Обзор и анализ параметров конструкций упругодемпфирующих устройств

Отрицательное влияние динамических нагрузок на срок службы деталей и узлов экскаватора требует изыскания эффективных средств по снижению амплитуд динамических нагрузок.

Увеличение производительности экскаваторов может быть достигнуто при условии резкого уменьшения динамических нагрузок в его основных силовых механизмах. Сегодня задача стабилизации рабочего процесса экскаватора решается путем применения упругодемпфирующих устройств. При проектировании упругодемпфирующих устройств следует решить следующие технические задачи:  определение мест установки упругодемпфирующего    устройства    в    реактивном    звене металлоконструкции или в приводе рабочего органа экскаватора [1]; установление (на основе динамической модели экскаватора [2]) рациональных параметров (жесткости и демпфирования) упругодемпфирующего устройства [3].

Сегодня известно достаточно большое число конструкций упругих элементов (металлические, резиновые, пневматические, гидравлические и комбинированные), которые могут воспринимать реактивные колебания от сил черпания рабочего органа экскавационных машин (см. рис. 1, а, б, в ). Основные кинематические, силовые и динамические параметры, которых приведены в таблицах 1, 2.

Резиновые и резинометаллические упругие элементы обладают хорошим демпфирующим свойством, однако их грузоподъемность весьма недостаточна для восприятия реактивных колебаний от сил черпания рабочего органа экскаватора. Они нашли применение, в основном, в приборостроении. Сегодня широко распространены упругие элементы в виде металлической листовой или винтовой рессоры.

Место установки упругодемпфирующего устройства в приводе рабочего органа ________ карьерного комбайна _____

Место установки упругодемпфирующего устройства в приводе рабочего органа компактного роторного экскаватора

Рис. 1. Экскавационные машины с упругодемпфирующими устройствами: а - в приводе рабочего органа карьерного комбайна; б - в подвеске стрелы карьерного экскаватора; в - в приводе рабочего органа компактного

роторного экскаватора.

Кинематические, силовые и динамические параметры упругих элементов

Таблица 1

	Листовая рессора	Цилиндрическая винтовая пружина	Торсион	Двойной пневматический баллон (пневмопружина)
Нагрузка, Н (нм)	2 b n 2 3 L	r Р R	0,1 Г 3 (1 — k 4 ) ^	F f P 0 V  „1 F 1 P 1 э 1 yn     pa 1
Перемещение, м	PL 3 48 EJ	2 zR 2сте rG	0,2 ^ eL n rG	V ( P ) V 0    Р 1 F 1 P 0 F  J
Жест кость, Н/м	48 EJ L 3	r 4 G 2 zR 3	nr4 G ( 1 - k4 1 2 L	F f np0V n 1 F э 1   J/ n + 1     1
Круговая частота, рад	72 gEJ Ч b n 2 LL	rgG Ч RL ^ e	1 n rgG \ 0.2 ^ L	ngp 0 V 0 n V n + 1 f P 0 V n  J V                 Pn \ 1 yn     r a 1
Работа, Нм	16 EJb a 2 L 4	zrR & e G	0,11 r2 b n 2 ( 1 - k4 । n G	1     PV - P 1f    Р - 1 1 2 0 1 V n    p a JJ P о F   J

Таблица 2

	Гидравлический упругий элемент	Пневматическая рессора сжатия (растяжения)
Нагрузка, Н (Нм)	EF ( V , - FS ) V 0	Fh 0 n		к 1 P 0          P 0 . ( h 0 - S ) ”    ( h 0 - к 2 S ) ”
Перемещение, м	V 0 ( EF - Р ) EF 2	кP ± 2 h 0 F [ к 1 к 2 + P 0 +( 1 - к 2 )]
		+ /_____________ к 2 P 2 h 0 ( к 1 P 0 + P 0 - P/F ) , Ч 4 h 02 [ К 1 К 2 + P 0 + P/F ( 1 - К 2 ) ] 2     к 1 к 2 + P 0 +( 1 - к 2 ) ]
Жест кость, Н/м	EF h	Г nFh 0-		к 1 P 0            P 0 ( h 0 - S ) n + 1    ( h 0 - к 2 S ) n + 1 J
Круговая частота, рад	gV 0		ng	к 1 P 0    +_____ P 0_____ _ ( h 0 - S ) n + 1     ( h 0 - к 2 S ) n + 1 _
	Ч h ( V 0 - FS )		к 1 p 0            p 0 ( h 0 - S ) n   ( h 0 - к 1 S ) )
Работа, Нм	1 ( V 0 - FS )( EF - Р ) 2 F	1 FK [ . к 1 P 0. - —P ^— 1!----,----- к 2 P      --- ± 2    0 [ ( h 0 - S ) n   ( h 0 - к 1 S ) n J( 2 h 0 F [ к 1 к 2 P 0 + P 0 + ( 1 - к ) PJF ]
		+ 1_______________ к 22 P 2h 0 ( к 1 P 0 + P 0 + P/F )   , \ 4 h 0 2 F 2 [ к 1 к 2 P 0 + P 0 + ( 1 - к ) P/F ]   к 1 к 2 P 0 + P 0 +( 1 - к ) P/F

Обозначения, принятые в таблицах 1, 2: b – ширина листа рессоры, м; L – длина рессоры, торсиона (навивки пружины), м; σ – прочность материала металлического упругого элемента, Н/м²; P – усилие нагрузки упругого элемента, Н; E – модуль упругости материала металлического упругого элемента (рабочей жидкости), Н/м²; J – момент инерции сечения материала металлического упругого элемента, кг∙м²; r – радиус проволоки пружины (торсиона), м; R – радиус навивки пружины, м; z – число витков пружины, ед.; G – модуль сдвига, Н/м²; k – коэффициент уменьшения сечения трубчатого торсиона; F – эффективное сечение гидравлического (пневматического) упругого элемента, м²; V₀ – объем рабочей жидкости (газа), м³, соответствующий зарядному давлению р₀, Н/м²; р а – атмосферное давление, Н/м²; n – показатель пролитропы; V – объем рабочей жидкости (газа), м³, соответствующий рабочему давлению P/F э , Н/м²; S – сечение штока гидравлического упругого элемента, м²; h – высота столба рабочей жидкости, м; к, к 1 , к 2 – коэффициенты мультипликации пневматической рессоры сжатия (растяжения); h 0 - приведенная высота столба газа, м;

В гусеничных, экскавационных и выемочно-транспортирующих машинах (включая современные танки) широкое распространение получили подвески, основным упругим элементом которых является торсион. Торсион это стержень (труба), заделанный по обоим концам и работающий на кручение. В автосамосвалах малой грузоподъемности широкое распространение получили листовые рессоры. В то время как в автосамосвалах большой грузоподъемности их задние и передние подвески шасси оснащены либо пневматическими рессорами сжатия (растяжения) или гидравлическими упругими элементами (см. рис. 2). Сегодня уже нашли применение упругодемпфирующие пневматические элементы (на основе двойного пневматического баллона), например, в колесной тележке вагона электропоезда метрополитена (см. рис. 3). В МГГУ в период с 1969 по 1984 были разработаны и внедрены различные конструкции приводов рабочего органа роторных экскаваторов с упругими и упругодемпфирующими устройствами [1], воспринимающими реактивные колебания от сил черпания (см. рис. 4).

Эти элементы имеют низкое зарядное давление не более 0,5 МПа. Их резиновая оболочка адаптирована как к высоким, так и низким температурам окружающей среды (от +40С0 до -50С0) для районов с резко континентальным климатом характерных при ведении открытых горных работ в Российской Федерации.

Естественно, что выбор конструкции упругого элемента упругодемпфирующего устройства должен выполняться из условий: минимального веса конструкции упругого элемента, отнесенного к единице действующей на него нагрузки (минимальной удельной стоимости) и максимальной работы поглощения колебаний упругим элементом, отнесенной к единице его веса. Выполненный нами анализ упругих элементов различных конструкций (см. рис. 5, 6), на основе аналитических соотношений, приведенных в таблице 1 свидетельствует, что: минимальным теоретическим весом упругого элемента, отнесенного к единице действующей на него нагрузки обладают пневматическая рессора сжатия (растяжения) - 0,0015 ÷ 0,0025, Н/Н и двойной пневматический баллон 0,002 ÷ 0,009 Н/Н, они же обладают максимальной работой поглощения колебаний упругим элементом, отнесенной к единице его веса (70 ÷ 95 и 75 ÷ 130 Нм/Н пневматическая рессора и двойной пневматический баллон соответственно).

Пневматическая рессора сжатия (растяжения) имеет конструктивное преимущество перед двойным пневматическим баллоном, поскольку не требует дополнительного демпфера, но в то же время эти упругие элементы требуют периодической дозаправки газом (азотом). Далее следует отметить, что известные на сегодняшний день конструкции пневматических, гидравлических и пневмогидравлических упругодемпфирующих устройств являются многокомпонентными и недостаточно надежными при их эксплуатации на горных предприятиях. Это обстоятельство актуализирует поиск мало компонентных и высоконадежных упругодемпфирующих устройств адаптированных к условиям их эксплуатации на современных горных предприятиях.

Рис. 2. Пневмогидравлические рессоры сжатия (растяжения): а – в автосамосвалах большой грузоподъемности, установленные на заднем – б и переднем – в его мостах.

Место установки упругодемпфпрующего устройства в колесной тележке

Рис. 3. Колесная тележка вагона электропоезда метрополитена с упругодемпфирующим пневматическим элементом и гидравлическим демпфером

ЭРГ -350/1000 с упругим элементом( з-д «15-летия ЛКСМУ» г. Донецк)

ЭРГ - 400 17/1,5 с раздельными пневмо- и гидро- элементами (МГИ)

ЭРГ -400 17/1,5 с пневмогидравлическим элементом - «БелАЗ -540» (МГИ)

СРс -2400 («Лаухаммерверк» ГДР) рычажная система

с

пневмогидравлическими элементами (МГГУ)

Экскаватор СРсК -470 («Лаухаммерверк», г. Лейбциг, ГДР)

Экскаватор ЭРП-2500 (з-д «Мариупольтяжмаш» Украина)

Рычажная система с пневмогидравлическими элементами «БелАЗ-540» (МГГУ)

С пневмогидравлическими элементами низкого зарядного давления (0,5 МПа)

Рис. 4. Приводы рабочего органа роторных экскаваторов с упругими и упругодемпфирующими устройствами, воспринимающими реактивные колебания от сил черпания конструкции МГГУ.

Рис. 5. Теоретический вес конструкции упругого элемента, отнесенный к единице нагрузки

Рис. 6. Теоретическая работа упругого элемента, отнесенная к единице его веса

Далее, учитывая опыт эксплуатации пневматических шин карьерного технологического автотранспорта, (см. рис. 7) и то, что теоретический вес пневматических шин используемых в качестве упругого элемента, воспринимающих радиальную нагрузку, отнесенный к её единице составляет величину 0,0005 ÷ 0,0015 Н/Н . В то время как теоретическая работа, отнесенная к единице веса шины соответственно составляет величину 75 ÷ 125 Нм/Н, что делает их конкурентно способными по сравнению с пневматической, пневмогидравлической рессорой сжатия (растяжения) и двойным пневматическим баллоном.

Упругий элемент (пневматическая шина) подвески стрелы карьерного экскаватора воспринимающий реакцию от сил черпания – P его ковша, обладает жесткостью – К (Н/м), которая позволяет иметь собственную частоту колебаний верхней секции стрелы относительно оси напорного вала равную f = — 2л\

K

1 1 + I 2

, Гц,

где: I₁ и I₂ – приведенные моменты инерции маховых масс верхней секции стрелы (с рукоятью и ковшом) и привода подъема ковша соответственно, 2

кг - м

Изменяя давление в пневматических полостях шин – 1 (см. рис. 8), можно установить требуемые значения жесткости и демпфирования в системе подвески стрелы карьерного экскаватора. При отсутствии нагрузки на упряжи ковша экскаватора пневматические полости шин – 1 воспринимают реактивную нагрузку только от веса верхней секции стрелы экскаватора. При экскавации канаты подвески совершают колебательные движения в плоскости подъема ковша.

Независимо от направления движения канатов подвески, пневматические полости шин – 1 (соединенные между собой магистралью – 4) работают только на сжатие. Периодическое изменение давления в пневматических полостях шин приводит к периодическому дросселированию газа (воздуха) через дроссель – 3, рассеивая колебательную энергию в контуре «верхняя секция стрелы – канаты подвески – пневматические шины» (соединяющим магистраль – 4 с дополнительной емкостью – 2). Объём ресивера – 2 – W 0 выбирается из условия требуемой жесткости, обеспечивающей уменьшение динамических воздействий при экскавации, (как на рабочее оборудование, так и на главные приводы машины).

Реакция от силы черпания рабочего органа

Рис. 7. Упругий элемент подвески стрелы карьерного экскаватора (пневматическая шина): 1 – каркас; 2 – протектор; 3 – внутренний герметичный слой; 4 – брекер; 5 – борта.

Рис. 8. Упругодемпфирующее устройство подвески стрелы карьерного экскаватора с узлом регулировки давления. 1 – пневматические полости шин; 2 – ресивер; 3 – регулируемый дроссель; 4 – пневматическая линия давления; 5 – предохранительный клапан; 6 – электрическая блокировка привода подъема ковша; 7 – дроссель; 8 – клапан обратный.

При стопорении ковша экскаватора в забое повышается давление в пневматических полостях шин – 1 и соответственно в магистрали – 4.

Срабатывает предохранительный клапан – 5, а от создаваемого дросселем – 7 перепада давления срабатывает электрическая блокировка двигателей привода подъема ковша экскаватора – 6. После стопорения в пневматических полостях – 1 восстанавливается давление до величины зарядного, поскольку нагнетательная линия – 4 через обратный клапан – 8 всегда связана с нагнетательной линией бортового компрессора.

Объём ресивера – 2 – W₀ выбирается из условия требуемой жесткости – К с учетом объема пневматических полостей шин, обеспечивающей уменьшение динамических воздействий при экскавации, (как на рабочее оборудование, так и на главные приводы машины) из уравнения:

W = nSDn + Wo, м3, ср ш где S – площадь сечения пневматической шины, м2;

D ср – диаметр середин сечения шин, м;

n ш – число пневматических шин, ед.

A review and analysis of kinematic, force and dynamic parameters of structures elastic buffer devices installed in the jet of metal links, and drive the working bodies of mining machines.