10 - 2004

Исследование напряженно-деформированного состояния рабочего оборудования карьерного экскаватора ЭКГ-20 в среде АРМ Structure3D при динамическом режиме нагружения

Владимир Ананин

Карьерный экскаватор ЭКГ-20 представляет собой землеройную машину емкостью 20 м3, обладающую большой единичной массой с механическим приводом механизмов подъема и напора ковша (рис. 1).

Рис. 1. Внешний вид карьерного экскаватора ЭКГ-20

Рис. 1. Внешний вид карьерного экскаватора ЭКГ-20

Машины такого типа применяются, как правило, на вскрышных работах, при добыче полезных ископаемых. Опыт эксплуатации этих машин показывает, что в процессе работы им приходится разрабатывать как смерзшиеся взорванные скальные грунты, так и плотные глины. При экскавации таких грунтов достаточно часто возникает режим стопорения ковша в забое, который приводит к появлению значительных динамических нагрузок как в механизмах подъема и напора ковша, так и в элементах рабочего оборудования (РО) экскаватора. Для опре­деления действующих нагрузок в элементах РО и приводах экскаватора в реальных условиях эксплуатации машины в 1991 году по заказу ПО «Ижорский завод» были проведены натурные испытания опытного образца карьерного экскаватора ЭКГ-20 в разрезе им. 50-летия Октября ПО «Кемеровоуголь». В процессе испытаний фиксировались значения усилий в канатах механизмов подъема и напора ковша, токи и напряжения в электродвигателях механизмов, значения напряжений, возникающих во всех элементах РО экскаватора. Информацию о напряжениях в элементах конструкции экскаватора получали с помощью датчиков (тензорезисторов), размещаемых в наиболее нагруженных элементах конструкции. На рис. 2 и 3 представлены схемы расположения тензорезисторов для записи напряжений в верхней и нижней секциях стрелы.

В точках СНл и СНп (см. рис. 2) измерялись напряжения растяжения-сжатия на нижней стороне секции стрелы. В остальных точках производилось определение суммарных напряжений.

Аналогично в точках СВл и СВп (см. рис. 3) регистрировались напряжения растяжения-сжатия на верхней стороне секции стрелы. В остальных точках также определялись суммарные напряжения.

Рис. 2. Схема расположения тензорезисторов на нижней секции стрелы

Рис. 3. Схема расположения датчиков на верхней секции стрелы

Рис. 3. Схема расположения датчиков на верхней секции стрелы

В результате проведенных испытаний были получены экспериментальные характеристики изменения напряжений, а также тока и напряжений в электродвигателях исполнительных механизмов экскаватора. Экспериментальные значения внешних нагрузок и напряжений в металлоконструкциях стрелы при динамическом режиме нагружения экскаватора представлены на выкипировках из осциллограмм (рис. 4 и 5).

На рис. 4 использованы следующие обозначения: Sп — усилие в канатах механизма подъема ковша, Sн — усилие в канатах механизма напора ковша, Vп — электрическое напряжение механизма подъема ковша, Jп — ток механизма подъема ковша, ОВ — отметчик времени нагружения конструкции с интервалом в 1 секунду. Обозначения на рис. 5 соответствуют расположениям тензодатчиков на схемах, приведенных на рис. 3 и 4.

Рис. 4. Выкипировка из осциллограмм изменения усилий в канатах подъема и напора ковша, тока и напряжения механизма подъема ковша при динамическом стопорении ковша в забое

Рис. 4. Выкипировка из осциллограмм изменения усилий в канатах подъема и напора ковша, тока и напряжения механизма подъема ковша при динамическом стопорении ковша в забое

Рис. 5. Выкипировка из осциллограмм изменения напряжений в характерных точках металлоконструкции нижней секции стрелы

Рис. 5. Выкипировка из осциллограмм изменения напряжений в характерных точках металлоконструкции нижней секции стрелы

Значения измеряемых параметров при проведении натурных испытаний опытного образца экс­каватора представляют реальную картину нагружения элементов конструкций машины. Однако такие испытания возможны не раньше, чем будет изготовлен хотя бы опытный образец экскаватора, а проектировщику необходимо знать эти значения уже на стадии проектирования. Это требуется для назначения оптимальных параметров конструкции машины и учета всех возможных нагрузок на элементы ее конструкции.

При создании машины подобного типа проектировщиков интересуют напряжения в элементах ее металлоконструкции, а также внешние нагрузки, передаваемые на элементы металлоконструкции экскаватора через канаты подъема и напора ковша, возникающие при режимах статического и динамического стопорения ковша в забое. Обоснованное назначение внешних нагрузок на стадии проектирования позволяет проектировщикам определять оптимальные параметры элементов металлоконструкций машины, что значительно снижает ее массу, стоимость, в определенной мере увеличивает ее ресурс и повышает конкурентоспособность на внешнем рынке.

Применение современных CAD/CAE-систем позволяет еще на стадии проектирования смоделировать действующие нагрузки и рассчитать возникающие напряжения в элементах РО экскаватора. В апрельском номере этого года нами уже был рассмотрен вопрос моделирования РО экскаватора в среде АРМ WinMachine и проведен анализ статического режима нагружения конструкции, который показал хорошую сходимость результатов расчета трехмерной модели конструкции с результатами натурных испытаний.

В реальных условиях эксплуатации машины РО испытывает в процессе экскавации грунта как статические, так и динамические нагрузки. Определение динамических нагрузок на элементы РО экскаватора классическим способом, то есть приведением масс конструкции и жесткостей к более упрощенным расчетным схемам, обладающим двумя или несколькими массами, и решением дифференциальных уравнений с несколькими массами, — процесс довольно трудоемкий. При рассмотрении множества вариантов конструкции в плане оптимизации ее параметров с использованием классического метода задача становится практически невыполнимой.

В настоящее время ситуацию упрощает появление программных продуктов и вычислительных средств, позволяющих решить данную задачу численными методами. Для конструкции, которой требуется расчет, должна быть создана трехмерная модель, к которой прикладываются нагрузки, в том числе динамические, и в результате расчета получаются значения напряжений и перемещений во всех элементах конструкции в любой момент времени. К таким программным продуктам относится и разрабатываемая в НТЦ АПМ отечественная система APM WinMachine, в частности входящий в ее состав модуль анализа напряженно-деформированного состояния произвольных машиностроительных и строительных конструкций АРМ Structure3D. Он позволяет исследовать конструкции как на статические, так и на динамические режимы нагружения.

Рис. 6. Трехмерная твердотельная модель конструкции рабочего оборудования карьерного экскаватора ЭКГ-20, подготовленная к проведению расчета на вынужденные колебания в модуле APM Structure3D

Рис. 7. Зависимость изменения внешней нагрузки от времени в динамическом режиме нагружения конструкции рабочего оборудования

Рис. 7. Зависимость изменения внешней нагрузки от времени в динамическом режиме нагружения конструкции рабочего оборудования

На рис. 6 представлена трехмерная модель рабочего оборудования экскаватора ЭКГ-20, которая использовалась для проведения расчета на напряженно-деформированное состояние в модуле прочностного расчета АРМ Structure3D. Модель состоит из более чем 16 тыс. конечных элементов. Соединения элементов конструкций РО во всех узлах — шарнирные. Опоры конструкции обладают одной степенью свободы — вращением вокруг оси Y , что соответствует реальной конструкции машины. Значения внешних нагрузок от действия механизмов подъема и напора ковша взяты из результатов эксперимента. Максимальные значения внеш­них нагрузок: Sп — усилие в канатах подъема ковша 2006 кН, Sн — усилие в канатах напора ковша 793 кН. График нагружения удобно задавать в редакторе задания закона изменения динамической нагрузки с использованием сплайна, вводимого по точкам. Характер изменения внешних нагрузок во времени соответствует кривым осциллограмм Sп и Sн (рис. 7).

Рис. 8. Карта напряжений элементов рабочего оборудования экскаватора в один из моментов времени после выполнения расчета на вынужденные колебания в модуле APM Structure3D

Рис. 8. Карта напряжений элементов рабочего оборудования экскаватора в один из моментов времени после выполнения расчета на вынужденные колебания в модуле APM Structure3D

После выполнения расчета на вынужденные колебания в качестве результатов могут быть получены и собственные резонансные частоты элементов конструкции, а также варианты поведения конструкции под действием изменяющейся во времени нагрузки (переходный процесс) и графики перемещений и напряжений в любой точке конструкции. Таким образом, в нашем случае мы можем получить анимационную карту напряженно-деформированного состояния элементов РО экскаватора, частоты собственных и вынужденных колебаний конструкции, перемещения элементов конструкции и другую интересующую проектировщика информацию. На рис. 8 представлена анимированная карта напряжений в один из моментов времени, на которой с помощью цвета отражен уровень напряжений, возникающих в элементах конструкции в определенный момент времени.

Сравнение экспериментальных и теоретических результатов, полученных в модуле APM Structure3D для различного типа экскаваторов

Сравнение экспериментальных и теоретических результатов, полученных в модуле APM Structure3D для различного типа экскаваторов

На рис. 9 и 10 представлены и значения собственных частот, а также 6-я и 7-я собственные формы конструкции РО экскаватора. Для рабочего оборудования экскаватора особое значение приобретают собственные колебания стрелы, поэтому для проектировщика очень важно получить информацию именно об этих значениях собственных частот и форм РО экскаватора.

Рис. 9. Частоты собственных колебаний конструкции и шестая собственная форма. Основной характер колебаний — изгиб с кручением

Рис. 9. Частоты собственных колебаний конструкции и шестая собственная форма. Основной характер колебаний — изгиб с кручением

Рис. 10. Частоты собственных колебаний конструкции и седьмая собственная форма колебаний. Основной характер возникающих напряжений — изгиб

Рис. 10. Частоты собственных колебаний конструкции и седьмая собственная форма колебаний. Основной характер возникающих напряжений — изгиб

На рис. 11 приведен график перемещения головы стрелы экс­каватора ЭКГ-20 в точке приложения внешней силы по различным координатам. Видно, что основные перемещения под действием переменной нагрузки возникают в основном по оси Z и пренебрежимо малы по другим осям.

Рис. 11. Графики перемещения головы стрелы в точке приложения внешней нагрузки по осям Х, Y, Z в зависимости от изменения внешней нагрузки

Рис. 11. Графики перемещения головы стрелы в точке приложения внешней нагрузки по осям Х, Y, Z в зависимости от изменения внешней нагрузки

Целью проведения расчета на вынужденные колебания модели конструкции РО было определение напряжений в его элементах и сравнение их с результатами натурных экспериментов. Для этого были созданы трехмерные модели четырех карьерных экскаваторов ЭКГ-16, ЭКГ-20, ЭКГ-12 УС, ЭКГ-8У и произведен их расчет на вынужденные колебания в модуле АРМ Structure3D. Все эти экскаваторы выполнены на одной базе с различными параметрами рабочего оборудования. Для определения действительного характера изменения внешних нагрузок и значений напряжений в элементах металлоконструкций РО вышеперечисленных машин были проведены натурные испытания этих экскаваторов в разрезах ПО «Кемерово­уголь» и ПО «Экибастузуголь». Результаты натурных испытаний опытных образцов экскаваторов и соответствующие им расчетные значения, полученные в модуле АРМ Structure3D, приведены в таблице.

Расчет параметров РО производился для внешних нагрузок, указанных в таблице. В таблице приняты следующие обозначения:

• SBS — значения напряжений в точках СВп, СВл верхней секции стрелы;

• SHS — значения напряжений в точках СНп, СНл нижней секции стрелы;

• SZP — значения напряжений в задних подкосах двуногой стойки;

• SPP — значения напряжений в передних подкосах двуногой стойки;

• SSP — значения напряжений в стреловом раскосе.

Сравнение результатов теоретического расчета в модуле АРМ Structure3D и натурных испытаний опытных образцов показывает достаточно хорошее совпадение результатов.

Все это говорит о возможности успешного применения системы автоматизированного проектирования АРМ WinMachine, в частности модуля АРМ Structure3D, для моделирования и расчета сложных машиностроительных конструкций как в условиях действия статических нагрузок, так и в режиме динамического нагружения. В результате анализа полученных результатов, в частности анимированной карты напряжений трехмерной модели РО экскаватора, видно, что конструкция рабочего оборудования экскаватора — весьма неравно­прочная, а потому имеется реальная возможность оптимизации ее конструктивных и геометрических параметров.

В заключение хотелось бы сказать несколько слов и о модуле АРМ Structure3D. Последние версии этого модуля предоставляют пользователям новые возможности: добавлен фронтальный метод, выигрыш от использования которого особенно заметен при решении больших и очень больших по объему задач, возможность проведения нелинейного расчета элементов конструкции, возможность расчета конструкции с канатами (тросами). Хотелось бы пожелать коллективу НТЦ АПМ творческих успехов, не останавливаться на достигнутом и постоянно радовать пользователей новыми возможностями системы АРМ WinMachine.

«САПР и графика» 10'2004