Development of a new bucket design for a single-bucket hydraulic excavator

Full Text

Введение

Одноковшовые гидравлические экскаваторы применяются во многих сферах промышленности. Экскаваторы применяют при добыче полезных ископаемых, при строительстве зданий и других объектов инженерной инфраструктуры. Производительность экскаватора зависит от множества факторов, которые зависят от рыхлости грунта, продолжительности использования машины, а также объёма ковша [1–5]. В последние десятилетия, исследователи, в основном, создают конструкции рабочего оборудования экскаватора, дополненные устройствами для предварительного рыхления грунта или сохранения энергии в процессе копания.

Однако, следует отметить, что вопрос об увеличении объёма ковша за всё время существования экскаваторов, практически не поднимался. Это связано с тем, что чем больше объём ковша, тем больше требуется сила копания, создаваемая гидроприводом. Поэтому увеличение объёма ковша неминуемо ведёт к увеличению мощности машины, на которую он устанавливается.

Цель

В работе рассматривается вопрос увеличения объёма ковша без изменения мощности самого экскаватора. Это становится возможным путём создания конструкции ковша с измененной механикой копания, при которой силы сопротивления копанию понизятся.

Методы

Дизайн исследования

Исследование включает в себя: 1) проектирование начальной конструкции предлагаемого ковша; 2) проведение прочностного расчёта конструкции; 3) анализ прочностного расчёта с целью получения оптимальной конструкции; 4) проектирование оптимальной конструкции предлагаемого ковша; 5) проведение прочностного расчёта оптимальной конструкции предлагаемого ковша.

Критерии соответствия

При проектировании начального варианта ковша необходимо было оснастить конструкцию минимальным количеством деталей, необходимых для возможности установки и соблюдения механики поворота. Затем подбирались оптимальные размеры деталей для надёжности конструкции.

Условия проведения

Исследование проведено на базе Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Сибирского государственного автомобильно-дорожного университета».

Продолжительность исследования

Исследование проводилось на протяжении 6 месяцев.

Проведённые в рамках исследования процедуры

Автором настоящей работы были внесены изменения в конструкцию ковша, с целью решения поставленной задачи [3]. Рассмотрим подробнее предлагаемую конструкцию ковша объёмом 0,25 м³, спроектированного для экскаватора на базе трактора ЮМЗ-6АКЛ (рис. 1).

 

Рис. 1. Измененная конструкция ковша: 1 — задняя стенка; 2 — боковые стенки; 3 и 5 — оси; 4 — проушины; 6 — зуб; 7 — бортики; 8 — паз; 9 и 10 — отверстия для осей; 11 и 12 — антифрикционные втулки; 13 и 14 — заглушки.

Fig. 1. The modified bucket design: 1 — a rear wall; 2 — side walls; 3 and 5 — axles; 4 — lugs; 6 — a tooth; 7 — flanges; 8 — a groove; 9 and 10 — holes for axles; 11 and 12 — antifriction bushings; 13 and 14 — plugs.

 

Рассматриваемая конструкция ковша, как и стандартный ковш, включает в себя: заднюю стенку 1, боковые стенки 2, оси 3 и 5, проушины 4, зуб 6 и отверстия 9 и 10 для осей. Однако задняя стенка 1 выполнена цилиндрической формы с возможностью её поворота вокруг своей оси 3. При этом зачерпываемый грунт заходит в ковш по касательной, ему препятствуют только силы трения на стенках [4]. При копании стандартным ковшом помимо сил трения неизбежно присутствуют нормальные сопротивления [5]. Конструкция предлагаемого ковша была дополнена дополнительными элементами с возможностью установки на экскаватор и реализации рассматриваемой механики копания. Например, паз 8 создан для беспрепятственного поворота ковша вокруг своей оси. При выдвижении штока гидроцилиндра он заходит в паз и не упирается в заднюю стенку 1. Бортики 7 выполнены для исключения продольных перемещений ковша в проушине рукояти экскаватора. Антифрикционные втулки 11 и 12 выполнены с возможностью поворота осей 3 и 5 в отверстиях 10 и 9 соответственно. Для исключения продольных перемещений осей 3 и 5 в них через резьбовые соединения вкручиваются заглушки 13 и 14 соответственно. Для большей прочности конструкции зуб 6 выполнен в единственном количестве с тупым углом заострения.

Рассмотрим последовательность установки ковша на рукоять. В отверстия 10 стенок 2 предварительно запрессованы антифрикционные втулки 11. В отверстии рукояти предварительно запрессована антифрикционная втулка. Через отверстия втулок 11 и отверстие втулки рукояти вставляется ось 3, так чтобы край рукояти был расположен внутри ковша. Далее ось 3 фиксируется от продольных перемещений заглушками 13, которые вкручиваются по бокам в ось 3 через резьбовые соединения. Бортики 7 разъёмные и фиксируются на оси 3 через болтовые соединения.

Рассмотрим фиксацию штока гидроцилиндра на ковше. В отверстия 9 проушин 4 предварительно запрессованы антифрикционные втулки 12. Антифрикционные втулки также запрессованы в отверстиях штока. Ось 5 вставляется в отверстия втулок 12 и втулок штока гидроцилиндра, так чтобы шток был между проушинами 4. Далее ось 5 фиксируется от продольных перемещений заглушками 14, которые вкручиваются по бокам в ось 5 через резьбовые соединения.

Требуется провести прочностной расчёт спроектированной конструкции ковша. Для решения этой задачи была построена модель ковша в программе Компас-3D, представленная на рис. 2.

 

Рис. 2. Модель спроектированного ковша.

Fig. 2. Model of the designed bucket.

 

Степени свободы перемещения деталей друг относительно друга и в пространстве выставлялись при моделировании, поэтому антифрикционные втулки, заглушки, болтовые соединения бортиков не выстроены. Для прочностного расчёта использовалось приложение APM FEM Компас-3D [6]. Рассматривается случай максимального разрушения, когда ковш столкнулся с непреодолимым препятствием. В этом случае в местах креплений рукояти и штока гидроцилиндра принимаем жёсткую заделку. На зуб 6 будет действовать часть веса экскаватора. Так как вес экскаватора составляет 66 кН, примем допущение о том, что сила, действующая на зуб 6, — больше половины веса экскаватора, а именно — 40 кН. На рис. 3 показаны напряжения на спроектированной модели ковша.

Как видно из шкалы на рис. 3, максимальные напряжения составляют 3122 МПа. На оси 3 напряжения не меньше 1000 МПа. На зубе напряжения 600-800 МПа. Примем допущение о том, что материал ковша — это сталь 30ХГСА. Рассматриваемая конструкция требует доработки, так как предел текучести стали 30ХГСА составляет 820 МПа [7].

 

Рис. 3. Напряжения на спроектированной модели ковша.

Fig. 3. Stresses on the designed model of the bucket.

 

Анализ наиболее нагруженных мест модели показал, какие размеры деталей следует изменить. Для разгрузки оси 3 требуется сократить её длину, как следствие ширину ковша. В этом случае для сохранения объёма ковша придётся увеличить радиус стенки 1 и ширину стенок 2. Для снижения напряжений на зубе 6 следует увеличить толщину стенки 1. Проушины 4 также являются концентраторами напряжений, поэтому решено исключить их. Крепление оси 5 следует осуществлять на стенках 2. Во избежание трения штока гидроцилиндра о стенки 2, на оси 5 следует предусмотреть съёмные бортики, закрепляемые на оси 5 с помощью болтовых соединений. Для снижения напряжений в местах крепления осей 3 и 5 к стенкам 2 следует сместить крепления дальше от краёв стенок 2. Паз 8 существенно снижал прочность конструкции, поэтому было решено исключить его. Однако паз 8 исключал соприкосновение штока гидроцилиндра со стенкой 1 в процессе поворота ковша. Для сохранения функции беспрепятственного поворота ковша следует сместить крепление оси 5 как можно дальше от стенки 1, для этого необходимо увеличить ширину стенок 2.

Анализ конструкции ковша, представленной на рис. 1 показал, что установка на ковш антифрикционных втулок 11 и 12 необязательна. Оси 3 и 5 следует жёстко закрепить в стенках 2. Возможность поворота ковша будет реализована посредством шарнирных соединений между осью 3 и рукоятью экскаватора, а также между осью 5 и штоком гидроцилиндра. Также следует предусмотреть рациональную форму заглушек 13 и 14, для возможности их легкого снятия и фиксации [8-15].

С учётом приведённого выше анализа прочностного расчёта была спроектирована, уточненная конструкция предлагаемого ковша, представленная на рис. 4.

 

Рис. 4. Уточнённая конструкция предлагаемого ковша.

Fig. 4. Refined design of the proposed bucket.

 

В приложении APM FEM Компас-3D были выставлены закрепления и сила на уточнённой модели ковша рис. 5. Целесообразно рассмотреть 2 случая нагружения: 1) когда ковш столкнулся с непреодолимым препятствием стенкой 2; 2) когда ковш столкнулся с непреодолимым препятствием зубом 6.

 

Рис. 5. Уточнённая модель предлагаемого ковша.

Fig. 5. The refined model of the proposed bucket.

 

Результаты проведения прочностного расчёта уточнённой модели предлагаемого ковша приведены на рис. 6.

 

Рис. 6. Результаты прочностного расчёта уточнённой конструкции предлагаемого ковша: а — сила на стенке 2; b — сила на зубе 6.

Fig. 6. Results of strength calculations of the refined design of the proposed bucket: а — force at the wall 2; b — force at the tooth 6.

 

Основной исход исследования

При столкновении ковша с непреодолимым препятствием стенкой 2, максимальные напряжения зафиксированы на креплении оси 3 и составляют 150 МПа. Однако более значительные напряжения наблюдаются при столкновении зуба 6 ковша с непреодолимым препятствием. В этом случае максимальные напряжения зафиксированы на зубе 6 и составляют 244 МПа. Если принять материал стали 30ХГСА с пределом текучести 820 МПа следует отметить, что уточнённая конструкция ковша работоспособна. Значение запаса прочности составляет 3,3.

Дополнительные исходы исследования

При анализе конструкции ковша был учтен случай неравномерного нагружения. Рассматривался случай столкновения ковша зубом, а также боковой стенкой. В обоих случаях прочностной расчёт показал надёжность конструкции.

Результаты

Объекты (участники) исследования

Исследованию подвергалась начальная и доработанная конструкции предлагаемого ковша.

Основные результаты исследования

Спроектирована начальная конструкция предлагаемого ковша. Были определены области конструкции ковша, которые не способны выдержать прикладываемые силы. Проведён анализ размеров деталей для достижения достаточной прочности конструкции. Спроектирована оптимальная конструкция предлагаемого ковша.

Дополнительные результаты исследований

Проведённый анализ позволил упростить конструкцию предлагаемого ковша. Упрощение конструкции позволяет упростить процедуру производства ковша и делает её более надежной в эксплуатации.

Обсуждение

Резюме основного результата исследования

Спроектирована оптимальная конструкция предлагаемого ковша. Конструкция способна выдерживать прикладываемые силы с коэффициентом запаса прочности 3,3.

Обсуждение основного результата исследования

Для создания оптимальной конструкции ковша были внесены изменения в конструкцию. Изменены форма и размеры боковых стенок. Изменены точки крепления оси для гидроцилиндра. Изменены размеры задней стенки. Упрощена конструкция.

Ограничения исследования

Для проведения прочностных расчётов было необходимо рассмотреть самое нагруженное состояние ковша. Такое состояние возможно при столкновении ковша с непреодолимым препятствием. В этом случае происходит отрыв передней оси машины от земли. Учитывая силу тяжести машины равную 66 кН, было принято решение нагрузить конструкцию ковша силой 40 кН. Данная сила составляет больше половины веса экскаватора.

Заключение

Таким образом, в работе была спроектирована работоспособная конструкция предлагаемого ковша объёмом 0,25 м³, для установки на экскаватор на базе трактора ЮМЗ-6АКЛ. Конструкция деталей ковша предусматривает возможность установки на экскаватор и реализацию процесса копания.

Дополнительная информация

Вклад авторов. Г.Г. Бурый — обзор литературы, сбор и анализ литературных источников, написание текста и редактирование статьи; И.К. Потеряев — обзор литературы, сбор и анализ литературных источников, подготовка и написание текста статьи. Все авторы подтверждают соответствие своего авторства международным критериям ICMJE (все авторы внесли существенный вклад в разработку концепции, проведение исследования и подготовку статьи, прочли и одобрили финальную версию перед публикацией).

Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с проведенным исследованием и публикацией настоящей статьи.

Источник финансирования. Авторы заявляют об отсутствии внешнего финансирования при проведении исследования и подготовке публикации.

Additional information

Author’s contributions. G.G. Buriy — literature review, collection and analysis of literary sources, writing the text and editing the manuscript; I.K. Poteryaev — literature review, collection and analysis of literary sources, preparation and writing of the manuscript. All authors confirm that their authorship meets the international ICMJE criteria (all authors made a significant contribution to the development of the concept, conduct of the study and preparation of the article, read and approved the final version before publication).

Competing interests. The author declares that he has no competing interests.

Funding source. The author declares that there was no external funding for the research.

About the authors

Grigory G. Buriy

Siberian State Automobile and Highway University

Author for correspondence.
Email: buryy1989@bk.ru
ORCID iD: 0000-0002-5008-9176
SPIN-code: 4216-0384

Cand. Sci. (Engineering), Associate Professor, Associate Professor of the Automotive Transport Department

Russian Federation, Omsk

Ilya K. Poteryaev

Siberian State Automobile and Highway University

Email: poteryaev_ik@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-4350-2495
SPIN-code: 3684-9850

Cand. Sci. (Engineering), Associate Professor, Head of the Operation of Oil and Gas and Construction Machinery Department

Russian Federation, Omsk

References

Supplementary files