CC BY
168
у = arccos(S,J + ВО2 - OA2)/ (2 ВО St) - {i
Решение второго уравнения системы (5) возможно осуществить, если разложить sina, по формулам тригонометрии:
S,s¡na, - fiDsina, cosy + £Dcosa,siny = /rt.
Для упрощения записи результатов введс м обозначение
г2 = (5, - 5Dcosy): + (fiDsin уУ = = Sf + BD2 -2StBDcosy.
Легко заметить, что в соответствии с принятыми обозначениями угол у является углем ABD, а величина rp - AD. Из полученного уравнения следует:
r0(s¡n6cosa, +cos5s¡na,)=/jc, гае 6 = arctg (BD sin у) / (St - BD cos у). Таким образом, го sin (S + а,) = h. следовательно 6 + а, = aresin (ht / го).
В соответствии с полученными соотношениями установим:
а, = aresin-6;S = fiDcosa, -5, cosa,,
a: = p - arccosKS,' + BO: - OA: )/(2 BO S,)] + a„ g(Jsin(P-q,) + S,
Проверка результатов вычисления по указанным выше формулам осуществлялась графически. Отметим, что построение плана механизма не вызывает затруднений, так как представляет собой просту ю геометрическую задачу. План механизма для выбранных исходных данных кшпродьного варианта (Ю = = 14 м; ВО - 18 м; ВО = 10,6 м; АО' II м; И = 4.2 м при 5 =* АВ = 8 м приведен на рис. 2.
Аналитически установлено: а, = 57°; р = = 50°; а = 35°; а, = 55°; а, = 38°; у = 22°; г - И м. Результаты хсрошо согласуются с планом механизма, построенным в требуемом масштабе (на приведенном рисунке показано принципиальное расположение звеньев механизма, поэтому углы несколько отличаются от приведенных выше значений).
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Бойко Г. X. и др. Механизм шагания: А. с. 1239229. 1986. №23.
2. Лртобол?вскии И II. Теория механизмов и машнн. М.: Наука. 1988. 455 с.
а, = arctg
(6)
УДК 621.879
ОСОБЕННОСТИ РАСЧЕТА УСИЛИЙ КОПАНИЯ И НАГРУЗОК НА ЭЛЕМЕНТЫ РАБОЧЕГО ОБОРУДОВАНИЯ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ЭКСКАВАТОРОВ
В. С. Шестаков, П. Л. Колесников
Рассмотрена возможность снижения массь: рабочего оборудования гидравлического чкекаяатпра «обратная лопата», разработана модель расчета нагрузок и алгоритм поиска возможных усилий копания для рабочей зоны.
Ключевые аова: гидравлический экскаватор рабочее оборудован»!:. модель, алгоритм, оптимизация, масса.
The possibility of reducing the mass of working equipment of hydraulic excavator «backhoe» is considered, a model of calculation of loads and algorithm of search of possible efforts of digging in working zone arc developed.
Key words: hydraulic excavator, working equipment, model, algorithm, optimization, mass.
В настоящее время остро стоят задачи повышения качества, надежности, экономичности машин, оборудования и других изделий машиностроения, снижения их материалоемкости и энергопотребления, повышения производительности труда.
Современное развитие горнодобывающей промышленности характеризуется преимущественным ростом удельного веса добычи полезных ископаемых открытым способом. Интенсификация открытого способа разработки месторождений полезных ископаемых предопределяет необходимость совершенствования существующих и создания новых образцов горного оборудования. Мировая практика развития горного оборудования для открытых горных работ доказала целесообразность дальнейшего увеличения выпуска карьерных гидравлических экскаваторе в.
Гидравлические экскаваторы (рис. I) равной вместимости ковша но сравнению с канатными обладают рядом преимуществ: меньшей в 1,8...2,2 раза металлоемкостью, большими в 1.3... 1,5 раза усилиями копания. В силу своих кинематических особенностей они обеспечивают возможность селективной добычи полезных ископаемых, зачистку подошвы уступа, уменьшение динамических воздействий при разгрузке горной массы в транспортные средства, в некишрых случаях позволяют повысить производительность труда на открытых горных работах [1.2).
Таким образом, гидравлические экскаваторы позволяют решить задачи по снижению металлоемкости горных машин, повышению производительности труда. Большое количест-
во работающих гидравлических экскаваторов и большой объем перерабатываемой ими горной массы обусловливают решение следующих актуальных задач: снижение металлоемкости. энергопотребления, повышение производительности.
Металлоемкость и производительность экскаваторов существенным образом зависят от параметров рабочего оборудования. Линейные размеры стрелы и рукояти задаются исходя из заданной рабочей зоны, в которой ковш должен заполняться породой и разгружаться в транспортное средство. Для рабочей зоны требуется определять не только се профиль и размер, но и усилия копания. При выборе сечений элементов стрелы, рукояти и ковша также требуются значения максимальных усилий, действующих на эти элементы.
Особенностью действующих усилий при совершении рабочего процесса является зависимость их от:
положения и траектории перемещения зубьев ковша:
размеров, точек крепления и углов наклона гидроцилиндров, давлений рабски жидкости (рис. 2);
значений сил тяжестей элементов рабочего оборудования.
Таким образом, чтобы рассчитать усилия. |ребукмся силы I я же с I и, киюрыс завися! 01 сечений элементов. Для определения же сечений требуются усилия. Эту противоречивость можно преодолеть, используя прием постепенного уточнения параметров: вначале по приближенным регрессионным зависимостям определяется масса элементов, проводится
о
х
Рис. 2. Схема к определению параметров: К - вершина зу<5а ковша; КС О - схема профиля ковша; С'5/.Л/О - ра.ма ковша; СВРИБ - схема профиля рукояти; AF.FR- схема профиля стрелы; ТЕ, ЕР. М. - гнлроиилиплры поворота стрелы, рукояти и ковша; 0'г, 0'ш. Ож. (¡щ, Оя. С,, - силы тяжести стрелы, рукояти, ковша, цилиндров стрелы, рукояти, ковша, ковша и тяги ковша; а, а,. Р, V - углы; Цк. Ц^. Цп. Ца - силы тяжести стрелы, ру кояти, ковша, рамы ковша: Еж, Ет - усилия на штоках цилиндров стрелы, рукояти и ковша; Ре1, Р^ - нормальная и касательная составляющие усилия копания; уш - скорость перемещения зубьев ковша
расчет усилий, определяются оптимальные сечения элементов, уточняется масса и проводится повторный расчет усилий. 11ри создании специальной программы для ЭВМ этот процесс не будет занимат ь много времени, а в результате будет спроектировано рабочее оборудование минимальной массы. Снижение массы позволит уменьшить массу противовеса. уменьшится момент инерции поворотной части, и за счет этого при неизменной мощности привода поворота снизится время цикла.
Для расчета возможных усилий на зубьях ковша и в элементах рабочего оборудования невозможно получить конечные аналитические зависимости ввиду большого числа влияющих параметров. Поэтому можно также использовать метод итераций. При расчете возможных усилий копания, вначале на зубьях ковша задается максимальное (стопорное» усилие копания, проводится расчет усилий на штоках гидроцилиндров, и если усилие на штоках превысит усилие при срабатывании предохранительных клапанов, то уменьшает ся усилие на ковше и расчеты повторяются до тех пор, пока не перестанут срабатывать предохранительные клапаны на всех гидроцилиндрах.
Расчет усилий проводится после расчета координат всех элементов рабочего оборудования для расчетной схемы, представленной
на рис. 2. Расчет координат проводится для заданных размеров рабочего оборудования и при выдвижении штоков гидроцилиндров поворота стрелы, рукояти и ковша. Для расчета возможной рабочей зоны организуется три вложенных цикла по ступенчатому заданию размеров гидроцилиндров (ТЕ, ИР и /?/. по рнс. 2) и для каждой полученной точки проводится расчет усилий.
У гидравлических экскаваторов чаше всего происходит копание поворотом ковша относительно шарнира С иод действием гидроцилиндра. При этом линейная скорость у_и касательная составляющая усилия сопротивления копанию Р01 действуют перпендикулярно линии КС.
Передача усилия на зубьях ковша на другие элементы рабочего оборудования выполняется через угол у, который определяется по ранее найденным координатам точек К и С (см. рис. 2).
Угол наклона линии СК к горизонту (рис. 3)
Рос =агс18^Ж
дгк -дгс
Угол наклона линии касательной к горизонту V
у = рск-я/2.
Рис. 3. Схема к расчету угла наклона касательной при копании поворотом ковша
Нормальная составляющая усилия копания по известным методикам (3) определяется по коэффициенту пропорциональности через касательную составляющую:
Р<а = K-/V
Суммарная сила тяжести рабочего оборудования
G = G + G + G + G +G + G + G , + G
ро « р с "ос UP а ti »2
По составляющим усилиям сопротивления копанию для последующего использования при расчете усилий в элеме»ггах рабочего оборудования определяют проекции на оси координат:
Р, = -р<>,cos V + Рпsin v;
Р, = -Рт sin ч» - Р02 cosy.
По условию равновесия относительно точки А определяется усилие на штоке гидроцилиндра стрелы:
F„ =
+ G,
+ G
с. J+с, (*„,-*,)+"
+ Ой(хт -хА)+
¿«sin(<P, -a-a;)
где x, у - соответственно горизонтальные и
вертикальные координаты элементов рабочего
-----
оборудования; Lа - расстояние между шарнирами А и Е. далее по аналогии (см. рис. I). Усилие в тяге DM
Гхо=\Р.(УС-У.)+РМ-ХС)-
-С.(хт-хс)-0,5Сп{хо-*с)\/
/ Lco sin(zЛ/Ох - ZDCx). Реакции в шарнире «рукоять-ковш» (точка С) C, = /?0cos©-/>I; С, = R„ sin 0 + G. + 0,5G„ - Pr. Усилие на штоке гидроцилиндра ковша Fm = R„ • SMsin(©-x + xL)-0,5Gm(xL -*,)--GT1(xm-xs)-0,5GTI(xM-xs)/ /S¿sin(T-<p,).
Усилие в шарнире «пгток цилиндра руыоятн-балансир» (точка S)
S, = -h\'ш cos(f>, - Rn cos0;
Sr = 0,5Gm - sin<p. - R„ sin 0 + 0,5GTI + G„. Усилие на штоке гидроцилиндра рукояти
>,(*.-*.)+ Л (У, -C¿x„-x$)-Gm(bf*.-x.y
-^fr.-x.bG^^-x.)
L„rs\nZFPB
где ZFPB - угол между отрезками FP и PB, далее по аналогии (см. рис. 1).
Реакции в шарнире «пята стрелы-плат-форма»(точка А)
A,=-Pa-F^ costp,;
Реакции в шарнире «стрела-рукоять» (точка В)
В, = -FK cos(f>{ + Fw - А,;
Я, = sin фс + Fw sin --^+G>0,5(G,+G.).
Значения усилий и реакций, определенные по представленным выражениям, исполь-
зуются для расчета напряжений в элементах стрелы и последующего подбора сечений рабочего оборудования..
Определение координат точек элементов рабочего оборудования выполняют по текущим выдвижениям штоков гидроцилиндров поворота ковша, рукояти и стрелы по выражениям. полученным по теоремам синусов и косинусов.
11роцссс копания гидравлического экскаватора определяется работой гидроцилиндров поворота ковша, рукояти и стрелы. Наименьшие энергозатраты достигают копанием поворотом ковша относительно шарниров «ковш-рукоять» (т. С. см. рис. 1). при этом гидроцилиндры поворота стрелы и рукояти работают в тормозном режиме, удерживая стрелу и рукоять от перемещений. При превышении в гидроцилиндрах величины давления настрой-
ки предохранительных клапанов начинается перемещение штоков соответствующих гид-роцилиндров и поворот стрелы или рукояти. Таким образом, наибольшее усилие копания, которое может быть реализовано на зубьях ковша, определяется работой гидроцилиндров стрелы, рукояти и ковша.
Для расчета наибольшего усилия мопания использован алгоритм поиска возможного решения. Наибольшее усилие копания определяется начальным заданием касательной составляющей усилия сопротивления копанию Л01, заведомо большей усилия копания рассматриваемого экскаватора. По Рм определяют усилия на штоках гидроцилиндров стрелы рукояти Ь _ и ковша Усилия на штоках сравнивают со значениями усилий при срабатывании предохранительных клапанов. Причем при положительных расчетных значе-
18 г, и
[_
! |_ 170 «
310
12 гч
_____ ¿г 80 4
10 - " 6' 0
8 6 4 2 200 г 250
\ •340 ьЛ \ « \ 1 > р*740 0
\ \ ) N •■г..... 470 / 290
310
•'44
0 -2 -4 -А 8 -10 Улр • 400 270 42 1 260 *. м
9' /1 ..-Л о350 •36 » • 210 580 640 ,-*57 680 )
; 23 ,18< —чг 650 290
л -500
•.610 '08 • 320 №
'250 .»а •ч И 0
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18
Рис. 4. Возможные значення касательных составляющих усилий сопротивления копанию /'01. кН
------ 99
ниях сравнение выполняют с усилиями, определенными по давлению в поршневой полости. а при отрицательных - в штоковой полости гидроцилиндра. В случае срабатывания предохранительного клапана уменьшают Р01 и расчеты повторяют до тех пор. пока усилия на штоках не будут меньше усилий при срабатывании предохранительных клапанов.
Математическая модель реализована программой для ЭВМ на алгоритмическом языке Visual Basic for Aplication. Обьем программы -3000 строк. Алгоритм программы птнпляет изменять от минимального до максимального значения выдвижение штоков гидроцилиндров поворота стрелы, рукояти и ковша, определять координаты точек элементов рабочего оборудования, усилия копания, а также усилия при копании и транспортировании ковша в элементах рабочего оборудования. Координаты вершины зуба ковша и усилия при копании выводятся отрезками в масштабе на лист, отображают рабочую зону экскаватора (рис. 4). значения усилий на штоках гидроцилиндров и в шарнирах рабочего оборудования выводятся в таблицу и для наглядности отображаются на диаграммах. Рис. 4 показывает, что усилия в процессе работы меняются в широких пределах. Численные
значения параметров при расчетах использованы дли экскаватора с ковшом вместимостью 4 м\
Выводы
Разработанная модель позволяет определять границы рабочей зоны, усилия на элементах рабочего оборудования. Расчет для всей зоны позволит определить максимальное значение усилия на каждом элементе и по нему выбрать сечение элемента без излишних запасов прочности, что в конечном итоге обеспечит снижение массы экскаватора.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Крикун В. Я., Манасян В. Г. Расчет основных параметров гидравлических экскаваторов с рабочим оборудованием «обратная лопата». М.: Изд-во АСВ. 2001.
2. МаьмшовН. H. НевтинД. Г.. Скобелев Д. С. Технолошя применения и параметры карьерных гидравлических экскаваторов/отв. ред. H. Н. Мельников; РЛН, Кольский науч. центр. Г'орн. ин-т. Апатиты 1992. 216 с.
3. Подэрни Р. Ю. Механическое оборудование карьеров: учебник для вузов. 6-е изд., псрсраб. и доп. М.: Изд-во МГУ, 2007. 680 с.
УДК 621.512
КОНСТРУКТИВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ЗАПОРНОГО ОРГАНА КЛАПАНА ПОРШНЕВОГО КОМПРЕССОРА
Т. П. Глинннкова, М. JI. Хазин
Натяг определяет надежность и долговечность замыкают»« органов прямоточных клапанов. Существующие коне фукции запорных органон не обеспечиваю! равномерное ж распределением маипа по периметру седла клапана, что снижает эффективность его работы.
Ключевые сяова: клапан поршневого компрессора, запорный орган, натяг, разрезное пружинное кольцо. переменный радиус.
Tightness assigns reliability and durability of closing elements of direct-flow valves. The existing designs of closures do not provide uniform distribution of the tightness along periphery of the valve scat, that is reducing its cffcciency.
Key words: piston compressor valve, shut-off body, tightness, split springing ring, variable radius.
