Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса 11
1.1. Анализ основных схем рабочего оборудования прямая лопата одноковшовых экскаваторов с механическим приводом 11
1.2. Обзор работ по определению динамических нагрузок в рабочем оборудовании одноковшовых экскаваторов с механическим приводом ... 17
1.3. Обзор методов определения оптимальных параметров стержневых систем 22
1.4. Постановка задач исследования 28
Выводы по главе 30
2. Методология анализа и синтеза параметров рабочего оборудования в статическом режиме нагружения 31
2.1. Общие принципы анализа и синтеза геометрических параметров '% рабочего оборудования прямая лопата. 31
2.2. Определение усилий в элементах рабочего оборудования при действии нагрузок механизма подъёма ковша 36
2.3. Определение усилий в элементах рабочего оборудования от действия нагрузок механизма напора ковша 38
2.4. Определение усилий в элементах рабочего оборудования от совместного действия подъёмного и напорного усилий 41
2.5. Представление алгоритма анализа усилий в элементах рабочего оборудования в матричном виде для расчёта на ЭВМ 44
2.6. Синтез оптимальных параметров рабочего оборудования 54
2.6.1. Выбор критерия оптимизации 54
2.6.2. Алгоритм оптимизации параметров рабочего оборудования 57
2.6.3. Анализ расчёта параметров рабочего оборудования 63
Выводы по главе 72
3. Аналитическое исследование динамических силовых факторов в элементах рабочего оборудования экскаватора 73
3.1. Выбор расчётной схемы при стопорений механизма подъёма ковша 73
3.2. Определение аналитических зависимостей динамических нагрузок в канатах механизма подъёма ковша и подвески стрелы 76
3.3. Обоснование выбора расчётной схемы для определения динамических нагрузок от действия механизма напора ковша 84
Выводы по главе 98
4. Экспериментальные исследования опытных образцов карьерных экскаваторов 99
4.1. Общая часть 99
4.2. Подготовка к экспериментальным исследованиям и методика их проведения 106
4.3. Испытания металлоконструкций рабочего оборудования 114
4.3.1. Испытания металлоконструкций стрелы 115
4.3.2. Испытания металлоконструкций подкосов стрелы и двуногой стойки 121
4.3.3. Испытания металлоконструкции рукояти 125
4.3.4. Результаты экспериментальных исследований опытных образцов карьерных экскаваторов 130
Выводы по главе 144
5. Моделирование и расчёт рабочего оборудования экскаватора 145
5.1. Построение конечно-элементной модели рабочего оборудования экскаватора 145
5.1.1. Обоснование выбора программного продукта для моделирования расчетной схемы рабочего оборудования экскаватора и её расчёта 146
5.1.2. Методика моделирования расчётной схемы рабочего оборудования экскаватора 149
5.1.3. Стержневой конечный элемент 150
5.1.4. Пластинчатый конечный элемент 154
5.1.5. Объёмные (сплошные) конечные элементы 155
5.2. Построение конечно-элементной расчётной схемы рабочего оборудования 158
5.3. Статический расчёт рабочего оборудования 169
5.4. Динамический расчёт и расчёт на долговечность рабочего оборудования экскаватора 175
5.5. Расчёт оптимальной конструкции рабочего оборудования в модуле АРМ STRUCTURE 3D 202
Результаты и выводы по главе 212
Основные выводы и результаты работы 213
Список литературы 215
Приложение 1 236
- Обзор работ по определению динамических нагрузок в рабочем оборудовании одноковшовых экскаваторов с механическим приводом
- Определение усилий в элементах рабочего оборудования от действия нагрузок механизма напора ковша
- Определение аналитических зависимостей динамических нагрузок в канатах механизма подъёма ковша и подвески стрелы
- Результаты экспериментальных исследований опытных образцов карьерных экскаваторов
Введение к работе
Опыт проектирования и эксплуатации экскаваторов с механическим приводом показал, что выбор параметров рабочего оборудования (РО) таких машин на основе анализа их существующих схем с последующей проработкой нескольких вариантов весьма трудоемок, дорог, требует больших временных затрат и часто носит субъективный характер. По результатам проектирования разработчикам обычно не известно насколько принятые параметры отличаются от наиболее выгодных с точки зрения уменьшения массы и равномерности распределения нагрузок на элементы РО. Создание же действующих моделей либо испытательных стендов для проведения сравнительного анализа вариантов проектируемых машин является очень дорогостоящим и малоэффективным средством с точки зрения затрат времени и средств.
Расчетам несущей способности и напряженно-деформированного состояния таких элементов конструкций, как ходовая рама, поворотная платформа и рабочее оборудование экскаваторов было посвящено значительное количество исследований как отечественных, так и зарубежных авторов. Но до середины девяностых годов двадцатого столетия широко применялись в основном методы инженерных расчётов и методы экспериментальных исследований, например метод тензометрических измерений. Применяя эти методы в практике проектирования, сложно было получить ещё на стадии проектирования машины оптимальные параметры, с точки зрения наименьшей массы, её отдельных узлов.
Разнообразие и сложность геометрических форм несущих элементов конструкций одноковшовых экскаваторов и отсутствие достаточных исследований в области изучения влияния изменения геометрических параметров рабочего оборудования на нагруженность элементов его конструкции требуют применения для анализа напряженно-деформированного состояния конструкции рабочего оборудования численных методов, таких как метод конечных элементов. Появившиеся в последнее десятилетие программные продукты для расчёта стержневых и рамных металлических конструкций и внедрение их в практику проектирования машин позволяют на стадии проектирования проводить анализ и синтез исследуемых конструкций и выбирать наиболее перспективные их варианты.
В связи с этим, проведение исследования напряженно-деформированного состояния, несущих элементов конструкций рабочего оборудования карьерных экскаваторов с механическим приводом с помощью метода конечных элементов обеспечивает качественно новый подход к определению его основных параметров. Создание такой методологии позволит на стадии проектирования машины провести оценку, как глобального анализа конструкции, так и конкретных её узлов.
Современные быстродействующие вычислительные машины и методы математического моделирования являются хорошим фундаментом для создания более совершенных методов проектирования, позволяющих проводить сравнительный анализ достаточно большого количества вариантов машин с минимальными временными и денежными затратами.
Совершенствование методов моделирования напряженно-деформированного состояния металлических конструкций в машиностроении и общее развитие науки открывают возможности для более углубленных исследований сложных несущих конструкций строительных машин, к которым относится рабочее оборудование мощных экскаваторов с механическим приводом. Применение таких исследований на стадии проектирования позволит выявить геометрические несовершенства конструкции РО экскаваторов, назначить их оптимальные геометрические параметры.
Созданию методов расчета несущей способности металлоконструкций строительных машин с учётом определения их оптимальных параметров при различных вариантах их нагружения и посвящена настоящая работа. Актуальность проблемы. Развитие теории и совершенствование методов расчёта параметров рабочего оборудования одноковшовых экскаваторов с механическим приводом для повышения эффективности выполнения строительных и горных работ представляет собой актуальную научно-техническую проблему, позволяющую решить следующие задачи:
- повысить качество проектирования новой техники;
- снизить металлоёмкость конструкции всей машины;
- сократить сроки и финансовые затраты на проектирование.
Цель исследований. Повышение эффективности процесса проектирования РО одноковшовых экскаваторов с механическим приводом за счёт снижения действующих на РО нагрузок и, как следствие, уменьшение металлоёмкости и повышение производительности машины.
Указанная цель определила следующие задачи исследования:
1. Разработать плоские геометрические расчетные схемы РО для проведения анализа и синтеза силовых факторов в его элементах.
2. Разработать теорию расчёта параметров РО, учитывающую влияния изменяемых геометрических параметров и положения ковша под стрелой на изменение силовых факторов в его элементах.
3. Создать математические модели и алгоритмы расчётов исследуемых геометрических схем РО. Определить основные параметры оптимизации конструкций РО. Сформировать целевую функцию по критерию наименьшего суммарного усилия в элементах рабочего оборудования.
4. Разработать программы расчёта и определения оптимальных геометрических параметров РО в статическом режиме нагружения. Исследовать влияние изменяемых геометрических параметров РО на значения усилий в его элементах и определить картину этого влияния.
5. Провести натурные испытания опытных образцов экскаваторов с учётом реальных условий нагружения конструкций РО в условиях реального забоя. Получить значения напряжений в элементах металлоконструкций РО и внеш 8 них нагрузок от приводов при проведении испытаний. Полученные результаты использовать для сравнения с результатами теоретических исследований.
6. Составить конечноэлементные модели РО и его элементов для проведения анализа напряжённо-деформированного состояния конструкции как в статическом, так и в динамическом режимах нагружения.
7. Разработать методологию определения оптимальных параметров РО и моделирования нагрузок на элементы рабочего оборудования экскаваторов.
Объектом и предметом исследований являлась конструкция рабочего оборудования одноковшовых экскаваторов с механическим приводом, её расчётные схемы и геометрические параметры.
Методологическая основа исследований. Общие законы и методы теоретической и прикладной механики, метод конечных элементов, теория оптимального проектирования, экспериментальные исследования опытных образцов экскаваторов.
Контроль достоверности полученных результатов осуществлялся сопоставлением теоретических положений с экспериментальными данными, полученными при проведении испытаний более десяти опытных образцов экскаваторов в условиях реального забоя в разрезах п/о «Кемеровоуголь» и п/о «Экибастузугол ь».
Научная новизна работы. При решении поставленных задач автором диссертации получены следующие новые научные результаты:
- разработана плоская расчётная геометрическая схема рабочего оборудования экскаватора;
- разработана математическая модель поиска оптимальных параметров рабочего оборудования;
- разработан алгоритм поиска оптимальных параметров рабочего оборудования;
- разработана программа расчёта геометрических параметров рабочего оборудования на ЭВМ в статическом режиме нагружения; - разработаны конечноэлементностные модели элементов рабочего оборудования и конструкции в целом;
- проведено моделирование на ЭВМ и расчёт геометрических параметров рабочего оборудования в статическом, динамическом режимах нагруже-ния и расчёт металлоконструкций на долговечность;
- получены значения напряжений в элементах металлоконструкций РО и внешних нагрузок на конструкции при проведении натурных испытаний более десяти опытных образцов карьерных экскаваторов;
- разработана методология определения оптимальных параметров рабочего оборудования и моделирования нагрузок на элементы рабочего оборудования экскаваторов.
Практическая значимость работы. Практическое значение работы заключается в том, что её результаты, в частности инженерные методы выбора и расчёта геометрических параметров РО, а также алгоритмы расчёта, оптимизации этих параметров и моделирования внешних нагрузок, создают основу для нового подхода к проектированию и созданию высокоэффективного РО одноковшовых экскаваторов с механическим приводом.
Достоверность научных положений подтверждается сопоставлением результатов математического моделирования и расчётов со значительным количеством экспериментальных исследований опытных образцов машин в условиях реального забоя, подтвердивших высокую сходимость результатов теоретических исследований. Расхождение между результатами не превышает 15%.
Реализация результатов исследований. Результаты теоретических и экспериментальных исследований внедрены:
- в ООО «Объединённые машиностроительные заводы - Горное оборудование и технологии (Группа Уралмаш-Ижора)» при создании новых серийных образцов одноковшовых экскаваторов с механическим приводом; - в научно техническим центром АРМ WinMachine для подтверждения адекватности вновь созданных конечно элементных моделей и результатов моделирования новых конструкций строительных и дорожных машин;
- в учебном процессе Томского государственного архитектурно строительного университета при подготовке специалистов по специальностям 170900 «Подъёмно-транспортные, строительные, дорожные машины и оборудование», 291300 «Механизация и автоматизация строительства».
Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались:
- на международных научно-технических конференциях «ИНТЕРСТРОЙМЕХ» в 1998-2006 годах;
- межкафедральном научном семинаре «Проблемы надёжности и производительности машин, механизмов и оборудования для строительства и лесного комплекса» ТГАСУ в 2006 г.;
- научном семинаре кафедры «Строительные и подъёмно-транспортные машины» МГСУ в 2006 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 35 научных работ, в том числе 18 опубликованы в изданиях, входящих в перечень ВАК Минобр-науки РФ для докторских диссертаций.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, основных выводов, списка использованной литературы из 207 наименований. Основной текст исследований изложен на 235 страницах и включает 107 рисунков, 11 таблиц. Приложений 4 на 42 страницах.
Обзор работ по определению динамических нагрузок в рабочем оборудовании одноковшовых экскаваторов с механическим приводом
Рабочее оборудование и привод одноковшовых экскаваторов как объект исследования представляют собой сложную неоднородную механическую систему. При проектировании одноковшовых экскаваторов возникает задача анализа динамических нагрузок как в рабочем оборудовании, так и в приводах механизмов подъема и напора ковша. 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 ковша в забое). 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 основном по нескольким направлениям: 1 - определение динамических нагрузок экспериментальным путем; 2 - разработка инженерных методов расчета динамических нагрузок; 3 - исследование динамических процессов с применением аналогового моделирования и электронного аналагизирования; 4 - математическое моделирование динамических процессов на ЭВМ, Первые экспериментальные исследования динамических нагрузок в одноковшовых экскаваторах были проведены в конце сороковых начале пятидесятых годов МИСИ им. В.В. Куйбышева и ВНИИстройдормашем. Параллельно проводились исследования динамических нагрузок в металлоконструкциях экскаваторов и приводах лабораториями экспериментальных исследований Новокраматорского механического завода, п/о «Урал-маш», п/о «Ижорский завод» и другими предприятиями. Результаты экспериментальных исследований нашли отражение в работах Б.П. Багина, М.С. Балаховского, Д.П. Волкова, К.С. Гаевской, М.М. Гайцгори, Д.К. Гришина, Ю.А. Девяткина, Н.Г. Домбровского, А.А. Дёмина, Е.Ю. Малиновского, С.А. Панкратова, В.А. Ряхина, П.Е. Тотолина и др.
Несмотря на достаточно большое количество работ по определению динамических нагрузок в приводах и рабочем оборудовании одноковшовых экскаваторов экспериментальным путем, большая их часть отражала частные случаи процессов нагружения без доработки до инженерных методов расчета.
Теоретическим исследованиям динамических нагрузок в строительных машинах были посвящены работы Д.П. Волкова [63, 64], А.С. Панкратова [144-147], В.А. Ряхина [167], С.А. Казака [106, 107], Н.С. Комарова [111] и др. Работы перечисленных авторов отражали исследования либо одного класса машин, либо конкретных механизмов.
Основные инженерные методы расчета динамических нагрузок в одноковшовых экскаваторах, а также в их узлах и деталях на прочность и долговечность с учетом режимов нагружения и экспериментальных исследований были разработаны Д.П. Волковым [63, 64]. Автором была доказана приемлемость решения двух-трех массовых эквивалентных схем для определения динамических нагрузок в элементах металлоконструкций и приводах одноковшовых экскаваторов с достаточной для практических расчетов погрешностью. Это позволило значительно упростить анализ динамических нагрузок, поскольку анализ и решение систем уравнений многомассовых механических систем весьма трудоемок, а конечные выражения значений определяемых параметров громоздки и не удобны для практических расчетов. Развитие третьего направления исследования действующих нагрузок в механических системах с применением аналогового моделирования отражено в работах И.А. Дружинского, Н.И. Дружинина, Г. Крон, В.П. Ломакина, Г.Е. Пухова, И.М. Тетельбаум, Я.И. Тетельбаум и других авторов.
Аналоговое моделирование и электронное аналогизирование как вспомогательное средство исследования механизмов позволило рассмотреть характерные для современной техники динамические системы и дало возможность исследователю проникнуть в самое существо процесса. Использование при исследовании систем аналоговых машин (АВМ) и ЭВМ позволило сравнить 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 механических систем электронными схемами. В этом случае силы и скорости в механических системах заменяются аналогами - токами и напряжениями электрических цепей. Г. Крон [116], используя метод аналогий в механической системе, в качестве основного компонента механической конструкции применяет модель упругой балки, что представляет несомненный интерес, хотя область рассматриваемой задачи не охватывает кинематику процесса. Е.Ю. Малиновским и Л.Б. Зарецким в работах [138, 139] на основе методов аналогового моделирования с применением АВМ рассматривались 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 системе. АВМ позволяет производить набор расчетных схем только определенного размера. Кроме того, при реализации на АВМ накладывает ограничения выбор масштабных коэффициентов.
Определение усилий в элементах рабочего оборудования от действия нагрузок механизма напора ковша
Рабочее оборудование прямая лопата одноковшовых экскаваторов для определения статических усилий в его элементах от действия нагрузок в вертикальной плоскости может быть представлено шарнирно-стержневой системой. Усилия в стреле, её подвеске, переднем, заднем подкосах двуногой стойки и стреловом раскосе зависят как от положения ковша под стрелой, так и от изменяемых геометрических параметров: (3 - угла между обратной ветвью каната подъёма и осью стрелы; Q - угла между осями стрелы и её подвески; Н - высоты двуногой стойки; () С - координаты верхнего шарнира двуноги (рис. 2.1). Расстояние Z 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 Z при определении оптимальных параметров рабочего оборудования принимаем постоянным.
При работе ковша в забое возможна неравномерность нагружения элементов рабочего оборудования за счёт 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. Такое допущение для данной расчётной схемы может быть правомерным, т.к. рукоять машин, изготавливаемых по данной расчётной схеме, имеет круглое сечение, и при копании крайним зубом она прово 32 рачивается в седловом подшипнике, не передавая нагрузок от кручения на стрелу.
Анализ зависимостей статических усилий от изменения геометрических параметров для выявления расчётных положений проводим при всех положениях ковша под стрелой. Положение ковша под стрелой в программе исследований на ЭВМ задаём углом между осями стрелы и рукояти азі и длиной рукояти как исходными данными. Таким образом, на каждом шаге итерации при определённых 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 подъёма и напора ковша, масс элементов конструкции, определяются по зависимостям, выведенным классическим методом из условия равновесия системы.
В дальнейшем условимся расчётную схему, у которой канат подъёма проходит с барабана лебёдки на головные блоки стрелы называть схема I (рис. 2.1), а схему, где канат подъёма проходит от барабана до головных блоков стрелы через блоки двуногой стойки, - схема 2 (рис. 2.2). Сформируем группы исходных данных и варьируемых геометрических параметров. К исходным данным оптимального проектирования рабочего оборудования будем относить: Sn - статическая нагрузка от действия механизма подъёма ковша; SH - статическая нагрузка от действия механизма напора ковша; а - угол наклона стрелы; (7КГ - масса ковша с грунтом; Z,C,D- габаритные размеры опор двуногой стойки; d - конструктивные массы элементов рабочего оборудования. При принятых исходных данных группа варьируемых геометрических параметров рабочего оборудования будет сформирована следующим образом: зі - угол, определяющий положение ковша под стрелой; (З - угол между обратной ветвью каната подъёма и осью стрелы; h - высота двуногой стойки; d - расстояние, определяющее положение верхнего шарнира двуногой стойки (.) С относительно пяты стрелы. Общий методологический подход к формированию методики оптимизации параметров рабочего оборудования представляется следующим. Прежде всего, должен быть определён 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 проведённого анализа оптимальную схему. Описание математической модели конкретной геометрической схемы для удобства построения алгоритма оптимизации должно быть организовано подпрограммой. Методология 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 даёт возможность определить порядок важности каждого из изменяемых геометрических параметров, а также сделать предварительное заключение об оптимальности конструкции. Если предварительный анализ в статическом режиме нагружения выявил оптимальность конструкции, то необходимо сформировать целевую функцию для минимизации массы несущих элементов, определить внешние нагрузки на конструкцию с учётом динамики нагружения и провести оптимизацию параметров рабочего оборудования по сформированной целевой функции.
Определение аналитических зависимостей динамических нагрузок в канатах механизма подъёма ковша и подвески стрелы
Блок-схема последовательной оптимизации геометрических параметров рабочего оборудования представлена на рис. 2.12. За внешние нагрузки принимаем действительные значения динамических нагрузок от действия механизмов подъёма и напора ковша, которые были получены при проведении натурных испытаний опытного образца экскаватора.
При поиске оптимальных параметров рабочего оборудования за материал, из которого они изготовлены, принимаем сталь 10 ХСНД. Из этой же стали изготовлено рабочее оборудование существующих машин.
Поиск расчётных положений ковша под стрелой для каждого элемента рабочего оборудования проводим методом покоординатной итерации [120]. Выбор метода обусловлен независимостью поиска от вида и характера целевой функции, цикличным характером поисковой процедуры и возможностью изменения шага итерации h для каждого параметра в процессе анализа. При относительной простоте расчётных формул выбранный метод оптимизации гарантирует нахождение экстремальных значений целевой функции. Поиск областей глобального и локальных экстремумов целевой функции ведём с заданной точностью 1 кг массы элемента. Шаг итерации выбирался экспериментально методом двойного пересчёта с шагом h и /г/2 по каждой из переменных, благодаря этому достигнута заданная точность поиска. Проведём последовательный анализ блок-схемы поиска оптимальных параметров.
В блоке 1 задаются исходные данные: физические характеристики сталей и канатов, геометрические параметры расчётной схемы рабочего оборудования, номинальные значения стопорных внешних нагрузок. В блоках 2, 3, 4, 5 задаём начальные значения варьируемых геометрических параметров: d- координата верхнего шарнира (.) С двуногой стойки; Ь - угол наклона обратной ветви подъёмного каната; h - высота двуногой стойки; сс3! - угол между осями стрелы и рукояти, определяющий положение ковша под стрелой. Варьирование параметром а3, организуем по внутреннему циклу, т.к. проведённый силовой анализ показывает, что при изменении геометрии рабочего оборудования расчётное положение ковша под стрелой для каждого конкретного его элемента не остаётся постоянным. Следовательно, при варьировании хотя бы одним из параметров необходимо рассматривать все положения ковша под стрелой по всему рабочему циклу экскавации грунта. В блоке 6 проводим вычисление линейных и угловых размеров рабочего оборудования, формируя таким образом новую схему для определения усилий в его элементах при каждом новом шаге итерации. Значения усилий в элементах металлоконструкций вычисляем в блоке 7, последовательно обращаясь к подпрограммам S2P, S2H, S2PH. Таким образом, на выходе из седьмого блока мы определяем значения усилий в элементах рабочего оборудования от действия стопорных нагрузок подъёма, напора и совместного действия подъёмной и напорной нагрузки. Поскольку в пределах варьирования параметром Ь может наступить такое его значение, при котором возможно запрокидывание верхней секции стрелы, в блоке 8 вводим ограничение по устойчивости верхней секции стрелы Snc 0. В девятом блоке формируем і-й вектор максимальных значений усилий матрицы A xN, где і - количество итераций параметром А3ь N- число элементов рабочего оборудования. Формирование вектора проводим условным оператором сравнения значений усилий в каждом элементе от действия подъёмной, напорной и совместного действия усилий подъёма и напора ковша. В вектор / заносим максимальные значения нагрузок, полученных при сравнении.
В двенадцатом блоке с помощью подпрограммы ММ формируем вектор максимальных значений усилий в элементах металлоконструкции из полностью сформированной матрицы A3ix7V. Таким образом, при выходе из двенадцатого блока мы имеем максимальную нагрузку для каждого элемента рабочего оборудования при всех положениях ковша под стрелой и при переменном действии нагрузок подъёма, напора и при переменном действии подъёмной и напорной нагрузки.
В тринадцатом блоке по максимальной нагрузке определённой в блоке 12, определяем площади сечений и веса элементов рабочего оборудования, обращаясь к подпрограмме FG. Блок-схема определения оптимальных площадей сечений элементов представлена на рис. 2.13. После определения масс каждого из элементов рабочего оборудования проводим формирование целевой функции. При каждой итерации параметрами b, h, d мы получаем новую суммарную массу конструкции. Для удобства анализа целевой функции организуем печать в форме графика с помощью подпрограммы GRAFIK. Таким образом, сформирован алгоритм оптимизации геометрических параметров рабочего оборудования.
Результаты экспериментальных исследований опытных образцов карьерных экскаваторов
Нижняя и верхняя секции стрелы работают в основном на сжатие. Напряжения растяжения в элементах стрелы могут возникать только при разгоне (торможении) поворотной платформы с груженым ковшом.
Величина напряжений сжатия зависит от соотношения усилий в канатах подъема и напора, а также от положения ковша в забое. Максимальные значения напряжений в элементах металлоконструкций стрелы, зафиксированные при вышеуказанных режимах работы, приведены для некоторых исследуемых машин в табл. 4.2-4.5. Анализ исследуемых значений усилий и напряжений в металлоконструкциях стрелы экскаватора ЭКГ-20 показывает, что в верхней секции стрелы максимальные напряжения зафиксированы в точках СВл, СВп при динамическом стопорений ковша в забое и соответственно равны 46 и 41,2 МПа. При статическом стопорений ковша в забое в точке СВд зафиксировано 37,2 МПа, в точке СВп - 35,1 МПа. Коэффициенты динамичности соответственно равны 1,24 и 1,2. Напряжения в точках CBj и СВ2 как от вертикальных, так и от горизонтальных нагрузок мало отличаются от напряженного состояния в точке СВл (табл. 6.1.1). Колебания напряжений в этих точках по отношению к СВЛ составляют ±6-12 %. Напряженное состояние в точке СВ3 при всех режимах работы экскаватора незначительное. Напряжения изменяются в пределах 4-7 МПа. В нижней секции стрелы наибольшие напряжения зафиксированы также при динамическом стопорений ковша в точках СНл, СНП. Здесь они на 10-12 % больше, чем в верхней секции, и в СНЛ достигают 59 МПа, в СНД-51 МПа. Коэффициент динамичности соответственно равен 1,44 и 1,3. От действия нагрузок в горизонтальной плоскости наибольшие знакопеременные напряжения зафиксированы в точках СН2, СН3 и СН4 при стопорений механизма поворота заклиниванием ковша в забое. Так, в точке СН2 напряжения изменяются от 55 до 48 МПа. Аналогичный уровень напряжений и в точках СНз, СН4. При разгоне (торможении) по воротной платформы с груженым ковшом в точках СН2-СН4 также возникают значительные знакопеременные напряжения (табл. 4.2). Наибольшие напряжения зафиксированы в точке (. Здесь напряжения могут изменяться в пределах ±38 МПа. В верхней секции стрелы напряжения растяжения зафиксированы только в точке СВ2 при защемлении ковша в забое. Напряжения в СВ2 в этом случае колеблются от -14 до 15 МПа. В балках двуногой стойки и в стреловых подкосах определялись только напряжения растяжения-сжатия (тэнзоточки ДЗл, ДЗп, ДПЛ, ДПП, ПСл, ПСп). Одновременно с этими параметрами при указанных режимах работы экскаватора на лентах осциллографов фиксировались усилия в канатах подъема и напора (Sn, SH), усилие в подвеске стрелы (Вл), токи и напряжения механизмов подъема, напора и поворота (Jn, Vn, JH VH, h, VB ).
Характер изменения напряжений и их максимальные значения в двуногой стойке и в стреловых подкосах приведены на рис. 4.16, 4.25-4.29. и в табл. 4.1-4.4.
Исследования напряжений в подкосах стрелы и двуногой стойки экскаватора ЭКГ-20 показывают, что напряжения в стреловых подкосах носят ярко выраженный знакопеременный характер. Напряжения растяжения возникают при разгоне (торможении) поворотной платформы от действия инерционных нагрузок, а также при стопорений ковша в забое, когда рукоять близка к вертикальному положению.
Наибольшие напряжения в стреловых подкосах зафиксированы при стопорений механизма поворота заклиниванием ковша в забое. В этом случае в точке ПСп напряжения меняются от 35 до -41 МПа, в точке ПСл - от -39 до 26 МПа. При разгоне (торможении) поворотной платформы наибольшие напряжения зафиксированы во время разгона без выхода на установившуюся скорость в торможении противотоком. В это время в точке СПд зафиксированы напряжения 15,9-11,5 МПа, в точке СПП - 12,9-18,9 МПа. При динамическом стопорений ковша в забое коэффициент динамичности по отношению к статическому стопору составил: для левого подкоса - 1,21, для правого подкоса- 1,72.
Передние балки двуногой стойки работают в основном на сжатие. При рукояти, близкой к вертикальному положению, и действии напорного усилия в передней балке могут возникать растягивающие напряжения.
При динамическом стопорений ковша в забое максимальные напряжения зафиксированы в левой балке. Они равны 35,4 МПа. При статическом стопоре ковша в забое напряжения в точке ДПЛ - 30 МПа. Коэффициент динамичности равняется 1,2. В точке ДПП напряжения при этом значительно ниже (табл. 4.1). При действии горизонтальных инерционных нагрузок в передних балках двуногой стойки зафиксированы напряжения, превышающие напряжения от динамического стопора. Так при всех видах разгона (торможения) поворотной платформы напряжения в точке ДПЛ достигают 38-40 МПа. Наибольшие напряжения в передних балках двуногой стойки зафиксированы при стопорений поворотной платформы заклиниванием ковша в забое. В этом случае в точке ДПд напряжения изменяются от 52 до - 44 МПа. В точке ДПП - от -48,5 до 45 МПа.
Аналогичное напряженное состояние наблюдается и в задних балках двуногой стойки. Только напряжения здесь имеют обратный знак и уровень напряжений на 10-20 % выше, чем в передних балках. При заклинивании ковша в забое в задних балках также возникают значительные знакопеременные напряжения, меняющиеся в точке ДЗЛ от - 41,5 до 42 МПа, в точке ДПП от 35 до -44 МПа.
