сотрудник
Омск, Омская область, Россия
Омск, Омская область, Россия
Омск, Омская область, Россия
УДК 62 Инженерное дело. Техника в целом. Транспорт
ГРНТИ 73.49 Прочие виды транспорта
Проведен сравнительный анализ сил сопротивления копанию, действующих на серийный ковш экскаватора и ковш цилиндрической формы. В статье представлена актуальность темы повышения производительности одноковшовых гидравлических экскаваторов. Рассмотрена конструкция серийного ковша объемом 0,25 м3 и предложенного ковша новой конструкции того же объема. В статье рассмотрены силы, действующие на ковши двух конструкций в процессе копания. Проведён расчет сил, действующих на ковши двух конструкций в процессе копания грунта IV категории. Расчет проведен для трёх наиболее нагруженных положений ковша в процессе копания. Представлены зависимости сил сопротивлений копанию, действующих на ковши, проведен их анализ.
экскаватор, ковш, момент силы, производительность, копание, грунт, гидроцилиндр
Введение
Одной из самых востребованных машин, применяемых в строительстве, является одноковшовый гидравлический экскаватор. Данная машина используется при подготовке земляного полотна под строительство зданий, дорог, мостов и других инженерных сооружений. На строительство закупается техника исходя из объема работ. Одним из способов сокращения единиц техники, тем самым снижения затрат на ее приобретение является повышение производительности машины. Производительность данных машин во многом зависит от объема ковша, однако он зависит от характеристик гидропривода. Увеличение объема ковша вынуждает устанавливать более дорогой привод с более высокими характеристиками. В работе рассматривается ковш цилиндрической формы, при копании которым возникают меньшие силы сопротивления в отличие от серийного. Это позволит устанавливать ковш большего объема без изменения характеристик гидропривода и тем самым увеличить производительность одноковшовых гидравлических экскаваторов. Для подтверждения этой гипотезы проведен сравнительный анализ ковша серийного производства и ковша цилиндрической формы.
Основная часть
Для проведения анализа в качестве примера рассмотрен экскаватор на базе трактора ЮМЗ-6АКЛ рис. 1.
Для определения сил сопротивления копанию необходимо знать геометрические параметры ковша. Эскиз серийного ковша представлен на рис. 2.
На основании анализа конструкции рабочего оборудования экскаватора был разработан эскиз цилиндрического ковша объемом
Рис. 1. Экскаватор с емкостью ковша
Для расчетов моментов сил, действующих на ковши, представлены схемы сил, действующих на ковши в процессе копания (рис. 4).
На схемах изображены векторы сил, создаваемых гидроцилиндрами поворота ковшей Fц, Н; Fк – силы тяжести ковшей, Н; Fрг – силы сопротивления резанию на ножи с прямым углом затупления, Н; Fн – силы сопротивления наполнению ковшей, Н; Fнз – силы сопротивления на лезвиях ножей, Н; Fрб – силы сопротивления резанию на боковых стенках периметров ковшей, Н; Fтб – силы сопротивления трению на боковых ножах, Н; l1 – расстояния от осей поворота ковшей до точек T, м; l2 – расстояния от осей поворота ковшей до центров тяжести в точках Е, м; l3 – расстояния от оси поворота ковшей до точек О (центров тяжести призм грунта), м; l4 – расстояния от осей поворота ковшей до точек D режущего периметра, м; l5 – расстояния от осей поворота ковшей до точек С режущего периметра, м; l6 – расстояния от осей поворота ковшей до точек К зуба, м; l7 – расстояния от осей поворота ковшей до точек А, м [8, 10, 15].
а)
б)
Рис. 2. Эскиз серийного ковша емкостью 0,25 м3: а) вид сзади; б) вид сбоку в разрезе
Момент сил сопротивления копанию для цилиндрического ковша определяется по зависимости (1), для серийного ковша по зависимости (2)
; (1)
. (2)
В цилиндрической конструкции ковша силы Fн и Fрг действуют на нож, точки которого равноудалены от оси поворота и находятся на расстоянии l4. В серийном ковше точки ножа на линии DК на разном расстоянии от оси поворота. В связи с этим сила Fнз будет воздействовать на плечо, равное среднему арифметическому расстояний l4 и l6. Сила Fрб воздействует на участок CК глубины резания, соответственно плечо действия силы принято от оси поворота ковша до середины участка CК. Сила Fтб воздействует по площади контакта грунта с боковой стенкой. Плечо этой силы – расстояние l3 от оси поворота до центра тяжести грунта в ковше. Для силы Fн плечо принять равным среднему арифметическому расстояний l6 и l7.
Для определения сил сопротивления копанию использованы зависимости Баловнева В. И. Зависимости приведены для прямоугольного периметра ковша (рис. 5).
Рис. 3. Эскиз цилиндрического ковша объемом
а)
б)
Рис. 4. Схемы сил, действующих в процессе копания на ковш: а) серийный ковш; б) цилиндрический ковш
Рис. 5. Прямоугольный периметр ковш
; (2)
; (3)
; (4)
; (5)
; (6)
; (7)
; (8)
; (9)
; (10)
, (11)
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); lб – ширина призмы грунта в ковше, м; αзт – угол затупления ножа к траектории движения ковша, град.; Вк – ширина стенки ковша, м; Вз – суммарная ширина зубьев, м; hзт – высота затупленной части, м; αн – угол наклона стенки к траектории движения ковша, град.; αнз – угол наклона зуба к траектории движения ковша, град.; lн – длина стенки, м; lнз – длина зуба, м; g – ускорение свободного падения, м/с2 [3, 4, 11, 12, 13, 14].
Расчеты проведены для копания горизонтальной поверхности грунта IV категории, к которой относятся тяжелый суглинок и глина.
Расчет цилиндрического ковша выполнен с определенными допущениями. Траектория перемещения ножа имеет круглую форму, что совпадает с формой самого ковша, αн=0°. Режущая кромка не имеет заострения, так как более тонкая поверхность быстрее подвергается износу. Следовательно, αзт=90°. У серийного ковша (рис. 4а) зуб имеет затупление в точке D с углом к траектории движения αзт=50°. При расчете серийного ковша рассматривался грунт в объеме плоскости АZKC (рис. 4а); Fн, Fрб и Fтб угол αн равен углу между линией KA и касательной к траектории поворота ковша (рис. 4а). При расчете силы Fн длина ножа lн равна длине линии AZK. Это допущение о том, что давление на грунт оказывает только ковш. Сила, создаваемая гидроцилиндром поворота ковша, равна 80380 Н.
Наибольшее сопротивление копанию на ковше создается при угле β≤80°, при повороте ковша на угол β>80° сопротивление на ковш уменьшается и создается весом грунта в ковше и силами трения грунта о ковш [5, 6, 7, 9].
При расчете сил Fнз и Fрг, ширина В принималась равной средней ширине зуба, помноженной на 4, т.е.
При расчете серийного ковша было учтено, что гидроцилиндр поворота ковша воздействует на систему рычагов в точке А (рис. 6), сила Fц в точке T была найдена из уравнения суммы моментов относительно точки О (12)
. (12)
Рис. 6. Расчетная схема механизма поворота серийного ковша
В качестве примера представлен расчет для углов β поворота ковша 30°, 60°, 90°.
Для определения параметров: hр; l5; l3 использовался программный продукт Компас-3D. Для проведения расчетов использовался программный продукт Microsoft Visual Basic, были введены следующие исходные данные:
Для серийного ковша:
Фиксированные параметры: l1=0,36 м, l2=0,545 м, Fк=1399 Н;
l4=1м, sinφ=0,39, hзт=0,011 м, ρ=2500 кг/м3, сω=6116 кг/м2, ctgφ=2,36,
sinδ=0,375, cosδ=0,927, tgδ=0,4, αзт=0,87рад., а=0,014м, tgφ=0,42, Bз=0,32м, Вк=0,7м, l6=0,88м, lнз=0,182м; αнз=0,82рад.
Варьируемые параметры:
при β=30о: Fц=123154Н, hр=0,528м, l5=0,523м, l3=0,72м, αн=0,59рад., lн=0,293м, l7=0,793м, lб=0,266м;
при β=60о: Fц=123902Н, hр=0,786м, l5=0,265м, l3=0,613м, αн=0,72рад., lн=0,698м, l7=0,763м, lб=0,658м;
при β=90о: Fц=123154Н, hр=0,817м, l5=0,187м, l3=0,547м, αн=0,8рад., lн=1,062м, l7=0,658м, lб=0,938м.
Для цилиндрического ковша:
Фиксированные параметры:
l4=0,53; sinφ=0,39; hзт=0,01м; ρ=2500кг/м3; cω=6116кг/м2; ctgφ=2,36;
sinδ=0,375; cosδ=0,927; tgδ=0,404531; δ=0,38рад; а=0,01м; tgφ=0,42, B=0,71м.
Варьируемые параметры:
при β=30о: hр=0,37м; lб=0,249м; lн=0,27м; l3=0,394м; l5=0,159м;
при β=60о: hр=0,421м; lб=0,444м; lн=0,542м; l3=0,363м; l5=0,109м;
при β=90о: hр=0,426м; lб=0,52м; lн=0,814м; l3=0,337м; l5=0,104м.
На рис. 7 представлены результаты сравнительного анализа моментов сил сопротивления копанию на серийном ковше и цилиндрическом ковше.
Рис. 7. Зависимости момента сил сопротивления копанию Мр на ковшах в процессе
копания от угла поворота β
На серийном экскаваторе помимо гидроцилиндра поворота ковша в копании участвуют гидроцилиндры поворота рукояти. Для экскаватора на базе трактора ЮМЗ-6АКЛ с емкостью ковша
Заключение
В работе проанализированы моменты сил, воздействующие на ковш объемом 0,25 м3 серийной конструкции и цилиндрического ковша. Сравнительный анализ показал, что моменты сил сопротивлений копанию на серийном ковше значительно больше, чем на цилиндрическом ковше. Таким образом, появляется возможность установки ковшей большего объема без изменения гидропривода, что ведет к повышению производительности одноковшовых гидравлических экскаваторов.
1. Патент РФ №2656286, МПК Е02F 3/28. Бурый Г. Ковш экскаватора сферический; заявитель и патентообладатель Бурый Г. Г.
2. Бурый Г.Г., Щербаков В.С., Скобелев С.Б., Ковалевский В.Ф. Совершенствование конструкции ковша гидравлического экскаватора // Вестник СибАДИ. 2019. №3. С. 202-213.
3. Баловнев В. И. Моделирование процессов взаимодействия со средой рабочих органов дорожно-строительных машин. М.: Высшая школа, 1981. 335 с.
4. Зеленин А.Н., Павлов В.П., Агароник М.Я., Ко-ролев А.В., Перлов А.С. Исследование разра-ботки грунта гидравлическими экскаваторами // Строительные и дорожные машины. 1976. № 10. С. 9-11.
5. Ананин В. Г. Результаты экспериментальных исследований и моделирования рабочего оборудования одноковшового экскаватора // Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета. 2013. № 1 (38). С. 205 - 213.
6. Кузнецова В. Н., Савинкин В. В. Анализ эффективности работы одноковшового экскаватора // Вестник СибАДИ. 2014. № 6. С. 26 - 33.
7. Павлов В.П., Абрамов А.Н. Рекомендации по выбору параметров экскаваторных ковшей // Транспортное строительство. 1984. № 7. С. 35-36.
8. Тарасов В.Н., Коваленко М.В. Механика копания грунтов, основанная на теории предельных касательных напряжений // Строительные и дорожные машины. 2003. № 7. С.38-43.
9. Кузнецова В.Н., Савинкин В.В. Обеспечение энергоэффективности разработки грунта за счет оптимизации углов позиционирования рабочего оборудования экскаватора // Строительные и дорожные машины. 2015. № 3. С. 44-47.
10. Тарасов В.Н., Коваленко М.В. Механика копа-ния грунтов ковшом гидравлического экскаватора // Строительные и дорожные машины. 2003. № 8. С. 41-45.
11. Домбровский, Н.Г., Гальперин М.И. Землеройно-транспортные машины. М.: Машиностроение, 1965. 276 с.
12. Зеленин А.Н., Баловнев В.И., Керов И.П. Машины для земляных работ. М.: Машиностроение, 1975. 424 с.
13. Федоров Д. И. Рабочие органы землеройных машин. М.: Машиностроение, 1990 360 с.
14. Ветров Ю. А. Резание грунтов землеройными машинами. - М.: Машиностроение, 1971 - 357 с.
15. Sinclair R. Hydraulic Excavators: Quarrying & Mining Applications. London, Sinclair Publishing, 2011. 388 p.
