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

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

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. 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

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

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

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. 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

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» 10'2000