Способ получения дополнительной мощности в стреловом рабочем оборудовании при помощи пневматической пружины Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ

УДК 62-272.82:621.873.127

И. В. БОЯРКИНА В. Н. ТАРАСОВ

Сибирский государственный автомобильно-дорожный университет, г. Омск

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ДОПОЛНИТЕЛЬНОЙ МОЩНОСТИ В СТРЕЛОВОМ РАБОЧЕМ ОБОРУДОВАНИИ ПРИ ПОМОЩИ ПНЕВМАТИЧЕСКОЙ ПРУЖИНЫ_

Для ковшовых погрузочно-транспортных машин актуальным яв ляется поиск способов уменьшения и исключения потерь энергии при перемещении ковша, стрелы и тел, связанных с р а бочим оборудованием. В статье р а ссмотрен од ин способ устранения этих недостатков, св язанный с использованием пневматической пружины, которая позволяет уравновесить все силы тяжести ра бочего оборудования. При выборе параметров пневмопружины решается проблема обеспечения малого изменения объема внутренней полости, заполненной сжатым воздухом, чтобы при подъеме стрелы обеспечить практически постоянную силу н а штоке пружины и постоянное давление сжатого воздуха. Изменение силы н а штоке пневмопружины при подъеме стрелы з ависит от изменения объема сжатого воздуха с коэффициентом расширения 8=У1т11/У1т1=0,774, такой х ар актер изменения этого п ар а метра совпадает с х а рактером изменения сил тяжести тел, с в язанных со стрелой, приведенных к пневмопружине. Ключевые слова: мощность, энергосбережение, сила тяжести, уравновешивание, пневматическая пружина.

Известны системы рекуперации энергии, а также энергосберегающие системы, которые осуществляют преобразование потенциальной энергии сил тяжести тел при опускании рабочего оборудования в энергию сжатого газа в пневмогидроаккумуляторе и используют эту энергию при подъеме стрелы [1—5]. Такие аккумуляторные системы оказались малоэффективными в связи с малой мощностью пневмо-гидроаккумуляторов, их большой массой, сложностью конструкции и дороговизной. В настоящее время исследования авторов статьи привели к полному отказу от использования пневмогидроаккуму-ляторов в рассмотренных случаях.

Дальнейшие исследования основывались на создании энергосберегающего привода, состоящего из уравновешивающего цилиндра, поршневая полость которого соединена с газовым баллоном, заряженным сжатым воздухом до давления порядка 10 МПа [6-10].

В данной статье выполнены исследования проблемы уравновешивания сил тяжести рабочего оборудования стреловых машин грузоподъемностью 3 тонны при помощи пневматической пружины,

которая реализует достаточную мощность более 10 кВт при малой массе.

Идея использования пневматической пружины основана на принципе приведения сил тяжести ковша, стрелы и других тел к штоку пневмопружины и уравновешивания этой приведенной силы давлением сжатого воздуха в пневмопружине [11].

В статье рассматривается теория уравновешивания сил тяжести рабочего оборудования пневматической пружиной и подъем полезного груза силовыми гидроцилиндрами.

На рис. 1 показано рабочее оборудование погрузочно-транспортной машины, содержащее стрелу, шарнирно закрепленную на портале, ковш, шарнирно связанный со стрелой. Подьем-опускание стрелы выполняют силовые гидроцилиндры. Механизм управления ковшом содержит рычаг, тягу, гидроцилиндр управления ковшом.

Указанный механизм обладает способностью при запертом гидроцилиндре 7 выполнять следящие функции выравнивания положения ковша 5 при подъеме стрелы. Ковш совершает при подъеме стрелы криволинейное поступательное движение.

о

оэ Д

Рис. 1. Рабочее оборудование погрузочно-транспортной машины грузоподъемностью 0=3 т с пневматической пружиной в трех расчетных положениях:

нижнем, горизонтальном, верхнем: 1 — портал; 2 — стрела; 3 — рычаг; 4 — тяга; 5 — ковш; 6 — силовой гидроцилиндр; 7 — гидроцилиндр ковша; 8 — пневматическая пружина

Рис. 2. Пневматическая пружина в трех положениях рабочего оборудования: а — верхнем; б — горизонтальном; в — нижнем

Дополнительным устройством рабочего оборудования является пневматическая пружина 8, шарнирно закрепленная одним концом в точке 1.5 на портале, и шарниром 2.6 на стреле 2.

На рис. 1 с телами рабочего оборудования связаны локальные системы координат Оу{ '1, где У — номер тела, совпадающий с номером системы координат. Для каждого тела рабочего оборудования определены центры тяжести и веса. Приняты следующие обозначения точек для всех тел: ].1 — начало координат; ].2 — центр тяжести тела, где у=1,...8.

Силы тяжести тел рабочего оборудования грузоподъемностью 0 = 3 т имеют значения: С2 = 6180 Н; С3 = 1960 Н; С4 = 353 Н; С5 = 6622 Н. Полезный груз Сг=29430 Н условно совпадает с центром тяжести ковша.

На рис. 2 показаны основные параметры пневматической пружины и ее длина в разных положениях стрелы (нижнем, горизонтальном, верхнем): Сн = = 1,009 м; Сг = 1,13 м; Св = 1,309 м; ход поршня 5 = 0,3 м.

Силовые гидроцилиндры 8 в указанных положениях стрелы имеют длину: ССН = 1,12 м, Ссг = 1,567 м,

ССВ = 1,82 м. Ход поршня силовых гидроцилиндров ЯС = 0,7 м.

Объем внутренней полости пневмопружины заполнен сжатым воздухом и изменяется при подъеме-опускании стрелы: Ун= 11,624 дм3; Уг= 12,9929 дм3; Ув = 15,017 дм3. Степень расширения объема сжатого воздуха 5 при подъеме стрелы составляет 5 = Утп/ ^тах = 0,774.

На рис. 3 показана связь перемещений поршня силовых гидроцилиндров 5С и поршня пневмопружины 5. Подъем рабочего оборудования осуществляется одновременно силовыми гидроцилиндрами и пневмопружиной.

В нижнем положении стрелы газовая полость имеет минимальный объем и максимальное давление сжатого воздуха.

Для определения давления начальной зарядки пневмопружины сжатым воздухом необходимо определить нагрузку на штоке пневмопружины.

Для определения приведенной силы на штоке пневмопружины используем принцип возможных перемещений [12]. Условно прикладываем к штоку пружины силу Т и задаем штоку возможное виртуальное перемещение . При этом силу на штоке силовых гидроцилиндров принимаем равной нулю Тс = 0 при отсутствии груза в ковше (Сг =0). Стрела и все тела рабочего оборудования получают воображаемое угловое возможное перемещение 5ф(2) вместе с силами тяжести.

Силы тяжести гидроцилиндров имеют малые плечи относительно точки вращения и небольшие массы, поэтому их можно не учитывать на данном этапе расчетов вследствие малого влияния на конечный результат (не более 3 — 5 %).

Уравнение равновесия в виде суммы элементарных работ для пневматической пружины имеет вид

Рис. 3. Зависимость перемещения пневматической пружины от перемещения штоков гидроцилиндров стрелы S=f (S )

Т. Т. кН 14(1 130

120

110

100 90

т*

| Т-^

0 0,1 £¡-=0,121 0.2 S . м

Рис. 4. Зависимость силы Т в штоке пневматической пружины от перемещения поршня S

5

X'А = 0; Tds -£ Gyj = 0, (1)

j =2

Для горизонтального положения

где у.2 — координаты центра тяжести у-ых тел рабочего оборудования.

Из уравнения (1) находим силу Т на штоке пневматической пружины в разных положениях рабочего оборудования

T =

X GjYj* h

(2)

плечо силы на штоке пневматической пру-

где h -жины.

По формуле (2) вычислены значения силы пневматической пружины в разных положениях: Тн= 140393 Н; Тг = 125316 Н; Тв = 108114 Н.

На рис. 4 показана зависимость силы Т пневмо-пружины от перемещения штока пневмопружины Т=/(5). Учитывая закономерность уменьшения Т при подъеме, зададим максимальную силу на штоке пневмопружины Тшах = 147000 Н. Максимальное давление сжатого воздуха в пневмопружине для нижнего положения стрелы можно определить по формуле

Pw

= P wH =

4Тm

pD2

= 13 МПа,

(3)

где Э — диаметр поршня пневматической пружины, £ = 0,12 м.

В других положениях стрелы давление сжатого воздуха можно определить по формуле политропического расширения сжатого воздуха.

Pwr = Pwmax ^) = МПа, (4)

где n — показатель политропы расширения сжатого воздуха, n =1,15 [13].

В верхнем положении давление сжатого воздуха определяется по формуле

PwB = Pw

V"„

V„

= 9,683 МПа.

(5)

Усилие в штоке пневматической пружины определяется по формуле

pD 2

Т =— Pw

(6)

В разных положениях стрелы сила на штоке пневмопружины имеет следующие значения:

ТН = 147027 Н; Тг

129264 Н; ТВ = 109512 Н.

На рис. 4 показаны зависимости Т=^в) и Т = = [(5). Зависимость Т= характеризует значение силы на штоке при полном уравновешивании сил тяжести рабочего оборудования. Зависимость Т = = /(5) характеризует реальное уравновешивание сил тяжести пневматической пружиной при расширении сжатого воздуха в пневмопружине.

Площадь графика под кривой Т=/(5) численно равна работе А(Т) сил тяжести рабочего оборудова-

о

OS >

Тс, кН

230 210 190 170 150 130 110 90

1 1 /

1 1 /

1 /

1 1

1 /

/\А

О / 1 1

1

0 0,1 0.2 0,3 0,4 0.5 0,6 Sc.

Рис. 5. Зависимость силы Тс на штоках силовых гидроцилиндров от перемещения поршня Sc

ния при перемещении стрелы из нижнего положения в верхнее.

Работу приведенной силы Т можно определить

по формуле А(Т) = | ТС5 = 37996 Дж. Работу, совер-

0

шаемую пневмопружиной, можно определить аналогично А(Т*) = | Т СБ = 38089 Дж.

0

Степень полученной уравновешенности сил тяжести рабочего оборудования можно определить сравнением этих работ

А(Т *)/ А(Т) = 1,002.

Полученный результат характеризует хорошее уравновешивание сил тяжести.

Работу силовых гидроцилиндров, осуществляющих подъем полезного груза 0 = 3000 кг, также определим по рассмотренной методике. Сначала определим силу на штоках силовых гидроцилиндров при подъеме рабочего оборудования из нижнего положения в верхнее, используя формулу

Т€ =

Q • 9,81 • y5

hc

(7)

где ]лс — плечо силовых гидроцилиндров.

Сила на штоках силовых гидроцилиндров в разных положениях стрелы по формуле (7) имеет сле-

дующие значения: Тсн = 98677 Н; Тсг = 150420 Н; Тсв = 242798 Н.

Работа, совершаемая силовыми гидроцилиндрами при подъеме полезного груза в ковше, определяется

Б

по формуле А(ТС) = | ТсСБ = 104432 Дж.

0

На величину работы А(Т ), выполненной пневматической пружиной, снижается нагрузка на валу двигателя внутреннего сгорания и, соответственно, пропорционально снижается расход топлива двигателем.

Доля работы пневмопружины от работы силовых гидроцилиндров составляет величину

Ку = А(Т')/ А(Тс) = 0,365.

Пневматическая пружина является надежным средством повышения эффективности погрузочно-транспортного оборудования.

Вычисленные значения работ позволяют определить КПД традиционного рабочего оборудования без пневматической пружины

hp.o =

А(ТС)

А(ТС) + А(Т)

= 0,73

Производительность погрузочно-транспортного средства зависит от многих факторов, в число которых входит время I подъема стрелы из нижнего в верхнее положение.

Задавая разные значения времени подъема стрелы силовыми гидроцилиндрами, определим среднюю скорость движения Ус поршня силовых гидроцилиндров и скорость V поршня пневматической пружины по формулам

V =Vt; v =s/t.

(8)

Мощности, развиваемые пневматической пружиной и основными гидроцилиндрами, определяются следующим образом:

N = TV; N =T V ,

г С С С1

(9)

где Т, Тс — соответственно средняя сила на штоке пневмопружины и силовых гидроцилиндров стрелы, которые определяются по формулам

Т = A(T)/Smax ; Тс = А(Тс )/Sc

(10)

Зависимости мощностей на штоках пневмопружины N(7*) и силовых гидроцилиндров N (7С) от времени подъема стрелы (с

Таблица 1

Время подъема стрелы 1с, с 4 5 6 7 8 9

Мощность пневматической пружины N (Т), Вт 9499 7599 6332 5428 4750 4222

Полезная мощность силовых гидроцилиндров N (Тс), Вт 26108 20886 17405 14918 13054 11604

Зависимости приведенных мощностей пневмопружины Ne (Т) и силовых гидроцилиндров Nee (Тс) от времени подъема стрелы tc

Таблица 2

Время подъема стрелы 1с, с 4 5 6 7 8 9

Приведенная мощность пневмопружины N^1), Вт 37251 29800 24831 21286 18621 16557

Приведенная мощность силовых гидроцилиндров Nсе (ТС), Вт 102384 81906 68255 58506 51192 45506

Суммарная мощность рабочего оборудования Ng, Вт 139635 111406 93086 79792 69813 62063

где 5 , 5 — соответственно ход поршня пневмо-

^ шах' стах ^ 1

пружины и силовых гидроцилиндров.

В табл. 1 для разных значений времени tс подъема стрелы получены значения скоростей движения поршней V и V, мощности пневматической пружины N и силовых гидроцилиндров Мс, для погрузочно-транспортного средства грузоподъемностью 0 = 3 т.

Мощность пневматической пружины и силовых гидроцилиндров можно привести к валу двигателя внутреннего сгорания по формулам

N. = ■

N

h h« hp .о

N.. = ■

N с

hh«hp.о '

(11)

где — эффективный КПД на валу двигателя; — механический КПД двигателя; Цро — механический КПД рабочего оборудования.

В табл. 2 показаны результаты приведения мощностей, развиваемых пневматической пружиной и силовыми гидроцилиндрами к валу двигателя.

Мощность пневмопружины составляет 27 % от установочной мощности двигателя. Производители погрузочно-транспортных машин стремятся к увеличению мощности двигателя, т.к. она пропорциональна производительности [13].

Выводы. Пневматическая пружина позволяет уменьшить нагрузку на двигатель, уменьшить мощность двигателя, необходимую при подъеме рабочего оборудования с грузом в ковше более чем на 27 % от установочной мощности двигателя внутреннего сгорания. В результате этого пропорционально снижается расход топлива двигателем при выполнении рабочего процесса.

Библиографический список

4. Подсвиров А. Н. Разработка конструкции и методики расчета параметров погрузочного оборудования одноковшового фронтального погрузчика с энергосберегающим гидроприводом: дис. ... канд. техн. наук. Омск, 1992. 213 с.

5. Коваленко М. В. Уравновешивание рабочего оборудования гидравлического экскаватора: дис. ... канд. техн. наук. Омск: Изд-во СибАДИ, 2004. 170 с.

6. Пат. 2280737 РФ, МПК 7 Е 02 Б 9/22. Устройство уравновешивания рабочего оборудования стреловой машины / Тарасов В. Н., Бояркина И. В. № 2004121264/03; заявл. 12.07.04; опубл. 27.07.06. Бюл. № 21. 6 с.

7. Пат. 2299296 РФ, МПК 7 Е 02 Б 9/22. Система уравновешивания рабочего оборудования стреловой машины / Тарасов В. Н., Бояркина И. В. №. 2005132151/03; заявл. 17.10.06; опубл. 20.05.07. Бюл. № 14. 2 с.

8. Тарасов В. Н., Бояркина И. В., Коваленко М. В. Энерго-и ресурсосберегающая технология уравновешивания сил тяжести рабочего оборудования стреловых машин // Строительные и дорожные машины. 2007. № 5. С. 46 — 50.

9. Бояркина И. В. Уравновешенное рабочее оборудование как средство повышения эффективности погрузочно-транс-портных машин // Строительные и дорожные машины. 2007. № 12. С. 41-43.

10. Бояркина И. В. Технологическая механика одноковшовых фронтальных погрузчиков: моногр. Омск: Изд-во СибАДИ, 2011. 336 с.

11. Пат. 2535846 РФ. Способ уравновешивания сил тяжести рабочего оборудования стреловых машин / Тарасов В. Н., Бояркина И. В., Тарасов С. Е. №. 2013138546/03; заявл. 19.08.13; опубл. 20.12.14. Бюл. № 35. 11 с.

12. Тарасов В. Н., Бояркина И. В., Коваленко М. В. [и др.]. Теоретическая механика. М.: ТрансЛит, 2015. 560 с.

13. Стуканов В. А. Основы теории автомобильных двигателей и автомобиля. М.: ИД Форум; Инфра-М, 2007. 368 с.

1. Пат. 2190062 РФ, МПК Е 02 Б 9/22. Устройство уравновешивания рабочего оборудования стреловой машины / Тарасов В. Н., Коваленко М. В. № 20031085/03; заявл. 23.05.01; опубл. 24.03.02. Бюл. № 27.

2. Пат. 2236515 РФ, МПК 7 Е 02 Б 9/22. Устройство уравновешивания силы тяжести рабочего оборудования стреловой машины / Тарасов В. Н., Бояркин Б. Н., Коваленко М. В.; заявл. 27.03.03; опубл. 20.09.04. Бюл. № 26.

3. Козлов М. В. Оптимизация параметров энергосберегающей гидросистемы привода стрелы экскаватора: дис. ... канд. техн. наук. Омск: Изд-во СибАДИ, 1988. 172 с.

БОЯРКИНА Ирина Владимировна, доктор технических наук, профессор кафедры «Механика». Адрес для переписки: iriboyarkina@yandex.ru ТАРАСОВ Владимир Никитич, доктор технических наук, профессор (Россия), профессор кафедры «Механика».

Адрес для переписки: tarasov_vladimir07@mail.ru

Статья поступила в редакцию 26.09.2017 г. © И. В. Бояркина, В. Н. Тарасов

Книжная полка

Гуревич, Ю. Расчет и основы конструирования деталей машин: учеб. В 2 т. Т. 2. Механические передачи / Ю. Гуревич, А. Схиртладзе. - М. : КУРС, Инфра-М, 2018. - 248 с. - ISBN 978-5906923-60-8, 978-5-906923-61-5, 978-5-16-0132270-9.

В учебнике изложены основные принципы проектирования и методы расчета механических передач: зубчатых, червячных, фрикционных, цепных и ременных, имеющих широкое применение в машиностроении, а также передач ограниченного применения: зубчатых с зацеплением Новикова, гипоидных, планетарных, волновых и винтовых. Дается сравнительный анализ этих передач с точки зрения их эксплуатационных параметров. Приведены методы расчетов этих передач (проектировочных и проверочных). Для студентов учреждений высшего профессионального образования. Учебник может быть полезен аспирантам и преподавателям, а также специалистам в области машиностроения.