Совершенствование гидравлического рабочего оборудования дорожно-строительных машин

Сушков Сергей Иванович; Бурмистрова Ольга Николаевна; Бурмистров Валерий Алфеевич; Тимохов Роман Сергеевич

УДК 630*383

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО РАБОЧЕГО ОБОРУДОВАНИЯ ДОРОЖНО-СТРОИТЕЛЬНЫХ МАШИН

1 Воронежский государственный лесотехнический университет, 2 Ухтинский государственный технический университет

Статья поступила в редакцию 15.02.2019

В представленной статье приведено решение задачи максимального использования потенциала гидравлического экскаватора, путем разработки конструкции грузоподъемного механизма. Данная конструкция содержит дополнительный механизм, позволяющий изменять параметры грузоподъемного механизма в зависимости от вида рабочего оборудования.

Ключевые слова: грузоподъемный механизм, гидравлическая система, угловая скорость, угловое ускорение.

Уровень совершенства механизмов на стадии проектирования зависит от достоверности расчетных схем и нагрузок. Поэтому при расчете нагрузок, преодолеваемых в момент движения рабочего оборудования гидравлического экскаватора, необходимо оценить влияние параметров грузоподъемного механизма (ГМ) на динамическую нагруженность гидроцилиндра стрелы.

Установлено, что типовые ГМ гидравлических экскаваторов имеют постоянные параметры присоединения гидроцилиндров стрелы к платформе для всех видов рабочего оборудования (РО), что свидетельствует о целесообразности разработки ГМ позволяющего изменять технологические параметры в зависимости от вариации используемого РО[1].

Для решения задачи максимального использования потенциала гидравлического экскаватора разработана конструкция ГМ содержащая дополнительный механизм, позволяющий изменять параметры ГМ в зависимости от вида рабочего оборудования [2].

На рис. 1 приведена расчетная схема параметров ГМ. Исследование параметров ГМ производится на основании математической модели, которая включает в себя [3]:

- определение угловых параметров

Сушков Сергей Иванович, заведующий кафедрой промышленного транспорта, строительства и геодезии, доктор технических наук. E-mail: [email protected] Бурмистров Валерий Алфеевич, доцент кафедры Инжиниринга технологических машин и оборудования УГТУ, кандидат технических наук. E-mail: [email protected] Бурмистрова Ольга Николаевна, заведующая кафедрой Технологии и машины лесозаготовок УГТУ, доктор технических наук. E-mail: [email protected] Тимохов Роман Сергеевич, старший преподаватель кафедры Инжиниринга технологических машин и оборудования. E-mail: [email protected]

Рис. 1. Расчетная схема грузоподъемного механизма

ф = arccos

a2 + b 2 - S

lab

a = arcsin

a sin(^ + f)

S

(1)

(2)

- определение угловой скорости и ускорения

vS

ю=

е

ab sin^ '

v vsin^-Sacosф ab

sin2 ф

(3)

(4)

- определение суммарной длины гидроцилиндра

Я = + \г, (5)

где - минимальная длина гидроцилиндра подъема стрелы, м; t - время движения, с.

- определение усилия в гидроцилиндре стрелы в момент движения рабочего оборудования

F + mL2 )е + g(mclcco(p - /и) + mL cos(p - в))\

ab sin [r+p) (6)

Xyja2 + b 2 - lab cos(Y+p) ,

где Jc - момент инерции стреловой группы манипулятора.

Расчетные формулы (1 - 6), представляют собой математическую модель исследования и выбора параметров ГМ, при его движении, а именно параметров установки гидроцилиндра стрелы по критерию снижения величины усилия развиваемого гидроцилиндром стрелы и динамических нагрузок. Математическая модель ориентирована для реализации на ЭВМ с использованием программы написанной на языке Delphi [4], помимо выбора параметров, позволяет исследовать зависимость изменения режимных параметров от любых исходных. Исходными данными являются: L; l; mc; m; S0 в; v (см. рис.1).

В ходе исследования параметров ГМ, задаемся интервалами изменения параметров установки гидроцилиндра стрелы a (aj=o ^ а ^ aj=n ) , b (bj=o < b < bj=n ), 7 (j ^ y < 7j=n ) и поочередно меняем каждый из них, при этом два других соответствуют стандартным значениям параметров ГМ данной размерной группы экскаватора. Процесс исследования параметров заключается в полном переборе вариантов параметров ГМ при изменении одного из параметров и фиксированных значениях двух других.

Такого рода исследование обеспечивает возможность выбора параметров ГМ, в наибольшей степени соответствующих предъявляемым техническим требованиям.

По формулам (1) и (2) определяем углы р и а, вычисляем суммарную длину S гидроцилиндра подъема стрелы по формуле (5). Определяем угловую скорость о и угловое ускорение S стреловой группы, формулы (3) и (4), определяем величину усилия F развиваемого гидроцилиндром стрелы при подъеме рабочего оборудования по формуле (6). Строим графики зависимости о от t, S от t и F от t, для значений исследуемого параметра и выбираем его значение исходя из снижения величины усилия развиваемого гидроцилиндром стрелы и динамических нагрузок.

Исследование параметров ГМ гидравлического экскаватора:

1. Параметры а и y - постоянны и соответствуют аналогу проектируемого ГМ экскаватора. Параметр b равен:

b=2,5+0,05j, (7)

где j=0..10.

По формулам (1), (2) определяем углы р и а, вычисляем суммарную длину S гидроцилиндра подъема стрелы по формуле (5). Определяем угловую скорость о и угловое ускорение

8 стреловой группы, формулы (3), (4). Строим графики зависимости с от Ь, 8 от t и Р от t, для значений параметра согласно уравнению (7), а также графики зависимости с от Ь, 8 от Ь и Р от Ь при движении стреловой группы 0 ^ t ^ г. На рис. (2 - 4) представлены зависимости угловой скорости с, углового ускорения 8 и усилия в штоке Р от времени Ь при различных значениях параметра Ь.

Увеличение параметра Ь приводит к уменьшению угловой скорости и углового ускорения стрелы и, как следствие, к увеличению динамических нагрузок. Минимальное (по абсолютной величине) усилие в штоке соответствует значениям Ь=2,7 - 2,9 м.

Влияние параметра Ь на угловую скорость с , угловое ускорение 8 и усилие в штоке Р при различных положениях стрелы отражено на рис. (5 - 7).

Вопреки ожиданиям, перемещение точки А (см. рис. 1) крепления гидроцилиндра вправо приводит к увеличению средних угловой скорости и углового ускорения стрелы. Это объясняется уменьшением плеча АВ относительно точки О. Минимальные угловые ускорения, динамические нагрузки и усилие в штоке гидроцилиндра соответствуют значениям Ь=2,7 - 2,9 м. При значениях Ь=2,95 - 3,0 м в начальный момент движения ГПМ происходит резкое увеличение динамических нагрузок. Угол качания стрелы при параметре Ь=2,7 - 3,0 м меняется со 1000 до 1150.

2. Параметры Ь и У - постоянны и соответствуют аналогу проектируемого ГМ экскаватора. Параметр а равен:

а=0,8+0,05), (8)

где )=0..10.

Аналогично, по формулам (1), (2) определяем углы р и а, вычисляем суммарную длину Б гидроцилиндра подъема стрелы по формуле (5). Определяем угловую скорость с и угловое ускорение 8 стреловой группы, формулы (3), (4). Строим графики зависимости с от Ь, 8 от t и Р от Ь, для значений параметра а согласно уравнения (8), а также графики зависимости с от а, 8 от а и Р от а при движении стреловой группы 0 ^ t < г.

Зависимости угловой скорости с, углового ускорения 8 и усилия в штоке Р от времени t при различных значениях параметра а представлены на рис. (8 - 10).

Как следует из рис. 8, зависимость угловой скорости с от времени t для малых значений параметра а (кривые 1, 2) носят немонотонный характер.

Минимальные значения с, 8, Р наблюдаются при увеличении (для больших) параметра а.

Влияние параметра а на угловую скорость с, угловое ускорение 8 и усилие в штоке Р при различных положениях стрелы отражено на рис. (11 - 13).

Ш {

О 0.25

чДД/ 7\7\7ч

ШI 2

Ш | 4

ВОВ Ш |, 6

ш | , 8

©ее'

Ш |, 10

ддд

0.1

2

»асе 3 ФО^ »асе 4 0 »асе 5 ДДД »асе 6 Е

Рис. 2. Зависимость угловой скорости Ш от времени t для различных значений параметра Ь: 1 - Ь= 2,5 м; 2 - Ь= 2,6 м; 3 - Ь= 2,7 м; 4 - Ь= 2,8 м; 5 - Ь= 2,9 м; 6 - Ь= 3,0 м

Е1, о

ч/ч/ч/

ЛЛЛ Е1, 2

в 1, 4

ВЕН £1,6

с < Е1, 8

еее

£ 1, 9

АЛЛ

XXX »асе 1

I | | »асе 2 1В »асе 3

»асе 4 " © »асе 5

ДДЛ »асеб

Рис. 3. Зависимость углового ускорения £ от времени t для различных значений параметра Ь: 1 - Ь= 2,5 м; 2 - Ь= 2,6 м; 3 - Ь= 2,7 м; 4 - Ь= 2,8 м; 5 - Ь= 2,9 м; 6 - Ь= 3,0 м

»асе 1 | | | »асе 2 Е »асе 3 ОО^ »асе 4 ' 6 1гасе5 ДДД »асе 6

Ш о, ]

\ДД/

АЛЛ Ш 2 , ]

Ш 4 , ]

ввв Ш 6, ]

Ш

0.4

0.3

J 0.2

ее©

Ш ю, ] ДДД

"Г

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

А

XXX »асе 1 | | | Ь-асе 2 ВВЕ Ь-асеЗ Ь-асе4 = Ь-асе5 ДДД ь-асеб

2.9

Рис. 4. Зависимость усилия в гидроцилиндре Г от времени t для различных значений

параметра Ь: 1 - Ь= 2,5 м; 2 - Ь= 2,6 м; 3 - Ь= 2,7 м;

4 - Ь= 2,8 м; 5 - Ь= 2,9 м; 6 - Ь= 3,0

Как следует из рис. 13, область изменения усилий Р при а=1,2 м почти в два раза меньше соответствующей области при а=0,8 м. Параметр а должен быть четко согласован с параметром у.

3. Параметры а и Ь - постоянны и соответствуют аналогу проектируемого ГМ экскаватора. Параметр у равен:

ж

у = (38 + 2,5 7)-, (9)

180

где /=0..10.

Определяем углы р и а по формулам (1) и (2), вычисляем суммарную длину Б гидроцилиндра подъема стрелы по формуле (5).

Определяем угловую скорость о и угловое

Рис. 5. Зависимость угловой скорости Ш от параметра Ь: 1 - t= 1с; 2 - t= 2с ; 3 - t= 3 с; 4 - t= 4 с; 5 - t= 5 с; 6 - t= 5 с

ускорение Б стреловой группы, формулы (3), (4). Строим графики зависимости О от Ь, Б от t и Р от t , для значений угла у согласно уравнению (9), а также графики зависимости О от у, Б от у и Р от у при движении стреловой группы 0 < / < I.

Угол у является важным геометрическим параметром, характеризующим положение гидроцилиндра. Зависимости О, Б, Р от времени Ь для различных значений у представлены на рис. (14 - 16).

Наибольший разброс угловой скорости и ускорения в зависимости от угла у установки гидроцилиндра наблюдается в верхней точке подъема стрелы (рис. 14, рис. 15). На усилие в

XXX 1гасе 1

-|—|—|- 1гасе 2

ВЕВ 1гасе 3

ООО 1гасе 4 © 1гасе 5 ДДД 1гасе6

г о, ]

Л^ЧЛ Р 2 , ]

. ]

рб , } 7-105

ООО

Р 8

. ]

еее

р ю , ] ДДД

6 10

XXX №асе 1 | | | й-асе 2

ННЕ й-асе 3

ООО й*асе 4

Е й"асе 5

ДДД й-асеб

А

Рис. 6. Зависимость углового ускорения £ от параметра Ь: 1 - 1с; 2 - 2с; 3 - 3 с; 4 - 4 с; 5 - 5 с; 6 - 5 с

Ш1, о

\АА/

Ш 1, 2

Рис. 7. Зависимость усилия в гидроцилиндре F от параметра Ь: 1 - (= 1с; 2 - (= 2с ; 3 - ^ 3 с; 4 - 4 с; 5 - 5 с; 6 - (= 5 с

Рис. 8. Зависимость угловой скорости Ш от времени t для различных значений параметра а: 1 - а = 0,8 м; 2 - а = 0,9 м; 3 - а = 1,0 м;

4 - а = 1,1 м;

5 - а = 1,2 м; 6 - а =1,3 м

гидроцилиндре угол у оказывает существенное влияние (рис.16), при значительном увеличении угла у =50 - 600, наблюдается возрастание усилия, развиваемого гидроцилиндром. Это объясняется уменьшением плеча АВ относительно точки О. Уменьшение угла у дает снижение усилия, развиваемого гидроцилиндром. Таким образом, увеличение и уменьшение угла

У в момент движения дают зеркальное отображение по показателю развиваемого усилия гидроцилиндром, соответственно. Параметр у в меньшей степени влияет на режимы движения ГМ, однако он должен быть согласован с параметром а.

На рис. 17 - 19 представлены зависимости с, 8, Р от угла у при различных положениях стрелы.

Минимальные динамические нагрузки и усилия в штоке наблюдаются при значениях у =38 - 500. Угол у рекомендуется принимать

Е !, о Е ! ?

0.04

XXX йасе 1

| | | йасе 2 НИН йасеЗ ООО йасе 4 Э йасе 5 ДДД йасе 6

Е !, 6

ООО

Е1 8 0.02

еее Е !, 10 ДДД

Рис. 9. Зависимость углового ускорения £ от времени t для различных значений параметра а: 1 - а = 0,8 м; 2 - а = 0,9 м; 3 - а = 1,0 м; 4 - а = 1,1 м; 5 - а = 1,2 м; 6 - а = 1,3 м

для прямой лопаты меньшим нежели, чем для обратной.

Исследование параметров ГМ, проводиться с учетом наиболее благоприятных условий по динамическим нагрузкам и усилиям в штоке гидроцилиндра подъема стрелы для различных видов рабочего оборудования, каждый из параметров при этом уточняется.

Для обратной лопаты со стандартным видом рабочего оборудования наиболее благоприятны следующие значения параметров ГМ:

у= 45 - 50°, Ь = 2,7 - 2,9 м, а = 1,1 -1,2. Для прямой лопаты параметры ГМ следующие:

у = 38-450, у=38-45°, Ь = 2,6-2,8м,а = 1,0-1 ,1м . При изменении геометрических параметров рабочего оборудования параметры ГМ рационально изменять.

Исходя из выполненного исследования, следует, что наиболее существенное значение при

Е

7-10

, 0

XXX 6105 , 2

Ц 4 5 ' 5 ^

, 6

ООО , Г!, 8 4-1°

еее

,10 ,

АЛЛ з -ю5

Н--+-+--+"

в-е-

-в-в-0-

-е-о

^-А-Д"

...д-^Ра-ч&иА-ООО »асе 4 € »асе 5 ДДД »асе 6

_1_

0 1 2 3 4 5

Рис. 10. Зависимость усилия в штоке F от времени Ш от времени t для различных значений параметра а: 1 - а = 0,8 м; 2 - а = 0,9 м; 3 - а = 1,0 м; 4 - а = 1,1 м; 5 - а = 1,2 м; 6 - а = 1,3 м

Ш

о, .]

\дД/ ТчТчТч

Ш 2, j

0.25

Ш

4, .]

ВИВ

0.15

Ш б, j ООО

Ш 8 , j

ее©

Ш 9, j

ДДД

а]

Рис. 11. Зависимость угловой скорости Ш от параметра а: 1 - г= 1с; 2 - £= 2с; 3 - г= 3 с; 4 - £= 4 с; 5 - t= 5 с; 6 - t= 5 с

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

, I

0.06

6 2,\

6 4 , .] '

ВИВ

6 6, -1 ,

ООО 1

6 8 , j

ее©

6 9 , j ДДД

I — >0<Х »асе 1

| | | »асе 2

ВВВ »асеЗ ООО »асе4 3 »асе 5 »асе 6

Атгз

0.8

0.9

1.1

1.2

Рис. 12. Зависимость углового ускорения £ от параметра а: 1 - 1с; 2 - 2с ; 3 - 3 с; 4 - t= 4 с; 5 - £= 5 с; 6 - 5 с

снижении динамических нагрузок и усилия в гидроцилиндре стрелы оказывает параметр а, незначительное изменение параметра Ь необходимо при применении различных видов рабочего оборудования удлиненного исполнения, параметр у рационально менять для прямой и обратной лопаты в силу специфики производства ими земляных работ.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Сушков С.И., Макеев В.Н., Плешков Д.Д. Анализ конструктивных особенностей грузоподъемных механизмов гидравлических экскаваторов // Строительные и дорожные машины. 2012. № 6. С. 13 - 15.

Рис. 13. Зависимость усилия в гидроцилиндре F от параметра а: 1 - 1с; 2 - 2с ; 3 - 3 с; 4 - t= 4 с; 5 - 5 с; 6 - £= 5 с

2. Сушков С.И., Макеев В.Н. Методика определения оптимального уровня инерционности и коэффициента надежности транспортно- грузового процесса лесопромышленного предприятия // Строительные и дорожные машины. 2017. № 3. С. 60-63.

3. Макеев В.Н., Плешков Д.Д. Исследование и выбор параметров грузоподъемного механизма гидравлического экскаватора // Строительные и дорожные машины. 2010. № 9. С. 24 - 25.

4. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ 2008613799 РФ. Программа расчета режимных параметров стрелоподъем-ного механизма гидравлического экскаватора / Д.Д. Плешков, патентообладатель ВГЛТА. № 2008612575. Заявл. 16.06.2008. Опубл. 08.08.2008. Бюл. № 9.

Ш 1, о

ш i , 6 оо-е

Ш 1 , 8

е о.15 Ш 1 , ю

АЛА

>00< »асе 1 I | | й-асе 2

Рис. 14. Зависимость угловой скорости Ш от времени t для различных значений углов у: 1 - у =380; 2 - у =430; 3 - у =480; 4 - ^=53°; 5 - у = 580; 6 -7=63°

Е 1 , 0

>о<><

Е 1 , 2 I I I

•ОО'О 0-05

Е 1 , 8

ООО Е 1 , 10 ДДД

Рис. 15. Зависимость углового ускорения Е от времени t для различных значений углов у: 1 - у =380; 2 - у =430; 3 - у =480; 4 - у =530; 5 -у= 580; 6 -7=630

Рис. 16. Зависимость усилия в штоке от времени t для различных значений углов у: 1 - у =380; 2 - у =430; 3 - 7 =480; 4 - у =530; 5 -7= 580; 6 -у=630

Ш о, j

хух/х/ /\7XZX

XXX й-асе 1 Н—|—|- й-асе 2

0.25

Ш 4 , \

ввв Ш 6, j ООО Ш 8 , j

еее Ш10, j ДДД

ш

ЕЕВВ й-асеЗ ООО й-асе4

еее й-ас^-^'

А'

.А'

0.15

З-В-В-В-в-

0.1

у I

180

Рис. 17. Зависимость угловой скорости Ш от угла /для различных положений стрелы: 1 - г= 1с; 2 - г= 2с; 3 - ^ 3 с; 4 - ^ 4 с; 5 - t= 5 с; 6 - t= 5 с

Е 0, )

чУчУчУ

АДА Е 2, 1

Е 4

ВВВ г6, ] ( ООО Е 8, ]

еее Е10, ] ДДД

. ]

=п

1С

А

Л

У I

Рис. 18. Зависимость углового ускорения Е от угла /для различных положений стрелы: 1 - t= 1с; 2 - t= 2с; 3 - t= 3 с; 4 - t= 4 с; 5 - t= 5 с; 6 - t= 5 с

Рис. 19. Зависимость усилия в штоке от угла У при различных положениях стрелы: 1 - t= 1с; 2 - t= 2с; 3 - t= 3 с; 4 - t= 4 с; 5 - t= 5 с; 6 - t= 5с

Ш

Е

Ш

п

IMPROVING THE HYDRAULIC WORK EQUIPMENT OF ROAD-BUILDING MACHINES

1 Voronezh State Forestry University 2 Ukhta State Technical University

The presented article provides a solution to the problem of maximizing the potential of a hydraulic excavator, by developing the design of a lifting mechanism. This design contains an additional mechanism that allows you to change the parameters of the lifting mechanism, depending on the type of working equipment.

Keywords: lifting mechanism, hydraulic system, angular velocity, angular acceleration.

Sergey Sushkov, Head of the Department of Industrial Transport, Construction and Geodesy, Doctor of Technical Sciences. E-mail: [email protected] Valeriy Burmistrov, Associate Professor of the Department of Engineering of Technological Machines and Equipment of the Ural State Technical University. E-mail: [email protected] Olga Burmistrova, Head of the Department of Technologies and Logging of the USTU, Doctor of Technical Sciences. E-mail: [email protected]

Roman Timokhov, Senior Lecturer, Department of Engineering of Technological Machines and Equipment. E-mail: [email protected]

Совершенствование гидравлического рабочего оборудования дорожно-строительных машин Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

IMPROVING THE HYDRAULIC WORK EQUIPMENT OF ROAD-BUILDING MACHINES

Текст научной работы на тему «Совершенствование гидравлического рабочего оборудования дорожно-строительных машин»