Обоснование рациональных конструктивных и режимных параметров исполнительных механизмов рабочего оборудования гидравлического экскаватора

Во введении приведена общая характеристика работы, сформулирова-
ны цель и идея работы, изложены защищаемые научные положения, научная
новизна, теоретическая и практическая значимость результатов исследований.
В первой главе приведен анализ результатов выполненных научно-
исследовательских работ по гидравлическим экскаваторам, приведены основ-
ные технические и технологические особенности данного вида технологиче-
ских машин, дана предварительная оценка технического уровня конструкции
карьерных гидравлических экскаваторов, приведены основные направления
совершенствования, сформулированы задачи исследований.
Во второй главе на основе анализа особенности функционирования и
проектирования гидравлических экскаваторов проведен структурный, кине-
матический и силовой анализы главных рычажно-гидравлических механиз-
мов рабочего оборудования.
В третьей главе на основе проведенного математического моделирова-
ние рабочего процесса гидравлического экскаватора приведены оценка
нагруженности рабочего оборудования гидравлического экскаватора, опреде-
лены соотношения активных и реактивных нагрузок в механизмах рабочего
оборудования гидравлического экскаватора, получены выражения для опре-
деления кинематических передаточных функций механизмов;
В четвертой главе приведена методика расчета параметров рабочего
оборудования гидравлического экскаватора Komatsu PC-1250SP-7. Приведе-
ны результаты эксперимента и результаты обработки полученных данных.
осуществлен выбор параметров главных исполнительных механизмов гид-
равлического экскаватора.
В пятой главе произведено моделирование и расчет напряженно-
деформированного состояния рабочего оборудования гидравлического экска-
ватора. Приведены результаты эксперимента и результаты обработки полу-
ченных данных – изменения геометрии стрелы гидравлического экскаватора
Komatsu PC-1250SP-7.

ОБОСНОВАНИЕ ЗАЩИЩАЕМЫХ НАУЧНЫХ ПОЛОЖЕНИЙ

Положение 1. Режимные параметры главных механизмов (механиз-
мов поворота стрелы, рукояти и ковша), т. е. скорости ведомых звеньев и
движущие (активные) силы (или моменты), действующие на ведомых
звеньях зависят от положений звеньев механизмов и определяются зна-
чениями передаточных кинематических и динамических функций.
Гидрофицированное рабочее оборудование (рисунок 1) и главные ме-
ханизмы (механизмы поворо-
та стрелы, поворота рукояти и
поворота ковша) гидравличе-
ского экскаватора представ-
ляют собой систему последо-
вательно соединенных гид-
ромеханическихагрегатов,
состоящих из двигателя (гид-
роцилиндра) и рычажно-
гидравлического механизма,
звеньями которого являются
элемент рабочего оборудо-Рис. 1. Схема рабочего оборудования типа
вания (стрела, рукоять илиобратная лопата гидравлического экскаватора: АEFB –
ковш), а также собственногидроцилиндрыстрелы; BPRSC – гидроцилиндры рукоя-
ти; CDK – гидроцилиндры ковша
цилиндр и поршень со што-
ком. Следовательно, главные механизмы являются рычажными механизмами.
Наличие кинематической связи между двигателем и звеньями рычажно-
гидравлического механизма обусловливает специфические кинематические
свойства рычажно-гидравлического механизма, зависящие от положения дви-
гателя (цилиндра) относительно остальных звеньев механизма.
Основной задачей кинематического анализа рычажно-гидравлических
механизмов является определение кинематических свойств механизмов, т. е.
установления закономерностей формирования кинематических параметров –
угловых скоростей ведомых звеньев (стрелы, рукояти и ковша) и скоростей
отдельных точек звеньев механизма.
Положения звеньев ме-
ханизма поворота рукояти
определяются в зависимости
от положений звеньев меха-
низма поворота стрелы, а по-
ложения звеньев механизма
поворота ковша определяют-
ся в зависимости от положе-
ний звеньев как механизма
поворота стрелы, так и меха-
низма поворота рукояти
(рис. 2).Рис. 2. Схема к определению параметров ра-
Силовой анализ ме-бочей зоны и положений элементов рабочего обору-
ханизма заключается в дования: α, α2, φc, β, ψ – углы для расчета координат
определении реакций в точек элементов рабочего оборудования; vк –скорость
перемещения зубьев ковша; А, Т, E, F, P, R, B, S, L, M,
кинематическихпарахC, D – шарниры; К – вершина зуба ковша
при заданных внешних
нагрузках.
Силовой анализ механизмов поворота стрелы и поворота рукояти про-
водится при функции механизмов как в активном, так и пассивном (при дей-

Рис.3. Схема к определению усилий:
Gc, Gр, Gк, Gцс, Gцр, Gцк, Gт1, Gт2 – силы тяжести стрелы, рукояти, ковша, цилиндров
стрелу, рукояти, ковша; Р01, Р02 – касательная и нормальная составляющие усилия
сопротивления копанию; Fцс, Fцр, Fцк – усилия на штоках гидроцилиндров
ствии реактивных нагрузок ,передаваемых от механизмов поворота ковша и
поворота рукояти при копании) (рис.3).
Условие равновесия стрелы при активном режиме составит (рис 2.8):
∑())()(())
()(())()(())
()(1)
где-усилие на штоке гидроцилиндра поворота стрелы;
– плечо усилияотносительно точки А;
–силы тяжести гидроцилиндра поворота
стрелы ,стрелы, гидроцилиндра поворота рукояти, рукояти, гидроцилиндра
поворота ковша, тяги треугольной LSM,тяги DM и груженого ковша.
Условие равновесия стрелы при пассивном режиме функционирования
составит:
∑(())()
()()(2)()()0
где–проекции касательной составляющей силы сопротивления копа-
нию на координатной оси;
–проекции нормальной составляющей силы сопротивления
копанию на коорднатные оси
Условие равновесия рукояти при пассивном режиме функционирования
составит:
∑(())()
()()()()(3)
()
Условие равновесия ковша при активном режиме функционирования
механизма поворота ковша составит:
∑()()(4)
где-усилие, действующее в точке D и направленное перепендикулярно
линии СD
–плечо усилияотносительно точки С ,т.е.

Положение 2. Рациональная форма динамических передаточных
функций должна соответствовать закону изменения внешних нагрузок
(сопротивлений) для механизма поворота ковша.
Если уравнение движения механизма представлено линейным диффе-
ренциальным уравнением с постоянными коэффициентами, то динамическая
передаточная функция полностью определяет динамические свойства меха-
низма при любых заданных законах изменения сил. Отсюда и происходит ее
название.
Кинематические передаточные функции механизма непосредственно
определяют только его кинематические свойства. Однако они входят в коэф-
фициенты уравнения движения механизма и совместно с динамическими пе-
редаточными функциями дают возможность провести качественное исследо-
вание динамических свойств механизма.
На основе кинематического и силового анализа главных механизмов
гидравлического экскаватора получены аналитические выражения для расче-
та кинематической ПФV и силовой ПФF передаточных функций.
Зависимости для определения передаточных функций главных меха-
низмов имеют вид:
Vв.зв
ПФV  f1 (li , α j );
Vшт(5)
Fв.зв
ПФF  f 2 (li , α j , Gi ),
Fшт(6)
где Vв.зв – скорость ведомого звена механизма, т. е. скорости точки B стрелы,
точки С рукояти и точки K ковша (скорость копания) соответственно;
Vшт – скорость перемещения штока гидроцилиндра;
li – размеры (длины) звеньев механизма; αj – углы, определяющие поло-
жения звеньев при перемещении штока гидроцилиндра;
Fшт – усилие, действующее на штоке гидроцилиндра;
Gi – силы тяжести звеньев механизмов поворота стрелы, поворота рукояти
и поворота ковша.
Динамическая передаточная функция рычажно-гидравлического
механизма представляет собой функциональную зависимость между
соотношением нагрузок, действующих на ведомом и ведущем звеньях
механизма, и относительным перемещением поршня гидроцилиндра .
Онасовместнос
функциейположения
механизма и кинематической
передаточной функцией дает
возможностьпровести
качественные исследования
динамическихсвойств
механизма.
Даннаяфункция
определяетмеханическую
характеристикумеханизма,
зависимостьсоотношений
между моментом на ведомом
звене и усилием на штоке
гидроцилиндра в зависимостиРис. 4. Графики силовых передаточных функций
отположенийзвеньевглавных механизмов:
рычажно-гидравлическогоФ´Mцс, Ф´Mцр, Ф´Fцк –относительные значения Ф´= Ф/
механизма.Фmax передаточных функций механизмов поворота
Как видно из графикаковша, рукояти и стрелы;
L´ц – относительная величина выдвижения штока
(рис.4), силовые параметрыгидроцилиндра
на ведомых звеньях (сила и
моменты) существенно изменяются ( в 1,5-2 раза) в течение рабочего
хода при заданных параметрах двигателя.
Следовательно, при выдвижении поршня изменяется полная длина гид-
роцилиндра LR и, соответственно, изменяется величина вращающегося мо-
мента на ковше.
На рис.5 приведена
динамическаяпереда-
точная функция меха-
низма поворота ковша.
Рабочая характери-
стика гидравлического
экскаватора определяет
фактические области ра-
бочей зоны, в которыхРис. 5. График передаточных функций механизма
реализуются усилия наповоротаковша: ФVцк, ФFцк – кинематическая и силовая
режущей кромке ковша передаточные функции механизма поворота ковша; Lцк
– ход штока гидроцилиндра механизма поворота ковша
из условия несрабаты-
вания предохранительного клапана при действии реактивных усилий с уче-
том передаточных функций рабочих механизмов.
Положение 3. Выбор режимных параметров экскаватора должен
основываться на анализе реактивных нагрузок с учетом динамических
передаточных функций.
Условия эффективного функционирования механизма поворота ковша
составит:
(7)
Условия эффективного функционирования механизма поворота рукоя-
ти:
(8)
Условия эффективного функционирования механизма поворота стрелы:
;(9)
При превышении значений рабочих и «реактивных» нагрузок, а также
«активной» нагрузки необходимо изменить размеры гидроцилиндра и пло-
щадь поршневой полости.
Соблюдение размеров гидроцилиндра и площади поршневой полости,
то есть условий эффективного функционирования главных механизмов, поз-
волит повысить производительность экскаватора за счет надежного восприя-
тия внешних нагрузок главными механизмами и передачи их на опорное
устройство экскаватора.
Энергоемкость и производительность существенным образом зависят
от выбора рациональных параметров рабочего оборудования.
Для реализации поставленных в методике задач была создан программ-
ный комплекс. Этот программный комплекс зарегистрирован как объект ав-
торского права, получено свидетельство о внесении в Государственный Ре-
естр Республики Казахстан программы для ЭВМ «Расчет кинематических и
силовых параметров гидравлического экскаватора обратная лопата».
Программа представляет собой одну самостоятельную книгу Microsoft
Excel «ГЭ-обратная лопата», включающая листы, программные модули на
Visual Basic для приложений, форму настройки параметров Visual Basic.
Расчет режимных параметров
исполнительных механизмов рабоче-
го оборудования гидравлического
экскаватора произведен на примере
гидравлического экскаватора Ko-
matsu PC-1250SP-7. Согласно Акта
выхода из строя №81510062017 от 10Рис.6. Трещина на стреле экскаватора
июня 2017г. экскаватора KomatsuKomatsu PC1250SP-7
PC1250SP-7 борт №815 была обнаружена трещина на стреле (рис.6).
В программном комплексе произведен расчет возможных режимов ра-
боты экскаватора.По данным таблицы (при выборе задания с выводом изоб-
ражений) автоматически строятся траектории. Результаты проведенных ис-
следований представлены в виде графиков (рис.7):

Рис.7. Усилия на штоках гидроцилиндров рабочего оборудования

По нагрузкам на рабочее оборудование определяются расчетные
напряжения, которые могут быть использованы при проектировании новых
моделей гидравлических экскаваторов и анализе причин выхода из строя су-
ществующих.
Программный модуль был составлен с использованием полученных ре-
жимных параметров. В среде программного модуля Ansys была сформирова-
на геометрия стрелы экскаватора с помощью создания эскизов, которые
необходимы для параметризации стрелы.
Прочностной расчет стрелы вы-
полнен в модуле Static Structural, в ко-
торой в качестве исходных данных во
вкладке Engineering Data заполнены
механическиехарактеристики
материала стрелы (рис.8).
Проведено исследование изме-
нения напряжения стрелы в зависимо-
сти от толщины и расстояния уста-Рис. 8. 3D модель стрелы из склеенных
новки ребер жесткости (рис.9).сборных тел

Рис.9. Зависимость максимального напряжения от расстояния установки ребер при
заданных толщинах

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Результаты проведения теоретических и экспериментальных исследо-
ваний заключаются в следующем:
1. Установлено, что положения звеньев механизма поворота рукояти
определяются в зависимости от положений звеньев механизма поворота стре-
лы, а положения звеньев механизма поворота ковша определяются в зависи-
мости от положений звеньев, как механизма поворота стрелы, так и механиз-
ма поворота рукояти.
2. Предложена методика для определения основных параметров глав-
ных механизмов гидравлического экскаватора.
3. Полученные в результате расчетов зависимости позволяют выпол-
нить кинематический и силовой анализ главных механизмов, а также опреде-
лить размеры рабочей зоны экскаватора при расчете координат точек с мини-
мальными и максимальными значениями длин гидроцилиндров.
4. На основе имитационных моделей механизмов рабочего оборудова-
ния гидравлических экскаваторов получены выражения для определения ки-
нематических передаточных функций механизмов.
5. Анализ кинематических передаточных функций позволяет оценить
режимы работы механизмов рабочего оборудования гидравлических экскава-
торов и определить степень совершенства конструктивных схем механизмов,
т. е. соответствия передаточных функций условиям функционирования меха-
низмов.
6. «Предлагаемая методика оценки нагруженности главных механиз-
мов гидравлических экскаваторов на основе силовых передаточных функций
механизмов позволяет учесть кинематические свойства рычажно-
гидравлических механизмов как при определении активных, так и реактив-
ных нагрузок».
7. Разработанное математическое описание и методика, алгоритм ко-
торой реализован на алгоритмическом языке, обеспечивает расчет усилий ко-
пания во всей рабочей зоне.
8. Получено свидетельство о внесении сведений в государственный ре-
естр прав на объекты, охраняемых авторским правом в Республике Казахстан
на программу для ЭВМ «Расчеты кинематических и силовых параметров ра-
бочего оборудования гидравлического экскаватора обратная лопата».
9. Анализ результатов исследований позволит обосновать рациональ-
ные конструктивные и режимные параметры рабочего оборудования по усло-
виям обеспечения требуемых технологических параметров для отработки за-
боя.
10. Результаты расчета усилий в элементах рабочего оборудования мо-
гут быть использованы для выполнения расчетов на прочность и надежность.
11. Результатами исследований доказана зависимость напряжений в
элементах стрелы от конструктивных параметров: толщин листов, количества
и расстояния между ребрами.
12. Применение данной методики при проектировании новых моделей
экскаваторов позволит подобрать такие конструктивные параметры, при ко-
торых будет достигнута минимальная масса рабочего оборудования при
обеспечении требуемой прочности и надежности.
13. Методика применима при модернизации существующих моделей
экскаваторов, в которые могут быть добавлены элементы, перераспределяю-
щие напряжения из областей с «избыточным» значением для обеспечения
требуемой прочности в области, где напряжение допускает повышение вели-
чин.
14. Введен термин «эффект мультипликативности» рабочих нагрузок.
Эффект мультипликативности – увеличение рабочих нагрузок при их переда-
че на предыдущие механизмы за счет увеличения плеч действия сил. Обеспе-
чена эффективная передача нагрузок между механизмами (т.е. момент на
стреле превышает моменты, возникающие из-за эффекта мультипликативно-
сти).
Основные научные результаты диссертации опубликованы в следующих
изданиях