Нечепаев В.Г., Голдобин В.А., Зайцев М.В., Мищенко Б.Ю. - Разработка комплексной методики прочностного расчета поворотных редукторов очистных комбайнов типа 1ГШ68 в среде САПР APM WinMachine.

Аннотация

Нечепаев В.Г., Голдобин В.А., Зайцев М.В., Мищенко Б.Ю. - Разработка комплексной методики прочностного расчета поворотных редукторов очистных комбайнов типа 1ГШ68 в среде САПР APM WinMachine. В статье предложена методика прочностного расчета элементов системы привода исполнительных органов выемочных комбайнов типа 1ГШ68 с применением высокотехнологичного программного обеспечения APM WinMachine.

Постановка проблемы, ее актуальность.

Современное очистное оборудование выпускают многие машиностроительные заводы страны. Очистное оборудование обеспечивает основные операции технологического цикла горнодобывающей промышленности. Надежное и эффективное функционирование очистных комбайнов, их приводов – необходимое условие обеспечения стабильной работы предприятия с высокими технико-экономическими показателями. Проведенный анализ показывает, что энерговооруженность очистных комбайнов неуклонно повышается в связи с ростом интенсификации процессов горного производства. Очистные комбайны используются в составе различных механизированных комплексов применительно к многообразию условий производства. Это обусловливает необходимость комплектования очистных комбайнов редукторами различных типов и параметров. Для модернизации конструкций приводов комбайнов необходима методика прочностного обоснования модернизированных вариантов их редукторов, позволяющая оперативно, с достаточной точностью и с небольшими затратами выполнить соответствующий анализ. Этими требованиями определяется актуальность и необходимость создания комплексной методики прочностного анализа весьма специфических и сложных конструкций, являющихся основой системы привода исполнительных органов комбайнов.

Анализ последних исследований.

Существует ряд работ, посвященных исследованию параметров и конструкций приводов машин. Анализ работ показывает, что применение систем автоматизированного проектирования (САПР) позволяет значительно сократить трудоемкость расчетов и повысить их точность. Однако, различие устройств, режимов нагружений и других условий эксплуатации требуют разработки специальных методик прочностного анализа.

Цель и постановка задач.

Цель исследований заключалась в разработке комплексной методики прочностного расчета элементов системы привода исполнительных органов выемочных комбайнов типа 1ГШ68. Для достижения указанной цели были решены следующие задачи:

разработана пространственная модель поворотного редуктора;
выполнены проверочные расчеты элементов трансмиссии;
проведены исследования прочности корпусной группы.

Эти задачи решены с использованием САПР АРМ WinMachine, которая позволяет реализовать все современные требования для проектирования машин. Объектом исследований в работе является очистные комбайны типа 1ГШ68. Комбайн очистной узкозахватный 1ГШ68 является усовершенствованной моделью ранее выпущенной опытной партии комбайнов ГШ68 и предназначен для выемки угольных пластов пологого падения. Общий вид которого представлен на рис. 1. Комбайн 1ГШ68 оснащен самозарубными шнеками, погрузочными щитами, исключающими необходимость перемонтажа при челноковой схеме работы, усовершенствованным оросительным устройством, системой автоматического и дистанци¬онного управления комбайном и другими устройствами, обеспечивающими повышение надежности и безопасности работ, а также удобства эксплуатации.

Рис. 1 – Общий вид комбайна типа 1ГШ68.

Основными составляющими частями комбайна являются система привода исполнительных органов комбайна, при помощи которой осуществляется непосредственное разрушение угольного массива, и система перемещения комбайна. Система привода исполнительных органов включает два приводных электродвигателя, основной редуктор и два поворотных редуктора (правый и левый), непосредственно передающие вращающий момент на исполнительные органы. Общий вид правого поворотного редуктора комбайна 1ГШ68 представлен на рис. 2. Кинематическая схема поворотного редуктора очистного комбайна 1ГШ68 представлена на рис. 3.

Рис. 2 - Общий вид правого поворотного редуктора очистного комбайна 1ГШ68

а)

Рис. 2 - Вид разобранного поворотного редуктора комбайна 1ГШ68

б)

Рис. 2 – Общий вид правого поворотного редуктора очистного комбайна 1ГШ68: а) Общий вид правого поворотного редуктора очистного комбайна 1ГШ68; б) Вид разобранного поворотного редуктора комбайна 1ГШ68;

Рис. 3 – Кинематическая схема поворотного редуктора очистного комбайна 1ГШ68.

Материалы и результаты исследования.

Для расчетов элементов трансмиссии применялись модули APM Trans, APM Shaft, APM Bear, APM Joint среды САПР APM WinMachine. Расчет передач выполнен в модуле APM Trans. Все передачи прошли проверку по вращающему моменту и по заданному ресурсу. Результатом расчета являются действительные напряжения, которые имеют оптимальные значения, не превышающие допускаемые и не требующие изменений.

Следующим этапом проведен расчет валов на усталостную прочность при помощи модуля APM Shaft. В качестве исходных данных используются данные, полученные из расчета передач, т.е. усилия в зацеплении. Используя эту эпюру, определяем минимальные запасы прочности. Значения коэффициентов запаса прочности равен 2,2 , что превышает минимально допустимое значение 1,5. (рис. 4.)

Рис. 4 – Эпюра коэффициента запаса по усталостной прочности выходного вала.

Анализируя результаты расчета всех валов редуктора, видно, что у всех валов имеется достаточный коэффициент запаса усталостной прочности во всех сечениях. Из этого следует, что валы в данном редукторе могут переносить небольшие перегрузки, которые свойственны редукторам, работающим в горной промышленности. Значения этих перегрузок могут быть легко установлены в результате применения настоящей методики.

В горном машиностроении используются преимущественно роликовые сферические подшипники, преимущество которых перед другими заключается в том, что они не только работают при больших нагрузках, но и допускают перекос вала относительно его оси. Их мы расчаитывали в модуле APM Bear. Суть расчета – определение долговечности, срока службы подшипника в данных условиях эксплуатации и сравнение с требуемыми значениями. Рассчитанные значения долговечностей удовлетворяют заданным условиям, не требуют подбора и замены на другие типы подшипников, с большим сроком службы.

Неотъемлемой частью расчета элементов редуктора является расчет соединений (шлицевых, шпоночных). Расчет соединений производится в системе APM Joint. Данный модуль позволяет проводить расчет практически всех типов соединений, применяемых в машиностроении. Шлицевые соединения по сравнению со шпоночными передают большие крутящие моменты, имеют большую усталостную прочность и высокую точность центрирования и направления. Анализ полученных результатов расчета позволяет сделать вывод о том, что расчетные значения длин соединений соответствуют, а в ряде случаев превышают требуемые значения. Это обуславливает надежную работу, исключающую преждевременный выход из строя.

На заключительном этапе выполнения работы выполнен расчет корпусной группы. Расчет базируется на методе конечных элементов, выполняется в модулях APM Studio и APM Structure. Общая методика конечно-элементного анализа корпусных деталей включает в себя следующие основные этапы:

разработка твердотельной 3D модели объекта исследования;
наложение системы ограничений перемещения и приложение действующих нагрузок;
разбиение твердотельной модели на сетку конечных элементов;
определение действующих напряжений на основе основных зависимостей метода конечных элементов.

Реализация первого этапа методики – создание твердотельной модели корпуса поворотного редуктора очистного комбайна 1ГШ68 – представлена на рис. 5. На этом же рисунке показаны приложенные силы в модуле APM Studio: сопряжены грани деталей, примыкающих к корпусу, приложены нагрузки, ограничения в виде закреплений, учтена масса двигателя и шнека.

а)

б)

Рис. 5 – Твердотельная модель корпусной группы поворотного редуктора комбайна 1ГШ68 с приложенными нагрузками и закреплениями (модуль APM Studio) а) вид 1;б) вид 2;

После создания твердотельной модели приложение нагрузок и наложения ограничений производится разбиение твердой модели на сетку конечных элементов.Число конечных элементов твердотельной модели, а, следовательно, длительность времени расчета устанавливается в соответствии с желаемой точностью получаемых результатов и рядом других соображений. На рис. 6 приведены результаты создания сетки конечных элементов с последующим их экспортированием в модуль APM Structure. Количество объемных четырехузловых элементов составляет 1289919, а узлов разбиения сетки – 32710.

а)

б)

Рис. 6 – Конечно-элементная сетка корпуса поворотного редуктора комбайна 1ГШ68 с приложенными нагрузками и закреплениями (модуль APM Structure 3D): а) вид 1; б) вид 2;

Модуль APM Structure 3D позволяет рассчитать величины напряжений и деформаций в любой точке конструкции, как с учетом внешнего нагружения, так и с учетом собственного веса каждого из элементов; определить неизвестные силовые факторы в каждом из узлов и внутренние силовые факторы в пределах каждого конечного элемента, эта информация может быть использована в дальнейшем для расчета сварных, групповых резьбовых либо заклепочных соединений. Результаты расчетов с помощью специального визуализатора представляются в цветовой гамме, в виде изолиний или форме эпюр напряжений, моментов, сил, деформаций.

Результаты определения действующих напряжений, деформации и коэффициентов запаса прочности приведены на рисунке 7-9. Из приведенных рисунков следует, что максимальные напряжения сосредоточены в местах крепления крышек, и равно 116 МПа. Полученные значения коэффициента запаса текучести не превышают допустимого 1.5, и равны 4. Максимальные перемещения равняются 0,5 мм, что не превышает допускаемые значения.

а)

б)

Рис. 7 – Карта напряжений корпуса поворотного редуктора комбайна 1ГШ68 (модуль APM Structure 3D): а) вид 1; б) вид 2;

Рис. 8 - Карта распределения коэффициента запаса по прочности и текучести вид 1

а)

Рис. 8 - Карта распределения коэффициента запаса по прочности и текучести вид 2

б)

Рис. 8 – Карта распределения коэффициента запаса по прочности и текучести корпуса поворотного редуктора комбайна 1ГШ68 (модуль APM Structure 3D): а) вид 1; б) вид 2;

Рис. 9 - Карта перемещения корпуса вид 1

а)

Рис. 9 - Карта перемещения корпуса вид 2

б)

Рис. 9 – Карта перемещения корпуса поворотного редуктора комбайна 1ГШ68 (модуль APM Structure 3D): а) вид 1; б) вид 2;

Выводы

1. Разработана методика прочностного расчета поворотных редукторов выемочных комбайнов типа 1ГШ68 в среде САПР APM WinMachine.
2. Разработанная методика содержит два основных этапа – расчет элементов трансмиссии в модулях APM Trans, APM Shaft, APM Bear, APM Joint и расчет корпусной группы в модулях APM Studio и APM Structure 3D.
3. Выполнен анализ полученных результатов расчета и разработаны соответствующие рекомендации.

Список использованной литературы

1. Шелофаст В.В. Основы проектирования машин. М. Изд-во АПН., 2005.-472с.
2. Шелофаст В.В., Чугунова Т.Б. Основы проектирования машин. Примеры решения задач.М. Изд-во АПН., 2004.-240 с.
3. Замрий А.А. Проектирование и расчет методом конечных элементов в среде АРМ Structure 3D, Издательство АПМ, 2010-376с.
4. Методические указания к курсовому проектированию деталей машин Донецк: ДонНТУ, 2005.-230с.