HYDRAULIC MANIPULATOR GRAB PARAMETERS AT EXCAVATION OF PEAT

Михайлов А.В.¹, Таранов А.Г.²

¹ORCID: 0000-0002-0516-7737, Доктор технических наук; ²ORCID: 0000-0002-6275-4874, Аспирант, Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»

ПАРАМЕТРЫ ГРЕЙФЕРА ГИДРОМАНИПУЛЯТОРА ПРИ ВЫЕМКЕ ТОРФЯНОГО СЫРЬЯ

Аннотация

Проведен анализ устойчивости транспортно-тракторного агрегата для селективной выемки и погрузки в полуприцеп торфяного сырья, при помощи гидроманипулятора и вильчатого грейфера. С учетом коэффициента запаса устойчивости не менее 8 при эксплуатации транспортно-тракторного агрегата на слабонесущей торфяной залежи определен предельный объем вильчатого грейфера 0,13 м³ при вылете стрелы гидроманипулятора 3,3 м. Проведенные исследования могут быть использованы для проектирования вильчатого грейфера.

Ключевые слова: торфяное сырье, гидроманипулятор, грейфер

 

Mikhailov A.V.¹, Taranov A.G.²

¹ ORCID: 0000-0002-0516-7737, PhD in Engineering; ² ORCID: 0000-0002-6275-4874, Postgraduate Student, National mineral resources university (Mining)

HYDRAULIC MANIPULATOR GRAB PARAMETERS AT EXCAVATION OF PEAT

Abstract

The analysis of the transport and tractor unit stability for selective excavation and loading of peat is carried out. The transport and tractor unit is equipped with the hydraulic manipulator and the bifurcate grab. The stability coefficient of the peat machine at operation on a peat deposit makes not less than 8. At a boom outreach of the hydraulic manipulator of 3.3 m the maximum volume of the grab made 0.13 m³. The studies can be used to design the grapple fork.

Keywords: peat, hydraulic manipulator, grab

Технологический процесс селективной добычи малоразложившегося торфяного сырья предусматривает выемку верхнего слоя торфяной залежи на глубину до 0,5 м [2]. Вильчатый двухчелюстной грейфер при помощи гидроманипулятора внедряется в торфяную залежь на глубину h. При закрытии грейфера материал перемещается по направлению к середине грейфера и деформируется под действием горизонтальных сжимающих сил. Затем происходит подъем грейфера с отрывом материала от торфяной залежи и погрузка в тракторный полуприцеп для транспортирования.

Выполняя основные технологические операции по выемке и погрузке торфяного сырья в зоне действия манипулятора, транспортно-тракторный агрегат находится на «технологической стоянке» на торфяной залежи с низкой несущей способностью [2].

Транспортно-тракторный агрегат (ТТА) состоит из трактора Беларус-622 эксплуатационной массой 3000 кг, выполненного по колесной схеме 4х4 со сдвоенными колесами и двухосного колесного полуприцепа Country Т30 эксплуатационной массой 1200 кг со сдвоенными колесами на широкопрофильных шинах 400/60-15,5 [2]. Шарнирно-сочлененный гидроманипулятор Country 470 массой 350 кг устанавливается на поворотной колонне в передней части полуприцепа. Все управление манипулятором осуществляется из кабины трактора при помощи пульта управления. Грузоподъёмность гидроманипулятора при длине вылета стрелы 3,5 м достигает 550 кг. На полуприцепе Т30 установлен накладной самосвальный цельнометаллический кузов, предназначенный для транспортировки и разгрузки влажных грузов. Для лучшего отвода воды из экскавированного торфяного сырья в кузове полуприцепа предусмотрена перфорация днища и части боковых стенок.

Назначение параметров конструкции манипуляторной выемочной машины и сменных рабочих органов производится на базе расчета устойчивости. Расчет устойчивости производится исходя из условия, что выемочная машина должна реализовывать максимальные усилия на грейфере при работе поперек колес.

Опасность потери устойчивости выемочной машины возникает в случае, если суммарный опрокидывающий момент M_оп от действия внешних сил будет превышать суммарный удерживающий момент M_уд. Во избежание опрокидывания должны быть созданы условия устойчивого равновесия, при которых удерживающие моменты относительно линии опрокидывания были бы больше, чем опрокидывающие.

Расположение опорных контуров колесных машин зависит от их конструкции, а при шарнирном соединении тягового и прицепного модулей от их взаимного расположения относительно продольной и поперечной осей системы.

Существует несколько методик определения условий устойчивости манипуляторных машин. Эти методики основаны на различных критериях оценки устойчивого состояния: по предельному углу опрокидывания, по положению равнодействующей всех сил, действующих на манипуляторную машину и др. [1, 4]. По методике Ковровского экскаваторного завода определяется коэффициент статической устойчивости с учетом только сил тяжести элементов конструкции машины и грунта в ковше.

Для упрощения анализа введем следующие ограничения:

- движением манипулятора в вертикальной плоскости можно пренебречь, так как это движение не может привести к выходу центра масс за линию опорного контура;

- опрокидывающими моментами от сил ветра и центробежных сил при повороте рукояти можно пренебречь;

- грейфер и центр тяжести материала совпадают;

- стойка колонны манипулятора – вертикальна;

- манипуляторная машина находится на горизонтальной поверхности;

- стрела – однородный стержень;

- грейфер находится на жесткой связи, поэтому вертикальными колебаниями материала пренебрегаем.

В механике запас устойчивости сооружения полагают равным отношению удерживающего момента к опрокидывающему моменту  Обычно эту величину для обеспечения устойчивости принимают равной 1,2…1,5. Процессы, происходящие при наклоне машины, стоящей на деформируемом грунте, отличаются от процессов, происходящих при наклоне машины, стоящей на недеформируемом грунте [3].

Когда ТТА находится на податливом торфяном грунте, еще не опрокидываясь, он может наклоняться вследствие значительного удельного давления под одним из концов опор и деформации залежи. При этом центр тяжести машины сместится в сторону опрокидывания. Если деформация залежи будет происходить в пределах упругих форм и силы реакции залежи задержат дальнейшее опускание края опорной поверхности, то процесс опрокидывания будет задержан. Условие устойчивости машины на залежи состоит в том, приращение опрокидывающего, момента должно быть меньше приращения момента сил реакции залежи.

Для машин, работающих на торфяной залежи, характеристикой запаса устойчивости служит коэффициент запаса устойчивости, предложенный проф. Мурашовым М.В. [3]. Опыт показывает, что для машин, работающих в условиях торфяного производства, следует принимать значение коэффициента запаса устойчивости не менее 8.

Одним из главных параметров гидроманипулятора является грузовой момент М, определяемый относительно шарнира крепления его стрелы на поворотной колонне, а основными силовыми и размерно-геометрическими параметрами – значения грузоподъёмности Q при минимальном и максимальном вылетах стрелы, минимального и максимального вылетов стрелы L и др.

В качестве расчетного принимается случай, когда манипулятор вынимает грейфером торфяное сырье на вылете стрелы 3,3 м находится под прямым углом относительно продольной оси машины (рисунок).

Рисунок. Схема к расчету поперечной устойчивости машины против опрокидывания при выемке торфяного сырья

Пользуясь схемой (рисунок), составим уравнение равновесия моментов всех сил относительно точки А:

Удерживающий момент:

где G_T – сила тяжести транспортно-тракторного агрегата (без манипулятора); G_M – сила тяжести колонны манипулятора; G_С – сила тяжести стрелы манипулятора; l₁, l₂ – расстояние от ребра опрокидывания до центра тяжести соответствующей сборочной единицы.

Опрокидывающий момент:

,

где G_P – сила тяжести рукояти манипулятора; G_Г – сила тяжести грейфера; G_П – сила отрыва материала от залежи; l₃, l₄ – расстояние от ребра опрокидывания до центра тяжести соответствующей сборочной единицы.

Приравняем моменты с учетом коэффициента запаса устойчивости K:

.

Отсюда сила тяжести грейфера и сила отрыва материала от залежи:

.

Задавая известные значения масс и расстояний от ребра опрокидывания до центра тяжести соответствующих сборочных единиц с учетом коэффициента запаса устойчивости K=8 получаем значение силы при максимальном вылете стрелы 3,3 м:

Рассмотренная статическая устойчивость ТТА с манипулятором и выемочным грейфером от опрокидывания позволяет подобрать параметры грейфера с учетом параметров машины, плотности материала и усилия отрыва торфяного сырья от залежи.

Например, рассмотренный транспортно-тракторный агрегат с манипулятором и выемочным грейфером массой 130 кг не опрокинется на торфяной залежи при выемке торфяного сырья при вылете стрелы 3,3 м и с усилием отрыва материала от залежи до 1541 Н. Установлено, что с учетом коэффициента запаса устойчивости машины на торфяной залежи K=8 эти данные соответствует объему грейфера V=0,13 м³ при массе вынимаемого торфяного сырья 85-90 кг, что вполне достаточно для проведения выемочно-погрузочных операций при селективной добыче торфяного сырья. Для дополнительного снижения нагрузки на шины и повышения устойчивости полуприцепа во время выемочно-погрузочных работ система оборудована гидравлическими аутригерами.

Литература

1. Добрачев А.А., Раевская Л.Т., Швец А.В. Кинематические схемы, структуры и расчет параметров лесопромышленных манипуляторных машин: монография. – Екатеринбург: Урал. гос. лесотехн. ун-т, 2014. 128 с.
2. Михайлов А.В., Таранов А.Г. Комплект выемочного оборудования для селективной добычи торфяного сырья. Инновации на транспорте и в машиностроении: сб. трудов III междунар. науч.-пр. конфер. Том II. – СПб.: Национальный минерально-сырьевой университет «Горный», 2015. С. 55-59.
3. Самсонов Л.Н., Синицын В.Ф. Торфяные машины и оборудование: Учеб. пособие. Ч. I: Общие сведения о торфяных машинах. Взаимодействие ходовых устройств с торфяной залежью. 1-е изд. Тверь: ТГТУ, 2006. 140 с.
4. Таубер Б.А. Подъемно-транспортные машины: учебник для вузов. – М.: Экология, 1991. 528 с.

References

1. Dobrachev A.A., Raevskaja L.T., Shvec A.V. Kinematicheskie shemy, struktury i raschet parametrov lesopromyshlennyh manipuljatornyh mashin: monografija. – Ekaterinburg: Ural. gos. lesotehn. un-t, 2014. 128 s.
2. Mikhailov A.V., Taranov A.G. Komplekt vyemochnogo oborudovanija dlja selektivnoj dobychi torfjanogo syr'ja. Innovacii na transporte i v mashinostroenii: sb. trudov III mezhdunar. nauch.-pr. konfer. Tom II. – SPb.: Nacional'nyj mineral'no-syr'evoj universitet «Gornyj», 2015. S. 55-59.
3. Samsonov L.N., Sinicyn V.F. Torfjanye mashiny i oborudovanie: Uchebnoe posobie. Ch. I: Obshhie svedenija o torfjanyh mashinah. Vzaimodejstvie hodovyh ustrojstv s torfjanoj zalezh'ju. 1-e izd. Tver': TGTU, 2006. 140 s.
4. Tauber B.A. Pod'emno-transportnye mashiny: uchebnik dlja vuzov. – M.: Jekologija, 1991. 528 s.