Определение рациональных параметров грунторазрушающих элементов ковшей гидравлических экскаваторов

На правах рукописи

ПУДОВ Евгений Юрьевич ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАЦИОНАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ ГРУНТОРАЗРУШАЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ КОВШЕЙ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ЭКСКАВАТОРОВ Специальность 05.05.06 – Горные машины

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Кемерово - 2012 2

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Кузбасский государственный технический университет имени Т. Ф. Горбачева».

Научный консультант: доктор технических наук, профессор Хорешок Алексей Алексеевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, доцент Насонов Михаил Юрьевич кандидат технических наук Менчугин Александр Васильевич

Ведущая организация: ООО «УК Мечел-Майнинг»

Защита состоится 16 марта 2012 года в 12 часов на заседании диссертационного совета Дл212.102.01 в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Кузбасский государственный технический университет имени Т. Ф. Горбачева» по адресу: 650000, г. Кемерово, ул. Весенняя, 28.

Факс: (3842)58-33-80, e-mail: [email protected].

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Кузбасский государственный технический университет имени Т. Ф. Горбачева».

Автореферат разослан 3 февраля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета А. Г. Захарова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Состояние проблемы и актуальность работы. Интенсификация ведения добычи угля открытым способом, а также динамика и маневренность ведения строительных работ предопределили тенденцию к расширению парка гидравлических экскаваторов как в горнодобывающей промышленности, так и на строительных площадках. Возросший спрос на качественное и быстрое проведение экскавационных работ предъявляет к экскавационной технике высокие требования по надежности, производительности и ряду других критериев.

Эти факторы и все возрастающие объемы вскрышных работ в горнодобывающей и строительной промышленности требуют от производителей создания высокоэффективной экскавационной техники и определяют новые задачи в области проектирования одноковшовых гидравлических экскаваторов, а также их рабочего оборудования, в частности – ковшей. Производителю необходимо обеспечить безотказную работу всех конструктивных элементов рабочего оборудования на протяжении как можно большего промежутка жизненного цикла экскаватора. Для решения данной задачи необходимо определить причины выхода из строя тех или иных элементов, результатом чего должны становиться предложения по внесению изменений в конструкцию и параметры ее элементов еще на стадии проектирования. Грунторазрушающие элементы ковшей, к которым относятся зубья, адаптерные узлы и их составляющие, являются такими звеньями ковша, которые первыми воспринимает нагрузки от экскаваируемых масс, поэтому при проектировании им следует уделять особое внимание.

Применение быстродействующей вычислительной техники и аппарата математического моделирования определяет возможность создания более совершенных методик проектирования, позволяющих на стадии разработки производить сравнительный анализ достаточно большого количества вариантов конструктивных исполнений с минимальными временными и денежными затратами. Наиболее распространенным на данный момент времени является метод конечных элементов, реализованный в ряде известных программных продуктов.

Таким образом, задача по расчету конструктивных параметров грунторазрушающих элементов ковшей гидравлических экскаваторов, которые будут обеспечивать лучшие (по критерию минимальных возникающих напряжений) прочностные характеристики, является актуальной и важной на сегодняшний момент. Ее решение позволит повысить качество проектирования экскавационной техники с точки зрения прочности ее рабочего оборудования, в частности – ковшей.

Целью работы является определение рациональных конструктивных параметров грунторазрушающих элементов ковшей гидравлических экскаваторов по критерию минимизации возникающих напряжений в наиболее ответственных элементах конструкции.

Идея работы заключается в определении взаимосвязи между рациональными конструктивными параметрами ковша экскаватора и напряженно-деформированным состоянием в наиболее ответственных его элементах. Установление подобной зависимости позволит минимизировать напряжения в наиболее ответственных элементах конструкции и энергозатраты при ведении экскавационных работ.

Расчет и обоснование рациональных конструктивных параметров предусматривает выполнение следующих задач:

- определение влияния конструктивных параметров и расположения грунторазрушающих элементов на распределение нагрузок в ковше;

- определение зависимостей между конструктивными размерами рабочего оборудования экскаватора и параметрами элементов ковша по критерию минимальных напряжений;

- предложение и обоснование целесообразности конструктивного исполнения ковша, реализующего на себе применение выявленных зависимостей;

- проведение экспериментальных исследований в целях доказательства заявляемой рациональности расчетных конструктивных параметров.

Используемые методы. Для исследований используется ряд методов, включающих: метод твердотельного моделирования конструктивных элементов ковшей экскаваторов и его рабочего оборудования;

конечно-элементного анализа для расчета действующих напряжений в расчетной модели ковша;

методы теории планирования эксперимента, регрессионного анализа и математической статистики, теория подобия.

Научная новизна заключается в том, что:

-выявлена аналитическая зависимость влияния конструктивных параметров элементов ковшей и адаптерных узлов различных исполнений на возникающие напряжения как в самих элементах, так и ковше в целом;

-определены рациональные конструктивные и геометрические параметры элементов конструкции ковша с точки зрения минимизации возникающих напряжений в наиболее ответственных узлах;

-предложено и обосновано применение нового конструктивного исполнения передней кромки ковша, доказывающее рациональность расчетных конструктивных параметров с точки зрения энерго- и ресурсосбережения.

Научные положения, выносимые на защиту:

-основными конструктивными параметрами грунторазрушающих элементов, влияющими на возникающие напряжения в ковше, являются угол наклона зуба относительно нормали к вектору прикладываемого усилия и угол отклонения от соосности передней кромки и грунторазрушающего элемента ;

-конструктивные размеры рабочего оборудования экскаватора позволяют определить рациональные значения угловых параметров грунторазрушающих элементов;

-предлагаемое новое исполнение передней кромки ковша в совокупности с применением к ней расчетных значений конструктивных параметров грунторазрушающих элементов позволяет уменьшить возникающие напряжения, равномерно распределить нагрузки по поверхности передней кромки, избежать появления на ней явных концентраторов напряжений;

-ковш с предлагаемым исполнением передней кромки позволяет уменьшить энергозатраты при ведении экскавационных работ благодаря улучшенным характеристикам внедрения ковша в грунт и его наполнения.

Обоснованность и достоверность научных положений и результатов подтверждается корректным использованием хорошо проверенных методов компьютерной имитации и моделирования, метода конечно-элементного анализа, согласованностью результатов математического моделирования и обработанного объема статистических данных, а также стендовыми испытаниями на действующей модели рабочего оборудования экскаватора.

Практическая ценность работы заключается:

-в возможности на стадии проектирования обоснования конструктивных параметров как грунторазрушающих элементов, так и ковша экскаватора в целом;

-совершенствовании конструктивных исполнений и способов расчета параметров грунторазрушающих элементов ковшей гидравлических экскаваторов в целях минимизации возникающих в конструкции напряжений и улучшения эксплуатационных показателей рабочего оборудования.

Реализация выводов и рекомендаций работы. Результаты работы могут быть использованы в качестве рекомендаций при проектировании ковшей экскаваторов и их грунторазрушающих элементов.

Апробация работы. Работа и ее отдельные части докладывались и получили одобрение:

-на Китайско-Русском форуме «Безопасное производство, шахты и технологическое оборудование», Ляонинский технический университет (КНР), г. Фусинь 2009г.;

-XVI и XVII Международных научно-практических конференциях «Современные техника и технологии» в 2010 и 2011гг., НИ ТПУ, г. Томск;

-I и II Международных научно-практических конференциях филиала ГУ КузГТУ в г. Прокопьевске в 2009 и 2011 гг.;

-XI Международной научно-практической конференции «Энергетическая безопасность России: новые подходы к развитию угольной промышленности», «ЭКСПО-2009», г. Кемерово;

-региональных конференциях на базе ГУ КузГТУ в 2008-2011 гг.;

Публикации по теме работы. По теме диссертации опубликовано 16 научных работ, в том числе 4 - в изданиях, входящих в перечень_ВАК.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка использованной литературы и приложения. Общий объем составляет 155 страниц, включая 142 страницы основного текста, 78 рисунков и 16 таблиц, список использованной литературы из наименований и приложения на 1 странице.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проблемы, подтверждающая необходимость теоретических и экспериментальных исследований в области определения рациональных конструктивных параметров грунторазрушающих элементов ковшей гидравлических экскаваторов схемы «обратная лопата» по критерию минимизации напряжений.

В первой главе проведен обзор и анализ существующих конструктивных исполнений грунторазрушающих элементов ковшей гидравлических экскаваторов. Проанализировав существующие способы фиксации элементов в адаптерных узлах, их можно классифицировать на три основных типа:

- с горизонтальным расположением фиксирующего элемента;

- с вертикальным расположением фиксирующего элемента;

- с винтовой посадочной поверхностью под сменную коронку.

На большинстве экскаваторов отечественных производителей используются адаптерные узлы с горизонтальным расположением штифта. Это обусловлено простотой изготовления, а также традиционностью изготовления подобного типа элементов, сохранившейся с советских времен. Значительную роль в выборе используемых адаптерных узлов этого типа отечественными производителями играет существующее положение в ремонтном производстве экскавационной техники. На многих горнодобывающих предприятиях существуют собственные ремонтные службы с наличием производственных цехов или участков, на которых уже отлажена культура производства грунторазрушающих элементов с горизонтальным расположением штифта.

Зарубежная экскавационная техника характеризуется вариативностью в используемых конструктивных исполнениях адаптерных узлов. К примеру, экскаваторы HITACHI с одинаковым типоразмером используемого навесного оборудования могут быть оснащены любым типом адаптерных узлов.

В области создания грунторазрушающих элементов основные исследования и работы были направлены на выявление действующей силы резания при различных положениях режущих кромок относительно грунта.

Основные работы в области определения конструктивных параметров элементов конструкции ковшей и действующих сил при резании проводились Н. Г. Домбровским, Р. Ю. Подэрни, Ю. А. Ветровым, Т. А. Герасимовой, З. Д. Кадержановым, М. Н. Колпаковым, С. С. Кузьминым и другими. В основу существующих расчетов легли прикладные исследования Н. Г. Домбровского, Р. Ю. Подэрни и Ю. А. Ветрова. В их работах рассматривается влияние сил резания на грунторазрушающие элементы в зависимости от относительного положения зубьев и грунта. Значительная роль уделена влиянию основных углов при резании. В работах В. А. Храмовского, А. Н. Путятина, В. С. Квагинидзе. решаются проблемы по выявлению причин возникновения отказов и простоев в аварийных ремонтах.

Аварийный ремонт, проводимый по причине выхода из строя механического оборудования экскаватора, составляет 47 - 50 % от общего количества аварийных простоев. Выход из строя ковшей и его составных элементов составляет 34 - 36 % от поломок механического оборудования (18 % от общего количества поломок).

Статистические данные, собранные по парку гидравлических экскаваторов, работающих на горнодобывающих предприятиях Прокопьевска, Киселевска, Прокопьевского района Кемеровской области, показали, что более 11 % машин имеют повреждения, касающиеся узла адаптер-штифт-зуб, что составляет 64 % от общего числа повреждений ковша.

Анализ работ по влиянию геометрических параметров грунторазрушающих элементов показал, что в недостаточной степени изучена возможность изменения конструктивных характеристик и технологических параметров ведения экскавации в целях получения таких их значений, которые будут способствовать появлению наименьших возникающих нагрузок в наиболее ответственных элементах конструкции как ковша и рабочего оборудования, так и самих грунторазрушающих элементов.

Таким образом, расчет конструктивных параметров грунторазрушающих элементов ковшей гидравлических экскаваторов по критерию минимизации возникающих напряжений в ответственных узлах представляет собой сложную прикладную задачу. Рассмотрение этой задачи с учетом реальных условий нагружения и расчета рациональных геометрических параметров элементов ковша отвечает требованиям практики. В связи с этим общая формулировка задачи исследования представляется следующей: определение рациональных конструктивных параметров грунторазрушающих элементов ковшей гидравлических экскаваторов, обеспечивающих минимизацию возникающих напряжений в его элементах и энергозатрат при ведении экскавации.

Во второй главе проводится анализ влияния конструктивных параметров грунторазрушающих элементов ковша экскаватора на распределение возникающих напряжений.

Для анализа конструктивных и геометрических параметров проводится сравнение прочностных характеристик типовых, наиболее часто используемых, видов адаптерных узлов.

Для силового расчета в данном случае большое значение будет играть изменение угла внедрения грунторазрушающего элемента. Схематично одни из возможных положений внедрения зуба в грунт показаны на рис. 1.

Ряд проведенных экспериментов по определению возникающих нагрузок в элементах узлов позволил выявить максимальные возникающие эквивалентные напряжения по Мизесу в конструктивных элементах расчетных моделей.

Полученные результаты указывают на возможность снижения нагрузок, возникающих в элементах адаптерного узла, за счет изменения — угла отклонения соосности сменной коронки и тела адаптера.

Наличие заводского либо приобретенного в результате эксплуатации зазора между посадочными поверхностями винтового адаптера и зуба практически не меняет значений действующих нагрузок на штифт и, как следствие этого, не влияет на надежность крепления зуба.

а б в Рис.1. Угол наклона зуба относительно нормали к действующей силе:

а – внедрение зуба в грунт под прямым углом ;

б – внедрение зуба под углом =50°;

в – снятие слоя грунта при =40° В случае адаптерных узлов с клиновидным посадочным местом и штифтом вертикального и горизонтального расположения, на него приходится нагрузка, воспринимаемая от зуба, гораздо большей величины, чем в варианте с винтовым адаптером.

Моделирование методом конечных элементов с помощью среды APM WinMachine позволило получить картину напряженно-деформированного состояния адаптерных узлов.

Полученные в результате моделирования напряженно-деформированного состояния адаптерных узлов данные подтверждают сформировавшееся ранее представление об особенностях конструктивных решений и свидетельствуют о значительных преимуществах винтового типа адаптера.

Для всех типов адаптерных узлов существенным негативным фактором остается наличие или возникновение зазора между посадочными поверхностями зуба и адаптера. Изменение зазора значительно меняет распределение нагрузок в узле адаптера с горизонтальным штифтом в неблагоприятную сторону, что отражено в табл. 1.

Таблица Результаты моделирования напряженно-деформированного состояния адаптерных узлов Максимальные напряжения Максимальные напряжения в элементах узлов при жесткой в элементах узлов при наличии Тип адаптерного фиксации, МПа зазора, МПа узла Зуб Адаптер Штифт Зуб Адаптер Штифт С винтовым 23,5 18,6 8,7 23 12,7 4, соединением С вертикальным 12 25 7,5 35,8 36,1 15, штифтом С горизонтальным 7 17,45 17,7 20 26,4 32, штифтом Проанализировав полученные данные, можно сделать вывод о том, что при ведении различного рода экскавационных работ возникающие напряжения в рабочем оборудовании экскаватора и отдельных его элементах напрямую зависят от параметров и. Подобное заключение говорит о необходимости соблюдения при экскавационных работах наиболее безопасных положений ковша и передаваемой ему силы относительно поверхности грунта с точки зрения минимизации возникающих в адаптерных узлах эквивалентных напряжений.

Исполнения адаптерных узлов влияют не только на возникающие напряжения в собственных конструктивных элементах, но также и на напряженно-деформированное состояние самого ковша экскаватора.

При выявлении обобщенной структуры и алгоритма для определения модели влияния конструктивного расположения грунторазрушающих элементов ковша на распределение нагрузок были приняты передняя кромка и зубья. Для реализации подобной задачи применялся метод Бокса-Уилсона.

Наибольшую значимость имеет параметр, характеризующий величину вогнутости выреза на передней кромке в долевом выражении относительно ее ширины. Согласно расчетам, в качестве рекомендуемых, с точки зрения минимизации возникающих напряжений, предлагается принимать совокупность следующих значений конструктивных параметров:

- величины вогнутости выреза на передней кромке, равной 0,15Вкр, где Вкр — это ширина передней кромки;

- суммарной ширины всех зубьев, равной 0,35-0,4Вкр;

- количества зубьев 4-5 шт.;

- угла отклонения оси адаптера и сменной коронки 13-18°.

На расчет наиболее приемлемых значений конструктивных параметров исполнительного органа экскаватора могут повлиять не только его собственные геометрические характеристики и особенности конструктивного исполнения, но также и передающие ему усилия звенья кинематической схемы рабочего оборудования.

Для экскаваторов схемы «обратная лопата» кинематическая схема может быть представлена так, как показано на рис. 2. В качестве первого звена приведена стрела и ее система координат в основном шарнире, второго звена – рукоять с системой координат в шарнире присоединения к стреле, третьего звена – ковш с системой координат в шарнире присоединения к рукояти.

Рис. 2. Кинематическая схема рабочего оборудования экскаватора Искомым параметром будет являться угол (см. рис. 3), а точнее – интервал возможных значений этого угла. Угол – это угол между осью определителем ковша, как кинематического звена, и осью передней кромки (грунторазрушающих элементов). В то же время этот угол характеризует и отклонение от оси-определителя направления прикладываемой нагрузки. Таким образом, выявив интервал возможных значений угла для вектора нагрузок, можно определить необходимое конструктивное расположение передней кромки, обусловливающее минимизацию возникающих напряжений в элементах конструкции ковша.

Рис. 3. Определители ковша в кинематической цепи В случае с движением исполнительного органа только за счет вращения звена R3 относительно оси O3, угол 3 будет являться минимальным значением искомого угла, а также нижней границей в определяемом интервале.

Таким образом, при Rвр=R3 получим, что min=3=90°. При совместном движении звеньев R3 и R2 относительно центра О2 получим R3 sin =32=3- arctg +32.

R2 R3 cos На рис. 4 представлена схема определения контура движения передней кромки в случае совместного вращения звеньев R3, R2 и R1 относительно центра О1.

Рис.4. Рабочее движение – поворот стрелы В данной расчетной схеме на =321 оказывают влияние величины всех звеньев кинематической цепи и значения углов 32 и 21, которые являются значениями параметров конкретного конструктивного исполнения рабочего оборудования экскаватора.

Таким образом, при Rвр=R321 получим:

max 3 21 R3 sin R32 R2 2 R2 R3 cos sin arctg 32 R2 R3 cos - arcsin R12 R32 R2 2 R2 R3 cos 2 R R3 sin R32 cos arctg R2 2 R2 R3 cos 21 R2 R3 cos Угол 321 является верхним граничным значением для определения интервала возможных значений, превышение которого, согласно проводимой методике расчета, приведет к появлению увеличенных возникающих напряжений в элементах конструкции ковша.

Таким образом, при Rвр=R321 получим max = 321.

Проведенные расчеты позволили выявить диапазон значений для параметра, придерживаясь которого возможно минимизировать возникающие напряжения в элементах конструкции ковша:

min max.

В результате выполнения данного раздела работы были получены следующие основные выводы:

1.Адаптерные узлы с винтовым креплением более предпочтительны по причине незначительного влияния появляющегося между его конструктивными элементами зазора на увеличение возникающих напряжений. В случае с адаптерными узлами с вертикальным и горизонтальным расположением штифтов, появление зазора между посадочными поверхностями адаптера и сменной коронки приводит к увеличению возникающих напряжений в 1,5-3 раза.

2.В целях минимизации возникающих напряжений рекомендуется придерживаться значения угла в диапазоне от 0 до -5°.

3.В качестве рекомендуемых, с точки зрения минимизации возникающих напряжений, предлагается принимать совокупность следующих значений конструктивных параметров:

-величины вогнутости выреза на передней кромке, равной 0,15Вкр, где Вкр — это ширина передней кромки;

-суммарной ширины всех зубьев, равной 0,35-0,4Вкр;

-количества зубьев 4-5 шт.;

-угла отклонения оси адаптера и сменной коронки 13-18°.

4.Выведенные зависимости позволяют определить интервал значений угла, рациональных с точки зрения минимизации напряжений в конструктивных элементах ковша. На расчет угла будут оказывать существенное влияние такие параметры рабочего оборудования экскаватора, как длина рукояти и стрелы, линейный размер ковша от края передней кромки до оси его сопряжения с рукоятью, предельные значения углов поворота всех звеньев кинематический схемы рабочего оборудования экскаватора.

В третьей главе приводится описание предлагаемого конструктивного исполнения передней кромки, которое позволит обеспечить равномерное распределение возникающих в ней напряжений, улучшить характеристики внедрения ковша в грунт.

За основу была взята идея усиления передней кромки и днища ковша при помощи изменения конструкции и формы. Она заключается в увеличении жесткости за счет получения желобообразного элемента передней кромки радиально-изогнутого или клиновидного сечения. При этом следует соблюдать такой уровень расположения зубьев при предположительном положении ковша во время внедрения, при котором будет образовываться плоский срез.

Первостепенным для расчета конструкции в данном случае будет являться угол внедрения исполнительного органа в грунт или угол. В данном случае речь идет о том, чтобы компенсировать возникновение нежелательных повышенных напряжений в момент внедрения в грунт за счет применения более жесткой конструкции передней кромки.

Полученные расчетные значения указывают на преимущества передней кромки, имеющей желобообразное радиальное сечение. Клиновидная форма желоба оказалась менее предпочтительной по причине возникновения концентраторов напряжений в местах углового перегиба. Однако оба предложенных конструктивных исполнения имеют преимущества с точки зрения меньших возникающих значений модуля перемещений, по сравнению с плоской кромкой.

Исходя из полученных данных, а также рационального угла внедрения передней кромки в почву, определялись принципиальные конструктивные параметры, способные повлиять на возникающие напряжения в элементах ковша. Конструктивные параметры ковша перспективного исполнения представлены на рис. 5, где:

пер.кр – угол между расчетным направлением вектора передней кромки и образующей желоба, исходя из возможности и рациональности конструктивного исполнения — от 5 до 45°;

kр – размерный коэффициент, выражающий отношение высоты Нкр радиально-изогнутого желоба к его ширине Вкр, исходя из особенностей геометрии принимаем возможными значения от 0,05 до 0,5.

В предлагаемом конструктивном исполнении не рассматривалось значение угла пер.кр, равного нулю, так как данный вариант анализировался в работе ранее.

Исходя из полученных выражений, а также предпочтительного значения параметра L, величину Нкр определяем по формуле 0,15 B H кр.

1 tg 2 пер.кр.

Для проведения анализа была разработана параметрическая твердотельная модель с переменными конструктивными параметрами.

В случае с предлагаемым конструктивным исполнением целесообразно принять за рациональные значения параметра пер.кр в диапазоне 25-35°.

Полученные данные еще раз подтвердили положительное влияние на прочностные характеристики ковша экскаватора.

Hкр пер.кр Вкр L Рис. 5. Принципиальные конструктивные параметры предлагаемого решения В четвертой главе были проведены и проанализированы экспериментальные испытания конструктивного исполнения ковша экскаватора с измененными параметрами грунторазрушающих элементов. Целью данной главы являлось доказательство упомянутых выше предположений посредством проведения экспериментальных испытаний над стандартным и измененным конструктивным исполнением ковша экскаватора.

В качестве прототипа для проведения сравнительных испытаний была принята модель экскаватора Komatsu PC-3000, зарекомендовавшая себя как качественная, соответствующая тяжелым эксплуатационным условиям машина.

Во время экскавации основными движениями рабочего оборудования являются движения поворота ковша, поворот рукояти, а также совместное сложное перемещение на основе вращения звеньев. В качестве основных рассмотрены отдельные движения ковша и рукояти при внедрении в грунт.

Для разработки действующего стенда рабочего оборудования экскаватора необходимо было изготовить макеты ковшей исходного и предлагаемого конструктивного исполнения с соблюдением точности основных конструктивных параметров, способных повлиять на результаты опытных испытаний. К подобным параметрам относятся основные габаритные размеры, присоединительные размеры, все угловые параметры грунторазрушающих элементов, геометрия зубьев. Для достижения требуемых результатов твердотельные компьютерные модели ковшей и зубьев изготавливались по заводским чертежам.

Макеты ковшей изготавливались из композитного алюминий пластикового листового материала, обладающего высокой прочностью и легкостью механической обработки. В результате были получены макеты исходного (рис. 6) и предлагаемого (рис. 7) конструктивного исполнения ковшей, обладающие достаточной для получения адекватных результатов эксперимента точностью. Также был разработан действующий стенд для испытаний (рис. 8).

В целях определения влияния конструктивного исполнения передней кромки на важные исследуемые технико-эксплуатационные показатели, при изготовлении моделей в максимальной степени соблюдалось сохранение геометрии элементов конструкции ковшей, сопряженных с передней кромкой, хотя в целях предполагаемого улучшения характеристик требовалось изменить форму боковин и задней стенки.

б а Рис. 6. Модели ковша экскаватора Komatsu PC-3000 исходного исполнения:

а – компьютерная твердотельная модель;

б – реальная модель а б Рис. 7. Модели ковша экскаватора Komatsu PC-3000 предлагаемого исполнения:

а – компьютерная твердотельная модель;

б – реальная модель Одним из главных, способствующих зачерпыванию движений, является поворот ковша вокруг оси его крепления к рукояти. В связи с этим первостепенно необходимо провести испытания, направленные на определение основных технико-эксплуатационных показателей ковшей с различными конструктивными исполнениями с учетом только вращательного движения исполнительного органа.

В результате проведения серии экспериментов по внедрению ковша в грунт при помощи рабочего движения поворота ковша были получены значения требуемых параметров.

Согласно полученным результатам определялись сокращения значений затраченных на внедрение ковша мощностей приводов.

Коэффициент энергозатрат на единицу объема грунта для предлагаемого конструктивного исполнения оказывается меньше в среднем на 411%. Это обусловлено качественно лучшей наполняемостью предложенной конструкции ковша при рабочем движении на 53 %.

Рис.8. Стенд для испытаний Одним из главных движений, способствующих зачерпыванию, является поворот рукояти вокруг оси ее крепления к стреле. В связи с этим необходимо провести испытания, направленные на определение основных технико эксплуатационных показателей ковшей с различными конструктивными исполнениями с учетом только вращательного движения рукояти и статично зафиксированного исполнительного органа.

В режиме внедрения ковша посредством рабочего движения рукояти, предлагаемое конструктивное исполнение позволяет при сопоставимых затратах мощности на внедрение сократить энергозатраты экскавации на единицу зачерпнутого объема грунта в среднем на 24 %. Это обусловлено качественно лучшей наполняемостью предложенной конструкции ковша при рабочем движении рукояти в среднем на 30 %.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ В диссертационной работе выполнен комплекс аналитических и экспериментальных исследований конструктивных параметров рабочего оборудования гидравлического экскаватора схемы «обратная лопата» на возникающие напряжения. Дано обоснование нового конструктивного исполнения ковша экскаватора, направленного на энергосбережение при ведении экскавационных работ и минимизацию возникающих внутренних напряжений, что имеет существенное значение для их эксплуатации и совершенствования.

В результате выполнения работы были достигнуты следующие основные выводы и результаты:

1.Установлено, что адаптерные узлы с винтовым креплением более предпочтительны по причине незначительного влияния появляющегося между его конструктивными элементами зазора на увеличение возникающих напряжений. В случае с адаптерными узлами с вертикальным и горизонтальным расположением штифтов, появление зазора между посадочными поверхностями адаптера и сменной коронки приводит к увеличению возникающих напряжений в 1,5-3 раза.

2.В целях минимизации возникающих напряжений рекомендуется придерживаться следующей совокупности конструктивных параметров ковша:

-значения угла отклонения от соосности адаптера и сменной коронки от 0 до -5°;

-величины вогнутости выреза на передней кромке, равной 0,15Вкр, где Вкр — это ширина передней кромки;

-суммарной ширины всех зубьев, равной 0,35-0,4Вкр;

-количества зубьев 4-5 шт.;

-угла отклонения оси адаптера и сменной коронки 13-18°.

3.На основании линейных и угловых параметров рабочего оборудования экскаватора выведены зависимости, позволяющие определить интервал значений угла, рациональный с точки зрения минимизации возникающих напряжений в конструктивных элементах ковша. На расчет угла будут оказывать существенное влияние такие параметры рабочего оборудования экскаватора, как длина рукояти и стрелы, линейный размер ковша от края передней кромки до оси его сопряжения с рукоятью, предельные значения углов поворота всех звеньев кинематический схемы рабочего оборудования экскаватора.

4.В качестве перспективного конструктивного исполнения передней кромки рекомендуется к внедрению кромка радиально-изогнутого сечения. Это позволит сократить возникающие эквивалентные напряжения в передней кромке на 40-70 %.

5.Предложенное конструктивное исполнение ковша позволяет:

-при сопоставимых затратах мощности на внедрение макетов стандартного и предлагаемого конструктивного исполнений сократить энергозатраты экскавации на единицу зачерпнутого объема грунта в среднем на 41 % в режиме внедрения макета ковша посредством рабочего движения ковша, в среднем на 24 % посредством рабочего движения рукояти;

-повысить наполняемость при рабочем движении ковша в среднем на 53 %, при рабочем движении рукояти в среднем на 30 %.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Силютин, С. М. Влияние конструктивных особенностей адаптерных узлов на эксплуатационную надежность ковшей гидравлических экскаваторов / С. М. Силютин, А. А. Хорешок, Е. Ю. Пудов // Горное оборудование и электромеханика. – 2009. – № 5. – С. 15–17.

2. Хорешок, А. А. Состояние российского рынка легких и средних гидравлических экскаваторов / А. А. Хорешок, Е. Ю. Пудов, О. В. Любимов // Материалы Межрегион. науч.-практ. конф. «Системный подход к созданию высокоэффективных угледобывающих предприятий с использованием наукоемких технологий», г. Киселевск. – М., 2008. – С. 136–141.

3. Хорешок, А. А. Проблемы формирования и эксплуатации регионального парка гидравлических экскаваторов с ковшами малой и средней вместимости / А. А. Хорешок, Е. Ю. Пудов, О. В. Любимов // Вестн.

КузГТУ. – 2009. – № 1(71). – С. 3–7.

4. Конструктивно-технологические особенности адаптеров экскаваторных ковшей / Е. Ю. Пудов [и др.] // Тр. междунар. науч.-практ. конф.

«Энергетическая безопасность России. Новые подходы к развитию угольной промышленности». – Кемерово : ННЦ ГП – ИГД им. А. А. Скочинского, ИУУ СО РАН, КузГТУ, ЗАО КВК «Экспо-Сибирь», 2009. – С. 137–141.

5. Хорешок, А. А. О влиянии направления внешней нагрузки на напряженно-деформированное состояние адаптерного узла ковша экскаватора / А. А. Хорешок, Е. Ю. Пудов, О. В. Любимов // Инновационные технологии и экономика в машиностроении : тр. VII Всерос. науч.-практ. конф. с междунар.

участием. – Томск : Изд-во ТПУ, 2009. – С. 657–659.

6. Пудов, Е. Ю. Об актуальности разработки технологии изготовления адаптеров ковшей гидравлических экскаваторов / Е. Ю. Пудов, Р. А. Понкрашкин, О. В. Любимов // Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири. Сибресурс 2010» : материалы XIII Междунар. науч.-практ. конф. / ГУ КузГТУ. – Кемерово, 2010. – С. 277–280.

7. Пудов, Е. Ю. Влияние кинематической схемы рабочего оборудования экскаватора на расчет конструктивных характеристик ковша / Е. Ю. Пудов, А. А. Хорешок // Перспективы развития Прокопьевско Киселевского угольного района как составная часть комплексного инновационного плана моногородов : сб. тр. III междунар. науч.-практ. конф.

– Прокопьевск : Изд-во филиала ГУ КузГТУ в г. Прокопьевске, 2011. – С.

141–151.

8. Хорешок, А. А. Статистический анализ изношенности ковшей малой и средней вместимости гидравлических экскаваторов / А. А. Хорешок, Е. Ю. Пудов, О. В. Любимов // Вестн. КузГТУ. – 2010. – № 5(81). – С. 86–89.

9. Пудов, Е. Ю. Определение зависимости между кинематической схемой экскаватора и рациональными угловыми параметрами ковша / Е. Ю.

Пудов // XVII Междунар. науч.-практ. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии» : сб. тр. в 3 т. – Томск : Изд-во ТПУ, 2011. – Т. 2. – 338 с.

10. Хорешок, А. А. Конструктивные и эксплуатационные особенности адаптерных узлов ковшей гидравлических экскаваторов / А. А. Хорешок, Е. Ю. Пудов, О. В. Любимов // Материалы Кит.-Рус. Форума «Безопасное производство, шахты и технологическое оборудование», Ляонинский технический университет (КНР), г. Фусинь 2009. – С. 36–38.

11. Конструктивно-технологические особенности адаптерных узлов ковшей гидравлических экскаваторов / С. М. Силютин, А. А. Хорешок, Е. Ю.

Пудов, О. В. Любимов // Инновации – основа комплексного развития угольной отрасли в регионах России и странах СНГ : материалы 2-й междунар. науч.-практ. конф. – Прокопьевск : Изд-во филиала ГУ КузГТУ в г.

Прокопьевске, 2009. – С. 276–279.

12. Пудов, Е. Ю. Определение факторов, влияющих на энергопотребление экскавационных работ / Е. Ю. Пудов, Д. В. Антоненков // Современные техника и технологии 2010 : материалы 16-й междунар. науч. практ. конф. – Томск : Изд-во ТПУ, 2010. – С. 359–361.

13. Оценка поврежденности экскаваторных ковшей малой и средней вместимости статистическими методами / А. А. Хорешок, Е. Ю. Пудов, О. В. Любимов, М. А. Халин // Новые технологии в угольной отрасли и экономике : тр. регион. науч.-практ. конф. – Белово : Изд-во «ИНТ», 2009. – С. 32–34.

14. Хорешок, А. А. О влиянии направления внешней нагрузки на напряженно-деформированное состояние адаптерного узла ковша экскаватора / А. А. Хорешок, Е. Ю. Пудов, О. В. Любимов // Горное машиностроение :

тр. 7 Всерос. науч.-практ. конф. с междунар. участием. Отдельный выпуск Горного информационно-аналитического бюллетеня (научно-технический журнал) Mining Informational and analytical Bulletin (Scientific and technical journal). – М. : Горн. кн., 2010. – № ОВ3. – С. 149–153.

15. Хорешок, А. А. Прогнозирование технического состояния ковшей экскаваторов / А. А. Хорешок, Е. Ю. Пудов, О. В. Любимов // Россия молодая:

передовые технологии – в промышленность : материалы 3 всерос. молодеж.

науч.-практ. конф. – Омск : Изд-во ОмГТУ, 2010. – Кн. 1. – С. 87–90.

16. Хорешок, А. А. Определение модели влияния конструктивного расположения грунторазрушающих элементов ковша на распределение нагрузок и надежность / А. А. Хорешок, Е. Ю. Пудов // Перспектива развития Прокопьевско-Киселевского угольного района как составная часть комплексного инновационного плана моногородов : сб. тр. 3 Междунар.

науч.-практ. конф. – Прокопьевск : Изд-во филиала ГУ КузГТУ в г. Прокопьевске, 2011. – С. 268–271.