2.3.5. Сертификационное испытание соответствия параметров ковша податливости конструкции рабочего оборудования экскаватора

Определение формы продольного профиля ковша экскаватора с оборудованием обратная лопата является необходимой задачей про­ектирования нового рабочего оборудования экскаваторов для типовых и специальных условий их эксплуатации.

Анализ конструкции ковшей отечественных и зарубежных экска­ваторов с оборудованием обратная лопата позволил установить зна­чительный резерв увеличения вместимости за счет изменения их про­дольной формы при сохранении неизменными параметров, оп­ределяющих форму режущего периметра ковша. Так, например, уве­личивая радиус кривизны днища ковша экскаватора ЭО-4322 вмести­мостью q = 0,8 м³ до размеров радиуса траектории, описываемой ре­жущей кромкой ковша при повороте его относительно рукояти, можно достигнуть вместимости ковша q = 1,3 м³. При этом возможно увели­чение производительности экскаватора на 60%. Подобными расчета­ми для сменных ковшей этого экскаватора вместимостью 0,5, 0,65, 1,0 и 1,25 м³ установлена возможность увеличения их вместимости соот­ветственно до величин 0,85, 1,0, 1,6 и 2,1 м³.

Продольная форма ковша современного экскаватора с обору­дованием обратная лопата определяется условием обеспечения по­ворота ковша относительно рукояти без опасности контакта внешней стенки днища ковша с поверхностью забоя. В противном случае нару­шается номинальный ход процесса копания грунта, что приводит к са­мопроизвольному выглублению ковша, уменьшению объема выре­заемого грунта и снижению производительности при резком увеличе­нии энергоёмкости процесса копания грунта.

Экспериментальные и теоретические исследования процесса взаимодействия ковша экскаватора с грунтом [19] показали, что наи­меньшей энергоемкостью процесса набора грунта в ковш обладают ковши, продольный профиль днища которых наиболее удален от цен­тра поворота ковша, т.е. наиболее приближен к поверхности забоя. Однако в процессе копания происходит смещение центра поворота ковша, которое необходимо учитывать при определении продольной формы ковша.

Смещение центра поворота ковша обусловливается податли­востью конструкции системы крепления ковша и,величиной нагрузки, воспринимаемой ковшом в процессе копания. Податливость конструк­ции является следствием упругих, псевдоупругих и "релаксирующих" деформаций элементов несущей конструкции экскаватора при вос­приятии рабочих нагрузок в процессе копания грунта.

Упругие деформации несущей конструкции экскаватора в заданном направлении определяются прочностными размерами элементов ме­таллоконструкции экскаватора, характеристиками упругости гидросис­темы и положением рабочего оборудования.

Псевдоупругие деформации являются следствием наличия люф­тов в кинематических парах проушин крепления гидроцилиндров, уз­лов совместного крепления ковша, рукояти, стрелы, поворотной плат­формы, опорно-ходовой рамы и опорных устройств. Особенностью этих деформаций является ступенчатое смещение центра поворота ковша по мере достижения определенных величин нагрузки на рабо­чем органе и возврат в исходное положение при уменьшении этих на­грузок.

"Релаксирующие" деформации определяются состоянием силового оборудования экскаватора (гидроцилиндров рукояти, стрелы, вынос­ных опор), износ элементов конструкции которого вызывает перетечку рабочей жидкости из полости высокого давления в низкую, вызывая тем самым необратимые смещения центра поворота ковша. "Релаксирующие" деформации зависят от величины и времени дейст­вия нагрузки, степени износа уплотнителей гидросистемы. Степень влияния "релаксирующих" деформаций на смещение центра поворота

ковша в настоящее время не изучена и в представленной работе не учитывается.

На рис. 22 дан график зависимости вертикального Л_в и горизон­тального А_г смещений центра поворота ковша при восприятии нагруз­ки в вертикальном от силы Р_в (или горизонтальном от силы Р_г ) на­правлении вдоль оси У (X) согласно расчетной схеме рис. 23. Смеще­ние центра поворота ковша является следствием упругих и псевдоуп­ругих деформаций элементов конструкции экскаватора и его рабочего оборудования.

Рис, 22. Зависимость вертикального Д, (горизонтального Д)

смещения центра поворота ковша экскаватора при восприятии

силы Р_в в вертикальном (Р_г в горизонтальном) направлении.

Наклонные прямолинейные участки графика смещения центра по­ворота ковша соответствуют упругим деформациям систем, состав­ленных из следующих элементов конструкции экскаватора:

I участок определен упругой деформацией системы ковш - рукоять до момента выбора люфтов в системе сочленений рукоять - стрела;

2. участок - упругая деформация системы ковш - рукоять - стрела до момента выбора люфтов в системе сочленений стрела - опорно-поворотная платформа;

3. участок - упругая деформация системы ковш - рукоять - стрела -спорно-поворотная платформа до момента выбора люфтов в системе сочленений опорно-поворотной платформы с рамой ходового обору­дования;

4. участок - упругая деформация системы ковш - рукоять - стрела -опорно-поворотная платформа - рама ходового оборудования до мо­мента начала опрокидывания всей конструкции экскаватора относи­тельно ребра опорного контура.

Вертикальные участки графика (рис. 22) характеризуют смещение центра поворота ковша, сопряженное с процессом выбора люфтов в системах: А_р._с - рукоять-стрела, Д_с._п - стрела-опорно-поворотная плат­форма, Д_п-х - опорно-поворотная платформа ходового оборудования (рис. 23).

Для простоты расчета представленный закон смещения центра по­ворота ковша в вертикальном Д_в или горизонтальном Д_г направлениях в зависимости от величины сил по вертикальному Р₈ и горизонталь­ному Р_г направлениям, т.е. сил^действующих по осям У и X, аппрокси­мируем уравнением прямой линии

А_г=К_гх1\ ,

где К_е и К_г, см/Н - соответственно податливость несущей конст­рукции экскаватора при восприятии вертикальной и горизонтальной нагрузок для заданного положения в пространстве элементов конст­рукции рабочего оборудования.

Рис. 23. Расчетная схема определения смещения центра поворота ковша экскаватора Численное значение коэффициента податливости К_в в верти­кальном направлении определяется по величине суммарного верти­кального смещения центра поворота ковша, накопленного к моменту

начала опрокидывания экскаватора относительно ребра опорного кон­тура. К_г определяется по величине горизонтального смещения центра поворота ковша, накопленного к моменту начала опрокидывания или юза экскаватора относительно опорной поверхности. Величины К_в и К_г являются переменными в зависимости от положения в пространст­ве элементов конструкции экскаватора и его рабочего оборудования. Допущение о прямолинейном законе величины смещения центра поворота ковша в зависимости от величины воспринимаемой наг­рузки, как показано на рис. 22, завышает расчетные значения по от­ношению к реальным величинам. Однако это гарантирует наличие за­зора между стенкой днища ковша и поверхностью забоя, что не­обходимо обеспечить при решении задачи поиска продольной формы ковша экскаватора. Справедливость этого допущения правомерна при условии, если угол наклона отрезка упругой деформации на каждом последующем участке будет увеличиваться. Это и наблюдается на практике, так как на каждом последующем участке увеличивается ко­личество упругих элементов, соединенных последовательно, и, сле­довательно, податливость конструкции при переходе от одного участ­ка к другому будет всегда возрастать.

В наиболее распространенных случаях работа экскаватора с обо­рудованием обратная лопата производится в забое, поверхность ко­торого наклонена к горизонту под углом с> (рис. 23). В этом случае при известных значениях вертикальной и горизонтальной (К_в и К_г) подат-ливостей конструкции экскаватора используя геометрические взаимо­связи между перемещениями по направлению осей Х$ и У$ и пере­мещениями по осям Хи У (рис. 24), можно получить значения подат­ливости по перпендикулярному (ось У_д- на рис. 23) и параллельному (осьХ^) поверхности забоя направлениям

СВ = К_в х cos² S + К_г х sin² 8 СИ =K_exsm²S + K_excos² S .

Рис.24. Расчетная схема определения податливости

по перпендикулярному y<j и параллельному Xq к поверхности забоя направлениям Величина смещения центра поворота ковша в процессе копания зависит от величины нагрузок, воспринимаемых конструкцией экска­ватора, которые в свою очередь определяются сопротивлением ко­панию. Сопротивление копанию Poi может быть определено по фор­мулам, разработанным в МАДИ (1), согласно которым касательная к траектории движения режущей кромки ковша составляющая сопро­тивление копанию

P_m=Cxh^U5 х(1 + 2,6хВ)хА ₍₁₎

где С - число ударов динамического плотномера; h - текущее зна­чение глубины копания в см; В - ширина поперечного сечения выре­заемой строки прямоугольной формы в м, принимаемая равной шири­не режущего периметра ковша экскаватора; А - коэффициент, учиты­вающий форму режущего инструмента, влияние зубьев и до­полнительные сопротивления, сопутствующие процессу заполнения

ковша грунтом. Нормальную составляющую сопротивления копанию согласно [2] можно представить в виде

Ра2=&^хР01, (2)

где у/ - коэффициент соотношения нормальной и касательной к траектории движения составляющих сопротивления копанию.

Следует отметить условность представления нормальной состав­ляющей в таком виде (2), где ^/определяется табличными данными, полученными на основании прямых измерений, произведенных на ме­ханических экскаваторах при работе с оборудованием прямая лопата. Согласно исследованиям МАДИ-ВНИИСДМ на экскаваторе с гидро­приводом и оборудованием обратная лопата величина коэффициента ^изменяется в широком диапазоне в процессе одного цикла копания вплоть до изменения знака, т.е. изменения направления действия нормальной составляющей сопротивления копанию. Однако как в ранних, так и последующих исследованиях явление податливости кон­струкции экскаватора не учитывалось при определении нормальной составляющей сопротивления копанию.

Явление податливости конструкции экскаватора необходимо учи­тывать при определении смещения центра поворота ковша в процессе копания. Смещение центра поворота ковша в процессе копания зада­ет траекторию движения режущей кромки ковша, реальную глубину копания h и, следовательно, величину сопротивления копанию Poi и Рог, определяющую в свою очередь величину смещения центра пово­рота ковша. Наличие информации о траектории движения режущей кромки ковша и изменении положения центра поворота ковша в про­цессе копания позволит обоснованно вычислить энергоёмкость про­цесса копания и определить продольную форму ковша, при которой исключается трение днища о забой. Для этого необходимо установить закон изменения реальной глубины копания в зависимости от угла по­ворота режущей кромки ковша в процессе копания.

Для определения реальной глубины копания воспользуемся рас­четной схемой, представленной на рис. 25, на которой приняты сле­дующие обозначения: Х₃ОУ$ оси координат, ориентированные парал­лельно и перпендикулярно к поверхности забоя, расположенной под углом Sk горизонту (см. рис. 24); центр осей координат О определяет исходное положение центра поворота ковша перед совершением вне­дрения режущей кромки ковша в грунт; О; местоположения центра поворота ковша при повороте его на угол у\ в процессе копания грунта; угол yj отсчитывается по направлению часовой стрелки от оси Xs ',

DB(I) и DH(I) - координаты положения центра поворота при повороте ковша на угол у, ; X и У, - координаты режущей кромки ковша, соот­ветствующие углу Yj; R₁ - расстояние от центра поворота ковша до его режущей кромки; 2(р - угол поворота ковша, необходимый для вы­резания заданного объема грунта Q; h_m - теоретическая глубина ко­пания, соответствующая углу поворота режущей кромки ковша у, отно­сительно неподвижного центра поворота О.

Согласно расчетной схеме реальная глубина копания

h = h_T-DB{I) , ₍з)

_meDB(I) = P_yxCB

*у ~ *<01 ^х v-^/0S/; + Ф ^{х sin}7_;/- проекция силы сопротив­ления копанию на направление, перпендикулярное поверхности за­боя.

Теоретическая глубина копания (рис. 25) определяется геометри­ческими выражениями

h_T =R_yx (sinjj - coscp) ₍₄₎

Подставим в формулу (3) значение h_m и силы Роь выраженной че­рез реальную глубину копания формулой (1), получим уравнение h = R_lx (sin/,. - costp) - с х /г^1,35 х (l + 2,6 х в) х А х СВх (cos/ + у/ х sin/,,),

решение которого относительно h позволит определить величину реальной глубины копания с учетом смещения центра поворота ковша из-за податливости конструкции экскаватора.

Разработанная математическая модель определения реальной глубины копания грунта ковшом экскаватора с оборудованием об­ратная лопата с учетом податливости его конструкции позволяет пе­рейти к обоснованному определению геометрических параметров формы ковша таких, как:

R- расстояние от оси крепления ковша к рукояти до режущей кромки ковша или радиус поворота режущей кромки ковша при копа­нии способом "поворот ковша",

В - ширина режущего периметра ковша, измеряемая по внешнему контуру боковых стенок режущего периметра,

R_a - закон изменения расстояния от оси крепления ковша к руко­яти до внешней поверхности днища ковша в полярных координатах, где координата а исчисляется от радиуса режущего периметра ковша в сторону противоположную рабочему ходу ковша в процессе копания.

При этом следует отметить, что радиус поворота режущей кромки ковша определяется без учета выступающих частей зубьев ковша.

Рис. 25. Расчетная схема определения реальной глубины копания

Поиск рациональных параметров формы ковша экскаватора, как и для любых элементов конструкций изделий машиностроения, заклю­чается в определении таких параметров ковша, при которых достига­ется максимальный экономический эффект в народном хозяйстве. При расчете экономического эффекта необходимо учитывать удель­ные приведенные затраты, определяемые для экскаватора путем учё­та расходов на его создание и эксплуатацию, отнесенных к 1 м³ выра­ботанного грунта. Согласно данным исследований [21] расходы, со­пряженные с изготовлением и эксплуатацией ковша, незначительны, в пределах 1...2%, по отношению к суммарным затратам. Указанными изменениями стоимостных показателей при оптимизации параметров конструкции экскаватора, учитывая вероятностную природу изменчи­вости условий производства работ, можно пренебречь. Поэтому усло­вимся расходы на изготовление и эксплуатацию ковша при изменении его формы считать постоянными.

В этом случае оценку совершенства формы ковша можно произво­дить по показателю производительности экскаватора, которая в большой степени зависит от энергоемкости процесса копания грунта и

материалоемкости ковша. Энергоемкость процесса копания опреде­ляется выражением

г

\Р_т хi?j хdy

Е--

Q ' ^

где Q - объем грунта в ковше. Материалоемкость ковша

⁴ Z Q i (6)

где G - масса конструкции ковша.

Цель настоящего исследования - определение рациональных па­раметров геометрической формы ковша, при которых достигается ми­нимальное значение энергоемкости процесса копания грунта и мате­риалоемкости ковша.

Достижение поставленной цели реализовано на основе выше представленных математических моделей с использованием следую­щих исходных данных:

Р_к - максимальное усилие на режущей кромке ковша, обеспечи­ваемое конструкцией экскаватора;

К_в и К_г - податливость конструкции экскаватора, определяемая при приложении усилия на режущей кромке ковша соответственно в вертикальном и горизонтальном направлениях;

q - вместимость ковша;

С - число ударов динамического плотномера, характеризующего грунтовые условия производства работ.

При этом соблюдались следующие ограничения:

Сопротивление копанию Р_к при наборе грунта в ковш не должно превышать максимального усилия, обеспечиваемого конструкцией экскаватора.

Продольная форма ковша в процессе копания грунта должна ис­ключить возможность касания внешней поверхности днища о поверх­ность забоя. Величина зазора должна равняться 1 см.

Максимальный угол поворота ковша при копании не должен пре­вышать величины 2(р, определяемой конструкцией ковша и кинемати­ческими возможностями рабочего оборудования (по данным статисти­ческих материалов максимальное значение 2(р- 100 -=-120°).

Величина максимального радиуса траектории движения режущей кромки ковша не должна превышать суммы величин длины рукояти R_p (измеряемой между точками крепления рукояти к стреле и осью креп­ления ковша к рукояти) и радиуса поворота режущей кромки ковша относительно рукояти.

Минимальная величина радиуса траектории движения режущей кромки ковша R не должна быть меньше расстояния от оси крепления ковша к рукояти до его режущей кромки.

Минимальная ширина ковша определяется условием исключения заклинивания грунта между боковыми стенками в процессе копания.

Максимальная ширина ковша не должна превышать величины, определяемой условием устойчивой работы экскаватора при воспри­ятии скручивающих (следствие асимметрии свойств среды) нагрузок или условием прочности металлоконструкции рабочего оборудования.

Угол наклона поверхности днища ковша по отношению к потоку входящего в ковш грунта (или что равно, радиус кривизны днища) не должен превышать значения, при котором создаются условия закли­нивания грунта.

Для решения поставленной задачи поиска рациональной формы ковша необходимы математические модели, позволяющие опреде­лить величины критериев оценки формы ковша, параметры которого удовлетворяют указанным ограничениям.

Расчеты производились для ковша экскаватора с оборудованием обратная лопата вместимостью 0,5 м³. Исходными данными к расчету являлись следующие величины, характеризующие условия работы ковша и его геометрические параметры:

грунтовые условия определялись вариацией числа ударов дина­мического плотномера в пределах С = 2 * 40;

податливость конструкции рабочего оборудования экскаватора по оси Хи У варьировалась в пределах /С_в=(1ч-250)х10"⁵см/Н, К_г=(1-ь250)х10-⁵см/Н;

радиус траектории движения режущей кромки ковша относительно оси крепления ковша к рукояти изменялся в пределах Rj=(70-H70)cm; ширина режущей кромки изменялась в пределах В=(0,6-И,5) м.

Результатами расчета являлись следующие величины:

координаты X, У (см) положения режущей кромки ковша в процес­се копания грунта в зависимости от угла его поворота;

сопротивление копанию в процессе поворота ковша Р_к в зависимо­сти от угла его поворота;

радиальная координата днища ковша /-?а (см), соответствующая угловой координате а, исчисляемой от радиуса-вектора R в сторону противоположную вращению ковша;

геометрическая вместимость ковша Ог, м³, определяемая внутрен­ней полостью, заключенной между боковыми стенками и днищем ков­ша;

предполагаемый объем вырезаемого грунта Qi, м³, определяемый параметрами траектории режущей кромки ковша в процессе копания без учета податливости конструкции рабочего оборудования экскава­тора;

объём вырезанного в процессе копания грунта СЬ, м³ с учетом по­датливости конструкции рабочего оборудования экскаватора при за­данных условиях режима копания и геометрических параметрах ков­ша;

энергоемкость процесса копания Е, кН м/м³;

материалоемкость ковша G_M, т/м³, определяемая условно при тол­щине стенок и днища ковша равной 1 см.

На рис.26, 27, 28 представлены результаты расчетов, пос­вященных анализу влияния прочности разрабатываемого грунта на показатели эффективности процесса копания и геометрические па­раметры, определяющие продольную форму ковша. Расчеты произво­дились для ковша экскаватора с оборудованием обратная лопата вместимостью Q = 0,5 м³, ширина ковша В=950 мм, радиус, соеди­няющий ось крепления ковша к рукояти с режущей кромкой, R=1130 мм, минимальный радиус днища ковша Ra=100 см, максимальное усилие копания, развиваемое на режущей кромке, Рк=85 кН, податли­вость конструкции рабочего оборудования экскаватора по осям X и У была принята равной К_в= К_г= 0,8 мм/кН. Геометрические параметры ковша В и R назначены согласно рекомендациям ОСТ 22-915-76, по­датливость конструкции рабочего оборудования по осям Хи У приня­та ориентировочно по данным КБ заводов и экспериментальных ис­следований (21).

На рис.26 представлены графики изменения сопротивления копа­нию грунта в функции угла поворота ковша при копании грунтов раз­личной прочности методом поворота ковша относительно рукояти. Сопоставление расчетных графиков с экспериментальными данными по характеру изменения и по величине сопротивления копанию от угла поворота ковша показало удовлетворительную сходимость. Из графи­ков следует, что при увеличении прочности грунта уменьшается пол­ный угол 2q> поворота ковша в процессе копания. Это объясняется за-

кономерным уменьшением возможно допустимой по заданному мак­симальному усилию копания глубины копания. При этом наблюдается уменьшение количества набранного в ковш грунта.

Рис. 26. Сопротивление копанию грунтов различной прочности в функции уг­ла поворота аковшад= 0,5 м³, Р/7?ах=85 кН, R=1130 ММ, 6=950 ММ, Ку=К_х=0,8 мм/кН

На рис. 27 представлены эскизы продольной формы ковша, из ко­торых следует, что величина минимального радиуса днища ковша уменьшается с увеличением прочности грунта. Здесь же нанесены пределы изменения угла наклона днища ковша по рекомендациям ОСТ 22-915-76 (27 - 32°) (заштрихованная область между лучами). Со­гласно расчетам угол наклона днища можно уменьшить до 20°. При этом обеспечивается гарантия отсутствия трения тыльной стороны днища ковша о забой в процессе копания грунтов различной прочно­сти поворотом ковша относительно рукояти и улучшение условия за­полнения ковша грунтом.

По материалам этих расчетов можно сделать следующие выводы:

при увеличении прочности грунта энергоемкость процесса копания и материалоемкость ковша возрастают;

при разработке грунта любой прочности величина объема выре­занного грунта, рассчитанная с учетом податливости конструкции ра­бочего оборудования экскаватора меньше той же величины, опреде­ленной без учета податливости, Ch < Qi\

при заданных геометрических параметрах и максимальном усилии копания заполнение ковша геометрической вместимости q=0,5 м³ ме-

годом поворота ковша относительно рукояти возможно при разработ­ке грунтов прочностью С<6.

Рис. 27. Эскизы продольной формы ковша На рис. 28 представлены графики, позволяющие оценить вли­яние величины податливости конструкции рабочего оборудования по осям X и У на показатели эффективности процесса копания грунта прочностью С = 6. Копание реализуется методом поворота ковша от­носительно рукояти. Как показали расчеты, показатели эффективно­сти процесса копания грунта при изменении в широком диапазоне по­датливости конструкции рабочего оборудования экскаватора из­меняются незначительно. При увеличении податливости конструкции рабочего оборудования свыше 1,5 мм/кН в процессе копания поворо­том ковша возможен контакт тыльной стороны днища ковша с поверх­ностью забоя, что может привести к резкому снижению эффективно­сти процесса копания.

Полученная информация может быть использована при проекти­ровании продольной формы ковшей экскаваторов с учетом изменчи­вости податливости конструкции в процессе эксплуатации, которая должна закономерно увеличиваться по причине износа элементов гидропривода экскаватора и узлов сочленения конструкции рабочего оборудования. Кроме того, эту информацию можно использовать для определения и диагностирования допустимой степени износа конст-

Последующие расчеты были посвящены оценке влияния угла на­клона поверхности забоя 8 на рекомендации по выбору формы ковша и величины показателя оценки эффективности процесса копания. В расчетах изменялся угол наклона поверхности забоя к горизонту. При изменении этого угла от 0 до 90° значения величин, характеризующих параметры ковша и эффективность процесса копания, не изменялись. Расчетами было установлено также отсутствие влияния коэффициен­та соотношения вертикальной и горизонтальной составляющих сопро­тивления копанию у на величины показателей эффективности про­цесса копания и рекомендуемые геометрические параметры ковша.

С целью сопоставления различных по кривизне траектории копа­ния способов разработки грунта ковшом экскаватора были про­изведены расчеты для грунтов различной прочности при переменном радиусе траектории движения режущей кромки ковша. Результаты этих расчетов позволили сформулировать следующие выводы:

при увеличении прочности грунта энергоемкость процесса копания увеличивается;

выбор и обоснование продольной формы днища ковша необходи­мо и достаточно производить на основе расчетов для режима копания

грунта методом поворота ковша относительно рукояти, так как в этом случае величина минимального радиуса днища ковша при всех зна­чениях прочности грунта наименьшая;

при разработке грунтов прочностью С = 12 - 14 ударов заполнение ковша до заданной емкости возможно, если копание осуществлять по­воротом рукояти относительно стрелы.

Для оценки влияния и определения рациональной ширины ков­ша В и радиуса траектории движения режущей кромки ковша R при копании поворотом ковша относительно рукояти были произведены специальные расчеты. Из них следует, что величина объёма вырезан­ного грунта Оз, минимальный радиус днища ковша и угол наклона днища ковша при вариациях ширины ковша в пределах от 0,6 до 1,5 м изменяются незначительно. Энергоемкость процесса копания умень­шается при увеличении радиуса R и ширины В ковша, а материало­емкость при этом увеличивается. В этой ситуации затруднительно ре­комендовать рациональную форму ковша экскаватора, определяемую указанными показателями. Поэтому в дальнейшем был расширен диапазон изменения параметров R и В и произведен специальный анализ.

Результаты расчетов представлены в виде множества Парето на рис.29 , где по оси абсцисс отложена энергоемкость процесса копания Е, а по оси ординат величина металлоемкости ковша G_M в условных единицах, определяемых отношением площади поверхности сектора, ограниченного лучами под углом 2<р и линией днища ковша, к объему вырезанного грунта. Согласно паретовскому анализу лучшими ковша­ми являются ковши, геометрические параметры которых соответству­ют точкам, наиболее приближенным к началу отсчета осей координат Е и G„. Такими ковшами независимо от прочности разрабатываемых грунтов являются ковши под номерами 2, 13, 14, 15.

В табл.1 представлены геометрические параметры ковшей (R и В), значение энергоемкости Е и материалоемкости G_M процесса копания грунта, минимальный радиус днища ковша Re и полный угол поворота ковша 2ср при разработке грунтов прочностью С=6 и С=16. В случае разработки грунтов прочностью С=6 ударов динамического плотноме­ра условием копания было принято равенство объема вырезанного грунта вместимости ковша Оз = 0,5 м³. При разработке грунтов проч­ностью С=16 ударов условием копания являлось ограничение макси­мальной силы Ртах=85 кН, реализуемой на режущей кромке ковша экскаватором. Поэтому в табл.1 для этого случая указан объем Gb, величина которого меньше заданной вместимости ковша.

Рис. 29. Анализ Парето конструкций ковшей экскаватора с гидроприводом Согласно проведенному анализу для достижения минимальной энергоемкости и материалоемкости процесса копания грунта необхо­димо:

уменьшить величину радиуса R, соединяющего ось крепления ковша к рукояти и режущую кромку ковша, что позволит, практически не изме­няя энергоемкости процесса копания, достигнуть уменьшения мате­риалоемкости процесса на 5...20 %;

уменьшить угол наклона днища ковша до 20°, что позволит снизить энергоемкость процесса заполнения ковша грунтом; для снижения энергоемкости процесса копания грунта целесообразно увеличение ширины ковша при постоянном значении величины R. Од­нако при этом может существенно возрасти материалоемкость про­цесса копания и могут увеличиться нагрузки на металлоконструкцию рабочего оборудования экскаватора в силу возрастания плеча асим­метрично приложенной внешней нагрузки.

Таблица. 1

Выводы

1.Разработаны теоретические основы определения формы ковша экскаватора с учётом податливости конструкции рабочего оборудова­ния.

2.Разработан алгоритм и программа вычислений, позвопяющие определить геометрические параметры формы ковша экскаватора с оборудованием обратная лопата с учетом податливости конструкции рабочего оборудования, при которых достигается минимальное зна­чение энергоемкости и материалоемкости процесса копания грунта.

3.Установлено, что для снижения материалоемкости и энергоемко­сти процесса копания грунта ковшом "обратная лопата" вместимостью Q- 0,5 м³ целесообразно уменьшить радиус R, соединяющий ось кре­пления ковша к рукояти с его режущей кромкой (R- 80 см), и угол на­клона днища ковша до величины 20°. При этом возможно уменьшение на 20% материалоемкости ковша и обеспечивается гарантия отсутст­вия трения внешней поверхности днища ковша о поверхность забоя при любых способах копания.

4.Изменение податливости конструкции рабочего оборудования экскаватора практически не вызывает изменения энергоемкости и ма­териалоемкости процесса копания грунта. При этом в случае увеличе­ния податливости конструкции рабочего оборудования необходимо уменьшать величину минимального радиуса днища ковша, чтобы ис­ключить трение днища ковша о поверхность забоя.

5.Обоснование продольной формы ковша экскаватора с учетом по­датливости конструкции рабочего оборудования необходимо произво­дить на основе анализа процесса копания грунта методом поворота ковша относительно рукояти.

6.Конструкция ковша, созданная по рекомендациям ОСТ 22-915-76, вместимостью V= 0,5 м³ обеспечивает заполнение ковша за один про­ход при разработке грунтов прочностью не более С = 12 -И 4 ударов.

7.При комплектовании сменных рабочих органов к рабочему обо­рудованию экскаватора с гидроприводом необходимо учитывать по­датливость его конструкции, которая изменяется в процессе эксплуа­тации машины. Чрезмерная податливость конструкции рабочего обо­рудования может быть причиной значительного уменьшения произво­дительности и даже потери работоспособности экскаватора при про­изводстве земляных работ.

Задание для самостоятельной работы

На основе анализа информации о влиянии податливости конструк­ции рабочего оборудования экскаватора на форму продольного про­филя ковша разработать методику оценки соответствия геометриче­ских параметров ковша характеристикам податливости конструкции экскаватора.