Направление 1. Транспортное и строительное машиностроение

_______________________________________________________________________________________

УДК 629.5:62.2

ОПТИМИЗАЦИЯ УГЛОВ ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ РАБОЧЕГО ОБОРУДОВАНИЯ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО ЭКСКАВАТОРА

В. В. Савинкин1, доктор технических наук; В. Н. Кузнецова2, доктор технических наук, профессор

1 Северо-Казахстанский государственныйуниверситет им. М. Козыбаева,

Петропавловск,Республика Казахстан

2Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего образования «Сибирский государственныйавтомобильно-дорожный университет», Омск, Россия

Аннотация. Для разработки эффективных систем управления технологическим процессом рабочего оборудования экскаватора необходимо определить оптимальные углы поворота конструктивных элементов рабочего оборудования. Критерием оптимизации является минимизация сопротивления копанию грунта. При этом существенно снижаются динамические нагрузки, возникающие при разработке грунта, энергоемкость процессов резания и перемещения грунта в ковше и повышается ресурс работы гидропривода. В статье приведена разработанная методики оптимизацииугловнаклонарабочегооборудованияэкскаватора.

Ключевые слова. Экскаватор, эффективность, рабочее оборудование, позиционирование, динамическая нагрузка.

OPTIMIZATION ANGULAR POSITIONING WORKINGHYDRAULIC EXCAVATOR

EQUIPMENT

V.V.Savinkin1, Doctor of Technical Sciences;

V.N. Kuznetsova2, Doctor of Technical Sciences, prof.

North Kazakhstan StateUniversity named after M. Kozybaev, Petropavlovsk, Kazakhstan,

Federal State Budgetary Educational Institution

Higher Education «Siberian StateAutomobile and Highway University», Omsk, Russia

Annotation.To develop effective control systems for the technological process of the excavator working equipment, it is necessary to determine the optimal rotation angles of the structural elements of the working equipment. The optimization criterion is to minimize resistance to soil digging. At the same time, the dynamic loads that occur during the development of the soil, the energy consumption of the cutting and soil movement in the bucket are significantly reduced and the hydraulic drive's operating life is increased. Based on the results of the research, the article provides a flow chart of an algorithm for optimizing the tilt angles of excavator working equipment.

Keywords.Excavator, efficiency, working equipment, positioning, dynamic load.

Введение

Гидропривод экскаватора в процессе выполнения работы испытывает динамические нагрузки, возникающие в результате значительного числа включений и перемещений рабочего оборудования. Также на энергонапряженностьпри эксплуатации гидропривода влияет износ сопряжений в деталях, работающих с большей частотой включения и испытывающих большие нагрузки за короткий промежуток времени, наличие агрессивной среды и другие технологические и эксплуатационные факторы [1,2].Очевидно, что на эффективность работы экскаватора оказывает большое воздействие тяжеловесное рабочее оборудование, от выбора угловпозиционирования которого зависит энергоэффективность процесса копания грунта. Правильное управление диапазоном углов поворота позволит снизить энергоемкость процесса и повысить ресурс работы машины [3 - 5].

Блок-схема алгоритма методики оптимизации углов позиционирования рабочего оборудования экскаватора представлена на рисунке 1.

61

ОБРАЗОВАНИЕ. ТРАНСПОРТ. ИННОВАЦИИ. СТРОИТЕЛЬСТВО

Сборник материалов III Национальной научно-практической конференции

_______________________________________________________________________________________

Основная часть

Основными этапами реализации методики являются: разработка расчетных схемрабочих процессов; определение уравнений равновесиясил, моментов сил; определение силы, затрачиваемой на преодоление сопротивлений от собственных масс элементов рабочего оборудования экскаватора; вычисление величин сил, необходимых для отрыва грунта от массива от углов поворота оборудования рабочего оборудования.

Рисунок 1 – Блок-схема алгоритма методики оптимизации углов позиционирования рабочего оборудования экскаватора

Для реализацииразработанной методики рабочееоборудованиеэкскаваторарассматриваетсякак система взаимосвязанныхсиловых звеньев. Рассмотримосновныерасчетныесхемы и зависимости сил, действующих на элементырабочегооборудованияэкскаватора.

На рисунке2 приведена схема сил, возникающей в шарнире «ковш – рукоять».

62

Направление 1. Транспортное и строительное машиностроение

_______________________________________________________________________________________

∑M c = 0; − P DC sinα + Pц′1 h1 + Qk DC2 = 0,

где Xc и Yc – силы в шарниреС («ковш – рукоять»); Pц′1 – величина силы, передающаяся стержнем 12 .

В общем виде уравнения (1) дают возможность проанализировать величины сил в определенном положении ковша. Задавшись углами позиционирования, можно установить пределы и значений сил в критических углах поворота.

Рассмотрим более подробно распределение сил, действующих в узле 2 (рисунок 3).

Рисунок 3 − Схема сил в узле 2 шарнирного сочленения:

Pц1 – сила давления штока цилиндра; Р/ц21 – сила, противодействующая Р/ц12;

Рц23 – сила, направленная произвольно (стержень 23 работает на растяжение от узла 2).

63

ОБРАЗОВАНИЕ. ТРАНСПОРТ. ИННОВАЦИИ. СТРОИТЕЛЬСТВО

Сборник материалов III Национальной научно-практической конференции

_______________________________________________________________________________________

Так как сумма углов позиционированияθ+ γ< 180о, то сила в стержне 23 не равна нулю, но по величине меньше остальных. В сходящейся системе две силы неизвестны. Запишем два уравнения равновесия:

∑Xi = 0; Pц23 cos( 90 −γ ) − Pц21 cos(θ +γ −90 ) = 0 ;

(3)

∑Xi = 0; − Pц1 + Pц21 sin(θ +γ − 90 ) + Pц23 sin( 90 −γ ) = 0 .

Из выражений (3) будем учитывать только величины сил Pц1 и Рц21, которые характеризуют долю силы, перераспределенной в зависимости от угла воздействия или заданного угла 90о. Направление силы изменится, а момент будет увеличиваться.

Исследуем силу, возникающую в шарниреВрукояти. В первом приближении также рассмотрим кинематическую связь «ковш−рукоять» (отрезок СВ) как единую систему. Отрезок ВВ/необходимо рассчитывать как рычаг, увеличивающий момент от действующей силы Рц2 при повороте рукояти (отрезок СВ) (рисунок 4).

Рисунок 4 − Схема распределения усилий в ковше и рукояти: φ – угол, определяющий положение

гидроцилиндра к горизонту;

ВD – расстояние от шарнира рукояти до кромки зуба ковша

Изменение длины ВDзависитот положения ковша относительно рукояти СВв процессе эксплуатации. Расстояние между шарнирами рукояти ВВ/ является величиной постоянной (рисунок 5). Пунктиром представлены мнимые линии, продолженные от направления приложенных сил.

Рисунок5 − Схема распределения сил относительно шарнираВ рукояти

Расчет сил Р и Рц2 представим в виде двух составляющих в проекциях на оси Х и Y (рисунок 6).

64

Направление 1. Транспортное и строительное машиностроение

_______________________________________________________________________________________

Рисунок6 − Схема сил в виде двух составляющих в проекции

При работе гидроцилиндра ковша отрезок DCизменяет свое положение в пространстве, образуя угол α2.Исходя из схемы (рисунок 6), уравнения сумма сил и моментов сил может быть представлена в виде:

∑X i = 0; X B + P1 cosα − Pц2 cosϕ = 0 ;

∑Yi = 0 ;

Так как для расчетной схемы выбрано положение ковша, равное уровню стоянки экскаватора, то диапазон изменения угла α2 составит00≤ α2 ≤ 1800.При работе цилиндра рукояти длина плеча СВ изменяется, увеличивая тем самым угол α3. Для определения длины плеча СВ в зависимости от выхода штока составим следующие уравнения:

∑M B = 0; Pц2 hB − P BD sinα1 + Qk (CB + CD2 ) + QBC BC3 = 0.

Отношение BC/3 принимается из условия, что QВС приложена к 1/3 части стрелы ближе к основанию.В данном случае необходимо проанализироватьдействие силы Рц2,создаваемой штоком цилиндра рукояти. Это позволит установить полезную работу, выполняемую гидроцилиндром на перемещение рабочего оборудования и грунта в ковше. В результате можно определить энергоэффективность работы гидродвигателя с учетом потерь на сопротивление и перемещение собственных масс.

Рассмотрим силы, действующие в шарниреА основания стрелы экскаватора (рисунок 7).

65

ОБРАЗОВАНИЕ. ТРАНСПОРТ. ИННОВАЦИИ. СТРОИТЕЛЬСТВО

Сборник материалов III Национальной научно-практической конференции

_______________________________________________________________________________________

Рисунок 7 − Схема уточнения плеч всей конструкции на длине АD для разработки уравнения моментов

Из схемы (рисунок 7) составим общие уравнения сил и момента:

Заключение

По результатам расчета действующих сил и моментов, возникающих при работеоборудованияэкскаватора,установлены оптимальныезначения углов наклона элементов рабочего оборудования (таблица 1).

Таблица 1 − Оптимальный диапазон углов наклона элемента оборудования экскаватора

*- сочетание оптимальных диапазонов углов наклона оборудования рассмотрено только для грунта

общего назначения, ρ = 1,8 т/м3, разрабатываемого ниже уровня стоянки на глубине 0,8 м.

Представленные результаты подтверждают адекватностьразработанной методики. Указанные диапазоны углов поворота элементов рабочего оборудования характеризуют взаимосвязь пространственного расположения рабочего органа с затраченной мощностью гидропривода Nгп. Положительным результатом является рассмотрение кинематических схем звеньев при самостоятельном и совместном функционировании. Эффективность работы гидропривода оценена удельным показателем мощности гидропривода на единицу вместимости ковша экскаватора.

Библиографический список

1.Кузнецова, В.Н. Исследование энергоэффективных параметров одноковшовых экскаваторов:монография/В.Н.Кузнецова, В.В. Савинкин.–Омск: СибАДИ, 2015. –210 с.

2.Хмара, Л.А. К вопросу повышения эффективности гидравлических экскаваторов с оборудованием обратная лопата / Л.А. Хмара, В.П. Павлов. – М, 1980. – 66 с.

3.Кузнецова, В.Н.Обоснование критериев оценки эффективности экскаватора KOMATSU PC300 /В.Н.Кузнецова, В.В. Савинкин// Строительные и дорожные машины. – 2014. – №3. – С. 9-12.

4.Тимофеев, Г.А. Теория механизмов и машин / Г.А. Тимофеев. – М.: Юрайт, 2011. – 351 с.

5. Доронин, С.В. Обоснование расчетных нагружений карьерных экскаваторов с неклассическими конструктивными схемами рабочего оборудования / С.В.Доронин,Ю.Ф. Филиппова // Вестник машиностроения.–

2017. – № 8. – С. 29-33.

66

Направление 1. Транспортное и строительное машиностроение

_______________________________________________________________________________________

УДК 627.298

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ЭКСПРЕСС-ДИАГНОСТИКИ МОТОРНЫХ МАСЕЛ В ПРОЦЕССЕ ЭКСПЛУАТАЦИИ ТРАНСПОРТНЫХ, ТРАНСПОРТНОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ МАШИН

Р.Ф. Салихов, кандидат технических наук, доцент; И.А.Шутанов, магистрант

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Сибирский государственный автомобильно-дорожный университет

(СибАДИ)», Омск, Россия

Аннотация. Рассмотрены основные виды и причины отказов КШМ дизельных ДВС транспортных и транспортно-технологических машин.Предложен технический параметр для экспресс-диагностики моторного масла, позволяющий определить причину изменения его кинематической вязкости в процессе эксплуатации. Получены закономерности изменения скорости нагрева моторного масла в зависимости от доли попадания в него различного вида эксплуатационных жидкостей.

Ключевые слова: моторное масло, эксплуатационная жидкость, экспресс-метод, кинематическая вязкость, скорость нагрева.

RAPID DIAGNOSTICS OF MOTOR OILS IN THE PROCESS OF VEHICLE OPERATION,

TRANSPORT AND TECHNOLOGICAL MACHINES

R.F. Salikhov,candidate of technical Sciences, associate Professor;

I.А.Shutanov, master's student

Federal State Budget Educational Institution of Higher Education «The Siberian State Automobile and Highway University», Omsk, Russia

Annotation.The main types and causes of failures of kshm diesel internal combustion engines of transport and transport-technological machines are considered.A technical parameter for rapid diagnostics of engine oil is proposed, which allows determining the cause of changes in its kinematic viscosity during operation. The regularities of changes in the heating rateof engine oil depending on the proportion of different types of operating fluids entering it are obtained.

Keywords: engine oil, operating fluid, Express method, kinematic viscosity, heating rate.

Введение

Данная статья посвящена развитиюэкспресс-методов контроля моторных масел. В настоящее время одним из актуальных вопросов является сокращение продолжительности поиска причин поломок дизельных ДВС, которые случаются в процессе эксплуатации транспортных и транспортнотехнологических машин. Одним из важных мероприятий по выявлению причин выхода из строя ДВС является пробоотбор и лабораторный анализ масла. Как правило, для проведения анализа масла применяются стационарные лаборатории. Это требует потерь времени на его доставку и проведение технического контроля на сложном дорогостоящем оборудовании, что, в свою очередь, приводит к увеличению трудоемкости, продолжительности работы экспертов-техников, при выяснении причин выхода из строя ДВС. Таким образом, увеличивается продолжительность простоя техники, в результате чего предприятия теряют значительную часть прибыли. Для решения данных проблем предлагается устройство для диагностики масел, которое значительно снизит трудоемкость эксперта - техника при определении причин отказа двигателя внутреннего сгорания, что соответственно приведет к снижению простоев техники, финансовых потерь эксплуатационных предприятий.

Основная часть

Был проведен сбор статистических данных по поломкам ДВС КТТА-19 на (основании предоставленных данных одной из угледобывающих компаний) самосвалов БелАЗ-7555, по итогам которого было выявлено то, что наиболее частым видом отказавших элементов КШМ ДВС является цилиндро-поршневая группа (рис.1). Несмотря на данный факт, ущерб от отказа деталей сопряжения «вкладыш-шейка КВ», как правило, выше, по сравнению со стоимостью ремонта ЦПГ. Это связанно, с

67

ОБРАЗОВАНИЕ. ТРАНСПОРТ. ИННОВАЦИИ. СТРОИТЕЛЬСТВО

Сборник материалов III Национальной научно-практической конференции

_______________________________________________________________________________________

тем, что наиболее частой причиной выхода из строя деталей ЦПГ, является выработка ресурса сопряжения «юбка поршня – стенка гильзы», что приводит к переходу на следующей ремонтный размер, сам ремонт прогнозируем и имеет плановый характер. Проворачивание вкладышей относительно шейки КВ (коленчатого вала) приводит к изгибу коленчатого вала, невосстанавливаемым задирам на его шейках, а это одна из причин дорогостоящего ремонта ДВС. Отказ КШМ по такой причине носит, как правило, аварийный характер[1].

Рисунок 1 – Статистика проведения ремонтов по причине выхода из строя ЦПГ и вкладышей, КВ дизельного ДВС

В таблице 1 представлены наиболее характерные и часто встречающие дефекты сопряжения «коленчатый вал-вкладыш», которые оказывают значительное влияние на работоспособность ДВС.

Таблица 1 – Наиболее характерные и часто встречающиеся дефекты вкладышей [2].

Исходя из данных таблицы 1, можно сделать вывод о том, что наиболее часто причиной выхода из строя вкладышей шатунных и коренных шеек является изменение свойств и количества моторного масла в двигателе. На рисунке 2 показан износ шатунного подшипника скольжения двигателя марки КТТА-19 (производство фирмы «Cummins») самосвалов БелАЗ-7555 [2].

68

Направление 1. Транспортное и строительное машиностроение

_______________________________________________________________________________________

Блестящая

поверхность

Темные

участки

Рисунок 2 – Изнашивание шатунного вкладыша фирмы «Mahle», вызванное попаданием инородных тел в зону трения, снижением кинематической вязкости моторного масла

В данном случае причиной изнашивания подшипника скольжения (вкладыша) является попадание инородных тел в зону трения, падение кинематической вязкости моторного масла на 16 %, в результате чего данный подшипник недополучал смазочный материал в зону трения. Данный процесс получил название «масляное голодание»[4].

На изменение кинематической вязкости моторного масла оказывают влияние несколько факторов:

•попадание в моторное масло антифриза;

•попадание в моторное масло топлива;

•попадание в моторное масло воды;

•перегрев;

•выработка присадок.

Попадание в моторное масло хотя бы одного из видов жидкости очень опасно. Так как может стать одной из причин интенсивного изнашивания трущихся деталей в двигателе.

Проведение анализа технического состояния моторного масла достаточно важная процедура, которая может дать эксперту информацию о том, что в одной из систем двигателя существует неисправность, которая оказывает существенное влияние на работоспособность агрегата. Если в масло попадало топливо, то эксперт-техник уделит особое внимание техническому контролю параметров элементов системы питания. В большинстве случаев попадание топлива в масло, связано с нарушениями в работе форсуноки других элементов системы питания или использованием некачественного топлива[3].

Как говорилось ранее анализ моторного масла достаточно долгий и трудоемкий процесс. Для сокращения трудоемкости предлагается экспресс-метод на основе измерения скорости (интенсивности) нагрева моторного масла. Параметры теплопроводности, теплоемкости исследовались для рабочих гидравлических жидкостей, моторных масел, их влияние на надежность деталей машин[7, 8, 9]. Несмотря на проведенные исследования недостаточно изучен вопрос для полусинтетических и синтетических моторных масел, отсутствуют приборы для контроля данного параметра. Наличие приборов, устройств экспресс-диагностикидля оценки технического состояния масел с использованием теплового метода контроля позволят сократить продолжительность, трудоемкость и стоимость технической диагностики.

На рисунке 4 представлены исследования, которые показывают зависимости скорости нагрева моторного масла от концентрации различных эксплуатационных жидкостей (вода, охлаждающая жидкость, топливо) в масле. Для эксперимента использовалось синтетическое моторное масло Idemitsu 5w30 c кинематической вязкостью 10,24 сСт при 100°C.

69

ОБРАЗОВАНИЕ. ТРАНСПОРТ. ИННОВАЦИИ. СТРОИТЕЛЬСТВО

Сборник материалов III Национальной научно-практической конференции

_______________________________________________________________________________________

Рисунок 4 – Зависимость продолжительности нагрева моторного масла от его температуры с различной концентрацией эксплуатационных жидкостей

(вода, охлаждающая жидкость, топливо).

Проведенные исследования говорят о том, что содержание примесей (топливо, антифриз, вода) в моторном масле оказывает значительное влияние на скорость нагрева моторного масла. Чистое моторное масло нагревается до температуры 95°C значительно медленнее, чем моторное масло, в котором присутствует антифриз, вода. Это объясняется тем, что вода и антифриз имеют большее значение теплопроводности и поэтому оно начинает более интенсивно нагреваться, чем моторное масло [5]. При попадании в моторное масло топлива скорость нагрева также повышается. Антифриз и вода имеют более высокое значение теплоемкости и теплопроводности, чем топливо. Несмотря на данный факт, как показали опыты, интенсивность их нагрева в смеси с моторным маслом меньше, чем у топлива.

В подтверждении вышесказанных тезисов был приведен сравнительный анализ скорости нагрева смеси дизельного топлива и моторного масла и построены графические зависимости (рис.5).

Рисунок 5 – Зависимость температуры смесимоторного масла с различной концентрацией содержания дизельного топлива от продолжительности нагрева

70

Направление 1. Транспортное и строительное машиностроение

_______________________________________________________________________________________

По результатам проведенного исследования можно сделать вывод о том, что дизельное топливо резко изменяет интенсивность нагрева при доле попадания его свыше 5% в моторное масло, чем меньше доля содержания дизельного топлива в моторном масле, тем меньше скорость (интенсивность) нагрева смеси эксплуатационных жидкостей.

В итоге результаты проведенных исследований и выявленные закономерности свидетельствует о том, что такой параметр, как интенсивность нагрева моторного масла является информативным параметром, внедрение которого позволит сократить трудоемкость анализа моторного масла и выявления причины поломки ДВС.

Заключение

В результате проведенных исследований, выявленные закономерности свидетельствует о том, что для экспресс-оценки состояния моторного масла, помимо измерения вязкости моторного масла, целесообразно проводить замер такого параметра, как скорость нагрева моторного масла, который позволит определять наличие долю попавших эксплуатационных жидкостей в моторное масло. Применение и внедрение предлагаемого устройства позволяет снизить продолжительность поиска причины аварийной поломки и простои транспортно-технологических, транспортных машин в процессе экспертизы, а также при профилактических проверках.

Библиографический список

1.Автомобильные двигатели / Под. ред. М.С. Ховаха - М.: Машиностроение, 1977.- 591 с.

2.Салихов, Р. Ф. Совершенствование технологии технического контроля подшипников скольжения строительной техники и оборудования / Р.Ф.Салихов, В.В.Акимов, А.Ф.Мишуров, Г.Н.Мусагитова // Вестник СибАДИ. – 2018. – № 6. – Т. № 15. – С. 854-865.

3.Основы теории и конструирования автомобильных двигателей / М.Д. Артамонов и др. – М.: Высш. шк., 1976.

–132 с.

4.Хрулев, А. Э. Влияние неисправностей в системе смазки на характер повреждения подшипников ДВС / А.Э.Хрулев, М.В. Кротов // Двадцать третий Международный конгресс двигателестроителей.

5.Хрулев, А.Э. Особенности исследования свойств моторного масла при определении причин неисправностей двигателей внутреннего сгорания / А. Э. Хрулев // Девятая Международная научно-практическая конференция. –

71