ОБОСНОВАНИЕ ВЫСОТЫ ПОДЪЕМА РАБОЧЕГО ОБОРУДОВАНИЯ БУЛЬДОЗЕРА-ПОГРУЗЧИКА С ТРАНСФОРМИРУЮЩИМСЯ РАБОЧИМ ОБОРУДОВАНИЕМ

THE SUBSTANTIATION OF THE HEIGHT OF THE LIFTING OF THE WORKING EQUIPMENT OF THE BULLDOZER-LOADER WITH TRANSFORMING WORKING EQUIPMENT

Kuttubek Isakov

candidate of technical sciences, chief of department “Traffic organization”

acting of professor of the Kyrgyz state university of construction, transport and architecture named N.Isanov

Kyrgyzstan, Bishkek

Amanbek Altybaev

acting of assistant of the professor of the Kyrgyz state university of construction, transport and architecture named N.Isanov

Kyrgyzstan, Bishkek

Alik Beishenaliev

acting of assistant of the professor of the Kyrgyz state university of construction, transport and architecture named N.Isanov

Kyrgyzstan, Bishkek

АННОТАЦИЯ

В данной статье рассмотрена конструктивная особенность бульдозера-погрузчика с трансформирующимся рабочим оборудованием, также приведены полученные зависимости по обоснованию высоты подъема рабочего органа для работы в режиме погрузчика, с целью дальнейшего обоснования рациональных параметров телескопических толкающих брусьев, приводов с учетом высоты кузовов транспортных средств (самосвалы), а также для оптимизации кинематических параметров и величины статических нагрузок.

ABSTRACT

In this article considers the constructive feature of the bulldozer-loader with transforming working equipment, also shows the obtained dependences on the substantiation of the lifting height of the working element for work in the loader mode, with the purpose of further substantiating the rational parameters of the telescopic pushing bars, drives taking into account the height of the bodies of vehicles (dump trucks) , also to optimize the kinematic parameters and the magnitude of static loads.

Ключевые слова: бульдозер, погрузчик, подъем, опускания, ковш, отвал, трансформер, гидроцилиндр, рабочее оборудование.

Keywords: Bulldozer, forklift, lifting, lowering, bucket, blade, transformer, hydraulic cylinder, working equipment.

Бульдозер-погрузчик с трансформирующимся рабочим оборудованием [1], [2], [5], [6], [7] содержит ковш, шарнирно соединенный к выдвигаемым частям телескопических толкающих брусьев. К ковшу на верхней части шарнирно через проушины и вал (ось) присоединен отвал с возможностью поворачиваться вокруг шарнирных соединений, расположенные, как отмечено выше, между ковшом и отвалом. Телескопические толкающие брусья состоят из выдвигаемых и не выдвигаемых R (основных) частей, в свою очередь выдвигаемые части состоят из шарнирно присоединенных между собой передних (l) и хвостовых (l₂) сторон (рис.1). Приводы управления, в основном, состоят из следующих попарно работающих гидроцилиндров: гидроцилиндры подъема и опускания (S) – штоковыми сторонами шарнирно присоединены к поперечной раме (на рис. не показаны), соединяющий концы неподвижных частей телескопических толкающих брусьев, а через цапфы шарнирно присоединены к базовой машине; гидроцилиндры выдвижения частей телескопических толкающих брусьев (на рис. не указаны) расположены внутри неподвижных частей, которые цилиндрическими сторонами шарнирно закреплены к неподвижным частям, а штоковыми сторонами шарнирно закреплены к выдвигаемым частям; гидроцилиндры управления передними сторонами (l) выдвигаемых частей, штоковыми сторонами шарнирно закреплены к передним сторонам (l), а цилиндрическими сторонами шарнирно закреплены к хвостовым сторонам (l₂) выдвигаемых частей; гидроцилиндры управления ковшом (6), штоковыми сторонами шарнирно закреплены к проушинам ковша, а цилиндрическими сторонами шарнирно закреплены к передним сторонам (l) выдвигаемых частей; гидроцилиндры управления отвалом (на рисунке не показаны), которые цилиндрическими сторонами шарнирно соединены к ковшу, а штоковыми сторонами к цепи, приводящий в движение звездочку, жестко закрепленный к валу, в свою очередь вал жестко закреплен к проушинам отвала (одновременно служит как ось шарнирного соединения отвала с ковшом). При этом, необходимо отметить, что гидроцилиндры управления передними сторонами (l) выдвигаемых частей, гидроцилиндры управления ковшом перемещаются (выдвигаются) совместно с выдвигаемыми частями, для этого на верхних полках неподвижных частей (R) проделаны прорезы для перемещения проушин, к которым закреплены указанные гидроцилиндры.

Важно отметить, что предлагаемая конструкция благодаря трансформируемости (возможность перехода от одного вида к другим) рабочего оборудования может работать в следующих режимах: в режиме бульдозера – передняя часть ковша полностью закрывается отвалом с помощью гидроцилиндров управления отвалом (на рисунке не показаны); в режиме погрузчика – передняя часть ковша открыта полностью путем поворота отвала вокруг шарнирных соединений, также при помощи гидроцилиндров управления отвалом.

В данной статье для наглядности и упрощения расчетной схемы, расположения отвала относительно ковша и их приводы не указаны, а также для достижения цели публикации, по обоснованию высоты подъема ковша в режиме работы погрузчика, конструктивная особенность полностью не раскрыты. В случае заинтересованности просим обратиться к полученным патентам, опубликованным статьям и другим источникам, к которым идет ссылка.

В целом, кроме вышеуказанных режимов, предлагаемое рабочее оборудование может работать в режимах пескоразбрасывателя, право- и лево- отваливающем бульдозерном и скребковом режимах, а также комбинированном право- и лево- отваливающем бульдозерном и скребковом режимах с одновременным разбрасыванием песка или реагентов непосредственно на проезжую часть дороги при патрульной очистке улиц и других участков автомобильных дорог и др.

Высота подъема ковша Н определяется положением конца телескопических толкающих брусьев L (с учетом размера ковша) с полностью выдвинутых выдвигаемыми частями l , шарнирно закрепленные концами к базовой машине, а другими концами (концы выдвигаемых частей) к ковшу. Необходимо отметить, что высота подъема ковша Н и другие конструктивные параметры, например, объем ковша, соответствующие к объему ковша ширина и высота отвала, а также величина максимального вылета рабочего оборудования зависят от технических параметров базовых машин от расположения их центра тяжести.

Согласно принципу работы бульдозера-погрузчика, как отмечено в предисловии, с трансформирующимся рабочим органом, для погрузки на транспортные средства или для выброса масс, находящихся в ковше через преграды, последовательно выполняются следующие операции, как показано на расчетной схеме (рис.1).

Рисунок 1. Расчетная схема определения высоты подъема ковша

Набор массы в ковш осуществляется с втянутыми внутрь выдвигаемыми частями телескопических толкающих брусьев, далее с использованием гидроцилиндров поворота 6 ковш 3 с помощью гидроцилиндров подъема-опускания 4 телескопических толкающих брусьев 1 поднимаются на высоту Н, поворачивая R на угол α (положение II). После чего, выдвигаются выдвигаемые части 2 телескопических толкающих брусьев 1 до длины L. При этом, длина передних сторон выдвигаемых частей составляет l, и на таком положении высота подъема рабочего органа равны Н. Для достижения необходимой высоты для погрузки на транспортные средства передние стороны выдвигаемых частей с длиной l поворачиваются на угол θ с помощью гидроцилиндров 5 (S₂), предназначенных для поворота передних сторон поворотных частей.

При этом необходимо отметить, что максимальный подъем рабочего оборудования достигается при строго вертикальном положении (положение III) передних сторон (l) выдвигаемых частей, как показано на расчетной схеме (рис.1).

Расчетную схему по определению высоту Н можно представить в виде многозвенного механизма, состоящие из силовых гидроцилиндров подъема и опускания рабочего оборудования S, неподвижных частей телескопических толкающих брусьев R и образующего r. При этом, вышеуказанные механизмы образуют замкнутый треугольник АВМ с одной переменной стороной S, со сторонами r (ВА) как образующий треугольника АВМ и невыдвигаемые части телескопических толкающих брусьев, между точкой М, для шарнирного соединения штоков гидроцилиндров подъема и опускания с телескопическими толкающими брусьями и точкой А для шарнирного соединения концов телескопических толкающих брусьев с базовой машиной. При этом, необходимо отметить, что поворот передних сторон (l) выдвигаемых частей по вертикальной поверхности вокруг точки С с длиной l осуществляется, как отмечено выше, после полного выдвижения выдвигаемых частей из неподвижных частей (основных), посредствами гидроцилиндров поворота S₂ передних сторон (l) выдвигаемых частей.

Согласно расчетной схеме (рис.1), зависимость высоты подъема рабочего оборудования можно выразить следующим образом:

H=H₁+h                                                      (1)

где, Н₁ – высота подъема рабочего оборудования при подъеме рабочего оборудования с гидроцилиндрами подъема и опускания, после полного выдвижения выдвигаемых частей с длиной l, с помощью гидроцилиндров выдвижения (на расчетной схеме не показаны), которые расположены внутри неподвижных частей телескопических толкающих брусьев; h – высота дополнительного подъема рабочего оборудования при повороте передних сторон (l) выдвигаемых частей по вертикальной плоскости с помощью гидроцилиндров поворота (6) передних сторон (l) выдвигаемых частей.

Высоту Н₁ можно определить по следующей зависимости согласно расчетной схеме

                                                        (2)

L – длина телескопических толкающих брусьев после выдвижения выдвигаемых частей, α – угол поворота телескопических толкающих брусьев.

                                                           (3)

где,  – угол между образующим r и звеном МА (R), рассматриваемые как неподвижные части телескопических толкающих брусьев  одновременно являющийся одной стороной треугольника АВМ;  – разность углов  и α, т.е. между образующим r и вновь образованный L после полного подъема рабочего оборудований с помощью гидроцилиндров (S) подъема и опускания.

Необходимость определения данных параметров (), заключается в использовании их при определении величины или характеристики передаточных отношений процесса подъема рабочего оборудования в зависимости от перемещения штоков гидроцилиндров (S) подъема и опускания. Согласно теореме косинусов, имеем:

                                             (4)

         (5)

В то же время, в процессе подъема рабочего оборудования длина гидроцилиндров (S) подъема и опускания уменьшается, который характеризуется величиной хода штоков гидроцилиндров Sш, тогда для определения β с учетом Sш имеем:

                  (6)

                                  (7)

                            (8)

(3) подставляем в (2), получим

                                     (9)

И с учетом (3) и (9) имеем

            (10)

или

                       (11)

где,  – величина хода штоков гидроцилиндров подъема и опускания.

Выражение (11) устанавливает зависимость высоты подъема Н₁ рабочего оборудования от величины перемещения штоков силовых гидроцилиндров подъема и опускания .

Для определения второго слагаемого зависимости (1) h, как выше отметили, вернемся к расчетной схеме (рис.1).

При этом, с поворотом передних сторон (l) выдвигаемых частей телескопических толкающих брусьев с длиной l по вертикальной плоскости вокруг шарнирных соединений С посредствами силовых гидроцилиндров S₂, поворота выдвигаемых частей достигается высота h. Максимальная величина h фиксируется при строго вертикальном положении передних сторон (l) выдвигаемых частей, как показана на расчетной схеме (рис.1).

Как отмечено выше, названный процесс осуществляется после полного выдвижения выдвигаемых частей телескопических толкающих брусьев.

Согласно расчетной схеме, для определения высоты h как и для H₁ используем теорему косинусов для вновь образованного треугольника сторонами S₂, l и l₂, где S₂ – сторона с переменной длиной, l₁ – передняя сторона выдвигаемых частей телескопических толкающихся брусьев, ограниченные местом шарнирных соединений штоков гидроцилиндров S₂ поворота и местом  шарнирных соединений с хвостовыми и передними сторонами того же выдвигаемых частей телескопических толкающихся брусьев (точка С), а также l₂ – хвостовые стороны выдвигаемых частей, ограниченные местом шарнирных соединений С и местом шарнирных соединений цилиндрических частей гидроцилиндров S₂ поворота передних сторон (l) с хвостовыми частями (l₂) выдвигаемых частей телескопических толкающих брусьев.

Необходимо отметить, что гидроцилиндрами S₂ поворота, как выше отметили, поворотные стороны (передние поворотные части) осуществляется поворот передних сторон относительно хвостовых частей l₂ того же выдвигаемых частей телескопических толкающих брусьев. Соответственно, необходимо понимать, что выдвигаемые части телескопических толкающих брусьев, в свою очередь состоит между собой из шарнирно соединенных в точке С из двух частей – хвостовые и передние.

Как отмечено выше выдвигаемые части выдвигаются и втягиваются совместно с гидроцилиндрами поворота S₂.

Итак, по теореме косинуса, после занятия положения III находим угла θ

                             (12)

Необходимо учесть, что при S_ш2=0 угол θ=180⁰, тогда

                                       (13)

При включении гидроцилиндров поворота выдвигаемых частей S_ш2≠0, тогда

                        (14)

                               (15)

Как показан на расчетной схеме, при повороте l из положения II в положение III образуется равносторонний треугольник СД₁Д₂, у которого СД₁=СД₂=l, а стороны Д₁Д₂=Т.

Как известно, наша задача найти h. Для этого рассмотрим треугольник СД₁Д₂.

Отметим, что угол данного треугольника  равен

                           (16)

Заново используя теорему косинусов для треугольника СД₁Д₂ находим Т=Д₁Д₂, или

                      (17)

                                                       (18)

На расчетной схеме видно, что h является катетом прямоугольного треугольника Д₁КД₂, и нам будет достаточно, если мы определим катета Д₁К.

Для этого, вначале определяем величину угла φ₁, т.к. длина гипотенузы определена через зависимость (18) и равна на Т.

Из вершины С опустим биссектрису СО, она же является медианой и одновременно высотой треугольника СД₁Д₂. После чего, из образованного прямоугольного треугольника Д₁ОС определяем угол φ₁:

                                         (19)

                                   (20)

Далее, согласно расчетной схеме, имеем

                          (21)

Окончательно из прямоугольного треугольника Д₁КД₂ определяем катет Д₁К равный h или

                                                     (22)

                                      (23)

С учетом (21) можно записать

                       (24)

Согласно вышеизложенному, определяем передаточное число U процесса подъема рабочего оборудования. Как по описанию и определению, общее передаточное число представим в виде

U=U₁·U₂                                                     (25)

где, U₁ – передаточное число при работе гидроцилиндров S подъема и опускания рабочего оборудования для подъема на высоту Н; U₂ – передаточное число при работе гидроцилиндров (S₂) поворота для подъема рабочего оборудования на высоту h.

Тогда, зная, что передаточное число определяется по зависимости, в общем виде запишем

                                                 (26)

где, Н – высота или величина перемещения конечных элементов, м; S – величина перемещения начальной звены, м.

Для нашего случая

                                                    (27)

С учетом (6) и (11) имеем

                               (28)

                                                 (29)

С учетом (15) и (24) имеем

                                       (30)

(28) и (3) подставляем в (25). Окончательно получим:

           (31)

С учетом мест шарнирных соединений гидроцилиндров подъема и опускания с базовой машиной и телескопическими толкающими брусьями, а также, с учетом мест шарнирных соединений гидроцилиндров (S₂) поворота передних сторон выдвигаемых частей с хвостовыми и передними сторонами и других конструкционных параметров, общее передаточное отношение графически выглядит следующим образом:

Рисунок 2. График изменения передаточных отношений.

Выводы. Как показывают результаты работы по обоснованию высоты подъема рабочего оборудования, во-первых, для достижения необходимой высоты подъема с минимальным перемещением главного привода необходимо оптимизировать геометрические параметры всех звеньев, во-вторых, во многом зависит эти же геометрические параметры звеньев от технических параметров базовой машины, т.е. в зависимости перераспределения центра тяжести базовой машины, в-третьих, при конструировании необходимо учесть величины передаточных отношений, от его величины зависит производительность предлагаемого оборудования. Чем больше передаточное отношение, оборудование считается более производительным, т.е. необходимо достичь показателю, что на единицу перемещения главной звени соответствовала несколько раз больше единицы перемещения конечной звени.

Далее, если будут известны передаточные отношения механизма такого рода, можно легко оптимизировать скоростные характеристики подъема и опускания рабочего оборудования при помощи простого выражения:

                                                  (32)

где,  – скорость подъема и опускания рабочего оборудования;  – передаточное отношение;  – скорость штоков гидроцилиндров подъема и опускания рабочего оборудования.

Также используя передаточное отношение U легко можно определить статическую нагрузку, воспринимаемые гидроцилиндрами:

                     (33)

где,  – статическая нагрузка в штоках при подъеме;  – вес рабочего органа с грузом;  – вес металлоконструкций, приведенный к центру тяжести; l – координаты центра тяжести; L – длина телескопических толкающих брусьев;  – КПД механизма.

При этом, обычно используют принцип возможных перемещений и уравнений элементарных работ веса рабочего оборудования и груза.

Поле определения усилий в штоках становится возможным найти величину статического давления в соответствующих полостях гидроцилиндров.

Список литературы:

1. Исаков К., Алтыбаев А.Ш., Бейшеналиев А.А. Бульдозер-погрузчик многоцелевого назначения с трансформирующимся рабочим оборудованием // Строительные и дорожные машины. -2016.- №11.–С.21-25.
2. Исаков К., Тургумбаев Ж.Ж., Алтыбаев А.Ш., Бейшеналиев А.А. Бульдозер-погрузчик с трансформи­рующимся рабочим органом // Евразийский патент №024772. М., 2016.
3. Исаков К., Алтыбаев А.Ш., Бейшеналиев А.А. Определение действующих динамических нагрузок на механизм поворота отвала бульдозера с трансформирующимся рабочим оборудованием. // Фундаментальные и прикладные проблемы науки. Том 9. – Материалы VIII международного симпозиума. – М.: РАН, 2013 - С.67-74.
4. Исаков К., Тургумбаев Ж.Ж., Бейшеналиев А.А., Муталип уулу Б., Сурапов А.К., Алтыбаев А.Ш. Рабочий орган бульдозера // Патент КР № 936 от 28.02.2007 г.
5. Исаков К., Тургумбаев Ж.Ж., Бейшеналиев А.А., Сурапов А.К., Алтыбаев А.Ш. Рабочий орган бульдозера // Патент КР № 968 от 28.02.2007 г.
6. Исаков К., Тургумбаев Ж.Ж., Мамаев К.А., Сурапов А.К., Бейшеналиев А.А., Алтыбаев А.Ш., Жылкычиев А.К. Рабочее оборудование бульдозера // Патент КР № 1140 от 27.02.2009 г.
7. Исаков К., Тургумбаев Ж.Ж., Рысбеков А.Ш., Бейшеналиев А.А., Алтыбаев А.Ш. Рабочее оборудование бульдозера с телескопическими толкающими брусьями // Патент КР № 1411 от 27.02.2009 г. //