Wydział Samochodów i Maszyn Roboczych
Laboratorium Maszyn Roboczych
Sprawozdanie:
Ćwiczenie MB2: „Automatyzacja pracy maszyn roboczych na przykładzie koparki podsiębiernej”
Grupa 3.4 zespół B, podzespół 1:
Emilian Dłuski
Piotr Dołęga
Rafał Bąbiński
Maciej Czechowski
Maciej Dominiak
Łukasz Dudkowski
1.Cel ćwiczenia:
Celem ćwiczenia było doświadczalne wyznaczenie pracy zużywanej na urabianie gruntu łyżką koparki, oraz dokonanie rozgraniczenia na energię zużywaną bezpośrednio na skrawanie gruntu oraz przemieszczanie i tarcie urobku o dno łyżki.
2.Wykonanie ćwiczenia
Aby zapewnić powatarzalność i pewność ruchów elementów koparki, wykluczającycych błąd operatora, skorzystano z układu automatycznego prowadzenia narzędzia po zadanym z góry torze. Sterowanie oparte jest o sieć CAN oraz nadzorujący sterownik PLC, do programowania którego służyl interfejs w środowisku WINDOWS komputera PC.
Wykonano pomiary dla dwóch wariantów dających w sumie cztery kombinacje.
Pomiary zostały dokonane w następującej kolejności:
łyżka ramowa w powietrzu – z1
łyżka ramowa w gruncie - z2
łyżka normalna w powietrzu - z3
łyżka normalna w gruncie - z4
Dane o ciśnieniach i przesunięciach dla poszczególnych cylindrów koparki podczas pomiaru były automatycznie zapisywane z częstością 20ms
3.Wyznaczenie pracy
Aby wyznaczyć pracę należało wyznaczyć siłę z jaką tłoczysko porusza ramieniem. Siła w cylindrze jest wypadkową sił wynikających z ciśnień działających na powierzchnię tłoka:
F = p1 • A1 − p2 • (A1−A2)
gdzie:
p1 - ciśnienie po stronie beztłoczyskowej
p2 - ciśnienie po stronie tłoczyskowej
A1 - pole powierzchni tłoka
A2 - pole powierzchni tłoczyska
Znając średnicę tłoka i tłoczyska można wyznaczyć pola powierzchni:
D = 80 mm , d = 56 mm
$A_{1} = \frac{\pi D^{2}}{4} = \frac{\pi{\bullet 80}^{2}}{4} = 5026,54\ \text{mm}^{2}$ , $\ A_{2} = \frac{\pi d^{2}}{4} = \frac{\pi{\bullet 56}^{2}}{4} = 2463,01\ \text{mm}^{2}$
Siła wyznaczona dla konkretnego punktu pomiarowego (z2- ramowa łyżka w gruncie pkt 354720):
F = 19[bar] • 5026, 54 [mm2] − 6[bar] • (5026,54 −2463,01)[mm2]
=1900000[Pa] • 0, 00502654 [m2] − 600000[Pa] • 0, 00256354[m2]
=9550, 4[N] − 1538, 1[N] = 8012.3[N]
Siła ta jest różna od siły wyznaczonej w arkuszu kalkulacyjnym - z różnicy ciśnień wynika że na początku pomiarów siła była niezerowa, co oznacza że cylinder musiał utrzymywać ramię i łyżkę w powietrzu. Podobnie w przypadku gdy łyżka dotykała gruntu, na cylinder działała siła którą musiał zrównoważyć różnicą ciśnień. W celu uzyskania pracy jaką cylinder wykonał podczas poruszania ramieniem, pomija się tą reakcję.
Wn = Fn • ln
gdzie:
ln = ln − ln − 1
Należy pamiętać, że praca w konkretnym punkcie pomiarowym jest sumą wszystkich wcześniejszych prac, stąd:
$$W = \sum_{i = 1}^{n - 1}{W_{i} + F_{n} \bullet l_{n}}$$
Praca dla konkretnego punktu (z2- ramowa łyżka w gruncie pkt 354720):
W = 76, 9[J] + 5896, 1[N] • (122,2−119,9)[0,01mm]
=76, 9[J] + 5896, 1[N] • 0, 0023[m] = 76, 9[J] + 13, 7[J] = 90, 6[J]
Praca uzyskana podczas pomiaru jest odczytywana jako ostatni punktem wzrostu pracy - w następnym punkcie praca się nie zmienia (prace te zostały wyszczególnione w arkuszach kalkulacyjnych). Stąd dla każdego pomiaru uzyskano:
WI = 678, 8[J] - praca ta odpowiada pracy z normalną łyżką w powietrzu, plik z3
WII = 3281[J] - normalna łyżka w gruncie, z4
WIII = 510, 4[J] - łyżka ramowa w powietrzu, z1
WIV = 2491, 5[J] - łyżka ramowa w gruncie, z2
Praca uzyskana podczas przemieszczania się ramienia w powietrzu jest związana tylko z tym przemieszczeniem; różnica pracy wykonanej w gruncie i w powietrzu oddaje energetykę procesu urabiania gruntu:
WPUG = WII − I = 3281 − 678, 8 = 2602, 24[J]
i pracę skrawania gruntu:
WPSG = WIV − III = 2491, 5 − 510, 4 = 1981, 1[J]
Z różnicy obu różnic można uzyskać energię na przepychanie gruntu:
WPPG = WII − I − WIV − III = 2602, 2 − 1981, 1 = 621, 1[J]
Wykresy sił i pracy
Wykres siły F i pracy W uzyskany z obliczeń dla ramowej łyżki w gruncie - z2:
Wnioski
około 20% całkowitej energii jest konsumowane na ruch ramienia-zarówno na pokonanie oporów bezwładności jak i tarcia w przegubie
analizując siły w poszczególnych częściach siłownika, zauważamy że wytłaczanie oleju z części biernej siłownika do zlewu, jest procesem energochłonnym- w przytaczanym punkcie wynosi ponad 15% całkowitej procesu. W przypadku ruchów jałowych udział ten rośnie. Należy więc zakładać, że ograniczanie spadków ciśnienia na zlewie np. poprzez stosowanie większych przekrojów i unikanie zwężek, lub też skrócenie przewodów spływowych pozwoli na redukcję całkowitych kosztów eksploatacji koparki
automatyzacja ruchów koparki podczas pracy może powodować obniżenie kosztów eksploatacji, ponieważ zarówno prękość ruchów, trajektorie oraz siły będą optymalizowane. Dodatkowe sprzęgnięcie sterownika ze sterownikiem silnika pozwoli na idealne dopasowanie dostarczanej przez niego mocy do aktualnych warunków pracy.
Zmiana łyżki z ramowej na normalną powoduję zwiększenie masy (bezwładności) i wzrost energii jaką cylinder wykorzystuje na ruch - WI > WIII
Energia zużywana na przesuwanie urobku w łyżce oraz na tarcie o ścianki jest stosunkowo niewielka. Jest to skutek małej zwięzłości ośrodka oraz faktu, że łyżaka nie była napełniana całkowicie
W celu zapewnienia zadanego położenia ramienia koparki musi być cały czas podawane ciśnienie - takie by cylinder wytworzył reakcję utrzymującą ramię w równowadze. W przeciwnym razie ramię koparki będzie się poruszało pod wpływem własnego ciężaru do położenia równowagi w krańcowym położeniu tłoka w cylindrze.