Struktursynthese der oberbauten von schaufelradbaggern

Mechanism andMachine Theory Vol. 20. No. 3, pp. 165-170, 1985

DO94-I14X]85 $3.00 + .DO I~ 1985 Pergamon Press Ltd.

Printed in the U.S.A.

S T R U K T U R S Y N T H E S E DER O B E R B A U T E N VON SCHAUFELRADBAGGERN E. ADAMCZYK* und S. WELIK*

Technische Hochschule Wroc/aw, Institut for Konstruktion und Maschinenbetrieb, ul. WybrzeZe Wyspiafiskiego 27, PL-50-370 Wroclaw (Eingegangen am 24.Februar 1983)

ZusammenfauungBIn der Arbeit wird mit der Methode der Verbindungskette die Struktursynthese der Anordnungen yon Schaufelradaufbauten dargestellt. Verifikationskriterien werden angenormnen und eine Verifikation der gewonnenen Aufbauten durchgeffihrt. Die ermittelten Anordnungen der Schaufelradaufbauten werden in Form yon kinematischen Schemen theoretisch zusammengefasst. 1. E I N L E r r L ~ G

Die Entwicldung der See- und Binnenenergielager, des Bauwesens, Tagebaus, der Industrie feuerfester Stoffe und chemischer Mineralstoffe, der Huttenund Zementindustrie fuhrt zum st~indigen Anstieg der Masse yon Schtittgiatern. Unentbehrlich ist in dieser Hinsicht eine vollkommenere Mechanisierung derjenigen Umladungsarbeiten, die zu den arbeitsaufwendigsten geh6ren. Aus Mechanisierungsgr0nden ergibt sich die Notwendigkeit, Maschinen mit Dauerbetrieb mit groBen Leistungen anzuwenden. Mehrschalengreifer und Schaufelrad-Aufnehmergerate geh6ren zu der Maschinenklasse, die diese Anforderungen erftillt. Es sind Dauerbetriebmaschinen, deren Anwendung im Falle von Unladungsarbeiten grol3er Stoffmengen an einem On winschaftlich begrtindet ist. Mit der Entwicldung der Technik yon Umladungsarbeiten stiegen die Anforderungen an die Gestaltung des Tragsystems und einzelner Maschinenstitze an. Die Intensittit ihrer Arbeit und die Leistung erhOnen sich, die Arbeitszeit verktirzt sich. Dies zieht die Notwendigkeit nach sich, nach neuen Konstruktionen wie auch neuen Technologlen der Umladungsvorgiinge zu suchen. Die Erkenntnismtingel beweisen, das es als begrtindet anzusehen ist, Arbeiten zu unternehmen, die nach Bearbeitung gegenwtiniger Methoden zur Gestaltung der Lademaschinen streben. Ziel dieser Arbeit ist es, dem Konstrukteur Richtlinien zu liefern, anhand derer die Maschinenkonstruktionen optimal gestaltet werden k6nnen.

--Machinengestell 4, schwenkbar am Fahrwerk 5 angeordnet; --Schaufelrad r, verbunden mit dem GesteU, so dab die Andemng der Lagenh6he moglich ist. Die theoretische Analyse und praktischen Untersuchungen suggerieren eindeutig, dab es meistens technisch begrtindet ist, das Rad r am Ausleger 1 anzubringen, der sich gegentiber dem Gestell 4 in dessen Vertikalfltiche bewegen kann; --Gegengewicht 2 sichert die Standfestigkeit der ganzen Maschine und bildet ein Glied, das schwenkbar mit dem GesteU verbunden ist; --aktives Glied 3/hydraulischer SteUmotor/befestig dutch einen Knoten schwenkbar am Gestell 4, weiterhin als Sttinder bezeichnet. Der zweite Knoten des SteUmotors kann ein kinematisches Paar mit dem Ausleger 1 oder Gegengweicht 2. oder auch mit einem der Verbindungsglieder K bilden. Ein auf diese Weise vorausgesetztes System besitzt gegentiber dcm GesteU den Freiheitsgrad eins. In den Erwtigungen wurde die 6rtliche Beweglichkeit des Schaufelrades r vernachltissigt. Da sowohl der Ausleger wie auch das Gegengewicht gegentiber dem GesteU eine eindeutige Lage einnehmen sollen, mtissen sie in bestimmten Arbeitsphasen zu den starren Systemen geh6ren. Dies bedeutet, dab auBer den Glidern 1, 2, 3 und 4 zustitzliche Glieder oder Verbindungsgliedergruppen K auftreten mtissen, die m Verbindung mit den ge-

K

2. ERARBEITUNGVON VORAUSSETZL.'NGENZUR STIIUKTUIRELLENSYNTI[ESEOBERBAUSYSTEMEVON SClIAUIF'FLRAD-A , UFNEHMERGEILitTEN Die Hauptglieder der behandelten Oberbausysteme yon Schaufelrad-Aufnehmerger~iten (Bild 1) sind: t Dr.-In$. 8 Dr.-Ing.

Bild 1. Hauptglieder des oberbausystems yon schaufelradbaggern. 165

166

E. ADAMCZYK a n d S. WELIK

nannten Gliedern in gegebener Lage ein starres System ergeben. 3. BESTIMMUNG DER L O S L ~ G S M E N G E VON OBERBAUSYSTEMEN DEll SCHAI..~'ELRADBAGGER

Gem~.13 den angenommenen Voraussetzungen wird die Struktur des Oberbausystems des Schaufelradbagers enthalten: 1 Ausleger, schwenkbar am Gestell befestigt; 2 Gegengewicht, schwenkbar am Gestell befestigt; 4 Gestell; K Verbindungsgliedergruppe, die in ihrer Struktur einen hydraulischen Stellmotor 3 enth~ilt. In der ersten Phase wird nach starren Systemen gesucht, die in ihrer Struktur mindestens ein Zweigelenkglied enthalten. Dieses wird in der Abschlul3phase unserer Erw~igungen durch ein Glied mit ver~inderlicher L~inge Typ Stellmotor ersetzt, und man erh~ilt Oberbausysteme der Schaufelradbagger. Die Bewegungsfahigkeit der entworfenen Oberbausysteme yon Schaufelradbaggern wird durch die Abh~ingigkeit (1) [1] ausgedrtickt: W = W , + Wb + W K .

Bekanntlich stellt die k-gliedrige Verbindungsgruppe eine offene Gruppe dar. Um ihre Struktur zu bestimmen, setzt man das Vorhandensein einer (k + l)-gliedrigen geschlossenen kinematischen Gruppe voraus. Nach Abschalten eines beliebigen Gliedes v o n d e r (k + l)-gliedrigen geschlossen kinematischen Gruppe erhalten wit die Struktur der Verbindungsgliedergruppe, Daraus folgt 2n2 + 3n3 + 4n4 + "-' + wn~ = 2p~

Ftir die vorausgesetzen Werte k und errechneten Worte p~ wurde das Gleichungssystem (3) in ganzen positiven Zahlen gel6st und die Ergebnisse in Tabelle 1 zusammengestellt. In der folgenden Etappe soil die (k + l)-gliedrige kinematische Gruppe grafisch dargestellt werden. Verfolgen wir nun die Vorgehensweise am Beispiel der Variante D aus Tabelle 1. Die gesuchte (k + l)-gliedrige geschlossene kinematische Verbindungsgruppe kann als Matrix M[2] ausgedruckt werden. Hier erhalten wir:

(1)

Hierin bedeutet W Beweglichkeit der zu entwerfenden Oberbausysteme; W~ Beweglichkeit des aktiven Gliedes: Wb Beweglichkeit der passiven Gtiedes: Wx Beweglichkeit der Verbindungsglieder. Dadurch erhalten wit

(3)

n2 + n3 + rt4 + "" + n , = k + 1.

M =

N5

N3

N2

Nz

N~

0

xl

xz

x3

x4 ]

N~

x~

0

x~

x6

x7 ]

N3

x2

x5

0

x8

x9

N2

X3

X6

x8

0

X30

N~

X4

X7

X9

Xl0

0

~v 2 .

Die einzelnen Zeilen und Spalten der Matrix M wurden den Gliedern mit bestimmten Knoten zugeordW = 0: W , = 0: Wb = 2: W,~ = - 2 . net. Die erste Zeile und die erste Spalte wurde dem Glied Typ N5 (5-Knoten) zugeordnet. Bekanntlich Setzt man voraus, dass die zu entwerfenden Oberist die Summe tier Elementenwerte der Spalten oder bausysteme ebene Mechanismen mit schwenkZeilen den Knoten eines entsprechenden Gliedes baren kinematischen Paaren erster Klasse darstelgleich. Damit kann das Gteichungssystem geschrielen, erh~ilt man: ben werden: WK = - 2 = 3k - 2pp X l + X2 + -~.3 "+ X4 -- 5

daraus

XI

3k + 2 = 2pr.

(2)

Wird angenommen, dass die Werte k und pj nur Menge der positiven ganzen Zahlen gehoren, liefert GI. (2)folgende Zahlenpaare:

k

pl

2

4

4

7

"-

.-.

+ x 6 + X7 ---- 3

x,_ + x.~ + x~ + x9 = 2

Es ist k Gliederzahl der Verbindungsgruppe. p~ Zahl der kinematischen Paare erster Klasse.

+ 15

.X3 + X 6 .4- X 8 + X j o =

2

X4 + X7 + X9 + .Xlo =

2.

(4)

Tabelle 1. Glieder und Knotenzahl for (k ÷ 1) = 3:~ Gliederzahl Variante

n2

n3

n4

n5

A B C D E F G

2 1 4 3 3 2 1

-2 -1 w 2 4

1 ---2 ] --

---1 ----

n6 -1 ----

Struktursynthese der Oberbauten yon Schaufelradbaggern

a)

b)

Bild 2. Geschlossene (k + l)-gliedrige kinematische kette a und K-gliedrige verbindungskette b. Bei der LOsung des Gleichungssystems (4) in ganzen positiven Zahlen erhalt man: XI

=

X2

=

X3 =

X5 =

X 6 ----- ] ;

x4 = 2;x7 = xs = x9 = Xlo = O. Somit hat die gesuchte Verbindungsmatrix M die Gestalt:

M=

1

0

1

1

1

1 0

0

!

0

0

nach Einsatz der Ausgangsglieder L6sungen der Oberbausysteme yon Schaufelraclbaggern erhalten werden k6nnen. Ft~r die angenommene Voraussetzung, das aktive Glied ist am Gesteli angelenkt, sind die Gruppen FI, F3, F5, F6, F7, GI und G2 ft~r die weitere strukturelle Synthese unbrauchbar. Es ist jedoch zu bemerken, dass diese Gruppen aus dem weiteren Erwagungen nur im Hinblick auf die o,g. Voraussetzung bez0glich des aktiven Gliedes eliminiert worden ist. Verzichtet man hingegen auf diese Voraussetzung, so bilden diese Gruppen eine Grundlage fi~r das Erhalten zahlreicher, im Hinblick auf die Struktur interessanter LOsungen der Oberbausysteme yon Schaufelradbaggern. Die Obrigen Verbindungsgliedergruppen (Bild 3) werden in das System der Ausgangsglieder eingesetzt und man erh~lt grunds~tzliche Schemen der Oberbausysteme von Schaufelradbaggern, Bild 4.

0 0 0 Grafisch ist die Verbindungsmatrix in Bild 2a und die Verbindungsgruppe in Bild 2b dargestellt. Es ist auch zu bemerken, dass es zahlreiche LOsungen des Gleichungssystems (4) gibt, die jedoch keine sinnreichen Verbindungsgruppen ergeben. Analog werden die ))brigen Varianten aus Tab. 1 behandelt. Man erh~ilt L6sungen, die als Verbindungsgruppen in Bild 3 zusammengestellt sind. Sie stellen vollkommene Mengen dar. anhand derer

I

4. VERIFIZIERUNGDER ER].iALTENENLOSUNGENIN HINBLICKAUF DAS AUSWAHLENGE~ISSER FALLEFUR DIE GEOMETRISCHESYNTHESE Die in Bild 4 dargestellte Menge yon Oberbausystemen der Schaufelradbagger ist die komplette Menge, aus der die Losungen for die geometrische Synthese ausgew~.hlt werden sollen. Zu diesem Zweck soil sie anhand der folgenden Kriterien verifiziert werden.

1. U m l a u f l e i s t u n g

In einer gewissen Anzahl von den in Bild 4 zusammengestellten Losungen tritt ein innerer

Verb~ndung$.glieder B

167

C tdsung

D (

F

G

Bild 3. Verbindungsgliedergruppen.

i<

0

o.

r

~n

i

•

L~

~x

~R

t

q~

ic:

ill 1-

cgJ

c)

l-n

Struktursynthese der Oberbauten yon Schaufelradbaggem

169

Bild 7. Vorgeschlagene LOsungen get schaufelradbagger zur geometrischen synthese. Bild 5. Beweglicher mnerer umriss.

a)

Umbril auf, Bild 5. Die Glieder a und b erm6glichen zwar die Obersetzung zwischen den Gliedern m und ~ des Systems, aber in derartigen kinematischen Systemen, die in ihrer Struktur bewegliche Umrisse 3 enthalten, kann die unginstige Erscheinung der Umlaufleistung auftreten, Aus diesere Grund werden die Systeme DS, D6, Dll, E4 und E5 in Bfld 4 aus weiteren Erwagungen eliminiert.

b)

2. Gelenkviereckstruktur Eine gewisse in Bild 4 enthaltene Anzahl von L6Bild 6. Vier- und sechsgliedrige typen der oberbausysteme sungen--z.B D3--sttitzt sich auf die Struktur des Gelenkvierecks. In deranigen Systemen wirkt der yon schaufelradbaggern.

a)

~

,;_~,

'

l_-.."IN.._

+

.7 /

Bild 8. Ausgew~ihlte strukturen yon schaufelradbaggern in schematischer darstellung.

170

E. ADAMCZYKand S. WELIK

Antrieb nicht ummittelbar an einem der Gelenkviereckglieder, sondern durch Anwendung der Verbindungsglieder. In solchen Systemen scheint die Anwendung eines sehr ausgebauten Antriebssysterns des Gelenkvierecks unzweckmaBig, und aus diesen Grunden werden die L6sungen D3,134, D7, D8, DI5, DI6, F2-1. F2-3, F2-2, F6-1, F6-2 und F6-3 in Bild 4 aus dern weiteren Erw~igungen eliminien.

motor bildet wie vorhin kinematische Paare mit dem Gestell, der Tragkonstruktion des Oberbaus, und mit einem der schwenkbaren Glieder, dem Ausleger, Gegengewicht oder Pendelmast. 5. SCHLUSSFOLGERUNGEN In der Arbeit werden Elemente einer Methode zur Bestimmung der Strukturen von Schaufelradbaggern dargestellt. Ftir angenommenen Voraussetzungen wird die Menge der Verbindungsgliedergruppe bestimmt, Bild 3. In der weiteren Etappe der Erwtigungen hat man zwar auf eine gewisse Anzahl von Verbindungsgruppen zuverzichten, dies ergibt sich aber aus den angenommenen Voraussetzungen. In Bild 4 ist die voile Menge der Oberbausysteme dargestellt, yon denen drei for die geometrische Synthese ausgewtihlt werden. Infolgedessen entstanden die Oberbausysteme der Schaufelradbagger in Bild 8. Es ist jedoch zu bemerken, dass sich die for die geometrische Synthese ausgewtihlten Systeme infolge der Anwendung der angenommenen Verifikationskriterien ergeben. Falls andere Kriterien angenommen werden, m/Jssten vollkommen andere Oberbauschemen der Schaufelradbagger behandelt werden.

3. Stelle der Antriebsanlenkung Gemtiss den angenommenen Voraussetzungen wird der hydraulische Stellmotor, der das Oberbausystem des Schaufelradbaggers antreibt, durch einen Gelenk am Gestell angelenkt, durch den zweiten Knoten kann er ein kinematisches Paar mit einem beliebigen Systemglied bilden. Es schneint jedoch unzweckmtiBig im Hinblick auf die Konstruktion des Antriebsgliedes, den Antrieb an das im allgemeinen Betrieb befindliche Glied anzubringen. Aus diesem werden die L6sungen A2, BI, B2, E3, F4-1, F4-3, F4-5, F4-7 und F4-8 in Bild 4 aus den weiteren Erwtigungen eliminiert. Die ~brigen Systeme aus Bild 4 konnen in Gruppen eingeteilt werden, Bild 6. In diesen Systemen bildet der Steltmotor das kinematische Paar mit dem Gestell und einem der schwenkbar am Stander befestigten Glieder. In den Systemen c und d, Bild 6, ist die Anwendung eines Dreigelenkgliedes mit LITERATURVERZEICHNIS Allgemeinbetrieb ungtmstig. Dieses Glied ist belas1. S. Miller, A. Gronowicz and E. Adamczyk, Some retet durch Kr~tfte und Momente und kann wegen zu marks on finding a solution for the structure when degrol3er Masse wesentliche konstruktive Schwierigsigning a mechanism. Mechanism and Machine Theo~', 16(6) (1981!. keiten in der weiteren Losungsetappe des Oberbausystems bereiten. Aus diesem Grunde scheint 2. E. Adamczyk and S. Miller. Zapis postaci uk/ad6w'kinematycznych. VI Krajowa Konferencja TMM. as zweckm~issig, diese Systeme durch den SonderWrocla~. Materia/y Konferencyjne. s.11-19 (1975). fall in Bild 7c zu ersetzen, lm Ergebnis wurden fiJr 3. S. Miller and E Kolegniak, Moc kr~5,~,ca w uldadach die geometrische Synthese Systeme aus Bild 7 auskinematycznych. Vlll Krajowa Konferencja TMM. Krakov¢. Materia/y Konferencyjne. s.283-295 (19801. gewahlt. Das Antriebsglied hydraulischer Stell-

THE STRUCTURAL SYNTHESIS OF THE BUCKET-WHEEL STACKER-RECLAIMERS' BODIES Abstract--The method of the creation of the bodies' structural systems for the stacker-reclaimers is presented. The method of linking chain is used. The set of linking chains and the set of the basic structures for the body are defined. After the verification process the set of kinematic versions is obtained.