Способ повышения несущей способности решетчатой стрелы экскаватора-драглайна

(51)4 Е 02 Р 3 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕН ВИДЕТЕЛЬСТВУ Н АВТОРСН ы опорныхпроуш оловного блока еличина смещеннии, соединяющеи ы опорных проуш оловного блока н ия ли е и н сительно центра сече стрелы посередине ее ролета;.ысота сечени ередине про ета; аправлединя и гол междум линии сентры опорголовногоаправление е х проушин лока, и Я каната,аллельного нижнему а я оловн инни,ри м ентра и п еляемую по форму йб 1,8 соМ +2 ЦИмакс Рмик) сжагде макс аксим ия ст ьное усилие лы в момент ный ковш на овы стрелы,да грся у ди д 5- а 6; С величина уменьшения ус лия в канате вследстви сжатия стрелы максимал ои нагрузк ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕНТ СССР110 ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЬ 1 ТИЙ(56) Виноградов В.С. Оборудованиедля механизации производственных про 1 11цессов на карьерах. М Недра1974, с. 232, рис. 11-130.Авторское свидетельство СССРВ 626161, кл. Е 02 Е.З/48, 1974,(54) (57) СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ НЕСУЩЕЙСПОСОБНОСТИ РЕШЕТЧАТОЙ СТРЕЪ 1 ЭКСКЛ-.ВАТОРА-ДРАГЛАЙНА, включающий присое-динение к стреле стягивающих канатов, их натяжение усилием для создания в поясе предварительного напряжения сжатия, о т л и ч а ю щ и й -с я тем, что, с целью снижения ме-.таллоемкости и повышения долговечнос;ти путем изменения асимметрии цикланагружения поясов стрелы переменнымсжатием, предварительное напряжениесжатия создают в нижнем поясе приэтом усилие 5 натяжения канатов определяется по формуле2(М Рм на).8=11 С 05 М+ 22- изгибающий момент всередине пролета отсобственного веса стрелыщ,- минимальное усилие с 1 катия, действующее вдольоси стрелы (вдоль линии, соединяющей центпоясу,- расстояние метом и нижнима центры опорных проушин иблока расположены на однойэтом линия, их сОединяющая,относительно геометрическогпоперечного сечения стрелычасти ее пролета на величинаказ Филиал ППП "Патент", г.ужгород, ул.Проектная, 4 678/26 Тираж 649 ВНИИПИ Государственно по делам изобретен 113035, Москва, Ж, Подписноео комитета СССРй и открытийаушская наб., д,4/51170059 где АР величина сокращения длиныстрелы под действием максимальной нагрузки сжатиямакс С - жесткость каната или системы, состоящей из каната и тарировочной пружины.Изобретение относится к экскаваторам, а именно к стрелам экскаваторовдраглайнов.Цель изобретения - снижение металлоемкости и повышение долговечности 5 путем изменения асимметрии цикла нагружения поясов стрелы переменным сжатием.На фиг.1 изображена стрела, вид сбоку; на фиг.2 - вид А на фиг. 1, 10 на фиг.3 - сечение Б-Б на фиг.1; на фиг.4 - узел 1 на фиг.1; на фиг.5 расчетная схема стрелы.Стрела содержит две вертикальные фермы 1 (фиг.1), связанные двумя ре шетками (раскосами) 2, расположенными в плоскости верхнего 3 и нижнего 4 поясов вертикальных ферм 1. Для создания дополнительного напряжения сжатия в нижнем поясе 4 используют 20 стальные канаты 5, закрепленные по концам нижнего пояса у головного блока 6 и основания стрелы (опорных проушин) 7. Посередине пролета стрелы стальные канаты 5 опираются на башма ки 8, а у основания 7 стрелы стальные канаты 5 взаимосвязаны с нижним поясом 4 посредством натяжных тарировочных устройств 9. Натяжное тарировочное устройство 9 содержит тариро- .,З 0 вочную пружину 10, размещенную в корпусе 11, натяжную гайку 12, а также стопорный винт 13 и гайку 14, которые обеспечивают крепление стального каната 5 к нижнему поясу 4 при выклю 35 ченной иэ работы пружине 10,Способ повышения несущей способности стрелы осуществляют при следующей последовательности выполнения операций.Стальным канатом в нижнем поясе стрелы создают дополнительные напряжения сжатия за счет того, что натяж ным тарировочным устройством егопредварительно натягиваютна величину,которую определяют из зависимости 2 Ф иг Рмине)5=Н сова гс,При этом линию, которая проходит через центры опорных проушин и головного блока, смещают относительно геометрического центра се;ения стрелы посередине ее пролета в сторону нижнего пояса, а величину смещения выби. рают иэ зависимости 65 й со 5 м 21)е=2(Р.,.-Р,.)ЪНиже приведен вывод установленных аналитических зависимостей по определению расчетного усилия натяжения канатов 5 и величины смещения Е в вертикальной плоскости линии, соединяющей центры опорных проушин и головного блока, относительно геометрического центра сечения стрелы посередине ее пролета в сторону нижнего пояса (фиг.5).Принято, что минимальные напряжения циклов нагружения несущих поясов соответствуют моменту, когда ковш разгружен и лежит на грунте с ослабленными подъемными канатами, а максимальные напряжения цикла - когда груженый ковш находится у головы стрелы перед разгрузкой.С учетом изгиба стрелы от собственного веса в вертикальной плоскости минимальные напряжения цикла в верхнем поясе представляют собой сумму напряжения сжатия вдоль оси стрелы от веса ее головной части и напряжений сжатия, вызванных изгибом от веса, а в нижнем поясе минимальные напряжения равны разнице напряжений сжатия от веса головной части и напряжений растяжения от ее изгиба,До стягивания каналами нижнего пояса разница в напряжениях сжатия в верхнем и нижнем поясах составляет Ьб =2где ф дц - напряжения в- .2(Миног. Рминс 1ЭН сяк Ф 21 поясах, вызванные изгибом стрелы в вертикальной плоскости от воздейст-. вия собственного веса.Из этого условия определяют предварительно (с некоторым запасом) необходимое усилие натяжения в канатах,- обеспечивающее равные напряжения в поясах 5 =2 где- площадь сечения нижнего пояса, а также подбирают канат и тарировочную пружину. 1 О,При применении способа повышения несущей способности стрелы после стягивания (сжатия) нижнего пояса: канатом (или канатами) в разгруженном состоянии стрелы (ковш на грунте) 1 напряжения в сечении Б-Б (фиг. 1, 5) в верхнем и нижнем поясах, т.е. минимальные напряжения цикла нагружения, слагаются из следующих составляющих: в верхнем поясео, =4 в 4 феф ,эЬгдето Р Р - напряжения сжатия отвеса головной части стрелы,- составляющая от весаголовной части стрелы,действующая вдольоси стрелы (т.е. минимальная нагрузкасжатия), 30- общая площадь несущихпоясов стрелы,- напряжения, вызванные изгибом стрелы отдействия собственного 35веса,изгибающий момент (всередине пролета),высота вертикальныхферм в середине проле та,- площадь верхнего илинижнего поясов,- угол наклона верхнегои нижнего поясов коси стрелы (или к линии, содержащей центрь опорной проушиныи головного блока), вданном случае это такОже угол между осьюстрелы и направлениемканата, учитывая чтовеличина смещения е(фиг.5) относительно 5мала по сравнению свйсотой фермы Н идлиной пролета 3 4принимаем углы наклона о верхних и нижнихпоясов к оси стрелыравными,- напряжения, вызванныесмещением линии, соединяющей центры. опорной проушины и головного блока, относительно центра сечениястрель посередине еепролета в сторонунижнего пояса,- величина смещения(эксцентриситет),напряжение дополнительного сжатия нижнего пояса, вызванноенатяжением каната,- усилие натяжения каната, (канатов),Г - площадь сечения нижнего пояса,ки - напряжения контризНсовк Егиба, вызванные конструктивным смещением 1 (фиг.1,5) каната от нижнего пояса,- расстояние между канатом и нижним поясом(фиг.1, 5).Исходя из условия равенства минимальных напряжений цикла в верхнеми нижнем поясах из системы уравнений (1) необходимоенапряжение дополнительного сжатия в нижнем поясеот канатов составляет откуда точное значение усилия натяжения каната (канатов), обеспечивающее одинаковые напряжения сжатия в верхнем и нижнем поясах, определяетсяЪследующей зависимостью Смещение е линии, соединяющей цен;тры опорной проушины и головного блока, относительно центра сечения стрелы посередине ее пролета О (фиг.5) в сторону нижнего пояса вызвано необходимостью выравнивания за счет внецентренного сжатия максимальных напряженич циклов иагружения .в момент, когда груженый ковш находится перед разгрузкой у головы стрелы, поскольку в этот момент вследст 1170059вие сжатия. стрелы в целом усилия в стягивающих канатах ослабевают.При максимальной нагрузке сжатия стрелы (груженый ковш у головы стрелы) усилия в стягивающих аманатах уменьшаются и составляют5 =б-А 5где Аб АВ С - величина уменьшенияусилий в натяжных кана Отах,й,величина сокращения15с Е длины стрелы под действием максимальнойнагрузки сжатия,- максимальное усилиемакссжатия стрелы (груженыйковш у головы стрелы),Р - минимальное усилие сжатия стрелы, т,е. составляющая от веса головной части стрелывдоль оси .стрелы (порожний ковш на грунтес ослабленными подъемными канатами),с - длина пролета стрелы,Г, - модуль упругости материала несущих поясов,- общая площадь несущихпоясов стрелы,С - жесткость канатов (илисистемы, состоящей из35канатов и тарировочнойпружины),Из условия равенства максимальныхнапряжений циклов в верхнем и нижнем40поясе (в положении, когда груженыйковш у головы стрелы) усилие натяжения канатов определяется зависимостью,аналогичной зависимости (3), т.е., 2(Мн-Р, Е)455 сН сосс+ 2 ВИз зависимостей (3) и (4), знаявеличину А бб - 5 , определяют вели.кчину 6 необходимого смещения линии,соединяющей центры опорной проушины 50и головного блока относительно цент-ра сечения стрелы посередине ее пролета в сторону нижнего пояса, обеспечивающее равенство максимальных напряжений циклов в верхнем и нижнем 55яоясе:Н сои к 20Е=8г(у-Р 1Пример (применительно к верхней решетчатой секции стрелы экскаваторадраглайна ЭШ 10/70 Б).Необходимые для расчета исходные данные.Длина пролета стрелы (секции) 0 ==3500 см.Высота сечения стрелы в серединепролета Н =250 см.Вес металлоконструкции решетчатой11300секции Ц = в в= 5650 кг.2Изгибающий момент посередине пролетагМ == 21 25 10 кг смИЗГэУгде30 - угол наклаиа осистрелы к горизонтали) .Площадь сечения поясов:верхних Г =2 27,3=54,6 см (состоит из двух уголков 140 140 10),нижних Гн =227,3=54,6 см (так;кеиз двух уголков 140 140 10),общая площадь сечения Г. =427,3=,=109,2 см.Напряжения в поясах, вызванные изгибом стрелы от собственного веса,6. - 156 кг/см .МнНсозосРнМинимальная нагрузка сжатия (т.е.составляющая от веса головной частивдоль оси стрелы) Рм =30400 кг.Максимальная нагрузка сжатия Р, ==159 500 кг.Угол между направлением несущихО опоясов и осью стрелы а, =3 (соя 3=0,9986), он же угол между осьюстрелы и направлением каната, приусловии параллельности каната нижнему поясу.Минимальные напряжения цикла нагружения:18 МИНв верхнем поясе С, =- - -омин рЕ. 8 Рма ксв верхнем поясе омас -- -1=мокс с н=-1460-156=-1616 кг/см,Рма ксн даксмоксцЕ ;1460+156=-1304 кг/см . Максимальные напряжения цикла наг жени1170059 с 05 к Ф 21 на 30 35 Исходные характеристики цикла на-гружения переменным сжатием:в верхнем поясе бмн =-434 кг/см 2,о а,=-1616 кг/см, 1 = - ,е-,6-=0,269,1 знв нижнем поясе б=-122 кг/см 2,122=-1309 кг/см 1- макс ф " 1304ю 0,0936.Материал несущих поясов-сталь10 ХСНД.Предварительное определение (с. не.которым запасом) усилия натяжения вканате, обеспечивающее равные напряжения сжатия в поясах 5 Р =2 6 Г = 15=2 156 ф 54,6=17035 кг.Выбор каната двойной свивки с металлическим сердечником типа АК-ГОГОСТ 7669-80-28 мм.Необходимые для расчета характеристики каната:разрывное усилие - Вр, =49,7 тс,суммарная. площадь проволок Ек=33,25 мм 2=3,73 смвес.одногопогонного метра 3,395 кг, 25длийа каната В =3400 см (принятаконструктивно),жесткость каната данной длины рав,Р 17035 262 кг/см,Р. Ек 17035 34 ОО ф=13,47 см.Величина сокращения стрелы под действием максимальной нагрузки сжа- тия Имакс Рмин 1 (,1 59500-30400) 350040Е Ру 2,1 10 427,3 =1,97 см.Уменьшение усилия в натяжных канатах вследствие сжатия стрелы макси мальвой нагрузкой б д 8 Ск 1 97 1262 2487 кгНеобходимое смещение, обеспечивающее равенство максимальных напряже ний циклов в верхнем и нижнем поясе, определяется по формуле (5):(159500-30400) 2 где с =20 см - принятое. конструктивно расстояние между нижним поясом и канатом (сИ,фиг.1).Фиксированное значение усилие натяжения каната, обеспечивающее одина ковые минимальные напряжения цикла в верхнем и нижнем поясе,. определяется по формуле (3): 2 (21 к 251 0 30400 2 й 79 250 0 9986+2 20 коэффициент запаса прочности каната фраер 49 7 тс и ----- 3 53,14 к 093Определение характеристики циклапеременного.нагружения сжатием послеиспользования предлагаемого способаповышения несущей способности.Минимальные напряжения цикла в не.сущих.,поясах составляют в соответствии с зависимостью (1):фДмнн в цв верхнем поясе б,=- -Д Д+кч 7в нижнем поЯсе б"н=-бефа Ое Окч"Рмин 30400где бв -------- -278 кг/см 2109,2ФВц =+156 кг/см,Рмин б304002 79тН Гж 5 250 О, 9986 54,6=-407 кг/см 7 .Максимальные напряжения цикла внесущих поясах составляют:Ьв верхнем поясе омокс бр -д +макс макс и-е(рма кс 1+ кч 7в нижнем поясе бм -7 рмак нр макс че(р макс 1 кц 5 7макс 159500Рмакс Рх 109 2Ф10 5 Таким образом, несущая способность 4 О стрелы по условию усталости увеличивается на 15 ., а следовательно, можно увеличить полезную нагрузку (обь-ем ковша) и тем самым снизить уделв" ную.металлоемкость стрелы и повысить 45 производительность машины. Р Е 159500 2,79=-1566 кг/см.Полученные в результате использования способа характеристики цикланагружения переменным сжатием:в верхнем поясе в 20в вмя.кг/см О мас-1566 кг/см, 8 0,26,в нижнем поясек вб м, =-407 кг/см, бм=1566 кг/см, 0 =0,26. , 25В табл. 1 приведены исходные иполученные характеристики циклов нагру-.жения и повышение пределов выносливости в процентах с изменением асимметрии цикла иагружения.Как видно из;табл.1, хотя максимальные напряжения в нижнем поясе1566-1304увеличиваются на 1304 20 , пределы выносливости с изменением коэффициента асимметрии цикла 3 с350,0936 до 0,26 увеличиваются в среднем на 35 Ж. Эффективность использования способа увеличивается с ростом линейных параметров стрел (длины стрелы),В табл,2 приведено сравнение исходных и получаемых характеристик цикла для длины пролета стрелы 3 =45 м применительно к рассматриваемому экскаватору.Из табл.2 видно, что хотя максимальные напряжения в нижнем поясе 1 1688-1246увеличились на -" - " -- =35%, пре 1246 ф делы выносливости с изменением коэф. фициента асимметрии цикла 1 с 0,04 до 0,31 увеличиваются в среднем на 57 . В данном случае уже несущая способность стрелы по условию усталости повышается примерно на 57-35= =22 .Таким образом, повышение несущей способности поясов по меньшей мере на 15-223 приводит к снижению металлоемкости всей стрелы в целом на 0,67(15-22%)=10,1-14,8 Х, где 0,67 коэффициент, основанный на анализе металлоемкости решетчатых стрел типа ЭЩ 10/70 БВес силового элемента (канатов, тарировочных пружин и т.д.) составля. ет 4-5 в среднем 4,5% от веса металлоконструкций, стрелы (секции) в целом.В итоге снижение металлоемкости стрелы в целом с учетом веса натяжения устройств (силового элемента) составляет в сумме 12,5%-4,5%=8%. Исходя из известного соотношения (сннжение веса металлоконструкции стрелы на 1 приводит к снижению на 0,4-0,5% веса всей машины) общее снижение металло- емкости на одной машине типа ЭШ 10/ /70 Б составитА = Сз, (8% 0,45)=7000,08 0,45= =25,1 тгде м - вес базовой модели, т.е. эк скаватора ЭШ 10/70 Б.12 1170059 Таблица 1 Увеличение Полученные характеристики цикла нагружения Несущийэлемент-122 Таблица 2 Полученные характеристики цикла нагружения Несущийэлемент-50 -1246 0,04 -521 0,31 65,93503 1688Исходные характеристики цикла нагружения Исходные характеристики цикла нагружения пределоввыносливости Х с иэменением 11от 0,0936до 0,2 (приК=4,0) Увеличение пределоввыносливости, Х (при Кд =2,2-4) с И 9 МЕНЕНИЕМ Р от 0,04 до 0,31