Проведение параметрической оптимизации стрелы гидравлического экскаватора Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Оригинальная статья

УДК 621.879.3 © Н.Г. ВеревочкинН, А.А. Пецык, Е.Д. Кучеренко, Д.А. Адигамов, 2025

НИТУ МИСИС, 119049, г. Москва, Россия Н e-mail: [email protected]

Original Paper

UDC 621.879.3 © N.G. VeryovochkinH, A.A. Petsyk, E.D. Kucherenko, D.A. Adigamov, 2025

National University of Science and Technology MISIS (NUST MISIS), Moscow, 119049, Russian Federation H e-mail: [email protected]

Проведение параметрической оптимизации стрелы гидравлического экскаватора

Performing parametric optimization of the hydraulic shovel boom

DOI: http://dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2025-2-88-92 -

ВЕРЕВОЧКИН Н.Г.

Аспирант НИТУ МИСИС, 119049, г. Москва, Россия, e-mail: [email protected]

ПЕЦЫК А.А.

Ассистент НИТУ МИСИС, 119049, г. Москва, Россия, e-mail: [email protected]

КУЧЕРЕНКО Е.Д.

Ассистент НИТУ МИСИС, 119049, г. Москва, Россия, e-mail: [email protected]

АДИГАМОВ Д.А.

Аспирант НИТУ МИСИС, 119049, г. Москва, Россия, e-mail: [email protected]

Abstract

The paper analyzes mechanical specifications of a hydraulic shovel and offers a parametric optimization of its boom design. The stress and strain diagrams versus the safety factor of the load-bearing structure have been obtained by comparing the rational design parameters of the hydraulic shovel's working attachments and using the finite element method (FEM). The loads and boundary conditions are set in exact conformity with the real operating modes. Values of the shovel boom structural parameters were refined based on the verified finite element analysis to improve its strength properties while reducing the metal intensity by 13%. The results of numerical modeling show that the load-bearing capacity of the boom can be enhanced by selecting more rational geometric shapes and dimensions. Keywords

Hydraulic shovel, finite element method, static analysis, digital model, parametric optimization, safety factor.

В статье проведены анализ механических характеристик экскаватора, а также параметрическая оптимизация конструкции его стрелы. Путем сравнения рациональных конструктивных параметров рабочего оборудования гидравлического экскаватора с использованием метода конечных элементов (МКЭ) были получены эпюры напряжения и деформации к коэффициенту запаса прочности конструкции. Нагрузки и граничные условия устанавливаются в точном соответствии с реальными режимами работы. На основе проверенного МКЭ было проведено уточнение значений конструктивных параметров стрелы экскаватора для улучшения ее прочностных свойств при снижении металлоемкости на 13%. Результаты численного моделирования показывают, что несущая способность стрелы может быть усилена за счет выбора более рациональных геометрических форм и размеров.

Ключевые слова: гидравлический экскаватор, метод конечных элементов, статический анализ, цифровая модель, параметрическая оптимизация, коэффициент запаса прочности.

Для цитирования: Проведение параметрической оптимизации стрелы гидравлического экскаватора / Н.Г. Веревочкин, А.А. Пецык, Е.Д. Кучеренко и др. // Уголь. 2025;(2):88-92. 001: 10.18796/0041-5790-2025-2-88-92.

For citation

Veryovochkin N.G., Petsyk A.A., Kucherenko E.D., Adi-gamov D.A. Performing parametric optimization of the hydraulic shovel boom. Ugol'. 2025;(2):88-92. (In Russ.). DOI: 10.18796/0041-5790-2025-2-88-92.

ВВЕДЕНИЕ

Горные машины являются неотъемлемой частью горнодобывающих предприятий, позволяя обеспечить высокую производительность и эффективность при добыче полезных ископаемых [1, 2]. Среди множества типов горного оборудования особый интерес вызывают гидравлические экскаваторы [3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11], которые имеют высокую производительность и надежность, но при этом требуют тщательного подхода к организации процесса их технического обслуживания и ремонта. Такие машины применяются для таких операций, как вскрышные работы, выемка и загрузка самосвалов. Сложные условия эксплуатации, а также необходимость повышения надежности и уменьшения эксплуатационных затрат ставят перед конструкторами и учеными задачу постоянного совершенствования этой техники [4, 5, 6, 7, 12, 13, 14].

Повышение эффективности эксплуатации горной техники является крайне актуальной задачей как с научной, так и с производственной точки зрения. Вопросами повышения эффективности работы, моделирования рабочих процессов и ремонта горной техники занимаются многие отечественные и зарубежные ученые [8, 15].

Целью данного исследования является получение рациональных конструктивных параметров стрелы гидравлического экскаватора при проведении цифрового моделирования в САПР Solidworks с применением метода конечных элементов с последующим созданием цифровой модели.

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

В промышленности используются измельчители с различными видами воздействия. Для проведения сравнительного анализа была взята стрела для массовых зем-

ляных работ карьерного гидравлического экскаватора Cat390F 1_ (рис.1).

Основными характеристиками при выборе материала стрелы гидравлического экскаватора будут являться высокая прочность на сдвиг и растяжение, усталостная прочность и ударная вязкость [2, 9]. Следует отметить, что способность стали выдерживать высокие и низкие температуры без утраты своих эксплуатационных свойств носит обязательный характер для работы в России [10]. При производстве стрел экскаваторов сталь должна быть легкосвариваемой, так как элементы стрелы часто соединяются сваркой. Общая масса рабочего оборудования составляет 8415 кг. Длина стрелы гидравлического экскаватора составляет 7,25 м, что означает расстояние от ее оси крепления на поворотной платформе до оси крепления рукояти. Данное значение влияет на рабочий радиус, глубину копания и высоту разгрузки [3, 4, 5, 6].

Важно отметить, что сведения о марке стали и допустимых нагрузках на стрелу являются коммерческой тайной. В связи с этим в расчетах приняты допущения, включая использование целевого коэффициента запаса прочности, равного 2. Помимо прочего, не будет проведен усталостный расчет для определения долговечности рабочего оборудования карьерного гидравлического экскаватора при максимально допустимых рабочих напряжениях, так как в большей степени он зависит от кривой SN, которую можно получить от производителя данной стали. Таким образом, принимаем материал 15ХСНД, который является конструкционной низколегированной хромо-кремненикелевой сталью, предназначенной для сварных и сборных несущих конструкций с пределом текучести, равным 370 Н/мм2 при температуре +20°С. Далее необходимо определить граничные условия [7, 9, 11], задать нагрузки от гидроцилиндра рукояти на приложенную зону действия, а также усилие, действующее в оси крепления рукояти (рис. 2).

Проведение цифрового моделирования требует предварительной проверки изменения желаемой геометрии цифровой модели стрелы гидравлического экскавато-

б

Рис. 3. Введение переменных значений для параметрической оптимизации: а - выбор линейных размеров на цифровой модели; б - определение диапазона с шагом дискретизации, ограничение по коэффициенту запаса прочности и задание цели на минимизацию массы Fig. 3. The introduction of variable values for parametric optimization: a - the choice of linear dimensions on a digital model; b - determining the range with a sampling step, limiting the safety factor and setting a goal to minimize mass

j Выпилить] 1^1 0п[Е111к1!АЦИЯ

Пйрвишипге

BcerD arTHEhux :u: мj;.1 r.f L. 1-34

ТопщииИ Дкалмен naih v Utm- Ним i Миг .*(JlKM Т □v JlUT -

PtDpoZ Дивпвевн при IAIIE TOCmii ^T ММЕ НИММ а Ilk TflSmm

PCt; 1 Дипписн при V UriHC BDIhindl " Мив:.12Ммм i 111 ИГ. ¿UC.ini -

Pazuep рс лвгьцв от ccir ппвгфпраш Драпами noir V Unit гзщми - ГЛмс: - Uar №

Рвзиес АС nnrL^n от ее* щЫТц rjflBftBlGK npit -! UlIK ■ЧМмм - Мню: likr lncuu :

HaniKimff jJcct. ymflftr isfiifi-viu лсiWhM -1

- ОГрангечвииЯ

V I ■

w

Ssnsini Больше V 1ГК 1С Z.D0D0D0 ' Сптмснй 1 v

Haxwot jiMt. 4™ifci

Ucrni

Ё4Л1СГВ2

jicc* «TuSfr' itiimirab Цели

UHHHMHSIipflBlTl

а

ра, так как при дискретном шаге топология может нарушиться и разрушить модель, соответственно, и сам последующий процесс численного моделирования для параметрической оптимизации и поиска лучшей конструкции при большем коэффициенте запаса прочности и основной цели снижения массы несущей конструкции. Для этого необходимо определиться с вводом переменных значений и диапазонов с заданными шагами, которые будут изменяться в разных конфигураци-

ях (рис. 3). Следовательно, полное количество решений равно 144 при данном шаге дискретизации.

По завершении данного моделирования можно выявить наиболее оптимальный вариант сценария (рис. 4), который показывает снижение массы на 13% и коэффициент запаса прочности равный 2,1. Стоит отметить, что существенную роль на это оказывает изменение толщины листов корпуса с 30 до 25 мм, а также расположение оси крепления гидроцилиндров стрелы и ребра жесткости.

L4&US 1*4 сценариев 5аа?ршены)ютешно. Катетер и[С1*до»ниплрр*к™рралння: Lt-OKCd

Текущая Начальная Qm* нальни |S5) Сценарии 1 Сценарий 1 CUHIHPHH i Сценарий 4 Йитмарн* sICiKHapHH 4 Сиеларнй N Сценарий 1 Син1арнй$ Сцеигрнн ft!

Тдщых« 1 ihiu MU1 K+JM !Suu ан ЭШМ ЙН Э7Ш МИМ Бш 26uu ilwl S*uu

355 1 Ki-m ТКгпп 7C9rnn T9fonn К0гпт> TMnrn 7Мгпп Nftim Т09гттп ШСки 1'Миы НСвнм IfMuu

FWpo 1 V да™ КСлчл litHJun "СыМ'1'М «Опт MQitwi а»™ ИРМЛ1 «fine I^Lmi'M КСЯИ1 Miem

Рагисрдо НОСми litCn™ ЭДйОнм гвмии JMOHM Жни 2Э49ым 2Н0МИ МООыы 29CCiмл 290Сии a«ui »Мим

Размер до V «Ойш 4МСим 4ECDUU чПИии 44СПЫМ 'ИКии 4CDDukJT Шйш 4DDDUW 4DDDUU 44ССЫМ 4DOQMU

5СЛИЛ4 ихм» 177ЩМ стмчо г. 1554 Ч» ZiiiHOO 1.EI5t<» г.нм» :.uti-cc

stnm UHHIIU «414.1« Ml UK ТК9.ИГ ТЯШЧ Mill пч'ш №911.11 j нам Ь9Т<9 RJi.04 нЯШ 9SR.M

Рис. 4. Таблица сценариев численного моделирования Fig. 4. Table of numerical simulation scenarios

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, в данном исследовании была проведена параметрическая оптимизация, позволяющая оценить ключевые параметры стрелы [8, 12, 15], а также обеспечить не только модернизацию существующего оборудования, но и разработку современных отечественных решений при проектировании. Поэтому по результатам проведенного исследования можно сделать вывод, что созданная цифровая модель гидравлического экскаватора позволяет определить рациональные конструктивные параметры рабочих элементов на основании численного моделирования. Дальнейшие исследования будут сосредоточены на выборе большего числа переменных значений при проведении параметрической и топологической оптимизации.

Списоклитературы • References

1. Комиссаров А.П., Лагунова Ю.А., Шестаков В.С. Проектирование карьерных экскаваторов. М.: Инновационное машиностроение, 2017. 228 с.

2. Соловьев С.В., Кузиев Д.А. Исследование жесткостных параметров привода тягового механизма драглайна ЭШ-10/70 // Уголь. 2017. № 1. С. 37-38. DOI: 10.18796/0041-5790-2017-1-37-38. Solovyov S.V., Kuziev DA Dragline ESh-10/70 linkage stiffness parameters study. Ugol'. 2017;(1 ):37-38. (In Russ.). DOI: 10.18796/0041 -5790-2017-1-37-38.

3. Цифровая модель процесса экскавации горных пород рабочим оборудованием карьерного экскаватора / А.П. Комиссаров, Ю.А. Лагунова, Р.Ш. Набиуллин и др. // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). 2022. № 4. С. 156-168. DOI: org/10.25018/0236-1493-2022-4-0-156-168.

Komissarov A.P., Lagunova Yu.A., Nabiullin R.Sh., Khoroshavin S.A. Digital model of the process of rock excavation by working equipment of a quarry excavator. Gornyj informatsionno-analyticheskij byulleten'. 2022;(4):156-168. (In Russ.). DOI: org/10.25018/0236-1493-2022-4-0-156-168.

4. Кривенко А.Е., Занг К.К. Исследование влияния температурного режима рабочей жидкости гидросистемы на эффективность работы карьерного гидравлического экскаватора // Горный журнал. 2020. №12. С. 78-81. DOI: org/10.17580/gzh.2020.12.18. Krivenko A.E., Zang K.K. I nvestigation of the infl uence ofthe temperature regime of the working hydraulic system fluids on the efficiency

of a quarry hydraulic excavator. Gornyj zhurnal. 2020;(12):78-81. (In Russ.). DOI: org/10.17580/gzh.2020.12.18.

5. Шестаков В.С., Телиман И.В., Безкоровайный П.Г. Исследование нагруженности рабочего оборудования гидравлического экскаватора // Горное оборудование и электромеханика. 2024. № 1 (171). С. 18-23. DOI: 10.26730/1816-4528-2024-1-18-23. Shestakov V.S., Teliman I.V., Bezkorovaynyi P.G. Investigation of the loading of working equipment of a hydraulic excavator. Gor-noeoborudovanieielektromekhanika. 20241;(171):18-23. (In Russ.). DOI: 10.26730/1816-4528-2024-1-18-23.

6. Грнеж Б. Применение стали марки HARDOX в горной промышленности // Горная промышленность. 2008. № 3(79). С. 34-38. Grnezh B. The use of HARDOX steel in the mining industry. Gornaya promyshlennost'. 2008;3(79):34-38. (In Russ.).

7. Клементьева И.Н., Кузиев Д.А. Выемочно-погрузочный драглайн с ковшом инновационной конструкции // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). 2019. № 7. С. 149-157. DOI: 10.25018/0236-1493-201907-0-149-157.

Klementyeva I.N., Kuziev D.A. Extracting-and-loading dragline with in novative design bucket. Gornyj informatsionno-analyticheskij byulleten'. 2019;(7):149-157. (In Russ.). DOI: 10.25018/0236-14932019-07-0-149-157.

8. Сурина Н.В., Мнацаканян В.У. Система автоматизированного проектирования технологических процессов при ремонте горной техники // Горный журнал. 2019. № 7. С. 90-95. DOI: 10.17580/ gzh.2019.07.08.

Surina N.V. System of computer-aided design of technological processes in the repair of mining equipment / N.V. Surina, V.U. Mnat-sakanyan. Gornyj zhurnal. 2019;(7):90-95. (In Russ.). DOI: 10.17580/ gzh.2019.07.08.

9. Сарычев В.Д., Грановский А.Ю., Невский С.А. Построение математической модели износа внутренних поверхностей ковша экскаватора // Горный журнал. 2019. № 8. С. 70-73. DOI: 10.17580/ gzh.2019.08.13.

Sarychev V.D., Granovsky A.Yu., Nevsky S.A. Construction of a mathematical model of wear of the inner surfaces of the excavator bucket. Gornyj Zhurnal. 2019;(8):70-73. (In Russ.). DOI: 10.17580/ gzh.2019.08.13.

10. Джураев Р.У., Райханова Г.Е., Губанов С.Г. Совершенствование конструкции режущих элементов ковша карьерных экскаваторов // Горный журнал. 2023. № 3. С. 49-55. DOI: org /10.17580/ gzh.2023.03.07.

Juraev R.U., Raykhanova G.E., Gubanov S.G. Improving the design of the cutting elements of the bucket of quarry excavators. Gornyj zhurnal. 2023;(3):49-55. (In Russ.). DOI: org /10.17580/gzh.2023.03.07.

11. Yu Chunlei, Bao Yingchao, Li Qi. Finite element analysis of excavator mechanical behavior and boom structure optimization. Measurement. 2021 ;(173):108637. DOI: org/10.1016/j.measure-ment.2020.108637.

12. Berns K., Proetzsch M., Schmidt D. Simulation and control of an autonomous bucket excavator for landscaping tasks. In Proceedings of the IEEE ICRA, Anchorage, Alaska, USA, May 3-8, 2010, pp. 5108-5113.

13. Губанов С.Г., Секретов М.В. Анализ производительности и эффективности эксплуатации штрипсовых станков ведущих фирм мира // Научный вестник Московского государственного горного университета. 2011. № 1. С. 3-8.

Gubanov S.G., Sekretov M.V. Analysis of productivity and efficiency of operation of strip machines of leading companies in the world. Nauchnyj vestnik Moskovskogo gosudarstvennogo gornogo univer-siteta. 2011;(1):3-8. (In Russ.).

14. Алгоритм определения максимальной мощности привода подачи карьерного бурового станка / Д.А. Кузиев, И.Ю. Пятова, И.Н. Клементьева и др. // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). 2019. № 1. С. 128-133. DOI: 10.25018/0236-1493-2019-01-0-128-133.

Kuziev D.A., Pyatova I.Yu., Klement'eva I.N., Pikhtorinsky D. Algorithm for the determination of maximum feed drive power of drilling rigs in open pit mining. Gornyj informatsionno-analyticheskij byulleten'. 2019;(1 ):128-133. (In Russ.). DOI: 10.25018/0236-14932019-01-0-128-133.

15. Bender F.A., Mitschke M., Braeunl T., Sawodny O. Predictive operator modeling for virtual prototyping of hydraulic excavators. Automation in Construction. 2017;(84):133-145. DOI: org/10.1016/j. autcon.2017.08.008.

Authors Information

Veryovochkin N.G. - Postgraduate student, National University of Science and Technology MISIS (NUST MISIS), Moscow, 119049, Russian Federation, e-mail: [email protected]

Petsyk A.A. - Assistant, National University of Science and Technology MISIS (NUST MISIS), Moscow, 119049, Russian Federation, e-mail: [email protected] Kucherenko E.D. - Assistant, National University of Science and Technology MISIS (NUST MISIS), Moscow, 119049, Russian Federation, e-mail: [email protected] Adigamov D.A. - Postgraduate student, National University of Science and Technology MISIS (NUST MISIS), Moscow, 119049, Russian Federation, e-mail: [email protected]

Информация о статье

Поступила в редакцию: 9.01.2025 Поступила после рецензирования: 17.01.2025 Принята к публикации: 27.01.2025

Paper info

Received January 9,2025 Reviewed January 17,2025 Accepted January27,2025

На шахте «Распадская» ввели в эксплуатацию новый очистной забой

На шахте «Распадская» Распад-ской угольной компании (РУК) введена в работу новая лава с промышленными запасами более 3 млн т угля. Подготовка забоя длилась больше года. Выполнен весь комплекс горно-капитальных, проходческих и монтажных работ. Пять бригад подготовительных участков прошли около 7 км горных выработок.

Длина новой лавы составляет 300 м. Особое внимание уделено промышленной безопасности. Установлена система аэрогазового контроля. Круглосуточно в режиме онлайн контролируются все технологические

процессы, в том числе с помощью цифровых технологий машинного зрения. Забой по всей длине оборудован камерами системы видеонаблюдения.

Отработка запасов угля ведется на глубине 620 м. В лаве работает опытный коллектив добычного участка № 17 под руководством бригадира Дмитрия Решетникова. В забое смонтирован современный очистной механизированный комплекс.

Отработку запасов новой лавы горняки шахты «Распадская» планируют вести в течение полутора лет.

Управление по связям с общественностью Распадской угольной компании

УГОЛЬНАЯ КОМПАНИЯ