CC BY
43
СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАШИНЫ И ТЕХНОЛОГИИ
А. М. ЛУКИН
Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия
УДК 621.869: 622.619
оптимизация режимных
параметров Фронтального погрузчика
при исследовании динамики процесса черпания сыпучего материала_
ИССЛЕДОВАНЫ ДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ФРОНТАЛЬНОГО ПОГРУЗЧИКА ПРИ ЧЕРПАНИИ СЫПУЧЕГО МАТЕРИАЛА РАЗЛИЧНЫМИ ВАРИАНТАМИ СОВМЕЩЕННОГО СПОСОБА. НА БАЗЕ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО УПРАВЛЕНИЯ РАБОТОЙ МАШИНЫ ДАНО ОБОСНОВАНИЕ ОПТИМАЛЬНОЙ ТЕХНОЛОГИИ ЧЕРПАНИЯ СЫПУЧЕГО МАТЕРИАЛА, КОТОРАЯ ОБЕСПЕЧИВАЕТ НАИЛУЧШЕЕ ЗАПОЛНЕНИЕ КОВША ПРИ МИНИМАЛЬНЫХ ЭНЕРГОЗАТРАТАХ НА ЭТОТ ПРОЦЕСС.
Как известно [1,4], параметры фронтального погрузчика (ФП), как объекта оптимизации, классифицируются на три основных типа: входные, внутренние, выходные. К входным параметрам относятся параметры разрабатываемого сыпучего материала, определяющие формирование нагрузок на ковше при черпании, и параметры поверхности движения, определяющие сопротивления при перекатывании машины. Внутренние параметры подразделяются на режимные и конструктивные. Режимные параметры - это совокупность параметров управления, обеспечивающих протекание рабочего процесса по заданному закону. Конструктивными параметрами являются: масса машины и ее база; технические характеристики двигателя и т. д, Выходные параметры машины, характеризующие ее рабочий процесс, делятся на силовые, кинематические, энергетические, эксплуатационные, экономические и пр.
Известна математическая модель процесса черпания сыпучего материала ФП с типовой гидромеханической трансмиссией, которая связывает в единый комплекс любые вариации перечисленных параметров и позволяет оценить их влияние на критерий оптимальности. В качестве критерия оптимальности приняты удельные энергозатраты Еу (кДж/м3), определяемые по формуле
Еу=Е/У„,=Еу(и) -■> гшп, (1)
где Е - общие энергозатраты: \/т - объем сыпучего
Рис. 1. ФП в процессе черпания сыпучего материала.
материала в ковше по окончании черпания; -совокупность режимных и конструктивных параметров.
Типовой гидропривод погрузочного оборудования ФП позволяет осуществлять черпание сыпучих материалов либо раздельным, либо совмещенным способами (рис. 1).
На рис. 1 приняты следующие условные обозначения: 1
- штабель сыпучего материала; 2 - уплотненное ядро; 3,4-подвижные призмы скольжения; 5 - заклиненная в ковше призма скольжения; Хр13п - глубина начального внедрения режущей кромки ножа днища ковша в штабель. На этой глубине производится включение гидромеханизмов погрузочного оборудования; а. - угол естественного откоса штабеля; \/п - скорость движения спецшасси ФП; \/к5 -скорость движения штоков ковшовых цилиндров; \/55 -скорость движения штоков стреловых цилиндров; 1_п -начальная глубина внедрения уплотненного ядра в штабель.
Аналитические исследования совмещенного способа черпания осуществлялись следующими вариантами: 1 -совмещение поступательного движения спецшасси ФП (\/п^0) и поворота ковша при однократном
включении гидромеханизма погрузочного оборудования; 2
- совмещение поступательного движения спецшасси ФП (\/п^0) и подъема стрелы (У^О) при однократном включении гидромеханизма погрузочного оборудования; 3
- при поступательном движении спецшасси ФП (N/^0) однократными включениями гидромеханизма пофузочного оборудования производится подъем стрелы (N/^0) до транспортного положения, затем поворот ковша (N/^0) до полного запрокидывания; 4 - при поступательном движении спецшасси ФП (N/^0) производятся многократные попеременные включения гидромеханизмов поворота ковша (N/^0) и подъема стрелы (N/^0).
Исследование раздельного способа черпания сыпучего материала по разработанной математической модели не производились, так как экспериментально подтверждено, что этот способ является более энергоемким по сравнению с совмещенным способом черпания [1,2,3,4].
Расчеты выполнены для серийного погрузчика ТО-18, в конструкцию которого не вносились изменения. В качестве сыпучего материала использовался гранитный щебень со средним диаметром куска с!8Г=0,5 м.
В исследованных вариантах совмещенного способа черпания сыпучего материала изучалось влияние на ■ выходные параметры этого процесса глубины Хр13п | начального внедрения режущей кромки ножа днища ковша ( в штабель, величины угла е наклона плоского днища ковша I к опорной поверхности штабеля и временных шагов Д^, I ,М1к включения гидромеханизмов подъема стрелы и | поворота ковша. Параметры Хр13п, е, Д118, ДЦк относятся к | режимным параметрам.
5 К выходным параметрам процесса черпания сыпучего | материала относятся следующие параметры: Мм -I крутящий момент на движителе; <о1к - угловая скорость || турбинного колеса гидротрансформатора; Е - общие энергозатраты; Р23п - давление рабочей жидкости в поршневых полостях стреловых цилиндров; Р45п - давление ; рабочей жидкости в поршневой полости ковшового ! цилиндра; \/п - скорость движения спецшасси ФП; Р -горизонтальная составляющая сопротивления внедрению, приведенная к режущей кромке ножа днища ковша; Дс145 -' ход штока ковшового цилиндра; Дс123 - ход штока стрелового цилиндра; \/т - объем сыпучего материала в ковше; ^ -время черпания. I Разработанная математическая модель процесса черпания сыпучего материала позволяет определять текущие значения и других выходных параметров этого | процесса, например, координаты X, I, по которым находится траектория движения режущей кромки ножа днища ковша в штабеле сыпучего материала.
В расчетах, полученных численным решением на ЭВМ математической модели, принято, что перед началом процесса черпания ФП перемещается по его опорной поверхности с постоянной скоростью, соответствующей движению на первой передаче. Расчет выходных параметров моделируемого процесса производился с временным шагом ^т0,02 с, а вывод их на печать через 0,1 с.
На рис. 2 приведены графики зависимостей выходных параметров процесса черпания гранитного щебня погрузчикомТО-18 от времени I,. Черпание производилось ! первым вариантом (Ч/п^0, Ч/к5^0) совмещенного способа при начальной глубине внедрения режущей кромки ножа
I _Внедрение и поворот ковша
Рис. 2. Графики зависимостей выходных параметров процесса черпания от времени (первый вариант, X 13п=0,4 м, Е=7°).
днища ковша в штабель Хр13п=0,4 м и угле наклона плоского днища к опорной поверхности е=7°.
Совместное рассмотрение приведенных на рис.2 графиков показывает, что взаимозависимые величины Mkd, colk, P23n, P45n, Vn, Fig имеют ярко выраженные экстремумы, при этом первые экстремумы образуются в момент включения гидромеханизма поворота ковша. Появление первых экстремумов объясняется тем, что при повороте ковша сформированное на лобовой грани ножа уплотненное ядро резко изменяет свои размеры. В результате этого нагрузки на режущей кромке ножа днища ковша скачкообразно изменяются. Вторые экстремумы возникают в момент времени, когда сопротивление штабеля внедряющемуся ковшу принимает максимальное значение. При этом скорость Vn движения спецшасси ФП снижается до 0,25 м/с и затем, по мере уменьшения нагрузок Mkd, Fig медленно возрастает до значения 0,4 м/с.
Аналогичные графики зависимостей выходных параметров моделируемого процесса от его времени получены и для остальных вариантов совмещенного способа черпания.
Проведенные исследования позволили сформулировать следующие выводы;
1 Траектории движения режущей кромки ножа днища ковша в штабеле сыпучего материала зависят от глубины Хр13л начального внедрения, по достижении которой производится включение гидромеханизмов погрузочного оборудования, и угла е наклона плоского днища ковша к опорной поверхности штабеля. При уменьшении величины угла е на 2° удельные энергозатраты Еу во всех вариантах черпания снижались в среднем на 3 %.
2. Необходимо в первую очередь разрабатывать автоматизированные системы управления (АСУ) черпанием, обеспечивающие установку плоского днища ковша с заданным углом внедрения к опорной поверхности штабеля; .
3. Наилучшее заполнение ковша сыпучим материалом происходит при определенной глубине Хр13п режущей кромки ножа днища ковша в штабель.
Соответственно: для первого варианта черпания (V^tO, Vks*0) Хр13п= 0,4 м; для второго варианта черпания (V^O, V3S^0) X 13п=0,2 м; для третьего варианта черпания (Vn^0, Vss^0; V^O, Vks^0) X 13n=0,2 м; для четвертого варианта (Vn*0, At1s=0.1 с; Vn*(J. At1k=0,1 с) X =0,25 м.
4. Необходимо разрабатывать АСУ черпанием, которые производят включение гидромеханизмов погрузочного оборудования на оптимальной глубине начального внедрения.
Рис. 3. Рациональные траектории движения режущей кромки ножа днища ковша при черпании гранитного щебня: 1 - первый вариант; 2 - второй вариант; 3 - третий вариант; 4 - четвертый вариант.
о п.; п.б 0.8 !.о
2,0 2,2 |,,С
Рис. 4. Графики зависимостей удельных энергозатрат от времени черпания гранитного щебня: 1 - первый вариант; 2 -второй вариант; 3 - третий вариант; 4 - четвертый вариант.
По критерию оптимальности (1) проведен сравнительный анализ рассмотренных вариантов совмещенного способа черпания при наилучшем заполнении ковша сыпучим материалом (рис. 3,4). Величина угла с наклона плоского днища ковша к опорной поверхности штабеля во всех вариантах черпания равнялась 7°
На рис.3 представлены рациональные траектории движения режущей кромки ножа днища ковша в штабеле гранитного щебня при черпании исследуемыми вариантами совмещенного способа черпания, а на рис. 4 соответствующие этим траекториям графики удельных энергозатрат от времени черпания. Рациональными траекториями принято называть такие траектории, при которых происходит наибольшее заполнение ковша сыпучим материалом.
Анализ результатов исследований (рис 3) позволил сделать следующие заключения:
1. Траектории движения режущей кромки ножа днища ковша в штабеле сыпучего материала, после включения гидромеханизмов погрузочного оборудования, можно условно разбить на три участка: первый участок пологий (величина угла СУ ур1Э, составленного касательной к траектории движения и опорной поверхностью штабеля, меньше величины угла а естественного откоса сыпучего материала); второй участок приближенно параллелен (сг^з-г ос) естественному откосу штабеля; третий, заключительный участок, крутой ( а „р13>й;);
2 Движение режущей кромки ножа днища ковша по пологой траектории нецелесообразно, так как это требует повышенных энергозатрат из-за того, что уплотненное ядро сохраняется на лобовой грани ножа;
3 Движение режущей кромки ножа по крутой траектории так же нецелесообразно, так как разработанный сыпучий материал осыпается под днище ковша;
4. Оптимальной является траектория, при которой режущая кромка ножа днища ковша перемещается параллельно естественному откосу штабеля. При такой траектории с лобовой грани ножа сходит уплотненное ядро и разработанный сыпучий материал не осыпается под днище ковша;
5. Типовой гидропривод погрузочного оборудования не может обеспечить движение режущей кромки ножа днища ковша в штабеле сыпучего материала по оптимальной траектории, которая параллельна естественному откосу штабеля. Для движения режущей кромки ножа днища ковша по оптимальной траектории на заключительном этапе процесса черпания требуются дополнительные реверсивные включения гидромеханизма поворота ковша.
Анализ результатов исследований (рис. 4) процесса черпания гранитного щебня различными вариантами совмещенного способа по удельным энергозатратам Еу позволил сформулировать следующие общие закономерности:
1 Самым энергоемким является черпание сыпучего материала при работе гидромеханизма подъема
стрелы Удельные энергозатраты Еу в этом
случае достигают величины 240 кДж/м3 (график 2, рис. 4).
2. Менее энергоемким, по сравнению с вариантом 2, является черпание при последовательной работе гидромеханизмов подъема стрелы и поворота ковша (Уп^0, У^О, \/к5^0, график 3). Удельные энергозатраты здесь не превышают величины 170 кДж/м3;
3. Из исследованных вариантов черпания сыпучего материала совмещенным способом наименее энергоемким является первый вариант (\/п^0, \/к5^0, график 1). Удельные энергозатраты при этом варианте не превышают 85 кДж/м3.
4 Однако этот вариант черпания сыпучего материала имеет существенный недостаток, который заключается в следующем: при черпании тяжелых и крупнокусковых сыпучих материалов скорость \/п движения спецшасси погрузчика снижается до малых величин из-за буксования в гидротансформаторе. В результате этого совмещенный способ черпания по энергозатратам вырождается в раздельный способ черпания. Техническая реализация первого варианта может быть рекомендована для ФП с механической трансмиссией, так как только этот тип трансмиссии может обеспечить жесткое кинематическое согласование поступательного движения спецшасси и поворота ковша;
5. Удельные энергозатраты при четвертом варианте совмещенного Ч^тЮ, У^.Д^гЮ, Д^тЗД, попеременная работа гидромеханизмов подъема стрелы и поворота ковша) превышает удельные энергозатраты при черпании первым вариантом на 25 %, однако черпание четвертым вариантом более предпочтительно, так как время рабочего цикла ФП сокращается на 2-3 с. за счет установки погрузочного оборудования в транспортное положение. Это смоставляет 10-15 % от общего времени рабочего цикла ФП.
6. Для технической реализации совмещенного способа черпания по четвертому варианту требуется АСУ, так как человек-оператор не может обеспечить своевременное включение гидромеханизмов погрузочного оборудования. За время черпания Ь= 2-3 с. требуется от 20 до 30 включений гидроаппаратуры управления. Кроме этого, четвертый вариант совмещенного способа черпания имеет и другие недостатки, заключающиеся в следующем. Кратковременные попеременные включения гидромеханизмов погрузочного оборудования приводят к ухудшению динамических характеристик ФП и к повышенному износу гидроаппаратуры управления. При черпании тяжелых и крупнокусковых сыпучих материалов невозможно обеспечить жесткое кинематическое согласование движения спецшасси ФП с подъемом стрелы и поворота ковша из-за буксования в гидротансформаторе. При устранении вышеперечисленных недостатков с помощью различных технических решений четвертый вариант совмещенного способа черпания является наиболее рациональным.
Разработана технология процесса черпания сыпучего материала совмещенным способом, на основе проведенных исследований для ФП с гидромеханической трансмиссией, которая устраняет вышеперечисленные недостатки.
Технологический процесс включает в себя последовательность выполнения этапов рекомендуемого способа черпания:
- Внедрение ковша в штабель сыпучего материала на заданную глубину Хр13п;
- Одновременное отключение муфты сцепления и включение тормозной системы ФП;
- Одновременное одноразовое включение гидромеханизмов подъема стрелы и поворота ковша.
Такой алгоритм работы может быть обеспечен только при автоматизации рассматриваемого процесса.
Реализация этой технологии требует конструктивного усовершенствования гидропривода
погрузочного оборудования, в частности, установку независимых гидронасосов для поворота ковша и подъема стрелы и пр.
По сравнению с известными технологиями процесса черпания сыпучего материала рекомендуемая технология выполнения этого процесса имеет следующие преимущества:
- Исключаются непроизводительные потери мощности двигателя ФП на буксование в гидротрансформаторе;
- Улучшаются динамические характеристики за счет одноразового включения гидроаппаратуры управления;
- Обеспечивается жесткое кинематическое согласование подъема стрелы и поворота ковша;
- Выдерживается одна и та же траектория движения режущей кромки ножа днища ковша в штабелях сыпучего материала с различными физико-механическими свойствами.
ЛИТЕРАТУРА
1. Лукин A.M. Оптимизация процесса черпания сыпучего материала фронтальным погрузчиком: - Дис . канд. техн. наук. - Омск, 1984. - 199 с.
2. Михирев П.А. Основы теории ковшовых автоматизированных погрузочных органов. - Новосибирск: Наука, 1986.-166 с.
3. Стогов В.Н., Плюхин Д.С., Ефимов Г.П. Погрузочно-разгрузочные машины. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Транспорт, 1977.-316 с.
4. Тарасов В.Н. Основы оптимизации рабочих процессов землеройно-транспортных машин: -Дис...д-ра техн. наук. -Киев, 1981.-390 с.
ЛУКИН Александр Михайлович, кандидат технических наук, доцент СибАДИ.
А.М.ЛУКИН Б. А. КАЛАЧЕВСКИЙ
Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия
УДК 621.869
совершенствование
Как известно [1,6], типовой рабочий цикл ФП состоит из следующих элементов: 1 - установка погрузочного оборудования в исходное положение черпания; 2 -черпание сыпучего материала; 3 - установка погрузочного оборудования в транспортное положение; 4 - движение ФП к месту выгрузки сыпучего материала; 5 - подъем погрузочного оборудования на высоту выгрузки сыпучего материала в транспортное средство; 6 - разгрузка ковша; 7 - установка погрузочного оборудования в транспортное положение; 8 - обратное движение ФП к штабелю сыпучего материала
Для оптимальности всего рабочего цикла ФП необходимо, чтобы каждый элемент этого цикла был оптимальным по соответствующему критерию оптимальности.
В качестве критерия оптимальности при черпании сыпучего материала приняты удельные энергозатраты Еу (кДж/м3), определяемые по формуле
Е\=Е/УП1=Е,(и)->гпш, С)
где Е - энергозатраты на черпание; \/т - объем сыпучего материала в ковше по окончании черпания; и> множество режимных и конструктивных параметров.
Известны попытки автоматизации процесса черпания сыпучего материала [2,6, 7, 8]. Однако в настоящее время нет достаточно простых, надежных в работе систем управления процессом черпания сыпучего материала ФП. Проведенная в этом направлении работа, несмотря на, в общем-то, положительные результаты, не получила дальнейшего развития в силу громоздкости, сложности автоматизированных систем управления, а главное -неопределенности функций, обеспечивающих надежное управление процессом черпания.
сыпучего материала по удельным
энергозатратам_
ИЗЛОЖЕНА ТЕХНОЛОГИЯ ВЫПОЛНЕНИЯ ОПТИМАЛЬНОГО ВАРИАНТА СОВМЕЩЕННОГО СПОСОБА ЧЕРПАНИЯ СЫПУЧЕГО МАТЕРИАЛА. В КАЧЕСТВЕ КРИТЕРИЯ ОПТИМАЛЬНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАН.МИНИМУМ ЭНЕРГОЗАТРАТ НА ИССЛЕДУЕМЫЙ ПРОЦЁСС. ПРЕДЛОЖЕНО ТЕХНИЧЕСКОЕ РЕШЕНИЕ, РЕАЛИЗУЮЩЕЕ ЭТОТ ВАРИАНТ НА ФРОНТАЛЬНОМ ПОГРУЗЧИКЕ, ПРИ КОТОРОМ РЕЖУЩАЯ КРОМКА НОЖА ДНИЩА КОВША ДВИЖЕТСЯ ПАРАЛЛЕЛЬНО ЕСТЕСТВЕННОМУ ОТКОСУ ШТАБЕЛЯ РАЗРАБАТЫВАЕМОГО МАТЕРИАЛА.
Известны математические модели черпания сыпучего материала различными вариантами совмещенного способа, которые по заданному критерию оптимальности позволяют оценить технологические особенности рассматриваемого процесса [3,4, 5,6].
Проведенные исследования процесса черпания сыпучего материала ФП с гидромеханической трансмиссией позволили установить, что минимально энергоемким является процесс, при котором применяется следующий алгоритм работы:
1 - установка погрузочного оборудования в исходное положение черпания с заданным углом е=7±2° наклона плоского днища ковша к опорной поверхности штабеля;
2 - внедрение режущей кромки ножа днища ковша на глубину 0,4-0,5 ширины плоского днища ковша;
3 - одновременное отключение муфты сцепления и включение тормозной системы ФП;
4 - одновременное включение гидромеханизмов подъема стрелы и поворота ковша; ■
5 - движение режущей кромки ножа днища ковша по траектории, параллельной линии естественного откоса штабеля разрабатываемого материала.
По окончании процесса черпания погрузочное оборудование должно быть установлено в транспортное положение. Типовой гидропривод ФП не обеспечивает выполнение этого требования.
Как известно, величины углов а естественного откоса разрабатываемого ФП шлейфа сыпучих материалов имеют значения от 350 до 45° [6]. Поэтому траекторию движения режущей кромки ножа днища ковша ■ рекомендуется наклонить к опорной поверхности штабеля под углом, равным 4СР. При работе на штабелях с углами естественного откоса а >4СР черпание контакт
