автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.04, диссертация на тему:Развитие механики рабочих процессов одноковшовых фронтальных погрузчиков

005051 /*>о

На правах рукописи

Бояркина Ирина Владимировна

РАЗВИТИЕ МЕХАНИКИ РАБОЧИХ ПРОЦЕССОВ ОДНОКОВШОВЫХ ФРОНТАЛЬНЫХ ПОГРУЗЧИКОВ

Специальность 05.05.04 — Дорожные, строительные и подъемно-транспортные машины

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

11 АПР 2013

Омск-2013

005051763

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия (СибАДИ)»

Официальные оппоненты:

БУРЬЯН Юрий Андреевич доктор технических наук, профессор

ФГБОУ ВПО «Омский государственный технический университет», заведующий кафедрой «Основы теории механики и автоматического управления»

ЗАХАРЕНКО Анатолий Владимирович доктор технических наук, доцент

ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский Иркутский государственный технический университет», профессор кафедры «Строительные, дорожные машины и гидравлические системы»

МЕЩЕРЯКОВ Виталий Александрович доктор технических наук, доцент

Омский филиал ФГОБУ ВПО «Финансовый университет при Правительстве Российской Федерации», заведующий кафедрой «Математика и информатика»

Ведущая организация: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Воронежский государственный архитектурно-строительный университет», г. Воронеж

Защита состоится «17» мая 2013 г. в 1400 часов на заседании диссертационного совета ВАК РФ Д 212.250.02 на базе ФГБОУ ВПО «Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия (СибАДИ)» по адресу: 644080, г. Омск, проспект Мира, 5, зал заседаний.

Тел. (3812) 65-07-66, факс (3812) 65-03-23, e-mail: dissovetsibadi@bk.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия (СибАДИ)».

Отзывы на автореферат в двух экземплярах с подписью, заверенной печатью учреждения, просим направлять в адрес диссертационного совета по адресу: 644080, г. Омск, проспект Мира, 5. Тел. (3812) 65-07-66, факс (3812) 65-03-23, e-mail: dissovetsibadi@bk.ru.

Автореферат разослан

2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук

Кузнецова Виктория Николаевна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Важнейшей задачей современного машиностроения является дальнейшее повышение производительности дорожных машин на всех операциях строительного производства.

В работе рассматривается класс подъемно-транспортных машин — одноковшовые фронтальные погрузчики, в которых используются основные достижения науки и техники: пневмоколесньте движители, шарнирно сочлененные рамы со следящими системами рулевого управления, гидравлические системы рабочего оборудования привода стрелы и ковша, перекрестные схемы управления ковшом, современные кабины, оснащенные элементами управления и автоматики и многое другое.

Рабочее оборудование фронтальных погрузчиков, обладающее значительными массами, снабженное мощными гидравлическими механизмами, является источником динамических нагрузок.

Технологическими операциями рабочего цикла погрузчика являются: зачерпывание материала в штабеле и копание грунта ковшом, транспортно-грузовой режим движения погрузчика, крановый режим и др. Элементы рабочего цикла погрузчика характеризуются вьгсоким использованием мощности двигателя и повышенным расходом топлива. Процесс зачерпывания материала характеризуется большими динамическими нагрузками и малым временем черпания материала. Недостаточное заполнение ковша материалом приводит к снижению производительности и эффективности погрузчика. Процессы опускания рабочего оборудования и ковша в нижнее положение черпания могут сопровождаться ударами поршня о крышку гидроцилиндра стрелы и являются источником динамических нагрузок.

Поэтому данная работа, посвященная развитию механики взаимодействия ковша погрузчика с разрабатываемой средой, развитию механики транспортно-грузовых режимов, динамики разгона и торможения рабочего оборудования, развитию положений аналитической механики для расчета динамических процессов погрузчика является актуальной.

Степень разработанности темы. В развитие теории землеройных, строительных и транспортных машин значительный вклад внесли: K.A. Артемьев, В.Ф. Амельченко, В.И. Баловнев, Ю.А. Бурьян, Ю.А. Ветров, Д.П. Волков, В.В. Гуськов, Н.Г. Домбровский, В.А. Жулай, A.B. Захаренко, А.Н: Зеленин, И.П. Ке-ров, Е.М. Кудрявцев, Э.Н. Кузин, В.А. Мещеряков, И.А. Недорезов, П.И. Никулин, В.Б. Пермяков, В.Н. Тарасов, H.A. Ульянов, Ю.Ф. Устинов, Д.И. Федоров, B.C. Щербаков и другие.

Основы теории гидравлического рабочего оборудования землеройных и строительных машин заложили: Т.В. Алексеева, В.Ф. Амельченко, И.И. Артоболевский, Т.М. Башта, И.П. Бородачев, Н.С. Галдин, В.А. Зиновьев, В.А. Зорин, Т. А. Сырицин и другие ученые.

Основы теории эффективности одноковшовых фронтальных погрузчиков разработали: А.Ф. Базанов, Ю.В. Гинзбург, А.Д. Костылев, П.А. Михирев, Р.Ю.

Подэрни, Б.М. Позин, Г.В. Родионов, В.Н. Стогов, Л.Г. Фохт, Л.С. Чебанов, А.И. Швед и многие другие ученые.

В работах названных авторов заложены основы проектирования, выбора параметров, основы эффективной эксплуатации машин, при этом, как правило, оценивалось современное состояние уровня техники без анализа перспективы ее дальнейшего развития.

В настоящей работе впервые предложена методика математического моделирования и анализа основных геометрических, кинематических и силовых параметров всего размерного ряда одноковшовых фронтальных погрузчиков. Установлены корреляционные зависимости основных параметров размерного ряда фронтальных погрузчиков от грузоподъемности и эксплуатационной массы, которые позволили создать размерные ряды для параметров ковша, рабочего оборудования, двигателей, пневмоколес, гидроцилиндров, других систем и звеньев погрузчика.

Впервые реализован способ уравновешивания сил тяжести рабочего оборудования погрузчика, который создает энергосберегающий эффект.

При подъеме рабочего оборудования стреловой машины с энергосберегающим приводом (ЭСП) уравновешенные силы тяжести рабочего оборудования не потребляют мощность двигателя. Погрузчики, снабженные ЭСП, могут иметь «невесомое» рабочее оборудование. Применение системы энергосбережения предполагает различные направления реализации получаемых результатов. По первому направлению обеспечивается уравновешивание сил тяжести рабочего оборудования (ковша, стрелы, рычагов, гидроцилиндров), исключаются непроизводительные потери мощности двигателя на преодоление гравитационных сил тяжести рабочего оборудования, в результате чего обеспечивается снижение давления в гидроцилиндрах стрелы, происходит увеличение моторесурса двигателя, гидронасосов и возникает экономия топлива. Согласно второму направлению, система энергосбережения является дополнительным источником мощности в системе, которая реализуется на интенсификацию рабочих процессов — увеличивает коэффициент наполнения ковша при черпании материала, приводит к уменьшению времени рабочего цикла погрузчика и повышению производительности.

Объектом исследования диссертации являются рабочие процессы одноковшовых фронтальных погрузчиков.

Предметом исследования являются закономерности рабочих процессов одноковшовых фронтальных погрузчиков.

Целью исследования является повышение эффективности работы одноковшовых фронтальных погрузчиков на основе совершенствования методики выбора параметров рабочего оборудования и использования принципа уравновешивания сил тяжести рабочего оборудования.

Задачи исследований:

— развитие методики выбора основных конструктивных параметров фронтальных погрузчиков и параметров рабочего оборудования с ЭСП;

— разработка математической модели динамики рабочего оборудования, обладающего свойством позиционирования и следящего выравнивания заданных

положений ковша в пространстве, основанной на методе преобразования координат и методе кинематических треугольников;

— развитие теории динамики гидравлического рабочего оборудования на основе аналитического исследования дифференциальных уравнений движения гидравлического рабочего оборудования;

— создание методики силовых расчетов рабочего оборудования погрузчика, основанного на положениях аналитической механики; определение мощности уравновешивающего цилиндра рабочего оборудования;

— развитие методики проектирования ковша фронтального погрузчика; привязка сечения ковша к системе координат ковша;

— развитие механики взаимодействия ковша погрузчика с рабочей средой; создание методики экспериментального определения сил трения скольжения сыпучих материалов по твердой поверхности и сил трения скольжения сыпучего материала при деформации сдвига;

— исследование математической модели динамики транспортно-грузового режима фронтального погрузчика;

— развитие методики расчета производительности одноковшовых погрузчиков и методики определения потребности и стоимости дизельного топлива при работе фронтальных погрузчиков; оценка эффективности погрузчиков с энергосберегающим приводом по экономии топлива.

Научная новизна работы заключается в следующем:

— реализован геометрический способ расчета и анализа характеристик звеньев рабочего оборудования погрузчика, разработанный на основе методов кинематических треугольников и преобразования координат;

— разработана методика кинематического анализа гидромеханизма привода стрелы фронтального погрузчика, представляющего собой кривошипно-кулисный механизм с ведущим поршнем, основанная на методах кинематических треугольников и преобразования координат, с использованием предложенной теоремы высот вершин треугольника;

— предложены математические модели исследования силовых, кинематических и энергетических характеристик при подъеме и опускании рабочего оборудования погрузчика с энергосберегающим приводом;

— получили развитие основные положения механики процесса взаимодействия ковша погрузчика с разрабатываемой средой; рассмотрена физическая сущность удельного сопротивления копанию материалов и грунтов ковшом погрузчика;

— получены математические модели длительно протекающих динамических процессов двигателя, гидродинамических и гидрообъемных передач на основе интерполяционных многочленов Лагранжа;

— разработана методика аналитического расчета частичных скоростных характеристик крутящего момента и часового расхода топлива двигателя внутреннего сгорания;

— получена динамическая модель и на ее основе исследованы закономерности динамических процессов разгона и торможения рабочего оборудования по-

грузчика с энергосберегающим приводом при ступенчатом и линейном законах управления золотником распределителя;

— выполнено исследование динамики затухающих колебаний рабочего оборудования стреловой машины в транспортно—грузовом режиме;

— предложена методика расчета эффективности погрузчика с ЭСП.

Теоретическая значимость работы:

— разработан метод кинематических треугольников для расчета рычажных механизмов рабочего оборудования погрузчиков, основанный на методе преобразования,координат с использованием теоремы высот вершин треугольника;

.т- получена аналитическая модель расчета сил внедрения ковша в штабель в функции глубины внедрения ковша, в которой геометрические параметры ковша связаны с физическими параметрами материала штабеля, при этом математическая модель представляет собой функцию с экстремальным значением горизонтальной силы внедрения от угла скольжения по Ш. Кулону, экстремальное значение которого определяется в диссертации численным методом;

— разработаны математические модели расчета сил и давлений в гидроцилиндрах стрелы фронтальных погрузчиков;

— разработана методика определения дополнительной мощности рабочего оборудования фронтального погрузчика с энергосберегающим приводом;

— получена, зависимость, связывающая объем ковша погрузчика с мощностью двигателя для размерного ряда фронтальных погрузчиков;

- — разработана методика, расчета экономии топлива двигателя фронтального погрузчика с энергосберегающим приводом;

— установлена физическая сущность удельного сопротивления грунта копанию.

Практическая значимость работы:

— разработана методика выбора параметров энергосберегающего рабочего оборудования пневмоколесных фронтальных погрузчиков;

— разработаны аналитические методы силового и динамического расчетов гидромеханизмов рабочего оборудования при подъеме стрелы и черпании материалов ковшом;

— разработаны размерные ряды параметров ковша, гидроцилиндров, пневматических колес, двигателей, для размерного ряда грузоподъемностей фронтальных погрузчиков;

— разработаны устройства для определения сцепления сыпучих материалов при деформации сдвига;

— разработано устройство защиты гидропривода фронтального погрузчика от возмущающих воздействий при движении по неровной опорной поверхности.

Методология исследования основана на использовании аналитических моделей взаимодействия рабочего органа погрузчика с разрабатываемой средой, использовании единой энергетической теории для определения составляющих элементов времени цикла технологического рабочего процесса. Методология экспериментальных исследований ориентирована на установление физических свойств сил трения сыпучих материала о твердую поверхность и сил трения в массиве сыпучего материала штабеля. Методология исследований содержит ус-

ловия, создание допущений, гипотез, теорем, которые способствуют раскрытию темы исследования и физической сущности рассматриваемых процессов и явлений.

Методы исследования. Математическое моделирование на основе методов аналитической механики, использующее дифференциальное и интегральное исчисление, дифференциальные уравнения; аналитические методы решения дифференциальных уравнений переходных процессов динамики разгона и торможения гидравлического рабочего оборудования. Исследование зависимостей параметров размерного ряда фронтальных погрузчиков методом статистического анализа параметров технических систем. Исследование сил трения сыпучих материалов о твердую поверхность и сил трения в материале штабеля с использованием современных методов измерения и разработанных приборов.

Положения, выносимые на защиту:

— закономерности изменения и развития основных параметров размерного ряда одноковшовых фронтальных погрузчиков;

— методика создания и проектирования рабочего оборудования фронтальных погрузчиков с энергосберегающим приводом на основе методов аналитической механики, метода кинематических треугольников, принципа уравновешивания сил тяжести, математических моделей силовых расчетов; энергетических расчетов; расчет экономии топлива;

— закономерности протекания динамических процессов при разгоне и торможении гидравлического рабочего оборудования погрузчика с энергосберегающим приводом;

— математические модели технологических процессов взаимодействия ковша с рабочей средой;

—динамика рабочего оборудования при движении фронтального погрузчика по неровностям опорной поверхности;

— методика определения производительности фронтальных погрузчиков, расчет эффективности и экономии топлива двигателя внутреннего сгорания.

Степень достоверности полученных результатов основывается на применении известных положений математики, физики, механики, прикладных наук; корректности принятых допущений; использовании методов аналитической механики и статистической обработки данных; адекватности получаемых результатов экспериментальным данным.

Апробация результатов. Основные положения диссертации доложены и обсуждены на конференциях: международная конференция "Динамика систем, механизмов и машин" (Омск, ОмГТУ, 1995 г.); международная научно-технической конференции «Интерстроймех» (Воронеж, 1998 г.); международная научно-практическая конференция «Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири (Сибресурс-5-99)» (Томск, 1999 г.); Всероссийская научно-техническая конференция ОмГТУ (Омск, 2008 г.); V Международный технологический конгресс "Военная техника, вооружение и технологии двойного применения" (Омск, 2009 г.); ежегодные всероссийские научно-технические конференции СибАДИ с международным участием с 1994-2012 г.; VIII mezinárodni vedecko — praktická konference «Dny vedy - 2012», Praha; HTC ООО «СКБДСМ» ЧТЗ-Уралтрак (Че-

лябинск, 2012 г.); ООО «Челябинские строительно-дорожные машины» отдел главного конструктора (Челябинск, 2011-2012 г.г.).

Положения диссертации использованы в научно-исследовательской работе по госбюджетной теме №53 №ТМ-2-92 «Разработка теории и методики расчета энергосберегающих строительных машин»: часть 1 «Разработка алгоритмов и математических моделей проектирования ковша как составной части САПР одноковшового фронтального погрузчика» 1992 г.; часть 2 «Основные положения методики проектирования строительных машин с энергосберегающим гидроприводом» 1993 г.; и по госбюджетной теме № 6.1.1 «Разработка теории и методики расчета энергосберегающих строительных машин» 1994-1996 г.г.

Внедрение результатов: В ЗАО «Челябинские строительно-дорожные машины» г. Челябинск внедрены: методика уравновешивания сил тяжести рабочего оборудования погрузчика; методика определения потребности дизельного топлива при выполнении погрузочно-транспортных работ в карьере; методика проектирования ковша для размерного ряда фронтальных погрузчиков. В ООО Институт Новых Технологий и Автоматизации г. Омск внедрен метод расчета и анализа характеристик рычажных механизмов на основе методов кинематических треугольников и преобразования координат при проектировании шарнир-но-рычажных прессов ШЛ-ЗОЗА, ШЛ-ЗОЗБ.

Основные идеи работы: создание ЭСП рабочего оборудования погрузчика, обладающего дополнительной мощностью, которая используется в технологических режимах копания грунта, черпания материалов, а также при подъеме стрелы и транспортных операциях, обеспечивает уменьшение времени рабочего цикла и повышение производительности погрузчика.

Публикации. По теме диссертации опубликована 61 печатная работа, в том числе: 15 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ; 2 монографии; 7 авторских свидетельств; 14 патентов РФ на изобретения; 23 работы в других изданиях.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, десяти глав, основных выводов и результатов, списка использованных источников из 170 наименований, приложения. Работа имеет объем 448 страниц машинописного текста, 204 рисунка, 74 таблицы, приложение.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении рассмотрена актуальность темы диссертации, освещена степень научной обоснованности проблемы, сформулированы цель и задачи исследования, показана научная новизна, выполнено описание содержания работы и выносимых на защиту основных положений, отражена научная новизна полученных результатов и их практическая значимость.

В первой главе рассмотрен обзор выполненных исследований, который показал, что главным образом они направлены на выяснение физической сущности выполняемых рабочих процессов и установление уровня динамических нагрузок на рабочих органах, ходовых механизмах, приводах машин.

Обзор выполненных работ позволил сделать следующие выводы: — одноковшовые фронтальные погрузчики имеют резервы повышения производительности за счет выбора рациональных конструктивных и эксплуатационных параметров, создания устройств, обеспечивающих энергосберегающие

процессы рабочего оборудования погрузчика, применения устройств, снижающих вертикальные колебания погрузчика; на рынке погрузчиков отсутствуют энергосберегающие системы, использующие принцип уравновешивания сил тяжести рабочего оборудования;

— появлением динамических нагрузок характеризуются все технологические элементы рабочего цикла фронтального погрузчика: процесс зачерпывания материала и копания грунта, процессы подъема и опускания рабочего оборудования; процессы транспортирования и разгрузки ковша;

— КПД рабочего оборудования погрузчика может быть увеличен за счет уравновешивания сил тяжести ковша, стрелы, рычага, гидроцилиндров и др.;

— недостаточно изучены проблемы топливной эффективности двигателей внутреннего сгорания фронтальных погрузчиков;

— в СибАДИ разработаны технические решения, позволяющие отказаться от применения дорогостоящих пневмогидроаккумуляторов в системах энергосбережения фронтальных погрузчиков;

Во второй главе выполнены исследования общих параметров размерного ряда одноковшовых фронтальных погрузчиков с ЭСП: ПК-2,..., ПК-75 грузоподъемностью от 2 до 75 т, ПК — погрузчик колесный (рисунок 1), где 1 — задняя полурама; 2 — балансирный задний мост; 3 - передняя полурама с передним мостом; 4 — стрела; 5 — рычаг; 6—тяга; 7 — ковш; 8 — гидроцилиндр подъема стрелы; 9 — уравновешивающий цилиндр; 10—гидроцилиндр управления ковшом.

Фронтальные одноковшовые погрузчики являются сложными системами, включающими в себя механические, энергетические, гидравлические и пневматические системы, а также человека-оператора, управляющего всеми системами погрузчика (рисунок 2). На функциональной схеме выделены основные контуры: главный машинный контур погрузчика, включающий двигатель, трансмиссию, движитель, рабочий орган, рабочую среду; контур управления движением погрузчика, содержащий человека-оператора, гидросистему рулевого управления, пневматические колеса; контур управления рабочим органом, содержащий человека-оператора, гидромеханизмы рабочего оборудования, рабочий орган, рабочую среду. При выполнении рабочих операций человек-оператор оказывает управляющие воздействия на машинную систему, управляя машинным котуром, рабочим органом и рулевым управлением в различной последовательности и сочетаниях.

Основными параметрами фронтальных погрузчиков являются эксплуатационная масса тэ, грузоподъемность <2П и мощность двигателя Nе. Основной задачей проектирования погрузчика является выбор рациональных соотношений этих параметров с учетом рыночных тенденций развития. Для размерного ряда пневмоколесных фронтальных погрузчиков российских и зарубежных фирм в диссертации получены таблицы удельных параметров. Установлены корреляционные зависимости грузоподъемности Qп от эксплуатационной массы тэ для двух диапазонов изменения эксплуатационной массы (рисунок 3). В диапазоне изменения масс т1 =0 + 50 т корреляционная зависимость (2п=/(тэ) имеет вид (рисунок 3 ,а)

0п=О,2715тэ. (1)

ж). Погрузчик ПК-30 з) Погрузчик ПК-75

Рисунок 1. Размерный ряд погрузчиков с ЭСП: 9 - уравновешивающий цилиндр

д). Погрузчик ПК-7 (ЧСДМ)

а). Мини-погрузчик ПК-0,5

б). Погрузчик ПК-2 (ТО-ЗО)

е). Погрузчик ПК-15 (ХО-21)

1

4

Погрузчик ПК-7

в). Погрузчик ПК-3

(ТО-27)

Для диапазона изменения масс тэ= 0 + 250 т корреляционная зависимость имеет вид (рисунок 3,6)

і1„ =0,0002т2э + + 0,2434тэ . (2) Зависимости эксплуатационной массы погрузчиков от грузоподъемности мэ—/(0п) для всего ряда грузоподъем-ностей имеет вид

р7ецгятель|—■—^Трансмиссия^

ГТ Т

►І Дв гокит ел ь

Информационные системы

ГХТ

Человек. оператор

И

Гидромеханизм рабочего органа

Рабочий орган

Гидросистема рулевого управления

Пневматиче ские колеса

-Ф

м

Рабочая среда

Рисунок 2. Функциональная схема основных систем фронтального погрузчика

тэ = -0,013302 + 4,24950„ .

бя,т

(3)

40 тэ, т

150 200 тэ, т

Рисунок 3. Зависимость грузоподъемности <2П от эксплуатационной массы т. На рисунке 4 представлены зависимости мощности двигателя Nе от эксплуатационной массы тэ и от грузоподъемности Qп.

Ые, кВт 2000

150 200 тэ, т

60 е„ , т

Рисунок 4. Зависимость мощности двигателя Ne от эксплуатационной массы т^ и грузоподъемности <2П

Зависимости, представленные на рисунке 4,а,б, аппроксимированы выражениями:

Мв = -0,0008т] + 6,9404тэ; (4)

Ne=-0,0^74Q2П+2S,539QП. (5)

Важнейшим показателем эффективности погрузчика является удельная сила на единицу ширины ковша

Іуд.к

= Т.

/В0

(ртах

(6)

С увеличением массы тэ и грузоподъемности погрузчика ()п линейные размеры увеличиваются пропорционально степени 1/3 этих параметров.

В диссертации получены корреляционные зависимости геометрических и технологических параметров погрузчиков (м) от грузоподъемности Qn (т): габаритная длина Ьг = 4,9237 ЦОп ; габаритная ширина Вг = 1,9146 \[Оц ; габаритная высота по кабине Нг = 2,0027 \[0п ; ширина колеи Вкол = 1,2727 \}0п высота погрузки Нп =1,8063 база 1 = 2,3978 — 0,7255 и др.

В диссертации показано, что при подъеме стрелы погрузчика затраченная энергия состоит из бесполезной работы сил сопротивления и полезной работы силы тяжести при подъеме полезного груза в ковше

Ж,

IV + }¥

С.Т П '

(7)

где №':ШР — полная энергия, затрачиваемая на подъем рабочего оборудования с грузом;

■ с т энергия, бесполезно затраченная на подъем сил тяжести рабочего оборудования; IVп — полезная энергия, затрачиваемая на подъем груза в ковше.

Введено понятие КПД рабочего оборудования г] РО = \УП / IVМТР .

У современных погрузчиков КПД рабочего оборудования т)^о=0,55, что свидетельствует о наличии значительного резерва повышения КПД рабочего оборудования.

Низкий КПД рабочего оборудования традиционного фронтального погрузчика повышается в диссертации путем уравновешивания сил тяжести (рисунок 5).

ЮГ

І

Рисунок 5. Гидропривод стрелы с ЭСП: 1 — основные гидроцилиндры;

2 — уравновешивающий цилиндр;

3 — гидрораспределитель;

4 — газовый баллон; 5 — манометр

ЭСП состоит из уравновешивающего цилиндра 2, поршневая полость которого соединена с газовым баллоном 4, заряженным воздухом при давлении 10-4-15 МПа. ЭСП является автоматически действующим, устанавливается на рабочем органе и не связан с гидроприводом стрелы. Уравновешивающий ци-

линдр 9 (см. рисунок 1) расположен между гидроцилиндрами стрелы 8. Цель использования ЭСП — исключение потерь энергии на преодоление сил тяжести рабочего оборудования при подъеме рабочего оборудования с грузом в ковше и повышение производительности погрузчика. Задача уравновешивания ставится из условия свободного опускания рабочего оборудования с порожним ковшом.

В третьей главе метод преобразования координат дополнен методом кинематических треугольников и является эффективным методом кинематических и силовых расчетов механизмов рабочего оборудования одноковшовых фронтальных погрузчиков (рисунок б).

2

Рисунок 6. Системы координат рабочего оборудования

Обобщенные кинематические треугольники образуются кинематическими звеньями рабочего оборудования. Гидроцилиндры рассматриваются как кинематические звенья переменной длины с[, работающие в диапазоне изменения длин: цилиндр стрелы сСШЙ1 < сс < сстах, цилиндр ковша скт^<ск<сктзх, уравновешивающий цилиндр стт <с< стлх (на рисунке 6 не показан).

Введено понятие — фиксированное тело, которым является движущееся тело, координаты которого и скорость известны в фиксированные моменты времени при движении системы. На основе метода преобразования координат и метода кинематических треугольников получены математические модели вращательных, плоскопараллельных движений тел и выравнивающего механизма фронтального погрузчика, который относится к классу следящих механизмов.

В четвертой главе выполнен анализ параметров и характеристик основных звеньев фронтальных погрузчиков, которыми являются двигатель, силовые агрегаты, пневмоколесный движитель, шарнирно сочлененная рама.

Двигатель внутреннего сгорания рассматривается, как источник механической энергии, обладающий невысоким КПД, который для дизельных двигателей составляет т)е = 0,36 +0,42. Другая особенность двигателя внутреннего сгорания

состоит в том, что он является главным потребителем дизельного топлива, стоимость которого является основной составляющей эксплуатационных затрат.

Для получения текущих промежуточных величин при исследовании непрерывных процессов в диссертации используется метод аппроксимации, основанный на полиномах Лагранжа. Решена задача определения текущих значений функции (например, крутящих моментов двигателя, часового расхода топлива) по дискретным значениям аргументов (угловой скорости вала двигателя) при помощи интерполяционных многочленов Лагранжа

Суть метода состоит в том, что функциональные зависимости, например, крутящего момента Ме =Ме(а>е), часового расхода топлива С7?, = Ст (сое), задаются в таблицах линеаризованными отрезками, концы которых являются узлами этих зависимостей и характеризуются соответствующими величинами. Использование полиномов Лагранжа позволяет не увеличивать число опорных точек, что упрощает последующие вычисления и хранение данных.

Теория грузоподъемности пневматических шин позволила разработать размерный ряд грузоподъемностей пневматических колес для ряда грузоподъемно-стей и эксплуатационных масс погрузчиков. Основным параметром пневматической шины является грузоподъемность шины, которая зависит от диаметра шины, ширины профиля и давления воздуха в шине. Номинальной грузоподъемностью пневматического колеса является величина нагрузки на ось колеса, при которой обеспечивается нормативный пробег шины с заданной скоростью движения при заданной деформации шины и внутреннем давлении. На рисунке 7 показаны основные параметры пневматического колеса фронтального погрузчика.

+

+

'е(і-І)

В

1ш

а)

б)

Рисунок 7. Основные параметры пневматического колеса

Грузоподъемность шин погрузчика определяется по формуле

6ш=Ашрв, (9)

где Аш — площадь контакта шины; рв — давление воздуха в шине.

В диссертации получены корреляционные зависимости и таблицы параметров пневматических колес для фронтальных погрузчиков.

Шарнирио сочлененная рама фронтального погрузчика представлена на рисунке 8, с помощью которого в диссертации на основе метода кинематических треугольников получены геометрические уравнения радиусов поворота погрузчика Л,, /?2, /?3. Одним из

важных параметров шарнирно сочлененной рамы является эксцентриситет шарнира полурам еЕ43Ы, который равен отношению расстояния I! от шарнира до оси заднего моста к базе погрузчика Ь\ етзы = '1 /^ ■ Для современных погрузчиков еыш = 0,5 + 0,65.

При еызы>0,5 обеспечивается движение задних колес на меньшем радиусе

по сравнению с передней полурамой, что обеспечивает несовпадение колеи передних и задних колес погрузчика и меньшее колееобразование при работе в грунтовых условиях. Получены корреляционные зависимости радиусов поворота /?], /?2, Д3 для размерного ряда грузоподъемностей погрузчиков.

В пятой главе выполнено развитие теории гидравлического рабочего оборудования и гидромеханизмов, динамики и силовых характеристик рабочего оборудования. Основными параметрами фронтального погрузчика являются: грузоподъемность Qn, длина стрелы Ьс, высота погрузки НП, вылет ковша при погрузке 1П, вырывное плечо ковша Яв, наружный радиус шины гш и др.

На рисунке 9 показано рабочее оборудование погрузчика. Предложен термин проектирование на уступ, когда ковш расположен на уступе с координатой 2уСт ниже опорной поверхности. В этом положении поршень гидроцилиндра стрелы упирается в нижнюю крышку гидроцилиндра. Предполагается, что проектирование на уступ исключает удары поршня о крышку гидроцилиндров стрелы при установке ковша на уровне опорной поверхности (на рисунке 9 это положение не показано). Установлены эмпирические и корреляционные зависимости геометрических параметров рабочего оборудования от грузоподъемности (¿и (т) для размерного ряда погрузчиков: высота уступа

2уст = (0,043 -ь 0,062) ; длина стрелы 1,с = 1,9572 высота шарнира

сочлененной рамы фронтального погрузчика

стрелы на портале

гшс =1,3817 з^Г-0,978; вылет

ковша 1П = 0,8555 з^Г"-0,2219;

вырывное плечо RB = 0,7187 ^JO^ размер установки переднего моста ак= 0,7322 3/^-0,4268; радиус

колеса гш = 0,586 ^Г-0,1206;

высота погрузки Н п = 1,8063 \jQn ■ Полученные рекомендации можно использовать для предварительного выбора параметров рабо-Рисунок 9. Расчетное положение рабочего чего оборудования, оборудования погрузчика с ковшом на уступе

Динамическими звеньями рабочего оборудования являются гидроцилиндры, с помощью которых осуществляются относительные движения стрелы и ковша. Дифференциальное уравнение гидроцилиндров стрелы по существу является математической моделью динамики рабочего оборудования фронтального погрузчика. Исследования динамики разгона и торможения рабочего оборудования выполнены для ступенчатого и линейного законов управления проходными окнами золотника распределителя. Рассматриваются два вида колебаний рабочего оборудования: свободные колебания, использующие дифференциальное уравнение без правой части и управляемые движения, описываемые дифференциальным уравнением с правой частью.

В диссертации для исследования динамики рабочего оборудования при ступенчатом законе управления золотником, используется линейное дифференциальное уравнение второго порядка

V + 2nV + a2V = (Kr/mn)x, (10)

где тп — приведенная к поршню масса рабочего оборудования; V, V, V — соответственно скорость, ускорение, резкость движения поршня гидромеханизма рабочего оборудования; х — величина открытия проходных окон золотника; п, со — соответственно коэффициент сопротивления и циклическая частота собственных колебаний рабочего оборудования, 2n = Sr/mn, ш =Сг//ия; Sr — обобщенный коэффициент вязкого сопротивления; Сг — обобщенный коэффициент жесткости гидроцилиндров; Кг - коэффициент скорости, Кг =CrVycT/x.

Для линейного закона управления золотником используется уравнение

V + 2nV + ш2К = {Кг1тпр)хтах(/Д3 J- С О

Идея использования дифференциальных уравнений (10), (11) в представленном виде основана на том, что динамические быстропротекающие процессы

характеризуются скоростью V и ускорением V, а перемещение поршня за короткое время мало и играет второстепенную роль.

Переходные процессы динамики управляемого движения гидравлического рабочего оборудования при ступенчатом включении золотника для дифференциального уравнения (10) описываются уравнениями

V = е~п,(сх соям,/ + С2 8тш,/)+ С3; (12)

V = е~"' [(С2ш1 -С^созш^-^и + С^^тш!?], (13)

где оэ, — круговая частота затухающих ко- д. м/с2

0,1

0,1

лебаний, Ю| = -у/со2 - п2 .

Выполнены численные исследования колебательных процессов рабочего оборудования, из которых установлено, что при малых значениях коэффициента демпфирования рй=0,1; 0,2; 0,3 переходные процессы скорости и ускорения затухают неудовлетворительно. На рисунке 10 представлен переходный процесс для ра=0,5 удовлетворительного качества. Аналогичные исследования выполнены для коэффициента жесткости Сг, определено рациональное значение Сг=1,54-108 Н/м. При линейном законе включения золотника для

V,, м'с 5 4 3 2 1

0-1-0 -1 -2 -3 -4 -5 -6

х-

1\а

\

к л 5 1

\

И —— —— я- Ц гр

1 /о ,2 0 3 Гл 5 0 6 о1 7

с

t =0,25 с, по сравнению со ступенчатым

Рисунок 10. Переходные процессы поршня гидроцилиндра при ступенчатом

управлении золотником для коэффициентов демпфирования (Зд =0,5 и жесткости С г = 1,54 • 108 Н/м, приведенной массы тп =125000 кг

законом, ускорение снижается до значения а=1,0 м/с2, т.е. в 4,5 раза и практически исчезает перерегулирование скорости поршня (рисунок 11).

Силовые расчеты рабочего оборудования выполнены для погрузчиков традиционной конструкции и с ЭСП с использованием методов аналитической механики.

Сила Тс в гидроцилиндрах стрелы при подъеме ковша с грузом определяется по формуле (рисунок 12,а)

т = +Сп,У1.2

,б д.7

с

/т,=0,25 с

Рисунок 11. Переходные процессы поршпя гидроцилиндра при линейном законе управлении золотником

5 с

(14)

5сс/5ср№ бсс '

где Т — сила, создаваемая уравновешивающим цилиндром; у12 — координаты

центров тяжести тел рабочего оборудования; бф^ — угловое возможное перемещение стрелы; 5сс, Ъс — соответственно, возможные перемещения поршня в гидроцилиндре стрелы и уравновешивающем цилиндре.

в)

7.4 р

' 1г.

б)

т = -

(15)

Рисунок 12. Расчетные схемы сил рабочего оборудования погрузчика с ЭСП Процесс черпания материала сопровождается появлением дополнительных сил на ковше: горизонтальной 1\ тах и вертикальной Р2тах (рисунок 12,6). Усилие в гидроцилиндрах стрелы определяется по формуле

2 + 72 шах ^7.4 + Лшах (~г7.4 + г3.7 ) _Т

5сс/5ф(4> 8сс'

Выражения (14), (15) подтверждают преимущества погрузчика с энергосберегающим рабочим оборудованием. Благодаря уменьшению силы Тс снижаются давления в гидроцилиндрах стрелы при подъеме стрелы и черпании, появляется возможность при черпании заполнять больший объем материала.

Одновременно с двумя основными гидроцилиндрами стрелы работает дополнительный уравновешивающий цилиндр, установленный между ними.

Предложена методика аналитического расчета гидромеханизма подъема стрелы как кривошипно-кулисного механизма с ведущим поршнем (рисунок 13).

На основе разработанного метода кинематических треугольников выполнено развитие метода векторных замкнутых контуров И.И. Артоболевского, В.А. Зиновьева. Используется аналитический метод преобразования координат и уравнения углов. Новизна предложенного метода расчета заключается в использовании кинематических треугольников, в которых одна сто-Рисунок 13. Расчетная схема кривошипно- рона является вектором, кулисного механизма с ведущим поршнем

Угол ф*4' стрелы погрузчика определяется по уравнению углов

<р(4) =(р4 + arceos + (16)

2íVc

где ф'4' — угол стрелы; d4, /4, сс — размеры сторон кинематического треугольника ABC; ф4 —угол вектора d4 (на рисунке 13 угол ф4 отрицательный).

Угловая скорость стрелы определяется как производная по времени t от угла поворота

(17)

dt dcc dt

В диссертации установлено, что аналог угловой скорости d(p^/dcc для стрелы погрузчика есть величина, обратная функции силового плеча h(cc) в кинематическом треугольнике, следовательно

h(cc) dt

В уравнениях (17), (18) Vl = dcc/dt — скорость поршня (различная для процессов подъема и опускания стрелы). Силовое плечо h(cc) в кинематическом

треугольнике определяется по предложенной теореме высот вершин треугольника, для вершины С треугольника ABC (см. рисунок 13)

2 (dl+H-cc2^

1 Сс 1 J

(19)

Угловое ускорение стрелы для Vl = const определяется как производная по времени t от функции угловой скорости:

е(4) = ^ = A(a(Cc)-If ) = ±{h(Cc)-xy2. (20)

dt dt dc

ЭСП погрузчика обладает дополнительной мощностью, которая реализуется на рабочем органе и создается уравновешивающим цилиндром. Мощность уравновешивающего цилиндра, приведенная к валу двигателя, имеет вид

TV _ пР2рУ _ nP2pm^h

еул ~ ~ А л ' ' Vr-Ц

где Г — усилие на штоке уравновешивающего цилиндра; р — давление зарядки газового баллона; h — плечо уравновешивающего цилиндра; V — относительная скорость поршня уравновешивающего цилиндра, V = ю'4'А; D — диаметр уравновешивающего цилиндра; г\е — КПД дизельного двигателя, т|е=0,38 + 0,42; т}„ — КПД гидронасоса.

Для размерного ряда погрузчиков величина дополнительной мощности Ng уц составляет 10 -s- 20 % от номинальной мощности двигателя в разных положениях стрелы. Основными параметрами системы уравновешивания сил тяже-

ста рабочего оборудования являются: рабочий объем уравновешивающего цилиндра УУц и объем газового баллона УГБ, который определяется по формуле

ГУ.Ц

(22) 5 я -1

где и — показатель политропы, л =1,3; 5 — степень изменения давления в газовом баллоне, 8 = 0,84 -5- 0,92.

В шестой главе разработана методика выбора параметров ковша и рабочего оборудования. Главным параметром ковша и фронтального погрузчика является грузоподъемность.

На рисунке 14 показано сечение ковша погрузчика и его параметры. Разработаны таблицы параметров ковша для грузоподъемного ряда погрузчиков при разных углах раскрытия ковша уа = 45°,50°,

55°. Разработанный метод расчета параметров ковша является развитием существующей теории ковша. В диссертации сформулировано конкретное определение номинальной вместимости ковша фронтального погрузчика в виде объема, образованного внутренней полостью ковша; получены формулы для вычисления площади сечения ковша и геометрических па-Рисунок 14. Сечение основного раметров основного ковша; выполнена

ковша погрузчика привязка сечения ковша к ковшовой систе-

ме координат уг тремя координатами: линейными координатами центра радиуса га (у2, г2) и угловой координатой а0; впервые получены корреляционные зависимости параметров основного ковша от грузоподъемности через радиус днища ковша г0.

Динамические давления в гидроцилиндрах стрелы рс для погрузчика с ЭСП определяются по уравнению с учетом сил инерции масс

_ ткёУк + т1г£Угг + тстр£Устр + тр£Ур тпа„

Р2Ь

(23)

"4 ■'■у с!~Ч ^"^с "4

где ап — ускорение поршня; тп — приведенная масса рабочего оборудования.

Условием, ограничивающим динамические нагрузки погрузчика, является номинальное давление гидросистемы рн, которое не должно превышать сумму статического давления рССТ и динамического давления Редин- Рн ^ Рс.ст + Ре дин ■ Уменьшение давления рс ст для погрузчиков с ЭСП по результатам исследований составило в динамических режимах 9,9-^29,4%.

В седьмой главе рассмотрено взаимодействие ковша погрузчика с рабочей

средой. Главным технологическим параметром погрузчика является глубина начального внедрения ковша в штабель Ьш . Условием достаточного заполнения ковша материалом или грунтом является начальное внедрение ковша в штабель на величину длины передней стенки ковша ¿йя = . При последующем повороте ковша происходит заполнение его материалом или грунтом с коэффициентом наполнения Кн »1,0. Впервые получены аналитические формулы для расчета сил С, Nl, М2, />|, К2, Ра, по правилам теоретической механики без упрощающих допущений в функции глубины внедрения Ьвн (рисунки 15, 16). 2

Рисунок 15. Первый этап внедрения ковша Рисунок 16. Второй этап внедрения ковша Лобовая сила IV1 на ноже и силы трения боковых стенок ковша составляют обычно небольшую долю от максимальной силы тяги погрузчика (не более 12%).

Силы трения Р2, силы нормального давления Ы2, сила сцепления являются аналитическими функциями, связывающими геометрические параметры ковша и физические параметры материала (коэффициенты: — трения скольжения материала по передней стенке ковша, ц2 — трения скольжения внутри массива, С — сцепление, р„ — плотность): = ; і<*2 = ■

F = В L

сц о вн

sina штС

вт(\|/2 -а^.)

Установлена аналитическая зависимость объема разрыхляемого материала при внедрении ковша от глубины внедрения ковша в штабель

, sin a ,„.,, sin ш.

sin(v|/2 - a .)•

(24)

где BQ - ширина внутренней полости ковша; G— вес призмы, G = УПРРМ ■

На первом этапе внедрения определяются силы N{, N2 (см. рисунок 15):

G(sin \\>2 + ц2 cos v|/2) + Fa(

(sin aQ + p.і cosa0)(cos \y2 - ц2 sin y2) + (cosao - sin ao)(sin у2 + ц2 cos\j/2)

^2 =

A^sin a0 + cosa0) - Fc¡( cos vj/2

(25)

ЛГ, =

sin Ц/2 + cos 4*2

Для второй фазы внедрения определяются силы Nl, N2 (см. рисунок 16):

- °AfiD )(sin + cos ) + FC11 (sin У] + p., COS VJ/])(cOS \\¡2 — H2 sin V|/2) + (cos V|/j — (J, sin VjXsin *)/2 + Ц2 cosy2)'

»2 =

Nl(sin \|/j + ц, cos \|/j) - Fc¡í cos і|/ sin V(/2 + Щ COS \\l2

(26)

где G

A,OD

- вес неподвижной призмы в ковше.

Горизонтальная сила сопротивления на ноже

Wx = wn + Nx (sin \|/, + ц, cos V|/,). (27)

Новизна предложенной модели расчета сил сопротивления при надвигании ковша на штабель состоит в использовании теории Ш. Кулона о существовании плоскости скольжения под углом »|/2 в массиве материала штабеля, величина

которого в диссертации определяется численным методом по условию экстремума горизонтальной силы внедрения Wx. Для погрузчика ПК-2 при LBff= 0,9 м;

ц/, =16°; ц.! = ц2=0,53; С=5000 Па; а^ =50°; угол \\>2 =81° (рисунок 17). ИькНГС------IV,, кН

0,8 Lm м

Рисунок 18. Зависимость силы внедрения от глубины внедрения ковша при разных углах

75 77 79 81 83 У2,град

Рисунок 17. Определение экстремума горизонтальной силы внедрения W^

Исследовано влияние угла a0 = v|/j, установки передней стенки ковша относительно опорной поверхности, на горизонтальную силу внедрения ковша W]. Для погрузчика ПК-2 =0,31; |д2 =0,401; сцепление С=5000 Па (рисунок 18). Первый участок с меньшей интенсивностью возрастания силы сопротивления соответствует свободному скольжению призмы грунта в ковше по передней стенке ковша при ц/, - ао = const. При дальнейшем внедрении в ковше образуется неподвижная клинообразная призма, угол у j которой при внедрении увеличивается от начального значения \j/j=a0 до максимального ці,= ,тах , поэтому усилие И7, на этом этапе внедрения возрастает с большей интенсивностью. Получены зависимости энергии внедрения ковша в штабель от глубины

внедрения для разных условий работы. Для ковшовых машин, осуществляющих начальное внедрение ковша в штабель или наклонный забой, целесообразно удельное сопротивление Ка по Н.Г. Домбровскому определять как удельную

энергию на единицу объема Ук разрабатываемого грунта (Дж/м3):

Ка=Ак/Ук, (28)

где Ак - работа копания; Vк- объем грунта в ковше.

В восьмой главе исследована динамика транспортных операций фронтального погрузчика. Неровности опорной поверхности на строительной площадке и карьере являются источником колебаний, которые возбуждают динамические нагрузки в гидроцилиндрах стрелы рабочего оборудования и снижают производительность и ресурс работы погрузчика.

В диссертации предложен метод расчета динамических параметров рабочего оборудования при взаимодействии колес погрузчика с линейной неровностью опорной поверхности, основанный на использовании дифференциального уравнения рабочего оборудования погрузчика (10) без правой части. В качестве возбудителя колебаний использовался линейный выступ (рисунок 19).

При движении погрузчика с постоянной скоростью Уд в момент подхода к началу выступа точке О центр контакта колеса и передний мост начинают подниматься вверх с постоянной скоростью ,

а рабочее оборудование стремится сохранить состояние покоя, поэтому поршень в гидроцилиндре стрелы приобретает относительную скорость У1.

На рисунке 20 приведены переходные процессы, возбуждаемые в гидроприводе стрелы погрузчика ПК-3 в транспортно-грузовом режиме.

2 ^гГТ яи 7'

у* > 8 £ -С *

/// 0 II 5! 1

Утах

Рисунок 19. Параметры линейной неровности опорной поверхности

/, с

у\

V

Г2 0.3 0.4

с

б)

Рисунок 20. Переходные процессы гидроцилиндра стрелы с грузом при движении погрузчика ПК-3 по линейной неровности с разными скоростями: а) ковш внизу (стрела опущена), Уд=0,5 м/с; б) ковш внизу (стрела опущена), Кй=3м/с

В результате исследований установлено, что рабочее оборудование погрузчика обладает ограниченной способностью гашения колебаний, что приводит к

необходимости снижения транспортной скорости при движении погрузчика по неровностям. При движении погрузчика ПК-3 со скоростью Уд= 3 м/с по неровности для разных положений стрелы возникает динамическое давление Ард =8-5-12 МПа, которое соизмеримо по величине со статическим давлением.

При выполнении технологических процессов номинальное давление рн в гидросистеме погрузчика должно удовлетворять условию: рн < рст + Ард.

В девятой главе выполнено исследование теории производительности фронтальных погрузчиков. Рассмотрены различные виды производительности.

Время цикла погрузчика формируется из следующих составляющих:

Тп =(К+1Т+(С+1Р+(Х, (29)

где /к — время заполнения ковша; — время транспортирования; 1С — время подъема стрелы на высоту погрузки; — время разгрузки ковша в транспортное средство; ¡х — время движения погрузчика с пустым ковшом к штабелю.

Техническая производительность фронтального погрузчика в диссертации определяется в (м3/ч) по формуле:

Пт= 3600^; (30)

где V — номинальный геометрический объем ковша; К„ — коэффициент наполнения ковша; Кр — коэффициент разрыхления при заполнении ковша.

Для определения длительности элементов цикла использован единый энергетический подход, заключающийся в использовании средней реализуемой мощности двигателя и работы сил сопротивления в каждом технологическом элементе рабочего цикла.

Время копания (черпания) материала определяется по формуле:

УгКаК„

Л^ТЧуК-ДІ-З)'

(31)

где Ка —удельное сопротивление копанию (МПа), (Дж/м ); г\т — тяговый КПД; т| — КПД трансмиссии; 5 — коэффициент буксования.

В диссертации выполнен анализ и сравнение технической производительности одноковшовых фронтальных погрузчиков с опубликованными экспериментальными данными разных авторов (табл. 1). В скобках показаны экспериментальные данные, опубликованные Л.С. Чебановым, Л.Г. Фохтом.

Расхождение расчетных и опубликованных результатов составляет 4-^7%.

Таблица 1

Техническая производительность одноковшовых погрузчиков и ее сравнение с экспериментальными результатами

2,2 3,4 7,3 15 30 65 75

Ьт, м 40 40 40 60 80 80 80

Пт, м3/ч 57,0 (58) 82,7 (87,5) 126,2 (125) 333,5 (359) 336,3 (-) 609,3 (-) 594,6 (-)

Выполнены исследования зависимости технической производительности от разных факторов: дальности транспортирования Ьт, категории прочности грунта, грузоподъемности погрузчика.

На основе разработанных математических моделей в диссертации приведены результаты расчетов показателей эффективности и удельных параметров традиционных погрузчиков и с энергосберегающим рабочим оборудованием.

В табл. 2 показано увеличение технической производительности погрузчиков с ЭСП для дальности транспортирования Ьт= 20 м и ЬГ=Ш м.

Предложен удельный показатель - удельная энергонасыщенность технической производительности

Э,(Лг) = (ЛГе/Лг)3 600. (32)

Таблица 2

Увеличение технической производительности одноковшовых погрузчиков с ЭСП для А'а=0,12 МПа при дальности транспортирования /, =40 м и ¿,.=80 м

Тип погрузчика ПК-2 пк-з ПК-7 ПК-15 ПК-30 ПК-75

Повышение производительности, % 33,525,2 36,6928,96 31,724,13 30,124.53 26,4923,19 28,2225,09

В табл. 3 показана удельная энергонасыщенность технической производительности погрузчиков для дальности транспортирования Ьт =40 ми Ьт =80 м.

Таблица 3

Удельная энергонасыщешюсть технической производительности погрузчика для грунта Ка =0,2 МПа при дальности транспортирования /,.=40 м и /,=80 м

2,2 3,3 7,3 15 30 65 75

Эу(Пт), кДж/(Мз/ч) 4076,8 4334,6 7170,5 4607,4 6663,3 6776,9 7114,3

Зу(Пт}, кДж/(Мз/ч) 6467,1 7022,6 12049,6 6951,6 9744 8795,6 9282,7

В десятой главе рассмотрена циклограмма технологического рабочего процесса фронтального погрузчика с ЭСП, методика определения потребности и стоимости дизельного топлива при выполнении рабочих процессов погрузчиков. При черпании материала погрузчиком совместная работа гидроцилиндров стрелы и ковша фронтального погрузчика невозможна.

Энергосберегающий привод обеспечивает повышение производительности за счет уменьшения времени цикла и увеличения коэффициента наполнения ковша.

На рисунке 21 представлена зависимость геометрического номинального объема ковша Уг от номинальной мощности Ме двигателя для размерного ряда фронтальных погрузчиков, позволившая установить линейную корреляционную зависимость объема ковша от мощности двигателя:

V,. =0,02ДГе. (33)

Vr, м3

о

О О / So о

J э

0 250 500 750 1000 1250 Ne, кВт Рисунок 21. Зависимость геометрического номинального объема ковша Vr от мощности двигателя Ne для размерного ряда фронтальных погрузчиков

Данная зависимость свидетельствует о том, что объем набираемого в ковш материала пропорционален реализуемой мощности двигателя. Применение ЭСП обеспечивает увеличение мощности погрузчика на 12ч-18% от номинальной мощности двигателя, поэтому в диссертации обосновано увеличение коэффициента наполнения ковша погрузчика с ЭСП при черпании грунта на ЛДГЯ=0,1 по сравнению с традиционным погрузчиком.

Способом решения проблемы повышения производительности погрузчика является применение ЭСП, который дает различные прямые и сопутствующие положительные эффекты. Уменьшение усилия при подъеме стрелы в основных гидроцилиндрах приводит к уменьшению нагрузок на валу насоса и двигателя внутреннего сгорания и положительно влияет на моторесурс двигателя. Повышение производительности погрузчика дает различные положительные результаты: уменьшение сроков выполнения работ приводит к снижению текущих затрат и расходов на заработную плату, приводит к экономии топлива двигателя.

В диссертации за основу расчета экономического эффекта погрузчика с энергосберегающим приводом принята экономия топлива двигателя и стоимость сэкономленного топлива при выполнении рабочих процессов. Главными эксплуатационными показателями двигателя внутреннего сгорания являются мощность двигателя и расход топлива. Сведения о часовом расходе топлива по внешней скоростной характеристике двигателя дают приблизительную информацию о действительном расходе топлива в процессе эксплуатации. Поэтому в диссертации разработан аналитический метод построения частичных характеристик крутящих моментов, часового расхода и мощности двигателя внутреннего сгорания. Часовой расход топлива двигателем при эксплуатации определяется по формуле

^е.нёе 1000

где С — расход топлива на холостом режиме, кг/ч; — удельный расход топлива г/(кВт-ч); К — коэффициент использования мощности двигателя.

В диссертации разработана методика определения эксплуатационной производительности Пэ, которая учитывает квалификацию оператора и технологические особенности рабочего процесса погрузчика.

Эксплуатационная производительность Пэ в диссертации определяется по формуле

Ъ6ШгКи

П =- --(35)

где Кки — коэффициент, характеризующий квалификацию оператора, задаваемый целыми числами, Ккн =1 + 3; пкс — число ковшей, необходимых для заполнения самосвала, пкс= 3+4; пх — число, определяющее кратность вспомогательного времени самосвалов времени цикла погрузчика, пх =2+5.

С =в + еиВе К , (34)

Т ТЛ 1ППП не' 4 '

Эксплуатационная производительность Пэ по формуле (35) составила для традиционного погрузчика В-140 Дэ =39,79 м 3/ч и с ЭСП Пэ=42,807 м3/ч. Относительное увеличение Пэ за счет уменьшения времени цикла погрузчика с ЭСП является таким же, как и для технической производительности Пт.

При расчете расхода топлива двигателя принимается концепция разделения времени 1 часа работы погрузчика на основное технологическое время ^, которое характеризуется высоким коэффициентом использования мощности К и время холостых операций. Средний расход топлива за 1 ч работы погрузчика определяется как сумма расходов за время ^ и /2

Сг.л = С,тЛ + Ст2 = Стн + Стл. ^. (36)

Для пофузчика с двигателем ЯМЭ-236Н параметры которого: пкс= 3; пх= 4; Кк1! =2; Кке= 0,7 расход топлива составил Ог1=14,7 кг/ч; 0;2=1,6 кг/ч; С7, я=16,3 кг/ч. Выполненный анализ показал, что расход топлива двигателя погрузчика является главной статьей эксплуатационных расходов, которые многократно превышают расходы на зарплату оператора и другие расходы, поэтому экономия топлива двигателя является актуальной проблемой в строительстве.

Расчет экономии топлива двигателем выполнен в диссертации для работы погрузчика в карьере. Годовой объем переработки материала в карьере задан О, =600 тыс. т; годовой фонд рабочего времени 7). = 1456 ч; плотность насыпного материала р„=1800 кг/м3.

Производительность карьера Пк (м3/ч) определяется по формуле

(37)

ТгРм

Для обеспечения требуемой производительности карьера необходимо подобрать тип и количество погрузчиков. Эта задача решена в диссертации при помощи показателя удельной энергонасыщенности технической производительности погрузчика Эу(Пт) кДж/(м3/ч).

Мощность погрузочных средств, необходимых для обеспечения заданной производительности карьера, определяется по формуле

л/ Пк-Эу{Пт)

Ыек=---. (38)

3600

Для погрузчика ПК-4 удельная энергонасыщенность технической производительности составляет ЭУ{ПТ)= 4014 кДж/(м3/ч). Потребная мощность по формуле (38) составляет Мек=255 кВт. Для разработки карьера с заданной интенсивность можно использовать два погрузчика мощностью 132 кВт каждый при односменной работе. На погрузчиках можно использовать двигатель ЯМЗ-236М2. Расход топлива за год работы погрузчика ПК-4

7>; Отпг=14,7-1672=24578,4 кг. (39)

Стоимость израсходованного за год топлива при стоимости 28 руб. за 1 кг для погрузчика ПК-4 составляет Стг =688195 руб.

Применение ЭСП на погрузчике в виде технического решения, содержащего уравновешивающий цилиндр и газовый баллон, заряженный сжатым воздухом до давления р=10+15 МПа, дает значительную экономию топлива.

Современные погрузчики в средних условиях работы осуществляют зачерпывание материала с коэффициентом наполнения Кн =0,7 + 1,0.

Уравновешивающий цилиндр обладает добавочной мощностью, которая увеличивает производительность за счет увеличения коэффициента наполнения ковша. Увеличение производительности погрузчика за счет уменьшения времени цикла Тц на 7,58% и за счет увеличения коэффициента наполнения ковша на АКН =0,1 составило 17,5%. Затраты на создание погрузчика с энергосберегающим приводом состоят из стоимости мобильного компрессора для нагнетания сжатого воздуха в газовый баллон, стоимости уравновешивающего цилиндра и стоимости газового баллона: С = С +С +С =70+20+15=105 тыс. руб.

МЛ К уд Г£ Г .7

Повышение производительности одноковшового фронтального погрузчика на 17,5% (5Г=0,175) дает годовую экономию топлива, определяемую по формуле

Эг (г) = Стг 8Т =120434 руб.

Затраты на изготовление энергосберегающего привода фронтального погрузчика окупаются менее чем за один год эксплуатации погрузчика в карьере.

Разработанная методика, позволяет определять мощность двигателя погрузчика, число погрузчиков и потребность топлива, необходимые для выполнения заданного объема работ в карьере.

Первые положительные результаты использования энергосберегающих приводов получены в лабораторных условиях на экспериментальном стенде в СибАДИ в 90-е годы. После изготовления опытного образца погрузчика на Орловском заводе и проведения успешных испытаний погрузчику был присвоен государственный индекс ТО-ЗО-1. За три года изготовлено 15 погрузчиков с энергосберегающими системами. Однако такие погрузчики, основанные на принципе рекуперации потенциальной энергии, использующие пневмогидроак-кумуляторы не получили серийного воплощения в связи с высокой стоимостью пневмогидроаккумулятора. В данной работе предложены энергосберегающие приводы рабочего оборудования, которые найдут применение в строительном машиностроении и технике.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ Основные результаты, рекомендации и перспективы дальнейшей разработки темы

1. Решена научно-техническая проблема повышения эффективности одноковшовых фронтальных погрузчиков за счет использования энергосберегающего привода, обеспечивающего повышение производительности н экономию топлива.

2. Энергосберегающий привод, состоящий из уравновешивающего цилиндра, поршневая полость которого соединена с баллоном, заряженным воздухом под давлением порядка 10 -=-15 МПа является техническим решением, которое выводит

фронтальный погрузчик на новый более высокий технический уровень. При реализации ЭСП давление в гидроцилиндрах стрелы снижается в среднем на 10-г 30% в разных положениях стрелы (нижнем, горизонтальном, верхнем).

3. Разработана математическая модель исследования кинематических параметров рабочего оборудования фронтальных погрузчиков, основанная на методе преобразования координат и методе кинематических треугольников, реализующая позиционирование углов и координат звеньев гидромеханизмов подъема стрелы и поворота ковша, работающих при подъеме и опускании стрелы в режиме следящего выравнивания заданных положений ковша.

4. Для размерного ряда грузоподьемностей фронтальных погрузчиков определены корреляционные зависимости мощности двигателя от грузоподъемности и эксплуатационной массы. Разработана методика задания внешних характеристик двигателя при помощи таблиц узловых точек с использованием полиномов Лагран-жа. Разработана методика аналитического построения частичных характеристик крутящих моментов и расхода топлива, реализующих длительно протекающие динамические процессы рабочего оборудования.

5. Получены корреляционные зависимости грузоподъемности пневматической шины от эксплуатационной массы и грузоподъемности фронтального погрузчика. Главными параметрами пневмоколеса являются грузоподъемность, ширина и высота профиля, диаметр посадочного диска, давление воздуха в шине. Получены корреляционные зависимости параметров пневмоколеса для размерного рядапогрузчиков.

6. Геометрические параметры рабочего оборудования: длина стрелы Ьс, высота погрузки II п, вылет ковша 1П, размер уступа густ и др. зависят от грузоподъемности погрузчика в степени 1/3.

7. Выполнено развитие динамики гидравлических механизмов рабочего оборудования фронтальных погрузчиков на основе линейного дифференциального уравнения второго порядка. Выполнены исследования динамики быстро протекающих динамических процессов при разгоне и торможении гидромеханизмов для различных режимов управления сечениями проходных окон золотника. Определены и подтверждены результатами численных экспериментов рациональные значения коэффициентов демпфирования и жесткости гидроприводов фронтальных погрузчиков; исследовано влияние приведенных к поршню масс рабочего оборудования, скорости и ускорения поршня на динамические переходные процессы скорости и ускорения поршня.

8. Установлена возможность преобразования аналога угловой скорости стрелы погрузчика по перемещению поршня в функцию силового плеча гидромеханизмов рабочего оборудования И(сс) = (1сс/с1^АК Получена теорема высот вершин треугольника, позволяющая определять силовые плечи гидромеханизмов погрузчиков в кинематических треугольниках гидромеханизма стрелы, энергосберегающего гидромеханизма и поворота ковша без использования тригонометрических функций.

9. Разработана общая методика проектирования ковша для размерного ряда грузоподьемностей фронтальных погрузчиков. Главные параметрами ковша фрон-

тального погрузчика: номинальная грузоподъемность Qn и номинальная геометрическая вместимость Vr. Основными геометрическими параметрами ковша являются: радиус криволинейного днища г0 и угол раскрытия ковша уа.

10. Выполнено развитие теории взаимодействия ковша погрузчика со штабелем, базирующейся на использовании удельного сопротивления грунта копанию в функции числа ударов плотномера ДорНИИ.

11. Первый и второй этапы внедрения ковша в штабель рассматриваются как процесс, которому сопутствуют процессы разрыхления объема зачерпываемого материала и его движение в ковш. Установлена аналитическая зависимость объема разрыхляемого материала от глубины внедрения ковша в штабель. Получены аналитические выражения для расчета сил сопротивления при внедрении ковша поступательным движением погрузчика и повороте ковша в штабеле при зачерпывании, использующие минимальное число допущений.

12. Разработана методика расчета времени рабочего цикла фронтальных погрузчиков традиционного исполнения и с ЭСП, в которой составляющие элементов времени цикла определяются по единой энергетической теории, связывающей мощность каждого технологического элемента рабочего процесса с работой сил сопротивления в элементах цикла. ЭСП обеспечивает уменьшение времени подъема стрелы с грузом в ковше и увеличение коэффициента наполнения ковша, что дает общее повышение производительности на 17,5%.

13. Методика расчета эксплуатационной производительности фронтальных погрузчиков позволила установить ее зависимость от способа загрузки самосвала, квалификации оператора, теоретического времени цикла погрузчика Т1(.

14. Разработана методика расчета часового расхода топлива в условиях эксплуатации погрузчика. Расход топлива погрузчика ПК-4 при непрерывной работе в карьере при погрузке самосвалов в течение годового фонда рабочего времени 1672 ч составляет 24578 кг, стоимость которого равна 688195 руб. Годовая экономия дизельного топлива погрузчика ПК-4 составила 120434 руб.

В результате повышения производительности погрузчика с энергосберегающим приводом затраты на реализацию энергосберегающего привода в сумме 105 тыс. руб. окупаются менее чем за 1 год работы погрузчика в карьере.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах

В изданиях, рекомендованных перечнем ВАК РФ

1. Бояркина, И.В. Автоматизированное проектирование погрузочного оборудования фронтального погрузчика /В.Н. Тарасов, М.В. Козлов, И.В. Бояркина // Известия вузов. Строительство. —1993. —№ 9. — С.86 — 90.

2. Бояркина, ИВ. Математическое моделирование динамических процессов рабочего оборудования при проектировании экскаватора /В.Н. Тарасов, И.В. Бояркина, М.В. Коваленко // Строительные и дорожные машины. —2002. №9— С.41-43.

3. Бояркина, ИВ. Применение методов аналитической механики при проектировании строительных машин /В.Н. Тарасов, И.В. Бояркина, М.В. Коваленко // Строительные и дорожные машины. - 2003. —№1. — С.28 — 30.

4. Бояркина, И.В. Аналитическое проектирование механических систем на

примере экскаватора /В.Н. Тарасов, И.В. Бояркина, М.В. Козлов, М.В. Коваленко // Строительные и дорожные машины. -2003. -№2. -С.31 — 33.

5. Бояркина, И.В. Методика аналитического проектирования рабочего оборудования фронтального погрузчика /В.Н. Тарасов, И.В. Бояркина, М.В. Коваленко //Строительные и дорожные машины—2004—№4.-С.37-41.

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

7. Бояркина, И.В. Уравновешенное рабочее оборудование как средство повышения эффективности погрузочно-транспортных машин /И.В. Бояркина // Строительные и дорожные машины - 2007. — №12. — С.41—43.

8. Бояркина, И.В. Теорема высоты треугольника /ВЛ. Тарасов, И.В. Бояркина // Вестник СибАДИ: научный рецензируемый журнал.-Омск: СибАДИ- 2010. -№3(17).-С. 69-72.

9. Бояркина, И.В. Энергосберегающее рабочее оборудование стреловой одноковшовой машины /ИВ. Бояркина // Строительные и дорожные машины- 2011. -№4. - С.60.

10. Бояркина, И.В. Энергосберегающее рабочее оборудование одноковшового экскаватора на поворотной колонке /И.В. Бояркина // Строительные и дорожные машины - 2011. - №11. - С.62.

11. Бояркина, И.В. Основные теоремы площадей квадратов и треугольника /В.Н. Тарасов, И.В. Бояркина // Вестник СибАДИ: научный рецензируемый журнал.-Омск: СибАДИ,- 2011. -№ 4(22). -С. 52-54.

12. Бояркина, И.В. Методика определения эксплуатационной производительности и расхода топлива погрузочно-транспортного средства /В.Ю. Кирпичный, В.Н. Тарасов, И.В. Бояркииа'/'Весшик СибАДИ: научный рецензируемый журнал.-Омск: СибАДИ,- 2012. —№ 1(23). -С. 12-16.

13. Бояркина, И.В. Основные параметры поворота погрузчика с шарнирно-сочлененной рамой /И.В. Бояркина // Вестник СибАДИ: научный рецензируемый журнал.-Омск: СибАДИ,- 2012. -№ 2(24). -С. 7-10.

14. Бояркина, И.В. Методика проектирования основного ковша фронтального погрузчика /В.Н. Тарасов, И.В. Бояркина, C.B. Озеров, Л.Ю. Парицкая // Строительные и дорожные машины — 2012. — №6. — С.39-43.

15. Бояркина, И.В. Методика определения потребности и стоимости дизельного топлива при выполнении погрузочно-транспортных работ в карьере /В.В. Бирюков, В Л. Тарасов, И.В. Бояркина // Вестник СибАДИ: научный рецензируемый журнал.-Омск: СибАДИ.-2012.-№2(26).-С. 121-124.

Монографии

16. Бояркина, И.В. Теория удара в строительстве и машиностроении: монография /В.Н. Тарасов, И.В. Бояркина, М.В. Коваленко, С.М. Кузнецов, И.Ф. Шле-гель.-М.: Изд-во АСВ, 2006. - 336 с.

17. Бояркина, И.В. Технологическая механика одноковшовых фронтальных погрузчиков: монография /И.В. Бояркина. - Омск: СибАДИ, 2011. - 336 с.

Публикации в других изданиях 18. Бояркина, И.В. Аналитическая аппроксимация внешних скоростных ха-

рактеристик двигателей внутреннего сгорания /И.В. Бояркина //Вестник Академии военных наук. -2009. - №3 (28). -С. 266-269.

19. Бояркина, И.В. Повышение технического уровня современных одноковшовых экскаваторов и фронтальных погрузчиков на основе принципа уравновешивания сил тяжести рабочего оборудования /И.В. Бояркина// Материалы 63-й научно-технической конференции ГОУ СибАДИ.-Омск: СибАДИ- 2009. Кн. 1.-С. 227-230.

20. Бояркина, И.В. Методика приведения масс рабочего оборудования и массы груза в ковше к поршню гидроцилиндра стрелы фронтального погрузчика /И.В. Бояркина// Подъемно-транспортные, строительные, дорожные, коммунальные машины и оборудование»,- Караганды: «Болашак-Баспа», 2011. -222 с, С.24-28.

21. Бояркина, И.В. Методика аналитического расчета частичных скоростных характеристик крутящего момента и часового расхода топлива двигателей внутреннего сгорания /И.В. Бояркина// Материалы Всероссийской научно-технической конференции (с международным участием).-Омск: СибАДИ - 2011. Кн. 2. -С. 481-485.

22. Бояркина, И.В. Теоретическая механика /В.Н. Тарасов, И.В. Бояркина, М.В. Коваленко, Н.П. Федорченко, Н.И. Фисенко.-М.:Изд-во «ТрансЛит».- 2-е издание, 2012-560 с.

23. Бояркина, И.В. Теорема высот треугольника в математике и технике /В.Н. Тарасов, И.В. Бояркина // Materiäly VIII mezinärodni vedecko — praktickä konference «Dny vedy - 2012». - Dü 90. Technicke vedy: Praha. Publishing House «Education and Science» sxo - 80 stran. -C. 3-9.

24. Бояркина, И.В. Энергосберегающий привод рабочего оборудования как средство получения дополнительной мощности фронтального погрузчика /И.В. Бо-яркина//Материальг 66-й научно-технической конференции ФГБОУ ВПО СибАДИ (с международным участием).-Омск: СибАДИ - 2012. Кн. 1.-С. 425-429.

Патенты РФ

25. Пат. 2280737 Российская Федерация. Устройство уравновешивания рабочего оборудования стреловой машины /В.Н. Тарасов, И.В. Бояркина. Опубл. БИ. Xo21.-2006.-6c.

26. Пат. 2299296 Российская Федерация. Система уравновешивания рабочего оборудования стреловой машины /В.Н. Тарасов, ИВ. Бояркина. Опубл. БИ. №14. -2006.-2 с.

27. Пат. 2304668 Российская Федерация. Устройство уравновешивания силы тяжести рабочего оборудования стреловой машины /В.Н. Тарасов, И.В. Бояркина. Опубл. БИ. №23. - 2007. -6 с.

28. Пат. 2311630 Российская Федерация. Устройство для определения сцепления сыпучих материалов при деформации сдвига / И.В. Бояркина. Опубл. БИ. №33.— 2007. -8 с.

29. Пат. 2342496 Российская Федерация. Устройство защиты гидропривода фронтального погрузчика/И.В. Бояркина. Опубл. БИ. №36.-2008. -6 с.

30. Пат. 2314390 Российская Федерация. Устройство уравновешивания рабочего оборудования гусеничного погрузчика /В.Н. Тарасов, ИЛ. Бояркина. Опубл. БИ.№1. —2008,—5 с.

31. Пат. 2405893 Российская Федерация. Энергосберегающее рабочее оборудование стреловой одноковшовой машины /В.Н. Тарасов, И.В. Бояркина. Опубл. БИ. №34.-2010.-5 с.

Подписано к печати 05.03.2013. Формат 60x90 1/16. Бумага писчая Оперативный способ печати Гарнитура Times New Roman Усл. п. л. 2,0; уч.-изд. л. 1,5. Тираж 150 экз. Заказ № 61

Отпечатано в подразделении оперативной полиграфии УМУ СибАДИ 644080, г. Омск, пр. Мира, 5.

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия (СибАДИ)»

На правах рукописи 05201350989 —

Бояркина Ирина Владимировна

РАЗВИТИЕ МЕХАНИКИ РАБОЧИХ ПРОЦЕССОВ ОДНОКОВШОВЫХ ФРОНТАЛЬНЫХ ПОГРУЗЧИКОВ

Специальность 05.05.04 - Дорожные, строительные и подъемно-

транспортные машины

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Омск-2012

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ...................................................................................10

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ...........19

1.1. Общий обзор работ по динамике рабочих процессов транспортно-технологических машин и фронтальных погрузчиков........................19

1.2. Анализ работ по динамике рабочего оборудования фронтальных погрузчиков в элементах технологического цикла...........................23

1.3. Обзор работ, посвященных исследованию динамики гидроприводов и рекуперации потенциальной энергии рабочего оборудования фронтальных погрузчиков.......................................26

1.4. Выводы по обзору...............................................................29

2. ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕНДЕНЦИЙ РАЗВИТИЯ ПНЕВМОКОЛЕСНЫХ ОДНОКОВШОВЫХ ФРОНТАЛЬНЫХ ПОГРУЗЧИКОВ........................31

2.1. Характеристика фронтального погрузчика как сложной механической системы..............................................................31

2.2. Перспективы развития фронтальных погрузчиков......................34

2.3. Коэффициент полезного действия рабочего оборудования фронтальных погрузчиков..........................................................39

2.4. Тенденции развития систем управления рабочим оборудованием фронтальных погрузчиков..........................................................43

2.5. Общая характеристика параметров размерного ряда пневмоколесных фронтальных погрузчиков с энергосберегающим приводом.............................................................................. 45

2.5.1. Классификация параметров погрузчика...........................45

2.5.2. Габаритные геометрические и технологические параметры пневмоколесных погрузчиков. Таблицы параметров..................47

2.6. Основные параметры фронтальных погрузчиков, закономерности

их изменения..........................................................................57

2.7. Корреляционные функции габаритных геометрических параметров фронтальных погрузчиков размерного ряда....................65

2.8. Выводы...........................................................................67

3. МЕТОДИКА ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ДВИЖЕНИЙ ПОГРУЗОЧНОГО ОБОРУДОВАНИЯ ФРОНТАЛЬНОГО ПОГРУЗЧИКА.. .68

3.1. Декомпозиция рабочего оборудования на отдельные тела............68

3.2. Прямое и обратное преобразование координат...........................70

3.3. Метод кинематических треугольников при проектировании рабочего оборудования фронтальных погрузчиков...........................72

3.4. Вращательное движение стрелы..............................................76

3.5. Плоское движение рычага.....................................................78

3.6. Движение тяги и ковша.........................................................79

3.7. Выводы...........................................................................82

4. ТЕОРИЯ И ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЗВЕНЬЕВ МАШИННОЙ СИСТЕМЫ: ДВИГАТЕЛЬ - СИЛОВЫЕ АГРЕГАТЫ -ПНЕВМОКОЛЕСНЫЙ ДВИЖИТЕЛЬ - ШАРНИРНО

СОЧЛЕНЕННАЯ РАМА..................................................................83

4.1. Характеристики двигателя как источника механической

энергии фронтального погрузчика...............................................83

4.1.1. Общие сведения о характеристиках двигателей внутреннего сгорания..........................................................83

4.1.2. Дифференциальные уравнения дизельного двигателя фронтального погрузчика, частотные характеристики................85

4.1.3. Аналитическая аппроксимация внешних скоростных характеристик двигателей внутреннего сгорания.......................92

4.1.4. Общие сведения о быстро и длительно протекающих динамических процессах в дизельных двигателях......................98

4.1.5. Математическая модель дизельного двигателя, основанная на использовании полиномов Лагранжа.................104

4.1.6. Основные параметры двигателей размерного ряда фронтальных погрузчиков...................................................108

4.2. Силовые агрегаты трансмиссии............................................110

4.2.1. Теория расчета выходных параметров

гидродинамических передач фронтальных погрузчиков.............110

4.2.2. Основные параметры гидрообъемной трансмиссии фронтальных погрузчиков...................................................119

4.3. Основные положения теории пневматического колеса................122

4.3.1. Общие сведения о теории пневматического колеса............122

4.3.2. Физическая сущность явления грузоподъемности пневматического колеса.....................................................123

4.3.3. Расчет параметров пневматических шин для фронтальных погрузчиков....................................................................128

4.3.4. Основные закономерности изменения параметров пневматической шины фронтального погрузчика.....................132

4.4. Кинематика поворота шарнирно сочлененной рамы..................134

4.5. Выводы..........................................................................140

5. ТЕОРИЯ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО РАБОЧЕГО ОБОРУДОВАНИЯ, ГИДРОМЕХАНИЗМЫ. ДИНАМИКА И СИЛОВЫЕ ХАРАКТРИСТИКИ РАБОЧЕГО ОБОРУДОВАНИЯ........................................................142

5.1. Общие геометрические параметры гидромеханизмов стрелы

и ковша в предельных положениях.............................................142

5.2. Аналитическая связь параметров рабочего оборудования...........148

5.3. Технологические функции гидроцилиндра стрелы фронтального погрузчика.........................................................150

5.4. Основные положения к исследованию динамики длительно протекающих динамических процессов рабочего оборудования........................................................................153

5.5. Дифференциальные уравнения движения поршневого исполнительного гидромеханизма фронтального погрузчика............158

5.6. Методика приведения масс рабочего оборудования и массы груза в ковше к поршню гидроцилиндра стрелы фронтального погрузчика..........................................................165

5.7. Скорость движения поршня гидроцилиндра стрелы...................171

5.8. Методика аналитического решения дифференциального уравнения разгона и торможения рабочего оборудования погрузчика при ступенчатом управлении распределителем...............173

5.9. Аналитическое исследование динамики рабочего оборудования при линейном законе управления распределителем.........................185

5.10. Исследование переходных процессов гидравлического

рабочего оборудования супертяжелого погрузчика ГЖ-75............... 189

5.11. Математическая модель силовых расчетов механизмов рабочего оборудования............................................................191

5.12. Математическая модель силовых расчетов

энергосберегающего рабочего оборудования...............................199

5.13. Аналитическое исследование кинематических характеристик гидромеханизма подъема стрелы.............................203

5.14. Математическая модель кинематических и силовых

расчетов гидромеханизма поворота ковша....................................216

5.15. Определение максимальной мощности уравновешивающего цилиндра для размерного ряда фронтальных погрузчиков................221

5.16. Выбор рациональных параметров системы уравновешивания

сил тяжести рабочего оборудования погрузчика............................222

5.17. Выводы.........................................................................225

6. ГЕОМЕТРИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ КОВША И РАБОЧЕГО ОБОРУДОВАНИЯ ФРОНТАЛЬНОГО ПОГРУЗЧИКА..........................227

6.1. Выбор типа ковша.............................................................227

6.2. Недостатки официальной методики расчета номинального объема ковша фронтальных погрузчиков.....................................228

6.3. Методика проектирования ковша фронтального погрузчика........231

6.4. Основные параметры ковша размерного ряда фронтальных погрузчиков.......................................................................... 234

6.5. Привязка сечения ковша к системе координат..........................238

6.6. Перспективы развития теории ковша фронтальных погрузчиков..241

6.7. Методика позиционирования и выбора параметров рабочего оборудования традиционных погрузчиков и с энергосберегающим приводом.............................................................................242

6.8. Методика расчета давлений в гидроцилиндрах стрелы и оценка эффективности снижения давлений энергосберегающим приводом... 254

6.9. Выводы..........................................................................260

7. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ МЕХАНИКА ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КОВША

С РАБОЧЕЙ СРЕДОЙ....................................................................261

7.1. Определение сопротивления на затупленной кромке ножа..........261

7.2. Этапы взаимодействия ковша погрузчика со штабелем..............265

7.3. Расчет секторной площади при заполнении

ковша материалом или грунтом.................................................267

7.4. Определение объема пространства под передней стенкой

ковша при внедрении в штабель.................................................270

7.5. Аналитический метод расчета сил взаимодействия

ковша погрузчика со штабелем..................................................274

7.6. Оценка характеристик прочности грунтов для

размерного ряда фронтальных погрузчиков..................................279

7.7. Исследование физической сущности трения скольжения мелкокусковых сыпучих материалов............................................290

7.7.1. Трение скольжения пары твердых тел............................290

7.7.2. Физическая сущность трения скольжения сыпучего мелкокускового материла по стальной поверхности.................293

7.7.3. Прибор для исследования сил трения скольжения мелкокусковых сыпучих материалов.....................................297

7.7.4. Результаты экспериментальных исследований сил трения скольжения сыпучих материалов..........................................300

7.8. Аналитическое исследование процесса взаимодействия

ковша погрузчика со штабелем сыпучего материала.......................305

7.9. Процесс раздельного зачерпывания ковшом погрузчика сыпучего материала в штабеле...................................................308

7.10. Расчет момента сопротивления при повороте ковша в штабеле. ..311

7.11. Способ черпания поворотом стрелы фронтальным погрузчиком с энергосберегающим приводом...............................316

7.12. Рыхление материалов в штабеле зубьями ковша погрузчика......319

7.13. Взаимодействие ковша супертяжелого погрузчика

с грунтовым штабелем.............................................................322

7.14. Поворот ковша супертяжелого погрузчика в грунтовом

штабеле.................................................................................331

7.15. Выводы........................................................................335

8. ДИНАМИКА ТРАНСПОРТНЫХ ОПЕРАЦИЙ ПОГРУЗЧИКА.............337

8.1. Методика аналитического исследования динамических давлений в гидроцилиндрах стрелы при движении погрузчика

по неровностям опорной поверхности..........................................337

8.2. Устройство защиты гидропривода фронтального

погрузчика при движении по неровностям опорной поверхности.......345

8.3. Выводы..........................................................................348

9. ТЕОРИЯ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ОДНОКОВШОВЫХ ФРОНТАЛЬНЫХ ПОГРУЗЧИКОВ...................................................350

9.1. Критерии эффективности фронтальных погрузчиков..................350

9.2. Математическая модель технологического процесса фронтального погрузчика и результаты исследования.....................354

9.3. Результаты аналитических исследований технической производительности фронтальных погрузчиков, адекватные экспериментальным данным......................................................360

9.4. Закономерности изменения основных параметров

размерного ряда одноковшовых фронтальных погрузчиков..............363

9.5. Определение характеристик прочности материала путем внедрения передней стенки ковша в штабель.................................368

9.6. Математическая модель технологического процесса

и результаты расчета выходных параметров одноковшовых фронтальных погрузчиков с энергосберегающим приводом..............373

9.7. Удельные показатели оценки эффективности одноковшовых фронтальных погрузчиков........................................................379

9.8. Оценка эффективности погрузчиков при помощи энергетического потенциала производительности..........................384

9.9. Выводы........................................................................ 385

10. МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОТРЕБНОСТИ И СТОИМОСТИ ДИЗЕЛЬНОГО ТОПЛИВА ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПОГРУЗЧИКОВ.........................387

10.1. Методика аналитического расчета частичных скоростных характеристик крутящего момента и часового расхода топлива двигателей внутреннего сгорания...............................................387

10.2. Циклограмма рабочего процесса фронтального погрузчика

с энергосберегающим приводом.................................................393

10.3. Экспериментальные исследования, выполненные по научному направлению «Энергосберегающие системы фронтальных погрузчиков»........................................................................398

10.4. Методика определения эксплуатационной производительности

и расхода топлива погрузчика....................................................403

10.5. Методика определения потребности и стоимости израсходованного дизельного топлива при выполнении погрузочно-транспортных работ в карьере.................................................. 412

10.6. Выводы..................................................................... 418

РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ВЫВОДЫ...............................................419

Список литературы ПРИЛОЖЕНИЕ

10

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. Важнейшей задачей современного строительного машиностроения является дальнейшее повышение производительности труда на всех операциях строительного производства.

В работе рассматривается класс погрузочно-транспортных машин - одноковшовые фронтальные погрузчики. Конструкции современных фронтальных погрузчиков воплотили основные достижения современной техники, к которым относятся: использование пневмоколесного движителя, применение шарнирно сочлененных рам со следящими системами рулевого управления, применение гидравлического рабочего оборудования привода стрелы и ковша, использование простой перекрестной схемы управления ковшом, использование современных кабин, оснащение погрузчиков элементами управления и автоматики и многое другое.

Рабочее оборудование фронтальных погрузчиков, обладающее значительными массами, снабженное гидромеханизмами подъема стрелы и поворота ковша, является источником динамических нагрузок.

Технологическими операциями рабочего цикла погрузчика являются: зачерпывание материала в штабеле и копание грунта ковшом, транспортно-грузовой режим движения погрузчика, крановый режим и др. Элементы рабочего цикла погрузчика характеризуются высоким использованием мощности двигателя и повышенным расходом топлива. Процесс зачерпывания материала характеризуется большими динамическими нагрузками и малым временем черпания материала. Недостаточное заполнение ковша материалом приводит к снижению производительности и эффективности погрузчика. Процессы опускания рабочего оборудования и ковша в нижнее положение черпания могут сопровождаться ударами поршня о крышку гидроцилиндра стрелы и являются источником динамических нагрузок.

и

Транспортно-грузовой режим и транспортный холостой режим погрузчика оказывается достаточно протяженными, поэтому их сокращение является резервом повышения производительности погрузчика.

Большие массы поднимаемого груза и ковша, консольность рабочего оборудования являются источником динамических нагрузок в операциях разгона и торможения рабочего оборудования. Сокращение времени цикла фронтального погрузчика можно добиться выбором рациональных параметров погрузчика, двигателя и рабочего оборудования. Поэтому данная работа, посвященная развитию механики рабочих процессов фронтальных погрузчиков, является актуальной.

Объектом исследования диссертации являются рабочие процессы одноковшовых фронтальных погрузчиков.

Предметом исследования являются закономерности энергосберегающих рабочих процессов фронтальных погрузчиков.

Степень разработанности темы. В развитие теории землеройных, строительных и транспортных машин значительный вклад внесли: К.А. Артемьев, В.Ф. Амельченко, В.И. Баловнев, Ю.А. Бурьян, Ю.А. Ветров, Д.П. Волков, В.В. Гуськов, Н.Г. Домбровский, В.А. Жулай, A.B. Захаренко, А.Н. Зеленин, И.П. Керов, Е.М. Кудрявцев, Э.Н. Кузин, В.А. Мещеряков, И.А. Недорезов, П.И. Никулин, В.Б. Пермяков, В.Н. Тарасов, H.A. Ульянов, Ю.Ф. Устинов, Д.И. Федоров, B.C. Щербаков и другие.

Основы теории гидравлического рабочего оборудования землеройных и строительных машин заложили: Т.В. Алексеева, В.Ф. Амельченко, И.П. Артоболевский, Т.М. Башта, И.П. Бородачев, Н.С. Галдин, В.А. Зиновьев, В.А. Зорин, Т.А. Сырицин и другие ученые.

Основы теории эффективности одноковшовых фронтальных погрузчиков разработали: А.Ф. Базанов, Ю.В. Гинзбург, А.Д. Костылев, П.А. Михирев, Р.Ю. Подэрни, Б.М. Позин, Г.В. Родионов, В.Н. Стогов, Л.Г. Фохт, Л.С. Чебанов, А.И. Швед и многие другие ученые.

В работах названных авторов заложены основы проектирования, выбора параметров, основы эффективной эксплуатации машин, при этом, как правило,

оценивалось современное состояние уровня техники без анализа перспективы ее дальнейшего развития.

В настоящей работе впервые предложена методика математического моделирования и анализа основных геометрических, кинематических и силовых параметров всего размерного ряда одноковшовых фронтальных погрузчиков. Установлены корреляционные зависимости основных параметров размерного ряда фронтальных погрузчиков от грузоподъемности и эксплуатационной массы, которые позволили создать размерные ряды для параметров ковша, рабочего о