автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.04, диссертация на тему:Повышение работоспособности металлоконструкции скрепера вместимостью 8 м3 при интенсивной эксплуатации

На правах рукописи

Леоненко Олег Викторович

ПОВЫШЕНИЕ РАБОТОСПОСОБНОСТИ МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИИ СКРЕПЕРА ВМЕСТИМОСТЬЮ 8 м3 ПРИ ИНТЕНСИВНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ

Специальность 05.05.04 — Дорожные, строительные и подъёмно-транспортные машины

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 2006

Работа выполнена в Государственном учреждении высшего профессионального образования «Белорусско-Российский университет»

Научный руководитель

Официальные оппоненты

кандидат технических наук, профессор Щемелёв Анатолий Мефодьевич

доктор технических наук, профессор Кузьмичёв Виктор Алексеевич

Ведущая организация

доктор технических наук, профессор Волков Сергей Александрович

РУП «Могилевский автомобильный завод им. С.М. Кирова»

Защита состоится 16 мая 2006г. в 17 часов на заседании диссертационного совета Д212.229.24 при Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет» по адресу: 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29, 1 учебный корпус, ауд. 41.

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке ГОУВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет».

Автореферат разослан 10 апреля 2006 г.

Ученый секретарь диссертационного совета д-р. техн. наук, проф. ^ Смирнов В.Н.

~7Ш

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. С увеличением выпуска мощных промышленных тракторов появилась возможность загружать скреперы с помощью различных толкачей, при этом, как показывает статистический анализ, используемые толкачи могут отличаться по мощности и по тяговому усилию до 5 раз. Применение мощных толкачей при работе в скреперном агрегате сокращает время наполнения ковша скрепера и позволяет толкачу обслуживать большее количество скреперов, что увеличивает производительность комплекта скреперов с толкачом, тем самым снижая себестоимость 1 м3 разработанного, перемещенного и уложенного в основание дороги грунта.

Использование в скреперном агрегате толкачей с удельной мощностью 30...40 кВт/м3 на 1 м3 вместимости ковша скрепера в сочетании с удельной мощностью самого скрепера в 20 кВт/м3 существенно повышает производительность скреперного агрегата, но в то же время вследствие высоких статических и динамических нагрузок со стороны толкача вызывает отказы отдельных элементов металлоконструкции скрепера.

Понимание причин отказов в металлоконструкции скрепера возможно при исследовании напряженно-деформированного состояния (НДС) металлоконструкции, чему было до сих пор уделено недостаточно внимания вследствие сложности металлоконструкции скрепера и отсутствия возможности приблизить расчетную схему к самой конструкции. Постепенно с усовершенствованием методов расчета и технических средств, расчетные схемы приблизились к реальной конструкции скрепера, но рассмотреть НДС всей металлоконструкции скрепера не удавалось, особенно выявить влияние деформации одних элементов конструкции на НДС других элементов и снижение НДС последних за счет усиления первых.

С учетом выявленной взаимосвязи между параметрами толкача увеличенной мощности и надежностью работы скрепера цель и задачи настоящей работы сформулированы следующим образом.

Цель диссертационной работы. Целью работы является разработка научно обоснованных рекомендаций по повышению работоспособности металлоконструкции скрепера вместимостью 8 м3 (на примере МоАЗ-6014) при интенсивной эксплуатации при использовании толкачей различного тягового класса.

Задачи исследования:

- исследовать НДС металлоконструкции скрепера традиционного исполнения при работе с толкачами различного тягового класса в различных расчетных положениях;

- оценить возможности конструктивного усовершенствования металлоконструкции скрепера традиционного исполнения для повышения ей работоспособности;

- разработать устройство, обеспечивающее снижение статической и динамической нагрузок со стороны толкача на металлоконструкцию скрепера «ограничитель нагрузки»;

- разработать математическую модель ограничителя нагрузки, обеспечивающего снижение статической и динамической нагрузок со стороны толкача на металлоконструкцию скрепера;

- разработать методику выбора основных параметров ограничителя нагрузки, снижающего статическую и динамическую нагрузки со стороны толкача на металлоконструкцию скрепера;

- оценить усталостную долговечность металлоконструкции скрепера традиционного исполнения, с конструктивными изменениями и скрепера с ограничителем нагрузки;

- провести экономическую оценку использования предложенных технических решений для скреперного агрегата.

Достоверность основных научных положений и выводов подтверждается применением современных методов исследований. Адекватность численной модели металлоконструкции скрепера и математической модели ограничителя нагрузки подтверждена результатами производственных и стендовых испытаний с использованием современных средств измерения и обработки результатов.

Научная новизна:

- разработаны регрессионные уравнения для определения статической и динамической нагрузок на задний бампер скрепера со стороны толкачей различного тягового класса;

- предложены новые научно-обоснованные расчетные сочетания нагрузок, учитывающие особенности эксплуатации скрепера с толкачами класса 25 и 35;

- применительно к методу конечных элементов разработан способ задания граничных условий, позволяющий оценить напряженно-деформированное состояние металлоконструкции скрепера в процессе копания грунта;

- предложены технические решения устройств снижающих динамические нагрузки на металлоконструкцию скрепера и методы расчета;

Практическая ценность:

- разработаны и запатентованы три технических решения устройств, позволяющих снизить динамическую нагрузку со стороны толкача на металлоконструкцию скрепера в процессе копания грунта;

- разработаны рекомендации по совершенствованию металлоконструкции ковша и задней рамы скрепера, позволяющие обеспечить надежную работу скреперного агрегата с толкачами 25 и 35 тягового класса;

- разработана проектная документация ограничителя нагрузки для скреперов МоАЗ-6014 и МоАЗ-6007.

Реализация работы. Результаты выполненных исследований, методика выбора рациональных параметров ограничителя нагрузки внедрены в учебный процесс студентов специальности 05.05.04 «Дорожные, строительные и подъемно-транспортные машины» в ГУ ВПО «Белорусско-Российский университет».

Конструктивные изменения в металлоконструкции скрепера МоАЗ-6007 позволили разрешить его эксплуатацию с толкачами класса 25. Внедрение конструктивных изменений позволило снизить массу металлоконструкции скрепера МоАЗ-6014 на 1,2 %, что составляет 106 кг (сталь 09Г2С).

Применение устройства, обеспечивающего снижение динамической и статической нагрузок со стороны толкача на скрепере МоАЗ-6014, позволило снизить динамическую составляющую нагрузки со стороны толкача для толкача 10 класса в 3,5 раза; 25 класса - в 2 раза; 35 класса - в 1,4 раза.

Внедрение в металлоконструкцию скрепера конструктивных изменений и применение ограничителя нагрузки позволило использовать для работы в скреперном агрегате толкачи 25 и 35 классов.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались на научно-технических конференциях:

- «36-я студенческая научно—техническая конференция» в МГТУ (Могилёв, 2000 г.);

- IV, V Республиканские научные конференции студентов и аспирантов «Новые математические методы и компьютерные технологии в проектировании, производстве и научных исследованиях» в ГТУ (Гомель, 2001,2002 г.г.);

- международная научно-техническая конференция «Потенциал науки -развитию промышленности, экономики, культуры, личности» в БНТУ (Минск, 2002- 2004 г.г.);

- международная межвузовская научно-техническая конференция студентов, аспирантов и магистрантов в ГГТУ им. Сухого (Гомель, 2002 г.);

- международная научно-техническая конференция «Интерстроймех 2002» в МГТУ (Могилёв, 2002 г.);

- международная научно-техническая конференция «Современные проблемы машиноведения» (научные чтения, посвященные Павлу Осиповичу Сухому) в ГГТУ им. Сухого (Гомель, 2002 г.);

- международная научно-техническая конференция «Прогрессивные технологии, технологические процессы и оборудование» в МГТУ (Могилёв, 2003 г.);

- республиканская научно-техническая конференция «Новые материалы, оборудование и технологии в промышленности» в ГУ ВПО «Белорусско-Российский университет» (Могилев, 2004 г.).

Результаты работы доложены на техническом совете РУП «Могилевский автомобильный завод им. Кирова».

Публикации. По теме диссертации опубликовано 22 работы, в том числе получен патент Республики Беларусь на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения и пяти глав, основных выводов и результатов, списка литературы из 100 источников и приложения. Общий объем работы составляет 138 страниц основного текста, в том числе 66 таблиц, 62 рисунка, 10 страниц приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследования, показана научная новизна и практическая значимость работы, приведена общая структура выполнения исследования, представлены сведения о реализации и апробации работы и некоторые другие сведения.

В первой главе приводится обзор металлоконструкций скреперов вместимостью 8 м3, где показано, что компоновочные решения, используемые в данном классе, идентичны. По этой причине за объект исследования была принята металлоконструкция скрепера МоАЗ - 6014, как наиболее отражающая характерные признаки металлоконструкций скреперов вместимостью 8 м3.

Приводится обзор исследований, посвященных НДС металлоконструкции скрепера, и анализ систем снижения нагрузок на металлоконструкцию скрепера, а также систем автоматизации рабочего процесса, обеспечивающих снижение НДС металлоконструкции скрепера.

Особенностью работы скрепера является её циклический характер, когда операции по разработке грунта (рабочий цикл) чередуются со значительными по длительности транспортными операциями (транспортный цикл). При заезде в карьер скреперист заглубляет рабочий орган и, когда тягач скрепера начинает буксовать, выжимает сцепление и дальше ожидает толкач. Толкач подходит к стоящему или трогающемуся скреперу и, вследствие разности скоростей, ударяет его в задний бампер, скреперист включает сцепление и начинается совместная работа. При ударе толкача о задний бампер скрепера возникают значительные динамические нагрузки в металлоконструкции скрепера.

Динамическая нагрузка, действующая на бампер скрепера в момент начала контакта отвала толкача, зависит от разности скоростей скрепера и толкача, его массы и жесткости металлоконструкций скрепера и толкача, физико-механических свойств грунта, глубины заглубления рабочего органа и наполнения ковша. Как следует из анализа динамики машин, основными направлениями для снижения нагруженности металлоконструкции скрепера являются: регулирование величины параметра «глубина резания»; регулирование величины внешних нагрузок путем изменения разности скоростей движения машин; уменьшение жесткости конструкции путем введения дополнительных упругих элементов; автоматическое регулирование конструктивных параметров в процессе нагружения рабочего органа путем введения защитных и предохранительных устройств, имеющих специальную упругую характеристику.

Проведенный анализ показал, что в настоящее время отказы в металлоконструкциях отечественных скреперов при использовании толкачей с удельной

мощностью от 30 кВт/м3 и выше обусловлены тем, что металлоконструкция скрепера не подвергалась анализу НДС по предельным напряжениям и оценке усталостной прочности. Отсутствуют исследования о влиянии мощности, массы и тягового усилия толкача на распределение напряжений и деформации по всем элементам металлоконструкции скрепера, а также их влияния на долговечность металлоконструкции скрепера. Для продолжения работы в рамках указанного направления определены цели и задачи исследования.

Во второй главе рассмотрено НДС всей металлоконструкции скрепера с учетом векторной направленности напряжений и деформаций. Определены области металлоконструкции скрепера с напряжениями, близкими к пределу текучести материала, и выполнен их анализ, который позволил установить причины возникновения напряжений. Предложены технические решения ограничителя нагрузки.

Основными расчетными нагрузками, оказывающими главное влияние на напряжения в элементах конструкции скрепера, являются следующие: тяговое усилие тягача 7*, (рис. I); горизонтальная составляющая сопротивления копанию грунта Я,; вертикальная составляющая сопротивления копанию грунта ЯИ; вес скрепера и грунта, находящегося в ковше О, и Оп, соответственно; реакция на переднюю и заднюю оси машины ¡V и Л\; толкающее усилие толкача ТТ; сила трения, возникающая в зоне контакта отвала толкача с бампером скрепера Ти, или Т и' в зависимости от направления движения заднего бампера скрепера.

Рис. 1 Схема действия сил на скрепер в режиме копания При определении расчетных нагрузок принимается ряд допущений, основные из которых следующие: скрепер рассматривается как система с сосредоточенным действием активных и реактивных сил; сумма сопротивлений, связанных с резанием грунта, перемещением призмы волочения и наполнением ковша, рассматривается как равнодействующая, приложенная к режущей кромке ножа; шарнирные соединения конструкции скрепера являются идеальными связями.

Расчетные нагрузки в различных узлах достигают максимальных значений не одновременно. Поэтому при их определении необходимо рассмотреть

ряд случаев (расчетных положений), при которых можно ожидать возникновение наибольших нагрузок в том или ином элементе конструкции. Для определения расчетных нагрузок рассмотрим работу скрепера в расчетных положениях при наиболее неблагоприятных сочетаниях нагрузок. В дополнение к расчётным положениям, общепринятым при исследованиях НДС металлоконструкции (работа скрепера в режиме копания: заглубление ковша, движение под уклон и несоосная стыковка толкача со скрепером), добавлено три расчётных положения, в которых учитывается сила трения в зоне контакта бампера с отвалом при копании грунта скрепером, (табл. 1).

Таблица 1

Расчётные положения для определения действующих нагрузок на скрепер

Описание дополнительно введенных расчетных положений (РП)

1 Скрепер производит копание, происходит заглубление рабочего органа Происходит перемещение заднего бампера скрепера по отвачу толкача Возникает сила трения бампера об отвал, направленная касательно к поверхности движения бампера относительно отвала

2 Скрепер производит копание грунта, происходит заглубление рабочего органа, задние колеса вывешиваются, происходит перемещение заднего бампера по отвалу толкача, сила трения направлена касательно к поверхности движения

3 Скрепер производит копание, рабочий орган выглубляется, происходит пе-1 ремещение ■заднего бампера по поверхности отвала толкача, в зоне перемещения возникает сила трения, направленная касательно к поверхности движения 1

Расчет сводим к определению нагрузок, возникающих в металлоконструкции скрепера при использовании толкачей разных типов. В качестве толкачей рассматривалась выборка из 23 толкачей как отечественного, так и иностранного производства, которые могут использоваться в скреперном агрегате. При анализе выборки толкачей в соответствии с тяговыми классами была получена зависимость веса толкача О от его мощности N. Среднеквадратичное отклонение составляет от 1 до 63 кН для тягового усилия 40 - 350 кН соответственно. Уравнение имеет вид:

С = 1,6663- .V — 25,132,

где О ~ вес точкача, кП,

Л' -мощность двигателя, кВт По результатам анализа была получена зависимость толкающего усилия толкача от его массы. Уравнение статической составляющей имеет вид:

Т, 10,876 т - 1.4953, где ТI „„„„ - статическая составляющая толкающего усилия от толкача кН,

т - масса толкача, т. Уравнение динамической составляющей имеет вид:

Тп ,„„ = 11,96- т+ 106,44,

где 7ттн — динамическая составляющая толкающего усилия от толкача, кН.

Анализ результатов, полученных для шести расчетных положений, показал, что динамическая составляющая усилия толкача оказывает значительное влияние на НДС металлоконструкции скрепера. Однако с ростом тягового класса толкача доля динамической составляющей в общем усилии толкача снижается с 74 до 51 %. Поэтому необходимо предусматривать при одновременном снижении динамической нагрузки за счет демпфирующих устройств уменьшение статической составляющей путем регулирования толщины вырезаемой стружки. В процессе копания грунта необходимо стремиться устранить или снизить действие силы трения, возникающей в зоне контакта заднего бампера скрепера с отвалом толкача, т.к. она оказывает значительное влияние на нагруженность металлоконструкции скрепера при заглублении и выглублении ковша.

Расчёт металлоконструкции скрепера выполнялся по допускаемым напряжениям. Напряжения и деформации в металлоконструкции скрепера от внешних нагрузок определялись при помощи метода конечных элементов (МКЭ), как наиболее универсального метода для расчета сложных статически неопределимых конструкций.

С целью экономии ресурсов машинного времени были введены следующие допущения: ввиду большой жесткости подвески ее деформациями пренебрегали; ввиду незначительных перемещений в поперечной плоскости скрепера в процессе копания грунта не моделировался продольный шарнир седельно-сцепного устройства; не моделировались сварные швы металлоконструкции скрепера.

Выбор граничных условий для металлоконструкции скрепера обусловлен особенностями рабочего процесса скрепера, а именно: вывешиванием задней оси скрепера в процессе копания; у тягача возможен поворот в продольной плоскости относительно колеса. Условия закрепления для металлоконструкции скрепера были заданы в следующих местах: по месту крепления переднего моста, по режущей кромке ножевой системы. Исходя из условий закрепления, на металлоконструкцию скрепера прикладывались следующие виды нагрузок: усилие по сцеплению тягача Т , вес грунта в ковше СИ., сила, действующая со стороны грунта в ковше на боковую стенку Гбс, реакция на заднюю ось машины Л", и толкающее усилие толкача Тт.

На заключительном этапе создания конечно-элементной модели, для получения более точной количественной картины напряжений, производилось улучшение конечно-элементной сетки путём уменьшения размера элемента в зонах с напряжениями, близкими к пределу прочности материала. Всё это, как показали эксперименты, позволило создать конечно-элементную модель, дающую возможность получить адекватные результаты по НДС металлоконструкции скрепера во время рабочего процесса.

Адекватность задания граничных условий при определении НДС металлоконструкции скрепера в режиме копания грунта подтверждена физическим экспериментом на скрепере МоАЗ-6014. Расхождения экспериментальных данных с данными численного анализа составили не более 15 %, что допустимо и обусловлено некоторыми упрощениями (свойства грунта, места приложения нагрузок и т.д.) при расчёте. Эквивалентные напряжения, возникающие в металлоконструкции скрепера в каждом из расчётных положений, приведены в табл. 2.

Таблица 2

Величины эквивалентных напряжений в контрольных областях металлоконструкции скрепера при использовании толкачей различного типа

Расположение контро чьных областей на металлоконструкции скрепера МоА 3-6014

Продолжение табл.2.

Ma

Расчетное поло жение 5

Расчетное положение 6

Определение напряжений в металлоконструкции выполнялось при статическом нагружении металлоконструкций скрепера МоАЗ-6014. Анализ напряжённого состояния металлоконструкции скрепера выполнен для трёх типов толкачей: тяговый класс 10 - Т-170 "Челябинский тракторный завод" (черный цвет); тяговый класс 25 - PR752B "Liebherr" (белый цвет); тяговый класс 35 -DION "Caterpillar" (штриховка).

В табл. 3 приведены значения напряжений и деформаций в областях металлоконструкции, в которых напряжения близки к пределу текучести для третьего расчетного положения при использовании толкача тягового класса 10 -Т-170.

Таблица 3

Величина напряжений и деформаций в металлоконструкции скрепера

Продолжение табл.3

Величина дефорлшциЬ в четаиоконструкции скрепера ни

пп Нанменонание /н'пен ти ось X, 1 ш ось У, лш ось 7. ми

1 А - - 1

2 В - 00 0 7 -

3 С - -

1 4 и 4 -

1 Ь 6 - ¡5

1 6 I- 4 оо 0 7 -

Как видно из таблицы, наибольшее влияние на места с напряжениями, близкими к пределу текучести материала, оказывают нормальные напряжения (области В, Е, Р), меньшую составляющую оказывают касательные напряжения как в количественном, так и в качественном плане (область О).

Изгиб верхней поперечной балки ковша (область О и Р) обусловлен действием нормальных (ось X) и касательных напряжений (плоскость 2Х).

Полученные данные о нагруженности металлоконструкции скрепера от толкача Т-170 в рабочем режиме позволили определить наиболее нагруженные места: место крепления конструкции задней рамы к боковым стенкам ковша (табл. 2, область Л? 4); место крепления косынок на задней раме (табл 2, область № 5); место крепления поперечной балки бампера к продольным балкам задней рамы (табп 2, область № б); зона крепления гидроцилиндров подъёма ковша на боковых стенках (табл. 2, область № 3).

Напряжения, возникающие в металлоконструкции скрепера МоАЗ-6014 от усилия толкача Т-170, не превышают предела текучести пТ стали 09Г2С (350 МПа). поэтому толкачи с тяговым усилием до 100 кН можно без ограничений рекомендовать для совместной работы со скрепером.

Применение толкачей тяговым классом 250 кН и выше при работе со скрепером МоАЗ-6014 является недопустимым по следующим причинам: в областях N° 3,4.5 петря мсения превышают предеч текучести материала, в области Кг 7 (место крепления поперечной балки бампера к продотьным бачкам задней рамы) при боковом ударе (расчётное положение 3) вследствие больших перемещений бампера возможен отрыв поперечной балки бампера от задней рамы по месту сварки; в месте крепления подножевой плиты к боковой стенке, при заглублении ковша, возможен отрыв подножевой плиты или днища в местах сварки

На основании изложенного в руководство по эксплуатации скрепера Мо-АЗ-6014 следует внести изменения, запрещающие эксплуатацию скрепера с толкачами с тяговым усилием более 100 кН, за исключением случаев, когда применяется демпфирующее устройство.

Анализ НДС металлоконструкции скрепера показал, что использование толкачей повышенной мощности не представляется возможным без глубокой модернизации буферной (задней) рамы скрепера и ковша. Снизить НДС металлоконструкции скрепера возможно несколькими способами: оптимально спро-

ектировать металлоконструкцию скрепера по нескольким критериям (нагру-женность, минимальная масса, надёжность, техноюгичность); ограничить относительную скорость то!кача в момент удара, снизить жёсткость скрепера, снизить толщину стружки и объем грунта в ковше при ударе

При выполнении работы путем внедрения конструктивных изменений в металлоконструкцию скрепера удалось снизить массу скрепера на 1,2 %, что составило 106 кг (сталь 09Г2С) с сохранением работоспособности скрепера при работе с толкачами тягового класса 25 во всем периоде амортизации скрепера.

Добиться безотказной работы металлоконструкции скрепера при работе с толкачами тягового класса 35 возможно только при использовании демпфирующего устройства. Предложено и запатентовано техническое решение ограничителя нагрузки с нелинейной жесткостью. Динамическая составляющая усилия толкача снижается при помощи демпфирующего устройства, а величина статической составляющей регулируется путем изменения величины вырезаемой стружки.

В ходе выполнения работы предложено техническое решение ограничителя нагрузки с линейной жесткостью.

Работает скрепер с ограничителем нагрузки следующим образом. При взаимодействии толкача со скрепером вследствие наличия в задней раме 5 (рис. 2) скрепера подвижной части телескопической конструкции снижается жёсткость скреперного агрегата при силовом воздействии на бампер 6, поэтому уменьшаются динамические нагрузки, действующие на скрепер. Ограничение толкающего усилия осуществляется следующим образом. При достижении максимального усилия, развиваемого на рабочем органе, увеличиваются толкающее усилие и давление в гидроцилиндрах 7 до величины, при которой срабатывает реле давления 11 и запитывается электромагнит 12 дополнительного распределителя 13, который переместит золотник распределителя 13 в положение, соответствующее подъёму рабочего органа.

Рис. 2 Вид скрепера с ограничителем нагрузки Подъём осуществляется до момента, когда сопротивление копанию, а значит и давление в гидроцилиндрах 7, начнёт снижаться, при этом контакт реле давления 11 (рис. 3) разомкнётся, и золотник распределителя 13 возвратится в исходное положение. В случае низкого давления (малая толшина стружки) замыкается второй контакт реле давления 11, который запитывает второй магнит

распределителя 13, и заглубление рабочего органа будет осуществляться до тех пор, пока давление в гидроцилиндре 7 не вырастет до такой степени, что контакт реле давления 11 разомкнётся. Зону нечувствительности реле давления 11 обеспечивают регулировкой величины давления замыкания его контактов. В случае, когда оператору необходимо управлять процессом набора грунта вручную, он, перемещая золотник распределителя управления ковшом 14, отключает систему ограничения толкающего усилия концевым выключателем 15, который установлен на распределителе. В конце процесса копания устройство отключается за счёт срабатывания контакта 16, установленного на боковой стенке.

Рис. 3 Гидравлическая схема скрепера с ограничителем нагрузки

Предлагаемое техническое решение обеспечивает снижение динамических нагрузок, а значит повышение надёжности машины, снижение времени наполнения ковша и использование при работе на скреперах малоопытных операторов.

В третьей главе разработана математическая модель системы устройства ограничения усилия со стороны толкача на металлоконструкцию скрепера. Модель ориентирована на реализацию её на ЭВМ с целью исследования эффективности использования системы на самоходном скрепере.

К главным особенностям устройства при составлении математической модели можно отнести: движение скрепера и толкача определяется рядом сопротивлений, возникающих в результате взаимодействия скреперного агрегата (скрепер и толкач) с внешней средой, движение скрепера осуществляется под воздействием

силы тяги на ве&ущих котесах тягача и максимального усилия толкача толщина вырезаемой стружки А определяется тяговыми возможностями скреперного агрегата за вычетом внешних сопротивленгю: динамическая составляющая со стороны толкача определяется относительной скоростью и массой толкача, а также приведенной жесткостью системы «скрепер - ограничитель нагрузки - толкач»

Математическая система представляет систему «грунт - скрепер - орга-ничитель нагрузки - толкач». В системе приняты следующие допущения: скрепер рассматривается как система с сосредоточенным действием активных и реактивных сил; сумма сопротивлений, связанных с экскавацией грунта, перемещением призмы воючения и наполнением ковша, рассматривается как равнодействующая, приложенная к режущей кромке ножа, вертикальные, продольно-поперечные и продольно-угловые ктебания не рассматриваются, рассматривается только симметричный удар толкача.

В четвертой главе рассматриваются результаты исследований работы скреперного агрегата с устройством ограничения усилия со стороны толкача, а именно: работа с толкачами тяговых классов 10, 25 и 35 и анализ процесса наполнения ковша в зависимости от используемого типа толкача

Рассматривались два возможных варианта наполнения ковша скрепера. Вариант I. Скрепер начинает работу самостоятельно, без участия толкача, и продолжает ее до момента начала буксования ведущих колес, затем машинист выключает сцепление и ожидает подхода толкача При совместной работе скреперного агрегата включение сцепления скрепера происходит поспе начала контакта с толкачом, первоначально вырезается максимально возможная стружка до того момента, пока сопротивление копанию не превысит тяговые возможности скреперного агрегата Затем происходит постепенное выглубление рабочего органа с целью уменьшения сопротивления копанию

Вариант 2. Скрепер начинает копание грунта одновременно с то ткачом Вырезается максимально возможная стружка до того момента, пока сопротивпение копанию не превысит тяговые возможности скреперного агрегата Включение сцепления происходит после начала контакта толкача со скрепером

Сопротивление копанию для всех типов толкачей при номинальной вместимости ковша (с шапкой) 10 м3 (скрепер МоАЗ-6014) не превысило 225 кН. Проведенные экспериментальные исследования подтвердили возможность наполнения ковша скрепера по варианту 2. При этом сокращение времени в сравнении с вариантом 1 составляет около 20 % (табл. 4).

Таблица 4

Время набора фунта до номинальной вместимости ковша скрепера

Тяговый класс Вариант 1 Вариант 2 Снижение времени наполнения в % для овух вариантов Снижение времени наполнения % 1 при использовании различных толкачей (вариант 21

время, с

10 90 90 0.00 0.00

25 50 40 20.00 56,00

35 40 40 0.00 56.00

Из полученных результатов можно сделать вывод, что более выгодно использовать мощность одного тягача тягового класса 25 при работе на грунтах II и III категорий. Снижение времени наполнения ковша составит около 20 % в сравнении с традиционным способом наполнения ковша скрепера. Применение толкачей выше тягового класса 10, позволит сократить время набора грунта до 56 %. Использование толкачей 35 тягового класса и более неэффективно с точки зрения НДС металлоконструкции скрепера и усталостной прочности.

Даны рекомендации по настройке зоны нечувствительности, и разработана методика выбора рациональных параметров применительно к различным условиям работы. Подбор рациональных параметров ограничителя нагрузки позволил найти значения, при которых обеспечивается работа устройства при толкачах до 35 тягового класса, при различном конструктивном решении системы.

Разработана методика проектирования ограничителя нагрузки с линейной и нелинейной жесткостью.

В пятой главе рассмотрена эффективность снижения НДС металлоконструкции скрепера за счет конструктивных изменений в металлоконструкции скрепера и при использовании ограничителя нагрузки. Выполнена оценка усталостной прочности металлоконструкции скрепера МоАЗ-6014 с конструктивными изменениями и при использовании ограничителя нагрузки. В табл. 5 представлены результаты расчета усталостной прочности металлоконструкции скрепера МоАЗ-6014, металлоконструкции с конструктивными изменениями и металлоконструкции скрепера с ограничителем нагрузки при использовании толкача тягового класса 25.

Таблица 5

Эффективность снижения НДС металлоконструкции скрепера

Результаты исследования показывают, что использование ограничителя нагрузки видится перспективным, т.к. обеспечивается снижение динамической и статической составляющих со стороны толкача, повышается наработка на отказ металлоконструкции скрепера при работе с толкачами тягового класса 25...35.

В табл. 6 представлены эквивалентные напряжения при использовании ограничителя нагрузки на скрепере МоАЗ-6014.

Таблица 6

Напряжения в металлоконструкции серийно выпускаемого скрепера и скрепера с ограничителем нагрузки

('ериино выпускаемая мета I ть.от тр\ кция _скрепера МаАЗ - 6014_

Мета! юконструкция скрепера МоАЗ - 6014 1испо!ьзуется о.-'раничитечь нагрузки/

т> - ш

—

Ч™1 г

и» _ЗВ ¡в

|-

Расчетное положение I

Скреперы, оборудованные разработанным ограничителем нагрузки, могут безотказно эксплуатироваться с толкачами 25 тягового класса весь период амортизации, что сократит время набора ковша до 56 % и снизит стоимость разработки 1000 м1 грунта на 4000 российских рублей в сравнении со стандартным скрепером МоАЗ-6014.

выводы

В работе выполнена разработка научно-обоснованных подходов для повышения работоспособности металлоконструкции на примере скрепера вместимостью 8 м3 при интенсивной эксплуатации с толкачами тяговых классов 25. .35.

Основные результаты, полученные в ходе выполнения работы:

- разработан способ закрепления и приложения нагрузок на металлоконструкцию скрепера при исследовании напряженно-деформированного состояния в процессе копания грунта с помощью метода конечных элементов [4, 9, 20];

- установлены причины возникновения нагруженных мест, ограничивающих работоспособность металлоконструкции, на основании исследований напряженно-деформированного состояния металлоконструкции скрепера Мо-АЗ-6014 при использовании толкачей тяговых классов 10, 25, 35 [1, 3, 10, 12, 15];

- установлено, что возникающая при подъеме - опускании рабочего органа сила трения на заднем бампере скрепера повышает напряжения в металлоконструкции скрепера в зоне крепления ковша с задней рамой на 50 %, что необходимо учитывать при назначении расчетных положений при прочностных расчетах [8];

- разработаны и запатентованы технические решения устройства снижения статической и динамической составляющих со стороны толкача на металлоконструкцию скрепера (с линейной и нелинейной характеристиками демпфера), позволяющие снизить динамическую составляющую нагрузки для тягового класса 25 в 1,87 раза и уменьшить максимальные напряжения на 30 % [5, 6, 11, 14,22];

- разработана математическая модель, позволяющая определить рациональные параметры устройства снижения динамической и статической нагрузок со стороны толкача на металлоконструкцию скрепера [6, 16,18];

- разработаны рекомендации по совершенствованию металлоконструкции скрепера, заключающиеся в снижении уровня напряжений и одновременном уменьшении массы до 1,2 %, которые использованы в модернизированной конструкции серийно выпускаемого скрепера [17];

- исследована экономическая эффективность ограничителя нагрузки применительно к скреперу МоАЗ-6014, и установлено, что снижение себестоимости получаемой продукции при безотказной работе скрепера на 1000 м1 грунта составляет4000 российских рублей (по состоянию на01.01.04) [21].

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

1. Леоненко, О.В. Снижение динамических нагрузок при работе скрепера с толкачом [Текст] / О.В. Леоненко, М.Э. Подымако // 36-я студенческая научно-техническая конференция: тезисы докладов / МГТУ - Могилёв, 2000. - С.53. - Библи-огр.: с. 53.

2. Подымако, М.Э. Автоматизация работы скреперного агрегата [Текст] / М.Э. Подымако, О.В. Леоненко // 36-я студенческая научно-техническая конференция: тезисы докладов / МГТУ - Могилев. 2000. - С.67. - Библиогр.: с. 67.

3. Леоненко, О.В. Способы снижения нагруженности металлоконструкции задней рамы скрепера при действии нагрузок со стороны толкача [Текст] / О.В. Леоненко, М.Э. Подымако // Перспективные технологии, материалы и системы: сб. науч. тр. / МГТУ - Могилев, 2001. - С. 257-267. - Библиогр.: с.267.

4. Леоненко, О.В. Использование метода конечных элементов для расчёта металлоконструкции скрепера [Текст] / О.В. Леоненко. М.Э. Подымако //Новые математические методы и компьютерные технологии в проектировании, производстве и научных исследованиях: материалы IV Республ. науч. конф. студентов и аспирантов / ГТУ-Гомель, 2001. - С. 170. - Библиогр. : с. 170.

5. Леоненко, О.В. Система автоматизации рабочего процесса скрепера [Текст] / О.В. Леоненко//Веста. Могил, гос. техн. ун-та. -2001.- №1. - С. 98- 103. — Библиогр. с. 103.

6. Леоненко, О.В. Определение зоны нечувствительности системы автоматизации рабочего процесса скрепера [Текст] / О.В. Леоненко // Потенциал науки - развитию промышленности, экономики, культуры, личности: материалы межд. научн.-техн. конференции. - В 2-х т. - Т.2. / УП "Технопринт" - Мн., 2002 - С. 95 - 99. - Библиогр.: с. 99.

7. Леоненко, О.В. Определение зоны нечувствительности системы автоматизации рабочего процесса скрепера [Текст] / О.В. Леоненко // Новые математические методы и компьютерные технологии в проектировании, производстве и научных исследованиях: материалы V Республ научн. конф. студентов и аспирантов / ГГУ - Гомель. 2002. - С. 95. - Библиогр.: с.95.

8. Леоненко, О.В. Влияние сил трения в зоне контакта бампера скрепера с отвалом толкача на нагруженность металлоконструкции скрепера [Текст] /О.В. Леоненко // сб. маг. межд. межвузовской научно-техн. конф. студентов, аспирантов и магистрантов. 25-26 апреля 2002 года. / ГГТУ - Гомель, 2002. - С. 20-23. - Библиогр.: с.23.

9. Леоненко, О.В. Оценка нагруженности металлоконструкции скрепера при копании грунта [Текст] / О.В. Леоненко // Интерстроймех2002: материалы межд. научно-техн. конф. / МГТУ - Могилев, 2002. - С. 124-130. - Библиогр.: с.130.

10. Леоненко, О.В. Влияние типа толкача на нагруженность металлоконструкции скрепера МоАЗ-6014 [Текст] / О.В. Леоненко // Современные проблемы машиноведения: тез. докл. межд. научно-техн. конф. (4-6 июля 2002 г.. г. Гомель) / ГГТУ - Гомель, 2002. - С. 27. - Библиогр.: с.27.

11 Леоненко, О.В. Система ограничения толкающего усилия на скрепер со стороны толкача [Текст] / О.В. Леоненко // Проблемы и перспективы развития транспортных систем и строительного комплекса: тез. докл. Международ, науч.-практ. конф. Ч. И. Под обш. ред. В.И. Сенько. / БелГУТ - Гомель, 2003. - С. 94-95. - Библиогр.: с.95.

,-8 121 W

12. Леоненко, O.B. О равнопрочной конструкции самоходного скрепера [Текст] / О.В. Леоненко // НИРС-2003: тез. докл. VIII Республ научно-техн. конф. 4.4 / БИТУ - Минск, 2003. -С. 146-147. - Библиогр.: с.147.

13. Леоненко, О.В. Снижение металлоёмкости скрепера МоАЗ-6014 за счёт его оптимизации по критерию нагруженности [Текст] / О.В Леоненко // Прогрессивные технологии, технологические процессы и оборудование: тез. докл. межд. науч.-техн. конф. / МГТУ - Могилев, 2003. - С. 296-297. - Библиогр.: с.297.

14. Леоненко, О.В. Снижение динамической нагруженности металлоконструкции скрепера с помощью системы ограничения толкающего усилия [Текст] / О.В Леоненко // Перспективные технологии, материалы и системы: сб. научн. тр. / МГТУ - Могилев, 2003. - С. 173-179. - Библиогр.: с.179.

15. Леоненко, О.В. Влияние типа толкача на нагруженное«, металлоконструкции скрепера МоАЗ-6014 [Текст] / О.В. Леоненко // Перспективные технологии, материалы и системы: сб. научн. тр. / МГТУ - Могилев, 2003. — С 179-185. — Библиогр.: с. 185.

16. Леоненко, О.В. Подбор параметров дросселирующего узла системы ограничения толкающего усилия на скрепер МоАЗ-6014 со стороны толкача [Текст] / О.В. Леоненко // Вестн. Могил, гос. техн. ун-та. - 2003. - №2. - С. 78 - 83. - Библиогр с.83.

17. Щемелев, A.M. Влияние типа толкача на показатели усталости металлоконструкции самоходного скрепера МоАЗ-6014 [Текст] / A.M. Щемелев, О.В. Леоненко // Вестн. Могил, гос. техн. ун-та.-2003.-№2. - С. 177 — 181. - Библиогр. с. 181.

18. Леоненко, О.В. Выбор рациональных параметров системы ограничения толкающего усилия на скрепер со стороны толкача [Текст] / О.В Леоненко // Новые материалы, оборудование и технологии в промышленности: Материалы респ. научн,-техн конф / ГУ ВПО «Белорусско-Российский Университет» - Могилев, 2004 - С

110. -Библиогр.: с. 110.

19 Леоненко, О.В. Использование интегрированных систем проектирования при создании металлоконструкций строительно-дорожных машин [Текст] / О.В Леоненко, М.Э. Подымаю // Новые материалы, оборудование и технологии в промышленности: Материалы респ. научн.-техн. юонф. / ГУ ВПО «Белорусско-Российский Университет» - Могилев, 2004. - С. 10. - Библиогр/ с. 10

20 Щемелев, A.M. Способы снижения нагруженности металлоконструкции скрепера МоАЗ-6014 при копании грунта / A.M. Щемелёв, О.В. Леоненко, М.Э. По-дымако // Строительно-дорожные машины. - 2004. - №8 - С. 18 - 23. - Библиогр.. с.23.

21. Щемелев, A.M. Экономическая оценка использования системы ограничения толкающего усилия на скрепер МоАЗ-6014 [Текст] / А М. Щемелев. О.В. Леоненко // Прогрессивные технологии, технологические процессы и оборудование: материалы респ. научн.-техн. конф / ГУ ВПО «Белорусско-Российский Университет» -Могилев. 2004. - С. 45-49. - Библиогр.: с.49.

22. Пат. 5962 Cl Республика Беларусь, МПК F.02F 3/64 9/22 Скрепер [Текст] / Щемелев A.M., Подымаю M Э., Леоненко О.В.; заявитель и патентообладатель ГУВПО «Белорусско-Российский Университет». - № 20000755; заявл 08.09.00; опубл.

бюл. Гос пат, ведом. РБ. - 2004 - №3 - 3 е.: ил.

Отпечатано в ИЦ ГУ ВПО «Белорусско-Российский унивсрситл» Подписано в псчать^£2.20О6. Формат «0x84 1/16. Бумага офсетнаъ Печать трафаретная. Усл. печ. л. 1,41. Тираж 100 ж), iaicai Xt7 3.7

ВВЕДЕНИЕ.

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1 Конструкции самоходных скреперов.

1.2 Обзор исследований и анализ систем снижения нагрузок на металлоконструкцию скрепера со стороны толкача.

1.3 Результаты анализа. Постановка задачи исследования.

2 ОЦЕНКА НДС МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИИ СКРЕПЕРА ВМЕСТИМОСТЬЮ 8м3 В ПРОЦЕССЕ КОПАНИЯ ГРУНТА.

2.1 Оценка нагруженности металлоконструкции скрепера традиционного исполнения.

2.1.1 Анализ расчетных нагрузок действующих на металлоконструкцию скрепера при использовании толкачей различных тяговых классов и в различных расчетных положениях.

2.1.2 Выбор метода определения напряженно-деформированного состояния конструкции. Разбивка на конечные элементы металлоконструкции скрепера. Граничные условия.

2.1.3 Оценка нагруженности металлоконструкции скрепера при использовании толкачей различных тяговых классов.

2.1.4 Анализ мест металлоконструкции скрепера с напряжениями близкими к пределу текучести материала.

2.2 Адекватность задания граничных условий и расчетных схем при определении НДС металлоконструкции скрепера в режиме копания грунта

2.2.1 Оборудование для полевых исследований.

2.2.2 Методика проведения полевых исследований.

2.2.3 Результаты полевых исследований.

2.3 Оценка снижения НДС металлоконструкции скрепера за счет конструктивных изменений.

2.4 Устройство ограничения статической и динамической нагрузки со стороны толкача на скрепер «ограничитель нагрузки».

2.4.1 Принцип действия устройства.

2.4.2 Конструкция ограничителя нагрузки с демпфером линейной жёсткости.

2.4.3 Конструкция ограничителя нагрузки с демпфирующим элементом нелинейной жесткости.

3 МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ОГРАНИЧИТЕЛЯ НАГРУЗКИ.

3.1 Основные предпосылки и требования к математической модели.

3.2 Математическая модель процесса копания грунта.

3.3 Моделирование устройства «ограничитель нагрузки».

3.3.1 Принятые допущения, динамическая модель устройства «ограничитель нагрузки».

3.3.2 Математическое описание устройства «ограничитель нагрузки».

4 РЕАЛИЗАЦИЯ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ УСТРОЙСТВА «ОГРАНИЧИТЕЛЬ НАГРУЗКИ» В ПРОЦЕССЕ КОПАНИЯ ГРУНТА СКРЕПЕРНЫМ АГРЕГАТОМ.

4.1 Методика проведения исследований.

4.2 Процесс копания грунта скреперным агрегатом с ограничителем нагрузки.

4.2.1 Выбор оценочных показателей.

4.2.2 Толщина вырезаемой стружки, сопротивление копанию и объём грунта в ковше при использовании различных типов толкачей.

4.3 Анализ динамики рабочего процесса скрепера для различных грунтов на основании изменения угла скола. Определение зоны нечувствительности устройства «ограничитель нагрузки».

4.4 Методика выбора рациональных параметров устройства «ограничитель нагрузки».

4.4.2 Выбор основных параметров устройства на основе демпфера с линейной жёсткостью.

4.5 Методика проектирования устройства «ограничитель нагрузки» в режиме копания грунта.

4.6 Экспериментальные исследования устройства «ограничитель нагрузки»

4.6.1 Цели и задачи исследования.

4.6.2 Экспериментальная установка для лабораторных исследований.

4.6.3 Методика проведения лабораторных исследований.

4.6.4 Результаты лабораторных исследований.

5 ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ УСТРОЙСТВА «ОГРАНИЧИТЕЛЬ НАГРУЗКИ»

5.1 Оценка снижения уровня напряжений в металлоконструкции скрепера при использовании устройства.

5.2 Оценка увеличения усталостной прочности металлоконструкции скрепера при использовании устройства.

5.2.1 Анализ усталостной долговечности металлоконструкции скрепера с ограничителем нагрузки и без него.

5.3 Экономическая оценка использования ограничителя нагрузки.

5.3.1 Планово-расчётная стоимость машино-часа скрепера МоАЗ-6014.

5.3.2 Определение производительности самоходного скрепера.

5.3.3 Определение ПРС разработки 1 м3 комплектом «скрепер-толкач» при использовании устройства «ограничитель нагрузки».

ВЫВОДЫ.

Тема

Повышение работоспособности металлоконструкции скрепера вместимостью 8 м3 при интенсивной эксплуатации.

Актуальность темы.

С увеличением выпуска мощных промышленных тракторов появилась возможность загружать одни и те же скреперы с помощью различных толкачей, при этом, как показывает статистический анализ [1], используемые толкачи могут отличаться по мощности в 5 раз. Анализ статистических данных по техническим характеристикам бульдозеров, используемых в качестве толкача, показал, что среднее значение мощности двигателя составляет 244.6 кВт, среднеквадратичное отклонение равно 118 кВт. При этом удельная мощность двигателя толкача при работе со скрепером геометрической вместимостью 8.3 м3 на 1 м3 составляет от 12.53 до 69.15 кВт/м3 [2,3,4,5]. Применение мощных толкачей при работе в скреперном агрегате сокращает время наполнения ковша скрепера и позволяет толкачу обслуживать большее количество скреперов, что увеличивает производительность скреперного агрегата, тем самым снижая себестоимость 1 м3 разработанного грунта.

Работа скреперов с толкачами исследовалась К.А. Артемьевым [6], Н.А. Ульяновым [7], Ревзиным П.И. [8, 9], В.А. Борисенковым [10] и другими авторами. Исследования в этой области, выполненные до этого времени, были посвящены определению минимального тягового усилия, необходимого для заполнения ковша, или минимальной энергоемкости процесса копания и дальнейшему уменьшению этих величин путем совершенствования конструктивных элементов скрепера. Однако взаимодействие толкачей со скреперами, тяговое усилие которых значительно выше необходимого для наполнения ковша скрепера, исследовано недостаточно. Использование в скреперном агрегате толкачей с удельной мощностью 30.40 кВт/м3 в сочетании с удельной мощностью самого скрепера в 20 кВт/м3, существенно повышает производительность скреперного агрегата [1], в то же время вызывая поломки отдельных элементов металлоконструкции скрепера.

Понимание причин отказов в металлоконструкции скрепера возможно при исследовании напряженно-деформированного состояния металлоконструкции, чему было до сих пор уделено недостаточно внимания ввиду сложности металлоконструкции скрепера и отсутствия возможности приблизить расчетную схему к самой конструкции. Расчету подвергались отдельные элементы конструкции скрепера при использовании стержневых систем (Плеш-ков Д.И. [11], Борусевич А.А. [12], Алексеева О.В. [13]). Постепенно с усовершенствованием методов расчета и технических средств расчетные схемы приблизились к реальной конструкции скрепера (Волобоев В.Г.[14], Венде Ф.Д.[15], Кукин А.В.[16]), но рассмотреть проблему связанную с напряженно-деформированным состоянием всей металлоконструкции скрепера не удавалось, особенно выявить взаимосвязь между усилением одних узлов и напряженно-деформированным состоянием (НДС) других.

С учетом выявленной взаимосвязи между толкачами увеличенной мощности и надежностью работы скрепера цель и задачи настоящей работы сформулированы следующим образом.

Цель исследования:

Целью работы является разработка научно обоснованных рекомендаций по повышению работоспособности металлоконструкции скрепера вместимостью 8 м3 (на примере МоАЗ-6014) при интенсивной эксплуатации при использовании толкачей различного тягового класса.

Задачи исследования:

- исследовать НДС металлоконструкции скрепера традиционного исполнения при работе с толкачами различного тягового класса в различных расчетных положениях;

- оценить возможности конструктивного усовершенствования металлоконструкции скрепера традиционного исполнения для повышения её работоспособности;

- разработать устройство, обеспечивающее снижение статической и динамической нагрузок со стороны толкача на металлоконструкцию скрепера «ограничитель нагрузки»;

- разработать математическую модель ограничителя нагрузки, обеспечивающего снижение статической и динамической нагрузок со стороны толкача на металлоконструкцию скрепера;

- разработать методику выбора основных параметров ограничителя нагрузки, снижающего статическую и динамическую нагрузки со стороны толкача на металлоконструкцию скрепера;

- оценить усталостную долговечность металлоконструкции скрепера традиционного исполнения, с конструктивными изменениями и скрепера с ограничителем нагрузки;

- провести экономическую оценку использования предложенных технических решений для скреперного агрегата.

Методы исследования.

В работе используются методы математического моделирования, численные и математические методы анализа. Исследование напряженно-деформированного состояния металлоконструкции скрепера проводилось с использованием метода конечных элементов (МКЭ). Результаты исследования подтверждены методом физического эксперимента.

Научная новизна диссертации:

- разработаны регрессионные уравнения для определения статической и динамической нагрузок на задний бампер скрепера со стороны толкачей различного тягового класса;

- предложены новые расчетные сочетания нагрузок, учитывающие особенности эксплуатации скрепера с толкачами класса 25 и 35;

- применительно к МКЭ разработан способ задания граничных условий, позволяющий оценить напряженно-деформированное состояние металлоконструкции скрепера в процессе копания грунта;

- предложены технические решения устройств снижающих динамические нагрузки на металлоконструкцию скрепера и методы расчета.

Практическая ценность:

- разработаны и запатентованы три технических решения устройств, позволяющих снизить динамическую нагрузку со стороны толкача на металлоконструкцию скрепера в процессе копания грунта;

- разработаны рекомендации по совершенствованию металлоконструкции ковша и задней рамы скрепера, позволяющие обеспечить надежную работу скреперного агрегата с толкачами 25 и 35 тягового класса;

- разработана проектная документация ограничителя нагрузки для скреперов МоАЗ-6014 и МоАЗ-6007.

Реализация работы.

Результаты выполненных исследований, методика выбора рациональных параметров ограничителя нагрузки внедрены в учебный процесс студентов специальности 05.05.04 «Дорожные, строительные и подъемно-транспортные машины» в ГУ ВПО «Белорусско-Российский университет».

Конструктивные изменения в металлоконструкции скрепера МоАЗ-6007 позволили разрешить его эксплуатацию с толкачами класса 25. Внедрение конструктивных изменений позволило снизить массу металлоконструкции скрепера МоАЗ-6014 на 1,2 %, что составляет 106 кг (сталь 09Г2С).

Применение устройства, обеспечивающего снижение динамической и статической нагрузок со стороны толкача на скрепере МоАЗ-6014, позволило снизить динамическую составляющую нагрузки со стороны толкача для толкача 10 класса в 3,5 раза; 25 класса - в 2 раза; 35 класса - в 1,4 раза.

Внедрение в металлоконструкцию скрепера конструктивных изменений и применение ограничителя нагрузки позволило использовать для работы в скреперном агрегате толкачи 25 и 35 классов.

Апробация работы.

Основные положения и результаты работы докладывались на научно-технических конференциях:

- «36-я студенческая научно-техническая конференция» в МГТУ (Могилёв, 2000 г.);

- IV, V Республиканские научные конференции студентов и аспирантов «Новые математические методы и компьютерные технологии в проектировании, производстве и научных исследованиях» в ГГУ (Гомель, 2001, 2002 nr.);

- международная научно-техническая конференция «Потенциал науки - развитию промышленности, экономики, культуры, личности» в БНТУ (Минск, 2002 - 2004 г.г.);

- международная межвузовская научно-техническая конференция студентов, аспирантов и магистрантов в ГГТУ им. Сухого (Гомель, 2002 г.);

- международная научно-техническая конференция «Интерстроймех 2002» в МГТУ (Могилёв, 2002 г.);

- международная научно-техническая конференция «Современные проблемы машиноведения» (научные чтения, посвященные Павлу Осиповичу Сухому) в ГГТУ им. Сухого (Гомель, 2002 г.);

- международная научно-техническая конференция «Прогрессивные технологии, технологические процессы и оборудование» в МГТУ (Могилёв, 2003 г.);

- республиканская научно-техническая конференция «Новые материалы, оборудование и технологии в промышленности» в ГУ ВПО «Белорусско-Российский университет» (Могилев, 2004 г.).

Результаты работы доложены на техническом совете РУП «Могилев-ский автомобильный завод им. Кирова».

Публикации. По теме диссертации опубликовано 22 работы, в том числе получен патент РБ на изобретение.

Основные результаты, полученные в ходе выполнения работы: разработан способ закрепления и приложения нагрузок на металлоконструкцию скрепера при исследовании напряженно-деформированного состояния в процессе копания грунта с помощью метода конечных элементов [69, 74, 85]; установлены причины возникновения нагруженных мест, ограничивающих работоспособность металлоконструкции, на основании исследований напряженно-деформированного состояния металлоконструкции скрепера МоАЗ-6014 при использовании толкачей тяговых классов 10, 25, 35 [66, 68, 75, 77, 80]; установлено, что возникающая при подъеме - опускании рабочего органа сила трения на заднем бампере скрепера повышает напряжения в металлоконструкции скрепера в зоне крепления ковша с задней рамой на 50 %, что необходимо учитывать при назначении расчетных положений при прочностных расчетах [73]; разработаны и запатентованы технические решения устройства снижения статической и динамической составляющих со стороны толкача на металлоконструкцию скрепера (с линейной и нелинейной характеристиками демпфера), позволяющие снизить динамическую составляющую нагрузки для тягового класса 25 в 1,87 раза и уменьшить максимальные напряжения на 30 % [70, 71, 76, 79, 65]; разработана математическая модель, позволяющая определить рациональные параметры устройства снижения динамической и статической нагрузок со стороны толкача на металлоконструкцию скрепера [71, 81, 83]; разработаны рекомендации по совершенствованию металлоконструкции скрепера, заключающиеся в снижении уровня напряжений и одновременном уменьшении массы до 1,2 %, которые использованы в модернизированной конструкции серийно выпускаемого скрепера [85]; исследована экономическая эффективность ограничителя нагрузки применительно к скреперу МоАЗ-6014, и установлено, что снижение себестоимости получаемой продукции при безотказной работе скрепера на 1000 м3 грунта составляет 4000 российских рублей (по состоянию на 01.01.04) [86].

1. Ревзин П.И. Исследование и определение рациональной величины конструктивного параметра самоходного скрепера «максимальная глубина резания» и выбор оптимального толкача: Автореф. дис. .канд. техн. наук: 05.184/МАДИ.- Москва, 1971.-24 с.

2. Caterpillar performance edition 20.

3. Caterpillar performance edition 26.

4. Caterpillar performance edition 30.

5. LIEBHER specification handbook. Edition 24.

6. Артемьев K.A. Основы теории копания грунта скрепером. Свердловск: Машгиз, 1963. - 129 с.

7. Ульянов Н.А. Теория самоходных колёсных землеройно-транспортных машин. М.: Машиностроение, 1969. - 520 с.

8. Ревзин П.И. Определение глубины резания в процессе набора грунта самоходным скрепером: Информационный научно-технический сборник ЩЖИТЭСТРОЙМАШ «Строительные и дорожные машины». Выпуск 4, 1971 г.

9. Ревзин П.И. Выбор оптимальной мощности толкачей для самоходных скреперов. Информационный научно-технический сборний ЦНИИТЭСТРОЙМАШ «Строительные и дорожные машины». Выпуск 5, 1971 г.

10. Борисенков В.А. Оптимизация скреперных агрегатов. Воронеж: Изд-воВГУ, 1990.-248 с.

11. Плешков Д.И., Гольдштейн В.М. Расчет скрепера. М.: ВНИИМСтройдормаш, 1961.-325 с.

12. Алексеева О.В. Влияние условий эксплуатации на наруженость металлоконструкции самоходного скрепера: Автореф. дис. .канд. техн. наук: 05.04.02/Мог. маш. ин-т. Могилёв, 1993. - 24 с.

13. Волобоев В.Г. Выбор и обоснование критерия оптимальности металлоконструкций рабочего оборудования // Строительные и дорожные машины. -2003. №1. - С.33-35.

14. Кукин А.В. Расчет напряженно-деформированного состояния грунта в ковше скрепера // Исследования рабочих процессов строительных и дорожных машин: Сб.науч.тр. Омск: ОмПИ. - 1986 - С.7-10.

15. Кукин А.В. К вопросу учета влияния грунта в ковше скрепера при расчете конструкций/С ибАДИ. Омск, 1988. - Деп. в ЦНИИТЭстроймаш 20.05.88, №66 - од 88.

16. Щемелёв A.M. Снижение динамической нагруженности строительных и дорожных машин/Мн.: БелНИИНТИ, 1993. 48 е.: ил.

17. Артемьев К.А. Основы теории копания грунта скреперами. М.: Машиностроение, 1963. - 128с.

18. Баловнев В.И. Интенсификация земляных работ в дорожном строительстве/ Баловнев В.И., Хмара JI.A. // М.: Транспорт, 1983. 183 с.

19. Бородачёв И.П. Расчёт бульдозера/Бородачёв И.П., Гольдштейн В.М., Яркин А.А.//Методика ВНИИСтройдормаш. М., 1963. - 104 с.

20. Ветров Ю.А. Резание грунтов землеройными машинами. М.: Машиностроение, 1971.

21. Дейнего Ю.Б. Разработка и перемещение грунта скреперами и бульдозерами. — М.: Госстройиздат, 1952.

22. Домбровский Н.Г. Землеройные машины./ Домбровский Н.Г., Панкратов С.А. // М.: Госстройиздат, 1961.

23. Зеленин А.Н. Машины для земляных работ/Зеленин А.Н., Баловнев В.И., Керров И.П.//М.: Машиностроение, 1975. 424 с.

24. Петере Е.Р. Типы и параметры скреперов // Механизация строительства. 1948.-№5.

25. Петере Е.Р. Типы и параметры скреперов // Механизация строительства. 1948 - №5.

26. Керров И.П. Применение теории подобия к расчету сопротивлений при движении в сыпучих телах и вязких средах//Вопросы механизации погрузки скальных пород. Вопросы бурения. Вып. 19: Труды. Новосибирск: Горный институт. - 1957. -319 с.

27. Ревзин П.И., Татаров Е.Н. К определению глубины резания скреперов // Строительные и дорожные машины. 1969. - №8.

28. Сидоров Н.А., Ревзин П.И. Влияние подвески на процесс набора грунта//Строительные и дорожные машины. 1971.-№1.

29. Завьялов A.M., Матвеева С.В. Анализ некоторых интегральных характеристик процесса копания грунта скрепером при работе на повышенных скоростях//Изв. вузов. Строительство. 1994.-№2 - С. 106 - 110.

30. Магарилло Б.Л. Исследование оптимальных тяговых усилий гусеничного промышленного трактора: Автореф. дис. .канд. техн. наук: 05.184/Челябинск, 1970. 24 с.

31. Холодов A.M. Основы динамики землеройно-транспортных машин. М.: Машиностроение, 1968. - 150 с.

32. Изучение надежности скреперов выпускаемых заводом в эксплу-тационных условиях. Отчет о НИР (заключит.)/ХАДИ; Рук. темы В.В.Ничке. -№ ГР 81008418. Харьков, 1983. - 99с.

33. Назаров Л.В., Шевченко В.А., Амашех Н. Ограничители нагрузок землеройно транспортных машин // Развитие строительных машин, механизации и автоматизации строительства и открытых горных работ: межд. на-учн.-техн. конференции/Москва, 1996. - 319 с.

34. Бородачёв И.П. Расчёт автогрейдера/ Бородачёв И.П., Гольдштейн В.М.//Методика ВНИИСтройдормаш. М. 1963. - 97 с.

35. Бородачёв И.П. Расчёт автогрейдера/ Бородачёв И.П., ГольдштейнB.М.//Методика ВНИИСтройдормаш. М. 1963. - 97 с.

36. Домбровский Н.Г. Землеройно-транспортные машины/ Домбров-ский Н.Г., Гальперин М.И.//М.: Машиностроение, 1965. 276 с.

37. Волков Д.П. Динамика и прочность одноковшовых экскаваторов.- М.: Машиностроение, 1965. 464 с.

38. Волков Д.П. Трансмиссии строительных и дорожных машин/ Волков Д.П., Крайнев А.Ф.//М.: Машиностроение, 1974. 423 с.

39. Надёжность строительных машин и оборудования/Волков Д.П., Николаев С.Н., Марченко М.А. М.: Высшая школа, 1979. - 399 с.

40. Холодов A.M. Динамика землеройно-транспортных машин при резком возрастании сопротивлений: Труды ХАДИ. Изд-во ХГУ. Вып. 22. 1960C. 71-78.

41. Холодов A.M. Динамика землеройно-транспортных машин при резком возрастании сопротивлений: Труды ХАДИ. Изд-во ХГУ. Вып. 22. 1960 С. 71-78.

42. Холодов A.M. О динамическом расчёте землеройно транспортных машин циклического действия: Труды ХАДИ. Изд-во ХГУ. Вып. 21. 1958. С. 67-80.

43. Холодов A.M. Основы динамики землеройно транспортных машин. -М.: Машиностроение 1968. 155 с.

44. Иванищев П.И. Буксование колёсного движителя при переменных вертикальной и горизонтальной нагрузках//Исследование и расчёт строительных и дорожных машин. Вып. 2.: Сб.науч.тр. Воронеж:ВГУ. - С. 97100.

45. Иванищев П.И. Определение тяговых качеств колёсного движителя, загруженного стационарными случайными возмущениями: Автореф. дис. .канд. техн. наук/Воронеж.:ВИСИ, 1978.-21 с.

46. Федоров Н.Ф. Расчёт навесного дорожно-строительного оборудования на динамические нагрузки./Строительное и дорожное машиностроение. 1959. - №9. - С.4-8.

47. Самоходные скреперы/ А.И. Залко, Э.Г. Ронинсон, Н.А. Сидоров.- М.: Машиностроение, 1991. 256 е.: ил.

48. Самоходные пневмоколесные скреперы и землевозы/Коллектив авторов. Под ред. канд. техн. Наук Д.И. Плешкова//М.Машиностроение, 1970.-272 с.

49. Залко А.И. Современные скреперы/Залко А.И., Ронинсон Э.Г.//Обзорная информация. Серия 4 «Дорожные машины». М.:ЦНИИТЭстроймаш, 1983. 36 с.

50. Komatsu specification handbook. Edition 12, Sales Development Overseas Division. 1999.

51. Щемелёв A.M. Расчёт скреперов: Пособие по курсовому и дипломному проектированию/ Щемелёв A.M., Довгяло В.А. Гомель: БелГУТ, 1999.-69 с.

52. Строительная механика и металлоконструкции строительных и дорожных машин: Учебник для вузов по специальности "Строительные и дорожные машины и оборудование" /Н.Н. Живейнов, Г.Н Карасев, И.Ю. Цвей. -М.: Машиностроение, 1988. 280 е.: ил.

53. Ульянов Н.А. Теория самоходных колёсных землеройно-транспортных машин. М.: Машиностроение, 1969. - 520 с.

54. Машины для земляных работ: Учебник/ Гаркави Н.Г., Аринчеков В.И., Карпов В.В. и др.; под ред. Н.Г. Гаркави. М.: Высш. Школа, 1982. -335 с.:ил.

55. Дорожные машины, часть 1. Машины для земляных ра-бот./Алексеева Т.В., Артемьев К.А., Бромберг А.А.- М.Машиностроение, 1972.

56. Справочник конструктора дорожных машин/ Под. ред. И.П. Боро-дачёва. -М.: Машиностроение, 1971. 360 с.

57. Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике. М.:Мир, 1975.-541с.

58. Сегерлинд JI. Применение метода конечных элементов. М.:Мир, 1979.-392 с.

59. Стренг К. Теория метода конечных элементов/ Стренг К., Фикс Дж.//М.:Мир, 1977. 349 с.

60. Самарский А.А. Введение в численные методы. М.:Наука. 1978.

61. ANSYS basic analysis procedures Guide. ANSYS release 5.6. ANSYS Inc., 1998.

62. Патон Б.Е. Современные направления повышения прочности и ресурса сварных конструкций//Автоматическая сварка. №9, 10 - 2000 - С.З-9.

63. Патон Б.Е. Новая высокопрочная сталь АКМ для платформ большегрузных карьерных автосамосвалов БелАЗ/ Патон Б.Е., Медовар Б.И., Са-енко В.Я. и др. // Электрошлаковая технология: Сб. ст. АН УССР. Киев: Наукова думка, 1988. - С. 116 - 121.

64. Пат. 5962 CI BY, МПК E02F 3/64 9/22. Скрепер / Щемелев A.M., Подымако М.Э., Леоненко О.В. №20000755; Заявл. 08.09.2000; Опубл. 30.03.2004 // Афщыйны бюлетэнь / Дзярж. пат. ведамства Рэсп. Беларусь.— 2004.—№3.—С. 30

65. Леоненко О.В., Подымако М.Э Снижение динамических нагрузок при работе скрепера с толкачом//36-я студенческая научно-техническая конференция: Тезисы докладов. Могилёв: МГТУ, 2000. - С.53;

66. Подымако М.Э., Леоненко О.В. Автоматизация работы скреперного агрегата//36-я студенческая научно-техническая конференция: Тезисы докладов. Могилёв: МГТУ, 2000. - С.67;

67. Леоненко О.В., Подымако М.Э. Способы снижения нагруженности металлоконструкции задней рамы скрепера при действии нагрузок со стороны толкача//Перспективные технологии, материалы и системы: Сб. на-учн. тр. Могилёв: МГТУ, 2001. - С.257-261;

68. Леоненко О.В. Система автоматизации рабочего процесса скрепе-ра//Вестник Могилевского государственного технического университета.2001.-№1.-С. 98- 103;

69. Леоненко О.В.Оценка нагруженности металлоконструкции скрепера при копании грунта//Интерстроймех2002: Материалы межд. научно-техн. конф. Могилёв: МГТУ, 2002. - С. 124-130;

70. Леоненко О.В. Влияние типа толкача на нагруженность металлоконструкции скрепера МоАЗ-6014//Современные проблемы машиноведения: Тез. докл. межд. научно-техн. конф. (4-6 июля 2002 г., г. Гомель). Гомель: ГГТУ, 2002. - С.27.

71. Леоненко О.В. О равнопрочной конструкции самоходного скре-пера//НИРС-2003: Тез. докл. VIII Республ. научно-техн. конф. 4.4/ Минск: БИТУ, 2003. С. 146-147.

72. Леоненко О.В. Снижение металлоёмкости скрепера МоАЗ-6014 за счёт его оптимизации по критерию нагруженности//Прогрессивные технологии, технологические процессы и оборудование: Тез. докл. межд. науч.-техн. конф. Могилёв: МГТУ, 2003. - С.296-297.

73. Леоненко О.В. Снижение динамической нагруженности металлоконструкции скрепера с помощью системы ограничения толкающего усилия// Перспективные технологии, материалы и системы: Сб. научн. тр. Могилёв: УО МГТУ, 2003. - С. 173-179.

74. Леоненко О.В. Влияние типа толкача на нагруженность металлоконструкции скрепера МоАЗ-6014//Перспективные технологии, материалы и системы: Сб. научн. тр. Могилёв: УО МГТУ, 2003. - С. 179-185.

75. Леоненко О.В. Подбор параметров дросселирующего узла системы ограничения толкающего усилия на скрепер МоАЗ-6014 со стороны толкача// Вестник Могилевского государственного технического университета. -2003.-№2.-С. 78-83;

76. Щемелёв A.M., Леоненко О.В. Влияние типа толкача на показатели усталости металлоконструкции самоходного скрепера МоАЗ-6014// Вестник Могилевского государственного технического университета. -2003. №2. -С. 177-181;

77. Щемелёв A.M., Леоненко О.В., Подымако М.Э. Способы снижения нагруженности металлоконструкции скрепера МоАЗ-6014 при копании грунта//Строительно-дорожные машины. 2004. - №8 - С.18 - 23.

78. Тарасик В.П. Проектирование колёсных тягово-транспортных машин. Мн.: Высш. шк., 1984. - 163с.

79. Башта Т.М. Машиностроительная гидравлика/Справочное пособие. М. .'Машиностроение, 1971.

80. Тарасик В.П. Проектирование внедорожных автомобилей и колёсных тракторов на основе методов оптимизации сложных динамических систем: Автореф. дис. .докт. техн. наук: /М.:МАМИ, 1983. 44 с.

81. Недорезов И.А., Бондарович Б.А, Фёдоров Д.И. Вероятностный анализ усилий в рабочем оборудовании землеройных машиностроительные и дорожные машины. 1971. -№8 - С. 10-12.

82. Федоров Д.И. Рабочие органы землеройных машин. М.: Машиностроение, 1977. - 288 с.

83. Ничке В.В. Надёжность прицепного и навесного оборудования тракторов. Харьков: Высшая школа, 1985. - 152 с.

84. Алексеева Т.В. Оценка и повышение точности землеройно-транспортных машин: Учеб. пособие / Алексеева Т.В., Щербаков B.C.// Омск, 1981 -98с.

85. Алексеева Т.В. Гидропривод и гидроавтоматика землеройно-транспортных машин (исследования и основы расчёта). М.: Машиностроение, 1966,- 180с.

86. Скрепер/Э.Г. Ронинсон, А.Я. Ищенко, Я.П. Ищенко. М.: Строй-издат, 1979. -95с., ил.

87. Амельченко В.Ф. Управление рабочим процессом землеройно-транспортных машин / Омск. Западно-Сибирское книжное из-во, 1975. 232 е.: ил.

88. Воскресенский Г.Г. Исследование влияния параметров гидравлической системы управления рабочим органом на режим работы бульдозера: Автореф. дис. . канд. техн. наук/Омск, 1972 г. 24 с.

89. Берестов Е.И. Научные основы моделирования системы «Грунт -рабочее оборудование землеройных машин» в режиме послойной разработки: Автореф. дис. .канд. наук: 05.05.04/МГСУ- Москва, 1998.-40 с.

90. Горынин И.В., Ильин А.В., Леонов В.П. Конструктивно-технологическая прочность сварных соединений морских конструкции/Автоматическая сварка. 2000. - №9, 10 -С.28 - 36.

91. Вид внедрённых результатов: изменения в металлоконструкциях скреперов МоАЗ-6014 и МоАЗ-6007 обеспечивающих повышение надёжности машин, система ограничения толкающего усилия.

92. Характеристика масштаба внедрения: единичная разработка для МоАЗ-6014, изменения в серийной партии МоАЗ-6007.

93. Новизна результатов научно-исследовательских работ: качественно новая разработка.

94. Направление внедрения: повышение надёжности и долговечности скрепера.Начальник инженерного6007.центра РУП «МОАЗ»В.В. ПеклинНаучный руководитель канд. техн. наук., проф.A.M. ЩемелёвОтв. исполнитель инж.О.В. Леоненко