Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

В работе рассматриваются вопросы дальнейшего развития и совершенствования парка одноковшовых гидравлических строительных экскаваторов /ОГСЭ/.

Результатом работы является техническое предложение по созданию типоразмерного ряда новых моделей машин, технический уровень которых превышает достигнутый в настоящее время на машинах отечественного и зарубежного производства.

Предварительные технико-экономические расчеты показывают, что годовая выработка предлагаемого парка ОГСЭ при его неизменном количественном составе увеличивается в 2,2 раза, а усредненная стоимость разработки кубометра грунта снижается на 2535%.

Создание прогрессивных конструкций ОРСЭ потребовало разработки методик определения и оптимизации структуры парка, основных параметров машин, а также развития новой стратегии проектирования.

Научной базой настоящей работы являются результаты научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ проведенных совместно с ТашЭкс.

Предлагаемые типоразмерные группы машин и их основные параметры определены принятыми в работе исходными данными и положениями.

Изменение требований предъявляемых к ОГСЭ повлечет за собой изменение исходных данных и, как следствие этого, типоразмерного ряда машин и их параметров.

В то же время методики оптимизации структуры парка, определения основных параметров машин и стратегия их проектирования, разработанные на основании требований технологии и безопасности производства экскавационных работ и учета объективно существующих взаимосвязей между параметрами машины, зоной действия ее рабочего оборудования и рабочей средой, остаются неизменными и представляют собой теоретическую базу, позволяющую создавать прогрессивные конструкции новых машин.

Актуальность настоящей работы заключается в том, что в ней впервые определение и оптимизация основных параметров ОГСЭ производится по единому, учитывающему многофакторность задачи.

Рекомендуемые для определения основных параметров ОГСЭ методы теории подобия [I] позволяют создавать работоспособные машины традиционных конструкций на базе ранее приобретенного опыта. Однако они не могут служить основой для создания принципиально новых, прогрессивных конструкций машин. [2, 3, 4, 5, 6, 7.]

В отрасли нет также имеющих практический выход работ по определению основные параметров ОГСЭ на основании экономической эффективности их производства и эксплуатации. [8, 9.]

Все это привело к тому, что существующий в стране парк ОГСЭ образован путем воспроизводства случайных образцов зарубежной техники и замены механического привода серийных машин гидравлическим.

В связи с изложенным отечественные модели ОГСЭ имеют ряд принципиальных конструктивных недостатков, в числе которых:

несоответствие между максимальным усилием копания и диапазоном вместимости сменных ковшей, следствием чего является стопорение ковша в забое (разработка прочных грунтов) или недоиспользование мощности копающих механизмов и, следовательно, потеря производительности (разработка слабых грунтов) [10];

недостаточная устойчивость ОГСЭ при копании, приводящая к тому, что максимальные усилия реализуются в ограниченной близлежащей к опорному контуру машины зоне забоя, работа в которой для наиболее распространенных в стране грунтов 111 категорий запрещена строительными нормами и правилами ведения земляных работ [II];

нерациональное расположение зоны действия рабочего оборудования обратной лопаты относительно опорного контура машины, следcтвием чего является большая мертвая зона и снижение глубины копания легких грунтов. [II];

непроизводительные потери ресурса рабочих органов и гусеничных движителей при копании [12];

низкий КПД основных операций цикла: копания 0,54 [13, 14]; транспортировки грунта в вертикальной плоскости 0,35 [15]; транспортировки грунта в горизонтальной плоскости 0,23 [15]; и цикла в целом 0,350,42. [16, 17]

Возможность рационального использования ОГСЭ снижается из-за того, что структура существующего парка не в полной маре соответствует требованию распределения экскавационных работ по основным отраслям строительства [18, 19, 20, 21, 22, 23.].

I. РАЗВИТИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ БАЗЫ И СОЗДАНИЕ МЕТОДИК ОПТИМИЗАЦИИ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ОГСЭ

1.1 Постановка задачи

Создание оптимальных конструкций машин, обеспечивающих полную механизацию земляных работ в строительстве при минимальных приведенных затратах на разработку кубометра грунта, - проблема весьма сложная и многофакторная.

Первым этапом этой проблемы следует считать оптимизацию процесса взаимодействия рабочего органа с рабочей средой, решение которого позволит определить необходимые усилия копания Р_01max и диапазон изменения вместимости сменных ковшей, предназначенных для разработки грунтов I-IV категорий.

Вторым этапом работы является определение минимальной массы машины по условию сцепления ее движителя с грунтом при копании.

К третьему этапу следует отнести решение вопросов, связанных с формированием рабочей зоны при использовании основного вида рабочего оборудования - обратной лопаты.

Четвертый этап работы предусматривает определение линейных размеров элементов рабочего оборудования (РО) и места его сочленения с поворотной платформой.

Пятый этап включает синтез исполнительных механизмов рабочего оборудования и их компоновку на металлоконструкциях стрелы и рукояти. Здесь же определяется масса металлоконструкций и гидроцилиндров.

Шестой этап - определение параметров рабочего оборудования и повышение долговечности режущих органов одноковшовых экскаваторов.

Зная длительность и энергоемкость основных операций цикла (копания, транспортировки грунта в вертикальной и горизонтальной плоскостях), а также требования оптимальной технологии ведения работ, можно приступить к восьмому этапу проектирования - определению минимальной теоретической длительности цикла.

На рис. I приведен описанный выше алгоритм оптимального проектирования ОГСЭ. На стр. 9, 10 обозначены основные исходные данные параметры и зависимости, которые используются на каждом этапе работы.

В настоящей работе излагаются этапы алгоритма:

1, 2, 3, 4, 5 и частично 6 и 9. Этапы 4, 5, 7, 8 и 9 развиты автором ранее в работах [24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37 и 38.].

1.2 Оптимизация процесса взаимодействия рабочего органа со средой

1.2.1 Определение максимального усилия копания

1.2.1.1 Удельное расчетное сопротивление грунта копании

Анализ работ по определению сопротивления грунта копанию [39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49, 50] показал, cледующее :

создание универсального математического описания процесса копания для разных грунтов в детерминированном представлении невозможно;

Обозначения к рис.1 и по тексту

Ак_i - удельная энергоемкость процесса копания -- 1;

Кк_i - среднеарифметическое значение удельного сопротивления грунта копанию -- 2;

Кк_i^в - удельное сопротивление грунта копанию с заданной вероятностью стопорения ковша в забое -- 3;

h_max=f(S, _к) - зависимость максимальной толщины срезаемой стружки S_от площади поперечного сечения ковша и угла его поворота при копании _к-- 4;

M=f(_к) - зависимость максимального момента сопротивления повороту рабочего органа при копании от угла его поворота -- 5;

- коэффициент сцепления движителя с грунтом -- 6;

Н_кmax- максимальная глубина копания -- 7;

L₀ - расстояние от опорного контура ОГСЭ до бровки забоя -- 8;

q_o, q_н, q_т - вместимости сменных ковшей -- 9;

_о = 23^о - расчетный угол естественного откоса грунта--10;

L_пер^max - максимальная передвижка ОГСЭ при Нк мах -- 11;

_о^к - расчетный угол откоса канала -- 12;

H^в_min, R^в_min - минимальные высота и радиус выгрузки -- 13;

_c - полный угол поворота стрелы -- 14;

_р - полный угол поворота рукояти -- 15;

_к - полный угол поворота ковша -- 16;

Р_01max = f(_к) - зависимость максимального усилия копания от угла поворота ковша _к при Р_max -- 17;

Р_01max = f(_р) - то же при копании поворотом ковша совместно с рукоятью -- 18;

М_с = f(_c) - максимальный момент, реализуемый стрелоподъемным механизмом при Р_мах -- 19;

_i - углы давления в стержневых механизмах рабочего оборудования -- 20;

Р_mах - максимальное давление рабочей жидкости -- 21;

G_ро = f(м)- масса рабочего оборудования обратной лопаты при разных схемах компоновки исполнительных механизмов -- 22;

G_э^min - минимальная масса ОГСЭ, определяемая максимальным усилием копания и коэффициентом сцепления движителя с грунтом -- 23;

[P] - несущая способность грунта при копании -- 24;

M_уд^к - максимальный момент, удерживающий экскаватор при копании -- 25;

М_уд^в - максимальный момент, удерживающий экскаватор при повороте платформы на выгрузку -- 26 ;

М_уд^у - максимальный момент удерживающий экскаватор на уклоне -- 27;

V₃ - скорость перемещения ОГСЭ в забое -- 28;

V_т - транспортные скорости ОГСЭ -- 29;

Д - динамический фактор -- 30;

У - максимальный угол подъема и спуска -- 31;

_п - расчетный угол поворота платформы на выгрузку -- 32;

I_п - момент инерции поворотной платформы -- 33;

_р, _т - ускорения разгона и торможения -- 34;

A_i - энергоемкость i^-ой операции цикла -- 35;

t_i^ц - длительность i^-ой операции цикла -- 36;

С_оп^т - технологический алгоритм совмещения операций цикла--37;

С_оп^э - эргономически возможный алгоритм совмещения операций цикла -38;

Рmax_i^расч - максимальное расчетное давление для i исполнительного механизма -- 39;

Рр_i - заданный ресурс i^-го агрегата -- 40;

КПД операций цикла -- 41;

N_i - установочная мощность i^-го агрегата -- 42;

С₃ - система защиты гидропривода от перегрузки -- 43;

Cc - система сервоуправления -- 44;

l_c, l_p - длины стрелы и рукояти;

x_c, y_c - координаты крепления пяты к платформе;

R_{к max} - максимальный радиус копания;

M_po, I_po. - масса и момент инерции рабочего оборудования;

m_пп - масса поворотной платформы;

В и L - база и колея машины.

удельное сопротивление грунта копанию является одним из основных объективных обобщенных интегральных показателей процесса взаимодействия рабочего органа с грунтом, а способ определения усилий копания по удельным сопротивлениям К_к - наиболее достоверным и простым.

Коэффициент К_к представляет собой среднюю удельную величину сопротивления грунта копанию, численно равную энергоемкости процесса

Определенная по значению К_к сила сопротивления грунта копанию F является среднеарифметической величиной, откуда следует, что в 50% реализации фактическое значение F больше расчетного.

Расчетное значение К_к^в, выбирается таким образом, чтобы вероятность превышения силой F максимального усилия копания Р_01max, приводящего к стопорению ковша в забое, была не более заданной величины.

В предположении нормального распределения усилия копания К_к^в находится по выражению [21]:

где - среднеквадратичное отклонение сопротивления грунта копанию от среднего значения ;

a- квантиль нормального распределения, соответствующий принятой вероятности;

V - коэффициент вариации сопротивления грунта копанию.

_к - среднеквадратичное отклонение

Рис. 2. К определению удельного сопротивления грунта копанию К_к^в.

В табл. 1 приведены среднеарифметические значения коэффициентов К_к, а также значения К_к^в, определенные для вероятности ковша в забое, равной 0,025.

Таблица 1.

Удельное сопротивление грунтов копания, Мпа
Категория грунта	Среднеарифметическое значение Кк и энергоемкость копания А/кжд/м3 (вероятность стопорения ковша 50%)	Расчетное значение Ккв (вероятность стопорения ковша 2,5%)
II III IV	0,13/130 0,20/210 0,32/320	0,167 0,268 0,420

Таким образом, увеличение расчетных значений усилия копания по сравнению со среднеарифметическим в среднем на 30% позволяет снизить вероятность стопорения ковша в забое в 20 раз (с 50% до 2,5%) (см. рис. 2).

1.2.1.2 Набор сменных ковшей

Полная мощность «копающих» механизмов ОГСЭ реализуется в том случае, если произведение вместимости ковша q_i на энергоемкость операции А_i постоянно, т.е. А_i q_i - const.

Таким образом, А₁ q₀ = А_IIIq_н = А_IVq_т , откуда с учетом значений К_к^в табл. 1, имеем q_т : q_н : q_о = 1 : 1,6 : 2,46.

Т.е. для полной реализаций мощности «копающих» механизмов вместимость сменных ковшей каждого типоразмера машины должна отличаться примерно в 2,5 раза.

При этом основные технологические параметры ОГСЭ (Н_{k max} и R_{k max}) не должны уменьшаться при замене ковша вместимостью q_т или q_н на q_о. Это положение наглядно иллюстрирует рис. 3.

Рис. 3. Диапазоны изменения вместимости сменных ковшей ОГСЭ при неизменных параметрах забоя.

1.2.1.3 Оптимизация кинематики процесса копания

Минимум момента М, необходимого для поворота ковша при копания, будет иметь место, если минимально произведение:

М = К_к^в R h_max B.

где R - радиус копания, h - толщина стружки, В - ширина ковша.

При K_к^в и В - const

M_min = f (R, h_max).

Как видно из рис. 4, R и L при заданной емкости ковша q = BS являются функциями угла поворота при копании _к.



где _i - текущий угол поворота ковша при копании.

Представив переменную часть момента М' в виде безразмерной величины

легко проанализировать ее поведение при изменении угла _i, например, от 30 до 150^о. Из рассмотрения рис.4 следует, что оптимальными по толщине срезаемой стружки, компоновке рабочего оборудования, кинематике исполнительных механизмов и моменту являются углы поворота, равные 50-55^о при копании поворотом ковша с рукоятью и 120-125^о при копании поворотом ковша.

В этом случае максимальная толщина срезаемой стружки h_max, радиус копания при повороте рукояти R_р = l_р + R_к и радиус ковша для любого типоразмера машины могут определятся выражениями:

- при копании поворотом ковша и

- при копании поворотом ковша с рукоятью.

1.2.1.4 Максимальные расчетные усилия копания

При использовании ковшей обратной лопаты с соотношениями параметров, соответствующих ОСТ 22-915-76, максимальные расчетные усилия копания поворотом ковша Р^к_{01 max} , определенные по выражению:

Р^к_{01 max} = К_к^в h^к_max B,

приведены на рис. 5 (Максимальные усилия копания при повороте рукояти с ковшом меньше приведенных всего на 10-15%).

Из рис. 5 следует:

рекомендуемые значения Р_01max практически полностью совпадают с максимальными расчетными усилиями копания последних моделей ОГСЭ ведущих фирм Японии, ФРГ, США и Франции;

максимальные усилия копания отечественных гидравлических экскаваторов соответствуют следующему набору вместимостей сменных ковшей:

ЭО-3322Б - q_o = 0,5 м³; q_н = 0,3 м³; q_т = 0,2 м³ вместо 0,63 м³;

ЭО-4321 - q_o = 0,8 м³; q_н = 0,55 м³; q_т = 0,35 м³ соответственно вместо 1,0м³, 0,65 м³ и 0,40 м³;

ЭО-4121Б - q_o = 0,9 м³; q_н = 0,6 м³; q_т = 0,3 м³ соответственно вместо 1,0 м³ и 0,65м³;

ЭО-5122 - q_o = 1,3 м³; q_н = 0,8 м³; q_т = 0,52 м³ соответственно вместо 1,6 м³ и 1,25 м³;

ЭО-6122 - q_o = 1,8 м³; q_н = 1,15 м³; q_т = 0,75 м³ соответственно вместо 2,5 м³ и 1,6 м³.

Таким образом, только одна модель из выпускаемых в стране ОГСЭ - ЭО-4321 - имеет близкие к требуемым соотношения между максимальным усилием копания и вместимостью сменных ковшей.

Рекомендуемые;

Расчетные на существующих ОГСЭ отечественного производства;

По ГОСТ 22894-77.

Рис. 5. Максимальные усилия копания Р_01max в kH.

Из изложенного следует, что выпускаемые в стране экскаваторы вообще не оборудуются ковшами для разработки грунтов IV-категории.

Работа ковшами завышенной вместимости приводит к постоянным стопорениям ковша в забое, перегрузкам элементов РО, гидропривода и др. узлов машин, значительным снижениям их производительности и ресурса.

1.3 Минимально необходимая масса экскаватора

Эта масса определяется условием, обеспечивающим сцепление движителя экскаватора с грунтом, т.е.

^,

где коэффициент сцепления для гусеничных машин с траками без грунтозацепов 0,2 0,6 (меньше значения относятся к увлажненным и мерзлым грунтам), а с грунтозацепами, в том числе и на аутригерах, достигает 0,8.

Таким образом, минимальная масса ОГСЭ без грунтозацепов и с ними выражается в функции Р_01max соответственно прямыми

и .

Сопоставление прямых 1 и 2 (рис. 6) показывает возможность значительного снижения массы ОГСЭ путем оснащения опорного контура машины при копании грунтозахватными устройствами (так, например, для ОГСЭ с q_o = 1,0 м³ G_э^min соответственно равны 30 и 18 т).

1.4 Формирования рабочей зоны

Основные исходные посылки по формированию рабочей зоны предопределяют:

а) полное исключение мертвой кинематической зоны I, рис.7а, отстоящей от опорного контура машины на расстоянии менее метра, что делает безопасной работу ОГСЭ с рабочим оборудованием обратной лопаты и повышает коэффициент использования активного объема стрелоподъемного гидроцилиндра;

б) возможность разработки земляных сооружений в грунтах I-ой категории с учетом естественного откоса _о = 38°, а также каналов с заложением I : m=1 : 1,5 при максимальной паспортной глубине копания Н_кmax;

в) положение элементов рабочего оборудования при выгрузке грунта в транспорт, которое характеризуется вертикальным направлением максимального радиуса ковша, повернутой на угол копания рукоятью и полностью поднятой вверх стрелой (рис. 7б).

Целесообразность этого положения элементов рабочего оборудования основывается на том, что

- подъем груженого ковша стрелоподъемным механизмом происходит при более низком рабочем давлении в системе гидропривода, чем при подъеме груженого ковша отворотом рукояти;

Рис. 6. Взаимосвязь между массой экскаватора Gэ и реализуемым усилием копания Р_01max по условию сцепления движителя с грунтом (1 - движитель с грунтозацепом; 2 - движитель без грунтозацепа).

- поворот платформы на выгрузку происходит при меньшем моменте инерции, что при Р- соnst сокращает длительность операции;

- совмещенный с опусканием стрелы отворот рукояти происходит под действием момента сил тяжести самой рукояти с ковшом и практически не требует на это затраты энергии, а следовательно, повышает КПД цикла.

Сформированная в соответствии с положениями 1.4 рабочая зона ОГСЭ практически полностью соответствует реализуемой в настоящее время.

1.5 Линейные размеры рабочего оборудования обратной лопаты

Определение линейных размеров элементов рабочего оборудования начинается с рукояти. Для этого используются ее два крайние положения (см. рис. 8): первое - полностью отвернутое, соответствующее началу копания на глубине Н_{к max} (точка 0_к1), и второе - при котором ковш касателен вертикали 0У, а его режущая кромка касается грунта на уровне стоянки машины в точке О_к2 , определяющей заданную величину недобора.

Если принять, что второе положение ковша соответствует полному углу поворота рукояти _р, который согласно (II) может быть принят равным 125-130°, то

Определение длины рукояти считается законченным, когда ее длины по условиям копания и организации забоя практически совпадают.

Аналогичным приемом по двум крайним положениям стрелы, из которых первое соответствует определенной ранее точке О_р1 сопряжения стрелы с рукоятью, а второе О_р2 - принятому положению элементов рабочего положения при выгрузке, определяется длина стрелы l_с.

Принимая угол поворота стрелы _с = 100115^o [35, 36], находим

Пересечение прямых l_c определяет координаты пяты стрелы х_с и y_c (см. рис. 8).

Предложенные формы рабочей зоны и кинематическая схема рабочего оборудования позволили вынести вперед и вниз крепление пяты стрелы к поворотной платформе, результатом чего явилось спрямление и сокращение длины стрелы.

1.6. Синтез исполнительных гидромеханизмов рабочего оборудования (РО)

Под синтезом исполнительного гидромеханизма имеется в виду:

1.6.1. определение максимального давления рабочей жидкости по заданной энергоемкости наиболее нагруженной операции (см. рис. 9).

1.6.2. определение параметров гидроцилиндра, имеющего при выбранном максимальном давлении минимальную массу (см. график-номограмму рис. 10) [52].

1.6.3. определение структуры механизма и его передаточной функции реализующей заданный закон изменения момента от угла поворота ведомого звена (см. рис. 11а; 11б; 11в). [11, 12, 13 , 54, 53].

В работе впервые рассматривается вопрос компоновки синтезированных механизмов на металлоконструкциях рабочего оборудования.

Основной недостаток существующей традиционной кинематической схемы рабочего оборудования обратной лопаты, у которой стрелоподъемные гидроцилиндры расположены под стрелой, а гидроцилиндры поворота рукояти над ней, заключается в том, что отдельные участки металлоконструкции стрелы не разгружены гидроцилиндрами. По данным [53] загруженность сечений, расположенных между гидроцилиндрами, примерно в 1,6 - 2,0 раза выше, чем в сечениях, расположенных между шарнирами этих гидроцилиндров.

В предлагаемой кинематической схеме рабочего оборудования (см. рис. 12) все гидроцилиндры соединены между собой и расположены над стрелой под небольшим углом к ее продольной оси. Это позволило снизить изгибающие моменты действующие на металлоконструкцию стрелы и разделить силовой поток, возникающий при копании, на два, один из которых попадает на поворотную платформу через сочлененные между собой гидроцилиндры ковша, рукояти и стрелы, а второй - через металлоконструкции рукояти и стрелы.

Ожидаемое снижение массы стрелы при прочих равных условиях за счет ее спрямления и уменьшения нагрузок по данным [53] достигает 2025%.

1.7 определение базы и колеи опорно-ходового устройства ОГСЭ

Параметры (база В и колея L) опорно-ходового устройства при заданной массе экскаватора G_а определяются как несущей способностью грунта (рис. 13) [2], так и устойчивостью ОГСЭ при выгрузке и копании (рис.14).

В первом случае они подчиняются зависимости:

а во втором



где :М_уд^в и М_уд^к - моменты, удерживающие экскаватор от опрокидывания при выгрузке и копании /см.рис.14/,

М_уд^в =К_у^в(G_кL_к+G₀L₀+ М_в^ц)

Здесь К_у^в - коэффициент устойчивости при выгрузке;

G_к, G₀ - соответственно силы тяжести груженного подвернутого ковша и стрелы с рукоятью, а L_к и L₀ - плечи действия этих сил;

М_в^ц - опрокидывающий момент от действия центробежных сил при повороте платформы на выгрузку.

М_уд^к =К_у^в(Р_{о мах} Н_{к мах} - М_уд^о),

где М_уд^о - удерживающий момент от действия сил тяжести элементов рабочего оборудования.

Результаты расчетов по определению параметров опорно-ходового устройства для ОГСЭ иллюстрируются кривыми рис.15.

При определении базы ходового устройства предполагалось центральное положение поворотной платформы, расширяющее универсальность машины.

Учитывая, что М_уд^к > М_уд^в , получим

.

Из приведенного анализа и рис.15 следует:

- база отечественных гусеничных экскаваторов значительно меньше базы зарубежных моделей экскаваторов равной массы.

- параметры ходового устройства, определенные по предложенной методике, имеют значения, близкие к параметрам ходовых устройств зарубежных экскаваторов.

- опорный контур ОГСЭ, необходимый для реализации максимальных усилий копания, значительно превышает параметры гусеничного хода, определяемые несущей способностью грунта.

- параметры второго опорного контура пневмоколесных и гусеничных ОГСЭ ведущих зарубежных фирм хорошо согласуются со значениями, полученными автором.

Изложенные материалы позволяют сделать следующие выводы:

- опорно-ходовые устройства отечественных ОГСЭ не обеспечивают устойчивость машины при копании в расчетной зоне с максимальными усилиями копания;

- развитие опорно-ходовых устройств пневмоколесных и гусеничных ОГСЭ должно идти по пути совершенствования ходовых и тяговых характеристик движителей, предназначенных для перемещения машин на трассе и в забое и создании второго опорного контура, предназначенного для обеспечения устойчивости экскаватора при работе.

1.8 Рабочий цикл ОГСЭ

Рабочий процесс экскаватора осуществляется рядом последовательных и совмещенных движений (операций). Набор и последовательность этих движений определяются технологией выполнения работ и видом рабочего оборудования, а продолжительность рабочего цикла зависит от скорости выполнения движений и возможности их совмещения.

Минимально возможная продолжительность рабочего цикла с заданным видом рабочего оборудования может иметь место, если скорость каждой операции принята максимально возможной, а система гидропривода обеспечивает необходимые совмещения движений и подачу к исполнительным механизмам мощности, достаточной для выполнения каждой операции с заданными скоростями.

Такой цикл работы экскаватора назовем минимальным теоретическим, а его продолжительность обозначим Т_{ц min} [37].

Минимальный теоретический цикл Т_ц.min, соответствующий оптимальной технологии ведения экскавационных работ, предусматривающий совмещение подъема груженого рабочего оборудования с поворотом платформы на выгрузку (новая кинематическая схема рабочего органа исключает необходимость отворота рукояти см. выше) и опускание стрелы с отворотом рукояти и поворотом платформы для предлагаемых машин, приведен на рис. 16. Здесь по оси абсцисс отложена длительность операций в процентах, а по оси ординат - отношение мощностей, затрачиваемых на выполнение операций цикла, к суммарной мощности насосной установки. Энергоемкость операций копания определена выше, а энергоемкость остальных нагруженных операций цикла взята по данным табл.11. С учетом КПД рабочего оборудования и гидропривода энергоемкость совмещенных операций подъема рабочего оборудования и поворота платформы примерно в два раза превышает энергоемкость процесса копания. Поэтому при использовании на эти операции полной мощности насосной установки длительность копания должна быть примерно вдвое меньше длительности совмещенного подъема рабочего органа с грунтом и поворота.

Опыт испытаний и эксплуатации ОГСЭ показывает, что по физиологическим возможностям оператора средняя линейная скорость движения объекта слежения (например, движения ковша при подъеме или опускании рабочего оборудования), или наоборот, - оператора относительно объекта слежения (например, при повороте платформы относительно забоя или места выгрузки) не должна превышать 2,5 ... 3,5 м/с. Это соответствует практически постоянной угловой скорости подъема или опускания стрелы и средней переменной скорости поворота платформы, равной 0,35 - 0,45 1/с. При этом линейное ускорение движения кабины не должно превышать 0,2 ... 0,3 g (g - ускорение свободного падения). Эти исходные положения и явились основанием ограничения скоростей движения ведомых звеньев исполнительных механизмов рабочего оборудования и поворота платформы при разработке, ГОСТ 22894-77. Минимальные длительности циклов, предусмотренные этим ГОСТом для рабочего оборудования обратной лопаты, приведены в табл. 1.1.

Имея в виду, что малонагруженные совмещенные операции цикла-опускание стрелы, отворот рукояти и ковша, выполняемые одновременно с поворотом платформы в забой, составляют примерно 35%, с учетом изложенного выше можно написать

откуда

t_коп = 22%Т_{ц min}.

В табл. 1.1. приведена длительность основных операций минимального теоретического цикла для ОГСЭ предлагаемого ряда, а также потребная для реализации этого цикла суммарная мощность насосов и первичного двигателя.

Из анализа рис.16 следует, что число нагруженных операций цикла, совмещение которых позволяет сократить его продолжительность, не превышает двух, а число малонагруженных операций и операций, выполняемых без затрат энергии, достигает четырех (опускание стрелы втягиванием или поворот рукояти, поворот ковша и поворот платформы).

В типовом цикле, предусматривающем наиболее рациональную технологию ведения работ, копание начинается поворотом рукояти, а завершается поворотом ковша. С целью сохранения "шапки" грунта в ковше при подъеме стрелы на выгрузку включается механизм поворота ковша. Во время копания поворотом рукояти возможны кратковременные включения механизма подъема-опускания стрелы с целью регулирования толщины срезаемой стружки и загрузки механизма поворота рукояти и первичного двигателя машины.

В типовом рабочем цикле существующих экскаваторов с обратной лопатой около 30% времени затрачивается на копание и столько же - на повороты платформы, совмещенной с подъемом рабочего оборудования.

Таким образом, из-за возможного несоответствия мощносных характеристик исполнительных механизмов рабочего оборудования и поворота платформы суммарные установочные мощности насосной установки и первичного двигателя по условию реализации цикла на существующих отечественных ОГСЭ завышены на 20-25%.

1.9 Гидропривод ОГСЭ

Предлагаемая закрытая схема гидропривода (с тремя реверсивными насосами) (рис.17 ), учитывающая [55, 56, 57, 58, 59, 60] обеспечивает:

- подачу каждому исполнительному механизму рабочего оборудования полной мощности первичного двигателя;

- совмещение в любом сочетании трех операций цикла;

- исключение непроизводительных потерь энергии на дросселирование рабочей жидкости в гидроагрегатах системы при выполнении технологических операции цикла;

- защиту гидропривода и металлоконструкции экскаватора от перегрузок, возникающих при его работе;

Существенные преимущества предлагаемой закрытой заключаются в:

увеличении съема мощности с гидромашин, благодаря подпору во всасывающей гидролинии;

использовании первичного двигателя для торможения и стабилизации скорости при действии попутных нагрузок;

возможности непосредственной рекуперации кинетической энергии, запасенной одним исполнительным механизмом для совершения полезной работы другим;

существенном сокращении заправочной массы рабочей жидкости;

повешении КПД операций цикла.

На рис. 17 - насосы Н_рх, Н_пл, Н_п соответственно привода рабочего оборудования и механизма передвижения, поворота платформы и подпитки; гидроцилиндры Г_к, Г_р, Г_с соответственно ковша, рукояти и стрелы; гидромониторы механизма передвижения Г_х и механизма поворота платформы Г_пл.

2. ОПТИМИЗАЦИЯ И АНАЛИЗ СТРУКТУРЫ ПАРКА ОГСЭ

2.1 Исходные данные и положения

Почти половина всего объема земляных работ в строительстве выполняется одноковшовыми гидравлическими строительными экскаваторами (ОГСЭ) с основным видом рабочего оборудования - обратной лопатой [10], определяющим как параметры рабочей зоны машины и ее опорно-ходового устройства, так и нагрузки в элементах металло-конструкций и гидропривода.

Наряду с рабочим оборудованием, обратной лопаты, в настоящее время на ОГСЭ используются многочисленные сменные виды рабочего оборудования и рабочих органов, как, например, погрузочное, грейферное, крановое и др., каждый из которых не может определять основные параметры экскаватора, т.к. рабочий цикл при их использовании, как правило, менее энергоемок, а рабочая зона и опрокидывающие нагрузки значительно меньше. [11, 27, 28, 29, 35].

Необоснованный случайный выбор одного из главных параметров назначения, как, например, максимальная глубина копания или максимальный радиус копания может ухудшить технологические возможности машины, либо завысить ее материалоемкость.

Оптимизация параметров рабочего оборудования каждого типоразмера ОГСЭ должна выполняться применительно к параметрам земляных сооружений, для разработки которых он создается.

С целью исключения многочисленных случайных факторов, осложняющих использование полипараметрического анализа при оптимизации структуры парка ОГСЭ, принят метод безразмерных обобщенных параметров, представляющих собой отношение параметров i-ой машины к соответствующим параметрам базовой машины.

В нашем случае в качестве базовой машины наиболее удобно принять экскаватор наибольшего по ГОСТ 22894-77 типоразмера, т.е. машину с вместимостью облегченного ковша q_o = 3,2 м³.

Если обозначить эксплуатационную производительность этой машины через Пмq_о , удельные приведенные затраты на разработку ею кубометра грунта 1-ой-II-ой категории через Умq_o, то относительные эксплуатационная производительность и удельные приведенные затраты любого ОГСЭ ряда и могут быть записаны в виде отношений:

,

Зависимости = f (q_o) и = f(q_o) представлены на рис. 18 соответственно кривыми 1 и 3 [61].

Относительное распределение экскавационных работ по основным отраслям строительства и глубинам копания приведено на рис. 19 [36], из которого следует:

- около 38% всех земляных работ в строительстве выполняется с глубиной копания до 3,0 м, а 15% из них с глубиной копания до 2,0 м;

- 17% - земляных работ выполняется с глубиной копания от 3,0 до 4,0м;

- 20% - с глубиной копания от 4,0 до 5,0 м;

- 13% - с глубиной копания от 5,0 до 7,0 м.

Земляные работы с глубиной копания более 7,0 м, относительный объем которых составляет около 15%, не учитывались, так как их следует выполнять либо специальным оборудованием, либо в несколько проходов. Относительное распределение объемов земляных работ с глубиной копания до 7,0 м. иллюстрирует кривая Q_о рис.19, из рассмотрения второй также видно, что практически половина всех рассредоточение работ выполняется с глубиной копания до 3,0 м. При этом 50% из них - малообъемные. [20].

В разделе I показано, что с целью механизации земляных работ в водохозяйственном и мелиоративном строительствах стандартным рабочим оборудованием обратной лопаты максимальные радиусы копания должны при заданных глубинах копания обеспечивать отрывку каналов с заложением не менее 1:1,5. Определенные в соответствии с этим положением максимальные радиусы копания показаны кривой Q_Non(R) рис .18. [36].

В разделе 1.8, посвященном выбору рационального рабочего цикла ОГСЭ с рабочим оборудованием обратной лопаты, показано, что основное заполнение ковша осуществляется поворотом рукояти на угол 50-60^o, и только оставшиеся 20-30% объема ковша заполняются его поворотом.

Это условие предполагает учет для гидравлических (как и механических) экскаваторов взаимосвязи между вместимостью ковша и длиной траектории, необходимой для его заполнения поворотом рукояти с неподвижным относительно нее ковшом - кривая H_kmax(q_o) рис.18.

Рассматриваемая взаимосвязь параметров имеет место при работе ОГСЭ на минимальной для данного типоразмера машины глубине копания с максимальной вместимостью ковша q_o.

2.2 Структура оптимального пака

Под структурой парка понимается типоразмерный ряд машин и соотношение между количеством машин каждого типоразмера. [18].

Количество типоразмеров машин N определяется отношением:

,

где q_o - диапазон изменения вместимости ковша для разработки наиболее распространенных грунтов,

.

В соответствии с ГОСТ 22894-77, где q_omin = 0,25 м³, а q_omax = 3,2 м³, q_o = 12,8.

_к - диапазон изменения вместимости сменных ковшей каждого типоразмера машины. Согласно разделу 1, _к = 2,46;

Таким образом N = 5 6;

Поскольку целевой функцией оптимальности структуры парка следует считать минимум приведенных затрат на разработку кубометра грунта всем парком машин, то естественно стремление к увеличению вместимости ковша q_o, (см. кривую Н_kmax(q_o)).

Однако возможность увеличения вместимости ковша ограничивается при заданной глубине копания возможностью его заполнения поворотом рукояти. При этом следует отметить, что разработка земляных сооружений с параметрами значительно меньше тех, для которых рассчитан данный типоразмер ОГСЭ, приводит к снижению эффективности его использования как из-за неиспользования мощности исполнительных механизмов, так и из-за увеличения количества перебазировок.

Согласно кривой Н_kmax(q_o):

для заполнения ковша q_omax = 3,2 м³ необходима минимальная глубина копания порядка пяти метров. Таким образом, ОГСЭ с ковшом q_o = 3,2 м³ наиболее эффективно использовать для механизации 15% объемов земляных работ с глубиной копания от 5,0 до 7,0 м;

для выполнения 20% объема земляных работ в строительстве с глубиной копания от 4,0 до 5,0 м следует использовать ОГСЭ с ковшом q_o максимально возможной вместимостью, равной 2,5 м³;

выполнение 20% объема земляных работ с глубиной копания от 3,0 до 4,0 метров следует производить ОГСЭ с максимально возможной вместимостью ковша q_o = 1,8 м³ ;

выполнение 28% объема земляных работ с глубиной копания от 2,0 до 3,0 м следует производить ОГСЭ с максимально возможной вместимостью ковша q_o = 1,0 м³ ,

При выполнении земляных работ с малой глубиной копания (менее 2,0м) экономически целесообразно использовать ОГСЭ с ковшом, вместимостью q_o = 1,0 м³. В этом случае траектория движения рукояти располагается по обе стороны от вертикали и кривая Н_kmax = f(q_o) теряет смысл. Поэтому, объем земляных работ, выполняемых ОГСЭ с ковшом q_o=1,0 м³, следует увеличить еще на 10-12%.

Относительный объем рассредоточенных земляных работ достигает почти 5% и выполняется навесными экскаваторами двух типоразмеров: М- малым с диапазоном сменных ковшей от 0,1 до 0,25м³ и большим Б- оснащенным ковшами вместимостью 0,250,65 м³.

Как следует из рис. 20 выпуск полноповоротных экскаваторов с приведенными выше наборами сменных ковшей нерационален из-за увеличения их удельной металлоемкости [62, 63].

Структура рекомендуемого парка ОГСЭ, параметры назначения базовых моделей машин с рабочим оборудованием обратной лопаты и их относительные технико-экономические показатели приведены в табл. 2.1.

Максимальные глубины копания и вместимости ковшей q_o связаны между собой зависимостью Н_kmax = f(q_o) рис. 18,а максимальные радиусы копания соответствуют кривой .

Относительные значения объемов работ, выполняемых каждым типоразмером машин , соответствуют приведенным на рис. 18, относительное количество машин каждого типоразмера определялось выражением и условием .

Относительная производительность машин парка определялась суммой произведений

,

а относительная себестоимость земляных работ выполненных машинами парка,

.

Таким образом, относительная себестоимость разработки кубометра грунта машинами оптимального парка составит:

.

ОГСЭ первого типоразмера с набором ковшей вместимостью 0,1-0,65 м³ предназначены для механизации малых объемов рассредоточенных работ с глубиной копания до 2,0 м, выполняемых в стесненных условиях. Они должны отвечать требованиям высокой мобильности, малогабаритности и оснащаться широким набором сменных рабочих органов и оборудовании с целью полного исключения ручного труда. Их относительная производительность составляет 8-10% производительности ОГСЭ с ковшом q_omax = 3,2 м³ ; относительный объем выполненных ими работ не должен превышать 3-6%.

В комплект рабочих органов входят: грейферный ковш, захват для укладки и удаления бордюрного камня, крюковая подвеска, захват для укладки труб, буксирное устройство, а также механизированный инструмент, приводимый в действие от гидропривода экскаватора. Спереди навесной экскаватор оборудуется бульдозером-погрузчиком.

ОГСЭ второго типоразмера предназначены в основном для механизации среднеобъемных рассредоточенных работ на объекте (1000 4000 м³) в условиях сельского и гражданского строительства.

Они должны обладать мобильностью, высокой проходимостью и относительной производительностью, так как предназначены для механизации земляных работ с глубиной копания до 3 м, а также для выполнения планировочных, доводочных и погрузочно-разгрузочных работ.

ОГСЭ второго типоразмера должны оснащаться как шарнирно-сочлененным, так и телескопическим рабочим оборудованием с ковшом q_o вместимостью 1м³. Унифицированная поворотная платформа может быть установлена на пневмоколесном и гусеничном ходах, а также на шасси автомобиля. Все типы ходовых устройств оборудованы унифицированными выдвижными опорами. Места присоединения к платформе шарнирно-сочлененного и телескопического рабочего оборудования унифицированы. При использовании автошасси платформа может иметь исполнение, предусматривающее подачу энергии к исполнительным механизмам экскаватора от силовой установки автомобиля.

ОГСЭ третьего типоразмера - базовая машина гражданского, транспортного, водохозяйственного и промышленного строительства -предназначена для механизации сосредоточенных земляных работ на средних и крупных объектах с глубиной копания до четырех метров.

ОГСЭ третьего типоразмера оборудуются ковшом обратной лопаты вместимостью q_o=1,6м³, гусеничным движителем и двумя парами аутригеров.

ОГСЭ четвертого типоразмера - основная машина, предназначенная для механизации земляных работ на крупных объектах промышленного и водохозяйственного строительства с высокой сосредоточенностью земляных работ. Ею механизируются земляные работы с глубиной копания 3,55,0 м. Экскаватор оборудуется ковшом обратной лопаты q_o = 2,5 м³, гусеничным движителем с двумя парами аутригеров.

ОГСЭ пятого типоразмера предназначены для механизации земляных работ на наиболее крупных объектах промышленного и водохозяйственного строительств с глубиной копания до 7 м и максимальным радиусом копания до 16 м.

Экскаватор оборудуется гусеничным движителем с двумя парами аутригеров.

Определенная по приведенной методике структура парка ОГСЭ хорошо корреспондируется со структурой парка рекомендуемого [18].

Кроме набора экскавационных ковшей обратной лопаты на экскаваторах предлагаемого перспективного ряда предполагается использование грейферных ковшей, подсоединенных к рукояти через поворотное коромысло, применение которых позволит разрабатывать котлованы глубиной до 1525 м.

2.3 Сравнительный технико-экономический анализ оптимального и существующего парков ОГСЭ

гидравлический строительный экскаватор машина

Структура и технологические возможности оптимального парка ОГСЭ поясняются кривыми N_on, Н_kmax (N_on ),

A_max(N_on), а существующего - кривыми N_с, Н_kmax (N_с );

A_max(N_с) рисунка 18.

В табл. 2.1 и табл. 2.2 приведены основные относительные показатели сравниваемых парков машин. По структуре парка и относительной производительности каждого включенного в него типоразмера машин определены суммарные относительные производительности каждого парка и себестоимость разработанного им кубометра грунта. В соответствии с данными таблиц относительная производительность оптимального парка в 2,2 раза выше существующего, а относительная себестоимость кубометра грунта снижена на 35%.

Кривые рис. 18 позволяют оценить технологические возможности рабочего оборудования машин существующего парка:

- максимальная глубина копания ОГСЭ 2,3 и 4-ой типоразмерной группы соответствует требованиям строительства (см. точки К₂, К₃ и К₄ кривых 4 и 14);

- максимальная глубина копания экскаваторов 5-ой размерной группы на три метра меньше требуемой;

- максимальный радиус копания у всех ОГСЭ меньше требуемого основными отраслями строительства; так, если для машин 2-го и 3-го типоразмеров он меньше требуемого всего на 0,250,5 м, то для экскаваторов 4-ой размерной группы - на один метр, а для машин 5-ой размерной группы - на четыре метра.

Таким образом, экскаваторами четвертой и особенно пятой размерных групп не могут быть выполнены до 30% относительных земляных работ в строительстве, с вязанных с отрывкой котлованов в грунтах первой категории, а также каналов с заложением 1:1,5.

Этим положением объясняется необходимость использования парка механических машин с рабочим оборудованием драглайна, а также специальных исполнений рабочего оборудования обратной лопаты с удлиненной стрелой или рукоятью.

3. ТЕXНИЧЕСКОЕ ПРЕДЛОЖЕНИЕ

Новые перспективные конструкции одноковшовых гидравлических строительных экскаваторов /ОГСЭ/.

3.1 Основные положения новой стратегии проектирования ОГСЭ

3.1.1. Каждый типоразмер ОГСЭ создается для механизации определенных видов и объемов земляных работ, характеризующихся:

- максимальными глубиной Н_kmax и радиусом R_kmax копания;

- обслуживающими экскаватор транспортными средствами;

- рассредоточенностью объемов работ и основной категорией разрабатываемого грунта. При этом параметры назначения ОГСЭ должны обеспечивать требуемые размеры земляного сооружения вне зависимости от физико-механических свойств рабочей среды (в пределах грунтов I-IV категорий).

3.1.2. Отношение вместимостей сменных ковшей ОГСЭ должно назначаться обратно-пропорциональным отношению средних удельных сопротивлений грунтов копанию, т.е.

q_o : q_н : q_т = 2,46 : 1,6 : 1,0.

3.1.3. Максимальные усилия копания P_01max определяются прочностью грунтов IV категории вероятностью стопорения ковша в забое.

а параметры рабочей зоны - наиболее слабым грунтом 1-ой категории и заложением откосов, равным 1:1,5.

3.1.4. Вся ометаемая рабочим оборудованием обратной лопаты зона забоя - рабочая. Опасная мертвая зона исключается.

3.1.5. Реализация максимальных усилий копания в зоне забоя с увеличенным радиусом копания обеспечивается введением второго опорного контура. Этим же исключается износ элементов ходовых устройств при копании.

3.1.6. Минимальная масса ОГСЭ G_э^min, оснащенного вторым опорным контуром или движителем с груптозацепами, не должна превышать

G_э^min =(1,21,3)Р_01max,

3.1.7. Снижение массы и габаритов поворотной платформы при одновременном повышении устойчивости экскаватора достигается введением второго опорного контура, масса которого примерно соответствует массе противовеса, снятого с поворотной платформы.

В этом случае устойчивость при копании обеспечивается благодаря удалению центра тяжести машины от ребра опрокидывания, а при выгрузке -увеличением габаритов опорного контура.

3.1.8. Спрямление стрелы, сокращение ее длины, а следовательно и массы достигается вынесением вперед и вниз шарнира крепления ее пяты к поворотной платформе. Это одновременно позволяет исключить мертвую зону забоя.