2328

И. В. Бояркина

ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ МЕХАНИКА ОДНОКОВШОВЫХ ФРОНТАЛЬНЫХ ПОГРУЗЧИКОВ

Омск – 2011

Министерство образования и науки РФ Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего профессионального образования Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия (СибАДИ)

И.В. Бояркина

ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ МЕХАНИКА

ОДНОКОВШОВЫХ ФРОНТАЛЬНЫХ

ПОГРУЗЧИКОВ

Монография

Под редакцией д-ра техн. наук, проф В. Н. Тарасова

Омск

СибАДИ

2011

2.3.3.Основные параметры ковша типоразмерного ряда фронтальных погрузчиков…………………….………………………66

2.3.4.Привязка сечения ковша к системе координат……………….70

2.3.5.Перспективы развития теории ковша фронтальных погрузчиков…………………………….………………………………72

3.ДВИГАТЕЛИ И СИЛОВЫЕ АГРЕГАТЫ ТРАНСМИССИИ ФРОНТАЛЬНЫХ ПОГРУЗЧИКОВ………………………………..…………74

3.1.Характеристики двигателя как источника механической энергии фронтального погрузчика …………………………………… 74

3.1.1.Общие сведения о характеристиках двигателей

внутреннего сгорания………………………………….……….…74

3.1.2.Дифференциальные уравнения дизельного двигателя фронтального погрузчика, частотные характеристики ……….76

3.1.3.Аналитическая аппроксимация внешних скоростных характеристик двигателей внутреннего сгорания………….… 83

3.1.4.Общие сведения о быстро и длительно протекающих динамических процессах в дизельных двигателях………….…87

3.1.5.Математическая модель дизельного двигателя, основанная на использовании полиномов Лагранжа……….…93

3.1.6.Основные параметры двигателей типоразмерного

ряда фронтальных погрузчиков…………..……………….……96

3.2.Силовые агрегаты трансмиссии………………………………….99

3.2.1.Теория расчета выходных параметров гидродинамических передач фронтальных погрузчиков...……99

3.2.2.Основные параметры гидрообъемной трансмиссии фронтальных погрузчиков…………..……….……………….…107

4.ОБЩИЕ АНАЛИТИЧЕСКИЕ ЗАВИСИМОСТИ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ РАБОЧЕГО ОБОРУДОВАНИЯ ФРОНТАЛЬНЫХ ПОГРУЗЧИКОВ…110

4.1.Геометрические параметры гидромеханизмов стрелы

и ковша в предельных положениях……………………………………110 4.2. Технологические функции гидроцилиндра стрелы

фронтального погрузчика……………………………..………………… 116

4.3.Аналитическая связь параметров рабочего оборудования ……118

5.ИМИТАЦИОННАЯ МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ И ДВИЖЕНИЯ ПОГРУЗОЧНОГО ОБОРУДОВАНИЯ ФРОНТАЛЬНОГО ПОГРУЗЧИКА………..……… 120

5.1.Метод преобразования координат при проектировании

рабочего оборудования фронтальных погрузчиков…….………… 120

5.2.Метод кинематических треугольников при проектировании рабочего оборудования фронтальных погрузчиков ….……………124

5.3.Методика позиционирования и выбора параметров

рабочего оборудования традиционных погрузчиков и с энергосберегающим гидроприводом…………..….…………………132

6. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СИЛОВЫХ РАСЧЕТОВ РАБОЧЕГО ОБОРУДОВАНИЯ, ОСНОВАННОЕ НА МЕТОДАХ АНАЛИТИЧЕСКОЙ МЕХАНИКИ……………………..…144

6.1.Математическая модель силовых расчетов механизмов рабочего оборудования …………..……………………………………144

6.2.Математическая модель силовых расчетов энергосберегающего рабочего оборудования………………………151

6.3.Аналитическое исследование кинематических

характеристик гидромеханизма подъема стрелы……...……………155 6.4. Математическая модель кинематических и силовых расчетов гидромеханизма поворота ковша……….…………………166

7. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ МЕХАНИКА ПРОЦЕССА ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КОВША ПОГРУЗЧИКА С РАЗРАБАТЫВАЕМОЙ СРЕДОЙ………..…………………………..……172

7.1. Определение сопротивления на затупленной кромке ножа……………………………………….…………...……………………172 7.2. Этапы взаимодействия ковша погрузчика со штабелем ……………………………….…………...…………………175 7.3. Расчет секторной площади при заполнении

ковша материалом или грунтом………………………………………177

7.4.Определение объема пространства под передней стенкой ковша при внедрении в штабель……………….……………………180

7.5.Аналитический метод расчета сил взаимодействия

ковша погрузчика со штабелем………………………….……………184 7.6. Оценка характеристик прочности грунтов для типоразмерного ряда фронтальных погрузчиков………….………189 7.7. Взаимодействие ковша погрузчика со штабелем

сыпучего материала………………………….……………….……..…198 7.8. Аналитическое исследование процесса взаимодействия ковша погрузчика со штабелем сыпучего кускового материала.…202 7.9. Экспериментальная проверка гипотезы существования

трения зацепления.………………………………………………………204

8. МЕХАНИКА СПОСОБОВ ЧЕРПАНИЯ МАТЕРИАЛОВ КОВШОМ ПОГРУЗЧИКА……………..…………………………..………209

8.1.Процесс раздельного зачерпывания ковшом погрузчика сыпучего материала в штабеле.…………………………………………209

8.2.Расчет момента сопротивления при повороте ковша

в штабеле………………………………………………………..……211

8.3.Способ черпания поворотом стрелы энергосберегающим фронтальным погрузчиком………………………………………..…215

8.4.Рыхление материалов в штабеле зубьями ковша погрузчика…219

8.5.Взаимодействие ковша супертяжелого погрузчика

с грунтовым штабелем……………………………………………..…221

8.6.Поворот ковша супертяжелого погрузчика в грунтовом штабеле………..…………………………………..…………..………229

9.ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ РАЗГОНА И ТОРМОЖЕНИЯ РАБОЧЕГО ОБОРУДОВАНИЯ. АНАЛИТИЧЕСКИЙ МЕТОД РЕШЕНИЯ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ

УРАВНЕНИЙ..…………………………..……………………………….……234

9.1.Основные положения к исследованию динамики

длительно протекающих динамических процессов рабочего оборудования…………………………………………………..………234

9.2.Дифференциальные уравнения движения поршневого исполнительного гидромеханизма фронтального погрузчика…..…238

9.3.Методика приведения масс рабочего оборудования и

массы груза в ковше к поршню гидроцилиндра стрелы фронтального погрузчика.………………………………..…..………245

9.4.Скорость движения поршня гидроцилиндра стрелы фронтальных погрузчиков………………………………..…..………250

9.5.Методика аналитического решения дифференциального уравнения разгона и торможения рабочего оборудования фронтального погрузчика при ступенчатом управлении распределителем.……………….………………………..…..……… 252

10.АНАЛИТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИКИ

РАБОЧЕГО ОБОРУДОВАНИЯ В ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССАХ ПОГРУЗЧИКА……….…………………………..…………264

10.1. Аналитическое исследование динамики при линейном законе управления распределителем……………………………..…264 10.2. Исследование качества переходных процессов гидравлического рабочего оборудования фронтального

супертяжелого погрузчика ПК-75…………………………………..…267 10.3. Конструкции позиционных и следящих систем управления гидромеханизмами фронтальных погрузчиков…..… 269

10.4.Частотные характеристики и устойчивость поршневых исполнительных гидромеханизмов рабочего оборудования фронтальных погрузчиков……………………………………..……274

10.5.Методика расчета давлений в гидроцилиндрах стрелы

и оценка эффективности снижения давлений энергосберегающим гидроприводом……………………..…..…… 277

10.6.Методика аналитического исследования динамических давлений в гидроцилиндрах стрелы при движении погрузчика по неровностям опорной поверхности………………………..……282

10.7.Устройство защиты гидропривода фронтального

погрузчика при движении по неровностям опорной поверхности………………………………………………………….……290

11. ТЕОРИЯ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ОДНОКОВШОВЫХ ФРОНТАЛЬНЫХ ПОГРУЗЧИКОВ…..…………………………..…………294

11.1.Критерии эффективности фронтальных погрузчиков……… 294

11.2.Математическая модель технологического процесса фронтального погрузчика и результаты исследования.………..… 297

11.3.Результаты аналитических исследований технической производительности фронтальных погрузчиков, адекватные экспериментальным данным……………….……………………..…303

11.4.Закономерности изменения основных параметров типоразмерного ряда одноковшовых фронтальных погрузчиков……………………………….……………………..……306

11.5.Физическая сущность удельного сопротивления грунтов копанию…………………………………….……………………..… 311

11.6.Математическая модель технологического процесса

и результаты расчета выходных параметров энергосберегающих одноковшовых фронтальных погрузчиков……………………..……315

11.7.Показатели оценки эффективности одноковшовых фронтальных погрузчиков……………….……………………..……321

11.8.Оценка эффективности погрузчиков при помощи энергетического потенциала производительности………………..326

ЗАКЛЮЧЕНИЕ…………………..…………..……………………………328

Библиографический список………………………………………………330

ВВЕДЕНИЕ

Одноковшовые фронтальные погрузчики начали интенсивно развиваться в середине прошлого столетия в связи с необходимостью транспортирования и погрузки громадных объемов сыпучих материалов в строительстве, горной промышленности и других смежных отраслях. За истекший период возникли фронтальные погрузчики самых разнообразных конструкций и грузоподъемностей. Пневмоколесные одноковшовые фронтальные погрузчики (ПОФП) выполняют забор сыпучих материалов из штабеля и копание грунтов в материковом забое, погрузку их в транспортные средства или в приемные устройства технологических установок. При погрузке насыпных материалов и грунтов из штабеля, а также при разработке материковых грунтов до категории ПОФП оказываются эффективнее экскаваторов. Именно это является причиной их развития и успешного применения. За короткий исторический период развития накоплен опыт создания, изготовления и эксплуатации ПОФП и возник типоразмерный ряд фронтальных погрузчиков с шарнирно сочлененной рамой.

Внастоящей работе рассматриваются особенности конструкции, теория и элементы расчета типоразмерного ряда нового класса машин

–энергосберегающих ПОФП. В мировой практике в настоящее время существует типоразмерный ряд ПОФП, грузоподъемностью от 2 до

75 т.

Вмонографии рассмотрены корреляционные связи основных параметров погрузчиков этого ряда. На основе разработанной теории по единой методике осуществлен выбор основных параметров типоразмерного ряда погрузчиков, которым присвоен индекс ПК- 2,…, ПК-75.

Впервые к ПОФП типоразмерного ряда применен принцип уравновешивания сил тяжести рабочего оборудования. Показаны преимущества, приобретаемые погрузчиками в результате уравновешивания гравитационных сил тяжести ковша, стрелы, рычагов и т.п., которые выводят этот класс машин на новый более высокий технический уровень.

Вмонографии приведены методики выбора параметров и расчета энергосберегающего рабочего оборудования ПОФП, рассматриваются особенности проектирования. Монография может

быть полезна студентам технических вузов, инженерно-техническим работникам проектных организаций и заводов.

2. ОСНОВЫ ТЕОРИИ ПНЕВМАТИЧЕСКОГО КОЛЕСА, ШАРНИРНО СОЧЛЕНЕННОЙ РАМЫ И КОВША ПОГРУЗЧИКА

2.1.Основные положения теории пневматического колеса

2.1.1.Общие сведения о теории пневматического колеса

Эффективность фронтальных погрузчиков обеспечивается в результате использования в качестве ходового оборудования колес с пневматическими шинами. Выбор основных параметров фронтальных погрузчиков и анализ эффективности технологических процессов начинается с выбора конструкции и параметров пневматической шины. Колёса являются движителем фронтального погрузчика, которые воспринимают вес машины, а также силы, возникающие при наполнении ковша и криволинейном движении в процессе маневрирования погрузчика передним и задним ходом при выполнении технологического процесса.

Несмотря на кажущуюся простоту конструкции, пневматическое колесо является устройством, выполняющим сложные функции. Достаточно изучены демпфирующие качества колеса, способность смягчать удары и вертикальные колебания машин. В теории качения пневматической шины рассматривают математические модели прямолинейного и криволинейного движений, модели тяговосцепных качеств и др. Вместе c тем остается недостаточно изученным явление грузоподъемности пневматической шины, его физическая сущность. Рассмотрение этого вопроса необходимо для создания пневматических колес высокой грузоподъемности для фронтальных погрузчиков.

2.1.2. Физическая сущность явления грузоподъемности пневматического колеса

Пневматическая шина погрузчика выполнена в виде тора или сферы, в которую помещен металлический цилиндрический обод. Края сопряжения эластичной оболочки с ободом зажаты и представляют собой воздухонепроницаемое соединение. Внутренняя полость оболочки заполнена воздухом под давлением pB . Такое