2328

обеспечивает заполнение ковша в легком штабеле с коэффициентом наполнения KН 1,0.

8.3. Способ черпания поворотом стрелы энергосберегающим фронтальным погрузчиком

Рассмотрим возможность получения коэффициента наполнения ковша KН 1,25 при помощи энергосберегающего рабочего оборудования, представленного на рис. 8.6. Энергосберегающее рабочее оборудование снабжено двумя гидроцилиндрами подъема стрелы традиционного исполнения и уравновешивающим энергосберегающим пневмогидроцилиндром, который не только уравновешивает силы тяжести рабочего оборудования, но в данном случае является также дополнительным источником движущих сил при повороте стрелы. Сущность идеи увеличения коэффициента наполнения ковша при помощи энергосберегающего рабочего оборудования заключается в следующем. После выполнения операции внедрения ковша погрузчика в легкий штабель (см. рис. 8.2) возникают достаточно большие силы сопротивления, приводящие к замедлению движения погрузчика и полной его остановке. При этом в ковше остается незаполненным примерно 20% его объема.

z CT

Рис. 8.6

В этой ситуации оказывается целесообразным обратить внимание на существование принципа Парето, согласно которому 20% затраченных ресурсов обычно дают 80% ожидаемого результата, а для получения недостающих 20% результата требуется дополнительное увеличение ресурсов на 80%. Поэтому при внедрении ковша погрузчика в штабель оказывается нецелесообразно чрезмерное увеличение напорного усилия с целью обеспечения полного заполнения ковша материалом. Для достижения поставленного результата целесообразно выполнить поворот стрелы на 7 9o , при этом передняя стенка ковша будет установлена в горизонтальное положение, в результате чего сопротивления на ковше уменьшаются и появляется возможность повторного внедрения ковша в штабель, в результате которого весь объем внутренней полости ковша заполняется материалом (рис. 8.7). Последующий поворот ковша, показанный на рис. 8.8, позволяет получить коэффициент наполнения ковша KH 1,25.

Рис. 8.8

Поэтому необходимо выяснить, сможет ли рабочее оборудование путем поворота стрелы преодолеть нагрузки, действующие на ковш при черпании материала.

Для обеспечения хорошего заполнения ковша в легком штабеле погрузчик должен обеспечить разрыхление массы материала в количестве mM 1,5QH . Основная часть этого материала заполнит ковш с шапкой, обеспечив KH =1,25, а излишек материала в количестве 0,25QH разрыхляется и осыпается в штабель.

Основными силами, действующими на рабочее оборудование при повороте стрелы в процессе черпания, являются силы тяжести элементов рабочего оборудования: стрелы G4, рычага G5 , тяги ковша

G6, ковша G7, веса материала в разрыхленной призме GM и неконсервативные силы: сцепления FСЦ , трения F2 и нормальной силы со стороны стены забоя штабеля N2 (см. рис. 8.7).

Активными силами рабочего оборудования являются сила Tс , развиваемая гидроцилиндрами стрелы, и сила Т уравновешивающего пневмогидроцилиндра. Сила Tс , развиваемая основными гидроцилиндрами для энергосберегающего рабочего оборудования, при повороте стрелы в штабеле определяется по формуле раздела 5:

диаметр энергосберегающего пневмогидроцилиндра d=0,1 м, давление в газовом баллоне р=15 МПа. Сила Т энергосберегающего

Н. Плечи активных сил основных и энергосберегающего цилиндров

сил тяжести и консервативных сил рабочего оборудования определяются по математической модели кинематики: hF – плечо сил сцепления и сил трения относительно шарнира стрелы на портале, hF =2,89 м; l2 – плечо нормальной силы N2 относительно шарнира

стрелы на портале, l2=0,98 м.

Указанные исходные данные дают значение силы в штоках основных гидроцилиндров стрелы, Tс =368791 Н, давление в гидроцилиндрах стрелы pс =15028158 Па, т.е. находится в пределах допустимого рабочего давления для данного погрузчика.

8.4. Рыхление материалов в штабеле зубьями ковша погрузчика

Современные погрузчики разрабатывают свежеотсыпанные грунтовые штабели, а также материковые грунты в забое выше уровня опорной поверхности. Разработку грунта фронтальным погрузчиком в забое выше уровня опорной поверхности будем рассматривать как работу в грунтовом штабеле с соответствующим углом ШТ штабеля при неограниченной высоте.

Ковши фронтальных погрузчиков обычно снабжают зубьями для уменьшения усилия копания. Объясняется это тем, что зубья, закрепленные на ноже погрузчика, выступают вперед относительно режущей кромки ножа и выполняют функцию предварительного разрыхления материала или грунта. Поэтому погрузчики, ковши которых снабжены зубьями, могут разрабатывать тяжелые грунты. Современные экскаваторы и фронтальные погрузчики имеют ковши, снабженные зубьями. Однако рабочие органы отвалов автогрейдеров, бульдозеров и ковши скреперов не имеют зубьев.

Рассмотрим причины неиспользования зубьев на землеройных машинах. Зубья нецелесообразно устанавливать на машинах, у которых рабочий процесс транспортирования грунта отвалом совершается путем толкания грунта на значительные расстояния. К таким машинам относится бульдозер. При установке зубьев на отвал бульдозера ухудшается его главное свойство – сохранение объема грунта в призме перед отвалом при транспортировании грунта на значительные расстояния (порядка 100 м). Все сказанное в полной мере относится и к автогрейдерам, при этом можно дополнительно указать, что при установке зубьев на отвал автогрейдера ухудшаются

его планирующие свойства. Для бульдозеров и автогрейдеров совмещение технологических операций рыхления и планировки в существующих конструкциях не осуществляется. На ковши скреперов тоже не устанавливаются зубья, т.к. чрезмерное разрыхление грунта приводит к ухудшению процесса наполнения ковша скрепера.

Установка зубьев целесообразна на экскаваторах и погрузчиках по причине существенного увеличения производительности вследствие уменьшения сопротивления грунтов копанию. При этом рабочий процесс фронтального погрузчика допускает возможность предварительного рыхления грунта зубьями и одновременное перемещение его в ковш, обеспечивая совмещение двух операций: рыхление и заполнение ковша в едином технологическом процессе.

Вотличие от зубьев рыхлителей, которые обычно устанавливают ниже опорной поверхности ходовой части машины, обеспечивая заданную глубину рыхления, зубья погрузчика, экскаватора устанавливают по касательной к направлению траектории движения ковша. При этом зубья погрузчика обеспечивают рыхление грунта выше уровня подошвы опорной поверхности машины, а зубья экскаватора обеспечивают рыхление внутрь траектории движения ковша.

ВМАДИ А.Н. Зеленин [37] впервые выполнил фундаментальные исследования влияния зубьев ковша экскаватора на энергоемкость процесса копания грунтов и установил факт снижения сопротивления копания в прочных грунтах путем установки зубьев. В 70-е гг. прошлого столетия погрузчики только начали применяться в ограниченных количествах и не составляли конкуренцию экскаваторам. Поэтому в работах А.Н. Зеленина погрузчики не рассматривались и никакие рекомендации для них не обсуждались.

Внастоящее время развитие техники достигло такого уровня, когда погрузчики стали создавать серьезную конкуренцию экскаваторам в определенных видах работ. Ковши погрузчиков и способ заполнения ковша очень близки по способам копания и конструкции к экскаваторным ковшам, поэтому в данной работе результаты экспериментальных исследований, выполненные А.Н. Зелениным для экскаваторов, используются для современных погрузчиков (рис. 8.9).

При проведении экспериментов на ножах ковша устанавливали 8 зубьев. Сравнительные эксперименты проводили с ковшами, имеющими разную ширину b зубьев, разные расстояния а между зубьями. Выполнены следующие серии экспериментов: 1) а=b; 2)

а=2b;

3) а=3b; 4) а=5b. В случае а=b для 8-ми зубьев ширина зуба ковша b Bo 19; а для случая а=5b b Bo 32,5. Таким образом, первая серия экспериментов соответствовала широким зубьям, вторая – узким.

На рис. 8.10 показан график зависимости отношения силы копания для коша с зубьями к силе копания для ковша без зубьев:

влажности грунта 10 %.

Во влажных грунтах с 18 % оптимальным является расстояние между зубьями а=3b. Согласно приведенному графику (см. рис. 8.10) установлен факт снижения сопротивления грунта копанию в прочных грунтах на 40 %.

8.5.Взаимодействие ковша супертяжелого погрузчика

сгрунтовым штабелем

Рассмотрим процесс взаимодействия ковша супертяжелого погрузчика ПК-75 с грунтовым штабелем. Геометрические размеры и параметры сечения внутренней полости ковша представлены на рис. 8.11. Ширина внутренней полости между боковыми стенками ковша Bo=7,9 м; радиус днища ковша ro=1,138 м. Номинальное сечение ковша, состоящее из кругового сектора A1, двух прямоугольных треугольников A2, A3 и треугольника A4, имеет площадь AC.H =4,75

м2, номинальный объем ковша VH =37,5 м3 и номинальную вместимость QH =75000 кг. Заполнение ковша материалом до номинального объема соответствует коэффициенту наполнения ковша KH =1.

На рис. 8.11 пунктиром показана шапка ковша, заполнение которой соответствует коэффициенту наполнения ковша KH =1,25. Внедрение ковша в штабель сыпучего материала начинают при минимальном угле установки днища ковша к опорной поверхности

o 7o (рис. 8.12).

1 1 3 8

М М

Лобовая сила сопротивления при внедрении ковша в штабель определяется по формуле

Сила лобового сопротивления для ковша погрузчика ПК-75 вычислена в подразделе 2.1 для ковша без зубьев.

В данном случае рассматривается ковш с зубьями, для которого, согласно известному влиянию зубьев на сопротивление копанию, лобовое сопротивление определяем по формуле

WлE Wл Е 107504 0,6=64502,4 Н,

где E – коэффициент снижения сопротивления зубьями, E =0,6.

От максимальной горизонтальной силы тяги, развиваемой погрузчиком ПК-75, по сцеплению колес (при СЦ =0,6) P1max=1442070

Н лобовая сила сопротивления составляет 4,47 %.

Рабочий процесс ковша погрузчика ПК-75 рассматривается в весьма тяжелом грунтовом штабеле, обладающем сцеплением порядка С=100000 Па и более. Зубья ковша, установленные перед режущей кромкой ковша, имеют ширину (для числа зубьев nz =10)

b Bo 7900 243,1 мм. 32,5 32,5

Расстояние между зубьями а=2,5b=607,75 мм. Зубья ковша снижают сопротивление грунта копанию на 40% , поэтому для ковша погрузчика действительное сопротивление внедрению ковша будем рассчитывать для сцепления CE C E .

По разработанной математической модели силу сопротивления внедрению ковша погрузчика ПК-75 в грунтовый штабель будем определять для различных коэффициентов сцепления CE в следующем диапазоне: CE =30000 Па; CE =40000 Па; CE =50000 Па;

CE =60000 Па.

При внедрении ковша погрузчика ПК-75 на величину LВН 2,0 м (см. рис. 8.12) сила горизонтального сопротивления WK становится максимальной и погрузчик останавливается вследствие использования своих тяговых возможностей по сцеплению или другим техническим характеристикам.

При CE =30000 Па; 1=0,55; 2 =0,69; LBH =2,0 м имеем силу внедрения ковша в грунтовый штабель WK =1167298 Н и энергию внедрения А =1018835 Дж.

При CE =40000 Па; 1=0,55; 2 =0,69; LBH =2,0 м имеем силу внедрения ковша в грунтовый штабель WK =1403849 Н и энергию внедрения А =1255251 Дж.

При CE =50000 Па; 1=0,50; 2 =0,67; LBH =2,0 м имеем силу внедрения ковша в грунтовый штабель WK =1424070 Н и энергию внедрения А =1296444 Дж.

При CE =50000 Па; 1=0,55; 2 =0,73; LBH =2,0 м имеем силу внедрения ковша в грунтовый штабель WK =1693523 Н и энергию внедрения А =1536042 Дж.

Суммарная сила сопротивления при CE =50000 Па равна

W =WЛ +WK =1758025 Н.

Определим коэффициент сцепления колес погрузчика, соответствующий сопротивлению W :

Такое значение коэффициента сцепления допустимо для колесных машин в плотных грунтах. Представленные результаты свидетельствуют о способности погрузчика ПК-75 внедрять ковш на величину LBH =2,0 м в разные грунтовые штабели. Однако видно, что этого недостаточно для заполнения ковша. Поэтому после остановки погрузчика выполним поворот ковша относительно стрелы на уголK 7o, т.е. установим переднюю стенку ковша параллельно опорной поверхности погрузчика. Результат этого действия представлен на рис. 8.13.

После чего выполним повторное надвигание погрузчика на штабель на величину LBH max . При надвигании ковша погрузчика с горизонтально установленной передней стенкой резко уменьшаются сопротивления продвижения призмы материала, т.к. угол скольжения1=0. При движении призмы грунта внутрь ковша начинается ее взаимодействие с криволинейным днищем. Внутри ковша образуется неподвижный объем материала и возникает плоскость скольжения под углом 1 внутри материала призмы (рис. 8.14).

Угол 1 увеличивается по мере внедрения ковша, и возрастает сила сопротивления внедрению ковша. В некоторый момент угол скольжения 1 становится максимальным при максимальной силе