автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.05, диссертация на тему:Научные основы проектирования параметров ходовых и фрезерующих устройств торфяных машин

резиАиум ВАК России

дожение of ".....^ ... 1 г,,

присудил у«- 1 :. . ' ь лОКЛл

l^ùéie^&I^Jar_ - yjrg-

i'S; 0AJK. России

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Тверской государственный технический университет

На правах рукописи

Синицын Вячеслав Федорович

НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ ХОДОВЫХ И ФРЕЗЕРУЮЩИХ УСТРОЙСТВ ТОРФЯНЫХ МАШИН

Специальность 05.15.05 - Технология и комплексная механизация

торфяного производства

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Научный консультант-доктор технических наук, профессор Самсонов Л.Н.

Тверь 1998

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ..................................................... 6

1. УРАВНОВЕШИВАНИЕ ГУСЕНИЧНЫХ МАШИН........................... 9

1.1. Задачи уравновешивания .................................. 9

1. 2. Унифицированный расчетный метод определения нормальной

нагрузки на гусеницы и координат центра давления............. 20

1. 3. Определение краевых давлений под гусеницами машины с трехточечной подвеской типа СКС.............................. 26

1.4.Решение задачи уравновешивания для случая пространственного расположения внешних сил............................. 33

1.5.Решение задачи уравновешивания для случая расположения внешних сил в продольной плоскости машины.................... 45

1.6.Решение задачи уравновешивания методом поэтапной оптимизации...................................................... 55

1. 7.Эффективность разработанных методов уравновешивания...... 71

2. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЖЕСТКИХ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ КОЛЕС.... 75

2.1.Задачи проектирования параметров жестких цилиндрических

колес........................................................ 75

2. 2. Проектирование минимально-необходимых размеров симметрично нагруженного колеса.................................... 86

2. 3.Осадки и давления при внецентренном нагружении колеса.... 96 2.4.Сила сопротивления качению внецентренно нагруженного колеса....................................................... 103

2. 5. Проектирование минимально-необходимых размеров несимметрично нагруженного колеса................................. 108

2. 6. Эффективность разработанных методов проектирования параметров колес............................................... 114

3. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ФРЕЗЕРУЮЩИХ УСТРОЙСТВ............ 118

3.1. Задачи проектирования параметров фрезерующих устройств... 118

3. 2. Проектирование геометрических параметров ножа фрезы............135

3.3. Баланс мощности фрезы и фрезерного агрегата............................152

3.4. Аналитическое решение задачи силового и энергетического расчета добывающей фрезы..................................... 159

3.5.Алгоритмическое решение задачи силового и энергетического расчета фрезы........................................... 165

3.5.1. Расчет текущей толщины срезаемой стружки............. 165

3.5.2. Алгоритм определения текущей толщины срезаемой

стружки.................................................... 176

3. 5. 3. Расчет текущих сопротивлений, действующих на нож

фрезы...................................................... 180

3. 5. 4. Алгоритм расчета сопротивлений, действующих на нож

фрезы в процессе срезания стружки.......................... 183

3. 5. 5. Силовой и энергетический расчет фрезы................ 193

3. 5. 6. Результаты компьютерных экспериментов................ 200

3.6.Аналитическое решение задачи о выборе продольной базы фрезера и размещении фрезы относительно опор................. 214

3.7. Алгоритмическое решение задачи о выборе продольной базы фрезера и размещении фрезы относительно опор................. 226

3.8.Минимально-необходимые значения мощности привода и момента инерции фрезы машины для срезки древесной раститель-

ности....................................................... 246

3. 9.Алгоритмическое решение задачи проектирования нагружен-ности рабочего органа и элементов привода машины для срезки древесной растительности .................................... 257

ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ.......................................... 274

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ............................. 279

ПРИЛОЖЕНИЯ................................................... 301

Приложение 1.Алгоритм расчетного уравновешивания гусеничной

машины - пространственная задача............................. 302

Приложение 2.Алгоритм расчетного уравновешивания гусеничной

машины - плоская задача...................................... 304

Приложение 3.Алгоритм решения задачи уравновешивания гусеничной машины методом поэтапной оптимизации.................. 312

Приложение 4.Алгоритм вычисления минимально-необходимого

диаметра колеса.............................................. 316

Приложение 5.Алгоритм вычисления минимально-необходимой ширины колеса................................................... 319

Приложение 6. Алгоритм вычисления минимально-необходимого

диаметра внецентренно нагруженного колеса.................... 322

Приложение 7.Алгоритм проектирования геометрических параметров ножа фрезы.............................................. 327

Приложение 8.Алгоритм расчета текущей толщины стружки........ 332

Приложение 9.Алгоритм определения текущей толщины стружки.... 336 Приложение 10.Алгоритм расчета сопротивлений, действующих на нож фрезы в процессе срезания стружки........................ 339

Приложение И. Алгоритм силового расчета фрезы................ 343

Приложение 12.Алгоритм имитационной модели процесса обработки поверхности торфяной залежи добывающим фрезером........ 350

Приложение 13.Алгоритм динамической имитационной модели машины для срезки древесной растительности..................... 353

- 6 -ВВЕДЕНИЕ

Развитие торфяной промышленности России неразрывно связано с развитием ее технической базы - с совершенствованием существующих и созданием новых торфяных машин.

Совершенствование существующих и создание новых машин -сложный многоэтапный процесс, обязательно включающий в себя этап проектирования. По существу проектирование является процессом создания описания, по которому можно оценить эксплуатационные качества будущей машины,изготовить,эксплуатировать и ремонтировать машину [22,49, 123, 132,215].

Для количественной оценки качеств спроектированной машины используются параметры - числовые величины, характеризующие важнейшие свойства внешней,по отношению к машине, среды - внешние параметры, свойства и режимы работы составных частей машины - внутренние параметры, эффективность выполнения машиной той работы,для которой она предназначена,- выходные параметры [123].

Проектирование параметров - важнейшая задача проектирования. От того,насколько правильно спроектированы параметры,зависит возможность достижения этих параметров,экономическая эффективность машины и технический прогресс той отрасли,для которой спроектирована машина [110].Задача проектирования параметров заключается в определении таких значений внутренних параметров,которые, при заданных значениях внешних параметров, обеспечат требуемые значения выходных параметров.

Проектирование параметров предполагает их оптимизацию.Однако, насколько параметры,определенные в процессе проектирования, окажутся близки к оптимальным зависит от того, насколько использу-зуемые методы проектирования научно обоснованы [123,49,130].

Среди рабочих органов торфяных машин особое место занимают ходовые и фрезерующие устройства.

При современной технологии торфяного производства все добывающие машины мобильны, быстроходны и в течение сезона проходят по нескольку тысяч километров.Торфяная залежь - малопрочное и легко-деформируемое основание.Соответственно,ходовые устройства торфяных машин должны обладать высокой надежностью, а также имеют развитые опорные поверхности и,как следствие, значительные габариты и массы - масса ходового устройства составляет от 15 до 40 % от массы машины [202]. Фрезерующими устройствами торфяных машин ежегодно многократно перерабатываются десятки миллионов тонн торфа, превращаемого в готовую продукцию.

Отсюда следует,что оптимизация параметров ходовых и фрезерующих устройств торфяных машин - минимизация габаритов и,соответственно, массы ходовых устройств, минимизация энергоемкости фрезерования, мощности привода,пульсации сопротивлений на фрезе, вариа-бильности глубины фрезерования у добывающих фрезеров и т.п.,-должна приводить к существенному снижению материалоемкости и энергоемкости торфяного производства, повышению надежности фрезерующих устройств, качества выполнения операции фрезерования и качества готовой продукции.

Трудами нескольких поколений ученых и инженеров созданы нормативно-справочная база и научные основы проектирования торфяных машин - теория и расчет торфяных машин. Большой вклад в развитие теории и расчета торфяных машин внесли И.Г. Блох, А. В. Журавлев,М.В. Мурашов, Ф.А.Опейко, Л.Н.Самсонов, С.Г.Солопов,В.К.Фомин и другие ученые. Изучению свойств торфа и торфяной залежи, являющихся материалом и средой, с которыми взаимодействуют рабочие органы торфяных машин, посвящены работы Л. С. Амаряна, А. Е. Афанасьева, Е.Т.Базина,

Н.И.Гамаюнова,С.С.Корчунова,В.И.Косова, И.Ф.Ларгина, Л.М.Малкова, В.А.Миронова, В.Г.Селеннова и других ученых. В теории и расчете торфяных машин соответствующее место занимают вопросы проектирования параметров ходовых и фрезерующих устройств. При всем том,используемые в настоящее время методы проектирования важнейших параметров ходовых и фрезерующих устройств торфяных машин во многих случаях не имеют надлежащего научного обоснования.Это дает основание полагать,что разработка соответствующих научных основ и методов проектирования позволит существенно улучшить параметры ходовых и фрезерующих устройств торфяных машин.

Изложенные выше обстоятельства и определили цель данной работы - разработка научных основ и методов проектирования параметров ходовых и фрезерующих устройств торфяных машин, обеспечивающих их существенное улучшение.

При разработке методов проектирования автор ориентировался на их реализацию средствами современной компьютерной техники.

Работа выполнена на кафедре "Торфяные машины и оборудование" Тверского государственного технического университета.

Часть исследований по теме диссертации выполнена в соответствии с планом важнейших научно-исследовательских работ программы 0.71.03 ГКНТ СССР на 1986-1988 гг. - автор являлся ответственным исполнителем хоздоговорных НИР по темам N ГР 01860126303 и N ГР 01870038949.

1.УРАВНОВЕШИВАНИЕ ГУСЕНИЧНЫХ МАШИН

1.1.Задачи уравновешивания

Многие торфяные машины в течение сезона проходят расстояния в несколько тысяч километров. Соответственно,к ходовым устройствам торфяных машин предъявляются высокие требования.

В торфяных машинах широко используется гусеничный ход.Использование гусеничного хода позволяет,при сравнительно небольших габаритах последнего,получать большие опорные поверхности и, следовательно, малые давления на грунт.Большие опорные поверхности позволяют гусеничной машине развивать большие тяговые усилия даже на малопрочном грунте.Малые давления и большие тяговые усилия обеспечивают высокую проходимость и маневренность ( поворотливость ) машин на гусеничном ходу.Соответственно, гусеничный ход рекомендуется, в частности,для машин, выполняющих болотно-подготовительные работы,т.е.для машин,работающих на плохо осушенной и,следовательно, малопрочной залежи, имеющих большие усилия на рабочих органах, вынужденных часто преодолевать или обходить препятствия в виде мочажин, кочек,растущих деревьев, пней. Вместе с тем, гусеничный ход широко применяется на машинах, используемых на добыче фрезерного торфа, т. е. на хорошо осушенной и сравнительно прочной залежи. В. этом случае малые давления под гусеничными ходовыми устройствами обеспечивают соблюдение важнейшего технологического требования --сохранность ровной и плотной поверхности полей добычи торфа.

Торфяная залежь - малопрочное и легко деформируемое основание. Поэтому выбор типа и параметров ходовых устройств торфяных машин производится с тщательным учётом деформационных и прочностных свойств торфяной залежи, характеризующих её поведение при нагруз-

- 10 -

ках, создаваемых ходовыми устройствами.

По литературным сведениям [79] первые опыты по исследованию поведения торфяной залежи при нагрузках,создаваемых ходовыми устройствами торфяных машин, были выполнены Сидякиным С.А. в 1934 -35 г.г. В конце 40-х годов подробные исследования поведения торфяной залежи при нагрузках создаваемых ходовыми устройствами были выполнены в ВНИИТП -Пигулевским М. X.,Рождественским В. В., Корчуновым С.С.[79,78,75,147]. В результате этих и более поздних исследований, выполненных Гинцбургом А.Г.[38 ],Корчуновым С.С. [77 ],Мурашовым М.В.[118,117],Кронштофиком С.П. [88],к концу 50-х годов были сформулированы основные положения о поведении торфяной залежи при нагрузках, создаваемых ходовыми устройствами торфяных машин, и предложены математические модели, описывающие это поведение. Эти положения и математические модели сводятся к следующему[202].

Чтобы на залежи не оставалось следа от прохода ходового устройства и тем самым обеспечивалась возможность многократного прохода машины по одному и тому же следу без разрушения залежи--чтобы обеспечивалась проходимость машины, давление под опорной поверхностью ходового устройства не должно превышать допускаемое давление. Допускаемое давление зависит от физико-механических свойств залежи, уменьшается с увеличением площади опорной поверхности устройства и может быть вычислено по эмпирической формуле: п

где Ад и В^ -экспериментальные коэффициенты, зависящие от физико-механических свойств торфяной залежи;

П -периметр опорной поверхности, м ;

5 -площадь опорной поверхности, м .

Для давлений не превышающих рд зависимость между осадкой залежи и давлением на залежь может считаться линейной - поведение торфяной залежи под действием нагрузки описывается моделью Фусса--Винклера [214]. При этом давление р выражается через осадку /7 следующим образом:

р=кЬ. (1.2)

Коэффициент к принято называть коэффициентом упругости залежи. Коэффициент упругости оказывается зависящим от физико-механических свойств залежи,уменьшается с увеличением площади опор-оной поверхности устройства и может быть вычислен по эмпирической формуле: ~

к =- иН/м3, (1.з)

где С -эмпирический коэффициент,зависящий от физико-механических свойств залежи;

5 -площадь опорной поверхности,м .

Физико-механические свойства залежи, а соответственно и коэффициенты Ад , Вф , С .изменяются в широких пределах - зависят от степени осушенности залежи, от того 9 разрыхлена ли она в ходе подготовительных или ремонтных работ или уплотнена в результате многократных проходов уборочных комплексов во время сезона добычи торфа и т. д.

В 60-80-х годах в КПИ и ВНЙИТП были проведены обширные экспериментальные полевые исследования прочностных и деформационных свойств торфяной залежи и взаимодействия гусеничных ходовых устройств с торфяной залежью -Амаряном Л. С. [5,6], Костюком Н.П.[84], Степинским В.Е.[193], Шпынёвым В.М.[223], Селенновым В.Г.[170], Ли-бик В.К.[100],Кочедыковым А.К.[87] и др.Эти исследования подтвердили рациональность положений и математических моделей, использу-

емых при проектировании ходовых устройств торфяных машин,и позволили для различных условий эксплуатации торфяных машин определить дифференцированные значения коэффициентов Ад . В, . С - значения, соответствующие различной степени осушенности и уплотнённости торфяной залежи [80,210,176,192,193].

Представим опорную поверхность в виде плоского прямоугольного жёсткого штампа,а внешнюю нагрузку - в виде сосредоточенной силы Qz .нормальной к поверхности залежи и приложенной в центре симметрии опорной поверхности (рис.1.1,а). Для такого случая представляется совершенно естественным,что осадка залежи в любой точке под штампом имеет одну и ту же величину. Более общим будет случай,когда нагрузка приложена не в центре симметрии опорной поверхности (рис.1.1,б). Для такого случая представляется естественной неодинаковость осадки залежи под штампом и, соответственно, неодинаковость давлений -где больше осадка, там больше и давление (см.формулу (1.2)).Так как опорная поверхность штампа -плоскость, давления принимают максимальные и минимальные значения под концами опорной поверхности.Эти значения давлений полностью определяют закон распределения давлений (эпюру давлений ) под опорной поверхностью и называются краевыми давлениями. Соответственно,и расчёт давлений под опорной поверхностью сводится к расчёту краевых давлений и сравнению краевых давлений с допускаемыми.

Анализ публикаций показывает, что методы расчетов на проходимость гусеничных торфяных [126,128,189,202], мелиоративных [179,178,181, 183,182],строительных [37,52,135,204], транспортных [17,180,59,218,2], сельскохозяйственных [47,36,172,171,139] и горных [185,91,45,3] машин базируются во многом на одних и тех же основных положениях.Однако, повидимому в связи с тем,что к ходовым устройствам торфяных машин предъявляются высокие требования,а

1

у?/////;»»»/»"'

а)

Ох

---< Ъ---

б)

Рис.1.1.Зависимость осадки опорной поверхности

приложени нагрузки

торфяная залежь, по сравнению с минеральными грунтами, является малопрочным основанием, в теории и расчёте торфяных машин некоторые из этих основных положений,методов и задач расчёта представл�