Зниження опору наповненню ковша скрепера застосуванням грунтонапрямного пристрою та обгрунтування його раціональних параметрів

Размещено на http://www.allbest.ru

ХАРКІВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ

АВТОМОБІЛЬНО - ДОРОЖНІЙ ТЕХНІЧНИЙ

УНІВЕРСИТЕТ

УДК 6 2 1 . 8 7 8

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Зниження опору наповненню ковша скрепера застосуванням грунтонапрямного пристрою та обгрунтування його раціональних параметрів

05. 05. 04 - машини для земляних

та дорожних робіт

ВЛАСЕНКО Ігор Володимирович

Харків - 1999

Дисертація є рукописом

Робота виконана на кафедрі будівельних і дорожніх машин Харківського державного автомобільно-дорожнього технічного університету (ХДАДТУ) Міністерства освіти України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

Нічке Вільгельм Вільгельмович,

Харківський державний автомобільно-дорожній технічний університет, професор кафедри будівельних і дорожніх машин.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, доцент

Кравець Святослав Володимирович, ректор Рівненського державного технічного університету.

кандидат технічних наук, доцент

Пелевін Леонід Євгенович,

Київський національний технічний університет будівництва та архітектури, доцент кафедри будівельних машин.

Провідна організація: Інститут машин та систем Мінпромполітики та НАН України, науково-технічний центр тракторного та сільськогосподарського машинобудування, м. Харків.

Захист відбудеться 29.вересня.1999р. о 10 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.059.02 Харківського державного автомобільно-дорожнього технічного університету за адресою: 310002, м. Харків, вул. Петровського, 25.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Харківського державного автомобільно-дорожнього технічного університету за адресою: 310002, м. Харків, вул. Петровського, 25.

Автореферат розісланий “27” серпня 1999р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради,

доктор технічних наук, професор М.А. Подригало.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальнiсть теми. Дорожнє та будівельне машинобудування одна з важливих галузей машинобудування як в Україні, так і за кордоном. Значну частку виробництва галузі складають машини для земляних робіт (МЗР). В звязку з тенденцією у світі до збільшення обсягу земляних робіт, що виконуються МЗР, необхідні розробки нових конструкцій цих машин, в тому числі скреперів, з використанням інтенсифікаторів робочих процесів. Виробництво скреперів провідними фірмами світу ведеться в значній мірі з застосуванням інтенсифікаторів процесу наповнення, в основному елеваторного завантаження (Сaterpillar, Kamatsu, Dresser, Fiat Allies), у меншій мірі з використанням підгрібаючих заслінок, шнеків, телескопічних ковшів, двохножових систем і т.д. Зараз в світі виробництво скреперів з різними інтенсифікаторами, які змінюють спосіб заповнення ковша скрепера, іноді перевищує випуск традиційних машин. Тенденція підвищення обсягу наукових розробок у галузі інтенсифікації робочих процесів скреперів свідчить про зацікавленість дослідників даним напрямком. Застосування інтенсифікаторів підвищує ефективність скреперів, збільшує їх продуктивність, зменшує матеріалоємність, витрати палива, що особливо актуально зараз в Україні.

ВАТ "Дормаш" в м. Бердянську випускає напівпричіпні скрепери ДЗ-87-1А місткістю ковша 5 м3 на базі трактора Т - 150К. Однак для експлуатаційних організацій економічно вигідно використовувати скрепери збільшеної місткості ковша при тому ж тягачі. Таке завдання може бути вирішене за рахунок застосування інтенсифікаторів процесу заповнення ковша скрепера, а саме використовуючи грунтонапрямні пристрої (ГНП).

Як актуальність в наукових розробках слід відзначити, що в теорії копання питання переміщення грунту в жорстких направляючих, через щілину не розглядалися, хоч для сучасної науки терамеханіки це важливі питання.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тема дисертації відповідає плану наукової роботи кафедри будівельних та дорожніх машин ХДАДТУ з пріоритетного напрямку науки та техніки "Ресурсозбереження", регіональній програмі наукових робіт Північно-східного центру Транспортної Академії України "Удосконалення конструкцій будівельних та дорожніх машин, що випускаються підприємствами України", програмі науково-дослідних робіт кафедри "Розробка засобів створення та випробувань будівельних та дорожніх машин модульної конструкції з підвищеними експлуатаційними якостями".

Мета і задачі дослідження. Знизити опір наповненню ковша скрепера і зрештою підвищити показники ефективності скрепера застосуванням інтенсифікаторів, а саме - використовуючи грунтонапрямний пристрій нової конструкції. Необхідно розглянути питання руху грунту в жорстких направляючих, через щілину, що є певним вкладом в теорію копання грунту. ГНП дозволяє знизити опір заповненню, збільшити коефіцієнт наповнення ковша завдяки заповненню його на першому етапі через щілину у задній пластині ГНП, зниження тиску на пласт грунту, що рухається через ГНП, за рахунок поділу рухомої і нерухомої зони жорсткими пластинами, заміні коефіцієнту тертя грунту по грунту на коефіцієнт тертя грунту по сталі та підвищення коефіцієнта корисної дії.

Задачі, які вирішуються в роботі: зниження опору процесу заповнення ковша скрепера застосуванням ГНП; аналіз розгалуженого способу наповнення ковша; розробка нових конструкцій грунтонапрямних пристроїв, порівняння їх ефективності; створення математичної моделі заповнення ковша скрепера з ГНП, визначення мінімальної роботи заповнення ковша скрепера; встановлення раціональних областей застосування різних інтенсифікаторів; визначення впливу транспортного режиму на застосування інтенсифікаторів; порівняння різних видів інтенсифікаторів; перевірка результатів, одержаних аналітичним шляхом, експериментальними дослідженнями.

Наукова новизна одержаних результатів. Визначено закономірності заповнення ковша скрепера і науково обгрунтовано підвищення ефективності застосуванням нового способу заповнення ковша скрепера, спорядженого ГНП, основною відзнакою якого від раніше розроблених конструкцій є те, що процес заповнення ковша є розгалуженим, грунт надходить через щілину у задній пластині пристрою чи крізь ГНП, залежно від величини опору наповнення. Розроблена математична модель процесу наповнення яка відрізняється від існуючих урахуванням розміру частинок грунту та їх розподілу. Визначена оптимальна місткість ковша в залежності від режиму копання та транспортного режиму, що раніше не розглядалось. Встановлені раціональні області застосування різних інтенсифікаторів в залежності від параметрів ковша. Відзначено зниження опору призми волочіння та опору різання при застосуванні ГНП. Підвищення показників ефективності доведено експериментальними та аналітичними дослідженнями. Новизна розробленої конструкції скрепера з ГНП підтверджена позитивним рішенням по запиту на авторське свідоцтво.

Практичне значення одержаних результатів. Результати досліджень дають можливість розраховувати необхідні тягові зусилля, визначати раціональні параметри робочого процесу, знаходити раціональні значення місткості ковша, його довжини. Розроблена конструкція ГНП, що забезпечує істотне підвищення наповнення ковша і зниження необхідного тягового зусилля. Розроблена математична модель заповнення ковша з ГНП нової конструкції, яка дозволяє визначати опір наповнення на всіх стадіях копання. Видані рекомендації по оптимальним параметрам ГНП, раціональному застосуванню різноманітних інтенсифікаторів залежно від грунту, дорожніх умов та габаритів ковша. Розроблені програми для ПЕОМ, які дозволяють моделювати процес заповнення ковша скрепера з різними видами грунтонапрямних пристроїв.

На основі теоретичних розробок створено експериментальний зразок скрепера з розробленою конструкцією ГНП на базі скрепера ДЗ-20В в ПМК-50 Харківського ВАТ “Водбуд”. По результатам аналітичних та експериментальних досліджень розроблений ківш скрепера ДЗ-87-1А збільшеної місткості (6 м3). Матеріали розробок передані для модернізації скреперів у виробничих організаціях. Результати роботи використовуються в навчальному процесі (у курсовому та дипломному проектуванні, НДРСі).

Особистий внесок здобувача полягає у наступному: на основі проведеного аналізу досліджень робочого процесу скреперів запропоновано новий спосіб заповнення ковша скрепера та конструкцію ГНП на основі розгалуженого процесу наповнення через щілину та ГНП; розроблені математичні моделі процесу наповнення ковша з різними видами пристроїв та математичні моделі визначення місткості ковша на основі характеристик режиму копання та транспортного режиму; отримані математичні моделі для визначення ефективності та раціонального використання інтенсифікаторів у залежності від типу грунту та габаритів ковша; результати аналітичних досліджень скреперів з ГНП підтверджені експериментальними даними, одержаними на фізичних моделях ковша і натурних машинах.

Апробація результатів дисертації. Повністю робота доповідалася та обговорювалася на засіданнях кафедри будівельних і дорожніх машин ХДАДТУ у 1997, 1998 та 1999 роках, кафедри будівельних, колійних та навантажувально-розвантажувальних машин Харківської державної академії залізничного транспорту у 1998 році та на засіданні вченої ради інституту машин і систем Мінпромполітики та НАН України у 1999 році. Результати досліджень доповідалися на науково-технічних конференціях ХДАДТУ, на республіканській конференції “Повышение эффективности землеройных машин” в Вороніжі у 1992р, на міжнародній науково-технічній конференції “Актуальные вопросы охраны окружающей среды от антропогенного воздействия” в м. Кременчуці у 1994р, на науковій конференції “Триботехника - машиностроению” в м. Нижній Новгород у 1991р, міжнародній науково-технічній конференції “Строительные и дорожные машины и их использование в современных условиях” в м. С.-Петербурзі у 1995р, на VI міжнародній конференції “Новые технологии в машиностроении” в м. Харків у 1997р, на науковій конференції “Актуальні проблеми сучасної науки у дослідженнях молодих вчених м. Харків” в м. Харків у 1998р та інших.

Публікації. По результатам досліджень опубліковано 23 роботи, написаний параграф в книзі, одержано позитивне рішення на винахід.

Обсяг роботи. Дисертаційна робота складається з вступу, пяти розділів, висновків та додатку. Загальний обсяг роботи 177 сторінок, в тому числі 118 сторінок машинописного тексту, 26 таблиць, 53 малюнка, перелік літератури з 117 найменувань та 7 додатків на 19 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У першому розділі приведені огляд та аналіз досліджень робочого процесу скрепера і підвищення ефективності заповнення ковша скрепера. Велика вартість скреперних агрегатів, низька конкурентоздатність змушують удосконалювати конструкції існуючих машин, створювати нові, більш ефективні. Важливе завдання при цьому - зниження енергоємності, металоємності, підвищення продуктивності та надійності машин. Це завдання може бути здійснене двома способами: поліпшенням організації робіт скрепера; удосконаленням конструкції скрепера.

У роботі розглядається головним чином другий напрямок. У сорокових роках К.О. Артем'євим було запропоновано раціональне співвідношення габаритів ковша скрепера. Удосконалення конструкцій скреперів спрямовано головним чином на збільшення наповнення ковша без застосування, по можливості, штовхачів та з використанням того ж тягача. Основою удосконалення є теорія різання і копання грунту, великий вклад у розвиток якої внесли дослідники: К.О. Артем'єв, В.Л. Баладiнський, В.І. Баловнєв, Б.О. Бондарович, Ю.О. Ветров, Д.П. Волков, М.І. Гальперiн, М.Г. Домбровський, А.М. Зеленiн, С.В. Кравець, Л.В. Назаров, І.А. Недорєзов, В.В. Нічке, В.К. Руднєв, В.М. Тарасов, Д.І. Федоров, Л.А. Хмара, А.М. Холодов та інші.

Удосконаленням окремих частин ковша займалися: в СибАДІ (школа К.О. Артем'єва), КІСІ (школа В.Л. Баладiнського), МАДІ (школа В.І. Баловнєва), ДІБІ (школа Л.А. Хмари), ВНДІбуддормаші, ХАДІ (школа А.М. Холодова, праці В.К. Руднєва, В.В. Нічне, В.П. Вініченка та О.А. Єрмакової). Сюди відносяться рекомендації по похилій задній стінці; застосуванню похилих бокових стінок на 1/3 їх висоти; двохщілинному завантаженню; зменшенню ширини різання за рахунок підйому бокових ножів в кінці наповнення ковша; розробці підгрібаючого пристрою; використанню більш глибоких заслінок та грунтонапрямних апаратів. Перспективним напрямком є дослідження процесу різання з урахуванням хвильових процесів руйнування грунту В.Л. Баладiнського, наприклад для скреперів, але при низьких швидкостях різання ці процеси мало впливають на руйнування грунту. В.І. Баловнєв, Л.А. Хмара, В.К. Руднєв та інші провели дослідження застосування пристроїв, що забезпечують газоповітряне змащення ковша скрепера.

Інтенсифікація земляних робіт тягне за собою появу нових технологій, матеріалів, машин та агрегатів. Обладнання парку надійними, більш ефективними машинами, заміна техніки, що застаріла, випуск багатофункціональних машин, оснащення машин робочими органами маніпуляторами - найважливіші напрямки підвищення ефективності землерийно - транспортної техніки.

Мета даної роботи - зменшення опору наповнення, збільшення наповнення ковша скрепера, підвищення продуктивності і, на основі цього, підвищення ефективності скрепера. Для досягнення поставленої мети, вирішувалися такі завдання:

1. Вивчення фізичної картини процесу та розробка математичної моделі заповнення ковша скрепера, спорядженого ГНП з щілиною між пристроєм та днищем ковша, визначення раціональних параметрів ГНП та їх впливу на ефективність скрепера.

2. Зменшення опору наповненню ковша скрепера та копання ковшем з ГНП на першій стадії заповнення ковша. Визначення мінімальної роботи заповнення ковша скрепера.

3. Дослідження зони застосування ГНП у залежності від типу грунтів та співвідношення головних розмірів ковша.

4. Визначення впливу транспортного режиму на застосування інтенсифікаторів.

5. Порівняння ефективності традиційного скрепера та скреперів, споряджених елеватором, підгрібаючою заслінкою та грунтонапрямними пристроями, вибір раціонального інтенсифікатора.

6. Проведення експериментальних досліджень з метою перевірки коректності математичних моделей, визначення фізики процесу наповнення.

У другому розділі описується сучасний стан теорії різання та наповнення ковша скрепера. Приведені математичні моделі процесу різання та наповнення, їх переваги та недоліки. У подальших розрахунках опір різанню визначався по методиці А.М. Холодова. У розділі аналізуються більш ніж 400 винаходів у галузі удосконалення ковша скрепера. Патентний пошук показав, що останнім часом, для зниження опору наповнення найбільш часто розглядаються грунтонапрямні пристрої. Це переконливо показує перспективність даного напрямку у дослідженнях.

У третьому розділі проведене дослідження опору наповнення ковша скрепера, спорядженого грунтонапрямним пристроєм, проведено порівняння ефективності різних видів інтенсифікаторів та грунтонапрямних пристроїв, та впливу параметрів ковша на енергоємність процесу наповнення. ГНП має істотні переваги: відмова ГНП не припиняє роботу скрепера, у конструкції не застосовуються додаткові двигуни, гідроциліндри, насоси. Установка, технічне обслуговування та ремонт значно спрощені у порівнянні з активними інтенсифікаторами. ГНП є найбільш ефективним і серед пасивних інтенсифікаторів. Пристрій дозволяє максимально збільшити місткість ковша, не змінюючи тягового зусилля тягача. На основі аналізу процесу наповнення ковша скрепера нами була розроблена нова конструкція грунтонапрямного пристрою і розроблена математична модель заповнення ковша.

ГНП становить дві плити, які розходяться, та створюють разом з стінками ковша направляючу призму, що встановлюється в передній частині ковша над ножовою системою (рис. 1). Схема сил діючих на елементарний об'єм грунту у ГНП, представлена на рис. 2, де dR_x - опір руху, реакція стінок на потік грунту (Н); dG - сила ваги елемента грунту (Н); dP - зовнішня сила, необхідна для наповнення ГНП (Н); - кут нахилу ковша відносно горизонталі при копанні.

Диференційне рівняння руху елемента грунту, на основі другого закону Ньютона, записується у вигляді

dm a = dP - dG - dR_x, (1)

де dm та a - маса та прискорення елемента грунту.

dG = 2 g B y dx

dR_x = k P dx

dm = 2 B y dx

, (2)

тут В - ширина ковша (м); 2у - ширина ГНП, у обраній ділянці (м); - щільність грунту (кг/м³); q - витрати грунту у вибраному перерізі ГНП (м³/с).

Після підстановки залежності (2) в (1), диференційне рівняння руху елементарного об'єму у грунтонапрямному пристрої буде таким

, (3)

Після інтегрування виразу (3) одержимо (без урахування малих величин другого порядку),

, (4)

А(x) = k ( R + x tg ) - tg, (5)

, (6)

де k - коефіцієнт умов наповнення (м^-1), що залежить від параметрів ГНП: розміру отвору (2R) та ширини різання (B), а також кута сходження пластин (); коефіцієнту, який залежіть від кута нахилу пластини ГНП (b); параметрів грунту: кутів внутрішнього () та зовнішнього () тертя, кута розподілу часток грунту (), коефіцієнта тертя (f = tg), а також геометричних розмірів часток (d). Коефіцієнт k є постійним у ГНП, що має прямолінійні плити.

Одержана залежність дозволяє визначити опір наповнення при будь-якій висоті ГНП. По даним досліджень оптимальна висота ГНП дорівнює 40 від висоти ковша для середніх грунтових умов. Величина кута розходження плит ГНП оптимізувалась за умови мінімальної роботи заповнення ковша скрепера з ГНП нової конструкцією і складає 26 - 30 залежно від типу грунту. Робота по заповненню ковша визначається залежністю

(7)

де P₀ - опір переміщенню грунту через щілину; P₁ - опір заповненню ГНП; P₂ - опір заповненню ковша вище ГНП; V₀ - об'єм грунту, що проходить через щілину (м³); V₁ - об'єм грунту, що проходить у ківш під час розгалуженого процесу, крізь ГНП (м³); V₁' - об'єм грунту, що проходить у ківш під час розгалуженого процесу, крізь щілину (м³); V₂ - об'єм грунту, що проходить через ГНП з постійним опором (м³); V₃ - об'єм грунту, що проходить крізь ГНП вище рівня пристрою (м³); Z - висота щілини (м).

Висота щілини z = k hстр пропорційна товщині стружки hстр. На рис. 3 показано вплив щілини на опір копанню. На першому етапі ківш заповнюється як традиційний, крізь щілину. При збільшенні опору наповненню через щілину грунт надходить у ГНП, заповнюючи його. Далі ківш заповнюється до верхнього рівня ГНП. Наявність щілини не впливає на тиск грунту у ковші на грунт, що піднімається. На останньому етапі потік фонтанує вище рівня ГНП і заповнює частину ковша, яка була незаповненою. На кінцевій стадії копання зниження опору наповненню сягає у середньому 30-40 і на 10 у порівнянні з ГНП без щілини, що дозволяє збільшити робочу швидкість скрепера чи місткість ковша. Завдяки зменшенню опору наповнення ковша, як показали розрахунки, зменшується опір різанню максимально на 38, опір призми волочіння на 55. Застосування ГНП з щілиною дозволяє збільшити коефіцієнт наповнення (К_Н) на 20-30, а продуктивність до 22 у порівнянні з традиційним ковшем. Робота по наповненню ковша з ГНП, який пропонується, знижується на 22, а робота по копанню на 35 порівняно з ГНП без щілини. Серед різних інтенсифікаторів грунтонапрямний пристрій має найменші питомі витрати для ковшів місткістю до 8 м³, наприклад, при розробці супісі традиційним ковшем і з використанням елеваторного завантаження питомі витрати більш ніж при використанні ГНП відповідно на 2.6 та 15.8.

Вибір розмірів ковша здійснюється залежно від типу iнтенсифiкатора за результатами визначення місткості ковша. Методика визначення ширини ковша відома, висоту і довжину знайдемо для трьох інтенсифікаторів: елеватора, підгрібаючої заслінки та ГНП. Основне завдання - визначити залежність продуктивності скрепера з однаковою місткістю ковша, з застосуванням одного з трьох iнтенси-фiкаторів, від коефіцієнта довжини ковша (L/H).

Для елеваторного завантаження довжина елеватора постійна, можна змінювати тільки кут нахилу елеватора у ковші. Враховуючи змінну висоту ковша, а також вплив конструктивних особливостей на заповнення ковша скрепера, місткість ковша можна визначити за формулою:

, (8)

де С1 - коефіцієнт, залежний від максимальної висоти ковша і типу грунту; - кут нахилу елеватора в ковші.

Для визначення продуктивності необхідно знати шлях копання Lk^. Величину цього шляху можна визначити з умови

V = B h_max L_K - 0.5 B L_K² tg, (9)

де - кут нахилу траєкторії копання до горизонталі при клиновій схемі копання. При постійному куті

 (10)

Завдяки використанню інтенсифікаторів зростає коефіцієнт наповнення, для коротких ковшів грунт зсипається за межі ковша, а для довгих ківш неповністю заповнюється. Аналіз графіка продуктивності на рис. 4 показує, що в разі застосування елеваторного завантаження продуктивність має найбільше значення при коефіцієнті довжини ковша, який дорівнює 1. Таким чином при використанні елеваторного завантаження, необхідно застосовувати короткі ковші.

Задаючись довжиною шляху копання між двома гребками L_K, знайдемо продуктивність скрепера, визначивши на початку об'єм заповнення ковша.

, (11)

де С₂ залежіть від hMAX та hMIN - найбільшої та найменшої глибини копання та LK.MAX - відстані, на якій скрепер набирає грунт.

Для цього випадку також є максимальне значення продуктивності, що відповідає коефіцієнту довжини ковша, рівному 1.52. Отже, для ефективного використання підгрібаючої заслінки необхідно застосовувати довгі ковші.

Для визначення продуктивності скрепера, спорядженого ГНП, використовуємо параметри ГНП, згідно залежності (7). Максимальна продуктивність відповідає коефіцієнту довжини ковша, рівному 1.2.

Як постає з графіків, кожний з інтенсифікаторів має свою зону застосування. Для коротких ковшів L/Н до 1.1 ефективніше застосовувати елеваторне завантаження, при 1.1 - 1.26 застосовувати ГНП та для ковшів з L/Н понад 1.26 підгрібаючу заслінку. Розглядаючи питомі витрати, як більш об'єктивну характеристику при порівнянні, визначено, що зона застосування ГНП зростає до меж L/Н 1.04 - 1.34. Це засвідчує перевагу даного пристрою у порівнянні з іншими.

По відомій місткості ковша можна підібрати інтенсифікатор, чи маючи відомий інтенсифікатор, визначити довжину та висоту ковша.

У четвертому розділі досліджується вплив робочого та транспортного режимів на вибір типу інтенсифікатора і визначення місткості ковша.

Застосування скрепера по копанню обмежено можливістю тягача заповнювати ківш грунтом, та при транспортуванні грунту - можливістю підніматись завантаженим скрепером на підйоми.

Відсутність залежності місткості ковша від режимів роботи скрепера при використанні інтенсифікаторів змусило нас вирішувати і це питання. Маса скрепера визначається тяговим зусиллям тягача по зчепленню (Т), кутом підйому, опором коченню коліс скрепера та конструктивними розмірами машини. Загальна вага, яку повинен транспортувати тягач, включає у себе масу: металоконструкції скрепера (G_С); інтенсифікатора (GІ) та грунту (GГ). Маса інтенсифікатора залежить від місткості ковша, отже її можна визначити через коефіцієнт пропорційності К (кг/м³) для конкретної місткості ковша (Vmax = 7.2 м³).

K = GІ/Vmax , (12)

Розміри та вага ГНП, підгрібаючої заслінки або елеватора пропорційні об'єму ковша з безрозмірним коефіцієнтом пропорційності Q, який залежіть від виду інтенсифікатора. Тоді вага скрепера з грунтом дорівнює

Gск = Gг + GІ + Gc = Vmax + K V_max(1 + Q(V_max'/V_max - 1)) + d V , (13)

де Vmax = Кн V з урахуванням величини "шапки"; d - коефіцієнт металоємності (кг/м³), V_max' - максимальна місткість обраного ковша.

Gск = КН V + K КН V + K КН V Q(V_max'/V_max - 1) + d V , (14)

Зробимо спрощення = K V_max(1 - Q), (кг).

, (15)

При копанні найбільшу місткість ковша визначимо з умови, коли Т = Рк, звідси величина його місткості наприкінці копання

, (16)

де y - коефіцієнт, який визначає частину грунту, що надходить у призму волочіння, f₁ - коефіцієнт тертя грунту по грунту.

На рис. 5 зображені графіки Vmax = f () для традиційного ковша (4) та скрепера, спорядженого ГНП (3), підгрібаючою заслінкою (2) та елеватором (1). Криві лінії показують місткість з умови копання, прямі - з умови зчеплення у транспортному режимі.

Визначимо межі доцільного застосування скрепера. Для ковша місткістю V заповнення ковша дорівнює KH V. Ліву межу встановлюємо при неповному заповненню ковша. Перетин двох ліній (режимів копання та транспортування) показує межу праворуч для відповідних інтенсифікаторів. Аналіз графіка дає можливість зробити висновок, що при розробці усіх типів грунту найбільш ефективно застосовувати ковші місткістю 5 - 8 м3.

Для певних умов (кут підйому при транспортуванні 8, коефіцієнт зчеплення 0.7), застосування грунтонапрямного пристрою найбільш раціонально. Швидкість (v) визначимо з використанням даних про потужність двигуна Ne та кут підйому . Для порожнього скрепера, при застосуванні будь-якого із трьох інтенсифікаторів, чи традиційного ковша, швидкість транспортування падає пропорційно зростанню додаткової маси, і при транспортуванні порожньої машини вага ГНП не обмежує руху скрепера на підйом. Аналіз руху навантаженого скрепера, коли інтенсифікатори збільшують наповнення ковша грунтом до максимального рівня, показує, що потім скрепер з урахуванням ваги інтенсифікатора може не піднятися на підйом при транспортуванні. Вага інтенсифікатора, як показали дослідження, залежить від тягового зусилля тягача. На рис. 6 показана залежність швидкості руху від ваги інтенсифікатора при транспортуванні супісi, з коефіцієнтом наповнення для традиційного ковша, ковша спорядженого ГНП, підгрібаючою заслінкою та елеватором відповідно 1.06, 1.28, 1.3, 1.3.

Графік показує, що для скрепера ДЗ - 87 - 1А на базі трактора Т - 150 КМ з ковшем місткістю 6 м3, максимальна вага додаткової конструкції при максимальному заповненні ковша не повинна перевищувати 7 кН, з умови забезпечення руху навантаженого скрепера на заданий підйом (8). З інтенсифікаторів, що розглядаються, найбільш перспективним треба вважати ГНП, бо по ваговим показникам він виграє у інших.

У п'ятому розділі описуються експериментальні дослідження, та аналізуються їх результати.

Метою експериментальних досліджень є перевірка аналітичних розробок і порівняння аналітичних та експериментальних даних.

Модельні випробування проводилися на грунтовому каналі ХДАДТУ, що складається з лотка з габаритами 10 2 м заповненого грунтом, та візка, з встановленою на ньому моделлю ковша скрепера вибраного типорозміру з можливістю зміни параметрів процесу різання та довжини ковша. Передбачене планування грунту у каналі, ущільнення та зволоження. Проводилася тарировка з побудовою тарировочних графіків та запис осцилограм. Проведені лабораторні експерименти показали ефективність запропонованої конструкції ГНП.

Особливості розгалуженого процесу, напрямок руху грунту на різних етапах наповнення ковша, вивчалися на основі спеціальних дослідів, проведених з застосуванням пронумерованих маячків.

Проведені польові випробування на скрепері ДЗ - 20В, тягач Т - 130, підтвердили ефективність запровадженої конструкції ГНП. Експерименти проводилися традиційним ковшем, а також ковшем, спорядженим грунтонапрямним пристроєм з прямими плитами без щілини та спорядженого ГНП, з щілиною поміж днищем та плитою, ближньою до задньої стінки. Випробування проводилися на грунтах різних категорій.

В результаті порівняння продуктивності скреперів з традиційним ковшем та ковшем з ГНП без щілини і з щілиною, визначено, що продуктивність останнього збільшується відповідно при розробці піску на 15 та на 30 та при розробці суглінку на 22 та на 12. Якщо порівнювати коефіцієнт наповнення ковша з ГНП без щілини та пристрою що має щілину поміж ГНП та днищем, то на підставі польових експериментів визначено, що остання конструкція на 10-15 ефективніша. Дані експериментів дозволяють казати про достатньо високу ефективність застосування ГНП нової конструкції.

Достовірність визначається використанням стандартних припущень та підтверджується збігом аналітичних та експериментальних досліджень при відхилені фактичних та розрахункових даних в 10-12. Достовірність експериментальних даних забезпечувалась необхідною кількістю повторів.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ І ВИСНОВКИ

На основі аналізу процесу заповнення ковша скрепера, математичних моделей цього процесу, які були запропоновані Петерсом, А.М. Холодовим, робіт вчених сільськогосподарської галузі, науково обгрунтований і розроблений перспективний спосіб наповнення ковша скрепера та запропонована нова конструкція грунтонапрямного пристрою і відповідна математична модель заповнення ковша, яка враховує крім характеристик тертя і щільності грунту його агрегатний склад, що суттєво впливає на коефіцієнт бокового тиску. Розглянуті питання руху грунту в жорстких направляючих, через щілину є певним вкладом в теорію копання грунту.

Для зниження опору наповнення на першій стадії копання, коли в ковшах, обладнаних грунтонапрямними пристроями весь грунт проходить через них з суттєвим значенням опору, запропонована і досліджена конструкція ГНП з щілиною в задній пластині. Розкриті та використані нові фізичні явища при заповненні ковша скрепера, розгалужений процес заповнення ковша. При застосуванні ГНП з щілиною опір наповнення зменшується до 40 у порівнянні з традиційним ковшем і на 10 у порівнянні з ГНП без щілини. Коефіцієнт наповнення збільшується на 20-30, продуктивність збільшується до 22 у порівнянні з традиційним ковшем, питомі витрати на розробку 1 м³ найбільш низькі серед інших інтенсифікаторів. Наприклад, для ковша місткістю 6 м³ при копанні супісі З_УД у традиційного ковша на 2.6, а при застосуванні елеваторного завантаження на 15.8 більш ніж при застосуванні ГНП. При підвищені щільності грунту ефективність ГНП підвищується.

3. Запропонована конструкція ГНП дозволяє знизити роботу по заповненню ковша до верхнього рівня грунтонапрямного пристрою до 40 порівняно з традиційним ковшем та на 10 порівняно з ковшем обладнаним ГНП без щілини. Робота по наповненню ковша та копанню знижується відповідно на 22 та 35 у порівнянні з ГНП без щілини. Присутність щілини не впливає негативно на наповнення ковша.

4. При застосуванні розробленого ГНП опір різанню на кінцевому етапі досягає зменшення на 38, а призми волочіння на 55, що суттєво впливає на продуктивність, економію енергоресурсів, підвищення надійності машини та створення більш комфортних умов для оператора.

5. Мінімальна робота по заповненню ковша з ГНП відповідає для середніх грунтових умов таким параметрам пристрою: кут нахилу плити = 27, розмір щілини Z = K hстр, де К дорівнює коефіцієнту розпушення, та висота ГНП НГНП = 0.4 Н_К (без урахування висоти щілини). Наявність щілини у ГНП поєднує переваги традиційного ковша та ковша з ГНП. Майже 40 грунту надходить у ківш крізь зазначену щілину, що доводить переваги розгалуженого процесу заповнення.

6. В залежності від місткості ковша раціонально використовувати різні типи інтенсифікаторів. Так, для ковша малої місткості (до 8 м³) раціонально використовувати ГНП, середньої місткості (10 - 15 м³) - підгрібаючу заслінку, великої місткості (більш ніж 15 м³) - елеваторне завантаження.

7. Застосування ГНП, розробленої конструкції, раціональне для ковшів з коефіцієнтом довжини від 1.1 до 1.26 в залежності від типу грунту. Згідно з проведеними розрахунками, інтенсифікатори впливають на раціональну довжину ковша, наприклад, максимальна продуктивність для ковша з ГНП відповідає коефіцієнту довжини ковша 1.2, для підгрібаючої заслінки 1.52, а для елеваторного завантаження 1.

8. Для підвищення ефективності робочого устаткування скрепера, необхідно спільно розглядати процеси копання та транспортування при застосуванні різних інтенсифікаторів. Як показали дослідження, наприклад, для тягача Т-150 КМ вага інтенсифікатора не повинна перевищувати 12 від тягового зусилля тягачу. Згідно з цим найбільш прийнятним пристроєм для підвищення ефективності скрепера є грунтонапрямний, вага якого менша ніж 7 кН для тягача класу 60 кН, тоді як вага підгрібаючої заслінки та елеватора відповідно 9.5 кН та 25 кН. ГНП з раціональними розмірами має широку зону застосування залежно від типу грунту, параметрів ковша, тягового зусилля тягача та умов транспортування.

9. Результати експериментальних досліджень стверджують раціональність запропонованого способу наповнення ковша скрепера з ГНП запропонованої конструкції, це доведено на прикладі роботи скрепера ДЗ - 20В з ГНП. Вірогідність математичної моделі процесу наповнення ковша - висока, розходження з даними експерименту дорівнює 5 - 15. Коефіцієнт кореляції в усіх випадках близький до 1, що також вказує на високу збіжність результатів аналітичних та експериментальних досліджень.

Основні положення дисертації опубліковані у таких працях:

1. Власенко І.В. Підвищення ефективності скреперів. В кн. Нічке В.В., Антонов М.А., Єрмакова О.А. Робочі процеси землерийно-транспортних машин i їх інтенсифікація. ХДАДТУ. -Харків, 1995. -С. 93 - 105.

2. Нічке В.В., Шонія Н.М., Єрмакова О.А., Власенко І.В. Застосування грунтонапрямного пристрою для зниження робочого опору наповнення скрепера. // Гідромеліорація та гідротехнічне будівництво. Науково-технічний збірник. Випуск 20. -Львів, 1993. -С. 105-109.

3. Ничке В.В., Ермакова Е.А., Антонов Н.А., Власенко И.В. Повышение эффективности скреперов. Міжвузівський збірник наукових праць. Випуск 30. -Харків, 1997. -С. 33 - 35.

Власенко И.В. Анализ форм движения грунта в ковше скрепера с ГНУ. Научные труды “Проблемы создания новых машин и технологий”. Вып. 2. -Кременчуг, 1997. -С. 62 - 66.

Власенко И.В. Оптимизация основных размеров ковша скрепера. Сборник научных трудов “Автомобильный транспорт”. Вып. 2. Серия “Совершенствование машин для земляных и дорожных работ”. -Харьков, 1999. -С. 34 - 36.

Власенко И.В. Влияние снижения сопротивления наполнению ковша скрепера на сопротивление призмы волочения. Сборник научных трудов “Автомобильный транспорт”. Вып. 2. Серия “Совершенствование машин для земляных и дорожных работ”. -Харьков, 1999. -С. 36-39.

7. Ничке В.В., Власенко И.В., Дмитриева Л.А., Ермакова Е.А. Технико - экономическое сравнение интенсификаторов рабочего процесса скрепера. Научные труды “Проблемы создания новых машин и технологий”. Вып. 1. -Кременчуг, 1996. -С. 171 - 173.

8. Власенко И.В. Повышение эффективности вспомогательной техники. Науковий збірник. Пожежна безпека. Частина 2. -Черкаси. 1999. -С. 150-153.

9. Ничке В.В., Власенко И.В. Повышение эффективности и улучшение экологических показателей скреперов // Труды 6 международной конференции “Новые технологии в машиностроении”. -Рыбачье, 1997. -С. 273 - 275.

10. Власенко И.В. Рациональные параметры ковша скрепера с ГНУ. Зб. статей “Придніпровський науковий вісник”. Техніка. -№12. -Дніпропетровськ, 1998. -С. 21 - 24.

11. Власенко И.В. Зависимость сопротивления перемещению призмы волочения от сопротивления наполнения ковша скрепера грунтом. Зб. статей “Придніпровський науковий вісник”. Техніка. -№13. -Дніпропетровськ, 1998. -С. 1 - 2.

12. Ничке В.В., Ермакова Е.А., Власенко И.В., Шония Н.М. Повышение эффективности скреперов совершенствованием процесса наполнения ковша // Материалы республиканской конференции “Повышение эффективности землеройных машин.” -Воронеж, 1992. -С. 7 - 8.

13. Ничке В.В., Шония Н.М., Шевченко Г.А., Власенко И.В. Снижение нагруженности скреперов применением рациональных способов заполнения ковша // Тезисы докладов конференции “Механизация производственных процессов в водохозяйственном строительстве.” -Ровно, 1990. -С. 23.

14. Власенко И.В. Снижение сопротивления наполнения ковша скрепера // Тезисы докладов научной конференции “Совершенствование подготовки специалистов в области строительства, реконструкции зданий и сооружений”. -Харьков, 1991. -С. 101

15. Ничке В.В., Власенко И.В., Шония Н.М., Ермакова Е.А. Совершенствование процесса наполнения ковша скрепера // Тезисы докладов научно - технической конференции, посвященной 60 - летию ВИСИ. -Воронеж, 1991. -С. 103.

16. Ничке В.В., Власенко И.В., Ермакова Е.А. Снижение трения в процессе наполнения ковша скрепера применением грунтонапра-вляющих аппаратов // Тезисы докладов научной конференции “Триботехника - машиностроению.” -Нижний Новгород, 1991.-С. 48.

17. Ничке В.В., Шония Н.М., Ермакова Е.А., Власенко И.В. Влияние способа заполнения ковша на режим нагружения скреперного агрегата // Тезисы докладов научной конференции “Методы ускоренных стендовых испытаний агрегатов и с/х машин на надежность.” -Челябинск, 1991. -С. 8.

18. Ничке В.В., Антонов Н.А., Ермакова Е.А., Власенко И.В. Применение скреперов с постоянной толщиной стружки для снятия слоев грунта // Тезисы докладов международной научно - практической конференции “Актуальные вопросы охраны окружающей среды от антропогенного воздействия.” -Кременчуг, 1994. -С. 30-32.

19. Ничке В.В., Власенко И.В., Антонов Н.А., Ермакова Е.А., Хамза Самир. Совершенствование процесса наполнения ковша скрепера применением грунтонаправляющего аппарата // Сборник докладов международной научно - технической конференции “Строительные и дорожные машины и их использование в современных условиях”. -Санкт-Питербург, 1995. -С. 58 - 59.

20. Ничке В.В., Власенко И.В., Антонов Н.А., Ермакова Е.А. Повышение эффективности наполнения ковша скрепера // Тезисы докладов международной научно - технической конференции “Повышение эффективности проектирования, испытания и эксплуатации двигателей, автомобилей, вездеходных, специальных строительных и дорожных машин.” -Нижний Новгород, 1995. -С. 38.

21. Єрмакова О.А., Дмiтрiєва Л.А., Власенко I.В. Технiко - економiчне зрiвняння способiв заповнення ковша скрепера // Тезiси регiональної науково - практичної конференцiї. “Проблеми розробки, виробництва, експлуатацiї та ремонту пiдйомно - транспортних, будiвельнiх та дорожнiх машин”. КІБІ. -Кiровоград, 1996. -С. 45.

22. Власенко И.В. Определение рациональных параметров ГНУ. Зб. ст. наукової конференції “Актуальні проблеми сучасної науки у дослідженнях молодих вчених м. Харкова”. -Харків. 1998.-С. 12-15.

23. Положительное решенние на изобретение №4926434/03. Ковш скрепера. 1991. Ничке В.В., Власенко И.В., Захаров В.И., Ермакова ЕА., Яблуновський В.С.

АНОТАЦІЯ

Власенко І.В. Зниження опору наповненню ковша скрепера застосуванням грунтонапрямного пристрою та обгрунтування його раціональних параметрів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.05.04 - машини для земляних та дорожніх робіт. - Харківський державний автомобільно-дорожній технічний університет, Харків, 1999.

До захисту подається робота, яка містить дослідження процесу наповнення грунтом ковша скрепера, оснащеного грунтонапрямним пристроєм (ГНП). Приведені дані досліджень впливу різних інтенсифікаторів, впливу робочого та транспортного режиму на ефективність скрепера, а також результати експериментальних досліджень, що виконані методами математичного та фізичного моделювання з використанням обчислювальної техніки.

Показано, що застосування ГНП конструкції, що пропонується, зменшує опір копанню та збільшує наповнення ковша, завдяки наявності розгалуженого процесу заповнення ковша скрепера крізь ГНП та крізь щілину між задньою плитою ГНП та днищем ковша.

Аналіз процесу копання скрепером з ГНП показує, що ефективність скрепера зростає: коефіцієнт наповнення на 20 - 30, продуктивність на 6 - 22 , питомі витрати зменшуються на 2.6.

Ключові слова: скрепер, опір, грунтонапрямний пристрій, транспортний режим, копання, інтенсифікатор, ефективність.

ковш скрепер інтенсифікатор опір

АННОТАЦИЯ

Власенко И.В. Снижение сопротивления наполнения ковша скрепера применением грунтонаправляющего устройства и обоснование его рациональных параметров. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.05.04 - машины для земляных и дорожных работ. - Харьковский государственный автомобильно-дорожный технический университет, Харьков, 1999.

К защите представляется работа, которая содержит исследования процесса наполнения грунтом ковша скрепера, оснащенного грунтонаправляющим устройством (ГНУ). Согласно методике определения сопротивления наполнению, предложенной Петерсом, наиболее существенным является сопротивление трения между движущимся и неподвижным грунтом, грунтонаправляющее устройство и позволяет снизить это сопротивления. В диссертационной работе приводятся данные исследований влияния различных интенсификаторов, влияния рабочего и транспортного режима на эффективность скрепера, а также результаты экспериментальных исследований, выполненных методами математического и физического моделирования с применением вычислительной техники.

Показано, что применение ГНУ предлагаемой конструкции, уменьшает сопротивление копания и увеличивает наполнение, за счет ветвящегося процесса заполнения ковша скрепера, который заключается в движении грунта через ГНУ и через щель между задней плитой ГНУ и днищем ковша. Негативное воздействие со стороны щели на поднимающийся слой грунта отсутствует, а через указанную щель в ковш поступает около 40 грунта. Рациональные параметры ГНУ: высота устройства (Н_ГНУ) для средних грунтовых условий равна 40 от высоты ковша, угол наклона плиты к вертикали () равен углу внутреннего трения, а величина щели (Z) пропорциональна максимальной глубине резания. Коэффициент пропорциональности равен коэффициенту разрыхления. Разработана математическая модель заполнения ковша скрепера с ГНУ с учетом агрегатного состава частиц грунта и их распределения. Установлено влияние снижения сопротивления наполнению на все составляющие тягового расчета.

Для установления зон рационального использования направляющего устройства рассмотрены процесс копания и транспортный режим. ГНУ рационально использовать для ковшей вместимостью 5 - 8 м³. Существует зона рационального использования ГНУ в зависимости от коэффициента длины ковша, она лежит в пределах 1.1 L/H 1.34.

Анализ процесса копания скрепером с ГНУ показывает, что эффективность скрепера возрастает по сравнению с копание традиционным ковшом: сопротивление наполнению уменьшается в среднем на 30-40, что в свою очередь снижает сопротивление резанию до 38, а сопротивление призмы волочения до 55 от их значений при традиционной конструкции ковша скрепера. В результате коэффициент наполнения увеличивается на 20 - 30, производительность на 6 - 22. Эффективность предлагаемой конструкции ГНУ выше, чем у ранее известных конструкций грунтонаправляющих устройств: работа по заполнению ковша скрепера снижается на 22, а работа по копанию на 35.

Эксперименты проводились на лабораторной установке с применением тензометрии и на натурной машине ДЗ-20В на базе трактора Т-130. На лабораторной установке был проведен четырехфакторный ортогональный план эксперимента. В результате сравнения аналитических и экспериментальных данных установлена достаточная адекватность результатов (критерий Фишера), коэффициент корреляции во всех случаях близок единице, а относительная погрешность составляет 5 - 15.

Ключевые слова: скрепер, сопротивление, грунтонаправляющее устройство, транспортный режим, копание, интенсификатор, эффективность.

ABSTRACT

Vlasenko I. V. Decrease of resistance filling of the scraper bucket by employment of the soil track appliance and reasons him rational of parameters. - Manuscript.

The dissertation for a scientific degree the candidate of technical sciences on specialty 05.05.04 - machine for earth and road works. - The Kharkov state automobile - road technical university, Kharkov, 1999.

To protection work is represented, which contains researches of process of filling bucket of scraper by a ground at the expense of application soil track appliance (STA). The research of influence various intensificators was show on efficiency scraper, influence of a working and transport mode to efficiency scraper, but also results of experimental researches, mathematical methods and physical modeling with application of computer facilities.

The application STA of an offered design, reduces resistance digging and increases filling bucket, at the expense of presence branchy of process of filling bucket of scraper with application of track, through crack between back track plate and bottom bucket.

The analysis of process digging by scraper with application of soil track shows, that the efficiency scraper grows: coefficient of filling on 20 - 30 , productivity on 6 - 22 , the indicated specific costs decrease on 2.6 .

Key words: scraper, resistance, soil track appliance, transport mode, digging, intensificator, efficiency.

Размещено на Allbest.ru