автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.04, диссертация на тему:Влияние износа зубьев ковша гидравлических экскаваторов на нагруженность металлоконструкций рабочего оборудования

РГб од

/ О «5 1 П

/ О "МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН КАЗАХСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АРХНТЕКТУРНО-СТРОИТЕЛЬ^ЙЯ АКАДЕМИЯ

На правах рукописи

РАЕАТОВ СВДАБЕК МНШЕТОВИЧ

УДК 621.879.06

ВЛИЯНИЕ ИЗНОСА ЗУБЬЕВ КОВША ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ЭКСКАВАТОРОВ НА' НАГРУЖЕННОСТЬ МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЙ РАБОЧЕГО ОБОРУДОВАНИЯ

Специальность -05.05.04 "Дородные и строительные машины"

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

АЛМА-АТА 1993

Работа выполнена в Казахской государственной архитектурно-строительной академии.

Научный руководитель - доктор технических наук,профессор

Р.А.Кабашев.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,профессор

Т.Аскарходкаев.

кандидат технических наук,доцент Ж.Н.Касымбеков.

с

Ведущее предприятие - Кенгауский экскаваторный завод

Защита диссертации состоится в"7^ часов на заседании специализированного совета К 068.05.02 в Казахской государственной архитектурно-строительной академии (КезГАСА) по адресу:480123,г.Алка-Ата,ул.Обручева,28,ауд.»_

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке КазГАСА.

' Автореферат разослан

»ЗУ» 1993 г.

Отзывы прссьба представлять в двух вкземплярах с подписью, заверенной печатью.

Телефоны для справок - 200363 , 200472 .

Ученый секретарь специализированна го совета кандидат технических наук, доцент . ' Н.Т.Хадеев

У

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА. РАБОТЫ

Актуальность.Возрастающий объс;! земляных работ,выполняемый одно-коваовыш гвдр&влическими экскаваторами,определяет повышенные требования к их долговечности и в особенности металлоконструкций рабочего оборудования ( МКРО ).

Одним из важнейших факторов,влияющих на долговечность М№0 одно-коваовых гидравлических экскаваторов является состояние режущих элементов С РЭ ), чрезмерный износ которых,допускаемый в условиях реальной эксплуатации,увеличивает нагрузки в 1,5...2 раза.

Данные Ю.А.Ветрова, Д.П.Волкова, А.Н.Зеленина,Р.А.Кабашева и других подтверждав? важность и значение состояния геометрической формы РЭ для эффективного использования землеройной техники.Допол-нительные силы резания,возникающие вследствии износа зубьев экскаваторов,обуславливают увеличение напряженного состояния их рабочего оборудования (РО) и снижает эксплуатационную надежность машини.Одка-ко,в настоящее время отсутствует методика определения влияния износа зубьев экскаваторов на кагруженность и усталостную долговечность МКРО,чем и определяется актуальность теш диссертации.

Цель работы.Исследование нагруяекности,усталостной долговечное- . ти ¡ЖРО гидравлических экскаваторов при работе с изношенными зубьями и разработка рекомендаций по повышений их срока службы.

Основные задачи исследования.В процессе исследований резались следукцие задачи:

- изучено состояние реальной эксплуатации режущих элементов землеройных машин ( РЗОД );

- разработана методика расчета МКРО гидравлических экскаваторов на усталостную долговечность с учетом износа зубьев;

- разработаны методика и программа экспериментальных исследова- . ний по определенна нагрухенности Ш?0 гидравлических экскаваторов

с учетом износа зубьев коша.

Объект? исследования.Рабочее оборудование (обратная лопата) одноковшового гидравлического экскаватора ЭО-3122 с зубьями разной степени изнокенности. •

Научная новизна работы определяется следующими положениями:

- впервые исследованы режимы нагружения ЫКРО одноковшовых гидравлических экскаваторов при работе с зубьями различной степени изношенности и определены.их статистические характеристики;

- на основе статического расчета,с учетом дополнительной сшхы резания от изношенности зубьев,подучена зависимость для расчета эквивалентной амплитуды напряжения;

- получен эквивалентный коэффициент,учитывающий ассшетрип и вид изношенности зубьев ковла для определения нагруженности МКРО, являющегося основным параметром при расчете срока службы.

Практическая ценность работы определяется зависимостями для расчета эквивалентной амплитуды напряжений,числа повреждающих амплитуд напряжений и усталостной долговечности МКРО с учетом износа зубьев.

Разработана и составлена программа для расчета на ЭВМ усталостной долговечности МКРО,позволяющие уменьшить трудоемкость и увеличить точность инЕенерных расчетов.

Внедрение работ;;.Результаты работы внедрены на Кентауском экскаваторном заводе и использована при совершенствовании МКРО экскаватора ЭО-3122.

• Апробация.Основные положения диссертационной работы доложены и получили одобрение на Республиканской научно-технической конференции молодых ученых и специалистов "Архитектура и строительство -поиск и решения молодых",г.Алма-Ата,1969г..юбилейной научно-технической конференции ЧйМЗСХ "Повышение эффективности работы сельско-

хозяйственных тракторов и их двигателей",г.Челябинск,1991г.,мея-кафедральном объединенном семинаре кафедр "Строительные и дорожные мшаины" КазГАСА и Алма-Атинского автодорожного института,кафедры "Додъеино-трашпоригые машины" КазЖИ, г. Алма-Ата, 1990-I9S3r. г..

Публикации.По результатам исследований опубликовано 6 печатках работ.

Структура и объем работы.Диссертация состоит из введения,4 глаз, заключения к выводов,изложенных на 150 страницах,содержащих 7 таблиц,37 рисунков,105 наименований литературы и 9 приложений.

Научные положения.защищаемые автором:

- результаты исследования нагружекности МКРО гидравлических экскаваторов при работе с различными степенями изношенности зубьев KOBiza;

- результата количественной оценки влияния работы гиравлического экскаватора с изношенными зубьями ковка на расчетный срок службы МКРО;

результаты проверки расчетного срока службы металлоконструкции стрелы,полученные при испытании экскаватора ЭО-3122 в полевых условиях;

- методику по расчету средней наработки до усталостных разрушений МКРО с учетом изношенности зубьев ковш,а также рекомендации

по их рацио навь ному кокс тру про ваши к предложения по совершенствовании эксплуатации.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении изложены направления и цель диссертационного исследования,основные положения, выносише на защиту,новизна разработок.

В первой глазе проведен анализ работ по исследовании ¡игру-ен-ности '¿KFQ окскаваторозуусталостной долговечности сварных металлоконструкций,основных видов изнашивания РЭЗ'' а теоретически основ

расчета на усталостную долговечность.

Анализ этих р^бот показал,что исследования нагруженности МКРО гидравлических экскаваторов при работе с изношенными зубьями ковша не проводились,несмотря на то,что работа экскаватора с изношенными зубья?.»: неблагоприятно влияет на усталостную долговечность.

Расчетная оценка усталостной долговечности сварных металлоконструкций экскаваторов проводится,в основном,по двум направлениям: первое направление,базирующееся на непосредственном определении повреждающего действия циклов напряжения;второе направление,исно-ванное на корреляционной теории случайных процессов.

При этом наиболее объективные исходные данные для расчета усталостной долговечности МКРО дают непосредственные замеры напряжения при работе экскаваторов в реальных условиях.

На основании проведенного анализа сформулированы основные задачи исследования и пути их решения.

Бо второй главе изложены методики экспериментальных исследований нагруженности,напряженного состояния и усталостной долговечности наиболее нагруженных узлов МКРО экскаваторов 3-ей размерной группы при работе с изношенными зубьями.

Для определения наиболее нагруженных локальных участков в МКРО и выявление истинных режимов их нагруженяя в процессе работы экскаваторов с изношенными зубьями ковша произведен статический расчет напряжений с применением ЭЗМ.

Изучение режимов нагруже!шя и напряженного состояния в локальных участках МКРО производилось с помощью тензорезисторов,наклеенных в виде прямоугольных розеток.При этом,погрешность результатов измерений не превышала 6% с доверительней вероятностьв 0,9.

Для определения влияния работы экскаваторов на усталостную долговечность МКРО выбраны и использованы пять комплектов зубьев ков-

ша с различными степенями изношенности й , таблица I.

Таблица I

Варьируемые размеры износа зубьев экскаватора ЭО-3122

Тр!ГТ---------

бина! ИЗН0са зубьев ции __________

1

2

«Среднее значение износа зубьев !_ „к£вшаА _3 _ мм____

I "Э, Г йд I "За I б*

Ковш с острыми зубьями

3

4

5

0 0 0 0

15...20 15...20 15...20 15...20

25...40 25...40 25...40 25...40

15...20 0 0 15...20

О 25...40 25...40 О Для расчета сроков службы МКРО гидравлического экскаватора при работе с зубьями различной степени изношенности,рабочее оборудование представлено в виде статически определимой расчетной схемы,элементы которой моделируются твердыми телами к сочленены шарнирами,рис.1.

А,

Ковш с зубьями средней изношенности

Ковш с предельно-изношенными зубьями

Ковш с изношенными зубьямиС кокбин.2-1-1-2)

Ковы с изношенными зубьями С комбин. 1-3-3-1)

Рис.1.Схема определения напряжений в МКРО экскаваторов с учетом дополнительней силы резания от пзноса зубьев

Касательная сила сопротивления грунта копанию определяется по общеизвестной форгаш Н.Г.Домбровского

Рк--Рт*Ря+ Pv ,Н (I)

где Рт - сила сопротивления трению ковша о грунт, Н ; ' Рр - сила сопротивления резанию, Н ; Рп - сила сопротивления перемещению грунта в коше, Н . Сила сопротивления резанию с учетом изношенности зубьев ковша

и

определяется по формуле :

Р.=Р. ^Рэол . Н (2 )

Ро - сила сопротивления резанию острым зубом.

Ро=Рс+Р~->Р.в . Н

Peí - ограничения по давлении в гидроцшшдре, Н ; Pol - ограничения по устойчивости, Н ; Рв8 - ограничения по проскальзывайте, Н ; Р<к.л - дополнительная сила резания грунта от изгашеншсти зубьев,определяемая по формуле Кабашева Р.А. :

К - толщина снимаемого слоя грунта, см; С - плотность грунта,определяемая плотномером ДорШИ; 6 - ширина зубьев ковша,см; S - предельный размер износа зубьев, см ; оС - угол резания, град; У - угол наклона площадки износа, град .

При работе ковша с различными изношенными зубьями максимальная приведенная амплитуда напряжения в рассчитываемом участке металлоконструкции определяется по формуле:

баТ «\/6,2-бд Ъ + б^З** ( 3 )

где б, - нормальные напряжения,параллельные оси конструкции;

где

где

где,

биь - напряжения изгиба в плоскости копания,МПа ; б^-е - напряжения растяжения-сжатия,МПа ; (Оаг - напряжения изгиба в плоскости поворота,МПа ;

- нормальные напряжения .перпендикулярные оси конструкции

- 'СО^ . МПа

где, 6 - ширина полки короочатого сечения,см; 8" -толщина стенки, см;Т|,1- среднее касательше напряжение в сечении,МПа.

'£(,1 £ ГП ^ , МПа

Циклическая долговечность с заданной вероятностью неразрушения при работе с I -тыми зубьями ковша определяется :

ил/(рк*мап.А/к-и(Р> -запл/к (4)

УЛМ ./ь

где —г-^^т;—- математическое ожидание лога-

а * <3»*ь рифма циклической долговечности;

При первом главном напряжении <5(,направленном вдоль шва о. •=.

при втором главком напряжении б",,направленном вдоль шва а ^ -Н^. , ^ Не,

Ц(р; - квантиль нормального распределения при вероятности

неразруиения р ; а/]{ = -Т 1 среднеквадратичное отклонение

"в' 0.(к

логарифма циклической долговечности ;

и |г

где, ГП. (0,0 56.11с +1,2) —-^--показатель угла наклона кривой

6 ч о<?яв* л г" 6ч

« ________ я ' «('О - перегрузочные напряжения;Ь.,К - -тг~ -0,2 6"=.* -

К<з

предел выносливости при базовом числе циклов.

Эквивалентный коэффициент,учитывающий ассиметрию и вид износа зубьев ковша,при определении нагруженности ШСРО являющийся ос-

новным параметром для расчета числа повреждающих амплитуд напряжения H.J равен :

KR; = 6,06-0,2 (5 )

б™*"

где Ri-Q^r коэффициент учета, ассиметрии ;

^Х/ - коэффициент веда износа зубьев; \Х/= I для острого зуба 2,7 для зубьев изношенных по радиусу ; W» 1,9 для зубьев с площадкой износа для зубьев с комбинированным износом. S .

Тогда -l-^yj í6)

Усталостная долговечность при заданной вероятности неразрушения Р определяется :

T/r.i dMíiÁ*i ц

T(P}S Пв -H'tl ' Ч> .(7)

где Кг; - коэффициент влияния изменения конструктивных параметров; i I - относительная продолжительность работы экскаватора с - тыми изношенными зубьями. Кроме изношенных зубьев ковша на нагруженность МКРО значительное влияние оказывает величина давления настройки клапана реактивного давления гидроприводов стрелы. В связи с этим исследована нагру-женность МКРО при различной величине давления настройки этого клапана.При этом,для копания ковшами с различной степенью изношенности зубьев экскаватора 30-3122,величина давления настройки составляла II; 13,5; 17,5; 19,5 МПа,клапан заблокирован.

В третьей главе рассмотрены результаты экспериментального исследования нагружендасти МКРО гидравлически;: экскаваторов при работе с изношенными зубьями в характерных условиях эксллуатации(наиболее распространенные грунты в Шной зоне Казахстана) .Анализ осциллогра-

фических записей напряжений позволил выявить,что напряженное сос-

г,

тояние МНРО является,в основном »двухосным, его характеристики зависят от рассматриваемого участка и от состояния изношенности зубьев.

Анализ корреляционных функций процессов нагружекия МКРО экскаватора при работе ковшами с различной степенью изношенности зубьев показал,что все рассмотренные процессы обладают стационарными и эргодическими свойствами.Дри этом,длительность регистрации не менее 450с для работы с предельно-изношенными зубьями,350с для работы с острыми зубьями. Про верка закона распределим мгновенных ординат процессов кагружения МКРО с рассмотренными степенями изношенности зубьев ковша по критерию согласия Пирсона свидетельствует о их нормальном распределении.

Для количественной оценки соответствия величин главных напряжений по показаниям продольных тензорезисторов розеток определяется коэффициент перехода к двухосное напряженному состоянию

Н = Н„г(1*АЛ-А)УЛ (8)

где, - коэффи- .

циенты И, и Н». перехода от показаний базового датчика к главным

напряжениям С>( и = -гг" - коэффициент отношения главных

О,

напротений.Анализ режимов кагружения МКРО при различной настройке реактивного клапана гидропривода стрелы показал,что при увеличении давления настройки клапана увеличивается размах,и уменьшается час- ■ тота изменения нанрявения. " .

3 четвертой главе произведена оценка усталостной долговечности МКРО при работе экскаватора 30-3122 с различными степенями изношенности зубьев ковша и с различной величиной давления настройки реактивного клапана гадропривода стрелы.

Для автоматизации оценки срока службы,по методу схематизации процесса нагружения по полным циклам с учетом двухосного напряженного состояния и остаточка напряжений,разработана программа для расчета на ЭВМ,которая позволяет ввделить из массива исходных данных экстремальные значения напряжения.

Анализ осциллограмм изменения напряжения в металлоконструкций рабочего оборудования гидравлического экскаватора показал,что при работе экскаватора ковшами с острыми зубьями шаг дискретизации равен 0,12...О,15с,ошибка в определении максимального и минимального значений напряжений,равна 0,5%.При работе экскаватора с предельно-изношенными зубьями амплитуда возрастания или убывания функции изменения напряжения больше,чем при работе с острыми зубьями.

Результаты статического расчета с учетом дополнительной силы резания от износа зубьев,рис.2.,показывают,что по мере увеличения износа зубьев ухудшается троектория движения ковша,усилия резания значительно больше,чем при копании острыми и среднеизношенчыми.

sao Soo ifoo ZOO

So fo So no tro „„g

Рис.2. Влияние угла резания на расчетное ■ сопротивление копанию

На основании расчетов срока службы металлоконструкций рабочего оборудования даны предложения по ограничению времени применения зубьев ковша до предельного состояния изношенности.

i —■— i <

го \ 5=o

Анализ результатов расчета сроков службы МКРО при различной

г.

величине давления настройки реактивного клапана гедропривода стрелы показал,что с его увеличением расчетные сроки службы металлоконструкций умекьыаются.Однако,при величине давления 19,5 № для экскаватора ЭО-3122 имеет место возрастания расчетных сроков службы, рис.3. .При этом давлении настройки реактивного клапана стрелы происходит уменьшение времени цикла копания.

■¿г

//

■¿г

■4

ьл

" .1

Рис.3.График изменения расчетных сроков службы (Т) различ!шх локальных участков МКРО и времени цикла копания ( ) экскаватора 30-3122 в зависимости от величины давления гкдроцилинпра

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ Д) РАБОТЕ

I. Выявлены следующие закономерности нагружечия ШРО : - при работе экскаватора с предельно-изношенными зубьями ковша повышается частота колебаний; напряжения на 30.. .50^,амплитуда изме-негшя напрл.'.ения на Ю...15%.

- при копании ковшом о изношенными зубьями создается режим, характеризующийся чередованием участков с высокими и низкими значениями частоты и амплитуды напряжения,а напряжения в металлоконструкции рукояти на 20...25% выше,чем стрелы;

- напряженное состояние МКРО является,в основном,двухосным, его характеристики неодинаковы в различных участках и зависят от состояния изношенности зубьев.Наиболее нагруженными участками МКРО при работе экскаватора с изношенными зубьями ковша являются свар-< ные узлы шарнирных соединений и криволинейная часть стрелы.

2. Разработанная методика позволяет определить влияние износа зубьев на нагруженнссть МКРО,автоматиз5фовать расчеты статистических характеристик режимов нагружения и усталостной долговечности, выбрать наиболее нагруженные участки металлоконструкций стрелы и рукояти.

3. Получено аналитическое выражение,для расчета эквивалентной амплитуды напряжения при работе ковша;«« с изношенными зубьями, значительно понижающее трудоемкость расчета срока службы МКРО.экскаватора.

4. Впервые получен эквивалентный коэффициент учета ассиметриа и вида износа зубьев ковша для расчета процессов нагружения МКРО, являющегося основным параметром для определения числа повреждающих амплитуд напряжений.

5. Установлены оптимальные величины давления настройки реактивных клапанов гидропривода стрелы экскаватора 20-3122 с изношенными зубьями,равные 19,5 МПа,обеспечивающие повьвпепие усталостной долговечности МКРО на 10...20$ и производительность"экскаватора на 1,5... 1,5.. «2 %«

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

I. Рабатов O.S.»Кабашев Р.А.Экспериметальные исследования погруженности металлоконструкций экскаватора ЭО-3122 с учетом износа

зубьев./Архитектура и строительство-поиск и решения молодых. :Тези-

Г.

сы докл.-Алма-Ата,19В9г.-с.123-124.

. 2. Сурапова А.И. .Кабашев P.A. .Рабатов 0.21.Исследование шлей землеройно-трансяортных машин на износостойкость из перспективных материалов./Архитектура и строительство-поиск и решения молодых.: Тезисы докл.-Алма-Ата,1989г.-с.134.

3. Рабатов O.S.»Бурцев В.В.Определение эксплуатационной нагру-яенности металлоконструкций экскаватора ЭО-3122 с' учетом износа зубьев./Юбилейная научно-техническая конференция ЧИМЗСХ.Повышение эффективности работы сельскохозяйственных тракторов и их двигате-_ лей. -.Тезисы докл.-Челябинск, 19Э1г.-с.93.

4. Кабашев P.A.»Кульгильдинов Ы.С.,Рабатов О.Н. Определение предельных размеров износа, зубьев ковша экскаватора./Проблемы совер-' шенствовании и моделирование дорожной техники и технологических процессов строительства автомобильных дорог и автотранспорта.Тезисы докл.-Алма-Ата,I992r.-c.I83.

5. Рабатов 0.1.Исследование напряженного состояния рабочего оборудования одноковшового экскаватора ЭО-3122 с учетом износа зубьев.: /I Республиканская научно-техническая конференция ВИСИ.Повышение эффективности землеройных машин. :Тезисы докл.-Воронеж,Россия, 1992г*-с.67 .

6. Кабашев P.A..Рабатов О.Н..Сурашова А.И.Исследование сравнительной оценки износостойкости ножей землеройных машин из новых перспективных марок сталей в эксплуатационных условиях./Отчет о

НИР в БНИИСтройдормаше, » гос.регистрации 01870С97672, Москва, 1939т «-с.51.