Моделирование эксплуатационного нагружения

В процессе работы машины циклического действия (кра­на, экскаватора) элементы ее конструкции подвергаются переменному нестационарному нагружению. Этот процесс характеризует график изменения напряжений, возника­ющих в РЗ элемента при работе машины. Реальное нагружение элементов конструкций представляет собой весьма сложные случайные процессы. При расчетах в рамках СРДН или СРПС случайные процессы нагружения заменя­ются детерминированными оценками, которые строятся на основе нормативных параметров режима работы с ис­пользованием нагрузок I расчетного случая (п. 6.1). Для этого процесс эксплуатационного нагружения представля­ется в виде одного или нескольких многократно повторя­ющихся типовых циклов, которые назовем характерными технологическими циклами (ХТЦ) работы машины [2]. ХТЦ задается последовательностью движений, выполняе­мых машиной. Например, для крана он обусловлен траек­торией перемещаемого груза, для экскаватора — траекторией или последовательностью манипуляций ковша в процессе копания. Для конструкций машин нециклического действия (эскалаторы, транспортные тележки и др.) в ка­честве ХТЦ может быть рассмотрен некий период эксплу­атации, в течение которого один раз возникает наибольший размах напряжений в РЗ и в определенной последова­тельности проявляются комбинации всех эксплуатацион­ных нагрузок.

По результатам анализа работы машины можно соста­вить один или несколько (Jштук) ХТЦ. Они могут быть различны для разных РЗ. Если реальные технологические циклы работы неизвестны, то задается один ХТЦ, кото­рый строится таким образом, чтобы в РЗ создавался наибольший размах действующих напряжений. Характеристиками циклической нагруженности РЗ являются графи­ки изменения напряжений в ней в процессе выполнения ХТЦ и назначенный ресурс С, т. е. количество ХТЦ за срок службы машины.

Каждый ХТЦ создает процесс изменения напряже­ний в расчетной зоне, который можно считать блоком нагружения. Этот процесс моделируется последовательнос­тью экстремальных значений напряжений, вычисляемых по комбинациям нагрузок, возникающих в характерные моменты работы машины, в соответствии со структурой ХТЦ. То есть, например (рис. 10.7, а):

• — исходное состояние без рабочих нагрузок;

• — начало нагружения рабочего органа (отрыв груза от основания, внедрение ковша и т. д.);

• — подъем рабочего органа, торможение на подъем;

•

• — возврат в исходное состояние.

При формировании графика следует иметь в виду, что минимальные напряжения не менее важны, чем максимальные, так как интенсивность циклического нагружения РЗ обусловлена размахом напряжений. Поэтому необходимо учитывать, например, минимальные значения напряжений, возникающие при колебаниях конструкции, при изменении направления инерционных сил и пр.

Если в РЗ присутствуют существенные касательные на­пряжения, то вычисляются , действующие в той же РЗ при тех же комбинациях нагрузок, при кото­рых вычислялись т.е. наибольший максимум и наименьший минимум нормальных напряжений.

Для дальнейшего расчета необходимо произвести схематизацию процесса нагружения, т. е. разбить его на отдельные циклы. Схематизация производится только по нормальным напряжениям. Она осуществляется одним из

Рис. 10.8. Иллюстрации к схематизации по методу полных циклов

двух методов: методом полных циклов или методом «потоков дождя» («rainflow») [2].

По методу полных циклов диапазон изменения напря­жений разбивается на разряды, количество которых должно быть не менее 10-12 (на рис. 10.8, а, количество разрядов для наглядности уменьшено до 5). Для записи результатов схематизации используют корреляционную таблицу, количество строк и столбцов которой равно количеству разрядов (табл. 10.1). Далее производят последовательное выделение полных циклов, которые образуют пары рядом расположенных экстремумов. Сначала выделяют самые маленькие циклы, экстремумы которых оказались в соседних разрядах (рис. 10.8, а). При выделении каждого цикла в ячейку корреляционной таблицы, расположенную на пересечении строки и столбца, соответствующих миниму-

му и максимуму, добавляют «1». После этого выделен­ные экстремумы удаляют из графика. Далее последова­тельно выделяют и удаляют циклы, экстремумы которых оказались в трех соседних разрядах (рис. 10.8, б), потом в четырех и т. д. (рис. 10.8, в). Последним выделяют гло­бальный цикл, состоящий из самого большого максимума и наименьшего минимума. Затемненные ячейки таблицы, естественно, всегда остаются пустыми, так как для них

Циклы, полученные при схематизации ХТЦ, образуют I ступеней нагружения (1, 2,..., i,... I). Каждая ячейка таблицы несет информацию об одной ступени нагружения: максимальное напряжение , коэффициент асимметрии количество циклов z. Полученная совокупность ступеней нагружения образует блок (п. 10.1.2), который моделирует процесс нестационарного эксплуатаци­онного нагружения расчетной зоны (см. рис. 10.7, б).