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.
Экскаватор
Рис. 1. Карьерный экскаватор ЭКГ-20И

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 экскаватора "Ижорские заводы" 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).

Выкипировка осциллограммы исследования нагружения механизмов подъема и напора ковша
Рис. 2. Выкипировка осциллограммы исследования нагружения механизмов подъема и напора ковша
Выкипировка осциллограммы исследования напряжений в элементах нижней и верхней секций стрелы
Рис. 3. Выкипировка осциллограммы исследования напряжений в элементах нижней и верхней секций стрелы

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.

Рис. 4. Предварительная расчетная схема рабочего оборудования экскаватора на базе стержневых конечных элементов
Рис. 5. Карта напряженно-деформированного состояния предварительной схемы рабочего оборудования экскаватора ЭКГ-20И

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 карьерного 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.

Рис. 6. Оболочечная модель нижней секции стрелы
Рис. 7. Комбинированная расчетная схема рабочего оборудования экскаватора

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%.

Рис. 8. Карта напряженно-деформированного состояния рабочего оборудования экскаватора ЭКГ-20И

Полученные результаты расчетов напряженно-деформированного состояния рабочего оборудования экскаватора ЭКГ-20 сравнимы с результатами экспериментальных исследований (см. таблицу).

Анализ полученных результатов показывает, что величина погрешности в основных элементах рабочего оборудования составляет от 2,5 до 11,5%. Это обстоятельство позволяет сделать вывод, что созданная конечно-элементная модель рабочего оборудования весьма адекватно отображает реальную нагрузку его элементов. Следовательно, подобная расчетная модель может быть использована при определении действующих нагрузок в элементах рабочего оборудования на стадии проектирования.

Значительная величина погрешности (до 30%) в подвеске стрелы объясняется тем, что при проведении испытаний в условиях реального забоя трудно было точно выполнить тарировку приспособления для записи усилий в подвеске стрелы. Тарировка приспособления осуществлялась при горизонтальном положении рукояти и вертикальном положении канатов подъема ковша. Общий вес части рукояти и порожнего ковша вычислялся при этом теоретически, поскольку и рукоять, и ковш обладают массой в несколько десятков тонн и вывесить такую массу на динамометре не представляется возможным. Этим обстоятельством и объясняется получение заниженных результатов фактических напряжений и усилий в подвеске стрелы.

Результаты расчета и экспериментальных исследований напряженно-деформированного состояния РО экскаватора ЭКГ-20

Результаты расчета и экспериментальных исследований напряженно-деформированного состояния РО экскаватора ЭКГ-20

Примечание. Условные обозначения в таблице означают:

  • НС - нижняя секция стрелы;
  • ВС - верхняя секция стрелы;
  • ЗП - задний подкос двуногой стойки;
  • ПП - передний подкос двуногой стойки;
  • СП - стреловой подкос;
  • ПС - подвеска стрелы.

После того как были получены результаты расчета, весьма близкие к экспериментальным (то есть подтверждена их достоверность), появилась возможность проведения расчетов на стадии проектирования с целью выбора наиболее рациональной схемы расположения элементов рабочего оборудования. Проведение расчетов разных схем с различными вариантами позволяет определить их оптимальные параметры с точки зрения наименьшего суммарного усилия в их элементах.

Результаты расчета напряжений в элементах рабочего органа и усилий в тросах подвески стрелы для двух схем расположения элементов рабочего органа экскаватора представлены ниже. Варианты в каждой из схем получались за счет изменения конфигурации двуногой стойки.

Значения напряжений для схемы

Значения напряжений для схемы 1 (1-й вариант):

  • нижняя секция стрелы 1 - 45,0 МПа;
  • верхняя секция стрелы 2 - 34,1 МПа;
  • задний подкос двуногой стойки 3 - 23,0 МПа;
  • передний подкос двуногой стойки 4 - 27,8 МПа;
  • стреловой подкос 5 - 16,2 МПа;
  • усилие в подвеске стрелы 6 - 840 кН

Значения напряжений для схемы

Значения напряжений для схемы 1 (2-й вариант):

  • нижняя секция стрелы 1 - 35,6 МПа;
  • верхняя секция стрелы 2 - 45,5 МПа;
  • задний подкос двуногой стойки 3 - 12,9 МПа;
  • передний подкос двуногой стойки 4 - 18,2 МПа;
  • стреловой подкос 5 - 18,1 МПа;
  • усилие в подвеске стрелы 6 - 810 кН

Значения напряжений для схемы

Значения напряжений для схемы 1 (3-й вариант):

  • нижняя секция стрелы 1 - 34,0 МПа;
  • верхняя секция стрелы 2 - 41,0 МПа;
  • задний подкос двуногой стойки 3 - 15,4 МПа;
  • передний подкос двуногой стойки 4 - 21,8 МПа;
  • стреловой подкос 5 - 89,7 МПа;
  • усилие в подвеске стрелы 6 - 796 кН

Значения напряжений для схемы 1

Значения напряжений для схемы 2 (1-й вариант):

  • нижняя секция стрелы 1 - 29,8 МПа;
  • верхняя секция стрелы 2 - 27,8 МПа;
  • задний подкос двуногой стойки 3 - 7,7 МПа;
  • передний подкос двуногой стойки 4 - 13,1 МПа;
  • стреловой подкос 5 - 81,2 МПа;
  • усилие в подвеске стрелы 6 - 623 кН

Значения напряжений для схемы 2

 Значения напряжений для схемы 2 (2-й вариант):

  • нижняя секция стрелы 1 - 28,5 МПа;
  • верхняя секция стрелы 2 - 39,0 МПа;
  • задний подкос двуногой стойки 3 - 4,7 МПа;
  • передний подкос двуногой стойки 4 - 18,7 МПа;
  • стреловой подкос 5 - 82,7 МПа;
  • усилие в подвеске стрелы 6 - 602 кН

Значения напряжений для схемы 2

Значения напряжений элементов РО для схемы 2 (3-й вариант):

  • нижняя секция стрелы 1 - 25,1 МПа;
  • верхняя секция стрелы 2 - 37,3 МПа;
  • задний подкос двуногой стойки 3 - 5,0 МПа;
  • передний подкос двуногой стойки 4 - 13,6 МПа;
  • стреловой подкос 5 - 99,8 МПа;
  • усилие в подвеске стрелы 6 - 572 кН

Критерием выбора наиболее рациональной схемы является наименьшая суммарная нагрузка в элементах РО экскаватора в зависимости от схемы их расположения. Поскольку поперечное сечение элементов рабочего органа - величина постоянная, то для оценки величины суммарного усилия можно просуммировать величины напряжений, возникающих в этих элементах. Кроме того, дополнительно учитывалась сила натяжения в тросах подвески стрелы.

Анализ полученных результатов расчета напряженно-деформированного состояния различных вариантов показывает, что наименьшая суммарная нагрузка в элементах рабочего оборудования получается при изготовлении его по схеме 1 в 3-м варианте нагружения, а для схемы 2 - для 1-го и 3-го вариантов нагружения.

Таким образом, можно сделать вывод, что применение модулей системы автоматизированного проектирования АРМ WinMachine, в частности модуля прочностного расчета APM Structure3D, на стадии предварительного проектирования новой техники вполне обоснованно. Оно дает проектировщику возможность производить анализ вариантов нагружения конструкции и давать оценку несущей способности конструкции на стадии проектирования, а также выявлять оптимальную схему изготовления конструкции без проведения дорогостоящих и занимающих значительное время испытаний опытного образца машины.

Владимир Ананин

Карьерные экскаваторы в Торговой системе спецтехники

Обсуждайте:

Отзывы о карьерных экскаваторах. Выбор, сравнение, эксплуатация горных экскаваторов

Присоединяйтесь к нам на канале Яндекс.Дзен
Заметили ошибку? Выделите участок текста и нажмите Ctrl+Enter, чтобы оповестить редакцию сайта.
Оцените, пожалуйста, статью:
Оценивших: 10, оценка: 4,9 из 5
Нам очень важно ваше мнение
4,9
5
4
10
Подписаться на новости
рынка спецтехники
Подписаться