Исследование основных параметров одноковшового экскаватора

Аннотация

В данной статье исследованы зависимости основных параметров экскаватора от технологических характеристик. Разработана таблица значений эффективной производительности от размерного ряда ковшей.

Развитие дорожной отрасли - одна из важных составляющих экономики Казахстана, в значительной степени зависит от эффективно функционирующей системы эксплуатации и ремонта, обеспечивающей поддержание средств механизации на высоком уровне работоспособности в течение всего срока их эксплуатации.

Большой объем строительных работ в Казахстане производятся в тяжелых климатических и грунтовых условиях. Среди различных видов строительных работ значительный объем приходится на разработку грунтов.

Широкое применение находят такие универсальные строительные машины, как самоходные краны и одноковшовые экскаваторы. Кроме того, эти машины, как правило, являются ведущими в комплексах машин при капитальном ремонте и строительстве дорог, промышленных и гражданских объектов и пр.

Необходимость эксплуатации машин в комплексе приводит к тому, что потеря работоспособности одной из машин приведет к нарушению всего технологического процесса. Кроме того, взаимодействие узлов и агрегатов машин формирует сложную конструктивно-технологическую систему, эффективность которой характеризуется несколькими показателями, например, КПД и энергоемкость.

В настоящее время гидрофицированные машины составляют 75-80% от общего количества строительно-дорожных машин (СДМ). Работа гидроприводов СДМ под нагрузкой составляет 85% от общего срока службы. Для СДМ велико число включений в единицу времени основных элементов (см. таблицу 1), оказывающих влияние на загрузку гидропривода и характер ее изменения.

Таблица 1. Доля работы гидроприводов СДМ под нагрузкой

Показатель

экскаваторы

бульдозеры

скреперы

погрузчики

краны

Энергоемкие операции

от 50% до 70%

от 58% до 69%

от 56% до 70%

от 46% до 50%

около 50%

Число включений

1250

1500

1200

900

1000

Таким образом, режимы работы исполнительных механизмов весьма напряженные [1]. Рабочее оборудование экскаваторов, приобретающее большие значения моментов инерции при циклическом движении, являются источником динамических нагрузок. Такты рабочего цикла экскаватора обеспечиваются высокой мощностью двигателя и повышенным расходом топлива. Процесс загрузки ковша характеризуется большими динамическими нагрузками и малым КПД гидропривода. Неполная загрузка ковша приводит к снижению производительности и эффективности экскаватора. Повышенные нагрузки на технику ужесточают требования к ее надежности, долговечности с минимизацией затрат на эксплуатационные расходы.

В свою очередь, показателями эффективности работы экскаватора будут: производительность, КПД гидропривода, экономичность, минимальное время рабочего цикла (т.к. при исправном гидроприводе на поворот стрелы расходуется до 70% рабочего времени цикла экскаватора) и состояние гидропривода. В гидроприводах механическая энергия преобразуется в гидравлическую, в этой форме перемещается, управляется или регулируется, а затем снова преобразуется в механическую энергию (рисунок 1).

К основным параметрам экскаваторов относятся мощность двигателя N(полная, полезная), давление рабочего контура гидропривода Penгрузоподъемность Q3, максимально тяговое усилие трансмиссии Rm и эксплуатационная масса тэ. Приоритетной задачей проектирования является обоснование адекватных соотношений этих параметров с технологическими характеристиками. Для модельного ряда экскаваторов от PC35MR-3 до РС8000-6 получены значения удельных параметров. Установлены зависимости корреляции грузоподъемности Q3 от мощности гидропривода Nen и мощности двигателя Nрисунок 2.

Один из эксплуатационных показателей отражающий работу экскаватора - это его производительность, зависящая от множества факторов, которые предстоит исследовать. Ниже на рисунке 3 представлены зависимости производительности Пэ от объема ковша, от мощности гидропривода Nrn.

Анализируя аппроксимированные зависимости, определена область эффективного использования мощности гидропривода Nsn=19-2IkBt и мощности двигателя Ае=174-179кВт. Производительность -показатель комплексный, величина которого отражает технологические характеристики экскаватора. Грузоподъемность, категория грунта и размерный ряд ковша предопределяют производительность. Зависимость производительности экскаватора Пэ от номинального объема ковша Г« аппроксимирована выражением и представлена также на рисунке 3. Заметный рост производительности виден на отметке Пэ =300-325м3/ч при номинальном объеме ковша Vr =2,2-2,5м3 мощности гидропривода Nen=19кВт и мощности двигателя TVe=I 74кВт.

Обобщая результаты зависимостей, можно отметить, что найдены оптимальные соотношения параметров, обеспечивающих эффективную эксплуатацию экскаватора. Из графика рисунка 36 видно, что дальнейшее повышение мощности гидропривода не целесообразно, т.к. производительность снижается при тех же энергетических затратах. На основании исследования зависимостей предлагается ввести термин «эффективная производительность». Предполагается, что при выборе рациональных режимов работы экскаватора мы обеспечиваем производительность, соответствующую энергетическим затратам на единицу объема грунта.

Одним из критериев оценки эффективности экскаватора выступает усилие копания ковшом. Нагрузочная характеристика гидропривода выражает зависимость скорости движения выходного звена от нагрузки на нем. При оценке нагрузки выходного звена гидропривода необходимо определить перепад давлений на дросселе. Далее для построения силовой характеристики привода зададимся рядом значений R и из выражения определим RPдр. Для этих значений RPдр, найдем скорости перемещения поршня. Величину R следует изменять от нуля до максимального значения тах, при котором скорость перемещения поршня равна нулю. По данным вычислений строится график х>п = f(R) (рисунок 4).

Составляющие нагрузочной характеристики предопределяют режимы работы экскаватора и его производительность. Производительность, как эксплуатационный показатель, влияет на другие технологические характеристики расходуемая мощность гидропривода Nzn, двигателя Ne и создаваемое усилие копания ковшом Rk. Сочетание перечисленных факторов отражают эффективную работу экскаватора, которая оценивается общим КПД гидропривода г|Общ. -

Рассмотрим зависимости основных показателей экскаватора мощность гидропривода Nzn и общий КПД гидропривода г|общ. от усилия копания ковшом. Из рисунка 5 видно, что сила копания ковшом возрастает до значений 7?к=200- 23 OkH пропорционально мощности гидропривода Nen =19-21 кВт. В реальных условиях эксплуатации дальнейшее увеличение мощности гидропривода не дает положительного эффекта из-за возрастающих сил гидравлического сопротивления и сопротивления при разработке грунта. Зависимость изменения КПД гидропривода т|общ. от усилия копания ковшом Rk более точно характеризует технологический цикл разработки грунта.

Изменение т|общ от 0,85 до 0,6 (рисунка 5) описывает внедрение ковша в верхние слои грунта, значения г|Общ от 0,6 до 0,5 характеризует процесс резания и отрыва слоя грунта равного объему ковша при установившемся усилии копания 7^=170-210кН.

Повышение КПД т|общ от 0,5 до 0,6 происходит за счет снижения значений сил сопротивления и описывает процесс выемки грунта, перемещение и выгрузку. Величина г|Общ=0,55 является действительной и сохраняется практически во всем технологическом цикле. Таким образом, подтверждается предположение о том, что самый энергоемкий такт цикла - это резание и отрыв грунта.

Результаты исследований подтверждают актуальность согласования технологических и эксплуатационных показателей экскаватора. Для обеспечения рабочих циклов экскаватора эффективной производительностью необходимо разработать таблицу рациональных сочетаний технологических эксплуатационных параметров и размерного ряда ковшей (Таблица 2).

Исследования показали, что величина энергоемкости разработки грунтов землеройными машинами зависит не только от физико-механических свойств грунта, но и от конструктивных особенностей гидропривода, применяемых для выполнения работ. Доминирующая величина суммарной потери энергии при силах сопротивления механизмов привода приходится на гидроцилиндры ковша и поворотную платформу СДМ в процессе резания и торможении при повороте. Поэтому энергоэффективность гидропривода, как комплексный показатель процесса разработки грунта, зависит не только от начальных параметров гидропривода, но и от изменения их в процессе технологических циклов.

Следовательно, важной инженерной задачей стоит использование потерь энергии за счет сил сопротивления. В этой связи, особую актуальность приобретают разработка и научное обоснование новых методик и технических решений, направленных на использование рекуператоров энергии в местах максимальных потерь и сопротивлений машин. Решение данной задачи позволит повысить энергоемкость и эффективность дорожных машин.

Выводы: использование 50-60% полезной мощности гидропривода в технологическом процессе свидетельствует о значительном резерве повышения потенциала экскаватора; с целью обеспечения эффективной производительности экскаватора разработана таблица рациональных сочетаний технологических параметров и размерного ряда ковшей; тенденция развития методов и средств управления гидрофицироваными машинами обуславливает необходимость в совершенствовании теории и практики эксплуатации гидроприводов СДМ, в том числе, за счет применения методов рекуперации энергии гидравлической жидкости, что позволит более качественно использовать потенциал СДМ и повысить основные эксплуатационные показатели для заданного цикла работ.

 

Литература:

  1. 1. Дорожно-строительные машины и комплексы / под общ. Ред. Боловнева В.И.; Омск: Изд-во СибАДИ, 2001. - 528 с.
  2. 2. Герасимов Ю.Ю., Сюнев В.C., Соколов А.П. Оптимизационный расчет параметров гидравлических механизмов привода манипулятора лесной машины. // Строительные и дорожные машины. - 2006. -№12. - Декабрь. - С. 26 - 32.
Год: 2016