Разработка концепций развития одноковшовых экскаваторов

Резервы свертывания:

- Сила инерции;

- Металлоконструкция;

- Вес машины.

Анализ патентного фонда позволил выявить определенную последовательность применения полей по мере развития конструкции. Эта последовательность во многом согласуется с этапами перехода на микроуровень (молекулярные взаимодействия вещества в гидроприводе и в пневмоходовом устройстве).

Резервы полей:

Использование молекулярных сил взаимодействия.

Согласование - рассогласование частей системы.

В процессе развития конструкции одноковшового экскаватора на первых этапах происходит последовательное согласование системы и ее подсистем между собой и с надсистемой, обеспечивающее эффективное функционирование. На последующих этапах происходит рассогласование - целенаправленное изменение отдельных параметров, обеспечивающее получение дополнительного полезного эффекта.

Согласование проявляется уже при создании системы, когда идет подбор необходимых подсистем, образующих новую функциональную цепочку.

Существует прямое рассогласование между переходом к непрерывным процессам в технологиях различных машин и самой конструкцией одноковшового экскаватора, не позволяющей перейти к непрерывному процессу экскавации.

3.3 Компонентно-структурный анализ

При проведении компонентного анализа выполняется выделение элементов (операций) верхнего (первого) иерархического уровня и элементов надсистемы, с которыми взаимодействует техническая система (технологический процесс). Здесь же может быть определен состав элементов (операций) верхнего иерархического уровня, то есть элементы второго иерархического уровня.

При проведении структурного анализа выявляются связи между элементами (операциями) технологического процесса и надсистемы, которые выделены при выполнении компонентного анализа. Компонентный и структурный анализы представлены в таблице 3.4.

Анализ проводился на верхнем и нижнем иерархических уровнях. При рассмотрении учитывались только значимые узлы конструкции экскаватора выполняющие основные функции операций технологического процесса.

Элементы подсистемы (верхний иерархический уровень):

1. Ковш;

2. Рукоять;

3. Стрела;

4. Поворотная платформа;

5. Гидросистема

6. Силовая установка;

7. Опорно-поворотное устройство;

8. Механизм поворота платформы;

9. Противовес;

10. Ходовое устройство.

Элементы надсистемы:

1. Грунт (груз);

2. Воздух;

3. Гравитация.

Компонентно-структурный анализ показал наличие большого количества связей элементов подсистемы и надсистемы, и выявил нежелательные эффекты этих связей.

Общее количество взаимодействий - 50.

Количество нежелательных эффектов - 15:

1. Нежелательный эффект 1 (НЭ1) - рукоять-ковш: ограничение траектории движения ковша;

2. Нежелательный эффект 2 (НЭ2) - рукоять-стрела: ограничение траектории движения рукояти;

3. Нежелательный эффект 3 (НЭ3) - стрела-рукоять: ограничение траектории движения стрелы;

4. Нежелательный эффект 4 (НЭ4) - стрела-поворотная платформа: появление неуравновешенной силы;

5. Нежелательный эффект 5 (НЭ5) - поворотная платформа-опорно-поворотное устройство: неравномерная передача весовой нагрузки во время поворота платформы;

6. Нежелательный эффект 6 (НЭ6) - поворотная платформа-механизм поворота платформы: появление сил инерции при разгоне и торможении;

7. Нежелательный эффект 7 (НЭ7) - гидросистема - силовая установка: потери мощности двигателя на преодоление сопротивления жидкости в гидросистеме;

8. Нежелательный эффект 8 (НЭ8) - силовая установка-поворотная платформа: появление неуравновешенной силы в случае пустого ковша при минимальном радиусе вылета рабочего оборудования;

9. Нежелательный эффект 9 (НЭ9) - силовая установка-воздух: загрязнение окружающей среды;

10. Нежелательный эффект 10 (НЭ10) - противовес-поворотная платформа: появление неуравновешенной силы;

11. Нежелательный эффект 11 (НЭ11) - ходовое устройство-грунт: нарушение прочности грунта в результате превышения удельного давления или окружной силы;

12. Нежелательный эффект 12 (НЭ12) - грунт-ковш: износ поверхностей трения ковша и зубьев;

13. Нежелательный эффект 13 (НЭ13) - грунт-ковш: налипание (намерзание) грунта на стенки ковша;

14. Нежелательный эффект 14 (НЭ14) - грунт-ходовое устройство: создать сопротивление движению;

15. Нежелательный эффект 15 (НЭ15) - гравитация-грунт: в ковше затраты энергии на подъем грунта.

Общие выводы по элементному анализу:

1. Экскаватор представляет собой сложную, разветвленную цепь взаимодействий и преобразований с большим количеством элементов;

2. Количество элементов надсистемы - 3; количество элементов подсистемы - 10;

3. Было выявлено 15 нежелательных эффектов в 50 взаимодействиях; общее количество возможных парных взаимодействий - 169;

4. Общее значение коэффициента эффективности составило 23%, что позволяет сделать вывод о крайне низкой эффективности исследуемой технологии и необходимости перехода к иным принципам технологического процесса.

Расчет коэффициента эффективности системы (КПД системы):

(3.1)

где N_{(элем)ГПФ} - количество элементов, участвующих в главной полезной функции (ГПФ),

N_ВР - число вредных функций.

Коэффициент полезного действия существующего технологического процесса равен 23%. Для повышения эффективности процесса проведем свертывание технологической цепочки.

3.4 Функциональный анализ

Главной целью построения функциональной модели является выявление нежелательных эффектов рассматриваемой конструкции, связанных с наличием вредных функций и функций и с неадекватным уровнем их выполнения. Объектом анализа является существующая модель, существующая конструкция одноковшового экскаватора. Анализ выполнен в табличной форме (см. таблицу 3.4). Обозначения даны в таблице 3.3.

Таблица 3.3 - Обозначения, используемые в таблице 3.4

ТИП	Ос - основная
	Об - обеспечивающая
	Д - дополнительная
	Вр - вредная
РАНГ	1 - самый значимый
	2 - средней значимости
	3 - незначительная

Таблица 3.4 - Элементы и типы их функций

Элементы	ФУНКЦИИ	ТИП	РАНГ
1 Ковш	1.1 Резание грунта 1.2 Перемещение груза 1.3 Держит грунт в себе 1.4 Рыхлит грунт 1.5 Создает сопротивление перемещению грунта 1.6 Создает силу инерции при разгоне и торможении 1.7 Удерживает грунт на стенках при разгрузке	Ос Ос Об Д Вр Вр Вр	1 1 1 3 1 2 1
2 Рукоять	2.1 Перемещение ковша 2.2 Ограничение траектории движения ковша 2.3 Ограничение траектории движения рукояти 2.4 Создает силу инерции при разгоне и торможении	Ос Вр Вр Вр	1 1 2 2
3 Стрела	3.1 Перемещение рукояти 3.2 Перемещение стрелы 3.3 Ограничение траектории движения рукояти 3.4 Ограничение траектории движения стрелы 3.5 Создает неуравновешенную силу на поворотной платформе 3.6 Создает силу инерции при разгоне и торможении	Ос Ос Вр Вр Вр Вр	1 1 2 2 1 2
4 Поворотная платформа	4.1 Перемещение рабочего оборудования 4.2 Создает силу инерции при разгоне и торможении 4.3 Неравномерная передача весовой нагрузки платформы на опорно-поворотное устройство	Ос Вр Вр	1 2 1
5 Гидросистема	5.1 Управление основными движениями экскаватора 5.2 Преобразование вращательных движений в возвратно-поступательные движения рабочих органов 5.3 Распределение усилий на органы управления 5.4 Регулирование скорости перемещения рабочих органов	Ос Об Об Об	1 1 1 1
6 Силовая установка	6.1 Создать механическую энергию 6.2 Загрязнение окружающей среды 6.3 На поворотной платформе создает неуравновешенную силу в случае пустого ковша при минимальном радиусе вылета рабочего оборудования	Ос Вр Вр	1 1 1
7 Опорно-поворотное устройство	7.1 Воспринимать усилия 7.2 Изменить положение платформы	Ос Об	1 1
8 Механизм поворота платформы	8.1 Приводит во вращение поворотную часть экскаватора относительно ходового устройства 8.2 Затормозить движение	Об Об	1 1
9 Противовес	9.1 Создает неуравновешенную силу на поворотной платформе 9.2 Компенсировать вес рабочего оборудования	Вр Об	1 1
10 Ходовое устройство	10.1 Нарушение прочности грунта в результате превышения удельного давления или окружной силы 10.2 Перемещение экскаватора 10.3 Потерять мощность	Вр Об Вр	2 1 1
11 Грунт(груз)	11.1 Держать экскаватор 11.2 Создать сопротивление движению ковша 11.3 Создать сопротивление резанию 11.4 Налипать на поверхность ковша 11.5 Изнашивать зубья и ковш 11.6 Создать силу инерции	Ос Вр Вр Вр Вр Вр	1 1 1 1 1 1
12 Воздух	12.1 Поддерживать горение в ДВС 12.2 Держать вес в пневмошинах	Ос Об	1 1
13 Гравитация	13.1 Создать динамическую силу при резании 13.2 Способствовать разгрузке ковша от грунта 13.3 Создать затраты энергии на подъем 13.4 Создать силы инерции	Об Об Вр Вр	1 1 1 1

Из функционального анализа можно сделать вывод:

Имеется значительное количество вредных функций - 24. Это говорит о том, что существующая конструкция несовершенна;

Имеются элементы, обладающие значительным количеством вредных функций;

Значительная доля операций предполагает привлечение к процессу человека, осуществляющего управление операциями цикла

Результаты анализа содержатся в таблице 3.5. Графическое представление результатов изображено на рисунке 3.7.

Таблица 3.5 - Результаты функционального анализа

Основные	11 функций
Обеспечивающие выполнение ГПФ	12 Функций
Вспомогательные (дополнительные)	1 функций
Вредные	24 функций



Рисунок 3.7 - Результаты функционального анализа (диаграмма распределения функций)

Повышение идеальности технической системы - экскаватор (конструкции) осуществляем путем свертывания - упрощение системы при сохранении количества и увеличении качества полезных функций (см. рисунок 3.8)

Процесс свертывания будем производить от периферии к ее функциональному центру. Функциональными центром («Рабочим органом») является ковш экскаватора. Свертывание идет путем исключения или объединения отдельных подсистем в направлении к ковшу путем передачи функций свернутых элементов оставшимся элементам. Выделим элементы с наибольшим количеством вредных функций (исключая элементы надсистемы)

1. Рукоять. Вредные функции:

- ограничить радиус копан

- создать силу инерции;

- создать переменный опрокидывающий момент

2. Стрела. Вредные функции:

- создать переменный опрокидывающий момент;

- создать силы инерции;

- ограничить радиус копания;

3. Противовес. Вредные функции:

- создать неуравновешивающую силу;

- создать момент инерции во время поворота.

4. Поворотная платформа. Вредные функции:

- создает силу инерции при разгоне и торможении;

- неравномерная передача весовой нагрузки платформы на опорно-поворотное устройство.

Рукоять и стрела сворачиваются в ковш и в ходовое устройство.

Противовес - в ходовое устройство.

Поворотная платформа - в ходовое устройство.

Свертывание значительно упростило внутреннюю структуру технической системы и сильно ее изменило. Исключив отдельные элементы, выполняемые ими функции, передаются «Рабочему органу». Список направлений совершенствования технической системы представлен в таблице 3.6.

С целью выявления нежелательных эффектов свернутой технической системы построим функциональную модель.

Анализ выполнен в табличной форме (см. таблицу 3.6). Обозначения даны в таблице 3.3. Результаты анализа содержатся в таблице 3.7. Графическое представление результатов изображено на рисунке 3.9.

Таблица 3.6 - Элементы и типы их функций

Элементы	ФУНКЦИИ	ТИП	РАНГ
1 Ковш	1.1 Резание грунта 1.2 Перемещение груза 1.3 Держит грунт в себе 1.4. Рыхлит грунт 1.5 Создает сопротивление перемещению грунта 1.6 Создает силу инерции при разгоне и торможении 1.7 Удерживает грунт на стенках при разгрузке 1.8 Перемещение ковша	Ос Ос Об Д Вр Вр Вр Ос	1 1 1 3 1 2 1 1
2 Гидросистема	2.1 Управление основными движениями экскаватора 2.2 Преобразование вращательных движений в возвратно-поступательные движения рабочих органов 2.3 Распределение усилий на органы управления 2.4 Регулирование скорости перемещения рабочих органов	Ос Об Об Об	1 1 1 1
3 Силовая установка	3.1 Создать механическую энергию 3.2 Загрязнение окружающей среды	Ос Вр	1 1
4 Ходовое устройство	4.1 Нарушение прочности грунта в результате превышения удельного давления или окружной силы 4.2 Перемещение экскаватора 4.3 Потерять мощность	Вр Об Вр	2 1 1
5 Грунт(груз)	5.1 Держать экскаватор 5.2 Создать сопротивление движению ковша 5.3 Создать сопротивление резанию 5.4 Налипать на поверхность ковша 5.5 Изнашивать зубья и ковш 5.6 Создать силу инерции	Ос Вр Вр Вр Вр Вр	1 1 1 1 1 1
6 Воздух	6.1 Поддерживать горение в ДВС 6.2 Держать вес в пневмошинах	Ос Об	1 1
7 Гравитация	7.1 Создать динамическую силу при резании 7.2 Способствовать разгрузке ковша от грунта 7.3 Создать затраты энергии на подъем 7.4 Создать силы инерции	Об Об Вр Вр	1 1 1 1

Таблица 3.7 - Результаты функционального анализа

Основные	7 функций
Обеспечивающие выполнение ГПФ	8 функций
Вспомогательные (транспортные и дополнительные)	1 функций
Вредные	13 функций



Рисунок 3.9 - Результаты функционального анализа (диаграмма распределения функций)

Направления совершенствования технологического процесса представлены в таблице 3.8.

Таблица 3.8 - Список направлений совершенствования технологического процесса

1 Как переместить ковш без рукояти и стрелы?
2 Как без противовеса компенсировать вес рабочего оборудования?
3 Как без поворотной платформы переместить рабочее оборудование?

3.5 Причинно-следственный анализ

Целью анализа является выявление корневых нежелательных эффектов и ключевых задач по их устранению. Обобщение ключевых задач позволяет выявить направления совершенствования объекта исследования.

Методологической основой данного вида анализа является графа причинно-следственных связей (цепочки причинно-следственных связей).

Цепочки нежелательных эффектов строятся в соответствии с целями и приоритетами проекта. Это необходимо для оценки значимости ключевых задач и последующего их ранжирования. Нежелательные эффекты связаны друг с другом причинно-следственным образом - один недостаток влечет за собой другой. Очевидно, что нужно стремиться устранить ключевой нежелательный эффект, стоящий в самом начале цепочки - тогда остальные исчезнут сами, без дополнительных усилий.

Список вредных функций после свертывания

1. Ковш создает сопротивление перемещению грунта;

2. Ковш создает силу инерции при разгоне и торможении;

3. Ковш удерживает грунт на стенках при разгрузке;

4. Силовая установка - загрязнение окружающей среды;

5. Ходовое устройство - нарушение прочности грунта в результате превышения удельного давления или окружной силы;

6. Ходовое устройство - создает потери мощности;

7. Грунт создает сопротивление движению ковша;

8. Грунт создает сопротивление резанию;

9. Грунт налипает на поверхность ковша;

10. Грунт изнашивает зубья и ковш;

11. Грунт создает силу инерции;

12. Гравитация создает затраты энергии на подъем;

13. Гравитация создает силы инерции.

При проведении анализа причинно-следственных цепочек нежелательных эффектов были определены ключевые проблемы, лежащие в основании всех недостатков процесса экскавации грунта. Только решение этих проблем позволит повысить эффективность рабочего процесса одноковшового экскаватора.

Список корневых задач:

1. Как переместить грунт, обеспечив неподвижное его состояние относительно стенок ковша?

2. Как переместить грунт без ковша?

3. Как сделать так, чтобы металлическая поверхность ковша была несмачиваема водой?

4. Как сделать так, чтобы топливо в ДВС сгорало полностью?

5. Как сделать так, чтобы площадь опорной поверхности движителя изменялась в зависимости от несущей способности грунта?

6. Как обеспечить подвижность соединений движителя без пар трения?

7. Как управлять (уменьшать) силами сцепления частиц грунта при воздействии рабочего органа?

8. Как сделать так, чтобы при перемещении грунта в ковше грунт не касался бы зубьев и стенок ковша?

9. Как сделать так, чтобы грунт перемещался равномерно?

10. Как компенсировать силу тяжести за счет силы тяжести?

Анализ полученных корневых задач показывает:

а) Решение задачи 2 исключает решение задачи 1 и 8.

Остается список из 8 независимых друг от друга задач.

Источниками целевых, нежелательных эффектов являются:

Свойство воды смачивать поверхности металла;

Процесс горения органического топлива в ДВС;

Процесс разрушения грунта механическим органом;

Неизменность геометрических характеристик ходового устройства;

Циклический (неравномерный) характер рабочего процесса;

Неуправляемость и направленность вектора гравитационного поля вертикально вниз.

Выше перечисленные источники являются ключевыми и имеют непосредственное отношение к рабочему процессу одноковшового экскаватора.

Совершенствование существующей конструкции без изменения вышеперечисленных ключевых источников нежелательных эффектов не позволит устранить целевые, нежелательные эффекты.

Результаты анализа нежелательных эффектов и направления их устранения даны в таблице 3.9.

Таблица 3.9 - Результаты анализа нежелательных эффектов и направления их устранения

Целевой нежелательный эффект	Направления решения	Корневой источник ЦНЭ
Как переместить грунт без ковша	Перемещение механической энергией с помощью подвижной стенки, и выполнение функции удержания грунта в боковом пространстве за счет самих грунтовых стенок	Процесс разрушения грунта механическим органом
Как сделать так, чтобы металлическая поверхность ковша была несмачиваемая водой	Разделение конфликтующих элементов в пространстве за счет создания между подвижной стенкой и грунтом прослойки из воды	Свойство воды смачивать поверхности металла
Как сделать так, чтобы топливо в ДВС сгорало полностью	Использовать более сильный окислитель - озон	Процесс горения органического топлива в ДВС
Как сделать так, чтобы площадь опорной поверхности движителя изменялась в зависимости от несущей способности грунта	Создать опорную поверхность изменяемой формы в зависимости от прочности грунта	Неизменность геометрических характеристик ходового устройства
Как обеспечить подвижность соединений движителя без пар трения	Перейти к динамичной структуре ходового устройства на микроуровне	Подвижность на макроуровне соединений в ходовом устройстве (шарниры в гусеничной ленте и вращение катков)
Как управлять (уменьшать) силами сцепления частиц грунта при воздействии рабочего органа	Разупрочнение грунта с помощью Ударной волны или вибрационного взаимодействия	Силы Ван-дер-Вальсового взаимодействия (электростатические силы)
Как сделать так, чтобы грунт перемещался равномерно	Организовать непрерывный процесс резания и одновременного перемещения одним рабочим органом	Циклический (неравномерный) характер рабочего процесса
Как компенсировать силу тяжести за счет силы тяжести	Использовать уравновешивающую силу, выполняющую полезное действие, перейти к непрерывному процессу	Неуправляемость и направленность вектора гравитационного поля вертикально вниз

Анализ выявленных с помощью корневых задач нежелательных эффектов позволил выявить направления совершенствования рабочего процесса одноковшового экскаватора. Полный список направлений совершенствования рабочего процесса представлен в таблице 3.10.

Таблица 3.10 - Полный Список направлений совершенствования технологического процесса

1. Как перемещать механической энергией с помощью подвижной стенки, и выполнять функции удержания грунта в боковом пространстве за счет самих грунтовых стенок?
2. Как разделять конфликтующие элементы в пространстве за счет создания между подвижной стенкой и грунтом прослойки из воды?
3. Как использовать более сильный окислитель - озон?
4. Как создать опорную поверхность изменяемой формы в зависимости от прочности грунта?
5. Как перейти к динамичной структуре ходового устройства на микроуровне?
6. Как разупрочнять грунт с помощью ударной волны, или вибрационное взаимодействие?
7. Как организовать непрерывный процесс резания и одновременного перемещения одним рабочим органом?
8. Как использовать уравновешивающую силу, выполняющую полезное действие, перейти к непрерывному процессу?

3.6 К пониманию модели «идеального рабочего процесса экскавации грунта»

Для решения ключевых задач, процесс должен, значительно изменится в сторону интенсификации и его экономичности. Но изменение любой технической системы (ТС) всегда требует дополнительных затрат. Это добавка новых элементов, увеличение суммарных расходов. С точки зрения идеальности, хотелось бы увеличить Главную полезную функцию (ГПФ) системы с минимальным использованием дополнительных ресурсов, минимальным внесением в систему дополнительных элементов и незначительным увеличением расхода и потребления энергии. При этом важно, чтобы в результате изменения ТС происходило полное преобразование энергии в полезную работу без образования дополнительных отходов.

Такая схема изменения возможна, если выполнение дополнительной функции обеспечить имеющимися элементами (или выявленными ресурсами):

1 Воздухом;

2 Грунтом;

3 Грунтовой влагой;

4 Гравитацией;

Силами инерции.

Для экскавации грунта необходимо активизировать рабочий орган, совместив в нем две операции - резание и непрерывное перемещение создав для этого наиболее благоприятные условия. Для этого требуется исключить циклы рабочего процесса экскавации грунта и обеспечит его транспортировку по непрерывной схеме. Идеальность процесса можно существенно повысить, если отказаться от существующей конструктивной схемы путем устранения холостых ходов и обеспечения необходимых параметров экскавации грунта за счет пространственного перемещения рабочего органа. При этом функции перемещения машины должны осуществляться за счет ходового устройства, адаптированного под свойства грунтов, а рабочий орган должен перемещаться в трех плоскостях, передавая реактивное усилие от резания и копания на раму. расположенную на ходовом устройстве.

Следуя принципу идеальности и опираясь на результаты проведенных анализов существующей системы для реализации идеальной модели необходимо решить задачи, приведенные в таблице 3.9.

3.7 Идеальный конечный результат (ИКР)

Модель идеальной системы предельно проста: в ней нет инструмента, а главная полезная функция экскавации грунта должна выполняться самим изделием (грунтом) или соседними элементами (влага, воздух, гравитация). В общем виде идеальное решение выглядит так - ничего не изменяя, и ничего не внося в землеройную машину, мы должны получить желаемый эффект. Идеальная модель добавила список ключевых проблем (см. таблицу 3.10).

Практика показывает, что не всегда можно достичь идеального результата. Но формулировка Идеального Конечного Результата в контексте идеального решения указывает направление на наиболее сильный ответ.

Общая формулировка ИКР: некоторый X-элемент абсолютно не усложняя систему и не вызывая вредных явлений «решает» задачу. Идеальная модель экскавации грунта представлена на рисунке 3.12.

С точки зрения идеальности - в систему нельзя вводить новые вещества и поля. Но для достижения идеальной ТС и реализации идеальной модели все же необходимы незначительные изменения в существующей системе.

Здесь возникают дополнительные требования к ИКР, а именно: если в систему нельзя вводить новые вещества и поля, необходимо использовать Вещественно Полевые Ресурсы (ВПР).

3.8 Ресурсы

Анализ ресурсов всей системы в целом позволяет выделить три класса:

1 Внутрисистемные ВПР;

а) ВПР инструмента (Таблица 3.11);

б) ВПР изделия (Таблица 3.12);

2 Внешнесистемные ВПР (Таблица 3.13);

3 Надсистемные ВПР (Таблица 3.14).

Использование только внутрисистемных ВПР изделия необходимо для осуществления идеального способа экскавации грунта. Это есть выход на концепции за счет внутрисистемных ресурсов. Этот блок концепций есть решения на уровне ИКР (далекая перспектива).

Использование только второго класса ресурсов необходимо для осуществления концептуальных решений на уровне первого шага от ИКР (отдаленная перспектива).

Концепции, основанные на этом классе ресурсов, есть интенсификация существующего процесса экскавации грунта с использованием новых физических, геометрических и химических эффектов. На этом шаге обеспечивается синергизм между физико-механическими и геометрическими процессами.

Если нельзя осуществить идеальный способ экскавации грунта, то используются внутрисистемные ВПР инструмента (см. таблицу 3.11). Это модернизация существующей технологии в сторону второго шага от ИКР ближайшая перспектива. Использование этих ресурсов в решениях, - это выход на концепции по совершенствованию существующего рабочего процесса путем ее модернизации и частичной замены в ней оборудования.

Для осуществления идеального способа необходимо использование только внутрисистемных ВПР изделия. ВПР, имеющиеся при осуществлении процесса, перечислены в таблице 3.12.

Внутрисистемные ВПР плюс новые физические принципы экскавации грунта.

Таблица 3.11 - Внутрисистемные ВПР (ВПР инструмента)

Название	Вещества	Поля
Рабочий орган	Стальные сплавы, сплавы с повышенной твердостью, износостойкие покрытия	Механическое поле движения рабочего органа атмосферное давление

Таблица 3.12 - Внутрисистемные ВПР (ВПР изделия)

Название	Вещества	Поля
Грунт	Твердые сцепленные однородные и неоднородные частицы, грунтовая влага	Силы молекулярного сцепления, силы внутреннего трения частиц, гравитационное поле

Таблица 3.13 - Внешнесистемные ВПР

Вещества	Вода, воздух, температура окружающей среды, вес машины и рабочего оборудования, вес грунта
Фоновые поля	Гравитационное поле, магнитное поле земли

Таблица 3.14 - Надсистемные ВПР

Вещества	Масса машины и рабочего оборудования, материал рабочего оборудования и рамы машины
Поля	«копеечные» - воздух, гравитация, вода

Ключевые задачи для реализации идеальной модели и направления их решения на уровне ИКР представлены в таблице 3.15.

Список ключевых задач и направления их решения на уровне 1 шаг от ИКР представлен в таблице 3.16.

Список ключевых задач и направления их решения на уровне 2 шага от ИКР представлен в таблице 3.17.

Таблица 3.15 - Список ключевых задач и направление их решения на уровне ИКР

Ключевые задачи	Направление решения
Как осуществить экскавацию грунта с помощью самого грунта?	Разрушение грунта и его перемещение за счет фоновых полей - гравитация. и вода

Таблица 3.16 - Список ключевых задач и направление их решения на уровне 1 шаг от ИКР

Ключевые задачи	Направление решения
Как осуществить экскавацию грунта с помощью механической энергии непрерывно резая его и перемещая	Использование центробежных полей. Использование концентрации механической энергии с помощью клинового рабочего органа. Использование сил внутреннего трения в грунте

Таблица 3.17 - Список ключевых задач и направление их решения на уровне 2 шага от ИКР

Ключевые задачи	Направления дальнейшего анализа
Как осуществить экскавацию грунта с помощью механической энергии непрерывно резая его и перемещая	Использование центробежных полей. Использование концентрации механической энергии с помощью клинового рабочего органа. Использование сил внутреннего трения в грунте. Ударно-импулсное воздействие на грунт, вибрации. Центробежные силы, переход в надсистему по линии моно-би-поли

3.9 Результаты аналитического этапа

В результате выполнения причинно - следственного анализа определены ключевые задачи и концептуальные направления, которые являются основой для разработки концепций совершенствования рабочего процесса и конструкции экскаватора.

Устранение источников нежелательных эффектов возможно с использованием ресурсов системы, подсистемы и надсистемы;

Сформулированы 3 направления решения 8 ключевых задач:

Направление 1: Рабочий процесс непрерывной экскавации грунта (2 шага от ИКР).

Направление 2: Адаптивное ходовое устройство (на уровне 2 шаг от ИКР).

Направление 3: Совершенствование процессов горение топлива в ДВС (1 шаг от ИКР)

Представлена идеальная модель рабочего процесса экскавации грунта. Она достигается путем создания условий непрерывного процесса резания и транспортировки грунта с доставкой его в нужное пространство разгрузки.

Дальнейшее развитие рабочего процесса направлено в сторону увеличения и интенсификации ГПФ экскаватора. Это возможно при принципиальном изменении его конструктивной схемы базирующейся на новых физических принципах.

4. Концептуальный этап

Цель данного направления: увеличение и интенсификация ГПФ при экскавации грунта при изменении конструктивной схемы и параметров рабочего процесса.

4.1 Концепция 1: Непрерывная экскавация грунта бинарным шнековым рабочим органом

Аннотация:

Предлагается заменить ковшевой рабочий орган экскаватора, рукоять и стрелу, поворотную платформу и механизм поворота на бинарный шнековый рабочий орган, расположенный в центре тяжести машины и имеющий три степени свободы перемещения: вертикальное, поперечное и продольно поступательное. Рабочий орган состоит из двух шнеков, вращающихся в противоположные стороны, периферийная часть винтовой линии каждого шнека снабжена резцами, расположенными таким образом, что плоскость реза образует схему полублокированного разрушения грунта, а перемещение целика грунта на подвижную поверхность шнека осуществляется посредством специального скалывателя Перемещение рабочего органа осуществляется по направляющим, установленным на ходовой раме с помощью гидропривода. Перемещение грунта осуществляется непрерывно за счет шнековых транспортирующих органов. Для удержания грунта в зоне работы шнеков его транспортирующая часть закрыта подвижным кожухом, который в зоне разгрузки имеет разгрузочные окна. Дальнейшая разгрузка грунта осуществляется с помощью виброжелобов.

Последовательность разработки концепции представлена в таблице 4.1.

Исходная проблема:

В современных конструкциях одноковшовых экскаваторов циклический характер его рабочего процесса приводит к возникновению большего количества нежелательных эффектов (противоречий). Сюда следует отнести значительные инерционные усилия в момент разгона и торможения, проблемы неуравновешенности поворотной платформы, невозможность автоматизировать рабочий процесс и т.д. Эти недостатки делают сдерживают процесс развития экскаватора, а существующие подходы не разрешают имеющиеся конструктивные противоречия, а лишь только оптимизирую рабочий процесс в рамках уже сложившейся конструктивной схемы. Необходимо при минимальных изменениях в конструктивной схеме экскаватора найти способ разрешения выявленных противоречий.

Таблица 4.1 - Последовательность разработки концепции

Содержание шага	Результат шага
Формулировка ключевых задач	Как сделать так чтоб процесс резания грунта рабочим органом машины и его транспортировка были бы непрерывными
Решение ключевых задач	Предлагается перейти от ковшевого рабочего органа к бинарному шнеку, осуществляющему процесс резания и непрерывной транспортировки грунта в зону разгрузки. Дальнейшая транспортировка грунта осуществляется с помощью виброжелобов
Обоснование идей	В технике широко применяются буровые машины с шнековым рабочим органом, у которых перемещение грунта и его резание происходит непрерывно. Бинарные, двойные шнеки применяются в качестве питателей асфальтобетона в асфальтоукладочных машинах

Описание сущности концепции:

Предлагается заменить ковшевой рабочий орган на шнековый, представляющий собой двухвальный шнековый питатель, расположенный в кожухе и приводимый во вращение посредством двух высокомоментных гидромоторов. Винтовая линия каждого шнека снабжена резцами расположенными таким образом, что каждый из них работает в режиме полублокированного резания. На винтовой линии установлены скалывающие пластины, предназначенные для перемещения грунта из зоны резания на поверхность шнека. Вращение шнеков в противоположные стороны предназначено для компенсации реактивной составляющей силы резания. Подвижный кожух обеспечивает удержание грунта при его транспортировке вверх до места разгрузки, где в нем имеются соответствующие разгрузочные окна. Грунт после выхода из шнекового рабочего органа через разгрузочные окна попадет на виброжелоба, имеющие возможность устанавливаться таким образом, что грунт может разгружаться одновременно на две стороны. Шнековый рабочий орган закреплен в направляющих ходовой рамы таким образом, что он имеет возможность вертикального, наклонного перемещения. Кроме того, имеются специальные направляющие, которые обеспечиваю поперечное движение рабочего органа. Таким образом, рабочий орган имеет возможность перемещаться вверх и вниз, вправо и влево, и имеет возможность наклоняться в стороны. Продольное перемещение рабочего органа обеспечивается за счет перемещения самой машины. Общая схема машины приведена на рисунках 4.1.

Рисунок 4.1 - Схема машины для землеройных работ:

1 - рама; 2 - ДВС с насосной станцией; 3 - виброжелоб; 4 - направляющий кожух; 5 - движитель; 6 - шнек; 7 - гидромотор; 9 - гидроцилиндр поперечного перемещения шнека; 10 - гидроцилиндр вертикального перемещения шнека; 11 - гидроцилиндр поворота шнека; 12 - телескопический виброжелоб

Достоинства предлагаемой концепции:

1. Высокая производительность;

2. Возможность автоматизации рабочего процесса и полного исключения из него человека;

3. Отсутствие инерционных сил и уравновешенность конструкции;

4. Возможность отрывки котлованов и траншей имеющих наклон боковых стенок;

5. Исключается процесс налипания грунта на поверхность шнеков (самоочистка шнеков)

4.2 Концепция 2: Адаптивное ходовое устройство

Аннотация:

Предлагается заменить гусеничное ходовое устройство на пневмоволновое ходовое устройство, в котором движение машины осуществляется за счет волнового движения, которое инициируется активными элетментами, встроенными в оболочку газонаполненных гандолл. При движении по слабонесущим грунтам давление в гандоллах уменьшается и площадь опорная соответственно увеличивается. Волновое движение позволяет увеличивать силу сцепления за счет неровностей поверхности.

Последовательность разработки концепции представлена в таблице 4.2.

Исходная проблема:

При работе экскаваторов часто возникает проблема разрушения грунта под опорной поверхностью экскаватора вследствие высокий удельных давлений. Роме тог, экскаватор не может двигаться по неподготовленной для него поверхности - сильно пересеченной местности, так как в этом случае велика вероятность потери силы сцепления движителя с грунтом. Существующие типы ходовых устройств не разрешают противоречий в этой проблеме.

Таблица 4.2 - Последовательность разработки концепции

Содержание шага	Результат шага
Формулировка ключевых задач	Получение возможности управления удельным давлением в зависимости от несущей способности грунта
Решение ключевых задач	Предлагается использовать принцип волнового движения, создаваемого с помощью поперечной бегущей волны. Предлагается регулировать удельное давление движителя на грунт за свет изменения давления в оболочке
Обоснование идей	Волновое движение в природных объектах, волновые передачи и волновые ходовые устройства

Описание сущности концепции:

Предложенное решение используется в природе для движения пресмыкающихся (змеи, черви) и рыб. Волновое движение в технике пока представлено в сравнительно узких областях - волновые передачи, некоторые виды ходовых устройств.

Сущность этого способа состоит в том, что при возникновении генерированной бегущей волны по поверхности тела, последнее начинает перемещаться в противоположную сторону.

Пневмоволновой движитель состоит из гибкой оболочки, армированной стальной проволокой для придания ей особой прочности. Внутренний объем оболочки заполняется воздухом под давлением, которое обеспечивает необходимую устойчивость машины при работе и препятствует погружению движителя в грунт. В поперечном направлении вдоль всего корпуса гандолл имеются активные элементы, обручи, изготовленные из сплава с памятью формы - нитинола. При воздействии на них электромагнитного импульса, возбуждаемого в них внешним индуктором, каждое кольцо последовательно сжимается на величину минимального диаметра, после выключения магнитного поля первоначальный размер активного кольца восстанавливается. Задавая последовательность бегущего магнитного поля, задается последовательность бегущей волны. В предлагаемом движителе возможен эффект амебы, когда при низком давлении газа в гандолле препятствие как бы поглощается оболочкой и само может выступать как элемент, усиливающий силу сцепления.

Достоинства предлагаемой концепции:

1. Возможность регулирования удельного давления на грунт с учетом его несущей способности;

2. Бесшумность при движении;

3. Высокий к.п.д. вследствие отсутствия потерь энергии на преодоление сил трения в шарнирах

4. Высокая проходимость в слабонесущих грунтах (песок, болото, рыхлый снег;

5. Низкий вес оборудования.

4.3 Концепция 3: Интенсификация процессов горения топлива в ДВС

Аннотация:

Предлагается повысить эффективность сгорания топлива в ДВС за счет использования более сильного окислителя, которым является озон. Озон получается за счет высоковольтного разряда в камере сгорания из воздуха в момент достижения поршнем в.м.т.

Последовательность разработки концепции представлена в таблице 4.3.

Исходная проблема:

Процесс сгорания топлива в ДВС происходит не полностью, часть молекул топлива недоокисляется кислородом, содержащимся в воздухе. Попытки повысить давление воздуха в цилиндрах на период начала такта сжатия не снимают проблемы в целом. Это часто приводит к значительным конструктивным усложнениям и дополнительным потерям энергии.

Таблица 4.3 - Последовательность разработки концепции

Содержание шага	Результат шага
Формулировка ключевых задач	Как обеспечить полное сгорание топлива в цилиндрах ДВС
Решение ключевых задач	Предлагается использовать в конце такта схатия высоковольтный разряд, в результате которого часть кислорода из сжатого в камере сгорания воздуха перейдет в озон, который и будет с большей скоростью дожтгать топливо
Обоснование идей	Применение озона для окисления органических веществ, уничтожения бактерий и обесцвечивания (отбеливания) бумаги

Описание сущности концепции:

Предлагается поместить в камеру сгорания высоковольтную свечу, которая в конце такта сжатия ль до фазы самовоспламенения топлива озонирует сжатый воздух. При самовоспламенении впрыснутого топлива происходит более интенсивное сгорание его частиц и удаление из выхлопных газов несгоревших компонентов.

Достоинства предлагаемой концепции:

1 Повышение к.п.д ДВС;

2. Снижение токсичных выбросов;

3 Снижение расхода топлива.

Заключение

В ходе работы над проектом был выполнен информационный этап, на котором проанализирована история развития отечественного и мирового экскаваторостроения, выявлены основные тенденции и закономерности развития основных подсистем: рабочего органа, элементов трансмиссии, энергосиловой установки и управления. Анализ патентной информации по этим подсистемам позволил сделать вывод, что существующая концептуальная основа одноковшовых экскаваторов исчерпала ресурсы своего развития. Это подтверждается отсутствием роста идеальности на протяжении последних 20 лет.

Для выявления причин препятствующих дальнейшему росту идеальности был выполнен аналитический этап, в котором на структурно-функциональном уровне проанализированы все взаимодействия элементов одноковшового экскаватора и определены их функции. Несовершенство конструктивной типовой схемы одноковшового экскаватора подтверждается наличием значительного количества нежелательных эффектов - 15, которые представляют собой ключевые противоречия между элементами конструкции. Источниками этих нежелательных эффектов явились вредные функции имеющихся элементов, количество вредных функций в процентном соотношении превышает количество основных функций. Это лишний раз подтверждает неэффективность существующей конструктивной схемы.

Функциональное идеальное моделирование позволило свернуть элементы со значительным количеством вредных функций в элементы, выполняющие основные функции. Так в частности из схемы были удалены рукоять, стрела, поворотная платформа с противовесом и механизм опоры.

Причинно-следственный анализ оставшихся вредных функций позволил выявить корневые задачи, являющиеся источниками вредных функций, таких задач было получено 8:

1. Как перемещать механической энергией с помощью подвижной стенки, и выполнять функции удержания грунта в боковом пространстве за счет самих грунтовых стенок?

2. Как разделять конфликтующие элементы в пространстве за счет создания между подвижной стенкой и грунтом прослойки из воды?

3. Как использовать более сильный окислитель - озон?

4. Как создать опорную поверхность изменяемой формы в зависимости от прочности грунта?

5. Как перейти к динамичной структуре ходового устройства на микроуровне?

6. Как разупрочнять грунт с помощью ударной волны, или вибрационное взаимодействие?

7. Как организовать непрерывный процесс резания и одновременного перемещения одним рабочим органом?

8. Как использовать уравновешивающую силу, выполняющую полезное действие, перейти к непрерывному процессу?

На концептуальном этапе корневые задачи были сгруппированы в 3 направления, по которым и были разработаны 3 концепции:

- Концепция 1: Непрерывная экскавация грунта бинарным шнековым рабочим органом;

- Концепция 2: Адаптивное ходовое устройство;

- Концепция 3: Интенсификация процессов горения топлива в ДВС.

Согласно решению полученному в первой концепции, экскавация грунта осуществляется непрерывно. Предлагается заменить ковшевой рабочий орган экскаватора, рукоять и стрелу, поворотную платформу и механизм поворота на бинарный шнековый рабочий орган, расположенный в центре тяжести машины и имеющий три степени свободы перемещения: вертикальное, поперечное и продольно поступательное. Рабочий орган состоит из двух шнеков, вращающихся в противоположные стороны, периферийная часть винтовой линии каждого шнека снабжена резцами, расположенными таким образом, что плоскость реза образует схему полублокированного разрушения грунта, а перемещение целика грунта на подвижную поверхность шнека осуществляется посредством специального скалывателя Перемещение рабочего органа осуществляется по направляющим, установленным на ходовой раме с помощью гидропривода. Перемещение грунта осуществляется непрерывно за счет шнековых транспортирующих органов. Для удержания грунта в зоне работы шнеков его транспортирующая часть закрыта подвижным кожухом, который в зоне разгрузки имеет разгрузочные окна. Дальнейшая разгрузка грунта осуществляется с помощью виброжелобов.

В решении второй концепции предлагается полностью изменить ходовое устройство. Сущность этого способа состоит в том, что при возникновении генерированной бегущей волны по поверхности тела, последнее начинает перемещаться в противоположную сторону.

Пневмоволновой движитель состоит из гибкой оболочки, армированной стальной проволокой для придания ей особой прочности. Внутренний объем оболочки заполняется воздухом под давлением, которое обеспечивает необходимую устойчивость машины при работе и препятствует погружению движителя в грунт. В поперечном направлении вдоль всего корпуса гандолл имеются активные элементы, обручи, изготовленные из сплава с памятью формы - нитинола. При воздействии на них электромагнитного импульса, возбуждаемого в них внешним индуктором, каждое кольцо последовательно сжимается на величину минимального диаметра, после выключения магнитного поля первоначальный размер активного кольца восстанавливается. Задавая последовательность бегущего магнитного поля, задается последовательность бегущей волны. В предлагаемом движителе возможен эффект амебы, когда при низком давлении газа в гандолле препятствие как бы поглощается оболочкой и само может выступать как элемент, усиливающий силу сцепления.

В третьей концепции предлагается обеспечить полное сжигание топлива в ДВС за счет применения полного окислителя озона.

Предлагается повысить эффективность сгорания топлива в ДВС за счет использования более сильного окислителя, которым является озон. Озон получается за счет высоковольтного разряда в камере сгорания из воздуха в момент достижения поршнем в.м.т.

Этого можно достичь, поместив в камеру сгорания высоковольтную свечу, которая в конце такта сжатия до фазы самовоспламенения топлива озонирует сжатый воздух. При самовоспламенении впрыснутого топлива происходит более интенсивное сгорание его частиц и удаление из выхлопных газов несгоревших компонентов.

Полученное решение обеспечивает разрешение практически всех противоречий выявленных в ходе анализа конструктивной схемы и обеспечивает перспективное направление развития землеройных машин.

Список использованных источников

одноковшовый экскаватор оборудование конструкция

1. Одноковшовые экскаваторы и самоходные краны с гидравлическим приводом / И.Л. Беркман, А.А. Буланов, А.В. Ранеев и др. - М.: Машиностроение, 1971. - 303 с.

2. Одноковшовые экскаваторы НКМЗ / Ю.Я. Вуль, Ю.Т. Калашников, А.В. Сапилов, И.М. Харахаш. - М.: Недра, 1978. - 189 с.

3. Справочник молодого машиниста экскаватора / А.А. Изаксон, В.М. Донской, А.И. Филатов. - М.: Высшая школа, 1989. - 223 с.

4. Экскаваторы непрерывного действия / З.Е. Гарбузов, В.М. Донской, Н.В. Карев, Л.Е. Подорский. - М.: Высшая школа, 1980. - 303 с.

5. Многоковшовые экскаваторы / Н.Г. Домбровский. - М.: Машиностроение, 1972. - 432 с.

6. Электрооборудование одноковшовых экскаваторов / Н.В. Бариев. - М.: Энергия, 1980. - 296 с.

7. Надежность горных выемочных машин / С.В. Солод. - М.: ООО «Недра-Бизнесцентр», 2003. - 291 с.

8. Электрооборудование и системы управления подъемно-транспортными машинами / П.А. Сорокин, Д.М. Крапивин, М.Н. Хальфин и др. - Тула: ТулГУ, 2003. - 380 с.

9. Одноковшовые строительные экскаваторы / И.Л. Беркман, А.В. Раннев, А.К. Рейш. - М.: Высшая школа, 1967. - 279 с.

10. Современные одноковшовые экскаваторы / С.М. Борисов. - НИИинфстройдоркоммунмаш, 1966. - 248 с.

11. Землеройные машины / Н.Г. Домбровский, С.А. Панкратов. - М.: Машгиз, 1961. - 417 с.

12. Гидравлическое и пневматическое устройство на строительных и дорожных машинах / А.И. Вощинин, И.Ф. Савин. - М.: Машиностроение, 1965. - 337 с.

13. Гидравлические одноковшовые навесные неполноповоротные экскаваторы / Б.Д. Оренбойм. - М.: Машиностроение, 1966. - 298 с.

14. Основы теории одноковшовых экскаваторов / Е.Р. Петерс. - М.: Машгиз, 1955. - 176 с.

15. Строительные машины / В.А. Бауман. - М.: Машиностроение, 1965. - 321 с.

16. Современные карьерные экскаваторы / В.И. Сатовский, Г.М. Ярцев, П.И. Полещук и др. - М.: Недра, 1971. - 477 с.

17. Теория автоматического управления / А.В. Нетушила. - М.: Высшая школа, 1972. - 432 с.

18. Динамика и прочность одноковшовых экскаваторов / Д.П. Волков. - М.: Машиностроение, 1965. - 463 с.

19. Безопасность и экологичность проекта / А.А. Калинин, Л.Н. Горбунова. - Красноярск: ИПЦ КГТУ, 2003. - 20 с.

20. СТП КГТУ 01-05 / Т.В. Сильченко. - Красноярск: ИПЦ КГТУ, 2005. - 58 с.

21. Найти идею. Введение в теорию решения изобретательских задач / Г.С. Альтшуллер. - Новосибирск: Наука, 1986. - 246 с.

22. http://www.ideationtriz.com

23. http://www.triz.org

24. Безопасность жизнедеятельности в техносфере / О.Н. Русак, В.Я. Кондрасенко. - Красноярск: ИПЦ КГТУ, 2001. - 431 с.

25. http:// www.techstory.ru

26. http:// www.cdminfo.ru

27. http:// www.mobilehouse.info

28. http:// www.traktora.ru

29. http:// www.donex.ru

30. http:// www.strasti.ru

31. http:// www.omz.ru

32. http:// www.tcnti.ru

33. http:// www.vsestroi.ru

34. http://exkavator.ru

35. http://car.bb-club.ru

36. http://obaba.ru

37. http://history.exkavator.ru

38. http:// www.tvexc.ru

39. http:// www.kez.ru

40. http://hit8.hotlog.ru

41. http:// www.mrmz.ru

Размещено на Allbest.ru