Определение параметров гидроударников ковша

Механизация строительства способствует повышению производительности труда, качества строительных работ и увеличению темпов. Одним из перспективных направлений разработки мерзлых грунтов остается ударное разрушение с помощью рабочих органов активного действия. Наиболее целесообразным в этом вопросе представляется использование ударных устройств в качестве сменного оборудования к базовым машинам, например, к экскаваторам с гидроприводом [1–3].

Сменное оборудование с ковшом активного действия значительно увеличивает производительность по сравнению с традиционными способами разработки грунтов. Ковш позволяет с достаточной точностью разрабатывать дно и откосы котлованов и траншей, допускает проведение работ в черте города, в стесненных условиях строительных площадок и действующих объектов [4, 5].

В связи с перспективностью разработок конструкций рабочих органов с гидроударными элементами актуальность представленных в данной статье исследований подтверждается в полной мере.

Основная часть

Для оптимизации рабочего процесса и сокращения времени, затрачиваемого на смену рабочего оборудования, предложена усовершенствованная конструкция рабочего органа одноковшового экскаватора. Конструкторское решение объединяет в себе ковш и два гидроударника, расположенных на торцевой стороне ковша [6]. Общий вид рабочего органа представлен на рис. 1.

Рис. 1. Ковш с 2 гидроударниками: 1 – вид сверху; 2 – вид сбоку

Fig. 1. Bucket with 2 hydraulic hammers: 1 – top view; 2 – side view

Предлагаемый вариант рабочего оборудования включает в себя: 1 – задняя стенка; 2 – подставка под гидроударник; 3 – зуб; 4 – кронштейн зуба; 5 – кронштейн левый; 6 – кронштейн правый; 7 – гидроударник; 8 – стенка боковая (правая).

На рис. 2 представлена гидравлическая схема гидроударников модернизированного рабочего оборудования.

Рис. 2. Гидравлическая схема гидроударников ковша Fig. 2. Hydraulic diagram of bucket hydraulic hammers

Гидравлическая схема включает в себя: 1 – насос; 2 – предохранительный клапан; 3 – делитель потока; 4 – корпус; 5, 7 – регулировочные дроссели; 6 – поршень-боек; 8 – гидроударник; 9 – пневмоаккумулятор [7].

Методы исследования

Цель данного исследования – повышение эффективности рабочего оборудования экскаватора за счет оснащения ковша гидроударными устройствами.

Для подтверждения работоспособности предлагаемого оборудования и определения его параметров был проведен расчет параметров гидроударника и самого рабочего оборудования экскаватора.

Давление на выходе из насоса определяется по формуле

Pn =      ^н I ж _∙ взд ,                                                                                   (1)

где

>₌     + c_aR2 + (в_ср ^ж

b=         ^3 V +           взд , где ^a – давление зарядки аккумулятора; \взд – скорость взвода бойка; pж – плотность рабочей жидкости, Xp – длина разгона, ^a – коэффициент жесткости аккумулятора [8]:

r2 =   + 0,95nlkpn2D2 ;

R3 =   + 0,95nlkpn3D3 ;

Ri =    + 0,95n:lkpn1D1 ;

Bн= 1+^ a нн+ ( нк нв   ;

где Rs – коэффициент соотношения площадей = ^b / Pa = 0,25; Sb – площадь сечения бойка; Sa – площадь сечения аккумулятора; I^й – коэффициент трения колец о стенки цилиндра [9]:

, _ 1,6Pg a=,

лр где A – коэффициент гидравлического трения; dн=dcл – диаметр нагнетательной и сливной гидролиний (0,025 м); Iн иIсл – длины нагнетательной и сливной гидролиний (10 м); fн – коэффициент местных сопротивлений в нагнетательной линии; fсл– коэффициент местных сопротивлений в сливной линии; 5н=Sсл – площадь сечения шлангов нагнетательной и сливной гидролиний; ^k ,n,D – соответственно длина контакта, число и диаметр колец уплотнения (l^ = 0,003 м; nl , П2 , П3 =2;d2 =9·10 ’3 м, Di = =3,8·10 ’3 м.

Скорость взвода бойка определена из условия одновременной работы трех ударников от одной секции сдвоенного насоса экскаватора при нормальной подаче 2,7·10–3 м3/с по формуле [10, 11]

^взд =

(о,8-0,85) Q

3(^+lf∙cпр

где C _пр – приведенный коэффициент упругости рабочей жидкости, шлангов и цилиндра 1,3·10^–11 м⁵/Н; Q – подача насоса, м³/с.

При расчетах необходимо достигнуть выполнения условия, при котором давление на выходе из насоса не превышает номинального значения в гидроприводе [12].

Необходимо определить ширину кольцевой проточки слива из упругого запорно-регулирующего элемента. Ширина кольцевой проточки определена по формуле [13, 14].

______ть ^∙ V взд Sa [ 2Pa~R_S ( P в -P с )] ^,

где P^b – масса бойка; I _в – давление на выходе из насоса; Ra – максимальное давление в аккумуляторе; I _сл – давление на сливе, равное

P сл

^сл

_^ ^∙ p ж 3∙2∙ S сл

Диаметр штока определен из выражения

= ц   nd шт

R_s \ 4       4      ;

шт =

45g∙ Rs

П

где d _ц – диаметр цилиндра.

Для снижения потерь давления в гидроцилиндре при протекании рабочей жидкости из взводящей полости в переливную необходимо определить площадь сечения переливных отверстий, исходя из максимальной скорости бойка при разгоне [15].

Расход на перетечки жидкости определяется уравнением

$a ^∙ Rs ^∙ vр+| к ₌ Q_n ,                                                                          (14)

где Q _к – расход через кольцевую щель, образованную упругим запорно-регулирующим элементом и цилиндром устройства; V_р – скорость разгона бойка [15].

Площадь проходного сечения найдена из условия максимально допустимой скорости течения жидкости Vдоп = 6 м/с, тогда

5=

° V доп

Из условий прочности резины при давлении 16 МПа известно: диаметр каждого отверстия не должен превышать 3 мм.

Число отверстий определено по формуле [16, 17]

n= _, ^,

где d₀ – диаметр отверстия упругого запорного элемента.

Площадь упругого запорно-регулирующего элемента определена из условий, что площадь отверстий занимает 0,1 от площади запорно-регулирующего устройства (из технологических возможностей). Поскольку площадь проходных отверстий одинакова для входящей и переливной полостей, то площадь упругого запорно-регулирующего элемента определена из соотношения

S у =20∙ So ․

Длина устройства упругого запорно-регулирующего элемента определена из соотношения [18]

I = у _, nd _у ,

где d _у – диаметр камеры управления.

Для определения частоты работы гидроударного устройства необходимо определить время для каждой фазы рабочего цикла гидроударного устройства [16].

Фаза взвода бойка

_ v взд( ^Sb+^ ∙Cпр)

^c взд=  ₍0,8-0,85) Qn ,

где c _пр – приведенный коэффициент жесткости.

Время перекрытия упругого запорно-регулирующего элемента определяется эмпирической формулой tп =(1,2-1,3) ∙7ку ,                                                                   (20)

где V _ку – объем камеры управления:

Vk у

d у +2tузр 2

+Dk у ) (“ у   узр

где l – длина упругого запорно-регулирующего элемента; t _узр – толщина упругого запорно-регулирующего элемента; D^ _у – диаметр камеры управления.

Подставив значение Vку в формулу, можно определить время перекрытия упругого запорно-регулирующего элемента кольцевой щели.

Время торможения бойка определено по формуле

_____2^∙ т б ^{, ∙} V взд

Sa ^[ 2Pa~Rs ( Р в -Р сл )]

Время рабочего хода (разгон-удар) составляет 0,1–0,12 c.

Таким образом, время цикла определяется из формулы [19]

=        взд +t п )

ц =    ₍о,9/О,88₎ ․

Частота ударов определена уравнением [20, 21]

В качестве примера, как результат проведенных теоретических исследований, представлена графическая зависимость частоты ударов бойка от расхода насоса при изменении диаметра настроечного дросселя (рис. 3). Данный параметр выбран исходя из того, что он главным образом оказывает влияние на производительность машины.

Рис. 3. Зависимость частоты ударов бойка от расхода наноса при изменении диаметра настроечного дросселя

Fig. 3. Dependence of the striker strike frequency on the pump flow rate when changing the diameter of the adjustment throttle

Из анализа представленных графических зависимостей видно, что при данных конструктивных параметрах минимальное время цикла (минимальная частота ударов) зависит практически только от расхода жидкости. Изменить (уменьшить) частоту ударов при полном ходе бойка можно путем изменения проходного сечения настроечного дросселя. Кроме этого, дросселем можно добиться обеспечения вибрационного режима работы ударника при неполном ходе бойка.

Заключение

В результате проведения теоретических исследований были получены расчетные зависимости для определения конструктивных параметров гидроударников ковша активного действия и получена расчетная зависимость определения частоты ударов бойка гидроударника.

Необходимо отметить, что представленные расчетные зависимости дают возможность определить основные параметры гидроударных механизмов для ударных рабочих органов не только ковша активного действия, но и, например, гидромолота.