автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.04, диссертация на тему:Обоснование параметров скрепера с фрезерным рабочим органом

ВВЕДЕНИЕ

1.СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ

ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Анализ конструкций и исследований скрепера направленных на уменьшение сопротивления резанию и наполнению

1.2 Анализ конструкций и исследований скрепера с роторными устройствами для загрузки ковша

1.3 Задачи исследования

2. НАУЧНАЯ ГИПОТЕЗА

2.1 Разработка конструкции скрепера с фрезерным рабочим органом

2.2 Процесс работы скрепера с фрезерным рабочим органом

2.3 Силы, возникающие при фрезировании грунта и их влияние на работу скреперного агрегата с фрезерным рабочим органом

2.4 Процесс метания грунта 38 Выводы

3. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ СКРЕПЕРА С ФРЕЗЕРНОЙ РАЗРАБОТКОЙ ГРУНТА

3.1 Уравнение баланса мощности скрепера с фрезерным рабочим органом

3.2 Математическая модель скрепера с фрезерным рабочим органом

3.3 Производительность и удельная энергоемкость скрепера с фрезерным рабочим органом

3.4 Методика расчета скрепера с фрезерным рабочим органом 68 Выводы

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

4.1 Описание экспериментальной установки

4.2 Расчет экспериментальной установки

4.3 Процесс проведения эксперимента и его результаты • 91 Выводы

В течение последних 20 - 30-ти лет в скреперостроении были сформированы основные образцы машин. В дальнейшем проводились, в основном, работы по совершенствованию традиционных схем, но не решалась главная проблема обеспечение эффективной и быстрой загрузки ковша без помощи толкача или сложных и энергоемких загружателей.

В эксплуатации скреперов возникло противоречие: с одной стороны рост энерговооруженности, массы скреперов, объема ковша, скоростей транспортирования, с другой невозможность полной реализации этих качеств из-за отсутствия технических возможностей и средств, позволяющих обеспечить надежное заполнение ковша грунтом за минимально короткое время. В настоящее время недостаточной надежностью и ограниченностью типажа изделий изготовителей обусловлена низкая конкурентоспособность предприятий строительно - дорожного машиностроения [1-6]

Актуальность работы. Увеличение объемов строительства требует перемещения значительных масс грунта. Одной из машин, используемых для этой цели, является скрепер, предназначенный для послойной разработки, перемещения и отсыпки грунта слоем заданной толщины. Эти функции присущи скреперу с момента его создания. В 19 веке роль скрепера выполняла колесная лопата, передвигающаяся с помощью конной тяги. При замене конной тяги на трактор сохранились все преимущества и недостатки. Достоинством осталась простота конструкции, к отрицательным факторам относится то, что скреперы не могут работать в мерзлых грунтах и грунтах с каменистыми включениями. Сопротивление движению и резанию составляет не более 304 0 % тягового усилия, необходимого для наполнения ковша. Остальные 60-7 0 % тягового усилия необходимы для проталкивания стружки грунта через толщу имеющегося в ковше грунта, т. е. для наполнения ковша. Следовательно, одним из направлений повышения производительности скрепера следует считать уменьшение сопротивления наполнению ковша, при котором снижается необходимая суммарная сила тяги. Для работы скреперного агрегата его базовая машина должна иметь тяговое усилие, превышающее суммарную силу сопротивлений. Причем тяговое усилие, необходимое при режиме копания, может быть в 10 раз больше, чем тяговое усилие при транспортном режиме. В то же время скорость передвижения скрепера при копании не превышает 2,5 - 3,5 км /ч, а при транспортировке грунта должна быть максимально возможной (8 - 10 км /ч для прицепных и 30-40 км /ч для самоходных скреперов) [7]

Объект исследования. Скреперный агрегат с активным рабочим органом.

Предмет исследования. Процесс взаимодействия с грунтом лопаток Фрезерного рабочего органа (ФРО), включенного в скреперный агрегат.

Цель работы. Повышение производительности скрепера за счет рационального использования мощности двигателя тягача, передаваемой фрезерному рабочему органу.

Задачи исследования. Для достижения поставленной цели необходимо сделать следующее:

1. Провести анализ баланса мощности тягача и выявить, какая часть мощности может быть направлена на функционирование ФРО.

2. Исследовать процесс взаимодействия с грунтом лопаток ФРО, функционирующего одновременно в режиме загрузочного устройства и движителя.

3. Составить баланс мощности скреперного агрегата с учетом тяговой мощности ФРО.

4. Разработать методику расчета для определения рациональных соотношений геометрических размеров ковша скрепера и ФРО.

Общая методика исследований.

Методика теоретических и экспериментальных исследований включает следующие основные этапы:

Синтез математических моделей скрепера, дорожных фрез и метателей грунта.

Теоретические исследования математической модели рабочего процесса взаимодействия с грунтом скрепера, имеющего ФРО.

Экспериментальные исследования с целью подтверждения адекватности теоретических положений.

Научная новизна работы состоит математической модели и получении зависимостей, отображающих взаимодействие включенного в скреперный агрегат.

Достоверность экспериментальных подтверждается;

1. Достаточным количеством экспериментов.

2. Адекватностью математической модели реальным условиям. в создании теоретических с грунтом ФРО, исследований проведенных

3. Применением современных методов математической обработки результатов исследований.

Практическая ценность. Обосновываются и даются рекомендации по выбору рациональных параметров скрепера с ФРО.

Апробация работы. Основные научные положения и результаты теоретических и экспериментальных исследований прошли апробацию на научно - технических конференциях СибАДИ ( г. Омск,1997 - 2000), на заседаниях кафедры ''Дорожные машины" и в публикациях.

Публикации. Основные положения диссертационного исследования отражены в 2 патентах и 4 статьях, включающих 44 страницы.

Структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных результатов и выводов по работе, списка литературы и приложений. Работа содержит 154 страницу, в том числе б таблиц, 28 рисунков, список литературы из 82 названий.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1.В результате анализа конструкций механизмов загрузки выявлено, что на известных режимах землеройно - транспортных машин при разработке грунта недостаточно используются одновременно тяговые и энергетические возможности машины.

2.Разработанная конструкция скрепера с фрезерным рабочим органом использует для набора грунта в ковш минимальную силу тяги, что способствует снижению себестоимости разработки 1 м3 грунта и возможности работы с мерзлыми и сыпучими грунтами.

3.Разработана математическая модель процесса взаимодействия с грунтом ФРО, включенного в скреперный агрегат.

4.Разработаны алгоритм, программа и методика расчета параметров ковша, фрезы , режимов ее работы, с учетом баланса мощности машины и траекторию полета грунта.

5.Проведенный в грунтовом канале СибАДИ эксперимент подтвердил адекватность теоретических положений.

6.Экспериментально определено значение коэффициента динамичности при фрезерной разработке грунта 2-й категории, равного 1.5, который учитывался при составлении математической модели.

7. Направлением дальнейших исследований следует считать проведение полевых испытаний скрепера с фрезерной разработкой грунта.

98

1.Егоров А. И.,Полосин М.Д. ,Смирнов. Повышение конкурентоспособности строительно - дорожной техники // Строительные и дорожные машины.-1997.-№ 5.-е. 3-7.

2. Яновский A.M. Конкурентоспособность товара и производителя продукции в системе рыночной экономики // Машиностроитель.-1996.-№ 9.

3. Полосин М.Д. Модульный принцип развития конкурентоспособной системы машин // Механизация строительства. 1994.-№ 10.

4. Круглова Н.Ю. Система качества продукции:новые подходы.М.:Легпромбытиздат,1991.-176 с.

5. Агеев A.A., Воробьев A.A. Конкурентные преимущества России // Экономика и жизнь. 1993,- № 20.

6. Глазьев С.С. Ключевые аспекты экономической безопасности // Экономика и жизнь. 1996.- № 33.

7. Ронинсон Э. Г. И др. Скрепер.- М: стройиздат, 1979. -95 с.

8. Залко А.И. и др. Самоходный скрепер.-М.:Машиностроение.-1991.

9. A.c. 116485 СССР МКИ Е 02 F 3/24. Способ уменьшения трения и устранения залипания рабочих органов землеройных орудий/ Кузнецов А.Н.

10. A.c. 394507 СССР МКИ Е 02 F 3/24. Ковш экскаватора/ Заднепровский Р.П.

11. A.c. 458638 СССР МКИ Е 02 F 3/24.Рабочий орган бульдозера/ Баловнев В.И.,Зеленин А.Н., Дворковый В.Я., Храма Л.А., Ермилов A.B. и Бакатин Ю.П.

12. A.c. 434153 СССР МКИ Е 02 F 3/24. Отвал для перемещения сыпучих материалов/ Орлов Ю.П., Литвинов И.Г.

13. A.c. СССР МКИ Е 02 F 3/24. Скрепер/ Руднев В.К., Шестяреков Н.К.

14. Алексеева Т.В., Артемьев К.А., Бромберг A.A. и др. Машины для земляных работ.М.¡Машиностроение,1972.

15. Артемьев К.А. Основы теории копания грунта скреперами.-М.:Мазгиз , 1963.

16. Лещинский A.B. Исследование принудительного способа загрузки ковшей скреперов. Канд. дис. Омск, 1973.-14 9 с.

17. Демиденко А.И. Исследование влияния угла наклона боковых стенок ковша на процесс копания грунта скрепером с прямым ножом. Канд. дис. Омск, 1971.

18. Кацин 3.А. Исследование рабочего процесса скрепера с совковым рабочим органом. Канд. дис. Омск, 1973.

19. Белокрылов В.Г. Исследование процесса взаимодействия и ковша скрепера с разрабатываемым грунтом. Канд. дис. Омск, 1975.

20. Белокрылов В.Г., Сухов А.П. Экспериментальные установки для исследования процессов скоростного резания грунта. / СибАДИ,- Омск, 1990.-12 с.-ДСП.ЦНИИТЭстройдормаш.

21. Завьялов A.M. Исследование рабочего процесса бульдозерного скрепера. Канд. дис. Омск, 1980.

22. Завьялов A.M. Основы теории взаимодействия рабочих органов дорожно строительных машин со средой. Спец. 05.05.04.- Дор. И строит, машины: Дис. на соиск. учен, степ. д. т. н. /Науч. консульт. проф. Д.П. Волков; СибАДИ.-Омск. 1999. 252 с: ил.

23. Сивкова О.Н. Исследование основных параметров активного рабочего органа скрепера. Канд. дис. Омск, 1974 .

24. Тарасов В.Н. Динамика систем управления рабочими процессами землеройно транспортных машин. Омск., Западно - Сибирское книжное издательство, 1975.

25. Теремязев Г.И. Исследование динамики рабочего процесса копания грунта скреперами. Канд. дис. Омск, 1975.

26. Княжев Ю. М. Теоретические основы методов управления оптимальными режимами рабочих процессов землеройно-транспортных машин: Автореф. дис. докт. техн. наук. Омск: СибАДИ, 1996. - 42 с.

27. Оптимальное, управление энергетическими процессами землеройно-транспортных машин: учебное пособие / Ю. М. Княжев. Омск: СибАДИ, 1997. - 156 с.

28. Щербаков В. С. Научные основы повышения точности работ, выполняемых землеройно транспортными машинами: Дис. докт. техн. наук. - Омск,СибАДИ, 2000. - 416 с.

29. Амельченко В.Ф. Основные положения динамики систем управления процессом копания бульдозерными агрегатами. Омск., Западно сибирское книжное издательство,1972.

30. Асмолов Г. И. Разработка и исследование систем автоматического управления рабочими органами мощных скреперов с мотоколесами с целью повышения ихпроизводительности: Автореф. Дис. канд. техн. Наук. -Москва,1973.

31. Варковастов Ю.В. Исследование экстремального регулирования процесса копания скреперными агрегатами. Канд. дис. Москва, 1972.

32. Повышение эксплуатационной эффективности скреперов и бульдозеров путем совершенствования систем управления рабочими органами: Отчет Б 397200, СибАДИ., Омск., 1974 .

33. Rockwell H.W. Automatic depth control for earth working machines.,United States Patent office/№3394 47 4.July 30,1968/

34. Патент 2064034 РФ, E 02 F 9/20. Устройство для регулирования загрузки двигателя скрепера / Геращенко В.В.,Яскевич М.Я. Заявлено 09.01.92.

35. Геращенко В.В.,Яскевич М.Я. Основы проектирования элементов и систем управления строительных машин.-Могилев.,1996.

36. Яскевич М.Я., Геращенко В.В. Выбор элементов системы управления загрузкой ковша скрепера // Строительные и дорожные машины. 1994.-№2.-С. 21-23.

37. Дейнего Ю.Б. Испытание прицепных скреперов большой емкости. В. Сб. Исследование дорожных машин. Вып. 7.Машгиз.1953.

38. Ясиненский В.Г. Определение сопротивления наполнению ковшей прицепных скреперов// Строительные и дорожные машины.-1957.-№11.

39. Артемьев К. А. Основы теории копания грунта скреперами. М.Машиностроение, 19 63.

40. Плашков Д.И., Гольдштейн В.М. Расчет скрепера. М., Изд. ВНИИСтройдормаша, 1961.

41. Шемелев A.M. Влияние параметров передней заслонки скрепера на образование призмы волочения. В сб. Исследования и испытания дорожных машин. Труды СибАДИ, вып.53,Омск 1975.

42. Бармаш М.А. Исследование и определение параметров процесса взаимодействия рабочего оборудования ковша скрепера с грунтом.

43. Дейнего Ю. Б.,Валовнев В.И.,Барегнов Н.В.,Бурштейн P.C. Совершенствование режущих элементов и формы ковша скрепера //Строительные и дорожные машины.-1974.-№ 7, с. 5-7 .

44. Баловнев В.И. Дорожно строительные машины с рабочими органами интенсифицирующего действия. -М. : Машиностроение, 1981.

45. A.c. 662660 СССР МКИ Е 02 F 3/24.Ковш скрепера / Деревянчук М.И., Рынков О.Е.,опубликовано 28.02.90.

46. Carston W. Earth moving machine incorporating power off loading system. United States Patent Office. № 3,486,251. Dec. 30,1969.

47. Баловнев В. И. и др. Как загрузить скрепер // Изобретатель и рационализатор.-1974.-№8.

48. Каталог. Машины для городского и коммунального хозяйства.М.197 0.

49. Недорезов И.А., Звягинцев А.Н. Анализ тенденций развития рабочих органов землеройных машин / Труды ВНИИ трансп. строит ва, вып. 7 9, М., 1973.

50. Яркин A.A. Современные конструкции скреперов / ЦНИИЭСтроймаш, М.,1969.

51. Ладыженский Б. И. Тенденция развития землеройной техники // Механизация строительства.-1981.-№б.-С. 6-7.

52. Прикащиков Р. Г. Скреперы. Обзорная информация. Важнейшие изобретения года. М., 1976.

53. Бузин Ю.М. Новый режим работы землеройно транспортных машины / Строительные и дорожные машины.-1999.-№ 12.-с.37-40.

54. Бузин Ю.М. Анализ и оценка тягово энергетических показателей землеройно - транспортных машин // Известия вузов: Строительство.-1997.-№ 7.-е. 102-107.

55. Бузин Ю.М. Особенности работы передаточных механизмов в тяговом приводе землеройно транспортных машин // Известия вузов.:Строительство.-1997.-№ 11 с. 120 - 126.

56. Бузин Ю.М. К вопросу оптимизации работы движителя землеройно транспортной машины // Известия вузов.:Строительство.-1999.-№ 9.-е. 93-99.

57. Патент 2114252 РФ, 6 Е 02 Б 3/64. Ковш скрепера / Демиденко А.И., Снигерев Д.С. Заявлено 06.12.96.

58. Патент 2119995 РФ, 6 Е 02 Б 3/64. Ковш скрепера / Демиденко А.И., Снигерев Д.С. Заявлено 05.0 6.97

59. Яцук А.И. Ротационные почвообрабатывающие машины. -М: Машиностроение, 1971.-256 с.

60. Бандаков В.Ф. Дорожные фрезы. М., Изд. Машиностроение, 1971.

61. Синеоков Г.Н. Проектирование почвообрабатывающих машин. М., Изд. Машиностроение, 1965.

62. Циммерман М.З. Рабочие органы почвообрабатывающих машин. М., Изд. Машиностроение, 1978.

63. Конарев Ф.М. Ротационные почвообрабатывающие машины и орудия. М., Машиностроение, 1983.

64. Ковалеров A.A. Роторные метатели грунта. Обзор., М., ЦНИИИТ Э с тр оймаш, 1969.

65. Дорожные машины. Часть 1- Машины для земляных работ/Т. В. Алексеева, К. А. Артемьев и др.-М: Машиностроение, 1972 г.-303 с.

66. Фесик С. П. Справочник по сопротивлению материалов. Киев, 197 0 г.

67. Княжев Ю. М. Теоретические основы методов управления оптимальными режимами рабочих процессов землеройно-транспортных машин: Автореф. дис. докт. техн. наук. Омск: СибАДИ, 1996. - 42 с.

68. Оптимальное управление энергетическими процессами землеройно-транспортных машин: учебное пособие / Ю. М. Княжев. Омск: СибАДИ, 1997. - 156 с.

69. Справочник по тракторам "Кировец" / Пантюхин М.Г., Безверхний Л.И., Березин H.A. и др. М.: Колос, 1982.271 с.

70. Шувалов Е.А., Добряков Б.А., Пантюхин М.Г. Теория и расчет трактора "Кировец". Л. Машиностроение, 1980. -208 с.

71. Шувалов Е.А. Повышение работоспособности трансмисий тракторов. -Л.:Машиностроение, Ленингр. Отд ние, 1986.-126 с.

72. Клыскин Г.К., Ботвинкин О.Н. Опыт использования тракторов К-700.,М.,"Колос", 1969.

73. Добронравов С.С. Строительные машины и оборудование: Справочник для строит. Спец. Вузов и инж. техн. Работников.-М.: Высш. шк. 1991.-456 с.

74. Кирилов Г.В., Марков П.И., Раннев A.B. и др.; Машины для земляных работ М.: Стройиздат,1994.-2 8 8 с.

75. Васильченко В.А. Гидравлическое оборудование мобильных машин:Справочник М.:Машиностроение,1983.-301 с.

76. Максимов В.П. Измерения, обработка и анализ быстропеременных процессов в машинах / В.П. Максимов, И.В.Егоров, В.А. Карасев.- М. : Машиностроение, 1987.207 с.

77. Налимов В.В. Теория эксперимента.- М. : Наука 1971.260 с.

78. Дорожно строительные машины и комплексы. - Учебник для вузов по спец. "Строительные и дорожные машины и оборудование"/ В. И. Баловнев, А. Б. Ермилов, А.Н. Новиков и др., Под общ. ред. В.И. Баловнева.-М.: Машиностроение,1998. - 288 с.

79. Пенчук В.А., О колебании сопротивлений массива грунта разрушению // Строительные и дорожные машины.-1999.-№ 11. -с.32-33.

80. Баладинский В.А. Динамическое разрушение грунтов. Киев: изд-во КГУ, 1971. 226 с.

81. Федоров Д.И., Бондарович Б. А. Надежность работы землеройных машин. М.: Машиностроение, 1981.-280 с.

82. Лиошенко В.И., Сивкова О.Н. Построение тяговой характеристики колесной землеройно транспортной машины. г.Омск, СибАДИ, 197 7г.107