2.3.2. Сертификация устойчивости экскаватора

В настоящее время в нормативной документации на изделия строительного, дорожного и коммунального машиностроения положе­ния требований к качеству и методы контроля соответствия стандарту на техническое средство соблюдены не для всех машин, а в некото­рых случаях существующие рекомендации на сертификационные ис­пытания не соответствуют современному уровню знания контроли­руемых процессов. Так, например, в ГОСТ 30067-93 "Экскаваторы од­ноковшовые универсальные полноповоротные" указывается только требование сохранения устойчивости экскаватора при работе на строительной площадке, имеющей уклон к горизонту 5°, без каких-либо рекомендаций на способ установления соблюдения этого требо­вания. В ГОСТ 12910-79 "Экскаваторы одноковшовые универсальные. Правила приемки и методы периодических испытаний" эти рекомен­дации также отсутствуют.

В ходе экскавационных работ около 60% времени цикла расходу­ется на поворот платформы с одновременным манипулированием ра­бочим оборудованием для выполнения операций подъема ковша с грунтом на необходимый уровень, разгрузку ковша и возврат ковша в за­бой. Сокращение этого времени в результате увеличения мощности привода позволило бы значительно повысить производительность экскаватора. Однако с увеличением мощности возрастают скорости рабочих операций и силы инерции, стремящиеся опрокинуть экскава­тор. В таком случае эффективность и безопасность работы одноков­шовых экскаваторов существенно зависят от способности противо­действовать опрокидыванию. При выполнении процесса копания опасность опрокидывания экскаватора отсутствует из-за постоянного контакта рабочего органа с поверхностью грунта забоя и возможности оператора постоянно контролировать положение экскаватора относи­тельно опорной поверхности.

Рассмотрим процесс формирования методики сертификационного испытания одноковшового универсального полноповоротного экскава­тора с целью оценки его устойчивости при выполнении рабочих опе­раций с поворотом платформы. Этому процессу, как указывалось ра­нее, предшествует анализ контролируемого явления, необходимый для обоснования методики сертификационного испытания.

В нашем случае целью испытания является получение объектив­ной информации экспериментальным путем, подтверждающей спо­собность экскаватора противодействовать опрокидыванию в процессе поворота платформы с груженым ковшом при одновременном мани­пулировании рабочим оборудованием.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следую­щие задачи:

1.Произвести анализ динамики процесса поворота платформы экс­каватора с одновременным манипулированием рабочим оборудова­нием с целью определения наихудшего для устойчивости варианта совмещения движений.

2.Определить взаимное положение элементов конструкции экска­ватора, наиболее неблагоприятное для его устойчивости.

3.Разработать алгоритм действия процесса испытания экскаватора на устойчивость против опрокидывания.

4.Определить состав необходимого оборудования и средств изме­рения для проведения сертификационного испытания экскаватора на устойчивость.

Решение вышеперечисленных задач экспериментальным спосо­бом практически возможно. Однако в этом случае для получения на­дежных результатов потребуются огромные затраты времени и средств. Поэтому перед разработкой методики проведения сертифи­кационного испытания целесообразно произвести теоретический ана­лиз процесса опрокидывания экскаватора.

Согласно общеизвестным методикам доказательством достаточ­ной устойчивости экскаватора является выполнение условия

.

где M_y и М_о - суммы моментов относительно ребра опрокидывания всех удерживающих и опрокидывающих сил; К - коэффициент запаса устойчивости.

Проверка устойчивости выполняется для нескольких расчетных положений: при максимальном вылете ковша с грунтом; при движении экскаватора под уклон и т.д.

При всей простоте изложенной методики её практическая реализа­ция вызывает затруднения, что объясняется отсутствием ГОСТа или иных норм, регламентирующих проверку устойчивости экскаватора. В методиках, разработанных предприятиями и ВНИИСДМ, не учитыва­ются в полной мере динамические нагрузки. В частности, не принима­ются во внимание нагрузки, вызванные движением стрелы, рукояти и ковша, не учитывается действие касательных инерционных сил от по­ворота платформы, а также сил Кориолиса. Динамические нагрузки, вызванные разгоном (торможением) механизмов, вводятся в расчеты без учета длительности их действия.

При воздействии на экскаватор большой кратковременной динами­ческой нагрузки может произойти отрыв от основания опор, не лежащих на ребре опрокидывания, однако, не обязательно последует оп­рокидывание. Опыт эксплуатации экскаваторов подтверждает воз­можность кратковременного нарушения контакта опор с основанием при последующем его восстановлении, что в расчетах не учитывается.

Таким образом, методика расчета устойчивости экскаватора нуж­дается в дальнейшем совершенствовании. Для создания же методики сертификационного испытания устойчивости экскаватора необходим теоретический анализ динамики процесса поворота экскаватора отно­сительно ребра опрокидывания. При этом необходимо исследовать всю область возможных положений платформы, стрелы, рукояти и ковша с целью определения наиболее неблагоприятного положения для устойчивости экскаватора, при котором следует производить сер­тификационное испытание.

Опасность потери устойчивости возникает в случае, если суммар­ный опрокидывающий момент М_о от действия внешних сил будет пре­вышать суммарный удерживающий момент М_у. В этом случае начина­ется поворот экскаватора относительно ребра опрокидывания, чему противодействуют удерживающий момент и момент инерции сопро­тивления опрокидыванию. Если длительность действия и значения динамических нагрузок достаточно велики, то происходит опрокиды­вание, В противном случае экскаватор только качнется на определен­ный угол и возвратится в устойчивое состояние.

Элементы конструкции экскаватора и груз (в ковше или подвешен­ный к ковшу) совершают следующие движения: поворот платформы, поворот (подъем или опускание) стрелы, повороты рукояти и ковша. Эти движения могут быть установившимися или неустановившимися (разгон или торможение элементов), причем некоторые движения мо­гут быть одновременными. В процессе движений меняются количест­во действующих нагрузок, их значения и плечи до ребра опрокидыва­ния. Поэтому при проверке устойчивости необходимо исследовать всю область возможных положений экскаватора и рабочего оборудо­вания, а также решить две задачи: определить наихудший вариант со­вмещения движений, допускаемый гидросистемой и системой управ­ления экскаватора, и определить взаимное положение элементов, наиболее неблагоприятное для устойчивости экскаватора. Далее не­обходимо оценить возможность потери устойчивости экскаватора с учетом длительности действия и изменений нагрузок в функции вре­мени.

Рассмотрим экскаватор, состоящий из следующих элементов (рис. 6): А1 - противовес; А2 - платформа с оборудованием; A3 - ходовая тележка; А4 - стрела (с гидроцилиндрами стрелы и рукояти); А5 - рукоять (с гидроцилиндром и механизмом поворота ковша); А6 - ковш с грунтом и А7 - груз (если подвешивается).

Приближенно можно принять, что нагрузки приложены в центрах тяжести элементов, на каждый из которых действуют (на примере ковша):

сила G тяжести, линия действия которой проходит через центр тя­жести перпендикулярно к горизонтальной плоскости;

центробежная сила Р_цп от поворота платформы, проходящая через центр тяжести ковша и; пересекающая ось поворота платформы под углом 90°,

касательная сила Р_ип инерции от торможения (разгона) платфор­мы, направленная параллельно опорной плоскости и перпендикуляр­но к плоскости симметрии рабочего оборудования;

центробежная сила Р_цс, от поворота стрелы, линия действия кото­рой проходит через центр тяжести ковша и пяту стрелы;

касательная сила Р_ис, инерции от торможения (разгона) опускаю­щейся (поднимающейся) стрелы, расположенная в плоскости рабоче­го оборудования и перпендикулярно к силе Р_цс;

центробежная сила Р_цр от поворота рукояти, линия действия кото­рой проходит через центр тяжести ковша и шарнир стрела - рукоять;

касательная сила Р_ир инерции от торможения (разгона) опускаю­щейся (поднимающейся) рукояти, расположенная в плоскости рабоче­го оборудования и перпендикулярно к силе Р_цр;

составляющие силы Кориолиса, возникающие при совмещениях поворотов платформы и стрелы Р_кс и поворотов платформы и рукояти Р_кр, направленные параллельно опорной поверхности и перпендику­лярно к плоскости рабочего оборудования;

сила Р_в ветрового давления, направленная в сторону наибольшего уклона параллельно опорной поверхности.

Аналогичные силы действуют и на другие элементы экскаватора.

С момента начала опрокидывания экскаватора к перечисленным выше силам добавляются нагрузки, сопутствующие повороту экскава­тора относительно ребра опрокидывания (см. рис. 6):

Р_цо - центробежная сила от поворота экскаватора относительно ребра опрокидывания, линия действия которой проходит через центр тяжести элемента перпендикулярно к ребру опрокидывания;

Р_ио - касательная сила инерции от неравномерного движения оп­рокидывания экскаватора, проходящая через центр тяжести элемента перпендикулярно к центробежной силе от опрокидывания Р_цо, и рас­положенная в плоскости, перпендикулярной к ребру опрокидывания;

Р_кпо - составляющая силы Кориолиса, возникающая при совмеще­нии поворотов платформы и экскаватора при опрокидывании, прохо­дящая через центр тяжести элемента перпендикулярно к опорной плоскости экскаватора;

Р_ксо и Р_кро - составляющие силы Кориолиса, возникающие при со­вмещении поворотов стрелы и экскаватора и поворотов рукояти и экс­каватора при опрокидывании, направленные через центр тяжести элемента перпендикулярно к проекции вектора относительной скоро­сти поворота соответственно стрелы и рукояти на плоскость, перпен­дикулярную к ребру опрокидывания.

Численные значения всех вышеупомянутых сил определяются по известным формулам механики.

Силы тяжести всех элементов экскаватора G, угловые скорости со, угловые ускорения s и радиусы вращения r определяются из конструк­торской документации.

Центробежные силы рассчитываются по формуле

P_ц=G·ω²·r/g , Н ,

где g - ускорение силы тяжести, м/с².

Касательные силы инерции, действующие при торможении вра­щающихся элементов, определяются по формулам

Р_и= G·ε·r/g , или Р_и= G·ω ·r/(g·t) , Н,

где g - время торможения, с.

Силы Кориолиса, действующие при совмещении, например, пово­ротов платформы и стрелы, определяются по формуле

P_кс=G·(2· ω_п V_отн ·sinδ)/g , Н,

где ω_п - угловая скорость платформы, 1/с ; V_отн = ω_с·r - линейная относительная скорость центра тяжести рассчитываемого элемента , м/с; ω_с- угловая скорость стрелы, 1/с; r- расстояние от центра тяжести элемента до шарнира поворота стрелы, м; δ - угол между векторами угловой скорости платформы и относительной скорости центра тяже­сти элемента, рад.

Определение удерживающего и опрокидывающего моментов со­стоит в суммировании моментов, создаваемых отдельными нагрузка­ми, действующими на элементы экскаватора. При этом решается дос­таточно сложная задача определения координат точек приложения сил и плеч действующих сил до ребра опрокидывания с учетом поло­жения платформы и рабочего оборудования, а для сил тяжести - с учетом угла наклона опорной площадки экскаватора к горизонту.

Рис. 6. Силы, действующие на экскаватор (на примере ковша)

Анализ устойчивости экскаватора требует выполнения трудоёмких расчётов. Для каждого из возможных расчетных положений, опреде­ляемых различными сочетаниями углов поворота платформы, стрелы, рукояти и ковша, необходимо вычислить моменты от 73 нагрузок, что с учётом нескольких тысяч расчетных положений*, подлежащих иссле­дованию, приводит к необходимости использовать ЭВМ.

Воспользуемся программой вычислений, основанной на изложен­ных выше теоретических положениях, которая предназначена для ре­шения следующих задач: определение наихудшего с точки зрения ус­тойчивости расчетного положения; определение максимальной грузо­подъемности; построение-зависимостей грузоподъемности от вылета рабочего оборудования экскаватора; назначение допустимых скоро­стей и ускорений движения элементов экскаватора; оценка качества экскаватора с учетом его устойчивости. Программу можно использо­вать для анализа устойчивости как в случае жесткого крепления груза

____________________________

* Так, например, если диапазоны изменения угловых положений платформы, стрелы и рукояти разделить на 10 интервалов, то необходимо произвести вычис­ление моментов от 73 нагрузок для 10³ расчетных положений.

(захват челюстями, подъём грунта в ковше и т.д.), так и в случае креп­ления груза на гибкой подвеске. В программе можно учитывать и от­клонение подвешенного груза под действием центробежной силы, возникающей при повороте платформы. Программа обеспечивает расчет и анализ устойчивости экскаватора для всей области возмож­ных положений оборудования.

Рис.7. Зависимость коэффициента устойчивости экскаватора ЭО-4124 с оборудованием "обратная лопата" и ковшом вместимостью q = 1 м³ от угла поворота платформы α_п.

Обозначения: KS - коэффициент статической устойчивости, определяемый с учетом только сил тяжести элементов конструкции экскаватора и грунта в ковше; KWS - коэффициент устойчивости, определяемый согласно методике ВНИИСДМ с учетом сил тяжести и центробежных сил, действующих на элементы конструкции экскаватора при повороте платформы; К - коэффициент устойчивости, опреде­ляемый с учетом сил тяжести, центробежных и инерции, включая силы Кориолиса, и силы ветрового давления. При α_п = 0 положение рабочего оборудования перпендикулярно к гусеничному ходу.

Рассмотрим результаты анализа устойчивости экскаватора ЭО-4125. На рис.7 приведены зависимости коэффициентов устойчивости экскаватора ЭО-4125, полученные по различным методикам, от угла α_п поворота платформы.

Значения KS, KWS и К соответствуют наихудшему для устойчиво­сти сочетанию углов наклона стрелы, рукояти и ковша. Расчеты по из­вестным методикам показали, что устойчивость экскаватора ЭО-4125 обеспечивается при любых углах α_п, так как значения коэффициентов KS и KWS больше единицы. Уточненный же расчёт показал, что при α_п = 0 - 80° коэффициент К < 1, что свидетельствует об отрыве от осно­вания опор, не лежащих на ребре опрокидывания. Однако согласно расчетам экскаватор не опрокидывается ввиду кратковременного действия динамических нагрузок; он только приподнимается относитель­но опорной поверхности на угол, не превышающий 2°.

Из рис. 7 видно, что наихудшим для устойчивости является поло­жение платформы экскаватора, определяемое углом α_п от 0 до 20°. Зависимости углов наклона стрелы α_с, рукояти α_р и ковша α_к, соответ­ствующих этому положению, от угла поворота платформы показаны на рис. 8.

Рис.8. Зависимости углов наклона стрелы, рукояти и ковша (q =1 м³), соответствующих наихудшей устойчивости экска­ватора, от угла поворота платформы

При α_п = 0 - 10° наихудшее по устойчивости состояние экскаватора характеризуется положением рабочего оборудования, близким к гори­зонтальному. При α_п = 50 -70° опасное положение наступает при по­ложении стрелы, поднятой на максимальную высоту.

Анализ расчета составляющих опрокидывающего момента пока­зал, что в расчетах устойчивости экскаватора, помимо моментов цен­тробежных сил, необходимо учитывать моменты касательных сил инерции и сил Кориолиса, существенно влияющих на устойчивость экскаватора. При α_п = 0 - 20° наибольшее влияние на устойчивость оказывает опрокидывающий момент сил инерции торможения стрелы. При α_п = 50 - 80° наибольшее влияние на устойчивость оказывают оп­рокидывающий момент сил Кориолиса при совмещении поворотов платформы и стрелы и момент сил инерции торможения платформы.

Поэтому при сертификации экскаватора рекомендуется проводить два испытания на устойчивость.

Испытание №1 заключается в одновременном торможении плат­формы и стрелы в момент достижения ими контрольных углов: α_пк = 0°, α_ск = 12°. Рукоять и ковш остаются неподвижными относительно стрелы: α_рк = -10°, α_кк = -27°. Это сочетание углов соответствует наи­меньшему значению коэффициента запаса устойчивости.

Испытание №2 заключается в одновременном торможении плат­формы и стрелы в момент достижения ими контрольных углов:

α_пк = 55°, α_ск = 50°. Рукоять и ковш также остаются неподвижными:

α_рк = -10°, α_кк = -17°. Более существенное влияние на устойчивость силы Кориолиса и силы инерции торможения платформы оказывают при больших значениях угла поворота платформы, но с увеличением α_п относительно 55° резко возрастает значение коэффициента запаса устойчивости.

В обоих случаях платформа должна вращаться в сторону умень­шения значения угла её поворота, а стрела опускаться. Опускание стрелы следует начинать при уже установившемся движении плат­формы.

Перед проведением испытаний необходимо определить исходные значения углов поворота платформы и стрелы, а также значение угла поворота α_пс платформы, при котором следует начать опускание стрелы. Исходные значения угла поворота платформы и стрелы должны быть такими, чтобы к моменту достижения стрелой контроль­ного угла, а платформой угла α_пс в ходе испытания их скорости при­обрели бы номинальные значения. Определение значения угла α_пс необходимо для обеспечения одновременного достижения платфор­мой и стрелой контрольных углов. План проведения испытаний:

а) установить экскаватор на наклонную площадку таким образом, чтобы ребро опрокидывания располагалось горизонтально;

б) закрепить экскаватор страховочными цепями;

в) прогреть двигатель и рабочую жидкость;

г) установить в исходное положение платформу, стрелу, рукоять и ковш;

д) включить механизм поворота платформы;

е) при прохождении платформой угла α_пс начать опускание стрелы;

ж) в момент, когда платформа и стрела примут контрольные положения, произвести торможение стрелы и платформы;

з) зафиксировать результат испытания.

Для получения достоверных результатов испытания необходимо повторить несколько раз.

Представленный теоретический анализ позволяет сформулиро­вать требования, соблюдение которых необходимо для организации сертификационного испытания экскаватора на устойчивость:

1. Перед производством сертификационного испытания устойчиво­сти экскаватора с целью определения наихудших для устойчивости угловых положений элементов его конструкции необходим теоретиче­ский анализ динамики процесса опрокидывания экскаватора в услови­ях возможного совмещения рабочих движений в режиме разгона или торможения элементов его конструкции.

2. Для производства теоретического анализа устойчивости экскаватора необходимо располагать следующей информацией:

масса и координаты центров тяжести составных элементов конст­рукции: ходовое оборудование (с выносными опорами, если они име­ются); поворотная платформа с установленным на ней оборудовани­ем; противовес; стрела; рукоять; ковш с перемещаемым материалом; если в инструкции на эксплуатацию допускается использование экска­ватора с различным сменным оборудованием, то его характеристики в собранном состоянии (при наличии гибкой связи указать диапазон из­менения её длины);

геометрические характеристики опорного контура экскаватора;

границы диапазона изменения взаимных угловых положений эле­ментов рабочего оборудования (платформы, стрелы, рукояти, ковша);

угловые скорости и ускорения перемещения платформы, стрелы, рукояти, ковша.

3. Экспериментальную оценку устойчивости экскаватора необхо­димо производить в условиях неустановившегося режима движения (разгон-торможение) платформы, стрелы, рукояти одновременно. Ис­ходным условием для начала режима ускоренного движения являются взаимные положения элементов рабочего оборудования экскаватора.

4. Для экспериментальной оценки устойчивости экскаватора необ­ходимо располагать следующим оборудованием и оснасткой:

наклонной под углом 5° к горизонту площадкой для установки ис­пытуемого экскаватора (требование ГОСТа);

предохранительными цепями с анкерным креплением для преду­преждения падения экскаватора (длина цепей определяется макси­мальным углом поворота экскаватора относительно ребра опрокиды­вания, что необходимо определить при теоретическом анализе);

грузом, имитирующим грунт в ковше;

средствами измерения угловых скоростей и ускорений движения элементов конструкции экскаватора;

средствами связи и сигнализации между руководителем испытаний и оператором;

методикой проведения сертификационного испытания с указанием алгоритма действий лабораторного персонала и оператора в процессе оценки устойчивости экскаватора.

Кабина оператора должна быть обеспечена ремнями безопасности и системой защиты ROPS.

На опорной поверхности, платформе, стреле, рукояти и ковше должна быть нанесена разметка, позволяющая оператору определять их угловые координаты.

Необходимо составить протокол-отчёт о сертификационном испы­тании, содержащий информацию об испытуемой машине, условиях проведения испытания, результатах теоретического анализа и экспе­риментальные данные, характеризующие устойчивость экскаватора. В нём должно быть заключение о возможности допуска к эксплуатации экскаватора согласно положению по устойчивости, определяемому ГОСТ 30067-93.

Предложенная методика и математическая модель, использован­ная для её создания, могут оказаться полезными для расчета экскава­торов на устойчивость при проектировании; создания единых норм (стандартов) проверки устойчивости экскаваторов; обоснования мето­дики сертификационных испытаний экскаваторов на устойчивость при производстве работ с использованием различного сменного оборудо­вания и возможности подъема грузов экскаватором с помощью грузо­вого звена или гибкой сцепки; создания устройств контроля устойчи­вости экскаваторов в процессе работы- и автоматических систем защи­ты от опрокидывания; обоснования модернизации экскаваторов в час­ти, связанной с увеличением мощности двигателя, сокращением вре­мени цикла, изменением размеров опорного контура и других пара­метров устойчивости; сравнения экскаваторов, выпускаемых разными производителями; принятия решения о приобретении зарубежной тех­ники и обоснования преимуществ продаваемых экскаваторов и т.д.

В заключение следует отметить следующее.

Существующие методики расчетной оценки устойчивости экскава­торов приводят к завышенным коэффициентам устойчивости.

Моменты некоторых центробежных и инерционных сил, а также сил Кориолиса, не учитывающиеся в существующих методиках, являются значимыми, и их необходимо учитывать в расчетах. Ветровую нагруз­ку при оценке устойчивости экскаваторов можно не учитывать.

Для проверки устойчивости экскаватора необходимо исследовать всю область возможных положений платформы и рабочего оборудо­вания.

Устойчивость необходимо оценивать на основе исследования ди­намики процесса поворота машины относительно ребра опрокидыва­ния, чтобы установить произойдёт ли кратковременный отрыв опор от грунта или опрокидывание экскаватора.

Применяемые в настоящее время расчетные методы оценки ус­тойчивости экскаваторов по величине отношения суммарного удержи­вающего момента к суммарному опрокидывающему моменту сил, действующих на экскаватор, не могут быть признаны объективными, так как в случае учета моментов всех сил коэффициент запаса устойчиво­сти современных конструкций экскаваторов меньше единицы.

Для объективного обоснования запаса устойчивости экскаватора необходимо специальное исследование, направленное на разработку критерия оценки устойчивости экскаваторов и уточнение методики сертификационных испытаний.

Задание для самостоятельной работы

На основе анализа информации о сертификационном испытании устойчивости экскаватора разработать алгоритм действия участников процесса испытаний. Разработать предложения по обеспечению не­зависимости экспериментальных данных от квалификации персонала испытателей.