Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса, цели и задачи исследования 8
1.1 Пути повышения эффективности использования фронтальных погрузчиков 8
1.2 Современное состояние проблемы 14
1.3 Обзор исследований по определению усилий, действующих на ковш погрузчика при взаимодействии с обрабатываемой средой 16
1.4 Выводы по главе 31
2 Обоснование рационального способа черпания материала ковшом фронтального погрузчика 32
2.1 Определение сопротивлений, возникающих в процессе черпания материала ковшом фронтального погрузчика 32
2.2 Обоснование рационального способа черпания сыпучего материала ковшом погрузчика 46
2.3 Определение минимальной высоты штабеля материала 52
2.4 Аналитическое исследование кинематики рабочего оборудования фронтального погрузчика 57
2.5 Реализация совмещенного способа черпания материала ковшом фронтального погрузчика 71
2.6 Выводы по главе 82
3 Определение показателей надежности фронтальных погрузчиков 83
3.1 Повышение надежности рабочего оборудования фронтальных погрузчиков 83
3.2 Оценка энергоемкости рабочего процесса фронтального погрузчика 89
3.3 Выводы по главе 92
4 Экспериментальное исследование процесса черпания материала 93
4.1 Объект и задачи теоретических исследований 93
4.2 Средства и условия проведения теоретических исследований 94
4.3 Результаты исследований 96
4.4 Исследование рабочего процесса фронтального погрузчика в производственных условиях 111
4.5 Выводы по главе 116
Общие выводы по работе 118
Литература
- Обзор исследований по определению усилий, действующих на ковш погрузчика при взаимодействии с обрабатываемой средой
- Обоснование рационального способа черпания сыпучего материала ковшом погрузчика
- Реализация совмещенного способа черпания материала ковшом фронтального погрузчика
- Средства и условия проведения теоретических исследований
Обзор исследований по определению усилий, действующих на ковш погрузчика при взаимодействии с обрабатываемой средой
Для определения технической производительности одноковшового фронтального погрузчика воспользуемся формулой /33,34/ V -к ПТ = п " -кт, (1.1) К где Пт - техническая производительность, м Іч; п - число циклов за один час работы, п = 3600/ tu; tn - продолжительность рабочего цикла, с; кн - коэффици-ент наполнения ковша материалом; V - геометрическая вместимость ковша, м ; кр - коэффициент разрыхления материала; к - коэффициент учета технологичности производства или условий работ.
Сменная эксплуатационная производительность фронтального погрузчика с ковшовым рабочим органом может быть определена по зависимости Пэ=Т-пт-кс, (1.2) где Пэ - эксплуатационная сменная производительность м3/смену; Т - продолжительность работы погрузчика в смену с учетом технического обслуживания, подготовки машины к работе; кк - коэффициент использования погрузчика в
течение смены с учетом подачи автотранспорта, подготовки площадки, междусменной передачи машины и др., Аги = 0,5.. .0,8.
Как следует из приведенных зависимостей (1.1; 1.2), определяющих производительность фронтальных погрузчиков, основными путями ее повышения могут быть сокращение продолжительности рабочего цикла ґц, повышение коэффициента наполнения ковша кя, повышение коэффициента использования машины по времени кт что может быть достигнуто посредством совершенствования рабочего процесса, конструкции погрузчика и повышения надежности машины.
Одним из основных показателей качества создаваемых и выпускаемых машин является показатель надежности /59/. Повышение надежности земле-ройно-транспортных машин позволяет улучшить их эффективность и дать значительный технико-экономический эффект /84/. Важно также обеспечить экономически целесообразную надежность оборудования дорожных машин. Так анализ рабочего оборудования дорожных машин, в том числе фронтальных погрузчиков, спроектированных с использованием традиционных методов расчета, показывает, что его надежность ниже экономически целесообразной на 20 -30 %, а металлоемкость отдельных элементов из-за нерационального распределения уровня надежности выше допустимой на 15 - 20 % /39/.
В связи с этим возникает необходимость в рассмотрении группы вопросов, касающихся повышения надежности использования фронтальных погрузчиков.
В соответствии с ГОСТ 13377-75 «Надежность в технике. Термины и определения» под надежностью понимают свойства объекта выполнять заданные функции, сохраняя во времени значения установленных эксплуатационных показателей в заданных пределах, соответствующих заданным режимам и условиям использования, технического обслуживания, ремонтов, хранения и транспортирования. Под эксплуатационными показателями подразумевается производительность, скорость и другие показатели технической характеристики объекта /84/.
Надежность является комплексным свойством, которое в зависимости от назначения объекта и условий его эксплуатации может включать безопасность, долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость в отдельности или определенное сочетание этих свойств как для объекта, так и для его частей /58/.
Показатель надежности - это количественная характеристика одного или нескольких свойств, составляющих надежность объекта. Показатели надежности бывают единичные и комплексные. Единичный показатель - показатель надежности, относящийся к нескольким свойствам составляющим надежность объекта /58/. Показатели надежности приведены на рис.1.1.
Использование всего перечня показателей надежности затрудняет процесс оценки и обеспечение надежности объектов. Поэтому из общего перечня показателей следует выбрать минимально необходимое число показателей, достаточно полно характеризующих надежность дорожных машин, в частности, фронтальных погрузчиков.
Для обоснования выбора этих показателей необходимо рассмотреть понятие эффективности системы, которое в значительной степени определяется надежностью. Эффективность системы характеризует степень целесообразности ее применения в данных условиях /58/. Обычно эффективность сложных систем рассматривается как экономический результат их применения.
Эффективность дорожных машин можно представить в виде отношения объема работ, выполненного в период до первого капитального ремонта или до списания, к сумме соответствующей части или полных затрат на изготовление, затрат на эксплуатацию и ремонт в тот же период времени. Эффективность можно характеризовать и величиной обратной этому соотношению, т.е. приведенными затратами на единицу объема работ /60/. Очевидно, объем работ, выполненный фронтальным погрузчиком за период эксплуатации, при прочих равных условиях пропорционален среднему ресурсу и коэффициенту технического использования или коэффициенту готовности за этот же период эксплуатации. Затраты на изготовление машины и ее запасных частей, при прочих равных условиях, пропорциональны среднему ее ресурсу до капитального ремонта и обратно пропорциональны степени рассеивания ресурса, которая может быть оценена отношением среднего и гамма-процентного ресурсов.
Затраты на эксплуатацию и ремонт фронтального погрузчика, при прочих равных условиях, пропорциональны удельным суммарным трудоемкостям ремонта и технического обслуживания.
Таким образом, в качестве основных показателей надежности фронтальных погрузчиков можно назвать следующие: средний и гамма-процентный ресурсы до капитального ремонта или списания, коэффициент технического использования или коэффициент готовности, и удельные суммарные трудоемкости ремонта и технического обслуживания.
Обоснование рационального способа черпания сыпучего материала ковшом погрузчика
Согласно утверждениям проф. Н.А. Ульянова /81,82/ наиболее рациональным режимом работы самоходной машины является режим, соответствующий значению максимальной тяговой мощности. Поэтому при проектировании погрузчиков, определении методов их работы следует руководствоваться этим положением.
Например, целесообразность применения предлагаемого совмещенного способа черпания сыпучего материала ковшом погрузчика подтверждается тяговой характеристикой (рис.2.9), построенной на основании зависимостей, приведенных в источниках /81,82/ для пневмоколесного фронтального погрузчика ТО-18 А грузоподъемностью Зт.
Сравнение значений сопротивлений, возникающих в процессе взаимодействия рабочего органа погрузчика с обрабатываемой средой (см.рис.2.7, 2.8), и тяговой характеристикой погрузчика (см.рис.2.9) подтверждает преимущества совмещенного способа черпания по сравнению с наиболее распространенным раздельным способом. Так при раздельном способе черпания для удовлетворительного заполнения ковша материалом необходимо внедрение ковша на полную глубину, что требует максимальных напорных усилий тягача; это достигается путем реализации полной силы тяги тягача при 100% буксовании движителя /4/. Этот режим работы является самым неблагоприятным: при большом буксовании движителей происходит интенсивный износ пневматических шин, имеет место повышенный расход топлива, возникают большие нагрузки на рабочее оборудование и базовую машину /30,68,78/.
При совмещенном способе черпания суммарное сопротивление, которое требуется преодолеть погрузчику при внедрении ковша в штабель материала, не превышает 50 кН, что соответствует наиболее рациональному режиму работы машины, близкому к режиму максимальной тяговой мощности.
Осуществление черпания материалов ковшом погрузчика предлагаемым способом позволяет снизить все составляющие сопротивлений, возникающих при черпании материала, а следовательно, значительно снизить нагрузки, действующие на рабочее оборудование и базовую машину в процессе работы. Уменьшение требуемой глубины внедрения, совмещение операций при черпа 52 ний сокращает продолжительность рабочего цикла и позволяет снизить расход
Реализация предлагаемого совмещенного способа черпания материала ковшом погрузчика возможна при таком соотношении скоростей поступательного движения машины вперед Vn, подъема стрелы Упод и поворота ковша УПОв, при котором обеспечивается движение режущей кромки ковша по линии сдвига призмы материала, а также при определенной минимальной высоте штабеля материала.
Для качественного наполнения ковша материалом по предлагаемому способу необходимо соблюдение условия VM VK, где Vu - объем призмы сдвигаемого материала; VK - вместимость ковша. Это условие обеспечивается высотой штабеля материала НШТ, которая должна быть больше минимальной высоты штабеля Дшп, при которой формируется требуемый объем призмы сдвигаемого материала. Минимальная высота штабеля (рис.2.10) определяется выражением
Как видно из приведенных графических зависимостей, с увеличением угла внутреннего трения, минимальная высота штабеля, обеспечивающая необходимую эффективность процесса черпания материала, уменьшается. Таким образом, минимальная высота штабеля материала, при которой обеспечивается необходимая эффективность процесса черпания рациональным совмещенным способом, зависит от физико-механических свойств разрабатываемого материала. 2.4 Аналитическое исследование кинематики рабочего оборудования фронтального погрузчика
Процесс черпания материала ковшом фронтального погрузчика совмещенным способом осуществляется при функционировании всех основных механизмов машины: поступательное движение погрузчика вперед и внедрение ковша в штабель материала - механизмом передвижения базовой машины; подъем стрелы и поворот ковша - гидравлической системой управления рабочим оборудованием посредством гидроцилиндров подъема стрелы 5 и поворота ковша 6 (рис. 2.12).
Несмотря на большое разнообразие конструкций фронтальных погрузчиков, наибольшее распространение получили пневмоколесные фронтальные погрузчики с кинематической схемой рабочего оборудования, представленной на рис. 2.12 /12,17,18,23,29,38,41,51,52,56,70,79/, которая и принята за основу для проведения нижеизложенного анализа.
В кинематической схеме рабочего оборудования фронтального погрузчика в общем случае можно выделить механизм подъема стрелы и механизм поворота ковша относительно стрелы /11/. Механизм подъема стрелы представляет собой трехзвенное соединение (если считать гидроцилиндр за одно телескопическое звено), образующее треугольник.
Сторонами треугольника являются (рис. 2.13.): участок стрелы 1-3, условная линия, соединяющая точки крепления стрелы и качающегося гидроцилиндра подъема стрелы на портале 1-2, и сам гидроцилиндр подъема стрелы 2-3, длина которого является переменной величиной, от которой зависит угол поворота стрелы относительно стойки 1-2 (либо относительно какого-либо заданного положения стрелы, например, положение стрелы, когда ковш опущен в нижнее положение для внедрения в штабель материала, можно принять за нулевое значение угла поворота стрелы относительно стойки). При этом угол между стойкой 1-2 и стрелой в ее нижнем положении будет фиксированной величиной, зависящей от особенностей конструкции фронтального погрузчика, равно как и большое число других углов и линейных размеров в уравнениях связи, представленных ниже.
Реализация совмещенного способа черпания материала ковшом фронтального погрузчика
Источником усталостного разрушения элементов металлоконструкций рабочего оборудования и ходовых устройств является действие переменных во времени напряжений /20,24/, возникающих в рабочем процессе фронтального погрузчика под влиянием различных нагрузок. Как показали предыдущие исследования /44,48,66/, наибольшей нагруженности фронтальный погрузчик подвергается в процессе черпания материала.
Напряжения, возникающие в процессе черпания материала ковшом фронтального погрузчика, зависят от глубины предварительного внедрения ковша в штабель, характера движения режущей кромки ковша, т.е. от способа черпания материала.
Применение и реализация в рабочем процессе рационального способа черпания, т.е. осуществление черпания сыпучих материалов ковшом погрузчика совмещенным способом, позволяет существенно снизить все составляющие сопротивлений, возникающих при черпании материала, а следовательно, значительно уменьшить амплитуду нагрузок, действующих на рабочее оборудование и базовую машину в процессе работы. Это позволит увеличить число циклов нагружения и повысить наработку на отказ элементов металлоконструкций рабочего оборудования и ходовых устройств, что приведет к повышению надежности машины в целом.
В качестве примера рассмотрим влияние нагрузок, возникающих в процессе черпания материала, на усталостную долговечность стрелы фронтального погрузчика /8/. После предварительного внедрения ковша погрузчика на глубину LB, гидроцилиндрам подъема стрелы и поворота ковша необходимо преодолеть сопро 86 тивления сдвигу материала по лобовой поверхности Рь сдвигу материала по боковым поверхностям Р2, а также веса материала в призме сдвига GM. Величины этих сопротивлений от глубины предварительного внедрения LB определены в разделе 2.1. Ввиду относительно небольшой величины Р3 и Р2, рассмотрим влияние на усталостную долговечность стрелы фронтального погрузчика нагрузок от веса материла в призме сдвига GM.
Обозначим вес материала в призме сдвига при глубине предварительного внедрения LB = 1,0LK как GMi, при глубине предварительного внедрения LB = 0,85LK как GM2 и найдем максимальные напряжения в стреле фронтального погрузчика от действия этих нагрузок. Расчетная схема для определения максимальных напряжений представлена на рис.3.2.
Эпюры напряжений в стреле фронтального погрузчика Как следует из эпюры изгибающих моментов, наиболее опасным сечением стрелы фронтального погрузчика является место крепления гидроцилиндра подъема стрелы. Опасное сечение стрелы представляет собой прямоугольник, со сторонами Ъ = 40 мм, h = 240 мм. Определим геометрические характеристики опасного сечения /69/: Площадь поперечного сечения F = bh = 4 -24 = 96см2. Момент инерции относительно оси X т bh" 4-243 Лґ а 4 x 12 12 Момент сопротивлений относительно оси X TJ/ bh2 4-242 _0. з 6 Стрела погрузчика изготовлена из стали марки Ст.З, имеющей следующие характеристики /26,69,77/: предел текучести ат = 240 Мпа; предел прочности о в = 470 Мпа; предел выносливости а.і = 170 Мпа; относительное удлинение \\) - 26%.
Нагрузка, воспринимаемая стрелой при повороте ковша в штабеле материала, будет складываться из веса ковша GK и веса материала в призме сдвига GM. Для фронтального погрузчика ТО-18А, GK = 0,93 т. Согласно рис.2.6 раздела 2.1, GMl = 3,8 т; GM2 = 2,75 т. Тогда Ру = GMl + GK = 3,8 + 0,93 = 4,73m; Р}=46кН; р2 = Gu2 +GK= 2,75 + 0,93 = 3,68m; P2 = 36 кН. Величина максимального изгибающего момента в опасном сечении от действия нагрузок Р\ и Р2 соответственно Мтах] = Р} а = 46 2,075 = 95,4 кНм; мшах2 = р2 а = 36 2 075 = 74 7 кНм. Максимальные напряжения в опасном сечении M , 95,4-105 Aae%JfTT maxl ffx 384 М 74 7 105 тах2 = = - - = 194,4 МПа. тах 384
Таким образом, и в первом, и во втором случае, максимальные напряжения, возникающие в стреле, превышают допускаемый предел выносливости. Следовательно, имеет место накопление усталостных повреждений.
Как следует из приведенного расчета, число циклов до образования усталостной трещины при использовании в рабочем процессе фронтального погрузчика рационального совмещенного способа черпания, увеличивается по сравнению с обычным способом в 6 раз.
Таким образом, применение и реализация в рабочем процессе рационального способа черпания позволяет повысить наработку на отказ элементов металлоконструкций рабочего оборудования и ходовых устройств, что ведет к повышению надежности машины в целом. 3.2 Оценка энергоемкости рабочего процесса фронтального погрузчика
Как отмечалось ранее процесс черпания материала является основным элементом рабочего цикла фронтального погрузчика, от характера выполнения которого во многом зависит степень наполнения ковша материалом, затраты времени на выполнение рабочего процесса и величины сопротивлений, возникающих в процессе взаимодействия ковшового рабочего органа с обрабатываемой средой.
Процесс черпания начинается с внедрения режущей кромки ковша фронтального погрузчика в штабель материала при поступательном напорном движении вперед всей машины. При этом на режущую кромку ковша будет действовать усилие сопротивления внедрению RB.
Графические зависимости сопротивления внедрению RB режущей кромки ковша в штабель материала от глубины предварительного внедрения LB, построенные для фронтального погрузчика грузоподъемностью Зт., представлены в разделе 2.1. настоящей работы.
Ранее было доказано, что наиболее рациональным и экономичным является совмещенный способ черпания материала, в процессе которого режущая кромка ковша совершает траекторию движения близкую к линии лобового сдвига материала. При этом глубина предварительного внедрения LB режущей кромки ковша в штабель материала составляет 0,8LK, где LK - глубина ковша. При черпании раздельным способом, для удовлетворительного заполнения ковша материалом глубина предварительного внедрения LB должна быть не менее 1,15LK.
Средства и условия проведения теоретических исследований
Теоретические исследования процесса черпания материала ковшом фронтального погрузчика проводились на основе полученных ранее зависимостей с помощью программирования алгоритма решения математической модели, изложенного в главе 2. Исходными данными к экспериментальным исследованиям является техническая характеристика фронтального одноковшового погрузчика ТО-18 А.
На рис.4.1 представлено изменение угла подъема стрелы фронтального погрузчика а, в зависимости от хода штока гидроцилиндра подъема стрелы.
Как видно из приведенной графической зависимости, при изменении длины гидроцилиндра подъема стрелы от 1,04 м до 1,835 м (min и max геометрические размеры цилиндра подъема стрелы погрузчика ТО-18А), угол подъема стрелы а меняется от 46 до 140. Значение а = 46 соответствует установке ковша в положение внедрения в штабель материала. Значение а = 140 соответ 97 ствует транспортному положению рабочего оборудования при движении к месту выгрузки материала.
Принимая во внимание минимальную высоту штабеля материала, необходимую для эффективной работы фронтального погрузчика, исследования которой проведены в разделе 2.3, можно сделать вывод о том, что непосредственно в процессе черпания материала рациональным способом длина гидроцилиндра подъема стрелы, до момента выхода режущей кромки ковша из штабеля материала, изменяется от 1,04 до 1,3 м. Зависимость изменения угла поворота стрелы фронтального погрузчика а в зависимости от хода штока гидроцилиндра подъема стрелы в процессе черпания материала совмещенным способом представлена на рис.4.2.
Анализируя представленную на рис. 4.2 зависимость можно сделать вывод о том, что в процессе черпания материала рациональным совмещенным способом черпания при движении режущей кромки ковша по линии сдвига материала, изменение угла поворота стрелы а от начального составит 27. При этом, ход штока гидроцилиндра подъема стрелы составит 0,26 м.
Доработанная система управления рабочим оборудованием, позволяющая осуществлять черпание материала рациональным совмещенным способом черпания и рассмотренная в разделе 2.5, предусматривает определенное соотношение хода штока гидроцилиндра поворота ковша в зависимости от хода штока гидроцилиндра подъема стрелы.
Зависимость хода штока г/ц поворота ковша SmT. КОВша от хода штока г/ц подъема стрелы SmT. стр фронтального погрузчика при использовании предла 99
гаемой доработанной системы управления, показана на рис. 4.3. Для фронтального погрузчика ТО -18А гидроцилиндры подъема стрелы (2шт.) и поворота ковша имеют следующие размеры: диаметр поршня гидроцилиндра подъема стрелы D_pod = 0.150 м; диаметр поршня гидроцилиндра поворота ковша D_pov = 0.145 м; диаметр штока гидроцилиндра подъема стрелы d_pod = 0.065 м; диаметр штока гидроцилиндра поворота ковша d_pov = 0.06 м;
Таким образом, как следует из приведенной зависимости 5.3, ход штока гидроцилиндра поворота ковша фронтального погрузчика ТО-18А, при использовании предложенной системы управления, в 1,738 раза больше хода штока гидроцилиндра подъема стрелы.
Изменение угла поворота ковша фк в зависимости от хода штока гидроцилиндра поворота ковша, показано на рис. 4.4.
Анализ представленной зависимости показывает, что в процессе черпания материала рациональным совмещенным способом черпания, ковш запрокидывается на полный угол запрокидывания, определенный технической документацией (41) /55/, при изменении длины гидроцилиндра поворота ковша от 1,29 м од 1,46 м.
С целью реализации рационального совмещенного способа черпания материала ковшом фронтального погрузчика, а именно, осуществления движения режущей кромки днища ковша по линии сдвига материала, необходимо рассмотреть вопрос соотношения скоростей движения штоков гидроцилиндров подъема стрелы, поворота ковша и поступательного движения вперед базовой машины. Данная задача решается при помощи программирования методики, изложенной в главе 2.
С помощью программной реализации методики исследования кинематических параметров рабочего оборудования фронтального погрузчика, получены координаты режущей кромки ковша (табл. 4.2) при одновременной работе гидроцилиндров подъема стрелы и поворота ковша. Траектория движения режущей кромки ковша при неподвижном погрузчике показана на рис.4.5.
