ПРОЕКТИРОВАНИЕ И АНАЛИЗ КОВША ЭКСКАВАТОРА В ПРОГРАММЕ ANSYS

АННОТАЦИЯ

Целью данной статьи является проектирование ковша экскаватора с использованием программного обеспечения ANSYS 2018. Анализ силы и анализ прочности являются важными этапами проектирования деталей экскаватора. Анализ методом конечных элементов (МКЭ) является наиболее мощным методом, используемым для оценки прочности конструкций, работающих при высоких нагрузках.

Модель экспортируется через ANSYS 2018 для создания сетки в программном обеспечении для анализа граничных условий, а силы прикладывают к кончикам зубьев ковша экскаватора. Статический анализ выполняется в программе анализа ANSYS 2018. В данной работе рассчитываются напряжения, возникающие на концах зубьев ковша экскаватора. Структурный анализ был проведен на ковше экскаватора при различных углах наклона зубьев, таких как 25⁰, 30⁰, 35⁰, 40⁰, 45⁰. Был проведен анализ трех типов материалов: нержавеющая сталь, AISI-1045 и карбид TI, и исследовано воздействие различных напряжений и деформаций на ковш экскаватора при различных нагрузках. В этом исследовании также учитывалась различная ширина зубов.

ABSTRACT

The purpose of this paper is to design an excavator bucket using ANSYS 2018 software. Force analysis and strength analysis are important steps in the design of excavator parts. Finite element analysis (FEM) is the most powerful method used to evaluate the strength of structures operating under high loads.

The model is exported through ANSYS 2018 to create a mesh in the boundary condition analysis software, and forces are applied to the tips of the excavator bucket teeth. Static analysis is performed in ANSYS 2018 analysis software. In this paper, the stresses occurring at the tips of the excavator bucket teeth are calculated. The structural analysis was performed on an excavator bucket at different tooth angles such as 25⁰, 30⁰, 35⁰, 40⁰, 45⁰. Three types of materials were analyzed: stainless steel, AISI-1045 and TI carbide, and the effects of different stresses and strains on the excavator bucket under different loads were investigated. Different tooth widths were also taken into account in this study.

Ключевые слова: Ковш экскаватора, численное моделирование, экспериментальные испытания, проектирование, динамические нагрузки, метод конечных элементов (МКЭ), ANSYS, SolidWorks.

Keywords: excavator bucket, numerical simulation, experimental tests, design, dynamic loads, finite element method (FEM), ANSYS, Solid Works.

Вступление: Гидравлические экскаваторы представляют собой типичную гидравлическую сверхмощную машину, управляемую человеком, используемую в общих строительных операциях, таких как копание, выравнивание грунта, перевозка грузов, разгрузка грузов и прямолинейная тяга (1 рисунок). Обычно экскаваторы с обратной лопатой работают в наихудших условиях. Из-за тяжелых условий работы детали экскаватора подвергаются высоким нагрузкам и должны надежно работать в непредсказуемых условиях работы[2, 3]. Таким образом, конструкторам необходимо предусмотреть оборудование не только максимальной надежности, но и минимального веса и стоимости, сохраняя при этом сохранность конструкции при любых условиях нагружения.

Рисунок 1. Схема гидравлического экскаватора в программе SolidWorks

Гидравлический экскаватор передвигается при помощи ходовой части на основе колесного или гусеничного хода, имеет поворотную платформу, на которой находятся двигатель, кабина оператора экскаватора, прочее навесное оборудование. Рабочим органом является стрела, оснащенная ковшом. Стрела управляется с помощью гидравлической системы (2 рисунок).

Рисунок 2. Конструкция гидравлического экскаватора:

1 – элементы шасси; 2 – поворотная платформа; 3 – двигатель; 4 – кабина машиниста; 5 – стрела; 6 – рукоять; 7 – гидроцилиндры; 8 – ковш; 9 – зубья ковша

Ковш экскаватора является очень важным элементом (3 рисунок). Ковш экскаватора — это навесное оборудование для тяжелой техники, который предназначен для использования при земляных работах. Зубья ковша экскаватора должны выдерживать большие нагрузки таких материалов, как влажная почва и камень, а также подвергаться абразивному износу из-за абразивного характера частиц почвы, когда зубья разрушают материал, когда ковш протаскивает через него. Так повреждаются зубья ковша экскаватора и происходит износ [4].

Рисунок 3. Схема ковша гидравлического экскаватора в программе SolidWorks

Таким образом, он должен иметь достаточную грузоподъемность для длительного срока службы, потому что это тоже дорого. Эта проектная работа включает анализ статической силы и модификацию конструкции обратной лопаты экскаватора. Наша основная цель - проанализировать ковш экскаватора на основе различных условий нагрузки для безопасного проектирования.

Литературное иисследование: Следующие исследовательские работы используются для получения глубокого понимания различных аспектов проекта.

Маниша и др.: В этой статье он обсуждает, что экскаватор является типичной гидравлической тяжелой машиной, управляемой человеком, используемой в общих строительных операциях, таких как копание, выравнивание грунта, перевозка грузов, разгрузка грузов и прямая тяга [8].

Калпак и др.: Зубья ковша экскаватора должны выдерживать большие нагрузки таких материалов, как почва, камень, и подвергаться абразивному износу из-за абразивного характера частиц почвы. Его зуб был поврежден из-за абразивного износа и ударной нагрузки. Эта статья посвящена анализу зубьев ковша экскаватора, чтобы выяснить его фактическую неисправность.

Ян и др.: Гидравлические экскаваторы широко используются в строительстве, горнодобывающей промышленности, земляных работах и лесном хозяйстве. Разнообразие и удобное управление делают его популярным. Производительность гидравлического экскаватора зависит от его производительности переднего навесного оборудования обратной лопаты.

Йонас Хельгессонет и др.: Оптимизированная конструкция ковша важна для повышения производительности и погрузочных характеристик подземных погрузчиков. Теории дизайна сегодня трудно оценить из-за отсутствия методов проверки. В последующие годы разработка программного обеспечения и компьютеров для моделирования позволила проверить конструкцию путем моделирования процесса загрузки. Цель данной диссертации состояла в том, чтобы разработать и использовать имитационную модель процесса погрузки для одного из подземных погрузчиков Атлас Копко.

МехулКумар А. Патель и др.: Гидравлические экскаваторы представляют собой тяжелые землеройные машины, состоящие из стрелы, рукояти и ковша. Он работает по принципу гидравлической жидкости с гидроцилиндром и гидромотором [5, 6].

Доктор Сабах Хан, Шейх Мохашинет и др.: Экскаватор используется для погрузочно-разгрузочных работ на горнодобывающих и строительных площадках. Зубья ковша экскаватора должны выдерживать тяжелые динамические нагрузки.

Геометрическое моделирование: SolidWorks – программный комплекс САПР для автоматизации работ промышленного предприятия на этапах конструкторской и технологической подготовки производства (рисунок 4 и 5).

Рисунок 4. Модель ковша гидравлического экскаватора в программе SolidWorks

Обеспечивает разработку изделий любой степени сложности и назначения. Разработан компанией SolidWorksCorporation, созданной с нуля Джоном Хирштиком, а с 1997 года являющейся независимым подразделением компании DassaultSystemes (Франция).

Рисунок 5. Разработана программе SolidWorks модель ковша экскаватора с зубами

Ansys – универсальная программная система конечно-элементного анализа, решения линейных и нелинейных, стационарных и нестационарных пространственных задач механики деформируемого твёрдого тела и механики конструкций (включая нестационарные геометрически и физически нелинейные задачи контактного взаимодействия элементов конструкций), а также механики связанных полей (рисунок 6).

Рисунок 6. Ковш экскаватора после мелких сеток в программе Ansys

Типичный анализ ANSYS состоит из следующих шагов:

Постройте модель, используя ключевые точки, линии, области и команды объема.

Придание материалу свойств.

Выбор подходящего элемента.

Связывание модели с дискретными элементами.

Применение заданных нагрузок.

Применение граничных условий.

Запуск фазы решения.

Просмотрите результаты с помощью постпроцессора.

Результаты и обсуждения: Основная цель этого исследования - провести структурный анализ ковша экскаватора с различными материалами при различных нагрузках и выяснить поведение ковша экскаватора при различных углах наклона и ширине. Здесь в этом анализе были рассчитаны различные факторы путем приложения нагрузок к соответствующим секциям ковша экскаватора. Был проведен структурный анализ ковша экскаватора при различных наклонах 25⁰, 30⁰, 35⁰, 40⁰, 45⁰ на трех типах материалов: нержавеющая сталь, AISI-1045 и карбид TI, и исследовано действие различных напряжений и деформаций на ковш экскаватора при различных нагрузках. В этом исследовании также учитывалась различная ширина зубов (рисунок 7).

а)                                                                     б)

с)                                                                  д)

Рисунок 7. Структурный анализ ковша гидравлического экскаватора.

а) Эквивалентное напряжение ковша гидравлического экскаватора; б) Напряжения сдвига, возникающие в ковше гидравлического экскаватора; с) Касательные напряжения, возникающие в ковше гидравлического экскаватора; д) Эквивалентная упругая деформация ковша гидравлического экскаватора

В этом случае в качестве материала используется нержавеющая сталь, а нагрузка действует на ковш экскаватора, и выполняется структурный анализ для определения общей деформации, эквивалентных напряжений, эквивалентного напряжения сдвига и касательные напряжения в ковше экскаватора. И результаты были наглядно показаны на рисунке. Вышеупомянутый анализ был проведен на всех частях ковша экскаватора, расстояние между зубьями ковша экскаватора сохранялось одинаковым по длине, результаты анализа объясняются одинаково. Мы обнаружили, что при выполнении структурного анализа ковша экскаватора максимальные и минимальные значения были перечислены в таблице ниже.

Таблица 1.

Деформации для AISI 1045

Таблица 2.

Деформации в карбиде TI

Вывод: Мы спроектировали ковш экскаватора с помощью программного обеспечения SolidWorks, а анализ выполнен с помощью программного обеспечения ANSYS 18.1. Напряжение на вершине зубьев ковша экскаватора рассчитано 96,39 МПа, а напряжение от срезания заклепки рассчитано аналитически 157,67 МПа. Расчетное напряжение на вершине зубьев составляет 112,98 МПа, а напряжение от сдвига заклепки - 167,42. Процентная ошибка между аналитическим результатом и результатом Ansys составляет 14,69 % и 5,82 %. В соответствии с приведенным выше анализом предлагается, чтобы ковш, используемый для земляных работ, был должным образом проверен на предмет его применения на основе слоев почвы. А учитывая поломку зуба и заклепки из-за ударной нагрузки, очень экономично изменить узел зуба, а также наклон и толщину зуба.

Списоклитературы:

1. Павлов В.П., Абрамов А.Н. Рекомендации по выбору параметров экскаваторных ковшей// Транспортное строителсьство. 1984. №7. С. 35 – 36.
2. Кузнецова В.Н., Савинкин В.В. Анализ эффективности работы одноковшового экскаватора//Вестник СибАДИ. 2014. №6. С. 26 – 33.
3. Тарасов В.Н., Коваленко М.В. Механика копания грунтов, основанная на теории предельных касательных напряжений//Строительные и дорожные машины. 2003. №7. С. 38 – 43.
4. Тарасов В.Н., Коваленко М.В. Механика копания грунтов ковшом гидравлического экскаватора//Строительные и дорожные машины. 2003. №8. С. 41 – 45.
5. Bhaveshkumar P. Patel and Dr.J.M. Prajapati,”A Review On Kinematics Of Hydraulic Excavator’s Backhoe Attachment”, International Journal of Engg. Science and Technology (IJEST)Vol.No.3.Issue No.3.March 2011.
6. Ahmet Erklig and Eyup Yeter,”The Improvements of The Backhoe-Loader Arms”, Model Simulation ofMaterial Science, Issue No 3, January 2013,PageNo.142-148.
7. Rahul Mishra and Vaibhav Dewangan,“OPTIMIZATION OF COMPONENT OFEXCAVATOR BUCKET” International Journal ofScientific Research Engineering and Technology(IJSRET), Vol. no.2,Issue No.2,Page No. 076-078.
8. Manisha P. Tupkar, Prof. S.R. Zaveri,“Design and Analysis of an Excavator Bucket”, InternationalJournal of Scientific Research EngineeringTechnology, Vol. 4, Issue 3, March 2015.
9. Modeling and Static Analysis of Backhoe Excavator Bucket (Mr.Swapnil S.Nishane 1, Dr. S.C.Kongre 2, Prof. K.A. Pakhare) International Journal of Research in Advent Technology, Vol.4, No.3, March2016 E-ISSN: 2321-9637 Available online atwww.ijrat.org