Концепция повышения эффективности универсальных малогабаритных погрузчиков
Покупка
Основная коллекция
Тематика:
Технология машиностроения
Издательство:
Сибирский федеральный университет
Автор:
Минин Виталий Васильевич
Год издания: 2012
Кол-во страниц: 304
Дополнительно
Вид издания:
Монография
Уровень образования:
ВО - Магистратура
ISBN: 978-5-7638-2529-9
Артикул: 617485.01.99
Рассмотрены возможности и ограничения повышения эффективности универсальных малогабаритных погрузчиков с бортовым поворотом путем совершенствования конструктивной схемы и оптимизации параметров подсистем привода. Представлен новый метод обоснования параметров, принимаемых к оптимизации, базирующийся на априорной и апостериорной информации. Даны критерии оценки эффективности и комплексной оптимизации параметров машин на ранних стадиях проектирования. На основе физико-математического моделирования и статистического анализа значений конструктивных и эксплуатационных параметров машин показаны перспективы дальнейшего развития конструкций и технологических схем работы данного класса машин со сменными рабочими органами. Приведена методика и результаты экспериментальных исследований параметров динамического нагружения машины. Предназначена для научных и инженерно-технических работников, а также студентов, магистрантов и аспирантов направления подготовки 190100 «Наземные транспортно-технологические машины и комплексы».
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
- ВО - Бакалавриат
- 15.03.01: Машиностроение
- 15.03.02: Технологические машины и оборудование
- ВО - Магистратура
- 15.04.01: Машиностроение
- 15.04.02: Технологические машины и оборудование
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ СИБИРСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ В. В. Минин КОНЦЕПЦИЯ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ УНИВЕРСАЛЬНЫХ МАЛОГАБАРИТНЫХ ПОГРУЗЧИКОВ Монография Красноярск СФУ 2012
УДК 621.878.4
ББК 39.9
М618
Рецензенты:
В. С. Исаков, д-р техн. наук, проф., зав. каф. «Строительные, до
рожные и коммунальные машины» Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического
института);
В. М. Рогожкин, д-р техн. наук, проф., акад. Российской академии
проблем качества, зав. каф. «Строительные и дорожные машины
и оборудование» Волжского института строительства и технологий
Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета
Минин, В. В.
М618 Концепция повышения эффективности универсальных мало
габаритных погрузчиков : монография / В. В. Минин. – Красноярск : Сиб. федер. ун-т, 2012. – 304 с.
ISBN 978-5-7638-2529-9
Рассмотрены возможности и ограничения повышения эффективности
универсальных малогабаритных погрузчиков с бортовым поворотом путем
совершенствования конструктивной схемы и оптимизации параметров подсистем привода. Представлен новый метод обоснования параметров, принимаемых к оптимизации, базирующийся на априорной и апостериорной
информации. Даны критерии оценки эффективности и комплексной оптимизации параметров машин на ранних стадиях проектирования. На основе физико-математического моделирования и статистического анализа значений
конструктивных и эксплуатационных параметров машин показаны перспективы дальнейшего развития конструкций и технологических схем работы
данного класса машин со сменными рабочими органами. Приведена методика и результаты экспериментальных исследований параметров динамического нагружения машины.
Предназначена для научных и инженерно-технических работников,
а также студентов, магистрантов и аспирантов направления подготовки
190100 «Наземные транспортно-технологические машины и комплексы».
УДК 621.878.4
ББК 39.9
ISBN 978-5-7638-2529-9
© Сибирский федеральный университет, 2012
Оглавление 3 ОГЛАВЛЕНИЕ ВВЕДЕНИЕ .............................................................................................. 5 Глава 1. ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКЦИИ УНИВЕРСАЛЬ НЫХ МАЛОГАБАРИТНЫХ ПОГРУЗЧИКОВ ................. 8 1.1. Конструктивные исполнения и классификация УМП ...... 9 1.2. Типоразмеры и объемы выпуска машин ............................ 17 Глава 2. МЕТОДОЛОГИЯ ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ................................................... 25 2.1. Методы оценки эффективности машин .............................. 25 2.2. Методика определения структуры математической модели .................................................................................... 32 2.3. Критериальные функции для оценки эффективности и технического уровня УМП ............................................... 39 Глава 3. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ОПТИМАЛЬНЫХ ИСПОЛ НЕНИЙ ПОДСИСТЕМ ПРИВОДА ..................................... 50 3.1. Анализ и перспективы развития приводов исполнительных механизмов .................................................................... 50 3.2. Критерии оценки эффективности вариантов исполнения и оптимизации параметров гидропривода ......................... 60 3.3. Оценка конструктивных параметров привода ................... 64 Глава 4. ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА ПАРАМЕТРОВ, ПРИ НИМАЕМЫХ К ОПТИМИЗАЦИИ ..................................... 71 4.1. Выбор оптимизируемых параметров .................................. 72 4.2. Формирование системной модели взаимосвязи конструктивных параметров ......................................................... 80 4.3. Анализ результатов исследований ...................................... 94 Глава 5. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ОПТИМИЗАЦИИ ПАРАМЕТРОВ ........................................................................... 101 5.1. Модель энергопотребления машины .................................. 101 5.2. Выбор теории прочности ..................................................... 106 5.3. Модель оптимизации массы гидроагрегатов ..................... 109 5.4. Модель стоимости гидроагрегатов ..................................... 114 5.5. Модель КПД объемного гидропривода .............................. 118 5.6. Модель теплового режима объемного гидропривода ....... 126 5.7. Модель оптимизации стрелоподъемного механизма ........ 129
В. В. Минин. Концепция повышения эффективности УМП 4 5.8. Метод оптимизации параметров гидропривода ................ 132 5.9. Статистическое моделирование параметров ...................... 132 Глава 6. НАПРАВЛЕНИЯ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ КОН СТРУКТИВНОЙ СХЕМЫ ...................................................... 139 6.1. Повышение производительности ........................................ 139 6.2. Снижение материалоемкости .............................................. 144 6.3. Повышение КПД подсистем привода ................................. 146 6.4. Расширение функциональных возможностей..................... 148 Глава 7. РАСЧЕТ И МОДЕЛИРОВАНИЕ ДВИЖИТЕЛЯ, ОСНАЩЕННОГО РАБОЧИМИ ОРГАНАМИ ....................... 158 7.1. Постановка задачи ................................................................ 158 7.2. Математическая модель с учетом голономных связей ..... 163 7.3. Физико-математическая модель с учетом неголономных связей ...................................................................................... 171 Глава 8. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ............ 179 8.1. Результаты исследований на физической модели ............. 179 8.2. Результаты исследований нагружения натурных образцов 181 8.3. Результаты исследований на стенде рабочих органов ударного действия ................................................................ 185 Глава 9. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ .................................. 192 9.1. Результаты оптимизации параметров исполнительного механизма подъема-опускания стрелы ............................... 192 9.2. Результаты оптимизации конструктивной схемы и параметров объемного гидропривода ......................................... 195 9.3. Оценка эффективности УМП на основе критериального анализа........................................................................................ 199 9.4. Эластичность критериев и точность оптимизации ............ 209 ЗАКЛЮЧЕНИЕ ...................................................................................... 222 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ .................................................................... 227 ПРИЛОЖЕНИЯ ..................................................................................... 252
Введение 5 ВВЕДЕНИЕ Универсальные малогабаритные погрузчики с бортовым поворотом (УМП) изобретены и внедрены в практику выполнения транспортнотехнологических операций в середине ХХ в. Первая машина, ставшая прототипом современного УМП, была про изведена в 1957 г. компанией Merloe (США). На рынке она появилась под маркой Bobcat. Изобретатели погрузчика – братья Келлер решали задачу механизации работ по очистке индюшатников, где необходимы технологические операции в стесненных условиях и при ограничении по давлению на опорную поверхность. Сегодня свыше 40 фирм Австралии, Великобритании, Германии, Италии, Канады, России, Словакии, США, Японии и других стран производят УМП как для внутреннего, так и для внешнего рынка. По некоторым оценкам, половина годового выпуска УМП поставляется на рынок под маркой Bobcat. Данный тип мини-машин является наиболее представительным благодаря наличию большого количества сменных рабочих органов и возможности их быстрой смены, экономичности, высокой мобильности и маневренности, а также простоте управления. Такие погрузчики зарекомендовали себя как необходимое средство механизации для малых объемов работ на различных рассредоточенных объектах и составляют конкуренцию по эффективности применения машинам средней и большой мощности. В настоящее время в мире ежегодно производится свыше 100 тыс. УМП, которые используются во многих отраслях: при строительстве и реконструкции зданий и сооружений, в дорожном, коммунальном и сельском хозяйстве и т.д. В России начали активно применять УМП в 1990-х гг., что было связано со становлением рыночных отношений и необходимостью модернизации промышленного сектора экономики. Существенными недостатками, снижающими эффективность УМП, являются: короткое базовое шасси, ограничивающее грузоподъемность; высокая динамическая нагруженность машины и плохая управляемость машины на твердых скользких поверхностях; жесткое, безрессорное крепление колес к раме; закрытое капотом пространство энергетической установки и гидропередач, снижающее теплообмен с окружающей средой; значительные ресурсо- и энергозатраты на обеспечение бортового поворота; затрудненный и небезопасный вход в кабину оператора со стороны рабочего оборудования, снижающий эффективность эксплуатации машин; ограниченный срок службы шин и др. Ведущие фирмы-изготовители постоянно совершенствуют конструк тивные схемы и отдельные подсистемы мини-машин, но решения, устраняющего все вышеперечисленные недостатки, пока не найдено.
В. В. Минин. Концепция повышения эффективности УМП 6 Значительное количество (около 70 наименований) дополнительного сменного оборудования циклического и непрерывного действия усложняет задачу определения приемлемого оптимального варианта сочетания конструктивных параметров, обеспечивающих высокую эффективность вновь создаваемого образца. В связи с этим задача формирования критериев оценки эффективности для машин данного класса требует обеспечения высокой точности расчетов на ранних стадиях проектирования, когда возможно менее затратное перепроектирование образца. Традиционная постановка задачи проектирования универсальных малогабаритных машин по теоретическим положениям и методикам, апробированным для машин среднего и тяжелого классов, не всегда применима ввиду существенной нелинейной зависимости конструктивных параметров от главного параметра машины – эксплуатационной массы. В настоящее время УМП широко внедряются в практику в условиях Сибири и Дальнего Востока, где климатические условия существенно отличаются от европейских стран. Без усовершенствования конструкции и определения рациональных параметров область применения данных машин имеет ограничения. Вопросам повышения эффективности, исследованию и оптимизации параметров фронтальных погрузчиков, включая УМП, посвящено большое количество научных работ, выполненных в НПО ВНИИстройдормаше, МИСИ, ЦНИИС Минтрансстроя, МАДИ, СибАДИ, ХАДИ и других организациях. В этой связи среди российских авторов следует отметить В. К. Аверьянова, Т. В. Алексееву, И. А. Алыева, В. Н. Архангельского, А. Ф. Базанова, В. В. Беляева, Ю. А. Брянского, Ю. М. Бузина, Д. П. Великанова, Л. К. Войнича, М. И. Гриффа, Г. В. Забегалова, С. А. Ивженко, В. С. Калинина, М. В. Коваленко, Б. Д. Кононыхина, Г. С. Мирзояна, П. А. Михирева, Л. В. Назарова, И. А. Недорезова, В. А. Пенчука, Ю. Д. Погуляева, Б. М. Позина, Л. В. Примака, В. М. Рогожкина, А. В. Рубайлова, И. М. Рябикову, В. Н. Тарасова, Л. А. Хмару, В. Ф. Щербакова, А. М. Щемелева, В. К. Фёдорова, Я. Е. Фаробина и др., среди зарубежных авторов – Г. Эриксона, К. Лука, Г. Модлера, X. Хаврыляка и др. Особый вклад в развитие методологии оценки эффективности строи тельных, дорожных и подъемно-транспортных машин внесли работы академиков В. И. Баловнева (МАДИ) и Е. М. Кудрявцева (МИСИ). Несмотря на большое количество отечественных и зарубежных ис следований, направленных на совершенствование конструкций одноковшовых фронтальных погрузчиков, нельзя не отметить недостаточное освещение в литературе вопросов, касающихся оптимизации конструктивной схемы и параметров универсальных малогабаритных погрузчиков с бортовым поворотом. Отсутствие научного обоснования применения имеющихся теорети ческих предпосылок к оптимальному проектированию мини-машины соз
Введение 7 дает определенные трудности, устранить которые позволяет разработанная автором концепция повышения эффективности УМП за счет оптимизации его конструктивных параметров. В настоящей монографии представлены результаты исследования, цель которого состояла в разработке теоретических основ создания методов, научных и практических рекомендаций повышения эффективности УМП. Работа направлена на развитие методологии качественного и приближенного моделирования, а также аналитических и экспериментальных методов исследования на основе априорной и апостериорной информации о параметрах и рабочих процессах машин. Ввиду сложности взаимосвязей конструктивных параметров машины и математической формализации рабочих процессов, автором принят метод определения структуры оценочных показателей на основе анализа размерностей, используется понятие поля (математическое), для которого справедливы операции умножения, деления и т.д. При моделировании, УМП рассматривается как сложная система, параметры которой имеют разную размерность. Обосновывается необходимость применения безразмерных критериев взаимосвязи конструктивных параметров с целью приведения результатов оценки и оптимизации параметров к математическим операциям, справедливым для обобщенного безразмерного поля. Работа в данном направлении была начата в свое время под научным руководством профессора Г. С. Мирзояна на кафедре дорожно-строительных машин МАДИ, возглавляемой профессором В. И. Баловневым. В течение 30 лет исследования в области совершенствования конструкции и параметров привода УМП проводятся в Сибирском федеральном университете (ранее Красноярский государственный технический университет). Активное участие в исследованиях принимали кандидаты технических наук В. А. Байкалов (совершенствование конструкции, проектирование и производство опытного образца), Г. С. Гришко (теоретические исследования в области совершенствования рабочего оборудования УМП), В. П. Павлов (теоретические исследования в области критериального анализа и оптимизации параметров машины), а также аспиранты и инженеры кафедры «Транспортные и технологические машины» Политехнического института СФУ. Автор выражает благодарность за научные консультации, позволившие улучшить качество проводимых исследований, профессору М. В. Носкову, а также рецензентам – профессорам В. М. Рогожкину и В. С. Исакову за ценные критические замечания. Предлагаемые в монографии методы оценки технического уровня и оптимизации параметров УМП на стадии проектирования могут быть полезны при проектировании других типов транспортных и технологических универсальных машин с объемным гидроприводом.
В. В. Минин. Концепция повышения эффективности УМП 8 Глава 1. ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКЦИИ УНИВЕРСАЛЬНЫХ МАЛОГАБАРИТНЫХ ПОГРУЗЧИКОВ Объектом исследований является универсальный малогабаритный погрузчик с бортовым поворотом (рис. 1.1). Рис. 1.1. Универсальный малогабаритный погрузчик «Соболь» (разработка Сибирского федерального университета и Красноярского завода прицепной техники) Согласно ГОСТ Р 52148−2003 «Погрузчики малогабаритные с бор товым поворотом. Общие технические условия» малогабаритным погрузчиком является погрузчик с эксплуатационной массой менее или равной 4 500 кг, который разработан для эксплуатации в ограниченном пространстве, где требуется повышенная маневренность; погрузчиком с бортовым поворотом (skid-steer loaders) – погрузчик с жесткими осями, управляемый посредством изменения частоты вращения и (или) направления вращения частей движителя, расположенных на противоположных сторонах машины.
Глава 1. Особенности конструкции УМП 9 1.1. Конструктивные исполнения и классификация УМП Компоновочная схема УМП включает в себя заднее расположение двигателя на сварной раме (рис. 1.2–1.4), в лонжеронах которой размещаются гидрообъемная трансмиссия, насос и распределитель гидропривода рабочего оборудования, бортовые передачи, баки для топлива и рабочей жидкости. Заполненные маслом емкости рамы, включая бак для топлива, и двигатель, расположенный в задней части рамы, служат противовесом грузоподъемной силе и обеспечивают устойчивость машины. На большинстве погрузчиков сиденье оператора прикреплено к ка бине, оборудованной устройствами защиты от падающих предметов и опрокидывания, и имеет возможность откидываться вместе с кабиной для обеспечения удобного обслуживания агрегатов, расположенных внутри рамы. Внутри кабины располагается панель приборов, контролирующих основные функции машины, а также органы управления трансмиссией и рабочим оборудованием, как правило, выполненные в виде двух рычагов (джойстиков) и педалей. Управляемое движение осуществляется за счет проскальзывания ко лес одного борта относительно другого – «бортовой поворот» (skid-steer). Рис. 1.2. Унифицированная рама УМП коробчатого типа (пат. 4514007 США, B 62 D 11/04 Кл. 296/183): 1 – стойки для монтажа стрелы и гидроцилиндров ее подъема; 2 – отделение двигателя; 3 – отделение гидрообъемной трансмиссии; 4 – бак для рабочей жидкости; 5 – боковые плиты; 6 – поперечная балка; 7 – брызговики
В. В. Минин. Концепция повышения эффективности УМП 10 Рис. 1.3. Унифицированная рама УМП хребтового типа (пат. 4131225 США, В 23 К 31/02 Кл. 228/161): 1 – продольная несущая балка; 2 – гидромоторы привода правого и левого бортов; 3 – цепная передача; 4 – съемный барабан лебедки (конструкция автора); 5 – пневматическое колесо Рис. 1.4. Унифицированная рама УМП лестничного типа погрузчика «Соболь»: 1 − стойки для монтажа стрелы и гидроцилиндров ее подъема; 2 – монтажная рама с защитным кожухом; 3 – поперечные и боковые балки; 4 – ось крепления стрелы; 5 – ось крепления гидроцилиндра управления стрелой; 6 – ось крепления кабины
Глава 1. Особенности конструкции УМП 11 Одним из основных достоинств конструктивной схемы УМП являет ся высокая маневренность, характеризующаяся способностью разворота в пределах своего максимального габарита по длине. Эффективность осуществления поворота посредством проскальзывания колес в основном зависит от следующих факторов: отношения ширины колеи к расстоянию между осями колес и параметра распределения массы (силы тяжести) УМП по осям. По данным исследований [144], при отношении ширины колеи к расстоянию между осями меньше единицы поворот нестабилен и УМП обладает малой грузоподъемностью, при отношении много больше единицы требуется значительная мощность для осуществления поворота, снижается маневренность, но УМП обладает достаточной грузоподъемностью. Исходя из этих сведений, для УМП рекомендуется величина указан ного отношения, немного большая единицы. Анализ значений данного отношения показывает, что для машины массой от 750 до 3 500 кг величина этого отношения находится в пределах 1,29–1,52. Более ранние исследования [195], проводившиеся в Центральном научно-исследовательском автомобильном и автомоторном институте НАМИ, показали, что затраты мощности УМП на поворот по величине близки к аналогичным затратам для гусеничного движителя при величинах отношения базы к колее порядка 1,2–1,6. Существенное влияние на маневренность оказывает перераспределе ние массы по осям. Параметр перераспределения Rпр нагрузки на ось УМП (отношение нагрузки на заднюю ось к нагрузке на переднюю ось) находится в следующих пределах: с пустым ковшом – от 1,77 до 2,13 при тенденции к уменьшению значения Rпр с ростом эксплуатационной массы машины; с загруженным ковшом – от 0,46 до 0,67. Анализ проведен по моделям УМП фирм Toyota (Япония) и Detva (Словакия). По данным исследований фирмы Clark (США), в незагруженном положении примерно 70 % массы УМП приходится на ее заднюю часть и 30 % − на переднюю. При этом погрузчик поворачивается вокруг задней оси. В загруженном положении перераспределение имеет обратный ха рактер: 70 % массы на переднюю ось и 30 % на заднюю. Центр поворота смещается в сторону более загруженной оси. При других параметрах перераспределения массы по осям УМП буксует всеми колесами и поворота не происходит. Низкое расположение центра массы машины обеспечивает возможность ее работы на участках с большими уклонами и высокую проходимость. Высокая маневренность, наряду с небольшими габаритами, опреде ляет основное функциональное предназначение машины как средства механизации при погрузке, разгрузке и штабелировании грузов – работу
В. В. Минин. Концепция повышения эффективности УМП 12 в стесненных условиях. Например, модель UNC-060 (Словакия) заменяет труд 7–9 рабочих. Наличие разнообразных сменных рабочих органов позволяет обеспе чить коэффициент использования в течение смены до 0,8. Проводившиеся сравнительные испытания УМП ряда зарубежных фирм показали довольно высокую производительность отдельных моделей: Case 1830 – 21,2 м3/ч; John Deere 24A – 9,36 м3/ч; Gehl 4600 – 16,63 м3/ч; Zetcat LL30 – 13,78 м3/ч; Clark Bobcat – 20,66 м3/ч [147]. На УМП применяют различные типы ДВС воздушного и жидкостно го охлаждения, используя в качестве топлива бензин, жидкий пропан или дизельное топливо. Благодаря высокой экономичности наибольшее распространение для данного типа машин получили 1–4-цилиндровые дизельные двигатели (КПД достигает 45 %). Мощность двигателя составляет 7,5–55,2 кВт при массе УМП 650–3 608 кг соответственно. В некоторых случаях (фирма JI Case, США) для крепления двигателя на раме используется четырехточечная подвеска (две точки вверху и две внизу), что снижает шум и вибрацию во время работы. Погрузочное оборудование машины выполняется в виде коробчатой или цельнолистовой стрелы (рис. 1.5) и различных по функциональному предназначению ковшей (см. прил. 1, рис. П1.1, табл. П1.1). Привод осуществляется от двух гидроцилиндров подъема-опускания стрелы и одного или двух (рис. 1.5) гидроцилиндров поворота ковша. Для обеспечения стабилизации ковша при подъеме стрелы и увеличения углов разгрузки и запрокидывания рабочее оборудование имеет рычажную систему (рис. 1.5, в–д, ж). На некоторых моделях УМП выравнивание ковша осуществляют установкой дополнительных гидроцилиндров (рис. 1.5, б, в) или с помощью автоматической следящей гидравлической системы (рис. 1.5, а), работающей только в режиме подъема стрелы. Для увеличения высоты разгрузки ковша некоторые фирмы выполняют рабочее оборудование четырехзвенным (рис. 1.5, г, з), что обеспечивает также более высокую грузоподъемность УМП за счет рационального перемещения центра массы машины. Ковши и дополнительные рабочие органы навешиваются на стрелу при помощи специальных быстросъемных устройств, управляемых автоматизированно или фиксируемых вручную. В качестве дополнительного оборудования УМП снабжаются гусеницами, обеспечивающими повышенное тяговое усилие и управляемость машины на скользких дорогах и влажных глинистых грунтах. Создаваемое при этом малое удельное давление на грунт увеличивает проходимость в любое время года.