CC BY
70
COMPARATIVE ESTIMATION OF EFFICIENCY OF MOVEMENTSYSTEMS OF PLANETROVERS
S. I. Matrossov
The methodology of the comparative assessment of the effectiveness of different locomotion systems of planetrovers with regard to their design features and conditions for moving. This technique allows the development stage planetrover objectively evaluate the ability of the rover to move on unprepared surface of planets.
Keywords: planetrover, locomotion system, estimation of efficiency, maneuverability, mobility.
Bibliographic list
1. Farobin I. E. Otsenka ekspluatatsionnykh svoistv avtopoezdov dlia mezhdunarodnykh perevo-zok / I. E. Farobin, V. S. Shchupliakov. - M.: Transport, 1983. - 200 s. (rus.)
2. Dobretsov R. Yu. Kompleksnaia otsenka poter' moshchnosti v shassi gusenichnoi mashiny na etape proek-tirovaniia // «Nauchno-tekhnicheskie vedomosti SPbGPU» Nauka i obrazovanie. - 2009. - №3 - S. 163-168. (rus.)
3. Orlov A. I. Teoriia priniatiia reshenii. Uchebnoe posobie. - M.: Izdatel'stvo «Mart», 2004. - 656 s. (rus.)
Матросов Сергей Ильич - Заслуженный машиностроитель РФ, начальник отдела международной кооперации ОАО «ВНИИ Транспортного машиностроения» (Санкт-Петербург); Генеральный директор НТ ЗАО «Ровер». Основное направление научных исследований - робототехника. Общее количество публикаций - более 40. E-mail: [email protected].
УДК 621.878.6
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА КОВША СКРЕПЕРА (КОПАНИЕ И ВЫГРУЗКА ГРУНТА)
Л. А. Хмара, М. А. Спильник
Аннотация. Экспериментально доказана возможность снижения усилия процесса выгрузки грунта из ковша скрепера, за счёт изменения формы днища на полукруглое и задней стенки на стенку радиусного типа.
Ключевые слова: скрепер, выгрузка, полукруглое днище, задняя стенка радиусного типа, снижение усилия.
Введение
Основные усовершенствования ковшей скреперов направлены на улучшение поступления грунта в ковш как с применением различных интенсификаторов, так и с изменением форм элементов ковша [1].
Целью статьи является повышение эффективности рабочего процесса ковша скрепера с полукруглым днищем и задней стенкой маятникового типа [2].
Задачи исследования:
- разработать модели ковшей скреперов с полукруглым днищем и задними стенками маятникового типа различной кривизны в условиях изменения места приложения усилия гидроцилиндра по её высоте;
- провести экспериментальные исследования процесса копания и выгрузки грунта из
моделей ковша скрепера с полукруглым днищем и задней стенкой маятникового типа;
- определить рациональные параметры ковша скрепера с задней стенкой маятникового типа.
Основная часть
За основу взята физическая модель самоходного скрепера Д -357 [3], выполненная в масштабе 1:10. Модель ковша позволяет изменять днище и заднюю стенку (рис.1., бд). Крепление привода задней стенки ковша скрепера изменялось по её высоте (рис. 2 .). Одна из боковых стенок модели ковша скрепера выполнена прозрачной, что обеспечивает возможность визуально наблюдать за процессом взаимодействия рабочего органа со средой, фотографировать процесс.
Экспериментальные исследования процесса выгрузки грунта из ковшей скреперов
традиционного типа и с полукруглым днищем и задней стенкой маятникового типа проводились с использованием метода приближенного физического моделирования рабочих процессов землеройно-транспортных машин (ЗТМ) [4,5] в лабораторных условиях кафедры СДМ ПГАСА (рис. 3.) [6]. Контроль, измерение силовых и энергетических параметров процесса при проведении экспериментальных исследований осуществлялся измерительной системой стенда. В комплект этой системы входят: универсальные тензоз-
венья, аналогово-цифровой преобразователь, персональный компьютер.
Моделирование грунта осуществлялось песчано-глинистой смесью, которая состоит из кварцевого песка на 85 % и лессовидного суглинка на 15 %. При экспериментах применялось приближенное моделирование физико-механических свойств разрабатываемой среды, а принадлежность грунта к категориям определялась по показателю С, количеству ударов модели динамического плотномера ДорНИИ. Влажность для данной категории грунта поддерживалась постоянная.
Рис.1. Схема стенда для физического моделирования рабочих процессов ЗТМ и исследуемые
модели ковшей скреперов: а) стенд для физического моделирования рабочих процессов ЗТМ;1- пульт управления; 2- АЦП;
3 - привод; 4- ведущий вал; 5- рама; 6 - направляющие балки; 7 - грунтовой контейнер; 8 -грунт; 9 - кабель; 10 - модель ковша; 11. Г-образный кронштейн; 12 - тензометрическая тележка; 13 - струна; 14 - параллелограммный механизм; 15 - приводной канат; 16 - ведомый вал; б) ковш традиционного типа; в), г), д) ковши с полукруглым днищем и задними стенками маятникового типа R1 = 0 мм, R2 = (0,8...0,9) Нзс мм, R3 = 0,7 Нзс мм; 1 - днище; 2 - нож; 3 - передний кронштейн; 4 - передняя заслонка; 5 - грунт; 6 - прозрачная стенка; 7 - задняя стенка;
8 - привод задней стенки; 9 - Г-образный кронштейн
Исследования на физической модели осуществлялись следующим образом. Ковш находится в транспортном положении. Контролируется плотность набранного в ковш грунта. Далее передняя заслонка ковша 4 открывается и с помощью привода 8 (на котором установлен тензодатчик) производится выгрузка грунта. Равномерность движения задней стенки контролируется с помощью «сетки», нанесенной на прозрачную стенку 6 ковша скрепера.
В ходе экспериментальных исследований измерялось сопротивление выгрузки грунта
(Р вг) в условиях изменения места приложения усилия гидроцилиндра по высоте задней
НН Н, Н-э
стенки (—0,06; —0,2; —^ = 0,35;
Н
Н
Н
Н
4 _
Н
= 0,5) (рис. 4, 5). Исследовались также
зависимости изменения длины выдвижения гидроцилиндра от места приложения усилия гидроцилиндра по высоте задней стенки (рис. 6.).
с
с
с
с
Рис. 2. Расположение гидроцилиндра на задних стенках ковша скрепера: а) - традиционная стенка; б), в), г), д) - стенка маятникового типа при R1= 0 мм; е), ж), з), и) - стенка маятникового типа при R2= (0,8...0,9) Нзс мм; й), к), л), м) - стенка маятникового типа
при Rз= 0,7 Нзс мм
в) г)
Рис. 3. Исследуемые модели конструкций экспериментальных ковшей скреперов: а) ковш традиционного типа; б), в), г) ковши с полукруглым днищем и задними стенками маятникового типа Р1= 0 мм, Р2 = (0,8.0,9) Нзс мм, Р3 = 0,7 Нзс мм
Рис. 4. Осциллограммы изменения усилия выгрузки, РВГ от длины днища скрепера, LдН: а) -
традиционный ковш; б), в), г) ковши с полукруглым днищем и задними стенками маятникового типа 0 мм, Р2 = (0,8...0,9) Нзс мм, Р3 = 0,7 Нзс мм. Расположение гидроцилиндра на задней стенке ковша скрепера: 1 - 0,5; 2 - 0,35; 3 - 0,2; 4 - 0,06.
Рис. 5. График зависимости изменения усилия выгрузки, РВГ от высоты крепления гидроцилиндра на задних стенках ковшей скреперов, Н14:Тр- традиционный ковш; R1, R2, R3 - ковши с полукруглыми днищами и задними стенками маятникового типа при R1= 0 мм, R2 = (0,8...0,9) Нзс
мм, R3 = 0,7 Нзс мм
Ь, мм
Рис. 6. График зависимости изменения длины выдвижения гидроцилиндра, L от высоты крепления гидроцилиндра на задних стенках ковшей скреперов, Н14: Тр - традиционный ковш; R1, R2, R3 - ковши с полукруглыми днищами и задними стенками маятникового типа при R1= 0 мм,
R2 = (0,8...0,9) Нзс мм, R3 = 0,7 Нзс мм
График зависимости изменения выполненной работы от места приложения усилия гидроцилиндра по высоте задней стенки ков-
ша скрепера представлен на рис.7. Результаты исследования сравнивались с данными ковша скрепера традиционного типа.
Рис. 7. График зависимости изменения выполненной работы выгрузки, А от высоты крепления гидроцилиндра на задних стенках ковшей скреперов, Н14: Тр- традиционный ковш; Р1, Р2, Р3 -ковши с полукруглыми днищами и задними стенками маятникового типа при Р1= 0 мм, Р2 =
(0,8.0,9) Нзс мм, Р3 = 0,7 Нзс мм
Результаты экспериментов представлены в таблице 1. Из данных таблицы 1 следует, что задняя стенка Р2 является рациональной при выгрузке грунта из ковша скрепера. Изменение места крепления гидроцилиндра от Н4 до Н1 снижает показатели максимального усилия Р и работы А, но увеличивает ход штока гидроцилиндра L (см. табл. 1).
После предварительного эксперимента по выбору типа задней стенки проведены исследования зависимости изменения горизонтальной составляющей сопротивления грунта при копании Р коп [7] и выгрузке Р вг традиционного ковша и ковша с полукруглым
днищем и задней стенкой маятникового типа с Р2 = (0,8.0,9) Нзс мм от основных параметров: толщина грунтовой стружки ^ плотность грунта С.
При исследовании процесса копания и выгрузки был использован метод математического планирования эксперимента. Использовали 2-х факторный, центральный, композиционный рототабельный план второго порядка (план Бокса) [8].
В соответствии с условиями 2-х факторного рототабельного планирования факторы изменялись на 5-ти уровнях (таблица 2).
Таблица 1 - Значения параметров: усилия выгрузки, длины хода штока гидроцилиндра, работы выгрузки_
Высота крепления гидроцилиндра на задней стенке Форма задних стенок Рвг, усилие выгрузки грунта, Н Снижение усилия выгрузки грунта, % Ц ход штока гидроцилиндра, мм Снижение хода штока гидро- цилиндра, % А, работа выгруз-ки, кДж Снижение работы выгрузки грунта, %
1 2 3 4 5 6 7 8
Н1 Традиц 245 104.2 44,490
^ 210 14 53,35 48 37,568 15
R2 145 40 45,41 56 24,430 45
Rз 230 6 58,13 44 40,673 8
Н2 ^ 164 33 67,85 34 35,873 19
R2 128 47 57,5 44 24,689 44
Rз 174 28 71,27 31 29,060 34
Н3 ^ 134 45 82.47 20 28,378 36
R2 108 55 69,52 33 21,713 51
Rз 143 41 83,7 19 25,028 43
Н4 ^ 105 57 91,83 11 24,256 45
R2 85 65 76,56 26 15,977 64
Rз 122 50 92,54 11 23,889 46
Таблица 2 - Уровни варьирования факторов при проведении исследования
Факторы Код. знач. Уровни варьирования
-1,414 -1 0 + 1 + 1,414
И - толщина стружки, мм Х1 8 11 18 25 28
С - число ударов модели динамического плотномера ДорНИИ Х2 3 4 6 8 9
Уравнения регрессии поверхности отклика принятого критерия Р коптр , Р коппл и Р
вгтр, Р вгпл описывалось полиномиальной зависимостью 2-го порядка:
2 2
Р коптр = Ь>0+Ь1Х1+ ЬХ2+ Ь12 Х1Х2+ Ьц X2 + Ь22 х2 ;
22
Р коппл = Ь0+Ь1Х1+ Ь2Х2+ Ь12 Х1Х2+ Ь11 X2 + Ь22 х2 ;
22
Р вгтр = Ь0+Ь1Х1+ Ь2Х2+ Ь12 Х1Х2+ Ь11 X2 + Ь22 х2 ;
22
Р вгпл = Ь0+Ь1Х1+ Ь2Х2+ Ь12 Х1Х2+ Ь11 X2 + Ь22 X2 , где Ь0121112 - коэффициенты уравнения регрессии; х12 - кодированные значения факторов (х1 - h, х2 - С).
Реализация плана эксперимента позволила получить пакет осциллограмм. После их расшифровки сформирован числовой массив значений принятых критериев оптимизации Р коптр, Р коппл - усилия копания; Р вгтр, Р
вгпл - усилия выгрузки.
Статистическая обработка полученных данных позволила получить регрессионные зависимости критериев оптимизации Р коптр, Р коппл и Р вгтр, Р вгпл от принятых
факторов (х1 - h, х2 - С).
Уравнение регрессии усилия копания грунта ковшом скрепера традиционного типа имеет вид:
Р коптр = 219,5 + 36,0076 С + 109,771 И -23,3125-С2 + 4,25-С-1 + 47,8126 И2.
Уавнение регрессии усилия копания грунта ковшом скрепера с полукруглым днищем и задней стенкой маятникового типа имеет вид: Р коппл = 207,5 + 41,0454С + 81, 2785-1 - 20, 6251 С2 + 18,75-С-1 + 31,8751 И2.
Из графиков (рис. 8, а, б) следует, что процесс копания ковшами скреперов указанных типов происходит идентично. Снижение
усилия копания ковшом скрепера с полукруглым днищем и задней стенкой маятникового типа объясняется меньшим уплотнением грунта в ковше за счет измененной донной части.
Уравнение регрессии усилия выгрузки грунта из ковша традиционного типа имеет вид:
Р вгтр = 277,0 + 18,1051 С + 41, 7044-11 -7,06254С2 + 3,75-С-1 + 12,0626 И2.
На рис. 8., в показано графическое изображение поверхности отклика Р вгтр =f(C,h)
ковша традиционного типа. Как видно из графиков, наиболее влияющим фактором на целевую функцию Р вгтр является толщина стружки 1.
Уравнение регрессии выгрузки грунта из ковша с полукруглым днищем и задней стенкой маятникового типа имеет вид: Р вг = 204,0 + 19,6014С + 14,3692-1 - 9,0С2
пл ' ' ' '
- 0,01-С-1 -11, 5И2.
На рис. 8., г показана зависимость Р вгпл от С, 1 для ковша скрепера с полукруглым днищем и задней стенкой маятникового типа при R2 = (0,8.0,9) Нзс мм. Увеличение высоты стружки, плотности набранного грунта в ковше приводит к увеличению сопротивления выгрузки, как и в случае с ковшом традиционного типа.
На рисунке 9 представлены примеры использования ковша скрепера с полукруглым днищем и задней стенкой маятникового типа.
Рис. 8. Графики зависимости усилия копания и выгрузки грунта ковшами скрепера: а - копание ковшом скрепера традиционного типа; б - копание ковшом скрепера с полукруглым днищем и задней стенкой маятникового типа; в - выгрузка грунта из ковша традиционного типа; г - выгрузка грунта из ковша с полукруглым днищем и задней стенкой маятникового типа
а)
б)
Рис. 9. Модернизированный ковш скрепера с полукруглым днищем и задней стенкой маятникового типа: а) полуприцепной скрепер ДЗ - 87 - 1 на базе трактора Т-150К; б) самоходный скрепер Д-357; 1 - передняя заслонка; 2 - боковая стенка ковша; 3 -нож; 4 - боковой нож; 5 - ковш; 6 - буфер; 7 - задняя ось; 8 - гидроцилиндр привода задней стенки; 9 - задняя стенка маятникового типа; 10 - шарнир крепления передней заслонки; 11 - тяговая рама; 12 - шарнирное сочленение; 13 - тягач
Оценка значений усилий копания и выгрузки при исследовании указанных моделей дает основание утверждать, что использование задней стенки маятникового типа Р2 снижает усилия выгрузки на 40 %.
Заключение
Повышение эффективности рабочего процесса скрепера достигается при обеспечении рациональных параметров: радиус кривизны задней стенки маятникового типа Р2= (0,8...0,9) Нзс при расположении гидроцилиндра привода задней стенки 0,5.
Ковш скрепера с полукруглым днищем и задней стенкой маятникового типа обеспечивает снижение усилия копания (8 %), существенное снижение усилия выгрузки (40 %), снижение работы выгрузки (45 %), снижение хода штока гидроцилиндра (56 %), вследствие чего сокращается время одной из основных операций скрепера - выгрузки грунта из ковша (35 - 40 %).
Библиографический список
1. Машини для земляных работ: учеб. пособие / Хмара Л. А., Кравец С. В., Ничке В. В., Назаров Л. В., Скоблюк П., Никитин В. Г. Под общей редакцией проф.. Хмара Л. А. и проф. Кравца С. В. Ровно-Днепропетровск-Харьков. - 2010 -557 с.
2. Патент Украины на полезную модель № 48873, МПК E02F 3/64, Скреперный ковш / Л. А. Хмара, М. И. Деревянчук, М. А. Спильник. - Бюл №7, 2010.
3. Плешков Д. И. Самоходные пневмоколес-ные скреперы и землевозы / Д. И. Плешков, С. Ф. Маршак, Э. Г. Ронинсон, В. Г. Соловьев, Б. И. Харкун // - М.: Машиностроение, 1971. - 267 с.: ил.
4. Баловнев В. И. Моделирование процессов взаимодействия со средой рабочих органов дорожно-строительных машин: Учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений / В. И. Баловнев - М.: Машиностроение, 1994. - 432 с.: ил.
5. Баловнев В. И. Интенсификация земляных работ в дорожном строительстве./ Баловнев В. И., Хмара Л. А.// М.: Транспорт, 1983. - 183 с.
6.Баловнев В. И. Повышение производительности машин для земляных работ / Баловнев В. И., Хмара Л. А.// К.: Будивэльнык, 1988. - 152 с.: ил.
7. Бакулин А. В. Особенности процесса копания грунта скреперным ковшом с криволинейным днищем / А. В. Бакулин, Б. И. Харкун, В. И. Уткин // Строительные и дорожные машины. - 1991. - №11. - С. 6 - 9.
8. Тихомиров В. Б. Планирование и анализ эксперимента (при проведении эксперимента в легкой и текстильной промышленности). / В.Б. Тихомиров М., «Легкая индустрия », 1974. -262 с.: ил.
RESEARCH OF SCRAPER WORKFLOW(DIGGING AND UNLOADING)
L. A. Khmara, M. A. Spilnik
Experimentally demonstrated the possibility of reducing effort intensity of the process of discharging ground from scraper bucket by changing the shape of the bottom to the semi-circular and rear wall to radiustype wall.
Keywords: scraper, unloading, semi-circular bottom, rear wall radius-type, reduction of effort.
Bibliographic list
1. Earth moving: Textbook / Khmara L. A., Kravetz S. V., Nitschke V. V., Nazarov, L. V., Skoblyuk M. P., Nikitin V. G. Under the general editorship of Professor. Khmara L. A. and prof. Kravets S. V. Rovno-Dnipropetrovsk-Kharkiv. - 2010 -557 p.
2. Ukraine patent for utility model number 48873, IPC E02F 3/64, scraper bucket / L. A. Khmara, M. I. Derevyanchuk, M. A. Spilnik. - Bulletin number 7, 2010.
3. Pleshkov D. I. Pnevmokolesnye propelled scrapers and zemlevozy / D. I. Pleshko S. F. Marshak, E. G. Roninson, V. G. Soloviev, B. I. Harkun / / - M: Mechanical Engineering, 1971. - 267 p.: Ill.
4. Balovnev V.I. Modeling the interaction with the environment of working bodies of road-building machines: Studies. benefits for the students. Textbook. institutions / V.I. Balovnev - Moscow Engineering, 1994. - 432 p.: Ill.
5. Balovnev V. I. Intensification of earthworks in road construction. / Balovnev V.I., Khmara L. A. // Moscow: Transport, 1983. - 183 p.
6. Balovnev V. I. Productivity earth moving machinery / Balovnev V. I., Khmara L. A. // K: Budivelnyk, 1988. - 152 p.: Ill.
7. Bakulin A. V. Features of digging soil scraper shovel with a curved bottom / A. V. Bakulin, B. I. Harkun, V. I. Utkin / / Building and road machines. -1991. - № 11. - P. 6 - 9.
8. Tikhomirov V. B. Planning and analysis of the experiment (for the experiment in light and textile industry). / V. B. Tikhomirov, M., "Light Industry", 1974. -262 P.: Il.
Хмара Леонид Андреевич - доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой СДМ Ггосударственное Высшее Учебное Заведение Приднепровская Ггосударственная Академия Строительства и Архитектуры (Украина). Основное направления научных исследований: исследование рабочих процессов ЗТМ. e- mail: leonidkhmara@yahoo. com.
Спильник Михаил Анатольевич - аспирант, Государстенное Высшее Учебное Заведение Приднепровская Государственная Академия Строительства и Архитектуры (Украина), исследование рабочих процессов ЗТМ. e- mail: MikeSp20-86@yandex. ru
