Виртуальные методы прогнозирования нагрузок и структурно-параметрической оптимизации силовых подсистем выемочных комбайнов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Виртуальные методы прогнозирования нагрузок и структурно-параметрической оптимизации силовых подсистем выемочных комбайнов

Горбатов П.А.

Для значительного сокращения сроков создания выемочных (очистных и проходческих) комбайнов и кардинального повышения их технического уровня, прежде всего по макроуровневым показателям надежности и производительности, необходимо дальнейшее развитие и расширение применения передовых методов оптимального проектирования. Следует подчеркнуть, что в современных САПР выемочных комбайнов, как и других сложных горных машин, важнейшей составной частью процессов проектирования и конструирования является виртуальное моделирование на основе эффективных компьютерных технологий и программных продуктов [1-3 и др.]. Практически на компьютере создается виртуальная модель изделия и еще до начала производства всесторонне исследуется его функционирование в рабочих условиях. Тем самым техническое изделие совершенствуется, повышается его качество, улучшаются технико-экономические показатели на основе «компьютерных испытаний». Замена дорогостоящих и длительных натурных экспериментов и испытаний выемочных комбайнов и других сложных горных машин на быстрое и эффективное компьютерное моделирование обеспечивает создание качественных и конкурентоспособных рассматриваемых технических изделий. виртуальное моделирование выемочный комбайн

Конкретные методы виртуального моделирования, рассматриваемые в работе и применяемые в САПР выемочных комбайнов, представлены на рисунке. Здесь использованы следующие условные обозначения: ВК - выемочные комбайны; ММ - математические модели; МКЭ - метод конечных элементов.

Данные методы виртуального моделирования характеризуются следующими основными особенностями:

- базируются на методологии системного подхода к выемочным комбайнам как сложным техническим системам и на современных разработках в области теории работы и оптимального проектирования рассматриваемых объектов;

- включают в качестве составных частей пакет следующих взаимосвязанных материалов - оригинальные структурно-параметрические решения; исходные расчетные схемы и математические модели, обладающие достаточным уровнем корректности; алгоритмы и программные комплексы, а также соответствующие методики расчетов;

- обеспечивают прогнозирование нагрузок и оптимизацию динамико-энергетических показателей функционирования выемочных комбайнов путем многокритериального синтеза силовых элементов с рациональными структурами и параметрами.

Рассмотрим некоторые особенности этапов виртуального моделирования.

Прежде всего, следует подчеркнуть, что при имитационном моделировании рабочих процессов выемочных комбайнов вследствие ярко выраженного динамического характера разрушения горных массивов (со случайным распределением физико-механических свойств) внешние силовые воздействия и отклики силовых подсистем (в виде нагрузок, скоростей и т.д.) носят стохастический характер. Это обусловливает необходимость использования аппарата теории случайных процессов и соответствующего математического и программного обеспечения для определения статистик рассматриваемых процессов.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок - Основные этапы виртуального моделирования выемочных комбайнов

В работах д.т.н. Болотина В.В. [4 и др.] приведена зависимость для оценки характеристической долговечности элемента, подверженного воздействию напряжений, случайный процесс изменения которых является узкополосным, нормальным:

,

где: N0 - базовое число циклов;

r - предельная (по выносливости) амплитуда напряжений;

, - среднеквадратические отклонения соответственно напряжений и скорости их изменения;

- табулированная гамма-функция;

- табулированная функция - распределения Пирсона;

m - показатель кривой усталости.

Из этого выражения видно, что для повышения долговечности необходимо минимизировать и , причем уменьшение более эффективно, т. к. показатель m для применяемых материалов гораздо больше единицы. Отсюда следует, что в плане улучшения параметров надежности для оценки эффективности предлагаемых структурно-параметрических решений в качестве функций цели (или единичных критериев качества) целесообразно принимать, прежде всего, среднеквадратические отклонения или дисперсии нагрузок (например, крутящего момента на валах редуктора, электромагнитного момента двигателя, нагрузок в подсистеме подвески и перемещения исполнительного органа и др.).

В качестве ограничений при постановке задач структурно-параметрической оптимизации силовых подсистем выемочных комбайнов выступают:

параметрические ограничения, накладываемые на значения оптимизируемых параметров, исходя из возможности их конструктивно-технической реализации;

критериальные ограничения, соответствующие допустимым значениям для каждого из критериев качества;

в ряде случаев - функциональные ограничения, в качестве которых могут быть, например, использованы максимально допустимые по фактору формирования внешних связей дисперсии колебательных составляющих пространственных перемещений исполнительных органов.

Для большинства решаемых задач применительно к выемочным комбайнам в качестве примеров виртуального моделирования на основе 3D моделей и метода конечных элементов можно, прежде всего, отметить:

CAD-систему автоматизированного проектирования Solid Works с возможностями трехмерного твердотельного проектирования и конструирования сборочных единиц и деталей, экспресс-анализа массово-инерционных характеристик узлов сложной конфигурации;

интегрированную в Solid Works систему инженерных расчетов Cosmos Works, которая позволяет на основе МКЭ устанавливать особенности формирования напряженно-деформированного состояния сложных пространственных конструкций (напряжений, деформаций, перемещений).

Этап планирования вычислительно эксперимента предусматривает определение исходных данных для моделирования, выбор анализируемых и оптимизируемых величин и параметров их реализаций, установление функций целей, ограничений и граничных условий, разработку плана эксперимента. При выборе исходных данных для компьютерного моделирования весьма важно установить представительные горно-геологические условия и режимные параметры работы выемочных машин (например, для очистных комбайнов - расчетную мощность пласта, его строение и сопротивляемость резанию слагающих пласт слоев, рабочую скорость подачи и др.).

Перечень ссылок

1. Горбатов П.А. Имитационное моделирование динамических процессов в очистных комбайнах, функционирующих в автономных системах «комбайн-массив-конвейер»//Разработка месторождений полезных ископаемых: Республ. межвед. научно-техн. сб. - Киев: Техника, 1991.- Вып.88. - с. 26-31.

2. Solid Works. Компьютерное моделирование в инженерной практике // А.А. Алямовский и др. - СПб.: БХВ-Петербург, 2005. - 800с.

3. Виртуальное моделирование и современные методы оценки прочности и ресурса горных машин / В.В. Косарев, Н.И. Стадник, В.А. Дейниченко, В.С. Воскресенский//Горное оборудование и электромеханика. - М.: Новые технологии, №5, 2006. - с. 12-16.

4. Болотин В.В. Прогнозирование ресурса машин и конструкций. - М.: Машиностроение, 1984. - 312 с.

Размещено на Allbest.ru