CC BY
247
8. Kornilovich S. A., Kondratjuk P. P., Poljakov M. A., Perepeli-cin M. G., Kanunnikov Y. A. Resursosberegajushhie teh-nologii remonta mashin v APK [Resource-saving technologies of cars' repair in agroindustrial complex]. Sovershenstvovanie teh-nologij, mashin i priborov v APK: sb. nauch. Tr. Omsk: Izdatel'stvo FGOU VPO OmGAU, 2006. pp. 187-193.
Корнилович Станислав Антонович (Россия, г. Омск) - доктор технических наук, профессор кафедры технического сервиса, механики и элек-
тротехники Омского государственного аграрного университета им. П.А.Столыпина. (644008, г. Омск, ул. Институтская площадь, 1, e- mail: st. omsk55@mail. ru)
Kornilovich Stanislav Antonovich (Russia, Omsk) -doctor of technical sciences, professor of the department "Technical service, mechanics and electrical engineering" of Omsk State Agrarian University (644008, Omsk, 1 Institutskaya ploshchad st., e-mail st. omsk55@mail. ru)
УДК 62(075.8)
АНАЛИЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ ОДНОКОВШОВОГО ЭКСКАВАТОРА
1 2 В. Н. Кузнецова , В. В. Савинкин
1 ФГБОУ ВПО «СибАДИ», Россия, Омск;
2 Северо-Казахстанский государственный университет им. М. Козыбаева,
Казахстан, Петропавловск;
Аннотация. В статье затрагивается тема анализа факторов, влияющих на технологические параметры работы одноковшового экскаватора, его энергоэффективность и производительность. Основное внимание в работе авторы акцентирует на исследованиях работы гидросистемы землеройных машин, которая подвержена большому количеству включений основных ее элементов. Доказано, что это оказывает воздействие на загрузку гидропривода и характер ее изменения. Статья подводит некоторые итоги изучения зависимостей грузоподъемности и производительности от технологических показателей работы экскаватора.
Ключевые слова: экскаватор, гидропривод, эффективность, грузоподъемность, производительность.
Введение
Развитие дорожной отрасли - одна из важных составляющих экономики Российской Федерации - в значительной степени зависит от эффективно функционирующей системы эксплуатации и ремонта, обеспечивающей поддержание средств механизации на высоком уровне работоспособности в течение всего срока их эксплуатации. Среди различных видов строительных работ значительный
объем приходится на разработку грунтов. Необходимость эксплуатации машин в комплексе приводит к тому, что потеря работоспособности одной из машин приведет к нарушению всего технологического процесса. Взаимодействие узлов и агрегатов машин формирует сложную конструктивно-технологическую систему, эффективность которой характеризуется несколькими показателями, например, КПД и энергоемкость.
Таблица 1 - Доля работы гидроприводов СДМ под нагрузкой
Показатель Экскаваторы Бульдозеры Скреперы Погрузчики Краны
Энергоемкие операции 50% - 70% 58% - 69% 56% - 70% 46% - 50% ~ 50%
Число включений 1250 1500 1200 900 1000
В настоящее время гидрофицированные машины составляют 80 % от общего количества. Работа гидроприводов под нагрузкой составляет 85 % от общего срока службы. При этом на выполнение наиболее энергоемких операций приходится от 50 до 70 %. Для машин велико число включений основных элементов, оказывающих влияние на загрузку гидропривода и характер ее изменения. Таким образом, режимы работы исполнительных механизмов весьма напряженные (таблица 1) [1].
Теоретические исследования
Широкое применение находят такие универсальные строительные машины, как самоходные краны и одноковшовые экскаваторы. Кроме того, эти машины, как правило, являются ведущими в комплексах машин при капитальном ремонте и строительстве дорог, промышленных и гражданских объектов и пр. Рабочее оборудование экскаваторов, приобретающее большие значения моментов
инерции при циклическом движении, являются источником динамических нагрузок. Такты рабочего цикла экскаватора обеспечиваются высокой мощностью двигателя и повышенным расходом топлива. Процесс загрузки ковша характеризуется большими динамическими нагрузками и малым КПД гидропривода. Неполная загрузка ковша приводит к снижению производительности и эффективности работы экскаватора. Повышенные нагрузки на технику ужесточают требования к ее надежности, долговечности с минимизацией затрат на эксплуатационные расходы.
Технологические возможности такой землеройной машины, как экскаватора, зависят от мощности силовой установки, вида рабочего оборудования, вместимости ковша и системы его привода. Показателями эффективности работы экскаватора будут: производительность, КПД гидропривода, затрачиваемая мощность на единицу объема разрабатываемого грунта, экономичность, минимальное время рабочего цикла (т. к. при исправном гидроприводе на поворот стрелы расходуется до 70 % рабочего времени цикла экскаватора) и состояние гидропривода. В гидроприводах механическая энергия преобразуется в гидравлическую, в этой форме перемещается, управляется или регулируется, а затем снова преобразуется в механическую энергию.
В процессе работы экскаватора гидроприводу необходимо преодолевать комплексное сопротивление копанию. При этом на силу резания грунта приходится наибольшая часть силы копания. Если у бульдозеров, например, сила резания составляет порядка 60 - 85 % силы копания, то у экскаваторов она достигает 74 %. Таким образом, сопротивление резанию грунта преобладает в составе суммарного рабочего сопротивления землеройных машин. Поэтому для производства земляных работ целесообразно использовать или преобразовывать кинетическую энергию потока рабочий жидкости, расходуемую на преодоление сил сопротивления. Следовательно, цель исследований заключается в оптимизации эксплуатационных и технологических параметров экскаватора, влияющих на снижение энергоемкости процессов.
Один из основных показателей эффективности работы гидропривода - его КПД. Произведение КПД гидромашин, или отношение полезной мощности гидропривода (гидродвигателя) к затрачиваемой мощности гидропривода (насоса), характеризует КПД гидропривода в целом. Рассмотрим энергетическую структуру гидропривода с учетом основных элементов системы (рис. 2).
Рис. 2. Энергетическая структура объемного гидропривода Г.Н. и Г.Д. - гидронасос и гидродвигатель; Мд и Пд - момент и частота вращения вала гидронасоса; О™. и р™. - подача и давление гидронасоса; Ог.д. и рг.д. - расход и давление гидродвигателя; Мг.м. и п г.м. - крутящий момент и частота вращения вала гидромотора; Rг.ц и - усилие и скорость перемещения штока гидроцилиндра; Мз.н и Nп.н. - затрачиваемая и полезная мощности гидронасоса соответственно; ^.г. и NпJ. - затрачиваемая и полезная мощности гидродвигателя соответственно; ^.п и ^.п. - затрачиваемая и полезная мощности гидропривода соответственно; Поб и Пм - объемный и механический КПД гидромашин; Пг.н. и цг.д. - общий КПД гидронасоса и гидродвигателей; Пг.п. - КПД гидропривода
С целью разработки мероприятий по повышению эффективности гидропривода необхо-
димо четко сформулировать критерий оценки и исследовать зависимости между основными
параметрами экскаватора и его систем. Эффективность работы гидропривода характеризуется производительностью Пэ, удельным д и часовым Gт расходом топлива и полезной мощностью гидропривода Nгп, затрачиваемой на один кубометр разрабатываемого грунта [2]. К основным параметрам экскаватора «Komatsu РС 300» относятся: мощность двигателя N (полная, полезная), номинальная подача насоса Он, номинальное давление гидропривода Рнггп, грузоподъемность Оэ, вместимость ковша Ук, максимально тяговое усилие транс-
миссии Rт и эксплуатационная масса тэ. Приоритетной задачей проектирования является обоснование адекватных соотношений этих параметров с технологическими характеристиками. Для модельного ряда экскаваторов «Komatsu РС 300» от РС 35 MR - 3 до РС 8000 -6 получены значения удельных параметров. Установлены корреляционные зависимости грузоподъемности Оэ от мощности гидропривода Nгп (у = 373,5х+28,19; R2 = 0,9314) и мощности двигателя N (у = -0,0944х2 + 71,006х -5032,1; R2 = 0,8216 (рис. 3).
а) мощность гидропривода
б) мощность двигателя
Рис. 3. Зависимость грузоподъемности от мощностных характеристик экскаватора
а)
б)
в)
Рис. 4. Зависимость производительности от технологических показателей экскаватора
Одним из эксплуатационных показателей, отражающим работу экскаватора, является производительность, зависящая от множества факторов, которые предстоит исследовать.
На рисунке 4 представлены установленные зависимости производительности Пэ от вместимости ковша, мощности гидропривода Мгп и мощности двигателя Ne.
Анализируя аппроксимирующие зависимости, установлено, что с увеличением мощности гидропривода до Nгп= 19 кВт производительность экскаватора возрастает до Пэ = 280 м3/ч. При этом для достижения заданной мощности гидропривода в Nгп = 19 кВт мощность двигателя также повышается до Ne = 176 кВт. Сочетания мощностей силовой установки и гидропривода обеспечивает установившуюся производительность машины Пэ = 280 м3/ч, соответствующую энергетическим затратам. Далее увеличивая мощность силовой установки с Ne = 176 кВт до 210 кВт и гидропривода с Nгп = 19 кВт до 30 кВт изменений в производительности не наблюдается (рис. 4). Такой характер зависимостей описывает возникающие потери мощности гидропривода, затраченные на преодоление сил сопротивления и перемещения собственных масс оборудования. Необходимо принять допущение, что установившаяся полезная мощность
= 19кВт, ^ = 176 кВт) и эффективная производительность Пэ = 280 м3/ч - величины условные и применимы в определенном временном интервале, например, за цикл. При заданном интервале времени, но в разных его отрезках сохранение производительности Пэ = 280 м3/ч обеспечивается варьированием мощностей. Область изменения значений полезной мощности, например Nгп = 19 - 30 кВт образуется вследствие технологического процесса разработки грунта. Данные пределы полезной мощности вызваны неравномерным распределением динамической нагрузки при изменении геометрии забоя и пространственном позиционировании рабочего оборудования и ковша экскаватора.
Дальнейшее увеличение мощности для Nгп более 30 кВт и для ^ более 210 кВт нецелесообразно, т. к. происходит резкое снижение производительности и увеличение эксплуатационных затрат. Таким образом, определена область эффективного использования мощности гидропривода N^=19 - 29 кВт и мощности двигателя ^ = 174 - 190 кВт. Производительность - показатель комплексный, величина которого отражает технологические характеристики экскаватора «Komatsu РС 300». Грузоподъемность, категория грунта и размерный ряд ковша предопределяют про-
изводительность. Зависимость производительности экскаватора «Komatsu РС 300» Пэ от номинальной вместимости ковша VR аппроксимирована выражением и представлена также на рис. 4а. Заметный рост производительности виден на отметке Пэ = 300 - 310 м3/ч при вместимости ковша VR = 2,2 - 2,5 м3, мощности гидропривода Nгп = 19 кВт и мощности двигателя Ne = 190 кВт.
Обобщая результаты зависимостей, можно отметить, что найдены оптимальные соотношения параметров, обеспечивающих эффективную эксплуатацию экскаватора «Komatsu РС 300». Из графиков рисунка 46 и 4е видно, что дальнейшее повышение мощности двигателя и гидропривода не целесообразно, т. к. производительность снижается при тех же энергетических затратах. На основании исследования зависимостей предполагается, что при выборе рациональных режимов работы экскаватора «Komatsu РС 300» обеспечивается производительность, соответствующая энергетическим затратам на единицу объема разрабатываемого грунта.
Одним из критериев оценки эффективности экскаватора «Komatsu РС 300» выступает усилие копания ковшом [3]. Нагрузочная характеристика гидропривода выражает зависимость скорости движения выходного звена от нагрузки на нем. При оценке нагрузки выходного звена гидропривода необходимо определить перепад давлений на дросселе. Далее для построения силовой характеристики привода зададимся рядом значений R и из выражения определим ДРдр. Для этих значений ДРдр, найдем скорости перемещения штока. Величину R следует изменять от нуля до максимального значения R тах, при котором скорость перемещения штока равна нулю. По данным вычислений строили график иП = f ^) (рис. 5).
Составляющие нагрузочной характеристики предопределяют режимы работы экскаватора «Komatsu РС 300» и его производительность. Производительность, как эксплуатационный показатель, влияет на другие технологические характеристики расходуемая мощность гидропривода Nгп, двигателя Ne и создаваемое усилие копания ковшом Rк. Сочетание перечисленных факторов отражают эффективную работу экскаватора, которая оценивается общим КПД гидропривода Побщ.[4-6].
Рассмотрим зависимости силы копания ковшом экскаватора «Komatsu РС 300» от мощность гидропривода Nгп и хода поршня гидроцилиндра ковша (рис. 6 а, 6), а также общего КПД гидропривода Побщ. от усилия копания ковшом (рис. 6 в).
Рис. 5. Нагрузочная характеристика гидроцилиндра ковша экскаватора
а)
б)
в)
Рис. 6. Корреляционные зависимости работы экскаватора
Из рисунка 6 видно, что сила копания ковшом возрастает до значений Rк = 200 -230 кН пропорциональна мощности гидро-
привода ^п = 19 - 21 кВт. В реальных условиях эксплуатации дальнейшее увеличение мощности гидропривода не дает положитель-
ного эффекта из-за возрастающих сил гидравлического сопротивления и сопротивления при разработке грунта. Зависимость изменения КПД гидропривода Побщ. от усилия копания ковшом Rк более точно характеризует технологический цикл разработки грунта. Изменение цобщ от 0,85 до 0,6 описывает внедрение ковша в верхние слои грунта, значения Побщ от 0,6 до 0,5 характеризует процесс резания и отрыва слоя грунта, равного вместимости ковша при установившемся усилии копания Rк = 170 - 210 кН. Повышение КПД Побщ от 0,5 до 0,6 происходит за счет снижения значений сил сопротивления и описывает процесс выемки грунта, перемещение и выгрузку. Величина цобщ = 0,55 является действительной и сохраняется практически во всем технологическом цикле. Таким образом, под-
тверждается предположение о том, что самый энергоемкий такт цикла - это резание и отрыв грунта [7].
Для получения текущих величин при исследовании циклических процессов использовался метод аппроксимации, основанный на полиномах Тренда. Предложенные аппроксимирующие зависимости исследования мощностных, силовых и технологических характеристик помогут решить задачу определения энергоэффективных характеристик тактов цикла разработки грунта экскаватором с энергосберегающим приводом. Важным показателем эффективности работы экскаватора «Komatsu РС 300» служит часовой Gт и удельный д расход топлива, зависимость которых представлена на рисунке 7.
а) двигатель б) гидропривод
Рис. 7. Характеристика топливной и мощностной эффективности работы экскаватора
Зависимости (рис. 7) характеризуют влияние технологических параметров на расход топлива. Увеличение мощности двигателя влечет повышение частоты вращения коленчатого вала и увеличение производительности гидронасоса высокого давления [8]. Одновременно с повышением мощности двигателя ^ = 190 кВт возрастает часовой расход топлива, Gт до 23 - 26 л/ч. Часовой и удельный расход топлива являются эксплуатационными показателями эффективности рабочего процесса - разработка грунта. Указанный часовой расход топлива Gт = 23 - 26 л/ч соответствует наиболее энергоемкому процессу резания и отрыва слоя грунта, при котором возникает значение максимальной силы сопротивления резанию Rк = 170 - 210 кН. Преодоление ее возможно при развитии мощности гидропривода Nгп = 19 - 21 кВт и мощности двигателя N = 190 кВт, при которых обеспечивается фактический КПД гидропривода Побщ= 0,6, соответствующий выполнению
наиболее энергоемких операций. При мощности гидропривода Nгп = 4 - 12 кВт наблюдаются практически прямой отрезок, описывающий перемещение рабочего оборудования в порожнем состоянии к месту забоя. В этом режиме сопротивления минимальны и соответственно требуется меньше мощности гидропривода для выполнения данного такта. Удельный расход топлива в этом случае также минимален: д = 200 -210 г/кВт. Увеличение удельного расхода топлива, д с 210 г/кВт до 217 г/кВт характеризует энергоемкий процесс резания и выемку грунта с возникающим усилием Rк = 170 - 210 кН, который требует увеличение мощности гидропривода, Nгп до 26 кВт.
Анализируя зависимости (рис. 7), установлены значения рационального расхода топлива при сохранении эффективной мощности двигателя Ne = 175 - 190 кВт и гидропривода Nгп = 18 - 21 кВт с заданной производительностью Пэ = 300 - 310 м3/ч.
Заключение
Результаты аналитических исследований подтверждают актуальность согласования технологических и эксплуатационных показателей экскаватора. Для обеспечения рабочих циклов экскаватора эффективной мощностью разработана таблица рациональной вместимости ковша экскаватора в зависимости от технологических параметров выполнения работ (таблица 2).
Исследования показали, что величина энергоемкости разработки грунтов землеройными машинами зависит не только от физико-механических свойств грунта, но и от конст-
руктивных особенностей гидропривода, применяемых для выполнения работ.
Доминирующая величина суммарной потери энергии при силах сопротивления механизмов привода приходится на гидроцилиндры ковша и поворотную платформу экскаватора в процессе резания и торможения при повороте. Поэтому энергоэффективность гидропривода, как комплексный показатель процесса разработки грунта, зависит не только от начальных параметров гидропривода, но и от изменения их в процессе технологических циклов.
Таблица 2 - Соответствие эффективной производительности экскаватора размерному ряду
ковшей
-05щее назначение, платность до 18 т/м " | -Работа S легком режиме, плотность до 1,2 т/м '
Библиографический список
1. Соловьев, Д. Б. Оценка энергозатрат вы-емочно-погрузочных машин на перемещение горной массы в зависимости от геомеханического состояния массива / Д. Б. Соловьев // Новые технологии. Горное оборудование и электромеханика, № 5. - 2010. - С. 22 - 26.
2. ГОСТ 17752-81 «Гидропривод объемный и пневмопривод. Термины и определения» - М.: Издательство стандартов, 1988. - 73 с.
3. Кузнецова, В. Н., Обоснование критериев оценки эффективности экскаватора KOMATSU PC300 / В. Н. Кузнецова, В. В. Савинкин // Строительные и дорожные машины. - 2014. - № 3. - С. 9 -12.
4. Хребтов, Н. В. Влияние объемного КПД насоса на производительность экскаватора / Н. В. Хребтов // Строительные и дорожные машины. -1986. - №1. - С. 11 - 12.
5. Kordak R., Nikolaus H. Les transmission hydraustatique a regulation secondaire. Les cours
-Одщее назначение, плотность до 1,5 т/м '
d'hydraulique. Vol. 6. Mannesmann Rexroth. RF 00293, 1989. 75 p.
6. Mentzner F. Kennwerte der Dynamik sekundargeregelter Axialkolbeneinheiten. Dissertation. Universite militaire de RFA, Hambourg, 1985.
7. Kordak R. Sekundargeregelter hydrostatishe Antriebe // Jurn. O + P. 1985. No. 9.
8. Драгомиров Д. В. Исследование энергодинамических и регулировочных характеристик гидропривода с гидромоторным блоком расширенного диапазона: дис. ... канд. техн. наук: 05.04.13 / Д. В. Драгомиров. - М., 2010. - 179 с.
ANALYSIS OF EFFICIENCY OF A SINGLE-BUCKET EXCAVATOR'S OPERATION
V. N. Kuznetsova, V. V. Savinkin
Abstract. Well known that earthworks are carried out in difficult soil conditions. Besides, hydraulic system of earthmoving machines is subjected to a large number of inclusions of its basic elements, which affects loading of hydraulic drive and chatacter of its
change. The article dwells on the factors affecting the technological parameters of a single-bucket excavator's operation, its energy efficiency and productivity. There is presented an analysis of dependencies of load capacity and productivity on technological operational indicicators of an excavator.
Keywords: excavator, hydraulic circuit, efficiency, load capacity, productivity.
References
1. Soloviev D.B. Otsenka energozatrat vyemochno-pogruzochnykh mashin na peremeshchenie gornoi massy v zavisimosti ot geomekhanicheskogo so-stoianiia massiva [Evaluation of power inputs of loading machines on moving rock mass depending on geomechanical condition of a massif]. Novye tekhnologii. Gornoe oborudovanie i elektromekhanika, no 5, 2010. pp. 22 -26.
2. GOST 17752-81 1. Hydraulic and pneumatic bulk. Terms and definitions. Moscow, Publishing Standards, 1988. 73 p.
3. Kuznetsova V. N., Savinkin V. V. Obosnovanie kriteriev otsenki effektivnosti ekskavatora KOMATSU PC300 [Justification of assessment criteria of the KOMATSU PC300 excavator's efficiency]. Stroitel'nye i dorozhnye mashiny, 2014, no 3. pp. 9 - 12.
4. Khrebtov N.V. Vliianie ob"emnogo KPD nasosa na proizvoditel'nost' ekskavatora [Influence of volumetric efficiency on an excavator's productivity]. Stroitel'nye i dorozhnye mashiny, 1986, no 1. pp. 11 -12.
5. Kordak R., Nikolaus H. Les transmission hydraustatique a regulation secondaire. Les cours d'hydraulique. Vol. 6. Mannesmann Rexroth. RF 00293, 1989. 75 p.
6. Mentzner F. Kennwerte der Dynamik sekundargeregelter Axialkolbeneinheiten. Dissertation. Universite militaire de RFA, Hambourg, 1985.
7. Kordak R. Sekundargeregelter hydrostatishe Antriebe // Jurn. O + P. 1985. No. 9.
8. Dragomirow D.V. Issledovanie energodi-namicheskikh i regulirovochnykh kharakteristik gid-roprivoda s gidromotornym blokom rasshirennogo diapazona: dis. ... kand. tekhn. nauk: 05.04.13 [Research of energodynamic and regulating characteristics of hydraulic circuit with hydromotor block of extended range: dis. ... cand. tehn. sciences]. Moscow, 2010. 179 p.
Кузнецова Виктория Николаевна (Россия, г. Омск) - доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО «СибАДИ». (644080, г. Омск, ул. Ми-ра,5, e-mail: dissovetsibadi@bk.ru)
Савинкин Виталий Владимирович (Казахстан, г. Петропавловск) - кандидат технических наук, заведующий кафедрой Транспорт и машиностроение Северо-Казахстанского государственного университета им. М. Козыбаева (150000, Казахстан, Петропавловск, ул. Пушкина, 86)
Kuznetsova Viktoria Nikolaevna (Russian Federation, Omsk) - doctor of technical sciences, professor of The Siberian State Automobile and Highway Academy (SibADI). (644080 Russia, Omsk, 5 Mira st., e-mail:dissovetsibadi@bk. ru)
Savinkin Vitaliy Vladimirovich (Kazakhstan, Pet-ropavlovsk) - candidate of technical sciences, head of the department "Transport and mechanical engineering" of North-Kazakhstan State University named after M. Kozybayev (150000, Kazakhstan, Petropav-lovsk, Pushkin St., 86)
УДК 624.15
ГЕРМЕТИЗАЦИЯ РАСКАТЫВАЮЩИХ ПРОХОДЧИКОВ СКВАЖИН
В. Лис1, Ю.Е. Пономаренко2 1Германия, г. МйИеЫЬега^ 2 ФГБОУ ВПО «СибАДИ», Россия, г. Омск
Аннотация. В статье приводятся различные схемы герметизации межкатковых торцевых зазоров применяемые в современных конструкциях многокатковых раскатывающих рабочих органов. Даны их преимущества и недостатки. Описана принципиальная схема произвольного катка, допускающая проникание внутрь некоторого количества грунта, а также схема сопряжения произвольной пары катков с герметизацией клиновидных межкатковых зазоров посредством уплотнений сферического типа.
Ключевые слова: грунт, скважина, катки, зазоры, уплотнения.
Введение
Наряду с наиболее распространёнными способами проходки скважин без выемки грунта - выштамповыванием, пробивкой, проколом и винтовым продавливанием [1-3] одним из перспективных является метод проходки скважин раскатыванием, суть которого заключается в обкатывании стенки образуе-
мой скважины свободно вращающимися на валу рабочего органа катками (рис. 1). Деформация грунта происходит под действием контактных сил давления катков на забой скважины вследствие эксцентричного расположения их на валу рабочего органа и поступательного перемещения вдоль оси образуемой скважины [4,5].
