Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ проблемной ситуации и постановка задач исследований... 12
1.1. Технические особенности карьерных гидравлических экскаваторов и конструктивные схемы рабочего оборудования 12
1.2. Предварительная оценка технического уровня конструкций карьерных гидравлических экскаваторов 22
1.3. Анализ состояния научных исследований по карьерным гидравлическим экскаваторам 31
1.4. Постановка задач исследований 36
2. Разработка модели рабочего оборудования гидравлического экскаватора 39
2.1. Особенности рабочего оборудования как гидромеханического агрегата 41
2.2. Кинематический анализ рабочего оборудования 49
2.3. Силовой анализ рабочего оборудования 54
2.4. Определение энергозатрат при внедрении ковша 57
2.5. Определение условной массы рабочего оборудования 60
Выводы ,. 69
3. Установление взаимосвязей между конструктивными и режим ными параметрами карьерных гидравлических экскаваторов 70
3.1. Анализ передаточных функций рычажно-гидравлических механизмов 73
3.2. Формирование энергозатрат при внедрении ковша 90
3.3. Оценка влияния геометрических параметров на производительность экскаватора 104
3.4. Оценка нагруженности рабочего оборудования 106
Выводы 108
4. Свойства рычажно-гидравлических механизмов карьерных гид равлических экскаваторов 110
4.1. Реструктуризация рычажно-гидравлических механизмов... 110
4.2. Особенности кинематики рычажно-гидравлических механизмов 115
4.3. Энергетическая характеристика рычажно-гидравлических механизмов 118
Выводы 121
5. Оптимизационные исследования карьерных гидравлических экскаваторов 123
5.1. Обоснование критериев оптимальности 124
5.2. Параметрическая оптимизация 127
Выводы 135
6. Разработка концепции создания перспективных конструкций гидравлических карьерных экскаваторов 136
6.1. Обоснование технологических и конструктивных принципов проектирования карьерных гидравлических экскаваторов 136
6.2. Классификация рабочего оборудования карьерных экскаваторов 138
6.3. Разработка перспективных структурных схем рабочего оборудования 140
6.4. Разработка рабочей характеристики карьерного экскапатора 148
6.5. Методология оценки технического уровня конструкций карьерных гидравлических экскаваторов Ї 53
Выводы 156
7. Обоснование параметров перспективной модели гидравлического экскаватора . 158
7.1. Функциональный анализ рабочего оборудования с внутренним силовым замыканием 158
7.2. Кинематический анализ рабочего оборудования перспективной модели 163
7.3. Определение параметров рабочего органа с внутренним
силовым замыканием. 168
В ыводы 173
Заключение 174
Список литературы
- Предварительная оценка технического уровня конструкций карьерных гидравлических экскаваторов
- Силовой анализ рабочего оборудования
- Формирование энергозатрат при внедрении ковша
- Особенности кинематики рычажно-гидравлических механизмов
Введение к работе
Развитие открытых горных работ связано с широким использованием карьерных экскаваторов, являющихся основным видом выемочно-погрузочного оборудования.
Реформа экономики России определяет необходимость реструктуризации горнодобывающих отраслей промышленности, главной целью которой является создание конкурентоспособных высокоэффективных производств.
В настоящее время в практике открытых горных работ наблюдаются негативные тенденции в изменении горно-геологических, горнотехнических, климатических и др. условий разработки месторождений полезных ископаемых, вызываемые увеличением доли крепких скальных пород, ростом глубины карьеров, освоением новых месторождений, в основном, в районах Сибири и Крайнего Севера и другими факторами.
Изменения технологической ситуации приводят к росту материальных и энергетических затрат на добычу полезных ископаемых и, в конечном счете, к снижению эффективности горного производства.
Успешное развитие горной промышленности в этих условиях неразрывно связано с совершенствованием горного оборудования.
Проблема повышения эффективности горного производства особенно актуальна для угольной промышленности. Это обусловливается необходимостью более чем двухкратного увеличения объемов добычи твердого топлива при одновременном снижении его себестоимости, что предопределено основными положениями «Энергетической стратегии развития ТЭК на период до 2020 года» /1/.
В общем технологическом комплексе добычи полезных ископаемых открытым способом определяющими являются операции выемки (экскава- ции) и погрузки горной массы. Расходы на данные операции составляют до 40 % общих расходов на добычу полезных ископаемых.
Основным видом выемочно-погрузочного оборудования на отечественных горнодобывающих предприятиях остаются карьерные экскаваторы типа ЭКГ (мехлопаты) с вместимостью стандартного (для скальных пород со средней плотностью 2,5 т/м ) ковша от 4,6 до 20 м производства ОАО "Уралмаш" и ОАО "Ижорские заводы".
Проводимая техническая политика в области экскаваторостроения ориентирована, в основном, на модернизацию существующих конструкций и разработку модификаций действующего оборудования без существенных качественных изменений. В итоге большая часть из эксплуатируемых карьерных экскаваторов морально и физически устарела из-за отставания темпов обновления парка оборудования.
Так, например, по данным компании «РОСУГОЛЬ» в угольной промышленности (открытая угледобыча) парк одноковшовых карьерных экскаваторов практически полностью представлен механическими лопатами традиционного конструктивного исполнения типа ЭКГ. Количество мехлопат в отрасли составляет 1150 единиц при средней вместимости ковша условной мехлопаты 7,2 м , причем более 50 % экскаваторов эксплуатируются свыше 20 лет, что уже превышает их расчетный срок службы.
Единичные экземпляры карьерных гидравлических экскаваторов (в основном, производства зарубежных фирм) эксплуатируются на угольных разрезах Южной Якутии, Приморья, Дальнего Востока и Кузбасса.
Объективное ухудшение условий разработки месторождений полезных ископаемых и потребности в техническом перевооружении горного производства ставят перед практикой проектирования экскаваторов две основные задачи: модернизация конструкций экскаваторов на базе существующих конструктивных схем; разработка и создание более производительных и надежных конструкций, реализующих эффективные рабочие процессы и характеризующихся высокой степенью конструктивной новизны.
Для существенного повышения эффективности горного производства необходимо осуществить коренную структурную перестройку на базе качественного изменения средств производства за счет разработки горных машин нового поколения, обеспечивающих резкое (в 2-3 раза) снижение затрат на разработку месторождений и добычу полезных ископаемых.
Как показывает практика открытых горных работ, одним из основных направлений развития техники является создание и внедрение гидрофициро-ванного горного оборудования. Гидравлический привод обеспечивает целый ряд технических и технологических преимуществ по сравнению с электромеханическим. Наибольший эффект дает применение гидропривода в конструкциях карьерных одноковшовых экскаваторах — основном виде выемочно-погрузочного оборудования. Так, например, на базе экскаватора ЭКГ-5 ОАО «Уралмаш» был создан гидравлический экскаватор ЭГ-12, то есть вместимость ковша и производительность экскаватора зозрасли в 2,4 раза.
В последние годы за рубежом наблюдается существенный количественный и качественный рост парка карьерных гидравлических экскаваторов (ЭГ). Крупнейшие зарубежные фирмы - CATERPILLAR, DRESSER, HARMSCHFEGER (США); MANNESMANN DEMAG, ORENSTEIN und KOPPEL, LIEBHERR (Германия); HITACHI и KOMATSU (Япония) и др. -производят экскаваторы различных типоразмеров при рабочей массе от 100 до 700 т и более при вместимости ковша до 45 м3 (по стандарту СБСЕ*). * Committee for European Construction Equipment — Европейский комитет конструирования оборудования
Выбор перспективных структурных схем рабочего оборудования, определяющих технический уровень конструкции в целом, затруднен, так как вопросы функционирования карьерных гидравлических экскаваторов как сложной многопараметрической системы изучены недостаточно, количественная оценка конструктивных решений производится лишь по отдельным техническим показателям. В частности, в аппарате проектирования карьерных гидравлических экскаваторов практически отсутствуют процедуры синтеза оптимальных решений.
Большое значение для отечественного горного машиностроения имеет разработка стратегии создания конструкций карьерных экскаваторов, учитывающей тенденции развития данного вида техники, зарубежный и отечественный опыт проектирования и эксплуатации гидравлических карьерных экскаваторов, традиции отечественного горного машиностроения и базирующейся ка системном подходе к анализу и оценке технического уровня конструкций, развитии теоретических основ проектирования карьерных гидравлических экскаваторов.
Таким образом, исходя из требований практики, сформулирована научная проблема, имеющая важное народнохозяйственное значение и состоящая в разработке научно-методологической базы для создания перспективных конструкций карьерных гидравлических экскаваторов.
Цель работы - повышение эффективности использования карьерных гидравлических экскаваторов на основе разработки концепции создания и обоснования параметров перспективных конструкций.
Идея работы. Синтез перспективных конструкций карьерных гидравлических экскаваторов возможен на основе применения структурных схем рабочего оборудования с внутренним замыканием внешних нагрузок.
Методы исследования. При выполнении работы использованы: методы теории механизмов и машин; математическое моделирование; вычислительный эксперимент; методы оптимизационных исследований; обобщение опыта проектирования карьерных экскаваторов.
Основные научные положения, выносимые на защиту.
Свойства рабочего оборудования гидравлического экскаватора как гидромеханического агрегата определяются как кинематическими параметрами рычажных механизмов, так и видом связей гидродвигателей поп_у нательного действия со звеньями механизмов.
Показатели режимов функционирования гидроцилиндров ("дЕкгатель" или "насос") и условия перехода из одного режима в другой обусловливаются характером относительного движения элементов рабочего оборудования и определяются в зависимости от заданного закона движения рабочего органа (ковша) и соотношений между геометрическими параметрами рабочего оборудования и размерами рабочей зоны экскаватора.
При совместном действии главные рабочие механизмы образуют на базе "основного" механизма "объединенный" механизм, включающий те механизмы, где гидроцилиндры работают в режиме "двигатель" постоянно или частично в течение рабочего цикла.
Рациональной структурной схемой рабочего оборудования гидравлического экскаватора, характеризующейся малой величиной потерь гидравлической энергии при дросселировании, является схема, обеспечивающая функционирование гидроцилиндров в режиме "двигатель".
Комплексную оценку технического уровня конструкции гидравлического экскаватора следует производить как ка основе технической характеристики экскаватора, так и рабочей характеристики, устанавливающей взаимосвязи между элементами системы "экскаватор-забой" и определяющей фактические значения производительности экскаватора и энергозатрат при отработке забоя.
Обоснованность и достоверность научных положений подтверждается: корректностью постановки задач, адекватностью математических моделей процессу функционирования рычажно-гидравлических механизмов, сходимостью результатов расчетов с эксплуатационными характеристиками гидравлических карьерных экскаваторов.
Научная новизна заключается: в выявлении закономерностей взаимодействия рабочих механизмов и характера формирования основных технических показателей карьерных гидравлических экскаваторов - энергозатрат, нагруженности рабочего оборудования, производительности экскаватора и др.; в разработке математической модели и в обосновании критериев оптимальности конструктивных и режимных параметров; в определении областей оптимальных значений параметров и выявлении степени реализации критериев оптимальности для различных схем рабочего оборудования; в оценке технического уровня конструктивных схем и обосновании показателей технического совершенства; в разработке классификации рабочего оборудования, классификационные признаки которой характеризуют технический уровень конструкции.
Научное значение работы определяется разработкой метода кинематического и силового анализа рычажно-гидравлических механизмов; дальнейшим развитием теории одноковшовых экскаваторов; установлением закономерностей формирования основных технических показателей карьерных гидравлических экскаваторов; обоснозанием научно-методологической базы для проектирования перспективных конструкций карьерных гидравлических экскаваторов.
Практическая ценность и реализация результатов работы заключается в: создании математической модели карьерных гидравлических экскаваторов, которая позволяет с наибольшей полнотой выявить внешние и внутренние связи рассматриваемой системы и может служить основой для построения САПР; разработке методики параметрической оптимизации рабочего оборудования; разработке конструктивных и технологических принципов проектирования перспективных конструкций карьерных гидравлических экскаваторов; обосновании и разработке перспективных компоновочных схем рабочего оборудования: схемы с внутренним замыканием рабочих нагрузок; схемы универсального оборудования (прямая и обратная лопаты); схемы с замыканием в поперечной плоскости.
Результаты работы используются в учебном процессе - подготовлен раздел дисциплины "Основы проектирования горных машин и оборудования", выполняются курсовые и дипломные проекты.
Проектно-конструкторская задача «Оптимизация параметров рабочего оборудования гидравлических экскаваторов» вошла в состав УИ САПР «Горные машины и их компоненты», разработанной по заданию ОЗ.ЗОА.ГКНТ СССР. В рамках работы выполнялась (1994-95) НИР «Создание горных машин с внутренним силовым замыканием» (грант СПГ-35 Госкомвуза РФ).
Компоновочные схемы и расчеты параметров рабочего оборудования переданы в ОАО «Уралмаш» для разработки проектов.
Результаты исследований внедрены на ООО "ОМЗ - Горное оборудование и технологии" с экономическим эффектом 50 тыс. руб. и реализованы в рабочем проекте экскаватора ЭГ-500.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались на ежегодньтх научно-технических конференциях в УГТТА (1975-2001), на 1-ом Всесоюзном съезде по теории механизмов и машин (г. Алма-Ата, 1977), на областной научно-технической конференции молодых специалистов (1978), на Всесоюзной научной конференции «Научные основы создания комплексно-механизированных и автоматизированных карьеров и подводной добычи полезных ископаемых» (г.Москва, 1980), на ежегодном международном симпозиуме «Неделя горняка» (г.Москва, 2000-2003).
Публикации.
По теме опубликовано 29 печатных работ, в том числе 9 патентов на изобретения.
Вклад автора в публикации, выполненные в соавторстве, состоял в формировании основной идеи, выборе метода исследований, анализе полученных результатов и подготовке на их основе методик и рекомендаций.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, списка литературы из Й1 наименований и 5 приложений; содержит 21 страниц машинописного текста, 62 рисунка, 45 таблиц.
Предварительная оценка технического уровня конструкций карьерных гидравлических экскаваторов
Использование параллелограмма предусмотрено и в структурной схеме экскаваторов серии LB (рис. 1.6) фирмы BOLA LADETECHMK (Германия) /20, 33/. Экскаваторы серии LB работают на угольных разрезах России. В 1994-1997 гг. было поставлено 10 машин этой серии. Намечено создание опытно-промышленного образца LB-500M на предприятии «Подъемтранс-маш» (г.Санкт-Петербург). Схемы со вспомогательными гидроцилиндрами (рис. 1.7) применяют фирмы CATERPILLAR, KOMATSU, HITACHI и др. /34, 35/. Вспомогательные гидроцилиндры используются как аккумуляторы и обеспечивают снижение энергозатрат.
Наблюдаемая эволюция конструктивных схем рабочего оборудования (от простейшей базовой схемы к усложненным схемам) отражает как стремление фирм-производителей запатентовать "фирменные" технические решения, так и потребность повысить качество оборудования за счет снижения негативного действия указанных факторов.
В настоящее время представляют научный и практический интерес вопросы комплексной оценки технического уровня выемочно-погрузочного оборудования и прогнозирования направлений совершенствования конструкций карьерных гидравлических экскаваторов
Существующие методы определения технического уровня оборудования основываются на качественной оценке показателей технических характеристик машин /36.. .42/.
Сравнение производится по удельным показателям. Удельные показатели минимизируются и в общем виде могут быть представлены следующим образом W = W,/W2 min, где Wi — показатели мапшн, стремящиеся к минимуму, например, мощность привода, расход энергии, масса машины, ее оптовая цена и т.д.; W2 - показатели машин, стремящиеся к максимуму, например, производительность, время цикла, вместимость ковша, наработка на отказ и т.д.
Несмотря на естественность и простоту подобная оценка имеет в действительности малую значимость из-за отсутствия обоснованных рекомендаций по выбору номенклатуры показателей рассматриваемых объектов и определения "весомости" единичных показателей. Кроме того, возникает сложность в получении информации о точности значений показателей. Следует заметить, что технико-экономические показатели конструкций экскаваторов, особенно новых моделей, могут быть "завышены" в рекламных целях. В этом случае основной акцент делается на "выигрышных" показателях (например, вместимость ковша для пород плотностью 1,8 т/м ). Другие показатели (в частности, линейные параметры экскаватора как оказывающие большее влияние на рост металлоемкости машины) остаются на втором плане.
Это обстоятельство затрудняет проведение сравнительной оценки технических решений. Объективное сравнение конструктивных схем возможно в результате анализа эксплуатационных характеристик экскаваторов при работе в идентичных горно-геологических, горнотехнических и климатических условиях. Кроме того, поскольку отдельные конструкции ЭГ можно рассматривать как однозначные и случайные состояния некоторой технической системы, то их сравнительный анализ должен выполняться при условии приведения системы в наилучшее, оптимальное состояние.
В настоящее время для оценки качества горних машин все большее распространение получают научно обоснованные методы с использованием функциональных критериев, отражающих качество выполняемых функций и степень конструктивной новизны /43.,.45/. Суть новизны создаваемой конструкции заключается в прогрессивности ее параметров или возможности решения новых технологических задач.
С целью предварительной оценки технического уровня конструкций ЭГ с различными структурными схемами РО проведен сравнительный анализ гидравлических карьерных экскаваторов зарубежного и отечественного производства по комплексному показателю, определяющему выемочные и погрузочные возможности машины. В таблице 1.2 приведены технические характеристики гидравлических карьерных экскаваторов, созданных в последние годы и выполненных с различными структурными схемами.
Силовой анализ рабочего оборудования
Силовые факторы представляют собой относительные (отнесенные к FBH) суммарные моменты сил тяжести в уравнениях равновесия соответствующих звеньев. Силовые факторы составляют Fuco = (1/FEH)-[0,5GC(XB - ХА) + 0,5GP(XB + Хс - 2ХА) + GK(XKI - ХА) + + 0,5GUCPCA2 + Хт - 2ХА) + 0,5Оцр(ХА! + ХВ2 - 2ХА) + + 0J5GUK(XBt+XD-2XA)]; Fup0 = (l/FBIf)-[0s5Gp(Xc - Хв) + GK(XKI - Хв) + Qi5Gup(XB2 - Хв) + + 0f5GUK(XB1 + XD-2XB)]; FUK0 = (1/FB„)[GK(XK1 - Xc) + 0,5GUK(XD- XC)]. В общем виде силовые передаточные функции составят ip = ґгР хї Пг; Птр; Fon], где Fon - силовой фактор относительно n-го гидроцилиндра. Аналогичные зависимости получены для всех схем РО.
Установление кинематических и силовых передаточных функций позволит оценить передаточные функции мощности и определить КПД механизма. Для рычажно-гидравлического механизма величина полезной работы, затрачиваемой на преодоление сил сопротивления внедрению ковша, составит: Ак = Адв - Аг± ДЕК + АСІ - А или Ак = Ацс-Кс + АЦр-Кр + Ацк-Кк - Ацсг - Ацкг± ДЕК + AG)- - Атр , где АдВ — работа движущих сил, совершающих положительную работу .. и действующих на штоки гидроцилиндров; Аг - отрицательная работа сил, действующих на штоки гидроцилиндров (равная энергии, регенерируемой гидроцилиндрами); АЕК - приращение кинетической энергии движущихся масс механизма; Ас; - работа сил тяжести звеньев механизмов; Атр - работа сил трения в шарнирах; Кс, Кр, Кк - коэффициенты, учитывающие работу, расходуемую на преодоление сил трения в кинематических парах гидроцилиндров.
Для всех вариантов функционирования рабочих механизмов суммарная работа движущих сил равна: -.Адв "уст Ч " I» где Рус, - установленная мощность двигателя насосной установки; г] - КПД насосной установки; t - длительность функционирования. Работа движущих сил и отрицательная работа сил определяются как интегральные суммы А = у р . . л t Аг 2J "г.ср.і tit J i=l где Рдв.ер.ь РГСр.і - усредненные значения мощностей движущих сил и мощностей, регенерируемых гидроцилиндрами, в интервале At.
Принятые допущения: при анализе энергозатрат работа, расходуемая на преодоление сил трения в шарнирах (кинематических парах), гидравлических сопротивлений и др,учитывается в виде поправочного коэффициента; не учитывается дополнительное "сборочное" трение, не зависящее от реакций, действующих в шарнирах, но которое определяется характером и точностью сборки и т.д. Величина силы этого вида трения зависит от затяжки подшипников, точности направляющих и т.д.
Общее уравнение динамики для механизма рабочего оборудования представлено в виде І=І І=І j=i где Pj - мощность внешних сил, приложенных к і-му звену; РИІ - мощность сил инерции і-го звена; Prj - мощность, регенерируемая j-ми гидроцилиндрами; п - число звеньев; к - число гидроцилиндров, действующих в режиме генератора. Мощности сил тяжести звеньев могут быть как положительными величинами (при уменьшении ординат центров тяжести звеньев), так и отрицательными величинами (при затрате работы на подъем звеньев механизма).
Мощности сил, действующих на штоках гидроцилиндров, также переменны по знаку: если направления векторов движущей силы и скорости штока совпадают, то мощность является положительной; если векторы направлены в противоположные стороны, то мощность является отрицательной.
Формирование энергозатрат при внедрении ковша
Передаточные функции мощности сил, действующих на штоках гидроцилиндров, определяются в зависимости от режима работы цилиндров (двигатель или насос) и вида структурной схемы рабочего оборудования (табл.3Л6...3.21). На рис. 3.14...3.16 представлены графики передаточных функций мощности цилиндров при поступательном движении ковша и горизонтальной траектории перемещения вершины режущей кромки ковша на уровне стояния экскаватора. Отрицательные значения функций соответствуют работе цилиндра в режиме насоса (происходит регенерация мощности цилиндром).
Передаточная функция мощности цилиндра стрелы для всех схем является знакопеременной и монотонно изменяющейся по величине. Передаточная функция мощности цилиндра рукояти для схем 1-5 возрастает с увеличением относительного вылета ковша. 3 схеме LB наблюдается уменьшение функции при увеличении вылета ковша, что можно объяснить изменением силовой схемы нагружения элементов рабочего оборудования.
Вид передаточной функции мощности цилиндра ковша (рис. 3.16) определяется типом структурной схемы рабочего оборудования. Для базовой схемы и схемы с корректирующим устройством функция имеет отрицательные значения; для схем с параллелограммом функция является знакопеременной.
График суммарной передаточной функции мощности движущих сил ЕїРдв (рис. 3.17) имеет вид параболы (кроме схемы LB) и может быть разбит на три участка.
Первый - участок снижения функции мощности (внедрение ковша при малых радиусах действия). Величина передаточной функции мощности движущих сил определяется, в основном, мощностью сил сопротивления внедрению ковша и мощностью реактивной силы, действующей на штоке цилиндра ковша. Кроме того, часть мощности движущих сил затрачивается на подъем рабочего оборудования (РО). Для этого участка общее уравнение динамики запишется в виде SP = ±Puc+Pup±P ±ZPGi+EP„H- Рк = О, где Рцс, Рцр, Рик - мощности сил, действующих на штоках цилиндров стрелы, рукояти и ковша; 5J Gi— мощности сил тяжести звеньев рабочего оборудования; РИн— мощности сил инерции звеньев рабочего оборудования; Рк - мощность силы сопротивления внедрению ковша.
Второй - участок графика с наименьшими значениями функции мощности. При приближении рабочего оборудования к верхнему положению ввиду резкого уменьшения скорости выдвижения штока цилиндра стрелы величина мощности Рцс практически равна нулю и суммарная передаточная функция мощности движущих сил имеет наименьшие значения на некотором интервале изменения относительного вылета ковша.
Таким образом, возрастание передаточной функции мощности движущих сил происходит вследствие работы цилиндров ковша и стрелы в режиме насоса. При этом происходит передача гидравлической энергии обратно в гидросистему, что сопровождается дополнительными потерями энергии.
Величина суммарной передаточной функции мощности движущих сил определяет мгновенный коэффициент полезного действия механизма где ХРДВ.П — суммарная мощность движущих сил в n-ом положении механизма; ЛРДВ п - значение суммарной передаточной функции мощности движущих сил в n-ом положении. На рис. 3.18 изображен график зависимости мгновенного КПД механизма от относительного вылета ковша. Зависимость характеризуется наличием максимального значения КПД. Максимальное значение КПД, соответствующее наименьшему значению суммарной передаточной функции мощности движущих сил, достигается при верхнем положении рабочего оборудования.
Цикловой КПД, равный отношению полезной работы к работе движущих сил за цикл установившегося движения (за время внедрения), представляет собой среднее значение мгновенных КПД, Величины мгновенных и циклового КПД для различных схем рабочего оборудования приведены в табл. 3.22...3.27
Особенности кинематики рычажно-гидравлических механизмов
С ростом единичной мощности гидравлических карьерных экскаваторов (ЭГ) вге большую актуальность приобретают вопросы разработки методов предварительного определения и оптимизации основных конструктивных и режимных параметров ЭГ.
В современных условиях при ограниченности имеющихся в распоряжении конструктора материальных и энергетических ресурсов и стремлении к созданию наилучшего варианта проблема оптимального проектирования конструкций ЭГ становится первостепенной.
Большое разнообразие связей между элементами ЭГ (конструктивных, кинематических, энергетических и др.), множество факторов, влияющих на рабочий процесс, обусловливают сложный характер формирования технических параметров и показателей оборудования. Каждую модель (конструкцию) ЭГ можно рассматривать как опыт, как попытку найти наиболее выгодное соотношение между параметрами, а весь процесс совершенствования конструкций машин — как процесс стихийной (субъективной) "оптимизации" конструкций.
Отдельные конструкции карьерных гидравлических экскаваторов можно рассматривать как случайные состояния системы — "экскаватор" и уточненная оценка их технического уровня должна производиться при условии приведения системы в наилучшее, оптимальное состояние.
Метод оптимального проектирования с использованием ЭВМ в наибольшей степени подходит для решения задач оптимизации таких сложных объектов как гидравлический карьерный экскаватор, поскольку позволяет сопоставлять множество критериев оптимальности конструкций.
Цель многих исследований по оптимальному проектированию состоит в том, чтобы выявить наиболее эффективный из способов оптимизации.
Обычно при оптимальном проектировании конструкций имеется широкий выбор переменных проектирования, варьированием которых можно влиять на величину критерия качества. Например, уменьшения массы конструкции может быть достигнуто в результате применения равнопрочных элементов, изменения схемы крепления элементов и др. Важно знать, какие способы оптимизации или их комбинации приводят к большему выигрышу. Даже в тех случаях, когда по причинам большой стоимости или трудностям технологического характера возможности создания оптимальных конструкций ограничены, исследование оптимальных проектов имеет важное значение, так как позволяет теоретически оценить качество традиционных неоптимальных конструкций. Действительно, используемые на практике конструкции могут оказаться близкими к оптимальным и их дальнейшее улучшение — экономии чески неоправданным. Однако выяснить это можно, только проведя соответствующие исследования по оптимальному проектированию.
Теория проектирования гидравлических карьерных экскаваторов в настоящее время разработана недостаточно. В аппарате проектирования, в частности, практически отсутствуют процедуры синтеза оптимальных решений.
Установление взаимосвязей между параметрами с учетом ограничений, налагаемых на эти параметры, позволяет установить экстремальность уровня параметров, т.е. позволит увеличить все те характеристики, возрастание которых повышает качество технической системы, и уменьшить до предела все те характеристики, минимизация которых улучшает систему.
Для выбора оптимальных параметров главных рабочих механизмов и рабочего оборудования необходимо обосновать обобщенный критерий, на основании которого можно сравнивать различные варианты технических ре шений и определять оптимальные значения конструктивных параметров. Применяемые в качестве такого критерия удельные приведенные затраты на экскавацию горной массы могут быть выражены в виде комплексного показателя, учитывающего металлоемкость экскаватора m и энергоемкость рабочего процесса а, 3 = f(Pycr;m;a;Q), где РуСТ - установленная мощность привода; Q - техническая производительность экскаватора.
Таким образом, оптимальными параметрами будет характеризоваться тот рабочий механизм и рабочее оборудование, для которого значения энергоемкости и металлоемкости минимальны.
Повышение эффективности совместного функционирования главных рабочих механизмов может быть осуществлено за счет подбора оптимальных геометрических параметров рабочего оборудования, минимизирующих величины регенерируемой гидроцилиндрами энергии и, соответственно, общих энергозатрат на выполнение рабочего процесса экскавации горной массы. Минимальное значение металлоемкости рабочего оборудования может оыть достигнуто за счет выбора координат точек крепления гидроцилиндров, при которых обеспечивается наименьшие изгибающие моменты в поперечных сечениях элементов рабочего оборудования.
Алгоритм оптимизации заключается в полном переборе вариантов при изменении одного из переменных проектирования и фиксированных значениях других переменных.
Просчет математической модели производится по всей рабочей зоне экскаватора при разных соотношениях геометрических параметров рабочего оборудования. В результате оптимизационных исследований определяется вариант, который обеспечивает получение экстремального значения крите рия оптимизации. При проведении оптимизации рассматриваются следующие критерии: цикловой КПД механизма, характеризующий энергоемкость рабочего процесса; условная масса рабочего оборудования; скорость внедрения ковша. Алгоритм реализации модели оптимизации состоит из следующих процедур: 1. Для конкретных условий проводят качественное сравнение отдельных технических элементов по технической целесообразности и осуществимости, прогрессивности и экономичности. Уже на этой стадии оценивается технический уровень конструктивной схемы с принятыми параметрами; 2. Из принятых к рассмотрению выбирают первый расчетный вариант и соответствующие ему начальные значения исходных данных; 3. Проверяют возможность достижения заданного результата; 4. Рассчитывают целевую функцию; 5. При последовательном изменении варьируемых переменных и оптимизируемых параметров повторяют пункты 2, 3 и 4, на основе чего устанавливают оптимальный вариант.
Проведение исследований по оптимизации обеспечивает возможность реализации различных наборов свойств конструкции, то есть выбор параметров в наибольшей степени соответствующих предъявляемым техническим требованиям.
Похожие диссертации на Моделирование рычажно-гидравлических механизмов и обоснование перспективных конструкций карьерных гидравлических экскаваторов
