ВЫНОСНАЯ ОПОРА МОБИЛЬНОЙ ГРУЗОПОДЪЕМНОЙ МАШИНЫ

Полезная модель относится к области подъемно-транспортного машиностроения, а именно к устройствам для опирания и анкеровки (закрепления) на грунтовой опорной поверхности, включая слабые грунты и не строго горизонтальные поверхности, металлоконструкций мобильных грузоподъемных машин, оснащенных кранами-манипуляторами, в процессе их эксплуатации.
Известна конструкция выносной опоры землеройно-транспортной машины (Патент RU №61699, В66С 23/64, 2007 г. ), содержащая опорное устройство в виде опорной плиты для передачи на грунт нагрузки от машины и цилиндрического корпуса, внутри которого размещено анкерное устройство в виде винтового якоря, приводящегося во вращательное движение до достижения им своего рабочего положения гидроприводом вращения.
Недостатком этой конструкции является то, что винтовой якорь, установленный в грунте в вертикальном положении, не позволяет создать существенную удерживающую силу прижатия опорной плиты выносной опоры к поверхности грунта, особенно при установке на слабых грунтах (болотистых, песчаных, галечных и т.п.), способную надежно зафиксировать работающую машину от опрокидывания под действием возникающих при ее работе опрокидывающих и сдвиговых эксплуатационных нагрузок. Также гидропривод вращения, конструктивно выполняемый на основе гидромоторов или поворотных гидродвигателей, как правило, имеет более низкие показатели долговечности, безотказности и ремонтопригодности, чем гидропривод поступательного движения на основе гидроцилиндров. При приблизительно равных массогабаритных характеристиках гидропривод вращения по сравнению с гидроприводом поступательного движения развивает меньшие рабочие усилия по внедрению якоря в грунт, что негативно сказывается как на глубине установки якоря в рабочем положении, особенно при работе с прочными грунтами, так и на возможности повышения анкеровочной способности якоря за счет увеличения его поперечного размера (диаметра).
Наиболее близким по своей технической сущности к предлагаемой полезной модели и принятой за ее прототип является выносная опора подъемно-транспортной машины (Патент RU №165312, В66С 23/64, 2016 г. ), включающая смонтированный на раме машины кронштейн, снабженный подъемно-опускным с помощью приводного механизма опорным устройством для передачи на грунт нагрузки от машины и транспортируемого груза, и анкерное устройство для восприятия действующих на машину опрокидывающих и сдвиговых эксплуатационных нагрузок, причем рабочий элемент анкерного устройства выполнен в виде плоского ножа с прямолинейной продольной осью, который для установки в свое рабочее положение совершает прокалывающее поступательное движение в грунте при помощи приводного гидроцилиндра, причем плоскость рабочего элемента наклонна по отношению к поверхности грунта и в рабочем положении рабочий элемент находится под площадкой контакта опорного устройства с поверхностью грунта.
Существенным недостатком рассмотренного прототипа является то, что рабочий элемент анкерного устройства, выполненный в виде плоского ножа и установленный в рабочее положение, при эксплуатации обеспечивает максимально эффективное восприятие внешней нагрузки от опрокидывающего момента на мобильную грузоподъемную машину со стороны перемещаемого груза и инерционных сил только когда плоскость действия опрокидывающего момента перпендикулярна (или достаточно близка к перпендикулярности) к рабочей (широкой) стороне плоского ножа. То есть тогда, когда стрела крана-манипулятора с перемещаемым грузом ориентирована перпендикулярно (или достаточно близко к перпендикулярности) относительно продольной оси грузоподъемной машины. В этом случае рабочий элемент преимущественно оказывает силовое воздействие на грунт всей площадью своей рабочей (широкой) стороны, вследствие чего величина давления ножа на грунт оказывается минимальна и разрушение грунта, а, следовательно, вырывание рабочего элемента из массива грунта и наступление неработоспособного состояния анкерного устройства происходит при более высоких значениях опрокидывающего момента. Однако при повороте стрелы крана-манипулятора совместно с транспортируемым грузом происходит поворот плоскости действия опрокидывающего момента, вследствие чего эта плоскость может значительно отклоняться от перпендикулярности по отношению к рабочей (широкой) стороне рабочего элемента анкерного устройства. Причем при положении стрелы крана-манипулятора вдоль продольной оси грузоподъемной машины плоскость действия опрокидывающего момента оказывается параллельной рабочей (широкой) стороне рабочего элемента. При таком (и близком к такому) взаимном расположении рабочий элемент преимущественно опирается на грунт своей боковой (узкой) стороной, вследствие чего анкерное устройство оказывается практически неработоспособным, так как со стороны рабочего элемента на грунт действует значительное давление и его вырывание из массива грунта происходит уже при небольших значениях опрокидывающего момента.
Технической задачей, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, является обеспечение стабильности общей устойчивости мобильных грузоподъемных машин, оснащенных кранами-манипуляторами, при их работе во всем диапазоне возможного поворота стрелы крана-манипулятора относительно продольной оси машины. Это также обуславливает повышение безопасности эксплуатации указанных машин.
Для решения указанной технической задачи в конструкции выносной опоры мобильной грузоподъемной машины, включающей смонтированный на раме машины кронштейн, снабженный подъемно-опускным с помощью приводного механизма опорным устройством для передачи на грунт нагрузки от машины и транспортируемого груза, и анкерное устройство для восприятия действующих на машину опрокидывающих и сдвиговых эксплуатационных нагрузок, имеющее рабочий элемент в виде плоского ножа с прямолинейной продольной осью, который для установки в свое рабочее положение совершает прокалывающее поступательное движение в грунте при помощи приводного гидроцилиндра, а плоскость рабочего элемента наклонна по отношению к поверхности грунта и в рабочем положении рабочий элемент находится под площадкой контакта опорного устройства с поверхностью грунта, причем вдоль не менее чем одной боковой поверхности рабочего элемента выполнена полка шириной более толщины рабочего элемента.
Полезная модель поясняется более подробно с помощью чертежей. Все не требующиеся для непосредственного понимания полезной модели элементы исключены.
На фиг. 1 показана схема установки выносной опоры при работе мобильной грузоподъемной машины, оснащенной краном-манипулятором; на фиг.2 - конструкция выносной опоры мобильной грузоподъемной машины в исходном (нерабочем) состоянии анкерного устройства (вид сбоку); на фиг.3 - конструкция выносной опоры мобильной грузоподъемной машины (вид сверху); на фиг. 4 - конструкция выносной опоры мобильной грузоподъемной машины в рабочем состоянии анкерного устройства (вид сбоку); на фиг. 5 - возможное конструктивное исполнение поперечного сечения рабочего элемента анкерного устройства; на фиг. 6 - схема, поясняющая принцип действия предлагаемой полезной модели; на фиг. 7 - схема, поясняющая каким образом реализуются заявленный положительный эффект от использования полезной модели; на фиг.8 - вариант поперечного сечения рабочего элемента анкерного устройства.
Суть полезной модели заключается в следующем. На раме 1 (фиг. 1, 7) мобильной грузоподъемной машины 2 (фиг. 1, 7), оснащенной краном-манипулятором 3 (фиг. 1, 7), установлены кронштейны 4 (фиг.1, 7) для крепления опорных устройств 5 (фиг. 1-4, 7) и анкерных устройств 6 (фиг. 1-4) выносных опор. Опорные устройства 5 (фиг. 1-4, 7) предназначены для передачи на грунт нагрузки от веса мобильной грузоподъемной машины 2 (фиг. 1, 7), крана-манипулятора 3 (фиг. 1, 7) и транспортируемого груза. Для этого в конструкции опорного устройства 5 (фиг. 1-4, 7) имеются корпус 7 (фиг. 1-4) и не-сущая стойка 8 (фиг. 1, 2, 4), способная совершать перемещение в вертикаль-ном направлении с целью выставления рамы 1 (фиг. 1, 7) мобильной грузоподъемной машины 2 (фиг. 1, 7) в горизонтальное рабочее положение, а также опорная плита 9 (фиг. 1-4) для непосредственного опирания на грунт. Для перевода выносной опоры из нерабочего (транспортного) положения в рабочее положение, а также для подъема-опускания несущей стойки 8 (фиг. 1, 2, 4) каждый кронштейн 4 (фиг. 1, 7) снабжен подъемно-опускным приводным механизмом 10 (фиг. 1).
К корпусу опорного устройства 7 (фиг. 1-4) крепится корпус анкерного устройства 11 (фиг. 1-4). Крепление выполняется с помощью двух пар удерживающих пластин 12 (фиг. 1-4), концы которых жестко закреплены на наружных поверхностях корпуса опорного устройства 7 (фиг. 1-4) и корпуса анкерного устройства 11 (фиг.1-4) с помощью сварных соединений. Корпус анкерного устройства 11 (фиг. 1-4) расположен наклонно по отношению к корпусу опорного устройства 7 (фиг. 1-4), в результате чего продольная ось ДЕ (фиг. 2, 4, 6) корпуса анкерного устройства 11 (фиг. 1-4) располагается наклонно по отношению к поверхности грунта. Конструктивно анкерное уст-ройство 6 (фиг. 1-4) выполнено в виде гидроцилиндра, причем в качестве штока гидроцилиндра выступает рабочий элемент 13 (фиг. 1-3, 5-7) анкерного устройства. Рабочий элемент 13 (фиг. 1-3, 5-7) выполнен в виде плоского ножа с прямолинейной продольной осью. Рабочий элемент 13 (фиг. 1-3, 5-7) имеет возможность линейного возвратно-поступательного перемещения вдоль продольной оси ДЕ (фиг. 2, 4, 6). Вдоль не менее чем одной боковой (узкой) стороны 14 (фиг. 5, 7) рабочего элемента 13 (фиг. 1-3, 5-7) выполнена полка 15 (фиг. 2-5, 7), ширина которой превышает толщину рабочего элемента 13 (фиг. 1-3, 5-7). Таким образом, поперечное сечение рабочего элемента 13 (фиг. 1-3, 5-7) представляет собой уголковое, швеллерное, тавровое, двутавровое или несимметричное сечение. Указанные сечения показаны на фиг. 5.
Полезная модель работает следующим образом. При переводе мобильной грузоподъемной машины 2 (фиг. 1, 7) из транспортного в рабочее положение с помощью подъемно-опускного приводного механизма 10 (фиг. 1) выносная опора приводится в рабочее положение путем вертикального перемещения несущей стойки 8 (фиг. 1, 2, 4) до обеспечения плотного контакта опорной плиты 9 (фиг. 1-4) с грунтом и расположения рамы 1 (фиг. 1, 7) в горизонтальной плоскости. Для этого рабочая жидкость из гидросистемы мобильной грузоподъемной машины 2 (фиг. 1, 7) по трубопроводу (условно не показан) через верхний штуцер 16 (фиг. 2-4) подается в верхнюю полость опорного устройства 5 (фиг. 1, 7), а рабочая жидкость из нижней полости опорного устройства 5 (фиг. 1, 7) через нижний штуцер 17 (фиг. 2, 4) по трубопроводу (условно не показан) синхронно вытесняется в гидросистему мобильной грузоподъемной машины 2 (фиг. 1, 7). Указанное состояние выносной опоры показано на фиг. 2. Затем выполняется перевод в рабочее положение анкерного устройства 6 (фиг. 1-4). Для этого рабочий элемент 13 (фиг. 1-3, 5-7) перемещается вдоль продольной оси ДЕ (фиг. 2, 4, 6) в крайнее выдвинутое положение путем подачи рабочей жидкости под давлением из гидравлической системы мобильной грузоподъемной машины 2 (фиг. 1, 7) в верхнюю рабочую полость корпуса анкерного устройства 11 (фиг. 1-4) по подводящему трубопроводу (условно не показан) через входной штуцер 18 (фиг. 2-4). Одновременно через выходной штуцер 19 (фиг. 2, 4) по отводящему трубопроводу (условно не показан) рабочая жидкость из нижней холостой полости корпуса анкерного устройства 11 (фиг. 1-4) подается в гидравлическую систему мобильной грузоподъемной машины 2 (фиг. 1, 7). В процессе своего перемещения рабочий элемент 13 (фиг. 1-3, 5-7) прокалывает грунт, для облечения чего он выполняется заостренным и подвергается при изготовлении упрочняющей (например, термохимической или термомеханической) обработке. Находясь в своем рабочем положении, рабочий элемент 13 (фиг. 1-3, 5-7) находится под площадкой контакта опорной плиты 9 (фиг. 1-4) опорного устройства 5 (фиг. 1-4) с поверхностью грунта. Указанное состояние выносной опоры показано на фиг. 4.
Обратный перевод анкерного устройства 6 (фиг. 1-4) в нерабочее положение (оно показано на фиг.2) выполняется путем подачи рабочей жидкости под давлением из гидравлической системы мобильной грузоподъемной машины 2 (фиг. 1, 7) в нижнюю холостую полость корпуса анкерного устройства 11 (фиг. 1-4) по отводящему трубопроводу (условно не показан) через выходной штуцер 19 (фиг. 2, 4). Одновременно через входной штуцер 18 (фиг. 2-4) по подводящему трубопроводу (условно не показан) рабочая жидкость из верхней рабочей полости корпуса анкерного устройства 11 (фиг. 1-4) возвращается в гидравлическую систему мобильной грузоподъемной машины 2 (фиг. 1, 7). При этом рабочий элемент 13 (фиг. 1-3, 5-7) перемещается вдоль продольной оси ДЕ (фиг. 2, 4, 6) до своего максимально втянутого положения.
опр
вос
опр
опр
вос.
вос.доп
опр
вос
вос.доп
Принцип действия полезной модели заключается в следующем. При работе мобильной грузоподъемной машины 2 (фиг. 1, 7), оснащенной краном-манипулятором 3 (фиг. 1, 7), перемещаемый груз вызывает появление опрокидывающего момента М=G⋅h (фиг. 1), который обуславливает снижение общей устойчивости мобильной грузоподъемной машины 2 (фиг. 1, 7) и может привести к ее опрокидыванию относительно ребра опрокидывания -точки А (фиг. 1). Негативное влияние опрокидывающего момента нейтрализуется действием восстанавливающего момента, который в случае использования в конструкции мобильной грузоподъемной машины 2 (фиг. 1, 7) только опорных устройств 5 (фиг. 1, 7) составляет  Общая устойчивость мобильной грузоподъемной машины 2 (фиг. 1, 7) обеспечивается, когда М>М. Соответственно, условие потери общей устойчивости мобильной грузоподъемной машины имеет вид: М>МВеличина опрокидывающего момента пропорциональна плечу h действия сосредоточенной силы от веса груза G, приложенной в его центре тяжести - точке Б (фиг. 1), а восстанавливающего - пропорциональна плечу  действия сосредоточенной силы от веса мобильной грузоподъемной машины 2 (фиг. 1, 7) в целом Q, приложенной в ее центре тяжести - точке В (фиг. 1). Поэтому мобильные грузоподъемные машины, оснащенные кранами-манипуляторами, комплектуются выносными опорами, так они позволяют существенно уменьшить величину плеча h при одновременном равном увеличении плеча . При включении в конструкцию мобильной грузоподъемной машины 2 (фиг. 1, 7) анкерных устройств 6 (фиг. 1-4) предлагаемой конструкции появляется дополнительный восстанавливающий момент М=F⋅m. В этом случае условие потери общей устойчивости мобильной грузоподъемной машиной принимает следующий вид: М>М+М, т.е. для ее опрокидывания требуется больший опрокидывающий момент. Величина дополнительного восстанавливающего момента прямо пропорционально зависит от создаваемой анкерным устройством удерживающей силы F, приложенной в точке Г и направленной перпендикулярно передней поверхности 20 (фиг. 5-8) рабочего элемента 13 (фиг. 1-3, 5-7), и плеча ее действия m относительно ребра опрокидывания - точки А (фиг. 1). Ненулевое значение плеча m действия удерживающей силы F имеет место в случае наклонного расположения рабочего элемента 13 (фиг. 1-3, 5-7) в грунте, причем оно увеличивается с увеличением угла наклона продольной оси ДЕ (фиг. 2, 4, 6) по отношению к нормали к поверхности грунта.
Величина удерживающей силы F (показана на фиг. 1, 7), создаваемой анкерным устройством 6 (фиг. 1-4), зависит от прочностных свойств грунта и условий его разрушения при вырывании рабочего элемента 13 (фиг. 1-3, 5-7) под действием опрокидывающего момента, а также от площади поверхности рабочего элемента 13 (фиг. 1-3, 5-7), по которой он воздействует на массив грунта:
F=[p]⋅S=[p]⋅L⋅H,
где [р] - максимально допустимое давление со стороны рабочего элемента, которое грунт выдерживает до начала своего разрушения [Далматов, Б.И. Механика грунтов, основания и фундаменты / Б.И. Далматов. - Л.: Стройиздат, 1988. - 415 с. ]); S - площадь поверхности рабочего элемента; L - заглубление рабочего элемента в грунт; Н - ширина поверхности рабочего элемента, по которой он воздействует на грунт.
max
20
20
min
min
14
14
20
14
max
min
15
15
20
15
max
20
15
max
min
15
14
Схема разрушения грунта показана на фиг. 6. При вырывании из массива грунта рабочий элемент 13 (фиг. 1-3, 5-7) стремится перейти из штатного рабочего положения I (фиг. 6) в положение II (фиг. 6). При этом он своей передней поверхностью 20 (фиг. 5-8) воздействует на прилегающей к ней грунт, вследствие чего происходит последовательное разрушение грунта путем поочередного смещения его соседних слоев вдоль линий сдвига 1-1, 2-2,…8-8 (фиг. 6). Наличие сопротивления сдвигу слоев грунта и формирует удерживающую силу F, создаваемую анкерным устройством 6 (фиг. 1-4). Сила F тем больше, чем больше заглубление L рабочего элемента 13 (фиг. 1-3, 5-7) в грунт и больше ширина Н поверхности рабочего элемента 13 (фиг. 1-3, 5-7), по которой он воздействует на грунт. Такой механизм вырывания рабочего элемента 13 (фиг. 1-3, 5-7) из массива грунта соответствует случаю, когда вертикальная плоскость действия опрокидывающего момента перпендикулярна продольной оси мобильной грузоподъемной машины 2 (фиг. 1, 7), т.е. когда кран-манипулятор 3 (фиг. 1, 7) занимает положение А на фиг. 7. При этом удерживающая сила F (фиг. 7) принимает максимальное значение F=[p]⋅H⋅L, где Н - ширина передней поверхности 20 (фиг. 5-8). При повороте крана-манипулятора 3 (фиг. 1, 7) вместе с грузом вертикальная плоскость действия опрокидывающего момента отклоняется на угол α от перпендикулярного положения относительно продольной мобильной машины 2 (фиг. 1, 7). При этом величина удерживающей силы F постепенно уменьшается (см. график F ~ α на фиг. 7). Своего минимального значения F удерживающая сила F достигнет, когда кран-манипулятор 3 (фиг. 1, 7) повернется на угол α=90° и вертикальная плоскость действия опрокидывающего момента станет параллельной продольной оси мобильной грузоподъемной машины 2 (фиг. 1, 7), так как рабочий элемент 13 (фиг. 1-3, 5-7) будет обеспечивать работу анкерного устройства 6 (фиг. 1-4) только за счет взаимодействия с грунтом своей боковой стороной. При отсутствии полки 15 (фиг. 2-5, 7) минимальная величина удерживающей силы F составит F=[p]⋅H⋅L, где Н - ширина боковой (узкой) стороны 14 (фиг. 5, 7). В этом случае она в Н/Н раз оказывается меньше (до 5-10 раз меньше), чем максимальное значение удерживающей силы F. Изменение величины удерживающей силы F при промежуточных углах 0<α<90° поворота крана-манипулятора 3 (фиг. 1, 7) характеризуется кривой 1 на фиг. 7. При наличии полки 15 (фиг. 2-5, 7) минимальная величина удерживающей силы F составит F=[p]⋅H⋅L, где Н - ширина полки 15 (фиг. 2-5, 7). В этом случае она лишь в Н/Н раз оказывается меньше (в 1-2 раза меньше), чем максимальное значение удерживающей силы F (если размеры Н и Н выполнены равными, то тогда вообще F=F). Это связано с тем, что при наличии полки 15 (фиг. 2-5, 7) ширина поверхности Н рабочего элемента 13 (фиг. 1-3, 5-7), по которой он воздействует на грунт, в несколько раз больше, чем ширина поверхности Н рабочего элемента 13 (фиг. 1-3, 5-7) без полки 15 (фиг. 2-5, 7). Изменение величины удерживающей силы F при промежуточных углах 0<α<90° поворота крана-манипулятора 3 (фиг. 1, 7) в случае наличия полки 15 (фиг. 2-5, 7) характеризуется кривой 2 на фиг. 7. Сравнение кривых 1 и 2 (фиг. 7) показывает, что в том случае, когда рабочий элемент 13 (фиг. 1-3, 5-7) снабжен не менее чем одной полкой 15 (фиг. 2-5, 7), анкерное устройство 6 (фиг. 1-4) обеспечивает более высокие значения и большую стабильность величины удерживающей силы F во всем диапазоне углов поворота крана-манипулятора 3 (фиг. 1, 7) при перемещении транспортируемого груза. Этим и достигается техническое преимущество заявляемой полезной модели перед прототипом. Выполнение полок 15 (фиг. 2-5, 7) вдоль обеих боковых сторон рабочего элемента 13 (фиг. 1-3, 5-7) повышает надежность работы анкерного устройства 6 (фиг. 1-4).
Как вариант исполнения, поперечное сечение рабочего элемента 13 (фиг. 1-3, 5-7) анкерного устройства 6 (фиг. 1-4) имеет Х-образную форму, причем наименьший угол скрещивания β соседних плоских выступов 21 (фиг. 8) составляет более
β=2arcsin (b/М),
где b - толщина плоского выступа; М - ширина поперечного сечения рабочего элемента.
max
min
max
min
max
min
max
min
-1
Принцип работы анкерного устройства 6 (фиг. 1-4) с рабочим элементом 13 (фиг. 1-3, 5-7), имеющим Х-образную форму поперечного сечения, аналогичен рассмотренному рабочему элементу с плоской полкой, так как Х-образная форма поперечного сечения позволяет увеличить ширину боковой поверхности рабочего элемента 13 (фиг. 1-3, 5-7), по которой он воздействует на грунт при повороте крана-манипулятора 3 (фиг. 1, 7). Разница между максимальным F и минимальным F значениями удерживающей силы F зависит от угла скрещивания β соседних плоских выступов 21 (фиг. 8): отношение F/F=[sin(β/2)+(b/M)⋅cos(β/2)] (при β=90° максимальное F и минимальное F значения удерживающей силы F будут равны: F=F). Таким образом, Х-образная форма поперечного сечения рабочего элемента 13 (фиг. 1-3, 5-7) приводит к получению более высоких значений и большей стабильности величины удерживающей силы F во всем диапазоне углов поворота крана-манипулятора 3 (фиг.1, 7) при перемещении транспортируемого груза. Требование к минимально допустимому значению наименьшего угла скрещивания β соседних плоских выступов 21 (фиг. 8) объясняется тем, что при меньших углах скрещивания невозможно получить Х-образное поперечное сечение.
Технико-экономический результат от внедрения полезной модели достигается за счет повышения общей устойчивости мобильных грузоподъемных машин и, таким образом, расширения условий их применения (по прочности грунтов и не горизонтальности установочной поверхности), при которых указанные машины можно безопасно эксплуатировать с максимальными паспортными грузовысотными характеристиками. Это приводит к повышению общей производительности и безопасности работы мобильных грузоподъемных машин.