автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.04, диссертация на тему:Разработка автоматизированной системы выбора материалов несущих конструкций дорожно-строительных машин

Г'

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫР АВТОМОБИЛЬ'НО - ДОРОЖНЫЙ ИНСТИТУТ (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

МАЛИ

\ ,Г\ /

На цравах рухолис

РАЗРАБОТКА ЛЗГОМАТИЗИГОШШЮЙ СЯСЪШ ЕЫБОРА МАТЕРИАЛОВ НЕСУЩИХ КОНСТРЛСЩЙ ДОРОЗМО-^ТТСИТЕДШК МАШИН

05.05.04 - Дорежете и строительные мзлвни

Автореферат дкссерта:БШ ка соисг.адие ученой степени кандидата технических наук

МОСКВА •- 1593 J

Работа выполнена в Московской Государственном автомобильно-дорожном институте С Техническом Университете) на кафедре дорожно-строительных кашкн.

Научный руководитель - кандидат технических наук,

I

доцэнт H.H. ЖВЕЙНОВ

Официальные оппоненты - доктор технически наук

A.B. Слкаансклй кандгда? технических наук Г.'В.Кпролов

Ведущее предприятие - Щ'Ф "&Ж.0"

Защита состоимся CpeÖDClJlJ) 1994 г. в JO.','. часов на заседаний специализированного совета K-053.S0.il ири Московском Государственно* автомобкльно-дорожнок институте (Техническом Университете) по адресу: 125829 ГСП, МоскЕа А-329, Ленинградский проспэкт, 64,Ш7,Д!:, аул. 4Z

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГАДИ.

Отзывы представлять в двух экземплярах с подписью, заверенной печатью.

Телефон .для справок 155-03-28.

Автореферат разослан 11 "лнварл

Ученый секретарь специализиров-яного совета K-053.3Q.il кандидат технических наук, профессор

1934 г.

Г.С.МИРЗОЯН

ОЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В условиях рынка появилась заинтересованность изготовителей дорожно-строительной техники в создании конкурентоспособных машин, имещих высокую технико-экономическую эффективность, которая в значительной степени зависит от эффективности несущих конструкций ДСМ. ,

Ретроспективнкй анализ показывает, что решение проблемы увеличения эффективности конструкций в различных областях отечественной и зарубежной техники (ракето-, авиа-, судостроении) начинается на .начальной стадии проектирования - на стадии выбора материала. Процесс выбора материала - автоматизирован.

Наиболее эффективными с точки зрения снижения кассы конструкции являются высокопрочные легкие материалы (алюминиевые, титановые сплавы, композиты) . Логично предположить, что применение высокопрочных материалов в несущих конструкциях ДМ, например, в рабочем оборудовании экскаватора позволит снизить массу конструкции, и тем самым, увеличить вместимость ковша и производительность при сохранении грузовой устойчивости экскаватора. ';

Применение материалов еысокой удельной прочности :' (алюми- . ниевых, титановых сплавов, композитов} в несуще конструкциях позволяет таете значительно увеличить, технико-экопсаическую эф-^ фектпвность машин.

В дорожно-строительном машкностроении.подобные исследования не проводились. В условиях плановой экономике материалы фондировались и проектировщики ограничивались применением только сталей, а материалы высокой удельной прочности - не использовались. В условгят ркнка появилась возможность приобретения габых »материалов через бнрнз или непосредственно у производителя. Поэтому, разработка системы автоматизированного выбора материалов не суют конструкций дорожно-строительных маипн является актуальной задачей.

Целью рабптн «тдяетоя создание системы автоматизированного выбора материалов несущих конструкций, обеспечивающих улучшение технико-экономических характеристик дорохно-строи-телыадх машин.

Положения, занимаемые в работе и их натчная новцзна заключается в следующем:

- обосновано применение материалов высокой удельной прочности в несущих конструкциях дорожно-строительных машин;

- разработана методика автоматизированного выбора материалов (сталей; алюминиевых, титановых сплавов; композитов) , обеспечивавших работоспособность несущих конструкций ДСМ;

- впервые получены универсальные зависимости массы конструкции от величины действующих усилий (сжимящих/растягиваю-щях, изгибапдихл крутящих в любом их сочетании) , Зизико-меха-нических свойств материала и геометрической формы сечения;

- проведен анализ эффективности (массовой, стоимостной, технологической) материалов несущих конструкций дорожно-строительных машш с помощью разработанной системы критериев;

- предложена многовфитериаяьная модель, позволяющая осуществлять автоматизированный выбор эффективного - с точки зрения .снижения массы и стоимости несущих конструкций ДСМ - материала; .;.

- создана модель, позволяющая прогнозировать технические параметры экскаватора (массу, грузоподъемность, емкость ковша, производительность) и, в результате, осуществлять автоматизированный выбор материала рабочего оборудования, обеспечивающего максимальную технико-экономическую эффективность экскаваторов.

Рруствческая пенность работы:

Автоматизированная система выбора материалов несущих конст рукций обеспечивает обоснованный выбор конструктором нескольких работоспособных материалов (в соответствии с задаваемыми эксг луатациоынши, технологическими и экономическими требованиями) а из их числа - выбор наиболее эффективного материала. Выбор мс жет выполняться на ранних стадиях проектирования, а итоговый дс кумент содержат все сведения о материале, необходимые конструктору для дальнейшего проектирования.

Разработан локальный банк данных свойств материалов (47 марок сталей; 30 - алшиниевых, 20 - титанов®: сплавов; 19 марок стеклопластиков} , который магег слузкть справочной информацией для конструктора по (механическим, .технологическим, коммерческк/) свойствам материалов.

На примере рабочего оборудования экскаватора доказана целесообразность использования композиционных материалов (в частности, стеклопластика АГ-4С) . . ;

Реализация работы: технкчзские предложения по сохранению тфочности з жесткости при снияении массы стрелового оборудования приняты научно-исследовательской лабораторией СКТБ ПСО Главмосинхстроя, а тадас переданы на ■ Воронежский экскаваторный завод для разработки перспективных модэле£ трубоукладчиков и эксказатороь. '

Автоматизированная система, псзволяицая осуществлять выбор материалов практически длл либых нагруженных конструкций (ра-боталщкх на изгиб, сзатие/растягенге, кручение и совместно? действие указанных нагруженж) приобретена на договорной основе заводами: ■ опытно-экспериментальным Теммелностроймап" (г. Ашсла, Казахстан} и "ЦелмноградселъмапГ.

Апробация -даботн. 'Обсуждение работы проходило,"на." зазеда-нил сетей экскаваторов во'ЕЕШПЪаясстрок, секши инкенсрного проектксов£н?л МЭИ; з СКТБ ГлаЕмосинестроя. ' -.'

ОсноЕьне положения диссертационной'работы докладывались на 50, 51 научно-лоследоъс.тельской и научноч/етодачзскях кон-гаерекцчях МЕДЛИ.

ПублЕвазчи. Но результатам прокедьняЕс исследований опубликовало 5 работ.ч.

Объем табоун. Диссертация состоит из введения, пята глав п приложений, содержит 393 страниц, в том числе стра-

изд гятаношского текста, ЧЧ тсблиц, 'ЧZ рисунков, список литературы из 159 наименований и при^озения на /56 страница.

5а .застт Р'иоратся:

- нетерпка аюта-ГЕЗцроваяного выбора материалов, обеспечивающих работоспособной! несущих конструкций ДОМ;

- универсальные уравнонзя оптимизации массы и формы сече-

нея для различных режимов нагругения несущих конструкций ДСМ;

- система критериев и результаты исследований эффективности (кассовой, стоимостной, технологической) применения материалов несудах конструкций ДСМ;

- многокритериальная модель для автоматизированного выбора эффективных материалов, ооеспечиваыцих снижение массы и стоимости несущих конструкций ДСМ;

- модель для автоматизированного выбора материала (рабочего оборудования} , обеспечивавшего максимальную технико-экономическуа эффективность экскаватора;

- результаты автоматизированного знбсра эффективного материала рабочего оборудования экскаватора.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой гпаве приводится критический анализ существующих методов решения проблемы выбора уатеркалоз. Выявлены перспективные'материалы несущих конструкций, используемых в различных областях отечественной и зарубежной техники (дорожно-строительном машиностроении, строительстве, тракторо-, автомобиле-, ;судо-, авиа-, ракетостроении ) .

Проведенные маркетинговые исследования позволили определить основные' этапы решения проблемы выбора материала:

изучение информационного рынка материалов (анализ использования материалов в конструкциях) , выявление перспективных материачоз и создание ЛЕД (локального банка данных") свойств материалов;

выбор материалов, обеспечивающих, работоспособность несущих конструкций машин; -

выбор эффективных материалов несущих конструкций с помощью щштериев массовой, стоимостной и технологической эффективности.

В обзоре анализируются работы ученых, которые занимались выбором материалов ДОЛ - В.А.Ряхина, Г.Е.Ыоакарева, Б.А.Бонда-

ровича, ■ - А.К.Рейша. Ф.К.Клашанова. А.В.Балахнова,

разработкой критериев - В.И.Баловнева, В.Ф.Взятишева, Д.А.Хмары; 6

созданием автоматизировавши систем поиска материала -

Г.А.Олифера, Ц.Н.Живейнова.

Выявление перспективных материалов

Патентный анализ позволил установить, что основными конкурентами традицконннх материалов несущих конструкций ДСМ - сталей являются легкие высокопрочные материалы (алюминиевые, титановые сплавы и композиты) .

В частности, шранцузская краностроительная фгрм?. " Сгеи501 -Ьош "-запатентовала в 1983 г. телескопическую крановую стрелу коробчатого сетенкя, основанную на применении композиционных материалов.

Проведенное в работе исследования позволили выявить группу материалов, которые успеино заменяют стали и являются наиболее эффективными для несущих конструкций в различных областях отечественной и зарубежной техники (строительстве/ тракторо-, автомобиле-, судо-, азиа-, ракетостроении) . Данная группа включает 30 марок алшиниЕвых, 20 - тктановш сплавов и 19 марок стеклопластиков. Применение последит: в' различных конструкциях дает пс1пг.вд основного (существенное снижение массы «в2г5 раз н трудоемкости изготовления) множество дополнительных эф-фактов (спжегие вибрации, давления на почву; экономию сырье-еых ресурссз, топлива и т.д.) .

Выбор материалов, обеспечиваниях работоспособность несупих конструкций игшин

Первая попытка создания автоматизированного алгоритма выбора стали .едя конструкций ДЙа была ыредггргаятз Г.А.Олифером. 3 соответствии с ланита кетодоя выбор зависит от способности сохранения свойств ¡яатартала год действием нагрузок (статических, динамнчесгж - коэфЪитаент /¡V) прл наличии в опасном сечэнпи (рабо*зх, .остаточных напряжений, коьцеатратороз калрз2ени£ -Xр ). Вид ьшетрукщп " (основная, несущая, вспомогательная) 0Ц2.чзк52тся коэффициентом ^с , степень нагругектостн - . С помегта даннкх йоэфФщлентсв по формула Г.А.ОлЕфсра определяется грунта катор^ггов (сталей)', свойства которое обеспечивают работоспособность копстрткпии в заданных условиях эксплуатации (характера, степени шгру^ензя и теотераитры) .

Недостаток рекомендуемого метода захкпгется е тем, что кзассрфикапил вагрузгевия конструкций ДСП далеко не ползая

(отсутствуют нагрузки: схатие/растякение, удар, вибрация и др.) . В системе такке не предусмотрена возможность введения новых материалов, используемых для несущих конструкций ДШ:тер-моупрочненных, высокопрочных, низколегированных . (бейнитных) сталей.

Н.Н.1кзейновым-разработан вариант автоматизированной системы выбора сталкдда^конструкл^й ДСМ. Свойства сталей:

эксплуатационные (способность сопротивляться заданным нагрузил (гди?^'1лтау/растягдвахвдш, изгибающим, крутящим и т.д.) и воздействии среды (температуре, важности, износу)) ,

технологические (свариваемость, доступность сортамента) материалов; обрабатьнзаеность резанлем

включены б автоматизированную матрицу соответствий. Пр^ заполнении матрЕЦн использована трехзначнаа логлка: знак "+" означает соответствие сталей требованию; - че соответствие требованию; "О" - отсутствие сведений о стали. За основу при выборе стали ю базы даннкх (матрицу соответствий) дришп алгебраический катод пересечения множеств.

Однако, в предложенном варианте, разработанном .для учебного процесса, недостаточно обосновано мнохесгво требований, предъязяяечнх к материалам несущих конструкций. Оценки в матрице соответствий в ряде случаев имеют-условный характер, а вы. ходнне документы ВД (банка данных) разработаны липь для нескольких сталей. Система не позволяет производить поиск глши-пиевкх и титановых сплавов, а также композитоз.

Критерии втора эффективных материалов несущих конструкций Авторами Л. С. Гут кинет и В.Ф.Взятышезнм разработаны критерии

массовой , „ , „

¿/[б] — Шп

и стоимостной. эйЕективности

. с, (а /[б-]'1) — лип.

где & , И , с/ - соответственно плотность, предел прочности и стоимость 1 кг материала; л. - показатель степени, зависящий от вида кагрухенпя конструкции: /1=1- сяатие/растяяекие; я =2/3-изгнб. Данные критерии позволяют осуществлять выбор эффективного с точки зрения, снижения массы конструкции и стоимости - материал. Однако, в данной методике не определен вид критериев для

сложных случаев кагрухения конструкции (сочетание сжатия/растяжения, изгиба и кручения) .

Критерий стоимости конструкции предложен институтом ЦНИИСК:

скн = Скст ' кп ' • где с ксг - стоимость 1 т конструкций "из стали ВСтЗга;

- коэффициент изменения массы конструкции с использованием "нового" материала; ■ — К а - коэффициент, учитывающий изменение трудоемкости изготовления п монтажа конструкции.

Данная оценка не отражает реальныз 'затраты на изготовление конструкции, т.к. не учитывает изменение стоимости "новых" материалов по сравнению со сталью ВСтЗкп. '

Критерий, разработанный В.й.Баловневым и Л.А.Хнарой

' 2ид. - (>.9 + о.Ю5 /V + О.чб /7-«.) / /7 = Е / /7 ,

где V , Мэкс , П , 2' - соответственно мощность двигателя, масса, производительность экскаватора,приведенные затраты

позволяет определять удельные приведенные затраты' на изготовление и эксплуатацию экскаватора с традиционным исполнением рабочего оборудования из низколегированной стали с точностью до 73^ 87 %%. -

Использование "новых" материаюв может привести к снижению массы и увеличению стоимости рабочего оборудования, а следовательно, к увеличению емкости коша, производительности и стоимости эг.сувватора. Подсбнче исследования не проводились.

2а основании вкле-излогенпого поставлены следуодае задачи:

1. Обосновать прнмгнение "новых" материалов ' (алюминиевых, титановых сплавов з ко;дгазитов)" 2 несущих конструкциях ДОЛ;

2. Разработать 'автоматизированную {«етодшсу выбора материалов, обесточивающих работоспособность несуппх констррший ДСМ;

3. Получить уракхения. отражающие зависимость игссн конструкций ЛИ, (перелагают схиксящие/растягивггщие, изгибаэдпе и ^утггзтке нагрузки) от фйзико-мехгдическгх свойств материала;

4. Провести элалга массовой, стоимостной й техпологической эффектпзностз матерзалог конструкций сложного кагруненжя (ДСМ) с помощью разработки критериев эффективности;

5. Разработать автоматизированную модель для выбора мате-

риалов, эффективных с точки зрения снижения массы и стоимости несущих конструкций ДОЛ;

6. Разработать автоматизированную модель для выбора материала рабочего оборудования, обеспечивающего минимальные удельные приведенные затраты к, следовательно - максимальную технико-экономическую эффективность экскаватора."

Внедрение результатов работы в единую автоматизированную систему позволит осуществлять выбор материалов несущих конструкций ДСП с помощью персональных компьютеров, совместимых с IBM PC XT/AT.

Во второй главе обосновано применение "новых" материалов (алюшшиевых, ютановых сплавов, стеклопластиков) в несущих конструкциях ДОЛ; систематизированы свойства материалов; приведено описание разработки ЛЩ свойств материалов и автоматизированной методики выбора материалов, обеспечивающих работоспособность несущих конструкций ДСМ.

На основании проведенного статистического анализа исследований по отказам определен перечень эксплуатационных свойств материалов, которые необходимо учитывать на ранней стадии проектирования конструкций ДСМ. Это: предел выносливости, ударная вязкость, вязкость разрушения; упругие, коррозионные и адгезионные свойства, а тазхе износостойкость материала. Для обеспечения технологичности несущих конструкций ДСМ - материалы должны иметь способность к обработке резанием и сварке.

Проведенный сравнительный анализ показал, что "новые" материалы имеют лучшие эксплуатационные и неплохие технологические свойства в сравнении с аналогичными свойствами "традиционных" материалов несущих конструкций ДСП - сталей.

Только, по удельной жесткости композиты уступают металлическим сплавам. В связи с этим, предложены технические решения, позволяющие увеличить жесткость стрелового оборудования из стеклопластика: а), с помощью натянутых стальных тросов, расположенных внутри стрелы экскаватора; б), изготовлением стеклопластико-вой стрелы методом намотки (см.рис. i).

Результаты проведенных исследований свойств материалов явились основанием -для систематизации; разработки ЛЩ свойств материалов (47 марок сталей; 30 - алюминиевых, 20 - титановых сплавов, 19 - стеклопластиков)' и создания автоматизированной мето-10

а).

77Ш-

ШЕ.

эш

1~~] 1

И 1 I

ш

б).

в).

рис. 1 . Технические реягзнил для увеличения жесткости стзкло-цластикозого стрелового оборудования:

а), с использованием натянутых стальных тросов, ргсполсяэнных внутри сварной конструкции; б), трехслойная конструкция стрелы типа "сэндвич"; в), изготовлением стрелы катодом наметки стекловолокна на опратау: 1 - етеклопластиковая констпукция; 2 -стальные троен; 3 « нашзавляшие ролики; 4 - стеклопластиковые листы; 5 - заиолня7ель "пенополиуретан ; 6 - сшгоальные и 7 -продольные стекловолокна; 3 - эпоксидное евкзувдёе.

Бнзколегнрованнач сталь 15ХСНд ГОСТ 19281-89

МЕХАНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ:

Предел прочности,МПа 450^490 Предел тегучести,Ша 325+345 Отк.удлинение,£ ' 21'

Ударная вязкость, ДЕ/см2:

- при +20°С 59

- при —40°С 29

- при -70°С 29

ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ: ГОСТ 14832-69 рекомендует использовать сталь для ксеущих конструкпЕй щзанов, воспринимающих значительные нагрузки и работайте в районах с холодным климатом при t =-50ч~65°С. Применяется для несущих элементов конструкций дорожно-стро-ительнкх машин (ходовые рамы, поворо^нке платформа, стрелы и башни; подвесы кабин, кронштейны рабочих; площадок кранов; рабочее оборудование экскаватора и т.п.) ¡ специальные, швеллеры для рам эксказатороЕ :: тракторов.

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА:

т

Свариваемость: .Вид сварш: Материалы для сварки:

удовлетворительная без ограничений Электрод Э50 ГОСТ 9467-75. При сварке под флюсом АК-47 ГОСТ 908981 применять проволоку Св-ЮША ГОСТ 2245-70. При сварке в углекислом газе - проволока Св-08Г2С.

КОРРОЗИОННАЯ СТОЙКОСТЬ:

хорошая

КОММЕРЧЕСКИЕ СВОЙСТВА:

Вид.проката Толщина проката, мм Относительная стонмость-база:СтЗпс лист-до 32 2,18. швеллер -до 32 1,95 уголок до 32 1,89

ПРИМЕЧАНИЕ: Сталь обеспечивает классы прочности 325, 345.

рис. 2 . Протокол выходного документа

дики выбора материалов, обеспечивавших работоспособность несущих конструкций ДИ.

Разработанные выходные документы (ВД) ЛЕД содержат сведения об эксплуатационных, технологических (способы сварки, сварочные материалы, виды проката) , коммерческих свойствах материала, а такие основные примеры использования материача в конструкциях. Протокол вгхедного документа материала - стали 15ХСНД представлен на рисунке2 . -

Автоматизированная методика взашчает систематизированные данные по свойствам материалов в виде матриц соответствий и алгоритм выбора материалов.

В матрице отражен комплекс свойств материала: положительных (знак "ч-") , обеспечивающих работоспособность конструкции, отрицательных (знак "-") , способствуших разрушении конструкции и знак "О" - свойства матэриала не изучены.

Алгоритм выбора материала мозцо интерпретировать следующим образом:

1. Формирование пользователем исходных данных, описывавших условия эксплуатации конструкции или "профиля свойств" материала;

2. Обработка строк матриц соответствий. Материал рекомендуется к использованию, если.описание "профиля свойств" полностью совпадает с описанием своЕств материала в матрице.

Данный алгоритм реализован в автоматизированной системе выбора материала. Пример автоматизированного выбора материала рабочего оборудования экскаватора приведен на рисунке 2» В третьей главе

впервые получены универсальные уравнения (3-ей и.6-ой степени} , отражавшие зависимость массы конструкции от величины действующих усилий (сЕЕмаыцих/растягиващих, изгибавших, крутящих в любом их сочетании) ; физико-механических свойств материала и-геометрической формы сечения; ^

определен новый критерий массовой эффективности который позволяет осуществлять выбор эффективного материала конструкции, подвергавшейся одинаковому по величине воздействию со стороны изгибалцих, крутящих и сжимавщих/растягиваидих сил;

благодаря численному анализу уравнений 3-ей и 6-ой степени разработана методика выбора эффективного с точки зрения снижения массы конструкции сложного нагружения - материала;

" ' А5

АВТОШтаИРОВАШЫЙ ВЫБОР МАТЕРИАЛА

Марка стали : 09Г2/Д/

алшиниевого сплава: Амг2м

титанового сплава: 0Т4-1 •

композиционного материала: АГ4-С

1. КЛАСС ПРОЕКТИРУЕМОЙ КОНСТРУКЦИИ: Основная несущая

конструкция

2. ПРЕОБЛАДАНИЙ ХАРАКТЕР НАГРУШШ: Комбинация статичес-

ких и динамических нагрузок

3. ПРИБЛИЖЕННАЯ ТИШИНА ЭЛЕМЕНТОВ: 4 + 10

4. ВИД ИСПОЛЬЗУЕМОГО ПРОКАТА: Листовой прокат

5. ПЛАСТИЧНОСТЬ МАТЕРИАЛА: Хорошая

6. ОБРАБАТЫВАЕМОСТЬ МАТЕРИАЛА РЕЗАНИЕМ: Удовлетворительная

7. СВАРИВАЕМОСТЬ МАТЕРИАЛА: Удовлетворительная

8. ЩЦ СВАРКИ: Без ограничений

3. НИЗШИЙ ПРЕДЕЛ ТЕМПЕРАТУРЫ: - 40°С.

10. АТМОСФЕРНЫЕ УСЛОВИЯ РАБОТЫ КОНСТРУКЦИИ: Елахная

атмосфера

0ЭГ2/Д/ 09Г2С/Д/ ШГ2С1/Д/

10ХСЭД 14Г2АФ/Д/ "14Х2Ш?

15ХСНД 15Г2АФЙПС 16Г2АФ/Д/

18Г2АФД/пс

рис.з • Пример автоматизированного выбора материала рабочего оборудования экскаватора

данные исследования позволили впервые предложить критерии длл оценки стоимостное и технологической эффективности традиционных и нетрадиционных материалов. (ЛШ) в несущих конси'рукш-ях дорссто-с'люительных мааин.

Б результате, анализа и численного анализа уравнений З-ей и 6-ой степени, выполненного по специально разработанной программе (с использованием ПЭ±дЛ класса ИМ БС/АТ) определены границы распределения гаитериев ¡»ассоЕой эадек^ивяоети ¿¿/[С],

Я М Л//мкр

бц / 3 2,6 0,4 J,04 0,4 2,9 3,3

Ü / Лу 80 70 10 10 1 10 70 80 Ü / К*

рис. 4 . График распределения критериев массовой эффективности • материала конструкций слоеного нагружения (сочетание изгибающих, крутящих и сжимапдих/растягивахяих нагрузок)

Дня выбора критерия массовой эффективности материала необходимо знать либо величину внутренних усилий, либо напряжений в опасном сечении конструкции. Например, соотношения напряжений в опасном сечении стрелы экскаватора (3-ей и 4-ой размерной группы) находятся в следующих интервалах: еы/6м =0,16 + 0,29 вы /бм*9 = 0,029 0,05 /бикр = Ö.2 - 0,25 При данном отношении напряжений определяющим критерием массовой эффективности материала является: ¿/[б\г>* —min

(см. рис. 4 )

Анализ периодической литературы показал, что биржевые цены на материалы - дестабилизированы и экономически не обоснованы. Экономистами предлагается при оценке стоимости материалов .

15

использовать -рыночные коэффициенты к утвержденным прейскурантным ценам ва материал. Причем, на черные, цветные металлы и композиционные материалы предусматриваются одинаковые повышающие коэффициенты.

В связи с этим, в автоматизированную систему введены относительные критерии стоимостной и технологической, эффективности материала соответственно: ' , • ' -

с, (d/[6]n) ~ min. - :

ce (d/[е]лУ ки~ та

где Со - относительная стоимость "нового" материала, определяемая как отношение оптовых цен на "нсзый" материал и стать ВСтЗкп, определенных "в прейскурантах. '.'",-.'.•' При разработке последнего критерия проведен- анализ данных по трудоемкости изготовленш и монтажа коробчатых конструкций, выполненных из "новых" материалов. ' ,

Анализ-етжтериев (массовой, стоимостной ¡: технолопгчас- , кой эффективности) показал, что использование композиционных материалов взамен стали (1СКСНД) может привести к снижению массы и удорожанию рабочего оборудования экскаватора соответственно ~ в 4 + 5 и 2 <-8 раз.

Б четвертой главе приведено описание разработки автоматизированных многокритериальной и техшцсо-экс'номвческой моделей.

Для установления взаимосвязи мавду отитериямл массовой и технологической эффективности материалов, значения которых от-рагены на рис. использованы методы регрессионного анализа.

С помощью персональной машины класса 1Ш PC/AT и библиотеки прикладных программ на алгоритмическом языке Турбо-Бейсик подучено 12 уравнении степенной регрессии (3 уравнения для кэздой из 4-х групп материалов) вида:

' í i V / d \а2

о, ^J.*, = -а,^}

где О./ , й. , - коэффициенты аппроксимации.

"Наилучшим" в каждой группе является материал (сталь, алюминиевый, титановый сшшв и 1-,омпозит) , при котором данная функция имеет минимальное значение.

Привит оптимальности Б.Парето позволяет из множества ."наилучших" (4 решения) выделить, по-возмояности, меньшее множество "нехущпсх" решений (от 2 до 4) .

Разработанная, таким образом, многокритериальная модель позволяет приблизиться к решении задачи внбора эффективного материала несущих конструкций ДСМ. Ддя зыбора эффективного материала конструктору предлагается провести сравнительный технико-экономический анализ только (от 2 до 4) "нехудзих" вариантов ряшепий вместо всех возможных (4-х и более).

Создание второй модели связано с определением зависимостей техшгкс-экопоюхческж: показателей (массы рабочего оборудования; массы, производительности, емкости ковпа экскаватора) от критерия массозой эффективноели л показателя удельных приведенных затрат от 2-х критериев (массового и технологического) эффективности матеркалоз в виде:

/'(гч) = /

/7, =/ (ц) =/ (¿ЛЯ*)* ;

л- =• / (Ч • МЖи ; с, (у/ГбГ)' .<и) м = ~ ' ' V Щ«) '

- соответственно критерии массовой и технологической зффектив-"ности; масса рабочего оборудования; емкость коша, производительность, масса а интегральный показатель эффективности акс-. каватора, определенные при условии выполнения рабочего оборудования из нетрадиционного материала.

Зфйективннм является материал, при которсч критерий удельных приведенных затрат минимален:

2 уд. „ — Шл .

(C0(ti/\6^n}! Kg)Н

26' 24. 22

20 18

16

. 14

12 10

Титановые сплавь:

Алимипиезые" сплавы

Композиты 1СКС11Д Стали

= ЦТТ+

+ 0-Г-+&Л.

Û

0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 {d/\6\n),

рг.с. S . Сразпкуельная оценка raí ¿реалов носуздк консурухей:

ДСЛ по 2-yi: отноетталышл njusopiiras эстактишостг.:

(d / [о] .цСд /{б~\пУ - отшклеаышо копа-ерлт: цаееово': с** /Гд1/Л 7 г ' l: cTOi-iocTKoi: эей.-ег.ачжюсл: лр:_

/ LöJ"Лдасад^Да/й^ «члош п равно:: .!(-); 4/5(-:■); 2/3 (о); — среднее зпачо:их 1грг.?ср:^г"-ь:ю:': (^штаз: юца:

(Сс (¿Aß] *)«" ___ f(г/ / 4

/л

fr (ri/fff]")-' kujvtCHA ^ / [5"]),м//лJ

(Zffib - область зиачс:сг": 1гг>.:'1ор^глы;и: ^ушавгГ., cootbëîcï-rrpi^ci: оллиг.у г-г.ассу r^'jcpz^ji^.

Таким образом, данная модель позволяет осуществлять внбор эффективного материала рабочего оборудования экскаватора.

В пятой главе представлены этапн внедрения результатов исследований (ЛЩ свойсгв материалов,'"автоматизированной методики и моделей (многокритериальной к технико-экономической)) в единую комплексную автоматизированную систему.

Приведено описание структуры, системных файлов; представлены резиглн работ;? пользователя с автоматизированной системой и последовательность операций зыбора.

Функциональные возможности системы:

а), снабжение нормативной, паучло-технической, экспертной (от специалистов) , биржевой информацией о свойствах материалов

ЛЕД; (см.рцс. 2 );

б), лрсгнозирование техняко—экономических показателей окс-кагатора (массы, производительности; изменения стоимости, удельных приведенных затрат) в зависимости от материала рабочего оборудования;

в), обеспечение компьютерной поддержки процесса выбора материалов в 3-х режимах: работоспособных (см.рис. 3 ), "Не-худаих" (_ для несущих конструкций Ж21) и элективного (зля рабочего оборудования -экскаватора) .

Гибкий цветной диалоговый интерфейс, разработанный на языке программирования Турбо-Бейсик применительно к персональным машинам класса 12л PC/AT," обеспечивает дружественность системы.

ОСЕОЕНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Анализ маркетинговых исследований позволил выявить материалы, которые успешно заменяют стали.и являются наиболее эффективными для несущих конструкций в различных областях отечественной и зарубежной техники. Это - 30 марок алюминиевых, 20 -титановых сплавов и 19 - композитов.' Эффективность последних проявляется в сиигении массы, трудоемкости изготовления конструкций, увеличении грузоподъемности техники и других эффектах.

2. Анализ многочисленных монографий, научно-исследовательской, патентной отечественной и зарубежной литературы, а такие нормативной документации позволил доказать, что "новые" материалы (алюминиевые, титановые сплавн и стеклопластики) имеют лучшие эксплуатационные (за исключением жесткости) и неплохие

/Р

технологические свойства по сравнению с аналогичными свойствами сталей.

3. Данные исследования позволили разработать локальный банк данных свойств (ЛБД) к автоматизированную методику выбора материалов, обеспечивающих работоспособность несущих конструкций

дог. .

4. Предлогены технические решения, позволяете увеличить жесткость стрелового оборудования из стеклопластика: 'а), с помощью натянутых стальных тросов, располокепных внутри стрелы экскаватора; б), изготовлением стекяопластиковой стрелы методом намотки. Проведенные расчеты на прочность, продольную, сдвиговую и осевую жесткость показали, что размеры поперечного с&чо-ния и масса стрелы (последнего исполнение) снижаются соответственно на 502 и 60,= в сравнении со свальной конструкцией.

5. Впервые получены уравнения, отражающие зависимость массы конструкции ст величины действующих усилий - (сЕимакцих/рас- . тягизахцих, изгибаяцих, крутящих в'^шбом их сочетаний) , фази-ко-механическкх. свойств материала и геометрической формы сечения.

6. Дредлогеяа система критериев для оценки массовой, стоимостной и технологической эффективность традиционных и нэтради-цзонных материалов (ДЕД ) з несуща конструкциях ДОМ и разработана автоматизированная многокритериальная модель для Выборг "нехудних" материалов (от 2 до 4 J .

7'. Согласно многокритериальному анатаэу, из мнозества материалов ЛЩ наиболее аффективным является композиционный .чагзриал 11-2—1С. Данный »латерггл можно рзкэиевдогать для использовано! в несущит конструкциях ДС5г, в том ^мсле в рабочем оборудовании экскаватора: эксплуатирующихся. при температурах до -20°С.

Ь. Разработана автоматизированная кодель выбора материала ('рабочего оборудования) , ооеслачиьаыего макськас-ную гехнико-экономическуь э^фективност> экскаватора лосого типоразмера.

S. С цыаы использования результатов исследований в конструкторском проекте, создав?, единая комплексная автоматизированная система.

10. Разработан гибкий цветной диалоговый интерфейс на языке програвсгирозадия Турбо-Бейсик: применительно к аерсснальнш ьаши-нак класса IHi PC/AT.

11. С поиодью гитоматизироБанноР систеьш определен наиболее

го

эффективный материал рабочего оборудования экскаватора типа Э0-4321. Это - композиционный материал АГ-4С. Использование данного материала з рабочем оборудовании позволит увеличить, производительность (грузоподъемность) в1,4 раза , и тем самым, снизить затраты на производство и эксплуатации экскаватора на 15% по ■ сравнению с аналогичными показателями для традиционного экскаватора (с рабочим оборудованием - из стали ЮХСНД) . Подобное увеличение технико-экономических показателей способствует переходу экскаватора в более высокую размерную группу.

12. Технические решения приняты научно-исследовательской лабораторией СКГБ ПСО "Мосинжстроя" и переданы на Воронежский экскаваторный завод.

13. Автоматизированная система приобретена на договорной основе 'заводами: опытно-экспериментальнш "Реммелиостройыаш"

(г. Анмола, Казахстан) и "Цаяинохрадсельмаш".

ПУБЛИКАЦИИ ПО МАТЕРИАЛАМ ДИССЕРТАЦИИ

1. Живейнов H.H., Демидчик H.H. Концепция построения автоматизированной системы выбора материала несущих конструкций дорожно-строительных машин/ Дорожно-строительные машины и стенды . для их испытаний. Сб.науч.тр. МАДИ - М., 1991. (в печати) .

2. Живейнов H.H., Демидчик H.H. Автоматизированная система выбора материала несущих конструкций дорожно-строительных машин // Строительные- и дорожные машины. - 1992. - № 8. - с. 18-19.

3. Демидчик H.H. Экспертная система прогнозирования эффективности материалов несущих конструкций дорожно-строительных мапшн/ШДЯ. - М., 1993. - 8 с. - Деп. в ЦНЖГЭстроймаше 15.02.93, ü 2-сд93 - 93 Деп.

4. Минимизация массы несущей конструкции стрелы экскаватора с использованием высокопрочных композиционных материалов (ВКМ). Технические предложения/ ПСО М0ШКСТР0Й. Руководитель темы В.Н.Гребнев. - М., 1990. - 22 с.

5. Расчет телескопического стрелового оборудования пневмо--колесного трубоукладчика ТК1-3,2 из высокопрочных композиционных _ материалов./ ПСО М0СИНЖСТР0Й. "Руководитель темы В.Н.Гребнев. -М., 1990. - 10 с.

2i

6. Еивейнов H.H., Денидчик H.H. Автоматизированная система выбора материала несущих конструкций дорожно-строительных машин. Методические указания/ 1ЩЙ - М., 1992. - с.18.