стенд для исследования рабочих органов землеройных машин

Формула изобретения

Стенд для исследования рабочих органов землеройных машин, включающий рамную конструкцию с направляющими, насос, электродвигатель, нагрузочное устройство, выполненное в виде гидроцилиндра, распределителя для управления его работой и тележки с рабочим органом, трубопроводную магистраль, емкость для слива и забора жидкости, отличающийся тем, что он снабжен отключающим устройством, счетчиком электрических импульсов, выключателем счетчика электрических импульсов и установленным на роторе электродвигателя коллекторным датчиком с контакторами, связанным через электрическую цепь со счетчиком электрических импульсов, который электрически связан с датчиками начала и окончания отсчета электрических импульсов, установленных на направляющих по границам мерного участка хода тележки нагрузочного устройства, при этом для определения энергетических параметров стенд снабжен регулируемым дросселем с лимбом установки площади проходного сечения, который связывает нагнетательную магистраль насоса со сливной частью трубопроводной магистрали, причем выключатель счетчика электрических импульсов сблокирован с рукояткой управления распределителем, а отключающее устройство расположено на тележке с рабочим органом с возможностью взаимодействия с датчиками начала и окончания отсчета электрических импульсов.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к оборудованию для испытания землеройных машин.

Известен стенд для испытания землеройных машин, содержащий опорную раму с жестко закрепленными в верхней части горизонтальными направляющими, вдоль которых на ползунах перемещается динамометрическая головка, выполненная в виде балочки с тензодатчиками, устройства для закрепления металлической формы с образцом грунта, направляющие шины тяговой цепи и привод (см. а.с. № 321709. МПК G 01 М, 1973).

Известен также стенд для испытания рабочих органов землеройных машин, содержащий тензометрическую тележку с закрепленными на ней рабочим органом и приводом с регулирующим устройством (см. а.с. № 256311, МПК G 01 М, 1973).

Недостатком указанных стендов является сложность определения энергетических параметров при исследовании, а также длительная обработка результатов исследований.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению относится стенд для исследования процессов взаимодействия рабочих органов машин с грунтом, содержащий канал для грунта, рамную конструкцию, насосную станцию, тензометрическую тележку со смонтированным на ней рабочим органом и механизм перемещения тележки, выполненный в виде гидроцилиндров и двуплечных рычагов, соединяющих гидроцилиндры с тензометрической тележкой и направляющими рамной конструкции (см. патент RU 2022240 С1, МПК G 01 М 19/00, 30.10.1994).

В известном устройстве во время проведения экспериментальных исследований проводится замер усилий, возникающих на рабочем органе с помощью датчиков, расположенных на тензометрической тележке. При этом электрический сигнал, поступающий с тензометрической тележки, принимается тензоусилителем и затем передается на регистрирующую аппаратуру, например шлейфовый осциллограф. Для расшифровки результатов экспериментальных исследований с целью оценки эффективности режимов движения рабочего органа или его конструктивных особенностей проводится подготовка носителя информации и его обработка. Как правило, обработка информации основана на считывании осциллограмм усилий, возникающих на рабочем органе с последующим пересчетом результатов на работу или мощность, затраченную рабочим органом при разрушении грунта в пределах фиксированного отрезка пути. При считывании осциллограмм усилий необходимо измерять ординаты с достаточно частым шагом (1...5 мм при длине отрезка расшифровки осциллограммы 0,5 метра). Даже с применением специальной аппаратуры, например, считывающего устройства Ф-014 и последующего оперативного ввода информации на ЭВМ, этот процесс является длительным и громоздким. Точность результатов обработки осциллограмм зависит от погрешности, вносимой оператором, шага разбиения осциллограмм и других факторов. Обработка результатов исследований затруднена, а в некоторых случаях невозможна, когда исследования проводятся в полевых условиях.

Предлагаемое изобретение позволяет повысить точность измерения энергетических параметров, расширить технологические возможности, уменьшить габаритные размеры и упростить конструкцию.

Сущность изобретения заключается в том, что стенд для исследования рабочих органов землеройных машин, включающий рамную конструкцию с направляющими, насос, электродвигатель, нагрузочное устройство, выполненное в виде гидроцилиндра, распределителя для управления его работой, тележки с рабочим органом, трубопроводную магистраль, емкость для слива и забора жидкости, снабжен отключающим устройством, счетчиком электрических импульсов, выключателем счетчика электрических импульсов и установленным на роторе электродвигателя коллекторным датчиком с контакторами, связанным через электрическую цепь со счетчиком электрических импульсов, который электрически связан с датчиками начала и окончания отсчета электрических импульсов, установленных на направляющих по границам мерного участка хода тележки нагрузочного устройства, при этом для определения энергетических параметров стенд снабжен регулируемым дросселем с лимбом установки площади проходного сечения, который связывает нагнетательную магистраль насоса со сливной частью трубопроводной магистрали, причем выключатель счетчика электрических импульсов сблокирован с рукояткой управления распределителем, а отключающее устройство расположено на тележке с рабочим органом с возможностью взаимодействия с датчиками начала и окончания отсчета электрических импульсов.

Снабжение стенда регулируемым дросселем с лимбом, соединяющим нагнетательную и сливную магистрали насоса, позволяет устанавливать необходимый расход жидкости через дроссель при различных усилиях на нагрузочном устройстве, регулируя по лимбу площадь проходного сечения. Благодаря этому появляется возможность регистрировать энергетические параметры (работу, энергоемкость и т.д.) при изменении нагрузок на рабочем органе нагрузочного устройства в широком диапазоне (от 0,01 до 10 кН для лабораторного стенда), а также при различной продолжительности цикла (от 1 с и более), что расширяет технологические возможности стенда.

Датчики начала и окончания отсчета импульсов, выполненные, например, в виде герметичных контактов и расположенные на направляющей рамной конструкции по границам мерного участка движения тележки нагрузочного устройства, и отключающее устройство датчиков, например магнит, расположенный на тележке, дают возможность снимать сигнал непосредственно с нагрузочного устройства. Это в отличие от расположения датчиков на мерном бачке (по известному изобретению) повышает точность измерения энергетических параметров, поскольку поверхность жидкости в мерном бачке колеблется из-за непрерывного поступления ее из трубопроводной магистрали.

Применение выключателя, сблокированного с рукояткой распределителя, дает возможность отключать счетчик импульсов при возвращении тележки нагрузочного устройства в исходное положение. Это облегчает считывание результатов эксперимента.

В совокупности указанные преимущества предлагаемого стенда по сравнению с прототипом позволяют повысить точность измерений результатов исследований, расширить технологические возможности стенда, уменьшить габаритные размеры.

На фиг.1 изображен предлагаемый стенд: общий вид; на фиг.2 - то же, вид сверху; на фиг.3 - функциональная схема стенда.

Стенд состоит из рамной конструкции 1 с направляющими 2, по которым при помощи колес с ребордами перемещается тележка 3, соединенная через оси 4, штанги 5 и каретку 6 с рабочим органом 7. Привод тележки 3 осуществляется от гидроцилиндра 8. Тележка 3, рабочий орган 7 и гидроцилиндр 8 вместе представляют собой нагрузочное устройство. Изменение усилия на нагрузочном устройстве осуществляется, с одной стороны, изменением механических характеристик грунта, взаимодействующего с рабочим органом 7, и режимов резания (скорости движения тележки 3, глубины резания грунта рабочим органом 7), с другой - изменением параметров самого нагрузочного устройства. Параметры нагрузочного устройства определяются жесткостью и усилием сжатия пружины 9, взаимодействующей с кареткой 6, регулировочным винтом 10, гайкой 11 и тележкой 3.

Движение штока гидроцилиндра 8 осуществляется жидкостью, поступающей от насоса 12 через трубопроводную магистраль. Ротор насоса 12 через муфту 13 соединен с ротором электродвигателя 14. Управление гидроцилиндром 8 осуществляется распределителем 15. Для определения энергетических параметров процесса стенд снабжен регулируемым дросселем 16 с лимбом установки площади проходного сечения. Поступление жидкости в трубопроводную магистраль и ее слив осуществляется через емкость 17. Изменение скорости подачи тележки 3 производится плавным регулированием частоты вращения ротора насоса 12 через электродвигатель 14, понижающий трансформатор 18, выпрямительный мост 19, реостат 20 и обмотку возбуждения электродвигателя 14.

Для изучения влияния технологических и конструктивных параметров землеройных машин на энергоемкость процесса к ротору электродвигателя 14 присоединен коллекторный датчик 21 с контакторами 22, сигнал от которых через электрическую цепь поступает на счетчик 23. Включение и выключение подачи импульсов на счетчик 23 осуществляется от датчиков 24 (например, герметичных выключателей), установленных на направляющих 2 по границам мерного участка. Управление включением и отключением датчиков 24 осуществляется магнитом 25, установленным на боковой стенке тележки 3. Выход цепи управления из ждущего режима и возвращение в него производится выключателем 26, сблокированным с рукояткой управления распределителя 15.

Стенд работает следующим образом. После помещения формы с грунтом на опорную поверхность рамной конструкции 1 включают электродвигатель 14, приводящий в движение ротор насоса 12 через муфту 13. При этом жидкость, поступающая из емкости 17 через насос 12, трубопроводную магистраль и распределитель 15, приводит в движение шток гидроцилиндра 8, соединенного с тележкой 3. Тележка 3, в свою очередь, передает движение на рабочий орган 7 через оси 4, штанги 5 и каретку 6. Усилия, возникающие на нагрузочном устройстве (рабочий орган 7, тележка 3, гидроцилиндр 8), определяют перепад давления Р между сливной и рабочей полостями гидроцилиндра 8, а следовательно, и фактическую производительность насоса 12 Q_н (см., например, книгу Башта Т.М. Машиностроительная гидравлика. Справочное пособие. - М.: Государственное научно-техническое издательство машиностроительной литературы, 1963.-696с.-стр.123-128, 286-287). Поскольку фактическая производительность насоса Q_h зависит от объемных утечек Q _н (см. книгу), связанных линейной зависимостью с перепадом давления Р, и практически не изменяется от частоты вращения ротора насоса, объемные утечки Q _н принимаем за основной критерий при определении энергетических параметров (работы, энергоемкости) исследуемых рабочих органов землеройных машин. Для этой цели к нагнетательной магистрали насоса 12 присоединен регулируемый дроссель 16, в котором площадь проходного сечения устанавливается по лимбу. Выходное отверстие дросселя 16 соединено со сливной частью трубопроводной магистрали. Это дает возможность фиксировать приращение суммарного количества оборотов, совершаемых ротором насоса 12, при перемещении поршня гидроцилиндра 8, а следовательно, и тележки 3 нагрузочного устройства из одного крайнего положения мерного участка в другое. Регистрирование количества оборотов осуществляется коллекторным датчиком 21, установленным на роторе электродвигателя 14. Сигнал от датчика 21 через контакторы 22 передается по электрической цепи на счетчик импульсов 23. Включение и отключение счетчика импульсов 23 осуществляется герметичными выключателями 24, расположенными на направляющих 2 рамной конструкции. Переключение датчиков 24 производится магнитом 25, установленным на боковой стороне тележки 3. После прохождения тележкой 3 мерного участка длиной Z_м производится переключение движения тележки на обратный ход рукояткой распределителя 15. Далее цикл повторяется. Поскольку при движении тележки 3 в исходное положение магнит 25 повторно замыкает выключатель 24, что может привести к повторному включению счетчика 23, в электрической цепи управления счетчиком установлен выключатель 26, сблокированный с рукояткой управления распределителя 15. Это дает возможность при окончании полного цикла движения нагрузочного устройства определить по счетчику 23 число импульсов, накопленных за период прохождения тележкой 3 мерного участка. Применение регулирующего элемента в дросселе 16 дает возможность подбирать площадь проходного сечения дросселя в соответствии с нагрузками на нагрузочном устройстве. Для требуемой установки площади проходного сечения дроссель 16 снабжен лимбом. Поддержание температуры жидкости на стабильном уровне обеспечивается ребрами охлаждения, расположенными на емкости 17. Изменение скорости движения тележки 3 осуществляется плавным регулированием частоты вращения ротора электродвигателя 14, управляемой передвижением ползуна реостата 20, ток от которого поступает на обмотку возбуждения электродвигателя 14.

Измерение энергетических параметров (работы А или энергоемкости Е) осуществляется в следующей последовательности. По лимбу дросселя 16 устанавливается оптимальная площадь поперечного сечения проходного отверстия, соответствующая величине внешних нагрузок на рабочем органе 7 нагрузочного устройства (например, при нагрузке на рабочем органе 5 кН зазор составил 5% площади проходного сечения и был равен 0,15...0,16 мм²). После этого на опорную поверхность рамной конструкции стенда устанавливается лоток с грунтом. При этом тележка 3 с рабочим органом 7 отведена в крайнее левое положение (см. фиг.1) и счетчик импульсов 23 выставлен на "0". Далее производится включение распределителя 15, который от насоса 12 подает жидкость в гидроцилиндр 8, благодаря чему начинается движение тележки 3 с рабочим органом 7. Жидкость, поступающая от насоса 12 в трубопроводную магистраль, разделяется при этом на два потока, один из которых (основной) поступает на гидроцилиндр 8, а второй - через дроссель 16 уходит на слив в емкость 17. Таким образом, при прохождении тележкой 3 мерного участка длиной Z_m требуется определенный объем жидкости V, равный:

где V₁ - объем жидкости, требуемый для перемещения поршня гидроцилиндра 8 из одного крайнего положения мерного участка Z_m в другое, м³;

V₂ - объем жидкости, ушедший через дроссель 16 на слив в емкость 17 за период прохождения тележкой 3 мерного участка Z_m , м³;

V_н - объем жидкости, поступивший в трубопроводную магистраль от насоса 12 за один оборот его ротора, м³;

n - количество оборотов ротора насоса 12, необходимое для перемещения тележки 3 из одного края мерного участка Z_м в другое, об.;

n₁ - количество оборотов ротора насоса 12, необходимое для заполнения рабочей полости гидроцилиндра 8 объемом жидкости V₁ при перемещении поршня гидроцилиндра из одного крайнего положения мерного участка Z_м в другое, об.;

n₂ - количество оборотов ротора насоса 12, приходящееся на объем жидкости V ₂, ушедший через дроссель 16 на слив в емкость 17 за период прохождения тележкой 3 мерного участка Z_м, об.

Так как объемные потери жидкости пропорциональны давлению в трубопроводной магистрали (см. книгу, указанную выше), можно, сравнивая потери жидкости за период прохождения тележкой 3 мерного участка Z_м в различных опытах эксперимента, судить об энергетических параметрах опыта и по ним определять те или иные оптимальные конструктивные и технологические параметры рабочего оборудования землеройной машины. Например, если работа в двух сравниваемых опытах эксперимента была соответственно равна A ₁ и А₂, то отношение работы можно выразить через число оборотов ротора наноса следующей зависимостью:

где A₁, А₂ - работа, которую надо затратить, чтобы переместить тележку 3 нагрузочного устройства из одного крайнего положения мерного участка Z_м в другое в двух сравниваемых опытах эксперимента, Дж;

d _n - диаметр поршня гидроцилиндра, м²;

V_г -объем грунта, разработанный на длине участка Z _м, м³;

- энергоемкость сравниваемых опытах эксперимента, Дж/м³ ;

Р₁, P₂ - среднее усилие, возникающее на штоке гидроцилиндра 8 в двух сравниваемых опытах, Н.

Остальные обозначения те же, что и в формуле (l).

Таким образом, фиксируя количество оборотов n, совершенных ротором насоса 12 за период прохождения тележкой 3 мерного участка длиной L_м, и сравнивая это количество оборотов в различных опытах эксперимента, можно судить об энергетических параметрах эксперимента как качественно, так и количественно. Для количественной оценки результатов опыта необходимо провести серию "затравочных" опытов для тарировки нагрузок на рабочем органе 7 нагрузочного устройства при различных размерах площади проходного сечения дросселя 16. Например, при усредненной нагрузке на рабочем органе 7, равной 5·10³ Н и площади проходного сечения 0,15...0,16 мм², количество оборотов, совершенных ротором насоса 12, необходимых для прохождения тележкой 3 мерного участка длиной L_м=0,80 м при температуре жидкости t=25°C для насоса НШ-10 составит n=240...243 оборота.

Применение предлагаемого стенда позволяет повысить точность измерений результатов исследований, расширить технологические возможности стенда, уменьшить габаритные размеры.