CC BY
29
УДК 621.878.6
ДОСЛ1ДЖЕННЯ НАПРУЖЕНЬ У КОНСТРУКЦП ЗАДНЬО1 СТ1НКИ СКРЕПЕРА
Л.А. Хмара, д. т. н., проф., М. А. Стльник, асп.
Ключовi слова: скрепер, задт ст1нки ковша скрепера, розвантаження, досл1дження, напружений стан
Постановка проблеми. Сучасш вимоги до металоконструкци будiвельних i дорожшх машин повинш вщповщати потребам мщносп й економiчностi. Збiльшення потужностi, змша форм робочих органiв для зменшення металоeмностi конструкцп, замiна бiльш дешевими матерiалами без втрат несучо! властивосп та iнших фiзико-механiчних характеристик е особливо актуальними [1].
Аналiз публжацш. Аналiз конструктивних особливостей вдосконалення ковша скрепера показуе тенденщю, спрямовану на тдвищення ефективностi заповнення ковша. При цьому не розглядаеться проблема з розвантаження грунту з ковша скрепера, яка також вимагае додаткових енерговитрат. Пщвищення ефективносп процесу розвантаження може бути досягнуте за рахунок удосконалення форми елеменпв ковша, конструкци.
Метою роботи е визначення напружень, яю виникають на заднiх стiнках ковша скрепера в процес розвантаження в умовах змши висоти крiплення приводу гiдроцилiндра.
Досягнення ще! мети вимагае:
- розробити моделi та провести експериментальш дослiдження з навантаження моделей задшх стiнок ковша скрепера в умовах змши висоти кршлення приводу гiдроцилiндра;
- визначити рацiональнi параметри задньо! стiнки ковша скрепера.
Виклад матерiалу. За основу взято фiзичну модель самохiдного скрепера Д3-357 [2]. Кршлення приводу задньо! стшки ковша скрепера змшювалось по И висот (= 0,06; = 0,2; = 0,35; = 0,5) (рис. 1),
де Н1,Н2,Н3,Н4 - висота кршлення пдроцилвдра до задньо! стшки; Нзс - висота задньо! стшки.
о ГО И
X
Я
б
г д
Рис. 1. Модел1 задшх ст1нок ковша скрепера: а - традицтна задня ст1нка; б, в, г, д - задш ст1нки ковш1в скрепера з натвкруглим
днищем
а
в
■
Uses (N/VnA2)
10582912.0
9701229.0
8819545.0
7937362.0
7056179.0
6174495.5
5292812.0
4411129.0
3529445.5
2647762.3
1766Q79.0
L 2712.4 ♦ Yield strength: 2068070Q0.0
I
108150.4 90804.5 73458.7 . 156112.3 . 138766.9 j. 121421.1 104075.2 86729.3
69383.5
52037.6
34691.7 17345.9
L o.o
♦■Yield strength: 820422000.0
■
Uses (Nim^2)
208150.4
190804.5
73458.7
56112.8
121421.1
104075.2
i 86729.3
69383.5
52037.6
34691.7 17345.9
♦Yield strength: 620422000.0
■
ses (NAnA2) 133232.4 122129.7 111027.0
L 33308.1 L 22205 .4
I
MltKNM^)
1>»»* IZil »7 1HOWO IW3
L $8«ii mt*
«4108
»106.1
» TOM Hi tr.fi, raXiiZWH U
♦ Yield strength: 620422000.0
6
a
e
г
d
e
i//L
in Mises CWJVnA2J
202461.8 I. 185590.0 PI 168716.2
. 151846.4 . 134974.6 118102.7
101230.9 84359.1
L 67487.3 L 50615.5 |. 33743.6 16871.8 L 0.0
> Yield strength: 620422000.0
■
111403.2 102119.6 92836.0 83552.4 74268.8
L 46418.0 L 37134.4 \ 27850.8 18567.2 L 9283.6
Id strength: 620422000.0
lises (N/VnA2) 202461 .S 85590.0 68718.2 51846.4
34974.6
18102.7 01230.9
84359.1 67487.3
50615.5
33743.6
Id strength: 620422000.0
Рис. 2. Епюри напружень i деформацт, яК виникають на задшх сттках ковш1в скрепера: а, в, д, е, з - епюри напружень; б, г, е, ж, и - деформацИ' задшх стток nid дieю навантаження; а ,б- ; в ,г -; д, е -; е, ж -; з, и-
Визначення ращональних геометричних форм металоконструкци робочого обладнання будiвельних i дорожшх машин на основi показниюв мщносп i3 застосуванням програмного забезпечення CAD Solid Works Simulation актуальне у даний час. Для проведення дослщженнь на мщшсть у системi CAD Solid Works Simulation були задаш початковi умови: розмiри задшх стшок - L = 90 мм (довжина стшки); B = 9 мм (ширина стшки); для ковша скрепера iз задньою маятниковою стiнкою L = 90 мм; B = 9 мм; R = 61 мм (радiус задньо! маятниково! стiнки); матерiал - легована сталь.
У системi CAD Solid Works Simulation використовусться метод кшцевих елементiв -числовий метод розв'язання задач прикладно! фiзики. На n^^^i проведеного аналiзу отримано епюри напруження (рис. 2, а, в, д, е, з) й епюри деформацп дослщжуваних елементiв (рис. 2, б, г, е, ж, и).
Отримаш епюри показують, що найменше напруження виникае на заднiй стшщ = 0,5 (192886 Н/м2) (рис. 2, в). Однак, аналiзуючи епюри деформацп дослщжуваних елеменпв (рис. 2, г, е, ж, и) задньо! маятниково! стiнки в умовах змши мiсця прикладання зусиль гiдроцилiндра, встановили, що найменшi деформацiï виникають у разi розташуваннi гiдроцилiндра = 0,5 (табл.).
е
з
и
Таблиця
Результати статистичного досл1дження у CAD Solid Works Simulation
№ п/п Тип задньо1 стшки Напруження, Н/м2 Деформащя, мм
min max min max
1 2 3 4 5 6
1 Трад 24.4757 94 758,4 0 4,00042
2 = 0,06 0 202462 0 5,14015
3 = 0,2; 0 111403 0 9,42388
4 = 0,35 0 133232 0 5,37323
5 = 0,5 0 192886 0 1,28361
Оскшьки розробники системи CAD Solid Works Simulation рекомендують nepeBipHrn результати розрахунюв шшим методом, задш стiнки ковша скрепера nepeBipern поляризацшно-оптичним методом.
Експepимeнтальнi дослщження з навантаження моделей заднiх стшок ковшiв скpeпepiв проводились i3 використанням методу наближеного фiзичного моделювання робочих пpоцeсiв землерийно-транспортних машин [3; 4]. Для моделювання робочих процешв землерийно-транспортних машин поляpизацiйно-оптичним методом використано пpозоpi низькомодульнi оптично чутливi матepiали - eпоксиднi смоли, оргскло, ОНБ та ш. У данiй робот використано якматepiал для модeлi задшх стiнок затвepдiлу епоксидну смолу марки ЕД-16 [5]. Для моделювання грунтового середовища використано eластомipну композицiю, яка складасться iз двох компонeнтiв: олiгомipного iзопpeнового каучуку з кiнцeвими пдрозидними групами марки СК1-ГО з концентращею гiдpозидних груп 4,0 % i молекулярною масою 2 000 [6].
5 ,6
V If 2 1
Рис. 3. Схема стенда для до^дження напружень поляризацтно-оптичним методом: 1 - скляш блоки; 2 - контейнер; 3 - лампа; 4, 8 - вузли поляризатора й аналiзатора ППУ-7; 5 - гвинт преса; 6 - прижимна частина преса; 7 - насадка тструмента;
9 - фотоапарат
Схеми, показаш на рисунку 1, реатзоваш за допомогою спещального «прозорого» контейнера, наведеного на рисунку 5. Вш складасться iз двох зовшшшх металевих рам, скршлених катбрувальними болтами. Складеш рами мають вигляд вшна для реестраци картин штерференци в прохщному свiтлi. Плоска модель ковша скрепера розташовувалася мiж скляними пластинами й обмежувалася вставкою з вшном для заповнення модельно! грунтово! маси (гумою) i монтажу навантажувального пристрою. Шаршр задньо! стiнки i сама модель И також кршилися мiж скляними пластинами (рис. 5).
методом зрееструвальною апаратурою:1 - лабораторний прес; 2 - сты ПС-1;
3 - поляризацтно-проекцтнаустановка ППУ-7;
4 - кинокамера Nikon
Контейнер в 36opi встановлювався на навантажувальному npeci УП-8, а навантаження проводилося за допомогою реверсора, який входить у комплект преса [7].
Прес уводився в поле поляризацшно-проекцшно1 установки ППУ-ДМет1 [8] за допомогою шдйомного столу ПС-1 конструкци ЛДУ.
Загальний вигляд стенда з рееструвальною вщео- та фотоапаратурою з високою роздiльною здатнiстю показаний на рисунку 4.
1зохроми рееструвались в монохроматичному свил довжиною хвилi 546,1 мкму темному (цш порядки смуг) i бiлому полi (половиннi порядки смуг).
а б в
Рис. 5. «Прозорий» контейнер у зборг: а - вигляд спереду; б - вигляд збоку; в - аксонометрична проекщя
Отримана шформащя заносилась у комп'ютер i анатзувалась за максимально можливого збiльшення на мошторь Збiльшене зображення дозволило провести iзолiнil оп (iзохроми) через точки найбшьш розвиненого оптичного ефекту. Порядок iзохром установлювали безпосереднiм пiдрахунком зростаючого порядку iзохром за збiльшення навантаження вiд нуля до величини, яка забезпечуе максимально розвинений ефект штерференци (перерозподш штенсивносп свiтла в результат накладення декiлькохсвiтловиххвиль, супроводжуеться чергуванням у просторi максимумiв i мiнiмумiв штенсивносп).
109876543210 012345678910
б„, смут
/
\
3 бп,смуг
.2
3 бп,смуг
4 бП1смуг
г д
Рис. 6. 1зохроми (смуги) й епюри напружень у моделях задшх стшок скрепера: а - традицшна задня сттка ; б - , в - , г - , д - - задш сттки ковшiв скреперiв iз
натвкруглим днищем
б
в
Рис. 7. Фотограми процесу виникнення напружень eid навантаження на задтх сттках ковшгв скрепер1в:а - традицтна задня сттка ; б -, в-, г-, д - - задш стшки ковшiв скреперiв з натвкруглим днищем; 1 - 5 - фотограми напруження задшх стток ковшiв скреперiв
Розшифровка картин штерференци проводилась по точках вшьного контуру [9; 10].
Епюра напруженого стану традицшно1' конструкци задньо1' стшки (рис. 6, а) показуе, що з боку ди навантаження вщ пдроцилшдра задня стшка отримуе стиснення. Максимальнi напруження стиснення спостерпаються поблизу центру прикладання навантаження . Сторона, яка сприймае тиск грунту, схильна до розтягування. Максимум мютиться в центрi, проте величина ïx менша порiвнянно 3i стискальними. Стискаючi досягають 10-го порядку, а розтягальш — тiльки 7-го порядку. Такий неврiвноважений стан пояснюеться деякою компенсацiею розтягуючих напружень за рахунок тиску грунту на задню стшку.
Фотограми процесу напружень на задшх стшках ковшiв скреперiв показаш на рисунку 7.
Епюри напруженого стану равдусного рiшення задньоï стшки в умовах змши мiсця прикладання зусиль гiдроцилiндра (рис. 6, б, в, г, д) показують вщмшну картину. Стискальна та розтягальнi напруження ддать як iз тильного боку стшки (з боку пдроцилшдра), так i з фронтального, але величина ïx значно менша, вони не перевищують 4-ï смуги. Це випдно вiдрiзняе нову конструкцiю вiд традицшного рiшення. Слiд зазначити також, що максимуми напружень стиснення i розтягування зростають зi зниженням точки прикладання зусилля гiдроцилiндра вiдносно висоти задньоï стiнки. Отже, найменшi напруження виникають у стiнцi у разi розташування гiдроцилiндра у спiввiдношеннi = 0,5 (рис. 6, б).
Висновки. 1. Аналiз епюр напружень у CAD Solid Works Simulation i поляризацшно-оптичним методом показав, що традицшна конструкцiя задньоï стiнки скрепера вимагае удосконалення з точки зору оптимальноï конфiгурацiï i мiцностi.
2. Запропонована нова конструкщя задньо1' стiнки скрепера в^^зняеться бiльш рiвномiрним розподiлом напружень, знижуе загальне напруження на 30—40 % за умови розташування пдроцилшдра у сшввщношенш = 0,5.
ВИКОРИСТАН1 ДЖЕРЕЛА
1. Машини для земляних робгг : навч. посiб. / [Л. А. Хмара, С. В. Кравець, В. В. №чке, Л. В. Назаров та ш.]; за заг. ред. Л. А. Хмари та С. В. Кравця. - Рiвне-Днiпропетровськ-Харкiв, 2010. - 557 с.
2.Самоходные пневмоколесные скреперы и землевоазы / [Д. И. Плешков, С. Ф. Маршак, Э. Г. Ронинсон, В. Г. Соловьев та ш]. - М.: Машиностроение, 1971. - 267 с.
3. Баловнев В. И. Моделирование процессов взаимодействия со средой рабочих органов дорожно-строительных машин : учеб. пособ. для студ. высш. учеб. заведений / В. И. Баловнев. - М.: Машиностроение, 1994. - 432 с.
4. Баловнев В. И.Интенсификация земляных работ в дорожном строительстве/ В. И. Баловнев, Л. А. Хмара.—М.: Транспорт, 1983. - 183 с.
5. Портнов Б. Б. Оптически активный материал на основе эпоксидной смолы ЭД-6, отверждаемый метилтетрагидрофталевым ангидридом / Б. Б. Портнов, Н. В. Ткаченко //Труды V Всесоюз. конф. - Л.: ЛГУ,1966. - С.134 — 138.
6. Энциклопедия полимеров. - Т. 3. - М., 1977. - С. 313 — 325.
7. А.с. 844999 СССР, МКИ G01B 11/18. Поляризационно-оптическое устройство для определения напряжений / Г. Г. Шломчак, В. П. Полухин (СССР). - № 2808301/25-28 ; заяв. 06.08.79 ; опубл. 07.07.81, Бюл. № 25. - 2 с.
8.Дзюра Е. А. Реокинетические исследования синтеза и свойства эластомеров из олигодиендигидридидазидов и имидов ненасыщенных дикарбоновых кислот /Е. А. Дзюра, Л. М. Волченок и др. // ВМСА. - 1987. - Т. 29. - № 6. - С. 1219 - 1223.
9. ШломчакГ. Г. Основи наукових дослщжень. Теорiя експерименту в обробщ металiв тиском : навч. поабник / Г. Г. Шломчак. - Д. : Пороги, 2005. - 159 с.
SUMMARY
Statement of the problem. Current requirements for metal construction and road machines should meet the needs of durability and efficiency. Increased power shift forms of working to reduce metal construction, cheaper replacement for the cost of materials lossless bearing properties and other physical and mechanical properties are particularly relevant [1].
Analysis of publications.An analysis of design features improve scraper shows the trend aimed at increasing the efficiency of filling the bucket. It is not the problem of unloading soil with a scraper , which also requires additional energy. Increasing the efficiency of the discharge can be achieved by improving the shape elements bucket design.
The aim is to determine the stresses that occur on the back wall scraper in the process of unloading in the changing height of about fixing cylinder.
Achieving this goal requires solving problems:
- develop model and conduct experimental research on load models rear walls scraper in a changing height mounting over the cylinder;
- determining optimal settings back wall scraper.
Conclusions. 1.Analiz stress diagrams in CAD Solid Works Simulation and polarization- optical method showed that the traditional design of the rear wall scraper requires improvement in terms of optimal configuration and strength.
2. A new design of the rear wall scraper has a more uniform distribution of stresses reduces the overall intensity by 30-40 % at the location of the cylinder in the ratio= 0,5.
REFERENCES
1. Mashini dlya zemlyanih robit : navch. posib. / [L. A. Hmara, S. V. Kravets, V. V. Nichke, L. V. Nazarov ta in.]; za zag. red. L. A. Hmari ta S. V. Kravtsya. - Rivne-Dnipropetrovsk-Kharkiv, 2010. - 557 s.
2. Samohodnyie pnevmokolesnyie skreperyi i zemlevozyi / [D. I. Pleshkov, S. F. Marshak, E. G. Roninson, V. G. Solovev ta in. ]. - M.: Mashinostroenie, 1971. - 267 s.
3. Balovnev V. I. Modelirovanie protsessov vzaimodeystviya so sredoy rabochih organov dorozhno-stroitelnyih mashin : ucheb. posob. dlya stud. vyissh. ucheb. zavedeniy / V. I. Balovnev. -M.: Mashinostroenie, 1994. - 432 s.
4. Balovnev V. I. Intensifikatsiya zemlyanyih rabot v dorozhnom stroitelstve/ V. I. Balovnev, L. A. Khmara.- M.: Transport, 1983. - 183 s.
5. Portnov B. B. Opticheski aktivnyiy material na osnove epoksidnoy smolyi ED-6, otverzhdaemyiy metiltetragidroftalevyim angidridom / B. B. Portnov, N. V. Tkachenko // Trudyi V Vsesoyuz. konf. - L.: LGU, 1966. - S.134 - 138.
6. Entsiklopediya polimerov. - T. 3. - M., 1977. - S. 313 - 325.
7. A.s. 844999 SSSR, MKI G01B 11/18. Polyarizatsionno-opticheskoe ustroystvo dlya opredeleniya napryazheniy / G. G. Shlomchak, V. P. Poluhin (SSSR). - № 2808301/25-28 ; zayav. 06.08.79 ; opubl. 07.07.81, Byul. № 25.- 2s.
8. Dzyura E. A., Volchenok L. M. i dr. Reokineticheskie issledovaniya sinteza i svoystva elastomerov iz oligodiendigidrididazidov i imidov nenasyischennyih dikarbonovyih kislot / E. A. Dzyura, L. M. Volchenok i dr. // VMSA. - 1987. - T. 29. - № 6. - S. 1219 - 1223.
9. Shlomchak G. G. Osnovi naukovih doslIdzhen. TeorIya eksperimentu v obrobtsi metaliv tiskom : navch. posIbnik / G. G. Shlomchak. - D.: Porogi, 2005. - 159 s.
