VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY
FAKULTA STROJNÍHO INŽENÝRSTVÍ ÚSTAV AUTOMOBILNÍHO A DOPRAVNÍHO INŽENÝRSTVÍ FACULTY OF MECHANICAL ENGINEERING INSTITUTE OF AUTOMOTIVE ENGINEERING
LOPATA S HYDRAULICKÝM KLADIVEM
BAKALÁŘSKÁ PRÁCE BACHELOR'S THESIS
AUTOR PRÁCE AUTHOR
BRNO 2009
LUBOMÍR PRUŠA
VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY
FAKULTA STROJNÍHO INŽENÝRSTVÍ ÚSTAV AUTOMOBILNÍHO A DOPRAVNÍHO INŽENÝRSTVÍ FACULTY OF MECHANICAL ENGINEERING INSTITUTE OF AUTOMOTIVE ENGINEERING
LOPATA S HYDRAULICKÝM KLADIVEM SHOWEL WHIT A HYDRAULIC HAMMER
BAKALÁŘSKÁ PRÁCE BACHELOR´S THESIS
AUTOR PRÁCE
LUBOMÍR PRUŠA
AUTHOR
VEDOUCÍ PRÁCE SUPERVISOR
BRNO 2009
ING. JAROSLAV KAŠPÁREK, PH.D.
2
3
Abstrakt Cílem této bakalářské práce je návrh lopaty s adaptovaným hydraulickým kladivem pro zvýšení rypných účinků. V první části práce se zabývám principem hydraulického kladiva a konstrukcí lopaty. V další fázi je práce zaměřena hlavně na konstrukční návrh a příslušenství lopaty s hydraulickým kladivem.
Klíčová slova Lopata, hydraulické kladivo, lopata s adaptovaným hydraulickým kladivem
Abstract Purposes those bachelor work is proposal shovel with adapted hydraulic hammer for increasing rep effects. In first part of work I occupy principle hydraulic hamer and construction shovel. In next phase work is focus mainly on engineering design and accessories shovel with hydraulic hammer.
Keywords Showel, hydraulic hammer, shovel with adapted hydraulic hammer
4
Bibliografická citace PRUŠA, L. Lopata s hydraulickým kladivem. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství, 2009. 38 s. Vedoucí bakalářské práce Ing. Jaroslav Kašpárek, Ph.D.
5
Prohlášení Prohlašuji, že jsem bakalářskou práci na téma lopata s hydraulickým kladivem vypracoval samostatně pod vedením Ing. Jaroslava Kašpárka, Ph.D s použitím odborné literatury, a uvedl jsem všechny zdroje a publikace, ze kterých jsem čerpal.
V Brně dne 29.5.2009
Podpis ......................................
6
Poděkování Za účinnou podporu a obětavou pomoc, cenné připomínky a rady při zpracování bakalářské
práce
tímto
děkuji
vedoucímu
mé
bakalářské práce
Ing. Jaroslavu Kašpárkovi, Ph.D. Dále chci poděkovat své rodině za podporu při studiu na vysoké škole.
7
Obsah Zadání ................................................................................... 2 Abstrakt ................................................................................. 3 Bibliografická citace ............................................................... 4 Prohlášení .............................................................................. 5 Poděkování ............................................................................ 6 Obsah .................................................................................... 7 1 Úvod ...................................................................................... 8 2 Bourací kladiva ...................................................................... 9 2.1 2.2 2.3 2.4
Historie hydraulik bouracích kladiv.............................................. 9 Princip bouracích kladiv............................................................... 11 Konstrukce hydrauliky.................................................................. 12 Důležité části hydrauliky............................................................... 13
2.5 2.6
Funkční princip hydrauliky............................................................ 14 Technické parametry hydrauliky HG – 2 ..................................... 15
2.7
Charakteristika uložení hydrauliky GH – 2 ………………………. 15
3 Hydraulické potrubí a ovládání ………………………………… 18 3.1
Hydraulická instalace na stroj...................................................... 19
4 Lžíce ……………………………………………………………... 19 4.1
Výběr vhodné lžíce …………………………………………..…….. 21
5 Rychloupínací zařízení…………………………………………. 22 6 Návrh lopaty s adaptovaným hydraulickým kladivem ………. 23 6.1 6.2 6.3 6.4
Návrh uložení hydrauliky …………………………………………… 23 Konstrukční úprava lopaty …………………………………………. 24 Pevnostní kontrola svaru …………………………………………… 25 Upevnění hydrauliky v lopatě ……………………………………… 28
6.5 6.6 6.7 6.8 6.9 6.10
Upínač nástrojů ……………………………………………………... 28 Buchar ……………………………………………………………….. 29 Návrh pracovních nástrojů …………………………………………. 30 Energie úderu, účinnost a základní výpočty hydrauliky ………… 31 Kinematika lopaty……………………………………………………. 33 Teoretické využití stroje…………………………………………….. 33
7 Závěr……………………………………………………………… 35 Seznam obrázků, použitých zdrojů a příloh………………….. 36
8
1 Úvod Náplní této bakalářské práce je navrhnout lopatu s adaptovaným hydraulickým kladivem pro zvýšení rypných účinků.Toto zařízení by mělo nahradit hydraulické bourací kladivo, které bychom museli v případě překážky vyměnit s lopatou. Lze také realizovat návrh příslušenství do této multifunkční lopaty, které by nahradilo i vibrační desku. V dnešní době je každý čas strávený výměnou nástroje ztrátový. V každém výrobním odvětví ať už je to strojírenský, stavební či dřevozpracující průmysl se snažíme tento čas minimalizovat na minimum či ho z výrobního procesu naprosto vyloučit. V našem případě bychom při kopání výkopu použili lopatu nutnou k této práci. V případě překážky bychom museli lopatu několikrát měnit s bouracím kladivem a na závěr při zasypávání výkopu bychom museli použít i vibrační desku na zhutnění materiálu. V tomto případě by mnou navrhovaný stroj nahradil všechna tato zařízení a jednoduchou výměnou pracovního nástroje by tuto práci bez problému zvládnul.
9
2 Bourací kladiva U bouracích kladiv jde o rozpojování tupým nebo zahroceným nástrojem, který působí na horninu údery vysoké energie. Je pochopitelné, že tak vysoká energie úderu vyžaduje větší hmotnost nosných zařízení s masivními výložníky. Je známo, že praktická účinnost nástroje těchto zařízení závisí na tom, ve kterém místě a v jakém směru tento nástroj působí. Je tedy třeba, aby nosné výložníky pro bourací kladiva měly velkou pohyblivost, a aby umožňovaly směrování kladiv.
Nasazení bouracích kladiv postupně nabývalo nejrozmanitějších forem: o rozbíjení nadměrně velkých kusů před nakladači, drtiči u podavačů a třídičů o vylamování horniny při těžbě v lomech, při ražení chodeb a tunelů o bourání betonových konstrukcí o rozbíjení asfaltových povrchů o hloubení a příprava rýh pro kanalizaci o likvidace klenby v zásobnících o demoliční práce na povrchu i pod zemí K rychlému rozšíření bouracích kladiv přispělo několik okolností. V první řadě skutečnost, že jsou k dispozici velmi propracované a spolehlivé prvky a systémy, které umožňují potřebnou pohyblivost ramen a kladiv, dále pak úspěšný vývoj samotných kladiv, a konečně výsledky výzkumných prací, zaměřených na teorii působení nástrojů na horninu.
2.1 Historie hydraulik bouracích kladiv První vývojové typy hydraulik bouracích kladiv vycházely z koncepce příklepové části hydraulických vrtacích kladiv. To znamená, že pracovní princip těchto kladiv byl založen výlučně na tlaku hydraulického média. Úderný i zpětný zdvih pístu ovládal tlakový olej, dodávaný na příslušné plochy prostřednictvím rozvodu. Velikost energie úderného zdvihu byla mimo jiné závislá na hydraulických ztrátách v rozvodových orgánech a přívodních kanálcích.
10
V další fázi se v konstrukci hydraulik objevuje dusíkový akumulátor, kdy na horní plochu pístu působí tlak dusíku. Při zpětném zdvihu pístu se dusík stlačuje a tuto akumulovanou energii vrací při zdvihu úderném. První hydrauliky měly zásobník, který byl naplněn dusíkem o tlaku 0,3 – 0,7 MPa. Nízký plnící tlak charakterizuje tento vývojový stupeň hydrauliky kladiva. Kombinace tlaku oleje na horní plochu pístového mezikruží a tlaku dusíku na horní kruhovou plochu pro získání energie úderu bylo použito poprvé u kladiva HM 800 firmy Krupp. Pro tyto hydrauliky platilo, že přibližně 1/3 energie úderu je získávána tlakem dusíku a 2/3 energie zajišťuje tlak oleje. Vývoj vedl ke zvyšování plnícího tlaku dusíku na 1 – 2 MPa a tím ke zvýšení podílu energie získané tlakem plynu, až ke konstrukci, která získává 100% energie úderu z tlaku plynu. Tlakový olej je potřebný pouze pro zpětný zdvih pístu do horní výchozí polohy. Systém, který v současné době používají výrobci kladiv, využívá k získání energie úderu 70% energie akumulované v tlakovém dusíkovém zásobníku. Zbývajících 30% dodává hydraulický systém nosiče. Tím je zaručena konstantní energie úderu, nezávislá na technickém stavu a spotřebě zdroje hydraulického média. U těchto hydraulik není energie úderu v přímé závislosti na tlaku oleje. Tím důležitější je však zachování tlaku dusíku v zásobníku. Má-li hydraulika pracovat s vysokou energií úderu, musí být tento tlak na horní hranici nebo dokonce mírně nad ní. Princip činnosti je zřejmý z obr. 1.
Obr. 1 – Princip činnosti hydrauliky s dusíkovým akumulátorem [2]
11
2.2 Princip bouracích kladiv Bourací kladiva procházela historickým vývojem od kladiv nárazových ke kladivům příklepným. Jako zdroj energie se v převážné míře používá hydraulické médium, výjimečně tlakový vzduch. Princip práce bouracích kladiv příklepových spočívá v tom, že na nástroj, který je samostatnou jednotkou, se pístem bouracího kladiva přenáší úderná energie. Princip je patrný z obr. 2. Kinetická energie pístu bouracího kladiva se při jeho dopadu na dláto mění na napěťové vlny. Ty vyvolávají síly potřebné k proniknutí dláta do horniny či materiálu, čímž dohází k jejímu rozpojení. Typickým znakem tohoto způsobu rozpojení je, že hrot dláta musí být v okamžiku úderu pístu v doteku s rozpojovaným materiálem. Hydraulická kladiva jsou originální převodníky energie hydraulické na mechanickou, formou nárazových impulsů s určitou frekvencí a silou.
Obr. 2 – Obecné schéma bouracích kladiv [2]
12
2.3 Konstrukce hydrauliky Dlouhý šroub Horní matice
Pojistná podložka Objímka šroubu
Adapter
Zadní hlava
Horní víčko Válec Plunžr Ventilová skříň
Píst Pouzdro válce
Hlavní ventil Spodní víčko
Tlumící kroužek Mazničky Přední hlava Těsnící kroužek Spodní matice Pojistný čep oškrtu
Pouzdro oškrtu Oškrt
Obr. 3 – Hlavní části hydrauliky kladiva [8]
Všechny
díly
zpracovaných ocelí,
bouracích
kladiv
jsou
vyrobeny
z
kvalitních,
tepelně
a mají dlouhou životnost. Konstrukce kladiv je robusní, aby
mohla přejímat veškerá namáhání a rázy vznikající při jejich provozu. Kladiva jsou chráněna mohutným krytem, který je chrání před poškozením a snižuje také emise hluku, na které se v poslední době hledí nejvíce.
13
2.4 Důležité části hydrauliky Dlouhé šrouby - Přední hlava, válec a zadní hlava tělesa bouracího kladiva jsou spojeny čtyřmi průchozími šrouby.
Zadní hlava - Přívodní plynový ventil je vestavěn a vnitřek je naplněn plynem N2.
Hlavní ventil - Ovládací ventil je vestavěn ve válci a ovládá vratný pohyb pístu.
Válec - Ve válci je zabudován hydraulický okruh pro vratný pohyb pístu, spojení kanálků pro hydraulický olej a ventil. Válec je hlavní částí tělesa bouracího kladiva.
Píst - Kinetická energie pístu je přeměněna v energii úderů, která je přenášena do oškrtu pro rozbíjení kamene.
Přední hlava - Přední hlava podpírá celé bourací kladivo. Vestavěné opěrné pouzdro zachytává údery, které jsou přenášeny z oškrtu.
Oškrt - Dle účelu lze použít různé druhy oškrtů.
14
2.5 Funkční princip hydrauliky Pohyb pístu vzhůrzu
Pohyb hl. ventilu vzhůru
Vyvolání úderu
Pokles hl. ventilu
Obr. 4 – Funkční princip hydrauliky [8] 1. Při otevření ovládacího ventilu proudí tlakový olej z hydraulického čerpadla do vtokového kanálku kladiva. Tento hydraulický olej je dále přiváděn hlavním ventilem do komory C3 a ke špičce plunžru. Tím je hlavní ventil stlačen ke dnu pouzdra. Olej v komoře C3 způsobí pohyb pístu vzhůru. Tím se stlačí plyn v komoře C1. Olej nad pístem v komoře C2 odtéká výstupním kanálkem zpět do olejové nádrže. 2. Pohybem pístu vzhůru vznikne spojení mezi komorou C3 a ventilovým kanálkem, takže olej může vtéci do komory C4. Poněvadž je průřez plochy hlavního ventilu v komoře C4 větší než plunžru hlavní ventil se nadzdvihne. 3. Nadzdvižením hlavního ventilu nastane spojení mezi ventilovými kanálky 1 a 6. Tlak v komoře C3 nyní automaticky klesne zpět na tlak v potrubí, vedoucí do olejové nádrže. Stlačený plyn v komoře C1 tlačí nyní píst dolů. Tím se spojí otvor pro vypouštění oleje s ventilovým kanálem 2, zatím co píst běžící dolů blokuje kanálek 3. Vtékající olej proudí do komory C4 a zvedá hlavní ventil až do jeho koncové polohy. Tím je zajištěn volný odtok oleje z komory C3. Tento olej proudí kanálky 1, 6 a 4 do komory C2, když rozpínající se plyn tlačí oškrt dolů. 4. V horním konci pohybu pístu se otevírá ventilový kanálek 3 který vede ke komoře C2. Tlak v komoře C4 tím klesá na tlak odpadního potrubí. Vteklý olej působí pak ventilovým kanálkem 5 na plunžr a tlačí tím hlavní ventil dolů. Olej v komoře C4 je vtlačen přes ventilový kanálek 3 do komory C2 a odtud do odpadního potrubí. Jakmile hlavní ventil opět dosáhl svého konečného spodního bobu opakuje se celý pochod znovu.
15
2.6 Technické parametry hydrauliky HG - 2
Obr. 5 – Hydraulika bouracího kladiva [8] •
provozní váha 268 kg
•
délka s oškrtem 1290 mm
•
délka oškrtu 66 mm
•
energie 411 J
•
frekvence 600 – 1200 úderů/minutu
•
množství oleje 25 – 50 L/min
•
minimální pracovní tlak 17,5 MPa
•
pracovní teplota hydraulického oleje 20 – 80 ºC
•
pracovní hmotnost stroje 3 – 5 tun
•
typu hadice 3/4 “
•
filtrace hydraulického oleje ≤ 20 µm
•
naměřená jmenovitá hodnota hladiny hluku 119 Lwa (dB)
Stavební stroje vhodné pro instalaci hydrauliky GH-2 •
Rypadla s pracovní hmotností 4 - 6 tun
•
Rypadla ze zabudovanou hloubkovou lopatou s pracovní hmotností 6 - 8 tun
•
Kolové nakladače s hmotností 2 - 4 tun
2.7 Charakteristika uložení hydrauliky GH - 2 Mechanické spojení hydraulik bouracích kladiv s nosným zařízením je realizováno prostřednictvím držáků nebo spojovacích dílů. Mezi hydrauliku a nosný element se montuje nárazníkový systém, který chrání rameno stroje před nárazy vyvolanými provozem kladiva. Hydraulika je v obálce uložena „plovoucně“, což znamená, že není
16
připevněna žádným konstrukčním spojením. Drží ji pouze silonová pouzdra vyrobená z materiálu BELTA 66. Mechanicko-fyzikální vlastnosti tohoto materiálu jsou v tab. 1. Tento materiál má vysoký modul pružnosti, což je velice výhodné, poněvadž některá pouzdra v uložení zde zastávají také funkci pružiny. Rázovou houževnatost má tento materiál také bez lomu. Vizualizace pouzder je na obr. 6.
Tab. 1 – Mechanicko-fyzikální vlastnosti materiálů [5]
17
1.
2.
3.
4.
Obr. 6 – Silonová pouzdra [8]
Pouzdro číslo 1. – plastová vanička – je umístěna na předním čele hydrauliky, kde zachycuje rázy. Je vyrobena odléváním.
Pouzdro číslo 2. – silonový válec – je umístěn na zadním čele hydrauliky a zachycuje zde rázy. Působí zde také jako pružina, na které je při montáži vyvolané malé předpětí.
Pouzdro číslo 3. – velké silonové pouzdro – těchto pouzder je na hydraulice umístěno celkem 8 a jsou umístěna ve speciálním držáku na boku hydrauliky. Vymezují zde boční vůle a zachycují boční rázy.
Pouzdro číslo 4. – malé silonové pouzdro – těchto pouzder je na hydraulice také 8. Jsou také umístěná ve speciálním držáku v horní a dolní části hydrauliky. Jelikož zde působí jen minimální síly odpovídá tomu i jejich velikost.
Obr. 7 – Uložení hydrauliky do pouzder 18
Uložení znázorněné na obr. 7 dokresluje představu o tom, jakým způsobem je hydraulika uložena do obálky.
3 Hydraulické potrubí a ovládání Provoz hydraulického bouracího kladiva musí být zajištěn uzavřeným hydraulickým okruhem. Vzhledem k tomu, že se hydraulický okruh odlišuje podle základních strojů, je nutné, aby hydraulický okruh navrhl a zapojil kvalifikovaný pracovník. a) Zařízení a vybavení základního stroje používané společně i pro bourací kladiva: -
Nádrž hydraulického oleje
-
Olejové čerpadlo
b) Zařízení a vybavení, které musí být pro kladivo nově zabudováno : -
Řídící hydraulický ventil
-
Ovládací páka nebo pedál sloužící k ovládání bouracího kladiva
-
Vysokotlaké potrubí sloužící k dodávání vysokotlakého oleje do bouracího kladiva
-
Nízkotlaké potrubí sloužící k zpětnému toku nízkotlakého oleje do nádrže hydraulického olejů.
3.1 Hydraulická instalace na stroj
HAMMER KIT LINES
1
Hydraulické kladivo
2
Konzola
3
Čepy
4
Oškrt
5
Uzavírací ventily
6
Vysokotlaké potrubí
7
Nízkotlaké potrubí
8
Řídící ventil kladiva
9
Hydraulické čerpadlo
10 Olejový filtr 11 Olejová nádrž
Obr. 8 – Hydraulická instalace na stroj [4]
19
Kompletní hydraulickou instalaci je možné namontovat na všechny dostupné nakladače i rypadla. Zpravidla bývá tlakové potrubí instalováno na levou stranu rypadla či nakladače, odpadní potrubí na pravou stranu. Přiváděná kapalina do hydraulického kladiva prochází řídícím ventilem, který je nainstalován přímo na stroji. Není proto nutné do obvodu zapojovat další hydraulické regulátory. Odpadní hydraulický olej prochází přes filtr a chladič oleje zpět do nádrže.
Obr. 9 - Hydraulický obvod pro bourací kladivo [6] 1 – Hydraulická nádrž, 2 – Sací filtr, 3 – Hydraulické čerpadlo, 4 – Měřič průtoku (volitelné), 5 – Pojistný ventil maximálního tlaku, 6 – Trojcestný ventil, 7 – Přívod do kladiva, 8 – Odpad z kladiva, 9 – Vzduchem chlazený chladič oleje, 10 - Filtr v odpadním potrubí
4 Lžíce Na konci násady je upevněna buď přímo, nebo s využitím rychloupínacího zařízení. Její přední hlava je opatřena výměnnými zuby a je přivařena k zadní stěně. Ta je opatřena horizontálními nanášecími pásy z vysoce otěruvzdorného materiálu. Boční řezná stěna je buď hladká, nebo je též opatřena řeznou lištou, popřípadě i zuby.
20
Obr. 10 – Některé druhy lžic [4]
A) Podkopové lžíce zubové Podkopové lžíce se používají při výkopových a stavebních pracích. Jsou vhodné pro kopání v zemině a štěrku. B) Podkopové lžíce hladké Podkopové lžíce se používají při nakládce a přemisťování sypkých materiálů. C) Podkopové lžíce velkoobjemové Velkoobjemové lžíce se používají při nakládce a přemisťování lehkých sypkých materiálů. D) Podkopové lžíce skalní Extrémně pevná lopata dimenzovaná pro práci s kamenivem a silně abrazivním materiálem. Vhodná pro rypadla pracující v lomech a důlním průmyslu. E) Podkopové lžíce řetězové Řetězové lžíce jsou určeny k těžbě a nakládce soudržných hornin (např. jíl). U řetězových lžic samotná hmotnost řetězu a skutečnost, že mezi oky řetězu může proudit vzduch, zaručuje snadný výsyp jakéhokoli materiálu.
21
F) Horové lopaty Rypadlové nakládací lopaty se používají pro nakládání a těžení hornin. G) Srovnávací hydraulické Srovnávací lopaty hydraulické jsou určeny k čištění příkopů, úpravu svahů, pro jemné svahovací práce. H) Profilové lžíce pevné Profilové lžíce jsou určeny pro hloubení příkopů a profilových drážek převážně lichoběžníkového tvaru a úpravu břehů.
4.1 Výběr vhodné lžíce Lžíce s adaptovaným hydraulickým kladivem je navržena pro specifické bagrování. Jelikož uvažujeme, že tato lžíce bude pracovat ve specifických podmínkách a bude nakládat hlavně tvrdé a silně abrazivní materiály, klademe vysoké nároky na její životnost. Plazy a břity z otěruvzdorných materiálů chrání kritická místa lžíce a zabraňují jejich poškození. Takto zvýšená ochrana zaručuje i při připojení hydrauliky bouracího kladiva vysokou životnost lžíce.
Technické parametry : ● šířka 600 mm ● hloubka 1200 mm ● výška 1100 mm ● objem 0,5 m2 ● váha 130 kg ● lžíce pro bagr a rýpadlo o velikosti 6 – 8 tun
Obr. 11 – Navržená lžíce [4]
22
•
Břit 200 x 20 HDX 400
•
Boční břit (plech HDX 400 / 15mm)
•
Bok (plech 11 523 / 6mm)
•
Výztuha boku (plech HDX 400 / 6mm)
•
Vana (plech 11 523 / 8mm)
•
Horní plech (plech 11 523 / 15mm)
•
Spodní výztuha (plech 11 523 / 12mm)
•
Plazy (plech HDX 400 / 10mm)
•
Boční plazy (plech HDX 400 / 10mm)
•
Základní + vrchní barva (černá jednovrstvá synt. KH13-RAL9005) Kinematika lopaty je konstruována pro maximalizaci výkonu stroje, ideální
záběr a prodloužení životnosti lopaty. Zesílená a tuhá konstrukce z houževnatých materiálů zaručuje dobrou životnost. Uchycení lopaty akceptuje specifika bagru, rýpadla či rychloupínače.
5 Rychloupínací zařízení Je
to
zařízení,
které
usnadňuje výměnu lžic nebo jiných pracovních nástrojů. Je ovládáno buď mechanicky, nebo hydraulicky. Vyspělejší typy v sobě obsahují i rotátor, který umožňuje
natáčení
lžíce,
některých případech i o 360°.
Obr. 12 – Rychloupínací zařízení [8]
Obr. 13 – Princip rychloupínacího zařízení [4]
23
v
6 Návrh lopaty s adaptovaným hydraulickým kladivem Na tuto lopatu s adaptovaným hydraulickým kladivem jsou kladeny tyto požadavky: - při jakémkoliv zatížení masivní a chvění-odolná konstrukce - snadný přístup k hydraulické instalaci - jednoduchá a rychlá údržba, snadný přístup k doplnění dusíku - práce v jakémkoliv prostředí a terénu, na suchu i ve vodě - snadno odnímatelný kryt pro rychlý přístup k hydraulice - upínač nástrojů odolný proti otěru a opotřebení - snadná a rychlá výměna poškozených součástí - rychlá výměna pracovního nástroje Všechny tyto požadavky splňuje svařovaná konstrukce z vysoce kvalitních a vhodně tepelně upravených materiálů. Vhodná konstrukční úprava lopaty a vhodný návrh krytování zajistí snadný přístup a jednoduchou údržbu.
6.1 Návrh uložení hydrauliky Mechanické spojení hydrauliky se svařovanou konstrukcí lopaty je realizováno prostřednictvím pouzder a spojovacích dílů. Mezi hydrauliku a konstrukci je namontován nárazníkový systém, který chrání celou konstrukci a rameno stroje před nárazy a chvěním vyvolaným provozem hydrauliky. Přední čelo hydrauliky je podobně jako u kladiva uloženo do silonové vaničky. Na zadní čelo je připevněn silonový válec, který zde plní funkci pružiny.
Obr. 14 – Schéma pružiny [1] 24
Tento válec je zde namontován s mírným předpětím (předpružením). Funkce pružiny je patrná z obr. 14. Boky hydrauliky jsou uloženy do silonových rámečků, které vymezí poslední stupně volnosti, které hydraulika má. Všechna silonová pouzdra jsou opět vyrobená z materiálu BELTA 66. Mechanicko-fyzikální vlastnosti tohoto materiálu jsou v tab. 1. Tento materiál má požadované vlastnosti a je pro tyto účely velice vhodný.
Obr. 15 – Uložení hydrauliky do lopaty
6.2 Konstrukční úprava lopaty Námi vybranou lopatu je nutné konstrukčně upravit tak, abychom do ní mohly hydrauliku uložit. Nejprve je nutné přivařit dva pásy plechu konstrukčně upravené tak, aby do lopaty pasovaly. Tyto plechy jsou z materiálu 11 523 / 15mm. Plní zde funkci krytu hydrauliky, ale také funkci základní kostry, na kterou budou upevněny další díly konstrukce. K těmto bokům jsou navařena záda obálky, na která bude upevněn silonový válec, který zde bude tlumit všechny pružné rázy. Dále musíme připevnit k těmto bokům profily, ve kterých budou uloženy silonové rámečky, a na které se připevní čelo ochraňující hydrauliku. Všechny tyto části jsou svařované a je nutné je zkontrolovat.
25
Výpočet koutového svarového spoje: Koutové svary se umisťují podél klínové hrany spojovaných dílců a jejich základním profilem je
rovnoramenný
pravoúhlý
trojúhelník. Používají se obvykle jako nosné, silové svary pro spoje tvaru T, křížové spoje, rohové spoje a pro spojení přeplátované.
Svařované
součásti není potřeba tvarově upravovat. U staticky zatížených spojů se obvykle používá svar plochý, u dynamicky zatížených spojů je výhodnější svar vydutý, který má menší vrubové účinky.
Obr. 16 – Konstrukční úprava lopaty
6.3 Pevnostní kontrola svaru Při pevnostní kontrole koutových svarů se za nebezpečný (nosný) průřez svaru považuje obdélník, ležící ve středové rovině rozdělující profil svaru na dvě stejné části. Rozměry nosného průřezu koutového svaru jsou vymezeny jeho tloušťkou "a" a délkou "L". Obr. 17 – Rozměry koutového svaru [1]
26
Při řešení koutových svarů používá zjednodušená metoda, u které se pro účely výpočtu sklápí nosný průřez svaru do roviny připojení součástí. V závislosti na daném zatížení jsou pak určovány jednotlivé
složky
napětí
v
tomto
sklopeném průřezu a to ve směru kolmém na svar (┴) ve směru souběžném se svarem (ll). Součástí této konvence je i
Obr. 18 – Rozložení napětí
předpoklad, že všechny takto určené
koutového svaru [1]
složky budou mít ve skutečnosti charakter smykového napětí. Vypočtená jmenovitá napětí pak tedy nesmí přesáhnout hodnoty dovoleného napětí materiálu ve smyku. V závislosti na působícím zatížení můžeme pro určení jednotlivých složek napětí v bodě "A" svaru použít následující vztahy: - zatížení normálnou silou Fz:
- zatížení ohybovým momentem M:
- zatížení smykovou silou Fx:
- zatížení smykovou silou Fy:
Obr. 19 – Síly působící na koutové svary [1]
27
- zatížení kroutícím momentem T:
kde: Aw
- nosná plocha průřezu svaru [mm2, in2]
Iw
- kvadratický moment průřezu svaru [mm4, in4]
Jw
- polární kvadratický moment průřezu svaru [mm4, in4]
σ⊥
- normálné napětí kolmé na směr svaru [MPa, psi]
σll
- normálné napětí rovnoběžné se směrem svaru [MPa, psi]
τ⊥
- smykové napětí kolmé na směr svaru [MPa, psi]
τll
- smykové napětí rovnoběžné se směrem svaru [MPa, psi]
Závěr: Stanovení jmenovitého napětí v nosném průřezu koutového svaru je při kombinovaném zatížení a členitějším svaru neobyčejně komplikovaná úloha. V našem případě je o to těžší, protože neznáme žádné hodnoty zatížení. Tyto hodnoty jsou firemním tajemstvím výrobce, které se nezveřejňují. Nastiňuji zde proto pouze postup řešení.
28
6.4 Upevnění hydrauliky v lopatě Hydraulika uložená do silonových pouzder
se
umístí
do
svařené
konstrukce lopaty. Zde je připevněna pásovinami 1, 2 a 3, které zároveň připevňují
oba
silony
silonovou
vaničku.
označený
číslem
4
hydrauliku
a
dotažením
šroubů
a
přední
Čelní
plech
drží
celou
zároveň
vyvozuje
předpětí
1
na
silonovém válci. Jelikož se úderná síla
z hydrauliky
bucharu
na
přenáší pracovní
pomocí
2 3
nástroj,
nevznikají zde žádné boční síly, a proto není nutné nijak tyto šrouby kontrolovat.
Mají
zde
pouze
upevňovací
funkci
s minimálním
4
zatížení.
Obr. 20 – Upevnění hydrauliky v lopatě
6.5 Upínač nástrojů Exkluzivní design nám umožňuje vykonávat jakýkoliv úkon, který práce vyžaduje. Upínač nástrojů umožňuje práci v jakémkoliv úhlu při maximálním výkonu a nulovém opotřebení hydrauliky.
Obr. 21 – Schéma upínače nástrojů 29
Upínací hlava má dostatečnou vodící délku, tudíž nedochází k zaklínění. Nástroj je veden 3 upínacími tyčemi, tudíž má velikou stabilitu. Držák je vyroben z vysoce kvalitní popouštěné oceli a nevyžaduje žádnou údržbu. Ve vodící části nástroje jsou umístěny 2 O-kroužky, které zabraňují vnikání nečistot do mazací pasty. V případě opotřebení není nutné měnit celý upínač pouze ocelové vložky. Tento jedinečný design umožňuje snížit náklady na údržbu a provoz zařízení. Výměna nástroje je velice jednoduchá. Stačí povolit zajišťovací matici a vytáhnout čep, který drží nástroj. Při každé výměně bychom měli vodící část řádně vyčistit a promazat.
6.6 Buchar
Chceme-li
se
vyhnout
přímému
dotyku mezi pístem hydrauliky a pracovním
nástrojem,
musíme
umístit do upínače hydraulického kladiva buchar.
Obr. 22 – Složení hydrauliky s bucharem
V případě, že chceme, aby stroj pracoval v jakékoliv pozici a úhlu, musíme zajistit, aby nástroj uložený do hydrauliky narážel na píst v hydraulice kolmo. Toto lze zajistit v případě, že použijeme buchar, na který nástroj nemusí narážet v kolmém směru. Buchar je vyroben z vysoce kvalitní nárazu-odolné popuštěné oceli.
30
6.7 Návrh pracovních nástrojů Standardní dláto - pro prvotní kopání a rozbití nejtvrdších materiálů - soubor 3 dlát, z nichž je prostřední vysunuto pro prvotní úder a vyšší produktivitu práce
Špičatý břit - pro prvotní kopání a demoliční práce - hodný pro kopání příkopů v tvrdé nebo zamrzlé půdě - ostří špičatého břitu dobře rozrývá povrch
Plochý břit - určený pro hlavní kopání, hloubení a místní čistění - ideální pro hloubení v jílu a měkčích površích - dobrý pro lehké bourání (asfalt, zmrzlý povrch, apod.) - v krajním případě lze použít i jako srovnávací lžíci
Vibrační deska - nástroj určený ke zhutnění půdy - pracuje efektivně v těsných mezerách a v jakýchkoliv úhlech - zvláště dobrý na zhutnění svahů a strání
Obr. 23 – Návrh pracovních nástrojů
31
6.8 Energie úderu, účinnost a základní výpočty hydrauliky Energie úderu je dána dopadovou rychlostí pístu a hmotností tohoto pístu. Je omezena pevností čela úderného pístu a oškrtu, takže rychlost dopadu se obecně udržuje pod hodnotou 11 m.s-1. U novějších typů hydraulických kladiv je možno tuto rychlost díky jednodušší a pevnější konstrukci pístu zvýšit až na hodnotu kolem 16 m.s-1. Na druhé straně je třeba si uvědomit, že při požadované energii úderu, např. 14 kJ a při dodržení zmíněné mezní rychlosti se musí zvětšit hmotnost pístu (E = ½ m. v2 ) a píst by byl těžký kolem 320 kg. Z konstrukčního hlediska to není sice problém a bourací kladivo s takovou energií existuje, ale vyžaduje speciální výložník a těžké dopravní prostředky. Vyjádření energie pro rozpojování úderem dává složitou funkci a zahrnuje faktory, které lze obecně vyjádřit jako funkci těchto veličin: Wp= f * (σp, E, Eu, n, F, ktv, kan, kpd, kgn) kde: σp
- pevnost horniny
E
- modul pružnosti
Eu
- energie úderu
n
- počet úderů
F
- velikost přítlaku na nástroj
ktv
- tvarová charakteristika rozpojovaného kusu horniny
kan
- anizotropie a petrografie horniny
kpd
- druh podložky, na které se nachází rozpojovaná hornina
kgn
- geometrie a kvalita materiálu
Stanovení energie úderu ze vstupních parametrů je možné s přihlédnutím k celkové účinnosti kladiva a jistému zjednodušení. Eu = kde:
∆p * Q *η f
Eu
- energie jednoho úderu [J]
f
- počet úderů [s-1]
∆p
- pracovní tlak hydraulické kapaliny [Pa]
Q
- dodávané množství hydraulické kapaliny [m3s-1]
32
Na základě řady laboratorních měření hydraulik bouracích kladiv je účinnost vyšší než 0,6 nereálná. S tím dobře korespondují výsledky i praktické zkušenosti Výzkumného ústavu hydraulických mechanizmů v Dubnici nad Váhom. Výrobci hydraulických kladiv v zásadě energii úderu ve svých prospektech neuvádí, neboť považují tento údaj za neobjektivní. V době mezi dvěma údery se dodávaná hydraulická energie mění na kinetickou energii pístu, která je na konci cyklu při úderu pístu na dláto přeměněna na energii úderu. Nasazení kladiva v různě tvrdých materiálech vyvolává po úderu zpětný pohyb jako důsledek odražené energie na konci dláta. Toto lze vyjádřit reflexním faktorem R, který teoreticky může nabývat hodnot od 1 (celý úderný impuls je odražen) do 0 (úderný impuls bez odrazu). Praktickým důsledkem tohoto jevu je, že souvislost mezi vstupním a výstupním výkonem není dána pouze účinností, nýbrž musí být brán v úvahu i faktor α, který závisí na rozpojovaném materiálu: Pvýst = Pvstup * η * α S rostoucí tvrdostí horniny se zvyšuje odrazný výkon, který ovlivňuje velikost energie úderu a počet úderů. Jak se tyto faktory mění, závisí na: •
charakteristice úderného zařízení
•
typu hydraulického čerpadla Pro uživatele je jedním z hlavních hodnotících parametrů pracovní výkon
hydrauliky vyjádřený množstvím rozpojené horniny za pracovní čas (obvykle 8 hod.). Tyto údaje jsou však ovlivněny řadou faktorů jako typ horniny, druh práce (rozpojování balvanů, vylamování z pevného masivu, apod.), tuhost podložky, na které je rozpojováno, na zkušenostech obsluhy, apod. Je tedy zřejmé, že tyto údaje jsou pouze orientační.
33
6.9 Kinematika lopaty Hydraulický mechanizmus vyvíjí energii, která z části přejde do rozbíjeného materiálu a z části se od tohoto materiálu odrazí zpět do hydrauliky. Část z ní (asi 60%) se absorbuje do dusíkového akumulátoru a zbytek přejde dále do konstrukce. Část této energie absorbují silonové nárazníky a zbytek přechází do ramene pracovního stroje. Pokud bychom znali skutečné hodnoty všech energií (odražených, absorbovaných dusíkovým akumulátorem a silonovým nárazníkem), mohli bychom jednoduchým kinematickým výpočtem spočítat, jak velká síla působí na pístnici stroje. Odtud bychom jednoduchým vztahem
p=
F S
[Pa]
zjistili, zdali píst celý
mechanizmus udrží v rovnovážném stavu nebo zdali lopata odskočí od materiálu.
F
Obr. 24 – Kinematika lopaty [7]
6.10 Teoretické využití stroje Použití bouracích kladiv se vyznačuje celou řadou předností před jinými druhy rozpojování. Mnou navrhovaná lopata s adaptovaným hydraulickým kladivem všechny tyto pracovní úkony bez problémů zastoupí. Lze tedy balvany rozrušovat ihned po odstřelu současně s nakládáním. Výhodou je, že není třeba velké kusy nijak přemisťovat ani obracet. Kladivo rozpojuje horninu bezpečně, neodlétají od ní žádné
34
úlomky, odpadá tedy manipulace s horninami. Rozpojování je bezpečné, rychlé a v kombinaci s lopatou velice efektivní. Používání bouracích kladiv v poslední době prudce stoupá. Každé staveniště se dnes bez tohoto velkého pomocníka v zásadě neobejde. Z grafu 1 je možné zjistit, jakým způsobem stoupá využití bouracích kladiv za posledních 15 let. Lze si všimnout, že od roku 1990 se použití bouracích kladiv téměř ztrojnásobilo. Je to způsobeno nejen díky vzrůstajícímu počtu staveb, ale také technické inovaci kladiv.
Četnost využití hydraulického kladiva
20
20
20
20
20
20
19
19
19
19
19
19
19
19
19
19
05 04
03 02
01 00
99 98
97 96
95 94
93 92
91 90
Graf 1 – Využití hydraulického kladiva za posledních 15 let [6]
35
7 Závěr Lopata s adaptovaným hydraulickým kladivem zastává 2 konvenční nástroje s obrovskou silou složenou ze síly úderu hydraulického kladiva a kopací síly konvenční lopaty. Tato adaptovaná lopata je navržena pro jakoukoliv práci v terénu. Může pracovat v jakémkoliv pracovním úhlu a prostředí a nehrozí poškození hydrauliky. Nyní tedy můžeme udělat více práce rychleji, efektivněji, účinně a jediným nástrojem. Nástroj je spolehlivý, silný, osvědčený a velice produktivní. Jeho design je jednoduchý a prostý. Je navržen pro jakýkoliv provoz a snadnou údržbu. Součásti jsou vysoce spolehlivé a v případě jakékoliv závady je zajištěna pohodlná oprava přímo na staveništi. Jelikož použití bouracích kladiv v poslední době prudce stoupá, mohl by mít tento stroj na trhu také svoje velké uplatnění. Práce je sice jen teoretická studie, ale může nám vhodně dokreslit představu o tom, jakým způsobem by se v případě konkrétní výroby postupovalo.
Obr. 25 – Lopata s adaptovaným hydraulickým kladivem
36
Seznam obrázků Obr. 1 – Princip činnosti hydrauliky s dusíkovým akumulátorem Obr. 2 – Obecné schéma bouracích kladiv Obr. 3 – Hlavní části hydrauliky kladiva Obr. 4 – Funkční princip hydrauliky Obr. 5 – Hydraulika bouracího kladiva Obr. 6 – Silonová pouzdra Obr. 7 – Uložení hydrauliky do pouzder Obr. 8 – Hydraulická instalace na stroj Obr. 9 – Hydraulický obvod pro bourací kladivo Obr. 10 – Některé druhy lžic Obr. 11 – Navržená lžíce Obr. 12 – Rychloupínací zařízení Obr. 13 – Princip rychloupínacího zařízení Obr. 14 – Schéma pružiny Obr. 15 – Uložení hydrauliky do lopaty Obr. 16 – Konstrukční úprava lopaty Obr. 17 – Rozměry koutového svaru Obr. 18 – Rozložení napětí koutového svaru Obr. 19 – Síly působící na koutové svary Obr. 20 – Upevnění hydrauliky v lopatě Obr. 21 – Schéma upínače nástrojů Obr. 22 – Složení hydrauliky s bucharem Obr. 23 – Návrh pracovních nástrojů Obr. 24 – Kinematika lopaty Obr. 25 – Lopata s adaptovaným hydraulickým kladivem
Seznam grafů Graf 1 – Využití hydraulického kladiva za posledních 15 let
Seznam tabulek Tab. 1 – Mechanicko-fyzikální vlastnosti materiálů
37
Seznam použitých zdrojů: [1]
BOHÁČEK, F. a kol.: Části a mechanismy strojů I - Zásady konstruování, spoje, 4. vydání, Brno : VUT Brno, 1997, 319 s. ISBN: 80-214-0406-X.
[2]
JEŘÁBEK, K. a kol.: Stroje pro zemní práce - silniční stroje, 1. vydání, Ostrava : Vysoká škola báňská-Technická univerzita, 1996, 464 stran ISBN: 80-7078-389-3.
[3]
LEINVEBER, J., VÁVRA, P.: Strojnické tabulky, 4. doplněné vydání, Úvaly : ALBRA, 2006, 914 s. ISBN: 978-80-7361-051-7
Webové stránky: [4]
BAGRY.CZ, internetový portál o stavební technice.
[5]
BELT PLAST s.r.o., stránka výrobce. Dostupné z:
[6]
KRUPP BOHEMIA COMPANY, stránka výrobce. Dostupné z:
[7]
NEW HOLLAND construction & agricultural equipment, stránka výrobce. Dostupné z:
[8]
NIPPON PNEUMATIC MANUFACTURING CO. LTD., stránka výrobce. Dostupné z:
[9]
STAVENÍ TECHNIKA, internetový magazín o stavební technice. Dostupné z:
38
Seznam příloh 3P/22 – 19 – 01
- Výkres celkové sestavy
3P/22 – 19 – 02
- Výkres svařované konstrukce
39
