CC BY
1УДК 621.879.064
Бурый Григорий Геннадьевич1, канд. техн. наук, доцент, Потеряев Илья Константинович1,
кандидат, техн. наук, доцент, Скобелев Станислав Борисович2, канд. техн. наук, доцент, Ковалевский Валерий Федорович2, канд. техн. наук, доцент
'Сибирский государственный автомобильно-дорожный университет, 644080, г. Омск, пр. Мира 5 2Омский государственный технический университет, 644050, г. Омск, пр. Мира 11
E-mail: [email protected]
ИССЛЕДОВАНИЕ СИЛ СОПРОТИВЛЕНИЯ РЕЗАНИЮ НА НОВОЙ КОНСТРУКЦИИ КОВША ГИДРАВЛИЧЕСКОГО ЭКСКАВАТОРА
Аннотация: В статье рассматриваются силы сопротивления возникающие на новой конструкции ковша экскаватора в процессе резания. Приведена актуальность снижения стоимости оборудования экскаватора. Проведен анализ зависимостей для определения сил сопротивления резанию. Разработана новая конструкция ковша для экскаватора ЮМЗ-6АКЛ. Приняты допущения в процессе расчетов. Проведены расчеты сил сопротивления резанию для ковшей разного объема при различных углах поворота ковша. Построены зависимости суммарной силы сопротивления резанию на ковшах разного объема от углов их поворота.
Ключевые слова: экскаватор, грунт, резание, сопротивление резанию, копание, конструкция, сила резания, дорожные машины.
Информация о статье: принята 01 июня 2019 г.
И01: 10.26730/1816-4528-2019-2-46-51
Одноковшовый гидравлический экскаватор является одной из самых востребованных дорожных машин. В закупку данных машин вкладываются значительные средства строительных организаций. Возможность снижения стоимости данных машин ограничивается не только узлами и агрегатами трактора но и самого рабочего оборудования. Самой главной проблемой при снижении стоимости рабочего оборудования является обеспечение процесса копания. Чем меньше мощность установленного гидропривода тем меньшую силу он создаст на преодоление сил сопротивления. В статье пойдет речь об исследовании сил сопротивления резанию на новой конструкции ковша одноковшового
гидравлического экскаватора. Ковш позволяет снизить силы сопротивления резанию, как следствие снизить стоимость гидропривода при неизменности объема зачерпываемого грунта [1].
На рис. 1 представлена новая конструкция ковша одноковшового гидравлического экскаватора [2, 3].
Для изучения сил сопротивления резанию на ковше новой конструкции рассмотрим исследования ученых в этой области.
Н.Г. Домбровским на основании исследований Горячкина В.П. были предложены зависимости Рр = К -1 • /ггр, (1)
где - сила сопротивления резанию, Н; К -удельное сопротивление резанию (для почв К~0,02-ОЛМПа); 1 - ширина горизонтальной кромки ковша, м; Нгр - толщина стружки грунта, м.
Рн = Р-Ъб + е'(1 + Угр)'Ук-Кн, (2) где Р„ - сила сопротивления наполнению ковша, Н; е - коэффициент сопротивления наполнению ковша и перемещению призмы волочения; Угр -объем грунта в ковше, м3; Ук - объем ковша, м3; Кн - коэффициент наполнения ковша (отношение объема разрыхленного грунта в ковше к геометрическому объему ковша); Р - давление ковша на грунт, МПа; - коэффициент трения грунта о сталь [4, 5].
Формулы имеют достаточно большую погрешность, что ограничивает их применение на практике.
Fig. 1. New bucket design
А.Н. Зелениным были предложены зависимости (1 + 2,6 • 0 • (1 + 0,0075а) • z,
Fp = 10
(3)
c-V'35
где Fp - сила сопротивления резанию, Н; С - число ударов динамического плотномера в зависимости от категории грунта (для грунтов IV категории С~34); а - угол резания, град; z - коэффициент учитывающий влияние зубьев (для глубины резания 0,25-0,05м и ширине ковша 0,7м, z^0,67-0,77); hp - глубина резания, м; / - ширина горизонтальной режущей кромки, м.
FH = ( S ■ Ксж + V - р ■ д • (cos а • tg5 + sin а), (4) где FH - сила сопротивления наполнению ковша, Н; S - площадь сечения пласта грунта, м2; Ксж - коэффициент продольного сжатия пласта грунта (для грунта категории IV составляет Ксж^О при длине стружки 0,25-0,35м); £ - коэффициент учитывающий изменение Ксж (для высоты пригружаемого слоя грунта 1,5м Q=2); V- объем грунта в ковше, м3; р - плотность грунта, (для тяжелой глины может достигать 2500кг/м3); g - ускорение свободного падения, м/с2; а - угол резания, град; tg5 - коэффициент трения грунта о сталь [5, 6, 7].
Д.И. Федоровым предложены следующие зависимости
FH = Кое -S ■ р ■ (tg¿> • cos сск + sinaK) + I ■ S ■ р ■ Сsin а + tg¿> • cos а) • cos а, (5)
где F„ - сила сопротивления наполнению ковша, Н; 1„ов - длина поверхности по которой перемещается грунт, м; S- площадь поперечного сечения срезаемого грунта, м2; у - угол наклона нижней кромки рабочего органа к горизонту, град.; ос*-угол наклона к горизонту поверхности, по которой перемещается грунт, град.; а - угол резания (наклона режущей
кромки); / кромки, м.
Fp ^од.сле.
+ -
- ширина горизонтальной режущей
^з.реж.кр. ' Iз.р.к.
"ср.ст • tg 8) +
+ hde ' I
' Кппр + '
з.р.к.
К,
6 пр
-'ср.ст
F2
гразр
Fed
+
2 М„.
,1н
Р ■ -CUB - о ■ ^
_____ с ¿u-j ср.ст JCf
Сsin а + tg5 • cos а), (6)
где Fp - сила сопротивления резанию, Н; /я - длина ножа, м; а - угол резания, град.; FCd - сила сопротивления грунта сдвигу, Н; Fod-сж. - сила сопротивления грунта одноосному сжатию. Н; h-з.реж.кр. - толщина затупления режущей кромки, м; 1з.р.к. - длина затупленной режущей кромки, м; Кппр и Кбпр - эмпирические коэффициенты приведения; hU3H - толщина изношенной поверхности, м; Scp.cm. - площадь поперечного сечения срезаемой стружки, м2; / - ширина режущей кромки ковша, м; 10тР - длина линии отрыва, м (равна 10тР =/ для прямоугольных рабочих органов); Е - модуль упругости, Па; Fpa3p - сила сопротивления грунта разрыву, Н; lede - длина площадки сдвига, м; Ми.ст. - момент сил сопротивления изгибу стружки, Н м; Fmz - сила сопротивления грунта изгибу, Па; р - плотность грунта, кг/м3; hep - толщина стружки грунта, м; tg5 - коэффициент трения грунта о сталь: G - модуль сдвига, Па [5, 8].
Ветровым Ю.А. предложены следующие зависимости (7), (8)
Fp — К-уг.рез. 7W • h
^^-бокер през •>
К
-уд.рез. ' ®ст
(7)
' Ьрез 2K¿OK
рез
FH = (1 + ctga • tgS) ■ Кпр
p-SÍn<t> COS2 ф н2 J.
■ + Р ' п
■ h
■рез
+
(8)
(l+sin ф+cos ф-cos á)-hpe3
где Fp - сила сопротивления резанию, Н; F„ - сила сопротивления наполнению ковша, Н; Куг.рез. - коэффициент учитывающий влияние угла резания; Куд.рез- - коэффициент, характеризующий удельную силу резания для преодоления сопротивлений грунта передней гранью ножа при угле резания 45°, Н; Ъст - ширина стружки грунта, м; hpe-s -толщина резания, м; Кбокср - коэффициент, характеризующий удельную силу сопротивления для преодоления сопротивлений грунта срезу боковыми ребрами ножа; Кбок - коэффициент характеризующий силу сопротивления разрушению грунта в боковых расширениях прорези; р - плотность грунта, кг/м3; tg<5 - коэффициент трения грунта о сталь, град; КПр - коэффициент, зависящий от угла внутреннего трения грунта, угла наклона отвала к горизонту и угла естественного откоса призмы; а - угол резания, град.; Я - высота стенки рабочего органа, м; (р -угол внутреннего трения грунта, град. [5, 9].
Баловневым В.И. предложены следующие зависимости для резания прямоугольным периметром FH = (1 + ctgaH • tgS) • А1 • В • 1Н • sin ан • g p-lH- sin ан
■ ctgc¡)
2
''к
+
Fpr = (1 + ctgaзт • tgS) -A2-B-h2T-g-
(8)
phy¡ 2
+ + СЛ
Fp6 = 2
, l+sin ф
I +-:—г • P
А3/ 1 -Sinr-
(i-(10)
A-¿) 1-sin ф • a. • hn - g • + c,
"p ° L 2 (hp - lH • sin
Ftf = 4 • tgS • A4 ' l6 • hp ■ g •
+ сш ■ ctgcp in aH)]; P-hp
, l+sin ф
+ T-—-l'P
+ сш ■ адф
+
(hp-lH'Sin aH)];
A± =
l-sin ф-cos 2aH
An =
cos
l-sin ф cos 8+у/
l-sin <¡ sinS\
A3 =
eos 8 [eos 8+yfstñ
щ
l-sin с
2,718^S+ arcsinsín$>y;
A* =
sin 8- (eos 8+yJsin2 ф-sin2 tf)
(11) (12)
(13)
(14)
(15)
2,718^™"""
где Fй - сила сопротивления резанию на ноже, Н; Ррг - сила сопротивления на горизонтальной кромке периметра, Н; /^б - сила сопротивления на передней
поверхности вертикальных кромок периметра, Н; ¥тб- сила сопротивления трению на боковых ножах, Н: а - толщина боковой стенки ковша, м; Нр - толщина резания (Нр=и~15), м; р - плотность грунта, кг/м3; ср - угол внутреннего трения грунта (для грунта IV категории ср=23°), град.; 3 - угол трения грунта о сталь (для грунта IV категории 3=22°), град;
сю - коэффициент сцепления грунта (для грунта IV категории сю~6116 кг/м2); /б - ширина призмы грунта в ковше, м; азт - угол затупления, град.; В - ширина горизонтальной кромки периметра, м; Нзт - высота затупленной части, м; а„ - угол наклона ножа к траектории движения ковша, град.; 1Н - длина
Г1
Рис. 3. Эскиз новой конструкции ковша объемом 0,25 м3 устанавливаемого на экскаватор ЮМЗ-6АКЛ Fig. 3. Sketch of a new design bucket with a volume of 0,25 m3 installed on the excavator UMZ-6AKL
Рис. 2. Экскаватор с емкостью ковша 0,25 м3 на базе трактора ЮМЗ-6АКЛ Fig. 2. Excavator with a bucket capacity of 0,25 m3 based on a tractor UMZ-6AKL
65000
60000
х
CL LL
Os
55000
50000
z
g 45000 ш
о
я 35000 ц,
о
30000
25000
20000
У/ V- \ ч % \
А: # \ \ •Л
// '■'•И * ' ш \ \\\
/ V
А//
/¿•// * J? 1
V к=0,2 5 м 3
— ■- -VK=0,35M3
— -А- - VK=0,45m3
— ■— Vk=0,55M3 -ж-Vk=0,65M3
30 50 70 90 110 130
Угол поворота ковша ß, град.
150
Рис. 4. Зависимости силы сопротивления Fp от угла поворота ковша /? Fig. 4. The dependence of the resistance force FP on the angle of rotation of the bucket /?
ножа, м; g - ускорение свободного падения, м/с2 [5, 10].
Суммарную силу сопротивления резанию определим по зависимости
Рр = Рн + Ррг + Ррб + Ргпб- (П)
Проанализировав приведенные выше зависимости можно сделать вывод о том, что наиболее подходящими для ковша нового типа являются исследования Баловнева В.И., так как в остальных присутствуют эмпирические коэффициенты полученные на стандартном оборудовании.
Проведем расчет сил сопротивления для экскаватора с емкостью ковша 0,25 м3 на базе трактора ЮМЗ-6АКЛ (рис. 2).
На основании проведенных замеров рабочего оборудования экскаватора был построен эскиз конструкции нового ковша объемом 0,25 м3 (рис. 3) для его установки на экскаватор ЮМЗ-6АКЛ. Угол поворота Р ковша представленного на рис. 3 равен 0°, поворота ковша осуществляется против часовой стрелки.
При расчете были приняты следующие допущения: 1) расчет проводится для грунтов IV категории; 2) вырезаемая ковшом призма грунта не изменяет форму, так как коэффициент разрыхления грунта стремится к 0; 3) при расчете не учитывается сила тяжести рукояти, так как процесс копания поворотом ковша менее энергозатратный; 4) осуществляется копание горизонтальной поверхности грунта.
Исследовав новую конструкцию ковша были сделаны выводы. Угол а„ также называют углом наклона ножа соответственно к траектории его перемещения. В ковше новой конструкции форма ножа будет совпадать с траекторией его перемещения,
следовательно а„=0. Отсутствие заострения края стенки с целью образования ножа обусловлено большими контактными давлениями при взаимодействии с материалом, что может привести к быстрому износу горизонтальной режущей части. Угол затупления а-зт принимается равным 90° [11, 12, 13, 14].
Определим значения сил сопротивления резанию для ковшей новой конструкции объемом 0,25 м3, 0,35 м3, 0,45 м3, 0,55 м3, 0,65 м3 на различных углах поворота ß. Изменение объема будет осуществляться путем изменения ширины В ковша. Для поиска hp в программном продукте Компас-ЗО была спроектирована конструкция нового ковша. Для проведения расчетов и построения зависимостей использовался программный продукт Microsoft Excel [15].
Неизменные исходные данные: sin^=0,39; h3m=0,01 м; р=2500 кг/м3; ^=6116 кг/м2; ctg9>=2,36;
sin<5=0,375; cos<S=0,927; tg<5=0,404531; ¿=0,38 рад; a=0,01 м; tg<?=0,42.
при угле поворота ß=30°: /^=0,37 м; /<5=0,249 м; /„=0,27 м
при угле поворота ß=60°: hp=0,421 м; /б=0,444 м; /„=0,542 м
при угле поворота ß=90°: hp=0,426 м; h=0,52 м; /„=0,814 м
при угле поворота ß=120°: hp=0,396 м; 1в=0,52 м; /„=1,086 м
при угле поворота ß=150°: hp=0,23 м; /б=0,52 м; /„=1,358 м
Переменные исходные данные: для ковша объемом VK=0,25 м3:5=0,71 м; для ковша объемом VK=0,35 м3: /3=0,1 м; для ковша объемом VK=0,45 м3: 5=1,28 м;
для ковша объемом VK=0,55 м3:5=1,57 м;
для ковша объемом VK=0,65 м3: 5=1,86 м.
Выполненные расчеты позволили построить зависимость суммарной силы сопротивления Fp при различных объемах ковша VK от угла поворота ковша ß (рис. 4).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Павлов В.П., Абрамов А.Н. Рекомендации по выбору параметров экскаваторных ковшей // Транспортное строительство. 1984. № 7. С. 35-36.
2. Патент 2656286 Российская Федерация, МПК E02F 3/28. Ковш экскаватора сферический / Бурый Г.Г.; заявитель и патентообладатель Бурый Г.Г.
3. Заявка 2018114378/20(022485) Российская Федерация, МПК E02F 3/40. Способ копания одноковшовым гидравлическим экскаватором и одноковшовый гидравлический экскаватор / Бурый Г.Г., Щербаков B.C.; заявитель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Сибирский государственный автомобильно-дорожный университет (СибАДИ)».
4. Домбровский, Н.Г., Гальперин М.И. Земле-ройно-транспортные машины - М.: Машиностроение, 1965.-276 с.
5. Sinclair R. Hydraulic Excavators: Quarrying & Mining Applications. London, Sinclair Publishing, 2011. 388 p.
6. Зеленин A.H., Павлов В.П., Агароник М.Я., Королев A.B., Перлов A.C. Исследование разработки грунта гидравлическими экскаваторами // Строительные и дорожные машины. 1976. № 10. С. 9-11.
7. Зеленин, А.Н. Машины для земляных работ / А Н. Зеленин, В.И. Баловнев, И.П. Керов. - М.: Машиностроение, 1975. -424 с.
8. Федоров Д.И. Рабочие органы землеройных машин. - М.: Машиностроение, 1990 - 360 с.
9. Ветров Ю.А. Резание грунтов землеройными машинами. -М.: Машиностроение, 1971. - 357 с.
10. Баловнев, В.И. Моделирование процессов взаимодействия со средой рабочих органов дорожно-строительных машин / В.И. Баловнев. - М.: Высшая школа, 1981. - 335 с.
11. Кузнецова В.Н., Савинкин В.В. Анализ эффективности работы одноковшового экскаватора // Вестник СибАДИ. 2014. №6. С. 26 - 33.
12. Тарасов В Н., Коваленко М.В. Механика копания грунтов, основанная на теории предельных касательных напряжений // Строительные и дорожные машины. 2003. № 7. С.38-43.
13. 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.
14. Тарасов В Н., Коваленко М.В. Механика копания грунтов ковшом гидравлического экскаватора // Строительные и дорожные машины. 2003. №8. С. 41-45.
15. Ананин В.Г. Результаты экспериментальных исследований и моделирования рабочего оборудования одноковшового экскаватора // Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета. 2013. № 1 (38). С. 205-213.
Gregory G. Buryy1, C. Sc. in Engineering, Associate Professor, Ilya K. Poteryaev1, C. Sc. in Engineering, Associate Professor, Stanislav B. Skobelew2, C. Sc. in Engineering, Associate Professor, Valeriy F. Ko-valevskiy2, C. Sc. in Engineering, Associate Professor
1 Siberian State Automobile and Highway University, Russia, 644080, Omsk, pr. Mira 5 2Omsk State Technical University, Russia, 644050, Omsk, pr. Mira 11
RESEARCH OF FORCES RESISTANCE FORCES ON A NEW STRUCTURE OF A BUCKET HYDRAULIC EXCAVATOR
Abstract: The article discusses the resistance forces arising on the new design of the excavator bucket during the cutting process. The urgency of reducing the cost of equipment excavator. The analysis of dependencies to determine the forces of resistance to cutting. A new bucket design was developed for the UMZ-6AKL excavator. Assumptions made in the calculation process. Calculations of the forces of resistance to cutting for buckets of different volume at different angles of rotation of the bucket. The dependences of the total resistance to cutting on buckets of different volumes on the angles of their rotation are constructed.
Keywords: excavator, soil, cutting, cutting resistance, digging, construction, cutting force, road machines.
Article info: received June 01, 2019
DOT. 10.26730/1816-4528-2019-2-46-51
REFERENCES 1. Pavlov V.P., Abramov A.N. Rekomendacii po vy-boru parametrov jekskavator-nyh kovshej // Transportnoe stroitel'stvo. 1984. № 7. Pp. 35-36. (rus)
2. Patent 2656286 Rossijskaja Federacija, MPK E02F 3/28. Kovsh jekskavatora sfericheskij / Buryj G.G.; zajavitel1 i patentoobladatel' Buryj G.G. (rus)
3. Zajavka 2018114378/20(022485) Rossijskaja Federacija, MPK E02F 3/40. Spo-sob kopanija od-nokovshovym gidravlicheskim jekskavatorom i od-nokovshovyj gidravli-cheskij jekskavator / Buryj G.G., Shherbakov V.S.; zajavitel' Federal'noe gosudarstven-noe bjudzhetnoe obrazovatel'noe uchrezhdenie vysshego obrazovanija «Sibirskij gosu-darstvennyj avtomobil'no-dorozhnyj universitet (SibADI)». (rus)
4. Dombrovskij, N.G., Gal'perin M.I. Zemlerojno-transportnye mashiny - M.: Mashinostroenie, 1965. -276 p. (rus)
5. Sinclair R. Hydraulic Excavators: Quarrying & Mining Applications. London, Sin-clair Publishing, 2011. 388 p. (rus)
6. Zelenin A.N., Pavlov VP., Agaronik M.Ja., Korolev A.V., Perlov A.S. Issledovanie razrabotki grunta gidravlicheskimi jekskavatoraini // Stroitel'nye i dorozhnye mashiny. 1976. № 10. Pp. 9-11. (rus)
7. Zelenin, A.N. Mashiny dlja zemljanyh rabot / A.N. Zelenin, V.l. Balovnev, I P. Kerov. - M.: Mashinostroenie, 1975. - 424 p. (rus)
8. Fedorov D.I. Rabochie organy zeinlerojnyh mashin. - M.: Mashinostroenie, 1990 - 360 p. (rus)
9. Vetrov Ju.A. Rezanie gruntov zemlerojnymi mashinami. -M.: Mashinostroe-nie, 1971. - 357 p. (rus)
10. Balovnev, V.l. Modelirovanie processov vzai-modejstvija so sredoj rabochih organov dorozhno-stroitel'nyh mashin / V.l. Balovnev. - M.: Vysshaja shkola, 1981.-335 p. (rus)
11. Kuznecova V.N., Savinkin V.V. Analiz jeffek-tivnosti raboty odnokovshovogo jekskavatora // Vestnik SibADI. 2014. № 6. S. 26 - 33. (rus)
12. Tarasov V.N., Kovalenko M.V. Mehanika kopanija gruntov, osnovannaja na teorii predel'nyh ka-satel'nyh napijazhenij // Stroitel'nye i dorozhnye mashiny. 2003. № 7. Pp. 38-43. (rus)
13. Kuznecova V.N., Savinkin V.V. Obespechenie jenergojeffektivnosti razrabotki grunta za sehet optimi-zacii uglov pozicionirovanija rabochego oborudovanija jekskavatora // Stroitel'nye i dorozhnye mashiny. 2015. № 3. Pp. 44-47. (rus)
14. Tarasov V.N., Kovalenko M.V. Mehanika kopanija gruntov kovshom gidravli-cheskogo jekskavatora II Stroitel'nye i dorozhnye mashiny. 2003. № 8. Pp. 41-45. (rus)
15. Ananin V.G. Rezul'taty jeksperimentarnyh issle-dovanij i modelirovanija rabochego oborudovanija odnokovshovogo jekskavatora // Vestnik Tomskogo gosu-darstven-nogo arhitekturno-stroitel'nogo universiteta. 2013. № 1 (38). Pp. 205-213. (rus)
Библиографическое описание статьи
Бурый Г.Г., Потеряев И.К., Скобелев С.Б., Ковалевский В.Ф. Исследование сил сопротивления резанию на новой конструкции ковша гидравлического экскаватора // Горное оборудование и электромеханика — 2019. —№ 2 (142). — С. 46-51.
Reference to article
Buryy G.G., Poteryaev I.K., Skobelew S.B., Kovalev-skiy V.F. Research of forces resistance forces on a new structure of a bucket hydraulic excavator. Mining Equipment and Electromechanics, 2019, no. 2 (142), pp. 46-51.
