Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние и анализ основных путей совершенствования дорожно строительных машин (ДСМ) 12
1.1. Объекты исследований 12
1.2.Пути повышения эффективности и конкурентоспособности ДСМ 27
1.3. Основные направления развития и совершенствования структурных и стержневых систем ДСМ 34
1.4.Анализ методов оптимизации и прогнозирования структурных схем и стержневых систем ДСМ 49
1.5.Цель и задачи исследований 52
Глава 2. Основы формирования оптимальных структурных схем стержневых систем рабочих оборудований ДСМ (РО ДСМ) 58
2.1. Составление и обоснование системы показателей целевых функций оценки эффективности и оптимизации структурных схем и стержневых систем РО ДСМ и их конфигураций 58
2.2. Формализация и идентификация структурных схем РО ДСМ 76
2.3. Анализ известных структурных схем РО ДСМ и рекомендации по устранению их недостатков 82
2.4. Выводы по главе 100
Глава 3. Методы формирования оптимальных структурных схем основных видов РОДСМ 102
3.1. Прогнозирование развития и формирование новых структурных схем РО бульдозеров 102
3.2. Прогнозирование развития и формирование новых структурных схем РО одноковшовых экскаваторов 151
3.3. Прогнозирование развития и формирование новых структурных схем РО фронтальных одноковшовых погрузчиков 162
3.4. Оценка возможностей развития и формирования новых структурных схем РО автогрейдеров 177
3.5. Оценка возможностей развития и формирование новых структурных схем РО других дорожно-строительных машин 186
3.6. Выводы по главе 196
Глава 4. Оптимизация конфигурации структурных схем РО ДСМ 198
4.1. Оптимизация конфигурации структурных схем РО бульдозеров 198
4.2. Оптимизация конфигурации структурных схем РО одноковшовых экскаваторов 204
4.3. Оптимизация конфигурации структурных схем РО фронтальных одноковшовых погрузчиков 209
4.4. Оптимизация конфигурации структурных схем РО автогрейдеров 211
4.5. Оптимизация конфигурации структурных схем РО других ДСМ 214
4.6. Выводы по главе 217
Глава 5. Определение оптимальных параметров стержневых систем РОДСМ 218
5.1. Критерий оптимизации параметров стержневых систем РО ДСМ 218
5.2. Определение параметров коробчатого сечения при единичном нагружении 218
5.3. Определение параметров стержней с коробчатым поперечным сечением в поле нагружении 228
5.4. Аппроксимация формы стержня 230
5.5. Определение параметров стержней с коробчатым поперечным сечением с диафрагмами 232
5.6. Определение параметров стержней с коробчатым поперечным сечением с накладками 236
5.7. Выявление областей применения стержней с поперечным коробчатым и кольцевым сечениями 240
5.8. Определение параметров стержневых систем минимальной массы на примере бульдозерного оборудования 243
5.9. Выводы по главе 254
Глава 6. Экспериментальные исследования ДСМ с новыми структурными схемами РО и их конфигурациями 255
6.1. Методика экспериментальных исследований 255
6.2. Экспериментальное подтверждение повышения эффективности ДСМ с новыми улучшенными структурными схемами РО 280
6.3. Экспериментальное подтверждение повышения эффективности ДСМ с новыми улучшенными конфигурациями РО 297
6.4. Экспериментальное подтверждение повышения эффективности ДСМ с оптимальными параметрами стержневых систем РО ДСМ 302
6.5. Выводы по главе 310
Глава 7. Методика расчета стержневых систем РО ДСМ 314
7.1. Определение оптимальных структурных схем РО ДСМ 314
7.2. Определение оптимальной конфигурации структурных схем ДСМ 314
7.3. Расчет параметров стержневых систем РО ДСМ с минимальной массой 315
7.4. Оценки технико-экономической эффективности результатов исследований 318
Основные научные результаты и выводы 320
Список использованной литературы 323
Приложения
- Основные направления развития и совершенствования структурных и стержневых систем ДСМ
- Анализ известных структурных схем РО ДСМ и рекомендации по устранению их недостатков
- Прогнозирование развития и формирование новых структурных схем РО одноковшовых экскаваторов
- Оптимизация конфигурации структурных схем РО фронтальных одноковшовых погрузчиков
Введение к работе
В условиях развивающейся конкуренции в борьбе за рынок России как между отечественными производителями, так и между отечественными производителями и зарубежными производителями большое значение имеет разработка и внедрение новых высокоэффективных дорожно-строительных машин и их рабочих органов.
Внедрение новых производственных и усовершенствование старых производственных процессов и технологий предполагает развитие новых и усовершенствование традиционных машин и оборудований, позволяющих реализовывать новые производственные процессы и технологии.
Научно-технический прогресс невозможен без развития новых технологий, производственных процессов и новых машин и оборудований, позволяющих снизить затраты на осуществление произведенной работы.
Борьба за рынки сбыта предполагает непрекращающуюся напряженную работу по поиску и внедрению новых, более лучших дорожно-строительных машин, которая предусматривает как улучшение техники, выполненной по традиционным схемам, так и создание принципиально новых машин и оборудования.
Все ведущие отечественные предприятия и зарубежные фирмы прилагают значительные усилия по выявлению новых и совершенствованию традиционных схем дорожно-строительных машин и оборудования и стараются защитить свои достижения патентами.
Дальнейшее развитие дорожно-строительной техники сдерживается отсутствием новых подходов по формированию новых стержневых систем рабочего оборудования дорожно-строительных машин (РО ДСМ) и совершенствованию традиционных, известных структурных схем РО ДСМ.
В настоящее время возникла необходимость разработки методов формирования структурных схем РО ДСМ, создания математического аппарата по поиску и анализу новых структурных схем ДСМ, анализу и оптимизации конфигурации структурных схем известных РО ДСМ, с минимальными затратами по изменению известных конструкций для производства, разработки прикладных алгоритмов и методик по выявлению новых структурных схем ДСМ и осуществить внедрение новых высокоэффективных РО ДСМ на базе выявленных новых структурных схем и конфигураций.
Проблема, решаемая в диссертации, заключается в разработке комплекса мероприятий, обеспечивающих существенное повышение эффективности РО ДСМ на базе создания научных основ и методов формирования новых технических и конструктивных решений РО ДСМ без избыточных связей, имеющих оптимальную конфигурацию, оптимальные размеры металлоконструкций стержневых систем при минимизации затрат на их поиск и внедрение на производстве.
Научной задачей является разработка научных основ и метода формирования высокоэффективных РО ДСМ без избыточных связей с оптимальной конфигурацией и минимальной массой стержневой системы.
Структурные схемы РО ДСМ представляют собой систему взаимосвязанных элементов, предназначенных для обеспечения различных рабочих перемещений рабочих органов ДСМ и обеспечивающих существенную технико-экономическую эффективность при использовании на ДСМ за счет применения схем без избыточных связей и оптимальную конфигурацию.
В результате решения этой проблемы разработан метод формирования многофункциональных РО ДСМ и реализован на ряде серийно выпускаемых реальных ДСМ как в Российской федерации, так и за рубежом, которые имеют повышенную конкурентоспособность, производительность, расширенные функциональные возможности и, в конечном счете позволяют повысить эффективность ДСМ в целом.
В работе показаны пути повышения технико-экономической эффективности РО ДСМ за счет совершенствования конфигурации РО ДСМ традиционных схем, создания новых структурных схем РО ДСМ без избыточных связей с расширенными функциональными возможностями на базе разработанного метода научного поиска. В работе приведены конкретные примеры поиска новых решений и доведения их до конкретного внедрения. Выявленные новые решения были защищены патентами РФ и реализованы в серийно выпускаемых машинах, таких как автогрейдеры ДЗ-122А, ДЗ-122Б, погрузчики фронтальные колесные ТО-ЗОА, ПК-2202, ПК-2702, бульдозеры ДЗ-162, ДЗ-141ХЛ, ДЗ-170.1, экскаваторы БОРЭКС 2101, БОРЭКС 2102, БОРЭКС 2103, ЭО-2621В-3, строительная сварочная машина, домкраты и другие машины и рабочие оборудования.
Научная новизна исследования представляется следующими положениями:
- разработаны теоретические основы и метод формирования новых конструктивных решений РО ДСМ на базе формализации анализа существующих схем РО ДСМ и поиска новых структурных схем РО ДСМ без избыточных связей и их конфигураций;
- разработана математическая модель, определяющая металлоемкость стержневой системы РО ДСМ без избыточных связей;
- дан алгоритм формирования новых конструктивных решений РО ДСМ на основе разработанного метода;
- дан алгоритм поиска новых структурных схем РО ДСМ без избыточных связей методом наслоения различных структурных групп и расчленения структурных схем с последующим соединением элементами, отнимающими лишние избыточные подвижности РО ДСМ;
- разработана математическая модель изменения металлоемкости стержневых систем РО ДСМ без избыточных связей, обладающих минимальной массой и равнопрочностью.
- Дана оценка технико-экономической эффективности от внедрения новых РО ДСМ, выявленных в результате их формирования по разработанным в диссертации методам и моделям.
Практическая ценность работы заключается в разработанном методе анализа существующих и поиска новых структурных схем РО ДСМ, их конфигураций и элементов стержневых систем РО ДСМ минимальной массы. Разработаны научные основы проектирования и выбора оптимальных параметров структурных схем РО ДСМ без избыточных связей, их конфигураций и элементов стержневых систем минимальной массы как для традиционных компоновок, так и для новых компоновок ДСМ. Разработаны алгоритмы по определению параметров стержневых систем РО ДСМ при различных условиях нагружения РО. Произведена технико-экономическая оценка использования новых, выявленных в диссертации РО ДСМ. Даны рекомендации по областям наиболее эффективного использования выявленных в работе РО ДСМ.
На защиту выносятся следующие положения:
- метод анализа существующих известных схем РО ДСМ посредством оценки наличия в них избыточных связей;
метод формирования новых структурных схем РО ДСМ без избыточных связей;
метод определения оптимальных параметров стержневых систем металлоконструкций РО ДСМ без избыточных связей;
- алгоритм формализации структурных схем РО ДСМ,
- анализ существующих структурных схем РО ДСМ и рекомендации по их усовершенствованию путем исключения избыточных связей;
- метод формирования новых конфигураций стержневых систем РО ДСМ без избыточных связей;
- реализация выявленных структурных схем РО ДСМ и их конфигураций на различных ДСМ в том числе и серийного производства как в России, так и за рубежом.
Полученные от внедрения результаты подтвердили эффективность от использования выявленных схем РО ДСМ в различных условиях применения ДСМ. Выявленные в результате решения общей проблемы новые схемы РО ДСМ и их конфигурации защищены патентами России и Украины и решениями Госкомизобретений России о признании изобретениями.
Экспериментальны исследования проводились на АО «Орловский завод дорожных машин», АО «Погрузчик» (г. Орел), АО «БОРЕКС» (Украина), АО «Челябинский завод дорожных машин им. Колющенко», НПО «Трансстроймаш», ЦНИП ВНИИстройдормаш, АО «Златоустовский экскаваторный завод ПО БУЛАТ». Исследования и испытания проводились на различных строительных объектах, где применялись машины, изготовленные указанными выше предприятиями.
Результаты диссертации получили внедрение на следующих серийно выпускаемых машинах: автогрейдеры ДЗ-122А и ДЗ-122Б, погрузчики ТО-ЗОА, ПК2202, ГЖ-2701, экскаваторах БОРЕКС-2101, БОРЕКС-2102, БОРЕКС-2103, бульдозеров ДЗ-162, ДЗ-141ХЛ, ДЗ-171.1, строительных машинах разработки НПО «Трансстроймаш» - шпалоподбивочных машинах УТТМ-1, машинах для сварки.
Отдельные положения представлялись и докладывались на заседаниях кафедры «Дорожные машины» МАДИ, заседаниях секций НТС НПО «Трансстроймаш», АО «Орловский завод дорожных машин», АО «Погрузчик», АО «Брянский Арсенал», АО «Златоустовский экскаваторный завод ПО БУЛАТ», ЦНИП ВНИИстройдормаш.
Работа выполнена в Сертификационном Центре «ТЕСТ-СДМ».
Объем диссертации: диссертация изложена на 224 страницах машинописного текста, включает 34 таблицы и 131 иллюстраций на 140 страницах, список литературы из 376 наименований на 41 страницах. Работа состоит из введения, семи глав и заключения.
Основные направления развития и совершенствования структурных и стержневых систем ДСМ
Общим подходам к развитию науки о стержневых систем посвящен раздел Теории машин и механизмов, который называется, как структурный синтез и анализ механизмов. Необходимость применения механизмов без избыточных связей доказал Л.Н.Решетов (276). Применение таких механизмов позволяет добиться повышения надежности и производительности за счет того, что в них при движении рабочим органом не возникают дополнительные самовыламывающие силы, а диапазон движения рабочего органа ограничивается геометрическими размерами звеньев, а не зазорами в шарнирах. Наличие избыточных связей проверяется структурной формулой структурной схемы механизма. Исследованию структурных формул посвящены работы Абрахимова У.Т. (3), Ализаде Расим Исмаил оглы (9), Артоболевского (18), Ильинского Д.Я. (19), Будыки Е.Ю. (109), Диментберга Ф.М. (166, 167), Желиговского А.В. (181), Рабиновича М.М. (265), Решетова Л.Н. (276, 277), Семеновой М.В. (308) и других. В работе Ализаде Расим Исмаил оглы (9) приведена сводная таблица уравнений степени свободы механизмов. Т.А. Абдрахимов исследовал численные методы анализа и синтеза многоконтурных механизмов высоких классов (3). Из последних работ, выполненных зарубежными учеными и посвященных исследованию структур механизмов следует отметить работы С. Huang, В. Roth (359), К. Luck, К.-Н. Modler (366), С. Innocenti (360,.361), Tyng Liu, Chung-Huang Yu (365), С. Mavroidis, В. Roth (367), M. Chew (352), G.R. Pennock, K.G. Mattson (368), Save M. (372). Следует отметить работу польских ученых Е. Adamszyk, Z. Korzen (348), которые рассмотрели возможные варианты структурных схем роторных карьерных экскаваторов. Однако в этой работе рассматривались только плоские структурные схемы.
Из последних работ широкую известность получил фундаментальный словарь А.Ф. Крайнева (375), который является одним из основополагающих трудов. В этом словаре представлены примеры построения различных механизмов, приведены базовые положения по анализу и синтезу механических систем, рассмотрены наиболее применяемые в ДСМ, такие, как автогрейдер, бульдозер, погрузчик, скрепер, экскаватор.
Структурный синтез основан на признаке кинематической неизменяемости ферм. Л.В. Ассур (18) впервые представил формальную структурную классификацию плоских механизмов и предложил структурный синтез методом присоединения поводков и структурных элементов с нулевой внешней подвижностью. И.И. Артоболевский (18) провел классификацию пространственных механизмов. Структурный синтез был решен методом развития контуров и методом наложения связей.
В области строительных и дорожных машин исследованием и созданием конструкций без избыточных связей известны работы Б.И. Фалькевича (327), который занимался разработкой и исследованием частным случаем механизма соединения прицепного скрепера к базовому тягачу. В его работе доказаны преимущества использования такой схемы по сравнению с другими традиционными схемами соединения прицепного скрепера к базовому тягачу.
В работах B.C. Березина, Ю.Б. ВеледницкогоЮ В.А. Даугелло, В.М. Гогадзе и автора (100, 112, 113, 145, 290) доказана необходимость использования для бульдозерного оборудования статически определимых схем, т.е. схем, имеющих внешнюю нулевую подвижность, т.к. только такие схемы позволяют осуществить перекос отвала более 4...6 град. Увеличение угла перекоса ведет к повышению производительности бульдозера за счет возможности разработки грунта до !У категории прочности включительно, производства террасирования и других работ (81, 93, 100, 113, 115, 145). Проведенные сравнительные бульдозеров ДЗ-162 и ДЗ-42Г на базе тракторов ДТ-75 испытания показали, что наличие гидрофицированного перекоса отвала, который обеспечивает схема бульдозерного оборудования без избыточных связей, позволяет бульдозеру даже такого малого тягового класса (3 тонны), оснащенному перекосом отвала с углом перекоса до 13 град, иметь производительность на 14% больше, чем бульдозеру без перекоса отвала (115).
B.C. Березин (100) привел таблицу (см. Табл. 1.1) роста дополнительных напряжений в толкающих брусьях при наличии одной избыточной связи в плоскости рамы в бульдозерном оборудовании от угла перекоса отвала. Эти напряжения возникают за счет внутренних сил и действуют еще до приложения рабочих нагрузок на отвале. При действии рабочих нагрузок на отвале дополнительные напряжения складываются с напряжениями от рабочих нагрузок, и тем самым прочность и надежность бульдозерного оборудования снижается.
Анализ известных структурных схем РО ДСМ и рекомендации по устранению их недостатков
Проведем анализ структурных схем РО ДСМ на примере РО бульдозеров (см. Приложение, Табл. 2.4) (89, 90, 290, 296, 297, 304). Будем обозначать элементы структурных схем римскими цифрами, а шарниры - арабскими. А. Структурные схемы, механизм компенсации перекоса отвала которых основан на связях, соединяющих толкающие брусья: патент США № 3187448, патент ФРГ № 1708580, патент Франции № 1524532, а.с. СССР № 523162, патент США № 3590929, патент США № 3395764, патент СССР № 658910, ДЗ-110Б, а.с. СССР № 543702 (ДЗ-110А, Т-170.4), патент США № 3049821, ДЗ-101А, а.с. СССР № 543704, а.с. СССР № 388105, патент США № 3049820, патент США № 3653450, патент США № 3503457, патент США № 3025620, а.с. СССР № 399591, патент США № 3656558, патент Великобритании № 1294427, патент России № 2112839. Б. Механизм компенсации перекоса отвала основан на шарнирном соединении толкающего бруса: ДЗ-101, патент США № 2678508, патент США № 3893515, а.с. СССР №443148. В. Механизм компенсации перекоса отвала выполнен в виде шарнирного соединения отвала или толкающего бруса с базовым тягачом: патент США № 3234670, патент ФРГ № 19550055, а.с. СССР № 381236, патент США № 1863559, а.с. СССР №№ 394195, 501132. Во всех этих схемах перекос отвала достигается изменением длины раскоса. Гидроцилиндры подъема и опускания отвала представлены одним элементом (тягой), т.к. их полости соединены параллельно, тем самым гидроцилиндры подъема и опускания отвала накладывают одну связь на отвал.
В представленном анализе не исследованы кинематические схемы бульдозерного оборудования, в котором компенсация перекоса отвала происходит за счет деформации упругих элементов (например, патент США № 3858665, а.с. СССР № 354078), так как эти упругие элементы при больших углах перекоса также являются избыточными связями и вызывают появление дополнительных напряжений. Из-за указанной причины такие схемы не нашли применения в выпускаемых в настоящее время бульдозерах. Из анализа внешней подвижности структурных схем бульдозерного оборудования, видно, что структурные схемы по патентам США №№ 3187448, 3049821, 3395764, 3234670, ФРГ № 1708580, Франции № 1524532, а.с. СССР №№ 388105, 543704, ДЗ-101А имеют избыточные связи. Бульдозерное оборудование, выполнение по этим схемам, не оптимальны. Такие схем не способствуют обеспечению высокой производительности, надежности и низкой металлоемкости. Вышеуказанные структурные схемы могут быть существенно улучшены путем выявления и устранения избыточных связей. Количество избыточных связей определено по формуле Чебышева -Малышева, однако эта формула не позволяет определить, какие именно элементы и кинематические пары бульдозерного оборудования накладывают избыточные связи. Для определения этих элементов и кинематических пар необходимо рассмотреть кинематику специфичного только для бульдозеров движения элементов навесного оборудования при перекосе отвала. Отвал рассматривается как жесткое основание, а толкающие брусья, раскосы, подкосы и тяги являются стержнями, крепящимися к этому основанию (290). Наиболее распространены два варианта крепления толкающих брусьев к базовой машине: 1- ый вариант, когда один шарнир сферический, а второй также сферический, но с возможностью линейного смещения в поперечном направлении. 2- ой вариант, когда оба шарнира выполнены сферическими. Перекос отвала можно осуществить путем изменения геометрических размеров (обычно длины) элемента или элементов, удерживающих отвал от самоперекоса.
Прогнозирование развития и формирование новых структурных схем РО одноковшовых экскаваторов
Широкое применение в России находят экскаваторы-манипуляторы, имеющие дополнительные степени свободы своего рабочего органа - ковша, снабженного челюстным захватом различных конструктивных исполнений. Такими машинами без смены рабочего органа можно производить экскавационные работы ковшом «обратная лопата» или «прямая лопата»; зачищать откосы и кюветы непосредственно с дороги; захватывать, устанавливать и фиксировать столбы и другие предметы; разбирать завалы; убирать строительный мусор; отрывать котлованы грейфером; бурить скважины; перекусывать арматуру и другие элементы; укладывать бордюрные камни и т.д.
Экскаватор-манипулятор может быть создан без изменения металлоконструкции базового экскаватора путем замены традиционной подвески ковша вставкой, позволяющей вращать и/или наклонять ковш.
Аналогично подходу, изложенному в п. 3.1. были получены матрицы структурных схем РО одноковшовых экскаваторов, которые представлены в таблице 3.6. В таблице указаны также наличие известных вариантов и наличие новых вариантов. Как видно из таблицы 3.6., имеется запас не выявленных структурных схем и, соответственно, конструкций одноковшовых экскаваторов. На рис. 3.21 представлен экскаватор-манипулятор, на котором внедрена манипуляторная вставка (29, 35, 41, 74, 76, 77, 78).
В одноковшовых экскаваторах возможно широкое применение структурных групп Ассура. При этом можно достичь расширения технологических возможностей.
На рис. 3.22. и 3.23. представлены варианты присоединения групп Ассура к имеющемуся РО экскаваторов. Эти решения защищены патентами России и внедрены на АО «БУЛАТ» (г. Златоуст) и на АО БОРЕКС. Представленное на рис. 3.22. РО экскаватора позволяет осуществлять захват груза челюстью поворотом ковша, а РО, показанное на рис. 3.23., позволяет захватывать челюстью различные не цилиндрические предметы. Эти решения позволяют расширить функциональные возможности экскаваторов без применения гидроцилиндров управления челюстью. Нулевую внешнюю подвижность можно получить путем замыкания челюстей на захватываемый предмет (Рис. 3.24). Такое решение позволяет захватывать длинномерные грузы с различным поперечным размером по длине.
В таблицах 3.7. представлены возможные примеры соединения ковша со стрелой и с базовой машиной, а также варианты соединения ковша со стрелой. В этой таблице представлены варианты РО погрузчика как РО погрузчика с уравновешивающим механизмом в виде двуплечего рычага, который обычно используется в погрузчиках большой мощности и имеющем увеличенный ковш, так и РО погрузчика с малой емкостью ковша. В РО погрузчика, как и в РО одноковшовых экскаваторов, большое применение находят челюстные захваты и сменные рабочие органы, которые также рассмотрены в Таблице 3.7. Причем для некоторых одноковшовых фронтальных погрузчиков число сменных рабочих органов достигает 10 и больше (погрузчики ПК 2201 и ПК 2701 производства АО «Погрузчик»), поэтому в таблице 3.7. приведены только некоторые примеры соединения челюстей и варианты расширения технических возможностей РО погрузчиков.
Аналогично вариантам структурных схем, рассмотренных в параграфе 3.2 расширение возможностей РО погрузчиков молено получить присоединением к РО погрузчиков групп Ассура. На рис. 3.25 показана структурная схема РО погрузчика с уравновешивающим механизмом в виде двуплечего рычага, к которому присоединена группа Ассура (патент РФ № 2143518), а на рис. 3.26 показана структурная схема РО погрузчика с малым объемом ковша, к которой присоединена группа Ассура. Такое присоединение группы Ассура позволяет осуществлять захват предметов между ковшом и челюстью простым поворотом ковша без использования дополнительных гидроцилиндров управления челюстью.
Одним из основных элементов РО погрузчика является стрела. На рис. 3.27 показано РО погрузчика, в котором соединение стрелы с базой и с ковшом осуществляется посредством вращательных шарниров. Такое соединение имеет 10 избыточных связей. Для устранения их влияния при работе погрузчика необходимо выполнять с большой точностью вращательные шарниры 1, 2, 3 и 4, чтобы оси А-А и В-В; С-С и D-D соответственно совпадали, а крепление этих шарниров к базе и к ковшу необходимо осуществлять после сборки шарниров. При невыполнении этих условий в процессе работы вращательные шарниры прирабатываются и выполняют роль сферических шарниров из-за появившихся в процессе приработки зазоров (Рис. 3.28). Полученная схема имеет 2 избыточные связи за счет возможной неточности присоединения шарниров к базе и к ковшу (показано пунктиром). Идеальная схема соединения стрелы к раме и к ковшу показана на рис. 3.29.
Оптимизация конфигурации структурных схем РО фронтальных одноковшовых погрузчиков
Предложенный подход к оптимизации конфигурации структурных схем РО фронтальных погрузчиков представлен в Таблице 4.3. Если шарнир соединения стрелы к базовой машине, шарнир соединения стрелы к ковшу и режущая кромка в момент внедрения в разрабатываемый материал лежат в одной плоскости, то при этом снижаются внутренние усилия в РО фронтальных погрузчиков, усилия в гидроцилиндре наклона ковша (Таблица 4.3, п. А), т.к. все усилие Р воспринимается стрелой. Это решение защищено патентом Российской Федерации № 2117110 и внедрено на АО «Погрузчик». Если плоскости, в которой лежат шарниры крепления стрелы к базовой машине и к ковшу параллельна плоскости, в которой лежат продольные оси гидроцилиндров наклона ковша, то конструкция РО погрузчика с такой конфигурацией структурной схемы позволяет производить плоско-параллельное движение ковшу при его подъеме, что повышает производительность и удобство работы таким РО (Таблица 4.3., п. Б). Это решение защищено патентом Российской Федерации №2117111 и внедрено на АО «Погрузчик». Снижения внутренних нагрузок в металлоконструкции РО погрузчика можно добиться в случае, если плоскость, проходящая через продольные оси гидроцилиндров подъема и опускания стрелы проходит через режущую кромку ковша при контакте режущей кромки ковша с разрабатываемым материалом (Таблица 4.3., п. В). В этом случае все усилие Р воспринимается гидроцилиндром подъема и опускания стрелы. Это решение признано Госкомизобретений РФ изобретением по заявке № 96120340 от 12 января 1998г. и внедрено на АО «Погрузчик». Рабочее оборудование автогрейдеров включает в себя отвал, установленный на поворотном круге, который в свою очередь закреплен к хребтовой балке посредством гидроцилиндров подъема и опускания отвала и выноса тяговой рамы. В случае, если режущая кромка отвала и продольные оси гидроцилиндров подъема и опускания отвала лежат в одной плоскости, то вся вертикальная нагрузка Рв от отвала направляется на гидроцилиндры подъема и опускания отвала. При этом снижается изгибающий тяговую раму момент (Рис. 4.1). С тоски зрения минимизации внутренних нагрузок, действующих на тяговую раму от вертикального усилия на отвале эта конфигурация структурной схемы является оптимальной. Это решение защищено патентом Российской Федерации № 2036277 и внедрено на АО «Орловский завод дорожных машин» (рис. 4.2). Рис. 4.1.
Оптимальная конфигурация структурной схемы РО автогрейдера (при вертикальной усилии на отвале). Аналогично можно рассмотреть оптимизацию конфигурации структурной схемы РО автогрейдера с точки зрения снижения внутренних усилий от боковой составляющей на отвале Рбок. Этого можно достигнуть, если гидроцилиндр выноса тяговой рамы расположить в одной плоскости с режущей кромкой отвала (Рис. 4.3). В этом.случае все усилие Рбок воспринимается гидроцилиндром выноса тяговой рамы, а сама тяговая рама это усилие Рбок не воспринимает. Наиболее простые из них - это структурные схемы рыхлителей, которые применяются, например, в автогрейдерах. При направлении продольной оси гидроцилиндра подъема и опускания рыхлителя в режущую кромку снизятся изгибающие раму рыхлителя внутренние нагрузки от внешнего усилия на зубе рыхлителя (Таблица 4.4., п. А). Согласно теореме о трех силах реакция R в шарнире соединения РО рыхлителя будет направлена в наконечник зуба рыхлителя. Оптимальная конфигурация получится в случае, если продольная ось при этом совпадает с продольной осью зуба рыхлителя (Таблица 4.4., п. Б). В этом случае стойка зуба не изгибается от рабочего усилия Р. Для увеличения усилия, действующего от наконечника рыхлителя на разрабатываемый грунт, необходимо, чтобы создаваемый от гидроцилиндра подъема и опускания рыхлителя момент в момент внедрения наконечника в грунт был максимален. Этого можно достичь, если плечо, на котором действует усилие от гидроцилиндра подъема и опускания рыхлителя было максимально W, т.е. при угле приложения усилия от гидроцилиндра равном 90 (Таблица 4.4., п. В) в момент заглубления рыхлителя, т.е. в том расчетном положении, когда усилие на зубе рыхлителя максимально (347). Рассмотрим сменное устройство к навесному быстросменному оборудованию фронтального одноковшового погрузчика в виде стрелы подъемника. При совмещении оси шарнира соединения гидроцилиндра подъема и опускания стрелы с осью поворота быстросменного оборудования достигается максимальное снижение изгибающих моментов в быстросменном оборудовании от гидроцилиндра подъема и опускания стрелы (Таблица 4.4., п. Г).
