1 Анализ состояния вопроса
1.1 Область применения и конструкция УМП
Малогабаритный погрузчик с бортовым поворотом предназначен для выполнения землеройно-транспортных работ на грунтах I-II категории, производства строительно-монтажных и ремонтных работ, механизации погрузочно-разгрузочных работ с сыпучими (песок, гравий, щебень, зерно, минеральные удобрения и т.д.), кусковыми (камень, керамика, корнеплоды и т.д.), вязкими (глина, минеральные удобрения), длинномерными (труба, древесина и др.) и объемными (лен, сенаж, солома и др.) материалами.
Погрузчик может быть использован в промышленном, гражданском и дорожном строительстве, в коммунальном и сельском хозяйстве, в портах, аэропортах, на железнодорожном транспорте и других областях.
Конструкция УМП включает в себя заднее расположение двигателя на сварной раме хребтового или лестничного типа, в лонжеронах которой размещаются гидрообъемная трансмиссия, насос и распределитель гидропривода рабочего оборудования, бортовые передачи, баки для топлива и рабочей жидкости.
Такое расположение силовых агрегатов служит противовесом грузоподъемной силе и обеспечивает устойчивость машины. Также, к раме крепится кабина оператора, оснащенная устройствами защиты и панелью приборов для контроля основных функций машины, органов управления трансмиссией и рабочим оборудованием. Общий вид погрузчика (Рис. 1.1).
Гидрообъемная ходовая трансмиссия обеспечивает независимый привод каждого борта машины и плавное регулирование скорости движения погрузчика. При изменении скорости вращения пары колес одного борта по отношению к другому обеспечивается бортовой поворот машины.
При вращении бортовых пар колес в противоположные стороны осуществляется разворот машины на месте. Малогабаритные погрузчики способны совершать бортовой разворот на месте на 180° с загруженным ковшом. Возможность выезда погрузчика с загруженным ковшом из стесненной зоны, задним ходом позволяет использовать эти машины при ширине проезда не более 2 м.
Рисунок 1.1 – Малогабаритный погрузчик с бортовым поворотом:
1 – силовая установка; 2 – рама; 3- ходовая часть; 4 – ковш; 5 – кабина;
6 – гидроцилиндры подъёма стрелы и ковша.
Таким образом одним из основных достоинств конструктивной схемы УМП является высокая маневренность, характеризующаяся способностью разворота в пределах своего максимального габарита по длине. Эффективность осуществления поворота посредством проскальзывания колес в основном зависит от следующих факторов: отношения между шириной колеи к расстоянию между осями и параметра распределения массы УМП по осям. В незагруженном положении примерно 70 % массы УМП приходится на заднюю ось и 30 % - на переднюю. При этом погрузчик поворачивается вокруг задней оси. В загруженном положении перераспределение имеет обратный характер: 70 % массы на переднюю ось и 30 % на заднюю. Центр поворота смещается в сторону более загруженной оси.
В базовом исполнении погрузчик поставляется с основным ковшом, но в действительности существует большое количество сменных рабочих органов (около 70 наименований). Этот фактор стал еще одним преимуществом, так как машина, имеющая такой спектр оборудования, может удовлетворить почти любые потребности. Вот одни из основных рабочих органов [1]:
? Шнековый бур. Предназначен для бурения отверстий в любых грунтах.
? Бетоносмеситель гравитационный. Предназначен для приготовления бетонной смеси.
? Траншеекопатель. Предназначен для различных работ при рытье траншей.
? Траншейный уплотнитель. Предназначен для уплотнения почвы после прокладки теплотрасс, водопроводных или канализационных труб в траншеях.
? Триммер. Предназначен для обрезания растительности.
? Циркулярная пила. Предназначена для резки асфальта, бетона и промерзших грунтов.
? Снегоочиститель. Предназначен для уборки тротуаров и проезжей части от снега.
? Щетка. Предназначена для быстрой и эффективной уборки сырой и засохшей грязи, легкого снега и мусора.
? Гидромолот. Предназначен для рытья траншей, сноса бетонных конструкций и землеройных работ.
? Каток. Предназначен для уплотнения грунта и ямочного ремонта асфальтового покрытия.
? Экскаватор. Предназначен для рытья ям, котлованов траншей и других землеройных работ.
? Отвал. Предназначен для послойного копания и перемещения на небольшие расстояния различного грунта, а также применяется при уборке снега и мусора.
? Ковш. Существует много разновидностей ковшей, но у них всех примерно одно назначение – расчистка площадок и погрузочные работы сыпучих материалов.
Все рабочие органы навешиваются на стрелу с помощью специальных быстросъёмных устройств, управляемых автоматизированно или фиксируемых вручную. В качестве дополнительного оборудования УМП могут снабжаются гусеницами, обеспечивающими повышенное тяговое усилие, управляемость машины и проходимость в любое время года.
1.2 Обзор фирм – производителей УМП
Ведущую роль в мире по производству УМП занимает компания Bobcat, которой приходится более 50% мирового рынка УМП. Среди производителей УМП у Bobcat (рисунок 1.2) наиболее широкий модельный ряд - 11 моделей грузоподъемностью от 318 до 1400 кг.
В основном на машинах применяются двигатели «Kubota» мощность которых сообразно грузоподъемности составляет 22-83 л.с.
Компания производит около 60 типов навесного оборудования собственного производства. Для мини-погрузчиков «Bobcat» предлагает более 50 видов быстросменных навесных оборудований, среди которых представлено такое навесное оборудование: двухчелюстной ковш, вирброкаток, фрезы для резки природного камня, бетона или асфальта, бетононасос, измельчитель пней, подметальная щетка с бункером, грейдер, кусторез, пересадчик деревьев, грабли и т.д.
Рисунок 1.2 – Мини-погрузчик «Bobcat»
Компания «Locust» (Словакия) выпускает модели «Locust L 752» грузоподъемностью 750 кг, «Locust L 1203» (рисунок 1.3) грузоподъемностью 1200 кг, «Locust L 853» и «L 903» грузоподъемностью соответственно 850 и 900 кг. Погрузчики «Locust» обладает современным удобным дизайном: высокая дверь вместо типового «танкового» люка, легкое и острое управление джойстиками с сервоприводом, гидропривод с LUDV-системой распределения потока независимо от давления нагрузки и зубчатая бортовая передача вместо цепной. Ассортимент сменного оборудования расширен, прежде всего за счет второго, дополнительного гидроконтура навесного оборудования, позволяющего использовать сложную гидрофицированную навеску – экскаватор, грейдер и т. п. Для «Locust» доступны основной ковш, поворотный отвал, снегоуборщик (аналогичен МКСМ) и дорожная щетка в зимнем исполнении.
Рисунок 1.3 – Мини-погрузчик «Locust»
«Caterpillar» предлагает 10 моделей погрузчиков грузоподъемностью от 635 до 1225 кг, с двигателями мощностью 51-80 л.с. Заслуживает внимания тот факт, что сменные рабочие органы, которых около полутора десятков наименований, имеют модификации, различающиеся рабочими параметрами. Таким образом, количество вариантов навесок увеличивается в несколько раз.
Мини-погрузчики «Cat» (рисунок 1.4) стали образцом для подражания по комфортности, обзорности и удобству управления, благодаря воплощенным в них инновационным инженерным решениям. К ним относятся герметичная кабина с избыточным давлением, сиденье с пневматической подвеской и регулируемыми джойстиками, усовершенствованный дисплей, обеспечивающий вывод на экран настроек чувствительности рабочего оборудования, а также подрессоривание рабочего оборудования в зависимости от скорости движения.
Мини-погрузчики «Bobek» (рисунок 1.5) чешской фирмы «Novotny» выпускаются трех моделей , грузоподъемностью 800, 1000 и 1200 кг.
Машины комплектуются сменными рабочими органами и устройством для их быстрой замены. На них применяются двигатели «Zetor» и гидравлика «Bosch-Rexroth».
Рисунок 1.4 – Мини-погрузчик «Сat»
Рисунок 1.5 – Мини-погрузчик «Bobek»
Выпуск УМП в России началось в 1991 году, когда Курганмашзавод начал производство лицензионных минипогрузчиков МКСМ–800 (рисунок 1.6) грузоподъемностью 800 кг. Прообразом МКСМ-800 стал UNC 060 словацкого предприятия «ZTS Detva». В дополнение к базовому словацкому двигателю «Zetor» жидкостного охлаждения МКСМ-800 может быть укомплектован немецким воздушным мотором «Hatz». Помимо большей мощности, 53 л.с. против 46 л. с, он обладает втрое большим ресурсом (18000 моточасов). МКСМ-800 обладает довольно внушительным ассортиментом навесного оборудования, в числе которого несколько типов ковшей, поворотный отвал, приспособления для зимнего и летнего содержания дорог, вилы, буровое оборудование, бетоносмеситель, ковшовое и траншейное экскаваторное оборудование и еще ряд опций. Основной ковш МКСМ–800 имеет объем 0,5 куб.м. и ширину 1730 мм. Есть возможность оснащения съемными гусеницами.
Рисунок 1.6 – Мини-погрузчик МКСМ
Другим Российским изготовителем УМП является «Уралвагонзавод» (УВЗ), в котором производится погрузчики ПУМ-500 (рисунок 1.7) грузоподъемностью 500 кг. Этот погрузчик с 30-сильным двигателем Владимирского моторотракторного завода и с двигателем «Hatz» мощностью 32л.с. Вторая модель, выпускаемая УВЗ, ПУМ-800 грузоподъемностью 800 кг.
Рисунок 1.7 – Мини-погрузчик ПУМ
Выпуск универсальных малогабаритных погрузчиков «Уралвагонозавод» приостановлен с 2012 года, но они продолжают активно перемещаться по Российскому рынку строительно-дорожной техники.
Универсальные малогабаритные погрузчики с бортовым поворотом (УМП) изобретены и внедрены в практику выполнения транспортно-технологических операций с середины ХХ в. В России применение УМП активно началось с 1990-х гг., что связано с появлением и развитием рыночных отношений и необходимостью модернизации промышленного сектора экономики. Данный тип минимашин (рисунок 1.8) является высокоэффективным средством механизации ручного труда для малых объемов работ на различных рассредоточенных объектах, где УМП составляют конкуренцию машинам средней и большой мощности.
Рис. 1.8 – Универсальный малогабаритный погрузчик «Соболь»
(разработка Сибирского федерального университета
и Красноярского завода прицепной техники)
объемов работ на различных рассредоточенных объектах, где УМП составляют конкуренцию машинам средней и большой мощности.
1.3 Анализ существующих конструкций движителей
Устройство, преобразующее энергию двигателя или внешнего источника, через взаимодействие со средой (по суше, по воде, по воздуху), в полезную работу по перемещению транспортного средства называется движителем.
Исследуемые погрузчики перемещаются по суше и в основном используют следующие виды движителей: колесные, гусеничные полугусеничные или гибридные. Для анализа конструктивных особенностей этих видов, был произведен обзор научных работ, в которых рассматриваются их достоинства и недостатки.
1. Погрузчик с бортовым поворотом.
На Рис. 1.9 представлен погрузчик с бортовым поворотом и колесным типом движителя. Данный вид техники обладает более высокой скоростью перемещение (от 12 до 19 км/ч) по сравнению с гусеничными погрузчиками, скорость которых составляет всего 12,5 км/ч. К преимуществам можно отнести способность перемещения с одного участка на другой, так как погрузчик с бортовым поворотом может добраться своим ходом, а вот гусеничной мини технике потребуется вызывать помощь. Кроме того, обслуживание колесных погрузчиков проще, а ресурс колес выше, чем у гусениц, устанавливаемых на данный вид машин. Но также присутствуют и недостатки данной конструкции. Отсутствие управляемых колес и обеспечение поворота машины за счет рассогласования скоростей вращения движителей правого и левого бортов влечет за собой их чрезмерное скольжение и вполне вероятное опрокидывание. Также, исследование данного вопроса показало, что существующие методики расчётов, рассматривают в основном только статическую устойчивость, которой явно недостаточно для полного описания рабочего процесса машины при ее перемещении. Вследствие чего эксплуатационная производительность машин такого типа до 25 % ниже расчётной, что существенно снижает эффективность их работы [1].
Рис. 1.9 – Погрузчик с бортовым поворотом
2. Гусеничный погрузчик.
Главное преимущество гусеничных погрузчиков (Рис. 1.10) – это их проходимость. Гусеница позволяет уверенно перемещаться по любым типам грунтов. Более высокое тяговое усилие и меньшее удельное давление на поверхность благодаря широкому пятну контакта идеально подходит для работ практически на любом ландшафте. Стоит отметить, что опрокидывающая нагрузка у гусеничной машины выше, чем у колесных погрузчиков с бортовым поворотом.
Рис. 1.10 – Гусеничный погрузчик
3. Флюгерные движители.
Изобретение относится к транспортному машиностроению, а именно к универсальным тракторам, применяемым в промышленности, строительстве и сельском хозяйстве. Трактор (Рис. 1.11) содержит остов, состоящий из жестко соединенных друг с другом полурамы 1, двигателя 2, корпусов муфты сцепления 3, коробки передач 4 заднего моста 5 с фрикционными механизмами поворота и тормозами и конечных передач 6. Полурама 1 оснащена местами для крепления гусеничной ходовой системы, выполненных в виде кронштейнов 7 и местами крепления сельскохозяйственных машин и другого рабочего оборудования, выполненных в виде крепежных отверстий 8 для болтов. Корпус заднего моста 5 также оснащен местом для крепления гусеничной ходовой системы 9, выполненным в виде бугельного соединения. На выходных валах 10 конечных передач 6 установлены ведущие пневматические колеса 11 (установлены вместо ведущих колес гусеничной ходовой системы). На кронштейне 12, оснащенном осью 13 и прикрепленном к полураме 1 посредством болтов и гаек с использованием отверстий 8, прикреплен с возможностью поворота вокруг горизонтальной продольной оси 13 балансирный колесный мост 14 с самоустанавливающимися (флюгерными как у коляски для инвалидов) пневматическими колесами 15. Колеса 15 закреплены на кронштейнах 16 с возможностью свободного поворота вокруг вертикальной оси 0-0 на 360о относительно моста 14.
Недостаток машин с данным типом движителя заключается в том, что флюгерные колеса на неровностях поверхности пути входят в режим автоколебаний, а разворот на месте совершается с заторможенным ведущим колесом одного из бортов, что приводит к сгруживанию рыхлой почвы.
Рис. 1.11 – Рабочая машина с флюгерными колесами
Недостаток также в том, что во время движения машины при повороте возникает разрыв потока мощности на одном из бортов. Поэтому, если равнодействующая сопротивления движению смещена за габарит колеи, то рабочая машина поворачивается в противоположную сторону от той, которой соответствует позиция органов управления поворотом. Для транспорта это достаточно опасный маневр, а также нежелательный прецедент при междурядной культивации пропашной культуры [5].
4. Полугусеничный тип движителя.
С развитием производства колесных и гусеничных машин инженеры всегда пытались совместить колесный и гусеничный движители, сохранив простоту конструкции, надежность и высокие скоростные качества колесной машины с хорошей проходимостью и тяговитостью гусеничной. Однако помимо вышеупомянутых преимуществ, такие гибриды имели существенные недостатки, из-за чего многие созданные полугусеничные машины так и не дошли до массового производства.
Работы по созданию вездеходов с использованием гусеничного шасси были начаты в 1910 году изобретателем Адольфом Кегрессом. Он предложил для повышения проходимости по снежному покрову и в условиях болот вместо ведущих колёс заднего моста использовать гусеницы (Рис. 1.12). Нагрузка от задней части кузова распределяется набором опорных катков, что создает малое удельное давление на поверхность. Тяговое усилие от ведущих катков к резиновой гусеничной ленте передавалось не зацеплением, а трением. Резиновая лента, по длине которой нагрузка распределялась набором опорных катков, создавала малое удельное давление на снег. Такая конструкция отличалась своей простотой и вполне удовлетворительной ездой по снегу. Однако ей были присущи серьезные недостатки, одним из которых было накопление снега между гусеницей и катками.
В настоящее время полугусеничные машины, сделанные по типу движителя Кегресса, не серийно выпускаются, однако идея использования гусениц на колесных машинах существует, поскольку снижение удельного давления на грунт и увеличение площади опорной поверхности значительно повышают проходимость и тяговое усилие машины.
Рис. 1.12 – Автомобиль, оснащенный движителем Кегресса
5. Гибридный тип движителя.
В настоящее время гусеницы, надевающиеся на пневмоколесный движитель, нашли широкое применение в строительной технике. Колесные погрузчики с бортовым поворотом (Рис. 1.13) стали объектом пристального внимания изобретателей и рационализаторов. Благодаря отсутствию поворотных колес оказалось возможным решить задачу использования гусениц без серьезных вмешательств в ходовую часть. Наиболее доступным способом повышения проходимости и тягового усилия стало оснащение их съемными гусеницами, которые надеваются непосредственно на колеса.
Мировые производители выпускают как резиновые съемные гусеницы, так и стальные. Ассортимент охватывает большинство выпускаемых в мире марок и моделей погрузчиков с бортовым поворотом. Преимущества стальной гусеницы очевидны – высокая прочность, малая склонность к растягиванию и, соответственно, долговечность. Однако современные резиновые гусеницы изготовляются из качественных компонентов, которые при грамотной эксплуатации и уходе также способны к долгой службе.
Рис. 1.13 – Колесный погрузчик с резиновыми гусеницами
Более высокая склонность к растягиванию резиновых гусениц, нежели стальных, компенсируется армированием их стальным кордом. Резиновые гусеницы применяются в тех случаях, когда предъявляются повышенные требования к сохранению верхнего слоя почвы, а также при передвижении по дорогам с твердым покрытием. Некоторые резиновые гусеницы имеют развитые грунтозацепы, а также выпускаются со стальными накладками.
Выпуск гусеничных мини-погрузчиков в настоящее время освоен большинством мировых производителей, в линейке которых изначально присутствовали погрузчики с бортовым поворотом [4].
6. Колесо Илона или «Omni» колесо.
Колесо Илона получило свое название от шведского изобретателя Бенгта Илона, разработавшего его. Идея создать такое колесо пришла к нему в 1973 году, когда он работал инженером в шведской компании «Mecanum AB». Данная конструкция представляет собой колесо, на периферии которого установлены ролики, расположенные под углом в 45 градусов к оси колеса (Рис. 1.14). Каждый? ролик свободно вращается вокруг неподвижной относительно колеса собственной оси. Путём изменения направления и скорости вращения отдельных колёс можно заставить машину двигаться в любом направлении — не только вперёд-назад, но и вправо-влево, и по диагонали, и даже по любой дуге, вплоть до вращения машины вокруг собственной оси. При этом трения скольжения между роликами и опорной поверхностью практически не будет.
Рис. 1.14 – Колесо Илона
В 1980-х годах военно-морские силы США заинтересовались проектом и выкупили патент у Илона. В ВМС аппараты, оснащённые такими колёсами, применялись для передвижения имущества на кораблях.
В 1997 году компания «Airtrax Incorporated» и несколько других компаний каждая заплатили ВМС США 2500 долларов для того, чтобы приобрести права на технологию, включая старые чертежи, описывавшие принцип работы контроллеров и моторов. На основе приобретённого материала они создали вилочный погрузчик, который мо легко перемещаться в ограниченном пространстве (рис. 1.15).
Рис. 1.15 – Вилочный погрузчик компании «Airtrax Incorporated»
Каждое колесо Airtrax оснащено собственным электрическим или гидравлическим двигателем, трансмиссией, тормозом и блоком управления. Все эти компоненты составляют «движущий модуль». Ролики на колесах одной стороны расположены симметрично, т. е. переднее колесо является «зеркальным отражением» заднего. Благодаря тому, что ролики расположены под углом к оси вращения колеса, создаются силы, толкающие колесо вперед и вбок. Если все четыре колеса вращать в одну сторону, машина будет передвигаться прямолинейно вперед или назад. Когда колеса противоположных сторон вращаются в разные стороны, машина разворачивается на месте, как гусеничная. Таким образом, за счет вращения отдельных колес с разной скоростью и в разные стороны можно заставить машину перемещаться в любом направлении, обеспечив погрузчик 100% маневренность [2].
Ходовая часть Airtrax почти не требует технического обслуживания. Ее подшипники герметизированы, заправлены синтетическим маслом и не нуждаются в смазке в течение всего срока службы. За узлами трансмиссии и электродвигателей также не надо ухаживать. При износе или повреждении заменять все колесо целиком не требуется: достаточно открутить одну гайку и снять нужные ролики. Компания не определяет срок, при котором следует заменять весь комплект роликов. В настоящее время Airtrax гарантирует работу роликов в течение года или 2000 ч (как и других деталей).
Данная конструкция идеально подходит для складских помещений и ровных поверхностей, но она плохо приспособлена к дикой местности и работе на различных грунтах, так как движимые ролики имеют низкий коэффициент сцепления.
2 Обзор научных работ
1. Системный подход в гибридизации гидравлического бортового погрузчика.
В статье представлен подход к моделированию для определения наиболее эффективных гибридных конфигураций существующих погрузчиков с бортовым поворотом на примере строительной машины AS12 производства Ihimer (Рис. 2.1). Автор предлагает заменить гидростатическую трансмиссию и насосы переменной производительности рабочего оборудования (Рис. 2.2) на электрический привод (EM – Electric machine). Необходимая мощность от двигателя внутреннего сгорания сначала преобразуется в электричество, а затем поступает в необходимые электрические узлы. Наличие перезаряжаемой системы накопления энергии (RESS) позволяет осуществить рекуперативное торможение (накопить энергию в аккумулятор) и помогает уменьшить размер первичного преобразователя.
Рис. 2.1 – Бортовой погрузчик Ihimer AS12
Рис. 2.2 – Гибридная конфигурация: ICE – Internal combustion engine (Двигатель внутреннего сгорания); EG – Electricity generator (Генератор электричества); EPC – Electronic power conditioner (Электронный стабилизатор мощности); RESS – Rechargeable energy storage system (Аккумуляторная система хранения энергии); AUX – Auxiliary loads (Вспомогательные нагрузки); EM – Electric machine (Электрический привод); PMM – Power Management Module (Модуль управления питанием).
По результатам исследований данная модернизация может обеспечит экономию топлива до 31%, а также она имеет явный экономический эффект за счет сниженных сроков окупаемости в сравнении со сроком службы работающей машины [6].
2. Колесо Илона (US 3876255, МПК B60B 19/00).
В патенте описана полезная модель, относящаяся к колесам транспортных средств и предназначена, преимущественно, для использования в качестве движителя мобильных технических устройств [7].
Конструкция представляет собой колесо, на котором смонтировано несколько роликов, установленных на протяжении всей окружности колеса. Угол вращения роликов составляет 45° между ними и осью колеса.
Путём изменения направления и скорости вращения отдельных колёс можно заставить машину на таких колёсах двигаться в любом направлении — не только вперёд-назад, но и вправо-влево, и по диагонали, и даже по любой дуге, вплоть до вращения машины вокруг собственной оси. При этом трения скольжения между роликами и опорной поверхностью практически не будет.
Для получения достаточно устойчивой опоры валка 9 ось 8 жестко закреплена на кронштейне 16, а детали 9а, 9b установлены на оси подшипниками скольжения. штифты и т.п. (не показаны). В альтернативном варианте осуществления кожух 19 подшипника жестко прикреплен к кронштейну 16, и два подшипника 20 качения расположены на расстоянии друг от друга в указанном кожухе для опоры на оси 8 (Рис. 2.3, 2.4, 2.5).
