Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса и задачи исследования... 8
1.1 Конструкции самоходных скреперов 8
1.2 Обзор исследований и анализ систем снижения нагрузок на металлоконструкцию скрепера со стороны толкача 8
1.3 Результаты анализа. Постановка задачи исследования 13
2 Оценка НДС металлоконструкции скрепера вместимостью 8м3 в процессе копания грунта. 16
2.1 Оценка нагруженности металлоконструкции скрепера традиционного исполнения 16
2.1.1 Анализ расчетных нагрузок действующих на металлоконструкцию скрепера при использовании толкачей различных тяговых классов и в различных расчетных положениях 17
2.1.2 Выбор метода определения напряженно-деформированного состояния конструкции. Разбивка на конечные элементы металлоконструкции скрепера. Граничные условия 43
2.1.3 Оценка нагруженности металлоконструкции скрепера при использовании толкачей различных тяговых классов 45
2.1.4 Анализ мест металлоконструкции скрепера с напряжениями близкими к пределу текучести материала 48
2.2 Адекватность задания граничных условий и расчетных схем при определении НДС металлоконструкции скрепера в режиме копания грунта 57
2.2.1 Оборудование для полевых исследований 57
2.2.2 Методика проведения полевых исследований 60
2.2.3 Результаты полевых исследований 61
2.3 Оценка снижения НДС металлоконструкции скрепера за счет конструктивных изменений 64
2.4 Устройство ограничения статической и динамической нагрузки со стороны толкача на скрепер «ограничитель нагрузки» 71
2.4.1 Принцип действия устройства 71
2.4.2 Конструкция ограничителя нагрузки с демпфером линейной жёсткости 71
2.4.3 Конструкция ограничителя нагрузки с демпфирующим элементом нелинейной жесткости 73
3 Математическая модель ограничителя нагрузки 75
3.1 Основные предпосылки и требования к математической модели 75
3.2 Математическая модель процесса копания грунта 77
3.3 Моделирование устройства «ограничитель нагрузки» 78
3.3.1 Принятые допущения, динамическая модель устройства «ограничитель нагрузки» 78
3.3.2 Математическое описание устройства «ограничитель нагрузки» 79
4 Реализация математической модели устройства «ограничитель нагрузки» в процессе копания грунта скреперным агрегатом 81
4.1 Методика проведения исследований 81
4.2 Процесс копания грунта скреперным агрегатом с ограничителем нагрузки 83
4.2.1 Выбор оценочных показателей 83
4.2.2 Толщина вырезаемой стружки, сопротивление копанию и объём грунта в ковше при использовании различных типов толкачей 83
4.3 Анализ динамики рабочего процесса скрепера для различных грунтов на основании изменения утла скола. Определение зоны нечувствительности устройства «ограничитель нагрузки» 87
4.4 Методика выбора рациональных параметров устройства «ограничитель нагрузки» 93
4.4.2 Выбор основных параметров устройства на основе демпфера с линейной жёсткостью 100
4.5 Методика проектирования устройства «ограничитель нагрузки» в режиме копания грунта 102
4.6 Экспериментальные исследования устройства «ограничитель нагрузки» 103
4.6.1 Цели и задачи исследования 103
4.6.2 Экспериментальная установка для лабораторных исследований 103
4.6.3 Методика проведения лабораторных исследований 105
4.6.4 Результаты лабораторных исследований 107
5 Оценка эффективности устройства «ограничитель нагрузки» 109
5.1 Оценка снижения уровня напряжений в металлоконструкции скрепера при использовании устройства 109
5.2 Оценка увеличения усталостной прочности металлоконструкции скрепера при использовании устройства 112
5.2.1 Анализ усталостной долговечности металлоконструкции скрепера с ограничителем нагрузки и без него 116
5.3 Экономическая оценка использования ограничителя нагрузки 119
5.3.1 Планово-расчётная стоимость машино-часа скрепера МоАЗ-6014 119
5.3.2 Определение производительности самоходного скрепера 121
5.3.3 Определение ПРС разработки 1 м3 комплектом «скрепер-толкач» при использовании устройства «ограничитель нагрузки» 128
Выводы 131
Список литературы 132
- Обзор исследований и анализ систем снижения нагрузок на металлоконструкцию скрепера со стороны толкача
- Анализ мест металлоконструкции скрепера с напряжениями близкими к пределу текучести материала
- Толщина вырезаемой стружки, сопротивление копанию и объём грунта в ковше при использовании различных типов толкачей
- Оценка увеличения усталостной прочности металлоконструкции скрепера при использовании устройства
Введение к работе
Тема
Повышение работоспособности металлоконструкции скрепера вместимостью 8 м3 при интенсивной эксплуатации.
Актуальность темы.
С увеличением выпуска мощных промышленных тракторов появилась возможность загружать одни и те же скреперы с помощью различных толкачей, при этом, как показывает статистический анализ [1], используемые толкачи могут отличаться по мощности в 5 раз. Анализ статистических данных по техническим характеристикам бульдозеров, используемых в качестве толкача, показал, что среднее значение мощности двигателя составляет 244.6 кВт, среднеквадратичное отклонение равно 118 кВт. При этом удельная мощность двигателя толкача при работе со скрепером геометрической вместимостью 8.3 м3 на 1 м3 составляет от 12.53 до 69.15 кВт/м3 [2,3,4,5]. Применение мощных толкачей при работе в скреперном агрегате сокращает время наполнения ковша скрепера и позволяет толкачу обслуживать большее количество скреперов, что увеличивает производительность скреперного агрегата, тем самым снижая себестоимость 1 м3 разработанного грунта.
Работа скреперов с толкачами исследовалась К.А. Артемьевым [6], Н.А. Ульяновым [7], Ревзиным П.И. [8, 9], В.А. Борисенковым [10] и другими авторами. Исследования в этой области, выполненные до этого времени, были посвящены определению минимального тягового усилия, необходимого для заполнения ковша, или минимальной энергоемкости процесса копания и дальнейшему уменьшению этих величин путем совершенствования конструктивных элементов скрепера. Однако взаимодействие толкачей со скреперами, тяговое усилие которых значительно выше необходимого для наполнения ковша скрепера, исследовано недостаточно. Использование в скреперном агрегате толкачей с удельной мощностью 30...40 кВт/м3 в сочетании с удельной мощностью самого скрепера в 20 кВт/м3, существенно повышает производительность скреперного агрегата [1], в то же время вызывая поломки отдельных элементов металлоконструкции скрепера.
Понимание причин отказов в металлоконструкции скрепера возможно при исследовании напряженно-деформированного состояния металлоконструкции, чему было до сих пор уделено недостаточно внимания ввиду сложности металлоконструкции скрепера и отсутствия возможности приблизить расчетную схему к самой конструкции. Расчету подвергались отдельные элементы конструкции скрепера при использовании стержневых систем (Плеш-ков Д.И. [11], Борусевич А.А. [12], Алексеева О.В. [13]). Постепенно с усовершенствованием методов расчета и технических средств расчетные схемы приблизились к реальной конструкции скрепера (Волобоев В.Г.[14], Венде Ф.Д.[15], Кукин А.В.[16]), но рассмотреть проблему связанную с напряженно-деформированным состоянием всей металлоконструкции скрепера не уда-
валось, особенно выявить взаимосвязь между усилением одних узлов и напряженно-деформированным состоянием (НДС) других.
С учетом выявленной взаимосвязи между толкачами увеличенной мощности и надежностью работы скрепера цель и задачи настоящей работы сформулированы следующим образом.
Цель исследования:
Целью работы является разработка научно обоснованных рекомендаций по повышению работоспособности металлоконструкции скрепера вместимостью 8 м3 (на примере МоАЗ-6014) при интенсивной эксплуатации при использовании толкачей различного тягового класса.
Задачи исследования:
исследовать НДС металлоконструкции скрепера традиционного исполнения при работе с толкачами различного тягового класса в различных расчетных положениях;
оценить возможности конструктивного усовершенствования металлоконструкции скрепера традиционного исполнения для повышения её работоспособности;
разработать устройство, обеспечивающее снижение статической и динамической нагрузок со стороны толкача на металлоконструкцию скрепера «ограничитель нагрузки»;
разработать математическую модель ограничителя нагрузки, обеспечивающего снижение статической и динамической нагрузок со стороны толкача на металлоконструкцию скрепера;
разработать методику выбора основных параметров ограничителя нагрузки, снижающего статическую и динамическую нагрузки со стороны толкача на металлоконструкцию скрепера;
оценить усталостную долговечность металлоконструкции скрепера традиционного исполнения, с конструктивными изменениями и скрепера с ограничителем нагрузки;
провести экономическую оценку использования предложенных технических решений для скреперного агрегата.
Методы исследования.
В работе используются методы математического моделирования, численные и математические методы анализа. Исследование напряженно-деформированного состояния металлоконструкции скрепера проводилось с использованием метода конечных элементов (МКЭ). Результаты исследования подтверждены методом физического эксперимента.
Научная новизна диссертации:
разработаны регрессионные уравнения для определения статической и динамической нагрузок на задний бампер скрепера со стороны толкачей различного тягового класса;
предложены новые расчетные сочетания нагрузок, учитывающие особенности эксплуатации скрепера с толкачами класса 25 и 35;
применительно к МКЭ разработан способ задания граничных условий, позволяющий оценить напряженно-деформированное состояние металлоконструкции скрепера в процессе копания грунта;
предложены технические решения устройств снижающих динамические нагрузки на металлоконструкцию скрепера и методы расчета.
Практическая ценность:
разработаны и запатентованы три технических решения устройств, позволяющих снизить динамическую нагрузку со стороны толкача на металлоконструкцию скрепера в процессе копания грунта;
разработаны рекомендации по совершенствованию металлоконструкции ковша и задней рамы скрепера, позволяющие обеспечить надежную работу скреперного агрегата с толкачами 25 и 35 тягового класса;
разработана проектная документация ограничителя нагрузки для скреперов МоАЗ-6014 и МоАЗ-6007.
Реализация работы.
Результаты выполненных исследований, методика выбора рациональных параметров ограничителя нагрузки внедрены в учебный процесс студентов специальности 05.05.04 «Дорожные, строительные и подъемно-транспортные машины» в ГУ ВПО «Белорусско-Российский университет».
Конструктивные изменения в металлоконструкции скрепера МоАЗ-6007 позволили разрешить его эксплуатацию с толкачами класса 25. Внедрение конструктивных изменений позволило снизить массу металлоконструкции скрепера МоАЗ-6014 на 1,2 %, что составляет 106 кг (сталь 09Г2С).
Применение устройства, обеспечивающего снижение динамической и статической нагрузок со стороны толкача на скрепере МоАЗ-6014, позволило снизить динамическую составляющую нагрузки со стороны толкача для толкача 10 класса в 3,5 раза; 25 класса - в 2 раза; 35 класса - в 1,4 раза.
Внедрение в металлоконструкцию скрепера конструктивных изменений и применение ограничителя нагрузки позволило использовать для работы в скреперном агрегате толкачи 25 и 35 классов.
Апробация работы.
Основные положения и результаты работы докладывались на научно-технических конференциях:
«36-я студенческая научно-техническая конференция» в МГТУ (Могилёв, 2000 г.);
IV, V Республиканские научные конференции студентов и аспирантов «Новые математические методы и компьютерные технологии в проектировании, производстве и научных исследованиях» в ГГУ (Гомель, 2001, 2002 г.г.);
международная научно-техническая конференция «Потенциал науки - развитию промышленности, экономики, культуры, личности» в БИТУ (Минск, 2002 - 2004 г.г.);
международная межвузовская научно-техническая конференция студентов, аспирантов и магистрантов в ГГТУ им. Сухого (Гомель, 2002 г.);
международная научно-техническая конференция «Интерстроймех 2002» в МГТУ (Могилёв, 2002 г.);
международная научно-техническая конференция «Современные проблемы машиноведения» (научные чтения, посвященные Павлу Осиповичу Сухому) в ГГТУ им. Сухого (Гомель, 2002 г.);
международная научно-техническая конференция «Прогрессивные технологии, технологические процессы и оборудование» в МГТУ (Могилёв, 2003 г.);
республиканская научно-техническая конференция «Новые материалы, оборудование и технологии в промышленности» в ГУ ВПО «Белорусско-Российский университет» (Могилев, 2004 г.).
Результаты работы доложены на техническом совете РУП «Могилев-ский автомобильный завод им. Кирова».
Публикации. По теме диссертации опубликовано 22 работы, в том числе получен патент РБ на изобретение.
Обзор исследований и анализ систем снижения нагрузок на металлоконструкцию скрепера со стороны толкача
Исследованиями в области вопроса глубины резания на процесс копания грунта скреперами занимались многие ученые. Наиболее известны работы школы СибАДИ возглавляемые профессором К.А. Артемьевым [18], В.И. Баловнева [19], работы ВНИИСтройдормаш под руководством профессора И.П. Бородачева [20], Ю.А. Ветрова [21], Ю.Б. Дейнего [22], Н.Г. Домбров-ского [23], А.Н. Зеленина [24], Е.Р. Петерса [25], Д.И. Плешкова [11], Д.И. Федорова [26], В.А. Шнейдера и др.
Однако понятие «глубина резания» в приведенных работах характеризует только толщину срезаемой стружки, а исследованию зависимости между толщиной стружкой и конструктивным параметром «максимальная глубина резания», приводимым в технических характеристиках скреперов, не было уделено достаточно внимания.
В то же время, по данным И.П. Керова и Р.А. Кабашева [27] основные параметры скрепера стабилизировались и разброс по отдельным моделям одного типоразмера не превышает 10... 19%, хотя параметр «максимальная глубина резания» скреперов одной вместимости отличается в два и более раза (240 мм - 63 ID "Caterpillar" и 480 мм - WS23 "Komatsu").
Определению рационального значения конструктивного параметра «максимальная глубина резания» и оптимального соответствия между вме 10
стимостью ковша скрепера и мощностью толкача были посвящены работы П.И. Ревзина [28, 29]. На основании данных полученных П.И. Ревзиным, конструктивный параметр «максимальная глубина резания» для скрепера номинальной вместимостью 10 м3 был уменьшен с 400 до 200 мм, а оптимальная удельная мощность гусеничных толкачей должна составлять 23...30 кВт на 1 м3 геометрической вместимости ковша скрепера.
Регулирование величины внешних нагрузок путем изменения скорости движения машин. Анализ математических моделей процесса копания грунта скрепером [30] с различной геометрической вместимостью ковша на предмет определение характера влияния скорости процесса на его эффективность показал, что наибольшая эффективность, т.е. максимальное снижение удельных затрат и других интегральных показателей, так же отвечает изменению скорости копания в диапазоне 2,2...3,0 м/с для всех типоразмеров скреперов. Эти скорости соответствуют переходным процессам разрушения грунта и структурообразования.
Исследованиями бульдозерного агрегата на базе гусеничного тягача в различных грунтовых условиях [31 ] определена зависимость действительной скорости и коэффициентов потери скорости рабочего хода агрегата от расчетной удельной силы тяги. С переходом на передачи с большими тяговыми усилиями коэффициент потери скорости рабочего хода агрегата, в связи с изменением скоростного режима двигателя растет, а коэффициент буксования движителя уменьшается. Установлено, что потери скорости рабочего хода агрегата из-за буксования на первой передаче составляют 27...33%, т.е. удельная сила тяги агрегата близка к предельной по сцеплению.
Исходя из изложенных выше исследований следует, что скорость рабочего процесса скрепера должна стремиться к 2.5 м/с, а потери скорости гусеничного тягача на первой передаче из-за буксования составляют в среднем 30%. Стыковка толкача со скрепером происходит на минимально возможной передаче, поэтому уменьшение скорости толкача не представляется возможным, ввиду неизбежных потерь в производительности скреперного агрегата.
В процессе копания грунта возникает задача согласования скорости движения скрепера и толкача, поэтому толкачи, используемые для работы в скреперном агрегате, должны иметь бесступенчатую трансмиссию для плавного подъезда к скреперу и предотвращения отрыва от него во время набора грунта.
Уменьшение жесткости конструкции путем введения дополнительных упругих элементов. В настоящее время получают распространение упругие устройства, конструкции которых предусматривают снижение максимальных динамических нагрузок за счет срабатывания устройства после достижения нагрузкой некоторого заданного уровня и, вследствие этого снижения жесткости рабочего оборудования. Известны пружинные амортизаторы бульдозеров-толкачей фирмы «Caterpillar», рабочие органы с упругими элементами дорожных фрез, рыхлителей, бульдозеров, экскаваторов (авт. свид. № 160114, 162057, 163111, 166904, 170400, 175894 и др.). Применение такого типа ограничителя динамических нагрузок позволяет снизить нагруженность, однако пределы изменения нагрузок остаются довольно широкими и существенно зависят от режима нагружения. Кроме того, снижая величину максимальной динамической нагрузки, указанные устройства при встрече рабочего органа машины с жестким препятствием не защищают от интенсивного буксования движителей и заглохания двигателя.
На основе анализа уравнений определения динамических нагрузок [32] можно сделать вывод о необходимости существенного снижения (в 4...6 раз) в экстремальных условиях нагружения жесткости конструкции в направлении действия инерционных сил без уменьшения прочности конструкции. Для ограничения нагружений с минимальными габаритами ограничителей и предотвращения колебаний в диапазоне рабочих нагрузок необходимо получить нелинейную характеристику ограничителя, т.е. обеспечить «рабочую» жесткость до срабатывания ограничителя при достижении заданного значения нагрузки и наименьшую жесткость после срабатывания устройства. Такая характеристика может быть получена с использованием рычажно-гидравлических устройств с установкой поглощающего элемента в направлении близком к нормальному по отношению к направлению действия динамических нагрузок. Кроме того, рычажная система позволяет не только снизить действующие на упругий элемент нагрузки, но и при соответствующем выборе конструкции рычажной системы, произвести выглубление рабочего органа и обойти препятствие.
Принцип действия устройства для снижения динамической нагружен-ности скрепера [33] заключается во включении в работу, после достижения заданного уровня тягового усилия, упругого элемента, включенного между частями хобота. Упругий элемент (гаситель) представляет собой набор амортизирующих элементов (пружину), начальная затяжка которой регулируется винтом. Величина предварительной затяжки устанавливается из условия включения устройства в работу только после превышения тяговым усилием номинального значения.
Недостатком описанного устройства является то обстоятельство, что ограничитель, снижая динамические нагрузки, не обеспечивает автоматического выглубления рабочего органа скрепера, агрегат останавливается, тягач буксует, снижается производительность, изнашиваются шины. Поэтому, наиболее рациональным является применение ограничителя, обеспечивающего вместе со снижением динамических нагрузок выглубление ковша, снижение сопротивлений на ноже.
Упругие вставки между рабочим органом и точками его крепления к конструкции СДМ в целях понижения приведенного коэффициента жёсткости и нормального протекания рабочего процесса должны иметь предварительный натяг. Величина его определяется нечувствительностью дополнительной упругой системы к максимальным статическим усилиям, действующим в обычных условиях.
Анализ мест металлоконструкции скрепера с напряжениями близкими к пределу текучести материала
Характерной особенностью конструкций рабочего оборудования современных скреперов является широкое использование боковых стенок коробчатого сечения в ковшах, которые позволяют обеспечить прочность и жёсткость металлоконструкции, предотвратить деформацию стенок от распирающего воздействия грунта. Однако, вес ковша в данном случае больше, примерно на 10% [48]. В зонах повышенных напряжений рабочего оборудования и износа металлоконструкции применяют высокопрочную сталь, но с увеличением прочности стали, предел усталости сварных швов не превышает 90 МПа [63]. В буферной раме широко применяется усиление накладками стыков балок буферной рамы с поперечными балками ковша. Данное конструктивное решение приводит к сосредоточению большого количества сварных швов в небольшой области металлоконструкции.
Полученные данные о НДС металлоконструкции скрепера от толкача Т-170 в рабочем режиме, позволили определить наиболее нагруженные места, которыми являются: - место крепления конструкции задней рамы к боковым стенкам ковша (область № 4, табл. 2.19); - место крепления косынок на задней раме (область № 5); - место крепления поперечной балки бампера к продольным балкам задней рамы (область № 6); - зона крепления гидроцилиндров подъёма ковша (область № 3) на боковых стенках. Напряжения, возникающие в металлоконструкции скрепера МоАЗ-6014 от усилия толкача Т-170, не превышают предела текучести сгт стали 09Г2С (350 МПа), поэтому толкачи с тяговым усилием до 100 кН можно без ограничений рекомендовать для совместной работы со скрепером. Применение толкачей тяговым классом 250кН и выше при работе с скрепером МоАЗ-6014 является недопустимым по следующим причинам: - в местах (области 3,4,5) напряжения превышают предел текучести материала; - в области 7 (место крепления поперечной балки бампера к продольным балкам задней рамы) при боковом ударе (расчётное положение 3) вследствие больших перемещений бампера, возможен отрыв поперечной балки бампера от задней рамы по месту сварки; - в месте крепления подножевой плиты к боковой стенке, при заглублении ковша, возможен отрыв подножевой плиты или днища в местах сварки. На основании изложенного в руководство по эксплуатации скрепера МоАЗ-6014 следует внести изменения, запрещающие эксплуатацию скрепера с толкачами с тяговым усилием более 100 кН, за исключением случаев, когда применяется демпфирующее устройство. Исследования ппеводнлнсь на ск"спеле МоАЗ-6014 с записью нормальных напряжений в ряде мест металлоконструкции при копании грунта При проведении исследовании использовалась специально разработанная тензометрическая аппаратура (контроллер Аксон-ОЗТ) с записью снимаемых значении па ЭВМ типа «notebook». На рис.2.1 S приведена схема усилителя олумос цифровой преобразователь. Для адаптации усилителя к разным тензорезисто-рам и разным диапазонам измерения напряжений в схему введен аналоговый ключ DA2-1 и коммутирующий резистор R9. При выключенном ключе коэффициент усилителя равен І0І, при включенном 435. В течение испытаний возможна разбалансировка полумоста, что ири смешения дифференциального усилителя DAI устанавливается с помощью цифроаналогового преобразователя, управляемого микропроцессором. Это дает возможность программного управления «смещением нуля». Контроллер Аксон-ОЗТ имеет встроенный CAN (рис. 2.19) интерфейс с поддержкой протоколов CAN 2.0А и CAN2.0B. Через CAN интерфейс осуще Схема крепления тензодатчиков к металлоконструкции скрепера позволяла исключить влияние деформацию растяжения - сжатия, получить удвоенную чувствительность и сделать полную температурную компенсацию. - Деформации и напряжения в заданных точках определялись методом тензометрирования, но регистрация касательных напряжений этим методом не представляется возможной. Поэтому остановимся на регистрации нормальных напряжений. Ввиду наличия определенных трудностей при регистрации нормальных напряжений по оси Z (см. рис.2.24), регистрировались нормальные напряжения по оси X и Y в местах обозначенных на рис. 2.24. Регистрация напряжений велась по восьми точкам (использовались два 4-х канальных контроллера), расположенным на задней раме скрепера МоАЗ -6014. Начальные условия. Грунт - суглинок. Расстояние между толкачом и скрепером в начальный момент времени -2 м. Угол стыковки толкача со скрепером 20. Скрепер начинает работу самостоятельно и продолжает её до момента начала буксования ведущих колёс, затем машинист выключает сцепление и ожидает подхода толкача. При совместной работе скреперного агрегата включение сцепления скрепера происходит в момент контакта толкача задней рамой. Первоначально вырезается максимально возможная стружка до момента, пока сопротивление копанию не превысит тяговые возможности скреперного агрегата. Затем происходит постепенное выглубление рабочего органа с целью уменьшения сопротивления копанию. Правильность полученных результатов при помощи МКЭ и адекватность задания граничных условий металлоконструкции скрепера при копании грунта подтверждали путем проведения испытаний на скрепере МоАЗ - 6014 и толкача Т170. - проводились эксперименты в которых исследовался момент удара (время, величина усилия со стороны толкача - динамическая составляющая и напряжения возникающие в металлоконструкции скрепера); Симметричный удар толкача. Скрепер начинает работу самостоятельно без участия толкача (вырезается максимально возможная стружка) и продолжает её до момента начала буксования ведущих колес, затем машинист выключает сцепление и ожидает подхода толкача. Толкач подъезжает симметрично к скреперу со скоростью 1 м/с и происходит стыковка. Результаты В процессе симметричного нагружения металлоконструкции скрепера со стороны толкача, было выявлено, что характер распределения напряжений в металлоконструкции задней рамы носил симметричный характер. Величина максимальных напряжений (нормальные напряжения по оси X) была зарегистрирована тензодатчиками 6, 8 и составила 85±0.5 МПа. Динамическая нагрузка со стороны толкача со стороны толкача составляла 253±20 кН.
Отклонение от расчетных значений динамической составляющей усилия со стороны толкача составило около 10%. Отклонение от расчетных значений нормальных напряжений в области крепления верхней поперечной балки задней рамы к ковшу составило 13%. Отклонения действительных и расчётных значений вызвано рядом допущений принятых в расчёте.
Толщина вырезаемой стружки, сопротивление копанию и объём грунта в ковше при использовании различных типов толкачей
Во втором варианте устройства в качестве демпфирующего элемента с нелинейной характеристикой был взят гидропневмоаккумулятор.
Скрепер с ограничителем нагрузки, работает следующим образом. При взаимодействии толкача со скрепером, вследствие наличия в задней раме 5 (рис. 2.31) скрепера подвижной части телескопической конструкции - снижается жёсткость скреперного агрегата при силовом воздействии на бампер 6, поэтому уменьшаются динамические нагрузки, действующие на скрепер. Ограничение толкающего усилия осуществляется следующим образом. При достижении максимального усилия, развиваемого на рабочем органе, увеличивается толкающее усилие и давление в гидроцилиндрах 7 до величины, когда срабатывает реле давления 11 и запитывается электромагнит 12 дополнительного распределителя 13, который переместит золотник распределителя 13 (рис. 2.32) в положение, соответствующее подъёму рабочего органа.
Подъём осуществляется до момента, когда сопротивление копания, а значит и давление в гидроцилиндрах 7 начнёт снижаться, при этом контакт реле давления 11 разомкнётся, и золотник распределителя 13 возвратится в исходное положение. В случае низкого давления (малая толщина стружки) замыкается второй контакт реле давления 11, который запитывает второй магнит распределителя 13 и будет осуществляться заглубление рабочего органа до тех пор, пока давление в гидроцилиндре 7 не вырастет до такой степени, что контакт реле давления 11 разомкнётся. Зону нечувствительности реле давления 11 обеспечивают регулировкой величины давления замыкания его контактов. В случае, когда оператору необходимо управлять процессом набора грунта вручную, он, перемещая золотник распределителя управления ковша 14, отключает устройство ограничения толкающего усилия концевым выключателем 15, который установлен на распределителе. В конце процесса копания устройство отключается за счёт срабатывания контакта 16, установленного на боковой стенке.
Предлагаемое техническое решение обеспечивает снижение динамических нагрузок, а значит повышение надёжности машины, устойчивую работу устройства автоматического регулирования рабочего процесса скрепера, снижение времени наполнения ковша и использование при работе на скреперах малоопытных операторов.
Данная глава посвящена разработке математической модели устройства. Модель ориентирована на исследование работы устройства с помощью ЭВМ. В настоящее время математическое моделирование сложных систем осуществляется, как правило, на основе системного подхода [87,88]. В соответствии с его принципами, все наиболее важные свойства элементов системы и её внутренние связи, управляющие воздействия и характеристики внешней среды, оказывающие значительное влияние на поведение исследуемых процессов, необходимо рассматривать в единой модели. В этой модели должна быть отражена логическая структура, изучаемой системы, и её взаимосвязь с другими системами машины и с внешней средой. К моделям, как известно [89], предъявляют требования универсальности, точности, экономичности. Ввиду чрезвычайной сложности объектов моделирования, необходимо учитывать лишь самые важные их свойства. Поэтому, прежде всего надо определить необходимую и достаточную сложность (или упрощённость) модели. К главным факторам, которые определяют работу устройства снижения статической и динамической составляющей со стороны толкача, относятся: грунтовые условия, усилие со стороны толкача, схема организации процесса копания грунта скрепером и конструктивное решение устройства. Для описания устройства ограничения толкающего усилия требуется: - учесть влияние грунтовых условий; - учесть влияние технологической схемы набора грунта; - учесть влияние элементов, входящих в систему; Задачи, поставленные в диссертационной работе, невозможно выполнить без математического описания исследуемого устройства, процесса копания грунта и изучения влияния динамики процесса копания на работу узла. При выполнении рабочего процесса скрепер преодолевает ряд сопротивлений, возникающих в результате взаимодействия агрегата с внешней средой. К числу основных относятся сопротивления копанию грунта и движению агрегата, возникающие при изменении положения рабочего органа. Изменение сопротивлений копанию грунта в рабочем процессе определяют закон движения скрепера. Под сопротивлением копанию понимают суммарную силу сопротивления грунта, возникающую при его разработке на рабочем органе агрегата и направленную в сторону, противоположную его движению. Эта сила составляет один из компонентов реакции грунта на рабочий орган и рассматривается как ряд слагаемых, характеризующих процесс копания. В исследованиях взаимодействия рабочего органа скрепера с грунтом наибольшее значение имеют исследования К.А. Артемьева [6], В.И. Баловне-ва [19], Ю.А. Ветрова [21], А.Н. Зеленина [24], И.А. Недорезова [90], Е.Р., Пе-терса [25], Д.И. Федорова [91], A.M. Холодова [32], В.В. Ничке [92], В.А. Бо-рисенкова [10], Т.В. Алексеевой [93, 94], В.Н. Тарасова, В.Г. Белокрылова, Берестова Е.И. [98]. Среди зарубежных авторов выделяются работы Г. Кюна, В. Дреесса и др. Одной из первых работ, в которой был выполнен теоретический анализ процесса наполнения ковша на основе закономерностей механики грунтов, является работа Е.П. Петерса [25], опубликованная в 1948 г. Автор предложил методику определения сопротивлений возникающих при наполнении ковша скрепера. Методика расчёта сопротивлений копания и перемещения скрепера получила широкое распространение в инженерной практике благодаря простоте и хорошей сходимости получаемых результатов. Сопротивления на ноже, при копании грунта скрепером, определялись при помощи методики Е.П. Петерса.
Процесс наполнения ковша скрепера можно проанализировать по следующим критериям: толщина вырезаемой стружки (определяет величину сопротивления копанию грунта) и объём набранного грунта в ковш (оценка эффективности наполнения ковша скрепера при различных технологических схемах). При этом следует рассмотреть различные варианты набора грунта скрепером (совместная работа толкача и скрепера при наборе грунта; скрепер набирает грунт самостоятельно, а затем с толкачом) и разработать рекомендации по эффективному использованию скреперов, оснащённых системой снижения НДС металлоконструкции скрепера.
В устройстве снижения статической и динамической нагрузки со стороны толкача на скрепер, используется демпфирующий узел, конструктивное решение которого может быть с нелинейной жёсткостью (гидропневмоакку-мулятор и дроссель) или с линейной жёсткостью (пружинные блоки). Данную особенность необходимо учитывать при моделировании устройства ограничения толкающего усилия, через приведенную жёсткость системы «скрепер -устройство ограничения».
Режим работы скрепера характеризуется такими параметрами, как тяговое усилие, загрузка двигателя, буксование движителя, скорость перемещения агрегата и другие. Установить рациональный режим можно на основе анализа рабочего процесса, рассматривая взаимодействие рабочего органа машины и разрабатываемого грунта.
Оценка увеличения усталостной прочности металлоконструкции скрепера при использовании устройства
регулирования толщины вырезаемой стружки и наличия демпферного устройства, в процессе копания грунта. Для этого на лабораторной установке смонтировано следующее оборудование: концевой выключатель установленный на внешней раме и имеющий возможность контакта с внутренней рамой; для плавного регулирования толщины вырезаемой стружки редуктор тензо-метрической тележки имеет электродвигатель, который управляется концевым выключателем.
Запись результатов измерения осуществляется следующим образом. Сигналы с тензодатчиков через троллеи поступают на тензоусилитель ТА-5. Тензоусилитель служит для преобразования сигналов и дальнейшей их передачи на ПЭВМ. ПЭВМ оборудована специальной платой, которая оцифровывает полученные сигналы, записывает их на винчестере и отображает в виде графика на мониторе непосредственно во время проведения опыта. Для защиты от возможных перепадов напряжения в сети, все оборудование запиты-вается через стабилизатор напряжения СН-500.
Установка позволяет записывать и хранить в памяти ПЭВМ следующие параметры процесса копания грунта: - горизонтальную составляющую сопротивления резанию; - вертикальную составляющую сопротивления резанию; - нагрузку на заднюю ось скрепера; - отметки времени в миллисекундах. Общий вид измерительной аппаратуры представлен на рисунке 4.15. При лабораторных исследованиях использовалась методика физического моделирования, разработанная В.И. Баловневым. На основании экспери ментальных исследований В.И. Баловнев отмечает, что нет необходимости, чтобы при изменении сопротивления грунта сдвигу другие параметры прочности, такие как сцепление и модуль упругости, изменялись точно в соответствии с условиями физического моделирования. Здесь важно не абсолютное значение параметров, а тот факт, что их изменение происходит в определенной пропорции в соответствии с изменением показателя прочности грунта. В качестве основного параметра, определяющего подобие грунта по прочности, предлагается использовать условный показатель, являющийся функциональной зависимостью от основных параметров прочности, одним из которых является число ударов ударника ДорНИИ. Методика использовалось с целью сокращения времени подготовки опытов и обеспечения по возможности идентичных условий при их повторении. Отметим, что для сопоставления экспериментальных результатов с теоретическими, полученными по разработашюй методике, необходимо использовать реальные физико-механические свойства грунта в канале и реальные размеры исследуемой модели. Основой для получения модели фунта служил мелкозернистый речной песок, размер фракций которого не превышал 2 мм. Предварительно увлажненный песок перекапывался и уплотнялся с помощью электрической вибро-шющадки. Масштабный коэффициент составил к-7. Модель грунта приготавливалась на 3 и 6 ударов, что соответствовало I и II категории грунта. Опыты проводились в следующем порядке. После подготовки грунта, выкапывался приямок, в который устанавливался нож ковша скрепера. Далее включалась аппаратура, и осуществлялся процесс копания грунта, результаты которого фиксировались оборудованием. Объект исследования. В качестве объекта исследования был выбран ковш скрепера (МоАЗ-6014) вместимостью 10 м . Начальные условия: Предполагалось, что скрепер движется в забое прямолинейно. Скорость движения скреперного агрегата составляет 1 м/с (исходя из кинематических особенностей трансмиссий скрепера и толкача). Моделирование работы устройства снижения усилия со стороны толкача на металлоконструкцию скрепера с различными толкачами осуществлялось путем изменения скорости перемещения тележки, которое осуществляется тяговой станцией. В состав тяговой станции входит: тросовая система, электродвигатель, червячный редуктор и тяговый барабан. В трансмиссии привода тележки предусмотрены муфты сцепления и коробка передач. Моделирование работы устройства при использовании различных типов толкачей осуществлялось путем изменения толщины вырезаемой стружки, которое осуществлялось электродвигателем через редуктор. На рисунке выделенная область показывает наличие дополнительной динамики со стороны грунта (скол) по причине ложного срабатывания устройства снижения усилия со стороны толкача на металлоконструкцию скрепера. Амплитуда таких колебаний, при проведении эксперимента составляла в среднем 60 кН, что недопустимо, и на реальном скрепере с системой снижения НДС, устраниться настройкой зоны нечувствительности реле давления по значениям приведенным в табл. 4.16. Результаты лабораторного эксперимента показали работоспособность устройства в процессе копания грунта. Расхождение результатов полученных из аналитических зависимостей, при определении зоны нечувствительности, составило не более 1... 12%, что обусловлено допущениями со стороны грунта. Так например, при копании постоянной толщиной стружки 0.3 м (использование толкача класса 35) динамическая составляющая на суглинках при численном расчете варьируется от 22...58 кН (твёрдый), - по результатам проведенного эксперимента от 23...65 кН. Выполним оценку снижения напряжений в металлоконструкции скрепера МоАЗ-6014 при использовании ограничителя нагрузки совместно с толкачами тяговых классов 10, 25 и 35. Начальные условия. Грунт - суглинок. Коэффициент сцепления колеса с дорогой рск - 0.7. Коэффициент сцепления гусеничного движителя с дорогой ртол - 0.9. Расстояние между толкачом и скрепером в начальный момент времени X - 2 м. Диаметр поршня пневмогидроаккумулятора (тип АР) DrnA- 0.125 м. Минимальное рабочее давление Pmin- 2 МПа. Максимальное рабочее давление Ртах- 20 МПа. Максимальный ход штоков гидроцилиндров Хщ- 0.205 м. В гидросистеме машины установлен дросселирующий распределитель со следующими параметрами (тяговый класс 10... 18 - //,0.,8= 80000 Н-с/м; тяговый класс 25 - ju25= 140000 Н-с/м; тяговый класс 35 - /лъь = 170000 Н-с/м).
В ходе исследования были рассмотрены два варианта использования устройства: серийно выпускаемая металлоконструкция скрепера МоАЗ -6014 и металлоконструкция скрепера по варианту 2, как наиболее предпочтительная с точки зрения усталостной долговечности. В таблицах 5.1-5.2 представлены результаты исследования напряжений в металлоконструкции скрепера при использовании устройства снижения усилия со стороны толкача на металлоконструкцию скрепера.
Результаты, полученные в ходе исследования показывают, эффективность данного устройства на скреперах. Его установка на серийно выпускаемый скрепер МоАЗ-6014, позволит снизить максимальные напряжения (область №5, расчётное положение 6) для толкача Т-170 на 23%, для толкача PR752B на 18%, а для толкача D10N на 17%.
Применительно к металлоконструкции скрепера по варианту 2 с использованием устройства ограничения толкающего усилия были получены следующие результаты. Снижение максимальных напряжений (область №5, расчётное положение 6) для толкача Т-170 составило 2%, для толкача PR752B на 25%, а для толкача D10N на 23%.
