Взаимодействие рабочих органов машин с грунтом

Размещено на http://www.allbest.ru

Взаимодействие рабочих органов машин с грунтом

На процесс взаимодействия рабочего органа землеройной машины с грунтом существенное влияние оказывают физико-механические свойства грунта, конструкция, геометрические параметры и режимы работы рабочего органа.

Рабочие органы землеройных машин, отделяющие грунт от массива механическим способом, могут быть выполнены в виде: зуба на стойке (рис. 4.1, а) для рыхления разрабатываемой среды, ковша определенной вместимости со сплошной режущей кромкой (рис. 4.1, д, ж, з) или оснащенной зубьями(рис, 4.1, б, , в, г е) отвала (рис. 4.1, и), снабженного в нижней части режущими ножами. Рабочие органы в виде ковшей называют ковшовыми, в виде отвала с ножами

отвальными или ножевыми: Рабочий процесс землеройных машин с ковшовыми и ножевыми рабочими органами состоит из последовательно выполняемых операций отделения грунта от массива, его перемещения (транспортирования) и отсыпки. Рабочие органы отделяют грунт от массива резанием и копанием. Резание -- процесс отделения грунта от массива режущей частью рабочего органа. Копание -- это совокупность процессов, включающих резание грунта перемещение срезанного грунта по рабочему органу и впереди его в виде призмы волочения, а: у некоторых машин перемещение грунта внутри рабочего органа. Сопротивление грунта копанию в 1,5...2,8 раза больше, чем сопротивление грунта резанию.

При отделении грунта от массива механическим способом рабочему органу землеройной машины сообщаются обычно два движения -- вдоль (главное движение) и поперек (движение подачи) срезаемой стружки грунта (рис. 4.2), которые могут выполняться раздельно или одновременно.

Режущая часть (кромка) рабочего органа, имеющая обычно форму клина, характеризуется следующими геометрическими параметрами (рис. 4.2, а); длиной режущей кромки b, углом заострения в, задним углом б, передним углом у, углом резания д = в + б и толщиной стружки h. Эффективность процесса резания обеспечивается при оптимальных углах резания и рациональной геометрии режущего инструмента. Оптимальные  значения  угла резания 5 составляют 30...32° для легких грунтов и 40...43° для тяжелых; угла заострения р = 25...27° для легких и 32...35° для тяжелых грунтов. Задний угол принимают равным не менее 6...8°. Ножевые рабочие органы землеройных машин характеризуются также длиной В, высотой Н и радиусом кривизны г отвала, ковшовые -- вместимостью q, шириной 5, высотой Н и длиной L ковша.

На взаимодействующий с грунтом рабочий орган (рис. 4.2, б) действует сила сопротивления его движению в грунте Fo, раскладываемая на две составляющие -- касательную Foi и нормальную Foi к траектории движения рабочего органа. Силу Foi (кН) можно представить в виде

F01 = Fp + Ft + FП.В, (4.1)

где Fp _ сопротивление грунта резанию, кН; FT -- сопротивление трения рабочего органа о грунт, кН; FП.В -- сопротивление перемещению призмы волочения и грунта в рабочем органе, кН.

Сопротивление грунта резанию представляет собой сопротивление внедрению передней грани рабочего органа в грунт в направлении главного движения.

Величина Fp зависит от поперечного сечения срезаемой стружки, физико-механических свойств грунта и геометрии режущей части рабочего органа:

FP = kpbh(4.2)

где кр -- удельное сопротивление грунта резанию, кПа; Ъ и h -- ширина и толщина стружки, м.

Отношение величины Foi к поперечному сечению стружки представляет собой удельное сопротивление грунта копанию кК = Fo\l(bh). Значения fcp, kK выбирают по табл. 4.1 и 4.2, в которые сведены данные, полученные экспериментальным путем для различных категорий грунтов, и видов рабочих органов. Значения удельных сопротивлений резанию и копанию растут с увеличением прочности грунта. Нормальная составляющая сопротивления копанию F02, представляющая собой сопротивление внедрению режущей части рабочего органа в грунт в направлении, перпендикулярном касательной составляющей F01, определяется из соотношения F02 = ШF01, где Ш = 0,2...0,6 -- коэффициент, зависящий от физико-механических свойств грунта и затупления режущей кромки. Более высокие значения Ш соответствуют большему затуплению режущей части. Равнодействующая усилий F01 и F02, направленная под определенным углом к траектории движения режущего органа: Fo =vF201+F202.

Основные части колесного и гусеничного ходового оборудования

Гусеничная ходовая часть

Ходовая часть -- это совокупность элементов шасси, которые предназначены для передачи массы машины на опорную поверхность, сообщения поступательного движения и реализации силы тяги, необходимой для копания и наполнения грунтом рабочего органа бульдозера, бульдозера-рыхлителя, скрепера.

Гусеничная ходовая часть обеспечивает машине следующие преимущества: высокие тягово-сцепные свойства (сцепление гусеницы с грунтом в 1,5... 1,7 раза больше, чем у колеса), повышенную проходимость по бездорожью и пересеченной местности, низкие удельные давления на грунт (0,03...0,08 МПа), высокую маневренность.

Недостатки гусеничной ходовой части -- низкие рабочие и транспортные скорости движения (2,7...3,3 м/с), высокая металлоемкость, меньший срок службы (1500...2000 ч), разрушение покрытия асфальтовых и бетонных дорог, необходимость применения транспортных средств (трейлеров, большегрузных автомобилей) для перемещения гусеничных тракторов с объекта на объект при большом расстоянии.

В гусеничных тракторах преимущественно используют эластичную и полужесткую (тележечного типа) ходовые части. Эластичная ходовая часть обеспечивает большие плавность хода и скорость движения трактора; тележечная ходовая часть воспринимает большие внешние нагрузки и обеспечивает лучшие точность управления и качество работ при агрегатировании с бульдозером:

Эластичную ходовую часть применяют на тракторах типа ДТ-75, Т-180Г и ДЭТ-250М, полужесткую тележечную -- на трак­торах Т-4АП2 и Т-130М, тележечную с балансирной балкой -- на тракторе Т-ЗЗО.

Эластичную ходовую часть трактора типа ДТ-75 монтируют на раме 1. В передней части рамы шарнирно установлены две коленчатые оси, на которые воздействуют пружины механизма натяжения 7. На осях на подшипниках свободно вращаются направляющие колеса 2, поддерживающие гусеницы в натянутом состоянии. С двух сторон рамы шарнирно закреплены по две балансирные каретки 5, которыми трактор" опирается на гусеничную цепь 6. Ось 4, установленная в задней части рамы, служит опорой конечным редукторам и ведущим звездочкам, которые входят в зацепление с гусеницей.

Трактор снабжен двумя гусеничными цепями, которые расположены снаружи рамы. Каждая гусеничная цепь замкнута. Нижняя ее ветвь опирается на грунт и входит в зацепление с ним с помощью почвозацепов. Верхняя ветвь гусеницы опирается на поддерживающие катки .

Общие сведения. Ходовая часть предназначена для преобразования крутящего момента, созданного двигателем и увеличенной механизмами силовой передачи, в усилия, которое дает возможность осуществлять поступательное движение трактора. Кроме того, ходовая часть воспринимает вес трактора и обеспечивает:

* необходимое для передвижения трактора сцепление с дорожным покрытием и грунтом;

* самый удельное давление на дорожное покрытие или грунт;

* наименьшие затраты мощности на перемещение и буксования. Тракторы имеют гусеничные, колесные и полугусеничные ходовые части.

Ходовая часть колесного трактора состоит из остова, ведущих и направляющих колес, переднего моста и подвески остова, гусеничного -- с остова, гусеничных движителей и подвески.

Колесный движитель. Колесный движитель служит для переката трактора. В качестве движителя в колесных тракторов применяют направляющие и ведущие колеса с пневматическими шинами. Такие колеса хорошо амортизируют толчки и удары, чем обеспечивают возможность повышения скорости движения трактора. Пневматические шины, имея значительные размеры и небольшой внутреннее давление, деформируются, в результате чего их опорная поверхность увеличивается. Это улучшает сцепление колес с грунтом и уменьшает их буксировки. Нагрузка на задние и передние колеса большинства тракторов, за исключением Т-150К и К-700, распределяется неравномерно. Задние колеса воспринимают 70-75%, передние колеса -- 30-25% общего веса трактора.

Для уменьшения затрат мощности на перекатывание задние колеса, за исключением колес тракторов типа Т-150КИК-700, имеют большие диаметры и ширину, чем передние. Вследствие этого давление на грунт уменьшается, проходимость трактора улучшается, уменьшаются затраты мощности на самоперекочування, и соответственно, растет тяговая мощность трактора.

Колеса, на которые через трансмиссию передается крутящий момент от коленчатого вала двигателя, называются ведущими. Колеса, с помощью которых изменяют направление движения трактора, называют направляющими.

У тракторов Т-40А, МТЗ-82, ЮМЗ-8280, Т-150К, К-700 направляющие колеса, изменяя направление движения трактора, одновременно и ведущие. Такие тракторы имеют повышенную проходимость.

Для удобства классификации тракторов за ходовой частью принято колесную формулу, которая состоит из двух цифр, соединенных между собой буквой К. Первая цифра означает общее количество колес трактора, вторая -- киькисть ведущих колес. Универсальные -- это пропашные тракторы с четырьмя колесами, из которых 2 -- ведущие (обозначается 4К2), а если у такого трактора все колеса ведущие, то обозначение будет 4К4.

Передний мост трактора в зависимости от назначения, может иметь различные конструкции. Наиболее распространенными являются мосты с регулируемой колеей колес, устанавливаемых на универсально-пропашных тракторах.

Такой мост состоит из трубчатой ??балки и двух поворотных кулаков, в которых размещены оси поворотных цапф. Трубчатая балка шарнирно соединена с ушками переднего бруса остова трактора.

Чтобы увеличить устойчивость трактора при его движении и облегчить управление им, колеса устанавливают не перпендикулярно к опорной плоскости, а под определенными углами:

а -- угол, который образует развал колес (1,5-40), необходимый для появления осевой силы Р, которая прижимает ступицу колеса до внутреннего подшипника и разгружает внешний подшипник переднего колеса и гайку его крепления от осевых усилий;

Р -- угол поперечного наклона оси цапфы (0-60) вместе с углом а уменьшают расстояние X между продолжением оси цапфы и точкой соприкосновения колес с грунтом, что облегчает поворот колеса. Наличие угла Р при повороте колес в ту или иную сторону приводит некоторое поднятие передней оси трактора. При этом, под действием силы тяжести трактора, колеса стремятся вернуться в исходное положение;

у -- угол продольного наклона цапфы (3-12 °). Такое размещение оси увеличивает устойчивость колес при прямолинейном движении трактора.

Схема подвески рабочего органа

Преимущественное распространение получили гусеничные бульдозеры, обладающие высокими тяговыми усилиями и проходимостью. Чем выше тяговый класс машины, тем больший объем земляных работ она способна выполнять и разрабатывать более прочные грунты.

К основным параметрам бульдозерного оборудования (рис. 3) относятся высота без козырька Н и длина В отвала (м), радиус кривизны отвала, основной угол резания, задний угол отвала, угол заострения ножей, угол перекоса отвала и угол поворота (у поворотных машин) отвала в плане ? (град), высота подъема отвала над опорной поверхностью h1 и глубина опускания отвала ниже опорной поверхности h2 (м), напорное Т и вертикальное Р усилия на режущей кромке (кН), скорости подъема vп и опускания vo отвала.

Рис. 3. Схемы устройств и основные параметры бульдозеров: а - с поворотным отвалом; б - с неповоротным отвалом; в - поперечный перекос отвала

Отвал бульдозера представляет собой жесткую сварную металлоконструкцию с лобовым листом криволинейного профиля. Вдоль нижней кромки отвала крепятся сменные двухлезвийные режущие ножи (два боковых и средние), наплавленные износоустойчивым сплавом. В середине верхней части отвала имеется козырек, препятствующий пересыпанию грунта через верхнюю кромку.

Для увеличения производительности бульдозера при работе на легких грунтах на его отвал устанавливают с обоих концов сменные уширители, открылки и удлинители. Для уменьшения потерь грунта при его транспортировании современные неповоротные гусеничные бульдозеры оборудуют сферическими и полусферическими отвалами.

Конструктивные особенности неповоротных и поворотных бульдозеров.

У бульдозера с неповоротным отвалом (рис. 4) отвал 1 крепится посредством универсальных шарниров 8 к толкающему устройству в виде двух брусьев 7 коробчатого сечения, задние концы которых соединены с помощью упряжных шарниров 8 с балками 5 ходового устройства базового трактора 4. Шарниры позволяют толкающим брусьям поворачиваться в вертикальной и горизонтальной плоскостях при перекосе отвала. Подъем и опускание отвала осуществляются с помощью двух гидроцилиндров двойного действия 3, штоки которых шарнирно прикреплены к отвалу через кронштейны. Отвал в рабочем положении удерживают гидрораскос 2 и винтовой жесткий раскос 10, которые установлены в плоскостях соответственно левого и правого толкающих брусьев. Нагрузка между толкающими брусьями равномерно распределяется механизмом 9 компенсации перекоса, обеспечивающим устойчивость отвала в горизонтальной плоскости.

Рис. 4. Бульдозер с неповоротным отвалом

Гидрораскос осуществляет перекос отвала в поперечной плоскости путем поворота его на угол до + 12° и представляет собой гидроцилиндр двойного действия с гидрозамком, который включен в гидросистему трактора. Винтовой раскос служит для механического изменения угла резания ножей.

У поворотного бульдозера (рис. 5) отвал 1 монтируется на универсальной толкающей раме 7, охватывающей снаружи трактор 4 и состоящей из двух жестко соединенных между собой полурам прямоугольного сечения. Рама крепится к ходовым тележкам трактора с помощью упряжных шарниров 5. На раме вместо отвала может быть установлено различное сменное оборудование с гидравлическим управлением - кусторез, древовал, корчеватель-собиратель, плужный снегоочиститель и др. Поворотный отвал соединен с толкающей рамой посредством центрального шарового шарнира 10 и двух боковых толкателей 8 с винтовыми раскосами 2, обеспечивающими различное положение отвала относительно рамы. При одинаковом изменении длины раскосов от среднего положения регулируют угол резания ножей. Угол поперечного перекоса отвала в вертикальной плоскости регулируется путем изменения межцентрового расстояния проушин раскосов.

Рис. 5. Бульдозер с поворотным отвалом

Отвал может быть установлен в плане под углом ? в обе стороны от продольной оси машины и под прямым углом к ней. Для установки отвала в три положения (прямое, правое и левое) на верхней полке каждой полурамы установлены по три опорных кронштейна 6, в которых шарнирно крепятся толкатели. На скошенной части полурам установлены кронштейны 9 для крепления гидроцилиндров 3 подъема-опускания отвала. У некоторых моделей бульдозеров изменение угла поворота отвала в плане и регулировка угла перекоса отвала осуществляются с помощью гидроцилиндров.

Эксплуатационная производительность, м3/ч, бульдозера при резании и перемещении грунта

Прэ = 3600 Vгрkуkнkв/Тц,

где Vгр - геометрический объем призмы волочения грунта впереди отвала, м3;

Vгр = ВН2кп /(2 tg ?кр),

где В, Н - соответственно длина и высота отвала; кп - коэффициент, учитывающий, потери грунта, при транспортировке, кп = 1 - 0,005 lп; ? - угол естественного откоса грунта в движении (35...45°); кр - коэффициент разрыхления грунта (1,1.-1,3); кy - коэффициент, учитывающий влияние уклона местности на производительность (при работе на подъемах от 5 до 15 % ку уменьшается от 0,67 до 0,4, при работе на уклонах от 5 до 15 % ку увеличивается с 1,35 до 2,25); кв - коэффициент наполнения геометрического объема призмы волочения грунтом (0,85...1,05); кв - коэффициент использования бульдозера по времени (0,8...0,9); Тц - продолжительность цикла, с,

Тц = iр/vр + iп/vп + i0/v0 + tп,

где Lp, lп и lo = lр + lп - длины соответственно участков резания, перемещения грунта и обратного хода бульдозера, м;

Lo = Vгр/A,

где А = Вh - площадь срезаемого слоя грунта, м2; h - средняя толщина срезаемого слоя; vр , vп ,v0 - скорости трактора при резании, перемещении грунта и обратном ходе, м/с; tП - время на переключение передач в течение цикла, tп -= 15...20 с.

Резание грунта производится на скорости 2,5...4,5 км/ч, перемещение грунта - на скорости 4,5...6 км/ч.

Эксплуатационная производительность бульдозера, м /ч, с поворотным отвалом при планировочных работах

Прэ = [ 3600l (B sin ? - 0,5) kВ ] / [ n (l/v + tп) ],

где l - длина планируемого участка, м; - угол установки отвала в плане, град; 0,5 - величина перекрытия проходов, м; n - число проходов по одному месту; v - скорость движения бульдозера, м/с.

Полное сопротивление движению бульдозера, кН,

F? = F1 + F2 + F3 + F4,

где F1 - сопротивление движению бульдозера с трактором, кН,

F1 = Gб ( f ± і),

где Gб - вес бульдозера с трактором, кН; f - коэффициент сопротивления движению трактора по грунту (0,1...0,15); i = tg ? - уклон пути; - угол наклона пути движения бульдозера к горизонту, град; знак плюс принимается при работе на подъем, минус - при работе под уклон; F2 - сопротивление грунта резанию, кН:

Сущность процесса уплотнения грунтов

При устройстве различных земляных сооружений часто возникает необходимость уплотнения грунта, что предотвращает осадки и сдвиговые деформации сооружения. В гидротехнических земляных сооружениях уплотнение является также эффективным средством снижения фильтрации воды. землеройная машина грунт гусеничная

В зависимости от прочности связей между минеральными частицами грунты подразделяют на связные и несвязные. Прочность связей определяется содержанием влаги в грунте.

При уплотнении нарушаются связи между минеральными частицами, создается более плотная их компоновка и вытесняется воздух, благодаря чему грунт приобретает прочность и стабильность, повышается его несущая способность.

Плотность грунта оценивается степенью его уплотнения. Наибольшая степень уплотнения при наименьших энергозатратах достигается при оптимальной влажности, которая также определяется прибором стандартного уплотнения.Уплотнение грунтов следует производить при влажности, близкой к оптимальной.

В практике известны три основных метода уплотнения грунтов: статическая укатка, ударное трамбование и вибрирование. Для повышения эффективности уплотнения в последние годы созданы уплотняющие машины, работающие по принципу вибрационной укатки и частоударного трамбования, а также комбинированного воздействия.

С учетом этого грунтоуплотняющие машины подразделяются на машины статического, ударного, вибрационного и комбинированного действия. Они в зависимости от способа их перемещения бывают прицепные и самоходные, а также в виде навесного оборудования к базовым машинам

По виду рабочего органа уплотняющие машины подразделяются на: - катки статические и вибрационные с гладкой, кулачковой и решетчатой металлической обечайкой и катки пневмоколесные; - трамбующие машины на базе гусеничных тракторов, управляемые вручную трамбовки с электрическим или бензиновым двигателем, а также трамбовки на базе гидромолотов к гидравлическим экскаваторам; - самопередвигаюшиеся и навесные к базовым шасси виброплиты, а также виброплиты, навешиваемые на стреле экскаватора вместо ковша. Они условно делятся по своей массе на легкие, средние и тяжелые.

Ученые разработали новую технологию уплотнения: сквозь грунт, словно через фильтр, они пропустили смесь газов и подожгли их. В процессе горения, проходившегос "черепашьей" скоростью, почва прогрелась до 1500 (!) градусов. В таком пекле вся вода и растворимые вещества выгорели, грунт спекся и превратился в очень плотную твердую "подошву". Такая "подошва"позволяет обойтись без традиционных свай и втрое уменьшить расходы: забивка только одной сваи обходится в три тысячи рублей. Фундамент, созданный по новой технологии, сокращает сроки возведения здания и помогает избежать появления возможных трещин в домах при "просадке"грунта. Новая технология уже прошла апробацию в Казахстане.

Размещено на Allbest.ru