СПОСОБ УРАВНОВЕШИВАНИЯ СИЛ ТЯЖЕСТИ РАБОЧЕГО ОБОРУДОВАНИЯ СТРЕЛОВЫХ МАШИН
METHOD TO BALANCE POWERS OF GRAVITY OF WORKING EQUIPMENT OF BOOM MACHINES

Изобретение относится к способам и устройствам уравновешивания сил тяжести рабочего оборудования стреловых землеройных и погрузочно-транспортных машин циклического действия, а именно к экскаваторам, погрузчикам.
Известен способ уравновешивания сил тяжести рабочего оборудования стреловой машины, реализованный в устройстве [см., например, патент РФ №2258115, С2 E02F 9/22, опубл. 10.08.2005, бюл. №22], содержащий стрелу, ковш, основные и уравновешивающий гидроцилиндры, распределители, газовый баллон, соединенный с газовой полостью пневмогидроаккумулятора.
Недостатком этого способа уравновешивания является использование концепции рекуперации энергии, заключающейся в преобразовании потенциальной энергии сил тяжести рабочего оборудования при опускании стрелы в потенциальную энергию сжатого газа в пневмогидроаккумуляторе и использовании этой энергии в рабочей операции подъема стрелы погрузчика, экскаватора.
Недостатком способа [1] являются последовательные преобразования энергии из одного вида в другой, которые связаны с дополнительными потерями энергии, снижающими эффективность работы, кроме того, устройство по известному способу [1] отличается высокой сложностью вследствие использования пневмогидравлического аккумулятора.
7
Из известных способов и технических решений наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту является способ и устройство уравновешивания сил тяжести рабочего оборудования стреловой машины [см., например, патент РФ №2236515 C1  E02F 9/22, опубликованный 20.09.2004, бюл. №26], содержащие рабочее оборудование, основной и уравновешивающий цилиндры, распределитель, газовый баллон, заряженный сжатым воздухом, соединенный с поршневой полостью уравновешивающего цилиндра, при этом уравновешивающий цилиндр расположен внутри газового баллона.
Недостатком способа [2] является его несовершенство, заключающееся в отсутствии в формуле изобретения сведений о параметрах и конструктивных особенностях, необходимых для реализации способа и устройства, и обеспечения эффективной работы способа уравновешивания сил тяжести.
Недостатками известных способов и устройств является использование уравновешивающего цилиндра традиционной конструкции, рабочие полости которого соединены с гидробаком гидромагистралями высокого давления, а также нерациональная конструкция уравновешивающего цилиндра с точки зрения использования металла устройства и полезного использования рабочего объема.
1
2
3
Задачей изобретения является создание способа уравновешивания сил тяжести рабочего оборудования стреловых машин, включающего операцию приведения сил тяжести стрелы и элементов рабочего оборудования к штоку уравновешивающего цилиндра, операцию уравновешивания приведенных сил на штоке силой давления сжатого воздуха в газовом баллоне, операцию герметизации воздуха в газовом баллоне, выполняемую путем соединения переменного объема штоковой полости, заполненной смазывающей жидкостью, с гидросистемой рабочего оборудования, согласно изобретению операция стабилизации давления сжатого воздуха в газовом баллоне достигается путем задания объема газовой полости, по крайней мере, пятикратно превышающего рабочий объем уравновешивающего цилиндра, а давление сжатого воздуха в газовом баллоне можно принимать равным номинальному давлению в гидросистеме базовой машины. При этом объем газовой полости имеет три составляющие, которыми являются: V - основной цилиндрический объем, расположенный соосно у торца уравновешивающего цилиндра; V - второй объем расположенный между корпусом газового баллона и корпусом уравновешивающего цилиндра; V - третий объем, равный объему внутренней полости штока и поршня уравновешивающего цилиндра.
Г
Полный объем V газового баллона равен сумме трех рассмотренных объемов.
Технический результат изобретения заключается в последовательном расположении уравновешивающего цилиндра и газовой полости, которые имеют общую ось симметрии, при этом расположение уравновешивающего цилиндра внутри газовой полости позволяет получить дополнительные объемы, увеличивающие объем, заполненный сжатым воздухом. Технический результат достигается формированием общего объема газовой полости из трех составляющих объемов, определяющих сущность предлагаемого способа.
Способ поясняется чертежами, где на фиг.1 изображен общий вид экскаватора с уравновешивающим устройством по предложенному способу; на фиг.2 показан фронтальный погрузчик с устройством уравновешивания по предложенному способу; на фиг.3 показано подключение уравновешивающего устройства по предложенному способу в гидросистему рабочего оборудования экскаватора, погрузчика; на фиг.4 показана конструкция устройства уравновешивания по предложенному способу в сложенном состоянии при опущенной стреле; на фиг.5 изображена конструкция устройства уравновешивания по предложенному способу с выдвинутым штоком при поднятой стреле.
Способ и устройство уравновешивания сил тяжести рабочего оборудования содержат: 1 - стрела экскаватора, погрузчика; 2 - рукоять экскаватора; 3 - ковш экскаватора, погрузчика; 4 - основные гидроцилиндры стрелы; 5 - уравновешивающий цилиндр; 6 - корпус уравновешивающего цилиндра; 7 - шток уравновешивающего цилиндра; 8 - проушина штока; 9 - проушина газового баллона; 10 - корпус газового баллона; 11 - букса корпуса уравновешивающего цилиндра с уплотнениями штока; 12 - уплотнения штока; 13 - штоковая полость; 14 - полость между корпусами; 15 - опора корпуса уравновешивающего цилиндра; 16 - отверстие в опоре корпуса уравновешивающего цилиндра; 17 - основная цилиндрическая газовая полость; 18 - внутренняя полость поршня и штока, заполненные сжатым воздухом; 19 - гидромагистраль, соединяющая штоковую полость уравновешивающего цилиндра с гидробаком; 20 - гидрозолотник распределителя гидроцилиндров стрелы (фиг.3); 21 - гидрораспределитель гидроцилиндров стрелы; 22 - гидронасос; 23 - гидробак.
с
р
к
г
На фиг.1, 2 дополнительно показаны: Т - сила на штоке уравновешивающего цилиндра; G, G, G, G - силы тяжести соответственно стрелы, рукояти, ковша, груза в ковше.
1
2
3
На фиг.3 дополнительно показаны: V - основной цилиндрический объем газовой полости; V - дополнительный кольцевой объем газовой полости, расположенный между корпусами газового баллона и уравновешивающего цилиндра; V - дополнительный объем газовой полости, равный объему пустотелого поршня и штока уравновешивающего цилиндра.
Сущность работы способа уравновешивания сил тяжести рабочего оборудования стреловых машин заключается в реализации следующих операций. Приведение сил тяжести элементов рабочего оборудования к штоку уравновешивающего цилиндра осуществляются по уравнению
i
i
где T' - приведенная сила на штоке уравновешивающего цилиндра; G, h - соответственно силы тяжести и их плечи относительно шарнира поворота стрелы на портале; h - плечо уравновешивающего цилиндра.
Операция уравновешивания приведенной силы тяжести давлением сжатого воздуха в поршневой полости цилиндра определяется выражением
где p - давление сжатого воздуха в газовом баллоне; D - диаметр поршня уравновешивающего цилиндра.
Таким образом, операция приведения сил тяжести и уравновешивание их математически сводится к концепции двух уравновешенных сил в теоретической механике Т', которые при подъеме и опускании стрелы не совершают работу.
Подъем стрелы экскаватора, погрузчика сопровождается некоторым увеличением объема газовой полости: при опускании стрелы объем газовой полости уменьшается на величину объема уравновешивающего цилиндра, , где S - ход уравновешивающего цилиндра при подъеме стрелы.
Для стабилизации давления сжатого воздуха в газовой полости его объем принимается по условию
Г
Ц
где V - объем газовой полости; V - рабочий объем уравновешивающего цилиндра.
Полный объем газовой полости формируется из трех составляющих:
Наличие дополнительной силы Т при подъеме стрелы связано с появлением дополнительной полезной мощности, которая никаким образом не связана с мощностью двигателя и определяется по формуле
где V - скорость движения поршня уравновешивающего цилиндра.
Сущность работы способа уравновешивания заключается в последовательности выполнения технологических операций. Операция приведения сил тяжести рабочего оборудования позволяет сосредоточить распределенные по телам силы тяжести рабочего оборудования экскаватора, погрузчика на штоке уравновешивающего цилиндра. Операция уравновешивания заключается в уравновешивании приведенной силы на штоке давлением газа на площади поршня, операция стабилизации давления при подъеме, опускании обеспечивается выбором соответствующего объема газовой полости устройства уравновешивания. Операции подъема и опускания стрелы связаны с изменением объема штоковой полости уравновешивающего цилиндра 13, которая выполняет функции герметизации сжатого воздуха в газовом баллоне 17 при помощи уплотнений 12 в буксе 11. Наличие смазывающей жидкости на поверхности штока 7 обеспечивает герметичность уплотнения, повышает надежность.
Уравновешивающее устройство 5, установленное на фиг.1, фиг.2 обеспечивает значительное снижение давления рабочей жидкости в основных гидроцилиндрах при подъеме и опускании стрелы и является источником дополнительной мощности при выполнении рабочего процесса.
Устройство уравновешивания сил тяжести рабочего оборудования экскаватора, погрузчика работает следующим образом. При подъеме стрелы экскаватора, погрузчика основными гидроцилиндрами 4 и уравновешивающим цилиндром 5, у которого на штоке 2 создается постоянная дополнительная сила, определяемая по формуле (2). Сила Т на штоке является дополнительной подъемной силой, которая остается практически постоянной в течение циклов подъема и опускания рабочего оборудования и обеспечивает снижение усилия и давления в основных гидроцилиндрах 4 стрелы. Благодаря действию постоянной силы T при подъеме стрелы, эта сила при движении со скоростью перемещения поршня в уравновешивающем цилиндре создает дополнительную мощность по формуле (5), которая повышает эффективность и производительность машины. В процессе подъема стрелы уменьшается объем штоковой полости 13 (фиг.3), которая заполнена смазывающей жидкостью и выполняет функцию герметизации полостей высокого давления от атмосферы. Смазывающая жидкость при подъеме стрелы вытесняется в гидробак 23, а при опускании возвращается в штоковую полость под действием атмосферного давления.
Роль смазывающей жидкости в данном случае выполняет рабочая жидкость гидросистемы. На фиг.3 показано соединение штоковой полости 13 уравновешивающего цилиндра 6 при помощи гидромагистрали 19 с баком 23 гидросистемы погрузчика, экскаватора.
На фиг.3 пунктиром показаны другие равноценные схемы соединения штоковой полости 13 с распределителем 21, исключающие связь с гидробаком 23.
Газовая кольцевая полость 14 (фиг.4) между корпусами 6, 10 имеет постоянный объем, который сообщен отверстиями 16 с газовым объемом 17. Поршень 15 уравновешивающего цилиндра и шток 7 выполнены пустотелыми, при этом давление в полостях 14, 17, 18 во всех операциях работы одинаковые и равны давлению p зарядки устройства сжатым воздухом.
При опускании стрелы поршень со штоком заходит внутрь корпуса уравновешивающего устройства, при этом все явления, рассмотренные в процессе подъема стрелы, протекают в обратном порядке.
Рассмотренный способ уравновешивания сил тяжести рабочего оборудования, позволяет повысить КПД рабочего оборудования и является источником дополнительной мощности при выполнении рабочего процесса.