Повышение производительности одноковшового экскаватора путем совершенствования грузоподъемного механизма

В статье приведено решение задачи максимального использования потенциала гидравлического одноковшового экскаватора. Данная конструкция содержит дополнительный механизм, позволяющий менять параметры крепления гидроцилиндра стрелы в зависимости от вида рабочего оборудования. Выявлены зависимости показателей конструкции грузоподъемного механизма от параметров крепления. Разработаны математическая модель исследования и выбора параметров ГМ при его движении, которая ориентирована для реализации на ЭВМ с использованием программы для работы с электронными таблицами Microsoft Office Excel. Результаты исследования наглядно показали стабильность и постоянство данной конструкции грузоподъемного механизма в условиях конкретной эксплуатации. В результате чего, автор приходит к выводу, что применение модифицированного рабочего оборудования в значительной мере повышает производительность, что в дальнейшем приведет к уменьшению затрат, увеличению объема выполненных работ при ведении земельных работ.
Ключевые слова: грузоподъемный механизм, гидроцилиндр, рабочее оборудование, угловая скорость, угловое ускорение. 
Increasing the productivity of a single-bucket excavator by improving the lifting mechanism
The article provides a solution to the problem of maximizing the potential of a hydraulic bucket excavator. This design contains an additional mechanism that allows you to change the mounting parameters of the boom hydraulic cylinder, depending on the type of working equipment. The dependences of the design parameters of the lifting mechanism on the fastening parameters are revealed. A mathematical model has been developed for the study and selection of GM parameters during its movement, which is oriented for computer implementation using a program for working with Microsoft Office Excel spreadsheets. The results of the study clearly demonstrated the stability and constancy of this design of the lifting mechanism in specific operation conditions. As a result, the author comes to the conclusion that the use of modified working equipment significantly increases productivity, which will subsequently lead to a reduction in costs and an increase in the volume of work performed during land work.
Keywords: hoisting mechanism, hydraulic cylinder, working equipment, angular velocity, angular acceleration.
Введение
Возведение зданий различного назначения, выполнение земельных и других работ предполагают использование специальной техники, в том числе экскаваторов. В условиях рыночной конкуренции, строительным фирмам приходится совершенствовать технологии производства работ на основе увеличения производительности одноковшовых экскаваторов и уменьшения себестоимости выполнения земляных работ. В свою очередь, увеличение производительности экскаваторов может быть достигнуто за счет совершенствования конструктивного исполнения рабочих органов [1]. Грузоподъемный механизм (ГМ) гидравлического рабочего оборудования (РО) экскаватора является одним из основных конструктивных элементов. От действий грузоподъемного механизма зависят многие факторы и параметры выполнения рабочих операций, оказывающих влияние на производительность. Применяемые на экскаваторах различные виды гидравлического, сменного РО и исполнительных механизмов делают их многофункциональными машинами. Однако прямая и обратная лопаты являются основными видами РО, которые принципиально отличаются не только условиями работы (выше или ниже уровня стоянки экскаватора), но и конструктивными элементами: стрелами, рукоятями, ковшами, что обуславливает необходимость создания ГМ, способного изменять свои параметры, в зависимости от навешиваемого РО [2].
 Реализация потенциала ГМ гидравлического экскаватора тесно связана с правильным определением его параметров, а также с областью его применения, что, в свою очередь, связано с рациональным подбором размеров РО. На динамические величины довольно большое влияние оказывает положение точек крепления шарнира гидроцилиндра к стреле, т.к. виды РО отличаются габаритами и массой [3]. Типовые ГМ как правило имеют постоянные параметры крепления, что подтверждает нам уместность использования ГМ, способного изменять параметры крепления в зависимости от навешиваемого РО, сохраняя при этом целостность и единообразие [4].
2. Основная часть
Для всех конструкций ГМ общим является четырехзвенный механизм с качающимся гидроцилиндром. Существует три схемы привода стрелы, отличающиеся взаимным расположением стрелы и гидроцилиндра: под стрелой, перед кронштейном ее крепления (наиболее распространенная); над стрелой, за кронштейном крепления стрелы (обычно горизонтально) [5].
Известен ряд технических решений, которые, ставя своей целью модернизацию РО с одного вида рабочего сменного механизма на другой, изменяют и параметры ГМ [6,7]. Так, в конструкции [6] РО выполнено с перекидными рычагами на кронштейнах стрелы и рукояти, обеспечивающими с помощью гидроцилиндров перемещение элементов крепления и штока гидроцилиндра рукояти по дуге окружности из одного фиксированного положения в другое. Такое техническое решение предлагается использовать в оборудовании прямой и обратной лопат при одной и той же стреле.Данное устройство имеет два фиксированных положения стрелы, то есть ГМ имеет два различных состояния. Недостатки такой конструкции ГМ следующие: увеличение опрокидывающего момента при трансформации экскаватора с прямой лопаты на обратную - уменьшение вертикальной составляющей силы гидроцилиндров подъема стрелы; при переводе экскаватора с обратной лопатой напрямую снижаются усилие на режущей кромке ковша и угол поворота стрелы, что не является обоснованным с точки зрения технологии выполнения работ. 
Из технологических решений, задача которых - перевод экскаватора с одного вида РО на другой, следует выделить конструкцию [7]. В ней перекидной рычаг смонтирован на общей оси с корпусом силового гидроцилиндра стрелы, шток которого шарнирно закреплен на последней посредством рычага, имеющего фиксированные положение. В этом случае изменение параметров ГМ, происходящие при переводе с одного вида РО на другое, не решает задачи повышения эффективности работы экскаватора с учетом его универсальности и технологии возможной эксплуатации. Также интересна конструкция [8], способная работать с различными видами привода: электрическим, механическим и гидравлическим. Однако она сложна в изготовлении и требует постоянного контроля кинематических связей приводов РО, поэтому не может быть использовано для изменения параметров ГМ. 
Экскаваторы с нестандартными ГМ, позволяющими увеличивать глубину и радиус копания имеют существенный недостаток – резко снижается их устойчивость и возрастает степень риска опрокидывания. При потере устойчивости машинист экскаватора может вернуться в исходное положение при опирании рабочего оборудования на грунтовое основание. Данная ситуация является нештатной и ведет к таким негативным последствиям, как снижение эксплуатационной производительности, связанной с потерей времени на выравнивание машины и приведение ее в рабочее состояние [9].
Эффективность использования гидравлического экскаватора с ГМ, не имеющим возможности изменять свои параметры в зависимости от вида, применяемого РО и параметров, снижается.
Исследование направлено на изучение поведения показателей данной конструкции грузоподъемного механизма при одновременном увеличении параметров крепления с целью выявления возможности определения критических положений, при которых дальнейшая работа конструкции будет невозможна при заданный исходный данных.
Рис.1. Расчетная схема грузоподъемного механизма14212950
Исходных данные представлены на рис.1.Расчетная схема:
L - расстояние от шарнира О до центра действия силы тяжести перемещаемого грунта в ковше, м;
l - расстояние от шарнира О до центра масс стреловой группы, м;
mc – масса стрелы с рукоятью и ковшом, кг;
m – масса грунта в ковше, кг;
α –угол между стрелой и гидроцилиндром ее поворота;
φ – угол поворота стрелы относительно оси ОХ;
γ – угол установки гидроцилиндра поворота стрелы относительно оси ОХ;
µ - угол, определяющий координату центра тяжести рабочего оборудования;
Ɵ – угол между направлением стрелы и прямой, проведенной через центр тяжести ковша с грунтом;
a –расстояние от шарнира О до точки крепления гидроцилиндра поворота стрелы к платформе экскаватора, м;
b – расстояние от шарнира О до точки крепления гидроцилиндра к стреле, м.
- Расчет угловых параметров
φ=arccos⁡a2+ b2-S22 a bα=arcsin⁡a sin⁡(φ+γ)S-Расчет угловой скорости и углового ускорения
ω=v ba b sin⁡(φ)ε=va b×vsinsin φ -ω S cos⁡(φ)sin2(φ),
где v –скорость выдвижения гидроцилиндра, м/с;

Расчетные формулы (1 - 6), представляют собой математическую модель исследования и выбора параметров ГМ, при его движении, а именно параметров установки гидроцилиндра стрелы по критерию снижения величины усилия, преодолеваемого штоком.
Математическая модель ориентирована для реализации на ЭВМ с использованием программы для работы с электронными таблицами Microsoft Office Excel, помимо выбора параметров, позволяет исследовать зависимость изменения режимных параметров от любых исходных данных. Исходными данными являются: L; 1; m; Sо; Ɵ; v; mc; µ (см. риc.1).
Один из аспектов исследования направлен на изучение зависимостей показателей F, ω, ε от изменения параметров a, b, γ, которые в свою очередь линейно зависимы от параметра j (1 ≤ j ≤ 10).
b=2,5+0,05 ja=0,8+0,05 jγ=(38+2,5 j)π180В ходе исследования параметров ГМ задаемся интервалами изменения параметров установки гидроцилиндра стрелы и постепенно меняем параметр j, тем самым изменяя показатели a, b, γ. Процесс исследования параметров заключается в линейном увеличении параметра j, при изменении которого три других параметра соответствуют своим значениям. Такого рода исследование рассматривает вариант постепенного увеличения параметров ГМ, в наибольшей степени соответствующих предъявляемым техническим требованиям рабочего оборудования. По формулам (1) и (2) определяем углы φ и α, вычисляем суммарную длину S гидроцилиндра подъема стрелы по формуле (5). Интервал времени для определения суммарной длины гидроцилиндра подъема стрелы принимаем 0 ≤ t ≤ 5. Определяем угловую скорость ω и угловое ускорение ε стреловой группы, формулы (3) и (4), определяем величину усилия F развиваемого гидроцилиндром стрелы при подъеме рабочего оборудования по формуле (6). Строим графики зависимости ω от j, ε от j и F от j, для значений исследуемого параметра и изучаем его значение исходя из критерия снижения величины усилия, развиваемого гидроцилиндром стрелы, и динамических нагрузок.
Такой алгоритм проделываем для каждой t и j. Данные сводим в таблицу Microsoft Office Excel. Графики строим с помощью этой же программы.
772464148755ω,рад/с
77246414875546375712321118j
46375712321118Рис.2. Зависимость угловой скорости ω от параметра j при различных t
Полученный график зависимости угловой скорости ω от параметра j при различных t (рис.2), позволяет сделать следующие выводы. Возрастание параметра j непременно влечет за собой увеличение параметра b. Например, возрастание j с 0 до 1 влечет увеличение параметра b с 2,5 до 2, 55, возрастание j с 0 до 1 увеличивает b с 2,55 до 2,6, возрастание j с 2 до 3 увеличивает b с 2,6 до 2,65 и .т.д. Указанное, в свою очередь, приводит к уменьшению угловой скорости стрелы (для обозначенных параметров j и b – с 0,14464 до 0,138082 и далее до 0,132182) и, как следствие, уменьшению динамических нагрузок (с 120637,6 до 114067,6 и далее до 108250,9 и.т.п.) вне зависимости от времени. При этом, видно, что все шесть начальных точек имеют минимальный разброс значений в пределах 0,02 рад/с. Такая тенденция наблюдается на всем протяжении графика.
Согласно ожиданиям, перемещение точки А (см. рис.1) крепления гидроцилиндра вправо приводит к уменьшению средней угловой скорости. Это объясняется пропорциональным увеличением плеча АВ относительно точки О.
45808902297954j
49206151928495 95550979458ε,рад/с2
95550979458Рис.3. Зависимость углового ускорения ε от параметра j при различных t
Влияние параметра j на угловое ускорение ε при различных положениях стрелы отражено на рис.3. Как следует из графика на рис. 3 с течением времени возрастает начальное значение величины углового ускорения ε. Например, при t=1, величины углового ускорения ε составляют: -0,00778, -0,00779, -0,00776, -0,00769, -0,00759, -0,00749, -0,00737, -0,00725, -0,00712, -0,00699, -0,00687. Отметим, что при j = 0 величины имеют наибольший разброс углового ускорения в зависимости от угла установки гидроцилиндра (-0,01463; -0,00778; -0,00397; -0,00142; 0,000604; 0,002466).
Также наблюдается возрастание графика функции в промежутке 0 ≤ t ≤ 1 с. Однако, при t ≥ 2 с график функции убывает, к тому же при t ≥ 4 с значение углового ускорения имеет положительный знак, однако при возрастании параметра j знак величины принимает отрицательное значение, как и в предыдущих случаях. На рис.3 отчетливо видно, что во всех случаях функция имеет характер близкий к монотонности.
1097914113858F,Н
109791411385846364112303310j
46364112303310Рис.4. Зависимость усилия в гидроцилиндре F от параметра j при различных t
На рис.4 отражена зависимость усилия в гидроцилиндре F от параметра j при различных t. Из данного графика можно сделать вывод, что при заданных исходных данных, решающую роль играет угловая скорость, нежели угловое ускорение. Все шесть начальных точек при j = 0 также имеют минимальный разброс около 8,3%. Тем не менее при j = 10 величина усилия имеет минимальное значение на всем промежутке каждой кривой(80086,4; 85136,49; 89822,85; 94338,72; 98803,79; 103311,7). Максимальное значение в начале кривой (120637,6; 123549,9; 125770,6; 127385,8; 128366,7; 128600,5) объясняется тем, что именно в этот момент гидроцилиндр преодолевает максимальное сопротивление со стороны поршня.
Стоит отметить, что для достижения максимальной реализации потенциала данного грузоподъемного механизма, позволяющего изменять геометрические параметры крепления гидроцилиндра стрелы подъема, рекомендуется изменять каждый параметр по отдельности, в зависимости от рабочего оборудования, которое навешивается на стрелу гидравлического экскаватора [10].
3. Заключение
Выполненное нами исследование позволяет сделать следующие выводы:
1. Рассмотрен основной вид конструкции ГМ. Изучены основные схемы привода стрелы. Проанализированы технологические решения, задачей которых является модернизация РО с одного вида рабочего сменного механизма на другой. Разобраны принципы работы таких решений. Выявлены недостатки, которые являются необоснованными с точки зрения технологии выполнения производства работ.
2. В ходе исследования была рассмотрена расчетная схема ГМ, способного изменять параметры крепления гидроцилиндра стрелы подъема. Выявлены основные геометрические параметры. Разработаны математическая модель исследования и выбора параметров ГМ при его движении, а именно параметров установки гидроцилиндра стрелы по критерию снижения величины усилия, преодолеваемого штоком, алгоритм и компьютерная программа для работы с электронными таблицами Microsoft Office Excel для повышения производительности одноковшового экскаватора путем совершенствования грузоподъемного механизма.
3. Осуществлен расчет угловых параметров, расчет угловой скорости и углового ускорения. Составлены графики, по которым была выявлена зависимость показателей ω от j, ε от j и F от j.
4. Полученные в результате исследования расчетные данные продемонстрировали следующее:
- Возрастание параметра j непременно влечет за собой увеличение параметра b, что в свою очередь приводит к уменьшению угловой скорости стрелы и, как следствие, уменьшению динамических нагрузок вне зависимости от времени.
- Максимальное значение углового ускорения ε = 0,002466 рад2 /с было получено при t = 5 с.
- Угловая скорость в большей степени влияет на усилие в штоке гидроцилиндра нежели угловое ускорение.
- При одновременном увеличении всех трех геометрических параметров крепления гидроцилиндра стрелы подъема не происходит никаких критических нагрузок, которые могли бы вывести данный механизм из строя. Данный способ крепления гидроцилиндра продемонстрировал свою универсальность, а также многозадачность.
5. Расчет позволяет составить обоснованный вывод о том, что применение модифицированного грузоподъемного механизма в значительной мере повышает производительность, что в дальнейшем приведет к уменьшению затрат, увеличению объема выполненных работ при ведении земельных работ.