Погрузочно-транспортные машины предназначены для зачерпывания грунта ковшом, поднятия его на определенную высоту, транспортировки до места выгрузки и перегрузки его в транспортные установки. 
Основным из направлений по увеличению производительности, является совмещение нескольких операций работы машины в целях уменьшения затрат времени на отдельные операции. Ошибочно считается, что совмещение движения транспорта и подъема ковша, повышает эффективность работы транспорта, так как движение машины будет совершаться с ограниченной скоростью.
Во время работы стреловых погрузочно-разгрузочных машины (фронтальный погрузчик, грейфер) можно столкнуться с проблемой значительных затрат энергии, которые уходят на преодоление сопротивлений от сил тяжести элементов рабочего оборудования (РО) и полезного груза. Данные силы РО ухудшают энергетические показатели машины, расход топлива увеличивается, при этом снижается производительность машины. 
Поэтому следует предусматривать меры по уравновешиванию сил тяжести РО, а также по повышению производительности погрузчика. При этом должна соблюдаться экономическая целесообразность.
Рассмотрим влияние уравновешивающих механизмов на рабочее оборудование фронтальных погрузчиков. 
При подъеме РО гидроцилиндрами на него начинают действовать силы тяжести, указанные на рис. 1 (полезного груза , ковша , стрелы , рычагов ). Вследствие чего относительно шарнира стрелы О возникает момент , который зависит от сил тяжести и от их плеч до шарнира стрелы (.
Рассмотрим РО с грузом в ковше, превратив его в свободную систему с использованием правил механики. 

Связями РО с передней полурамой являются шарнир пяты стрелы в точке O, гидроцилиндры стрелы и ковша и уравновешивающий пневмогидроцилиндр. Освободив РО от гидроцилиндров, мы заменяем их соответствующими усилиями , . 
Сила  гидроцилиндров стрелы создает крутящий момент  относительно шарнира О и обеспечивает подъем ковша. Сила  поворота ковша удерживает ковш в транспортном положении, но для данного процесса требует незначительная сила, поэтому силой  условно пренебрегаем и направляем ее в шарнир вращения стрелы.
Уравнение традиционного РО без уравновешивающего пневмогидроцилиндра, представим в следующем виде:

, (1)

где ,  – силы тяжести и плечи элементов РО; 
 – плечо гидроцилиндров стрелы;
 – вес полезного груза в ковше и его плечо.

Обозначим =, тогда из уравнения (1) следует

, (2)

где  содержит моменты сил сопротивления, на преодоление которых
уходит энергия подъема РО;
 – момент, затрачиваемый на подъем полезного груза.
Поделим обе части уравнения (2) на , получим

 (3)

Из выражения (3) видны соотношения вредных и полезных сопротивлений, возникающих при подъеме стрелы фронтального погрузчика.

 (4)

Сумма относительного момента сопротивления и относительного момента полезного груза равна 1.
Для современных фронтальных погрузчиков . Умножим каждое слагаемое выражения (2) на элементарный угол поворота стрелы  и выполним интегрирование по углу . Получаем уравнение баланса энергии РО и полезного груза в ковше.

 (5)

где энергия, затрачиваемая на преодоление сил тяжести при поднятии РО с полезным грузом в ковше;
 – полезная энергия, затрачиваемая на поднятие РО с полезным грузом в ковше.
Представим уравнение (5) в относительном виде

 (6)

Получим сумму

, (7)

где  – сумма относительных потерь РО;
 – КПД РО, равный отношению полезной работы к затраченной.
Современные погрузчики имеют . Следовательно, значительная часть всей затраченной работы уходит на преодоление сил тяжести, что понижает эффективность использования фронтального погрузчика.
Для устранения данного недостатка необходимо уравновесить РО. 
В настоящее время разработаны системы уравновешения РО, в которых используется уравновешивающий пневмогидроцилиндр. Его поршневая полость соединяется с газовым баллоном, который заряжен до давления 10-15 МПа. Сущность данного изобретения заключается в том, что снижается нагрузка на основные гидроцилиндры и тем самым снижается нагруженность гидросистемы.

Оценим эффективность данного изобретения. Для этого составим уравнение равновесия РО с уравновешивающим пневмогидроцилиндром. Освобождая его от пневмогидроцилиндра, соответственно указываем силу :

, (8)

где  – момент, создаваемый уравновешивающим пневмогидроцилиндром. 
Пусть , тогда 

, (9)

где  – давление и диаметр газа в уравновешивающем пневмогидроцилиндре. 
Рассмотрим ситуацию, когда давление и диаметр газа и плечо, подобраны таким образом, что момент  полностью уравновешивает все силы тяжести, которые препятствуют поднятию РО с грузом в ковше (силы сопротивления). Тогда сумма моментов сил сопротивления и момент, создаваемый уравновешивающим пневмогидроцилиндром, будут равны 0. Уравнение (8) примет следующий вид:

, (10)

Из уравнения (10) следует, что уравновешивание РО реально. В этом случае не расходуется энергия на преодоление сопротивлений сил тяжести, а также на этот процесс не идут затраты топлива.
Умножим обе части уравнения (10) на элементарный угол  поворота стрелы и проинтегрируем по углу . Получим:
, (11)
Из уравнения (11) видно, затраченная энергия  расходуется на полезную работу . Но, в то же время, нельзя утверждать, что расход энергии полностью идет на совершение полезной работы, он также уходит на преодоление сил трения в шарнирах стрелы и в системе рычажных механизмов управления ковшом, сил инерции при подъеме и при торможении в момент остановки РО. Затраты энергии на данные процессы относительно малы, поэтому КПД РО с уравновешивающим пневмогидроцилиндром можно принять более 95%. Экономический эффект настолько значителен, что за короткое время окупает стоимость пневмогидроцилидра и газового баллона.
Рассмотрим влияние уравновешивания оборудования на производительность погрузчика. Формула производительности фронтального погрузчика:

, (12)

где  – время одного цикла погрузчика, с; 
 – вместимость ковша, ;
 – насыпная плотность грунта, кг/.
РО с уравновешивающим пневмогидроцилиндром расходует больше энергии на полезную работу, в отличие от РО без системы уравновешивания, значит время на подъем стрелы с ковшом затрачивается меньше. Из уравнения (12) видно, что производительность обратно пропорциональна времени одного цикла. Следовательно, с уменьшением времени увеличивается производительность.
После разгрузки ковш современных погрузчиков, во время их движения, возвращается в положение черпания, что позволяет совместить три операции: опускание стрелы поворот ковша и движение машины.
Вывод:
Уравновешивание сил тяжести ковша, стрелы и рычагов давлением газа в поршневой полости при подъеме рабочего оборудования позволяет увеличить КПД с 55 до 95%, а также уменьшить расходы топлива и повысить производительность.

1. Курс теоретической механики: Учеб. Для вузов / В.И. Дронг, В.В.Дубинин, М.М.Ильин и др.; под. Ред. К.С.Колесникова. М.:Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2000. 736 с.
2. Теория механизмов и механики машин: Учеб. Для втузов / К.В. Фролов, С.А. Попов, А.К. Мусатов и др.; под ред. К.В. Фролова. 4-е изд. испр. М.: Высш. шк., 2003. 496 с.
3. Пат. № 2280737, РФ. Устройство уравновешивания РО стреловой машины. 2006. Бюл. № 21.
4. Тарасова В.Н., Бояркина И.В., Коваленко М.В. Методика аналитического проектирования РО фронтального погрузчика // Строительные и дорожные машины. 2004. № 4. С. 37-41.
5. Бояркина И.В. Уравновешенное рабочее оборудование как средство повышения эффективности погрузочно-транспортных машин // Строительные и дорожные машины. 2007. №12. С. 41-43
6. Пат. № 2314390, РФ. Устройство уравновешивания рабочего оборудования гусеничного погрузчика. 2008.
7. Строительные машины и основы автоматизации: Учеб. Для строи. Вузов / С.С Добронравов, В.Г.Дронов. – 2-е изд., стер. – М.: Высш. шк., 2006. – 575 с.: ил.
8. Строительные машины; Учебник / Волков Д.П., Крикун В.Я. Издание второе, перераб. и доп. 376 стр. с илл.
9. Погрузочно-разгрузочные машины. Учебное пособие/ В. Н. Стогов, Д. С. Плюхин, Г. П. Ефимов – Издание 3-е, дополненное и переработанное. Москва Транспорт 1977г. 311 с., илл.
10. Погрузочно-разгрузочные машиы и складское оборудование  промышленных  предприятий / Векслер В. М., Муха Т. И. – 1970 г. 320 с.

Все статьи автора «Богданова Елена Олеговна»