Материал: Патентное исследование с целью модернизации гидравлического экскаватора

Общее построение методики экспериментальных исследований рабочего процесса одноковшового экскаватора на физической модели подчиняется следующим принципам:

·        формулирование цели исследований и решаемых в процессе эксперимента задач;

·        определение факторов, влияющих на рабочие процессы;

·        установление значений постоянных и пределов изменения переменных факторов, принятых к исследованию;

·        разработка методов решения поставленных задач и техники обработки получаемых результатов;

·        проектирование экспериментального образца.

Рис. 1. Зависимости W_ВН.i / W_ВН.К от соотношения B/d_СР:

- W_ВН.ДН/ W_ВН.К;

- W_ВН.СТ/ W_ВН.К

Исследования рабочего процесса одноковшового экскаватора на физической модели включали в себя рассмотрение следующих вопросов:

v  уточнение механизма взаимодействия с рабочей средой роликовой поверхности днища ковша;

v  получение количественных показателей, характеризующих рабочий процесс экскаватора.

При исследовании процессов взаимодействия рабочего оборудования одноковшового экскаватора с разрыхлёнными скальными грунтами на физической модели необходимо обеспечить подобие с натурным объектом в следующих аспектах:

·        силовое (т е. наличие сопротивлений внедрению и черпанию); внутренних напряжений (при статическом приложении нагрузки);

·        объёмов единичного зачёрпывания (при перемещении рабочего оборудования с малыми скоростями в реальном времени).

При этом основными исследуемыми процессами являются:

·        внедрение ковша в рабочую среду (штабель грунта);

·        зачёрпывание порции материала и передача его на последующее транспортное звено.

При проектировании физической модели необходимого оборудования одноковшового экскаватора в качестве базы использовался стенд для исследования рабочих процессов технологических машин Шахтинского института (филиала) ЮРГУ (НПИ) (рис. 3).

Учёт возможностей экспериментальной установки позволяет выделить совокупность факторов, влияющих на рабочие процессы (табл. 1).

Таблица 1

Совокупность факторов, влияющих на рабочие процессы

Линейные размеры физической модели рабочего оборудования экскаватора (рис. 4) принимались с учётом моделирования процесса погрузки скальных грунтов с крупностью частиц dСР = 180-120 мм (параметром модели является ширина ковша). Физическая модель была выполнена в масштабе 1:3 по отношению к натурному образцу. Для оценки влияния коэффициента трения скальных грунтов о днище ковша на энергоёмкость процесса внедрения днище было выполнено в трёх вариантах (рис. 5): сплошными металлическими и с роликами - металлическими и пластиковыми.

При выполнении экспериментальных исследований для установления силовых характеристик процесса взаимодействия ковша со штабелем грунта использовался метод сбора количественных данных, предусматривающий видеорегистрацию рабочих параметров.

Измерительная система (рис. 6) состояла из манометра 1 (регистрирующего давление в напорной линии гидросистемы); мерной линейки 2 (позиционирующей процесс выдвижения штока рабочего цилиндра ковшового оборудования); видеокамеры 3 (осуществляющей видеозапись осуществляющей видеозапись регистрируемого давления в рабочем цилиндре pi и ход Si его штока).

Рис. 3. Стенд для исследования рабочих процессов технологических машин: 1 - штабель погружаемого материала; 2 - гидроманипулятор; 3- пульт управления; 4 - рукава высокого давления; 5 - силовая электрогидравлическая установка

Рис. 4. Конструктивная схема физической модели рабочего оборудования одноковшового экскаватора: 1 - ковш; 2 - шарнирно- рычажный механизм; 3 и 4 - гидроцилиндры поворота и перемещения ковша

Программа эксперимента была построена на основе следующих положений:

·        сопротивления внедрению ковша в функции глубины внедрения определяют для каждого из трёх экспериментальных образцов;

·        исследования с каждым из ковшей проводятся при постоянстве совокупности основных влияющих факторов;

·        во всех сериях опытов строго изучается влияние одного фактора при постоянстве остальных.

Рис. 5. Конструкции экспериментальных ковшей со сплошным металлическим (а), роликовым металлическим (б) и роликовым пластиковым (в) днищами.

Рис. 6. Измерительная система: 1 - манометр; 2 - мерная линейка; 3 - видеокамера

Экспериментальные исследования процесса взаимодействия ковша с погружаемым материалом на разработанной физической модели рассмотренными способами позволили получить искомые данные для оценки влияния коэффициента трения скальных грунтов о днище ковша на энергоёмкость процесса внедрения и уточнения математического описания рассматриваемого рабочего процесса.

При разработке результатов исследований (видеограмм) и построении графиков (холостой ход, рабочий ход) первоначально заполнялись таблицы значений ί-точек (давление в рабочем цилиндре pί и ход штока Sί), полученных экспериментальным путём. Строились аппроксимирующие зависимости (рис. 7), получаемые методом наименьших квадратов, а затем зависимость ∆ pί , определяющая разность pί (рабочий ход - холостой ход).

Рис. 7. Зависимости давления p_i  в рабочем цилиндре от хода S_i для ковшей со сплошным металлическим (а), роликовым металлическим (б) и роликовым пластиковым (в) днищами: ▲ - рабочий ход; · - холостой ход; ● - аппроксимирующие зависимости; p_i - рабочее давление при внедрении ковша в грунт

Для оценки адекватности расчётных значений реальному процессу был выполнен сравнительный анализ теоретических и экспериментальных зависимостей сопротивлений WВН.Кί внедрению ковша в штабель грунта от глубины Sί его внедрения (рис. 8).

При построении точек экспериментальных зависимостей

ЭВН.Кί = ƒ(Si)

в качестве базовых использовались зависимости ∆ pi с учётом результатов расчёта, проведённого по формуле:

ЭВН.Кί = 0,25 D 2∆ pί, кН,

где D - диаметр поршня рабочего цилиндра, м.

Анализ полученных зависимостей WЭВН.Кί = ƒ(Sί), приведённых на рис. 8, свидетельствует о том, что сопротивления внедрению у ковшей с роликовыми днищами меньше, чем у ковша со сплошным металлическим днищем. Чтобы учесть влияние триботехнических свойств рабочей поверхности днища ковша на формирование сопротивления внедрению, в базовую математическую модель (1) был введён соответствующий коэффициент Kƒ.

Точки теоретической зависимости строились на основании результатов расчёта по формуле:

ТВН.К = WТВН.ДН + WТВН.СТ = (WТЯД + KƒWТПЛ)+ WТВН.СТ, (2)

где Kƒ - коэффициент, учитывающий улучшение триботехнических свойств рабочей поверхности днища ковша относительно плоской металлической,  (и  - коэффициент трения грунта по роликовому и гладкому днищу).

Значения Kƒ для построения теоретических зависимостей определялись с учётом величин WЭВН.Кί , взятых из результатов проведённых экспериментальных исследований, и уточнённой математической модели (2) как средние значения переменных параметров точек рассматриваемой совокупности в данном интервале изменения хода Sί.

где Kƒi - значение случайной величины; n - количество опытов,

Kƒi = (WЭВН.Кi - WТВН.СТi - WТЯДi)/ WТПЛi.

Получены значения Kƒ были сведены в табл. 2.

В результате анализа и сопоставления зависимостей, построенных по экспериментальным и расчётным данным (рис. 8), было установлено, что полученная теоретическая зависимость (2) позволяет с достаточной точностью описать процесс формирования сопротивления внедрению ковша в штабель в функции от глубины его внедрения с учётом улучшения триботехнических свойств рабочей поверхности днища ковша относительно плоской металлической.

Расположение точек теоретической зависимости внутри зоны допустимых значений свидетельствует об адекватности расчётных моделей реальному процессу при принятой доверительной вероятности β = 0,85 и относительной ошибке в определении среднего значения, не превышающей 20%.

Таблица 2

Значения Kƒ исследуемых ковшей

Примечание:  и KIТР - угол и коэффициент трения грунта по днищу (I = п; I = р)

Приведённые результаты экспериментальных исследований послужили основой для оценки уровня повышения эффективности процесса погрузки скальных грунтов от использования ковшей с роликовым днищем, которая выполнена на примере экскаваторов с ковшами вместимостью 0,65-8 м³.

Уровень повышения эффективности процесса внедрения оценивался удельным показателем:

∆ЭФ = (1 - WРВН.Кi / WПВН.Кi) max.

Для возможности сопоставления ковшей разного типоразмера получены зависимости сопротивления внедрению приводились к единице объёма рассматриваемого ковша WВН.К/E.

В рамках выполнения данного этапа работы были рассчитаны значения и построены зависимости удельного сопротивления внедрению в грунт WВН.К/E от глубины внедрения для базовых ковшей вместимостью 0,65-8 м³ и проектируемых на их основе ковшей с роликовым днищем (рис. 9).

Выполнение расчёты позволяют прогнозировать уровень повышения эффективности от внедрения ковша с роликовым днищем (рис. 10, 11). Анализ рис. 10 и 11 свидетельствует о том, что удельное сопротивление внедрению у ковшей с роликовым днищем существенно меньше, чем у их базовых аналогов. При этом с увеличением вместимости ковша в диапазоне 0,65-8 м³ показатель эффективности достигает 35% и более (см. рис. 11), следовательно, технический уровень предлагаемого инновационного ковша с роликовым днищем намного выше базового.

Рис. 8. Теоретические (●) и экспериментальные (·) зависимости сопротивлений внедрению ковшей W_ВН.Кi со сплошным металлическим (1), роликовым металлическим (2) и роликовым пластиковым (3) днищами от глубины S_i  их внедрения

Рис. 9. Зависимости удельных сопротивлений внедрению базового (а) и инновационного (б) ковшей в грунт W_ВН.К/E от их глубины внедрения S и вместимости E: 1 - 0.65 м³; 2 - 1.0 м³; 3 - 1,2 м³; 4 - 1,6 м³; 5 - 2,5 м³; 6 - 4.0 м³; 7 - 5,2 м³; 8 - 8,0 м³

Рис. 10

Рис. 11. Уровень повышения эффективности ∆_ЭФ процесса внедрения ковша в штабель в зависимости от его вместимости

Вывод: Проведённые исследования показали, что использование с роликовым днищем обеспечит существенное снижение энергозатрат одной из основных рабочих операций процесса погрузки нерудных материалов на карьерах.

Вывод по результатам патентного исследования

В процессе проведения патентного исследования удалось выяснить, что патент под номером 4 (Исследования физической модели ковша экскаватора с роликовым днищем) является наиболее приемлемым в модификации одноковшового гидравлического экскаватора. Так как по сравнению с известными техническими решениями предлагаемое техническое решение имеет следующие преимущества:

. Снижение энергоёмкости процесса внедрения ковша экскаватора было достигнуто за счёт уменьшения коэффициента трения грунтов о днище путём перехода от трения скольжения к трению качения. Предлагаемая конструкция ковша с роликовой рабочей поверхностью позволяет решить задачу по снижению энергоёмкости процесса внедрения ковша за счёт того, что в ковше экскаватора днище выполнено в виде совокупности роликов, устанавливаемых с возможностью вращения относительно осей, закреплённых на боковых стенках.

. Анализ полученных зависимостей WЭВН.Кί = ƒ(Sί), свидетельствует о том, что сопротивления внедрению у ковшей с роликовыми днищами меньше, чем у ковша со сплошным металлическим днищем;

. Выполнение расчёты позволяют прогнозировать уровень повышения эффективности от внедрения ковша с роликовым днищем. Анализ рис. 10 и 11 (в патентном исследовании №4) свидетельствует о том, что удельное сопротивление внедрению у ковшей с роликовым днищем существенно меньше, чем у их базовых аналогов. При этом с увеличением вместимости ковша в диапазоне 0,65-8 м³ показатель эффективности достигает 35% и более (см. рис. 11), следовательно, технический уровень предлагаемого инновационного ковша с роликовым днищем намного выше базового.

Список литературы

1. Богомолов А.А. Технические основы создания машин. Учебное пособие. - Белгород: Издательство БГТУ, 2008. - 195с.

2. Ляшенко Ю.М., Ляшенко А.Ю. Статические исследования оборудования для производства карьерных работ при добыче нерудных материалов в условиях Ростовского региона // Изв. Вузов. Северо-Кавказский регион. Технические науки. 2011. №4. С. 117-120.

. Ерейский В.Д., Полежаев В.Г., Иванов О.П. К определению сопротивления внедрению ковша в сыпучий материал // Грузоподъёмные и транспортные установки: Сб. науч. тр. / НПИ. Новочеркасск, 1975. Т. 313. С. 93-95.

. Подэрни Р.Ю. Механическое оборудование карьеров: Учеб. Для вузов. 5-е изд., перераб. И доп. М.: Издательство МГГУ, 2003. 606 с.

. Пат. На полезную модель RU 101 056 U1, МПК E02F 3/40 (2006.01). Рабочий орган одноковшового экскаватора / Ю.М. Ляшенко, Е.А. Ревякина, №2010128718/03. Заявл. 09.07.2010. Опубл. 10.01.2011. Бюл №1.