CC BY
35
УДК 621.879.3
П.А. Побегайло, Д.Ю. Крицкий
ОБЩЕЕ СОСТОЯНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ ОДНОКОВШОВЫХ ЭКСКАВАТОРОВ В СССР НА КОНЕЦ 60-Х ГОДОВ ПРОШЛОГО ВЕКА.
о
ИСТОРИЧЕСКИЙ ОЧЕРК1
Рассмотрен общий ход исследований одноковшовых экскаваторов в СССР с 1945 по 1970 гг. Проанализированы основные достижения и неудачи советских ученых и инженеров. Указан ряд нерешенных проблем: не удалось создать статистическую динамику и строительную механику одноковшовых экскаваторов; не удалось перейти в расчетах несущих металлоконструкций к методу предельных состояний; не были построены методы оценки остаточного ресурса металлоконструкций одноковшовых экскаваторов, нет разумной классификации их дефектов; современные методы мониторинга состояния металлоконструкций применяются методически неверно, т.к. не сопровождаются полномасштабным анализом динамики экскаватора; современные работы по анализу динамики одноковшовых экскаваторов излишне упрощены, расчетные схемы часто ничем не обоснованы. Все эти проблемы имеют свои корни не только в настоящем, но и в прошлом.
Ключевые слова: одноковшовые экскаваторы, история развития советских одноковшовых экскаваторов, решенные и нерешенные проблемы теории проектирования отечественных одноковшовых экскаваторов.
DOI: 10.25018/0236-1493-2017-10-0-72-83
Настоящая работа посвящена светлой памяти одного из наших учителей — профессора К.С. Гаевской
Введение
Учитывая, что мировой опыт проектирования и использования одноковшовых экскаваторов составляет уже почти двести лет2, сейчас назрел момент спокойно и глубоко оценить все, что было
сделано за это время. В рамках настоящей работы, естественно, невозможно охватить весь указанный период развития экскаваторостроения. Поэтому здесь мы остановимся на отечественных исследованиях, в первую очередь выпол-
1 Обзор написан по сохранившимся материалам отраслевой научно-исследовательской лаборатории мощных экскаваторов МИСИ им. В.В. Куйбышева (МГСУ). Он является продолжением наших работ [1—8 и др.]. Отметим, что за рубежом подобные работы нам неизвестны; сейчас публикуются лишь тематические обзоры типа трудов [9—16 и др.]. Задачи «стыковки» наших материалов с работами П.А. Надальяка (конца 50-х годов прошлого века) перед нами не стояло.
2 Н.Г. Домбровский [17 и др.] указывает XVI век в качестве старта истории развития экскаваторов. Касательно же одноковшовых экскаваторов он указывает на механика W. Ottisа, получившего патент на «крановую лопату» в 1833 г. и тем самым давшим старт развитию уже их истории. Г.П. Чистяков [18], независимо от Н.Г. Домб-ровского, также указывает на XVI век в качестве старта истории развития экскаваторов и на W. Ottisа как «отца» одноковшового экскаватора в современном его понимании. Советское экскаваторостроение стартовало в 1930 г. с соответствующего постановления Совета Труда и Обороны СССР. В том же году была создана проектно-техническая контора экскаваторостроения (ВТКЭ или «Проектэкскаватор»).
ISSN 0236-1493. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2017. № 10. С. 72-83. © П.А. Побегайло, Д.Ю. Крицкий. 2017.
ненных в период с 1945 по 1970 гг., т.к. именно в эту эпоху был создан основной фундамент отечественного, советского экскаваторостроения; ведь это была великая эпоха бури и натиска!
К 1948—49 гг. экспериментальные исследования и теория расчета одноковшовых экскаваторов ограничивались немногими небольшими работами, посвященными отдельным, частным вопросам. Среди них можно отметить труды3 Н.Д. Аверина, А.И. Анохина, В.В. Арнольда, Н.И. Бабича, А.Е. Браиловского, В.А. Добровольского, Н.Г. Домбровского,
A.Н. Зеленина, Н.М. Зыкова, В.К. Ильги-сониса, К.Ф. Кравченко, А.С. Меренков,
B.А. Либина, Е.Р. Петерса4, Р.П. Рассина, А.С. Реброва, Ф.Ф. Реша, Б.И. Сатовско-го, И.С. Сегаля, В.П. Соболева, Г.П. Чистякова и др.5, часть которых была направлена на изучение динамических процессов при работе экскаваторов.
Несколько более значителен был корпус трудов, посвященных динамическим процессам в грузоподъемных машинах. Помимо работы Пфлейдерера (Pfleide-гег С.) — «Динамические процессы при движении машин», использованной в трудах М.Н. Берлова, нескольких небольших работ А.А. Вайнсона, Л.Г. Кифера, М.С. Комарова, А.О. Спиваковского, необходимо указать на работу П.Е. Богуславского «Строительная механика крановых металлоконструкций» (Машгиз, 1944), построенную частично на зарубежном материале, частично на исследованиях ВНИИПТМАШа.
Чуть шире была литература по вопросам общей динамики и строительной механики машин, представленная работами А.И. Дымова, Н.И. Колчина,
A.Н. Крылова, Л.Б. Левенсона, П.Ф. Пап-ковича, Ю.А. Шиманского и др.
Несоизмеримо шире была уже в то время литература по общим вопросам динамики и динамики сооружений, представленная капитальными трудами С.А. Бернштейна, С.А. Ильясевича,
B.Л. Кирпичёва, И.М. Рабиновича, С.В. Се-ренсена, Н.С. Стрелецкого, С.П. Тимошенко, В.Н. Челомея и многих, многих других.
Но! Все указанные сейчас работы невозможно было применять к решению задач, стоящих перед советским экска-ваторостроением без проведения капитальных экспериментально-теоретических исследований.
Это, а также и требования горной и строительной промышленности, тяжелого машиностроения, испытывавших значительные затруднения в области бурно развивавшегося освоения новых моделей техники, обусловили соответствующие направления основных работ.
В области экскаваторостроения имелись теоретические работы, основанные на расчетах по предельным нагрузкам, выполненные в течении 1931—48 гг. на базе конструкторских работ «Проектэк-скаватора» по созданию первых типов советских экскаваторов и экспериментальных лабораторных, а также и полевых исследований сопротивления грун-
3 Тут мы учитываем не только печатные публикации, но и проекты экскаваторов и иные подобные документы.
4 Под его руководством в 1935 г. был создан и в 1936 г. испытан шагающий драглайн ДШ-0,75. Он же является одним из авторов первого типового расчета экскаваторов.Остались в истории и его послевоенный конфликт с Н.Г. Домбровским, и с УЗТМ (вокруг «теории подобия» в экскаваторостроении) и с др. При этом его монография [19] является прекрасной книгой, актуальной до сих пор.
5 Принципиально важно указать на огромный, хотя и косвенный, вклад в отечественное экскаваторостро-ение трудов академика В.П. Горячкина, исследовавшего работу плуга (задолго до начала второй мировой войны) {некоторую роль сыграли и труды его учеников}. Определенную положительную роль сыграли и работы Динглингера, Клейна, Ратье, Нерло-Нерли (эти и прочие фамилии даем в принятой в нашей стране форме). Заметим, что к 1949 г. уже начали работать и Ю.А. Ветров, и А.Д. Далин, и Х.А. Винокурский, и Т.Е. Исаев и некоторые другие, но их основные достижения были еще впереди.
6 По мнению Н.Г. Домбровского.
та копанию в различных условиях, организованных Н.Г. Домбровским в Ленинградском политехническом институте в 1936—40 гг. Полевые испытания, выполненные в Магнитогорске с помощью инерционной аппаратуры на лучших (на то время6) зарубежных моделях электрических экскаваторов BUCYRUS 120-В, Marion 4121 и BUCYRUS 50-В, работавших в тяжелых условиях, давали достаточно полное представление о характере и значении нагрузок на ковше при его движении в забое различной трудности в зависимости от качества взрывных работ и типа грунта, сопротивления грунта при копании. Эти полевые и лабораторные исследования впервые позволили обосновать типовой расчет экскаваторов, изложенный в работе Н.Г. Домбровского «Экскаваторы» (первая часть этого капитального и актуального сейчас труда вышла в 1936 г., а вторая в 1940 г.7). Метод расчета, построенный по предельным нагрузкам, возникающим в самых неблагоприятных условиях нагружения, выбор которых был обоснован теоретически и экспериментально, в соединении с разработанной еще в «Проектэкскаваторе» в 1932—34 гг., под руководством академика Н.Т. Гудцова и Н.М. Беляева, методикой выбора допускаемых напряжений (автор — Е.Р. Петерс), в ряде своих положений благополучно дожил и до нашего времени, давая удовлетворительные результаты для машин, имеющих достаточно жесткие конструкции8. В соединении с разработанной Н.Г. Домбровским
методикой определения реакции грунта9 и динамическим расчетом оптимальных параметров10 поворота этот метод расчета заложил основу впервые созданной в СССР теории рабочего процесса и расчета одноковшовых экскаваторов. Однако эти исследования не позволили получить значения наибольших динамических пиковых нагрузок. Не были должным образом вскрыты и явления колебаний, и не были экспериментально определены фактические нагрузки на основные узлы, такие, как опорные поворотные устройства, платформы, рамы и ходовые опоры.
В соответствии с изложенным, работы кафедры «Строительные машины» МИСИ им. В.В. Куйбышева, под руководством Н.Г. Домбровского11, на первом этапе в 1948—1952 гг. были направлены на разработку методики полевых и лабораторных исследований внешних нагрузок, нагрузок на отдельные узлы и возникающих при этом напряжений с применением электронной аппаратуры.
Был создан ряд оригинальных приспособлений и приборов для исследования динамики нагрузок и изучения работы механизмов, металлоконструкций, опорно-поворотных и ходовых устройств, электро- и гидроприводов, а также проведены испытания экскаваторов Урал-машзавода — карьерного типа СЭ-3 с ковшом емкостью три и пять метров кубических (в 1949 г. при работе на перевалке вскрыши) и трех моделей шагающих драглайнов: ЭШ-14/65, ЭШ-10/75 и
7 Отметим, что тираж этой монографии был 4000 экз. У книги Г.П. Чистякова тираж был 1600 экз. Для второй половины 30-х годов прошлого века такие объемы тиража представляется весьма значительными.
8 Это, однако, существенный минус отечественной науки.
9 На основании ряда идей академика В.П. Горячкина.
10 Необходимо отметить, что формально задача оптимизации не ставилась и не решалась (в современном виде).
11 В круг его сотрудников тогда входили: Д.П. Волков, К.С. Гаевская, И.М. Гомозов, Р.А. Макаров, С.А. Панкратов, В.А. Ряхин, П.Е. Тотолин и др. Заметим, что далеко не всегда отношения между ними складывались хорошо. Так печально знаменит конфликт между Н.Г. Домбровским и Д.И. Фёдоровым (по вопросу об использовании ряда работ последнего). И это далеко не единственная грустная история. Все это очень существенно сказалось на развитии отечественного экскаваторостроения (понятно, что в не лучшую сторону).
ЭШ-14/75, экскаваторов НКМЗ — шагающих драглайнов — ЭШ-!12, ЭШ-!-У и драглайна на переменном токе ЭШ-4/40, вскрышного экскаватора ЭГЛ-15 с ковшом емкостью пятнадцать метров кубических; универсального экскаватора Ковровского завода Э-505А.
Испытания проводились на Волгодон-строе, горных предприятиях Урала (Вах-рушевуголь, Первоуральск), на строительстве в Подмосковье. Всего за пять лет (1948—1952 гг.) было проведено пятнадцать испытаний девяти типов экскаваторов. Большинство испытаний было связано с проведением государственных испытаний, отработкой и доводкой указанных выше машин, и в них принимали деятельное участие работники КБ УЗТМ и НКМЗ.
При испытаниях экскаватора ЭШ-1 (позже и не только его) были впервые исследованы нагрузки и моменты эксцентрикового шагающего механизма НКМЗ, а при испытаниях ЭШ-14/75 нагрузки гидравлического шагающего механизма УЗТМ. Было получено удовлетворительное совпадение теоретических и экспериментальных значений этих нагрузок, а также выявлены некоторые неизвестные ранее особенности этих конструкций.
Впервые при испытаниях многогусеничных систем тяжелых экскаваторов были исследованы фактические давления на грунт, колебания при движении гусеничного движителя с очень малой скоростью, тяговые усилия в гусеничных цепях при повороте у восьми гусеничных экскаваторов13.
Частично результаты этого периода исследований освещены в ряде работ Н.Г. Домбровского и его учеников (в основном — в отчетах и диссертациях,
которые либо труднодоступны, либо вообще не сохранились), однако полного отражения в печати они не получили14.
Начиная с 1950 г. начались сначала единичные, а потом все возрастающие в количестве попытки ряда организаций включиться в исследования экскаваторов.
Были начаты исследования Днепропетровским, Свердловским и Московским горными институтами.
Исследования проводились по современной на тот момент методике и имели целью выявить отдельные вопросы работы и динамики механизмов и металлоконструкций.
Одновременно были начаты исследования экскаваторов малой мощности отделом экскаваторов и кранов ВНИИ-стройдормаша.
Эти испытания охватывали вопросы динамики металлоконструкций и, частично, механизмов, нагрузки на ковш при различном типе и конструкции рабочего оборудования и были широко освещены в периодической печати и в сборниках трудов ВНИИстройдормаша. Результатом этих работ является значительное количество конструктивных разработок, внедренных в производство15.
Быстрый рост мощности машин предъявлял все возрастающие требования к их конструированию и производству.
Уже при первых испытаниях этих машин были «замечены» вопросы, неисследованные ранее на этих машинах и не учитываемые при проектировании.
При этом попытки экспериментального установления взаимозависимости влияния всех действующих на экскаватор факторов привели к тому, что число одновременно записываемых величин,
12 Печально известная из-за своей неудачной конструкции машина.
13 Наконец то получили дальнейшее развитие идеи приведенные в монографии [20].
14 Нет этого и сейчас.
15 На основании этих исследований Д.П. Волков подготовил и успешно защитил докторскую диссертацию (см. его монографию [21]).Отметим, что сегодня, чаще всего, сборники трудов ВНИИСДМ можно найти только в крупных технических библиотеках.
особенно при исследовании мощных экскаваторов, возросло до пятидесяти, а длина кабелей достигла при испытаниях мощных машин пяти километров. Также и габариты экскаваторов создавали дополнительные трудности, так как ряд датчиков находился на высоте сорока и более метров над землей.
В 1951 г. кафедрой «Строительные машины» МИСИ им. В.В. Куйбышева была разработана новая методика комплексных исследований строительных машин, ставящая задачу установления взаимосвязи всей кинематической цепи машины: «грунт (порода)—рабочий орган—ме-таллоконструкция—механизм—привод»16.
Все эти работы позволили подтвердить и значительно пополнить накопленные ранее данные по сопротивлению грунта копанию, полученные с помощью инерционной аппаратуры.
Внедрение новой методики составило второй этап работы 1952—1957 гг. Был поставлен ряд исследований на моделях в лаборатории МИСИ им. В.В. Куйбышева и на натурных моделях экскаваторов на Уралмашзаводе (например, доведение стрел до разрушения), что позволило по новой, разработанной в МИСИ им. В.В. Куйбышева методике оценить связь характера динамических процессов с конструкцией.
Эти отмеченные исследования стрел различных форм в значительной мере подготовили обоснования для конструктивных решений при создании новых моделей экскаваторов и модернизации освоенных серийных машин.
В этот период на УЗТМ и НКМЗ начали организовываться лаборатории и отделы по испытаниям экскаваторов, развертываемые в направлениях, проложенных уже проведенными испытаниями.
Анализ и опыт исследований требовали углубления качественной стороны
16 По сути это уже система «Человек-Машина-Среда».
проводимых исследований. Несмотря на все возрастающее количество подготовки и проведение экспериментов (так, полевые исследования при наклейке 500-а датчиков продолжались в полевых условиях всего месяц-полтора) — становилась все яснее необходимость перехода на более совершенные методы.
Круг объектов и число участников исследований постепенно расширялся. Начались исследования динамики многоковшовых экскаваторов, фрикционных муфт экскаваторов и т.д.
Результаты и отчеты исследований непосредственно служили основными материалами для приемки мощных машин и заключения государственных комиссий по их испытанию.
Следует отметить, что одним из существенных практических результатов этих работ стали твердо внедренные в жизнь при приемке экскаваторов правила проводить работы государственных комиссий на основе глубоких экспериментально-теоретических исследований.
На базе этих исследований достаточно объективно устанавливались недостатки, которые устранялись при совершенствовании экскаваторов, при их модернизации и при создании более мощных моделей.
Так, были проведены комплексные исследования новых мощных экскаваторов — шагающих драглайнов ЭШ-6/60 и ЭШ-25/100, с ковшами шесть-восемь и двадцать пять метров кубических, вскрышных лопат ЭВГ-15 с ковшом емкостью пятнадцать метров кубических, карьерных экскаваторов ЭКГ-8 с ковшом емкостью пять метров кубических вместо трех, ЭШ-20/65 с ковшом двадцать метров кубических, вместо четырнадцати. Разработанный и апробированный в МИСИ им. В.В. Куйбышева комплексный метод испытаний был перенят другими
организациями и успешно применялся до конца 80-х годов прошлого века (и не только для экскаваторов).
В значительной мере на основании результатов исследований был прекращен выпуск экскаваторов ЭШ-4/40 на переменном токе, замененных моделью ЭШ-4/40 на постоянном токе (и позже, машиной ЭШ-5/45), а также перепроектирован экскаватор ЭГЛ-15, замененный моделью ЭВГ-15.
На базе исследования драглайнов ЭШ-14/65 и ЭШ-10/75 заводом изготовителем был разработан проект новой серийной машины, начатой производством в 1958—1959 гг. — ЭШ-15/9017.
Характер изменения ряда параметров наиболее мощных машин, видно из таблицы.
Все эти исследования, подтверждая в целом правильность основных положений, созданной еще в предвоенный период, методики расчета экскаваторов, показали, что при некоторых условиях динамические нагрузки могут достигать значений, требующих внесения дополнений в применяемую методику расчета, а для моделей большой мощности они
представляют значительную опасность главным образом вследствие появления колебательных процессов.
Поэтому в 1951—1956 гг. Д.П. Волковым и С.А. Панкратовым строятся (создаются) динамические методы расчета экскаваторов — первым на базе испытаний экскаваторов малой мощности, выполненных им во ВНИИстройдормаше, вторым на основе испытаний экскаваторов большой мощности.
Обе эти работы, в которых принимали участие и ряд других работников МИСИ им. В.В. Куйбышева и ВНИИстройдор-маша, имели целью получить методику расчета, позволяющую определить действительные напряжения, вызванные динамикой процесса и пр.
Работа Д.П. Волкова базировалась на известной методике представления элементов конструкции в виде отдельных масс, соединенных упругими связями [21 и др.].
Труды С.А. Панкратова этого временного периода включают разработанные им новые методы приближенного расчета решетчатых стрел на устойчивость при статических нагрузках (эти методы
Сравнительные размеры веса и нагрузки стрел мощных драглайнов18
№ Модель Длина стрелы, м Емкость ковша, м3 Вес груза на конце стрелы, т Грузовой момент, тм Сжимающее усилие стрелы, т Вес стрелы, т Начало выпуска, год Вес экс-кавато-ра, т
1 2 3 4 5 6 7 8 9
1 ЭШ 14/65 65 14 44 2860 450 65 1950 1400
2 ЭШ 14/75 75 14 44 3300 500 88 1952 1400
3 ЭШ 15/90 90 15 46 4140 600 92 1958 1400
4 ЭШ 25/100 100 25 80 8000 1000 150 1960 2500
5 ЭШ 80/100 100 80 270 27 000 2200 220 1965 8400
17 Известно из ряда источников, что в виде проектов существовали машины типа ЭШ-30/100 и т.п. Однако полной уверенности в точности этой информации у нас нет.
18 Часть приведенных в таблице данных носит ориентировочный характер, т.к. в разных источниках мы находим различные значения для одних и тех же параметров. Так, например, вес одних и тех же экскаваторов, в монографиях Х.А. Винокурского (Стальные конструкции в тяжелом машиностроении, Машгиз, 1960) и Н.П. Воронцова-Вельяминова с М.И. Крайцбергом (Мощные шагающие экскаваторы, Углетехиздат, 1954), отличается. Расхождения могут быть вызваны тем, что серийные машины выпускались много лет и претерпевали иногда существенные модернизации.
основаны на приближенной линейной зависимости между квадратом минимального радиуса инерции сечения данного профиля и площадью его поперечного сечения); методы расчета стрел с дополнительными подвесками «зависимого» и «независимого» типов; методы расчета конструкций на устойчивость при ударных нагрузках как для прямоугольного, так и для произвольного импульса (эти методы основаны на дифференциальных уравнениях движения конструкций19, работающих на устойчивость, при учете имеющих место нелинейных факторов {эти методы позволяют установить форму потери устойчивости каким-либо элементом конструкции и получить закон нарастания деформации во времени20}); методы экспериментального исследования моделей стрел на стендах и многое др. Частично эти работы были обобщены в монографии [22]21.
Этими работами был сделан значительный вклад в теорию расчета экскаваторов, однако применение их, удобное для проверочных расчетов, не позволило использовать их органически слитно со статическим расчетом для получения сразу необходимых прочных размеров конструкций22.
Исследования, проведенные в 1950— 1955 гг. показали, что в ряде случаев наступали разрушения конструкций, в которых экспериментами не были фиксированы значительные напряжения. При этом полученные напряжения далеко не достигали пределов усталости, а, тем не менее, наблюдались случаи аварий. В некоторых случаях аварии могли быть объяснены наличием концентраторов
напряжений, однако имели место случаи, где таковые отсутствовали. Было очевидно, что либо понятие предела усталости требует корректировки, либо вследствие кратковременности испытаний, а также морального воздействия процесса испытаний на машиниста, не удается получить полной картины напряжений. Поэтому с 1955 г. в МИСИ им. В.В. Куйбышева под руководством К.С. Гаевской, впервые в практике советского экскаваторострое-ния, были начаты работы по проведению статистических исследований динамики одноковшовых экскаваторов.
Распределение во времени (от цикла к циклу) динамических нагрузок, воспринимаемых узлами экскаваторов, определяется рядом случайных факторов (неоднородность породы, начальные условия нагружения) и поэтому подчиняется закону распределения случайных величин.
Направление исследования имело целью (для разных условий работы):
• установить достоверный характер распределения нагрузок;
• определить параметры этого распределения для выбора нагрузок при расчетах узлов и деталей на прочность и на выносливость;
• установить законы совмещения независимых и зависимых нагрузок.
К концу 60-х годов двадцатого века для карьерных экскаваторов были получены данные о размерах всех основных нагрузок в условиях хорошо и плохо взорванных пород. Были построены статистические нагрузочные диаграммы основных механизмов. Получены коэффициенты нагрузки для усилий подъе-
19 С.А. Панкратовым выведены уравнения движения стрелы и ковша для любой конструкции стрелы. В основу его работ положены фундаментальные труды Н.Н. Боголюбова, Н.М. Крылова, А.М. Ляпунова и др.
20 Этим самым доказана возможность значительного уменьшения коэффициентов запаса для ударных нагрузок при условии их малой продолжительности.
21 Работы более позднего периода мы сейчас упоминать не будем.
22 Сегодня работы Д.П. Волкова и С.А. Панкратова основательно забыты молодыми инженерами и проектировщиками, что видно из их публикаций и проектов. Проблема же «вписывания» расчетов динамики в технологию проектирования одноковшовых экскаваторов так и не решена.
ма, напора, боковой силы и ряда др. Выявлены причины быстрого выхода из строя ряда узлов экскаваторов (двуногая стойка, рукоять, пята стрелы). Получен большой материал для установления режима работы каждой детали основных механизмов (совмещение усилий и скоростей)23.
Кроме этого, в то время была разработана и испытана система автоматизации работы подъемно-напорного механизма экскаватора, обеспечивающая снижение максимальных нагрузок и увеличение на 10—12% производительности экскаватора.
Однако все эти работы не давали во всех случаях объяснений наблюдавшихся разрушений конструкций экскаваторов.
С 1964 г. сотрудниками МИСИ им. В.В. Куйбышева были начаты широкие обследования мощных экскаваторов для выявления и анализа начальных процессов деформации и разрушения конструкций. Проведены обследования тридцати пяти шагающих экскаваторов УЗТМ, типа ЭШ-14/75 и ЭШ-15/90, а также тридцати восьми экскаваторов ЭШ-10/60 и одиннадцати ЭШ-4/45 — НКМЗ.
Проведенные исследования подтвердили, что иногда уже через полтора — два года работы, а чаще через четыре — пять лет, имеет место появление трещин даже в таких конструкциях, где отсутствуют и концентраторы напряжений, и напряжения, близкие к пределу усталости, или могущие быть объясненные масштабным фактором24.
К концу 60-х годов прошлого века дать полное и ясное объяснение этого явления не удалось (фактически нет его и сейчас). Единственный вывод, точнее рекомендация, была сформулирована так: необходим превентивный систематический осмотр конструкций главным образом в местах заделки нежестких и подверженных вибрациям деталей.
Первый общий итог исследований к 1970-му году таков: при проектировании новых машин расчет экскаватора может производиться по предельным нагрузкам, определяемым по предложенной МИСИ (Н.Г. Домбровским и его сотрудниками) методике, с уточнением путем использования коэффициентов динамики, выбранных на основе экспериментально-теоретических работ25.
Однако ни тогда, ни сейчас количество экспериментально проверенных динамических коэффициентов не давало возможности дифференцированного выбора их в зависимости от конструктивных решений, размеров, веса узла и детали, места ее в конструктивно-кинематической цепи, назначения и условия работы.
Необходимость создания такой системы динамических коэффициентов виделась в то время вторым итогом и первым основным направлений исследований на будущее.
Также предполагалось, что расчет новых конструкций целесообразно будет вести по статическим нагрузкам с предварительным учетом полученных коэффициентов динамичности с последующей
23 А потом, чуть позже 1970 г., произошел еще один судьбоносный и весьма известный конфликт между Б.П. Багиным и Н.Г. Домбровским с сотрудниками (на почве борьбы за должности и как следствие — деньги). Это поставило крест на создании статистической динамики одноковшовых экскаваторов. Учитывая сегодняшние реалии — видимо навсегда.
24 Это указывает на то, что сегодня те авторы, которые без всякого обоснования и расчета берут на стреле экскаватора драглайна одну, две точки для постоянного контроля, совершают непростительную методическую ошибку и их работы никуда не годятся.
25 Очевидно, что сейчас так подходить к расчету уже нельзя. Еще тридцать лет назад было необходимо перейти к методу предельных состояний (см. ниже по основному тексту). Этот «не переход» — большая трагедия нашего производства, прикладной науки и всей нашей советской родины.
проверкой конструкции на статические и динамические нагрузки. Требовалось разработать при этом методику выбора допускаемых напряжений, учитывающую технику конструирования, применяемые материалы и технологию изготовления экскаватора. Ведь, как показал опыт создания прочностного расчета, в этом вопросе было не все благополучно.
Анализ существовавших на тот момент динамических расчетов экскаваторов показал, что они были построены, как поверочные расчеты и поэтому техника их уступала более совершенным методам, позволяющим непосредственно по нагрузкам получить прочные размеры конструкций.
Поэтому третьим и важнейшим направлением развития динамических расчетов виделась разработка комплексного статико-динамического расчета, который должен был помочь получать сразу прочные размеры конструкции.
Кроме этого имелось мнение, что кардинальным, но очень слабо разработанным направлением оставалась теория предельных состояний экскаваторов, возникающих во времени, необходимая для создания методов расчета экскаваторов и их узлов на заданные надежность и долговечность. Сюда же относятся и исследования, касающиеся определения оптимальных значений периодичности и объемов работ техосмотра и ремонтов.
В части отдельных решений, полученных в области строительной механики экскаваторов26 за период 1948—1964 гг. нужно отметить следующее.
Впервые установлено, что величина динамических напряжений при пиках нагрузки и при удачных конструкциях экскаваторов не поднимается в самых
неблагоприятных случаях нагружения выше 60—70% от наибольших напряжений, полученных по ранее созданным методам расчета.
Также впервые установлен и дан метод расчета характера распределения давлений по каткам опорно-поворотного устройства (П.Е. Тотолин)27.
Впервые, на основе экспериментальных исследований стрел экскаваторов ЭШ-4/40, ЭШ-10/75, ЭШ-14/75, ЭШ-25/100, ЭШ-6/60, ЭШ-10/60, ЭШ-15/90, ЭШ-15/90А теоретически и экспериментально была исследована динамика стреловых конструкций и даны методы расчета их на динамические и статические нагрузки с учетом нелинейных факторов и пространственного характера.
На основе этих работ были выполнены новые конструкции стрел ЭШ-4/40, ЭШ-10/75, ЭШ-15/90.
Впервые были разработаны методы комплексного расчета динамических процессов с учетом совместной работы приводов и механических систем.
Также были разработаны комплексные методы расчета, учитывающие реальные электрические и механические системы (к этим исследованиям подключился Харьковский политехнический институт). Были исследованы особенности колебаний электро-механических систем экскаваторов (влияние формы механической характеристики, электромагнитной энергии и пр.). Впервые был применен метод моделирования динамических процессов на электромодели-рующих установках (ЭМУ) для мощных одноковшовых экскаваторов.
Значительные работы в области выявления законов взаимосвязи харак-
26 Ряд известных современных ученых считает, что строительной механики экскаваторов не существует. В оп = ределенном смысле они правы.
27 По сути на этом все исследования ОПУ экскаваторов и закончились. Кое-что было конечно еще сделано в МИСИ им. В.В. Куйбышева все тем же П.Е. Тотолиным, а также А.А. Дёминым, В.Я. Крикуном, В.А. Ряхиным, В.П. Тресковым и др. — однако этого так мало... На этот счет нами был написан обзор [4].
теристики двигателей и параметров рабочего процесса экскаватора были выполнены кафедрой автоматики Харьковского автодорожного института. Эти работы открыли путь к математически обоснованному выбору характеристики двигателя по заданным конструктивным параметрам экскаватора с учетом динамики рабочих процессов.
Также в это время были начаты работы по исследованию динамики поли-спастных систем большой кратности в натурных условиях и на ЭМУ в применении к расчету стреловых конструкций.
Впервые были исследованы динамические нагрузки при передвижении гусеничных и шагающих экскаваторов и влияние на них жесткости грунта, конструкции ходового оборудования, соотношения между шагом гусеничных звеньев и шагом катков.
По широте постановки исследования ходового оборудования, в том числе
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
его динамики, являлись наиболее полными.
В экспериментальной работе в конце 60-х годов нашел применение новый осциллограф марки К-5-21, работавший без усиления и устанавливаемый непосредственно на элементе, подвергающемся испытанию. Это вдохнуло новые силы в экспериментальные работы.
Заключение
Указанные работы, несомненно, оказали влияние на направление и методику научных исследований экскаваторов и некоторых других машин, проводимых как в Советском Союзе, так и за рубежом, на формирование советской школы экскаваторостроения.Некоторые общие итоги будут нами подведены и представлены в следующей за этой статье, после краткого анализа материалов экспериментальных исследований металлоконструкций шагающих экскаваторов.
1. Побегайло П.А. Мощные отечественные карьерные одноковшовые гидравлические экскаваторы // Горные машины и автоматика. — 2004. — № 2. — С. 13—22.
2. Побегайло П.А. История создания карьерных гидравлических экскаваторов // Горное оборудование и электромеханика. — 2013. — № 8. — С. 24—30.
3. Побегайло П.А. Мощные одноковшовые гидравлические экскаваторы: выбор основных геометрических параметров рабочего оборудования на ранних стадиях проектирования. — М.: ЛЕНАНД. — 2014. — 296 с.
4. Побегайло П.А. Обобщение результатов научных исследований и опыта применения новых конструктивных решений ОПУ, нижней и поворотной рам карьерных экскаваторов // Горные оборудование и электромеханика. — 2006. — № 2. — С. 25—29.
5. Побегайло П. А. Исследования динамики одноковшовых гидравлических экскаваторов: современное состояние и некоторые перспективы // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2014. — № 11. — С. 154—158.
6. Pobegailo P. A., Smolianickii E. A. New technical solutions for rescue of people in emergency situations // Българско списание за инженерно проектиране. — 2011. — № 8. — pp. 59—73.
7. Побегайло П.А. Эволюция конструкции отечественных одноковшовых экскаваторов во второй половине ХХ века // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2015. — № 5. — С. 208—211.
8. Побегайло П.А., Смоляницкий Э.А. Обзор и анализ существующих методов определения основных параметров одноковшовых гидравлических экскаваторов // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2015. — № 4. — С. 216—219.
9. Hassan M.S., Liu Y., Yu H. Review of modelling and remote control for excavator // International Journal of Advanced Mechatronic Systems. 2010, Vol. 2, Nos. 1/2, pp. 68—80.
10. Patel B., Prajapati J. M. Soil-tool interaction as a review for digging operation of mini hydraulic excavator // International Journal of Engineering Science and Technology. 2011, Vol. 3, No 2, pp. 894—901.
11. Patel B., Prajapati J. M. A review on kinematics of hydraulic excavators backhoe attachment // International Journal of Engineering Science and Technology. 2011, Vol. 3, No 3, pp. 1990- 1997.
12. Patel B., Prajapati J. M. A review on FEA and optimization of backhoe attachment in hydraulic excavator // International Journal of Engineering Science and Technology. 2011, Vol. 3, No 5, pp. 505-511.
13. Yang C. et al. Review for development of hydraulic excavator attachment // Energy Science and Technology. 2012, Vol. 3, No 2, pp. 93-97.
14. Yang C. et al. Bionic study of hydraulic excavator attachment // Energy Science and Technology. 2012, Vol. 5, No 2, pp. 64-67.
15. Patel B., Patel D., Patel M. A critical review on kinematics of hydraulic excavator backhoe attachment // International Journal of Mechanical and Robotics Research. 2015, Vol. 4, No 2, pp. 188-203.
16. Raj J. et al. Study on the analysis of excavator boom: a review // SSRG International Journal of Mechanical Engineering. 2015, Vol. 2, No 7, pp. 31-39.
17. Домбровский Н.Г., Панкратов С.А. Землеройные машины. Ч.1. - М.: Госстройиздат, 1961. - 651 с.
18. Чистяков Г. П. Экскаваторы одноковшовые и многоковшовые: конструкция и расчет. - М.: ВИА РККА им. В.В. Куйбышева, 1939. - 270 с.
19. Петерс Е.Р. Основы теории одноковшовых экскаваторов. - М.: Машгиз, 1955. -260 с.
20. Домбровский Н.Г. Гусеничное оборудование современных экскаваторов. - Л.: Изд-во управления рационализации ВОМТ, 1933. - 214 с.
21. Волков Д. П. Динамические нагрузки в универсальных экскаваторах-кранах: исследования и основы расчета. - М.: Машгиз, 1958. - 268 с.
22. Панкратов С.А. Конструкция и основы расчета главных узлов экскаваторов и кранов. - М.: Машгиз, 1962. - 540 с. fi^
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Побегайло Петр Алексеевич - кандидат технических наук, старший научный сотрудник, e-mail: [email protected], Институт машиноведения им. А.А. Благонравова РАН, Крицкий Дмитрий Юрьевич - инженер, начальник отдела эксплуатации и ремонта ГТО, АО «СУЭК-Красноярск», e-mail: [email protected].
ISSN 0236-1493. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2017. No. 10, pp. 72-83.
UDC 621.879.3
P.A. Pobegaylo, D.Yu. Kritskiy
STATE OF RESEARCH IN THE AREA OF MECHANICAL SHOVELS IN THE USSR IN THE LATE 1960s
The present article continues our research devoted to the history of excavator manufacturing in the USSR. The overall progress in research dealing with single-bucket excavators in the period from 1945 to 1970 has now been considered. At the same time, the main achievements and key accomplishments on the one hand, and failures of Soviet scientists and engineers on the other hand have been analyzed; a number of unresolved problems have been pointed to.
Key words: single-bucket excavators, history of USSR's single-bucket excavators development, solved and unsolved problems of domestically made single-bucket excavators design theory.
DOI: 10.25018/0236-1493-2017-10-0-72-83
AUTHORS
Pobegaylo P.A., Candidate of Technical Sciences,
Senior Researcher, e-mail: [email protected],
A.A. Blagonravov Mechanical Engineering Research Institute
of Russian Academy of Sciences, 101990, Moscow, Russia,
Kritskiy D.Yu., Engineer, Head of Department, e-mail: [email protected],
JSC «SUEK-Krasnoyarsk», 660049, Krasnoyarsk, Russia.
REFERENCES
1. Pobegaylo P. A. Gornye mashiny i avtomatika. 2004, no 2, pp. 13-22.
2. Pobegaylo P. A. Gornoe oborudovanie i elektromekhanika. 2013, no 8, pp. 24—30.
3. Pobegaylo P. A. Moshchnye odnokovshovye gidravlicheskie ekskavatory: vybor osnovnykh ge-ometricheskikh parametrovrabochego oborudovaniya na rannikh stadiyakh proektirovaniya (Powerful single-bucket hydraulic excavators: the choice of basic geometric parameters of the working equipment in the early stages of design), Moscow, LENAND, 2014, 296 p.
4. Pobegaylo P. A. Gornye oborudovanie i elektromekhanika. 2006, no 2, pp. 25—29.
5. Pobegaylo P. A. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2014, no 11, pp. 154—158.
6. Pobegailo P. A., Smolianickii E. A. New technical solutions for rescue of people in emergency situations. B"lgarsko spisanie za inzhenerno proektirane. 2011, no 8. pp. 59—73.
7. Pobegaylo P. A. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2015, no 5, pp. 208—211.
8. Pobegaylo P. A., Smolyanitskiy E. A. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2015, no 4, pp. 216—219.
9. Hassan M. S., Liu Y., Yu H. Review of modelling and remote control for excavator. International Journal of Advanced Mechatronic Systems. 2010, Vol. 2, Nos. 1/2, pp. 68—80.
10. Patel B., Prajapati J. M. Soil-tool interaction as a review for digging operation of mini hydraulic excavator. International Journal of Engineering Science and Technology. 2011, Vol. 3, No 2, pp. 894—901.
11. Patel B., Prajapati J. M. A review on kinematics of hydraulic excavators backhoe attachment. International Journal of Engineering Science and Technology. 2011, Vol. 3, No 3, pp. 1990— 1997.
12. Patel B., Prajapati J. M. A review on FEA and optimization of backhoe attachment in hydraulic excavator. International Journal of Engineering Science and Technology. 2011, Vol. 3, No 5, pp. 505—511.
13. Yang C. et al. Review for development of hydraulic excavator attachment. Energy Science and Technology. 2012, Vol. 3, No 2, pp. 93—97.
14. Yang C. et al. Bionic study of hydraulic excavator attachment. Energy Science and Technology. 2012, Vol. 5, No 2, pp. 64—67.
15. Patel B., Patel D., Patel M. A critical review on kinematics of hydraulic excavator backhoe attachment. International Journal of Mechanical and Robotics Research. 2015, Vol. 4, No 2, pp. 188—203.
16. Raj J. et al. Study on the analysis of excavator boom: a review. SSRG International Journal of Mechanical Engineering. 2015, Vol. 2, No 7, pp. 31—39.
17. Dombrovskiy N. G., Pankratov S. A. Zemleroynye mashiny. Ch. 1 (Earth-moving machines, part 1), Moscow, Gosstroyizdat, 1961, 651 p.
18. Chistyakov G. P. Ekskavatory odnokovshovye i mnogokovshovye: konstruktsiya i raschet (Single-bucket and multi-bucket excavators: construction and calculation), Moscow, VIA RKKA im. V.V. Kuy-bysheva, 1939, 270 p.
19. Peters E. R. Osnovy teorii odnokovshovykh ekskavatorov (Fundamentals of the theory of shovel excavators), Moscow, Mashgiz, 1955, 260 p.
20. Dombrovskiy N. G. Gusenichnoe oborudovanie sovremennykh ekskavatorov (Crawler equipment of modern excavators), Leningrad, 1933, 214 p.
21. Volkov D. P. Dinamicheskie nagruzki v universal'nykh ekskavatorakh-kranakh: issledovaniya i osnovy rascheta (Dynamic loads in universal excavators-cranes: research and calculation basics), Moscow, Mashgiz, 1958, 268 p.
22. Pankratov S. A. Konstruktsiya i osnovy rascheta glavnykh uzlovekskavatorovikranov (Design and basis for calculating the main components of excavators and cranes), Moscow, Mashgiz, 1962, 540 p.
