Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

• Автореферат
• диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
• Обоснование параметров трехгранных стрел экскаваторов-драглайнов на основе исследования напряженно-деформированного состояния металлоконструкций
• Общая характеристика работы
• Актуальность темы. При добыче полезных ископаемым открытым способом большую долю в себестоимости составляют затраты от работы экскаваторов-драглайнов. Даже незначительное повышение производительности экскаватора позволит получить существенный экономический эффект.
• Для переноса вскрышных пород на требуемые расстояния увеличивают длину стрелы, что приводит к увеличению массы стрелы и всего экскаватора. Удлинение даже на 1% стрелы драглайна, которая составляет 5…7% от массы всей машины, увеличивает массу последней на 0,5-0,7%.
• Влияние металлоконструкций стрелы на массу экскаватора в целом обусловливает необходимость реального проектирования и поиск оптимального конструктивного решения для снижения массы стрелы.
• Учитывая сложность проектируемого объекта, невозможно создать качественное, надежное и конкурентоспособное оборудование без пакетов инженерного анализа (ANSIS, АРМ WinМachine и др.) и принять на его основе грамотные конструктивные решения. Инженерный анализ - это, в первую очередь, исследование напряженно-деформированного состояния (НДС) моделей проектируемых конструкций, получение их динамических характеристик и характеристик устойчивости.

Особенностью расчета стреловых металлоконструкций экскаватора-драглайна, по сравнению со стационарными, является сложный характер нагружения элементов металлоконструкций в процессе работы драглайна.

Таким образом, обеспечение на стадии проектирования снижения массы экскаватора, увеличения долговечности трехгранной стрелы экскаватора-драглайна за счет оптимизации ее параметров, своевременной остановки на ремонт с целью предотвращения её разрушения, продления безопасного периода эксплуатации и, как следствие, повышение производительности является актуальной научно-технической задачей.

Объект исследований: трехгранные стрелы экскаваторов-драглайнов.

Предмет исследований: оценка напряженно-деформированного состояния трехгранных стрел экскаваторов-драглайнов на любой стадии жизненного цикла.

Цель работы - снижение массы экскаватора-драглайна и повышение производительности за счет оптимизации параметров трехгранных стрел на стадии проектирования.

Идея работы. Оптимизация параметров трехгранных стрел экскаваторов-драглайнов выполняется на основе исследования напряженно-деформированного состояния элементов. Расположение и поперечные сечения элементов стрелы определяются использованием в расчетах усилий в канатах, получаемых математическим моделированием работы лебедок подъема и тяги.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Максимальные усилия в канатах при прочностном расчете стрелы необходимо определять по имитационным моделям работы приводов подъема и тяги с учетом инерционности элементов лебедок.

2. Расчет долговечности стрелы целесообразно проводить с учетом конструктивных исполнений её элементов по усилиям в подъемных и тяговых канатах при отработке экскаваторной заходки.

3. Уменьшение металлоемкости и обеспечение долговечности стрелы экскаватора-драглайна достигается рациональными размерами и расположением элементов стрелы, определяемых расчетами НДС.

Научная новизна результатов исследований.

1. Предложена методика расчета усилий в подъемных и тяговых канатах с использованием имитационных моделей работы механизмов, разработан алгоритм, составлена программа для ЭВМ.

2. Установлено влияние усилий в подъемных и тяговых канатах, а также исполнений конструктивных элементов на прочность, устойчивость и долговечность стрелы.

3. Разработана методика определения оптимальных параметров стрелы на основе исследования НДС её конструктивных элементов.

Методы научных исследований: математическое моделирование; моделирование напряженно-деформированного состояния стрелы драглайна с использованием модуля APM WinStructure3D среды инженерного анализа АРМ WinМachine, который предназначен для комплексного анализа трехмерных конструкций и основан на методе конечных элементов (МКЭ).

Достоверность научных положений, выводов и результатов исследования подтверждается корректным использованием уравнений механики и апробированных методов численного интегрирования, применением сертифицированного модуля расчета напряженно-деформированного состояния металлоконструкций.

Практическая значимость работы. Использование результатов научных исследований позволит снизить металлоемкость стрелы и всего экскаватора, что приведет к уменьшению времени рабочего цикла и увеличению производительности машины. Разработанный алгоритм позволит оптимизировать параметры трехгранных стрел экскаваторов-драглайнов. Составленная математическая модель расчета усилий на металлоконструкции стрелы реализована в виде программы для ЭВМ.

Личный вклад автора заключается:

- в разработке методики моделирования напряженно-деформированного состояния стрелы драглайна;

- в разработке методики расчета усилий в канатах с учетом инерционности подъемной и тяговой лебедок;

- в разработке алгоритма поиска оптимальных параметров трехгранных стрел.

Реализация выводов и рекомендаций работы. Методика расчета параметров стрел драглайнов рекомендуется организациям, проектирующим экскаваторы-драглайны. Методика расчетов стрел для подготовки к проведению капитального ремонта принята к внедрению ОАО «Ураласбест» (акт внедрения от 19.10.2011).

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на международных и российских научных конференциях: «Уральская горная школа» (г. Екатеринбург, 2009, 2011 гг.), «Неделя горняка - 2008-2011 гг.» (г. Москва, 2008-2011 гг.), Технологическое оборудование для горной и нефтегазовой промышленности. Чтения памяти В.Р. Кубачека (г. Екатеринбург, 2008-2011 гг.).

Публикации. Основные научные результаты опубликованы в 9 работах, в том числе 4 из Перечня ведущих рецензируемых научных журналов и изданий.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4-х глав, заключения, библиографического списка из 107 наименований и 2-х приложений. Работа изложена на 135 страницах машинописного текста, в том числе содержит 55 рисунков, 14 таблиц и 2 приложения на 19 страницах.

Основное содержание работы

Введение посвящено обоснованию актуальности темы, сформулированы цель, идея, научные положения и новизна.

В первой главе рассмотрены существующие конструкции стрел драглайнов, выполнен их анализ и обоснована цель дальнейших исследований трехгранных жестких стрел. Приведены известные методики расчета нагрузок, действующих на стрелу. Большой вклад в разработку конструкций и методик расчета параметров стрел принадлежит Б.И. Бубновскому, Х.А. Винокурскому, Д.П. Волкову, Н.Г. Домбровскому, В.Н. Ефимову, В.В. Легоминову, В.П. Ломакину, Л.К. Михайлову, В.И. Морозову, В.Н. Николаеву, Б.Г. Осипову, С.А. Панкратову, В.А. Ряхину, Р.Ю. Подэрни, Е.С. Полянскому и др. Дан анализ существующих конструктивных схем и методик, в которых обоснованы габаритные размеры, размеры и формы поперечных сечений элементов и их соединений, обеспечивающих заданные условия эксплуатации. Выполнен обзор известных методик расчета стрел экскаваторов-драглайнов, показано, что методики имеют ряд недостатков. Обоснована необходимость проведения исследований по созданию новой методики с применением компьютерных пакетов расчета напряженно-деформированного состояния.

Во второй главе разработана методика расчета действующих усилий на стрелу драглайна. Значения усилий входят в модель нагружения модуля расчета напряжений APM Structure3D.

Методика состоит из блока расчета усилий в подъемных и тяговых канатах при транспортировании ковша к месту выгрузки и обратно в забой, из блока расчета инерционных и центробежных сил, из блока расчета ветровых нагрузок.

При выводе уравнений для расчета усилий рассмотрены варианты перемещения ковша по различным траекториям (рис. 1). Рассмотрено:

- перемещение ковша по заданной координатами траектории;

- перемещение ковша по траектории, определяемой скоростями перемещения ковша с помощью канатов подъемной и тяговой лебедок.

В известных методиках при расчете как стрел драглайнов, так и механизмов подъема-тяги используются модели, основанные на расчете статических усилий от силы тяжести груженого ковша, перемещающегося по расчетной траектории (траектория 1 на рис. 1). Динамические нагрузки учитывались в них с помощью коэффициентов динамики. Для расчетов на долговечность такие приближенные модели дают относительно большую погрешность, поэтому в диссертационной работе разработана математическая модель расчета усилий с учетом динамических составляющих при движении ковша по возможным траекториям при отработке забоя. Определение усилий по этой модели позволит проводить расчеты на долговечность.

В качестве таких моделей решено было использовать имитационную модель рабочего процесса драглайна. В нее входят модули имитации работы основных механизмов: подъема, тяги и поворота, модуль расчета статических и динамических нагрузок при транспортировании ковша, модуль задания сигналов управления приводами указанных механизмов.

При разработке математической модели работы драглайна использован блочный принцип: составлены блоки имитации работы приводов, лебедок, поворотного движения платформы, перемещения ковша (рис. 2). Эти блоки включают математические модели и алгоритмы и реализуются соответствующими подпрограммами на алгоритмическом языке. Использование блоков позволяет получить открытую систему для дальнейшей корректировки и дополнения новыми блоками.

Расчет нагрузок на стрелу драглайна от ковша (блок расчета инерционных и центробежных сил на элементы стрелы, усилий от подъемных канатов)

Блок определения положения ковша на траектории

При работе лебедок длина канатов между осью блоков стрелы и центром тяжести ковша будет определена по начальному значению длины канатов и скорости вращения барабанов:

; (11)

где L_т.н, L_п.н - длина тягового и подъемного канатов в начале движения;

щ_т.i, щ_п.i - скорость вращения барабанов лебедок тяги и подъема.

По линейным размерам стрелы и блоков, длинам канатов можно определить углы, входящие в расчет усилий подъема и тяги (см. рис. 3):

(12)

(13)

Координаты центра тяжести ковша

x_i =x_нб - cos(в_т-в₁); z_i =z_нб+ sin (в_т-в₁). (14)

Расчет максимальных усилий в канатах при входе в зону растяжки ковша

Снижение массы стрелы возможно за счет использования элементов без излишних запасов прочности. Для решения этой задачи необходимо с достаточной степенью точности определить максимальные усилия в канатах подъемной и тяговой лебедок, по которым выполняют расчет напряжений в элементах стрелы и подбирают сечения элементов. В известных методиках при расчетах усилий рассматривают положение ковша в зоне растяжки и усилия в подъемных и тяговых канатах считают равными стопорным (максимальным) значениям. При этом не учитывается процесс движения ковша при входе в зону растяжки, когда подъемная и тяговая лебедки работают на себя, т.е. уменьшают длину канатов. При работе реальной лебедки из-за большой инерционности механизма ковш не остановится на границе зоны растяжки, а продолжит движение к стреле. Между подъемными и тяговыми канатами увеличится угол, и это приведет к увеличению усилий в канатах. Точное максимальное значение усилий может быть определено по приведенным выше блокам.

В диссертационной работе по имитационной модели был проведен расчет максимального усилия при входе в зону растяжки ковша и исследовано влияние на него моментов инерции лебедок (рис. 6).

Для экскаватора ЭШ-20.90 проведены расчеты процесса торможения в зоне растяжки, результаты показаны в табл. 1.

В табл. 1 обозначено: Fт/Gк+г; Fп/Gк+г - относительные значения усилий в тяговых и подъемных канатах.

В строке «отклонение» приведена разность между точками начала и конца торможения, причем в колонках Fт/Gк+г, Fп/Gк+г - приведено относительное значение , где Fк, Fн - усилия в канатах в конце и начале торможения.

тяговый стрела экскаватор драглайн

Таблица 1. Изменение нагрузок при входе ковша в зону растяжки

Во второй главе также представлена методика расчета ветровых и инерционных нагрузок, требуемых для расчета НДС.

Третья глава посвящена описанию методики расчета параметров стрелы с использованием модуля АРМ WinStructure3D. Модуль основан на методе конечных элементов и имеет сертификат соответствия №РОСС RU.СП 15.Н00086.

Модуль позволяет определять напряжения и перемещения в элементах стрелы, проводить расчеты на устойчивость и усталость. Выполнив расчет и последующий анализ, можно принять решение по изменению и доработке проектируемой стрелы.

При расчетах в АРМ WinStructure3D используются модели: конструкции, защемлений, нагружения, материалов.

Для проектирования стрел драглайнов предложена модель конструкции двух типов. При расчетах на первом этапе выполняют выбор сечений и размеров элементов, которые реализуют схему стрелы. Модель конструкции для такого расчета представляет собой стержневую систему.

Для проектирования пяты и головы стрелы используем модель из объемных элементов. Расчеты на этом этапе проводим по усилиям, определенным на первом этапе для стержневой конструкции.

Достоинство стержневой системы заключается в возможности простого изменения сечений входящих в конструкцию стержневых элементов и подбора таких значений, при которых масса конструкции будет наименьшей и обеспечит требуемую прочность и долговечность.

Модель защемлений реализуется установкой опор, необходимых для проведения расчетов методами статики. Опоры устанавливают на пяту стрелы и в точке подвески стрелы к надстройке экскаватора. Опоры позволяют устанавливать запреты перемещений и запреты поворотов узла.

Сформулированы задачи расчета стрел драглайнов и показана методика использования пакета АРМ Structure3D для:

расчета напряженно-деформированного состояния;

анализа усталостной прочности;

проверки несущей способности стержневых элементов по СНиП;

расчета коэффициентов запаса и форм потери устойчивости;

определения частот и форм собственных колебаний и поведения системы при заданном законе изменения вынуждающей нагрузки от времени с анимацией колебательного процесса.

Рассмотрен алгоритм использования модуля АРМ Structure3D при расчетах на прочность, устойчивость и усталостную прочность. Максимальные усилия в подъемных и тяговых канатах при расчетах определяются с учетом инерционности лебедок. Показано влияние геометрических характеристик сечений на прочность и устойчивость стрелы, рассмотрен выбор схемы модели конструкции.

В четвертой главе приведены результаты исследований и оптимизации параметров стрелы драглайна.

Критерием оптимизации принята масса стрелы. Ограничениями служат условия прочности, устойчивости и долговечности. Переменными оптимизации являются геометрические размеры сечений элементов стрелы; длина и угол наклона задних стоек, определяющих расстояние между нижними и верхними поясами стрелы; длина панелей нижних поясов.

Для исследований были составлены модели трехгранных стрел длиной 75 и 90 м.

На этих моделях проведены исследования по определению усилий в канатах, НДС, устойчивости элементов стрелы, по определению способа задания усилий, по выявлению влияния количества элементов, входящих в стрелу, и их размеров, по анализу влияния отдельных видов нагрузок, по расчету усталостной прочности.

Результаты расчета напряжений модулем расчета напряженно-деформированного состояния трехмерных конструкций Structure-3D показаны в виде карты результатов (рис. 8). На карте результатов выводится схема стрелы, элементы которой окрашены в цвета, в соответствии с полученными значениями напряжений, перемещений или коэффициента запаса. Численные значения напряжений соответствующего цвета определяются по расположенной на экране шкале.

Для модели нагружения проведены исследования по способу задания усилий, равномерно действующих на конструкцию: центробежных, инерционных и ветровых. Доказано, что их необходимо вводить в модель нагружения распределенными силами. Такой способ обеспечивает большую точность и не приводит, как ожидалось до начала исследований, к существенному увеличению времени создания модели нагружения.

Были выполнены исследования по значимости действующих нагрузок.

Результаты расчетов показаны в табл. 2.

Анализ результатов расчетов показал, что центробежные и инерционные нагрузки практически не влияют на значения напряжений в элементах конструкции стрелы. Доля от ветровой нагрузки составляет десятую часть от суммарного усилия и зависит от ветрового напора, площади поверхности с наветренной стороны. Предварительное напряжение вант также влияет на прочностные характеристики стрелы, и его определяют из условия, что предварительное сжатие жесткого трубчатого пояса должно превосходить усилие растяжения, появляющееся от внешних нагрузок. Напряжения от силы тяжести металлоконструкций составляют порядка 30% от суммарной нагрузки.

Таблица 2. Напряжения по видам нагрузок

Разработанная методика с применением модуля Structure 3D позволяет проводить расчеты стрел на усталость. Рассмотрено влияние на усталость коэффициентов концентрации напряжений (табл. 3), качества околошовной поверхности (табл. 4), шероховатости (табл. 5).

Таблица 3. Влияние коэффициента концентрации напряжения k_к.н. на коэффициент усталости элементов

Таблица 4. Влияние коэффициента поверхности обработки k_п.о на коэффициент усталости элементов

Таблица 5. Влияние шероховатости поверхности на коэффициент усталости элементов

Если расчетами будет выявлено, что некоторые элементы стрелы не обеспечивают требуемую выносливость даже с использованием «лучших» коэффициентов по табл. 3…5, то необходимо увеличить площадь сечения этих элементов. Такой подбор сечений и является выполнением ограничения по долговечности.

Проведены исследования влияния переменных оптимизации на критерий с целью обоснования включения их в целевую функцию оптимизации. Исследования показали (рис. 10), что высоты крайних стержней стреловой конструкции и углы их наклона влияют на напряжения и массу стрелы, на коэффициенты устойчивости стержней и усталости металлоконструкции, поэтому их нужно рассматривать при поиске рациональных параметров стрелы.

Проведена оптимизация по критерию массы при изменении высоты стоек, угла их наклона, длин нижних панелей и их количества. Оптимальные размеры позволяют уменьшить массу стрелы на 8% по сравнению с базовым вариантом при обеспечении требуемой устойчивости и выносливости.

Заключение

тяговый стрела экскаватор драглайн

В диссертации решена актуальная научно-практическая задача повышения эффективности работы экскаваторов-драглайнов за счет снижения массы и повышения надежности стрел на основе исследования их напряженно-деформированного состояния.

Основные выводы, научные и практические результаты работы заключаются в следующем:

1. Предложена методика расчета значений усилий в подъемных канатах по имитационной модели работы подъемной и тяговой лебедок, поворотного механизма, составлен алгоритм и программа для ЭВМ.

2. Разработана методика проведения расчетов элементов стрелы на прочность, устойчивость и долговечность. Выявлено влияние на долговечность шероховатости поверхности труб, из которых изготовляется стрела, и качества обработки сварных швов.

3. Установлено влияние величины предварительного натяжения вантовых раскосов на НДС стрелы.

4. Разработана методика оптимизации по критерию массы параметров трехгранных жестких стрел экскаваторов-драглайнов, основанная на анализе напряженно-деформированного состояния (НДС) металлоконструкции стрелы.

5. Показано определение оптимальных параметров стрелы на основе исследования НДС её конструктивных элементов

6. Рекомендации, направленные на повышение долговечности стрел драглайнов, приняты к реализации на ОАО «Ураласбест» с ожидаемым экономическим эффектом 250 тыс. руб. в год на один экскаватор ЭШ-10.70.

Основные научные результаты диссертации опубликованы в следующих изданиях

1. Головнева Т.П., Шестаков В.С. Расчет нагрузок на стрелу драглайна при транспортировании ковша // Горное оборудование и электромеханика. - 2009. - №4. - С. 50-55.

2. Головнева Т.П. Эксплуатация экскаваторов-драглайнов в условиях ОАО «Ураласбест» // Горное оборудование и электромеханика. - 2010. - №9. - С. 7-9.

3. Головнева Т.П. К вопросу оптимизации металлоконструкции стрел экскаваторов-драглайнов // Горное оборудование и электромеханика. - 2011. - №6. - С. 51-54.

4. Головнева Т.П., Шестаков В.С. Расчет усилий в канатах экскаватора-драглайна // Горное оборудование и электромеханика. - 2011. - №9. - С. 39-41.

5. Головнева Т.П. Особенности оптимизации стрел драглайнов // Международная научно-практическая конференция молодых ученых и студентов: сб. докладов. - Екатеринбург: Изд. УГГУ, 2009. - С. 193-194.

6. Головнева Т.П., Шестаков В.С. Оптимизация структурного исполнения и параметров стрел драглайнов // Сб. докладов VII международной конференции «Технологическое оборудование горной и нефтегазовой промышленности. Чтения памяти В.Р. Кубачека». - Екатеринбург: Изд. УГГУ, 2009. - С. 28-30.

7. Головнева Т.П. К разработке модели нагружения стрел драглайнов // Сб. трудов VIII международной научно-технической конференции «Технологическое оборудование горной и нефтегазовой промышленности. Чтения памяти В.Р. Кубачека». - Екатеринбург: Изд. УГГУ, 2010. - С. 288-292.

8. Головнева Т.П., Шестаков В.С. Определение максимального усилия в канатах экскаватора-драглайна // Сб. трудов IХ международной научно-технической конференции «Технологическое оборудование горной и нефтегазовой промышленности. Чтения памяти В.Р. Кубачека». - Екатеринбург: Изд. УГГУ, 2011. - С. 423-428.

9. Головнева Т.П. Анализ напряженного состояния стрелы драглайна // Международная научно-практическая конференция «Уральская горная школа - регионам»: сб. докладов. - Екатеринбург: Изд. УГГУ, 2011. - С. 407-408.

Размещено на Allbest.ru