Анализ прочности вил крана-штабелера численными методами

УДК 62-237

АНАЛИЗ ПРОЧНОСТИ ВИЛ КРАНА-ШТАБЕЛЕРА ЧИСЛЕННЫМИ МЕТОДАМИ

З.М. Борискина, О.О. Барышникова, В.А. Раевский, Д.Г. Мокин

Выполнен развернутый анализ работоспособности вил крана-штабелера. При расчете на прочность элементов основным критерием являются возникающие напряжения. Предлагается использовать метод конечных элементов для анализа напряженного состояния исследуемого элемента. Для кранов-штабелеров актуальным является решение задачи о возможности самопроизвольного перемещения груза по вилам. Необходимо подобрать конструкцию вил, обеспечивающую несоскальзывание груза. Выполненные исследования позволяют оценить прочность, работоспособность конструкции вил крана-штабелера, обеспечить несоскальзывание груза.

Ключевые слова: вилы крана-штабелера, несоскальзывание груза, грузозахватное устройство, угол прогиба вил, криволинейный брус.

Краны-штабелеры применяют в машиностроении, металлургической промышленности, материально-техническом снабжении, автоматизированных производствах.

Все вновь проектируемые или модернизируемые краны-штабелеры подвергаются тщательному расчету. Оформленный расчет является обязательным документом технического проекта крана-штабелера. Расчеты элементов или узлов, размеры которых становятся известными на стадии рабочего проектирования или корректируются по результатам испытаний опытного образца, оформляют затем в виде дополнительных частей или разделов [1, 2].

Такое внимание к расчетам обусловлено тем, что краны-штабелеры являются объектами повышенной ответственности. Прежде всего, кран-штабелер - это подъемно-транспортная машина, разрушение или повреждение которой представляет опасность для жизни обслуживающего персонала. Во-вторых, кран-штабелер в большинстве случаев является единственным средством доступа к грузам, находящимся в обслуживаемом им хранилище. Наиболее простым и распространенным сменным грузозахватным приспособлением к погрузчикам и штабелёрам являются вилы. При помощи вил можно выполнять погрузочно-разгрузочные, складские и транспортные операции с различного рода штучными грузами, уложенными на поддоны, установленные на подкладках, создающих необходимый просвет для ввода вил под груз и находящихся в контейнерах (на ножках или на поддонах). Грузоподъемность вил соответствует номинальной грузоподъемности погрузчика или штабелера.

Расстояние между зубьями вил можно регулировать, изменяя их положение на каретке и фиксируя стопорными приспособлениями. Верхняя поверхность вил плоская, а нижняя имеет скошенный конец для лучшего захвата груза.

Расчет вилочных грузозахватных устройств включает в себя решение двух проблем: предупредить соскальзывание груза при его транспортировании и обеспечить необходимую прочность элементов грузозахватных устройств (рис. 1).

Gy cos

Рис. 1. Схема сил, действующих на вилочный грузозахват

Соскальзывание груза может произойти под действием силы сдвига. При наклоне лап сила Г, вызывающая удержание груза, Т - fG¿ cos а - G2 sin а = G¿ (/ cos а - sin а), где / - коэффициент трения скольжения между вилами и грузом; а - угол наклона лап вперед (вниз); G¿ - половина грузоподъемности, так как груз воздействует сразу на две вилы и на каждую приходится половина.

Наименьшее значение эта сила получит при внезапном торможении грузозахватного устройства с грузом. Динамическая составляющая

Тдип=—>flrYcosa> S

где ару - ускорение (замедление) при торможении.

Сила, противодействующая силе тяжести, прижимающей груз к вилам, в момент торможения

гт-тВ Г Gp

тщт = /—аГУ sin а, g

Суммарная сила соскальзывания

Т1 _ 71 'Т' В Т* _

1 СДВ — 1 ~ 1 дин ~~1 дин ~~

/ cosa-^-^(/ sin a + cos a) -sin a g

\

Условие несоскальзывания Гсдв > 0. Ограничивающим фактором,

предотвращающим соскальзывание груза, является наклон лап а, который складывает из конструктивно заданного наклона лап назад (вверх) и про-

122

гиба клыков под действием распределенной массы груза вперед (вниз). Этот угол задается исходя из проведенного расчета грузозахватного устройства на прочность и определения перемещений в конструкции.

Следующим этапом исследования является проверка прочности вил. Прочность металлоконструкций грузового захвата кранов-штабелеров исполнений ОП и ОК проверяют на статическое действие вертикального усилия, равного 1,25 номинальной грузоподъемности и приложенного к концам грузовых захватов (распределяется поровну). При этом учитывается сила тяжести масс конструкций с коэффициентом 1,05. Прочность клыков вил или штыревых захватов проверяют на действие трехкратного номинального груза в предположении равномерного распределения нагрузки между клыками. Сила считается приложенной посредине вылета клыка или штыря. Изготовляются вилы из полосовой высокопрочной стали.

Так как вилы как тело представляют собой криволинейный брус, расчет общими методами сопротивления материалов является нетривиальной задачей, поэтому рациональнее произвести расчет методом конечных элементов с применением современных САЕ-систем.

Для современных CAE-систем характерен широкий спектр возможностей, ориентированных на создание полноценных конечно-элементных моделей и выполнение самых разнообразных видов расчетов: линейного и нелинейного прочностного анализа, исследования на устойчивость, расчета собственных форм и частот колебаний, осуществления динамического, частотного и теплового анализа конструкций, оптимизации её параметров

[3].

Типовой расчет машиностроительной конструкции предусматривает следующие этапы построения конечно-элементных моделей:

1) разработка геометрической модели;

2) описание свойств используемых материалов;

3) создание конечно-элементной сетки;

4) формирование нагрузок и граничных условий;

5) выполнение различных видов расчетов;

6) анализ результатов расчетов.

Рассмотрим все этапы расчета на примере вилочного грузозахвата крана-штабелера ОП-250. Для анализа и создания модели используем программный комплекс САПР SolidWorks, включающий в себя дополнительный модуль инженерного анализа методом конечных элементов Simulation.

В качестве основы для модели взят профиль вил, представленный на рис. 2. Ось шарнира крепления вил и опорная траверса выполнены упрощенно, т. к. не участвуют в расчете и необходимы только для задания опорных поверхностей. Как было сказано выше, вилы выполняются из высокопрочной стали без уточнения марок. Для проведения расчета используем стандартный материал «Легированная сталь».

Рис. 2. Геометрическая модель

Стандартный создатель сетки использует алгоритм создания сетки Voronoi-Delaunay. В расчете используется комбинированный тип сетки. Программа автоматически применяет комбинированную сетку, когда в модели присутствуют различные геометрические формы. Для объемных моделей используются трехмерные тетраэдральные твердотельные элементы (линейные и параболические), для оболочек и листовых тел - двумерные треугольные элементы (линейные и параболические). Излишнее измельчение сетки дает более точные результаты, но увеличивает время расчета. При более грубой сетке время расчета сокращается, но результаты менее точные. В данном расчете используем сетку с глобальным размером элемента 10 мм.

Граничные условия в данной задаче определяются заделкой (зафиксированная геометрия) на торцах деталей «ось» и «траверса» и шарниром в контактной паре «вилы - ось». Глобальный контакт компонентов - «нет проникновения» - исключает взаимное проникновение элементов, но не соединяет их в единое целое.

Для полученной модели применим два варианта нагружения. Первый - вертикальная сила, равная 62,5 % номинальной грузоподъемности (250 кг) и приложенная к концу грузового захвата. При этом учитывается сила тяжести масс конструкций с коэффициентом 1,05. Второй - вертикальная сила, равная 150 % от номинального груза (250 кг), приложенная посредине вылета клыка.

Расчет производится с помощью прямого решателя Solid Works (Direct sparse) с включенным параметром больших перемещений. Решение с большим перемещением необходимо, когда приобретенная деформация

существенно видоизменяет жесткость (способность конструкции сопротивляться нагрузкам). Оно предполагает, что жесткость меняется во время нагрузки, поэтому нагрузка применяется поэтапно и решатель обновляет жесткость на каждом шаге расчета.

На рис. 3 и 4 приведены деформированное состояние рассматриваемого конструктивного элемента при действии заданных нагрузок (первый и второй случаи соответственно), наибольшие суммарные деформации.

На рис. 5 и 6 показаны приведенные напряжения (Von Mises Stress, МПа), вычисленные по гипотезе энергии формоизменения Рихарда Фон Мизеса [3, 4]:

Р + " аз Г

2

где ОрО2>аз ~ главные напряжения в рассматриваемой точке элемента конструкции.

48875 Щ 44.802 40.729 36 658 32.584 28 511 24.438 20.365 16.292 12219 8146 4 073 0 000

Рис. 3. Перемещения при нагрузке 62,5 % от номинальной, приложенной к краю

Анализ диаграммы напряжений приводит к выводу, что конструкция выдерживает заданные нагрузки. Максимальные напряжения возникают на внутреннем изгибе, и в худшем случае нагружения не превышают 580 МПа при пределе текучести данного материала 620 МПа. Перемеще-

ния, полученные в ходе данного расчета, используются для нахождения угла подъема вил. В худшем варианте (нагрузка 150 % от номинальной приложена к середине клыка) перемещение составляет 54,5 мм на конце, при этом для длины вил 600 мм угол прогиба равен 5,2 градуса, и условие несоскальзывания выполняется.

Рис. 4. Перемещения при нагрузке 150 % от номинальной, приложенной к середине клыка

Рис. 5. Напряжения по Von Mises при нагрузке 62,5 % от номинальной, приложенной к краю

Рис. 6. Напряжения по Von Mises при нагрузке 150 % от номинальной, приложенной к середине клыка

Развернутый анализ прочности вил крана-штабелера показал работоспособность данной конструкции, не требующей конструкторской доработки.

Список литературы

1. Анцев В.Ю., Витчук П.В. Расчет параметров канатоведущего шкива лифта в процессе износа // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. 2012. № 2-6(292). С. 112 - 118.

2. Исследование и проектирование металлоконструкций крана-штабелера с использованием метода конечных элементов / О.О. Барышникова, З.М. Борискина, А. А. Шубин, В. А. Подгорбунский // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. Вып. 11. Ч. 1. Тула: Изд-во ТулГУ, 2014. С. 459 - 467.

3. Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике. М.: Мир, 1975. 543 с.

4. Справка по SOLIDWORKS: [сайт]. [2010]. URL: http://help. solid-works.com (дата обращения 05.12.2014).

Барышникова Ольга Олеговна, канд. техн. наук, доц., barysh-oo@bmstu.ru, Россия, Москва, Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана,

Борискина Зягря Михайловна, канд. техн. наук, доц., barysh-oo@bmstu.ru, Россия, Калуга, Калужский филиал Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана,

Раевский Владимир Алексеевич, канд. техн. наук, доц., var-77amail.ru, Россия, Калуга, Калужский филиал Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана,

Мокин Дмитрий Геннадьевич, канд. техн. наук, доц., ded762@bmail.ru, Россия, Калуга, Калужский филиал Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана

ANALYSIS OF DURABILITY OF A PITCHFORK OF THE CRANE PILER BY NUMERICAL METHODS

O.O. Baryshnikova, Z.M. Boriskina, V.A. Raevski, D.G. Mokin

The developed analysis of operability of a pitchfork of the crane piler is made. At calculation on durability of elements the main criterion is the arising tension. It is offered to use a method of final elements for the analysis of a tension of the studied element. For cranes pilers the solution of a task on possibility of spontaneous movement of freight on a pitchfork is actual. It is necessary to pick up the design of a pitchfork providing a freight nesoskal-zyvaniye. The executed researches allow to estimate durability, operability of a design of a pitchfork of the crane piler, to provide not sliding of freight.

Key words: a crane piler pitchfork, not sliding of freight, the load gripping device, a corner of a deflection, a curvilinear bar.

Baryshnikova Ol'ga Olegovna, candidate of technical sciences, docent, barysh-oo@bmstu.ru, Russia, Moscow, Moscow State Technical University of N. Bauman,

Boriskina Zjagrja Mihajlovna, candidate of technical sciences, docent, barysh-oo@bmstu.ru, Russia, Kaluga, Kaluga Branch of Moscow State Technical University of N. Bauman,

Raevski Vladimir Alexeevich, candidate of technical sciences, docent, var-77@mail.ru, Russia, Kaluga, Kaluga Branch of Moscow State Technical University of N. Bauman,

Mokin Dmitri Gennad'evich, candidate of technical sciences, docent, ded762@bmail. ru, Russia, Kaluga, Kaluga Branch of Moscow State Technical University of N. Bauman