На содержание дорог коммунальными службами населенных пунктов затрачиваются значительные средства, особенно в зимний период при уборке снега с дорог, площадей, тротуаров. Одним из основных направлений в решении задач сокращения себестоимости и сроков проведения снегоуборочных работ, повышения производительности труда и общей эффективности является механизация работ [1, 6, 9].
Широкое внедрение механизации в проведении снегоуборочных работ затруднено отсутствием высокопроизводительных, технологичных машин.
Повышение технического уровня снегоуборочных машин обеспечивается за счет повышения их энергонасыщенности и производительности, универсальности и технологических возможностей, использования в конструкциях машин унифицированных узлов и расширения номенклатуры сменного рабочего оборудования, развития гидрофикации приводов, агрегатов, применения систем автоматизации управления рабочими процессами машин, улучшения условий труда машинистов [8].
В развитии конструкций снегоуборочных машин можно выделить два направления совершенствования:
1. Конструкции базовой машины.
2. Рабочее оборудование.
Второе направление имеет большее развитие в связи с меньшими затратами ресурсов на создание новых снегоуборочных машин. При этом использование гидравлического привода в управлении рабочими органами придает «гибкость» в построении кинематических связей исполнительного оборудования [9].
При проведении снегоуборочных работ (уборка бордюров, наполнение ковша погрузчика лопатами) большой объем операций выполняется без средств механизации (рис. 1). Это снижает производительность работ. В этой связи возникает необходимость механизации проведения таких работ.
Рис. 1. Заполнение ковша погрузчика с использованием ручного труда
Для рассмотрения вопроса по уборке снега, механизации его погрузки в ковш погрузчика проведем анализ конструкций ковшей с интенсифицирующим воздействием.
С целью повышения эффективности заполнения ковша в ковш гидравлического экскаватора [3] на рукоять экскаватора установлены два дисковых ножа. Это позволяет снизить энергоемкость разрушения твердых асфальтобетонных покрытий. Управление всеми процессами осуществляется гидроприводом.
В изобретении [2] снегоуборочная машина – фронтальный погрузчик имеет ковш, выполненный с передней затворной крышкой, установленной с возможностью перемещения по вертикали. Это позволяет удерживать снег в ковше при транспортировании, не рассыпая его на дорогу. Питание привода осуществляется от гидросистемы базового погрузчика.
При совершенствовании скрепера-планировщика [7] предлагается повысить наполняемость ковша за счет подвижности дополнительно установленного отвала с боковыми стенками. Этот отвал перемещает призму грунта к задней стенке ковша и тем самым повышает наполняемость и, соответственно, производительность машины.
В изобретении [10] рабочее оборудование погрузчика содержит стержневую систему, челюстной захват (верхнюю и нижнюю челюсти) с механизмом управления. Установленные на нижней челюсти (ковше погрузчика) направляющие позволяют перемещаться верхней челюсти при закрытии и открытии модернизированного ковша погрузчика. Это обеспечивает увеличение усилия при сжатии челюстей.
Анализ патентов позволяет сделать вывод, что разработки по совершенствованию рабочих органов машин проводятся постоянно. При этом ранее предложенные разработки не решают задачу, которая рассмотрена на рис. 1. Повышения эффективности работы погрузчика можно достичь за счет установки отвала на штатный рабочий орган погрузчика.
Так, на примере погрузчика «Mustang 3300V» кафедры «Транспортные и технологические системы» Тюменского государственного нефтегазового университета предлагается разработать подгребатель (миниотвал с приводом).
В рамках решаемой задачи по модернизации рабочего оборудования погрузчика была проведена компоновка рабочего оборудования. При этом необходимо учесть высоту подъема ковша, угол поворота ковша, а также маневренность машины. При рассмотрении вопроса установки отвала со стрелой на погрузчик рассматривались три варианта:
– установка оборудования на раму погрузчика (независимо от штатного рабочего оборудования);
– установка предлагаемой модернизации (рабочего оборудования) заодно со штатным рабочим оборудованием, при этом стрела изогнутая, для сохранения полного поворота ковша;
– вариант как в предыдущем варианте, при этом стрела прямая.
Для решения предлагаемой задачи принят третий вариант (рис. 2), т.к. он надежен и прост, несмотря на снижение подвижности ковша погрузчика (уменьшение угла поворота). Стрела является телескопической, движение которой осуществляется гидроцилиндром. Причем стрела хомутами крепится к раме рабочего оборудования погрузчика. Это позволяет осуществить монтаж и демонтаж в условиях малых предприятий.
Анализ конструкций и патентный обзор коммунальных машин показывает, что они в большей степени оснащены гидравлическим приводом. Это объясняется технологичностью изготовления и модернизации [4]. Схема гидравлического привода модернизированного погрузчика «Mustang 3300V» представлена на рис. 3.
Рис. 2. Погрузчик «Mustang 3300V» (модернизированный)
Рис. 3. Схема гидравлического привода модернизированного погрузчика «Mustang 3300V»: 1 – бак масляный; 2 – насос; 3 – распределитель; 4 – гидроцилиндры подъема – опускания стрелы; 5 – гидроцилиндры; 6 – гидрозамок; 7 – дроссель; 8 – клапан обратный; 9 – фильтр; 10 – гидромотор; 11 – клапан перепускной; 12 – гидроцилиндр выдвижения стрелы
Рис. 4. Схема методики проведения исследований
Интенсивность расходования ресурсов и, следовательно, эффективность эксплуатации машин зависит от влияния природно-климатических факторов, параметров машины и организации ее эксплуатации [5]. Поэтому необходимо определить основные факторы и установить их влияние на выходной параметр.
Исследование конструкции нового рабочего органа содержит определение зависимости сопротивления сдвига снега от скорости перемещения отвала к ковшу погрузчика и зависимости сопротивления сдвига (подгребания) снега от ширины и высоты отвала. Также при проведении исследований следует учитывать свойства снега (контролируемые факторы). Для проверки и уточнения теоретических данных проводятся экспериментальные исследования. Схема методики проведения исследований представлена на рис. 4.
Основными факторами влияния при определении зависимостей являются: толщина срезаемого слоя снега, мм – (Х1); плотность снега, кг/м3 – (Х2); скорость перемещения снега отвалом (подгребателем), м/с, – (Х3); ширина отвала, мм – (Х4), угол резания отвала, мм – (X5).
Проведение полного факторного эксперимента с двумя уровнями каждого фактора будет содержать 64 опыта. Выходным параметром (Y) является сопротивление на отвале погрузчика Y = f(X1, X2, X3, X4, X5). Количество опытов в эксперименте снизится при использовании неполного факторного эксперимента (полуреплики).
В задачу проектирования будет входить определение кинематики рабочего органа погрузчика, тяговых характеристик базовой машины, расчет ее гидропривода и устойчивости, прочностной расчет рабочего органа, а также оценка экономической эффективности.
Для дальнейшего исследования конструкции необходимо осуществить компоновку оборудования на машину (модель) и проверить ее работоспособность.
Полученные результаты исследований на примере «Mustang 3300V» применимы для погрузчиков различных типоразмеров. Применение данной конструкции позволит повысить механизацию снегоуборочных работ фронтального погрузчика.