Підвищення ефективності використання робочого обладнання автогрейдера стабілізацією навантаження механізму підвіски тягової рами

Abstract

Підвищення ефективності використання робочого обладнання автогрейдера стабілізацією навантаження механізму підвіски тягової рами. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.05.04 – машини для земляних, дорожніх і лісотехнічних робіт (13 – Механічна інженерія). – Харківський національний автомобільно-дорожній університет Міністерства освіти і науки України, Харків, 2020. Дисертацію присвячено вирішенню актуальної науково-прикладної проблеми підвищення ефективності роботи автогрейдера за рахунок зменшення навантаження виконавчого обладнання. Це досягається шляхом стабілізації режиму навантаження механізму підвіски тягової рами (МПТР) модернізацією робочого обладнання шляхом використання додаткового елемента підвіски. Вона дозволить зменшити асиметричність навантаження виконавчих гідроциліндрів робочого обладнання автогрейдера та, як наслідок, відбувається вирівнювання навантаження машини при експлуатації. У роботі обґрунтовано актуальність теми, сформульовано об’єкт, предмет, мету і завдання дослідження, описано методи дослідження, а також визначено зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Надано інформацію про апробації та публікації результатів дисертаційного дослідження, проведений літературний пошук та його аналіз відповідних досліджень, розроблені статична та динамічна моделі, проведені натурні експерименти у польових умовах з існуючим МПТР, розроблена віртуальна модель робочого обладнання та проаналізована кінематика існуючого та модернізованого обладнання, надані практичні рекомендації по раціональному вибору параметрів конструкції МПТР та встановлена економічна ефективність запропонованого методу підвищення ефективності роботи автогрейдера. Наукова новизна отриманих результатів полягає у наступному. Вперше: – за допомогою розробленої статичної просторової схеми і відповідної математичної моделі були визначені залежності зусиль у виконавчих гідроциліндрах від вхідних кінематичних характеристик та силових зовнішніх навантажень з урахуванням специфічних особливостей конструкції МПТР; – за допомогою розробленої динамічної просторової схеми і відповідної математичної моделі були визначені залежності зусиль на грейдерний відвал від вхідних зовнішніх навантажень з урахуванням асиметричності конструкції МПТР; – встановлено рівень нерівномірності зусиль у виконавчих гідроциліндрах МПТР при виконанні технологічних операцій; – встановлені нові закономірності розташування змінних координат точок приєднання виконавчих гідроциліндрів МПТР і режимів робочого процесу на перерозподіл навантаженості гідроциліндрів. Результати наукових досліджень дисертаційної роботи знайшли впровадження у діяльності на ТОВ «Машгідропривід», ТОВ «Харківспецбуд-1», проектно-монтажній фірмі ДП «Спеціалізоване управління механізованих робіт», а також у навчальному процесі для підготовки бакалаврів за спеціальністю 133 «Галузеве машинобудування» у Харківському національному автомобільно-дорожньому університеті. Результати роботи можуть бути використані при створенні нових та модернізації наявних систем керування робочим обладнанням автогрейдера. Основуючись проведеним аналізом наявних підходів щодо зменшення нерівномірності навантаження МПТР автогрейдера встановлено, що сучасна тенденція вирішення зазначеної проблеми пов’язана з неточністю при визначенні зусиль в гідроциліндрах МПТР. Допускають, що гідроциліндри підйому-опускання тягової рами сприймають найбільші зусилля при вертикальному розташуванні. При цьому не враховують зусилля, що припадають на гідроциліндр винесення тягової рами убік. Дане допущення позначається при виконанні технологічних операцій косовстановленного основного відвала з винесенням тягової рами або відвала. Виявлено відсутність єдиного підходу щодо досліджень і конструювання МПТР та робочого обладнання. Це не дозволяє зменшити різницю навантаженості між гідроциліндрами даного механізму шляхом перерозподілу нерівномірності дії зусиль на виконавчі гідроциліндри. Практично не розглядаються питання раціоналізації рухів МПТР з точки зору розподілення зусиль у самих гідроциліндрах, зменшення навантаження МПТР машини внаслідок поломки одного або декількох елементів даного механізму, а саме гідроциліндрів. Встановлено, що гідроциліндри МПТР розраховуються в умовах невизначеності, а саме, чітких параметрів кінематики при виконанні конкретних технологічних операцій з урахування мінімізації нерівномірності дії зусиль, які знижують кількість відмов на етапі проектування машини. Визначено передумови для розробки методологічних основ мінімізації впливу нерівномірності навантаженості гідроциліндрів МПТР для забезпечення ефективності використання робочого обладнання автогрейдера, в цілому. Математична модель вдосконалена при статичному та динамічному навантаженні стосовно використання їх для всіх типів автогрейдерів з урахуванням кінематичних залежностей МПТР, що гарантує отримання достовірності значень розрахунків з відносною похибкою у припустимих межах (довіреним інтервалом 0,9) та підвищення ефективності машини близько 25%. Уточнені та досліджені математичні моделі просторових схем з метою визначення залежностей зусиль у виконавчих гідроциліндрах від вхідних кінематичних характеристик та силових зовнішніх навантажень з урахуванням специфічних особливостей конструкції МПТР, а саме з урахуванням асиметричності конструкції МПТР. Розроблено новий метод розв’язання задачі кінематичного та математичного аналізу МПТР, що дозволяє визначити найбільш раціональні закономірності зміни приєднаних координат МПТР з точки зору мінімізації нерівномірності навантаженості елементів механізму у порівнянні з наявними рішеннями. У результаті цього встановлені нові закономірності розташування змінних координат точок приєднання гідроциліндрів МПТР і режимів робочого процесу на навантаженість виконавчих гідроциліндрів робочого обладнання на прикладі автогрейдера середнього класу сімейства ДЗк-250. Уперше експериментально досліджений вплив положення точки прикладення зовнішніх навантажень на основному відвалі на навантаженість МПТР, що свідчить про неточність використання раніше існуючих методик розрахунків. За результатами експериментальних досліджень встановлені найбільші аварійні навантаження на робочий орган, які залежать від геометричного положення елементів підвіски робочого обладнання, а саме: при центральному положенні відвала зусилля в гідроциліндрах підйому-опускання основного відвала не мають однакових значень, а розрізняються в 0,8…3,2 разів. Зміна кута захоплення відвала на 60° спричиняє за собою зниження зусилля в правому гідроциліндрі на 27%, а в лівому гідроциліндрі – збільшення на 10%, що підтверджують відповідні розрахунки даного МПТР. На основі додаткових задач був розроблений інженерний метод визначення раціональних параметрів навантаження робочого обладнання, котрий дозволив запропонувати модернізовану конструкцію механізму кріплення гідроциліндра винесення тягової рами убік, завдяки якому досягається зменшення нерівномірності навантаження виконавчих гідроциліндрів МПТР, що у свою чергу призводить до зменшення відмов і, як наслідок, підвищити ефективність роботи автогрейдера. Проаналізовано вплив зміщення точки прикладення зовнішнього навантаження уздовж різальної крайки основного відвала, встановлено, що зміна зусилля в гідроциліндрах МПТР автогрейдера не лише в абсолютному значенні (від 1,1 до 5,0 разів), а і зміна у напрямку діючих реакцій. Проведені дослідження виявили ряд нових задач, зокрема необхідність модернізувати МПТР для зменшення навантаженості шляхом зміни траєкторії і кінематики конструкції механізму. Комп'ютерне моделювання кінематики виконавчих гідроциліндрів МПТР існуючої і модернізованої підвісок показало можливість зменшення ступеню динамічних навантажень в МПТР автогрейдера за рахунок використання підвіски модернізованої конструкції МПТР. Розроблено комп’ютерну модель модернізованого механізму підвіски тягової рами автогрейдера, що дозволило результатам віртуальних досліджень запропонувати метод зміни кінематики підвіски тягової рами, котра забезпечує зменшення навантаженості при роботі автогрейдером. Впровадження одержаних результатів виконаних досліджень на автогрейдерах з модернізованим робочим обладнанням у вигляді додаткового механізму підвіски тягової рами дозволить зменшити навантаження МПТР і автогрейдера, в цілому, завдяки чому збільшиться час використання машини до ремонту, а також зменшити матеріальні витрати, що в підсумку дозволить підвищити ефективність виконання автогрейдера при виконані технологічних операцій.