Модернизация экскаватора ЭО-4324 с разработкой новой конструкции рабочего органа, с целью повышения эффективности работы при разработке пр

Ходовое устройство предназначено  для воспринятия и передачи на опорную площадку силы тяжести экскаватора и сил взаимодействия рабочего органа с грунтом, стопорения машины в забое, маневрирования в забое и перемещения его между объектами работ. Ходовое устройство включает в себя раму, колесный движитель, механизм их привода и стопорения. Пневмоколесная тележка представляет собой простую коробку, практически не несущую никаких механизмов, кроме осей, установленных на передней качающейся оси и на двух задних гидрорессорах, мощных кронштейнов аутригеров со своими гидроцилиндрами.

Техническая характеристика экскаватора  ЭО-4321 приведена в таблице 3.1

 

Таблица 3.1 - Техническая характеристика

Наименование показателей	Величина
1	2
Марка дизеля	СМД-15Н
Мощность двигателя, л.с.	80
Ходовое устройство	Пневмоколесное
Управление:
гидрораспределителями	Рычажное с сервоуправлением
вспомогательными механизмами	Рычажное
Скорости передвижения, км/ч	0,98-1,93; 1,95-3,85; 4,94-9,75; 9,9-19,5
Частота вращения поворотной платформы, об/мин	11,5
Преодолеваемый экскаватором уклон  пути, град	23
Давление, МПа:
в гидросистеме	24,5
в гидросистеме сервоуправления	3-3,5
в гидросистеме управления поворотом  передних колес	3,5-4
в пневмосистеме	0,6

Продолжение табл. 3.1

1	2
Угол поворота рабочего оборудования, град	Полноповоротное
Масса  экскаватора с оборудованием обратной лопаты, кг	18500
Вместимость ковша, м3:
при работе прямой лопатой	0,8
при работе обратной лопатой с удлиненной рукоятью	0,4
при работе обратной лопатой со сдвигом  вставки стрелы	1

 

 

3.2 Определение усилий резания

 

Касательная составляющая реакции грунта копанию:

 

, (3.1)

 

где – составляющая от резания грунта;

 – составляющая от наполнения  ковша; 

 – составляющая от трения  ковша о грунт.

Нормальная составляющая реакция  грунта от копания:

 

, (3.2)

 

где s=12,5 кг/см² максимальный предел прочности грунта при смятии;

у=3 см проекция контура износа режущей кромки на касательную траектории резания;

n = 5 – число зубьев ковша;

b_P = 8 см ширина зуба ковша;

g = 9,81 м/с² – ускорение свободного падения.

Составляющая от резания грунта:

 

 (3.3)

где t=1,25 кг/см² максимальный предел прочности грунта при срезе;

h_C – толщина срезаемой стружки; 

B_К =1,2 м – ширина ковша;

α = 49˚ передний угол резания;

z = 0,8 см проекция износа режущей кромки на нормаль к траектории;

μ= 0,5 коэффициент трения стали о грунт;

Толщина срезаемой стружки  определяем, исходя из условия наполнения ковша на 135% при коэффициент разрыхления К_Р = 1,35. наполнение ковша происходит при полном повороте ковша на 152˚ (рисунок 3.2).

Объем грунта в ковше

 

;  (3.4)

 

где q =0,65 м³– вместимость ковша;

К_Н – коэффициент наполнения ковша;

R, h_С – см. рисунок 3.2.

 

 

Рисунок 3.2 – Схема снятия стружки при повороте ковша

 

Решив уравнение (3.4) получим h_С= 0,15 м = 15 см.

 

Р_01Р=[1,25·15·(120+15)·(0,55+0,015·49)+12,5·(0,6·5·8+0,5·3·5·8)]·9,81 =42209 Н.

Составляющая от наполнения ковша

 

, (3.5)

 

где Н_Н = 0,6 м высота наполнения ковша;

r = 2,0 т/м³ плотность грунта в плотном теле;

φ_i – угол между двумя соседними положениями траектории копания;

= 1,0 коэффициент трения грунта  о грунт;

 

. (3.6)

 

После подстановки расчетных величин  получим:

 

.

 

Примем φ_i = 90˚. Тогда cos φ_i = 0 и Р_01Н = 0.

Составляющую Р_01Т не учитываем ввиду ее малого значения. Тогда касательная составляющая реакции грунта копанию:

 

Р₀₁ = Р_01Р = 42209 Н.

 

Нормальная составляющая реакции грунта копанию по формуле (3.2):

 

Р₀₂ = 12,5·3·5·8·9,81 = 14715 Н.

 

 

3.3 Разработка ковша экскаватора активного действия для разработки прочных грунтов

 

Для разработки мёрзлых и прочных  грунтов активно используются пневмоударные рабочие органы. Использование пневмоударных рабочих органов улучшает выход фракционного состава продуктов экскавации, расширяет возможность базовой машины и резкое сокращение объема буровзрывных работ. Широкое распространение пневмоударных рабочих органов обусловлено безопасностью их работы во влажных, запыленных и взрывоопасных помещениях, а также при работе на открытом воздухе, так как их привод нечувствителен к внешним условиям. Кроме того, эти  машины обладают высокой  надежностью  и долговечностью, безотказностью в работе, нечувствительностью к перегрузкам, возможностью продолжительного режима безостановочной работы.

В настоящей работе предлагается сменное  рабочее оборудование с ковшом активного  действия, который включает в себя ковш с тремя пневмоударными блоками, воздухопровод и компрессор.

Ковш активного действия (рисунок 3.3) представляет собой сварную конструкцию, отличающуюся от обычных ковшей тем, что вместе жестко закрепленными зубьями имеет три пневмоударных устройств. Подвод воздуха к ударным устройствам осуществляется по высоконапорным шлангам, расположенным в рукоятке и стенках корпуса.

Работа пневмоударного устройства происходит следующим образом (рисунок 3.4). В начале такта поршень-боек 6 и золотник 7 находятся в нижнем положении под действием сил тяжести. Сжатый воздух поступает по каналу / в кольцевые выточки А и Б золотниковой коробки и будет создавать давление на золотник снизу. Одновременно сжатый воздух, проходя по каналу 2, будет давить на верхний обрез золотника сверху. Но поскольку вся надпоршневая полость через канал 3 соединена с атмосферой, давление на золотник сверху будет несколько меньше, чем снизу, он займет верхнее положение. Тогда сжатый воздух поступит по выточкам А и Б и далее по каналу 4 под поршень-боек и будет перемещать его вверх, т. е. начнется холостой ход.

 

 

1 – сварная конструкция ковша; 2 – пневмоударное устройство; 3 - зуб

Рисунок 3.3 – Ковш экскаватора активного  действия

 

Рисунок 3.4 – Схема работы пневмоударного устройства

 

Воздух из верхней полости во избежание противодавления будет отводиться в атмосферу по каналам 3 и 5. Когда поршень-боек, перемещаясь вверх, перекроет эти каналы, то в верхней полости создается давление, действующее на золотник сверху, и он будет находиться в состоянии равновесия. При дальнейшем движении поршня-бойка вверх открывается канал 3, воздух начнет уходить в атмосферу по каналам 3 и 4, давление на золотник снизу упадет и он перейдет в нижнее положение. Тогда сжатый воздух поступит по каналу 2 и под его давлением поршень-боек переместится вниз. Воздух из подпоршневого пространства будет отводиться в атмосферу по каналу 3. При движении вниз поршень-боек открывает канал 5, в который поступает сжатый воздух, создавая давление на золотник снизу. Золотник будет находиться в состоянии равновесия (под действием давления сверху и снизу) до тех пор, пока поршень-боек в крайнем нижнем положении не откроет канал 3. Тогда воздух из надпоршневого пространства будет выходить в атмосферу, давление на золотник сверху уменьшится и он переместится в верхнее положение, заставляя поршень-боек подниматься вверх.

 

 

3.4 Расчет основных параметров пневмоударного устройства

 

К основным параметрам пневмоударного устройства относятся: работа единичного удара А₁ (Н×м), число ударов поршня-бойка в минуту п (мин-¹), мощность привода N (кВт) и расход воздуха Q (м³/мин). для упрощения методики расчета делаем следующие допущения: рабочий ход поршня-бойка происходит при постоянном давлении сжатого воздуха на его поверхность; противодавление на поршень-боек во время рабочего и холостого ходов неизменно; движение поршня-бойка при постоянном давлении — равноускоренное.

При этом кинетическая энергия, накопленная  поршнем-бойком за рабочий ход, составит

 

. (3.7)

 

где d – диаметр поршня-бойка, d=0,105 м;

s _– ход поршня-бойка, s=0,25 м;

p_i – среднее индикаторное давление в цилиндре во время рабочего хода.

Используя практические данные, принимаем  потери давления в пусковых и распределительных  устройствах машин равными 20... 30% от номинального, а противодавление  на поршень-боек примерно на 15% выше атмосферного. Тогда

 

, (3.8)

 

где р₀ — номинальное (на входе в инструмент) давление (р₀=0,7×10⁶ Па).

 

.

 Дж.

 

Работа , совершаемая рабочим наконечником, будет меньше на величину потерь при соударении поршня-бойка с наконечником, т. е.

 

= , (3.9)

 

где   – коэффициент полезного действия удара, который зависит от масс соударяющихся тел и их упругих свойств, обычно =0,85…0,98. Принимаем =0,9.

 

=811×0,9=730 Дж.

 

Число ударов поршня-бойка в минуту

 

, (3.10)

 

где Т – продолжительность времени между двумя  ударами.

 

, (3.11)

 

где  – время рабочего хода поршня-бойка;

 – время холостого хода поршня-бойка.

С учетом принятых допущений

 

, (3.12)

 

где  – масса поршня-бойка, =15 кг.

 

 с.

 

Время холостого хода поршня-бойка с

 

0,048+0,058=0,106 с.

 мин^-1=9,4 с^–1.

 

Мощность, развиваемая одним пневмоударным устройством

 

, (3.13)

 кВт.

 

Расход воздуха (м³/мин), затрачиваемый на работу пневмоударного устройства, зависит от рабочего пространства цилиндра устройства, числа ударов поршня-бойка в минуту и среднего индикаторного давления в цилиндре, т. е.

 

, (3.14)

 

где   – коэффициент, учитывающий потери воздуха в магистралях, шлангах и ручной машине ( =1,2…1,35), принимаем =1,3.

 

 м³/мин.

 

Расчетная производительность компрессора (м³/мин) для питания всех пневмоударных устройств

 

 м³/мин, (3.15)

 

где   – коэффициент одновременности работы устройств, при одновременной работе трех устройств =0,88

 

 м³/мин.

 

На основании выполненного расчета  получены следующие характеристики пневмоударного устройства:

Рабочее давление сжатого воздуха, Мпа ……………………………………..0,7 

Энергия единичного удара, Дж ………………………………………………..730

Частота ударов, Гц ………………………………………………………………9,4

Расход воздуха для работы одного устройства, м³/мин …………………….. 1,59

Производительность компрессора  для привода, м³/мин …………………….. 4,2

 

4  ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОТ ВНЕДРЕНИЯ НОВОЙ ТЕХНИКИ

 

 

4.1 Выявление назначения и области применения новой техники

 

Оснащение парка экскаваторов сменными ковшами активного действия позволит выполнить весь комплекс по рыхлению и удалению мерзлого грунта и горной породы одной машиной, обеспечить равномерное и круглогодичное использование экскаваторного парка, увеличить производительность экскаваторов не только в мерзлых, но и тяжелых талых и скальных грунтах при одновременном снижении трудовых затрат и стоимости работ.

 

 

4.2 Расчет капитальных вложений

 

Капитальные вложения в модернизацию определяем по формуле:

 

ΣК_в = К_с + К_м + К_тр + К_проч, (4.1)

 

где К_с – стоимость внедряемого оборудования К_с=280000 тг.

К_м – затраты на монтаж, принимаются в размере 15% от стоимости оборудования, К_м =0,15×280000=42000 тг.

К_тр – затраты на транспортировку, принимаются в размере 7% от стоимости оборудования, К_тр =0,07×280000=19600 тг.

К_проч – прочие капитальные вложения, К_проч =10000 тг.

 

ΣК_в = 280000 + 42000 + 19600 + 10000 = 351600 тг.

 

Балансовая стоимость новой  техники после модернизации

 

, (4.2)

 

где – стоимость техники до модернизации, =12400000 тг.

 

12400000+351600= 12751600 тг.

 

 

4.3 Расчет эксплуатационных затрат

 

Расчет эксплуатационных затрат сводится к определению фонда заработной платы, стоимости текущего ремонта  и технического обслуживания.

Эксплуатационные затраты определяем по формуле:

 

, (4.3)

 

где – затраты на амортизацию;

 – затраты на текущий  ремонт и поддержание систем  в состоянии, годном для эксплуатации;

 – затраты на техническое  обслуживание;

 – затраты на заработную  плату эксплуатационному персоналу.

Амортизационные отчисления рассчитываются по формуле: