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 0,25 м3 на базе трактора ЮМЗ-6АКЛ (рис. 4).  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 0,25 м3 (рис. 5) для экскаватора ЮМЗ-6АКЛ. Угол поворота β ковша (рис. 4) равен 0°, поворот ковша осуществляется против часовой стрелки. Рис. 5. Эскиз ковша предлагаемой конструкции объемом 0,25 м3, 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; 0,65 м3. Изменение объема осуществлялось путем изменения ширины В ковша. Для нахождения hр, l2, l5, l3, Rк в программном продукте Компас-3D спроектирована предлагаемая конструкция ковша. Для нахождения силы Rц использованы размеры гидроцилиндра экскаватора. Сила, создаваемая  гидроцилиндром, составляет Rц=80,38 кН. Для проведения расчетов и построения зависимостей использовался программный продукт Microsoft Excel.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.