автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.04, диссертация на тему:Научные основы моделирования системы "грунт-рабочее оборудование землеройных машин" в режиме послойной разработки

А

ф // 99- Объд/о^

МОГЙЛВВОКИМ МАШйНОСТРОМТЕЛЪШМ ИНСТИТУТ

Президиум ВАК Рос си:;

! (ргтиенке от " " 19 №

I пр5суд;-:л ученую степэнь ДС

I . ^

; Ь - БЕРЕСТ

I ----------------...............

На правах рукописи

Ш: V'!' • 13|ШМОВМ

НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ СИСТЕМЫ "ГРУНТ - РАБОЧЕЕ ОБОРУДОВАНИЕ ЗЕМЛЕРОЙНЫХ МАШИН" В РЕЖИМЕ ПОСЛОЙНОЙ РАЗРАБОТКИ

,, 05.05.04 - дорожные и строительные машины

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Могилев, 1 ууу

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение................................................7

1 Обзор исследований.....................................11

1=1 Методы исследования процессов резания и копания грунта........................................................ 11

1.2 Методы исследования величины угла сдвига,

» £_

1.3 Плоское предельное равновесие сыпучей среды.......30

1.4 Выводы, цель и задачи исследования................37

2 Основы теории резания грунта.................----......40

2.1 Обоснование принятых расчетных положений...........40

2.2 Исходные положения для расчета.....................47

2.3

Методика определения угла сдвига по граничным

условиям....................................................4?

п с. ■

:.3.1 Решения с сингулярной точкой при вершине откоса..................... — ............................... «5т

2.3.2 Разрывные решения...............----.........54

2.3.3 Решения при непрерывном распределении напряжений с активной зоной----................................. 59

2.4 Расчет параметров при большом сдвиге...............62

2.5 Заключение.........................................66

3 Основы теории копания грунта...........................67

3.1 Особенности процесса копания... —.................67

3.2 Копание плоским рабочим органом....................71

3.2.1 Обоснование расчетной схемы..................71

3.2.2 Расчет сил, действующих на призму волочения..72

3.2.3 Расчет сил сопротивления копанию.............74

3.3 Копание рабочим органом отвального типа............77

3.3.1 Обоснование расчетной схемы..................77

ООО

. о . с.

Расчет сил, действующих на призму волочения.лв

3.3.3 Расчет сил сопротивления копанию.

,8

ас

о

3.4 Копание рабочим органом ковшового типа.............87

3.4.1 Обоснование расчетной схемы..................87

3.4.2 Учет трения грунта о боковые стенки ковша....89

3.4.3 Начальная стадия процесса копания............91

3.4.4 Промежуточная стадия процесса копания........95

3.4.5 Заключительная стадия процесса копания.......98

3.5 Заключение........................................ 10б

4 Пассивное давление грунта на подпорные стенки.........107

4.1 Анализ зоны предельного равновесия в грунтовом массиве...........................................................................107

4.2 Пассивное давление грунта на прямую подпорную стенку при прямой поверхности засыпки,....................... 110

4.2.1 Решения с сингулярной точкой................110

4.2.2 Разрывные решения. ------.................... 111

4.2.3 Решения при непрерывном распределении напряжений с пассивной зоной.................................... 115

4.2.4 Решения при непрерывном распределении напряжений с активной зоной.....................................11 б

4.3 Пассивное давление грунта на ломаную подпорную стенку при прямой поверхности засыпки...... —............... 119

4.3.1 Решения с сингулярной точкой при верхней грани подпорной стенки....................................... 119

4.3.2 Решения с линией разрыва при верхней

грани подпорной стенки.......................................131

4.3.У Решения с непрерывным распределением напряжений с пассивной зоной при верхней грани подпорной стенки...139

4.3.4 Решения с непрерывным распределением напряжений с активной зоной при верхней грани подпорной стенки....140

4.3.5 Решения при комбинированном (предельном и непредельном) давлении на грани подпорной стенки.............147

4.4 Пассивное давление грунта на подпорную стенку при ломаной засыпке-----.............................. — ........154

4=4=1 решения с сингулярной точкой для подпорной стенки..,..___... — ....................................___.. 154

4.4.2 Решения о линией разрыва для подпорной стенки................. —...................................165

4 = 4.3 Решения при непрерывном распределении напряжений с пассивной зоной для подпорной стенки...............171

4.4.4 Решения при непрерывном распределении напряжений о активной зоной для подпорной стенки................ 175

4.5 Пассивное давление грунта на ломаную подпорную стенку при ломаной поверхности засыпки.......................178

4.5.1 Решения при пассивной зоне на первой грани засыпки......................................................181

4.5.2 Решения при активной зоне на первой грани засыпки.............................----.....................185

4.6 Заключение........................................189

5 Взаимодействие ножа с разрабатываемым грунтом.........191

5.1 Расчет параметров при первом малом сдвиге —......191

5.2 Расчет параметров при последующем малом сдвиге....196

5.3 Учет сопротивлений по боковым граням..............202

5.4 Заключение........................................206

6 Алгоритмизация расчета процесса взаимодействия рабочего органа с грунтом........................................208

6.1 Логические основы расчета.........................208

6.2 Алгоритмы расчета математических моделей..........211

6.2.1 Алгоритм расчета резания и копания грунта плоским рабочим органом,.........................----........212

6.2.2 Алгоритм расчета копания грунта отвальным рабочим органом.............................................=215

6.2.3 Алгоритм расчета копания грунта ковшовым рабочим органом..............................................217

6.2.4 Алгоритм расчета взаимодействия ножа с грунтом......................................................220

6.3 Заключение.................................................=223

7 Исследование взаимодействия ножа с грунтом............224

7.1 Влияние физико-механических свойств грунта на процесс резания..............................................224

7.1.1 Влияние угла внутреннего трения и сцепления грунта....................................................................— ......225

7.1.2 Влияние коэффициента жесткости грунта.......234

7.2 Влияние геометрических параметров ножа на процесс резания......................................................237

7.2.1 Влияние угла резания........................237

7.2.2 Влияние длины ножа...........----...........245

7.2.3 Влияние ширины ножа.........----............252

7.3 Влияние толщины стружки на процесс резания........254

7.4 Заключение........................................260

8 Аналитические исследования процесса копания грунта----261

8.1 Копание плоским рабочим органом...................261

8.1.1 Влияние угла резания........................262

8.1.2 Влияние длины ножа..........................263

8.1.3 Влияние толщины стружки.....................265

8.1.4 Влияние пригрузки от призмы волочения.......267

8.2 Копание рабочим органом отвального типа...........270

8.2.1 Влияние толщины стружки.................... .271

8.2.2 Влияние высоты отвала.----.... — ...........273

8.3 Копание рабочим органом ковшового типа............275

8.3.1 Влияние толщины стружки.....................276

8.3.2 Влияние степени заполнения ковша............278

8.3.3 Влияние угла резания........................282

8.4 Заключение........................................285

9 Экспериментальные исследования........................287

9.1 Задачи экспериментальных исследований.............287

экспериментальная установка для лабораторных исследований.................................................288

3.3 Методика проведения экспериментальных исследований. ....................................................,292

9.4 Методика обработки экспериментальных данных при исследовании динамической нагруженности рабочего органа......297

9.5 Результаты экспериментальных исследований копания грунта скрепером.............................................303

9.6 Целевые экспериментальные исследования............310

9.7 Сравнительный анализ экспериментальных и теоретических исследований........................................314

9.8 Заключение........................................318

Основные результаты и выводы............................319

Литература.............................................=322

Приложения..............................................336

Приложение А. Коэффициенты полинома, описывающего продольный профиль грунта в ковше скрепера с вместимостью ковша 10 м'-3 на грунтах II категории................................337

Приложение Б. Некоторые пути снижения нагруженности рабочего оборудования машин для земляных работ конструктивными методами................................................341

Приложение В. Текст программы "PL0M" для расчета процесса копания плоским рабочим органом......----...........356

Приложение Г. Текст программы "OTRA" для расчета процесса копания отвальным рабочим органом...................359

Приложение Д. Текст программы "OOWRA" для расчета процесса копания ковшовым рабочим органом....................365

Приложение Е. Текст программы "BINAR" для расчета динамики процессов резания и копания грунта..................375

Акты внедрения........................................ 402

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Решение научной проблемы прогнозирования развития, выбора параметров и расчета рабочего оборудования землеройно-транспортных машин остается одним из актуальных направлений исследований. По этому направлению выполнено значительное количество фундаментальных исследований и очевидны достигнутые успехи. Однако их эффективность не в полной мере удовлетворяют современный уровень развития землеройной техники.

В настоящее время на первый план выдвигается создание моделей, наиболее полно и адекватно описывающих процесс копания, являющихся идентификационными ему. В целом такие модели откроют дорогу широкому использованию САПР рабочих органов в отраслевом машиностроении» позволят более полно реализовать творческий потенциал конструкторских отделов и организаций, занимающихся проектированием и изготовлением землеройно-транспортной техники»

Выбор параметров рабочего оборудования землеройно-транспорт-ных машин невозможно осуществить без системного подхода в: процессу взаимодействия ножа и рабочего органа с грунтом. Необходима разработка методологии, обеспечивающей расчет не только силовых, но и всех остальных параметров, характеризующих процесс копания, обеспечивающей выбор на стадии проектирования рациональных конструктивных параметров рабочего оборудования землеройно-транспортных машин различных типов с учетом условий их работы.

Решению этих вопросов и уделено внимание в настоящей работе. Исследования, обобщенные в ней, проведены автором в Могилевском машиностроительном институте по темам, входящим в план важнейших НИР АН БССР (проблема 1,11,3) на 1981-85 гг. и 1986-90 гг., в

республиканскую комплексную программу "Машиностроение 2" на 199195 гг., конкурсных и хоздоговорных НИР.

Целью работы является развитие основ теории взаимодействия рабочего оборудования землеройно-транспортных машин с разрабатываемой средой при послойной разработке и создание на этой базе методов расчета рабочих процессов, обеспечивающих выбор рациональных параметров рабочих органов и прогнозирование их эффективности при взаимодействии с грунтом на стадии проектирования.

Научная новизна . На основании комплексных исследований получили развитие и обоснование новые представления о механизме стружкообразования как о процессе, состоящем из двух фаз - фазы первичного разрушения грунта при внедрении ножа и фазы дальнейшего его разрушения при вытеснении отделенного элемента стружки. Эти представления позволили сформулировать концептуальные и методологические принципы теории взаимодействия рабочего оборудования с грунтом применительно к машинам, работающим в режиме послойной разработки грунта.

Основа этой теории базируется на разработанных аналитических методах расчета угла сдвига по граничным условиям, устанавливающего взаимосвязь между его величиной и давлением, действующим на площадку сдвига и пассивного давления грунта на подпорные стенки для сложных случаев нагружения, при ломаных подпорных стенках или засыпках для нормальных и наклонных давлений, действующих на грани подпорной стенки и засыпки или их сочетаний.

Разработаны теоретические основы моделирования рабочих процессов землеройно-транспортных машин для основных типов рабочих органов - плоского, отвального и ковшового, учитывающие их геометрически параметры, конструктивные особенности и условия рабо-

Выявлены закономерности и факторы, влияющие на динамическую нагружешюсть рабочего органа при копании вследствие периодического характера стружкообразования, на геометрические параметры перемещаемого при копании грунта и возникающие при этом силы.

Практическая значимость работы определяется разработанными научными принципами и методиками расчета рабочего процесса, включающими в себя алгоритмы и программное обеспечение для ЭВМ, обеспечивающим решение конкретных прикладных задач оптимизации параметров рабочего оборудования земле-ройно-транспортных машин.

Обеспечивается расчет рабочего процесса и оценка влияния конструктивных параметров рабочего органа на геометрические и силовые показатели,, характеризующие этот процесс, применительно к конкретным условиям работы для рабочих органов различных типов.

Осуществим расчет динамической нагруженности рабочего органа при копании, что позволяет совершенствовать методику расчета металлоконструкции машины и за счет этого оптимизировать ее, а так же дает основу для выбора упругих элементов амортизирующих устройств и расчета их параметров.

Разработанные теоретические принципы и установленные закономерности взаимодействия рабочего оборудования с грунтом могут служить основой для создания САПР рабочего оборудования землерой-но-транспортных машин и использоваться для оценки эффективности новых технических решений.

На защиту выносятся:

- теоретические разработки и экспериментальные данные по проблеме стружкообразования, дающие представление о механизме разрушения грунта как о процессе, состоящем из двух фаз, аналити-

ческий метод расчета угла сдвига по граничным условиям?

- научные основы, методика расчета и результаты исследований процессов резания и копания грунта рабочими органами землеройно-транспортных машин различных типов: плоским, отвальным и ковшовым;

- аналитические методы расчета пассивного давления грунта на подпорные стенки для сложных случаев нагрузкения: при ломаных подпорных стенках и засыпках для нормальных и наклонных давлений, действующих на их поверхностях;

- теоретические разработки, методика расчета и результаты исследований взаимодействия ножа с грунтом, позволяющие оценить динамическую нагруженность рабочего органа землеройно-транспорт-ной машины при копании.

1. ОБЗОР ИССЛЕДОВАНИЙ

В главе приводится обзор и анализ методов расчета сил сопротивления резанию и копанию грунта землеройными машинами, методов расчета такого важного параметра, как угол сдвига.

Отдельно рассмотрены уравнения плоского предельного равновесия сыпучей среды, на которых базируется ряд теоретических положений многих авторов по расчету сопротивлений при резании и копании грунта.

Выяснено, что большинство современных методов расчета основано на теории пассивного давления грунта на подпорные стенки.

Дан критический анализ, приводятся выводы и сформулированы задачи исследования.

1.1. Методы исследования процессов резания и копания грунта.

Бурное развитие техники в 20-е годы текущего столетия не обошло стороной и машины для земляных работ. Это, в свою очередь, потребовало проведения большого количества исследований в этой области. Нельзя не отметить вклад, сделанный советскими учеными в развитие теории машин для земляных работ и совершенствование их конструкций.

Тем не менее современный уровень развития землеройной техники не снижает требований ни к совершенствованию рабочего оборудования /39/, ни к снижению энергоемкости процесса /81/ ни к совершенствованию теории /74/.

Основы теории резания грунта заложены академиком В.П. Горяч-киным /47/. Им в 1923 году предложена формула для определения сопротивления копанию плугом

Р - ГС + ШЬ + ЕШЭУ2 , где й - вес плуга; Г - коэффициент трения плуга о грунт; к -удельное сопротивление грунта резанию; 11 - глубина пахоты; Ь -ширина захвата; е - коэффициент, учитывающий сопротивление при отбрасываний пласта грунта плугом; V - скорость движения плуга.

Первый член формулы учитывает трение плуга о почву, второй член учитывает силу сопротивления резанию; третий учитывает усилив, затрачиваемое на отбрасывание пласта в сторону.

И хотя в отношении второго члена самим В.П. Горячкиным было сказано, что "сопротивление деформации пласта в качестве простейшего предположения можно считать пропорциональным площади поперечного сечения пласта", именно он нашел широкое применение при тяговых расчетах землеройных машин и используется до настоящего времени.

Вследствие различия конструкции рабочих органов сельскохозяйственных плугов и машин для земляных работ значения удельного сопротивления резанию, входящие во второй член формулы, принимаются отличными от рекомендованных В.П.Горячкиным.

Расчетный метод Н.Г.Домбровского /58, 69/ позволяет определить касательное сопротивление копанию грунта ковшом экскаватора, которое рассматривается им как сумма трех сил:

Р01 = Рр+ Рт+ Рп,

где Р - сопротивление грунта резанию; Рф- сопротивление трению

Р *

рабочего органа о грунт; Рд- сопротивление перемещению призмы волочения и движению грунта в ковша.

Для практических расчетов Н.Г.Домбровский предложил определять касательную составляющую сопротивления копанию по упрощенной формуле:

Р01» '^Р = к^чЬ.

При этом удельное сопротивление копанию к включает в себя вое возникающие сопротивления (сопротивление резанию, трете ковша о забой, сопротивление грунта при его п