CC BY
34
The article provides a brief overview and systematization of the drive images of knives of three-knife paper-cutting machines.
Key words: three-knife paper-cutting machine, side knives, lever drive, hypocycloid, epicycloid, foregrip.
Kulikov Grigory Borisovich, doctor of technical sciences, professor, head of chair, kulikov. gb@,mail. ru, Russia, Moscow, Moscow Polytechnic University,
Vinokur Alexey Iosifovich, doctor of technical sciences, professor, Director, IPIT, kulikov. gb@,mail. ru, Russia, Moscow, Moscow Polytechnic University,
Kondratov Aleksandr Petrovich, doctor of technical sciences, professor, head of chair, a.p.kondratovamospolytech.ru, Russia, Moscow, Moscow Polytechnic University
УДК 621.879.064
ПОВЫШЕНИЕ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ОДНОКОВШОВОГО ГИДРАВЛИЧЕСКОГО ЭКСКАВАТОРА ЗА СЧЕТ КОВША НОВОЙ
КОНСТРУКЦИИ
Г.Г. Бурый, И.К. Потеряев, С.Б. Скобелев, В.Ф. Ковалевский
Рассмотрена актуальность повышения производительности одноковшовых гидравлических экскаваторов. Представлена конструкция ковша, позволяющего без изменения характеристик гидропривода зачерпывать больший объем грунта. Проведен анализ сил и моментов, действующих на новую конструкцию ковша. Представлены зависимости для определения сил сопротивления резанию в стандартном ковше. Выведены зависимости для определения сил сопротивления резанию в новой конструкции ковша. Сделан вывод о снижении сил сопротивления вследствие увеличения производительности экскаватора посредством большего объема зачерпываемого грунта.
Ключевые слова: экскаватор, грунт, резание, сопротивление резанию, производительность, конструкция, моменты сил, дорожные машины.
Развитие экономики любой страны невозможно представить без такой сферы, как строительство. Основными объектами строительства являются здания, дороги, мосты, тоннели и др. Прежде чем возвести инженерное сооружение, необходимо подготовить основание. Его подготовка осуществляется путем операций перемещения, уплотнения, планировки и т.д. Одной из основных машин, участвующих в процессах подготовки, является одноковшовый гидравлический экскаватор. На покупку и эксплуатацию данных машин тратится значительная часть средств. В статье пойдет речь об одном из способов повышения производительности одноковшовых гидравлических экскаваторов.
Сменную эксплуатационную производительность одноковшового гидравлического экскаватора можно определить по зависимости
12
П (1)
щ.э. К р
где V - объем ковша, м3; Кн - коэффициент наполнения ковша; tцэ -длительность рабочего цикла экскаватора, ч; Кр - коэффициент разрыхления грунта; - продолжительность смены, ч; Кв - коэффициент использования экскаватора по времени в течение смены [1, 2].
Добиться повышения производительности возможно путем внесения конструктивных изменений. Современные разработки в данной области сводятся к изменению конструкции преимущественно ковша и системы рычагов для его управления. В патенте [3] и заявке на изобретение [4] была рассмотрена конструкция ковша, позволяющая повысить производительность одноковшового гидравлического экскаватора (рис. 1).
Ось поборота ковша /'закрепляется на рукояти.)
Рис. 1. 3й-модель нового ковша
Данная конструкция ковша позволяет увеличить объем зачерпываемого грунта без внесения изменений в конструкцию, за исключением системы рычагов привода ковша. Чтобы доказать полезный эффект данной конструкции, необходимо провести анализ сил и моментов действующих на ковш в процессе копания.
Схема сил действующих на ковш новой конструкции в процессе копания представлена на рис. 2.
На схемах представлены следующие обозначения: - сила гидроцилиндра, Н; - сила тяжести ковша, Н; ^рг - сила сопротивления резанию на горизонтальной части периметра, Н; - сила сопротивления наполнению ковша, Н; ^рб - сила сопротивления резанию на боковых стенках периметра, Н; ^тб - сила сопротивления трению на боковых ножах, Н; 11 - расстояние от оси поворота ковша до точки В, м; ¡2 - расстояние от оси поворота ковша до его центра тяжести в точке Е, м; 13 - расстояние от оси поворота ковша до точки О (центра тяжести призмы грунта), м; 14 - расстояние от оси поворота ковша до самой удаленной точки О режущего периметра, м; ¡5 - расстояние от оси поворота ковша до самой ближайшей точки С режущего периметра, м [5, 6, 7, 8, 9, 10].
Силы трения грунта с ковшом учитываются в силах ^рг, ^рб, F^б. Проведем расчет моментов сил оказывающих воздействие на ковш, в процессе копания.
Момент силы сопротивления резанию определим по зависимости
Мг
Fн ■ ¡4 + FрT ■ ¡^ + ^рб • —-5 + • 1т.
тб ■ ¡3 :
(2)
р П 4 р! 4 ри 2
где - сила сопротивления на ноже, Н; ^рг - сила сопротивления резанию на горизонтальной части, Н; ^рб - сила сопротивления резанию на боковых стенках периметра, Н; ^тб - сила сопротивления трению на боковых ножах, Н.
Крепление кодша к гидроцилиндру
Рис. 2. Схема сил, действующих на ковш новой конструкции
в процессе копания
Так как воздействие силы ^рб осуществляется по всей длине СБ контакта грунта с ковшом, расчет плеча силы осуществлялся как среднее арифметическое расстояний ¡5 и ¡4 от оси поворота ковша до самой близкой к ней точке контакта и самой удаленной соответственно. Момент силы гидроцилиндра
Мц = Fц ■ ¡х. (3)
Момент от силы тяжести ковша
Мк = Fк ■ ¡2. (4)
Общий момент силы, создаваемой оборудованием, определим по зависимости
Моб = Мц + Мк. (5)
Если при определении сил сопротивления резанию учитываются силы трения, тогда для реализации процесса копания необходимо, чтобы соблюдалось условие
моб > М
р;
(6)
где Моб - суммарный момент создаваемый оборудованием, Н-м; Мр - момент сопротивлений в процессе копания, Н-м.
Для определения сил ^рг, Fрб, ^тб наиболее лучше всего подходят исследования Баловнева В.И., так как в зависимостях отсутствуют эмпирические коэффициенты, полученные на стандартном оборудовании. В сечении ковш представляет из себя прямоугольный периметр, поэтому зависимости Баловнева В.И. возьмем для резания прямоугольным периметром рис. 3 [11, 12, 13].
а В а
1а
Рис. 3. Прямоугольный периметр
Суммарную силу резания определим по зависимости
^р _ ^н + ^рг + ^рб + ^тб , (7)
где ^н - сила сопротивления резанию на ноже, Н; ^рг - сила сопротивления на горизонтальной кромке периметра, Н; ^рб - сила сопротивления на передней поверхности вертикальных кромок периметра, Н; ^тб - сила сопротивления трению на боковых ножах, Н.
р- 1н Бтан
^н = (1 + СЩан ■ tgS)■ 4 - В- ¡н ■ ътан ■ g■
2
1 - ±
А
1
1 + в1п ф ( . \ --:--РЛкр -¡н*1пан)
1 - б1п ф
^рг = (1 + СШазт А2 -В-Нзт- g
р-к
зт
+ ^ф■
Ррб = 2-А3-а-Ир-g■
А2 ) р■ к
2
1 + б1п ф
+ ;-— Гк р
1 - Б1П ф ^
р
2
А
+
3 )
1 + Б1пф ( . \
-——р^кр -¡н ^1пай)
1 - б1п ф
р 15
(8)
(9)
1
1
1
1
Ft6 = 4-tgd■ A4-/б -h р- g■
р-h
2
+
+ cw ctgj-
А4 у А =
cosd- cos d+^ sin2 p—sin2 d
1 + sin p (,
+ --—r\h р
1 — sin p F 1 — sin p ■ cos 2a н
1 — sin p
\ í
■ lH ■ sin aH /
А =-
л—2аэт+d+arcsin
sin
di
1 — sin p
■2,718
sinp
■tgp
cosd- cos d + yjsin2 p — sin2 d
A3 =
f
1 — sin p
■2,718
V
c . sin d I
d+arcsin-I ■ tgp
sin p J .
sind- cos d+sin2 p—sin2 d
А =
■2,718
í ~ . sin di
d+arcsin-I ■ tgp
sinp J
(11) (12)
(13)
(14)
, . , . (15)
1 — sin p
где а - толщина боковой стенки ковша, м; hp - толщина резания (hp=l4 - l5), м; р - плотность грунта, кг/м3; ф - угол внутреннего трения грунта (для грунта IV категории ф=23°), град.; 5 - угол трения грунта о сталь (для грунта IV категории 5=22о), град; сю - коэффициент сцепления грунта (для грунта IV категории сю~6116кг/м2); 1б - ширина призмы грунта в ковше, м; азт - угол затупления, град.; В - ширина горизонтальной кромки периметра, м; - высота затупленной части, м; ан - угол наклона ножа к траектории движения ковша, град.; lH - длина ножа, м; g - ускорение свободного падения, м/с2 [11, 12, 13].
Исследовав новую конструкцию ковша были сделаны следующие выводы. Угол ан также называют углом наклона ножа соответственно к траектории его перемещения. В конструкции нового ковша форма ножа будет совпадать с траекторией его перемещения, следовательно ан=0. Отсутствие заострения края стенки с целью образования ножа обусловлено большими контактными давлениями при взаимодействии с материалом, что может привести к быстрому износу горизонтальной режущей части. Угол затупления азт принимается равным 90о.
Если учесть вышеприведенные выводы, выражения (8) - (15) примут вид
1 + sinp
^рг = A2-ВЛт- g-Ррб = 2-A3-a-hр-g-
Fh = tgd ■ В■ 1н ■ g-
р■ hST
1 — sinp
■р■ h
2
р■hр 2
fW ctgp ■
1
1
А
2 J
+ W ctgp■
í1—-11
1 + sin p
+;---р-hp
1 — sin p ^
1 + sin p
А
3 J
1 — sin p
р h
(16)
(17)
(18)
Ft6 = 4 - tg8 - A4 - ¡б -h р -g-
р- h
2
ЬСщ -ctgj-
А = 1;
1 —-
А.
4
1 + sin j
+ --— Р-h р
1 - Sin j r
cos8- cos8 + ^т2 j- sin2 8
А2 =■
(
1 - sin j
-2,718
8+arcsin
. sin 8
Л
sin j
tgj
cos8- cos8 + -\Zsin2 j-sin28
А=
(
1 - sin j
-2,718
8+arcsin
sin 8
Л
sin j
tgj
sin8- cos8 + д/sin2 j-sin28
А4 =
f
-2,718
8+arcsin
. sin 8
Л
sin j
tgj
(19)
(20)
(21) (22)
, . , (23)
1 - sin j
Выводы. Из представленных выше зависимостей можно сделать вывод об уменьшении сил сопротивления резанию, следовательно, объем ковша экскаватора может быть увеличен без изменения характеристик гидропривода. Увеличение объема ковша экскаватора позволит повысить производительность одноковшовых гидравлических экскаваторов [14].
Список литературы
1. Баловнев В.И. Дорожно-строительные машины и комплексы. Омск: СибАДИ, 2001. 528 с.
2. Павлов В.П., Абрамов А.Н. Рекомендации по выбору параметров экскаваторных ковшей // Транспортное строительство. 1984. № 7. С. 35 -36.
3. Пат. 2656286 Российская Федерация, МПК E02F 3/28. Ковш экскаватора сферический / Бурый Г.Г.; заявитель и патентообладатель Бурый Г.Г., заявл. 30.12.2016 ; опубл. 04.06.2018, Бюл. № 16. 3 с.
4. Заявка 2018114378/20 (022485) Российская Федерация, МПК E02F 3/40. Способ копания одноковшовым гидравлическим экскаватором и одноковшовый гидравлический экскаватор / Бурый Г.Г., Щербаков В. С.; заявитель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Сибирский государственный автомобильно-дорожный университет (СибАДИ)».
5. Кузнецова В.Н., Завьялов А.М. Оптимизация формы рабочих органов землеройных машин. Омск: ОмГПУ, 2008. 183 с.
6. Зеленин А.Н., Павлов В.П., Агароник М.Я., Королев А.В., Перлов А.С. Исследование разработки грунта гидравлическими экскаваторами // Строительные и дорожные машины. 1976. № 10. С. 9 - 11.
7. Ананин В.Г. Результаты экспериментальных исследований и моделирования рабочего оборудования одноковшового экскаватора // Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета. 2013. № 1 (38). С. 205 - 213.
8. Кузнецова В.Н., Савинкин В.В. Анализ эффективности работы одноковшового экскаватора // Вестник СибАДИ. 2014. №6. С. 26 - 33.
9. Тарасов В.Н., Коваленко М.В. Механика копания грунтов, основанная на теории предельных касательных напряжений // Строительные и дорожные машины. 2003. № 7. С. 38 - 43.
10. Кузнецова В.Н., Савинкин В.В. Обеспечение энергоэффективности разработки грунта за счет оптимизации углов позиционирования рабочего оборудования экскаватора // Строительные и дорожные машины. 2015. № 3. С. 44 - 47.
11. Баловнев В.И. Моделирование процессов взаимодействия со средой рабочих органов дорожно-строительных машин. М.: Высшая школа, 1981. 335 с.
12. Тарасов В.Н., Коваленко М.В. Механика копания грунтов ковшом гидравлического экскаватора // Строительные и дорожные машины. 2003. №8. С. 41 - 45.
13. Sinclair R. Hydraulic Excavators: Quarrying & Mining Applications. London, Sinclair Publishing, 2011. 388 p.
14. Кузнецова В.Н., Савинкин В.В. Исследование энергоэффективных параметров одноковшовых экскаваторов. Омск: СибАДИ, 2015. 210 с.
Бурый Григорий Геннадьевич, канд. техн. наук, доцент, buryy1989@bk.ru, Россия, Омск, Сибирский государственный автомобильно-дорожный университет (СибАДИ),
Потеряев Илья Константинович, канд. техн. наук, доцент, po-teryaev_ik@mail. ru, Россия, Омск, Сибирский государственный автомобильно-дорожный университет (СибАДИ),
Скобелев Станислав Борисович, канд. техн. наук, доцент, skobelewarambler.ru, Россия, Омск, Омский государственный технический университет,
Ковалевский Валерий Федорович, канд. техн. наук, доцент, skohelewa ramhler.ru, Россия, Омск, Омский государственный технический университет
IMPROVING THE PRODUCTIVITY OF A SINGLE-BUCKLE HYDRAULIC EXCAVATOR WITH A BUCKET OF NEW CONSTRUCTION
G.G. Buryy, I. K. Poteryaev, S. B. Skobelew, V. F. Kovalevskiy
The article considers the relevance of improving the performance of single-bucket hydraulic excavators. A bucket design is presented that allows scooping a larger volume of soil without changing the characteristics of the hydraulic drive. The analysis of the forces and moments acting on the new bucket design. Dependencies for determining the resistance to cutting in a standard bucket are presented. Were derived according to determine the forces of resistance to cutting in the new bucket design. It is concluded that the resistance forces are reduced as a result of an increase in the performance of the excavator through a larger volume of scooped soil.
Key words: excavator, soil, cutting, cutting resistance, performance, design, moments of forces, road machines.
Buryy Gregory Gennadievich, candidate of technical sciences, docent, buryy1989@bk. ru, Russia, Omsk, Siberian State Automobile and Highway University,
Poteryaev Ilya Konstantinovich, candidate of technical sciences, docent, po-teryaev ikamail. ru, Russia, Omsk, Siberian State Automobile and Highway University,
Skobelew Stanislav Borisovich, candidate of technical sciences, docent, skobelewarambler.ru, Russia, Omsk, Omsk State Technical University,
Kovalevskiy Valeriy Fedorovich, candidate of technical sciences, docent, skobelewa rambler.ru, Russia, Omsk, Omsk State Technical University
УДК 66:621.929
АНАЛИЗ ПОТОКОВ СЫПУЧИХ МАТЕРИАЛОВ В СМЕСИТЕЛЯХ НЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ И ИХ МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ
В.М. Васин
Предложен анализ потоков частиц компонентов, заключающийся в проверке стационарности потока, установления его структуры и выборе адекватной модели.
Ключевые слова: сыпучие материалы, непрерывное смешивание, математические модели потоков частиц.
С целью повышения эффективности непрерывного способа смешивания сыпучих материалов средней и крупной дисперсности ранее было предложено формировать потоки компонентов в виде разреженных потоков таким образом, чтобы частицы в каждом потоке следовали одна за другой с некоторыми интервалами. Средняя величина интервала между частицами определяется долей компонента в смеси и общим количеством потоков компонентов, а дисперсия величины интервала - требованиями к однородности смеси [4].
Поток компонента формируется в результате выдачи частиц из дозирующего устройства на движущийся транспортёр. Поток смеси представляет собой поток следующих одна за другой и чередующихся в соответствии с долями компонентов частиц всех компонентов. Для обеспечения высокой производительности смешивания следует выбирать достаточное число ручьев дозирующих устройств для каждого компонента.
Результатом работы с производительностью Ре одного ручья дозирующего устройства и движущегося со скоростью Ус транспортёра является элементарный поток частиц компонента (рисунок). Поток каждого компонента является суперпозицией его элементарных потоков, поток смеси - суперпозицией потоков компонентов.
19
