CC BY
2
УДК 621.878.62(27)
Б01: 10.24412/2071-6168-2024-5-511-512
УСТРОЙСТВО ДЛЯ РАЗГРУЗКИ МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИИ СТРЕЛЫ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО
ЭКСКАВАТОРА
В.А. Нилов, В.А. Жулай, В.Л. Тюнин, Е.В. Федоров
Приведена конструкция оригинального устройства для разгрузки металлоконструкции стрелы гидравлического экскаватора при копании грунта, которую целесообразно применять в тех случаях, когда не удается заполнить ковш за одно черпание из-за высокой прочности грунта. Это устройство для разгрузки стрелы гидравлического экскаватора с оборудованием обратная лопата включает в себя стрелу, рукоять и ковш с механизмом привода, соединенные шарнирно между собой, а также силовые гидроцилиндры привода. Рукоять снабжена анкером с зубьями и перемещается гидроцилиндром, установленным на рукояти. Изучены вопросы уменьшения нагружения стрелы гидравлического экскаватора строительного класса при разработке траншеи. Установлена возможность уменьшения нагружения стрелы за счет изменения конструкции рукояти. Разработанная конструкция позволяет существенно разгрузить металлоконструкцию стрелы экскаватора от усилий копания грунта на всей траектории поворота ковша, увеличить силовое воздействие на забой и в результате увеличить производительность экскаватора. Предлагаемая конструкция рабочего оборудования позволяет существенно снизить нагружение металлоконструкций стрелы экскаватора при разработке грунтов повышенной прочности и грунтов сезонного промерзания, а также расширяет область применения экскаватора для выполнения работ по предварительному рыхлению прочных грунтов. Предложенное устройство можно применять в качестве дополнительного сменного оборудования для гидравлического экскаватора.
Ключевые слова: гидравлические экскаваторы, снижение нагрузок.
В настоящее время в России и во всем мире продолжается интенсивная работа по совершенствованию рабочего оборудования одноковшовых гидравлических экскаваторов [1...14]. В Воронежском государственном техническом университете разработана и запатентована оригинальная конструкции устройства для разгрузки металлоконструкции стрелы гидравлического экскаватора при копании грунта [15], (рис. 1), которую целесообразно применять в тех случаях, когда не удается заполнить ковш за одно черпание из-за высокой прочности грунта.
Устройство для разгрузки стрелы гидравлического экскаватора [15] включает экскаватор с оборудованием обратная лопата стрелу 1, рукоять 2 и ковш 8 с механизмом привода 9, соединенные шарнирно между собой, а также силовые гидроцилиндры привода. Рукоять 2 снабжена анкером 3 с зубьями 5 и перемещается гидроцилиндром 4, установленным между левым 6 и правым 7 упорами на рукояти 2.
Рис. 1. Схема устройства для разгрузки стрелы: 1 - стрела; 2 - рукоять; 3 - анкер; 4 - привод анкера; 5 - зубья;
6, 7 - ограничители хода анкера; 8 - ковш; 9 - привод ковша
Устройство работает следующим образом. Для начала разработки траншеи оператор экскаватора гидроцилиндром поворачивает анкер до его контакта с левым упором рукояти (при этом плоскость симметрии зубьев анкера перпендикулярна оси поворота стрелы при максимальном вылете рукояти) и в этом положении полностью поворачивает ковш в исходную для копания грунта верхнюю позицию, затем выдвигает рукоять в сторону забоя (рис. 1). В этом положении зубья анкера находятся к поверхности забоя под углом близким к 90°, что облегчает их внедрение в забой при опускании стрелы.
Затем оператор опускает стрелу вниз так, чтобы зубья анкера внедрились в грунт. Далее оператор поворачивает ковш механизмом привода, начинает копание грунта и заполнение ковша грунтом на угле поворота ковша примерно 100°.. .110°. При этом реакция грунта передается через ковш, механизм привода ковша на рукоять и анкер и через его зубья на грунт забоя.
Таким образом, усилия от копания грунта не передаются на стрелу и ходовое оборудование экскаватора, что позволяет с одной стороны разгрузить металлоконструкцию стрелы во время копания, а с другой - существенно увеличить усилия на зубьях ковша экскаватора, т. е. обеспечить копание с большей толщиной стружки, а соответственно и производительностью экскаватора. После заполнения ковша грунтом оператор поворачивает стрелу и рукоять от забоя, а груженый ковш к рукояти, при этом он также поворачивает анкер до контакта с правым упором и
511
освобождает его. Далее работа экскаватора происходит обычным образом: подъем рабочего оборудования из забоя, поворот на выгрузку, разгрузка ковша от грунта, обратный поворот в забой и опускание в него рабочего оборудования.
При разработке основного тела траншеи (рис. 2) оператор экскаватора поворачивает анкер до его контакта с правым упором рукояти, при этом плоскость симметрии зубьев анкера перпендикулярна оси поворота рукояти, в этом положении поворачивает рукоять для копания грунта в траншее и опускает стрелу в траншею. В этом положении зубья анкера находятся к поверхности забоя под углом близким к 90°, что облегчает их внедрение в забой при повороте рукояти.
Рис. 2. Разработка траншеи: 1 - стрела; 2 - рукоять; 3 - анкер; 4 - привод анкера; 5 - зубья;
6, 7 - ограничители хода анкера; 8 - ковш; 9 - привод ковша
Затем оператор поворачивает рукоять в сторону забоя так, чтобы зубья анкера внедрились в грунт. Далее оператор поворачивает ковш и производит копание грунта и заполнение им ковша. При этом реакция грунта передается через ковш, механизм привода ковша на рукоять и анкер и через его зубья на грунт забоя, а не на металлоконструкцию стрелы и ходовое оборудование экскаватора.
Таким образом, в период копания металлоконструкция стрелы и ходовое оборудование экскаватора разгружены от усилия копания грунта, что позволяет существенно увеличить усилия на зубьях ковша, а соответственно обеспечить возможность работы экскаватора с большей толщиной стружки и производительностью. После заполнения ковша грунтом оператор поворачивает рукоять от забоя и освобождает анкер. Далее работа экскаватора происходит обычным образом.
При разработке твердых и мерзлых грунтов для облегчения внедрения в забой целесообразно зубья анкера (рис. 2) выполнить активными, что будет способствовать уменьшению времени установки анкера и увеличению производительности экскаватора.
Разработанная конструкция позволяет существенно разгрузить металлоконструкцию стрелы экскаватора от усилий копания грунта на всей траектории поворота ковша, увеличить силовое воздействие на забой и в результате увеличить производительность экскаватора.
Эффективность работы устройства и степень разгрузки металлоконструкций стрелы в значительной степени определяется надежностью закрепления и временем установки анкера, которые в свою очередь зависят от прочностных свойств грунта.
Предварительный анализ работы устройства [15] показывает, что для его эффективной работы оператору экскаватора рекомендуется после установки анкера перевести гидроцилиндры привода рукояти и стрелы в плавающее положение, а после заполнения ковша грунтом снова ввести эти гидроцилиндры в работу. Такие манипуляции позволят при заполнении ковша практически полностью разгрузить стрелу от реактивных усилий копания, обеспечив ей максимальную свободу перемещений.
Наличие анкера в рабочем оборудовании экскаватора позволяет ему разрабатывать грунты сезонного промерзания без привлечения дополнительных средств рыхления верхнего замерзшего слоя грунта. В этом случает целесообразно сначала анкером разрыхлить верхний замерзший слой грунта, а затем уже разрабатывать грунт обычным образом без применения анкера. При этом выглубление анкера из грунта целесообразно выполнять одновременно механизмами привода ковша и рукояти (рис. 3).
Предлагаемая конструкция рабочего оборудования позволяет существенно уменьшить нагружение металлоконструкций стрелы экскаватора при разработке грунтов повышенной прочности и грунтов сезонного промерзания. Конструкция расширяет область применения экскаватора для выполнения работ по предварительному рыхлению прочных грунтов. Устройство можно применять в качестве дополнительного сменного оборудования для гидравлического экскаватора.
Список литературы
1. Совершенствование конструкции ковша гидравлического экскаватора / Г.Г. Бурый, В.С. Щербаков, С.Б. Скобелев, В.Ф. Ковалевский // Вестник СибАДИ. 2019. Том 16. № 3. С. 202-213.
2. Комиссаров А.П., Шестаков В.С. Имитационная модель функционирования рабочего оборудования гидравлического экскаватора // Горное оборудование и электромеханика. 2013. № 8. С. 20-24.
3. Соотношения активных и реактивных нагрузок в механизмах рабочего оборудования гидравлического экскаватора / А.П. Комиссаров, Ю.А. Лагунова, В.С. Шестаков, И.В. Телиман // Горное оборудование и Электромеханика. 2018 № 1 (135). С. 7-9.
4. Patel B.P., Prajapati J.M. Dynamics of mini hydraulic backhoe excavator: A lagrange-euler (le) approach // International Journal of Mechanical and Mechatronics Engineering. 2014. V. 8. №. 1. P. 195-20.
5. Xi B. Experimental verification on analytical models of lunar excavation // Journal of Terramechanics. 2019. V. 83. P. 1-13.
6. Побегайло П.А., Комиссаров А.П. К вопросу о реализации активного усилия гидравлического экскаватора // Технологическое оборудование для горной и нефтегазовой промышленности. Сб. трудов XX междунар. науч.-техн. конф. «Чтения памяти В.Р. Кубачека». Екатеринбург, 2022. С. 80-88.
7. Побегайло П.А., Комиссаров А.П., Крицкий Д.Ю. Исследование механизма привода ковша экскаватора ЭГ-12А // Технологическое оборудование для горной и нефтегазовой промышленности. Сб. трудов XIX междунар. науч.-техн. конф. Екатеринбург, 2021. С. 268-276.
8. Рубец С.Г., Ляцкий Р.А., Матвеев И.С. Обзор сменных рабочих органов одноковшовых гидравлических экскаваторов // Инновационные решения в технологиях и механизации сельскохозяйственного производства. Горки, 2020. С. 234-237.
9. Совершенствование конструкции привода ковша гидравлического экскаватора / В.А. Нилов, В.А. Жулай, В.Л. Тюнин, Е.В. Федоров // Строительные и дорожные машины. 2022. № 4. С. 3-6.
10. Улучшение силового воздействия рабочего оборудования гидравлического экскаватора на забой / В.А. Нилов, В.А. Жулай, В.Л. Тюнин, Е.В. Федоров // Строительные и дорожные машины. 2022. № 5. С. 19-22.
11. Исследование напряженно-деформированного состояния металлоконструкции рукояти гидравлического экскаватора / В.А. Нилов, Е.В. Федоров, М.Р. Кулешов, В.А. Нырков // Высокие технологии в строительном комплексе. 2022. № 2. С. 91-95.
12. Патент 2764681 РФ. Механизм поворота ковша гидравлического экскаватора / В.А. Нилов, Е.В. Федоров, А.А. Скукин. Опубл. 19.01.2022. Бюл. № 2.
13. Патент 2771589 РФ. Механизм привода поворота ковша гидравлического экскаватора / В.А. Нилов, В.А. Жулай, Е.В. Федоров. Опубл. 06.05.2022. Бюл. № 13.
14. Исследование напряженно-деформированного состояния рукояти гидравлического экскаватора / В.А. Нилов, В.А. Жулай, В.Л. Тюнин, Е.В. Федоров // Строительные и дорожные машины. 2023. № 3. С. 3-7.
15. Патент 2807273 РФ. Устройство для разгрузки стрелы гидравлического экскаватора / В.А. Нилов, В.А. Жулай, Е.В. Федоров, А.А. Скукин, В.А. Трошин. Опубл. 13.11.2023. Бюл. № 32.
Нилов Владимир Александрович, д-р техн. наук, профессор, vladnil1014@mail. ru, Россия, Воронеж, Воронежский государственный технический университет,
Жулай Владимир Алексеевич, д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой, zhulai@cchgeu. ru, Россия, Воронеж, Воронежский государственный технический университет,
Тюнин Виталий Леонидович, канд. техн. наук, доцент, декан факультета, tunin@cchgeu. ru, Россия, Воронеж, Воронежский государственный технический университет,
Федоров Евгений Владимирович, канд. техн. наук, доцент, fedorov@cchgeu. ru, Россия, Воронеж, Воронежский государственный технический университет
A DEVICE FOR UNLOADING THE METAL STRUCTURE OF THE BOOM OF A HYDRAULIC EXCAVATOR
V.A. Nilov, V.A. Zhulai, V.L. Tyunin, E.V. Fedorov 513
The issues of reducing the loading of the boom of a hydraulic excavator of a construction class during the development of a trench have been studied. The possibility of reducing the loading of the boom by changing the design of the handle has been established. An original design of the device for unloading the metal structure of the boom of a hydraulic excavator during soil digging has been developed, which is advisable to use in cases where it is not possible to fill the bucket in one scoop due to the high strength of the soil. This device for unloading the boom of a hydraulic excavator with reverse shovel equipment includes an arrow, a handle and a bucket with a drive mechanism connected pivotally to each other, as well as power hydraulic cylinders of the drive. The handle is equipped with an anchor with teeth and is moved by a hydraulic cylinder mounted on the handle. The developed design makes it possible to significantly relieve the metal structure of the excavator boom from the efforts of digging the soil along the entire trajectory of the bucket rotation, increase the force effect on the face and, as a result, increase the productivity of the excavator. The proposed design of the working equipment makes it possible to significantly reduce the loading of metal structures of the excavator boom during the development of high-strength soils and soils of seasonal freezing, and also expands the scope of application of the excavator for performing work on preliminary loosening of durable soils. The proposed device can be used as an additional replacement equipment for a hydraulic excavator.
Key words: hydraulic excavators, load reduction.
Nilov Vladimir Alexandrovich, doctor of technical sciences, professor, vladnil1014@mail. ru, Russia, Voronezh, Voronezh State Technical University,
Zhulai Vladimir Alexeyevich, doctor of technical sciences, professor, head of the chair, zhulai@cchgeu. ru, Russia, Voronezh, Voronezh State Technical University,
Tyunin Vitaliy Leonidovich, candidate of technical sciences, docent, dean of the faculty, tuninvl@yandex. ru, Russia, Voronezh, Voronezh State Technical University,
Fedorov Evgeny Vladimirovich, candidate of technical sciences, docent, fedorov@cchgeu. ru, Russia, Voronezh, Voronezh State Technical University
УДК 629
DOI: 10.24412/2071-6168-2024-5-514-515
МОДЕЛИРОВАНИЕ БОКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ ЖЕСТКОЙ ДВУХОСНОЙ ТЕЛЕЖКИ ПОДВИЖНОГО
СОСТАВА НА ПРЯМОМ УЧАСТКЕ ПУТИ
П.В. Губарев, И.В. Больших, А.С. Шапшал
В статье рассмотрено моделирование боковых колебаний жесткой двухосной тележки подвижного состава на прямом участке пути. Приведена расчетная схема движения жесткой тележки в прямом участке пути. Описано системой дифференциальных уравнений движение жесткой тележки с коническими бандажами в прямомучастке пути и в свободном качении. Графически изображена полная модель поведения колесной пары тележки локомотива на прямом участке пути.
Ключевые слова: моделирование, тележка, подвижной состав, дифференциальные уравнения, колесная пара, прямой участок пути.
При движении экипаж наряду с поступательным перемещением вдоль пути совершает колебания виляния и бокового относа. Это движение обусловлено изменением радиуса катания колес в зависимости от поперечного перемещения осей колесный пар.
В целях упрощения можно рассматривать движение одиночной колесной пары без проскальзывания (чистое качение, рис. 1).
При извилистом движении колесной пары возникают действующие в горизонтальной плоскости силы и моменты. На колесную пару действуют также силы от рамы тележки. В результате действия этих сил и несоответствия путей, проходимых колесами, величинам их радиусов, возникает проскальзывание колес по рельсам. По теории крипа касательные силы в зоне контакта колеса и рельса зависят от относительной скорости проскальзывания [19].
Движение тягового подвижного состава как механической системы со многими степенями свободы с учетом нелинейностей, обусловленных силовым взаимодействием колеса и рельса, представляет собой довольно сложную задачу. Существенного упрощения можно добиться, приняв связи букс с рамой тележки бесконечно жесткими. Тогда тележка, движущаяся в прямом участке пути с постоянной скоростью, имеет две степени свободы в горизонтальной плоскости (рис. 1) [10-20].
Для жесткой тележки с коническими бандажами движение в прямом участке пути и в свободном качении описывается системой дифференциальных уравнений [6]:
K
m ■ V + 4---y - 4 • K ■ ф = 0;
V
J ■■ Л K ■ (a2 + s2) ; , ^ , n IZ •ф+ 4------ ф + 4---y + C ф = 0.
