Моделирование мест установки тепловых противоадгезионных устройств на основе прочностного анализа ковша экскаватора

Балахонов Никита Александрович, магистрант Товмасян Эдгар Сергеевич, аспирант с парообразованием и усадкой, что способствует разрыву адгезионных связей. Однако встает вопрос о месте размещения нагревателей на ковше экскаватора.

В данной работе произведен расчет напряженно-деформированного состояния ковша экскаватора ЭО-3323 при помощи системы автоматизированного проектирования APM WinMachine с целью определения наименее напряженных мест для размещения ленточных нагревательных элементов и предложены варианты компоновки ленты на ковш экскаватора «обратная лопата». Эта система в полном объеме учитывает требования государственных стандартов и правил, относящихся как к оформлению конструкторской документации, так и к расчетным алгоритмам [5]. Несмотря на широкие функциональные возможности APM WinMachine, создавать трехмерные твердотельные модели деталей и конструкций сложной геометрии в данной системе неудобно. Для решения этой проблемы существует возможность импортирования файлов из других систем, в которых процесс создания трехмерных моделей деталей и конструкций проще и занимает меньше времени. На рис. 1 представлена трехмерная модель ковша экскаватора ЭО-3323, сделанная в системе КОМПАС-3D. Представленная модель была импортирована в препроцессор подготовки моделей для конечно-элементного анализа APM WinMachine, затем указаны места закрепления и приложены нагрузки по схеме на рис. 2. Схема нагрузок соответствовала положению ковша в момент его заглубления в грунт. XA, XB, YA, YB – закрепление ковша (реакции опоры), сила P (наибольшее усилие копания экскаватора), действующая на ковш через зубья, согласно технической характеристики машины была принята 100 кН [6-8].

Рис. 1. Трехмерная модель ковша

Рис. 2. Схема сил, действующих на ковш

Создание конечно-элементной модели было осуществлено на основе импортированной из КОМПАС-3D геометрической модели в APM Studio (рис. 3). Для нее выбрана тетраэдральная сетка из десятиузловых элементов второго порядка. Количество конечных элементов составляло 210103, количество узлов 60465. В состав APM Studio входят инструменты подготовки сборок к расчёту, задания граничных условий и нагрузок, а также встроенные генераторы конечно-элементной сетки (как с постоянным, так и с переменным шагом) и постпроцессор. Этот функциональный набор позволяет смоделировать твердотельный объект и комплексно проанализировать поведение расчётной модели при различных воздействиях с точки зрения статики, собственных частот, устойчивости и теплового нагружения непосредственно в модуле APM Studio.

В работе рассмотрены основные нагрузки, действующие на ковш, для различных положений ковша экскаватора. Рассматривается случай максимального приложения нагрузки, при этом нагрузка равномерно распределена по длине режущей кромки ковша и на каждый зуб. В рамках предложенной постановки 3D задачи механики контактного взаимодействия программной системе конечных элементов анализа APM Studio получены поля компонентов тензора напряжений, а также найдены относительные перемещения в ковше экскаватора ЭО-3323.

Анализ полученных результатов. На рис. 3 представлены напряжения в ковше при нагрузке по 25 кН на каждый зуб, нагружение соответствует моменту заглубления ковша в грунт. В основном в ковше возникают напряжения 5-10 мПа (не отмеченные места). В местах, обозначенных цифрой 1, возникают напряжения 30-40 мПа, в местах 2 – 10-20 мПа, в местах 3 – до 160 мПа. Наиболее напряженные участки в ковше – это места крепления упоров к задней стенке (места 3), которые являются концентраторами напряжений.

Рис. 3. Карта напряжений в ковше

На рис. 4 цифрами отмечены перемещения относительно мест крепления: 1 – 1,2-1,4 мм; 2 – 0,8-1 мм; 3 – 0,6-0,7 мм; 4 – 0,1-0,2 мм; 5 – 0-0,2 мм. Наибольшее перемещение при нагрузке от крепления присутствует в местах расположения зубьев, что можно объяснить приложением в этих места сосредоточенной нагрузки от разрабатываемого грунта. На рис. 5 цифрами отмечены деформации: 1 – растяжение 0,000070-

0,000080; 2 – сжатие 0,000040-0,000080. Неотмеченные места – растяжение 0,000006-0,000010.

Рис. 4. Карта перемещений в ковше

Рис. 5. Карта деформаций в ковше

Выводы: полученные результаты позволяют провести изменения конструкции таким образом, чтобы напряжения в ковше были приблизительно равны, не возникало мест с большим перепадом напряжений. Местами возможного размещения гибких ленточных нагревательных элементов являются задняя стенка ковша по обе стороны от мест крепления упоров к задней стенке (рис. 6) и места перехода от задней стенки к днищу.

Рис. 6. 3D-модель ковша экскаватора ЭО-3322 с гибкими электронагревательными элементами ЭНГЛ-1