автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.04, диссертация на тему:Обоснование структуры и выбор рациональных параметров адаптивного рабочего органа канатного экскаватора

На правах рукописи

МАКСИМОВ Юрий Валерьевич

ОБОСНОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И ВЫБОР РАЦИОНАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ АДАПТИВНОГО РАБОЧЕГО ОРГАНА КАНАТНОГО ЭКСКАВАТОРА

Специальность 05.05.04 — «Дорожные, строительные и подъемно-транспортные машины»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

11 НАР 2015

Новочеркасск - 2015

005560280

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «ЮжноРоссийский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова».

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Исаков Владимир Семенович

Официальные оппоненты : Касьянов Валерий Евгеньевич

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Ростовский государственный строительный университет», профессор кафедры «Техническая эксплуатация и сервис автомобилей и оборудования»

Лнцев Виталий Юрьевич

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет», заведующий кафедрой «Подъемно-

транспортные машины и оборудование»

Ведущая организация: ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный

университет», г. Красноярск.

Защита состоится « 3 » апреля 2015 г. в 14.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.304.04 при ФГБОУ ВПО «ЮРГПУ (НПИ) им. М.И. Платова» по адресу: 346428, г. Новочеркасск, Ростовской обл., ул. Просвещения, 132. ауд. 149 гл. корпуса.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета и на сайте ФГБОУ ВПО ЮРГПУ (НПИ) имени М.И. Платова : www.npi-tu.ru

Автореферат разослан « ¿Ь»ФЕ &pftA^2015 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

доктор технических наук, профессор ' ^ Исаков B.C.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Проблема повышения эффективности строительства сооружений различного назначения во многом связана с производством земляных работ, время выполнения которых в значительной мере предопределяет и сроки строительства объекта в целом. Основным типом землеройных машин являются универсальные одноковшовые экскаваторы с рабочим оборудованием обратная лопата. При работе в условиях, ограниченных климатическими и производственными особенностями, наибольшее распространение получили гидравлические экскаваторы, обладающие высокими техническими характеристиками. Однако существует достаточно большой ряд работ и регионов использования, где применение гидравлической техники практически невозможно или нерационально. Поэтому продолжает сохраняться устойчивый спрос на экскаваторы с канатной подвеской рабочего оборудования. При этом их отличает надёжность, простота обслуживания, не требующая сложной ремонтной базы, и низкая цена, как самих экскаваторов, так и запасных частей. Основным недостатком канатных экскаваторов с оборудованием обратная лопата является снижение производительности за счет высыпания из ковша части грунта при подъеме из забоя. Это обусловлено жестким креплением ковша к рукояти. Установка дополнительных традиционных систем управления поворотом ковша технически сложна и экономически не целесообразна. Известны многочисленные попытки устранения этого недостатка посредством введения дополнительных кинематических звеньев. Однако они, несмотря на очевидный потенциал такого подхода, не привели к положительному результату. Это объясняется, прежде всего, разноплановым несистемным подходом к проблеме выбора рациональной конструкции механизма поворота ковша, а также недостаточными теоретическими исследованиями в области замкнутых кинематических контуров, кинематики и динамики адаптивных рабочих органов канатного экскаватора.

В этой связи разработка комплекса научно-технических мероприятий, направленных на обоснование структуры и выбор рациональных кинематических и динамических параметров рабочего оборудования канатного экскаватора, является актуальной научной задачей.

Соответствие диссертации плану работ ФГБОУ ВПО ЮРГПУ (НПИ) им. М.И. Платова и целевым комплексным программам. Диссертационная работа выполнена в рамках научного направления «Теория и принципы построения робототехнических и мехатронных систем и комплексов» и госбюджетной темы ПЗ-845 «Повышение эффективности технологических и транспортирующих машин промышленности строительных материалов».

Степень разработанности темы. Существующие конструкции рабочих органов канатных экскаваторов не предусматривают возможности поворота ковша относительно рукояти, что является основной причиной снижения производительности. Основы теории и практики по обеспечению эффективной работы экскаваторов с обоснованием расчетных схем, методов исследования, проектирования и режимов работы изложены в трудах Д.П. Волкова, Н.Г. Домбровского, В.Г. Ананина, А.Н. Зеленина, Д.И. Федорова, Ю.А. Ветрова, В.И. Баловнева, В.П. Павлова, Р.Ю. Подэрни, В.Н. Тарасова, А.П. Комиссарова, С.С. Кузьмина, В.Я. Крикуна, В.П. Свинарчука и других ученых.

Целью работы является повышение эффективности работы канатного одноковшового экскаватора с оборудованием обратная лопата за счет использования научно обоснованного выбора структуры и конструктивных параметров адаптивного кинематического механизма управления поворотом ковша.

Идея работы заключается в использовании для канатного экскаватора с оборудованием обратная лопата бесприводного адаптивного кинематического механизма управления поворотом ковша, обеспечивающего сохранение массы грунта в ковше при подъеме из забоя. Задачи исследования:

— обосновать и разработать инновационную структуру и конструкцию бесприводного механизма с переменной длинной звеньев, обеспечивающего поворот ковша относительно рукояти;

— провести кинематическое исследование и разработать алгоритм определения рациональных геометрических параметров механизма поворота ковша;

— разработать математическую модель процесса копания с учетом поворота ковша для аналитической оценки влияния факторов на нагрузки в элементах исследуемого рабочего органа;

— разработать аналитический метод определения максимальной нагрузки на ковш экскаватора при копании, позволяющий проводить тестовую оценку эффективности методов расчета, достоверность которого базируется на фундаментальном критерии прочности грунтов — сцеплении с;

— разработать и экспериментально исследовать инновационный рабочий орган для проверки его работоспособности и оценки адекватности разработанных математических моделей;

— разработать алгоритм и методику выбора рациональных параметров механизма поворота ковша канатного экскаватора.

Научные положения, выносимые на защиту:

— обоснование структуры и синтез адаптивного механизма поворота ковша с использованием напряженных замкнутых кинематических контуров;

— кинематическое исследование механизма поворота в виде двух смежных четы-рехзвенных механизмов с кинематическими звеньями переменной длины в функции угла поворота рукояти и алгоритм определения его рациональных геометрических параметров;

— математическая модель процесса копания с поворотом ковша, оценка результатов исследования динамических характеристик, обоснование рациональных конструктивных и режимных параметров механизма поворота ковша;

— аналитический метод определения максимальной нагрузки на рабочий орган одноковшового экскаватора при копании базируется на фундаментальном критерии прочности грунтов — сцеплении с;

Научная новизна. Решена задача концептуального конструирования инновационного рабочего органа канатных экскаваторов, включающая наряду с традиционными процессами дополнительные процедуры концептуального конструирования, посредством которой итеративно объединяют этапы анализа и конструирования инварианта структуры инновационного технического решения.

Установлены аналитические функциональные зависимости для расчета геометрических и кинематических параметров механизма поворота ковша канатного

экскаватора в виде двух смежных четырехзвенных механизмов с кинематическими звеньями переменной длины.

Разработана математическая модель процесса копания канатным экскаватором с предложенным механизмом поворота ковша относительно рукояти и на ее основе исследованы закономерности влияния конструктивных и режимных параметров на динамические характеристики механизма поворота.

Предложен аналитический метод определения оценки максимальной нагрузки на рабочий орган одноковшового экскаватора при копании на базе одного фундаментального показателя прочности грунтов — сцеплении с. Теоретическая значимость работы:

— уточнены и дополнены применительно к системе управления рабочим органом канатного экскаватора процедуры и методика объектно-ориентированного анализа;

— установлены закономерности кинематических и динамических параметров смежных четырехзвенных механизмов поворота ковша со звеньями изменяемой длины;

— выполнены оценки максимальных значений усилия копания, базирующихся на теории экстремальных свойств предельных состояний текучести.

Практическая значимость работы:

— Предложена методика построения базовой структуры адаптивного рабочего органа канатных экскаваторов с рабочим органом обратная лопата, которая реализована в инновационном проектном решении (патенты РФ 104204 и 2450106).

— Разработанная инженерная методика позволяющая производить выбор рациональных конструктивных параметров механизма поворота ковша канатного экскаватора и оценку его технико-эксплуатационных характеристик может быть использована при проектировании новых и совершенствовании существующих моделей канатных экскаваторов.

Внедрение результатов диссертационной работы:

— Разработанная методика выбора рациональных параметров механизма поворота ковша принята к внедрению при модернизации существующих одноковшовых канатных экскаваторов ЗАО «Управление механизации №3» г. Новочеркасска.

— Основные результаты исследований включены в учебный процесс кафедры «Подъемно-транспортные, строительные и дорожные машины» ЮжноРоссийского государственного политехнического университета (НПИ) имени М.И. Платова. В частности: в лекционных курсах «Машины для земляных работ», в курсовом проектировании по дисциплинам «Строительные и дорожные машины и оборудование», в лабораторных работах в виде действующего экспериментального стенда по специальности 190109 (23.05.01) и направлению подготовки 190100 (23.03.02).

Методология и методы исследования. Теоретические исследования базируются на основных положениях системного анализа, теории машин и механизмов, математического моделирования, механики грунтов. Экспериментальные исследования проводились по общепринятым методикам с использованием метрологических аттестованных приборов, а оценка результатов выполнялась известными методами статистического анализа.

Степень достоверности результатов. Достоверность результатов обеспечивается корректным использованием фундаментальных законов физики, механики, классических и современных методов научных исследований, корректными

допущениями при составлении математических моделей и подтверждается данными экспериментов на модели рабочего органа экскаватора, результатами физического и компьютерного моделирования. Расхождение результатов математического моделирования и проведенных экспериментов не превысило 14 %.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы обсуждены и одобрены на 64-й научно-технической конференции в рамках Юбилейного Международного конгресса «Креативные подходы в образовательной, научной и производственной деятельности», посвященного 80-летию СибАДИ (Омск, 2010 г.), 59-й научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава, научных работников, аспирантов и студентов ЮРГТУ (НПИ) (Новочеркасск, 2010 г.), 9-й Международной научно-технической конференции «Новые технологии управления движением технических объектов» (Новочеркасск, 2008 г.), Российского учебно-методического совета УМО «Современные тенденции Российской системы высшего профессионального образования» (Тверь, 2008 г.), Международной научно-технической конференции «Ин-терстроймех-2013» (Новочеркасск, 2013).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ, в том числе 3 в научных изданиях рекомендованных ВАК РФ, получен 1 патент на изобретение и 1 патент на полезную модель.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 133 наименований, приложений. Текст изложен на 133 страницах и включает 47 рисунков, 5 таблиц. Приложения на 27 страницах.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснованы актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследовании и изложены основные положения выносимые на защиту.

В первой главе представлены результаты анализа современного состояния и перспектив развития конструкций рабочего оборудования одноковшовых канатных экскаваторов с рабочим органом обратная лопата. Рассмотрены методы определения усилий копания и методы исследования кинематических и динамических систем технологических машин.

Большой вклад в развитие теории и методов расчета параметров рабочего оборудования одноковшовых экскаваторов внесли ученые научных школ: ВНИИСтройдормаш, Центрального научно-исследовательского института транспортного строительства, Московского государственного строительного университета, Киевского инженерно-строительного института, Московского автомобильно-дорожного института, Московского государственного горного университета, Сибирского автомобильно-дорожного института, Красноярского государственного технического университета, Томского государственного архитектурно-строительного университета, Уральского государственного горного университета, Ростовского государственного строительного университета и др.

Опыт эксплуатации показал, что при выполнении земляных работ в условиях, ограниченных климатическими и технологическими особенностями наибольшее распространение получили гидравлические экскаваторы, обладающие высокими эксплуатационными и конструктивными характеристиками.

Однако существует достаточно большой ряд работ и регионов использования, где применение гидравлической техники практически невозможно или нерационально. К этим условиям относится работа с абразивными породами и при экстремальных температурных условиях. Поэтому сегодня сохраняется устойчивый спрос на экскаваторы с гибкой подвеской рабочего оборудования. Сравнительный анализ основных технико-экономических показателей наиболее известных моделей гусеничных полноповоротных экскаваторов с рабочим оборудованием обратная лопата, относящихся к четвертой размерной группе показал, что основные технические характеристики экскаваторов практически одинаковы. При этом канатные экскаваторы значительно дешевле. Это, наряду с высокой надежностью работы в различных условиях и существенно меньшими по сравнению с гидравлическими экскаваторами затратами на техническое обслуживание и ремонт, является наиболее существенным конкурентным преимуществом канатных экскаваторов. Однако у канатных экскаваторов вследствие жесткого закрепления ковша к рукояти некоторая часть грунта теряется при наборе и переносе его к месту выгрузки, в то время как у гидравлических экскаваторов дополнительная манипуляция ковшом увеличивает его эксплуатационную производительность, примерно, на 20 — 30% за счёт более полного наполнения ковша.

Очевидно, что для успешной конкурентной борьбы необходимо устранение этого недостатка. Основным источником инновации в процессе модернизации канатного экскаватора является разработка схемы дополнительного манипулирования ковшом (включая адаптацию траектории движения обратной лопаты к внешним условиям, как на участке копания, так и на участке разгрузки).

Известные попытки создать работоспособную конструкцию механизма поворота ковша не увенчались успехом, при этом гипотеза о возможном управлении поворотом ковша при повороте рукояти посредством жесткой тяги, соединяющей ковш и стрелу, является перспективной и требует дальнейшего исследования.

Исследования процессов взаимодействия, определяющих характер нагрузки на рабочий орган, отражены в работах В.И. Баловнева, Ю.А. Ветрова, A.A. Гра-бовского, Н.Г. Домбровского, А.Н. Зеленина, В.Я. Крикуна, В.П. Павлова, Д.И. Федорова и многих других.

Вопросы кинематики четырехзвенных механизмов разработаны в трудах И.И. Артоболевского, В.А. Зиновьева М.В. Семенова и других ученых.

Особенности практического исследования динамических систем технологических машин описаны в работах Е.С. Беньковича, B.JL Вейца, Н.П. Бусленко, Н.И. Колчина, А.Б. Лурье, A.B. Докукина и ряда других авторов. Динамика экскаваторов рассмотрена в работах Д.П. Волкова, В.Г. Ананина, В.Г. Волобоева, П.В. Коротких, И.Ю. Семыкиной, В.М. Завьялова, A.A. Грабского, В.П. Свинар-чука и других.

Однако вопросы исследования механизма поворота ковша канатного экскаватора не рассматривались.

На основе вышеизложенного сформулированы задачи диссертационного исследования, которые определяют анализ и синтез базовой структуры механизма поворота ковша, разработку математических моделей, алгоритмов и программ расчета его кинематических и динамических параметров, проведение экспериментальных исследований на модельной установке и разработку научно обоснован-

ной методики выбора параметров механизма поворота ковша канатного экскаватора.

Во второй главе разработана методика целевого анализа и синтеза системы управления рабочим органом (СУРО) канатного экскаватора, показаны процедуры формирования конструктивных решений механизма поворота ковша.

Создание инновационного проекта рабочего органа канатного экскаватора возможно при использовании современных, основанных на системном подходе, технологий, развитие которых привело к объектно-ориентированному анализу (ООА). Основные положения ООА разработаны Г. Бучем, Д. Рамбо. А. Дже-кобсоном, А. Мацяшеком. Применительно к анализу технических систем метод развит в работах Е.С. Беньковича, Ю.Б. Колесова, В.М. Шека, С. Шлеера, Б.Я. Советова, В.П. Свечкарева и других.

Проведение концептуального анализа СУРО средствами методологии ООА и соответствующей нотации языка моделирования иМЬ потребовало дополнение стандартных процедур ООА процедурами для объединения и согласования требований предметной области землеройной техники.

Объектом анализа является структурированная система управления рабочим оборудованием одноковшовых канатных экскаваторов (СУРО). Источником системных исследований являются цели, для достижения которых и конструируется эта система. Для конкретных условий достаточно использовать трех уровневую структуру целей, где глобальная цель ориентирована на конечный продукт. Интегральным показателем экономических и социальных функций экскаватора является его Конкурентоспособность ЭО—4112, которая включает такие характеристики как Дизайн, Эргономика и Повышение производительности. Главными при сравнении эффективности различных образцов техники являются удельные приведенные затраты, которые в значительной мере определяются производительностью. Исходя из этого, сформирован конкретный заказ на модернизацию, где в качестве глобальной цели выбирается Повышение производительности. Разрабатываемая система УРО направлена на реализацию этого заказа.

Реализация предлагаемого метода моделирования, иллюстрирующая процедуры и результаты концептуального анализа системы УРО, представлена на рисунке 1 в виде тернарной объектно-целевой диаграммы классов (ОЦЦК). Здесь ДЦК представляет собой иерархическую модель целевых классов связанных отношениями наследования, а диаграмма классов оборудования (ДКО) описывает средства СУРО, агрегированные в рабочий орган канатного экскаватора и реализующие указанные цели.

Среда целеобразования декомпозирует глобальную цель на подцели, отвечающие разрабатываемым требованиями: Увеличение объема ковша (УОК); Сохранение количества материала в ковше на участках транспортирования и выгрузки (СКМ); Увеличение рабочих скоростей (УРС). Вследствие малой перспективности УОК и УРС исключаются из дальнейшего исследования.

Следующим уровнем иерархии является интервал времени целеобразования, определяемый представлениями о жизненном цикле экскаватора. Здесь подцель СКМ декомпозирована на классы-наследники: Изменение геометрии ковша (ИГК); Поворот ковша относительно рукояти (ПКР); Обеспечение рациональной траектории рабочего органа (ОРТ).

Интервал бремени ие^оираюнинин

Шарнир

■ И 1яииод;кпнмс^

■ стр -рук.-крвт

.Диафамш ф> нкцнонально-иелевых классов

Лебедка 1 4-х звсниый 4-х ¡веннып Лебедка 2 |

♦-

Привел 4-х зв.:1зв+3зв+1зв СУ

Диаграмма классов оборудования

Рисунок 1 - Объектно-целевая диаграмма классов системы СУРО

Для реализации вышестоящих подцелей дерево целей посредством синтаксической интерпретации сводится к диаграмме классов (ДЦК). Следующая декомпозиции целей, выполняемая на уровне состава и взаимосвязей элементов СУРО, предполагает построение диаграммы классов оборудования (ДКО). При генерировании способов реализации поставленных целей конкретным оборудованием использованы известные конструкции различных рабочих органов экскаваторов, напряженно замкнутые кинематические контуры, законы

механики системы рабочее оборудование - грунт и концептуальный подход

В этом случае функции, выполняемые конкретным оборудованием, выступают в роли аргументов тех целевых функций подцелей, которые представлены на нижнем уровне ДЦК. Следовательно, для отслеживания направления движения цель —> класс оборудования необходимо осуществить интеграцию ДЦК и ДКО посредством конструирования диаграммы функционально-целевых классов (ДФЦК). В результате ДФЦК включает для целевых классов ДЦК и классов ДКО следующие ФЦК: силовое воздействие стрелы (СВС), шарнирные механизмы (ШМ), взаимодействие элементов системы стрела—рукоять—ковш (ВС-Р-К). Перечисленные ФЦК, с одной стороны, наследуют подцели, являющиеся атрибутами целевых классов ПКР и ОРГ, а с другой, через отношения зависимости определяют набор соответствующих функций класса оборудования. Следовательно, имеем: Лебедка 1->СВС; 4-х зв-+ШМ: 4-х зв^ОРТ\ Лебедка 2->ВС-Р-К. Результатом объединения трех диаграмм - целевых классов (ЦК), классов оборудования (КО) и функционально-целевых классов (ФЦК) является модель СУРО в виде ОЦДК. Такая интегральная диаграмма дает возможность выполнять процедуры по формализации взаимосвязей целей, которые инициированы конкретными технологическими задачами, с элементами технологического оборудования. Это стало возможным за счет введения в процессы декомпозиции целей и объектов новых инструментов, а именно: объединенной тернарной диаграммы классов (ОЦДК) как инструмента интеграции диаграмм целевых классов (ДЦК), являющихся целевыми структурами системы, и диаграмм классов оборудования (ДКО) посредством переходной диаграммы функционально-целевых классов (ДФЦК).

Теоретические и экспериментальные исследования рычажных механизмов определили возможность решения проблемы Повышения производительности путем применения напряженных замкнутых контуров.

Эти механизмы широко представлены в работах И.И. Артоболевского и др. Дальнейшие исследования С.Н. Кожевникова, B.C. Исакова, А.Н. Дровникова позволяют решать задачи перераспределения силового фактора в параллельных звеньях механизмов и машин, нагружения контуров в статическом и динамическом режимах, управления величиной и характером нагружения.

Сущность предложенной инновации заключается в использовании дополнительной кинематической (в виде гидроцилиндров) связи ковша с рукоятью и/или стрелой, что позволяет реализовать усилия, возникающие в замкнутом контуре стрелы, рукояти и дополнительных гидроцилиндров и избежать жесткого крепления ковша к рукояти.

Предложенная схема дополнительного манипулирования ковшом (рисунок 2) в соответствии с условиями каждого этапа рабочего процесса является полностью автономной и не требует внешнего источника энергии.

Рабочее оборудование одноковшового экскаватора включает стрелу 1, рукоять 3, на нижней части которой шарнирно закреплен ковш 4 и два гидроцилиндра Ц1 - 7 и Ц2 - 8 (без привода) управления положением ковша, подключенных к гидрораспределителю. За счет введения дополнительной, в виде гидроцилиндров изменяемой длины, кинематической связи ковша с рукоятью (посредством Ц1) и (или) стрелой (посредством Ц2) реализуются усилия, возникающие в замкнутом контуре стрелы, рукояти и дополнительных гидроцилиндров и осуществляется заданный закон движения рабочего оборудования, включающий дополнительный поворот ковша относительно рукояти.

В третьей главе проведено кинематическое исследование механизма поворота ковша канатного экскаватора. Разработан алгоритм определения рациональных геометрических параметров инновационных механизмов поворота ковша канатных экскаваторов различных размерных групп.

В классических работах И.И. Артоболевского приводится алгоритм решения задачи аналитического исследования плоских шарнирных механизмов. Рассматриваемый механизм поворота ковша (рисунок 3) имеет ряд особенностей, которые определили комбинированный подход к решению поставленной задачи.

Рассмотрим четырехзвенный механизм 0,АВ02. Уравнения проекций на оси координат

FE ■ cos атк = F01 — 0гЕ ■ cos <

FE ■ sin атк = 0гЕ ■ sin срг . (1)

Ол E-sin íP-i

tan a„„. = -.

тк FO^-O^E-cosip^

Рисунок 2 - Схема рабочего оборудования канатного экскаватора

Для определения угловой скорости звена 1 дифференцируем по времени t первое уравнение из (1). Проведя соответствующие преобразования, полу__VmK

чаем =--- (2)

ОгЕ-sinOPi-aw)

где vmK - скорость каната, навиваемого на барабан.

Далее определяются углы между звеньями механизма OiABO¡ в функции угла поворота звена 1 (рукояти)

Sin (рг

tan v —

<рз = are tan

1г eos срг — Z4

¡2 Sin £

!3-¡2 cose

+ V

(3)

Рисунок 3 - Схема механизма поворота ковша

Для определения утла <р: и скоростей звеньев составим векторное уравнение замкнутости контуров О1АВО2 + ¿2 + ^з = '4 • (4)

п с - //n , ,, 'i sin^-^)

После ряда преооразовании (4) имеем <х)2 = ---г

l2 sm(<p2-ip3)

(5)

Для определения угла ср7 непосредственно характеризующего поворот ковша (звено 7) относительно рукояти (звена 1) рассмотрим смежный четырехзвен-ный механизм 0;СОЕ.

Проведя соответствующие преобразования, получаем

¡65Ш£2 , __ __-г5 51п(^2-^1)+г7 <р7

ср7 — are tan

¡8-í6 COS £2

■ + v2 (6), (p6 = are sin-

h s\n{ip2-ip1-(p6) b Sin {ерт-ерв)

If.

cú7 — a>? —

Скорость изменения длины звена 10 (хода поршня гидроцилиндра Ц1)

= -ш7ЕН ■ sin(tp7 - у)

(V) (8)

(9)

Полученные функциональные зависимости кинематических параметров механизма поворота одноковшового экскаватора в виде выражений (1)...(9) позволяют проводить анализ механизма для любых значений угла поворота рукояти <рг.

Работоспособность принятой схемы зависит от рационального сочетания геометрических параметров этих двух смежных четырехзвенных механизмов.

В качестве оптимизируемых параметров выступают длины восьми звеньев (/;.../«), образующих механизм поворота. На них накладываются ограничения, связанные как с размерами стрелы, рукояти и ковша, так и с прочностью самих шарнирных узлов. В этом случае задача формулируется, как многопараметрическая условная оптимизация, принципы решения которой приведены в работах И.М. Соболя, В.П. Тарасика и математически описывается выражением

extrF(x),

(10)

где X — вектор управляемых (оптимизируемых) параметров технического объекта; ХР - вектор, определяющий область работоспособности.

Поскольку аналитические зависимости не устанавливают прямую связь между управляемыми параметрами и функциями, то применяется поисковая оптимизация, сущность которой в том, что поиск экстремальной точки X* в пространстве управляемых параметров осуществляется последовательными шагами, ведущими от исходной точки Х0 через некоторые промежуточные отображающие точки Хк в заданную £ - окрестность точки экстремума X*. Переход из точки Хк в точку Хк+1 является одним из последовательных шагов (итераций) вычисления значений выходных параметров. Блок-схема показана На рисунке 4.

Цикл поиска экстремума производится во всей области допустимых значений с шагом <1Х. При достижении экстремального значения критерия, запоминается значение параметра, доставляющего экстремум.

После нахождения множества значимых, в рамках принятых ограничений вариантов решения, производится выбор окончательного варианта.

В четвертой главе обоснованы необходимые допущения, разработана математическая модель процесса копания канатным экскаватором с поворотом ковша. приведено аналитическое определение максимальной нагрузки, показаны основные результаты численных расчетов.

Основной наиболее сложной и энергоемкой операцией, совершаемой одноковшовым экскаватором с рабочим органом обратная лопата, является процесс копания с поворотом ковша, который принят к исследованию. Расчетная схема механизма поворота ковша показана на рисунке 5.

Динамическая система рабочего органа реального экскаватора заменена эквивалентной в энергетическом отношении моделью, которая состоит из ряда сосредоточенных масс с безинерционными упругими связями. Разработанная эквивалентная схема рабочего оборудования показана на рисунке 6.

В динамической схеме к главным параметрам отнесены: массы - т; жесткости - с (податливости) упругих элементов; моменты инерции вращающихся масс —/, диссипативные коэффициенты гидроцилиндров - /и. Обобщенными координатами, определяющими положение рассматриваемой системы во времени, являются угловые перемещения: <р0в - вала двигателя и срК— ковша.

Рисунок 4 — Блок-схема алгоритма поисковой

А О,

Мя

у.

■

-4

М)

дд

НЬ

со,

С

4

(О,

'М

' 'к

Рисунок 6 — Эквивалентная схема

Рисунок 5 - Расчетная схема

Для приведенной эквивалентной схе-мсханизма поворота ковша " г "

мы является система уравнений: М0в = с(срдв - <рк) + ср'дв - срк) + ]0вфов К = с{срдв - <рк) + щ(ср'д0 - фк) - ]кфк . (11)

В уравнения (11) входят: Мдв , Мк - крутящий момент на валу двигателя и приведенный момент сопротивления повороту ковша (с учетом поворота рукояти); с - приведенная жесткость тягового каната; щ - диссипативные коэффициенты соответствующих гидроцилиндров; = <р1 — аж — угол, определяющий положение передней кромки ковша относительно оси ОгХ; ]дв , ]к — динамические моменты инерции двигателя (с учетом моментов инерции привода и барабана) и приведенный ковша (с учетом маховых масс рукояти и ковша с грузом).

Произведение диссипативных коэффициентов ^ на разность обобщенных скоростей двигателя <рдв и ковша фк, есть дополнительный момент сопротивления повороту ковша ДМ; от потерь на трение Дпо длине трубопроводов и на преодоление местных сопротивлений в гидроцилиндрах Цг:

йО'а* - Фк) = АМг = Д(12) Здесь Л; - рабочая площадь поршней гидроцилиндров; \ — плечо силы на штоке гидроцилиндров относительно точки поворота рукояти.

С учетом вышеизложенного перепишем уравнения (11) в виде шк = [ДМ; + с{<р0в - <рк1 а) - Мк]/]к шде = [Мдв - с(<рдв - (рк1 а) - ДМ;]//,)в, (13)

Определим необходимые функциональные зависимости. Приведенный момент сопротивления равен М.. = (М Р + Мс) — , (14)

Мое

где МкР - момент от силы копания Рк ; Мс - момент от сил тяжести ковша дтк, грунта в ковше дтгр и рукояти дтр-

Момент от сил тяжести ковша, грунта в ковше и рукояти

Мс = д(тгр + mK)[Rp cos срг - RG cos((p7 + рцт)\ + дтр 0,SRpcos <ръ (15) где тгр - масса грунта в ковше; тк - собственная масса ковша; Rc - радиус центра масс ковша; тр - масса рукояти; - угловая координата Rc.

Усилие в тяговом канате SmK = ^дв' > (16)

Усилие в гидроцилиндре Ц2

РЦ2 = ( Mdei rj„r]naRp sin(a„K - (рг)/гб - МкР - Mc)/lA cos <р3. (17)

Потери давления APh определяющие дополнительный момент сопротивления повороту ковша равны: Pi = Я-— (18)

D/up 2

где Я — коэффициент потерь на трение; L - длина трубопроводов; Dmp - диаметр трубопроводов; р„ - плотность масла; уж - скорость течения жидкости в трубопроводах.

Результаты проведенных на ЭВМ расчетов динамических характеристик при заданных параметрах процесса копания для экскаватора ЭО-4112, в части усилий в тяговом канате и гидроцилиндре Ц2, показаны на рисунках 7 и 8.

Усилие s канате. кН

Усилие Е тяге UJ

-340 -360 -380 -400

Рисунок 7 - ЭО-4112. Усилие Рисунок 8 - ЭО-4112. Усилие

в тяговом канате в гидроцилиндре Ц2

Анализ полученных зависимостей показал, что максимальные динамические нагрузки возникают в момент перехода ковша в режим поворота. Коэффициент динамичности для экскаватора ЭО-4112 по усилиям в тяговом канате составил кд = 1.15, а по усилиям в гидроцилиндрах Ц2 кд = 1.23. Расчетная колебательность переходных процессов для всех фазовых координат не превышала четырех единиц. Время переходного процесса t„ находится в пределах 0.4...0.6 секунды. Все значения характеристик переходного процесса не превышают допустимых значений

Проблема достаточной точности расчетов заключается не только в выборе исходной методики, но и в существенной и неустранимой неопределенности начальных данных. Решение лежит в области аналитических расчетов, основанных на минимальном количестве однозначно определяемых параметров.

Теоретической основой получения максимального значения усилия копания являются экстремальные свойства предельных состояний текучести, описываемые в работах Я.А. Каменяржа и Ю.Н. Работнова.

Получить максимальную нагрузку можно в случае представления почвы в виде связной среды, когда внутренним трением можно пренебречь или учитывать его приближенно. Способ получения таких оценок заключается в том, что предполагаемая пластическая область разрезается на жесткие блоки, которые могут скользить относительно друг друга, преодолевая силу трения т -с.

Рассмотрим условия предельного состояния грунтов в предположении, что основным механизмом разрушения является сдвиг. Верхняя оценка предельной нагрузки определяется на основе построения кинематически допустимых скоростей. Подобные положения дают основание представить схему копания как перемещение (поворот по радиусу К) сегмента (жесткого блока А) относительно массива грунта за счет прилагаемого усилия Р (рисунок 9).

Таким образом на связную среду (угол внутреннего трения ср = 0, сцепление сф 0), представленную жесткой частью массива, действует с усилием Р рабочий орган (ковш). Область предполагаемого пластического течения является жестким сегментом окружности радиуса Я ограниченной прямой р = /(б) и ши-

Рисунок 9 - Схема взаимодействия Риной Ъ' Центральный угол сег-

мента равен в.

Определим мощности пластического деформирования внешних и внутренних сил

и приравняем их. Мощность внешних сил равна Л^

внш

Ру п

(19)

В этом случае интеграл заменяется конечной суммой произведений сцепления на относительные скорости блоков и соответствующие площади, то есть

кт= Н^-с-^, (20)

где V,- - относительная скорость блоков; .Р) — площадь площадки скольжения.

Выделим на боковой поверхности сегмента А элементарную площадку с15Б, тогда применительно к рассматриваемой схеме выражение (20) будет иметь вид

Л/вя = " с ■ Vо + 2с ¡Ц ^р ■ (21)

После ряда преобразований (21) и интегрирования получаем выражение

Ивн = Бп-с -у0 + -С-У0

■ й2(тг - 29, - БтЧг (Щ + 1пс1д£)). (22)

Далее приравняв мощности внешних и внутренних сил и сократив их на и Я, получаем формулу максимальной нагрузки на рабочий орган при копании

Р=с-Я(Ь-9+

Разработанный аналитический метод определения максимальной нагрузки на рабочий орган одноковшового экскаватора позволяет проводить тестовую оценку эффективности методов расчета усилий копания.

В пятой главе поставлены и решены задачи экспериментальных исследований и разработки методики выбора рациональных параметров механизма поворота ковша канатного экскаватора.

Целью экспериментальных исследований является проверка работоспособности предложенного адаптивного механизма поворота ковша с использованием напряженных замкнутых кинематических контуров, оценка достоверности основных положений разработанных математических моделей, а так же получение экспериментальных данных, позволяющих оценить качественные и энергетические показатели работы предложенной конструкции механизма поворота.

Для осуществления намеченной программы была разработана и изготовлена специальная экспериментальная установка рабочего органа канатного экскаватора (рисунки 10 и 11). Эксперименты проводились в специализированном помещении кафедры «Подъемно-транспортные, строительные и дорожные машины» ЮжноРоссийского государственного политехнического университета (НПИ) имени М.И. Платова.

Рисунок 10 - Общий вид Рисунок 11 - Механизм поворота

экспериментальной установки ковша

На раме 1 (рисунок 10), жестко закрепленной на монтажном столе 2, установлены с возможностью поворотов стрела 3 и рукоять 4. С нижней частью рукояти шарнирно соединен ковш 5. Привод рабочего органа осуществляется электродвигателем 6 передающий крутящий момент посредством цепных передач 7 на барабаны тяговый и подъема, на которые наматываются соответствующие канаты 8 и 9. Разрабатываемый грунт 10, в качестве которого принят песок плотностью 1500 кг/м3, помещен в специальную емкость 11 с прозрачной боковой стенкой. На рисунке 11 показан механизм поворота ковша. Ковш 5 посредством гидроцилиндра 12 (Ц1) связан с рукоятью 4, а посредством двух гидроцилиндров 13 (Ц2) и двухрычажной системы 14 со стрелой 3.

Для реализации намеченной программы потребовалось получить следующие энергетические, силовые, кинематические и массовые показатели процесса копания: усилия в тяговом канате; давления (усилия) в гидроцилиндрах; ход штоков гидроцилиндров; массу грунта в ковше.

Фотографии основных этапов процесса копания экспериментальным рабочим оборудованием приведены на рисунках 12, 13 и 14 (работа с поворотом ковша) и на 15 (работа с неповоротным ковшом).

Фрагменты осциллографических записей приведены на рисунках 16 и 17.

Обобщенные данные результатов экспериментального исследования приведены в таблице.

Рисунок 14 — Подъем груза в ковше, повер- Рисунок 15 - Подъем груза в неповоротном нутом относительно рукояти ковше

Полученные экспериментальные данные подтверждают основные положения теоретических исследований, адекватность физической и математической моделей. Сравнение результатов полученных на ЭВМ и данными экспериментальных исследований показывают, что расхождение результатов по всем позициям не превышает 14%. Доказана работоспособность и высокая эффективность механизма в части поворота ковша и сохранении массы груза в ковше при его подъеме из забоя. Масса груза в поворотном ковше превышает массу груза в аналогичном неповоротном ковше в среднем на 29 %.

Рисунок 12— Начальная стадия копания (ковш неподвижен)

Рисунок 13 - Максимальное заглубление ковша в забой (начальная точка поворота ковша)

Рисунок 16- Образец осциллограммы усилий в тяговом канате

О 0,20 0,4 0,6 0,8 1 1,20 1,4 1,Б0

Рисунок 17 — Образец осциллограммы давлений в гидроцилиндрах Ц2

Таблица — Обобщенные данные результатов экспериментального исследования

№ п/п Наименование показателя Ковш с поворотом Ковш неповороный Относительно,%

1 Максимальное усилие в тяговом канате. Н 291.407 265.762 109.6

2 Максимальное давление в гидроцилиндрах поворота Ц2, бар 6.415 0.408 -

3 Максимальный угол поворота ковша относительно рукояти, град 81 0

4 Ход гидроцилиндров в процессе копания, мм Ц1 Ц2 57 23 0 54

5 Масса груза в поднятом ковше, кг 3.545 2.735 129.6

На основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований разработаны алгоритм и методика выбора рациональных параметров механизма поворота ковша канатного экскаватора с рабочим органом обратная лопата, позволяющая повысить эффективность работы не только новых серийно выпускаемых канатных экскаваторов с обратной лопатой, но и находящихся в эксплуатации.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе решена актуальная научно-техническая задача по повышению эффективности работы канатного одноковшового экскаватора за счет применения системы поворота ковша на основе управляемых напряженных замкнутых кинематических контуров. Получены результаты, имеющие как научное, так и прикладное значение:

1. Предложена методика построения адаптивных рабочих органов канатных экскаваторов включающая наряду с традиционными процессами проектирования дополнительные процедуры концептуального конструирования, посредством которой итеративно объединяют этапы анализа и конструирования инварианта структуры рабочего органа. Методика реализована в инновационном проектном решении.

2. Полученные аналитические зависимости позволяют определять основные геометрические и кинематические параметры механизма поворота ковша в виде двух смежных четырехзвенных механизмов со звеньями изменяемой длины в функции угла поворота рукояти.

3. Разработанная математическая модель в виде уравнений Лагранжа второго рода позволяет решить задачу по определению рациональных режимных и конструктивных параметров механизма поворота ковша канатного экскаватора с рабочим органом обратная лопата различных размерных групп. Применительно к канатному экскаватору ЭО-4112 получены значения нагрузок возникающих в элементах механизма при копании с поворотом ковша, определены диапазоны изменений кинематических звеньев переменной длины, усилия в тяговом канате, крутящие моменты на валах барабана и двигателя, а так же динамические характеристики переходных процессов.

4. Разработан аналитический метод определения максимальной нагрузки на ковш экскаватора при копании, позволяющий проводить тестовую оценку эффективности методов расчета усилий копания, достоверность которого базируется на фундаментальном критерии прочности грунтов - сцеплении с;

5. Установлено, что максимальные динамические нагрузки возникают в момент перехода ковша в режим поворота. Коэффициент динамичности для экскаватора ЭО-4112 по усилиям в тяговом канате составил кд = 1.15, а по усилиям в гидроцилиндрах Ц2 кд = 1.23. Расчетная колебательность переходных процессов для всех фазовых координат не превышает четырех единиц при времени переходного процесса t„ в пределах 0.4...0.6 секунды. Все значения характеристик переходного процесса не превышают допустимых значений.

6. Проведённые экспериментальные исследования спроектированного по концептуальной методологии рабочего органа канатного экскаватора подтвердили его работоспособность и высокую эффективность в части поворота ковша и сохранении массы груза в ковше при его подъеме из забоя. Так масса груза в поворотном ковше превышает массу груза в аналогичном неповоротном ковше в среднем на 29 %.

7. Установленные в результате экспериментальных исследований зависимости хорошо согласуются с результатами теоретических исследований. Расхождение результатов по всем позициям не превышает 14%. Это даёт основание считать принятые схемы взаимодействия и методы расчёта достоверными.

8. Разработана и принята к использованию методика выбора рациональных параметров механизма поворота ковша, позволяющая определять геометрические, кинематические и силовые параметры механизма, обеспечивающие поворот ковша на заданный угол при установленных ограничениях на усилия в звеньях переменной длины. Методика проверена на примере экспериментальной установки рабочего органа канатного экскаватора.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Публикации в научных изданиях рекомендованных БАК

1. Максимов, Ю.В. Кинематическое исследование механизма поворота ковша канатного экскаватора [Электронный ресурс] / Ю.В. Максимов // Инженерный вестник Дона. 2013. № 4. — Режим доступа: htt: // www/ ivdon.ru / magazine / archive / n4y2013/2174.

2. Максимов, В.П. Концептуальное конструирование инновационных рабочих органов канатных экскаваторов [Электронный ресурс] / В.П. Максимов, Ю.В. Максимов // Инженерный вестник Дона. 2013. № 4. - Режим доступа: htt: // www/ ivdon.ru / magazine / archive/п4у2013/2183.

3. Максимов, Ю.В. Математическое моделирование процесса копания канатным экскаватором с поворотом ковша [Электронный ресурс] / Ю.В. Максимов. В.П. Максимов // Современные проблемы науки и образования. — 2014. - № 2; - Режим доступа: URL: http: // www.science-education.ru /116-12285.

Патенты РФ

4. Патент РФ 104204. МПК E02F 3/42. Рабочее оборудование ковшового экскаватора / B.C. Исаков. Ю.В. Максимов, Г.М. Симилейский'. заявлено 15.10.2010; опубл.

10.05.2011, Бюл. №12.-8 е., ил.

5. Патент РФ 2450106, МПК E02F 3/42. Рабочее оборудование ковшового экскаватора / B.C. Исаков, Ю.В. Максимов, Г.М. Симилейский; заявлено 15.10.2010; опубл.

10.05.2012, Бюл. №13.-8 е., ил.

Публикации в других изданиях

6. Исаков, B.C. Кинематика копания одноковшового экскаватора с канатной подвеской / B.C. Исаков, Ю.В. Максимов // Новые технологии управления движением технических объектов: сб. статей по материалам 9-й Междунар. науч.-техн. конф.- Новочеркасск: Лик, 2008,-Т. 1,-С. 55-58.

7. Исаков, B.C. О перспективах использования одноковшовых экскаваторов с тросовой подвеской / B.C. Исаков, Ю.В. Максимов // Новые технолог™ управления движением технических объектов: сб. статей по материалам 9-й Междунар. науч.-техн. конф - Новочеркасск: Лик, 2008. - Т.1 - С. 59-62.

8. Исаков. B.C. Применение напряженных замкнутых кинематических контуров в рабочих механизмах экскаваторов / В.В. Исаков, Ю.В. Максимов // Современные тенденции Российской системы высшего профессионального образования: матер, конф. г. Тверь, 14-16 мая 2008 г. - Тверь: ТГТУ. 2008. С. 8-9.

9. Максимов, Ю.В. Учет колебательности нагрузки при расчете усилий копания одноковшовым экскаватором / Ю.В. Максимов, И.В. Клименко // Агропромышленные машины и оборудование (теория, конструкция, расчет) : сб. научн. трудов НГМА. — Новочеркасск, 2008. - С. 75-78.

10. Исаков. B.C. Структурная адаптация кинематического механизма рабочего органа экскаватора с канатной подвеской / B.C. Исаков, Ю.В. Максимов,С.В. Балковая // Результаты исследований - 2010: материалы 59-й научно-техн. конф. профессорско-преподавательского состава, научных работников, аспирантов и студентов ЮРГТУ(НПИ) / Юж.-Рос. гос. тех. ун-т (НПИ) - Новочеркасск: ЮРГТУ (НПИ), 2010. - С. 32-33.

11. Исаков. B.C. Верхняя оценка усилия копания экскаватором с оборудованием обратная лопата / B.C. Исаков. Ю.В. Максимов // Материалы 64-й научн.-техн. конф. ГОУ «СибАДИ» в рамках Юбил. Междунар. Конгресса «Креативные подходы в образовательной, научной и производственной деятельности», посвященной 80-леппо академии. -Омск: СибАДИ, 2010. Кн. 1. - С. 247-251.

12. Ерейская, Е.А. О повышении эффективности работы экскаваторов с оборудованием обратная лопата / Е.А. Ерейская, Ю.В. Максимов. B.C. Дериглазов // Инновации в науке - инновации в образовании: матер. Междун. научно-техн. конф. «Интерстроймех-2013», г. Новочеркасск / Юж.-Рос. гос. политехи, ун-т. им. М.И. Платова. - Новочеркасск : ЮРГПУ(НПИ), 2013. - С. 66-68.

Максимов Юрий Валерьевич

ОБОСНОВАНИЕ СТРУКТУРЫ II ВЫБОР РАЦИОНАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ АДАПТИВНОГО РАБОЧЕГО ОРГАНА КАНАТНОГО ЭКСКАВАТОРА

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 31.01.2015. Формат 60x84 '/щ. Бумага офсетная. Печать цифровая. Усл. печ. л. 1.0. Уч.-изд. л. 1.5. Тираж 100 экз. Заказ № 46-0142.

Отпечатано в ИД «Политехник» 346400. г. Новочеркасск, ул. Первомайская, 166 idD-npi@mail.ru