Бірінші жоба 300 мың кВт-тық қуаттылықпен жұ­мыс істеуге Ростов бөлімшесінің «Теплоэлектро­проект» институтымен құрастырылған. 1954 жылы бірінші құрылысы жүргізілді, ал 1962 жылы 4 бу қазан агрегат, 2 турбина ВК-50 іске қосылады. Қарағанды және Жезқазған облыстарының электрэнергияның берілуі 110 және 220 кВ-тік кернеу желісімен орын­далады.

Тармақты электр торабы 6 және 35 кВ-тік кернеу­мен жұмыс жасайды. Қарағанды ГРЭС-2 өз жылуын желдету-жылыту қажеттілігіне, Топар кентін сумен жабдықтауға, КСРО-ға 60 жыл атындағы совхоздағы жылыжай-парникті шаруашылығына жұмсалады.

1985 жылы Қарағанды ГРЭС-2-нің құрамына номиналды өнімділігі сағатына 220 т бу шығаратын 16 бу қазан агрегаты және жалпы қуаттылығы 658 мың кВт-ты 8 турбоагрегаты қосылды. Жылу желісінің жалпы магистральды ұзындығы 10,7 км құрады.

1984 жылы 5104,2 млн кВт/сағ электрэнергиясы мен 614,4 мың Гкал жылу энергиясын құрады.

Ұсынылған шешімнің негізгі техникалық шарт­тары келесі:

– барлық технологиялық бөлімшелерінде опера­тивті диспетчерлік байланысты жүзеге асыру;

– аумақтағы іздемелі дауыс күшейткішті байла­нысты жүзеге асыру;

– технологиялық бөлімшелер арасында тікелей да­уыс күшейткішті байланысты жүзеге асыру.

Берілетін диспетчерлік байланысы INDUSTRO­NIC фирмасы шығаратын Intron-D диспетчерлік дауыс күшейткішті байланыс жүйесінің функционалдық сұл­басы суретте көрсетілген. Intron-D жүйесінің негізіне орталық коммутационды құрылғысы (Централь) жа­тады, оған сөйлесетін құрылғылар қосылған.

Дауыс күшейткішті байланыс жүйесі диспетчерге жалпы шақыру, және де аумақты топтық шақырылу­ларды мүмкіндік береді. Өндірістік принцип бойынша топтар құрылған – оларға жеке технологиялық бөлім­шелер мен цехтердің абоненттері және де дауыс кү­шейткіштердің топтары (1 Блок, 2 Блок, ..., 6 Блок) кі­реді. Әрбір өндірістік бөлімшелерде байланыстың бір түрі диспетчерді шақыруға, ал екіншісі – бөлімшенің өзі кіретін абоненттер топтарын шақыруға арналған.

INDUSTRONIC фирмасы шығаратын DT типті диспетчерлік пульті жоғарғы машинист блогындағы мекемеде орналасқан, сонымен қатар автокөліктік бөлімше диспетчерінде және көлікті-отынды цехының алмастыру кезіндегі басқарушысында орналастырыл­ған. Пульт үстелдік қызмет атқарады, иілгіш кронш­тейнде шуды компенсациялайтын микрофон бар. Тікелей абоненттер мен топтарды шақыратын 112-ге дейін батырмалар-пульт батырмасына қосуға болады.

Әкімшілік корпуста аналогты, цифрлық және SIEMENS жүйеасты DECT телефондары орнатылған. Телефондар кез келген технологиялық учаскідегі әр түрлі сөйлесу пульті мен байланыс жасауға қолданы­лады. Сонда, СЭС INDUSTRONIC құрылғысының негізінде келесі негізгі оперативті-технологиялық байланыс функциялары іске асырылады:

– барлық сөйлесу құрылғылармен таңдамалы дауыс күшейткіш диспетчерлік байланысын;

– диспетчермен сөйлесу құрылғылардың екібағыт­ты дауыс күшейткішті бағытты дауыс күшейткішті байланысын;

– циркулярлық дауыс күшейткішті байланыспен хабарлау.

INTRON-D жүйесінің жалпы электр қорегі ішкі қоректену қайнарымен жүргізіледі. Электр қорек жүйесінің құрамы мен функциясы:

– 220 В кернеудегі қоректенетін 60 В-тық шығу кернеуі (түзеткіш модульдері);

– буферлік режимде жұмыс істейтін 12 В-тық 5 аккумуляторлық батареялар;

– батареялық сақтандырғыштар;

– терең батереяның разрядынан қорғау.

Қосылған үздіксіз қоректену көзі берілген уақыт аралығында жүйенің бас электр қорегінің жоғалған кезде жұмыс істеуге мүмкіндік береді.

Ұсынылған шешім шеңберiнде жұмыс істейтін шеткi құрылғылар және платалардың қосылу арқасын­да жүз тоқсан екі абоненттерге дейiн жүйенiң кеңей­тiлуі мүмкiн. Кеңейту қосымша жобалаусыз бірыңғай­ланған жабдықтың негiзiнде іске асады. Барлық шеткi байланыс құрылғылары сандық болып табылады және конструктивтi сандық коммуникациялық жүйесiмен тоғысқан жер бойынша бейiмделген. Осы жүйе бiр­тұтас желi болып табылады және байланыс орталығы­ның бiр жедел кезекшісімен қызмет көрсете алады.

Рассмотрим вариант виртуального комплекса (имитатора) МСАУ АЭП ГДМ, для чего представим основные положения по построению автоматизированного угледобывающего комплекса подобного типа.

В базу апостериорной информации входят: массивы ординат от датчиков наблюдаемых координат АЭП ГДМ (БАпо1); фактическое и прогнозируемое состояние системы электроснабжения шахты (БАпо2); фактическое и прогнозируемое состояние аэрогазовой среды очистного участка (БАпо3); фактическое и прогнозируемое состояние системы транспорта от очистного забоя до аккумулирующих емкостей (БАпо4); фактическое и прогнозируемое состояние АЭП ГДМ – это исторические тренды координат пространства состояний, позволяющие осуществить оценку динамической нагруженности, ресурса и надежности (БАпо5); фактическое и прогнозируемое состояние системы переработки и сбыта добываемого в очистном забое угля (БАпо6).

Блок алгоритмов и программ составляют: алгоритмы и программные средства для оценки свойств АЭП ГДМ, как многосвязных объектов управления (АП1); алгоритмы и программные средства для идентификации ненаблюдаемых координат АЭП ГДМ (АП2); алгоритмы и программные средства для идентификации параметров АЭП ГДМ (АП3); алгоритмы и программные средства для адаптации математических моделей АЭП ГДМ (АП4); алгоритмы и программные средства выработки управлений, оптимизирующих энергопотребление ГДМ (АП5); алгоритмы и программные средства выработки управлений, оптимизирующих динамическую нагруженность ГДМ (АП6); алгоритмы и программные средства обработки прерываний (АП7); алгоритмы и программные средства выработки команд на последовательность взаимодействия АЭП ГДМ (АП8); алгоритмы и программа управления АЭП ГДМ как объекта ИСУ и МСАУ (это программа – супервизор) (АП0); алгоритмы и программы отображения и хранения информации о состоянии ГДМ (АП9).

В [1] предложен вариант компьютерного имитатора для исследования режимов работы автоматизированного угледобывающего комплекса. Прошло достаточно много времени (с 2001 до 2011 гг.) и с учетом развития микроэлектроники, подчиняющейся закону Мура, есть смысл пересмотреть подходы к назначению, структуре и необходимости имитатора в настоящее время.

Во-первых, за основу следует взять тот факт, что в настоящее время технические характеристики ЭВМ как общего назначения – ПЭВМ, так и промышленного исполнения имеют объём различных видов памяти, а также быстродействие в сотни и тысячи раз более высокие, чем у принятых в имитаторе [1] – РС-486/Pentium и промышленной ЭВМ типа РС-510.

Во-вторых, если предположить, что алгоритмы синтеза оптимальных управлений, разработанные в [1], остаются как основа автоматизации угледобывающего комплекса, а их программная реализация компилируется в аналоги Ассемблерных программ, переписывается на современных языках высокого уровня, или заменяется реализациями-аналогами из специализированных пакетов прикладных программ (например, из пакета MATLAB: Real Time Windows, Power System Blockset, Control System и др.), функции супервизора возлагаются на SCADA-систему, то имитатор (функционально выполняющий те же задачи, что и в [1]), и с учетом первого замечания может работать в режиме реального времени.

В-третьих, имитатор дополняется программно-аппаратным обеспечением, позволяющим сканировать реальное состояние элементов угледобывающего комплекса, вычислять множество ранее не наблюдаемых координат, восстанавливаемых в [1] только по моделям. Элементами такого обеспечения могут быть веб-камеры, сотовые телефоны, сканеры, платы интерфейса этих и других устройств с компьютерами, а также сервисное и сетевое обеспечение для Intranet и Internet сетей.

С учетом первого, второго и третьего замечаний, функции имитатора, как средства для исследования супервизорной МСАУ и отладки программного обеспечения, могут быть изменены в сторону использования его как адаптивной модели автоматизированного угледобывающего комплекса, включенной параллельно с основной системой управления и используемой для предсказания возможных ситуаций и поиска оптимальных управлений.

На рисунках 2 и 3 приводится модификация имитатора супервизорной МСАУ как элемента адаптивной системы управления. Связь супервизорной МСАУ с имитатором и дополнительным оборудованием, упоминаемым в третьем замечании, осуществляется по отдельно выделенным и/или специальным телекоммуникационным каналам, условно показанным на рисунках 1, 2 и 3 двойными линиями. Тогда содержательный алгоритм работы подобной системы сводится к следующему:

1. Автоматизированный угледобывающий комплекс осуществляет процесс добычи угля, функционируя в рамках алгоритмов работы супервизорной МСАУ, формализованных в [1].

2. Информация от средств измерения локальных систем управления угледобывающего комплекса по выделенным и специальным телекоммуникационным каналам связи поступает в управляющую ЭВМ, первую и вторую ПЭВМ имитатора.

3. Информация от веб-камер, установленных в забое, сканируется и используется для мониторинга состояния машин в забое. Обработка информации осуществляется специализированным программным обеспечением и поступает по выделенным и специальным телекоммуникационным каналам связи в управляющую ЭВМ, первую и вторую ПЭВМ имитатора.

4. Модернизированный имитатор (изображенный на рис. 2 и 3) выполняет функции предсказывающей модели состояний автоматизированного угледобывающего комплекса по комплексу технико-экономиче­ских показателей и позволяет в реальном времени оценить вероятностную цену возможных решений и предложить эти решения супервизору МСАУ ГДМ.

Рисунок 1 – Структура супервизорной МАСАУ ГДМ

Рисунок 2 – Структура аппаратного и программно-алгоритмического обеспечения ведущей ПЭВМ

в имитаторе с МСАУ ГДМ

Рисунок 3 – Структура аппаратного и программно-алгоритмического обеспечения ведомой ПЭВМ

в имитаторе с МСАУ ГДМ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Фешин Б.Н. Супервизорные многосвязные системы управления электротехническими комплексами горных предприятий. Алматы: Гига Трейд, 2011. 232 с.

УДК 681.5.015

Разработка модели для исследования системы «питающая сеть – тиристорный преобразователь – нагрузка» чистовых клетей НШПС-1700

В.М. ДРУЖИНИН, магистрант кафедры АПП, Карагандинский государственный технический университет, Г.А. СИВЯКОВА, к.т.н., доцент кафедры ЭиАТС, Карагандинский государственный индустриальный университет

Ключевые слова: модель, тиристорный преобразователь, нагрузка, питающий, сеть, электропривод, прокатный стан, клеть, коэффициент, мощность.

Прокатное производство в АО «АрселорМиттал Темиртау» начинается с листопрокатного цеха № 1, где формируется рулонная продукция комбината. Основными потребителями электроэнергии цеха являются привода непрерывного широкополосного стана 1700 горячей прокатки: черновой группы из пяти клетей (синхронные двигатели) и чистовой группы из 12 клетей (привод постоянного тока, построенный по системе ТП-Д). Нагрузка приводов резкопеременная, что вызывает просадки напряжения на высокой стороне переменного тока питающей сети.

К особенностям работы тиристорного электропривода с точки зрения его влияния на питающую сеть можно отнести следующее. Величина потери напряжения [1]:

(1)

где ΔPr – активная составляющая мощности;

ΔQx – реактивная составляющая мощности.

С увеличением реактивной мощности возрастают потери напряжения в сети и снижается активная мощность. Увеличение передаваемой реактивной мощности вызывает также рост потерь реактивной мощности и общее увеличение реактивной мощности в системе, а техническая возможность выработать дополнительную реактивную мощность в системе электроснабжения листопрокатного цеха № 1 отсутствует.

Еще одной проблемой, связанной с увеличением потери напряжения из-за увеличения реактивной мощности, является снижение напряжения у электроприёмников, что при неизменном значении мощности электроприёмников приводит к увеличению токов и снижению пропускной способности всех элементов системы. Учитывая, что снижение напряжения в сети обычно связано с недостатком реактивной мощности, опасения, связанные с использованием тиристорных электроприводов, не беспочвенны. Ток, потребляемый выпрямителем из сети, является суммой тока нагрузки в цепи постоянного тока и тока для покрытия потерь в трансформаторе. Кроме тока основной гармонической составляющей, он содержит еще токи высших гармонических составляющих, которые приводят к несинусоидальности его формы. Содержание высших гармонических составляющих токов зависит от схемы тиристорного выпрямителя. Порядок гармонических составляющих можно выразить формулой [4]:

n = km ± 1, (2)

где п – порядковый номер высшей гармоники;

к = 1, 2, 3 и т.д.;
т – кратность частоты пульсаций выпрямленного напряжения (число пульсаций за период).

Из этого выражения видно, что с увеличением кратности частоты пульсаций выпрямленного напряжения ограничивается число высших гармонических и их влияние на сеть переменного тока. У выпрямительных установок чистовых клетей стана кратность составляет т = 12. Данные установки имеют два трехфазных моста, фазовый сдвиг между которыми равен 30°.

Модель двенадцатипульсной системы «тиристорный преобразователь – активно-индуктивная нагрузка», построенная с помощью программно-моделирую­щего комплекса «MatLAB», приведена на рисунке 1.

Силовая цепь состоит из вторичной цепи силового трансформатора и реактора, расположенных на подстанции ГПП-1А АО «АрселорМиттал Темиртау», трехобмоточного силового трансформатора, силового моста тиристорного преобразователя. Модель системы импульсно-фазового управления, преобразована из стандартной для пакета шестипульсной СИФУ в двенадцатипульсную и обозначена как «Synchronized 12-Pulse Generator». Модель системы управления состоит из операционных усилителей «Gain 1», «Gain 2», дискретного интегратора «Discrete-Time Integrator», суммирующего устройства «ADD 1». Данные блоки вкупе организуют дискретный регулятор с «ПИ» структурой.

Для синхронизации системы импульсно-фазового управления с питающей сетью в модели использован сторонний трёхфазный источник с чисто активной нагрузкой «Three-Phase Series RLC Load» для предотвращения влияния гармонических составляющих на процесс синхронизации. Нагрузкой моста является блок, отражающий её активно-индуктивный характер – «Series RLC Branch3». Средствами измерения являются виртуальные осциллографы «Scope 1», «Scope 2»,

Рисунок 1

«Scope 3», «Scope 4», «Scope 5», контролирующие соответственно ток по высокой стороне по фазам питающей сети; напряжение и ток фазы А; угол управления в градусах; ток и напряжение по стороне постоянного тока. Возмущение в виде токового сигнала задается с помощью блока ступенчатого задания «Step». Для снятия сигналов, пропорциональных току и напряжению в силовой цепи, использованы виртуальные датчики тока и напряжения. Блок «Rectifer», в соответствии с рисунком 2, состоит из двух мостов Ларионова, включенных параллельно друг другу; в качестве уравнительных применены индуктивности с бесконечно малыми значениями сопротивления.

Рисунок 2

Уравнительные дроссели используются для необходимого в таких случаях согласования групп моста «у» и моста «d», обозначенных так в соответствии с группой соединения обмоток силового трансформатора – «звезда» и «треугольник».

Модель системы импульсно-фазового управления в развёрнутом виде показана на рисунке 3. Как видно из рисунка, система управления стандартная, и представляет собой систему управления вертикального типа. Интеграторы опорного пилообразного напряжения имеют наклон, пропорциональный частоте питающего напряжения. Сброс интеграторов осуществляется опорными синусоидами напряжения, сформированными соответственно для напряжений группы «звезда» и «треугольник».

Далее по схеме происходит векторное разделение управляющих импульсов и, по необходимости, выработка второго подтверждающего импульса управления. Угол между основным и подтверждающим импульсами и необходимость установки сдвоенного импульса устанавливаются в маске блока СИФУ. Нуль-органом является компаратор со входом «alfa_deg» – «RAMP>alfa». Сброс опорных синусоид осуществляется при переходе через «ноль» соответствующей опорной синусоиды напряжения.

Процесс моделирования для системы был проведен при набросе задания различных значений тока, причем наброс задания формировался в момент времени 0,4 с.

Рисунок 3

Полученные формы тока и напряжения сети на осциллографе 2 (см. рисунок 4) наиболее интересны, т.к. дают представление о свойствах тиристорного преобразователя со стороны высшего напряжения, что достаточно редко рассматривается в литературе. Помимо несинусоидальности тока, просматриваемой на рисунке 4, имеется смещение тока относительно напряжения примерно в 90 электрических градусов. Изменение угла управления, снятого осциллографом 3, приведено на рисунке 5. До скачка задания угол управления составлял в среднем 90 град. В момент времени 0,4 с произошёл скачок задания, в результате чего угол управления снизился до значения ограничения минимального угла (30 град), а при достижении значения уставки вернулся к значению в ~ 70 град. Таким образом, можно предположить, что угол отставания тока от напряжения, а значит, и потребление реактивной составляющей тока в большей мере зависит от угла управления, но для этого необходимо провести дополнительные исследования.

Величина реактивного тока зависит от высокочастотной составляющей напряжения и несинусоидальности тока.

Высокочастотная составляющая напряжения обусловлена коммутационными процессами в тиристорах при индуктивном характере нагрузки, когда протекание тока в одном из тиристоров ещё не прекращено, а в другом тиристоре уже началось. В этих случаях возникают мгновенные короткие замыкания, приводящие к просадке напряжения (см. рисунок 6).

Рисунок 4

Рисунок 5

Рисунок 6

Как видно из рисунка 6 (обведенные кругами участки), снижение напряжения не очень велико, так как частично его сгладила индуктивность самого трансформатора.

Незначительное изменение угла управления при значительном изменении тока (с 1000 до 5000А) можно объяснить тем, что в модели использовали активно-индуктивную нагрузку, в то время как реальный двигатель постоянного тока имеет ещё и противо-ЭДС, пропорциональную частоте вращения в первой зоне регулирования. Ток якоря в этом случае создаётся не только за счет падения напряжения на активной составляющей сопротивления якоря, но и за счёт установившейся разности напряжения и ЭДС. Отсюда следует, что чем ближе скорость привода постоянного тока к номиналу, тем меньше значение угла управления и тем ниже потребление реактивной мощности тиристорным преобразователем.

Заправка полосы в чистовую группу клетей стана происходит в зависимости от толщины полосы и ее температуры на скорости, соответствующей 20-50 % скорости прокатки, т.е. все ударные нагрузки приходятся на период, когда угол управления близок к минимальному. Наброс тока при захвате полосы в клеть происходит при значительной ЭДС двигателя. Так как режим установившийся, то изменение угла управления, необходимое для этого, не очень значительное. Это объясняется тем, что изменение тока на активной составляющей сопротивления якоря происходит примерно по закону Ома для участка цепи, а значение сопротивления якоря очень мало. Однако при определении cosφ₍₁₎ (коэффициента сдвига фазы первой гармоники тока питающей сети i₍₁₎ относительно питающего напряжения) необходимо учесть угол коммутации γ, который показан на рисунке 7.

Функция определения коэффициента сдвига будет иметь вид [5]:

cosφ₍₁₎ ≈ cos(α + γ/2). (3)

Активная мощность, потребляемая приводом, характеризуется потреблённым активным током привода и подведённым напряжением. Отношение активной мощности к полной у выпрямительной установки определяется соотношением [5]:

(4)

где Р – активная мощность, Вт;

S – полная мощность, ВА;
U – действующее значение напряжения сети, В;
I₁ – действующее значение тока основной гармоники, А;
Iv – сумма действующих значений токов высших гармоник, А;
cos λ – общий коэффициент мощности.

Рисунок 7

При некотором приближении можно не пользоваться значением Iv, тогда отношение мощностей будет равно величине только коэффициента мощности основной гармоники cosφ₍₁₎.

Таким образом, разработанная модель может использоваться для анализа процессов, происходящих в системе «тиристорный преобразователь» – «питающая сеть» для оценки их взаимного влияния друг на друга.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Постников Н.П., Рубашов Г.М. Электроснабжение промышленных предприятий. Л.: Стройиздат. Ленинградское отделение, 1989. 352 с.

2. Справочник по проектированию электрических сетей и электрооборудования / Под ред. В.И. Круповича, Ю.Г. Барыбина, М.Л. Самовера. Л.: Энергия, 1981.

3. Вешеневский С.Н. Характеристики двигателей в электроприводе. М.: Энергия, 1977. 432 с.

4. Справочник по преобразовательной технике / Под ред. И.М. Чиженко. Киев: Технiка, 1978. 447 с.

5. Основы промышленной электроники / Под ред. В.Г. Герасимова. М.: Высш. шк.: Энергия, 1986. 336 с.

УДК 621:681.5:681.31

Исследование контактных напряжений на основе ПК ANSYS

Г.Т. ДАНЕНОВА, к.т.н., доцент, Б.Х. ШОДЫРОВА, ст. преподаватель, А.А. МАХЛЯЙД, магистрант ВТМ-10, Карагандинский государственный технический университет, кафедра САПР

Ключевые слова: контактная задача, CAD/CAM/СAE, система, компьютерные технологии, конечно-элементная модель, контакт, напряжение, анализ, сварная конструкция, равновесное состояние.

Контактные задачи относятся к классу задач, для которых до настоящего времени не имеется точных решений методами теории упругости и теории пластичности. Решение этих задач методами сопротивления материалов приводит к весьма приближенным результатам.

Благодаря применению компьютерных технологий и развитию численных методов возможности расчета напряжений и деформаций, в том числе и контактных, в деталях машин существенно расширились. Программа ANSYS поддерживает три контактные модели: узел с узлом, узел с поверхностью и поверхность с поверхностью. Каждый тип модели использует разные типы контактных элементов. Конечно-элементная модель распознает контактную пару по наличию контактных элементов, которые накладываются на те части модели, которые будут анализироваться на взаимодействие. Для формирования контактной пары эти элементы используют понятия «целевая поверхность» и «контактная поверхность». Для определения двумерных контактных пар используются конечные элементы TARGE169, CONTA172, для трехмерных контактных пар – TARGE170, CONTA174.

Основными этапами для выполнения контактной задачи «поверхность в поверхность» являются:

– создание геометрической модели и разбиение её на элементы;

– определение контактных пар;

– определение поверхностей контакта и мишени;

– определение поверхности мишени;

– определение контактной поверхности;

– установка ключевых опций элемента и вещественных констант;

– определение/управление перемещением поверхности мишени;

– применение необходимых граничных условий;

– определение опций решения и этапов нагружения;

– решение контактной задачи;

– просмотр результатов.

С использованием данного алгоритма была разработана методика решения контактных задач на основе метода конечных элементов в ПМК ANSYS [1]. Данная методика была опробирована на контактных задачах, решение которых получено классическими методами механики. Рассмотрим одну из таких задач: взаимодействие двух цилиндров с параллельными осями.

Решение задач контакта типа «поверхность-повер­хность» представляет собой нелинейный анализ с возможностью учета больших деформаций. Впервые Г. Герц рассматривает поведение осесимметричных объектов, находящихся в контакте.

Рассмотрим взаимодействие двух цилиндров с параллельными осями. Через два одинаковых стальных цилиндра длиной 200 мм передается равномерно распределенная нагрузка интенсивностью 500 кг/мм. Необходимо определить наибольшее напряжение по поверхности соприкасания, если диаметры цилиндров 70 мм [2].

Для расчета наибольшего напряжения необходимо построить модель цилиндров по исходным геометрическим параметрам. Произвести разбиение стальных цилиндров. Далее жестко закрепляем основания цилиндров и прикладываем равномерно распределенную нагрузку вдоль образующих цилиндров на боковых поверхностях. После разбиения размеры элементов на линии нагружения составляют порядка 9 мм, поэтому величина приложенной нагрузки будет рассчитана следующим образом: и составляет 4250 кг соответственно.

Моделирование в программном комплексе ANSYS позволяет вести построение моделей и осуществление операций в любой другой системе измерений, отличной от международной. Следовательно, нет необходимости осуществлять перевод в систему СИ.

Результаты моделирования нагружения стальных балок представлены на рисунке 1. По шкале максимальное напряжение по критерию фон Мизеса составляет около 100 кг/мм².

Полученный расчетный результат 989 673·10³ Па и результат автоматизированного анализа в програм­мном комплексе 100 кг/мм² (в системе СИ 981 000·10³ Па) имеют небольшое расхождение 0,8 %.

Несмотря на то, что максимальное напряжение достаточно велико, это не разрушение материала в зоне контакта.

Рисунок 1 – Распределение напряжений стальных балок

Рассмотрим задачу возникновения контактных напряжений, возникающих на поверхности вала в процессе работы системы «вал-втулка».

Геометрическая модель системы «вал-втулка» представлена на рисунке 2.

Материал – сталь, модуль Юнга Е = 2*10⁵ МПа, коэффициент Пуассона ν = 0,3.

Решение проводилось в уточненной нелинейной постановке с учетом упругопластического деформирования материала и контактного взаимодействия поверхностей деталей. Решение нелинейных задач осуществляется шагово-итерационным методом последовательных нагружений. Для уточнения решения используется модифицированный метод Ньютона-Рафсона, в котором матрица тангенциальной жесткости обновляется на каждом шаге решения, но не меняется при выполнении равновесных итераций.

а) б)

Рисунок 2 – Геометрическая модель системы «вал-втулка»

Рисунок 3 – Концептуальная модель системы «вал-втулка»

Данная задача демонстрирует нахождение равновесного состояния при изначальном проникновении двух тел (металлического цилиндра и пластины). Контактирующими поверхностями здесь являются образующая поверхность цилиндра и образующая поверхность цилиндрического отверстия.

Контактирующими поверхностями здесь являются внешняя образующая поверхность вала и внутренняя образующая поверхность втулки.

В качестве эквивалентных напряжений использовались эквивалентные напряжения по Мизесу.

На рисунке 4 представлены результаты моделирования напряженно-деформированного состояния системы «вал-втулка» при посадке с натягом.

Результаты проведенных исследований показали, что в зоне контакта возникают значительные напряжения, превышающие предел допустимых. Природа этого явления заключается в высоком уровне концентрации напряжений около нагруженного отверстия, где в зоне максимальных окружных напряжений имеется коррозия трения, связанная с механическим истиранием поверхностей.

Для увеличения долговечности шарнирных соединений следует учитывать технологические факторы: дорнирование, посадку с натягом, антикоррозийное покрытие, смазку.

Таким образом, предложенная методика компьютерного анализа контактных напряжений является еще одним шагом на пути к точному моделированию шарнирных конструкций.

Рисунок 4 – Эпюра напряжений по Мизесу

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Нургужин М.Р., Даненова Г.Т., Городилова О.О., Самарцев М.Г., Рейтаров О.В., Горлов С.С., Райц Н.Р. Об опыте применения ANSYS в задачах механики сплошных сред // Сб. тр. четвертой конф. пользователей программного обеспечения CAD-FEM GMBH. М., 2004.

2. Сб. задач по сопротивлению материалов / Под ред. В.К. Качурина. М.: Наука, 1972. 432 с.


УДК 622.24

Некоторые результаты исследования работы трубчатых анкеров с уширениями, образованными с помощью расширяющегося материала

К.С. КАКЕНОВ, к.т.н., профессор, Карагандинский экономический университет Казпотребсоюза

Ключевые слова: анкер, устройство уширения, грунт, трубобетонные сваи, несущая способность.

Существующие методы расчета анкерных фундаментов не позволяют с достаточной точностью определить несущую способность трубчатых анкеров с уширениями, образованными при помощи расширяющегося материала.

Анкерные фундаменты широко используются при строительстве опор ЛЭП, гидротехнических сооружений, вантовых покрытий, метрополитенов, подземных транспортных проездов и т.п. Использование анкерных фундаментов взамен традиционных позволяет значительно сократить сроки строительства и снизить его материалоемкость и стоимость [1].

В настоящее время в странах СНГ и за рубежом для анкерования гидротехнических сооружений, возводимых в мягких грунтах, широкое распространение получили трубчатые анкера. Анкера этой системы состоят из трубы и вставленного в нее напрягаемого элемента. Труба с помощью цементного раствора закрепляется в грунте.

Наиболее эффективным способом повышения несущей способности анкерных фундаментов является устройство уширения [2]. Широкое распространение получили трубобетонные сваи с камуфлетным уширением.

Исследование характера деформации оснований анкерных фундаментов показывает, что при любой относительной глубине заложения нарушение равновесия происходит в виде сдвига одной части грунта относительно другой, остающейся неподвижной. Образующиеся в момент нарушения равновесия поверхности скольжения имеют криволинейное очертание. Опытами установлено, что непосредственно над фундаментом образуется уплотненная область грунта, которая является жестким телом. При перемещении фундамента на поверхности уплотненной области грунта возникает пассивное давление, которое вызывает в окружающем грунте состояние предельного равновесия.

Форма уплотненной области грунта и распределение предельного давления на ее поверхности могут быть определены путем решения смешанной задачи теории предельного равновесия и теории линейно деформируемой среды. Однако решение задач в такой постановке является сложным и трудоемким процессом. Поэтому для практических целей необходимы более простые методы определения несущей способности оснований трубчатых анкеров.

Рассмотрим решение задачи по определению предельной нагрузки по устойчивости трубчатого анкера с уширением диаметром 2·r, расположенного на глубине h в песчаной среде. Решение основано на допущении упрощенного очертания уплотненной области грунта и линий скольжения.

Для исследования предельного равновесия среды будем рассматривать условие на элементарной площадке в виде

(1)

где τ и σ – касательная и нормальная компоненты напряжений на рассматриваемой площадке;

φ – угол внутреннего трения;
с – удельное сцепление грунта.

Отсюда площадками скольжения в каждой точке среды будут площадки, на которых выполняется данное условие. Одним из условий предельного равновесия при пространственной осесимметричной деформации является соотношение:

(2)

где σ₁ и σ₃ – наибольшее и наименьшее главные напряжения.

Так как в нашем случае деформация среды направлена по оси симметрии, то δ₁ = δ₃. Определив δ, вычисляют величины нормальных и касательных составляющих напряжений, действующих на площадке.

В рассматриваемом методе расчета несущей способности песчаного основания принята прямолинейная граница уплотненной области грунта, хотя в действительности она криволинейная. Однако данное допущение не снижает точности рассматриваемого решения.

Опуская подробные выкладки, приведем окончательное выражение для определения предельной нагрузки по устойчивости, соответствующей данной схеме деформации основания:

(3)

^где

Здесь G₁ – вес уплотненной области грунта;

G₂ – собственный вес трубчатого анкера;
 – плотность грунта.

Полученное аналитическое выражение (3) определения несущей способности трубчатого анкера с уширением сравнивалось с опытными данными других авторов. Расчетные и опытные данные хорошо согласуются между собой.

Были проведены экспериментальные исследования, основной целью которых являлось изучение характера деформаций, распределения напряжений и определение предельной несущей способности трубчатых анкеров с уширениями при вертикальной выдергивающей нагрузке. Опыты проводились с песком и эквивалентной массой (аналог связного грунта).

Достижение поставленных целей при выполнении экспериментальных исследований в натурных условиях требует значительных материальных затрат. В связи с этим исследования проводились в лабораторных условиях на моделях в разборном металлическом лотке.

Для измерения напряжений в грунте использовались мессдозы МК и тензометрическая станция СИИТ-3. Модели анкеров выполнялись из стальных трубок диаметром 16, 25 и 30 мм, а в качестве грунтового основания служил эквивалентный материал. Результаты проведенных исследований на моделях трубчатых анкеров показали, что несущая способность анкера с уширением увеличивается по сравнению с трубчатым анкером без уширения в 2,4-3,5 раза. Боковая поверхность трубчатого анкера воспринимает 28-37 %, а уширение – 63-72 % от общей нагрузки.

Кроме того, проводились исследования на крупномасштабных моделях уширений в виде круглых жестких штампов на выдергивающую нагрузку в плотном песчаном основании. Модели уширений трубчатых анкеров имели следующие размеры: диаметр – 150, 300 и 450 мм; высота – 50 мм; глубина заложения уширения – 1500 мм.

На основании проведенных исследований на крупномасштабных моделях в песке при выдергивании можно сделать следующие выводы:

1. Относительно небольшая величина перемещения штампа и близкая к линейной зависимость перемещения от нагрузки свидетельствуют о возможности

повышения нагрузки на плотное песчаное основание.

2. Над поверхностью штампа при выдергивании образуется уплотненная зона грунта, которая совпадает с эпюрой контактных напряжений. При возрастании выдергивающей нагрузки на штамп седлообразная форма эпюры контактных напряжений трансформируется в параболическую.

3. Экспериментальные исследования показали, что условия моделирования предельной несущей способности песчаного основания при выдергивании штампа соблюдаются достаточно хорошо. Это свидетельствует о возможности переноса на натурные анкерные фундаменты результатов исследования на крупномасштабных моделях.

4. Опытные предельные нагрузки на выдергивание жестких штампов хорошо согласуются с расчетными.

На основании проведенных теоретических и экспериментальных исследований был разработан инженерный метод расчета по несущей способности трубчатых анкеров с уширениями. Расчет грунтового основания производится исходя из условия:

N = F / K_{н ,} (4)

где N – расчетная нагрузка на основание, кН;

F – несущая способность основания, кН;
К_н – коэффициент надежности.

Величина F для трубчатых анкеров с уширениями определяется по формуле:

F = Р_пред + Т_{бок пред}, (5)

где Р_пред – предельное сопротивление грунта по боковой поверхности ствола трубчатого анкера, кН.

Величина Р_пред определяется по формуле:

(6)

где – площадь условного фундамента с учетом образования уплотненного грунтового ядра, м²;

h₁ – глубина заложения уширения трубчатого анкера, м;
_o – расчетная объемная плотность грунта, кН/м³;
c – удельное сцепление грунта, кПа;
А_к, В_к, С_к – коэффициенты, определяемые по СНиП 2.02.03-85 в зависимости от расчетного угла внутреннего трения ;
Т_{бок пред} – определяется согласно СНиП 2.02.03-85.

Диаметр условного фундамента D_усл определяется по формуле:

(7)

где h_уш – высота уширения трубчатого анкера, м.

Величина Т_{бок пред} может не учитываться при расчете несущей способности трубчатых анкеров (пойдет в запас прочности). Величина К_н принимается равной 2.

За расчетную силу сопротивления трубчатого анкера с уширением принимается меньшее из двух значений N и F_a, которое определяется из выражения (3).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Федоренко А.И. Теоретические основы устойчивости горных выработок // Горный информационно-аналитический бюллетень / Моск. гос. горн. ун-т. 2005. № 9. С. 235-237.

2. Патент РК N 2000/ 0921.1. Способ возведения трубчатой буронабивной анкерной сваи / Какенов К.С., Плотников В.М., Беляев В.В. Астана, 2011.

4  2011