CC BY
3
The article presents the most promising technological process for manufacturing a protective edge used with polymer composite products. The main focus is on the features of the key transitions: diffusion welding and superplastic forming. The possibility of using the protective edge of the blades in a turbojet dual-circuit engine (turbojet engine) is considered in order to improve the flow rates of the fan stage.
Key words: protective edge, blade made of composite materials, erosive wear, fan stage, turbofan engine.
Stepanenko Nikolay Yurievich, postgraduate, nikolay.stepanenko@vk. com, Russia, Ufa, Ufa State Petroleum Technological University,
Chertovskikh Sergey Vladimirovich, candidate of technical sciences, docent, head of the department, [email protected], Russia, Ufa, Ufa State Petroleum Technological University,
Lukianov Vasily Vasilyevich, candidate of technical sciences, head of the departmentfor the development ofspecial technologies and equipment, [email protected], Russia, Ufa, SPA "Technopark of Aviation Technologies",
Astanin Vladimir Vasilyevich, doctor of physical and mathematical sciences, professor, [email protected], Russia, Ufa, Ufa university of science and technology
УДК 621.879.064
Б01: 10.24412/2071-6168-2024-8-203-204
ПОДБОР ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ КОВША ЭКСКАВАТОРА НОВОЙ КОНСТРУКЦИИ
Г.Г. Бурый
В работе рассмотрена конструкция ковша экскаватора, при установке которой, повышается производительность машины. Разработан эскиз предварительного ковша, по которому спроектирована его модель и рассчитана на прочность. Проанализированы слабые места в конструкции ковша. Приведена доработанная конструкция ковша с учётом ранее проведённого расчёта. Проверочный прочностной расчёт доработанной конструкции ковша подтвердил верность выбора его геометрических параметров.
Ключевые слова: экскаватор, копание, прочностной расчёт, ковш, конструкция.
Одноковшовый гидравлический экскаватор является одной из самых востребованных машин во многих сферах экономики государства. Эта машина используется при добыче полезных ископаемых, при строительстве зданий и дорог, при устройстве и ремонте подземных коммуникаций и многого другого. Производительность данных машин во многом определяет скорость строительства, а также влияет на срок службы данных машин. Важнейшим фактором, оказывающим влияние на производительность экскаватора, является объём грунта, который он может зачерпнуть и выгрузить за один цикл работы. Однако этот параметр ограничивается возможностями гидропривода, так как его характеристики должны быть достаточными для внедрения ковша в грунт. Данная работа посвящена конструкции ковша, которая имеет такую форму, при которой появляется возможность увеличить объём ковша без изменения характеристик гидропривода. Принцип работы ковша и его составляющие описаны и запатентованы. [1,2,3,4,5,6,7,8]
Изначально стояла задача спроектировать предварительную конструкцию ковша объёмом 0,25м3 для экскаватора на базе трактора ЮМЗ-6АКЛ, рассмотрим подробнее эскиз конструкции рис. 1. Рассмотрим подробнее назначение элементов конструкции ковша. Ковш состоит из задней стенки 1 цилиндрической формы, содержащей зуб 2, по бокам к которой, приварены боковые стенки 3. В стенках 3 выполнены отверстия 4, в которые вставлены антифрикционные втулки 5. В отверстия 6 втулок 5 вставляется ось 7, которая также вставляется в отверстие рукояти экскаватора. Для фиксации оси 7 используются заглушки 8. Для исключения продольных перемещений ковша относительно рукояти на оси 7 устанавливаются стопорные кольца 9. Для крепления ковша на штоке гидроцилиндра предусмотрены следующие детали. На стенке 1 приварены проушины 10 с отверстиями 11, в которые вставлены антифрикционные втулки 12. В отверстия 13 втулок 12 и шток гидроцилиндра вставляется ось 14, которая фиксируется заглушками 15. Таким образом, гидроцилиндр воздействует на ось 14 и поворачивает ковш относительно оси 7. Чтобы исключить вероятность контакта штока гидроцилиндра со стенкой 1, в ней выполнен паз 16. Заглушки 8 и 15 съёмные и устанавливаются через болтовые соединения.
Геометрические параметры ковша представленного на рисунке 1 были приняты произвольно. Для подбора подходящих геометрических параметров ковш был спроектирован в программе Компас 3D, а далее в приложении APM FEM [9] на определённых поверхностях ковша были расставлены силы и жёсткие заделки рис. 2.
Так как рассматривается случай, когда ковш столкнулся с непреодолимым препятствием, места жёстких заделок принимаем на оси 7 и оси 14 соответственно. Силу устанавливаем на край зуба 2. Подбирать значение силы стоит такое, при котором возможно опрокидывание экскаватора, т.е. сила должна превышать половину веса машины. Так как вес экскаватора составляет около 70кН, принимаем силу 40кН. Рассмотрим диаграмму напряжений на ковше рис. 3.
Максимальные значения напряжений на диаграмме составили 3122МПа, что гораздо выше предела текучести стали. Как видно из диаграммы самое слабое место в конструкции это ось 7. Из-за её большой длины она подвержена наибольшим напряжениям. В отверстиях крепления оси также наблюдаются значительные напряжения. На кромке зуба 6 также наблюдаются значительные напряжения.
При проектировании доработанного ковша было принято решение уменьшить длину оси 7. Для сохранения объёма ковша требуется увеличить диаметр стенки 1. Паз 16 также существенно ослаблял конструкцию, поэтому было
решено исключить его, расширить боковые стенки 3 и вместо проушин 10 закрепить ось 14 в них. Также потребовалось увеличить толщину задней стенки 1 и боковых стенок 3. Эскиз уточнённого ковша приведён на рис. 4.
А
а
11530
Рис. 1. Эскиз предварительной конструкции ковша а - вид спереди; б - вид сбоку
204
Рис. 2. Модель предварительного ковша в приложении АРМ РЕМ
Рис. 3. Диаграмма напряжений на предварительном ковше
Рис. 4. Эскиз доработанного ковша: а - вид спереди; б - вид сбоку
После проектирования конструкции были установлены жёсткие заделки в тех же точках, что и предварительной конструкции. Однако было решено рассмотреть два случая, когда сила приложена к ребру одной из боковых стенок 3 и на кромке зуба 2. В итоге были получены следующие диаграммы напряжений рис. 5. Максимальные значения напряжений на диаграммах составили 150,1МПа и 244,5МПа соответственно.
Рис. 5. Диаграммы напряжений на доработанном ковше: а - с силой на боковой стенке; б - с силой на зубе
Как видно из диаграмм максимальные напряжения составляю не более 244МПа, что в 3,3 раза меньше предела текучести стали 30ХГСА, который составляет 820МПа. Именно при напряжениях соответствующих пределу текучести образуется деформация. [10]
Исходя из выше изложенного, можно сделать вывод о точности подбора геометрических параметров ковша. Помимо этого конструкция была упрощена.
Список литературы
1. Пат. 218368 Рос. Федерация, МПК E02F 3/40. Ковш экскаватора / Г.Г. Бурый; патентообладатель Г.Г. Бурый. - № 2023100483/03; заявл. 10.01.2023; опубл. 23.05.2023, Бюл. №15.
2. Бурый Г.Г., Щербаков В.С., Потеряев И.К. Увеличение производительности одноковшового экскаватора через усовершенствование формы ковша. Вестник Брянского государственного технического университета, 2019, №11(84). С. 38-45. DOI: 10.30987/1999-8775-2019-2019-11-38-45.
3. Литвин О.И., Хорешок А.А., Дубинкин Д.М., Марков С.О., Стенин Д.В., Тюленев М.А. Анализ методик расчета производительности карьерных гидравлических экскаваторов. Горная промышленность, 2022, №5. С. 112-120. DOI: 10.30686/1609-9192-2022-5-112-120.
4. Зеньков С.А., Дрюпин П.Ю., Высоцкий Е.С., Ревин Д.В. Повышение производительности экскаватора при разработке влажного грунта в условиях севера. Транспортное, горное и строительное машиностроение: наука и производство, 2023, №21. С. 92-97. DOI: 10.26160/2658-3305-2023-21-92-97.
5. Журавлёв А.Г., Глебов И.А., Черепанов В.А. К вопросу повышения производительности и технической готовности мощных отечественных экскаваторов. Проблемы недропользования, 2023, №4 (39). С. 76-88. DOI: 10.25635/2313-1586.2023.04.076.
6. Influence of crushed rock properties on the productivity of a hydraulic excavator / T. Kujundzic, M. Klanfar, T. Korman, Z. Brisevac // Applied Sciences (Switzerland). 2021. V. 11(5). P. 1-15. DOI: 10.3390/app11052345.
7. Choudhary B.S. Effect of blast induced rock fragmentation and muckpile angle on excavator performance in surface mines // Mining of Mineral Deposits. 2019. V. 13(3). P. 119-126. DOI: 10.33271/mining13.03.119.
8. High-gain observer-based sliding mode control for hydraulic excavators/ G. Xu, Z. Yu, N. Lu, G. Lyu // Harbin Gongcheng Daxue Xuebao. 2021. V. 42(6). P. 885-892. DOI: 10.11990/jheu.201911056.
9. Старостина Ж.А., Морозов Р.В. Расчет конструкций методом конечных элементов с использованием приложения APM FEM: учебно-метод. пособие. М: МАДИ, 2022. 100 с.
10. Марочник сталей и сплавов. 7-е изд., стереотипное / Ю.Г. Драгунов, А.С. Зубченко, Ю.В. Каширский [и др.]; под ред. Ю.Г. Драгунова и А.С. Зубченко. М.: Инновационное машиностроение, 2021. 1216 с.
Бурый Григорий Геннадьевич, канд. техн. наук, доцент, [email protected]. Россия, Омск, Сибирский государственный автомобильно-дорожный университет
SELECTION OF GEOMETRICAL PARAMETERS OF A NEW DESIGN EXCAVATOR BUCKET
G.G. Buriy
The paper examines the design of an excavator bucket, the installation of which increases the machine's productivity. A sketch of a preliminary bucket has been developed, according to which its model has been designed and calculatedfor strength. Weak points in the bucket design have been analyzed. A modified bucket design is presented taking into account the previously performed calculation. A verification strength calculation of the modified bucket design confirmed the correctness of the choice of its geometric parameters.
Key words: excavator, digging, strength calculation, bucket, design.
Buriy Grigoriy Gennadjevich, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Omsk, Siberian State Automobile and Road University
УДК 621.879.064
D0I: 10.24412/2071-6168-2024-8-207-208
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ВНЕДРЕНИЯ УСОВЕРШЕНСТВОВАННОГО
КОВША ЭКСКАВАТОРА В ТВЁРДЫЙ ГРУНТ
Г.Г. Бурый
В статье рассматривается недостаток существующих конструкций ковшей экскаваторов. Рассмотрена улучшенная конструкция ковша экскаватора. Для подтверждения эффективности предлагаемого ковша процесс копания рассматривается в виде зависимостей теории упругости. Приведенные зависимости позволили определить силы сопротивления копанию, путём подстановки исходных параметров грунта и ковша. Полученные силы при копании усовершенствованным ковшом значительно меньше общей силы гидропривода существующего экскаватора.
Ключевые слова: экскаватор, копание грунта, математическое моделирование, ковш, теория упругости.
Процесс копания грунта является очень трудоёмким процессом. Для его реализации используются экскаваторы разных видов, самым распространённым из которых является одноковшовый гидравлический экскаватор. Для внедрения ковша в грунт требуется значительная сила создаваемая гидроприводом, который в свою очередь приводится в действие от двигателя. Чем выше значение объёма грунта требуется зачерпнуть, тем более мощным должен быть экскаватор. Сопротивление грунта в процессе копания во многом зависит от характера воздействия грунта на различные участки ковша. Наибольшее затруднение в процессе копания создают нормальные «лобовые» силы. Касательные силы трения, в свою очередь, создают минимальное сопротивление копанию. Автором работы была разработана конструкция ковша экскаватора, позволяющая существенно сократить «нормальные» силы сопротивления копанию [1,2]. Рассмотрим подробнее предлагаемую конструкцию ковша экскаватора рис. 1.
Ковш, включает в себя цилиндрическую стенку 1, на которой по бокам расположены стенки 2. В стенках 2 выполнены отверстия 4 соосные с осью цилиндрической стенки 1. В отверстия 4 и рукоять экскаватора вставляется ось 3, на которой располагаются фиксаторы 5. Шток гидроцилиндра гидропривода соединяется с ковшом через ось 6, которая вставляется в отверстия 7 стенок 2. На оси 6 также расположены фиксаторы 8 исключающие продольные перемещения. Цилиндрическая стенка 1 с одного края выполнена в виде зуба 9.
Особенность механики внедрения данного ковша в грунт состоит в том, что цилиндрическая стенка 1 поворачивается вокруг оси 3 соосной с формой самой стенки 1. Таким образом, нормальные силы сопротивления воздействуют только на зуб 9 и ребра стенок 2, в отличии от существующих ковшей, в которых нормальные силы действуют и на заднюю стенку.
Рис. 1. Усовершенствованный ковш экскаватора
Чтобы подтвердить данное предположение необходимо определить силу сопротивления при внедрении усовершенствованного ковша в наиболее сложный в экскавации грунт, а именно твёрдой глины. Одним из способов определения силы сопротивления является проведение математического моделирования процесса копания. Существующие зависимости не подходят, так как конструкция изменённая. Для описания процесса экскавации твёрдой глины лучше всего подойдёт теория упругости [3-9].
Как было сказано ранее, цилиндрическая стенка 1 внедряется в грунт зубом 9, а стенки 2 своими рёбрами, по остальной поверхности грунт проходит по касательной. Таким образом, ковш можно представить в виде стержня с квадратной площадкой равной по площади поверхностям воспринимаемым нормальные силы сопротивления. Площадь боковой поверхности стержня будет равна площади ковша воспринимаемой касательные силы.
