Development of a new bucket design for a single-bucket hydraulic excavator

Abstract

BACKGROUND: Single-bucket hydraulic excavators are used in mining industry, construction industry, public utilities and other sectors of the economy. The productivity of these machines depends on a number of factors, among which the main one is the bucket volume.

Due to the impossibility of overcoming the digging resistance forces, it is impossible to install a larger bucket on an excavator of a certain category.

AIM: Development of the excavator bucket design, the shape and mechanics of which reduce digging resistance to make it possible to install larger buckets.

METHODS: The bucket model was built in the Kompas-3D software, and the APM FEM Kompas-3D application was used for strength calculations.

RESULTS: Sketches of the proposed buckets with a volume of 0.25 m³ are considered. The search for optimal parameters of the bucket parts to make it possible to install it on a production excavator and to perform the digging process was carried out. Justification of the parameters of the bucket parts is given. In order to check the operability, a strength calculation of the designed bucket structure was carried out. This will help to increase the productivity of the excavator and to expand its functionality.

CONCLUSION: As a result of the study, changes in the design of the production bucket, which make it possible to install buckets of increased volume on an excavator without losing the strength and reliability of the structure, were proposed. The strength calculation showed a safety factor of 3.3, which proves the operability of the designed structure of the proposed bucket.

Keywords

excavator / bucket / strength calculation / digging / construction machine

References

[1] Nikolaev VA. Energy costs for cutting soil with continuous action units to form a roadbed sublayer. The Russian Automobile and Highway Industry Journal. 2020;6:676–688. (In Russ.) doi: 10.26518/2071-7296-2020-17-6-676-688

[2] Николаев В.А. Затраты энергии на резание грунта ковшами агрегата непрерывного действия для формирования подстилающего слоя автодороги // Вестник СибАДИ. 2020. № 6. C. 676–688. doi: 10.26518/2071-7296-2020-17-6-676-688

[3] Litvin OI, Khoreshok AA, Dubinkin DM, et al. Analysis of methods for calculating the productivity of quarry hydraulic excavators. Russian Mining Industry. 2022;5:112–120. (In Russ.) doi: 10.30686/1609-9192-2022-5-112-120

[4] Литвин О.И., Хорешок А.А., Дубинкин Д.М., и др. Анализ методик расчёта производительности карьерных гидравлических экскаваторов // Горная промышленность. 2022. № 5. C. 112–120. doi: 10.30686/1609-9192-2022-5-112-120

[5] Khoreshok AA, Dubinkin DM, Markov SO, et al. On the change in the effective productivity of excavators when using quarry dump trucks with different body capacity. Vestnik Kuzbasskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta. 2021;6(148):85–93. (In Russ.) doi: 10.26730/1999-4125-2021-6-85-93

[6] Хорешок А.А., Дубинкин Д.М., Марков С.О., и др. Об изменении эффективной производительности экскаваторов при использовании карьерных самосвалов с различной вместимостью кузова // Вестник Кузбасского государственного технического университета. 2021. № 6 (148). C. 85–93. doi: 10.26730/1999-4125-2021-6-85-93

[7] Zenkov SA, Drupin PYu, Vysotsky ES, et al. Improving the performance of an excavator when developing wet soil in the conditions of the north. Transport, mining and construction mechanical engineering: science and production. 2023;21:92–97. (In Russ.) doi: 10.26160/2658-3305-2023-21-92-97

[8] Зеньков С.А., Дрюпин П.Ю., Высоцкий Е.С., и др. Повышение производительности экскаватора при разработке влажного грунта в условиях севера // Транспортное, горное и строительное машиностроение: наука и производство. 2023. № 21. C. 92–97. doi: 10.26160/2658-3305-2023-21-92-97

[9] Zhuravlev AG, Glebov IA, Cherepanov VA. On the issue of increasing the productivity and technical readiness of powerful domestic excavators. Problems of subsoil use. 2023;4(39):76–88. (In Russ.) doi: 10.25635/2313-1586.2023.04.076

[10] Журавлёв А.Г., Глебов И.А., Черепанов В.А. К вопросу повышения производительности и технической готовности мощных отечественных экскаваторов // Проблемы недропользования. 2023. № 4 (39). C. 76–88. doi: 10.25635/2313-1586.2023.04.076

[11] Patent RF 218368 / 23.05.2023. Byul. № 15. Buriy GG. Excavator bucket. EDN: ELYPHT

[12] Патент РФ 218368 / 23.05.2023. Бюл. №15. Бурый Г.Г. Ковш экскаватора. EDN: ELYPHT

[13] Buriy GG, Shcherbakov VS, Poteryaev IK. Increasing the productivity of a single-bucket excavator by improving the shape of the bucket. The Bryansk State Technical University Bulletin. 2019;11(84):38–45. (In Russ.) doi: 10.30987/1999-8775-2019-2019-11-38-45

[14] Бурый Г.Г., Щербаков В.С., Потеряев И.К. Увеличение производительности одноковшового экскаватора через усовершенствование формы ковша // Вестник Брянского государственного технического университета. 2019. № 11 (84). С. 38–45. doi: 10.30987/1999-8775-2019-2019-11-38-45

[15] Nikolaev VA. Analysis of the interaction of the edge of the console knife blade with the ground. The Russian Automobile and Highway Industry Journal. 2020;2:172–181. (In Russ.) doi: 10.26518/2071-7296-2020-17-2-172-181

[16] Николаев В.А. Анализ взаимодействия кромки лезвия консольного ножа с грунтом // Вестник СибАДИ. 2020. № 2. С. 172–181. doi: 10.26518/2071-7296-2020-17-2-172-181

[17] Starostina ZhA, Morozov RV. Calculation of structures by the finite element method using the APM FEM application: study guide. Moscow: MADI; 2022. (In Russ.)

[18] Старостина Ж.А., Морозов Р.В. Расчет конструкций методом конечных элементов с использованием приложения APM FEM: учебно-метод. пособие. М: МАДИ, 2022.

[19] Dragunov YuG, Zubchenko AS, Kashirsky YuV, et al. Alloy and steel handbook. Moscow: Innovatsionnoe mashinostroenie; 2021. (In Russ.)

[20] Драгунов Ю.Г., Зубченко А.С., Каширский Ю.В., и др. Марочник сталей и сплавов. М.: Инновационное машиностроение, 2021.

[21] Lukashuk OA. Regularities of formation of regime parameters of the main mechanisms of a quarry excavator in the process of excavation of rocks. Mining equipment and electromechanics. 2019;3(143):14–17. (In Russ.) doi: 10.26730/1816-4528-2019-3-14-17

[22] Лукашук О.А. Закономерности формирования режимных параметров главных механизмов карьерного экскаватора в процессе экскавации горных пород // Горное оборудование и электромеханика. 2019. № 3 (143). С. 14–17. doi: 10.26730/1816-4528-2019-3-14-17

[23] Tarasov MA. Modeling of functioning parameters of an excavating machine with vibration impact on rocks. Sustainable development of mountain territories. 2019;11(1(39)):85–97. (In Russ.) doi: 10.21177/1998-4502-2019-11-1-85-97

[24] Тарасов М.А. Моделирование параметров функционирования выемочной машины с вибрационным воздействием на горные породы // Устойчивое развитие горных территорий. 2019. Т. 11. № 1 (39). С. 85–97. doi: 10.21177/1998-4502-2019-11-1-85-97

[25] Kujundžić T, Klanfar M, Korman T, Briševac Z. Influence of crushed rock properties on the productivity of a hydraulic excavator. Applied Sciences (Switzerland). 2021;11(5):1–15. doi: 10.3390/app11052345

[26] Kujundžić T., Klanfar M., Korman T., Briševac Z. Influence of crushed rock properties on the productivity of a hydraulic excavator // Applied Sciences (Switzerland). 2021. Vol. 11, Т. 5. P. 1–15. doi: 10.3390/app11052345

[27] Choudhary BS. Effect of blast induced rock fragmentation and muckpile angle on excavator performance in surface mines. Mining of Mineral Deposits. 2019;13(3):119–126. doi: 10.33271/mining13.03.119

[28] Choudhary B.S. Effect of blast induced rock fragmentation and muckpile angle on excavator performance in surface mines // Mining of Mineral Deposits. 2019. Vol. 13, N. 3. P. 119–126. doi: 10.33271/mining13.03.119

[29] Xu G, Yu Z, Lu N, Lyu G. High-gain observer-based sliding mode control for hydraulic excavators. Harbin Gongcheng Daxue Xuebao. 2021;42(6):885–892. doi: 10.11990/jheu.201911056

[30] Xu G., Yu Z., Lu N., Lyu G. High-gain observer-based sliding mode control for hydraulic excavators // Harbin Gongcheng Daxue Xuebao. 2021. Vol. 42, N. 6. P. 885–892. doi: 10.11990/jheu.201911056

[31] Zhitomirsky BL. On the issue of increasing the efficiency of working processes of thermomechanical action on the soil during the construction and operation of pipelines. Proceedings of the Gubkin Russian State University of Oil and Gas. 2020;2(299):90–98. (In Russ.) doi: 10.33285/2073-9028-2020-2(299)-90-98

[32] Житомирский Б.Л. К вопросу о повышении КПД рабочих процессов термомеханического воздействия на грунт при строительстве и эксплуатации трубопроводов // Труды Российского государственного университета нефти и газа имени И.М. Губкина. 2020. № 2 (299). C. 90–98. doi: 10.33285/2073-9028-2020-2(299)-90-98

[33] Zhitomirsky BL. Investigation of the influence of soil properties on the performance of drilling thermomechanical tools for use in the construction and operation of oil and gas pipelines. Proceedings of the Gubkin Russian State University of Oil and Gas. 2020;1(298):74–78. (In Russ.) doi: 10.33285/2073-9028-2020-1(298)-74-78

[34] Житомирский Б.Л. Исследование влияния свойств грунта на производительность бурового термомеханического инструмента для применения при строительстве и эксплуатации нефтегазопроводов // Труды Российского государственного университета нефти и газа имени И.М. Губкина. 2020. № 1(298). C. 74–78. doi: 10.33285/2073-9028-2020-1(298)-74-78

[35] Vasiliev GG, Leonovich IA, Salnikov AP. On the effectiveness of special technical conditions in pipeline transport construction projects. Proceedings of the Gubkin Russian State University of Oil and Gas. 2021;1(302):59–71. (In Russ.) doi: 10.33285/2073-9028-2021-1(302)-59-71

[36] Васильев Г.Г., Леонович И.А., Сальников А.П. Об эффективности специальных технических условий в проектах строительства объектов трубопроводного транспорта // Труды Российского государственного университета нефти и газа имени И.М. Губкина. 2021. № 1 (302). C. 59–71. doi: 10.33285/2073-9028-2021-1(302)-59-71

RIGHTS & PERMISSIONS

Eco-Vector