Электронное издание СДМ - Строительные Дорожные Машины и Техника

Кафедра ДСМ МАДИ, ПО Стройтехника


13.05.2008
Обзор и анализ материалов по устойчивости экскаватора

Карасев Г.Н. канд. техн. наук, профессор кафедры «Дорожно-строительные машины»Московского Автомобильно-Дорожного Института  (МАДИ)
Степанов А.А.
 

ОБЗОР И АНАЛИЗ УСТОЙЧИВОСТИ ЭКСКАВАТОРА

Изучение материалов по экскаваторам оборудованных различными видами рабочих органов, имеющих самоходное шасси, а также из практических наблюдений инженеров и операторов, других источников информации, привело авторов данной работы к интересному, и еще не до конца изученному вопросу – устойчивость техники и аспекты связанные с ней. Сбор данных был не легким, так как имеющаяся информация очень скудная. В основном приходится опираться на уже существующие проработанные другими специалистами статьи и бюллетени. Но придерживаясь установленного регламента написания научной работы необходимо показать суть вопроса, который мы изучаем.
 
В строительно-дорожном машиностроении основным определяющим фактором является производительность П, которая равна отношению объема работы Q к времени цикла операции Т. Чем выше производительность , тем лучше. И в следствии этого многие фирмы или конструкторские бюро идут на различные издержки, чтобы только оказаться на высоте.
 Очевидны два пути повышения производительности, во-первых, увеличение Q – изменение конструктивных параметров (например геометрии ковша или отвала), во-вторых уменьшение Т – времени цикла, можно добиться увеличением скорости рабочих операций и совмещением нескольких действий одновременно. При совмещении этих путей мы можем получить прекрасный результат, если не одно обстоятельство.
 Повышенная скорость рабочего органа или другого элемента конструкции может привести к возникновению динамических нагрузок, которые как правило, никогда не учитывали ранее. Если учесть, что экскаватор находится не на ровной поверхности, а под уклоном, то есть высокая степень вероятности потери устойчивости техники (в частности опрокидывание).
 Опрокидывание – одно из принципиальных ограничений эффективности использования экскаватора. назначение параметров конструкции экскаватора, сменных рабочих органов, режимов работы гидропривода и систем автоматического управления производится на базе расчета устойчивости.
 
Основным документом, регламентирующим конструкцию и эксплуатацию грузоподъемных машин, являются "Правила устройства и безопасной эксплуатации грузоподъемных кранов" (1), так называемые "Правила Госгортехнадзора". Но из-за нечетких формулировок Правил нельзя установить, насколько их действие распространяется на экскаваторы. Следует обратить внимание, что в отличие от ГОСТов для самоходных кранов нашими стандартами не предусмотрены статические и динамические испытания с целью проверки устойчивости для ковшовых экскаваторов.
 
Если сравнивать краны и экскаваторы, то несмотря на некоторое сходство они имеют значительные отличия в конструкции и режиме эксплуатации. В первую очередь – кинематика рабочего оборудования, второе – повышенные скорости рабочих движений, иные характеристики рабочих площадок и т.д. Рассматривая некоторые пункты Правил, такие как п.1 – определяющего кран-экскаватор, предназначенного для работы с крюком, когда крюк подвешен на канате; п.36 – позволяет перевести экскаватор в кран органами технадзора при условии их приведения в соответствие с требованиями Правил. Однако согласно п.2, Правила не распространяются на экскаваторы, предназначенные для работы с землеройным оборудованием и грейферами.
 Такие случаи очень часто встречаются на практике. К сожалению, только Правила Госгортехнадзора являются подробным документом, регламентирующим не только обеспечение устойчивости кранов (и экскаваторов), но и весь комплекс требований, обеспечивающих безопасность работы грузоподъемных машин. Практически все существующие методики расчета устойчивости являются упрощенными вариантами Правил. И насколько экскаватор с грузоподъемным оборудованием подпадает под их действие, это необходимо использовать с максимальной пользой.
 
Аналитический обзор существующих методов расчета устойчивости кранов и экскаваторов позволит выявить для нас достоинства и недостатки имеющихся методов. На данном этапе это будет целью исследования и определение задач дальнейшего развития … Общеизвестно, что доказательством достаточной устойчивости любой машины (в частности экскаватора) – когда суммарный опрокидывающий момент Мо превысит удерживающий Му, т.е. выполняется условие:

Мо / Му ³ К ,

К – коэффициент запаса устойчивости, обычно больше 1. При длительной потере устойчивости и начале поворота экскаватора относительно ребра опрокидывания, с учетом больших динамических нагрузках происходит опрокидывание.
 
1. Методика Правил Госгортехнадзора
 
П.п. 33 и34 Правил предусматривают, что краны должны быть устойчивы в рабочем и нерабочем состоянии. При этом грузовая и собственная устойчивость должны быть проверены расчетом.
 
Определение устойчивости производится в предположении, что угол наклона крана составляет не менее 3°. Расчет коэффициента запаса устойчивости выполняется двумя способами. Первый, отношение удерживающего момента к опрокидывающему, с учетом действия дополнительных нагрузок (ветровая для рабочего состояния крана; инерционные силы, возникающие при пуске-торможении механизмов подъема грузов, поворота и передвижения крана) и с учетом уклона, К должен быть не менее 1,15. Второй, дополнительные нагрузки и наклон не учитываются, К при этом должен быть не менее 1,4.

К = [ М У – М1 – М2 – М3 – М4 – М5 – М6 – М7 – М8 ] / МГ

Где МГ – момент силы тяжести груза, Н.м;

Му – удерживающий момент силы тяжести крана, Н.м;

М1 – момент центробежной силы, действующей на груз при его вращении относительно оси поворота платформы, Н.м ;

М2 – момент силы инерции груза при разгоне или торможении опускающегося груза, Н.м;

М3 – момент силы инерции груза от разгона или торможения механизма передвижения крана, Н.м;

М4 – силы инерции крана от разгона или торможения механизма передвижения крана, Н.м;

М5 – силы инерции груза и стрелы, возникающей в результате разгона или торможения оголовка стрелы при изменении вылета в горизонтальном направлении, Н.м;

М6 – то же, что и М5, но при изменении вылета в вертикальном направлении, Н.м;

М7 – момент силы ветра, действующей на кран, Н.м;

М8 – момент силы ветра , действующей на груз, Н.м;

М9 – момент касательных сил инерции груза и стрел, возникающий при пуске или торможении механизма поворота платформы. Учитывается в расчете при положении стрелы под углом 45° к ребру опрокидывания.

В статье [ ] были отмечены следующие недостатки Правил Госгортехнадзора :
не учитывается длительность действия динамических нагрузок;
опрокидыванием считается момент начала отрыва опор от основания без учета возможного возврата машины в устойчивое состояние;
не учитывается податливость основания.
 
Автор статьи Зарецкий А.А. предложил метод , строго учитывающий влияние динамического нагружения, а также податливость основания. Далее он считает, что на основании проведенных расчетов и принятой им схемой с одной степенью свободы и грузе, необходимо сделать следующее. Для компенсации податливости основания надо увеличить удерживающий момент на 4 – 12%, а для компенсации динамических нагрузок – на 5 – 20 %.
 
2. Расчетно-пояснительная записка Ковровского экскаваторного завода.
 
Здесь коэффициент статической устойчивости Кс, определяется отношением удерживающего и опрокидывающего моментов, с учетом только сил тяжести элементов конструкции экскаватора и грунта в ковше. При этом он однозначно должен быть больше 1.
 
3. Методика Вниистройдормаша
 
Расчет коэффициента запаса устойчивости Квс выполняется как и в предыдущем случае, с учетом сил тяжести: но при этом еще добавляется влияние и центробежных сил, действующих на элементы конструкции экскаватора при повороте платформы. Квс тоже больше 1. Экспериментальные и аналитические данные подтверждают, что в заданных условиях устойчивость экскаваторов (например ЭО-4124) обеспечивается.
 
Данная методика имеет очень много общего с методикой Правил Госгортехнадзора, скорее всего ее авторы руководствовались теми же соображениями, что и научные исследователи, но только из практического (экспериментального ) опыта. Это только подчеркивает остроту вопроса, и незаурядный интерес к его изучению.
Кафедра ДСМ МАДИ, ПО «Стройтехника». Copyright 2007 . Смотрите условия использования материалов сайта