Omsk, Omsk, Russian Federation
Omsk, Omsk, Russian Federation
Omsk, Omsk, Russian Federation
UDK 62 Инженерное дело. Техника в целом. Транспорт
GRNTI 73.49 Прочие виды транспорта
The purpose of the work consists in the productivity increase of a single-bucket excavator at the expense of bucket shape perfection. The improved and offered bucket design will allow scooping more soil without changing hydraulic drive characteristics. This effect is achieved at the expense of the cylindrical shape of the rear wall of the bucket. There is presented a computation scheme of forces acting upon an improved bucket. The calculations of the advanced excavator bucket based on the YuMZ-6AKL tractor allowed drawing an outline of the supposed design and obtaining moment dependences of resistance on a bucket during digging upon a bucket rotation angle. The dependences of moment resistance on the bucket are formed for buckets with the capacity of 0.25m3, 0.35m3, 0.45m3, 0.55m3 and 0.65m3. The improved bucket design will allow increasing the volume of soil scooped thereby increasing productivity of single-bucket hydraulic excavators. Investigation methods – theoretical researches. The investigation results and novelty: there is offered the improved design of a bucket, a calculation circuit of forces acting upon an improved bucket. Conclusions: the advanced design of a bucket will allow scooping a larger volume of soil without changing hydraulic drive characteristics. In such a way, the productivity increase of single-bucket hydraulic excavators without changing hydraulic drive characteristic is achieved.
excavator, bucket, moment of force, productivity, digging, soil, hydro-cylinder
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. Patent RF №2656286, MPK E02F 3/28. Buryy G. Kovsh ekskavatora sfericheskiy; zayavitel' i patentoobladatel' Buryy G. G.
2. Buryy G.G., Scherbakov V.S., Skobelev S.B., Kovalevskiy V.F. Sovershenstvovanie konstrukcii kovsha gidravlicheskogo ekskavatora // Vestnik SibADI. 2019. №3. S. 202-213.
3. Balovnev V. I. Modelirovanie processov vzaimodeystviya so sredoy rabochih organov dorozhno-stroitel'nyh mashin. M.: Vysshaya shkola, 1981. 335 p.
4. Zelenin A.N., Pavlov V.P., Agaronik M.Ya., Korolyov A.V., Perlov A.S. Investigations of soil scooping by hydraulic excavators // Construction and Road Machines. 1976. No.10. P, 9-11.
5. Ananin V. G. Rezul'taty eksperimental'nyh issledovaniy i modelirovaniya rabochego oborudovaniya odnokovshovogo ekskavatora // Vestnik Tomskogo gosudarstvennogo arhitekturno-stroitel'nogo universiteta. 2013. № 1 (38). P. 205 - 213.
6. Kuznecova V. N., Savinkin V. V. Analiz effektivnosti raboty odnokovshovogo ekskavatora // Vestnik SibADI. 2014. № 6. P. 26 - 33.
7. Pavlov V.P., Abramov A.N. Recommendations on choice of excavator bucket parameters // Transport Construction. 1984. No.7. P. 35-36.
8. Tarasov V.N., Kovalenko M.V. Soil digging mechanics based on theory of extreme tangential stresses // Construction and Road Machines. 2003. No.7. P. 38-43.
9. Kuznetsova V.N., Savinkin V.V. Ensuring power effectiveness of soil digging at the expense of angle positioning optimization of excavator working equipment // Construction and Road Machines. 2015. No.3. P. 44-47.
10. Tarasov V.N., Kovalenko M.V. Mechanics of soil digging with hydraulic excavator bucket // Construction and Road Machines. 2003. No.8. P. 41-45.
11. Dombrovsky, N.G., Galperin M.I. Soil-Digging and Transport Machines. M.: Mechanical Engineering, 1965. 276 p. .
12. Zelenin A.N., Balovnev V.I., Kerov I.P. Machines for Soil Works. M.: Mechanical Engineering, 1975. 424 p.
13. Fedorov D. I. Rabochie organy zemleroynyh mashin. M.: Mashinostroenie, 1990. 360 p.
14. Vetrov Yu. A. Rezanie gruntov zemleroynymi mashinami. - M.: Mashinostroenie, 1971 - 357 s.
15. Sinclair R. Hydraulic Excavators: Quarrying & Mining Applications. London, Sinclair Publishing, 2011. 388 p.
