Параметрическая оптимизация рычажно-гидравлических механизмов Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

© А.П. Комиссаров, Н.М. Суслов, 2002

УДК 622.271.4

А.П. Комиссаров, Н.М. Суслов ПАРАМЕТРИЧЕСКАЯ ОПТИМИЗАЦИЯ РЫЧАЖНО-ГИДРАВЛИЧЕСКИХ МЕХАНИЗМОВ

нопрочности характерных сечении элементов) массы РО Мр:

Л _ Авн/Адв,

"Лм _ Мвн/Мдв _ 1/^ДВ;

Vвн.р _ ^вн* X ( ^уст/^дв.i)/n; i=1

Мр = . X [0,5^(^н + FjK)], j=1

Р

ычажно-гидравлические механизмы (РГМ) находят широкое применение в горных машинах, в частности, в гидравлических карьерных экскаваторах, благодаря техническим и технологическим преимуществам по сравнению с рычажными или канатно-рычажными механизмами.

РГМ характеризуются рядом особенностеи по сравнению с рычажными механизмами:

- ввиду обратимости гидромашин при совмест-нои работе гидроприводов и рычажных систем часть гидромашин может менять режим работы,

- основные параметры РГМ, в частности, коэффициент полезного действия (КПД), изменяются по вели-

чине и зависят от положения элементов РГМ.

Общее уравнение динамики для РГМ может быть записано в виде:

n1 n2 n3

Z Nii + Z Ыи i2 + Z Nr i3 = 0,

i1=1 i2=1 i3=1

где Nil - мощность внешней силы, приложенной к звену механизма; Z N^i2 - мощность силы инерции звена; Z Nr.i3 - мощность, регенерируемая гидромашиной.

С целью обоснования наилучшего набора параметров РГМ выполнены исследования по оптимизации на примере рабочего оборудования (РО) карьерных гидравлических экскаваторов. На рис. 1 представлена кинематическая схема РО гидравлического экскаватора с независимым приводом механизмов.

Целевые функции представляют собой сти для расчета КПД механизма Л, расчетной (с том изменения мощности движущих сил) скорости внедрения ковша Увн.р и расчетной (при условии

где Авн, Адв - соответственно

бота, затрачиваемая на внедрение ковша в пределах рабочей зоны экскаватора, и работа, производимая движущими силами; ^н, - соответственно

ность силы сопротивления внедрению ковша и мощность движущих сил; ^м - мгновенный КПД; ІNдв -редаточная функция мощности движущих сил

шение мощности движущих сил к мощности силы сопротивления внедрению ковша)

[1]; ^ст - установленная мощность привода; ^ - длина ]-го участка элемента стрелы или рукояти) (рис. 2); ^н, ^к -площади поперечных сечений по краям ]-го участка.

n

m

на ЭВМ.

В качестве управляемых параметров приняты:

- соотношения между главными конструктивными параметрами РО (длина стрелы Lс, длина рукояти Lр, координаты точки крепления пяты стрелы и точек крепления гидроцилиндров);

- соотношение между параметрами РО и размерами рабочей зоны экскаватора (максимальный радиус внедрения Rmax и др.).

На управляемые параметры наложены следующие ограничения:

• относительные смещения элементов РО, например, рукояти относительно стрелы, не превосходят допустимых значений;

• максимальные усилия на штоках цилиндров соответствуют настройке предохранительных клапанов;

• внешние нагрузки постоянны в пределах рабочей зоны.

На рис. 3 приведены графики передаточных функций мощностей отдельных гидроцилиндров (стрелы, рукояти и ковша) и мощности движущих сил, а также указаны значения мгновенного КПД для случая внедрения ковша на уровне стояния экскаватора.

В результате проведенного кинематического и силового анализа РГМ выявлены основные параметры, определяющие мгновенный КПД Лм и цикловой КПД Л (при внедрении ковша):

- соотношение Lc^ при (Lc+Lр) = const;

- отношение (Lc + Lp)/Rmax (или (Lc+Lp^™) при Lc^ = const.

На рис. 4 показано изменение КПД механизма в зависимости от соотношения Lc^. Из рисунка видно, что существует оптимальное соотношение (ЦДр)опт, при котором КПД имеет максимальное значение.

Наличие (ЦДр)опт обусловливается действием противоречивых факторов. Так, при «короткой» стреле (Lc^ < 1) цилиндры ковша и стрелы работают в режиме генератора (рис. 5) и, как следствие, мощность движущей силы, действующей на штоке цилиндра рукояти, возрастает на величину регенерируемой мощности. Максимальная величина регенерируемой мощности составляет 1,2—1,5 мощности силы сопротивления внедрению ковша. КПД механизма в этом случае снижается. При «длинной» стреле (Lc^ >>1) процесс внедрения ковша сопровождается подъемом РО, что также приводит к уменьшению КПД.

Расчеты показывают, что максимум КПД достигается при соотношении длин стрелы и рукояти (Lc^), соответствующем «симметричной» работе цилиндра стрелы, т.е. максимальные значения передаточной функции мощности цилиндра стрелы в режимах двигателя и генератора практически равны. Так, для ЭГ-12 расчетная величина (Lc^^m- = 1,41. Соотношение

(Lc^) для ЭГ-12 принято 8/6 = 1,33, т.е. находится в

зоне оптимальных значений.

КПД механизма существенно зависит также от величины + Lр )отн (рис. 6.). С ростом величины + Lр )отн КПД механизма увеличивается ввиду уменьшения относительных смещений звеньев механизма РО и, соответственно, уменьшения скоростей штоков цилиндров при постоянной скорости внедрения ковша.

Проведена также оптимизация по следующим кри-

териям - масса рабочего оборудования и длительность внедрения ковша.

Таким образом, в результате исследования рычажно-гидравлического механизма определены критерии оптимальности и установлены оптимальные значения управляемых параметров. Показано, что критерии оптимальности не противоречивы.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Кожевников С.Н. Теория механизмов и машин. - М.: Машиностроение, 1973. - 592 с.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -----------------------------------------------

Комиссаров А.П. - доцент, Уральская государственная горно-геологическая академия. Суслов Н. М. - доцент, Уральская государственная горно-геологическая академия.