автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.04, диссертация на тему:Обоснование, выбор параметров и создание ряда вибробезопасных грунтоуплотняющих машин повышенной эффективности, предназначенных для работ в стесненных условиях строительства

РГБ ОД

1 з МАЙ 1335

На правах рукописи

НИКИШИН

Николай Иванович

ОБОСНОВАНИЕ, ВЫБОР ПАРАМЕТРОВ И СОЗДАНИЕ РЯДА ВИБРОБЕЗОПАСНЫХ ГРУНТОУПЛОТНЯЮЩИХ МАШИН ПОВЫШЕННОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ, ПРЕДНАЗНАЧЕННЫХ ДЛЯ РАБОТ В СТЕСНЕННЫХ УСЛОВИЯХ СТРОИТЕЛЬСТВА

Специальность 05.05.04 — Дорожные и строительные машины

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва — 1996

Работа выполнена в А .О. «Институт механизированного инструмента» (ВНИИСМИ)

Официальные оппопенты:

доктор технических наук, профессор Борщевский А. А., доктор технических наук, профессор Недорезов И. А., доктор технических наук, профессор Зыков Б. И.

Ведущая организация: АО «ВНИИСтропдормаш».

Защита состоится 11 июня 1996 г. в 15.00 часов на заседании диссертационного Совета Д.053.11.09 в Московском Государственном Строительном Университете. 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, 26, аудитория № 507г. Тел.: 183-44-38

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Университета.

Автореферат разослан « .

Ученый секретарь диссертационного Совета

П. Е. Татолин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Любое строительное производство связано с земляными работами и практически всегда возникает необходимость в уплотнении грунтов. В общем технологическом процессе строительства эта операция является весьма важной н ответственной.

Долговечность дорогостоящих инженерных сооружении — здании, . одежд автомобильных дорог и аэродромов во многом зависит от тщательности уплотнения грунтов, на которых возводятся данные сооружения. Затраченные на уплотнение грунтов средства всегда с избытком окупаются к1-'наоборот, там, где эта операция выполняется недостаточ-' но тщательно, имеют место огромные убытки.

Грунтоуплотняющие машины используются при земляных работах на больших открытых площадях и в стесненных условиях.

В первом случае применяются тяжелые самоходные машины массой более 1000 кг, а во втором — специальные малогабаритные машины массой от 10 до 500 кг, обладающие высокой маневренностью.

Для выполнения земляных работ и стесненных условиях в Российской Федерации требуются десятки тысяч малогабаритных удобных и высокоэффективных грунтоуплотняющих машин, отвечающих современным эргономическим показателям. Требования к качеству п эффективности машин постоянно повышаются и поэтому возникла необходимость существенного повышения удельных энергетических показателей, вибробезопасное™, надежности', удобства эксплуатации и значительного расширения ряда данных машин.

В настоящее время отсутствуют работы, в которых комплексно исследуются динамические характеристики грунтоуплотняющих машин с учетом уплотняемой среды и неравномерности вращения ротора электродвигателя. Мало работ по оптимизации параметров грунтоуплотняющих машин. Дальнейшее совершенствование конструкций этих машин в значительной мере связано с развитием теории и созданием современных методов расчета, имеющих целью установле-

нис структуры, оптимальных параметров, конструктивных и режимных характеристик машин.

ЛтигаМты- •

Основной задачей данной работы ягшяется:

— теоретическое и экспериментальное исследование современных механизмов грунтоуплотняющих машин с целью определенил возможности и части повышения их энергетических показателен, снижения нагрузок, действующих на ударный механизм и обеспечения вибробезопасности;

— исследование и разработка новых более прогрессивных схем грунтоуплотняющих машин;

— разработка комплексных методик расчета грунтоуплотняющих машин с учетом упруговязких свойств грунтового основан™ и динамики электропривода;

— создание и внедрение в серийное производство ряда вибробезопасных грунтоуплотняющих машин и бетоноломо» (базовых машин для трамбовок — насадок) повышенной эффективности.

Работа предусматривает решение комплекса задач, связанных с

исследованиями динамики, кинематики, энергетики и оптимизации

/

параметров различных механизмов грунтоуплотняющих машин виброударного действия и создание на этой основе новых машин, способных эффективно уплотнять грунты в стесненных условиях строительства.

— Сформулировано и обосновано новое перспективное научное направление в развитии виброударных машин с нелинейной связью и смешенным (силовым и кинематическим) возбуждением колебаний рабочего органа, предназначенный для уплотнения грунтов, бетона и других строительных работ.

— Определены рациональные границы использования дебалаисно-го механизма в случаях регулирования энергии рабочего органа и сннжешш уровня вибрации корпуса машины.

— Созданы н исследованы новые виды ударных механизмов мою- и электробетоноломов — пружинно-воздушные ударные механизмы, позволяющие значительно (в два—три раза) снизить усилие отдачи н уровень вибрации корпуса машины.

— Созданы и исследованы новые (дифференциальные) компрессионно—вакуумные ударные механизмы, осуществляющие дифференцированную подачу сжимаемого воздуха в воздушную подушку, обеспечнпа^. тем самым формирование рационального графика усилия отдачи машины.

— Определено оптимальное соотношение параметров пружинных ударных механизмов электромеханических машин, при котором используется энергия отскока бойка для увеличения потенциальной энергии ударного механизма, возможно переключение работы механизма с ударного режима колебаний бойка па безударный (холостой ход).

— Доказана целесообразность сшгжения усилия отдачи машин ударного действия путем уменьшения отношения частоты собственных колебаний бойка к вынужденной частоте колебаний.

— Установлена и реализована возможность существенного повышения удельных энергетических показателей грунтоуплотняю-щпх машин путем снижения отношения масс корпуса и трамбующего башмака. Определены удельные энергетические'показатели "идеализированной" трамбующей машины.

Методы, ишедаупния-

— Исследования виброударных систем с двумя и более степенями свободы проводились методами припасовок с использованием ЭВМ.

— При исследовании пружинных одномассовых виброударных систем использовался -аналитический метод И.Г.Русакова и А.А.Харке-вича (решение дифференциальных уравнений с нелинейными граничными условиями).

— При исследовании грунтоу плотняю щих машин с воздушной и пружишю-поздушной связью ударника использовались ЭВМ и численный метод интегрирования нелинейных дифференциальных уравнении (метод Эйлера), а также метод физического моделирования.

— При наличии эталонных образцов машин использовались принципы теории подобия и размерностей.

— Степень обоснованности и достоверности научных положений и рекомендаций обеспечигалась удовлетворительным совпадением теоретических и экспериментальных данных в пределах 10+15%, достаточным объемом испытаний экспериментальных, макетных и промышленных образцов машин в стендовых и производственных условиях. Количество необходимых опытов при этом определялось методом математической статистики.

— Разработаны комплексные методики расчета различных типов механизмов грунтоуплотняющих машин и бетоноломов, которые могут быть использованы научными и инженерно-техническими работниками научно-исследовательских институтов и заводских конструкторских бюро при создании новых и модернизации существующих механизмов ударного действия.

— Созданы вибробезопасные грунтоуплотняющие машины повышенной эффективности массой 16+160 кг, предназначенных для уплотнения грунтов и бетона в стесненных условиях строительства.

— Созданы электро- и мотобетоноломы, предназначенные для разрушения и уплотнения мерзлого и насыпного грунта, разрушения бетона и других работ в строительстве.

— Созданы стенды и установки для исследования динамики и ресурсных испытаний трамбующих машин и бетоноломов.

— Сформулированы основные направления дальнейшего совершенствования механизмов грунтоуплотняющих машин и бетоноломов.

— Разработан унифицированный с Германией стандарт на "Трамбовки электрические", в котором установлены единые основные

¡параметры машин и технические требования, а также общие правила £цзнемки и методы испытаний трамбовок.

— IIa вибробезопасные конструктивные схемы груитоуплотняго-пщх машин н бетоноломсп получены отечественные авторские свидетельства и иностранные патенты (Англии н ФРГ).

Ргллцтиия результатов раооты.

— На Дауптпилсском заводе "Электроинструмент" внедрены в серийное производство электрические трамбующие машины массой 16+160 кг (ИЭ—4501; ИЭ-4502; ИЭ—450-1; ИЭ-4506), а тагасс электробетополомы с энергией удара 40 Д>;с (ИЭ—4209; ИЭ—4216).

— На Bt-рхне-Турииском машиностроительном заводе внелрен ' в серийное производство мотобетонолом с энергией удара 35 Д.чс —

ИМ—4606.

— На Даугавпнлсгком и Верхне-Туринском заводах внедрены в производство стенды для ресурсных i гегтыташш электро-11 мотобето! юло-мов.

— На Дауглвгшлсском заводе "Электроинструмент" и на Центральном научно-исследовательском полигоне "ВНИИСтройдормаша" внедрены в эксплуатацшо стенды для Изучения динамики электромолот-коп, бетоноломов и трамбовок, снабженные поглотителями энер-гии удара рабочего органа машин.

— Внедрены в производство комплексный методики расчета оптимальных параметров трамбующих машин и бетоноломов.

А чробощм работы-

Основные разделы диссертационной работы доложены:

— На "Межвузовских научных конференциях по электрическим машинам ударного действия" в Институте горного дела Сибирского отделения АН, г. Новосибирск.

— На Всесоюзных научно—техшиесю'х конференциях по проблемам повышения технического уровня механизированного инструмента (ручных машин): г. Москва и г. Даугавпилс.

— На Всесоюзных совещаниях по проблеме "Электрические силовые импульсные системы" в Институте горного дела Сибирского отделения All, г. Новосибирск.

— На расширенном семинаре по теории машин и механизмов в Институте машиноведения имени А.А.Благонравова АН.

— На Всесоюзной научно-технической конференции "Пути сокращения доли ручного труда в дорожном хозяйстве", г. Новгород.

— На научном Совете чехословацкого Научно-исследовательского института землеройных и строительных машин "ВУСЗ" (г. Брно) и техническом Совете болгарскою Института электротехнической промышленности "ИЕП" (г. София), а также в Научно-производственном объединении "Баукема" (г. Лейпциг).

Совместные научно-исследовательские работы институтов ВНИИСМИ (СССР), ВУСЗ (ЧССР), ИЕП (НРБ) и Научно-производственного объединения "Баукема" (ГДР) проводились в рамках научно-технического сотрудничества стран—'членов СЭВ.

Публикации.

— В трудах ВНИИстройдормаша "Исследование и расчет ударных механизмов", лып. XXX.

— В монографиях: "Ручные электрические машины ударного действия", Недра; "Уплотнение грунтов обратных засыпок в стесненных условиях строительства", Стройиздат.

-г В брошюрах и обзорах "Ручные машины ударного действия", "Грунтоуплотняющие машины ударного действия", "Электрические молотки и перфораторы", "Новые отечественные и зарубежные ручные и переносные электромеханические машины ударного действия", "Конструкции ударных мехашвмов ручных машин", изданных ЦНИИТЭстроймашем.

— В трудах Сибирского отделения АН СССР "Исследование технологии открытых горных работ землеройных машин и электромагнитных узлов", издательство "Наука".

— В тезисах докладов Межвузовских и Всесоюзных научно—технических конференции!"!.

— В статьях журналов "Машиностроение", "Строительное и дорожное машиностроение" и "Механизация строительства".

— В авторских заявках, иностранных патентах и других печатных работах.

Структура диссертации

Диссертационная работа состоит из введения; двенадцати глав, выводов, списка использованной литературы и приложения, общим объемом 380 стр. Основной текст изложен на 266 стр. машинописного текста, сэлсняется 83 рисунками и 31 таблицей. Библиография диссертации содержит 175 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение

Обосновывается актуальность темы, определяется цель диссертационной работы и приводится краткая аннотация диссертации.

Глава 1. Классификация грунтоуплотняющих машин ударного действия и критерии эффективности их работы при расчете оптимальных параметров

К настоящему времени в России и других технически-развитых странах разработаны и серийно выпускаются грунтоуплотняющие машины, предназначенные для уплотнения грунтов в стесненных условиях. Как правило, машины эти ударного действия, но имеющие различные схемы привода, ударного механизма и системы управления. Однако, несмотря на большое разнообразие, эти машины можно классифицировать по следующим признакам:

— по назначению (виду работ);

— по характеру работы (циклического .»»ли непрерывного действия);

— по принципу действия (с отрывом трамбующего башмака от 1рунта и без отрыва);

— по виду связи энергоносителя с рабочим органом машины;

— по виду перемещения по уплотняемому грушу (самопередвшк-ные, перемещаемые вручную);

— по виду приводного двигателя (двигатель внутреннего сгорания, электрод ви гатель);

— по виду передаточных механизмов (фрикционные, шестеренчатые);

— по воду рабочих органов (съемные, несъемные, взаимозаменяемые);

— по виду преобразовательного механизма (кривошилио-ша-тунныи, кулачковый, кулисный).

Включение в классификацию всех вышеперечисленных признаков привело бы к громоздкости системы, затруднило зашифрошеу со в определенном порядке и создало бы неудобства при необходимости исследования ее сероятностно-сгатлстшхеисимп методами. .

ВПИИстропдормашсм совместно с Московским автомобплъ-ло—дорожным инстшугом разработаны рекомендации по ишеелфшеа-Ц1Ш систем машин по следующим 5—то признакам:

— по назначению;

— по вид}' применяемой энергии;

— по виду рабочих органов шш принципу воздейсткш на обрабатываемый материал;

— по степени мобильности или виду ходового оборудования;

— по специальному признаку.

Институтом горного дела СО АН СССР совместно с Новосибир-«аш электротехническим институтом разработана классификация машин ударного действия по следующим признакам:

— по виду применяемой энергии;

— río характеру связи энергоносителя с ударником;

— по расположению двигателя;

— по состоянию связи энергоносителя с ударником в течение цикла работы машины.

Этой гласспфикацией охвачен большой круг машин ударного действия с приводом от пневмоэнергин, элеитроэнерпш, энерши ДПС и гидроэнергии. Данная классификация также может быть использована при анализе структуры грунтоуплотнягощих машин ударного действия, однако, учитывая принадлежность последних к отрасли строительного и дорожного машиностроненни, целесообразно принять основные признаю! классификации, разработанные В ИIIИ стр ойдо р м а ше м совместно с МДЦГ1, что мы и сделали.

В качестве критерия эффективности работы грунтоуплотняющих машин хорошо принять их сменную или месячную производительность. Однако, производительность груитоуплотняющих машин в большой степени зависит от гранулометрического состава и влажности грунта, которые являются непостоянными. Кроме того, производительность машин может зависеть от таких факторов, как организация труда, геофафическне условия, время года, квалификация оператора и т.д. Эта факторы пока не поддаются строго теоретической оценке. В то же время выбор критерия оптимальности грунтоушют1шющих машин целесообразно увязать с эффективностью их работы. Для этой цели можно использовать такие показатели как:

— энергия удара трамбующего башмака;

— ударная мощность.

Расчетные и экспериментальные работы, проделанные нами, показали, что при скорости удара трамбующего башмака в пределах 2,5+3,5 м/сек и частоте ударов 400+600 в минуту производительность грунтоуплотняющих машин ударного действия пропорциональна их ударной мощности.

Вышеуказанные величины скорости и частоты ударов трамбующего башмака обеспечивают высокие показатели производительности грунтоуплотняющих машин, однако судить о качестве машины в целом, принимая во гнимшше лишь ударную мощность, не целесообразно. Грунтоуплотняющие машины, предназначенные для работ в стесненных условиях строительства, должны обладать не только

высокой производительностью, но и маневренностью, следовательно, иметь относительно небольшую массу. Поэтому для общей оценки качества исследуемых машин целесообразно ввести дополнительный (удельный) показатель, которым может быть, например, удельная ударная мощность трамбовки. Данный показатель ксксн при сопоетап-ленни машин, имеющих различные схемы работы, но выполняющих однородную технологическую задачу. Чем выше удельная ударная мощность, тем выше критерий эффективности работы машины. Глава 2. Обобщенная расчетная схема, выбор методов чередования

и оптимизации параметров грушпоу/иотняющил: машии Обобщенную расчетную схему грунтоуплотшюиш:; машин можно представить в виде механической модели, указанной на рис. 2.1. На схеме приняты следующие обозначения:

1 — двигатель, приводящий в движение механическую систему;

2 — редуктор;

3 — механизм, преобразующий вращательное движении вала

ротора электродвигателя в возвратно-поступательное движение трамбующего башмака;

4 — упругий элемент. Обозначено также:

масса корпуса и трамбующего башмака, соответственно, тк и т ;

сила, вызывающая перемещение трамбующего башмака, х)~, упругие свойства грунта сгу.х6; вязкие свойства

пластичные свойства грунта ис-ст.х6; движущий момент

координаты центров тяжести трамбующего башмака, ползуна и корпуса машины, х0хП, хк.

За обобщенную координату механизма принимаем (хп - х6) — относительное смещение ползуна и трамбующего башмака, равное величине деформации упругого элемента.. Начальным пошж-энием

/

Рис. 2.1. Обобщенная расчетная схема грунтоуплотняющей машины (обозначения приведены в тексте).

считается такое, ¡при котором башмак расположен на поверхности грунта. Кривошипы в это время находятся в крайнем шишем положении (угол а = 0"). На упругие элементы действует сила тяжести корпуса машины. При принятой нами обобщенной расчетной схеме вынужденные колебания трамбующего башмака создаются силой Рк (1, х), которая является функцией времени и перемещения трамбующего башмака. Движению трамбующего башмака препятствуют силы сухого и вязкого трения, которые в общем виде являются нелинейной функцией перемещения и скорости башмака.

Уравнения движения элементов трамбовки составляются исходя из основного закона механики и имеют вид (2.1)

п т I

«*, ■*/--£ ^(ЗД.*,2) * Е ♦ Г (2.1)

Е-1 у.1

где: т., , .г, х1 — масса, перемещение, скорость и ускорение

1—го элемента системы; ) — сила сопротивления, препятствующая движению;

Му — сила, приводящая к изменению скорости 1-го элемента при взаимодействии с грунтовым основанием.

Согласно принятой нами классификации, грунтоуплотняющне машины в зависимости от системы их управления делятся на само-передт'ижные, навесике 51 передвигаемые вручную. Машины самопе-редмешые как механические системы обладают двумя и выше степенями свободы, а трамбовки навесные и передвигаемые вручную, гак правша,—одной степенью свободы. Поэтому в первом случае работа механизма трамбовки описывается системой, состоящей из двух—трех дифференциальных уравнений, а во втором случае — одним дифференциальным уравнением.

В зависимости от вида связи рабочего органа с преобразовательным-механизмом работа машин описана линейными дифференциальными уравнениями (связь пружинная с постоянным козффн-цпентом-жесггкости) и нелинейными дифференциальными уравнения-

мн (пружинная с переменным коэффициентом жесткости, а также воздушная и пружинно-воздушная).

Характер движения рабочего органа при ударе описан уравнениями классической теории удара или специальными уравнениями, когда требуется учет механических свойств уплотняемого грунта. Привод машины может быть автономным (с ограниченной мощностью) и неавтономным..

В зависимости от вышеперечисленных свойств системы выбирается и метод ее исследования.

Общим методом теоретических исследований грунтоуплотняющих машин является метод математического моделирования. Он прнме-' ним для исследования практически любой ударно-вибрационной системы. В пашем случае этот метод даст возможность провести наглядные комплексные исследования работы механизмов грунтоуплотняющих машин с учетом взаимодействия трамбующего башмака с уплотняемым материалом, а также учесть неравномерность вращения ротора электродвигателя.

Наряду с математическим моделированием при исследовании ударно-вибрационных систем широко используется ряд методов аналитического решения задач. Эти решения применяются, когда допускается некоторое упрощение математического описания ииброу-дарной системы.

К числу таких методов следует отнести метод точечных отображений и метод конечных разностей.

Наибольшее распространение при аналитическом исследовании работы ударно-вибрационных систем с гибкой (пружинной) связью рабочего органа Полунин методы прнпасовок. В основу этих методов положено решение дифференциальных уравнений движения системы в интервале между двумя последующими ударами и "припасопывания" к этим решениям начальных или граничных условий движения системы.

Глава 3. Математическое описание моделей уплотняемого грунта и привода грунтоу плотня ющИх машин

Существует ряд механических моделей, характеризующих взаимодействие трамбующего башмака с грунтом. Самая простая модель из них — модель Вннклера, которая учитывает лишь упругие свойства грунта. Уплотняемый грунт в ней представлен в виде группы не зависящих друг от друга пружин. При симметричном нагружепии силой Р жесткого штампа с площадью основания И предполагаю гея равномерные осадки грунта в пределах нагруженной плошали.

Исследования ряда авторов показали, что модель фунтового основания, учитывающая лишь упругие свойства грунта, не отражает его реальной характеристики.

Реальные грунты обладают в той или иной мере "распределительной способностью", в связи с чем при нафужешш штампа осадка грунта наблюдается не только непосредственно под его подошвой, но н вне пределах нафуженнон площади.

Более совершенной является модель, предложенная ДД.Баркпном и О.Я.Шехтср, учитывающая не только упруго-вязкие, по и пластические свойства грунта.

Имеются и более сложные реологические модели, учитывающие свойства релаксации фунта, включающие пять и более простейших составных элементов, например, модели Денисова и Мурочмы.

Сложные модели пока не получили широкого практического применения при исследовании динамики .вибро-ударных машин.

В данной ¡работе мы -использовали модель грунта упруго-вязко-пластичного, указанную -на ¡рис. 2.Я.

Модель привода грунпюуплотняющей машины ударного действия.

Известно, что вал электродвигателя-испытывает статическую и динамическую нафузки.

Статическая нафузка .обуславливается полезными н вредными сопротивлениями.

Динамическая нагрузка возникает при изменениях кинетической энергии в системе привода. Вращающий момент двигателя равен:

Мд . Мс. М„

Динамический момент:

*Д)ОГ

м„„„ ■ У

"ал

Известно, что в переходных процесса» вращающий момент п скорость вращения лсшгарониого двигателя'происходят не по статической механической характеристике, яо* которой каждому значению момента соответствует одно определенное значение скорости, а по динамичес&1м механическим характеристикам.

Для определения величины вращающего момента и скорости вращения асинхронного электродвигателя трамбовки с учетом электромагнитных пр щессов можно проинтегрировать систему дифференциальных уравнений в ортогональной двухфазной системе координат и, V, вращающейся в пространстве с произвольной скоростью

. иИ| - . »о^к,*,, •

ег д( Э/

Цг, - »(»«¿♦и, • - ^¿Ч'и,

-»0вгЧ'»: * ы0вгК.*», - («* - ь<)фи1

Мд - ^0x7 " *••*»»>

о*, ей 2 да

М.4 мв . ^

я у 0 эг

(3.24)

где фа, и — потокосцепление обмотки статора по осям и и V; Фи! и — потокосцепление обмотки ротора, по осям II и V; ' и Ц,} — фазные напряжения, приведенные к осям II и V;

Р — число пар полюсоп обмотки статора;

о0 — синхронная угловая скорость вращения ротора;

ы — асинхронная угловая скорость вращения ротора;

— произвольная угловая скорость вращения ротора; Мд — электромагнитный момент, развиваемый двигателем; У — передаточное число между вшами двигателя и кривошипа; а,; а,; К,; К,; о - коэффициенты, учитывающие сопротивления

фаз обмотки ротора и статора. Данная система уравнении Пыла использована во ВНИИСМИ при исследовании на электронных моделирующих установках динамики привода электромеханической машины ударного действия ИЭ-4204. При исследовании динамики электромеханической машины ИЭ-4204 замечено, что, если не принимать во внимание динамику привода, то расчетные величины энергии удара бойка и давления в рабочей камере получаются завышенными на 20+25%.

При исследовании работы грунтоуплогпяющпх машин ударного действия мы также использовали прнблшкеннып метод математического описания электромагнитных переходных процессов в двигателе. В этом случае мы.получали динамическую характеристику электродвигателя в виде линеаризованного дифференциального уравнения с переменными с> и Мл (угловая скорость ротора, вращающий момент). При этом специфика электропривода учитывалась соответствующими постоянными времени и коэффициентом крутизны статической (линеаризованной) характеристики. Использование динамических характеристик типовых электроприводов, полученных в виде известных дифференциальных зависимостей ¿> и Мл, существенно упрощает расчет н исследование грунтоуплотняющих машин ударною действия.

Глава 4. Двухмассоаыг модели грунтоуплотняюших машин с линейной связью рабочего органа Наиболее распространенная схема трамбовки ударного действия с линейной связью трамбующего башмака показана на рис. 4.1. Данная схема получила широкое распространение при создании грунтоуплотняюших машин в ФРГ, Англии, США, Чехословакии и других промышленно-развитых странах.

Нижняя головка шатуна шаринрно связана с подвижным цилиндром, п котором размешены два пакета пружин, кинематически связанных со штоком. На нижней части штока закреплен трамбующий бамш;ц<. Пружины имеют предварительное натяжение, обеспечивающее постоянное соприкосновение их концевых витков с головкой штока и днищем подвижного цилиндра по время работы ударного механизма.

При вращении кривошипа связанный с ним цилиндр при помощи шатуна движется возвратно-поступательио. При перемещении цилиндра вверх сжимается нижний пакет пружин, а при перемещении вниз сжатию подвергаются пружины верхнего пакета. Пружины работают с однозначной нагрузкой, но испытывают значительные напряжения ввиду большой величины их предварительного натяжения, равной величине рабочей деформации пружин. Линейная связь трамбующего башмака с преобразовательным ■ механизмом будет только в том случае, когда кониепые витки обоих пакетов пружин не нарушают конкиста с оперными плоскостями ударного механизма Коэффициент суммарной жесткости пакетов пружин:

сом = с, + с„

где С, — коэффициент жесткости пружин верхнего пакета;

С, — коэффициент жесткости пружин нижнего пакета. Комтексное математическое описание работы грунтоуплотняюших машин с линейной связью рабочего органа

В задачу динамического расчета грунтоуплотняюших машин обычно входит определение движения основных частей механизма

Рис. 4.1. Схема электротрамбоъки фирмы "Wacker" (ФРГ).

1 — двигатель, 2 — редуктор, 3 — кривошип 4 -шатун, 5 — подвижной цилиндр, 6 — верхний пакет пружин. 7 — ползун, 8 — нижний пакет пружин, 9 — шток, 10 — башмак, 11 — рукоятка управления 11.

,прн установившемся режиме его работы. На основе решения этой задачи могут.быть определены те хн п ко - экс плуташ (о н п ые показатели ¡(например, скорость удара, размах колебаний корпуса <н трамбующего ¡баш мака, наибольшая деформация пружин п т.д.) и установлена зависимость показателей от конструктивных параме тров машины.

Ири решении задачи приняты следующие условия.

— «Определялся периодический режим работы ударного механизма, когда .период равен ¡времени оборота кривошипа.

— Характеристика связи рабочего органа с приводом машины линейная.

— ¡Реологическая модель грунта упруго-вязко-пластичная.

— Привод автономный, причем скорость вращения ротора и электромагнитный вращающий момент связаны линейной дифференциальной зависимостью.

Комплексное математическое описание работы грунтоуплотня-юшнх машин с линейной связыо рабочего органа отражено системой дифференциальных уравнений (4.1).

При составлении данного математического описания использованы обозначения, указанные с главе 3.

Дополнительно введены следующие обозначения:

Р — угол наклона продольной оси машины;

а — угол поворота вала кривошипа;

Д. — отношение радиуса кривошипа к длине шатуна.

Математическое описание составлено с учетом плияния конечной длины шатуна кривошнпно-шатунного механизма на динамику трамбовки.

Два верхних дифференциальны* уравнения системы (4.1) описывают работу электропривода трамбовки с учетом неравномерности вращения пала ротора. Вторые два дифференциальных уравнения системы описывают .лвижсние машины в интервале между ударами.

дГ уТд 5 ТдМд

02Хб

- - ссиа .-|.5/Л'2а)>. (0^ - (О^Х, - ¿СОЛ'Р

~д(2

д(2

<4г(1 - СО*а . - ы2бХб -

си.у:

б/2

- - сота • ^¡п2а) - • - £со*р

■ ««'■О - «"« • у'»^)'- - -

д2хк 2 ,

012 " ' ■«к'

дЬсв

■ " ч

Э/2

;.г(1 - СОХс? • (о^, и>1хб - ¿'СОД'Р

• -С<«а . -5/«2а)

- 2/»-^ . ь»«*, - ¿'сс«р

52Х

^ • <.\г(1 - С05а . 2^у/и?«)>- ш2.^ , ц2 ^ . б/ 2-

(4.1)

>» 1 О'5 .

где: $.1--

--Г- ' ' *« ' Хк)СГ51/1а.

¿'"•¿г "¡Лк

Третая пара дифференциальных уравнений характеризует движение трамбовки при первой фазе взаимодействия с грунтовым основанием (груш- упруго-вязкий). Вторая фаза взаимодействия машины с пластично-вязким грунтом отражена четвертой парой дифференциальных уравнений, а пятая пара уравнений системы характеризует движение

трамбующего башмака и корпуса трамбовки при третьей фазе взаимодействия с упруго-вязким грунтовым основанием, когда имеет место разгрузка грунта.

Система дифференциальных уравнений (4.1) решена методом прйпасовок.

В результате исследований определены зоны работы грунтоуп-лотняющих машин при установившемся периодическом режиме.

— Экстремальные величины энергии удара трамбующего башмака имеют место при следующих отношениях параметров: — =

оз

= 1,1 + 1,2; —- = 10 и Ук = 2,4 м/сек — энергия удара максимальна.

— Оптимальное сочетание параметров грунтоуплотняющих машин с линейной связью рабочего органа имеет место при — =

" - ь>

= 0,80+0,87; — = 5 и V, = 2 м/сек; при этом удельная ударная %

мощность равна 9 вт/кг.

— Для повышения удельной ударной мощности машин (критерий качества) целесообразно всемерно уменьшать отношение массы корпуса к массе трамбующего башмака.

— Груитоуплотняющие машины с линейной связью рабочего органа имеют тяжелый режим работы пружин ударного механизма и высокий уровень вибрации корйуса.

— Изучено влияние неравиоммерности вращения ротора и маховых масс электропривода на динамику трамбовок. При этом установлено, что увеличение маховых масс электропривода ведет к возрастанию размаха колебании н скорости удара трамбующего башмака, а при увеличении скольжения ротора электродвигателя энергия удара грунтоуплотняющей машины уменьшается. При пренебрежении неравномерностью скорости вращения ротора электродвигателя результаты аналитических расчетов получаются завышенными на 10+15%.

Глава 5. Одномассовые модели механизмов грунтоунлотняющих машин с линейной связью рабочего органа

К одяомассоиым и о;; л о отнести ваьгеные грунтоугшотняющие машины и трамбоики-насадки, у которых корпус жестко связан со стрелой крана пли удерлашается руками оператора. К одпомассовым механическим системам можно отнести ранее описанные нами механизмы грунтоушшшлющих машин, но имеющие только одну степень свободы.

Для работ в стесненных условиях часто используются трам-бовки-насадкн, созданные пи базе отбойных молотков, бетоноломов или перфораторов.

Математическому описанию подлежит работа машины в интервале между ударами и при взаимодействии бойка с хвостовиком рабочего инструмента. При составлении уравнения движения ударного механизма принимаем следующие допущения:

— внешняя сила, действующая на боек, меняется со временем как косинус угла;

— удар бойка происходит мгновенно с коэффициентом отскока менее единицы;

— ограничитель и корпус машины неподвижны;

— характеристика пружин линейная;

— вращение ротора двигателя равномерное;

— сопротивление перемещению бойка пропорционально скорости его движения;

— период колебания бойка равен периоду возбуждающей силы.

При описании приняты следующие дополнительные обозначения: г

х, х, х — перемещение, скорость и ускорение бойка;

т, — масса колеблющегося элемента равная массе бойка плюс часть массы кружпны;

Р0 — а.мшшгудио.2 значение силы, возбуждающей колебания бойка;

б>'б — частота собственных колебаний бойка;

х, — амплитуда собственных колебании бойка;

х2 +х3 — амплитуда вынужденных колебаний бойка;

Т„ ф- фазовые углы;

У|б — скорость бойка перед ударом;

У20 — скорость отскока бойка;

— коэффициент отскока бойка, равный ~~ ;

' Мб

х0 — начальный зазор между бойком и хвостовиком рабочего

инструмента; А<5 — энергия удара бойка; 5пр — максимальная деформация пружины;

еч « — — соотношение частот свободных и вынужденных

и

колебаний бойка. Уравнение движения бойка в интервале между ударами:

тхх ♦ * сх ' И0соз(Ш * ф). (5.1)

Здесь ро = сг. (5.2)

Мы получили линейное дифференциальное уравнение, решение которого ищется в виде:

х • ххе ысо5{ч'^ • ч»). .<р). х^'т. ч>). (5.3)

Здесь первый член правой части уравнения,' имеющий множитель е'ы, представляет затухающие (собственные) колебания бойка, а два других члена — вынужденные колебания бойка, вызываемые периодической внешней силой.

Общее решение уравнения (5.1) является суммой частного решения неоднородного дифференциального уравнения (5.1) и общего решения однородного дифференциального уравнения, которое получается из (5.1), если положить Р0 = 0.

Из частного решения уравнения (5.1) найдены значения составляющих амплитуды вынужденных колебаний бойка: V ро'о V роРо

'^Тр;' . <5-4»

где а0 = с — т,о»2; р0 =//ы.

Чтобы учесть влияние удара на колебания бойка, введем следующие граничные условия:

При / = 0: х = -хд; Уб - Ум = ^ • У16. (5.5)

При * - Т - —: * = ^ -Ув - V,,.

ь>

Эти условия означают, что в начале движения скорость бойка равна скорости его отскока от хвостовика инструмента, а в конце хода (при / — Т) скорость бойка равна ударной скорости. Решая уравнение 5.3 и произведя соответствующие преобразования, получим величину амплитуды колебания бойка, фазовых углэв и ударную скорость бойка о хвостовик инструмента, при сопротивлении движению бойка прямо пропорционально его скорости.

Исследование динамики одномассовых моделей пружинных ударных механизмов показало, что оптимальное сочетание параметров механизмов навесных грунтоуплотняющих машин и трамбовок-насадок имеет место при соотношениях частот свободных и вынужденных колебаний бойка в пределах 0,55+0,60; скорости удара 5+7 м/сек и начальном зазоре между бойком и хвостовиком рабочего инструмента равном 0,5+0,75 величины радиуса кривошипа. Ори этом: используется энергия отскока бойка для увелшетгя поте тральной энергии ударного механизма, возможно персключспгдг механизма с ударного режима на безударный, механизм! п.\:сеи сравнительно небольшие габариты, а усилие реакцию, щг/хняш!,

вызывающее отдачу машины, в два раза меньше, чем при'. — = П.

Разработаны условия, необходимые для обеспечения перехода пружинных ударных механизмов бетоноломов с ударного режима колебаний бойка на безударный, а также определены условия перевода механизма с безударного режима колебаний бойка (холостого хода) на ударный режим.

Исследовано влияние уплотняемого и разрушаемого материала на энергетические показатели пружинных ударных механизмов навесных хрунтоуплотияющих машин и трамбовок-насадок. Определены величины коэффициентой отскока бойка.

Определены рациональные условия передачи энергии удара бойка уплотняемому и разрушаемому материалу.

Глава 6. Грунтоупяотняющие машины с нелинейной пружинной связью рабочего органа

Как отмечалось выше, большое распространение получили грунтоугоютнягощие машины с линейной связью рабочего органа. Они эффективны в эксплуатации, но в то же время обладают рядом существенных недостатков, к числу которых следует отнести тяжелый режим работы пружин ударного механизма, вызывающий их поломку, потерю стабильности работы ударного механизма при нажатии на корпус машины,'значительную вибрацию рукояток управления, превышающую санитарные нормы.

В новых, разработанных нами грунтоуплотняющих машинах пышеуказаные недостатки устранены. Достигнуто это благодаря установке пружин ударного механизма в один ярус с предварительным натяжением-, работающих с однозначной нагрузкой, и применению динамических гасителей гибрации корпуса машины.

Комплексное математическое описание работы грунтоуплотняю-щей машины с нелинейной связью рабочего органа и динамическими гасителями'колебаний корпуса 01ражеи0 системой уравнений 6.1.

St уТд Тд д f --](MÄ-MC)

ç • i - — .

3Í2

Ol g Г (I - cosa . sin2a) • ы26Хк -

Fn

<4*6 - gcosß . —sfg«(*„ -

dbc.

ЭГ2

r - -u«r(l - cosa . i Sin M - o2KXK . -

!<¿2cos(a . (?) - —S(gn(x„ - Xg) m.

gcoiji

m

A,

ííiüi . «|r(l - cosa . - -

dt2 2

■ ы\хб - 2h~ . o]xK - gcoiß . -~-sign(xa - xs) pi "»6

Äc.

. -wîr(l - COSa . А5/Л2а) - .

Ô/Î 2

F

ь>*хб - gcojp - — lu2 COS (а . ф) - —-sign(^„ - Xg)

m,

.Лч

.'u|r(l - COÍ« . hin2a) - <4xg ; «fo -dt2 .

dXf . F,

Ac.

- - • -—sign (x„ - хб)

Ol nig

- co/a . -|5/«Ja) - M^

ff^ ш,

dt2

tí2KXg - gcosp - —lu2cos(a . ф) - —sign(xn - Xg)

д*х( 3

- wgXg - 2h

ífetí . u¡r(l - cosa . jsin2a) - u2^,Xg

dt

p

ofo - gcosß . - A:¿>

Шг.

32X

. -ü>¿r(l - cosa . -|í/«2a) - . u^ -

p

- gCOSß . — /u2COS(a . ф) - — - xe)

mr

m.

(6.1)

o

Приняты следующие дополнительные обозначения: х„ — перемещение ползуна кривошипно—шатунного механизма; (х„ — х6) — относительное смещение ползуна и трамбующего башмака, рапное дополнительной деформации пружин. Р0 — усилие предварительного натяжения пружин. т — суммарная масса дебзлансов;

I — расстояние от оси вала кривошипа до центра тя:г:естг! дебаланса;

ф — смещение дебаланса относительно' кривошипа1. В начальном положении трамбующий башмак расположен на поверхности грунта, кривошипы находятся в тешей мертвой точке.

Верхняя система дифференциальных уравнений описывает работу электропривода трямбог.ки с учетом нерзшгохгернссти вращения ротора.

Следующая система уравнений описыкге* рякахтху электротрамбовки в интервале между ударами.

Третья система дифференциальных уравнений характеризует работу груитоуплотняющей- машины при взаимодействии с упруго-вязким грунтовым основанием.

Четвертая система дифференциальных уравнений описывает работу машины при пластично-вязкой деформации грунта, когда напряжения превышают динамический предел уггругостп грунта. Нткняя система днфференшгальных уравнений1 опггепгеаст Дй? ¡пкпжу машины в период разгрузки грунта. Здесь вторзтчтго1 пзггеш место упруго-вязкая деформация грунта.

Оптимальное сочетание параметров грунтоугитоттжщ'гк >.гашин с нелинейной связью рабочего органа имеет место, корда1 — =

со

= 0,73+0,76; — -- 3, а скорость возбуждения колебаний' рабочего т5

органа Ук = 1,5 м/сек. При этих параметрах механизм трамбующей машины имеет установившийся периодический режим работы, размах колебаний трамбующего башмака удовлетворяет технологи-

ческим требованиям, пиковые значения колебательной скорости находятся в пределах 0,43+0,50 м/сек, а удельная ударная мощность (кру :рий качества машины) равна 12 вт/кг.

Доя сравнения показателей машин с линейной и нелинейной связями рабочего органа нами составлена таблица 6.2, в которой отражены основные сравнительные показатели рассмотренных механизмов. ~

Значения, указанные в таблице 6.2, определялись при следующем соотношении параметров: — = 0,80+0,87; 'Ли - 5; Ук = 1,5 м/сек и

ы т ■ •

р = 0,267. .

Данные параметры относятся к группе оптимальных.

Таблица 6.2.

Параметры машин Един, изм. Конструктивная схема машины

с линейной связью рабочего органа с нелинейной связью рабочего органа

Размах колебаний трам-

бующего башмака м 0,040 0,038

Скорость удара трамбую-

щего башмака м/сек 3,4 3,2

Максимальное ускорение

трамбующего башмака в и

интервале между ударами м/сек2 211 92

Максимальная скорость

перемещения корпуса м/сек 0,45 0,45

Максимальное усилие,

действующее на пружины

ударного механизма И 31 23

Удельная ударная мощ-

ность (критерий сопо-

ставления) Вт/кг 9 12

Смешенное возбуждение колебаний рабочего органа грунтоуплот-

няющих машин

Грунтоуплотшпощие машины, описание которых приведено в главе б, имеют кинематическое и силовое возбуждение колебаний рабочего органа. Кинематическое возбуждение осуществляется посредством крнпошнпно-шатупного преобразовательного механизма, а силовое — дебалансным механизмом. Оба механизма работают одновременно. Период оборота кривошипа равен периоду возмущающей силы дебалансов.

Смешенное возбуждение колебаний рабочего органа п трамбовках может быть использовано для уменьшения уровня вибрации корпуса машин и для регулирования энергии удара трамбующего башмака.

При гашении колебаний корпуса трамбовок дебадансы становятся в положение, при котором центробежная сила их уравновешивается в горизонтальной плоскости и суммируется при действии ее п направлении реакции пружин ударного механизма.

Для изменения энергии удара трамбующего блшмака достаточно смещения дебалансов относительно колена кривошипно-шатунного преобразовательного механизма.

При различных положениях неуравновешенных вращающихся масс (дебелапсои) относительно кривошипа меняется величина суммарного импульса, действующего на рабочий орган машины, что ведет к изменению размаха колебаний и скорости удара трамбующего башмака.

Регулирование энергии удара вводится с целью повышения эффективности 1рунтоуплотняющих машин, а также для предохранения от разрушения коммуникаций, расположенных под уплотняемым грунтом.

Глава 7. Грут^ЩШ'^ющие^щщых/кот^с^тио^а^улщьм

ударным Аю:аци:що,\1 Стремясь повысить,ре;сдас Д1 удедьиые ¡показатели (РУ'ДДЫХ,шииш ударного действия, ряд оуе'дашедвдых доудаых ,и ,цро,из.водсшведних .организаций, а таюке некоторое зарубежные,фирмы |разрабо;пцщ ,н дцедрда,],! ,в .сердйцо.е дроизводс^во .б.одьдюе умело эледпромолодаов, ^етоцоломод, урз^бдвох л дерфорартроо, дснащедцщ ком.цресоцо.!д-,1,1 о —акууЛЦ.1.Ы^д уя$р}шш механизмам*«. £ эдах мадвдцах вмйруо дтужи.ц ^сцользуехся роэдушад деодущка, ^охорзд ждауллруег щ цфедцех здердцо брДку.

Ро^душ.ад доздрдаде » ¡црдщрз-дда р.ззд 'удеад\шт;ь скорость да ¡вдзщзд щж эхом додомок промежуточного элемента, .сдрзщщщедо бое^ ,с дре.обрцзорахедыщм (крнвошип-но-шатунц^м) механизмом. Ор^меуедие двдсо.коскоростных ударных механизмов дадо возможности умецданть габаритные размеры стволовой части маддвд и повысить их удельную ударную мощность.

Динамику грущоуддодоиошей машины с компрессионно-вакуумным ударным механизмом можно описать следующей системой дифференциальных уравнений.

К- ЩИ

Ри- Рг

Н_о н

-1

н - нп.

г0 - солв . -|$/л2а)

вМя

1

ы тТ.

е -

д& ег

* я

Мс)

(7.1)

*

где Мс ■ гР„[ $¡110. . и'п2«

5к . -р _ _^ 1 |. Д>

Верхнее дифференциальное уравнение описывает динамику компрессионно-вакуумного ударного механизма, а два нижних уравнения — работу электропривода.

При математическом описании принято, что трамбовка наносит удары по "жесткому" фунтовому основанию.

Введены следующие дополнительные обозначения: Р0 — атмосферное давление; Рн — избыточное давление воздушной подушки; Рп — площадь сечения поршня; т — показатель политропы;

Н0 и Н — начальное и текущее расстояние между поршнем и ударником (длина воздушной подушки). В таблице 7.1 указаны результаты расчета динамики электротрамбовки ИЭ—4501, снабженной компрессионно-вакуумным ударным механизмом.

Таблица 7.1

Начальная длина создуш-пой подушки Н„ (Мм) Максимальное усилие Р. (Н) Максимальный размах колебаний башмака (мм) Скорость ударл V* (м/сск) Энергия удара А (Д:к) Примечание

30 5780 55 4,45 37,6

40 6490 57 4,84 44,5

50 2750 56 3,92 29

60 1570 55 3,16 19

70 983 50 2,16 8,4 режим не-

стабильный

Техническая характеристику цздшндо:

масса трамбовки, кг - 2i

масса трамбующего башмад, fqr — 5,32

yacjQjq ударов, Гц - >9,2

радиус ^ирошнпа, м — Qfil

Начальная длина воздушной подушки, м - QM

№ШТР ПврШПП, м - 0,056

рщощеще радиуса кривошипа к длине шатущ, I - 0,25 одэф.фщнент отскока трамбующего башмака R^ - 0 В таблице 7.1 приведены максимальные величины размаха колебаний трамбующего башмака, усилия, действующие на трамбующий башмак и корпус машины, а также значения ударной скорости и энергии удара трамбующего башмака при различных начальных длинах воздушной подушки.

Исследования динамики электротрамбовки ИЭ—4501 показали, что сочетание ее параметров, приведенных в технической характеристике машины, обеспечивает наибольшую энергию удара трамбующего башмака, и поэтому выбор начальной длины воздушной подушки Н„ = 40 мм оправдан, но при эюм получены слишком большие усилия, действующие на корпус машины (6490 Н), что неблагоприятно отразилось иа уровне вибрации корпуса трамбовки и рукояток ее управления.

Глава 8. Грунтоуплотняющие машины с пружинно-воздушным и дифференциальным компрессионно-вакуумным ударным механизмом

В целях снижения усилий, действующих на основные звенья ударного и преобразовательного механизмов, и уменьшения тем самым уровня вибрации корпуса электромеханических машин нами разработан новый вид ударных механизмов — пружинно-воздушных. В них связь рабочего органа с приводом машины осуществляется посредством пружин и воздушной подушки, работающих последовательно.

Такая схема позволила существенно уменьшить суммарную жесткость промежуточного элемента, связывающего трамбующий башмак с приводом машины, и снизить тем самым усилие отдачи трамбовки.

Математическое описание работы груптоуплотняющей машины с пружинно-воздушным ударным механизмом описывается уравнением 8.1.

Щ

V н.

•г(1

о1

Зй д(

Р

та

( н п

- 1

Ц HJ

Е.

Н0 • х„ ■ хс • ¡п

лр

СО.Уа

-1-5 . -1м тт/ ТДМ'

Мс)

(8.1)

(1 • -). Л,

(О

г.р.

Денисе описание работы машины отличается от приведенного з прелыдутпгм разделе нгипршем Г? — величины деформации пружины, равной частному от деления избыточного давления воздушной подушки на жесткость пружины.

При составлении математического списания принимали корпус машины неподвижным, а силу трения не учитывали.

Расчеты показали, что установившийся периодический режим работы ударного механизма трамбовки имеет место при начальной длине воздушной подушки Н0 =■ 0,03+0,05 м. При Н0 > 0,05 м режим работы механизма нестабильный.

Высокие показатели ударного механизма трамбовки отмечены при Нд - 0,03 м, когда усилие отдачи не превышало 1290 II, размах колебаний трамбующего башмака был ранен 0,065 м, а ударная скорость его составляла 3,77 м/сек.

В таблице 8.1 приведены результаты исследовании трамбовки с пружинно-воздушным ударным механизмом.

Если сравнивать параметры пружинно-воздушного ударного меШшзма с компрессионно-вакуумным, то при скорости удара 3,77 М/сек имеем: ,

а) усилие, действующее на привод машины с пружинно-воздушным ударным механизмом, примерно в 2 раза меньше, чем у трамбовок с компрессионно-вакуумным ударным механизмом;

б) длина .воздушной подушки у пружинно-воздушного ударного механизма примерно в (,5 раза меньше, чем у компрессионно-вакуумного, а усилие вакуума на 11% больше, чем у трамбовки, имеющей компрессионно-вакуумный ударный меха. . НИЗМ. . / . :

Таблица 8.1

Начальная длина воздушной подушки Нй (мм) Максимальное усилие Р(Н) Максимальный размах колебаний башмака > Бо (мм) Скорость удара У6 (м/сск) Энергия удара А (Дж) ■ Ч Примечание

30 1290 65 3,77 26,9

40 1060 60 3,19 19,0

50 900 58 2,8 14,8

60 740 57 2,14 8,80 режим не-

стабильный

70 590 55 " 1,76 5,90 и

К недостаткам пружинно-воздушного механизма следует отнести некоторое усложнение конструкции. Общим недостатком трамбовок с воздушной и пружинно-воздушной связью преобразовательного механизма и грамбующего башмака является возможность оседания корпуса машины в пронсссе ее эксплуатации (вследствие утечек воздуха из воздушной подушки). Такие машины при значительной ударной мощности целесообразно использовать в виде навесных. Легкие машины с массой до 20 кг могут управляться вручную, но при этом должны быть снабжены приспособлением для переключения машины на холостой ход при значительном отрыве ее от уплотняемой поверхпист и.

1Машины с дифференциальным ударный механизмом В целях повышения удельных энергетических показателей, снижения усилия отдачи и повышения надежности электрических молотков и бетополомов, используемых при уплотнении грунтов, разработана конструктивная схема механизма с дифференциальным ударным механизмом. Отличительная особенность схемы заключается в том, что поршень компрессионно-вакуумного ударного механизма состоит из двух различных но диаметру смежных цилиндров, перемещающихся а двух соответствующих камерах скатня и разрежения воздуха, сообщающихся посредством продольного кольцевого каната и отверстий, выполненных в днпше верхней камеры.

Матемашческое описание динамики дифференциального ком-прессионио-вакуумного ударного механизма представлено уравнением 3.2. •

Здесь обозначено:

г, — радиус кривошипа рабочий (для механизма со ступенчатым стволом);

г — радиус кривошипа расчетный (в бесступенчатом механизме); 6— диаметр нижней камеры ствола; . . О — диаметр верхней камеры ствола. ' Остальные обозначения аналогичны указанным в главе 7.

3\ г. 01

Р„ ■ Рс

-1

Но

ни

Ц • Н0 • - х6

1 - СОЗа

Р

* п

где г..

д2г

хв • 1 - со!1а ' ^''я2") •

..... при хе* Н0. | I -соза < -^5/п'а

где г • г,

Р1

&

а/ уТд4 Тд д §.А(МД-Ме)

«-0 - -) и

при ДГегН0.

(8.2)

Интегрирование системы дифференциальных уравнений (8.2) проведено методом Эйлера с помощью ЭЦВМ "Мир—2".

— Дифференциальный (двухкамерный) ударный механизм представляет возможность существенно уменьшить габаритные размеры и массу кривошипно-шатунного преобразовательного механизма, а также линейные размеры и массу стволовой части машины.

— Дифференцированная подача сжимаемого воздуха в воздушную подушку позволяет формировать рациональный график усилия отдачи и обеспечивать тем самым требуемый уровень вибрации машины.

Глава 9. Обеспечение вибробезопасности грунтоуплотияющих машин

Известно, что основным Источником вибрации ручных машин ударного действия являются усилия, возникающие при деформации пружины или воздушной подушки, расположенной между преобра-

зователышм механизмом н ударником. Усилия, заставляющие перемешаться башмак, одновременно воздействуют и на корпус машины, вызывая его вибрацию.

Многие исследователи и конструкторы, стремясь уменьшить вибрацию ручных машин ударного действия, снижают массу ударника а увеличивают его скорость. Энергия удара при этом може;^ сохраняться, но эффективность машины и ее энергетические по^» затели при очень малой массе ударника могуг быть незначительны.

При рассмотрении величины сиды реакции пружины ударного механизма, приложенной к корпусу машины в зависимости от ударной скорости и соотношения частот свободных и вынужденных колебаний башмака, а также числа ударов трамбующего башмака, можно убедиться в том, что масса башмака решающего влияния на отдачу трамбовок не имеет.

Расчеты показывают, что можно иметь очень тяжелый башмак и . при этом малый размах колебании корпуса машини и можно также получить большую вибрацию машины при малой массе башмака.

В машинах ударного действия ударник воздействует на корпус посредством пружины, воздушной подушки или какого-либо другого упругого элемента, от жесткости которого ¡5 значительной степени и зависит уровень вибрации машин и рукояток ее управления.

Решающее значение па отдачу машины оказывает соотношение частот свободных и вынужденных колебаний башмака, которое, как известно, в основном, гависит от жесткости нрухашы, массы и числа ударов башмака.

При проектировании грунтоуплотняющих мапнш ударного действия целесообразно стремиться максимально увеличить массу ударника и довести до возможного минимума массу корпуса машины. При этом, чем меньше соотношение масс корпуса и трамбующего башмака, тем выше эффективность й удельные показатели машины. В идеальной трунтоуплотанющеи машине в уплотнении грунта должен участвовать не только башмак, но и се корпус, то есть масср

ударника должна быть раина массе машины. Эти положения в какой-то степени "могут относится и к любой другой машине ударного действия.

Для снижения уровня вибрации корпуса грунтоуплотняющих машин ударного действия нами предложены динамические гасители колебаний.

Исследования показали, что если безразмерную величину суммарной центробежной силы дебалансов принять равной 0,6+1, а угол смещения дебалансов относительно кривошипа в пределах 46+65°, то размах колебаний корпуса трамбовки уменьшится в 2,5+3 раза.

Глава 10. Экспериментальные исследования работы грунтоулотня-ющих машин

Основной целью экспериментальных исследований грунтоуплотняющих машин является подтверждение и уточнение расчетных данных, а также определение показателей, которые сложно или невозможно получить расчетным путем (коэффициенты затухания колебаний трамбующего башмака, собственная частота колебании трамбующего башмака на грунтовом основании, коэффициенты отскока бойка, плотность и влажность грунта).

Для получения интересующих нас величин применялись макетные и промышленные образцы трамбовок, специальные стенды, электронная измерительная аппаратура и электромеханические датчики.

При математической обработке результатов измерений и определения необходимого количества опытов использовались "Методические рекомендации для работников отрасли строительного и дорожного машиностроения по обработке и офоршению результатов исследований".

Экспериментальные исследования работы грунтоуплотняющих машин были начаты с изучения взаимодействия рабочего органа трамбовки с упруго-вязким грунтовым основанием.

Определены величины собственной частоты колебаний трамбующего башмака на грунтовом основании, а таюке коэффициенты затухглшя колебаний трамбующего башмака.

Параметры эти являются исходными при теоретическом исследовании динамики грунтоуплотнлюших машин, которые мы вели с помощью электронной вычислительной техники.

При проведении экспериментальных исследований использовались как связные, так и несвязные грунты. Определение и\ гранулометрического состава и физических свойств выполнено а лаборатории кафедры механики грунтов МАДИ.

Изменение скорости иере.меше.пш трамбующего башмака производилось индукционными датчиками конструкции ВНИИСМ. Пршшпн действия датчика основан на законе электромагнитной индукции.

Для записи вертикальных перемещении трамбовки в схему измерительного комплекта подключатся интегрирующий блокАФЬ, который осуществлял соответствующее преобразование показании датчика скорости. Погрешность измерений шшудигонными датчиками составляла ±5^.

Для определения собственной частоты колебании трамбующего башмака .макет трамбовки бил превращен я шгамп-оецпллятор, расположенный на поверхности насыпного грунта.

В резулыпте экспериментальных исследований определены

— Величины частоты' колебаний трамбующего башмака при уплотнен!Ш связных и неспязиых грунтов.

— Величины коэффициента затухания колебаний трамбующего башмака на упруго-вязком грунтовом основании.

— Экспериментально подгвердслены сравнительно высокие удельные энергетические показатели пнитоуллотняющих машин с нелинейной пружинной связью рабочего органа.

— Экспериментально подтверждена эффективность использования динамических гасителей колебаний для снижения уровня вибрации корпуса трамбовок.

— Подтверждена возможность и целесообразность изменения энергетических показателей грунтоуплотняющих машин при смешенном возбуждении колебаний рабочего органа.

— Принятая при исследовании реологическая модель взаимодействия рабочего органа с грунтовым основанием обеспечивает достаточную точность при исследовании и определении расчетных параметров грунтоуплотняющих машин.

— Минимальные величины энергоемкости и материалоемкости имеют трамбовки с нелинейной пружинной связью рабочего органа.

— Определены величины коэффициента полезного действия грунтоуплотняющих машин с пружинным ударным механизмом (0,5—0,53), а также машин с воздушной и пружинно—воздушной связью рабочего органа (0,40—0,45).

— Отмечены высокие удельные энергетические показатели электро- и мотобетоноломов с пружинно-воздушной связью рабочего органа, которые целесообразно использовать в качестве базовых машин для трамбовок-насадок.

— Испытания макетных и экспериментальных образцов грунтоуплотняющих машин в стендовых и производственных условиях показали, что они работоспособны, обладают необходимой ударной мощностью и могут быть успешно использованы при уплотнении связных и несвязных грунтов в стесненных условиях строительства.

Глава 11. Методики расчета оптимальных параметров грунтоуплотняющих машин ударного действия

В задачу динамического расчета грунтоуплотняющих машин входит определение движения основных частей механизма при установившемся периодическом режиме работы. На основе данного решения определяются технико-эксплуташюнные показатели

машин (например, скорости- удара; размах- колебаний корпуса1 I';' трамбующего башмака; масса бойка, наибольшая' дес^Ул'Лййя' пружины и т.д.). Движение основных частей' тйвйК* ойрейЬ^йГиЛя' па основе решения системы1 соотйстстнуюшнх уравнений.

Одно;.:пссовые модели' механизмов трамбовки' Ц'олесбобразно решать аналитическими методами; используя метод' Й! Л Русакова и А.А.Харксвпча (решение линейных дифференциальных равнений с нелинейными граничными условиями): Э'гог метод'дает возможность определить оптимальную г.еличпйу скорости'удара и размаха колебаний бойка, а также другие НСобходп.-Ь'Ь Гехгшко-эксплуга-ционные показатели машины. РасИятИИТ формулы и порядок решения задачи приведены в главе 5.

Расчет динамики двухмассовых ударйо-впбрг.цпенпых систем целесообразно ;--ссти с нспал зопапием электронных вычпелшелышх машин методом припасосок, изложенным а глаез б.

В связи с наличием существенной нелинейной связи рабочего органа о приводом машины, решение системы дифференциальных урапненпй движения механизма представляет значительные трудности, поэтому при инженерных расчетах целесообразно воспользоваться графо—аналитическим методом с использованием графических данных, помещенных в диссертации. Эти графики характеризуют пзменеш-п размаха колебаний н скорости удара трамбующего башмака, а глюке изменение впброскорости корпуса трамбовки в зави-симостп от соо'шошения частот — и других расчетных параметров.

о

Расчет механизма трамбовки следует .'-сстл с определения параметров рабочего органа мпшнны по методике, изложенной в параграфе 11.1 диссертации, исходя из заданной величины ударной мощности или производительности машины.

Расчет компрессионно-вакуумных ударных механизмов при инженерны?: расчетах предлагается вести методом численного

интегрирования дифференциальных уравнений (методом Эйлера), алгоритм решения данной задачи изложен в главе П.

Глава 12. Создание ряда вибробезопасных грунтоунлатшиощих

машин повышенной эффективности Первые промышленные образцы грунтоуплотшнощнх машин, предназначенных для работ в стесненных условиях строительства в нашей стране были созданы нами в "НйИСтрондормаше" и внедрены в серийное производство на даугавпнлсском заводе "Электроинструмент". Они имели электрический привод и компрессионт но-вакуумный у. «арный механизм. Технические характеристики машин приведены в таблице 12.1.

Таблица 12.1.

Параметры машин

С—690

С—958

Масса, кг

Масса трамбующего башмака, кг Частота ударов в минуту Энергия удара, Дж Ударная мощность, Вт Удельная ударная мощность, Вт/кг

22 4,5 550 20 185 8,5

13 2,8 560 11 110 8,5

Электротрамбовки С- 690 и С-958 ищроко использовались строительными организациями при уплотнении грунтов и жестких марок бетона. Одновременно на Верхне-туринском машиностроительном заводе был налажен серийный выпуск разработанных нами мотобето-ноломов С—406 и С—829 с энергией удара бойка 40 Дж, которые наряду с разрушением бетона используются строителями в качестве базовых машин для трамбовок-насадок. Технические хараюристики этих машин приведены в таблице 12.2.

Исследования, проведенные нами в рамках данной темы, показали перспективность машин ударного действия со смешенным возбуждением колебаний рабочего органа, которые могут иметь

Таблица 12.2.

Параметры машин Трамбовка С—829 Бстонолом С-829 Бстонолом С—406

Масса, и' 18 15 25

Масса трамбующего башмака, кг 4,5

Энергия удара, Дж 30 25 35

Частота ударов в минуту 550 1250 1000

Ударная мощность, Вт 240 450 580

Удельная ударная мощность, Вт/кг 13,3 30 24,1

небольшие габаритные размеры, высозсую ударную мощность и широкий диапазон регулирования энергии удара. Такие машины с успехом могут быть использованы не только для уплотнения грунта, но и для разрушения асфальто-бетонных покрытий, мерзлого грунта, забивке груб и лрупг: строительных работ в стрнтельстве.

Технические характеристики грунтоушштняющих машин со смешенным возбуждением колебании рабочего органа, снабженных динамическими гасителями колебании корпуса, приведены а таблице 12.3.

Таблица 12.3.

Параметры трамбовок

ИЭ—4506

И Э—4505

ИЭ—4502

ИЭ—4504

Масса, >сг 14

Масса трамбующего башмака,

кг 2,5

Энергия удара, Дж 15

Частота ударов в минуту 560

Ударная мощность, Вт 125

Удельная ударная мощность,

Вт/кг .__9

27

5,5 33 560 270

. 10."

86

21

100 560 820

ГО,2

160

40 200 560 1650

10,3

Р дедах .суддестееддо.по .сдижеддя уровня вибрации и повышения дадеждо.од вами. разработаны грунтоуплотгопощие машины с пру-•^дддо-роздудщымди дифференциальными ударными механизмами. У деррде — рабоу&по органа с приводом осуществляется посредством доздущдоД додущкд и пружины, работающих последовательно, ,а ^щщцашш дшбедиаст^ вторых заключается п том, что комдрес,сдондо-дад>урда,ьш механизм его состоит из двух связанных между собой роздудавдх камер, работающих последовательно. Дифференциальна? снимаемого воздуха в камеру сжатия позволяет формпоовар№ рдддодзльдый фафик усшшя отдачи и обеспечивать тем самым требуемый уровень рдбращш машины. Всего за время работы над диссертацией нами разработано и внедрено в серийное производство 4 типа электрических грунтоуп-лотняющих машин массой от 15-тн до 160 кг и 4 типа электро-мо-тобетоноломов с энергией удара 30+40 Дж. На рдбробезопасные конструкции фуитоуплошяющих машин и бетсдояомов получены отечестаенные авторские свидетельства и иностранные патенты (Англии, ФРГ)- На трамбсакл элекфдчсские разработаны унифицированные с Германией стандарты, с которых установлены единые основные параметры машин, а также общие правила приемки и методы испытаний трамбовок.

Испытания макетных и экспериментальных образцов грунтоуп-лотняющнх машин в стендовых и пронзводственых условиях показали, что они работоспособны, обладают необходимой ударной мощностью и могут быть успешно использованы при уплотнении связных и несвязных грунтов с стесненных условиях строительства.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Сформулировано н обосновано новое перелеетизное ла-правление в развитии «пбрсударных маипш — мащммы с нелинейной связью и смешенным (силовым и кинематическим) яозбуж-деннем колебаний рабочего органа, предназначенных для уплотнения фунтов, бетона и других работ.

2. Созданы и исследованы новые виды ударных механизмов мото— и электробетоноломов (базовых машин для трамбовок—насадок) — пружинно-воздушные ударные -механизмы, позволяющие и два—три раза снизить усилие отдачи и уровень вибрации корпуса машин и дифференциальные компрессионно-вакуумные ударные механизмы, осуществляющие дифференцированную подачу сжимаемого воздуха в воздушную подушку, обеспечивая тем самым формирование рационального фафнка усилия отдачи машины.

3. Разработаны комплексные методики расчета оптимальных параметров механизмов грунтоуплотняющих машин и бетоноломов, учитывающие статическую и динамическую характеристики электропривода и физические свойства уплотняемого и разрушаемого материала.

4. Доказана целесообразность снижен ил материалоемкости и удельных энергетических показателей фунгоуплотняюших машин путем снижения отношения масс корпуса и трамбующего башмака

s 3), а также путем использования энергии отскока ударника.

о

5. Исследован, создан и внедрен в серийное производство ряд вибробезопасных фунтоуплотняющих машин повышенной эффективности, предназначенных для работы в стесненных условиях строительства.

6. Внедрены в серийное производство фунтоуплотняющие машины со смешенным возбуждением колебаний рабочего органа, которые имеют регулируемую энергию удара трамбующего башмака,

повышенные энсргеппескнс показатели, низкий уровень вибрации корпуса и стабильный режим работы ударного механизма.

7. Внедрены в серийное производство мото- и электробе-тоноломы облегченной конструкции, удельные энергетические показатели которых на 25+30% выше современных машин аналогичного назначения, выпускаемых в России и за границей.

8. Созданы стенды для исследований динамики и кинематики грунтоупдотняюццк машин и бетоноломов, a Tarace для изучения взаимодействия рабочего органа машин с грунтовым основанием. Разработаны и внедрен;.! в производство стенды для испытаний трамбовок и бетоноломов на ресурс.

9. Разработаны унифицированные с Германией стандарты на 'Трамбовки электрические", в которых установлены единые основные параметры машин и технические требования, а также общие правила приемки и методы испытаний трамбовок. Унификация российско-германских стандартов на "Трамбовки электрические" будет способствовать повышению качества машин, а также позволит специализировать выпуск трамбовок определенной весовой категории и наладить iix взаимную поставку.

10. На вибробезопасные конструкции груитоуплогняющих машин и бетоноломов получены отечественные авторские свидетельства и иностранные патенты (Англии и ФРГ).

Подписано в печать 10.04.96 г. Форма* 60x84 I/I6 Печ.офс. И-258 Объем 2 уч-иэд. л. Тираж 100 Заказ

Типография ЫГ0У