Моделирование рабочего оборудования карьерного экскаватора с механическим приводом и анализ его напряженного состояния в среде APM WinMachine
В последние годы в горнорудной и угольной промышленности, а также в производстве строительных материалов значительно увеличился объем земляных работ. Эксплуатация разрезов по добыче полезных ископаемых ведется круглогодично. В связи с этим эксплуатирующим организациям приходится разрабатывать как взорванные скальные породы, так и взорванные мерзлые грунты. Значительные объемы таких работ выполняются карьерными экскаваторами с механическим приводом (рис. 1), объем ковша которых от 8 до 20 м3, а масса от 500 до 800 т.
Тяжелые условия эксплуатации таких экскаваторов, при которых возникают значительные динамические нагрузки на рабочее оборудование (РО) и приводы машины, выдвигают особые требования к их проектированию. Особенность использования карьерных экскаваторов состоит в том, что внешние нагрузки, действующие на конструкцию РО и поворотную платформу машины, изменяются во времени и прилагаются с определенной частотой, зависящей от скорости движения ковша, качества подготовки забоя и квалификации машиниста. В процессе разработки забоя возможны резонансные явления, которые могут привести к высоким (по отношению к номинальным) напряжениям в элементах РО, а также к другим нежелательным последствиям. Знакопеременный характер нагружения ведет к периодическому изменению напряжений в элементах РО и металлоконструкциях машины, что обусловливает возникновение усталостных трещин и разрушение конструкции.
Все вышеперечисленные факторы обязывают проектировщиков учитывать при проектировании машины действительные значения внешних нагрузок на элементы РО и металлоконструкцию машины. Определение фактических значений нагрузок при проведении натурных испытаний экскаватора — процесс трудоемкий, требующий значительных временных и финансовых затрат. Кроме того, это не дает подробных сведений о напряженно-деформированном состоянии исследуемого объекта и потому является малоэффективным. В связи с этим определение действующих нагрузок на элементы РО и металлоконструкцию экскаватора на стадии проектирования с использованием современных САЕ-систем является актуальной и важной задачей, позволяющей задать рациональные параметры металлоконструкций машины, снизить ее металлоемкость и увеличить конкурентоспособность.
Объектом исследования в данном случае является РО карьерного экскаватора ЭКГ-20И, выпускаемого производственным объединением «Ижорский завод». Рабочее оборудование состоит из двуногих стоек, нижней и верхней секций стрелы, стреловых подкосов, подвески стрелы и рукояти с ковшом. Двуногие стойки и стреловые подкосы состоят из жестких стержневых элементов трубчатого сечения с шарнирным креплением между собой. Основания элементов двуногой стойки шарнирно крепятся к поворотной платформе экскаватора. Подвеска стрелы является канатной и состоит из двух канатных подвесок, шарнирно закрепленных к двуногой стойке и голове стрелы. Каждая из подвесок состоит из четырех канатов диаметром 52 мм. Нижняя и верхняя секции стрелы представляют собой сложные конструкции рамного типа, соединенные друг с другом шарнирно. Основание нижней секции стрелы шарнирно закреплено к поворотной платформе экскаватора. Каждая из секций стрелы состоит из двух стержневых несущих элементов трубчатого сечения, соединенных между собой сложной диафрагмой для придания конструкции жесткости от действия инерционных нагрузок в горизонтальной плоскости.
Расчет металлоконструкций РО проводился только с учетом действия нагрузок в вертикальной плоскости. В качестве внешних нагрузок принимались распределенные массы элементов РО и сосредоточенные нагрузки от действия механизмов подъема и напора ковша. Выбор схемы нагружения конструкции обоснован наличием экспериментальных данных, позволяющих сравнить результаты моделирования РО в среде АРМ WinMachine и экспериментальных исследований.
Экспериментальные данные были получены при проведении натурных испытаний опытного образца карьерного экскаватора ЭКГ-20И в разрезе им. 50-летия Октября ПО «Кемеровоуголь» в сентябре 1991 года по заказу ПО «Ижорский завод». Варианты и режимы нагружения металлоконструкций экскаватора и основных приводов соответствовали «Программе и методике исследовательских тензометрических испытаний экскаватора ЭКГ-20И 35.52.00.00.000 ПМ». На рис. 2 и 3 представлены характер изменения внешних нагрузок в канатах механизмов подъема и напора ковша и значения напряжений в несущих элементах металлоконструкций нижней и верхней секций стрелы при режиме статического стопорения ковша в забое (обозначения на рисунках: Sп — усилие в канатах подъема ковша, Sн — усилие в канатах напора ковша, Iп — ток механизма подъема, Vп — напряжение механизма подъема, СНл, СНп — напряжения в левой и правой несущих балках нижней секции стрелы, СВл, СВп — напряжения в левой и правой несущих балках верхней секции стрелы, hо — значения нулевых линий шлейфа осциллографа).
Расчет металлоконструкций РО экскаватора выполнялся методом конечных элементов при помощи модуля АРМ Structure 3D, входящего в состав системы АРМ WinMachine. Нагружение металлоконструкций производилось в вертикальной плоскости от действия усилий в канатах механизмов подъема и напора ковша при режиме статического стопорения ковша в забое. Внешние нагрузки от канатов моделировались сосредоточенными силами, приложенными к узлам нагружения. В нагрузку от собственного веса конструкции вносит вклад только та часть рукояти, которая находится выше узла крепления рукояти со стрелой, поскольку шкала осциллографа была градуирована таким образом, чтобы нулевые значения исследуемых параметров в процессе проведения испытаний соответствовали вертикальному положению рукояти с ковшом, опертым на грунт. В этом положении конструкция РО оказывается разгруженной от действия сил собственного веса рукояти и ковша, а значения нулевых линий шлейфов осциллографа учитывают предварительные напряжения от собственного веса остальных элементов рабочего оборудования. При такой комбинации нагрузок их воздействие принимается в основном несущими балками трубчатого сечения элементов РО, поэтому при предварительном расчете нужно составить расчетную схему конструкции из стержневых конечных элементов трубчатого сечения (рис. 4). Верхняя секция стрелы крепится к двуногой стойке четырьмя канатами диаметром 52 мм по каждой стороне. Моделирование канатов проводится сплошным стержнем с жесткостью, которая равна суммарной жесткости четырех канатов для каждой стороны. Результаты предварительного расчета представлены на рис. 5.
Анализ предварительного результата расчета показывает, что напряжения в нижней секции стрелы соответствуют значению 49,0 МПа, а в верхней секции стрелы — 43,4 МПа. Процент погрешности сравнения результатов расчета и натурных испытаний составляет для верхней секции стрелы 4%, а для нижней секции стрелы — 14%.
В реальных условиях эксплуатации РО экскаватора испытывает не только нагрузки в вертикальной плоскости, но и горизонтальные нагрузки от сил инерции при повороте машины на разгрузку ковша и при возвратном повороте в забой. Для восприятия этих нагрузок несущие балки верхней и нижней секций стрелы снабжены диафрагмами замкнутого контура, имеющими достаточно сложное поперечное сечение и усиленными посредством косынок. Соединение элементов в конструкции осуществляется сваркой. Моделирование конструкций верхней и нижней секций стрелы проводилось в среде АРМ Structure 3D. Несущие элементы балок стрелы и диафрагмы моделировались оболочечными элементами с автоматическим разбиением на конечные элементы с использованием модуля поверхностного моделирования APM Studio (рис. 6). Соединение всех элементов рабочего оборудования — шарнирное. Крепление подкосов двуногой стойки и стрелы к поворотной платформе моделировалось опорами с одной степенью свободы — вращение вокруг оси x . Внешние нагрузки остались прежними, как и при предварительном расчете по номинальному значению, и приложены в тех же узлах. Несущие балки секций стрелы и диафрагмы моделировались стыковкой в единое целое. Расчетная схема конструкции РО с применением комбинированного моделирования (стержневые и оболочечные элементы) представлена на рис. 7. При автоматическом разбиении на конечные элементы получилось около 17 тыс. конечных элементов.
Расчет производился по-прежнему в статическом режиме нагружения, с учетом действия сил в канатах механизмов подъема и напора ковша и силы собственного веса части рукояти. Собственный вес ковша с грунтом не учитывались, так как он воспринимается канатами механизма подъема ковша. Результаты расчета напряженно-деформированного состояния приведены на рис. 8.
Выполненные исследования напряженно-деформированного состояния конструкции РО при статическом действии нагрузок позволили оценить чувствительность модели к воздействию внешних нагрузок, а также выявить наиболее нагруженные участки конструкции. Сравнение результатов моделирования и натурных исследований показало их хорошую сходимость. Расхождение в величине значений напряжений исследуемых точек не превышают 14%.
Таким образом, можно сделать вывод, что применение системы автоматизированного проектирования АРМ WinMachine на стадии предварительного проектирования новой техники вполне обоснованно. Она дает проектировщику возможность осуществлять анализ вариантов нагружения конструкции и делать оценку несущей способности конструкции на стадии проектирования без проведения дорогостоящих и длительных испытаний опытного образца машины.
