Эффективность применения опорных колес в ковше экскаватора-драглайна

ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ОПОРНЫХ КОЛЕС В КОВШЕ ЭКСКАВАТОРА-ДРАГЛАЙНА

Л.А. Хмара, профе^ор, д.т.н., Приднепровская государственная академия строительства

и архитектуры

Аннотация. Представлены математические модели тяговых сопротивлений в ковшах драглайнов различного исполнения. Доказана возможность увеличения наполнения ковша за счет снижения сил трения днища о грунт. Представлены технические предложения ковшей драглайнов с поддерживающими колесами, отличительной особенностью которых является замена трения-скольжения днища о грунт на трение-качения.

Ключевые слова: тяговое усилие, математическая модель, поддерживающий ролик, силы трения, технические предложения.

Введение

Важной составной частью технологии строительного производства являются процессы, связанные с выполнением земляных работ. Реализация основных положений по экономии энергетических и материальных ресурсов в строительстве обусловливает необходимость осуществления ряда мероприятий по повышению производительности труда, экономии трудовых, материальных и энергетических ресурсов на базе широкого внедрения новой высокоэффективной землеройной техники, комплексной механизации и автоматизации технологических процессов. В связи с этим всякие исследования и научные разработки, направленные на формирование новых технических и конструктивных решений и реализацию на этой основе высокоэффективных многокомпонентных рабочих органов землеройных машин, обеспечивающих существенную экономию энергетических, материальных и трудовых ресурсов при выполнении земляных работ, следует считать выполненными на актуальную тему [1, 2, 3,

4, 5, 6].

Цель работы и задачи исследований

Цель статьи заключается в установлении эффективности применения опорных колес в ковше экскаватора-драглайна. Для достиже-

ния поставленной цели предполагается решить следующие задачи: сформировать математическую модель взаимодействия ковша драглайна с грунтом с учетом трения поверхности днища о забой; проанализировать влияние сил трения поверхности драглайна на изменение тягового сопротивления; представить графики изменения массы грунта в ковше драглайна в зависимости от угла наклона траектории, сил трения о днище ковша

о грунт; представить технические предложения ковшей-драглайнов с уменьшенными силами трения днища о поверхность грунта.

Для ковшей драглайнов при прочих равных условиях для заглубления режущего ножа в грунт решающее значение имеет собственный вес [7, 8, 9, 10]. На сегодняшний день полученные данные по ковшам драглайнов показывают, что наиболее эффективно ковши драглайнов могут работать при предельных углах забоя к горизонту а < 20...300 в глинистых и а < 35.45° в песчаных грунтах [4, 5, 7].

Рассмотрим общий случай работы на наклонной площадке ковша драглайна традиционного исполнения (рис. 1, а). Ковш во время работы перемещается тяговым канатом, в котором возникает усилие Рк, преодолевающее сопротивление резанию, составляющую силы веса, направленную по канату, и силу

трения ковша о грунт. Траектория ковша, как уже отмечено ранее, зависит от местных сопротивлений, несколько отклоняясь под их влиянием в стороны от прямой, параллельной тяговому канату.

Рис. 1. Расчетные схемы: а - ковш драглайна традиционного исполнения; б - ковш драглайна новой конструкции, снабженной поддерживающими опорными колесами

Согласно рис. 1, а, на котором изображен общий случай движения ковша по наклонной поверхности под углом а, можно написать уравнение

STTP = ^кК+Р g sina +

+ KG GK+T g cosa tgd ,

где ¿Гтр - тяговое сопротивление ковша традиционного исполнения; Рк - сопротивление грунта резанию [8, 9, 12, 13]; Gк+г - масса грунта с ковшом традиционного исполнения; tgS - коэффициент трения поверхности днища ковша драглайна о грунт; g - ускорение свободного падения; К @ 0,5 - коэффициент, учитывающий величину массы ковша, приходящуюся на нижнюю часть днища и подвергающуюся трению о поверхность забоя.

Анализируя данное уравнение (1) установлено, что значительная доля тягового усилия драглайна £Гтр расходуется на преодоление сил трения днища ковша о грунт.

Автором статьи предложено техническое решение ковша драглайна, в котором сопротивление сил трения скольжения поверхности днища о грунт заменено на сопротивление качению [4, 5, 6, 11, 14]. Расчетная схема ковша драглайна с поддерживающими роликами, исключающими сопротивление скольжению представлена на рис.1,б.

Тн

кн

^Н

+ KGH GK+r g cosa f,

где f - коэффициент сопротивления качению поддерживающего ролика (опорного колеса); Р Кн - сопротивление грунта резанию ковша с поддерживающими колесами; Kgh = 0,6 -0,9 - коэффициент, учитывающий величину массы ковша, приходящуюся на опорные, поддерживающие ролики.

Теперь приравняем (1) и (2):

ST = ST •

ТТР Тн ?

Pк + GK+r g sina + Kg GK+r g cosa tgd =

= Ркн + GIC+rg sina + KGH GIC+rg COsa f.

Отсюда найдем значение массы ковша с грунтом, снабженного поддерживающими

(опорными) колесами G

G

К+Г -

PK + GK+r sina +

К+Г

sina + Kgh cosa f

Kg GK+r cosa tg8 - P

С учетом возможного увеличения массы набираемого в ковш грунта и установки дополнительного оборудования (например, поддерживающие, опорные колеса) определим собственную массу ковша драглайна новой конструкции.

gK = gKyk

где

к

G

увР

K+Г

G

К+Г

С учетом соотношений (4) и (5) получим окончательную зависимость для определения собственной массы ковша новой конструкции

gK = Gk

н

K+Г

G

К+Г

а

Н

G

Н

Проанализируем формулу (3) и установим влияние некоторых параметров на изменение массы грунта в ковше новой конструкции

СН+Г-

Как видно из представленных графиков (рис 2,

а, б и в), в условиях снабжения ковша драглайна поддерживающими колесами возможно достичь снижение общего тягового сопротивления 5Тн на 5-35 % (за счет снижения сил трения). При исследованиях (см. рис. 2) были приняты: собственная масса Ск = 900 кг;

1 - f = 0,1; 2 - f=0,15; 3 - f=0,2; 4 - f = =0,25.

Песок: у = 1600кг/м3; Ок+г =2500кг; 1ё5= 0.6; Кс=0.5; Ко„=0.65

Суглинок: у = 1650кг/м3; Ок+г =2550кг; 0.65; Кс=0.5; Кс„=0.65

Рис. 2. Изменение массы ковша с грунтом, снабженным поддерживающими (опорными) колесами СК+Г, от угла забоя а к горизонту

Это позволит при обеспечении равенства тяговых усилий в тяговых канатах ковша традиционного типа и в ковшах драглайнов с поддерживающими колесами увеличить массу ковша с грунтом в зависимости от угла забоя а к горизонту в среднем соответственно на: песок 54,8 - 13,72 %; суглинок 48,82 -13,96 % ; глина 53,54 - 16,37 %.

В дальнейших исследованиях необходимо:

- уточнить значения коэффициентов КС и КСН; - провести экспериментальные исследования по инструментальным замерам изменения силовых значений процесса в условиях варьирования коэффициента ^ и развесовки ковша для различных грунтов.

Реализовать полученный научный результат возможно в ковшах драглайнов конструкции автора (рис. 3) [4, 6, 14], где представлены ковши драглайнов, снабженные опорными поддерживающими колесами.

Рис. 3. Варианты технических решений по созданию ковшей драглайнов

Выводы

В соответствии с поставленной целью и задачами в статье представлена математическая модель взаимодействия с грунтом ковшей драглайнов различного исполнения - традиционного типа с поддерживающими колесами, учитывающие соответственно силы трения днища о грунт, сопротивление

а

б

в

качению. Использование ковшей драглайнов с поддерживающими колесами позволит достичь значительного увеличение массы грунта в ковше в среднем на 15 - 35 %. В результате проведенных исследований предложены конструкции ковшей увеличенной вместимости и с поддерживающими колесами (рис. 3). Главной отличительной особенностью ковшей драглайнов с опорными поддерживающими роликами от ковшей драглайнов традиционного исполнения является замена трения-скольжения опорной поверхности днища о грунт на трение-качения.

Литература

1. Хмара Л.А. Актуальные направления

научных исследований в области совершенствования землеройной, строительной и дорожной техники // Сб. науч. тр.: Строительство. Материаловедение. Машиностроение. - Дн-ск: ПГАСА. - 2004.

- Вып. 26. - С. 5 - 18.

2. Хмара Л.А. Научные основы формирова-

ния высокоэффективных рабочих органов землеройных машин многоцелевого назначения манипуляторного типа. Деп. рукоп (монография) №5639. ВНИИИС Госстроя СССР, 1985. - 89 с.

3. Хмара Л.А. Определение параметров рабо-

чих органов дорожно-строительных машин повышенной эффективности. Деп. рукоп. (монография) №3238. ЦИНИС Госстроя СССР, 1982. - 178 с.

4. Баловнев В.И. , Хмара Л.А. Интенсифика-

ция земляных работ в дорожном строительстве. - М.: Транспорт, 1983. - 183 с.

5. Баловнев В.И. , Хмара Л.А. Интенсифика-

ция разработки грунтов в дорожном строительстве. - М.: Тр-т, 1993. - 383 с.

6. Хмара Л.А., Колюник М.П., Станешсь

кий В.П. Модершзащя та тдвищення продуктивност будiвельних машин. -К.: Будiвельник, 1992. - 152 с.

7. Петерс Е.Р. Основы теории одноковшовых

экскаваторов. - М.: Государственное

научно-техническое издательство маши-но-строительной литературы, 1955. -260 с.

8. Домбровский Н.Г., Панкратов С.А. Земле-

ройные машины. Ч.1. Одноковшовые экскаваторы. - М.: Госстройиздат, 1969.

- 652 с.

9. Федоров Д.И. Рабочие органы землерой-

ных машин. - М.: Машиностроение, 1977. - 288 с.

10. Хмара Л.А., Мартыненко Ю.В.. Многокритериальная оптимизация основных параметров ковшей драглайнов / Сб. трудов ИК АН Украины «Математические методы в задачах расчета и проектирования сложных механических систем». - К., 1992. - С. 78 - 84.

11. Хмара Л.А. К проведению НИРС «Фор-

мирование высокоэффективных рабочих органов землеройных машин: Метод. указания. - Днепропетровск: ДИСИ, 1986. - 44 с.

12. Хмара Л.А., Мартыненко Ю.В. Матема-

тические модели процесса копания грунтов ковшами экскаваторов драглайнов различного конструктивного исполнения // 1нтенсифшащя будiвельного виробництва / Зб. наук. пр. - К.: УМК ВО, 1992. - С. 79 - 87.

13. Хмара Л.А., Мартыненко Ю.В. Исследо-

вание процесса копания грунта ковшами драглайнов // Научные основы строительства / Сб. науч. тр. - К.: ИСИО, 1993.- С. 208 - 215.

14. Хмара Л.А., Шатов С.В., Соколов 1.А.,

Доценко О.В. Ювш екскаватора-драг-лайна. Ршення про видачу

декларацшного патенту на корисну модель. Заявка № Ш00606367 вщ 08.06.2006.

Рецензент: Л.В. Назаров, профессор, д.т.н., ХНАДУ.

Статья поступила в редакцию 6 июня 2007 г.