Рабочее оборудование универсальных малогабаритных погрузчиков. Исследования и анализ конструкций

Министерство образования и науки  Российской Федерации 
 
Сибирский федеральный университет 
 
 
 
 
 
 
Г. С. Гришко, В. В. Минин 
 
 
 
РАБОЧЕЕ ОБОРУДОВАНИЕ  
УНИВЕРСАЛЬНЫХ 
МАЛОГАБАРИТНЫХ ПОГРУЗЧИКОВ. 
ИССЛЕДОВАНИЯ  
И АНАЛИЗ КОНСТРУКЦИИ 
 
 
Допущено УМО вузов РФ по образованию в области 
транспортных машин и транспортно-технологических 
комплексов в качестве учебного пособия для студентов 
вузов, обучающихся по направлению подготовки магистров «Наземные транспортно-технологические машины и комплексы» 29 октября 2010 г.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Красноярск 
СФУ 
2011 

УДК 621.878.4(07) 
ББК 39.951я73 
         Г85 
 
 
 
 
Р е ц е н з е н т ы: Ю. А. Веригин, д-р техн. наук, проф., акад. Рос. 
академии проблем качества (каф. технологии и механизации строительства Алтайского гос. техн. ун-та им. И. И. Ползунова); 
В. Г. Ананин, д-р техн. наук, проф., зав. каф. строительных и дорожных машин Томск. гос. архит.-строит. ун-та  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Гришко, Г. С. 
Г 85             Рабочее оборудование универсальных малогабаритных погрузчиков. Исследования и анализ конструкций : учеб. пособие / Г. С. Гришко, 
В. В. Минин. – Красноярск : Сибирский федеральный университет, 
2011. – 192 с. 
ISBN  978-5-7638-2227-4 
 
Рассмотрены теоретические положения и практические аспекты научноисследовательской работы магистров по анализу состояния и динамики развития 
рабочего оборудования универсальных малогабаритных погрузчиков. Приведены математические модели и программы расчета в среде Mathcad. 
Предназначено для магистров направления подготовки 190100 «Наземные транспортно-технологические машины и комплексы». 
 
 
 
УДК 621.878.4(07) 
ББК 39.951я73 
 
 
 
ISBN  978-5-7638-2227-4                                                             Сибирский федеральный  
 
                                                                                        университет, 2011 
 

ОГЛАВЛЕНИЕ 
 
ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………………… 
5
УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ, ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН  
ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ В РАБОТЕ, …………………..….………............ 
7
1. КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ 
    УНИВЕРСАЛЬНЫХ МАЛОГАБАРИТНЫХ 
    ПОГРУЗЧИКОВ С БОРТОВЫМ ПОВОРОТОМ…………………... 
13
1.1. Общая компоновка и устройство…………………………..…… 
13
1.2. Рабочее оборудование…………………….…………………... 
16
1.3. Направления совершенствования рабочего оборудования….. 
20
Контрольные вопросы и задания……………………………………. 
26
2. ФУНКЦИОНАЛЬНО-СТОИМОСТНОЙ АНАЛИЗ 
    КОНСТРУКЦИИ УНИВЕРСАЛЬНОГО 
    МАЛОГАБАРИТНОГО ПОГРУЗЧИКА…………………..…….. 
27
2.1. Общие сведения………………………………………..……… 
27
2.2. Структурный анализ………………………………………….. 
27
2.3. Функциональный анализ……………………………………… 
28
2.4. Диагностический анализ……………………………………… 
30
2.5. Свертывание элементов…………………………………………. 
32
2.6. Порядок выполнения функционально-стоимостного анализа... 
33
Контрольные вопросы и задания……………………………………. 
33
3. РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ УНИВЕРСАЛЬНЫХ 
    МАЛОГАБАРИТНЫХ ПОГРУЗЧИКОВ 
    НА ОСНОВЕ ТЕОРИИ РАЗМЕРНОСТЕЙ…………………....…. 
34
3.1. Критерии взаимосвязи  
       конструктивных и технологических параметров……..…….. 
34
3.2. Расчет производительности и параметров  
       рабочего оборудования УМП традиционной  
       конструктивной схемы…..……............................................... 
37
3.2.1. Вылет ковша……………………………………………….. 
37
3.2.2. Масса рабочего оборудования………………………….. 
39
3.2.3. Теоретическая производительность…………………….. 
40
3.3. Расчет технологического процесса и параметров  
       рабочего оборудования УМП  
       с универсальным (грейферным) ковшом……………………. 
46
3.3.1. Кинематические и геометрические параметры  
          грейферного ковша……………………………………… 
46
3.3.2. Энергетические параметры привода…………………...… 
50
3.3.3. Расчет массы металлоконструкции и грейферного ковша  
54
3.3.4. Усилия на штоках гидроцилиндров  
          рабочего оборудования……………………………...….. 
56

3.3.5. Кинематические параметры рабочего оборудования….... 
61
3.3.6. Постановка задачи оптимизации параметров  
          рабочего оборудования……………….………………… 
64
3.3.7. Масса рабочего оборудования…………………….……… 
67
3.3.8. Параметры гидроцилиндров  
          рабочего оборудования…………………………………. 
70
3.3.9. Расчет параметров УМП с рабочим оборудованием  
          универсального грейферного ковша на основе  
          технических данных УМП традиционной  
          конструктивной схемы…………………………………… 
73
3.3.10. Теоретическая производительность УМП,  
            оборудованных грейферным ковшом……………….. 
75
3.4. Результаты расчета параметров УМП с универсальным  
       (грейферным) ковшом………...………………………..…….. 
79
Контрольные вопросы и задания………..…………………………. 
84
ЗАКЛЮЧЕНИЕ…………………..……………………………………… 
86
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК………………….………………. 
87
ПРИЛОЖЕНИЯ………………………………………………………… 
89
Приложение А. Результаты ФСА универсального  
                             малогабаритного погрузчика …………….………... 
89
Приложение Б. Масса и положение центра тяжести  
                          гидроцилиндра…..…………………………….......… 
96
Приложение В. Усилие на штоке гидроцилиндра  
                           подъема-опускания стрелы УМП ………………... 
100
Приложение Г.  Расчет сил сопротивления  
                           при черпании ковшом сыпучего материала ……… 
101
Приложение Д. Технические характеристики УМП…...…………... 
103
Приложение Е. Параметры, принятые постоянными  
                          при исследованиях УМП …………………………… 
108
Приложение Ж.  Пример расчета экономической  
                            эффективности УМП с грейферным ковшом…… 
111
Приложение З. Определение центра масс……….………………..… 
116
Приложение И. Взаимосвязь эксплуатационной массы УМП  
                          с конструктивными параметрами…………………... 
118
Приложение К. Программа расчета параметров УМП  
                          с универсальным ковшом в среде Mathcad……… 
145
Приложение Л. Оценка погрешностей безразмерных критериев…. 
184
 
 
 
 

ВВЕДЕНИЕ 
 
 
Постоянно возрастающие объемы работ в строительстве определяют 
необходимость выпуска наряду с машинами среднего и тяжелого класса 
малогабаритных машин многоцелевого назначения, позволяющих существенно снизить долю ручного труда.  
Универсальные малогабаритные погрузчики (УМП) с бортовым поворотом и гидрообъемной трансмиссией являются наиболее представительными по числу выпускаемых моделей (более 140) и имеют широкую 
номенклатуру сменных рабочих органов (более 70 наименований). 
Благодаря универсальности, экономичности, высокой мобильности и 
маневренности, а также простоте управления в сочетании с быстрой сменой рабочих органов УМП служат высокоэффективным средством механизации ручного труда на малых и рассредоточенных объектах строительства, где использование машин более тяжелого класса нецелесообразно или 
невозможно. 
В настоящее время свыше 25 фирм США, Великобритании, Германии, Японии, Канады, Италии, Словакии и Китая производят УМП как для 
внутреннего, так и для внешнего рынка. Их годовой выпуск составляет 
около 100 тыс. машин (80 % приходится на США, где в строительстве используется примерно 30 % УМП). 
Однако малогабаритные машины с малой эксплуатационной массой 
неэффективно реализовывают напорное усилие, необходимое для наполнения ковша. Грузоподъемность таких машин ограничивается максимальным опрокидывающим моментом, увеличивающимся при подъеме рабочего органа в верхнее положение. Одним из путей устранения этого недостатка является оснащение УМП универсальным ковшом (грейфером) и изменением конструкции механизма подъема. 
Целью настоящего учебного пособия – дать магистрам знания в области научно-исследовательской деятельности для изучения задач анализа 
состояния и динамики развития наземных транспортно-технологических 
машин, их технологического оборудования и комплексов на их базе, а 
также для проведения поиска и проверки новых идей по совершенствованию техники.  
В данном учебном пособии рассмотрены теоретические положения и 
практические аспекты научно-исследовательской работы магистров по 
анализу состояния и динамики развития рабочего оборудования универсальных малогабаритных погрузчиков.  
Здесь приведены используемые определения, обозначения и условные 
сокращения. С этой информацией необходимо предварительно ознакомиться, 
а также периодически обращаться к ней в процессе изучения материала. 

В п. 1 описаны конструктивные особенности универсальных малогабаритных погрузчиков с бортовым поворотом. 
Пункт 2 посвящен вопросам применения функционально-стоимостного 
анализа конструкции универсальных малогабаритных погрузчиков для повышения эффективности трансмиссии.  
В п. 3 приведены основные теоретические положения по моделированию параметров рабочего оборудования универсальных малогабаритных 
погрузчиков с универсальным ковшом (грейфером). 
Приложения А-К содержат программы расчета в среде Мathcad и варианты индивидуальных заданий для проведения исследований, а также 
справочные материалы, необходимые при самостоятельной работе. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ  
ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ В РАБОТЕ  
 
ГЦ 
– гидроцилиндр 

КПД 
– коэффициент полезного действия 

МК 
– металлоконструкция 

ПФЭ – полный факторный эксперимент 

ТрС 
– транспортное средство 

УМП – универсальный малогабаритный погрузчик 

ЦТ 
– центр тяжести 

ЧДД 
– чистый дисконтируемый доход 

ЭСГП – энергосберегающий гидропривод погрузчика 

k 
– конечный угол наклона днища грейферного ковша 

в горизонтальной плоскости, рад 

S     
– угол, определяющий положение начала координат системы,  

связанной с кузовом ТрС, относительно точки погрузки 

CL 
– текущее значение хода ГЦ, м 

SN 
– приращение вылета во время подъема ковша, м 

 
– угол наклона ГЦ АС, рад 

b 
– толщина ножа грейферного ковша, м 

 
– угол между наружными ребрами грейферного ковша 

в закрытом состоянии, рад 

 
– общий КПД гидропривода рабочего оборудования 

HS 
– гидромеханический КПД ГЦ 

 
– угол наклона МК, рад 

max 
– угол между внутренними кромками грейферного ковша 

в максимально раскрытом состоянии, рад 

 
– радиус челюсти грейферного ковша, м 

M 
– насыпная плотность зачерпываемого материала, кг/м3 

 

 
– угол скольжения днища грейферного ковша, рад 

0 
– угол естественного откоса зачерпываемого материала, рад 

 
– угол наклона ГЦ АВ, рад 

m 
– угол трения материала о днище, рад 

m0 
– угол внутреннего трения материала, рад 

S 
– коэффициент сцепления шин УМП с опорной поверхностью 

 
– отношение хода ГЦ подъема к длине в исходном состоянии 

B 
– отношение хода ГЦ грейферного ковша к его минимальной  

длине 

HS      – отношение площади поршневой полости ГЦ оборудования  

с универсальным ковшом к площади штоковой полости ГЦ 

(1)max – максимальный угол между наружной кромкой грейферного  

ковша и вертикалью 

(1)min – минимальный угол между наружной кромкой грейферного ковша 

и вертикалью 

AB 
– длина ГЦ АВ, м 

ABmin – длина ГЦ АВ при полностью втянутом штоке, м 

АС 
– длина ГЦ АС, м 

ACmin – длина ГЦ АС при полностью втянутом штоке, м 

AF 
– расстояние между осями крепления МК к ковшу и раме УМП, м 

AFmax – длина трубы МК, м 

AG 
– расстояние между осью крепления МК к ковшу и ЦТ МК, м 

BBUC 
– ширина челюсти грейферного ковша, м 

D 
– диаметр поршня ГЦ, м 

d 
– расстояние между осями крепления ГЦ грейферного рабочего  

оборудования, м 

DMK 
– диаметр трубы МК, м 

dS 
– диаметр штока ГЦ, м 

f0 
– коэффициент внутреннего трения зачерпываемого материала 

F1 
– площадь поршневой полости ГЦ, м2 

F1

AC 
– площадь поршневой полости ГЦ АС, м2 

F2 
– площадь штоковой полости ГЦ, м2 

F2

AB 
– площадь штоковой полости ГЦ АВ, м2 

fSB 
– коэффициент трения между МК и направляющей втулкой 

FSL 
– усилие поворота челюсти грейферного ковша, Н 

G 
– эксплуатационная масса УМП, кг 

GAB 
– вес ГЦ АВ, Н 

GAС 
– вес ГЦ АС, Н 

GAF 
– вес МК, Н 

GB 
– эксплуатационная масса УМП традиционного исполнения, кг 

GN 
– эксплуатационная масса УМП с грейферным ковшом, кг 

g 
– ускорение свободного падения, м/с2 

H 
– показатель назначения (высота подъема ковша УМП), м 

HDN 
– высота разгрузки ковша УМП с грейферным ковшом, м 

hk 
– высота слоя материала в сомкнутом ковше, м 

Hmax 
– максимальная высота подъема груза (высота разгрузки), м 

IB 
– колесная база УМП традиционного исполнения, м 

ib 
– индекс текущего момента времени смыкания челюстей ковша 

IN 
– колесная база УМП с грейферным ковшом, м 

ip 
– порядковый номер текущего подъезда УМП к ТрС 

JB 
– длина без ковша УМП традиционного исполнения, м 

jB 
– расстояние от оси соединения челюстей грейферного ковша 
до оси крепления ГЦ поворота, м 

JN 
– длина без ковша УМП с грейферным рабочим оборудованием, м 

KB 
– максимальный  габарит  по  длине  УМП  традиционного   

исполнения, м 

kDN 
– коэффициент динамичности нагрузки 
 

KN 
– максимальный габарит по длине УМП с грейферным рабочим  

оборудованием, м 

kZ 
– коэффициент запаса прочности материала ГЦ 

kU 
– коэффициент увеличения массы от вспомогательных элементов 

LB 
   – максимальный габарит  по ширине УМП традиционного   

исполнения, м 

LD 
– путь передвижения погрузчика с груженным и порожним  

ковшом, м 

LN 
– максимальный габарит по ширине УМП с грейферным ковшом, м 

LPDB 
– расстояние подъезда УМП традиционного исполнения к ТрС, м 

LPDN 
– расстояние подъезда УМП с грейферным ковшом к ТрС, м 

MB 
– минимальный  радиус  поворота  УМП  традиционного   

исполнения, м 

Mb 
– результирующий момент относительно оси A для ГЦ AB, Нм 

mBB 
– масса основного ковша УМП традиционного исполнения, кг 

mBN 
– масса ковша УМП с грейферным ковшом, кг 

MBUC 
– общая масса грейферного ковша УМП, кг 

Mc 
– результирующий момент относительно оси A для ГЦ AС, Нм 

MN 
– минимальный радиус поворота УМП с грейферным ковшом, м 

N 
– мощность двигателя УМП, Вт 

NB 
– мощность двигателя УМП традиционного исполнения, Вт 

NN 
– мощность двигателя УМП с грейферным ковшом, Вт 

NEQ 
– мощности подсистемы рабочего оборудования машины, Вт 

nSB 
– общее количество подъездов УМП традиционного исполнения 

к ТрС 

nSN 
– общее количество подъездов УМП с грейферным ковшом к ТрС 

nt 
– число точек построения траектории 

PB 
– колея машины по внешней поверхности шин, м 
 

PHB 
– номинальное давление в гидросистеме рабочего оборудования  

УМП традиционного исполнения, Па 

PHN 
– номинальное давление в гидросистеме рабочего оборудования  

УМП с грейферным рабочим оборудованием, Па 

PMK 
– боковое усилие на металлоконструкцию, Н 

Pnom 
– номинальное давление в гидросистеме, Па 

Q 
– производительность машины 

RafX 
– горизонтальная реакция в шарнире крепления МК к ковшу, Н 

RafY 
– вертикальная реакция в шарнире крепления МК к ковшу, Н 

RF 
– реакция в направляющей втулке МК, Н 

Rfs 
– сила трения в направляющей втулке МК, Н 

RfsХ 
– горизонтальная реакция в шарнире крепления МК к ковшу
от силы трения в направляющей втулке, Н 

RfsY 
– вертикальная реакция в шарнире крепления МК к ковшу 
от силы трения в направляющей втулке, Н 

Rmax 
– расчетное усилие на штоке ГЦ, Н 

rmax 
– максимальная длина ГЦ поворота челюсти грейферного ковша, м

rmin 
– минимальная длина ГЦ поворота челюсти грейферного ковша, м 

RE
PR 
– параметр перераспределения массы при пустом ковше 

RL

PR 
– параметр перераспределения массы при загруженном ковше 

RX 
– горизонтальная результирующая нагрузка на рабочее  

оборудование с грейферным ковшом, Н 

RY   
– вертикальная результирующая нагрузка на рабочее оборудование 

с грейферным ковшом, Н 

s 
– порядковый номер этапа подъема рабочего оборудования 

S1

AB 
– ход штока ГЦ АВ на первом этапе подъема рабочего  

оборудования, м 

S1

AC  
– ход штока ГЦ АС на первом этапе подъема рабочего  

оборудования, м 

SBCDE – площадь поперечного сечения материала в ковше «с шапкой», м2 

SBCDF – площадь поперечного сечения материала в ковше «без шапки», м2 

Smax 
– максимальный вылет ковша УМП традиционного исполнения, м 

Smin 
– минимальный вылет ковша УМП традиционного исполнения, м 

tCL 
– время смыкания челюстей грейферного ковша, с 

tOP 
– время открывания челюстей грейферного ковша, с 

tUP 
– время подъема грейферного рабочего оборудования, с 

UB 
– расстояние от передней кромки ковша до центра тяжести УМП  

традиционного исполнения, м 

UBmax – расстояние от передней кромки ковша до центра тяжести УМП  

традиционного исполнения при максимальном вылете, м 

UN 
– расстояние от передней кромки ковша до центра тяжести УМП  

с грейферным рабочим оборудованием, м 

UNmax – расстояние от передней кромки ковша до центра тяжести УМП  

с грейферным рабочим оборудованием при максимальном вылете, м 

VB 
– максимальная скорость передвижения УПМ традиционного  

исполнения, мс 

VN 
– максимальная скорость передвижения УПМ с грейферным  

рабочим оборудованием, мс 

Vr 
– зависимость скорости штока ГЦ челюсти ковша от времени 

YсB 
– вместимость основного ковша «с шапкой» УМП традиционного  

исполнения, м3 

YсN 
– вместимость ковша «с шапкой» УМП с грейферным ковшом, м3 

Z 
– грузоподъемность УМП 

ZB 
 – номинальная грузоподъемность УМП традиционного исполнения 

ZN 
– номинальная грузоподъемность УМП с грейферным ковшом 

Znom 
– номинальная грузоподъемность исследуемого варианта  

при оптимизации грейферного рабочего оборудования, Н 

ZTR 
– значение грузоподъемности УМП, принимаемое  

при оптимизации грейферного рабочего оборудования, Н