CC BY
0УДК 621.879.064
Бурый Григорий Геннадьевич1, кандидат. техн. наук, доцент, Потеряев Илья Константинович1, кандидат. техн. наук, доцент, Скобелев Станислав Борисович2, кандидат. техн. наук, доцент, Ковалевский Валерий Федорович2, кандидат. техн. наук, доцент, e-mail: [email protected]
'Сибирский государственный автомобильно-дорожный университет (СибАДИ), 644080, г. Омск, пр. Мира, 5
2Омский государственный технический университет, 644050, г. Омск, пр. Мира, 11 E-mail: [email protected]
СРАВНЕНИЕ ПРОЦЕССА КОПАНИЯ СТАНДАРТНЫМ КОВШОМ ЭКСКАВАТОРА И КОВШОМ НОВОЙ КОНСТРУКЦИИ_
Аннотация: В работе рассматривается возможность повышения производительности одноковшовых гидравлических экскаваторов. Представлена конструкция существующего и предлагаемого ковша объемом 0,25 м3. Рассмотрены силы в процессе копания, возникающие на данных конструкциях. Приняты допущения в процессе расчета. Описаны зависимости для расчета сил сопротивления на ковше. Представлены результаты сравнительного расчета моментов сил на ковшах обеих конструкций.
Ключевые слова: ковш, конструкция, момент силы, производительность, гидроцилиндр, сравнение, копание, грунт, экскаватор, сопротивление копанию.
Информация о статье: принята 19 марта 2020 г.
DOI: 10.26730/1816-4528-2020-1-37-44
Одной из самых распространенных строительных машин является одноковшовый гидравлический экскаватор. Для строительства инженерных объектов используется определенное количество экскаваторов, которое зависит от производительности машин. Каждая машина стоит значительных вложений. Повышение производительности экскаваторов позволило бы сократить
время работ либо количество единиц техники, задействованной в строительстве. Это является актуальной задачей на сегодняшний день. В статье будет рассмотрен один из способов повышения производительности одноковшовых гидравлических экскаваторов. Данный способ заключается в изменении конструкции ковша, что позволяет
Рис. 1. Одноковшовый гидравлический экскаватор на тракторе ЮМЗ-6АКЛ Fig. 1. Single bucket hydraulic excavator on a tractor UMZ-6AKL
б;
Рис. 2. Чертеж ковша стандартной конструкции объемом 0,25 м3: а) вид сзади; б) вид в разрезе Fig. 2. Drawing of a standard design bucket with a volume of 0,25 m3: a) rear view; b) sectional view
увеличить его объем при неизменных характеристиках гидропривода.
Проведем сравнение процессов копания ковшом новой и стандартной конструкции для оценки эффективности первой. Для исследования возьмем экскаваторное оборудование, установленное на тракторе ЮМЗ-6АКЛ (рис. 1). Объем ковша экскаватора составляет 0,25 м3.
Исследование процессов копания состоит в расчете моментов сил, действующих на ковш.
Для расчета необходимы геометрические размеры ковша стандартной конструкции объемом 0,25 м3 (рис. 2) и ковша новой конструкции объемом 0,25 м3 (рис. 3).
Для расчета принято стартовое положение ковша, при котором угол между линией, проходящей через ось поворота и режущую кромку к горизонту, равен 10°. В этом случае угол поворота ковша Р=0° [1].
Рис. 3. Чертеж предлагаемой конструкции ковша объемом 0,25м3 Fig. 3. Drawing of the proposed design of the bucket with a volume of 0,25 m3
i________
Рассмотрим схему моментов сил, действующих на ковш стандартной и предлагаемой конструкции (рис. 4).
Схемы моментов сил на рис. 4 не отображают воздействие гидроцилиндров поворота рукояти. В процессе копания гидроцилиндры поворота рукояти создают дополнительный момент сил на преодоление сил сопротивления.
На рис. 4 представлены следующие обозначения: Рц - сила гидроцилиндра поворота ковша, Н; Рк - сила тяжести ковша, Н; Ррг - сила сопротивления копанию на режущей кромке, Н; Рн - сила сопротивления на стенке ковша, Н; Рнз - сила сопротивления на поверхности зуба, Н; Ррб - боковая сила сопротивления на ковше, Н; Ртб - сила трения на боковых стенках ковша, Н; ¡\ - длина расстояния ХВ, м; ¡2 - длина расстояния ХЕ, м; 13
- длина расстояния ХО (центра тяжести призмы грунта), м; ¡4 - длина расстоянияХБ, м; 15 - длина расстоянияХС, м; ¡б - длина расстоянияХК, м; 17
- длина расстояния ХА, м [7, 13].
Сопротивления копанию создают моменты сил, для определения которых воспользуемся зависимостями для ковша новой конструкции (1), стандартной конструкции (2)
Л; (\)
Мр = Рн -U+ Ррг ■ U + Ррб
.Ык + р 1 1 i
тб
Мр = Рнз ■
1.+U
+ Р
U + lj
+ Ррг
и + Р,
рб .
h+h
+
Ртб ' h
(2)
Точки воздействия силы Ррг на ковши обеих конструкций будут удалены на расстояние ¡4 от оси поворота. Точки воздействия силы Рн для ковша новой конструкции удалены от оси поворота на расстояние ¡4, а в стандартной расположены на отрезке А1К. Таким образом, плечо воздействия силы Рн в стандартной конструкции найдем как среднее арифметическое расстояний
¡б и ¡7. Точки приложения силы Рнз расположены на линии БК, поэтому плечо силы будет равно среднему арифметическому длин ¡4 и ¡б. Точки воздействия силы Ррб в новой конструкции расположены на линии СБ, поэтому плечо силы будет равно среднему арифметическому длин ¡4 и ¡5. Точки воздействия силы Ррб в стандартной конструкции расположены на линии СК, поэтому плечо силы будет равно среднему арифметическому длин ¡5 и ¡б. Точки приложения силы Ртб в обеих конструкциях ковшей расположены на расстоянии ¡з от оси поворота ковша.
Для расчета сил сопротивления копанию ковшом новой конструкции наиболее подходящими являются зависимости В.И. Баловнева. В сравнении с другими исследованиями зависимости имеют невысокую погрешность, что позволяет использовать их на практике. В зависимостях отсутствуют эмпирические коэффициенты, полученные на стандартном оборудовании. Ковш новой конструкции имеет сечение в виде прямоугольного периметра (рис. 5), рассмотрим зависимости для определения сил сопротивления.
Рн = (1 + Мдан ■ гд8) ■ Аг ■ Вк ■ 1н -этан ■ д ■
р- l^sin ан 2
+
[р
lH -sinaH)]; (2)
Рнз = (1 + сгданз - tgS) - Аъ - Вз - 1нз -этанз - д -
+ <»■< ^il-^+^P-&-
нз
■sтанз)]; (3)
Ррг = (1 + адазт ■ tgS) ■ А2 ■ В3 ■ h^ ■ д +
^■«дф.(1-1) + т-р-hj; (4)
aJ
А27 l—s тф
Ррб = 2-А3-а- hp ■ +СШ- сЬдф - (l -
l+s in ф
+
l— n ф
■■p-(hp -I
рн
s in a
<)]; (5)
2
2
2
a)
Крепление кобша к гидроцилиндру
б)
Рис. 4. Моменты сил в процессе копания на ковше: а) стандартной конструкции; б) предлагаемой конструкции Fig. 4. The moments offorces in the process of digging on the bucket: a) standard design; b) the proposed design
Ртб = 4-tgS -А4-1б - hp +сш- сЬдф
(l-:r)+T^-P-(hp-lн-sinaH)]; (6)
А-
_ 1—sin ф-cos 2ан,
х1з
А2 = 2,718
1-sin ф _ 1-sin ф-cos 2а.нз,
(7)
Д _ -i- ¿"i У «-^-з ¿-"-H3. /g\
14 1-sin ф '
cos S-(cos S+^siñ2'^—"sinks')
1-sin ф
( о ■ sinS\
(п—2аЭт+о + arcsin^ ф) - \
; (9)
А,
cos ¿)( cos S+J sin2 ф-sin2 S)
1-sin ф
(„ . sinS\ __ .
л __ -.(o + arcsin—.—-гуЬдф 1,118 sin& ; (10)
А
sin 8(cos 8+^sin2 ф-sín2
1-sin ф
(о ■ sinS\ ^ .
i rr-i ^.[o + arcsin——-r) tg<p
2,718y Sln& , (11)
где а - толщина боковой стенки ковша, м; hp - глубина копания, м; р - плотность грунта,
кг/м3; ф - угол внутреннего трения грунта (для грунта IV категории ф=23°), град.; д - угол трения грунта о сталь (для грунта IV категории д=22°), град; сш - коэффициент сцепления грунта (для грунта IV категории сш~6116кг/м2); ¡б - ширина призмы грунта в ковше, м; азт - угол затупления ножа к траектории движения ковша, град.; Вк - ширина стенки ковша, м; Вз - суммарная ширина зубьев (Вз=0,32 м), м; Нзт - толщина затупленной части, м; ан - угол наклона стенки к траектории движения ковша, град.; анз - угол наклона зуба к траектории движения ковша, град.; ¡н - длина стенки, м; ¡нз - длина зуба, м; g -ускорение свободного падения, м/с2 [2, 3, 9, \0, \\, \2].
При расчете приняты следующие допущения: 1) рассматривается грунт IV категории; 2) проводится копание горизонтальной поверхности грунта; 3) расчет проводится для ковшей объемом 0,25 м3; 4) в расчете не рассматривается сила тяжести рукояти; 5) в расчете не рассматриваются силы гидроцилиндров поворота рукояти; 6) в предлагаемой конструкции ковша угол ан=0°, так как форма стенки совпадает с траекторией ее перемещения; 7) в предлагаемой конструкции угол азт=90°, что снизит износ режущей кромки; 8) в стандартном ковше угол азт=50°; 9) при расчете сил на стандартном ковше грунт рассматривался в объеме А2КС (рис. 4а); 10) при расчете стандартного ковша угол ан расположен между
140000
120000
100000
? 80000 х
2 60000 40000 20000
0 4-
30
Стандартный ковш Новый ковш
40
50
60
70
80
90
в, град.
Рис. 7. Зависимости суммарного момента Мр сопротивления копанию от угла поворота в Fig. 7. Dependences of the total moment Мр resistance to digging from rotation angle в
линией КА и касательной к окружности с центром в точке X (рис. 4а); 11) при расчете стандартного ковша длина /„ равна длине отрезка AZK; 12) в процессе копания внешнее давление на грунт отсутствует; 13) сила, создаваемая гидроцилиндром поворота ковша составляет 80380 Н; 14) рассматриваются положения ковша с углами ß=300, ß=600, ß=900, так как они наиболее нагружены [4, 5, 6, 8].
В ковше стандартной конструкции гидроцилиндр поворота ковша воздействует на ковш через систему рычагов в точке А (рис. 6), поэтому необходимо рассчитать значение силы Рц в точке В, используя уравнение суммы моментов сил относительно точки О (12)
Рц ■ 10в - 80380 - sin х- 10А - 80380 ■ cos х ■ 1ов= 0. (12)
Определение длин от оси поворота ковша до точек приложения сил осуществлялось путем построения моделей ковшей в программном продукте Компас-3Б, расчет был проведен в программном продукте Microsoft Visual Basic. Ниже представлены входные данные для расчета.
Расчет ковша стандартной конструкции Постоянные данные: /7=0,36 м, /2=0,545 м, Рк=1399 Н;
/4= 1м, sin9=0,39, Нзт=0,011 м, р=2500 кг/м3, сш=6116 кг/м2, ctgç=2,36,
sinô=0,375, cosô=0,927, tgô=0,4, а3т=0,87 рад., а=0,014 м, tg^=0,42, B3=0,32 м, Вк=0,7 м, /б=0,88 м, /кз=0,182 м; акз=0,82 рад. Изменяющиеся данные:
- при ß=30°: Рц=123154 Н, йр=0,528 м, /з=0,523м, /з=0,72 м, ан=0,59 рад., /„=0,293 м, /7=0,793 м, /б=0,266 м;
- при Р=60°: Рц=123902 Н, Ар=0,786 м, /5=0,265 м, /з=0,613 м, а„=0,72 рад., /„=0,698 м, /7=0,763 м, /б=0,658 м;
- при Р=90°: Рц=123154 Н, Ар=0,817 м, /5=0,187 м, /з=0,547 м, ан=0,8 рад., /н=1,062 м, /7=0,658 м, /б=0,938 м.
Расчет ковша предлагаемой конструкции
Постоянные данные: /1=0,588 м; /2=0,211 м; Рц=80380 Н; Рк=2861 Н;
/4=0,53; sinф=0,39; Нзт=0,01 м; р=2500 кг/м3; сш=6116 кг/м2; ctgty=2,36;
sinд=0,375; ^¿=0,927; /^=0,404531; ¿=0,38 рад; а=0,01 м; tgф=0,42, В=0,71 м.
Изменяющиеся данные:
- при р=30°: Ар=0,37м; /б=0,249 м; /н=0,27 м; /з=0,394 м; /5=0,159 м;
- при р=60°: Ар=0,421м; /б=0,444 м; /н=0,542 м; /з=0,363 м; /5=0,109 м;
- при р=90°: Ар=0,426м; /б=0,52 м; /н=0,814 м; /з=0,337 м; /5=0,104 м.
На основании проведенных расчетов построены зависимости суммарного момента сопротивления копанию от угла поворота в для ковшей обеих конструкций (рис. 7).
В процессе копания грунта стандартным ковшом основную силу создают гидроцилиндры поворота рукояти. На экскаваторе с объемом ковша 0,25м3 на базе трактора ЮМЗ-6АКЛ используются 2 гидроцилиндра, суммарная сила которых составляет 160,76 кН. Плечо момента данной силы - это расстояние от точки приложения до оси поворота рукояти, оно составляет 0,56 м. Суммарный момент сил от гидроцилиндров поворота рукояти составит 90025 Нм. С учетом гидроцилиндра поворота ковша суммарный момент составит более 130 кНм, что вполне достаточно для осуществления процесса копания.
Исследования показали эффективность представленной конструкции. За счет изменения формы элементов ковша и траектории перемещения относительно его поворота снижаются силы сопротивления копанию. Расчет был проведен на примере ковша объемом 0,25 м3. Снижение сил сопротивления в процессе копания позволяет устанавливать ковши большего объема без изменения характеристики гидропривода. Это позволит повысить производительность одноковшовых гидравлических экскаваторов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Патент 2656286 Российская Федерация, МПК Е02F 3/28. Ковш экскаватора сферический / Бурый Г.Г.; заявитель и патентообладатель Бурый Г.Г.
2. Баловнев, В.И. Моделирование процессов взаимодействия со средой рабочих органов дорожно-строительных машин / В.И. Баловнев. -М.: Высшая школа, 1981. - 335 с.
3. Зеленин А.Н., Павлов В.П., Агароник М.Я., Королев А.В., Перлов А.С. Исследование разработки грунта гидравлическими экскаваторами // Строительные и дорожные машины. 1976. № 10. С. 9-11.
4. 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. Kovalevskiy2, C. Sc. in Engineering, Associate Professor.
'Siberian State Automobile and Highway University, Russia, 644080, Omsk, pr. Mira, 5 2Omsk State Technical University, Russia, 644050, Omsk, pr. Mira, 11
COMPARISON OF THE DIGGING PROCESS BY THE STANDARD EXCAVATOR BUCKET AND THE NEW DESIGN BUCKET
Abstract: The paper considers the possibility of increasing the productivity of single-bucket hydraulic excavators. The design of the existing and proposed bucket with a volume of 0,25 m3 is presented. The forces in the digging process arising on these structures are considered. Assumptions are made during the calculation process. Dependence for calculating the resistance forces on the bucket is described. The results of a comparative calculation of the force moment on the buckets of both structures are presented.
Keywords: bucket, design, force moment, productivity, hydraulic cylinder, comparison, digging, soil, excavator, digging resistance.
Article info: received March 19, 2020 DOI: 10.26730/1816-4528-2020-1-37-44
REFERENCES 1. Patent 2656286 Rossijskaja Federacija, MPK E02F 3/28. Kovsh jekskavatora sfericheskij / Buryj G.G.; zajavitel' i patentoobladatel' Buryj G.G. (rus)
5. Кузнецова В.Н., Савинкин В.В. Анализ эффективности работы одноковшового экскаватора // Вестник СибАДИ. 2014. №6. С. 26-33.
6. Павлов В.П., Абрамов А.Н. Рекомендации по выбору параметров экскаваторных ковшей // Транспортное строительство. 1984. № 7. С. 3536.
7. Тарасов В.Н., Коваленко М.В. Механика копания грунтов, основанная на теории предельных касательных напряжений // Строительные и дорожные машины. 2003. № 7. С. 38-43.
8. 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.
9. Домбровский, Н.Г., Гальперин М.И. Земле-ройно-транспортные машины - М.: Машиностроение, 1965. - 276 с.
10. Зеленин, А.Н. Машины для земляных работ / А.Н. Зеленин, В.И. Баловнев, И.П. Керов. -М.: Машиностроение, 1975. - 424 с.
11. Федоров Д.И. Рабочие органы землеройных машин. - М.: Машиностроение, 1990. - 360 с.
12. Ветров Ю.А. Резание грунтов землеройными машинами. - М.: Машиностроение, 1971. -357 с.
13. Sinclair R. Hydraulic Excavators: Quarrying & Mining Applications. London, Sinclair Publishing, 2011. - 388 p.
2. Balovnev, V.I. Modelirovanie processov vzai-modejstvija so sredoj rabochih organov dorozhno-stroitel'nyh mashin / V.I. Balovnev. - M.: Vysshaja shkola, 1981. - 335 p. (rus)
3. Zelenin A.N., Pavlov V.P., Agaronik M.Ja., Korolev A.V., Perlov A.S. Issledovanie razrabotki grunta gidravlicheskimi jekskavatorami // Stroitel'nye i dorozhnye mas hiny. 1976. № 10. Pp. 9 - 11. (rus)
4. Ananin V.G. Rezul'taty jeksperimental'nyh is-sledovanij i modelirovanija rabochego oborudovan-ija odnokovshovogo jekskavatora // Vestnik Tomskogo gosudarstven-nogo arhitekturno-stroitel'nogo universiteta. 2013. № 1 (38). Pp. 205213. (rus)
5. Kuznecova V.N., Savinkin V.V. Analiz jeffek-tivnosti raboty odnokovshovogo jekskavatora // Vestnik SibADI. 2014. № 6. S. 26 - 33. (rus)
6. Pavlov V.P., Abramov A.N. Rekomendacii po vyboru parametrov jekskavator-nyh kovshej // Transportnoe stroitel'stvo. 1984. № 7. Pp. 35-36. (rus)
7. Tarasov V.N., Kovalenko M.V. Mehanika ko-panija gruntov, osnovannaja na teorii predel'nyh ka-satel'nyh naprjazhenij // Stroitel'nye i dorozhnye mashiny. 2003. № 7. Pp. 38-43. (rus)
8. Kuznecova V.N., Savinkin V.V. Obespechenie jenergojeffektivnosti razrabotki grunta za schet op-timizacii uglov pozicionirovanija rabochego obo-rudovanija jekskavatora // Stroitel'nye i dorozhnye mashiny. 2015. № 3. Pp. 44-47. (rus)
9. Dombrovskij, N.G., Gal'perin M.I. Zemlero-jno-transportnye mashiny - M.: Mashinostroenie, 1965. - 276 p. (rus)
10. Zelenin, A.N. Mashiny dlja zemljanyh rabot / A.N. Zelenin, V.I. Balovnev, I.P. Kerov. - M.: Mashinostroenie, 1975. - 424 p. (rus)
11. Fedorov D.I. Rabochie organy zemlerojnyh mashin. - M.: Mashinostroenie, 1990 - 360 p. (rus)
12. Vetrov Ju.A. Rezanie gruntov zemlerojnymi mashinami. - M.: Mashinostroe-nie, 1971. - 357 p. (rus)
13. Sinclair R. Hydraulic Excavators: Quarrying & Mining Applications. London, Sinclair Publishing, 2011. - 388 p.
Библиографическое описание статьи
Бурый Г.Г., Потеряев И.К., Скобелев С.Б., Ковалевский В.Ф. Сравнение процесса копания стандартным ковшом экскаватора и ковшом новой конструкции // Горное оборудование и электромеханика - 2020. - № \ (\47). - С. 37-44.
Reference to article
Buryy G.G., Poteryaev I.K., Skobelew S.B., Ko-valevskiy V.F. Comparison of the digging process by the standard excavator bucket and the new design bucket. Mining Equipment and Electrome-chanics, 2020, no.1 (147), pp. 37-44.
