Ь - угол между обратной ветвью подъемного каната и осью стрелы, П - высота двуногой стойки, X) - расстояние определяющее положение верхнего шарнира двуногой стойки относительно пяты стрелы. Общий методологический подход к формированию методики оптимизации параметров рабочего оборудования представляется следующим. Прежде всего должен быть определен объект исследования, т.е. определена конкретная геометрическая схема рабочего оборудования. Вместе с тем общий алгоритм оптимизации должен быть организован таким образом, чтобы он позволял анализировать неограниченное количество схем рабочего оборудования, проводить и выбирать из заданного количества схем после проведенного анализа оптимальную. Описание математической модели конкретной геометрической схемы для удобства построения алгоритма оптимизации должно быть организовано подпрограммой. Методика должна иметь возможность проводить анализ силовых факторов в элементах рабочего оборудования как в статическом, так и в динамическом режимах нагружения..Исследование в статическом режиме нагружения позволяет достаточно просто назначать исходные внешние нагрузки, наиболее быстро (по сравнению с динамическим режимом) получать значения усилий в элементах рабочего оборудования, сократить время исследования. На стадии предварительного проектирования это дает возможность определить порядок важности каждого из изменяемых геометрических параметров, а так же сделать предварительное заключение об оптимальности конструкции. Если предварительный анализ в статическом режиме нагру-жения выявил неоптимальность конструкции, то необходимо формировать целевую функцию для минимизации массы несущих элементов, определить внешние нагрузки на конструкцию с учетом динамики нагру-жения и провести оптимизацию параметров рабочего оборудования по сформированной целевой функции.
Определение зависимостей динамических нагрузок в канатах подъема и подвеске стрелы от изменяемых геометрических параметров
Для эффективного использования универсальных алгоритмов и программ численного анализа при определении действующих нагрузок в сложных механических системах необходимо иметь формализованное описание системы как объекта исследования. Появившиеся в этом направлении работы /5, 39, 41, 92-98/ содержат ряд основных принципов, позволяющих строить машинно-ориентированный аппарат автоматизированного анализа механических систем. В данном параграфе рассматриваются основные принципы формализованного описания основанного на компонентном представлении объекта исследования в форме механической цепи.
Механической цепью будем называть произвольную совокупность компонентов, связи которых, именуемые ветвями Do Dfy. .}Um-i , объединены в точках, именуемых узламиМ,/№,...,/1//Г-/. Каждому узлу цепи соответствует закон сохранения энергии /5/. Общий принцип графического изображения механической системы (рис. 4.1) в виде механической цепи представлен на рис. 4.2.-4.3. где, ТІ, Т2, ТЗ - твердые тела системьі,ГМЇ ,5Р , TR ,DMPF -модели компонентов, характеризующие физические свойства цепи. Уравнения моделей компонентов рассмотрены в параграфе 4.4. Связи компонентов механической цепи являются материальными носителями энергии, сигналов или вещества. Энергетическими связями далее называются связи, передающие энергию. Выделим двухпараметрические энергетические связи и многопараметрические энергетические связи. Основную роль в анализе цепей играют двухпараметрические или элементарные связи. Известно, что энергия или мощность пропорциональна скалярному произведению потоковой переменной на потенциальную: tsj = VfSJ vpfj где Vjsj - потоковая переменная связи, vPSi - потенциальная переменная. Потоковая и потенциальная переменные образуют пару дуальных переменных называемых далее фундаментальными. Условимся для механических цепей потенциальными переменными связей считать линейные Vfr/ и угловые G)SJ скорости, а потоковыми - силы rsj и моменты силы ilsj . Элементарными связями обладают такие компоненты механических цепей как демпферы, массы, упругости, люфты, источники энергии. Ряд этих компонентов приведен на рис. 4.3. Многопараметрическая связь может быть эквивалентно представлена набором двухпараметрических связей. Размерность набора очевидно равна числу пар дуальных переменных. Скалярные связи. Скалярные связи образуются путем расщепления двухпараметрических (элементарных) связей на совокупность однопараметрических связей. Каждая связь в этом случае осуществляет передачу только Vp или только V} переменных, принадлежащих исходному набору переменных. В механических цепях скалярные связи появляются в двух случаях: а) для моделирования кинематических участков цепи; б) для моделирования статических режимов нагружения конструк ций, состоящих из абсолютно жестких стержней. В первом случае из наборов переменных связей исключаются силовые переменные так как в кинематическом анализе они не участвуют. Во втором случае из наборов переменных исключаются все скорости так как в статических конструкциях такого рода перемещения отсутствуют.
Информационные связи. Для отображения операций измерения и управления, а также для производства операций функционального назначения (передача толькоЛ или только vs. переменной из одной части цепи в другую) вводятся информационные связи. Понятие информационной связи является более широким так как переменными информационных связей могут быть разного рода вспомогательные переменные - линейное перемещение, угол поворота, мощность... .
Скалярные и информационные связи в отличие от энергетических будем ориентировать одинарной стрелкой.
Связи компонентов объединяются в узлах, образуя компонентную механическую цепь. Для того, чтобы строить компонентные цепи любой структурной сложности вводятся типовые структуры узлов. С физической точки зрения узел представляет собой структурную единицу цепи, где в той или иной форме выполняются законы сохранения энергии (мощности).
Пусть узел объединяет связи, на которых действу ют потенциальная и потоковая переменные. Для элементарных связей потоковую переменную связиijj можно идентифицировать с самой связью, а потенциальную переменную„с полюсом (узлом, инцидентным этой связи) (рис. 4.4).
Покомпонентное описание механической системы "рабочее оборудование - привод" экскаватора
Так как при моделировании источникам внешнего воздействия были заданы максимальные значения крутящих моментов двигателей подъёма и напора, то результаты моделирования сравниваем с максимальными значениями соответствующих переменных, полученных в результате эксперимента. Процент погрешности при сравнении результатов моделирования и натурного эксперемента составил в канатах подъёма 7,5%, в канатах напора 5,6%, в подвеске стрелы 8%.
Таким образом молено сделать вывод, что реализованную в систв ме МАРС механическую цепь экскаватора можно использовать с определённой степенью точности для определения действующих нагрузок в элементах рабочего оборудования проектируемой машины. 1. Проведен анализ сложной неоднородной механической системы РО - П, который позволил получить действительные нагрузки в элементах рабочего оборудования и приводе при жестких режимах работы экскаватора. 2. Формирование механической цепи посредством набора моделей типовых компонентов позволяет рассматривать несколько вариантов механических систем, отличающихся друг от друга параметрами основных элементов. Это дает возможность оперативно выявить преимущества и недостатки каждой из рассматриваемых схем и принять для проектирования наиболее выгодную. 3. Модель компонента&RUA/T позволяет задавать на стадиях моделирования различные режимы нагружения конструкции путем учета с помощью параметров модели, различных категорий грунта по удельному сопротивлению копанию. Таким образом, на стадии проектирования можно анализировать нагружение металлоконструкции рабочего оборудования при экскавации различных категорий грунта. 4. Использованный аппарат математического моделирования позволяет анализировать различные по топологической структуре объекты путем простого изменения исходных данных. Это позволяет оперативно анализировать нагрузки в элементах механической цепи при различных вариантах привода. 5. Получены исходные внешние нагрузки, являющимися исходными данными при реализации алгоритма поиска оптимальных параметров конструкции. При проектировании экскаваторов одной из важнейших проблем является экономичность машины. Технико-экономические показатели экскаватора определенным образом зависят от изменения геометрических параметров рабочего оборудования /36,37,2,48,80/. Точная постановка задачи предполагает такое сочетание геометрических параметров при котором получается минимум затрат на изготовление, монтаж и эксплуатацию экскаватора за нормативный период. Очевидно, что на каждом шаге поиска оптимальных параметров рабочего оборудования определить точную сумму затрат невозможно. Для этого необходимо иметь аналитические зависимости стоимости изготовления, монтажа всех элементов рабочего оборудования от габаритных размеров и массы, а также зависимости затрат энергии на эксплуатацию от момента инерции экскаватора в плоскости поворота. Существующие зависимости /36,37 не отвечают вышеперечисленным требованиям. Поэтому в настоящей работе предлагается упрощенная оценка экономичности конструкции при следующих допущениях: - стоимостные показатели будут иметь наиболее низкие значения для экскаватора наименьшего веса; - вес экскаватора изменяется за счет изменения массы несущих металлоконструкций поворотной платформы, рабочего оборудования;
Исходя из вышесказанного предлагается следующая целевая функция оптимизации параметров рабочего оборудования /3/. QLK - масса конструктивных деталей; 5с - максимальная величина усилия в L -м элементе; ІС - длина 1-го элемента; / - объемная масса материала; Л - число элементов рабочего оборудования. Второй член:целевой функции (5.1) представляет собой сумму масс конструктивных элементов. Он вводится в задачу оптимизации на стадии формирования исходных данных и может быть взят из прототипов существующих машин, что позволяет достаточно просто проводить корректировку дополнительных масс. На параметры рабочего оборудования и изменяемые геометрические параметры наложены следующие ограничения.
