автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.04, диссертация на тему:Выбор и обоснование параметров быстросъемного соединительного устройства для рабочего оборудования экскаватора

На правах рукописи

ПРОХОРОВА ЕЛЕНА ВИКТОРОВНА

ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ БЫСТРОСЬЕМНОГО СОЕДИНИТЕЛЬНОГО УСТРОЙСТВА ДЛЯ РАБОЧЕГО ОБОРУДОВАНИЯ ЭКСКАВАТОРА

Специальность: 05.05.04 - Дорожные, строительные и

подъемно-транспортные машины

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 7 ФЕВ 2014

Москва - 2014 год

005545465

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Белгородский государственный технологический университет им. В. Г. Шухова» на кафедре сервиса транспортных и технологических машин.

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Севрюгина Надежда Савельевна

кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой «Сервис транспортных и технологических машин»

Ведущая организация:

Кудрявцев Евгений Михайлович

доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой «Строительные и подъемно-транспортные машины» ФГБОУ ВПО «МГСУ», академик Российской академии проблем качества и Академии транспорта РФ,

Маидровский Константин Петрович,

кандидат технических наук, доцент кафедры «Дорожно-строительные машины» ФГБОУ ВПО «МЛДГТУ (МАДИ)»

ФГБОУ ВПО «Государственный университет - учебно-научно-производственный комплекс», г. Орел

Защита диссертации состоится 17 апреля 2014 г. в «10» часов на заседании диссертационного совета Д 212.126.02 ВАК РФ при Федеральном государственном общеобразовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ)» по адресу: 125319, г. Москва, Ленитрадский проспект, д.64, ауд.42. Телефон для справок (499) 155-93-24 С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МАДИ. Объявление о защите диссертации, текст диссертации и автореферат размещены на официальном сайте Московского автомобильно-дорожного государственного технического университета (МАДИ): http://www.madi.ru

Отзывы на автореферат в двух экземплярах с подписью, заверенной печатью организации, просим направлять в адрес диссертационного совета. Копию отзыва просим прислать на е-таП: uchsovet@madi.ru Автореферат разослан «/¿у> ¿ре&еили^ 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Борисюк/

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Технологические процессы дорожных и строительных работ включают перечень разнородных, последовательных операций, выполнение которых требует конструктивно оптимизированных орудий труда. Данный вопрос ведущие фирмы производителей дорожной и строительной техники решают через расширение номенклатуры рабочего оборудования, применяемого с базовой машиной. Подобная многофункциональность реализуется через применение к базовой конструктивной схеме дополнительного бы-стросъемного соединительного устройства, обеспечивающего быструю и комфортную для оператора смену рабочего органа.

Разнообразие существующих схем быстросъемных соединительных устройств, отсутствие обоснованных рекомендаций эффективного их применения с уточнением параметров совместимости с рабочим органом, влияние введения дополнительного звена в конструкцию рабочего оборудования на технико-экономические характеристики машины, недостаточная проработка вопроса обеспечения надежности рабочего оборудования с быстросъемным соединительным устройством позволяет считать, что разработка методик создания и совершенствования быстросъемных соединительных устройств, обоснование режимов их работы является актуальной научно-практической задачей.

Данные исследования проведены в рамках выполнения государственного задания № 01201256403 на тему «Обоснование уровня технической оснащенности транспортных и технологических машин при обеспечении комплексной безопасности в чрезвычайных ситуациях» (2012 - 2014 г г.) при БГТУ им. В.Г. Шухова.

Это также подчеркивает актуальность работы.

Степень разработанности темы исследования. Научные основы теории комплексной механизации технологических процессов в строительстве заложены в исследованиях ведущих ученых отрасли: Т. В. Алексеевой, К. А. Артемьева, И. И. Артоболевского, В. Ф. Амельченко, В. И. Баловнева, А. Ф. Базанова, Т. М. Башты, И. П. Бородачева, Ю. А. Ветрова, Д. П. Волкова, Ю. В. Гинзбурга, В. В. Гуськова, Н. Г. Домбровского, А. Н. Зеленина, А. Д. Костылева, Е. М. Кудрявцева, А.Н. Максименко, П. А. Михирева, И. А. Недорезова, П. И. Никулина, В. Б. Пермякова, Р. Ю. Подэрни, Б. М. Позина, В. Н. Тарасова, Н. А. Ульянова, Ю. Ф. Устинова, Л. Г. Фохта, Д. И. Федорова, В. С. Щербакова, Л. С. Чебанова и многих других ученых.

Анализ результатов научных исследований ведущих ученых отрасли показал, что основной целью исследований является получение наивысшего качества выполненных работ с наименьшими затратами,

т.е. обеспечение экономической эффективности. Эта задача решается по-разному, предлагается повысить качество материалов для дорожного строительства, квалифицированный уровень исполнителей, сократить время выполнения запланированных работ, но реализация всего этого становится сложной без применения универсальных, многофункциональных машин, которые можно отнести к категории высокотехнологичной техники. Проведенный анализ существующих схем быстросъемных соединительных устройств (БСУ) выявил недостаточность научной проработки в области обоснования параметров их совместимости с рабочим органом, а также эффективности их применения.

Объектом исследования является быстросъемное соединительное устройство, используемое в качестве промежуточного звена в рабочем оборудовании одноковшового экскаватора.

Предметом диссертационного исследования является обоснование эффективности применения БСУ, а также исследование напряженно-деформированного состояния рабочего оборудования с быстросъем-ным соединительным устройством экскаватора.

Цель работы - повышение технологических возможностей одноковшового экскаватора путем обоснования параметров быстросъемно-го соединительного устройства, обеспечивающего снижение потерь времени на замену рабочего органа.

Задачи исследования:

1. Оценка конструктивного и технологического совершенства быстросъемных соединительных устройств, применяемых для сменных рабочих органов одноковшовых экскаваторов.

2. Проверка устойчивости одноковшового экскаватора, эксплуатируемого с быстросъемным соединительным устройством при различных нагрузках.

3. Разработка прототипа быстросъемного соединительного устройства с модифицированным механизмом фиксации.

4. Разработка методики определения основных параметров быстро-съемного соединительного устройства рабочего органа одноковшового экскаватора.

5. Разработка алгоритма построения типоразмернош ряда прототипа быстросъемного соединительного устройства.

6. Проведение стендовых испытаний по определению напряженно-деформированного состояния в элементах металлоконструкции быстросъемного соединительного устройства.

7. Технико-экономическое обоснование расширения технологических возможностей экскаватора с применением быстросъемного соединительного устройства в системе рабочего оборудования.

Научиая новизна работы состоит в разработке научно-обоснованной методики выбора и обоснования параметров быстро-съемных соединительных устройств; разработке модифицированного алгоритма построения типоразмер ного ряда быстро съемных соединительных устройств; совершенствовании методики инженерного расчета экономической эффективности расширения технологических возможностей экскаватора с применением быстросъемного соединительного устройства в системе рабочего оборудования.

Теоретическая и практическая значимость работы. Разработанные в диссертации подходы, модели и методики ориентированы на практическое применение и расширяют технологические возможности одноковшового экскаватора путем применения быстросъемного соединительного устройства в системе рабочего оборудования, обеспечивая снижение потерь времени на замену рабочего органа. Предложен алгоритм построения типоразмерного ряда прототипа быстросъемного соединительного устройства с усовершенствованным механизмом фиксации. Разработаны рекомендации эксплуатирующим организациям по комплектации экскаватора рабочими органами с учетом вероятностных параметров снижения себестоимости выполняемых работ.

Методология и методы исследования. Диссертационное исследование выполнено на основе трудов ведущих отечественных и зарубежных ученых в области совершенствования конструкции дорожных, строительных и подъемно-транспортных машин, повышения их производительности путем расширения функциональности, а так же улучшения условий труда оператора. Теоретико-методологической основой исследования явились системный подход; теория вероятности; методы математического моделирования; теория рабочих процессов дорожных машин; теория планирования и статистической обработки результатов эксперимента; функционально-стоимостной анализ.

На защиту выносятся:

1. Математическая зависимость оценки нагрузочных характеристик и напряженно-деформированного состояния системы рабочего оборудования с применением быстросъемного соединительного устройства.

2. Конструктивное решение прототипа быстросъемного соединительного устройства с модифицированным механизмом фиксации.

3. Алгоритм построения типоразмерного ряда бысгросъемных соединительных устройств.

4. Методика инженерного расчета экономической эффективности применения быстросъемных соединительных устройств на базе функционально-стоимостного анализа.

Степень достоверности результатов. Достоверность результатов подтверждается согласованием выводов теоретического анализа с результатами модельных и натурных экспериментов.

Апробация работы. Основные положения работы доложены на научно-методических и научно-исследовательских конференциях в БГТУ им. В.Г. Шухова в 2009, 2010, 2011, 2012 и 2013 годах; МГСУ (МИСИ) в 2013 г.; ХНАДУ в 2011, 2012, 2013 годах, Харьков, Украина; Интерстроймех - 2013 г., Ижевск; международном научном симпозиуме «Ударно-вибрационные системы, машины и технологии», УНПК-ГТУ, г. Орел в 2011 г., 2013 г.; ВГАСУ в 2013г., г. Воронеж.

Реализация результатов работы. Разработанная методика выбора рационального типоразмерного ряда и оценки ресурса элементов крепления системы «рукоять - БСУ - рабочий орган» принята для реализации в ООО ТК «Экотранс» и МБУ «Управление Белгорблагоустрой-ство»; методика моделирования внедрена в учебный процесс кафедр «Сервис транспортных и технологических машин» и «Подъемно-транспортные и дорожные машины» ФГБОУ ВПО БГТУ им. В.Г. Шухова.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 научных статей, в том числе 2 статьи в периодических изданиях, рекомендуемых ВАК.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка используемых источников. Общий объем работы составляет 160 страниц, включая 18 таблиц, 54 рисунка, список литературы из 164 наименование и 4 приложения.

2. ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертационного исследования; показана его научная новизна и практическая ценность.

В первой главе выполнен обзор исследований и литературных материалов, отражающих перспективы развития строительной и дорожной техники. Сформулированы цели и задачи исследования. Проведен анализ работ по вопросам изучения теории и практики проектирования и улучшения эксплуатационных характеристик экскаваторного оборудования.

Основным методом определения расчетных нагрузок в узлах экскаваторов является метод, предложенный проф. Н.Г. Домбровским. Ди-

намика одноковшовых и многоковшовых экскаваторов наиболее глубоко теоретически и экспериментально исследована в работах проф. Д.П. Волкова. Статистические исследования нагрузок одноковшовых экскаваторов на базе методов теории случайных функций впервые были выполнены проф. Д.И. Федоровым, Б.А. Бондаровичем и В.И. Пе-репоновым.

За базовые научные теории приняты:

- методы формирования парка машин в комплексной механизации строительств, предложенные проф., д.т.н. Е.М. Кудрявцевым;

- системное проектирование рабочего оборудования строительных и дорожных машин в компьютерной среде - методология, предложенная проф., д.т.н. В.П. Павловым.

Выявлена терминологическая несогласованность среди производителей ведущих фирм дорожной, строительной техники, рабочих органов, которые предлагают однотипные по функциональному назначению промежуточные элементы рабочего оборудования с определением, как система быстрого присоединения; быстросъемное оборудование; быстросоединительные устройства; адаптивно-встраиваемые устройства, адаптеры, квик-каплеры и др., в проведенных исследованиях принят термин более полно отражающий функциональное назначение - быстросъемное соединительное устройство (БСУ).

Проведенный патентный поиск и результаты информационного анализа позволили разработать классификацию быстросъемных соединительных устройств (квик-каплеров), выделив конструктивные и функциональные отличия (рис.1).

- нэводка (автомат.) - наводка (автомзт.) - наводка (автомат.)

- зацепление (автомат ) - зацепление (автомат.) - зацепление (ручное)

- захват (автомат.) - захЕат (ручное) - захват (ручное)

Рисунок 1 - Классификация быстросъемных соединительных устройств по способу присоединения

БСУ различают по способу присоединения: ручное соединение, полуавтоматическое соединение, автоматическое соединение. При руч-

ном соединении выделяют следующие процессы: захват, зацепление и фиксация происходят при помощи рабочих. В полуавтоматическом соединении - наводка, захват, зацепление осуществляется оператором из кабины, а фиксация соединения завершается оператором в ручную. Под автоматическим соединением подразумевается управление оператора без выхода из кабины присоединением рабочего органа к БСУ.

Крепление быстросъемного устройства осуществляется при помощи отверстий, крюков зацепления или их комбинации.

Выделяются следующие места расположения механизма фиксации: на ковше; на быстросъемном устройстве; на соединительной оси.

По типу механизма фиксации БСУ имеют механический или гидравлический привод.

В конце главы сформулированы цели и задачи исследования. Во второй главе представлена уточненная методика статического расчета оценки устойчивости одноковшового экскаватора с включением в конструкцию рабочего оборудования быстросъемного соединительного устройства.

Аналитически установлено, что при использовании БСУ (рис.2) масса противовеса увеличивается на величину:

. (Л — а) ,,.

- относительно точки А кву 1--, (1)

/, +а

п +а) ...

- относительно точки В --, (2)

15 -а

где Ска - сила тяжести быстросъемного устройства; а — расстояние от оси поворота платформы до точки ее опрокидывания; 6 — расстояние от линии действия соответствующих сил до оси поворота платформы.

обратной лопатой с БСУ в случае опрокидывания вперед (а) и назад (б).

Преобразование кинематической схемы дает возможность определять параметры точек рабочего оборудования одноковшового экскаватора с включением в систему БСУ, как промежуточного элемента

(рис.3, для примера взят одноковшовый экскаватор с рабочим органом - ковш).

Рисунок 3 - Кинематическая схема рабочего оборудования одноковшового экскаватора с БСУ

Путем последующих математических преобразований получена

модифицированная формула определения коэффициента устойчивости измененной системы:

ку ~ {¡\ с<м Л + Ри .«/и -/) (/7-фОт{16-а)+0,^г{13-а)+ар(11 -а)+Ос{12 -а)'

Полученная математическая модель позволяет проводить проверку устойчивости экскаватора и оценивать усилия, действующие на элементы рабочего оборудования с использованием БСУ.

Эффективность соединения элементов рабочего оборудования в классических системах обеспечивается типовыми конструкциями. В БСУ механизм фиксации с механическим или гидравлическим приводом представляется недостаточно надежным. Данный недостаток можно устранить, перераспределив нагрузки в запирающем механизме, т.е. рабочее состояние быстросьемного соединительного устройства с оборудованием обеспечивается путем ненагруженного запирающего устройства, механизм замыкания в котором включается при операции замены рабочего оборудования. Наиболее эффективным в подобном случае является введение в конструкцию системы управления механизмом фиксации быстросьемного соединительного устройства из кабины оператора через электропривод (рис. 4).

Конструктивно разработанный прототип быстросъемного соединительного устройства имеет широкий диапазон вариантов размещения установочных пальцев для различных типов рабочего органа, обеспечивая плотное зацепление и уменьшение риска непроизвольного освобождения.

В третьей главе разработан алгоритм и выполнено компьютерное моделирование прототипа быстросъемного соединительного устройства, как элемента рабочего оборудования экскаватора в системе «рукоять - быстросъемное соединительное устройство - рабочий орган».

Исследования базируются на модификации типовой методики многоэтапного моделирования динамических нагрузок для рабочего оборудования экскаватора.

На первом этапе моделирования определены геометрические параметры и представлена основная конфигурация быстросъемного соединительного устройства (рис. 5).

Рисунок 5 - Модель соединения прототипа БСУ и ковша

На втором этапе дана оценка напряженно-деформированного состояния быстросъемного соединительного устройства в системе и определены его прочностные показатели (рис. 6).

Рисунок 6 -а) карта напряжений; б) карта перемещений; в) карта деформации

Определение напряженно-деформированного состояния системы «рукоять - быстросъемное соединительное устройство - рабочий орган» проводилось методом конечно-элементного анализа в САПР «Solid Works» (рис. 7), получены графические зависимости изменения напряжений, возникающих в металлоконструкциях рабочего оборудования без БСУ и при его использовании (рис. 8).

Рисунок 7 - Имитационное моделирование системы «рукоять - БСУ - рабочий орган»

Рисунок 8 - Зависимость напряжений, возникающих в металлоконструкциях рабочего оборудования без БСУ (квик-каплера) и при его использовании

С квик-каплером Без квик-каплера

Методика построения имитационной модели системы «рукоять -быстросъемное соединительное устройство - рабочий орган» при использовании различных типов сменного рабочего органа позволяет оценить и сравнить воздействие нагрузок на быстросъемное соединительное устройство и снизить затраты, как материальные, так и трудовые на экспериментальные исследования.

С целью оценки уровня унификации конструкции прототипа БСУ произведен анализ типоразмерных рядов производителей быстросъем-ных соединительных устройств, которые по классификационной сетке отнесены к группе «автоматические».

За главный параметр принята масса БСУ, величина которого связана с основным функциональным показателем (влияет на устойчивость многофункциональной машины) и определяет габаритный размер, также главный параметр обладает стабильностью и увязан с другими основными параметрами и экономическими показателями БСУ.

Используя методы ограничительной унификации и оптимизации существующей стандартной номенклатуры, получена математическая зависимость себестоимости, учитывающая главный и основные параметры БСУ:

( Ч №

С\=К-{т1) ь". -Р'-Л7 (4)

к™»»;

где К - коэффициент пропорциональности, зависящий от типа детали и ее тфинципиального конструктивного исполнения; ТПт - главный параметр (масса), кг; Ъ - основной параметр, значение межосевых присоединительных

ти

размеров, мм; —— - пространственные параметры БСУ; Р - оптовая цена тп

единицы массы (1 кг) материала, руб; N. - годовая программа выпуска, шт.; II, у, М>, X, V, П - показатели степени, определяемый регрессионным анализом соответствующих исходных статических совокупностей.

Паспорт применяемости составлен по оригинальным типам конструкций БСУ и позволяет определить диапазоны унификации по значениям главного и основных параметров (рис. 9).

ткб, кг

5 10 15 20 25 30 35 4О Л5 50 т экс- 7

1 — линия, ограничивающая область наименьших типоразмеров БСУ;

2 - линия, ограничивающая область наибольших типоразмеров БСУ

Рисунок 9 - Область применяемости БСУ в зависимости от массы базовой машины

В результате получен оптимальный ряд со следующими величинами масс: 160, 200, 250, 280, 320, 360, 400, 450, 500, 560, 630, 710, 800. Ряд имеет ступенчатый вид - первые три члена по ряду RIO, а остальные - по ряду R20.

В четвертой главе представлены экспериментальные исследования по определению напряженно-деформированного состояния в элементах металлоконструкции системы «рукоять - быстросъемное соединительное устройство - рабочий орган».

Тензометрические измерения проводились на базе измерительной системы ZetLab, обеспечивающей построение распределенной измерительной сети путем установки интеллектуальных датчиков.

Установлено, что наиболее нагруженными являются места фиксации и введение дополнительного элемента требует уточнить, каким образом будут изменяться данные показатели. Создана стендовая модель быстросъемного соединительного устройства с элементами, моделирующими рукоять и рабочий орган (рис. 10).

Рисунок 10 - Стендовые испытания по определению напряжения и деформации, возникающих в местах фиксации БСУ

гит-

701026 (мВ/В)

Нагрузка

Рисунок 11 - Данные измерительной системы ZetLab напряжения и деформации, возникающих в местах фиксации БСУ

Результаты стендовых испытаний при помощи измерительной системы ZetLэ.b (рис. 11) позволили сравнить данные, полученные при расчетах в БоЫ'^'огкз, расхождение полученных результатов находится в пределах допустимых 10 % .

В ходе выполнения исследовательской работы решалась оптимизационная задача выполнения технологического процесса одной базовой машины с оптимальным количеством рабочих органов. Исследование алгоритмов работы для отдельного цикла выполнения производственной операции позволило определить технологические этапы смены рабочего органа для каждого из средств механизации.

Алгоритм установки сменного рабочего оборудования (гидромолот - ковш) для БСУ с гидравлическим или электрическим приводом имеет вид:

Установка гидромолота: Р,—*>Р2—*Рю~** Выполнение технологической операции (гидромолот): Рц—> Демонтаж гидромолота: Рц-^Рц—* Установка ковша: Рц—*Р¡б—>Р 1Т~* Выполнение технологической операции (ковш): Р25. Общее время смены рабочего органа.- У/"',//-бсу)=4,5-16 (мин). Сопоставление трудоемкости смены рабочего органа при выполнении технологического процесса дорожно-строительных работ показало, что относительное снижение затрат времени на замену рабочего органа при введении быстросъемного соединительного устройства с механическим захватом по отношению с гидравлическим или электрическим приводом составляет 11,86 %.

Изменение удельной материалоемкости определяется из выражения:

Изменение энергонасыщенности машины определяется из выражения:

т1 +та

Расчетным методом установлено, что отношение весовой доли БСУ и экскаватора находится в пределах 2 %. Оценка значимости влияния соотношения весовой доли БСУ к массе базовой машины показывает на несущественное изменение энергонасыщенности машины.

Принимая основные положения функционально-стоимостного анализа предлагается усовершенствовать методику инженерного расчета экономической эффективности механизации работ, путем учета вероятностных параметров снижения себестоимости выполняемых работ базовой машиной с применением БСУ и комплектом различных рабочих органов.

Разработана методика оптимизации выбора типов сменного рабочего органа используемого при выполнении технологических процессов строительного проекта, алгоритм которой представлен на рис. 12.

ШАГ 5: ВЫБОР ТИПА ПРИСОЕДИНЕНИЯ РАБОЧЕГО ОБОРУДОВАНИЯ

Рисунок 12 - Алгоритм и методика инженерного расчета экономической эффективности механизации работ экскаватора

Пошаговые операции программного продукта включают: Шаг 1 - выбор вида работ (плановые значения объемов работ); Шаг 2 - выбор вида используемой технологической машины;

Шаг 3 - выбор типа и марки рабочей машины (вид машины, завод изготовитель, марка, модель, тип сменного рабочего органа);

Шаг 4 - этапы выполнения технологического процесса (распределение работ в процентном отношении по типам рабочего органа, распределение объема работ).

Предусмотрена вариативность путем замены выбранных рабочих органов, как по видам, так и по очередности их использования.

Шаг 5 - выбор типа механизма присоединения рабочего органа, время присоединения.

Шаг 6 - расчет времени и стоимости выполнения запланированного объема и Tima работ строительства.

Результаты расчетов визуализируются графически.

Расчетная часть методики включена в программном продукте и позволяет дать количественную оценку трудовых и финансовых затрат строительных работ, дополнительно представлена возможность сравнить варианты использования рабочих органов при различном сочетании и последовательности технологических операций.

3. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. На основании анализа типовых быстросъемных соединительных устройств, применяемых в качестве промежуточного звена для экскаваторов различных производителей, дана их классификация по конструктивным признакам, способам фиксации и типам привода запирающего механизма.

2. Получена математическая зависимость, позволяющая проводить проверку действующих усилий на элементы рабочего оборудования с использованием БСУ для экскаватора.

3. Разработан прототип быстросъемного соединительного устройства с ненагруженным механизмом фиксации

4. Разработана методика построения имитационной модели прототипа быстросъемного соединительного устройства, как альтернативы физической, для проведения дальнейших исследований.

5. Разработан алгоритм построения типоразмерного ряда прототипа быстросъемного соединительного устройства со следующими величинами масс: 160, 200, 250, 280, 320, 360, 400, 450, 500, 560, 630, 710, 800. Ряд имеет ступенчатый вид - первые три числа масс по ряду RIO, а остальные - по ряду R20.

6. Проведены экспериментальные исследования оценки напряженно-деформированного состояния соединительных элементов в местах фиксации рабочего органа системы «рукоять - быстросъемное соединительное устройство - рабочий орган» при помощи измерительной

системы ZetLab, позволившие сравнить данные, полученные при расчетах в SolidWorks, расхождение полученных результатов находится в пределах допустимых 10%.

7. Выявлено снижение технологических простоев машины при замене рабочего оборудования с использованием быстросъемного соединительного устройства, что для одноковшового экскаватора выражается повышением времени чистой работы на 12%.

8. Усовершенствована методика инженерного расчета экономической эффективности применения быстросъемных соединительных устройств на базе функционально-стоимостного анализа.

ПЕРСПЕКТИВЫ ДАЛЬНЕЙШЕЙ РАЗРАБОТКИ ТЕМЫ

К направлению дальнейших исследований следует отнести распространение результатов исследования и адаптации методики выбора и обоснования параметров быстросъемных соединительных устройств для других видов многофункциональных машин; развитие методики инженерного расчета экономической эффективности расширения технологических возможностей многофункциональных машин с применением быстросъемного соединительного устройства в системе рабочего оборудования на базе разработанного программного комплекса.

Список работ, опубликованных автором по теме диссертации:

Издания из перечня ВАК России

1. Прохорова, Е. В. Устройство быстрой замены навесного рабочего оборудования СДМ [Текст] / Е В. Прохорова, Н.С. Севрюгина, Е.А. Волков // СДМ. 2013. - №8. - С. 7-10.

2. Прохорова, Е. В. Оценка факторов риска возникновения нештатных ситуаций [Текст] / Н.С. Севрюгина, Е.В. Прохорова // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2013. -№2. - С. 192-195.

Зарубежные публикации

3. Прохорова, Е. В. Моделирование нештатных ситуаций при оценке надежности спецтехники [Текст] / Н.С. Севрюгина, Е.В. Прохорова // Вестник ХНАДУ. Харьков 2012. - Выпуск 57- С. 90-97

4. Прохорова, Е. В. Быстросъемность основных узлов и агрегатов и ремонтопригодность транспортных средств [Текст] /Н.С. Севрюгина, Е.В. Прохорова // Вестник ХНАДУ. Выпуск 57. Харьков 2012. - Выпуск 57-С. 97-104

Научные статьи

5. Прохорова, Е. В. Анализ номенклатуры гидравлических экскаваторов компании Caterpillar [Текст] / Е.В. Прохорова, Н.С. Севрюгина //

Труды международного форума по проблемам науки, техники и образования. - М: Академия наук о земле, 2008 — С. 160.

6. Прохорова, Е. В. Оценка параметров совместимости унифицированных элементов дорожных машин. / Н С. Севрюгина, Е.В. Прохорова [Текст] // «Научные исследования, наносистемы и ресурсосберегающие технологии в промышленности строительных материалов» (XIX научные чтения): междунар. научно-практ. конф. БГТУ им. В.Г. Шухова - Белгород, 2010 - С.201-208.

7. Прохорова, Е. В. Исследование систем быстрого присоединения навесного оборудования к базовой машине. [Электронный ресурс] / Е.В. Прохорова, Е.А. Волков, М.М. Синица // V Международный студенческий форум «Образование, наука, производство»/ Белгородский гос. техн. ун-т им. В Г. Шухова. Белгород, 2011.

8. Прохорова, Е. В. Технологическая унификация конструкции транспортных и технологических машин [Текст]./ Н.С. Севрюгина, Е.В. Прохорова // Международная научно-практическая конференция «Актуальные вопросы инновационного развития транспортного комплекса» Том 1/Госуниверситет УНПК. Орел, 2011 — С. 118-120.

9. Прохорова, ЕВ. Быстросъемное оборудование многофункциональных машин, его классификация и имитационное моделирование элементов [Текст] // Интерстроймех-2012: материалы Международной научно-технической конференции / Ижевск: ИжГТУ, 2012. - С.290-294

10. Прохорова, Е.В. Компьютерное моделирование динамических нагрузок в системе «рукоять - адаптер - рабочий орган». [Текст] // 17-я Московская международная межвузовская научно-техническая конференция студентов, магистрантов, аспирантов и молодых ученых «Подъемно-транспортные, строительные, дорожные, путевые машины и робототехнические комплексы»/ МГСУ. Москва, 2013. - С. 272-275.

11. Прохорова, Е. В. Методика оценки напряженно-деформированного состояния системы «рукоять - квгас-каплер - рабочий орган» [Текст] / Е.В. Прохорова, Е.А. Волков IIV Международный научный симпозиум «Ударно-вибрационные системы, машины и технологии» / Госуниверситет УНПК. Орел, 2013 - С. 241-245

12. Прохорова, Е. В. Проектирование универсального промежуточного звена навесного оборудования строительных и дорожных машин. [Текст] / Е.В. Прохорова, Н.С. Севрюгина //Научный вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета. Серия: Высокие технологии. Экология/ ВГАСУ, Воронеж, 2013.-№ 1-С. 175-180.

13. Прохорова, Е. В. Методика оценки устойчивости экскаватора, оборудованного бысгросоединительным устройством [Текст] // Меж-

дународная научно-практическая конференция «Инновационные материалы, технологии и оборудование для строительства современных транспортных сооружений» / Белгородский гос. техн. ун-т им. В.Г. Шухова. Белгород, 2013. - Т.Н. - С. 180-185.

14. Прохорова, Е. В. Применение тензодатчиков для определения деформаций, возникающих в рабочем оборудовании экскаватора [Электронный ресурс] / Е.В. Прохорова, Д.Н. Лиманский // «Международная научно-практическая конференция молодых ученых БГТУ им. В.Г. Шухова»/ Белгородский гос. техн. ун-т им. В.Г. Шухова. Белгород, 2013.

Прохорова Елена Викторовна

Выбор и обоснование параметров быстросъемного соединительного устройства для рабочего оборудования экскаватора

АВТОРЕФЕРАТ

Подписано в печать 0С.О2. 44 г Формат 60x84/16

п. л. 1.0 Тираж 100 Заказ №50

Отпечатано в Белгородском государственном технологическом университете им. В.Г. Шухова 308012, г. Белгород, ул. Костюкова, 46.

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «БЕЛГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им. В.Г. ШУХОВА»

На правах рукописи

04201456775

Прохорова Елена Викторовна

ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ БЫСТРОСЪЕМНОГО СОЕДИНИТЕЛЬНОГО УСТРОЙСТВА ДЛЯ РАБОЧЕГО ОБОРУДОВАНИЯ ЭКСКАВАТОРА

05. 05. 04 - Дорожные, строительные и подъемно-транспортные машины

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности

Научный руководитель кандидат технических наук доцент Н.С. Севрюгина

Белгород - 2014

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ................................................................................... 4

ГЛАВА 1. ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА ОПТИМИЗАЦИИ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ДОРОЖНОГО СТРОИТЕЛЬСТВА И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ РАБОЧЕГО ОБОРУДОВАНИЯ ДОРОЖНО-

СТРОИТЕЛЬНЫХ МАШИН...................................................... 10

1.1. Общие вопросы теории комплексной механизации технологических процессов дорожного строительства............. 10

1.2. Теоретические исследования в области оптимизации дорожных

и строительных машин................................................... 14

1.3. Оценка конструктивного совершенства быстросъемных соединительных устройств рабочего оборудования дорожно-строительных машин ведущих фирм изготовителей............... 22

1.4. Анализ и оценка эффективности крепления быстросъемных соединительных устройств рабочего оборудования дорожно-

строительных машин...................................................... 35

Выводы по главе 1.......................................................... 40

ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

БЫСТРОСЪЕМНОГО СОЕДИНИТЕЛЬНОГО УСТРОЙСТВА С ОБОСНОВАНИЕМ ПАРАМЕТРОВ КОНСТРУКЦИИ...... 42

2.1. Математическая модель статического расчета экскаватора с включением в систему рабочего оборудования промежуточного элемента 42

2.2. Математическая модель расчета усилий, действующих на элементы рабочего оборудования с использованием быстросъемного соединительного элемента.......................... 47

2.3. Оценка физико-механических свойств взаимодействия быстросъемного соединительного устройства с рабочим

оборудованием экскаватора................................................ 55

2.4. Проектирование прототипа быстросъемного соединительного устройства с ненагруженным механизмом фиксации рабочего

органа........................................................................ 61

Выводы по главе 2.......................................................... 70

ГЛАВА 3. МОДЕЛИРОВАНИЕ БЫСТРОСЪЕМНОГО

СОЕДИНИТЕЛЬНОГО УСТРОЙСТВА КАК ЭЛЕМЕНТА СИСТЕМЫ «РУКОЯТЬ - БСУ - РАБОЧИЙ ОРГАН»............... 72

3.1. Методика построения трехмерной модели быстросъемного

соединительного устройства............................................. 72

3.2. Имитационное моделирование системы «рукоять - БСУ -рабочий орган».............................................................. 77

3.3. Построение оптимального типоразмерного ряда быстросъемных

соединительных устройств................................................ 89

Выводы по главе 3.......................................................... 105

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И

ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ............................................................. 107

4.1. Экспериментальные исследования напряженно-деформированного состояния элементов быстросъемного соединительного устройства в местах фиксации рабочего

органа.......................................................................... 107

4.2. Оптимизация трудоемкости смены рабочего оборудования при выполнении технологического процесса дорожно-строительных работ........................................................................... 120

4.3 Функционально-стоимостной метод оценки технико-экономической эффективности проведенных

исследований................................................................ 124

Выводы по главе 4.......................................................... 135

ЗАКЛЮЧЕНИЕ............................................................................ 137

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ......................................140

СЛОВАРЬ ТЕРМИНОВ......................................................................................................................................141

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ................................................................................................................................142

ПРИЛОЖЕНИЯ........................................................................................................................................................161

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. Технологические процессы дорожных и строительных работ включают перечень разнородных, последовательных операций, выполнение которых требует конструктивно оптимизированных орудий труда. Данный вопрос ведущие фирмы производителей дорожной и строительной техники решают через расширение номенклатуры рабочего оборудования, применяемого с базовой машиной. Подобная многофункциональность реализуется через применение к базовой конструктивной схеме дополнительного быстросъемного соединительного устройства, обеспечивающего быструю и комфортную для оператора смену рабочего органа.

Разнообразие существующих схем быстросъемных соединительных устройств, отсутствие обоснованных рекомендаций эффективного их применения с уточнением параметров совместимости с рабочим органом, влияние введения дополнительного звена в конструкцию рабочего оборудования на технико-экономические характеристики машины, недостаточная проработка вопроса обеспечения надежности рабочего оборудования с быстросъемным соединительным устройством позволяет считать, что разработка методик создания и совершенствования быстросъемных соединительных устройств, обоснование режимов их работы является актуальной научно-практической задачей.

Данные исследования проведены в рамках выполнения государственного задания № 01201256403 на тему «Обоснование уровня технической оснащенности транспортных и технологических машин при обеспечении комплексной безопасности в чрезвычайных ситуациях» (2012 - 2014 г.г.) при БГТУ им. В.Г. Шухова. Это также подчеркивает актуальность работы.

Степень разработанности темы исследования. Научные основы теории комплексной механизации технологических процессов в

строительстве заложены в исследованиях ведущих ученых отрасли: Т.В. Алексеевой, К.А. Артемьева, И.И. Артоболевского, В.Ф. Амельченко, В.И. Баловнева, А.Ф. Базанова, Т.М. Башты, И.П. Бородачева, Ю.А. Ветрова, Д.П. Волкова, Ю.В. Гинзбурга, В.В. Гуськова, Н.Г. Домбровского, А.Н. Зеленина, А.Д. Костылева, Е.М. Кудрявцева,

A.Н. Максименко, П.А. Михирева, И.А. Недорезова, П.И. Никулина,

B.Б. Пермякова, Р.Ю. Подэрни, Б.М. Позина, В.Н. Тарасова, H.A. Ульянова, Ю.Ф. Устинова, Л.Г. Фохта, Д.И. Федорова, B.C. Щербакова, Л.С. Чебанова и многих других ученых.

Анализ результатов научных исследований ведущих ученых отрасли показал, что основной целью исследований является получение наивысшего качества выполненных работ с наименьшими затратами, т.е. обеспечение экономической эффективности. Эта задача решается по-разному, предлагается повысить качество материалов для дорожного строительства, квалифицированный уровень исполнителей, сократить время выполнения запланированных работ, но реализация всего этого становится сложной без применения универсальных, многофункциональных машин, которые можно отнести к категории высокотехнологичной техники.

Проведенный анализ существующих схем быстросъемных соединительных устройств (БСУ) выявил недостаточность научной проработки в области обоснования параметров их совместимости с рабочим органом, а также эффективности их применения. Отсутствуют методики оценки влияния введения дополнительного звена в конструкцию рабочего оборудования на технико-экономические характеристики машины; недостаточно проработан вопрос обеспечения надежности в системе «рукоять - БСУ - рабочий орган».

Объектом исследования является быстросъемное соединительное устройство, используемое в качестве промежуточного звена в рабочем оборудовании одноковшового экскаватора.

Предметом диссертационного исследования является обоснование эффективности применения БСУ, , а также исследование напряженно-деформированного состояния рабочего оборудования с быстросъемным соединительным устройством экскаватора.

Цель работы — повышение технологических возможностей одноковшового экскаватора путем обоснования параметров быстросъемного соединительного устройства, обеспечивающего снижение потерь времени на замену рабочего органа.

Задачи исследования:

1. Оценка конструктивного и технологического совершенства быстросъемных соединительных устройств, применяемых для сменных рабочих органов одноковшовых экскаваторов.

2. Проверка устойчивости одноковшового экскаватора, эксплуатируемого с быстросъемным соединительным устройством при различных нагрузках.

3. Разработка прототипа быстросъемного соединительного устройства с модифицированным механизмом фиксации.

4. Разработка методики определения основных параметров быстросъемного соединительного устройства рабочего органа одноковшового экскаватора.

5. Разработка алгоритма построения типоразмерного ряда прототипа быстросъемного соединительного устройства.

6. Проведение стендовых испытаний по определению напряженно-деформированного состояния в элементах металлоконструкции быстросъемного соединительного устройства.

7. Технико-экономическое обоснование расширения технологических возможностей экскаватора с применением быстросъемного соединительного устройства в системе рабочего оборудования.

Научная новизна работы состоит в разработке научно-

обоснованной методики выбора и обоснования параметров быстросъемных соединительных устройств; разработке модифицированного алгоритма построения типоразмерного ряда быстросъемных соединительных устройств; совершенствовании методики инженерного расчета экономической эффективности расширения технологических возможностей экскаватора с применением быстросъемного соединительного устройства в системе рабочего оборудования.

Теоретическая и практическая значимость работы. Разработанные в диссертации подходы, модели и методики ориентированы на практическое применение и расширяют технологические возможности одноковшового экскаватора путем применения быстросъемного соединительного устройства в системе рабочего оборудования, обеспечивая снижение потерь времени на замену рабочего органа. Предложен алгоритм построения типоразмерного ряда прототипа быстросъемного соединительного устройства с усовершенствованным механизмом фиксации. Разработаны рекомендации эксплуатирующим организациям по комплектации экскаватора рабочими органами с учетом вероятностных параметров снижения себестоимости выполняемых работ.

Методология и методы исследования. Диссертационное исследование выполнено на основе трудов ведущих отечественных и зарубежных ученых в области совершенствования конструкции дорожных, строительных и подъемно-транспортных машин, повышения их производительности путем расширения функциональности, а так же улучшения условий труда оператора. Теоретико-методологической основой исследования явились системный подход; теория вероятности; методы математического моделирования; теория рабочих процессов дорожных машин; теория планирования и статистической обработки результатов эксперимента; функционально-стоимостной анализ.

На защиту выносятся:

1. Математическая зависимость оценки нагрузочных характеристик и напряженно-деформированного состояния системы рабочего оборудования с применением быстросъемного соединительного устройства.

2. Конструктивное решение прототипа быстросъемного соединительного устройства с модифицированным механизмом фиксации.

3. Алгоритм построения типоразмерного ряда быстросъемных соединительных устройств.

4. Методика инженерного расчета экономической эффективности применения быстросъемных соединительных устройств на базе функционально-стоимостного анализа.

Степень достоверности результатов. Достоверность результатов подтверждается согласованием выводов теоретического анализа с результатами модельных и натурных экспериментов.

Апробация работы. Основные положения работы доложены на научно-методических и научно-исследовательских конференциях в БГТУ им. В.Г. Шухова в 2009, 2010, 2011, 2012 и 2013 годах; МГСУ (МИСИ) в 2013 г.; ХНАДУ в 2011, 2012, 2013 годах, Харьков, Украина; Интерстроймех - 2013 г., Ижевск; международном научном симпозиуме «Ударно-вибрационные системы, машины и технологии», УНПК-ГТУ, г. Орел в 2011 г., 2013 г.; ВГАСУ в 2013 г., г. Воронеж.

Реализация результатов работы. Разработанная методика выбора рационального типоразмерного ряда и оценки ресурса элементов крепления системы «рукоять - БСУ - рабочий орган» принята для реализации в ООО «ТК «Экотранс» и МБУ «Управление Белгорблагоустройство»; методика моделирования внедрена в учебный процесс кафедр «Сервис транспортных и технологических машин» и «Подъемно-транспортные и дорожные машины» ФГБОУ ВПО БГТУ им. В.Г. Шухова.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 научных статей, в том числе 2 статьи в периодических изданиях, рекомендуемых ВАК.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка используемых источников. Общий объем работы составляет 160 страниц, включая 18 таблиц, 54 рисунка, список литературы из 164 наименований и 4 приложения.

ГЛАВА 1. ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА ОПТИМИЗАЦИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ДОРОЖНОГО СТРОИТЕЛЬСТВА И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ РАБОЧЕГО

ОБОРУДОВАНИЯ ДОРОЖНО-СТРОИТЕЛЬНЫХ МАШИН

1.1. Общие вопросы теории комплексной механизации технологических процессов дорожного строительства

Научные основы теории комплексной механизации технологических процессов в строительстве заложены в исследованиях ведущих ученых отрасли: Т. В. Алексеевой, К. А. Артемьева, И. И. Артоболевского, В. Ф. Амельченко, В. И. Баловнева, А. Ф. Базанова, Т. М. Башта, И. П. Бородачева, Ю. А. Ветрова, Д. П. Волкова, Ю. В. Гинзбурга, В. В. Гуськова, Н. Г. Домбровского, А. Н. Зеленина, А. Д. Костылева, Е. М. Кудрявцева, А.Н. Максименко, П. А. Михирева, И. А. Недорезова, П. И. Никулина, В. Б. Пермякова, Р. Ю. Подэрни, Б. М. Позина, В. Н. Тарасова, Н. А. Ульянова, Ю. Ф. Устинова, Л. Г. Фохт, Д. И. Федорова, В. С. Щербакова, Л. С. Чебанова и многих других ученых [1,2, 7, И, 12, 13, 14, 15, 17,31,32,38,50,51,61,68].

Анализ результатов научных исследований ведущих ученых отрасли показал, что основной целью исследований является получение наивысшего качества выполненных работ с наименьшими затратами, т.е. обеспечение экономической эффективности. Эта задача решается по-разному, предлагается повысить качество материалов для дорожного строительства, квалифицированный уровень исполнителей, сократить время выполнения запланированных работ, но реализация всего этого становится сложной без применения универсальных, многофункциональных машин, которые можно отнести к категории высокотехнологичной техники.

Для снижения трудоемкости дорожно-строительных процессов требуется не только увеличивать количество механизированного оборудования, но и расширять технологические возможности машин с помощью сменного оборудования. В качестве примера можно привести одну из ведущих фирм - Са1егрШаг, которая производит строительную, дорожную и прочую специальную технику, а также предлагает более нескольких десятков видов сменного оборудования.

С точки зрения экономической эффективности становится важным при выполнении технологических процессов в строительстве применять комплексы и отдельные машины с минимальными удельными приведенными затратами.

Логично заключить, что можно ставить вопрос не только об оптимизации комплектов и комплексов машин, но и об оптимизации конструкций самих машин, включая и их рабочее оборудование.

Производительность дорожно-строительных машин является базовым показателем и основанием для формирования других показателей. Формула для определения производительности объединяет технико-экономические параметры машины и параметры, определяющие условия ее эксплуатации. Применительно к анализу дорожно-строительных машин эксплуатационная производительность несет информацию о функциональном назначении и полезности машины, а также информацию, позволяющую оценить влияние уровня организации работ, квалификации, физического и психического состояния оператора на эффективность машины.

Пути повышения производительности подъемно-транспортных и дорожно-строительных машин подразделяются на два направления:

1) улучшение использования технического потенциала;

2) техническое совершенствование машин.

Первый путь содержит следующие составляющие: улучшение использования машин по времени, т. е. сокращение простоев, улучшение

загрузки машин, улучшение организации производства, укрепление трудовой дисциплины, повышение квалификации и культурно-технического уровня машинистов, совершенствование хозяйственного механизма с оплатой по конечным результатам.

Второй путь (техническое совершенствование машин) включает модернизацию машин, компьютеризацию, расширение наборов сменных рабочих органов, пр