Исследования динамики одноковшовых гидравлических экскаваторов: современнное состояние и некоторые перспективы

-© П.А. Побегайло, 2014

УДК 621.87.9.34

П.А. Побегайло

ИССЛЕДОВАНИЯ ДИНАМИКИ ОДНОКОВШОВЫХ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ЭКСКАВАТОРОВ: СОВРЕМЕНННОЕ СОСТОЯНИЕ И НЕКОТОРЫЕ ПЕРСПЕКТИВЫ1

Приведены результаты выполненного нами анализа литературы в области исследования динамических процессов в одноковшовых гидравлических экскаваторах. При этом обращено пристальное внимание на работы не только напрямую касающихся одноковшовых гидравлических экскаваторов, но и на труды в смежных областях, с учетом достижений в механике и теории машин и механизмов. Однако, непосредственно в тексте настоящей статьи приведены лишь основные выводы, полученные нами при указанном анализе. В качестве основных результатов проведенного нами анализа литературы в области исследований динамических процессов в одноковшовых гидравлических экскаваторах можно указать на почти полное отсутствие современных методов, позволяющих оценивать усталостную долговечность металло-кон-струкций экскаваторов. Кроме этого, необходимо уточнить понятие связи для одноковшовых гидравлических экскаваторов. Для этого полезно использовать понятие «изолированное гидрообъемное устройство». Тогда ограничения в этом устройстве, как части экскаватора, накладываемые на твердые тела жидкостью, можно рассматривать как действие особого рода механической связи (расширенные параметрические связи).

Ключевые слова: одноковшовый экскаватор; динамика экскаватора; перспективы исследований экскаваторов.

Исследования динамики одноковшовых гидравлических экскаваторов проводятся начиная с конца 60-х, начала 70-х годов прошлого века. Большой вклад в эти исследования внесли советские и российские ученые и инженеры. В качестве примера, мы можем указать на работы2 Беренгарда Ю.Г., Васильевой В.В., Волобоева В.Г., Гайцгори М.М., Ду-данова И.В., Загвоздина Ю.Г., Исакова В.С., Кириллова Г.В., Козлова М.В., Королева А.В., Коротких П.В., Малиновского Е.Ю., Перлова А.С., Ребе-ко Л.В., Рустановича А.В., Смоляниц-кого Э.А., Тарана В.Х., Тарасова В.Н., Хороша И.А., Щербакова В.С., Шлыкова В.Н. и др.

Конечно же, за рубежом так же велись и ведутся соответствующие ис-

следования. Из известного нам многообразия иностранных авторов укажем на труды: Данчева Д., Круля К., Ми-трева Р., Панова В., Яношевича Д., Кошо А. и др.

Существенную роль при исследовании динамики одноковшовых гидравлических экскаваторов играли и играют исследования динамики горных, строительных, подъемно-транспортных машин, роботов, а также исследования более общей направленности (число ученых и инженеров тут очень велико и поэтому мы не будем приводить их фамилии).

Таким образом, исследованиям динамики одноковшовых гидравлических экскаваторов (ОГЭ) уже более сорока лет. Большое число специалистов занимались и занимаются этой

1 Настоящая работа выполнена в рамках программы фундаментальных исследований ОЭММПУ РАН № 1 «Научные основы робототехники и мехатроники».

2 В настоящей работе мы не претендуем на полное раскрытие рассматриваемого вопроса.

многогранной проблемой. Не уменьшающееся число публикаций указывает на то, что данная область еще далеко не исчерпана. Однако большое число работ, их широкая география и разбросанность по различным журналам и сборникам конференций затрудняет продолжение исследований в этом направлении. Необходимо выполнить анализ уже сделанного в рассматриваемой области человеческого знания. Настала пора подвести некоторые итоги.

С целью начала работы в сформулированном только что направлении нами и подготовлен настоящий текст, имеющий, конечно же, краткий и постановочный характер.

Поэтому в настоящей работе приведем лишь некоторые основные результаты выполненного нами анализа. Итак:

• динамические усилия, возникающие в ОГЭ, являются результатом совместного воздействия динамики внешней нагрузки, динамики элементов конструкции и динамики материалов. Последняя обычно не учитывается [1 и др.] (по видимому это в будущем измениться);

• основу рабочего оборудования (РО) ОГЭ составляют механизмы с подвижными гидроцилиндрами (ГЦ), входящими в группу механизмов с заданным относительным движением подвижных звеньев [2, 15 и др.]. Определение нагрузок в упругих звеньях таких механизмов в общем виде представляет большие трудности. Во-первых, при движении поршня исполнительного ГЦ изменяются приведенные к поршню масса и жесткость системы, во-вторых, изменение приведенной массы и жесткости каждой последующей из двух последовательно связанных систем изменяет параметры предыдущей [3, 4 и др.];

• большое число работ по исследованию динамики строительных ОГЭ

базируется на известных подходах механики. Однако нельзя в полной мере, без серьезной адаптации переносить предложенные подходы на карьерные машины, т.к. они имеют свои специфические черты в рабочем процессе. Тоже самое можно сказать и об использовании работ, посвященных роботам-манипуляторам (в отношении и строительных, и карьерных ОГЭ);

• авторы некоторых работ (такие подходы могут быть названы «не стандартными») используют самые свежие и модные идеи механики и математики. Однако при исследовании динамики ОГЭ требуются дополнительные математические модели, описывающие ряд процессов в системе «человек - машина - среда». И эти модели часто оказываются совсем не такими продвинутыми и точными, как того бы хотелось бы конструкторам и проектировщикам. Это конечно несколько обесценивает полученные красивые результаты с применением всех современных средств и методов (например, методы нелинейной динамики, применяемые некоторыми австралийскими специалистами). При этом многие из таких работ не доходят до потребителя, а если и доходят, то не могут быть адекватно восприняты;

• известные нам «стандартные» модели, позволяющие изучать динамику ОГЭ, можно разбить на несколько групп (не будем сейчас уточнять это разбиение, оно не так важно для настоящего краткого обзора). Отсутствуют работы, сравнивающие эти подходы и не ясно, какой из подходов наиболее рационален. Многие из них так же опираются на не достаточно точно обоснованные расчетные схемы и не совсем точно учитывают реальную специфику ОГЭ, его рабочих процессов. Очевидно, что необходимо вернуться к разработке расчетных документов, при участии как конструкторов, так и ученых - механиков;

• забыты многие советские, оригинальные работы в области динамики машин и механизмов, которые могли бы быть использованы в наше время для изучения динамики ОГЭ [5-10, 18, 19 и др.];

• практически все известные нам подходы не позволяют оценить влияние динамики в ОГЭ на усталостную долговечность несущих металлоконструкций и т.п. (известные работы Круля К. [11, 12 и др.] нуждаются как минимум в продолжении);

• часто рассматриваются раздельные режимы работы ОГЭ. Необходимо же исследование динамики ОГЭ при одновременном выполнении им нескольких рабочих движений;

• недостаточно внимания уделяется вопросам уравновешивания рабочего оборудования ОГЭ. Одна единственная диссертация [13] за сорок лет - этого явно не достаточно для решения указанной проблемы. В методическом плане опираться тут нужно на работы [5, 14 и т.п.];

• вопросы безопасности оператора ОГЭ, в части изучения действия на него динамических нагрузок и их снижения, в России поставлены не

достаточно полно и требуют своей интенсификации;

• на базе работ [9, 10 и др.] может быть полезным введение в рассмотрение понятия «изолированное гидрообъемное устройство (ИГУ)», что поможет уточнить понятие связи для ОГЭ (ограничения в ИГУ, как части ОГЭ, накладываемые на твердые тела жидкостью, можно рассматривать как действие особого рода механической связи (расширенные параметрические связи));

• вопросы исследования динамики гидравлического привода имеют свою специфику и требуют отдельного рассмотрения. Поэтому сейчас укажем лишь на то, что требуется скорейшее восстановление и новое внедрение идей ВНИИСДМ [16 и др.] (с уточнением ряда формул);

• в дальнейшей перспективе принципиальным видится вопрос о том, что лучше - представление экскаватора как многомассовой системы (кстати, до сих пор не решен вопрос о том, сколько же масс достаточно для моделирования ОГЭ при проектировании) с учетом свойств грунта под экскаватором или моделирование гидравлического привода с учетом первичного двигателя.

1. Волков Д.П., Крикун В.Я., Гаев-ская К.С. и др. Машины для земляных работ: учебник для студентов вузов по специальности «Подъемно-транспортные, строительные и дорожные машины и оборудование» / Под общ. ред. Д.П. Волкова. - М.: Машиностроение, 1992. - 448 с.

2. Кожевников С.Н., Цехнович Л.И. Механизмы с заданным относительным движением подвижных звеньев / Труды семинара по ТММ. Т. 14., вып. 56. - М.: Изд-во АН СССР. 1955. - С. 59-89.

3. Перлов А.С., Смоляницкий Э.А. К динамическому анализу рабочего оборудования гидравлического экскаватора / Исследование приводов строительных и дорожных машин: Науч. тр. ХШ - М.: ВНИИСДМ, 1969.- С. 20-27.

_ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

4. Перлов А. С., Смоляницкий Э.А. Динамика системы «рабочее оборудование - гидропривод» одноковшового гидравлического экскаватора / Исследование одноковшовых экскаваторов: Науч. тр. № 54. - М.: ВНИИСДМ, 1972. - С. 37-46.

5. Бессонов А.П. Основы динамики механизмов с переменной массой звеньев. - М.: Наука, 1967. - 280 с.

6. Пономарев В.А. Методы динамического исследования механизмов с двумя степенями свободы: Дисс. ... канд. техн. наук. -М., 1972. - 131 с.

7. Мудров П.Г. Исследование пространственных шарнирных механизмов с особой структурой и их внедрение в машиностроение: Дисс. ... докт. техн. наук. - М., 1979. -220 с.

8. Горский Б.Е. Динамическое совершенствование механических систем. - К.: Технжа, 1987. - 200 с.

9. Цымбалюк А.А. Основы динамики и разработка механизмов приводов с изолированными гидрообъемными устройствами: Дисс. ... докт. техн. наук. - Киев, 1981. -271 с.

10. Цымбалюк А.А. Аналитическая динамика механизмов с гидроустройствами. - К.: Выща школа, 1990. - 175 с.

11. Круль К. Влияние динамической на-груженности на усталостную долговечность рабочего оборудования одноковшовых гидравлических экскаваторов: Дисс. ... канд. техн. наук. - М., 1986. - 260 с.

12. Круль К. Оценка работоспособности металлоконструкций строительных машин с дефектами: Дисс. ... докт. техн. наук. - М., 1999. - 289 с.

13. Коваленко М.В. Уравновешивание рабочего оборудования гидравлического

экскаватора: Дисс. ... канд. техн. наук. -Омск, 2004. - 179 с.

14. Петриашвили Б.Д. Методы уравновешивания механизмов с переменными инерционными параметрами: Дисс. ... канд. техн. наук. - М., 1972. - 148 с.

15. Озол О.Г. Исследование некоторых основных вопросов конструирования и расчета механизмов: Дисс. ... докт. техн. наук. -Рига, 1965. - 350 с.

16. Беренгард Ю.Г. Разработка методов автоматизированного расчета гидросистем строительных и дорожных машин: Дисс. ... канд. техн. наук. - М., 1979. - 134 с.

17. Ясюленис А.И. Исследования механики машин матрично-гармоническим методом: Дисс. . докт. техн. наук. - М., 1970. - 328 с.

18. Казыханов Х.Р. Основы автоматизации математического моделирования и исследования динамики механизмов и машин: Дисс. ... докт. техн. наук. - М., 1985. -406 с. ЕШ

КОРОТКО ОБ АВТОРЕ_

Побегайло Петр Алексеевич - кандидат технических наук, старший научный сотрудник, e-mail: petrp214@yandex.ru, ИМАШ им. А.А. Благонравова РАН.

UDC 621.87.9.34

RESEARCHES OF DYNAMICS OF HYDRAULIC EXCAVATORS: CURRENT STATE AND SOME PROSPECTS

Pobegailo P.A., Candidate of Technical Sciences, Senior Researcher, e-mail: petrp214@yandex.ru,

Blagonravov Mechanical Engineering Research Institute of RAS.

In the present article results of the analysis of literature made by us in the field of research of dynamic processes are given in hydraulic excavators. The close attention to works not only directly concerning hydraulic excavators, but also is thus paid to works in adjacent areas, taking into account achievements in mechanics and the theory of cars and mechanisms. However, directly the main conclusions received by us in the specified analysis are given in the text of the present article only. As the main results of the analysis of literature carried out by us in the field of researches of dynamic processes in hydraulic excavators it is possible to point to almost total absence of the modern methods, allowing to estimate fatigue durability of a metalwork of excavators. Besides, it is necessary to specify concept of communication for hydraulic excavators. For this purpose it is useful to use the concept "the isolated gidrovolume device". Then restrictions in this device as the parts of the excavator imposed on firm bodies by liquid, it is possible to consider as special type of action of mechanical communication (expanded parametrical communications).

Key words: hydraulic excavator; dynamics of the excavator; prospects of researches of excavators.

REFERENCES

1. Volkov D.P., Krikun V.Ya., Gaevskaya K.S. Mashiny dlya zemlyanykh rabot: uchebnik dlya studentov vuzov po spetsial'nosti «Pod"emno-transportnye, stroitelnye i dorozhnye mashiny i oborudovanie». Pod ob-

shch. red. D.P. Volkova (Digging machines: Textbook for students specializing in pick-and-place, construction and road-building machines and equipment, Volkov D.P. (Ed.)), Moscow, Mashinostroenie, 1992, 448 p.

2. Kozhevnikov S.N., Tsekhnovich L.I. Trudy seminara po TMM (Proceedings of Workshop on Mechanism and Machine Theory), vol. 14., issue 56), Moscow, Izd-vo AN SSSR, 1955, pp. 59-89.

3. Perlov A.S., Smolyanitskii E.A. Issledovanie privodov stroitelnykh i dorozhnykh mashin: Nauch. tr. XLV (Construction and road-building machine drive test: Transactions XLV), Moscow, VNIISDM, 1969, pp. 20-27.

4. Perlov A.S., Smolyanitskii E.A. Issledovanie odnokovshovykh ekskavatorov: Nauch. tr. no 54 (Examination of shovel excavators: Transactions no. 54), Moscow, VNIISDM, 1972, pp. 37-46.

5. Bessonov A.P. Osnovy dinamiki mekhanizmov s peremennoi massoi zvenev (Basic dynamics of mechanisms with variable mass of links), Moscow, Nauka, 1967, 280 p.

6. Ponomarev V.A. Metody dinamicheskogo issledovaniya mekhanizmov s dvumya stepenyami svobody (Dynamic testing methods for mechanisms with two degrees of freedom), Candidate's thesis, Moscow, 1972,

7. Mudrov P.G. Issledovanie prostranstvennykh sharnirnykh mekhanizmov s osoboi strukturoi i ikh vne-drenie v mashinostroenie (Examination of spatial link mechanisms with a special structure and their introduction in machine building), Doctor's thesis, Moscow, 1979, 220 p.

8. Gorskii B.E. Dinamicheskoe sovershenstvovanie mekhanicheskikh sistem (Dynamic improvement of mechanical systems), Kiev, Tekhnika, 1987, 200 p.

9. Tsymbalyuk A.A. Osnovy dinamiki i razrabotka mekhanizmov privodov s izolirovannymi gidroob"emnymi ustroistvami (Basic dynamics and design of drive mechanisms with insulated hydrostatic devices), Doctor's thesis, Киев, 1981, 271 p.

10. Tsymbalyuk A.A. Analiticheskaya dinamika mekhanizmov s gidroustroistvami (Analytical dynamics of mechanisms with hydrostatic devices), Kiev, Vyshcha shkola, 1990, 175 p.

11. Krul' K. Vliyanie dinamicheskoi nagruzhennosti na ustalostnuyu dolgovechnost' rabochego oborudo-vaniya odnokovshovykh gidravlicheskikh ekskavatorov (Effect of dynamic loading on endurance life of working facilities of hydraulic shovels), Candidate's thesis, Moscow, 1986, 260 p.

12. Krul' K. Otsenka rabotosposobnosti metallokonstruktsii stroitelnykh mashin s defektami (Evaluation of operation capability of metal structures of construction machines with defects), Doctor's thesis, Moscow, 1999, 289 p.

13. Kovalenko M.V. Uravnoveshivanie rabochego oborudovaniya gidravlicheskogo ekskavatora (Balancing of working facilities of hydraulic shovel), Candidate's thesis, Omsk, 2004, 179 p.

14. Petriashvili B.D. Metody uravnoveshivaniya mekhanizmov s peremennymi inertsionnymi parametrami (Methods of balancing for mechanisms with variable inertial parameters), Candidate's thesis, Moscow, 1972,

15. Ozol O.G. Issledovanie nekotorykh osnovnykh voprosov konstruirovaniya i rascheta mekhanizmov (Some key issues in design and calculation of mechanisms), Doctor's thesis, Riga, 1965, 350 p.

16. Berengard Yu.G. Razrabotka metodov avtomatizirovannogo rascheta gidrosistem stroitelnykh i dorozhnykh mashin (Development of computerized analysis methods for hydraulics of construction and road-building machines), Candidate's thesis, Moscow, 1979, 134 p.

17. Yasyulenis A.I. Issledovaniya mekhaniki mashin matrichno-garmonicheskim metodom (Analysis of machine mechanics by matrix-harmonic method), Doctor's thesis, Moscow, 1970, 328 p.

18. Kazykhanov Kh.R. Osnovy avtomatizatsii matematicheskogo modelirovaniya i issledovaniya dinamiki mekhanizmov i mashin (Basics of automation of mathematical modeling and testing of mechanism and machine dynamics), Doctor's thesis, Moscow, 1985, 406 p.

131 p.

148 p.

Издатель, идущий на поводу у запросов книжной торговли, рискует остаться у разбитого корыта.

Продолжение на с. 171