Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ конструкций и методов исследования рабочих органов одноковшовых экскаваторов .10
1.1 Область применения и перспективы использования одноковшовых экскаваторов с канатной подвеской 10
1.2 Анализ конструкций рабочих органов одноковшовых канатных экскаваторов с рабочим органом обратная лопата 16
1.3 Обзор методов определения усилий копания
1.3.1 Экспериментально-теоретический метод .19
1.3.2 Аналитический метод 22
1.4 Анализ методов исследования кинематических и динамических систем технологических машин .25
1.5 Выводы и постановка задач исследования 30
2 Целевой анализ и концептуальное конструирование инновационного рабочего органа канатных экскаваторов 32
2.1 Обоснование метода анализа и конструирования базовой структуры 32
2.2 Целевой анализ системы управления рабочим органом канатного экскаватора 34
2.3 Концептуальное конструирование инновационного рабочего органа канатных экскаваторов 42
2.4 Выводы по главе 51
3 Кинематическое исследование механизма поворота ковша канатного экскаватора 52
3.1 Основные положения .52
3.2 Определение функциональных зависимостей 53
3.3 Определение рациональных геометрических параметров механизма поворота ковша 59
3.4 Оценка влияния параметров кинематических звеньев механизма на поворот ковша 63
3.5 Выводы по главе 67
4 Математическое моделирование процесса копания канатным экскаватором с поворотом ковша .68
4.1 Принятые допущения 68
4.2 Математическое моделирование процесса копания .70
4.3 Определение основных функциональных зависимостей 73
4.4 Аналитическое определение максимальной нагрузки на рабочий орган одноковшового экскаватора при копании .83
4.5 Динамические характеристики процесса копания с поворотом ковша 88 4.6 Выводы по главе 98
5 Экспериментальные исследования и методика выбора рациональных параметров механизма поворота ковша 100
5.1 Цели и задачи исследования 100
5.2 Экспериментальная установка
5.3 Технические средства измерения и контроля параметров .102
5.4 Методика проведения экспериментальных исследований 105
5.5 Основные результаты экспериментального исследования 107
5.6 Методика выбора рациональных параметров механизма поворота ковша .114
5.7 Выводы по главе 119
Заключение .120
Список использованных источников
- Анализ конструкций рабочих органов одноковшовых канатных экскаваторов с рабочим органом обратная лопата
- Целевой анализ системы управления рабочим органом канатного экскаватора
- Определение рациональных геометрических параметров механизма поворота ковша
- Аналитическое определение максимальной нагрузки на рабочий орган одноковшового экскаватора при копании
Анализ конструкций рабочих органов одноковшовых канатных экскаваторов с рабочим органом обратная лопата
Основным типом машин занятых на производстве земляных работ при строительстве различных сооружений являются универсальные одноковшовые экскаваторы. Существует и большая группа специальных карьерных и горных одноковшовых экскаваторов, которые связаны с разработкой карьеров и добычей полезных ископаемых как открытым, так и подземным способом, а также сырья для энергетической отрасли, черной и цветной металлургии и других отраслей промышленности, в том числе, и производства строительных материалов. Несмотря на существенное различие в условиях эксплуатации основные конструктивные схемы рабочего оборудования одноковшовых экскаваторов являются общими.
По типу привода рабочего оборудования они делятся на экскаваторы с гибким (канатным) подвесом и с жестким подвесом (гидравлическим). В промышленном и гражданском строительстве в условиях, ограниченных климатическими и технологическими (производственными) особенностями наибольшее распространение получают гидравлические экскаваторы, которые в этом случае имеют значительные технологические и конструктивные преимущества. Однако существует достаточно большой ряд работ и регионов использования, где применение гидравлической техники практически невозможно или нерационально. К ним можно отнести работу в промышленных карьерах и шахтах при работе с абразивными породами, а также при экстремальных температурных условиях (например, крайнего Севера или тропических), где элементы гидросистемы (гидроцилиндры, шлаги высокого давления, насосы и др.) испытывают повышенное влияние внешней среды. Эти выводы подтверждается опытом эксплуатации и рядом исследований. Так в работе [130] проведена технико-экономическая оценка применения гидравлических и канатных экскаваторов в условиях карьера Мурунтану (Узбекистан). Многолетний опыт эксплуатации показывает, что после 6-7 лет работы гидравлических экскаваторов существенно снижается экономическая целесообразность их дальнейшей эксплуатации, так как не только снижается производительность за счет увеличения простоев, но и увеличиваются затраты на текущие и капитальные ремонты, которые перекрывают средства амортизационных отчислений. В работе [68] показано, что эксплуатация гидравлических экскаваторов при низких температурах возможна только за счет применения специальных гидравлических жидкостей, масел и смазок, а также системы и средств предварительного подогрева всех рабочих жидкостей. Очевидно, что такие мероприятия приводят к значительному повышению себестоимости работ.
Поэтому и сегодня держится устойчивый спрос на экскаваторы с гибкой подвеской рабочего оборудования. Вследствие чего канатные экскаваторы продолжают выпускаться как Российскими, так и зарубежными заводами.
Оценка парка одноковшовых экскаваторов проведена на основе показателей производства землеройной техники, которые регулярно публикуются в материалах «Союза машиностроителей России», а так же на сайтах ведущих зарубежных фирм, выпускающих землеройную технику [90]. Так в России основными производителями экскаваторов являются АО «Златэкс» (г. Злато-ус), ОАО «ВЭКС» (г. Воронеж), ОАО «ЭКСКО» (г. Кострома), ОАО «Тверской экскаватор» (г. Тверь), «Кранэкс» (г. Иваново), АО «КЭЗ» (г. Ковров), ОАО «Уралмашзавод» (г. Екатеринбург), ПО «Уралвагонзавод» (г. Нижний Тагил), ОАО «Донецкий Экскаватор» (г. Донецк), ОАО «Ижорские заводы» (г. Санк Петербург), ОАО «Крастяжмаш» (г. Красноярск) и др. Экскаваторы с тросовой подвеской выпускаются на предприятиях «Донецкий экскаватор», «ЭКСКО», «Ижорские заводы», «Крастяжмаш».
На сегодняшний день основу производства составляют колесные экскаваторы, на долю которых приходится свыше 52% выпуска. В размерных группах лидируют экскаваторы массой до 18 т. Среди гусеничных доля канатных экскаваторов в общем объеме выпуска составляет примерно 7%. Учитывая длительный срок работы экскаваторов с канатной подвеской (несколько десятков лет), а также тот факт, что массовый выпуск гидравлических экскаваторов начал осуществляется сравнительно недавно можно предположить, что общая суммарная доля канатных экскаваторов реально занятых в настоящее время на производстве значительно выше.
Современное состояние рынка одноковшовых экскаваторов свидетельствует об устойчивом росте спроса на эту технику. При этом следует отметить новые позитивные, с точки зрения рассматриваемого вопроса, тенденции связанные с переориентированием спроса на вторичный рынок техники, развитие сервисных центров и повышенный интерес к специальному навесному оборудованию.
Среди зарубежных производителей экскаваторы с канатной тягой выпускают Новокраматорский машиностроительный завод на Украине, а также фирмы BUCYRUS INTERNATION INC и P&H MinePro.
В Российской Федерации классификация экскаваторов по типоразмер-ным группам (классам) распространяется только на одноковшовые универсальные полноповоротные экскаваторы (ЭО). Согласно ГОСТ 30067-93, за основной квалификационный параметр принята эксплуатационная масса экскаватора, которая предусматривает 6 типоразмерных групп, охватывающих эксплуатационной массой до 71 т. Этот ГОСТ распространяется только на строительные экскаваторы.
За рубежом отсутствуют нормативные документы, устанавливающие квалификационные признаки горных и карьерных экскаваторов. Там в основу выбора основных параметров положен принцип оптимального сочетания вместимости ковша с грузоподъемностью карьерного самосвала.
С целью оценки перспективности использования экскаваторов с тросовой подвеской был проведен [59] сравнительный анализ основных технико-экономических показателей наиболее известных моделей гусеничных полно поворотных экскаваторов с основным рабочим оборудованием обратная лопата, относящихся по квалификации РФ к четвертой размерной группе (таблица 1.1). Регион работ – «умеренный-континентальный».
Целевой анализ системы управления рабочим органом канатного экскаватора
В работах Беньковича Е.С., Колесова Ю.Б., Сениченкова Ю.Б [11], Свечкарева В.П. [88, 110], Волковой В.Н., Денисова А.А. [30] выявлены общие для всех методов, базирующихся на функциональном подходе серьезные недостатки. Эти недостатки не только затрудняют применение указанных методов, но для конкретной области анализа и синтеза развивающихся систем, к которым относится и рассматриваемая система управления рабочим оборудованием канатного экскаватора, становятся неэффективными. Отметим эти недостатки: – достаточно узкая область применения; – невозможность использования для систем, у которых составляющие систему элементы плотно скомпонованы, взаимно переплетаются и проникают друг в друга; – необходимость в трудно осуществимой на начальном этапе исследования количественной оценке параметров, при этом даже небольшая погрешность может вызвать значительные принципиальные расхождения в оценке конечных результатов; – работа в заранее определенном множестве предполагает статичность и не допускает развития системы в процессе проводимого анализа, например, при изменении целей (функций) или методов реализации (оборудования).
Поэтому методы морфологического анализа и синтеза могут использоваться как вспомогательные для расширения базы возможных конкретных технических решений, находящихся в области глобальной цели исследования.
Базовой является методология системного анализа, в частности объектно-ориентированный анализ (ООА), который благодаря удачному объединению принципов интерпретации понятий и семантики элементов, стал одним из наиболее используемых в различных областях [11, 15, 16, 91. 110, 129]. ОО-моделирование решает все главные задачи анализа и синтеза систем, такие как: – формализация функциональных требований; – визуализация структуры системы в различных состояниях (целевом или текущем); – анализ возможных вариантов поведения; – разработка инварианта, как базы для синтеза развивающейся системы; – разработка моделей и формальное описание полученных решений [11, 29, 30, 86, 88, 110].
Источником инновации в процессе модернизации канатного экскаватора являются цели, формируемые с учетом проведенного анализа. Цели и структуры целей в этом случае являются самостоятельным объектом исследования. В тоже время формулирование цели при решении инновационных задач – это одна из ключевых процедур, определяющей постановку задачи исследований, трансфера и инноваций. На начальном этапе производят назначение цели, выбор критерия, формализацию цели. Задачи со многими критериями (целями) характерны для инновационных проектов. И в этом смысле, системный анализ – это методология исследования целенаправленных систем. Цель объективно становится главным системообразующим фактором.
Объектом анализа является достаточно сложная структурированная система управления рабочим оборудованием одноковшовых канатных экскаваторов (СУРО). Этой системе присущи характеристики, которые принципиально позволяют сформулировать и решить задачу системного анализа. Так СУРО строится как иерархическая структура, в которой элементы структуры выбираются из сравнительно небольшого числа элементов, различные сочетания которых определяются целью исследования. При этом наиболее сильными оказываются внутрикомпонентные связи, так как каждый структурный элемент локализует вполне определенную функцию, а сама формируемая система может принять окончательный вид только в результате развития работающей базовой системы. В рассматриваемом случае источником системных исследований являются цели [30], для достижения которых и конструируется система УРО. С учетом вышеизложенного, для исследований рассматриваемой системы концептуально оправдано применение современной методологии объектно-ориентированного (ОО) анализа [11, 29, 110], направленного на описание развивающихся, эволюционирующих систем.
Такой подход позволяет без ущерба для жизнеспособности системы включать в модель новые объекты и исключать устаревшие, обеспечивая, в отличие от структурных методологий, ориентированных на функциональность системы, устойчивость системы к изменениям. Представления моделей системы УРО осуществляется путем применения нотации стандартизированного и постоянно развивающегося унифицированного языка моделирования UML, который является на сегодняшний день наиболее распространенным графическим языком визуализации, спецификации, конструирования и документирования сложных систем. В UML задействованы три типа моделирующих блоков [15, 91]: сущность, отношение и диаграмма. Сущности являются основой модели, отношения обеспечивают их привязку друг к другу, а диаграммы группируют наборы сущностей. Диаграмма обычно изображается в виде связного графа с вершинами – сущностями и ребрами – отношениями. Представление системы в виде совокупности UML-диаграмм позволяет получить полную статическую и динамическую интерпретацию системы УРО. На диаграммах взаимосвязь классов отражается с помощью следующих отношений: – зависимости (изображаются пунктирной линией со стрелкой); – наследования (сплошная с незаполненной треугольной стрелкой); – ассоциации (сплошная линия) и агрегации (сплошная с ромбовидной стрелкой). Основой для анализа является принцип структурированной иерархии в виде «дерева целей», который для развивающихся технических систем, таких как УРО и предполагающих внедрение новых конструкций, технологий и других нововведений трансформируется в методологию, учитывающей среду и це-леполагание.
Определение рациональных геометрических параметров механизма поворота ковша
Построение соответствующих функциональным требованиям конструктивных схем оборудования было выполнено на базе метода морфологического анализа и синтеза [17, 42, 43, 98, 100]. При генерировании способов реализации выявленных функциональных требований были проанализированы известные по литературным источникам и патентным исследованиям конструкции рабочих органов экскаваторов, различные схемы напряженных замкнутых кинематических контуров, а так же законы механики системы рабочее оборудование – грунт. Разработанная морфологическая таблица содержит исходные сведения о всех возможных технических и технологических решениях и используется при дальнейших исследованиях в качестве базы знаний предметной области «Рабочий орган одноковшового экскаватора».
Теоретические и экспериментальные исследования рычажных механизмов определили возможность решения проблемы Повышения производительности путем применения напряженных замкнутых контуров. Эти механизмы широко представлены в работах И.И. Артоболевского [7, 8] и др. Дальнейшие исследования С.Н. Кожевникова [70], В.С. Исакова [56, 57], А.Н. Дровникова, С.А. Кузнецова [79] позволяют решать задачи перераспределения силового фактора в параллельных звеньях механизмов и машин, нагружения контуров в статическом и динамическом режимах, управления величиной и характером нагружения.
Сущность соответствующей инновации заключается в использовании дополнительной кинематической (в виде гидроцилиндров) связи ковша с ру 44 коятью и/или стрелой, что позволяет реализовать усилия, возникающие в замкнутом контуре стрелы, рукояти и дополнительных гидроцилиндров и избежать жесткого крепления ковша к рукояти.
Соединение ковша с двумя тягами переменной длины, возможность промежуточной фиксации длины обуславливает ряд структурных и кинематических особенностей: дополнительные гидроцилиндры, присоединенные к элементам рабочего оборудования, образуют замкнутый кинематический контур с переменным напряжением, формируемым в динамическом режиме; наличие в системе гидроцилиндров изменяемой длины в каждый отдельный период рабочего цикла обуславливает переменную структуру, подверженную стохастическим воздействиям, что позволяет описывать ее с определенной степенью вероятности; расчетный закон движения рабочего органа экскаватора может быть реализован за счет установки двух дополнительных гидроцилиндров (без привода), соединенных дросселями и распределительным устройством; оптимизация параметров движения и эффективность обеспечиваются выбором диаметров гидроцилиндров, трубопроводов, режимов работы. Алгоритм процедур анализа и синтеза СУРО представлен на рисунке
Оформление документации по заявке на изобретение [132, 133] потребовало дополнить полученные в нотации UML решения не только результатами проведенного, в соответствии с [17, 43, 98, 100], морфологического анализа и синтеза, но и исследованиями по напряженно-замкнутым кинематическим контурам [47, 56, 57, 60, 61]. Полученные решения трансформировались в следующее традиционное вербальное описание.
Инновационное рабочее оборудование одноковшового экскаватора включает стрелу, рукоять, на нижней части которой шарнирно закреплен ковш и два гидроцилиндра (без привода) управления положением ковша подключенных к гидрораспределителю. За счет введения дополнительной, в виде гидроцилиндров изменяемой длины, кинематической связи ковша с рукоятью (посредством Ц1) и (или) стрелой (посредством Ц2) реализуются усилия, возникающие в замкнутом контуре стрелы, рукояти и дополнительных гидроцилиндров и осуществляется заданный закон движения рабочего оборудования, включающий дополнительный поворот ковша относительно рукояти.
На рисунке 2.4 изображено рабочее оборудование с установленными двумя гидроцилиндрами (тягами переменной длины), один из которых со 46 единяет ковш с рукоятью, а другой соединяет ковш со стрелой. На рисунке 2.5 показана гидрокинематическая схема рабочего оборудования.
Рабочее оборудование экскаватора содержит стрелу 1 нижняя часть которой соединена с платформой экскаватора 2, а верхняя с рукоятью 3. В свою очередь, нижний конец рукояти 3 шарнирно соединен с ковшом 4, а верхний через подъемный канат 5 с подъемной лебедкой (не показана). Ковш 4 посредством тягового каната 6 соединен с тяговой лебедкой (не показана), а его внешняя поверхность соединена посредством гидроцилиндра (тяги переменной длины) 7 с рукоятью 3, а посредством гидроцилиндра (тяги переменной длины) 8 со стрелой 1. Полости каждого из гидроцилиндров 7 и 8 соединяются между собой через 3-х позиционный гидрораспределитель 9. При этом в первой позиции гидрораспределителя 9 (обозначено – 1ГР) полости гидроцилиндра 8 соединены между собой, а полости гидроцилиндра 7 разомкнуты. Во второй позиции гидрораспределителя 9 (обозначено – 2ГР) полости гидроцилиндров 7 и 8 соответственно соединены, причем соединение полостей гидроцилиндра 7 осуществляется через регулируемый дроссель 10. В третьей позиции гидрораспределителя 9 (обозначено – 3ГР) полости гидроцилиндра 8 разомкнуты, а полости гидроцилиндра 7 соединены.
На рисунке 2.4 так же обозначена тонкой линией 11 – 12 – 13 – 14 – 15 – 11 – траектория движения передней (режущей) кромки ковша 4, где точками 11, 12, 13, 14 и 15 показаны наиболее характерные для процесса копания и выгрузки положения ковша.
На рисунке 2.5 обозначены: 7П1 и 7П2 – крайние положения поршня и штока гидроцилиндра 7; 8П1 и 8П2 – крайние положения поршня и штока гидроцилиндра 8; 1ГР, 2ГР и 3ГР – рабочие положения гидрораспределителя
Рабочее оборудование экскаватора работает следующим образом. Управление рабочим оборудованием (стрела 1, рукоять 3, ковш 4) на участке позиционирования ковша 4 на забой – 11-12 осуществляется подъемным канатом 5, при этом положение ковша 4 относительно рукояти 3 опреде 47 ляется зафиксированным «сжатым» состоянием гидроцилиндра 7 (положение штока и поршня – 7П1), а гидроцилиндр 8 находится в свободном «плавающем» положении. Это обеспечивается нахождением гидрораспределителя 9 в позиции 1ГР.
На участке заглубления (копания) – 12-13 управление рабочим оборудованием осуществляется тяговым канатом 6, ковш 4 по-прежнему зафиксирован в первоначальном положении (гидроцилиндр 7 закрыт в крайнем сжатом положении, а гидроцилиндр 8 открыт для обеспечения его свободного перемещения (изменения длины)).
Аналитическое определение максимальной нагрузки на рабочий орган одноковшового экскаватора при копании
Целью экспериментальных исследований является проверка работоспособности предложенного адаптивного механизма поворота ковша с использованием напряженных замкнутых кинематических контуров, оценка достоверности основных положений разработанных математических моделей, а так же получение экспериментальных данных, позволяющих оценить качественные и энергетические показатели работы предложенной конструкции механизма поворота.
В соответствии с вышеизложенной целью задачами экспериментальных исследований являются: Для осуществления намеченной программы была разработана и изготовлена специальная экспериментальная установка рабочего органа канатного экскаватора (рисунки 5.1 – 5.4). Эксперименты проводились в специализированном помещении кафедры «Подъемно-транспортные, строительные и
На раме 1 (рисунок 5.1), жестко закрепленной на монтажном столе 2, установлены с возможностью поворотов стрела 3 и рукоять 4. С нижней частью рукояти шарнирно соединен ковш 5. Привод рабочего органа осуществляется электродвигателем постоянного тока 6 передающий крутящий момент посредством цепных передач 7 на барабаны тяговый и подъема, на которые наматываются соответствующие канаты 8 и 9. Разрабатываемый грунт 10, в качестве которого принят песок плотностью 1500 кг/м3, помещен в специальную емкость 11 с прозрачной боковой стенкой. Экспериментальная установка предусматривает возможность изменения точек крепления гидроцилиндров к стреле, рукояти и ковшу.
На рисунке 5.2 показан механизм поворота ковша, выполненный в соответствии со схемой, приведенной на рисунке 3.1. Ковш 5 посредством гидроцилиндра 12 (Ц1) связан с рукоятью 4, а посредством двух гидроцилин дров 13 (Ц2) и двухрычажной (четырехзвенной) системы 14 со стрелой 3.
На рисунке 5.3 показана аппаратура управления приводом. На пульте 15 смонтированы кнопка «Пуск/Останов» 16, гидрораспределители (краны) 17, 18 и датчик давления БД ПД-Р 19. На рисунке 5.4 показаны приборы контроля параметров копания. На столе 2 расположены: 20 – программируемый логический контроллер СПК-105; модули ввода-вывода аналоговых сигналов МВ 110-224. 2А – 21, МВ 110-224. 1ТД – 22, соответственно для датчика давления (рисунок 5.3) и датчика усилий (рисунок 5.5); персональный компьютер (ПК) – 23.
Основной способ замера силовых показателей – тензометрический, достоинства которого широко известны [27, 28, 44, 79, 125, 126]. Аппаратура, применяемая при тензометрических исследованиях, включала в себя S-образный датчик усилий Zemic H3-С3-150 (рисунок 5.5), преобразователь (датчик) давления измерительный БД ПД-Р (рисунок 5.3), экранированные кабели. Запись измеряемых параметров осуществлялась компьютером, запи Рисунок 5.5 – Датчик усилий Zemic H3-150 сывающим данные в формате MS Excel через модули ввода/вывода аналоговых сигналов МВ 110-224 (2А и 1ТД) и панельный программирующий логический контролер СПК-105.
Ход гидроцилиндров (кинематических звеньев переменной длины) фиксировался мерной линейкой по соответствующим меткам на штоках гидроцилиндров. Положение рукояти относительно стрелы определялось с помощью закрепленного на стреле транспортира (рисунок 5.6). Масса материала в ковше на выходе из забоя устанавливалась непосредственным взвешиванием на электронных весах с точностью 0.005 кг.
Тарировка датчиков проводилась совместно с усилительной (соответствующие модули ввода/вывода МВ-110) и регистрирующей аппаратурой (ПК). Датчик давления нагружался с помощью гидравлического задатчика давления синхронным перемещением поршней цилиндров Ц2, давление в которых регистрировалось манометром. Тарировка датчика усилий осуществлялась путем его непосредственного нагружения эталонными грузами. При этом с экрана компьютера считывались показания, эквивалентные соответственно величинам нагрузочного давления и усилиям. Поскольку давление в гидроцилиндрах Ц2 определяет силу, действующую по оси штоков, то величина этой силы находилась как произведение давления на площадь цилиндров.
