авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 |

Нагруженность и оптимизация пластинчато-стержневых элементов стреловых конструкций экскаваторов и кранов

-- [ Страница 1 ] --

на правах рукописи


ГОНЧАРОВ НИКОЛАЙ ВЯЧЕСЛАВОВИЧ


Нагруженность и оптимизация пластинчато-стержневых
элементов стреловых конструкций
экскаваторов и кранов


05.05.04 - Дорожные, строительные и подъемно-

транспортные машины


Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук


.Томск 2003

Работа выполнена в Томском государственном архитектурно-строительном университете


НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ: -кандидат технических

наук, профессор

Полянский Евгений Степанович


ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ: -доктор технических

наук, профессор
Веригин Юрий Алексеевич

- кандидат технических наук, доцент
Павлов Владимир Павлович

ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ: ОАО «Томскгазстрой»

Защита состоится 25 декабря 2003г. в 10-00 часов на заседании диссертационного совета К 212.265.01 в Томском государственном архитектурно-строительном университете по адресу - 634003, Томск, пл. Соляная 2, корп. 4, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Томского государственного архитектурно-строительного университета.


Автореферат разослан 29 ноября 2003 г.


УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ кандидат технических наук,

ДИССЕРТАЦИОННОГО доцент Кравченко С.М.
СОВЕТА

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ


Актуальность. В экскаваторо- и краностроении наряду с рамными, решетчатыми и коробчатыми конструкциями находят применение пластинчато-стержневые элементы конструкций, состоящие из поясов, распорок и диафрагмы, установленной в пространстве между поясами. Пластинчато-стержневые элементы конструкций более технологичны в изготовлении, обладают значительной жесткостью в продольной плоскости и имеют относительно малый вес по сравнению с рамными конструкциями. Исследования показывают, что в процессе эксплуатации в пластинчато-стержневых стрелах кранов и мощных экскаваторов возникают характерные усталостные трещины в местах соединения поясов с распорками, в диафрагме и окаймляющих ее ребрах жесткости.

Определение ресурса пластинчато-стержневых элементов стреловых конструкций экскаваторов и кранов на стадии проектирования до сих пор не проводятся из-за отсутствия методик определения действительных напряжений в опасных сечениях при случайных продольно-поперечных колебаниях.

Существующие нормативные методики расчета пластинчато-стержневых элементов конструкций позволяют производить расчеты на прочность и устойчивость только при действии статических нагрузок. При учете динамических нагрузок используются соответствующие коэффициенты запаса. Завышение значений коэффициентов запаса прочности приводит к увеличению веса конструкций, стоимости машин и ограничивает область применения пластинчато-стержневых элементов конструкций. Кроме того практика показывает, что усиление пластинчато-стержневых элементов конструкций в местах возникновения трещин за счет увеличения площадей поперечного сечения элементов или установки дополнительных ребер жесткости не исключает возникновения дефектов в дальнейшем.





Актуальным является разработка методики моделирования напряженно-деформированного состояния пластинчато-стержневых элементов стреловых конструкций при случайных нагружениях, позволяющей определять их ресурс на стадиях эксплуатации и проектирования, и методики оптимизации параметров пластинчато-стержневых элементов стреловых конструкций.

Цель работы. Целью настоящей работы является разработка методики определения ресурса и оптимизации пластинчато-стержневых элементов стреловых конструкций экскаваторов и кранов.

Научную новизну составляют:

-результаты экспериментальных исследований процессов нагружения одноковшовых экскаваторов при разработке неоднородных грунтов;

-методика моделирования нагрузок на стреловую конструкцию экскаватора при копании неоднородных грунтов;

-методика поэтапного динамического расчета пластинчато-стержневых элементов стреловых конструкций экскаваторов и кранов, позволяющая производить расчет на прочность и циклическую долговечность, определять действительный ресурс для заданных условий эксплуатации;

-методика оптимизации параметров пластинчато-стержневых элементов стреловых конструкций экскаваторов и кранов при заданных режимах нагружения.

Практическая ценность. Практическая ценность работы заключается в создании алгоритмов определения пульсирующей случайной нагрузки, динамического расчета, выборе алгоритмов оптимизации параметров и определения ресурса пластинчато-стержневых элементов стреловых конструкций экскаваторов и кранов, реализованных в виде пакета прикладных программ для персональных ЭВМ «Оптимизация стреловых конструкций и автоматизация расчетов».

Обоснованность и достоверность результатов. Проведены натурные экспериментальные исследования карьерных экскаваторов ЭКГ-I5ХЛ в условиях разрезав ПО «Кемеровоуголь» при копании взорванных горных пород. На основе результатов статистической обработки экспериментальных данных проведено моделирование процессов нагружения. Полученные результаты подтвердили правильность методик расчета, разработанных в настоящей работе.

Реализация работы. Результаты работы включены в программный комплекс «Оптимизация стреловых конструкций и автоматизация расчетов -ОСКАР», разработанный на кафедре строительных и дорожных машин Томского государственного архитектурно-строительного университета.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на научно-технической конференции секции строительных машин в Новосибирской государственной академии строительства в

1997г., на научно-технической конференции Восточно-Казахстанского технического университета в 1998г., на научно-технических конференциях Томского государственного архитектурно-строительного университета в 1999 и 2002гг., на международной научно-технической конференции Интерстроймех-2002 в Могилевском государственном техническом университете.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов по работе, списка использованной литературы из 137 наименований и приложения. Общий объем работы 235с., в том числе основной текст - 118 с., приведены 84 рисунка и 18 таблиц.

На защиту выносятся:

-результаты экспериментальных исследований процессов нагружения одноковшовых экскаваторов при разработке неоднородных грунтов;

-методика моделирования процессов нагружения одноковшовых экскаваторов с рабочим оборудованием «прямая лопата» при копании неоднородных грунтов;

-методика поэтапного динамического расчета пластинчато-стержневых элементов стреловых конструкций экскаваторов и кранов на основе метода нормальных форм колебаний;

-методика определения напряженно-деформированного состояния пластинчато-стержневых элементов стреловых конструкций и ресурса при заданных режимах нагружения экскаваторов и кранов;

-применение алгоритмов поэтапной оптимизации пластинчато-стержневых стреловых конструкций экскаваторов и кранов.


СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении изложены актуальность, цель и задачи диссертационной работы, научная новизна, практическая ценность, основные положения, выносимые на защиту, реализация работы, апробация, публикации, структура и объем работы.

В первой главе рассмотрены и проанализированы конструктивные схемы, область применения, достоинства и типовые дефекты пластинчато-стержневых элементов стреловых конструкций экскаваторов и кранов. Отмечено, что основная причина возникновения дефектов - не учет динамических нагрузок, и как следствие, не обеспечение усталостной долговечности элементов конструкций.

Вопросами статического и динамического расчета пластинчато-стержневых элементов конструкций занимались Андреев Л.В., Биргер
И.А., Болотин В.В., Брауде В.И., Велихов П.А., Волков Д.П., Дашко
А.Л., Кирш Г., Павленко И.Д., Панкратов С.А., Пановко Я.Г., Ряхин
В.А., Тимошенко С.П. и др.

Существующие нормы проектирования стальных строительных конструкций (СНиП II-23-81*) позволяют производить расчет пластинчато-стержневых элементов конструкций только от статических нагрузок по условию обеспечения прочности и устойчивости поясов и диафрагмы. При расчете на прочность широко используются метод конечных элементов, основанный на прямом переходе от рассчитываемой конструкции к дискретной расчетной схеме (Пискунов В.Г., Мяченков В.И. и д.р.).

Проведенный анализ работ в области расчета стреловых конструкций экскаваторов и кранов показывает, что предлагаемые методики не позволяют производить расчет пластинчато-стержневых элементов при динамическом нагружении с учетом ограничений по усталостной долговечности.

Вопросы определения нагрузок на стреловые конструкции кранов подробно рассмотрены в работах Брауде В.И., Вайнсона А.А., Гохберга М.М., Зарецкого А.А., Казака С.А. и др.

Методы определения расчетных нагрузок на стреловые конструкции экскаваторов изложены в работах Багина Б.П., Бондаровича Б.А., Волкова Д.П., Домбровского Н.Г., Ломакина В.П., Федорова Д.И. и д.р. В работах Коха П.Ч., Махно Д.Е., Шадрина А.И. и др. отмечено. что возникновение разрушений в элементах стреловых конструкций карьерных экскаваторов во многом зависит от качества подготовки забоя и условий его разработки. Методики формирования нагрузки на рабочем органе экскаватора в зависимости от характеристик разрабатываемого забоя изложены в работах Белякова Ю.И., Ветрова А.И., Домбровского К.Г., Зеленина А.Я., Кубачека В.Р., Кухтенко А.И., Сургучева Ю.А. и др. Существующие методики не позволяют в полной мере учитывать характер формирования нагрузки во времени, затрудняя проведение расчета на усталостную долговечность.

В основе оптимального проектирования лежит одна из важнейших задач снижения материалоемкости конструкций и улучшения их механических характеристик. Среди работ, посвященных данной тематике, просматриваются три основных подхода - аналитический подход (Ольхофф Н., Ляхович Л.С. и др.); подход, основанный на применении

градиентных методов и методов случайного поиска (Хог Э., Арора Я., Баничук Н.В. и др.); информационный подход (Бирюк В.И., Михайлов Л.К., Мишин Е.К., Полянский Е.С.).

Пластинчато-стержневые элементы стреловых конструкций являются типовыми, у которых однозначно заданы значения структурных параметров. При оптимизации таких конструкций возможно получить информацию о влиянии отдельных параметров на оптимальное решение. Наиболее приемлемым для оптимизации пластинчато-стержневых элементов стреловых конструкций является информационный подход, основанный на применении методов поэтапной оптимизации, состоящих из трех основных этапов - выделение и группировка параметров; системный анализ параметров; разработка и выбор алгоритмов оптимизации с применением, как методов безусловной оптимизации, так и методов динамического программирования.

По особенностям формирования внешней осевой схемы все плоские пластинчато-стержневые элементы стреловых конструкций разделены на два основных вида - с двумя распорками - в верхней и нижней части (Рис. 1а); с одной верхней распоркой и нижним краем диафрагмы в виде незамкнутого окна (Рис. 16). По виду диафрагмы можно выделить сплошные диафрагмы и диафрагмы с одним или несколькими окнами.

Для любого пластинчато-стержневого элемента стреловой конструкции к параметрам, определяющим внешнюю осевую схему, относятся: общая длина по осям (L); расстояние до верхней и нижней распорки от оголовка и пяты (L1, L2); ширина по осям в нижней и верхней части конструкции (Вс1, Вс2). Значения этих параметров на этапе проектирования определяются однозначно из конструктивных особенностей создаваемой конструкции.

Другая группа параметров определяет сечения элементов и внутреннюю осевую схему: параметры сечения поясов (Dn, n); параметры сечения распорок (Dpc, pc)); толщина диафрагмы (); высоты и толщины ребер жесткости (Hpi, pi); продольные размеры, определяющие положение и длину окон (lk); поперечные размеры окон (bij); радиусы закруглений окон (rij). Любым из параметров этой группы можно варьировать при проектировании с целью создания оптимальной конструкции.
Условие оптимальности определяется целевой функцией вида:

F = F(Dn, n, Dpc, pc, , lk, bij, rij, Hpi, pi) extr (1)

При этом на параметры состояния конструкции накладываются ограничения по прочности с учетом устойчивости и долговечности.

Во второй главе проведен анализ напряженно-деформированного состояния пластинчато-стержневых элементов стреловых конструкций на основе расчета методом конечных элементов.

Вопросы расчета стреловых конструкций методом конечных элементов отражены в работах Мяченкова В.И., Пискунова В.Г., Постнова В.А. и др.

Разработаны расчетные модели по методу конечных элементов для пластинчато-стержневых стреловых элементов конструкций экс-

каваторов и кранов на примере стрелы карьерного экскаватора ЭКГ- 15 и стрелы крана-трубоукладчика ТГ-502. При описании расчетных моделей на ЭВМ использовалась комбинация четырех видов конечных элементов - стержень пространственной шарнирно-стержневой системы, рамный стержень, четырехугольный и треугольный элементы оболочки нулевой кривизны.

Для обеспечения заданной точности расчетов использовалась нерегулярная сетка при разбивке на конечные элементы, при которой наибольшей степени дискретизации подвергаются определенные предварительным расчетом области диафрагмы с максимальными эквивалентными напряжениями.

Моделирование стреловой конструкции проведено с целью определения напряжений в различных элементах конструкции и выявления наиболее нагруженных элементов.

Расчеты проводились для трех основных сочетаний сосредоточенных и распределенных сил:

- горизонтальные силы - силы инерции от ускорений сосредоточенных масс приложены к соответствующим узлам; силы инерции от распределенных масс приложены по поясам в виде распределенных нагрузок;

- вертикальные силы - силы тяжести от сосредоточенных масс приложены к узлам; распределенные нагрузки от сил собственной тяжести поясов стрелы, диафрагмы, рукояти и подвески;

- совместное действие горизонтальных и вертикальных сил.

Рассмотрение этих сочетаний позволило выявить основные закономерности распределения напряжений в элементах конструкций.

Установлено, что характер распределения усилий, моментов и напряжений в элементах стрелой конструкции при изменении значений горизонтальных и вертикальных сил сохраняется. Изменение значений усилий, моментов и напряжений в элементах пропорционально изменению значений сил.

Оценка влияния параметров пластинчато-стержневых элементов стреловых конструкций на напряженное состояние проводилось путем варьирования параметрами: продольный размер диафрагмы; толщина диафрагмы; размеры сечения ребер жесткости; продольные и поперечные размеры окон.

В результате расчетов при варьировании указанными параметрами получены зависимости изменения осевых усилий, изгибающих

моментов и напряжений в элементах поясов, диафрагмы и окаймляющих ребер жесткости.

Выявленные зависимости показывают, что осевые напряжения в поясах обладают сравнительно малой чувствительностью к толщине и размеру диафрагмы. Размеры и толщина диафрагмы оказывает существенное влияние на величину изгибающего момента в поясах конструкции при действии горизонтальных сил и приведенных напряжений в элементах самой диафрагмы. Большое влияние на изменение напряжений в расчетных элементах диафрагмы оказывают размеры сечений окаймляющих ребер. Полученные зависимости нелинейные и унимодальные. Размеры сечений ребер жесткости практически не влияют на изменение величин силовых факторов в поясах.

Проведенный анализ результатов статического расчета показал, что при варьировании параметрами не все они в равной степени влияют на напряженное состояние пластинчато-стержневой элементов конструкции. Варьируя размерами и толщиной диафрагмы, можно добиться установления оптимального соотношения массы поясов и диафрагмы при заданной устойчивости конструкции в горизонтальной плоскости. Варьируя размерами окон и размерами окаймляющих ребер жесткости можно добиться установления оптимального соотношения массы диафрагмы и окаймляющих ребер при обеспечении заданной прочности элементов диафрагмы.

В третьей главе приведены методика и результаты экспериментальных исследований одноковшовых карьерных экскаваторов.

Экспериментальные исследования нагружения элементов стреловой конструкции были проведены на экскаваторе ЭКГ- 15ХЛ в условиях разреза Тамусинский ПО “Кемеровоуголь” с целью решения следующих задач:

1. Выявить режимы нагружения стреловой конструкции в процессе полного цикла работы, которые являются расчетными для определения напряженного состояния стреловых элементов;

2. Определить действительное нагруженное состояние элементов стрелы с учетом пульсаций нагрузки при копании;

3. Провести оценки корреляционных функций и спектральных плотностей процессов колебаний стреловой конструкции при нормальном копании и выделить частоты, на которых сосредоточена максимальная мощность этих процессов для построения расчетной модели стреловой конструкции.

В процессе проведения испытаний регистрировались электро- параметры главных приводов экскаватора, напряжения от осевых сил и изгибающих моментов в поясах верхней и нижней секций стрелы, в канатах механизма подъема и подвески стрелы, переднем и заднем подкосе А-образной стойки, напряжения в верхнем подкосе и рукояти. Измерение напряжений в металлоконструкциях и усилий в подвеске стрелы производились методом электротензометрирования с помощью датчиков омического сопротивления.

Анализ показал, что процессы изменения силы тока на обмотке электродвигателя механизма подъема, напряжений от растяжения- сжатия и изгиба в поясах стрелы являются нестационарными.

Основываясь на методах анализа случайных нестационарных процессов принята следующая методика обработки экспериментальных данных:

1. Определение статистических характеристик процессов двумя методами: а) усреднением по времени для отдельных реализаций (циклов). с последующим усреднением по множеству; б) усреднением по времени для реализаций (или ее части), наращиваемых в длину от цикла к циклу, т.е. стационаризация процесса относительно характеристик, и определение характеристик усреднением по времени одной составной реализации.

2. Вычисление оценок автокорреляционной функции и спектральной плотности процессов для отдельных реализаций с последующим усреднение их по множеству.

3. Оценка частот колебаний стреловой конструкции в горизонтальной плоскости путем вычисления оценок автокорреляционной функции и спектральной плотности для отдельных реализаций с последующим усреднением по множеству.

4. Статистическая обработка процесса копания по сечениям: определение характеристик реализации процесса как функций времени по множеству значений совмещенных реализаций.



Pages:   || 2 | 3 |
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.