Omsk, Omsk, Russian Federation
Omsk, Omsk, Russian Federation
Omsk, Omsk, Russian Federation
UDK 62 Инженерное дело. Техника в целом. Транспорт
GRNTI 55.51 Подъемно-транспортное машиностроение
The purpose of the work is to increase a capacity of a single-bucket excavator at the expense of bucket shape improvement. The improved bucket design offered will allow scooping a large soil volume without hydraulic drive characteristics changing. The effect mentioned is achieved at the expense of a cylindrical shape of a bucket rear wall. There is presented a design diagram of forces affecting an improved bucket. The computations of the improved bucket of the excavator based on tractor UMZ-6AKL allowed drawing an outline for the supposed design and obtaining dependences of a resistance moment on the bucket during scooping upon the angle of a bucket turn. The dependences of the resistance moment for the buckets with the volume of 0.25; 0.35; 0.45; 0.55; 0.65 m 3 . The improved design of the bucket will allow increasing the volume of soil scooped. In such a way, the increase of the capacity of single-bucket hydraulic excavators without hydro-drive characteristics changes is achieved.
excavator, bucket, capacity, cutting, soil
Введение
Одноковшовый экскаватор является одним из ключевых видов дорожно-строительной техники, которая применяется при строительстве различных инженерных сооружений [1-3]. Эффективность применения этих машин значительно влияет на темпы строительства и экономические показатели строительных проектов.
Традиционно при оценке производительности одноковшовых экскаваторов рассматривается объем зачерпываемого грунта, однако этот параметр напрямую зависит от характеристик используемого оборудования и имеет свои ограничения [4; 5]. В данной статье в качестве способа увеличения производительности предлагается внесение изменений в конструкцию рабочего оборудования одноковшового экскаватора.
Усовершенствование конструкции ковша
Производительность одноковшового гидравлического экскаватора определяется по зависимости [1; 6]
, (1)
где V – объем ковша, м3; kн – коэффициент, учитывающий наполнение ковша; Тц.э. –продолжительность рабочего цикла экскаватора, ч; kр – коэффициент, учитывающий разрыхление грунта; Tсм – длительность смены, ч; kв – коэффициент, учитывающий эксплуатацию экскаватора по времени в течение смены.
По итогам анализа зависимости (1) видим, что производительность увеличивается с увеличением объема ковша при высоком коэффициенте наполнения ковша и низком разрыхлении грунта. Такие факторы, как длительность смены, продолжительность рабочего цикла и коэффициент, учитывающий эксплуатацию экскаватора в течение смены, примем неизменными.
Изменение самой конструкции ковша при сохранении характеристик привода может привести непосредственно к увеличению объема ковша. В данном случае этого можно добиться путем изменения формы элементов, а также их количества. На базе ФГБОУ ВО «СибАДИ» была разработана усовершенствованная форма ковша (рис. 1), позволяющая решить обозначенную проблему [7; 8].
Эффект в данной конструкции достигается за счет цилиндрической формы задней стенки ковша, поворачивающейся вокруг оси поворота. Для доказательства эффективности предложенной конструкции проведен анализ сил и моментов сил, действующих на ковш в процессе копания.
 |
Рис. 1. Усовершенствованный ковш в 3D
Расчетная схема сил, действующих в процессе копания на модернизированный ковш, представлена на рис. 2. При ее составлении были приняты следующие допущения: 1) рассматривается статический режим без учета динамических изменений грунта в ковше; 2) силы и моменты сил сосредоточены; 3) параметры грунта зафиксированы.
Рис. 2. Расчетная схема сил, действующих на модернизированный ковш
На схеме (рис. 2) представлены следующие обозначения: Rц – сила гидроцилиндра, Н; Rк – сила тяжести ковша, Н; Rрг – сила сопротивления резанию на горизонтальной части периметра, Н; Rн – сила сопротивления наполнению ковша, Н; Rрб – сила сопротивления резанию на боковых стенках периметра, Н [9]; Rтб – сила сопротивления трению на боковых ножах, Н; l1 – расстояние от оси поворота ковша до точки T, м; l2 – расстояние от оси поворота ковша до его центра тяжести в точке Е, м; l3 – расстояние от оси поворота ковша до точки О (центра тяжести призмы грунта), м; l4 – расстояние от оси поворота ковша до самой удаленной точки D режущего периметра, м; l5 – расстояние от оси поворота ковша до самой ближайшей точки С режущего периметра, м.
Силы трения грунта с ковшом учитываются в силах Rрг, Rрб, Rн, Rтб. Проведен расчет моментов сил, оказывающих воздействие на ковш в процессе копания.
Момент силы сопротивления резанию определен по зависимости
,
где Rн – сила сопротивления на ноже, Н; Rрг – сила сопротивления резанию на горизонтальной части, Н; Rрб – сила сопротивления резанию на боковых стенках периметра, Н; Rтб – сила сопротивления трению на боковых ножах, Н [4].
Так как воздействие силы Rрб осуществляется по всей длине CD контакта грунта с ковшом, плечо силы рассчитано как среднее арифметическое расстояний l5 и l4 от оси поворота ковша до самой близкой к ней точки контакта и самой удаленной соответственно.
Момент силы гидроцилиндра определен по зависимости
.
Момент силы тяжести ковша определен по зависимости
.
Общий момент силы, создаваемый оборудованием, определен по зависимости
.
Если при определении сил сопротивления резанию и наполнению учитываются силы трения, то для реализации процесса копания необходимо соблюдение условия
,
где Моб – суммарный момент, создаваемый оборудованием, Н·м; Мр – момент сопротивлений в процессе копания, Н·м.
Для определения сил Rр, Rн примем ряд зависимостей из исследования профессора В.И. Баловнева [11]. В сечении ковш представляет собой прямоугольный периметр (рис. 3).
Рис. 3. Схема резания
Суммарная сила резания
,
где Rн – сила сопротивления резанию на ноже, Н; Rрг – сила сопротивления на горизонтальной кромке периметра, Н; Rрб – сила сопротивления на передней поверхности вертикальных кромок периметра, Н; Rтб – сила сопротивления трению на боковых ножах, Н.
;
;
;
;
;
;
;
,
где а – толщина боковой стенки ковша, м; hр – толщина резания (hр=l4–l5), м; ρ – плотность грунта, кг/м3; φ – угол внутреннего трения грунта (для грунта IV категории φ=23°), град; δ – угол трения грунта о сталь (для грунта IV категории δ=22°), град; сω – коэффициент сцепления грунта (для грунта IV категории сω≈6116 кг/м2 [10; 11]); lб – ширина призмы грунта в ковше, м; αзт – угол затупления, град; В – ширина горизонтальной кромки периметра, м; hзт – высота затупленной части, м; αн – угол наклона ножа к траектории движения ковша, град; lн – длина ножа, м; g – ускорение свободного падения, м/с2.
В качестве примера расчет по модернизации ковша проведен для экскаватора с емкостью ковша
Рис. 4. Экскаватор с емкостью ковша 0,25 м3
на базе трактора ЮМЗ-6АКЛ
На основании проведенных замеров рабочего оборудования экскаватора разработан эскиз предлагаемой конструкции ковша объемом
Рис. 5. Эскиз ковша предлагаемой конструкции объемом
устанавливаемого на экскаватор ЮМЗ-6АКЛ
При расчете приняты следующие допущения: 1) при расчете производительности экскаватора с ковшом предлагаемой конструкции по зависимости (1) все параметры, по сравнению с прототипом, остаются неизменными, кроме объема ковша; 2) расчет проводится для грунта IV категории; 3) вырезаемая ковшом призма грунта сохраняет форму, так как коэффициент разрыхления грунта стремится к 0; 4) при расчете не учитывается сила тяжести рукояти, так как процесс копания поворотом ковша менее энергозатратный; 5) осуществляется копание горизонтальной поверхности грунта.
По итогам обследования конструкции ковша были сделаны следующие выводы. Угол αн (угол наклона ножа к траектории перемещения ковша) в предлагаемой конструкции ковша совпадает с траекторией его перемещения, следовательно, αн=0. Отсутствие заострения края стенки с целью образования ножа обусловлено большими контактными давлениями при взаимодействии с материалом, что приводит к быстрому износу горизонтальной режущей части. Угол затупления αзт принят равным 90° [12-14].
С учетом изложенного получены следующие формулы:
;
;
;
;
;
.
Для определения возможного увеличения объема ковша построены зависимости суммарного момента, создаваемого рабочим оборудованием, и суммарного момента сил сопротивления копанию от угла поворота ковша. Зависимости построены для ковшей объемом 0,25; 0,35; 0,45; 0,55;
Фиксированные исходные данные:
– Rц=80380 Н; l1=0,588 м; l2=0,211 м;
– l4=0,53; sinφ=0,39; hзт=0,01 м; ρ=2500 кг/м3; cω=6116 кг/м2; ctgφ=2,36;
– sinδ=0,375; cosδ=0,927; tgδ=0,404531; δ=0,38 рад; а=0,01 м; tgφ=0,42;
– при угле поворота β=30°: hр=0,37 м; lб=0,249 м; lн=0,27 м; l3=0,394 м; l5=0,159 м;
– при угле поворота β=60°: hр=0,421 м; lб=0,444 м; lн=0,542 м; l3=0,363 м; l5=0,109 м;
– при угле поворота β=90°: hр=0,426 м; lб=0,52 м; lн=0,814 м; l3=0,337 м; l5=0,104 м;
– при угле поворота β=120°: hр=0,396 м; lб=0,52 м; lн=1,086 м; l3=0,31 м; l5=0,133 м;
– при угле поворота β=150°: hр=0,23 м; lб=0,52 м; lн=1,358 м; l3=0,28 м; l5=0,3 м.
Варьируемые параметры:
– для ковша объемом 0,25м3: Rк=1471 Н; B=0,71 м;
– для ковша объемом 0,35м3: Rк=1829 Н; B=0,1 м;
– для ковша объемом 0,45 м3: Rк=2166 Н; B=1,28 м;
– для ковша объемом 0,55 м3: Rк=2454 Н; B=1,57 м;
– для ковша объемом 0,65 м3: Rк=2861 Н; B=1,86 м.
Момент сил, создаваемый рабочим оборудованием, составляет более 47 кН·м, в зависимости от объема ковша имеет следующие значения: 1) при Vк=0,25 м3 Моб=47,573 кН·м; 2) при Vк=0,35 м3 Моб=47,649 кН·м; 3) при Vк=0,45 м3 Моб=47,72 кН·м; 4) при Vк=0,55 м3 Моб=47,781 кН·м; 5) при Vк=0,65 м3 Моб=47,867 кН·м.
На рис. 6 представлены зависимости момента силы Мр от угла поворота ковша при различных объемах ковша Vк.
Рис. 6. Зависимости момента сопротивления Мр на ковше
в процессе копания от угла поворота ковша β
Заключение
Таким образом, установлено, что увеличить объем зачерпываемого грунта действительно возможно через усовершенствование конструкции ковша. Объем при этом увеличивается без изменения характеристик гидропривода. Тем самым достигается и рост производительности одноковшовых гидравлических экскаваторов.
Что касается влияния на долговечность и надежность конструкции рабочего оборудования, то предлагаемая конструкция менее нагружена, так как в ней возникают меньшие силы сопротивления копанию, следовательно, на надежность и долговечность сварных соединений негативного влияния не будет.
1. Permyakov, V.B. Tehnologicheskie mashiny i kompleksy v dorozhnom stroitel'stve (proizvodstvennaya i tehnicheskaya ekspluataciya) / V.B. Permyakov, S.V. Mel'nik, V.I. Ivanov [i dr.]; pod red. V.B. Permyakova. - M.: BASTET, 2014. - 752 s.
2. Buryy, G.G. Greyfer sfericheskiy / G.G. Buryy, I.K. Poteryaev // Mir transporta i tehnologicheskih mashin. - 2017. - № 2. - S. 47-50.
3. Plonecki, L. A concept of digital control system to assist the operator of hydraulic excavators / L. Plonecki, W. Trampczynski, J. Cendrowicz // Automation in construction. - 1998. - № 5. - P. 401-411.
4. Zelenin, A.N. Mashiny dlya zemlyanyh rabot / A.N. Zelenin, V.I. Balovnev, I.P. Kerov. - M.: Mashinostroenie, 1975. - 424 s.
5. Landberg, L. Excavators combine compactness and power / L. Landberg // Construction equipment. - 2003. - № 8. - P. 58-59.
6. Pavlov, V.P. Rekomendacii po vyboru parametrov ekskavatornyh kovshey / V.P. Pavlov, A.N. Abramov // Transportnoe stroitel'stvo. - 1984. - № 7. - S. 35-36.
7. Pat. 2656286 Rossiyskaya Federaciya, MPK E02F 3/28. Kovsh ekskavatora sfericheskiy / Buryy G.G.; zayavitel' i patentoobladatel' Buryy G.G.
8. Zayavka 2018114378/20(022485) Rossiyskaya Federaciya, MPK E02F 3/40. Sposob kopaniya odnokovshovym gidravlicheskim ekskavatorom i odnokovshovyy gidravlicheskiy ekskavator / Buryy G.G., Scherbakov V.S.; zayavitel' Sibirskiy gosudarstvennyy avtomobil'no-dorozhnyy universitet (SibADI).
9. Sinclair, R. Hydraulic Excavators: Quarrying & Mining Applications / R. Sinclair. - London: Sinclair Publishing, 2011. - 388 p.
10. Vetrov, Yu.A. Rezanie gruntov zemleroynymi mashinami / Yu.A. Vetrov. - M.: Mashinostroenie, 1971. - 357 s.
11. Balovnev, V.I. Modelirovanie processov vzaimodeystviya so sredoy rabochih organov dorozhno-stroitel'nyh mashin / V.I. Balovnev. - M.: Vyssh. shk., 1981. - 335 s.
12. Demishcan, V. Experimental researches of the process of enterworking of the operational parts of excavators with soil / V. Demishcan // Vestnik Har'kovskogo nacional'nogo avtomobil'no-dorozhnogo universiteta. - 2008. - № 43. - S. 115-118.
13. Tarasov, V.N. Mehanika kopaniya gruntov, osnovannaya na teorii predel'nyh kasatel'nyh napryazheniy / V.N. Tarasov, M.V. Kovalenko // Stroitel'nye i dorozhnye mashiny. - 2003. - № 7. - S. 38-43.
14. Kuznecova, V.N. Obespechenie energoeffektivnosti razrabotki grunta za schet optimizacii uglov pozicionirovaniya rabochego oborudovaniya ekskavatora / V.N. Kuznecova, V.V. Savinkin // Stroitel'nye i dorozhnye mashiny. - 2015. - № 3. - S. 44-47.
