Выбор рациональных параметров рабочего оборудования мощных гидравлических экскаваторов прямого копания
На правах рукописи
ПОБЕГАЙЛО ПЕТР АЛЕКСЕЕВИЧ
ВЫБОР РАЦИОНАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ
РАБОЧЕГО ОБОРУДОВАНИЯ МОЩНЫХ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ЭКСКАВАТОРОВ ПРЯМОГО КОПАНИЯ
Специальность 05.05.06 – «Горные машины»
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Екатеринбург – 2008
Работа выполнена в ГОУ ВПО «Уральский государственный горный университет»
Научный руководитель –
| кандидат технических наук, профессор | Крикун Виктор Яковлевич |
доктор технических наук, доцент Комиссаров Анатолий Павлович
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, профессор Подэрни Роман Юрьевич;
кандидат технических наук Червяков Сергей Алексеевич
Ведущее предприятие – Институт горного дела УрО РАН (г. Екатеринбург)
Защита состоится _25__ декабря 2008 г. в _13_ часов на заседании диссертационного совета Д 212.280.03 при ГОУ ВПО «Уральский государственный горный университет» в зале заседаний Ученого совета
по адресу: 620144, г. Екатеринбург, ул. Куйбышева, 30, ГСП-126
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.
Автореферат разослан _24_ ноября 2008 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета М. Л. Хазин
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Развитие открытых горных работ связано с широким использованием карьерных экскаваторов, являющихся основным видом выемочно-погрузочного оборудования.
Задачи повышения эффективности горного производства определяют необходимость качественного изменения средств производства за счет разработки высокопроизводительных и ресурсосберегающих горных машин нового поколения, обеспечивающих резкое (в 2…3 раза и более) снижение затрат на разработку месторождений и добычу полезных ископаемых.
Применение на ряде горных предприятий карьерных гидравлических экскаваторов отечественного и зарубежного производства позволило, как показывает опыт их эксплуатации, повысить технико-экономические показатели работы экскавационного оборудования.
Разработка и широкое внедрение мощных карьерных гидравлических экскаваторов сдерживаются отсутствием стратегии создания карьерных экскаваторов, учитывающей тенденции развития данного вида техники, зарубежный и отечественный опыт проектирования и эксплуатации карьерных гидравлических экскаваторов, традиции отечественного горного машиностроения. Данная стратегия должна базироваться на системном подходе к анализу и оценке технического уровня конструкций, развитии теоретических основ проектирования карьерных гидравлических экскаваторов.
Таким образом, исходя из требований практики, сформулирована основная задача исследований, состоящая в разработке методики обоснования рациональных параметров рабочего оборудования гидравлических экскаваторов на ранних стадиях проектирования.
Существующий технический уровень конструкций рабочего оборудования мощных карьерных гидравлических экскаваторов не в полной мере отвечает требованиям современной горной промышленности.
Следовательно, разработка методики выбора рациональных параметров рабочего оборудования гидравлических экскаваторов на ранних стадиях проектирования, которая позволяет повысить технико-экономические показатели гидравлических экскаваторов, является актуальной научно-технической задачей, отвечающей потребностям горного производства.
Объект исследования – рабочее оборудование мощных гидравлических экскаваторов прямого копания.
Предмет исследования – процесс проектирования рабочего оборудования мощных гидравлических экскаваторов прямого копания на этапе предпроектного анализа.
Целью работы является обоснование рациональных параметров рабочего оборудования для повышения эффективности отечественных мощных гидравлических экскаваторов прямого копания.
Идея работы состоит в разработке новой схемы проектирования рабочего оборудования мощных гидравлических экскаваторов прямого копания.
Методы исследования: включают обобщение и анализ литературных источников, теоретические и экспериментальные методы исследования, базирующиеся на классических законах математики и физики, синергетики и пр.
Научные положения, выносимые на защиту:
- процесс проектирования рабочего оборудование мощных гидравлических экскаваторов можно рассматривать как функциональный преобразователь, который для каждой совокупности исходных данных устанавливает соответствующую совокупность характеристик единичного варианта рабочего оборудования;
- выбор рациональных параметров исполнительных механизмов рабочего оборудования должен выполняться при объединении их в общую структурную схему. В качестве обязательного требования при этом выдвинем ограничение максимума реализуемого усилия на зубьях ковша наибольшим активным давлением, развиваемым насосом, при копании рукоятью и ковшом;
- показателем уровня технического совершенства конструкции рабочего оборудования и мощных гидравлических экскаваторов в целом является соотношение площади действительной рабочей зоны экскаватора, в пределах которой реализуется заданный уровень нагрузок на рабочем органе, к площади теоретической рабочей зоны.
Научная новизна работы
- Обоснована методика выбора рациональных кинематических и силовых параметров рабочего оборудования мощных гидравлических экскаваторов прямого копания на этапе предпроектного анализа.
- Предложены подходы и критерии для оценки эффективности как единичного варианта рабочего оборудования мощных гидравлических экскаваторов, так и его отдельных механизмов.
- Выполнен вычислительный эксперимент и определены основные качественные зависимости между параметрами рабочего оборудования мощных гидравлических экскаваторов прямого копания.
Практическая ценность работы
- Предложены основы новой технологии проектирования рабочего оборудования мощных гидравлических экскаваторов прямого копания, позволяющие на стадии предпроектного анализа получить ансамбль рациональных вариантов рабочего оборудования, передаваемых к дальнейшему проектированию.
- Предложена методика выбора основных параметров рабочего оборудования мощных гидравлических экскаваторов.
- Разработан пакет прикладных программ, реализующий указанные рекомендации на компьютере.
- Выполнен вычислительный эксперимент и определены основные качественные зависимости между параметрами рабочего оборудования мощных гидравлических экскаваторов прямого копания.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается корректным использованием классических и современных методов исследований кинематических и силовых параметров рабочего оборудования мощных гидравлических экскаваторов прямого копания, хорошей сходимостью результатов теоретического анализа с данными вычислительного эксперимента, а также сравнительного анализа результатов процедур параметрического синтеза. Расхождение расчетных данных и результатов вычислительного эксперимента на превышает 15 %.
Реализация результатов работы. Результаты работы внедрены в «Дивизионе - Горное оборудование Уралмаш-Инжиниринг» машиностроительной корпорации «Уралмашзавод». Кроме того, результаты работы используются в учебном процессе на кафедре «Горные машины и комплексы» УГГУ, на кафедре «Строительные и подъемно-транспортные машины» МГСУ.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на заседаниях кафедры «Горные машины и комплексы» УГГУ в 2006–2008 гг., на заседаниях кафедры «Строительные и подъемно-транспортные машины» МГСУ в период 2000–2008 гг., а также в ООО ОМЗ «ГОиТ» в 2005–2008 гг.
Результаты настоящей работы были представлены:
- на международной научно-технической конференции Интерстроймех (г. Санкт-Петербург, 2001 г.; г. Могилев, 2002 г.);
- ежегодной международной интернет-конференции молодых ученых и студентов по современным проблемам машиноведения «МИКМУС пробмаш» (г. Москва, ИМАШ имени А. А. Благонравова, 2004, 2007 гг.);
- международной научно-технической конференции «Технологическое оборудование для горной и нефтегазовой промышленности. Чтения памяти В. Р. Кубачека» (г. Екатеринбург, 2006–2008 гг.);
- международной научно-технической конференции «Машиностроение и техносфера XXI века» (г. Севастополь-Донецк, 2007 г.).
Личный вклад автора заключается в
- построении математических и компьютерных моделей выбора рациональных вариантов рабочего оборудования;
- исследовании процесса формирования и в разработке метода оценки, вектора силы сопротивления грунта копанию на зубьях ковша мощного карьерного гидравлического экскаватора прямого копания;
- проведении вычислительного эксперимента, анализе и обобщении полученных результатов.
Публикации. По материалам работы опубликовано 9 печатных работ, в том числе 2 в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и четырех приложений. Общий объем работы – 297 с., в том числе основной текст - 193 с. (приведены 44 рисунка и 24 таблицы). Библиографический список содержит 162 наименований.
Автор выражает большую благодарность своим учителям, к сожалению, уже покинувшим этот мир, профессорам Гаевской К. С. и Крикуну В. Я.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность проблемы, сформулирована цель, научная новизна и практическая значимость полученных результатов.
В первой главе представлена информация о различных конструкционных и эксплуатационных особенностях мощных гидравлических экскаваторов (МГЭ) прямого копания, в частности об их рабочем оборудовании (РО). Приведены существующие варианты его классификации. Описаны и проанализированы экспериментальные исследования процесса экскавации и РО МГЭ на примере экскаватора ЭГ-12А. Проведен анализ существующих методов выбора рациональных кинематических и силовых параметров РО.
Отмечено, что совершенствованием РО гидравлических экскаваторов занимались и занимаются ряд ведущих отечественных и зарубежных организаций: ВНИИСДМ, МГСУ (МИСИ), УГГУ, МАДИ, НИИТяжмаш УЗТМ, СКБ «Земмаш» Тяжэкс, ИГД им. А. А. Скочинского, МГГУ, ДИСИ, КГТУ, Faculty of Mechanical Engineering the University of Queensland, Brisbane, Australia; Robotics Institute, Carnegie Mellon University, Pittsburgh, PA, USA; Virginia Polytechnic Institute and State University, Blackburg, Virginia, USA и др.
Из большого числа ученых, работавших в указанных организациях, наиболее значительный вклад в исследования и совершенствование РО внесли: Бровин В. А., Смоляницкий Э. А., Перлов А. С., Раннев А. В., Королев А. В., Лурье Г. К., Рустанович А. В., Зарецкий Л. Б., Иоффе А. С., Григорьев А. Г., Тарасов В. Н., Павлов В. П., Карасев Г. Н., Башкиров В. С., Тимошенко В. К., Моисеев Г. Д., Балаховский М. С., Волков Д. П., Тотолин П. Е., Крикун В. Я., Гаевская К. С., Крикун А. В., Скобелев Л. С., Штейнцайг Р. М., Штейнцайг В. М., Башкиров В. С., Комиссаров А. П., Шестаков В. С., Шамонин А. С., Волобоев В. Г., Коваленко М. В., Коротких П. В., Кондратьева Л. Ю., Круль К., Данчев Д. И., Janosevic D., Hall A., McAree P.R., Kecskemethy A., Cannon H., Sing S., Koivo A.J., Salcudean S.E., Bares J., Rowe P., Park B. и др.
Вместе с тем, несмотря на большой объем исследований, выполненный нами анализ показал следующее: не существует единой методики выбора рациональных кинематических и силовых параметров РО; нет методики выбора рациональных вариантов РО при предпроектном анализе (ПА); повышенную металлоемкость и низкую надежность отечественных МГЭ можно объяснить, кроме всего прочего, еще и отсутствием упомянутых методик и, следовательно, применением приближенных методов расчета; отсутствуют работы, оценивающие опыт проектирования строительных гидравлических экскаваторов для переноса его на МГЭ, а слепой перенос имеющихся методов и подходов недопустим; мало работ, рассматривающих РО МГЭ, и они не в полной мере раскрывают эту часть проектирования и расчетов; практически во всех работах не учитывается реактивное давление в гидроцилиндрах (ГЦ); имеющиеся работы в основном посвящены выбору рациональных параметров РО без учета их взаимосвязи в общей структурной схеме. Работы, которые не учитывают вышеперечисленные замечания, не подходят для ПА; предлагаемые локальные критерии оптимизации не претендуют на роль комплексного, а создание рациональной конструкции РО до сих пор остается искусством конструктора; локальная оптимизация каждого отдельного механизма не обеспечивает автоматического выполнения предъявленных к нему функциональных требований при структурном объединении в общую схему РО; при локальной оптимизации каждого механизма невозможно максимально полно использовать активное давление насоса. Ведь в этом случае максимальные усилия на зубьях ковша определяются не давлением настройки первичных клапанов, установленных в магистрали насоса, а максимумом реактивных давлений в запертых гидроцилиндрах, устойчивостью и проскальзыванием экскаватора; из-за отсутствия согласования параметров РО между собой невозможно максимально полное использование энергии, более половины ее уходит на нагрев рабочей жидкости; созданные в начале 90-х годов прошлого века программные средства, посвященные проектированию РО, не обновлялись и на сегодня устарели по всем своим параметрам.
Все эти предварительные изыскания показали актуальность настоящей диссертации. На основе проведенного обзора и его анализа сформулированы цель и основные задачи диссертационной работы.
Во второй главе разработана математическая модель выбора рациональных силовых и кинематических параметров РО МГЭ прямого копания при ПА.
При этом процесс проектирования РО МГЭ можно представить как отображение вида:
 , | (1) |
где ММ – набор математических моделей, описывающих процесс проектирования РО, которые и разрабатываются в этой работе;
ИД – пространство исходных данных;
ПЕВРО – пространство единичных вариантов РО.
Первая часть ММ позволяет выбрать рациональные кинематические параметры РО МГЭ прямого копания на стадии ПА. Под определяемыми тут параметрами РО имеем в виду: кинематические[1] длины элементов РО, экстремальные углы перемещения их относительно друг друга и координаты пяты стрелы.
При этом рассматривается традиционная кинематическая схема РО с независимыми угловыми перемещениями стрелы, рукояти и ковша (рис. 1).
Рис. 1. Кинематическая схема РО МГЭ с независимыми угловыми
перемещениями стрелы, рукояти и ковша
Последовательность выбора кинематических параметров РО при этом такова: выбор длины ковша; выбор координат пяты стрелы; выбор длины стрелы и рукояти и максимального угла между их осями (max); выбор минимальных углов между осями стрелы и рукояти (min) и осью рукояти и кинематической длиной ковша (min); выбор экстремальных значений угла наклона оси стрелы к горизонту (min и max); проверка выполнения ограничения по значению максимального угла между осью рукояти и кинематической длиной ковша (max); проверка возможности реализации требуемой максимальной высоты копания при максимальном угле наклона оси стрелы к горизонту; построение осевого профиля рабочей зоны экскаватора.
На первую часть ММ наложены следующие основные ограничения: отношение (см. рис. 1) а/b = W должно лежать в интервале [1,2 … 1,5]; рациональный вариант РО должен обеспечивать требуемую максимальную высоту копания при максимальном угле подъема стрелы; при варьировании линейными параметрами РО в случае, если масса МГЭ задана неизменяемой, ее диапазон отклонения от основного значения не должен быть выше ±5%; необходимо обеспечить возможность копания на максимальном требуемом радиусе на уровне стоянки экскаватора.
При этом мы ориентируемся на следующее: должен быть учтен опыт проектирования строительных гидравлических экскаваторов; необходимо минимизировать число ИД; требуется учесть особенности обрушаемого забоя.
Вторая часть ММ посвящена выбору силовых и кинематических параметров исполнительных механизмов (ИМ) РО МГЭ прямого копания.
Под определяемыми параметрами ИМ РО имеем в виду максимальную и минимальную длину соответствующих ГЦ и величину их хода; координаты точек привязки ГЦ к элементам РО и к поворотной платформе; уточненные значения дополнительных исходных данных.
К числу последних относятся: активное давление в полостях ГЦ; реактивное давление настройки вторичных предохранительных клапанов; количество ГЦ каждого ИМ; диаметры поршней соответствующих ГЦ; минимально требуемое значение максимального реализуемого усилия на зубьях ковша.
Основными ИД к проектированию по указанной ниже схеме являются результаты поиска рациональных вариантов РО по первой части ММ.
Вторая часть ММ предполагает следующую последовательность выбора силовых и кинематических параметров ИМ РО: выбор параметров механизма привода рукояти; выбор параметров механизма привода ковша; выбор параметров механизма привода стрелы; проверка полученного варианта РО по возможности обеспечения требуемого горизонтального хода ковша на уровне стоянки экскаватора.
Принимаем: для выбора рациональных параметров ИМ РО достаточно рассмотрения раздельного копания рукоятью и ковшом; из всего многообразия возможных направлений вектора усилий на зубьях ковша целесообразен выбор его перпендикуляра к радиусу копания. При выполнении функциональных требований, предъявляемых к каждому ИМ, указанное направление будет характеризовать наибольшую реализуемую полезную нагрузку; на стадии ПА ГЦ МГЭ предполагаются нестандартизированными.
Выбор параметров механизма привода рукояти. При этом будем ориентироваться на реализацию минимального значения требуемой максимальной силы сопротивления копанию Р01 при копании рукоятью и совпадении оси рукояти с ковшом (максимальное плечо при этом – отрезок ВD, см. рис. 1).
Кроме этого, введем требование, что при работе механизма привода рукояти в начале и в конце хода ГЦ его ось занимала бы одно и то же положение (рис. 2). При этом в крайних положениях рукояти будем ориентироваться на равенство углов давления (
BL1L2 = 
BL2L1). Минимальное значение усилия на зубьях ковша в этом случае создается в двух крайних точках хода ГЦ (см. рис. 2).
ИД к этому разделу являются: минимально требуемое значение максимального усилия Р01, диаметр поршня рукояти Dр, максимальное активное давление в системе 
и число гидроцилиндров рукояти k, длина ковша с, длина рукояти b, параметры привязки ГЦ привода рукояти AF, FK и LN, углы max и min.
Для двух крайних положений рукояти плечо BL, относительно шарнира стрела – рукоять, требуемое для реализации заданного усилия, определим так:
Рис. 2. Расчетная схема № 1
 , | (2) |
Далее, для указанных двух крайних положений рукояти, значение параметра найдем по формуле (рис. 2):
 , | (3) |
где 
– угол полного поворота рукояти, определяемый по формуле:
 , | (4) |
Теперь определим ход ГЦ рукояти:
 , | (5) |
В формуле (3) с ростом угла 
параметр 
также растет. Это важно учитывать при проектировании, так как этот параметр является одним из определяющих для получения максимального значения усилия на зубьях ковша.
В формуле (5) при выполнении условия 
ход ГЦ рукояти будет стремиться к своему максимуму. Однако в данном случае строго выполняется неравенство 
, обусловленное свойствами записанной здесь тригонометрической функции. К тому же у современных МГЭ прямого копания, такое значение угла 
не встречается. Обычно этот угол значительно меньше.
Дальнейший поиск параметров механизма привода рукояти будем производить по следующей схеме:
 ; | (6) |
 ; | (7) |
 ; | (8) |
 ; | (9) |
 ; | (10) |
 ; | (11) |
 . | (12) |
После этого выполняются проверки. Первая по полученной длине хода ГЦ привода рукояти:
 , | (13) |
Вторая проверка, полезная при «ручном» проектировании, по сумме углов треугольника BL1L2:
 , | (14) |
Максимальное значение усилия на зубьях ковша 
будет достигнуто в том случае, когда плечо усилия развиваемого ГЦ привода рукояти будет максимальным (равно 
). В связи с тем, что конец штока ГЦ в нашем случае движется по дуге окружности 
(ее центр расположен в шарнире стрела – рукоять), максимальное плечо будет достигнуто тогда, когда прямая, соединяющая точку К (см. рис. 2) с точкой, расположенной на конце штока 
, станет касательной к этой дуге окружности. Это реализуется в одной точке дуги 
(степень близости этой точки к точке 
или к середине хода ГЦ определяется удаленностью точки К от указанной дуги окружности), и она всегда расположена на первой половине хода ГЦ рукояти.
Итак, максимальное значение усилия на зубьях ковша можно определить по формуле
 , | (15) |
Отсюда определим значение 
– разницу между максимальным и минимальным усилиями:
 . | (16) |
С другой стороны, максимальный разброс по реализуемой силе сопротивления грунта копанию
 . | (17) |
С помощью этого проектировщик может выбирать варианты ИМ привода рукояти с заданной степенью разброса 
и разницы.
Теперь найдем полную длину дуги - траекторию движения точки (см. рис. 2), и длины дуг 
, 
до и после достижения максимального значения усилия на зубьях ковша. Для этого найдем вспомогательные параметры:
 ; | (18) |
 ; | (19) |
 ; | (20) |
Для полной длины дуги запишем:
| . | (21) |
После этого найдем параметр, как одну из характеристик ИМ привода рукояти:
| . | (22) |
Далее найдем параметры и и еще две характеристики ИМ привода рукояти (вторая – это площадь сектора 
):
 ; | (23) |
 ; | (24) |
 ; | (25) |
 . | (26) |
Реализация описанного подхода на ЭВМ позволяет варьировать, при желании проектировщика, всеми ИД.
В результате применения описанного процесса проектирования конструктор получает следующие увязанные между собой параметры механизма привода рукояти: диаметр поршня гидроцилиндра рукояти (Dр), м; максимальное активное давление в полостях гидроцилиндра рукояти (
), Па; минимальную и максимальную длины гидроцилиндра рукояти (KLmin и KLmax), м; ход поршня гидроцилиндра рукояти (L1L2), м; количество гидроцилиндров рукояти (k), шт.; проекцию отрезка между пятой стрелы и шарниром крепления гидроцилиндра рукояти к стреле на ось стрелы (AF), м; расстояние от шарнира крепления гидроцилиндра рукояти к стреле до оси стрелы (FK), м; проекцию отрезка между шарниром стрела – рукоять и шарниром крепления гидроцилиндра рукояти к рукояти на ось рукояти (BN), м; расстояние от шарнира крепления гидроцилиндра рукояти к рукояти до оси рукояти (LB), м.
В качестве характеристик механизма привода рукояти при их сравнении и оценке можно применять параметры: 
, 
, 
, 
, 
.
Выбор параметров привода ковша осуществляется аналогично только что описанной схеме. Изменения в формулах при этом очевидны, однако есть несколько нюансов, на которых мы остановимся подробнее.
Для нормального функционирования механизмов рукояти и ковша необходимо выполнение двух требований (см. рис. 1):
- отсутствие просадки ГЦ рукояти при копании ковшом описывается следующим неравенством:
 , | (27) |
где – угол между рукоятью и ковшом;
– минимально допустимое значение момента относительно шарнира стрела – рукоять, удерживаемого ГЦ рукояти, определяемое в начале ее хода следующим образом:
 , | (28) |
где 
- максимальное реактивное давление настройки вторичных предохранительных клапанов в магистралях ГЦ рукояти;
;
- отсутствие просадки ГЦ ковша при копании рукоятью. В этом случае параметры механизма привода ковша должны быть подобраны таким образом, чтобы выполнялось следующее неравенство:
 , | (29) |
где 
- максимальное активное давление в системе, (Па);
- максимальное реактивное давление настройки вторичных предохранительных клапанов в магистралях ГЦ ковша.
– максимальный момент, создаваемый ГЦ рукояти относительно шарнира стрела – рукоять, определяемый так:
 . | (30) |
Из формул (27) – (30) следуют некоторые соотношения.
Во-первых, это связь реактивного и активного давлений (рис. 3):
 , | (31) |
где 
- численный коэффициент, характеризующий разницу между максимальным усилием, развиваемым при копании ковшом и максимальным усилием развиваемым при копании рукоятью;
- численный коэффициент, равный:
 . | (32) |
Во-вторых, это ограничение на значение угла 
:
 ; | (33) |
 . | (34) |
| Или, иначе, | |
 . | (35) |
Данные соотношения можно ввести как ограничения в описанную выше схему проектирования механизма привода рукояти.
Рис. 3. Характер взаимосвязи активного и реактивного давлений
Выбор параметров привода стрелы аналогичен описанной выше схеме. Изменения формул при этом очевидны, однако есть несколько моментов, на которых мы остановимся подробнее.
Для проектирования рациональной конструкции механизма привода стрелы в качестве главного требования выдвинем необходимость отсутствия просадки ГЦ стрелы при копании рукоятью и ковшом (копание стрелой не предусматривается).
В общем виде, по аналогии с формулой (2) (параметр 
аналогичен параметру 
), запишем:
 , | (36) |
где Dс - диаметр поршня ГЦ стрелы;
m - число ГЦ стрелы;
- давление настройки вторичных предохранительных клапанов в магистрали ГЦ стрелы;
– момент от веса элементов РО, грунта в ковше и усилия на зубьях ковша, определяется по формуле
 , | (37) |
где Gс, Gр, Gк, Gгр – веса стрелы, рукояти, ковша и грунта в ковше;
hc, hp, hk, h01, hгр – соответствующие плечи.
Найдя положение РО с максимальным значением 
, следует определить АР и далее получить все основные параметры механизма. Анализируя формулы (36) и (37), очевидно, что в общем случае для определения максимального 
следует решить достаточно громоздкую и неудобную на стадии ПА задачу переборного типа, так как заранее нужное положение РО неизвестно. Это можно было бы сделать на основании работ МГСУ, однако для этапа ПА предложим более простой подход.
Можно предположить, что максимальный момент 
будет получен на дальних (максимальных) радиусах копания.
Так как полный угол поворота стрелы на этом этапе проектирования уже известен, то будем проходить его с каким-то заданным шагом, вычисляя для каждого фиксированного положения стрелы момент 
. При этом рукоять должна находиться в одном из двух возможных положений: либо параллельно уровню стоянки машины, либо в максимально отвернутом положении от стрелы; ковш для каждого дискретного положения стрелы и рукояти располагается аналогично рукояти: либо параллельно уровню стоянки, либо в максимально отвернутом положении от рукояти.
Прикидочные расчеты указывают, что максимальный момент 
, скорее всего, будет получен при копании либо на максимальном радиусе копания экскаватора, либо при копании на максимальном радиусе копания на уровне стоянки машины.
После вычисления всех основных параметров механизма привода стрелы определяются дополнительные: абсцисса и ордината крепления ГЦ стрелы к поворотной платформе.
Проверка полученного варианта РО по возможности обеспечения требуемого горизонтального хода ковша на уровне стоянки экскаватора.
Для выполнения данной проверки необходимо задать величину требуемого горизонтального хода ковша на уровне стоянки машины (рис. 4). При этом на основании работ МГСУ можно рекомендовать принять значение угла между отрезком, соединяющим острие зуба ковша с шарниром рукоять-ковш и задней гранью ковша равным 50.
Вычислив параметр 
и сравнив его с заданным значением для конкретного варианта РО можно либо отбросить этот вариант, либо принять для дальнейшего проектирования. В первом случае есть еще возможность попытаться немного видоизменить вариант РО, чтобы все же использовать его в дальнейшем. Для этого следует уменьшить либо угол 
, либо угол min. Уменьшение первого угла нежелательно, а второго возможно в некоторых пределах. Для этого надо уменьшить параметр KLmin. В этом случае увеличится ход поршня ГЦ рукояти (следует следить при этом, чтобы разница между минимальной длиной и ходом была допустима).
Рис. 4. Расчетная схема № 2
В третьей главе описан вычислительный эксперимент (ВЭ).
Под ВЭ в рамках настоящей работы имеем в виду эксперимент над ММ объекта на ЭВМ, который состоит в том, что по одним параметрам модели вычисляются другие её параметры. И на этой основе делаются выводы о свойствах явления, описываемого ММ.
Исходными данными к ВЭ послужили параметры экскаватора ЭГ-12А. Выбор обусловлен наличием достаточно полной информации по этому экскаватору, а реальное РО для ЭГ-12А по своей кинематике полностью соответствует рассматриваемому нами.
Сравнительный анализ результатов ВЭ с реальными параметрами РО ЭГ-12А показал хорошую сходимость полученных результатов с решениями, применяемыми при обычном проектировании (отклонения не превышают 15 %, (табл. 1)).
Таблица 1
Сравнение некоторых параметров ЭГ-12А и данных ВЭ
| Параметр | ЭГ-12А | Вычислительный эксперимент | % разницы |
| W | 1,5 | 1,49 | 0,667 |
| a | 7,5 | 7,504 | 0,053 |
| b | 5,0 | 5,003 | 0,060 |
| max | 60 | 64,928 – 64,065 | 7,590 – 6,345 |
| min | 6 | 2,987 | 50.216 |
| max | 116* | 116 | 0,0 |
| min | 54 | 62,888 – 55,098 | 14,133 – 1,993 |
| max | 242 | 219,181 | 9,429 |
| min | 162 | 160 – 180 | 1,234 – 10,0 |
Дополнительно в рамках данного ВЭ получены некоторые качественные зависимости основных параметров РО от параметров варьирования (W, max, min).
ВЭ показал, что основной эффект от внедрения результатов работы обусловлен сокращением времени проектирования; снижением себестоимости проектирования; уменьшением рисков.
В четвертой главе исследована взаимосвязь ориентации вектора силы сопротивления грунта копанию с податливостью рабочей жидкости и грунта. Кроме этого, предложен новый критерий для оценки эффективности варианта РО – коэффициент эффективной площади копания.
Данный коэффициент характеризует площадь эффективной зоны копания МГЭ, в которой наблюдается наибольшая равномерность усилия на зубьях ковша при копании рукоятью и ковшом, и достигается наиболее полная реализация активного давления насоса. Указанный коэффициент Кэ определяется так:
 , | (38) |
где 
- площадь эффективной части осевого профиля рабочей зоны;
- теоретическая площадь всего осевого профиля рабочей зоны, либо фактической зоны копания.
Отметим, что при рассмотрении раздельного способа копания возможно получение нескольких значений коэффициента эффективности. На наш взгляд, при этом следует считать лучшим тот вариант РО, у которого разница между этими значениями минимальна, а сами коэффициенты максимальны.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В работе на базе выполненных автором теоретических и экспериментальных исследований решена задача обоснования выбора силовых и кинематических параметров РО МГЭ прямого копания, позволяющих повысить технико-экономические показатели данного оборудования. Выполненные исследования позволили сформулировать следующие основные результаты работы:
1. Процесс проектирования РО МГЭ рассмотрен как функциональный преобразователь, который для каждой совокупности ИД устанавливает соответствующую совокупность характеристик единичного варианта РО.
2. Рациональное сочетание кинематических и силовых характеристик, обеспечивающих максимальные технологические возможности РО в конкретных условиях эксплуатации, достигнуты при рассмотрении всех элементов РО как единой механической системы.
3. Предложен подход к определению рациональных кинематических параметров РО. В качестве основного обязательного требования при этом выдвинуто достижение максимальной высоты копания, максимального радиуса копания на уровне стоянки машины.
4. Разработаны рекомендации по выбору рациональных параметров механизмов привода элементов РО при объединении их в общую структурную схему. В качестве основного обязательного требования при этом выдвинуто ограничение максимума реализуемых усилий на зубьях ковша наибольшим активным давлением, развиваемым насосом, при копании рукоятью и ковшом.
5. Выявлена связь реактивного и активного давлений в гидравлической системе МГЭ при копании рукоятью и ковшом, что можно использовать при проектировании как одно из ограничений.
6. Показателем уровня технического совершенства конструкции РО и МГЭ в целом является соотношение площади действительной рабочей зоны экскаватора, в пределах которой реализуется заданный уровень нагрузок на рабочем органе, к площади теоретической рабочей зоны.
7. Развито исследование взаимосвязи ориентации вектора силы сопротивления грунта копанию с податливостью рабочей жидкости и грунта.
8. Разработана информационная модель РО МГЭ, дающая возможность развивать накапливаемое обеспечение автоматизации процесса проектирования РО и всего экскаватора в целом.
9. Результаты исследований используются в учебном процессе в УГГУ на кафедре «Горные машины и комплексы», в МГСУ на кафедре «Строительные и подъемно-транспортные машины», а также в МГУ имени М.В. Ломоносова.
10. Работа внедрена в «Дивизионе Горное оборудование Уралмаш-Инжиниринг машиностроительной корпорации «Уралмашзавод»».
Основное содержание диссертации опубликовано
в следующих работах
- Статьи, опубликованные в ведущих рецензируемых
научных журналах и изданиях, определенных
Высшей аттестационной комиссией:
1. Побегайло П. А. Мощные отечественные карьерные одноковшовые гидравлические экскаваторы / П. А. Побегайло // Горные машины и автоматика. - 2004. - № 2. - С. 13–22.
2. Побегайло П. А. Обобщение результатов научных исследований и опыта применения новых конструктивных решений ОПУ, нижней и поворотной рам карьерных экскаваторов / П. А. Побегайло // Горные оборудование и электромеханика. – 2006. - № 2. - С. 25–29.
- Работы, опубликованные в других изданиях
3. Побегайло П. А. Основы методики проектирования рабочего оборудования мощных гидравлических экскаваторов прямого копания / П. А. Побегайло // Технологическое оборудование для горной и нефтегазовой промышленности: сб. докладов IV Международной научно-технической конференции. Чтения памяти В. Р. Кубачека. - Екатеринбург: УГГУ, 2006. - С. 42–45.
4. Побегайло П. А. О новых подходах к оценке и сравнению вариантов рабочего оборудования мощных гидравлических экскаваторов / П. А. Побегайло // Технологическое оборудование для горной и нефтегазовой промышленности: сб. докладов V Международной научно-технической конференции. Чтения памяти В. Р. Кубачека. - Екатеринбург: УГГУ, 2007. - С. 172–177.
5. Побегайло П. А. О связи реактивного и активного давлений в гидравлической системе мощного гидравлического экскаватора прямого копания при копании / П. А. Побегайло // Технологическое оборудование для горной и нефтегазовой промышленности: сб. докладов V Международной научно-технической конференции. Чтения памяти В. Р. Кубачека. - Екатеринбург: УГГУ, 2007. - С. 15–22.
6. Побегайло П.А. Способы оценки эффективности единичного варианта рабочего оборудования мощного гидравлического экскаватора / П. А. Побегайло // Технологическое оборудование для горной и нефтегазовой промышленности: сб. докладов VI Международной научно-технической конференций. Чтения памяти В.Р. Кубачека. - Екатеринбург: УГГУ, 2007. - С. 70 – 72.
7. Побегайло П.А. О формировании и оценке вектора силы сопротивления грунта копанию на зубьях ковша мощного карьерного гидравлического экскаватора прямого копания / П. А. Побегайло // Технологическое оборудование для горной и нефтегазовой промышленности: сб. докладов VI Международной научно-технической конференций. Чтения памяти В.Р. Кубачека. - Екатеринбург: УГГУ, 2007. - С. 73 – 78, 110.
8. Побегайло П.А. О выборе рациональных кинематических параметров рабочего оборудования мощного гидравлического экскаватора прямого копания при предпроектном анализе / П. А. Побегайло // Технологическое оборудование для горной и нефтегазовой промышленности: сб. докладов VI Международной научно-технической конференций. Чтения памяти В.Р. Кубачека. - Екатеринбург: УГГУ, 2007. - С. 122 – 138.
9. Побегайло П.А. Компьютерное моделирование процесса выбора рациональных кинематических параметров рабочего оборудования мощного гидравлического экскаватора прямого копания при предпроектном анализе / П. А. Побегайло // Технологическое оборудование для горной и нефтегазовой промышленности: сб. докладов VI Международной научно-технической конференций. Чтения памяти В.Р. Кубачека. - Екатеринбург: УГГУ, 2007. - С. 221 – 237.
Подписано в печать 15.11.2008 г. Печать на ризографе.
Бумага писчая. Формат 60х84 1/16. Гарнитура Times New Roman.
Печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ____
Издательство УГГУ
620144, г. Екатеринбург, ул. Куйбышева, 30
Уральский государственный горный университет
Отпечатано с оригинал-макета
в лаборатории множительной техники
издательства УГГУ
[1] Используемая в настоящей работе терминология применяется в МГСУ (МИСИ) с конца 70-х годов прошлого века
