Tekerlekli Yükleyici 101 — Mafsallı Direksiyon ve Kepçe Bağlantısının Mekaniği

Basit görünümüne rağmen — hem önünde hem de arkasında lastikler bulunan — tekerlekli yükleyici, hidrolik ekskavatör ve buldozerden farklı bir dönüş ve kazma tasarım felsefesine sahiptir. Gövdenin ön ve arka kısımlarının menteşe gibi katlandığı "eklemli direksiyon" ve ön kepçeyi hidrolik silindir ve bağlantı yoluyla kaldıran "yükleme ünitesi", bu makinenin karakterini tanımlayan unsurlardır.

Hizmet halindeki bir tekerlekli yükleyici

Resim: Volvo Palo Alto'daki bir şantiyede L90G yükleyici (Grendelkhan, CC BY-SA 4.0), Wikimedia Commons. Metinde bahsedilen Komatsu'nun WA serisi değil — mafsallı direksiyon ve kepçe bağlantı düzeninin okunması için temsili bir örnek.

Diagram 1 · Use the button to switch views

Şekil 1 — Z-çubuk tipi, kuvveti yeniden yönlendirmek ve büyük bir itme kuvveti elde etmek için bir krank kolu kullanır. Paralel bağlantı tipi, dikey hareket boyunca bile kepçe açısını neredeyse sabit tutar. Alt bölüm, mafsallı direksiyonun mafsal açısını göstermektedir.

0. 30 Saniyelik Özet

• Çoğu tekerlekli yükleyici, ön ve arka çerçevelerin ortadan katlandığı mafsallı direksiyon sistemini benimser. Direksiyon silindirlerinin uzatılması ve geri çekilmesi, mafsal açısını oluşturarak tüm gövdenin yönünü değiştirir.

• Kepçe Bağlantı iki tipte gelir: Kuvveti yeniden yönlendirmek için bir krank kolu kullanan Z-çubuk (Z-bağlantı) tipi ve kepçe açısını neredeyse sabit tutmak için dört çubuklu paralel bağlantı kullanan paralel bağlantı tipi. İkisi, itme kuvveti, görüş alanı ve seviye taşıma performansı dengesi açısından farklılık gösterir.

• Koparma kuvveti (kepçenin kesme kenarında oluşan kuvvet), kepçe silindirinin itme kuvvetinin bağlantının moment kolu aracılığıyla iletilme miktarıdır ve aynı hidrolik basınçta bile bağlantı açısıyla değişir. SAE J732, bu tür bir rakamı karşılaştırmak için yükleyici spesifikasyon terimlerinin ortak bir sözlüğünü sağlar.

• Hidrolik ekskavatör tek bir makinede "kazma ve yükleme" işlemlerini gerçekleştirirken, buldozer "itme ve tesviye" için bir makinedir ve tekerlekli yükleyici "kepçeleme, yükleme ve taşıma" için optimize edilmiştir. Çalışma yarıçapı ve zemin basıncındaki farklılıklar da bu rol dağılımını yansıtır.

• Komatsu'nun WA serisi, mini sınıftan itibaren motor gücü, kepçe kapasitesi ve koparma kuvvetini yayınlar. Orta sınıf araçlar aracılığıyla, model seçimi için bir temel sağlanmaktadır.

1. Mafsallı Direksiyonun Kinematiği

Ön tekerlekleri yönlendirmek yerine, birçok tekerlekli yükleyici, araç gövdesinin ön ve arka şaseler arasındaki orta noktada katlandığı "mafsallı" direksiyon sistemini benimser. Bir çift sol ve sağ direksiyon silindiri, ön ve arka şaseleri birleştiren dikey bir menteşeyi itip çekerek bir mafsal açısı \gamma oluşturur.

Menteşeden ön aksa olan mesafeyi a ve menteşeden arka aksa olan mesafeyi b olarak kabul edersek, düşük hızda ihmal edilebilir lastik kayması (saf yuvarlanma) varsayan basitleştirilmiş bir model, menteşe pozisyonundaki dönüş yarıçapını yaklaşık olarak şu şekilde verir:

Mafsal açısı ne kadar büyükse, dönüş yarıçapı o kadar küçük olur ve dar bir alanda gereken ileri geri manevra sayısı azalır. Öte yandan, ön ve arka arasındaki örtüşme ne kadar büyükse, dönüş yarıçapı o kadar küçük olur. Çerçeve yapısı ne kadar büyükse, minimum dönüş yarıçapı ile dingil mesafesi arasındaki denge de o kadar büyük olur. Ön tekerlekten yönlendirmeli araçlarla karşılaştırıldığında, mafsallı bir makinede aracın ağırlık merkezi ile zeminle temas noktası arasındaki ilişki dönüş sırasında daha kolay değişir ve toprakla tamamen dolu bir kepçeyle yapılan keskin bir dönüş, devrilme veya takla atma riskini artırır. Bu, hidrolik ekskavatör veya buldozerin paletli dönüşünden farklı olarak, tekerlekli yükleyicilere özgü bir denge tasarımı zorluğudur.

2. Kepçe Bağlantısı: Z-Çubuk ve Paralel Bağlantı Tipleri

Kaldırma kolunun ucunda, kepçe bir kepçe silindiri ve bağlantı (çan kolu) vasıtasıyla yukarı/aşağı hareket eder, toprağı içeri çeker ve boşaltır. İki temsili tip aşağıdaki gibidir.

Z-çubuk (Z-bağlantı) tipi: Kaldırma kolunun ortasına bir çan kolu yerleştirilir ve kepçe silindirinin hareketi, "kuno-ji" (köpek bacağı) veya "Z" şeklinde bir bağlantı vasıtasıyla kepçeye yönlendirilir. Çünkü Büyük bir bağlantı oranı kullanılabilir; bu, aynı silindir itme kuvvetinde büyük bir kepçe kuvveti (kepçe torku) elde etmeyi kolaylaştırır ve kazma merkezli işlere uygundur. Öte yandan, yüksek kaldırma kolu pozisyonlarında, kepçe açısı değişme eğilimindedir, bu da görüş alanını ve boşaltma açısı kontrolünü bir miktar zorlaştırır.

Paralel bağlantı tipi: Kaldırma koluna paralel çalışan yardımcı bir bağlantı, kepçeyi destekler ve dört çubuklu bir bağlantı, kaldırma kolu açısı değişse bile kepçe açısını neredeyse sabit tutar. Bu, yüksek pozisyonlarda duruş stabilitesi ve görüş alanının gerekli olduğu kamyon yükleme gibi işlere uygundur. Genellikle kepçe kuvveti açısından Z çubuklu tipin gerisinde kaldığı söylenir ve ikisi uygulamaya bağlı olarak farklı şekilde kullanılır. Komatsu'nun kendi teknik yayınlarında da paralel bağlantılı makinelerin iş ekipmanı performansının değerlendirilmesine ilişkin araştırmalar yayınlanmaktadır.

Her iki tipte de, kepçe silindirinin itme kuvveti F_{cyl}=\Delta p\,A_{cyl}, bağlantı yoluyla kepçenin dönme ekseni etrafındaki torka dönüştürülür. Moment kolu r_m(\phi) bağlantı ile değiştiği için \phi açısına bağlı olarak, kepçe ucunda oluşan kopma kuvveti hem silindir itme kuvvetine hem de bağlantı geometrisine bağlıdır:

burada r_{edge}, kepçenin dönüş merkezinden kesme kenarına olan mesafedir. Bir katalogun "maksimum kopma kuvveti" genellikle bu oranı maksimize eden kepçe pozisyonuna yakın ölçülen bir değerdir ve gerçek çalışmada her pozisyonda aynı kuvvet üretilmez.

3. Kopma Kuvveti ve Teknik Özelliklerin Okunması

Kopma kuvveti, bir yük uygulandığında, kepçenin toprağa gömülmesinden silindirin tahliye basıncına kadar kesme kenarında oluşan kuvvet olarak tanımlanır. SAE J732, yükleyici teknik özellik terminolojisini tekdüze bir şekilde tanımlayan ve kopma kuvveti ve kepçe kapasitesi gibi rakamları üreticiler arasında karşılaştırmak için ortak bir çerçeve sağlayan bir standarttır. Bununla birlikte, bir rakamın anlamı ölçüm koşullarına (kepçe pozisyonu, kaldırma kolu açısı ve hangi silindirin birincil olduğu) göre değiştiğinden, Karşılaştırmadan önce katalog değerlerinin aynı test koşulları altında ölçülüp ölçülmediğini doğrulamak gereklidir.

Komatsu'nun kamuya açık teknik özelliklerinde, WA40-8'in maksimum kepçe koparma kuvveti 29,4–29,9 kN (3000–3050 kgf) olarak belirtilmiştir. Aynı seri içinde bile, koparma kuvveti, silindir çapı, hidrolik basınç ve bağlantı oranı kombinasyonu yoluyla makine boyutuyla birlikte artar.

4. Hidrolik Ekskavatör ve Buldozerde Görev Dağılımı

Bu sitede başka yerlerde ele alınan hidrolik ekskavatör ve buldozerin her ikisi de öncelikle "toprağı kesme ve düzleştirme" amaçlıdır. Tekerlekli yükleyici farklı şekilde optimize edilmiştir - "mevcut toprağı, kırılmış taşı veya agregayı kepçeyle alıp bir taşıma aracına veya yığına yüklemek" için.

Tekerlekli yükleyici, genellikle kamu yollarında veya şantiye içindeki tesviye edilmiş zeminde kendiliğinden hareket ettiği, paletlerden daha hızlı olduğu ve aşınan parçalarının değiştirilmesinin daha kolay olduğu için lastikleri tercih eder. Öte yandan, yumuşak veya engebeli zeminde çekiş gücü ve ters yönde dönme manevra kabiliyeti açısından paletli makinelerden daha düşüktür. Şantiyede, hidrolik ekskavatörün toprağı kazıp yığdığı yaygın bir iş bölümü görülmektedir. ve bir tekerlekli yükleyici onu damperli kamyona yükler.

5. Mevcut Ürünlerde Görülen Tekerlekli Yükleyici Çeşitleri

Güç ve kepçe kapasitesi kabaca orantılıdır, ancak koparma kuvveti bağlantı oranı ve Silindir çapına bağlı olarak, aynı çıkış sınıfı içinde bile üretici ve modele göre eğilim farklılık gösterir. Model seçimi, sadece çıkış gücü ve kepçe kapasitesini değil, aynı zamanda bağlantı tipini (Z-çubuk veya paralel bağlantı) gerekli yükleme yüksekliği ve şantiyedeki görüş mesafesiyle karşılaştırmayı da içermelidir.

6. Özet

Bir tekerlekli yükleyicinin performansı sadece motor çıkışı ve kepçe kapasitesiyle ölçülemez. Gövdeyi dar manevra kabiliyeti için katlayan mafsallı direksiyonun geometrisi ve bağlantının silindir itme kuvvetini kesme kenarındaki kuvvete dönüştürme oranı, gerçek işlenebilirliği belirler. Z-çubuk ve paralel bağlantı tipi arasındaki seçim, kazma kuvveti ile yükseklik stabilitesi/görüş mesafesi arasında bir denge kurmayı gerektirir ve hidrolik ekskavatör ve buldozer ile rol paylaşımını anlayarak bir model seçmek, genel şantiye verimliliğini belirler.

Referanslar

• Komatsu Müşteri Desteği — WA100-8 Ürün Bilgileri
• Komatsu Müşteri Desteği — WA30-6E0 Ürün Bilgileri
• Komatsu — WA40-8 Mini Tekerlekli Yükleyici Özellikleri
• Komatsu Teknik Raporu — Paralel Bağlantılı Tekerlekli Yükleyicilerin İş Ekipmanı Performansına DSS Uygulaması
• SAE International — J732: Spesifikasyon Tanımları - Yükleyiciler