close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Повышение безопасности операторов строительных машин при строительстве объектов агропромышленного комплекса путем совершенствования гидропривода

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
КУЗНЕЦОВ АЛЕКСАНДР АЛЕКСАНДРОВИЧ
ПОВЫШЕНИЕ БЕЗОПАСНОСТИ ОПЕРАТОРОВ
СТРОИТЕЛЬНЫХ МАШИН ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ
ОБЪЕКТОВ АГРОПРОМЫШЛЕННОГО КОМПЛЕКСА
ПУТЕМ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ГИДРОПРИВОДА
Специальность 05.26.01 – Охрана труда (АПК)
(технические науки)
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Санкт - Петербург – Пушкин – 2018
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего образования «Брянский государственный аграрный университет»
(ФГБОУ ВО БГАУ) на кафедре «Безопасность жизнедеятельности и инженерная экология».
Научный руководитель:
Сакович Наталия Евгениевна,
доктор технических наук, доцент,
заведующий кафедрой «Безопасность жизнедеятельности и инженерная экология» ФГБОУ ВО «Брянский
государственный аграрный университет».
Официальные оппоненты:
Баранов Юрий Николаевич,
доктор технических наук, доцент,
профессор кафедры «Сервис и ремонт машин»
ФГБОУ ВО «Орловский государственный университет имени И.С. Тургенева»;
Шкрабак Роман Владимирович,
кандидат технических наук, доцент,
заместитель директора Учебно-практического центра
агротехнологий (на правах института) ФГБОУ ВО
«Санкт-Петербургский государственный аграрный
университет».
Ведущая организация:
ФГБОУ ВО «Южно-Уральский государственный
аграрный университет».
Защита состоится 20 сентября 2018 г. в 13 часов 30 минут на заседании диссертационного совета Д 999.085.02 на базе федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Санкт-Петербургский государственный аграрный университет», федерального государственного бюджетного научного
учреждения «Институт агроинженерных и экологических проблем сельскохозяйственного производства» по адресу: 196601, Санкт-Петербург - Пушкин, Петербургское
шоссе, д. 2, (ФГБОУ ВО СПбГАУ, 2-й учебный корпус, ауд. 2.719).
С диссертацией и авторефератом можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВО
«Санкт-Петербургский государственный аграрный университет» и на сайте
http://spbgau.ru
Автореферат разослан «
» ______________ 2018 г.
Автореферат размещен на сайтах: http://vak2.ed.gov.ru, http://spbgau.ru
Ученый секретарь
диссертационного совета
доктор с.-х. наук, доцент
Цыганова
Надежда
Александровна
Общая характеристика работы
Актуальность проблемы. Сегодня российский строительный комплекс активно включился в восстановление основных фондов предприятий, строительство и эксплуатацию дорог. Несмотря на кризисные явления, спрос на строительство в стране, и в АПК, в частности, растет. Однако реализация планов в строительной отрасли возможна лишь при применении в технологических процессах строительства современной высокопроизводительной, надежной и безопасной техники, основу которой
составляют машины с гидроприводом. Гидропривод уже сейчас обеспечивает механизацию и автоматизацию всех основных и вспомогательных
операций. Применение гидропривода имеет ряд преимуществ: малые
массы и габариты, возможность плавного регулирования скорости подъема (опускания) платформы, кузова, рабочих органов, снижение тяжести
труда и обеспечение безопасности операторов. Анализ эксплуатации
строительных машин показал, что рост их числа имеет и негативную сторону – опасность увеличения числа несчастных случаев, связанных с рядом конструктивных недостатков гидропривода. Проблема безопасности
операторов строительных машин с гидроприводом заключается в самопроизвольном опускании (падении) грузовых платформ, элементов рабочего оборудования строительных машин из-за нарушения герметичности
подвижных соединений, конструктивных недостатков крепления гидроцилиндра гидропривода.
Повышение безопасности операторов строительных машин – задача сложная, требующая комплексного решения как на этапе проектирования гидропривода строительных машин, так и в процессе эксплуатации. Сложность проблемы вызывает необходимость оптимизации
конструктивных и эксплуатационных параметров, в первую очередь,
исполнительного гидроцилиндра гидропривода, с использованием математического моделирования.
Степень разработанности темы. Для решения проблемы обеспечения безопасности операторов ученые и инженеры В.С. Шкрабак,
Д.И. Канашка, И.Я. Класмейя, В.П. Махин и другие, разработали
большое число технических устройств, исключающих травмирование
операторов, находящихся в зоне подъема – опускания платформ.
Технические средства безопасности, предотвращающие самопроизвольное опускание (падения) грузовых самосвальных платформ, разработанные: В.С. Шкрабаком А.Р. Арутюняном, А.И. Барановским,
Ветцел Вилхелм, Ю.А. Вишняковым, А.Д. Глушенко, Д.И. Канашка,
А.М. Нестеренко, А.С. Мелик – Саркисьянц, В.С. Смирновым Н.Н.
Тульчинским, А.В. Шаманиным, Н.В. Фирсовым и другими.
Экспериментальным и теоретическим исследованиям надежности
гидроприводов машин посвящены работы ученых: Башты М.Т., Гринчара Н.Г., Ереско А.С., Ереско С.П., Ишуткина Д.М., Лепешкина А. В.,
Михайлова А.А., Мелик - Гайзакова В.И., Наземцева А.С., Осипова
П.Е., Овчаренко М.С., Рыбальченко Д.Е., Раздолина М.В., Самусенко
М.Ф., Фалалеева В.П., Шейнака А.А., Ушакова Л.С., Шкрабака В.С.
Цель исследования. Совершенствование гидропривода строительных машин, применяемых в объектах АПК, обеспечивающее повышение безопасности их операторов.
Для достижения цели поставлены следующие задачи исследования:
1. Исследовать состояние травматизма с тяжелым и летальным исходом в строительной отрасли АПК Брянской области, установить
причины и выявить факторы несчастных случаев, обусловленных неисправностями гидропривода строительных машин.
2. Исследовать причины несанкционированного (аварийного) опускания (падения) самосвальной платформы с гидравлическим приводом
опрокидывающего устройства.
3. Совершенствование и экспериментальное исследование гидропривода строительных машин, применяемых в объектах АПК, обеспечивающее повышение безопасности их операторов.
4. Разработать математическую модель рабочего процесса исполнительного трехсекционного гидроцилиндра двустороннего действия с
механизмом фиксации и программной реализации имитационной математической модели на ПЭВМ.
5. Технико-экономическая оценка эффективности результатов исследований.
Объект исследования. Транспортные средства на базе тракторов
МТЗ с самосвальными прицепами 2 – ПТС - 4, 2 – ПТС - 5, автомобили-самосвалы марок ЗИЛ, КамАЗ, ГАЗ - САЗ, автомобильные самосвальные прицепы. Блокировочные и предохранительные системы
предотвращения несанкционированного (аварийного) опускания (падения) самосвальной платформы.
Предмет исследования. Закономерности изменения конструктивно-технологических параметров и нагрузочные режимы механизмов
гидропривода.
Научную новизну исследования составляют:
– установленные причины несанкционированного (аварийного) опускания (падения) самосвальной платформы транспортных строительных
машин с гидравлическим приводом опрокидывающего устройства;
– разработанная математическая модель динамики рабочего про2
цесса исполнительного трехсекционного гидроцилиндра опрокидывающего устройства самосвальной платформы и численный метод ее
реализации на ПЭВМ;
– обоснованные конструктивные параметры разработанного устройства для регулирования скорости потока жидкости в гидроприводе;
– разработанный алгоритм расчета и обоснованные по критериям
безопасности и эффективности рациональные нагрузочные режимы
исполнительного трехсекционного гидроцилиндра двустороннего действия с механизмом фиксации.
Достоверность результатов и выводов подтверждаются положительными результатами теоретических и экспериментальных исследований, а также производственной проверкой.
Практическую значимость работы составляют:
– разработанный механизм фиксации трехсекционного телескопического гидроцилиндра двустороннего действия – механический
шариковый замок, позволяющий фиксировать самосвальную платформу при нарушении герметичности гидропривода опрокидывающего устройства (патент РФ на полезную модель № 130013 от
01.11.2012 г.);
– компьютерная программа «HYDRAULIC CYLINDER» реализации математической модели динамики рабочего процесса исполнительного гидроцилиндра опрокидывающего устройства;
– разработанное устройство для регулирования скорости потока
жидкости в гидроприводе, обеспечивающего постоянную скорость
опускания платформы при различной нагрузке и фиксацию платформы при отказе гидропривода (патент РФ на полезную модель №
170799 от 10.10.2016г.).
Методология и методы исследования.
Общей методологической основой проведенных исследований является системный подход, позволяющий выявить источники травмирования операторов и конструктивно-технологические недостатки
строительных машин.
Исследования предохранительных и блокировочных систем осуществлялась на основе анализа существующих методик, патентных исследований и литературных источников.
Экспериментальные исследования выполнены с использованием
стандартных и частных методик с применением современных приборов и оборудования. Экспериментальные данные обработаны методами математической статистики с применением компьютерных
программ.
3
Реализация результатов исследований. Результаты исследований
внедрены в производство ОАО «Агрегатный завод» г. Людиново, Калужская область, ОАО «Брянский завод ирригационных машин «ОАО
«Ирмаш», используются в учебном процессе ФГБОУ ВО «Брянский
государственный аграрный университет», ФГБОУ ВО «Брянский государственный технический университет», ФГБОУ ВО «Брянский государственный инженерно – технологический университет».
На защиту по специальности 05.26.01 – охрана труда (АПК)
(технические науки) выносятся следующие основные научные положения:
1. Математическая модель рабочего процесса исполнительного
трехсекционного гидроцилиндра двустороннего действия с механизмом фиксации.
2. Конструктивные параметры и схема разработанного устройства для регулирования скорости потока жидкости в гидроприводе.
3. Алгоритм расчета и рациональные нагрузочные режимы исполнительного трехсекционного гидроцилиндра двустороннего действия с механизмом фиксации.
4. Результаты технико-экономической оценки эффективности результатов исследований.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и одобрены на международных, всероссийских и межвузовских научно-практических конференциях в ФГБОУ ВО «Брянский
государственный аграрный университет» (2009 – 2013, 2014 гг.), Тольяттинском государственном университете (2011 г.), Московском государственном университете путей сообщений (2012 г.), ГНУ Всероссийском научно-исследовательском технологическом институте ремонта и эксплуатации машинно – тракторного парка (2012 г.), ФГБОУ
ВО Санкт – Петербургском государственном аграрном университете
(2013, 2016 гг.). ФГБОУ ВО Брянском государственном техническом
университете (2014, 2016 гг.).
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 23
научные работы, в их числе 7 работ в изданиях, включенных в перечень ВАК РФ, 1 монография, 2 патента на полезную модель, 13 статей
в материалах научных конференций.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5
глав основного текста, заключения, списка литературы, включающего
150 наименований. Работа изложена на 191 страницах основного текста, содержит 73 рисунка, 13 таблиц и приложения на 22 страницах.
4
Содержание работы
Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цели, научная новизна, практическая значимость, основные
положения, выносимые на защиту, а также представлена общая характеристика исследований.
В первой главе “Состояние вопроса, формулировка цели и задачи
исследований” дана оценка состояния проблемы; выполнен обзор исследований в области эксплуатации строительных машин (СМ), выполнен анализ травматизма в строительной отрасли АПК Брянского региона, проведен анализ безопасности операторов транспортных строительных машин (ТСМ); исследованы причины несчастных случаев, связанных с отказами гидропривода строительных машин; выполнен патентный поиск предохранительных и блокировочных систем, предотвращающих неуправляемое (аварийное) опускание (падение) самосвальных
платформ; исследованы методы математического моделирования эксплуатационных параметров исполнительного гидроцилиндра гидравлического опрокидывающего устройства.
В результате исследований установлено, что в строительной отрасли АПК Брянской области более 90% парка строительных машин применяют гидропривод. Исследования травматизма в АПК региона показали, что за период с 2006 по 2016 годы при строительстве объектов
АПК Брянской области пострадали 148 человек, из них 43 погибли.
Распределение пострадавших в строительной отрасли АПК региона,
по годам, представлено на рисунке 1.
Рисунок 1 – Распределение пострадавших по годам
В категории часто травмированных: разнорабочие – 28 человек, операторы строительных машин – 28 человек, инженерно – технические
работники – 14 человек и другие (рис. 2).
Среди 28 операторов пострадавших в строительной отрасли АПК
5
Брянской области, 6 операторов получили смертельную травму. Среди
погибших 5 операторов – мужчины и 1 женщина.
Рисунок 2 – Распределение пострадавших по профессиям
Причинами гибели операторов стали: придавливание кузовом автомобиля самосвала; придавливание платформой самосвального прицепа; падение стрелы автокрана; падение с высоты; опрокидывание автокрана (рис.
3).
16,7%
33,3%
16,7%
16,7%
16,7%
Рисунок 3 – Распределение причин гибели операторов, %:
придавливание кузовом автомобиля – самосвала – 33,3%; придавливание
платформой самосвального прицепа – 16,7%; падение стрелы автокрана – 16,7%;
опрокидывание автомобильного крана – 16,7%; падение с высоты башенного
крана – 16,7%
Исследования несчастных случаев, связанных с техническими причинами, показали, что в результате отказов систем строительных машин произошло 42 (28.4%) несчастных случая, при этом наиболее часто операторы получали травмы в результате неисправностей гидроприводов (60%) (рис. 4).
Распределение неисправностей в системах строительных машин
представлено на рисунке (рис. 5).
6
10%
10%
20%
60%
Рисунок 4 – Анализ неисправностей строительных машин, приведших к
травмам операторов, %: неисправность гидропривода – 60%; рассоединение
узла крепления силового гидроцилиндра – 20%; неисправность рабочего
оборудования – 10%; неисправность кронштейнов крепления
рабочего оборудования – 10%
17%
14%
50%
19%
Рисунок 5 – Распределение неисправностей в системах строительных машин:
гидропривод– 50%; шасси – 19%; двигатель –14%;
элементы механических передач –17%
В гидроприводе наибольший процент неисправностей приходится на
нарушение герметичности, в первую очередь, из-за разрывов гидравлических шлангов, (33,4%), негерметичности уплотнений гидропривода
(16,7%) (рис. 6).
Выполненный методом регрессионного анализа краткосрочный
прогноз динамики транспортного травматизма операторов строительных машин, в строительной отрасли АПК Брянской области, представлен на рисунке 7.
Из данных рисунка 7 видно, что к 2020 году, число пострадавших
операторов ежегодно будет расти.
7
16,5%
33,4%
16,7%
16,7%
16,7%
Рисунок 6 – Распределение неисправностей в гидроприводе:
гидравлические шланги – 33,4%; уплотнения гидропривода – 16,7%;
насос – 16,7%; уплотнения гидроцилиндра – 16,7%;
разрушения трубопроводов – 16,7%
Рисунок 7 – Прогноз травматизма операторов строительных машин, при
строительстве объектов в АПК Брянской области
Изучая проблему безопасности операторов строительных машин, было установлено, что для операторов главную опасность представляют
транспортные строительные машины, в первую очередь автомобили –
самосвалы и самосвальные прицепы, в основном из-за несанкционированного (аварийного) опускания (падения) самосвальной платформы, результатом которого становится тяжелая, а иногда и смертельная травма
оператора. В основном аварийное опускание самосвальной платформы
происходит из-за нарушения герметичности гидропривода опрокидывающего устройства платформы, а также конструктивных недостатков в
узлах крепления гидроцилиндра к раме и платформе.
В настоящее время на транспортных строительных машинах для обеспечения безопасной работы опрокидывающего устройства платформы с
гидроприводом устанавливаются технические устройства безопасности, в
8
виде замедлительных клапанов, однако в процессе эксплуатации они выходят из строя и свои функции не выполняют, что отрицательно влияет на
безопасность операторов.
Автором выполнены патентные исследования устройств безопасности самосвальных платформ, которые позволили разделить эти устройства на блокировочные и предохранительные, так же классифицировать их по назначению, конструкции, принципу защиты.
В настоящее время актуальна проблема расчета основных проектных параметров элементов гидропривода опрокидывающего устройства, на основе исполнительного гидроцилиндра, методом математического моделирования. В частности, изученные автором методы математического моделирования гидроцилиндра основаны на построении
систем дифференциальных уравнений, которые имеют массу допущений и не позволяют с достаточной точностью их решить известными
математическими методами.
Из анализа состояния проблемы, проведенных исследований, полученных результатов, были сформулированы цель и задачи исследования,
представленные выше.
Во второй главе «Теоретические предпосылки повышения безопасности строительных машин совершенствованием их гидропривода» рассмотрены силовые системы строительных машин, функциональные и эксплуатационные принципы построения гидравлических
систем, исследованы факторы, влияющие на безопасность ТСМ; исследованы причины несанкционированного (аварийного) опускания
(падения) самосвальной платформы; рассмотрены проблемы герметичности гидравлических систем.
В процессе исследований установлено, что на строительных машинах применяются различные силовые системы. Наибольший интерес для автора представляют гидравлические системы, как самые
применяемые в эксплуатации. В исследованиях безопасности
строительных машин, эксплуатирующих гидроприводы, было установлено, что более 16,7% неисправностей гидропривода, связано с
разрушением трубопроводов, в первую очередь, связанных с монтажным напряжением. Изгиб трубопровода в результате неточного
монтажа может возникнуть при наличии углового смещения γ ее
оси или радиального смещения δ (рис. 8 а, б).
Мы предлагаем формулу для приближенных расчетов величины
монтажных напряжений, которые могут быть найдены по формуле:
9



 ПЦ ПЦ
δ – исходная монтажная неточность; δПЦ – монтажная неточность,
при которой появляются пластические деформации; σПЦ – предел пропорциональности материала.
а
б
Рисунок 8 – Смещение трубопровода:
а – угловое смещение; б – радиальное смещение
При эксплуатации транспортных строительных машин с гидроприводом существует опасность травмирования оператора в следствии конструктивных недостатков, в узле крепления исполнительного гидроцилиндра «шаровая опора – стопорное кольцо – канавка». Исследование
показало, что рассоединение узлов может произойти при нарушении
точностных размеров в узле крепления гидроцилиндра. Исследовались
ситуации, когда размеры выточки имели минимальное значение и
диаметр стопорного кольца был наибольшим. При таких значениях
размеров узла крепления гидроцилиндра, центр диаметра стопорного
кольца располагается вне центра выточки, что обязательно приводит к
возникновению дополнительных динамических сил, выталкивающих
стопорное кольцо из выточки (рис. 9 а).
Исследование сил, действующих на стопорное кольцо (рис. 9 б),
показало, что запирающие (удерживающие) свойства кольца увеличиваются при значениях (δ), близких к (rK), однако, даже сколь угодно
малые величины осевых сил пытаются вытолкнуть его из канавки.
Проведенные исследования сил, действующих на стопорное кольцо
(рис. 9 б) показали, что в процессе эксплуатации, в узле крепления
возникают малые величины осевых сил, которые пытаются вытолкнуть его из канавки. Кольцо, под воздействием осевых нагрузок, постепенно разрушает (сминает) нижнюю кромку кольцевой канавки, что и
является причиной аварийного рассоединения узла и падения платформы.
10
В
FИН

min
А
,Н
n
 h
i 1
i
где А – энергия необходимая для изменения формы (смятия) заштрихованной области; Δhi – величина "i – го" перемещения сопрягаемых элементов, м; n – число перемещений, шт.
а)
б)
Рисунок 9 – Схема крепления гидроцилиндра
а) схема крепления гидроцилиндра к платформе или раме автомобиля:
А – положение центра кольца при ВZmin; Б – положение центра кольца при
ВZmax,: 1 – стакан, 2 – шаровая головка гидроцилиндра; 3 – стопорное кольцо
б) – расчетная схема сил, действующих на стопорное кольцо
Выполненные автором расчеты показали, что величина
=1018,0 Н.
F
Отметим, что рассоединение узла может происходить и при значительно меньших, но неоднократно повторяющихся за время эксплуатации, величинах осевых нагрузок. При аварийном опускании, а точнее падении, платформы время падения составляет всего от 1 до 2 секунд. За такой промежуток времени, оператор физически не успевает
покинуть опасную зону (под платформой).
Для повышения безопасности ТСМ необходимо обеспечить оптиВ
ИНm in
11
мальное безопасное время подъема – опускания платформы, которое
позволяет оператору быстро покинуть опасную зону (под платформой).
Автор видит, что одним из решений данной проблемы, является замена гидроцилиндра одностороннего действия с шаровыми опорами
крепления на гидроцилиндр двустороннего действия с механизмом
фиксации и ушковым узлом крепления со сферическим шарниром.
Таким образом, рабочая гипотеза повышения безопасности операторов транспортных строительных машин заключается в фиксации самосвальной платформы при отказе гидропривода, с помощью предохранительных и блокировочных систем, срабатывание которых не зависит от
работоспособности гидропривода и не требует постороннего вмешательства оператора.
В третьей главе «Программа и методики экспериментальных исследований» представлена программа и методики исследований технических средств безопасности. Программой проведения исследований
предусмотрено:
– всесторонний анализ травматизма операторов транспортных
строительных машин в системе «оператор – машина – среда»
– изучение существующих технических средств безопасности самосвальных платформ транспортной строительной техники;
– теоретическое обоснование направлений снижения травмоопасности транспортных строительных машин;
– теоретическое обоснование и экспериментальные исследования
конструкций предохранительных и блокировочных систем для платформ транспортных строительных машин.
Для обработки полученных результатов использовался статистический и вероятностный методы, а также пакет MS Excel .
В четвертой главе «Результаты исследований» приведены результаты
исследования надежности и безопасности силовых систем строительных
машин; приведены результаты исследования разработанного автором силового гидроцилиндра с механизмом фиксации – механическим шариковым
замком; разработана имитационная математическая модель исследования
трехсекционного гидроцилиндра двустороннего действия и программное
обеспечение ее реализации на ПЭВМ; приведены результаты исследования
разработанного автоматического регулятора расхода жидкости.
Автором, для гидравлического опрокидывающего устройства самосвальных платформ, разработан силовой гидравлический трехсекционный телескопический цилиндр двустороннего действия механизмом фиксации – механическим шариковым замком и узлами крепления типа
«ухо» (патент №130013, рис. 10). Механический шариковый замок ци12
линдра обеспечивает фиксацию платформы при нарушении герметичности гидропривода.
Рисунок 10 – Схема гидравлического цилиндра:
1 – корпус; 2 – поршень; 3 – шток; 4, 19 – шарики; 5 – соединительная гайки;
6 – кольца замка; 7 – распорный цилиндр; 8, 18 – пружина; 9 – запорный цилиндр, 10 – направляющие секций штока; 11, 14 – ушковое соединение;
12 – контргайка; 13 – уплотнительное резиновое кольцо; 15 – гайка;
16 – сферический шарнир; 17 – выточка кольца замка; 20 – полость под распорным цилиндром; 21, 22 – штуцеры
Надежность работы шарикового замка зависит от многих факторов,
среди которых важными являются диаметр шариков сепаратора и размер сферической выточки кольца замка, радиус которой можно рассчитать следующим образом.
Замок работает с максимальной надежностью, если центры шарика
и радиуса выточки лежат на одной прямой. Задаемся углом α положения точки К контакта замка из этого условия (рис. 11).
α
Рисунок 11 – Схема шарикового замка:
1 – распорный цилиндр; 2 – шарик; 3 – кольцо замка.
Р – сила, развиваемая платформой с грузом; Н, N, Т – реакции на действие силы
где r – радиус шарика, мм; α – угол положения точки К; δ – зазор
между серединой выточки кольца замка, шариком и стенкой распорного цилиндра, мм. R – радиус выточки шарикового замка, мм
13
Выполненные расчеты показали, что для безотказной работы механического шарикового замка, радиус выточки должен быть не менее
R > r +1,7 , мм.
В экспериментальном варианте, вероятность безотказной работы
механического шарикового замка составила 0,98.
В настоящее время актуальна проблема расчета основных проектных
параметров гидравлического опрокидывающего устройства, на основе
исполнительного гидроцилиндра. Автором разработана имитационная
математическая модель динамики рабочего процесса телескопического
трехсекционного гидроцилиндра двустороннего действия с механизмом
фиксации – механическим шариковым замком (рис. 12).
Рисунок 12 – Расчетная схема имитационной математической модели
Уравнение равновесия сил действующих при работе подвижных
элементов исполнительного гидроцилиндра имеет вид:
FДВ – FИН – FЖ – FТР – FЗ – FГС = ±Fн
где: FДВ – движущая сила, Н; FИН – сила инерции подвижных масс, Н;
FЖ – сила гидравлических сопротивлений течению жидкости, Н;
F ТР – сила трения в направляющих скольжения и уплотнениях, Н;
FЗ – сила затраченная на открытие механического замка первой и второй секций, Н; FГС = сила гидравлических сопротивлений от дросселирования рабочей жидкости, Н; FH – сила от нагрузки, приложенной к креплению подвижного элемента исполнительного гидроцилиндра, Н.
На основе разработанной имитационной математической модели разработана программа ее реализации «HYDRAULIC CYLINDER», которая
может быть положена в основу математического обеспечения САПР.
Начало блок – схемы алгоритма программы и представлены на рисунке 13.
Программа «HYDRAULIC CYLINDER» уже на этапе проектирования позволит определять работоспособность и нагрузочный режим
исполнительных гидроцилиндров опрокидывающих устройств, позволит повысить качество принимаемых проектных решений.
14
Рисунок 13 – Начало блок – схемы алгоритма программы
Автором разработано устройство (патент №170799) для регулирования скорости потока жидкости в гидроприводе, который обеспечивает постоянное время опускания грузовой самосвальной платформы
при различной внешней нагрузке, а также фиксацию платформы в
поднятом положении при нарушении герметичности гидропривода (рис. 14).
Рисунок 14 – Устройство для регулирования скорости потока жидкости в
гидроприводе: 1 – корпус; 2 – клапан, 3 – крышка со штуцером, 4 – втулка,
5 – пружина, 6 – крышка; 7 – гайка с шайбой, 8 – штуцер, 9 – дроссельный канал
15
Для исследования характеристик устройства для регулирования
скорости потока жидкости в гидроприводе была разработана методика
исследований, которая была проведена в два этапа. На первом этапе
характеристики разработанного автоматического регулятора исследовались на прицепе 2ПТС – 4.
Результаты исследования устройства для регулирования скорости
потока жидкости в гидроприводе приведены в таблице 1. Исследования проводились в сравнении с техническими устройствами безопасности самосвальных платформ, применяемыми в настоящее время.
Таблица 1 – Время опускания платформы прицепа
Примечание: l – устройство для регулирования скорости потока жидкости
в гидроприводе; 2 – замедлительный клапан; 3 – калибровочное отверстие.
Как видно из таблицы 1, установка разработанного устройства для
регулирования скорости потока жидкости в гидроприводе позволяет
обеспечить, в отличие от сравниваемых устройств, постоянное время опускания платформы при различной нагрузке. Расхождение
фактического t Ф = 54,1 с и расчетного tР = 56,4 с времени опускания
платформы не превышает 2,3 с, т.е. 4,25%.
Второй этап исследования характеристик устройства для регулирования скорости потока жидкости в гидроприводе, сводился к вопросу
фиксации платформы при разгерметизации гидропривода опрокидывающего устройства (обрыва шланга). Фиксация платформы осуществляется следующим образом. При обрыве шланга, давление на выходе из
штуцера 8 падает до нуля, клапан 2, сжимая пружину 6, сдвигается
вправо, при этом клапан 2 садится в седло клапана корпуса 1, перекрывая проход рабочей жидкости, фиксируя платформу в приподнятом положении.
Исследования фиксации платформы проводились на оборудованной стендовой установке.
Исследования позволили дать заключение о работоспособности и
эффективности разработанного устройства для регулирования скоро16
сти потока жидкости в гидроприводе, предотвращающего самопроизвольное (аварийное) опускание (падение) платформы транспортных
строительных машин.
В пятой главе «Внедрение. Экономическая оценка эффективности
результатов исследований» представлены организации в которые внедрены результаты исследования, выполнен расчет экономической эффективности от внедрения разработанного исполнительного гидроцилиндра опрокидывающего устройства.
Результаты исследований внедрены в производство ОАО «Агрегатный завод» г. Людиново Калужской области, ОАО «Брянский завод
ирригационных машин» («ОАО «Ирмаш»), Брянской области, используются в учебном процессе ФГБОУ ВО «Брянский государственный
аграрный университет», ФГБОУ ВО «Брянский государственный технический университет», ФГБОУ ВО «Брянский государственный инженерно – технологический университет».
Ожидаемый экономический эффект от установки разработанного
гидроцилиндра на 100 автомобилей – самосвалов составит 10689154,6
руб. При расчете эффективности приняты средние затраты за 10 лет на
100 автомобилей-самосвалов, в случае несчастного случая связанного
с гибелью водителя по причине отказа гидропривода.
Заключение
1. Результаты исследования травматизма в строительной отрасли
АПК Брянской области показали, что за период с 2006 по 2016 год,
пострадали 148 человек, при этом 43 человека получили смертельную
травму. Основными пострадавшими стали операторы строительных
машин – 28 человек, из них 6 операторов погибли. Установлено, что
основным травмирующим фактором операторов строительных транспортных машин стали отказы гидропривода – 50%. Выявлено, что в
гидроприводе большинство отказов связано с нарушением герметичности, при этом 33,4% отказов приходится на гидравлические шланги,
16,7% на разрушения трубопроводов.
2. Исследованные причины аварийного опускания самосвальной
платформы позволяет констатировать, что крепежные элементы силового узла крепления гидроцилиндра, выполненные в виде пружинного
кольца круглого сечения и канавки, не способны выполнять запирающих функций при условии воздействия на них осевых нагрузок. Установлено, что осевая нагрузка колеблется в широких приделах в зависимости от конструктивных параметров узла крепления. Установлена
17
величина осевой нагрузки на стопорное кольцо, исследованного узла,
при которой может произойти рассоединения узла крепления гидроцилиндра, равная 1018,0 Н.
3. Усовершенствован механизм гидропривода строительных машин, обеспечивающий безопасность их операторов, заключающийся в
разработке механического шарикового замка в силовом телескопическом трехсекционном гидроцилиндре двустороннего действия гидравлического опрокидывающего устройства самосвальной платформы,
устройства для регулирования скорости потока жидкости в гидроприводе, обеспечивающие фиксацию самосвальной платформы, при отказе опрокидывающего устройства платформы с гидравлическим приводом. Исследования показали, что механический шариковый замок
обеспечивает фиксацию платформы в приподнятом положении с вероятностью равной 0,98. Установлено, что разработанное устройство для
регулирования скорости потока жидкости в гидроприводе обеспечивает постоянное время опускания платформы независимо от величины
внешней нагрузки. Результаты экспериментальных исследований подтвердили его работоспособность, расхождение фактического tФ = 54,1
сек. и расчетного tР = 56,4 с времени опускания платформы не превышает 2,3 сек, т.е. 4,25%.
4. Разработана математическая модель рабочего процесса с программной реализацией «HYDRAULIC CYLINDER», которая позволит на этапе
проектирования определять работоспособность и нагрузочный режим
исполнительных гидроцилиндров опрокидывающих устройств, повысить
инвариантность и качество принимаемых проектных решений. Адекватность модели проверялась по критериям Фишера и t-критерию Стьюдента. Полученные значения F-критерия, равное 44,59, t-критерия, равное
6,67, говорят о положительном результате.
5. Совершенствование гидропривода обеспечит высокую эффективность строительных машин за счет повышения безопасности работы их операторов. Ожидаемый экономический эффект только от установки разработанного гидроцилиндра на 100 автомобилей – самосвалов составит 10689154,6 руб. При расчете эффективности приняты
средние затраты за 10 лет на 100 автомобилей-самосвалов, в случае
несчастного случая связанного с гибелью водителя по причине отказа
гидропривода.
Перспективы дальнейшей разработки темы. Совершенствование
систем гидропривода мобильных сельскохозяйственных агрегатов с
учетом автоматизации непрерывного допускового контроля парамет18
ров с целью предупреждения аварийных ситуаций при выполнении
производственных процессов.
Основные положения диссертации опубликованы в следующих
работах:
публикации в изданиях, включенных в перечень ВАК РФ
1. Кузнецов, А.А. Гидроцилиндр двухстороннего действия с механическим шариковым замком [Текст]/ А.А. Кузнецов, Е.Н. Христофоров, Н.Е.
Сакович // Тракторы и сельхозмашины. – №5. – 2011. – С. 39 – 42.
2. Кузнецов, А.А. Обеспечение безопасности операторов самосвальных грузовых платформ [Текст]/ А.А. Кузнецов, Е.Н. Христофоров,
А.Ф. Ковалев //Инновации в техническом сервисе.– М.: Научные труды ГНУ ГОСНИТИ, т. 111 ч.2, 2013. – С. 166 – 170.
3. Кузнецов, А.А. Современный уровень надежности гидроприводов
гидрофицированных машин [Текст]/ А.А. Кузнецов, Е.Н. Христофоров, А.Ф. Ковалев // Инновации в техническом сервисе.– М.: Научные
труды ГНУ ГОСНИТИ, т. 111 ч.2, 2013.. – С. 171 – 176.
4. Кузнецов, А.А. Обеспечение надежности гидроприводов гидрофицированных машин [Текст] / А.А. Кузнецов, Е.Н. Христофоров, А.Ф.
Ковалев //Тракторы и сельхозмашины. – №1. – 2013. – С. 32 – 34.
5. Кузнецов, А.А. Повышение безопасности гидроприводов самосвальных платформ [Текст] / А.А. Кузнецов, Е.Н. Христофоров, А.Ф.
Ковалев //Сельский механизатор. – №2. – 2013. – С. 36 – 37.
6. Кузнецов, А.А. Имитационная математическая модель рабочего
процесса исполнительного гидроцилиндра с механизмом фиксации
[Текст] / А.А. Кузнецов, Е.Н. Христофоров, Н.Е. Сакович, Ю.В. Беззуб
//Вестник БГТУ. – №3. – 2014. – С. 165 – 170 .
7. Кузнецов, А.А. К вопросу несанкционированного опускания (падения) грузовых платформ и рабочих органов строительных машин
[Текст] / А.А. Кузнецов, Е.Н. Христофоров, Н.Е. Сакович, Ю.В. Беззуб
//Вестник БГТУ. – №1. – 2016. – С. 106 – 112.
монографии
8. Кузнецов, А.А. Системный анализ и моделирование проблем обеспечения безопасности транспортно – технологических процессов в
агропромышленном производстве [Текст]: Монография /А.А. Кузнецов, Е.Н. Христофоров, Н.Е. Сакович и др.– Брянск: Изд-во ФГБОУ
ВО «Брянский государственный аграрный университет», 2015. – 509 с.
ISBN 978-5-88517-239-4.
19
патенты
9. Пат. № 130013 Российская Федерация, МПК F15B15/26. Силовой гидроцилиндр /А.А. Кузнецов, Е.Н. Христофоров, Н.Е. Сакович, А.Ф. Ковалев,
Ю.В. Беззуб; заявитель и патентообладатель – ФГБОУ ВПО «Брянская
государственная сельскохозяйственная академия». – №2012146688/06 заявл. 01.12.2012 опубл. 10.07.2013. – 8 c. – RU 130 013 U1
10. Пат. № 170799 Российская Федерация, МПК В60Р 1/06. Устройство для регулирования скорости потока жидкости в гидроприводе /А.А.
Кузнецов, Е.Н. Христофоров, Н.Е. Сакович, М.Ю. Николаев; заявитель и
патентообладатель – ФГБОУ ВО «Брянский государственный аграрный университет». – №2016139960 заявл. 10.10.2016 опубл.
11.05.2017. – 8 c. – RU 170 799 U1
публикации в материалах научных конференций
11. Кузнецов, А.А. Конструкция гидроцилиндра, предотвращающая самопроизвольное опускание самосвальной платформы [Текст] / А.А. Кузнецов //
Конструирование, использование и надежность машин сельскохозяйственного назначения. – Брянск: Изд-во Брянская ГСХА, 2010. – С. 14 – 17.
12. Кузнецов, А.А. Силовой гидроцилиндр как средство безопасности саморазгружающейся техники [Текст] / А.А. Кузнецов, Е.Н. Христофоров // Конструирование, использование и надежность машин сельскохозяйственного назначения. – Брянск: Изд-во Брянская ГСХА, 2011. –
С. 178 – 180.
13. Кузнецов, А.А. Анализ требований безопасности предъявляемых
к саморазгружающейся технике при ее эксплуатации и техническом
обслуживании [Текст] / А.А. Кузнецов, Е.Н. Христофоров // Конструирование, использование и надежность машин сельскохозяйственного назначения. – Брянск: Изд-во Брянская ГСХА, 2011. – С. 184 – 186.
14. Кузнецов, А.А. Обеспечение безопасной эксплуатации самосвальных платформ машин и прицепов [Текст] / А.А. Кузнецов, Е.Н.
Христофоров //Экология и безопасность жизнедеятельности промышленно – транспортных комплексов. – Тольятти.: Изд. Тольяттинский
ГУ, 2011. – С. 132 – 136.
15. Кузнецов, А.А. Анализ существующих механических средств
предотвращения самопроизвольного опускания грузовых платформ
[Текст]/А.А. Кузнецов // Проблемы энергосбережения, информации и
автоматизации, безопасности и природопользования в АПК. – Брянск:
Изд – во Брянская ГСХА, 2012. – С. 60 – 65.
16. Кузнецов, А.А. Анализ человеко – машинных систем по воздействию факторов на безопасность и работоспособность оператора
20
[Текст] / А.А. Кузнецов // Проблемы энергосбережения, информации и
автоматизации, безопасности и природопользования в АПК. – Брянск:
Изд – во Брянская ГСХА, 2012. – С. 65 – 74.
17. Кузнецов, А.А. Уплотнения гидроцилиндров [Текст] / А.А. Кузнецов // Проблемы энергосбережения, информации и автоматизации,
безопасности и природопользования в АПК. – Брянск: Изд – во Брянская ГСХА, 2012. – С. 75 – 77.
18. Кузнецов, А.А. Определение числа цилиндров и их рабочего хода
[Текст]/А.А. Кузнецов // Проблемы энергосбережения, информации и
автоматизации, безопасности и природопользования в АПК. – Брянск:
Изд – во Брянская ГСХА, 2012. – С. 78 – 80.
19. Кузнецов, А.А. Теоретическое обоснование путей повышения
безопасности операторов сельскохозяйственных самосвальных транспортных средств [Текст]/А.А. Кузнецов // Проблемы энергосбережения, информации и автоматизации, безопасности и природопользования в АПК. – Брянск: Изд – во Брянская ГСХА, 2012. – С. 81 – 84.
20. Кузнецов, А.А. Обзор конструктивных схем устройств замедления жидкостного потока используемых в гидроприводах сельскохозяйственных машин [Текст]/А.А. Кузнецов, Н.Е. Христофоров, А.Ф.
Ковалев// Вестник ФГОУ ВПО «Брянская ГСХА» №6. – Брянск: Издво Брянской ГСХА– 2012 – С. 36 – 39.
21. Кузнецов, А.А. Современный уровень надежности гидроприводов
строительных и дорожных машин [Текст] / А.А. Кузнецов, Н.Е. Христофоров, А.Ф. Ковалев // Вопросы экономики. Информационные технологии. Экология и безопасность в техносфере. Бюллетень научных работ
№2 – Москва: Изд-во. Московского ГУПС (МИИТ). – 2012. – С. 70 – 74.
22. Кузнецов, А.А. Повышение надежности гидроприводов гидрофицированных машин применяемых в сельском хозяйстве [Текст] / А.А.
Кузнецов, А.Ф. Ковалев // Научное обеспечение развития АПК в условиях реформирования. – С-Пб.: ФГОУ ВПО С-ПбГАУ, 2013. – С. 64.
23. Кузнецов, А.А. Анализ ситуаций возникающих при работе на транспортной сельскохозяйственной самосвальной технике [Текст]/А.А. Кузнецов, Н.Е. Христофоров, А.Ф. Ковалев// Вестник ФГОУ ВПО «Брянская
ГСХА» №2. – Брянск: Изд-во Брянская ГСХА– 2013 – С. 30 – 33.
21
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа