автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.04, диссертация на тему:Определение рациональных режимов работы цепных траншейных экскаваторов со скребковым рабочим органом

На правах рукописи

Стрельников Александр Николаевич

ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАЦИОНАЛЬНЫХ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ЦЕПНЫХ ТРАНШЕЙНЫХ ЭКСКАВАТОРОВ СО СКРЕБКОВЫМ РАБОЧИМ ОРГАНОМ

05.05.04 - Дорожные, строительные и подъемно-транспортные машины

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Омск- 2003

Работа выполнена в Иркутском Государственном Техническом Университете (ИрГТУ)

Научный руководитель-

Официальные оппоненты:

Ведущая организация-

кандидат технических наук, доцент Зедгенизов Виктор Георгиевич

доктор технических наук, профессор Сыркин Владимир Васильевич

кандидат технических наук Колякин Владимир Иванович

Федеральное государственное унитарное предприятие конструкторское бюро транспортного машиностроения г. Омск

Защита состоится 30 июня в 10-00 на заседании диссертационного совета ВАК РФ Д 212. 250. 02 при СибАДИ по адресу:

664080, г. 0мск-80, проспект Мира, 5, зал заседаний. Телефон для справок: (3812)65-01-45; факс (3812)65-03-23. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СибАДИ.

Автореферат разослан 29 мая 2003 г.

J

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор

Щербаков B.C.

П ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время выполняются огромные объемы строительных работ по сооружению подземных коммуникаций. Сооружение подземных коммуникаций связано, в первую очередь, с отрывкой траншей различного профиля и протяженности. Указанные рабогы выполняются при помощи экскаваторов, при этом траншейные экскаваторы по сравнению с одноковшовыми имеют более высокую производительность и каче-С1В0 отрываемой траншеи. Кроме того, траншейные экскаваторы просты в управлении, легко поддаются автоматизации и менее опасны в природоохранном отношении.

Характерной особенностью траншейных экскаваторов является разветвление силового потока, при котором часть мощности двигателя базовой машины передается рабочему органу, минуя движитель. Наряду с другими факторами указанное разветвление существенным образом влияет на производительность экскаватора. Для траншейных экскаваторов мощность на рабочем органе характеризует величину снижения его тягового сопротивления, а мощность на движителе определяет скорость поступательного перемещения экскаватора. В виду того, что мощность экскаватора ограничена, возникает необходимость ее рационального распределения в зависимости от параметров траншеи, мощности двигателя и тягового класса базовой машины.

Так как траншейные экскаваторы работают в широком диапазоне изменения грунтовых условий, очевидно, что с изменением прочности разрабатываемых грунтов должно изменятся и распределение мощности между приводом рабочего органа и движителя. Таким образом, встает вопрос о создании траншейного экскаватора, способного адаптироваться к изменяющимся грунтовым условиям.

Цель работы: повышение эффективности цепных траншейных экскаваторов за счет адаптации к изменяющимся грунтовым условиям. Для достижения цели в работе поставлены и решены следующие Задачи:

1. Разработать математическую и физическую модели подсистемы «грунт -рабочее оборудование».

2. Разработать математическую модель цепного траншейного экскаватора.

3. Определить влияние значения коэффициента распределения мощности на производительность экскаватора и энергоемкость процесса.

4. Определить оптимальные значения коэффициента распределения мощности в зависимости от ширины траншеи, мощности двигателя и тягового класса базовой машины, прочностных свойств разрабатываемых грунтов.

5. Оценить эффективность использования цепных траншейных экскаваторов с оптимальным коэффициентом распределения мощности.

6. Разработать методику расчета цепных траншейных-экекаваторов., способных адаптироваться к изменяющимся грунтовым '

3 | ° С.Петербург

р9 30<Р акт/^ З

Методы исследований основаны на использовании основных положений системного анализа, математического и физического моделирования рабочего процесса цепного траншейного экскаватора и взаимодействия рабочего органа с грунтовой средой, научных положений теоретической механики, механики грунтов и теории планирования эксперимента.

Методика исследований включает также применение методов имитационного моделирования на ЭВМ и использование вычислительной техники и методов вычислительной математики.

Научные положения, защищаемые автором:

- физическая и математическая модели подсистемы «грунт - рабочее оборудование»;

- математическая модель рабочего процесса цепного траншейного экскаватора;

- влияние величины коэффициента распределения мощности двигателя базовой машины между приводом рабочего оборудования и движителем на производительность экскаватора и энергоемкость процесса;

- зависимость оптимального значения коэффициента распределения мощности от ширины траншеи, мощности двигателя и тягового класса базовой машины, прочностных свойств разрабатываемых грунтов;

- методика расчета цепных траншейных экскаваторов, способных адаптироваться к изменяющимся грунтовым условиям.

Достоверность научных положений обоснована: подтверждается методологической базой исследования, основанной на положениях теории резания грунтов, соблюдении основных принципов физического и математического моделирования, идентификацией промежуточных результатов исследований с исследованиями других авторов. Научная новизна представлена:

- физической и математической моделями подсистемы «грунт - рабочее оборудование»;

- математической моделью рабочего процесса цепного траншейного экскаватора;

- оптимальным значением коэффициента распределения мощности в зависимости от ширины траншеи, мощности двигателя и тягового класса базовой машины, прочностных свойств разрабатываемых грунтов.

Практическая ценность работы заключается в разработанной методике расчета цепных траншейных экскаваторов, способных адаптироваться к изменяющимся грунтовым условиям.

На защиту выносятся следующие основные положения: физическая и математическая модели подсистемы «грунт - рабочее оборудование», математическая модель цепного траншейного экскаватора, влияние коэффициента распределения мощности двигателя базовой машины между приводом рабочего оборудования и движителем на производительность экскаватора и энергоемкость процесса, зависимость оптимального значения коэффициента распределения мощности от ширины траншеи, мощности двигателя и тягово-

го класса базовой машины, прочностных свойств разрабатываемых грунтов, методика расчета цепных траншейных экскаваторов, способных адаптироваться к изменяющимся грунтовым условиям.

Реализация результатов. Основные выводы и рекомендации по работе приняты к внедрению в ЗАО "Труд" при модернизации траншейного экскаватора ЭТЦ-165А. Кроме того, результаты исследований используются в учебном процессе на кафедре СДМ и ГС по курсам "Машины для земляных работ", "Моделирование рабочих процессов ПТ и СДМ", дипломном проектировании.

Апробация работы. Отдельные этапы и основные результаты работы докладывались и получили одобрение на научных семинарах, конференциях ИрГТУ, СибАДИ (1996-2003 г.г.)

Публикации. По результатам исследований опубликовано 6 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения и приложения. Работа содержит 105 страниц машинописного текста, 34 рисунка, список литературы из 62 наименований и приложение на 16 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении представлено обоснование актуальности и цели диссертационного исследования, изложены основные положения, защищаемые автором, научная новизна и практическая ценность работы.

В первой главе рассмотрены существующие модели взаимодействия рабочих органов цепных рабочих органов траншейных экскаваторов с грунтом. Проведен обзор исследований по рациональным режимам работы машин с активным рабочим органом. Практически все исследователи отмечают, что рациональный режим работы землеройных машин с активным рабочим органом зависит от многих факторов и, в первую очередь, от прочности разрабатываемых грунтов. Широкий диапазон изменения грунтовых условий, в которых эксплуатируются землеройные машины, заставляет искать пути к поддержанию рационального режима работы в зависимости от прочностных свойств грунта. Кроме того, в работах указано, что достижение рационального режима возможно только для экскаваторов с бесступенчатым регулированием рабочих скоростей. Требованиям указанных вариантов регулирования наилучшим образом отвечает гидрообъемный привод, который в последние годы находит все большее применение в строительных и дорожных машинах. Изучены существующие конструкции отечественных и зарубежных цепных траншейных экскаваторов.

Во второй главе представлен системный анализ цепного траншейного экскаватора, который представляет собой сложную динамическую систему с разветвленной структурой, многочисленными связями и различного рода ограничениями. Система находится под действием активных сил (сила тяги базовой машины), внешних возмущений (сопротивление грунта копанию) и

управляющих воздействий со стороны оператора и в общем случае указанные воздействия носят случайный характер. На систему наложены внутренние связи и ограничения по конструктивным, технологическим, эксплуатационным и другим требованиям. В соответствии с поставленной задачей исследования входом системы являются: грунтовые условия (прочность, объемная масса и др.) и параметры разрабатываемой траншеи (ширина и максимальная глубина). Выходом служат показатели эффективности работы экскаватора (качество траншеи, производительность, энергоемкость процесса и ДР-)-

На основе системного анализа составлена математическая модель подсистемы "грунт- рабочее оборудование" (рис. 1 и 2)

с ссир

щтшшш

Рис. 1. Расчетная схема взаимодействия скребкового рабочего органа с грунтом

К=—г+1; ю'

ц, = —+ 0,7; п Ю'

Гг 10'

= —г + 0,3 ; т 10'

Я = .7 • соБ(а) - а; р = агсщ

р = Ы0"5 +1500,

V. -сова

¿ =

Я

И = /-сс^а+р); у = агс^(ц/);

I

Р2= И-В-Ь- р• ^• g• (/^ • мпа + сова);

Р3 = Рю ■ я • зш( а + Р) , Рл = g ■ у» В ■ Ь ■ р ■ К ■ 2 ■ е ■

Р = РЙ+Р,+Р,+Р,+Р.

У,

С3)

Рис.2. Математическая модель подсистемы "грунт-рабочее оборудование" где: J - длина рабочего органа, м; а - расстояние от точки крепления рабочего органа до поверхности грунта, м; р - угол наклона траектории движения скребков к горизонту, рад,

V) - скорость цепи, м/с; Уг - скорость подачи, м/с; Н - глубина траншеи, м; В - ширина траншеи, м; I - расстояние между скребками, м; р - плотность грунта, кг/м3; у - угол между поверхностью забоя и направлением силы резания, рад; - коэффициент пропорциональности; цг - коэффициент трения грунта о грунт; Ц) - коэффициент трения рабочего органа о грунт; I, - длина забоя, м; а - угол наклона рабочего органа к вертикали, рад; Ь -толщина стружки, м; К - коэффициент разрыхления; коэффициент сопротивления грунта транспортированию; g - ускорение свободного падения, м\с2; к - коэффициент удельного сопротивления резанию, Па; е - длина транспортирования грунта, м; Р01 - касательная составляющая силы резания, Н; Р02 - нормальная составляющая силы резания, Н; Роз - сила резания, Н; Ро- собственное сопротивление рабочего органа, Н; Р] - проекция силы резания на траекторию движения цепи, Н; Рг - сила сопротивления транспортированию срезанного грунта на дневную поверхность, Н; Р3 - сила трения рабочего органа о забой, Н;

Уравнения (1) отражают физико-механические свойства грунта. Уравнения (2) учитывают изменение геометрических параметров рабочего оборудования от размеров траншеи, толщины срезаемой стружки и траектории движения скребков. Силовое взаимодействие процесса описывается уравнениями (3), которые учитывают основные положения теории резания грунтов проф. Н.Г. Домбровского.

При составлении математической модели были приняты следующие допущения:

- собственное сопротивление рабочего органа не зависит от скорости движения цепи;

- рассматривается установившийся режим работы агрегата.

При заданной ширине отрываемой траншеи входными параметрами модели являются: скорость цепи (У)), скорость подачи (Уг), прочностные свойства грунта (к) и глубина траншеи (Н). Выходом служит усилие копания (Р) и его отдельные составляющие (Рь Р2, Рз, Р4, Ро)-

Для уточнения отдельных коэффициентов математической модели и сравнения результатов исследований разработана физическая модель подсистемы "грунт- рабочее оборудование", в основу которой заложены положения, разработанные В.И. Баловневым.

Цель экспериментальных исследований - определение усилия копания в зависимости от скорости цепи, скорости подачи и глубины отрываемой траншеи. В качестве объекта физического моделирования принято рабочее оборудование экскаватора ЭТЦ-165 с шириной отрываемой траншеи 0,27 м. и 0,4 м.

Необходимое количество повторных опытов устанавливалось статистическим путем, исходя из величины ошибки метода измерения и измерительной аппаратуры, а также требуемой надежности результатов. Грунтовая смесь в канале перед каждым опытом разрыхлялась, планировалась и уплотнялась. Ежедневно контролировалась относительная влажность грунта путем отбора проб в нескольких точках грунтового канала и прокалки их в лаборатор-

ной печи. Прочность грунта определялась по числу ударов ударника Дор-НИИ. Все эксперименты проводились на одинаковом участке длиной два метра, выбранном исходя из условия установившегося режима резания. В процессе эксперимента замерялись следующие параметры: скорость рабочей цепи, скорость подачи и крутящий момент на приводном валу рабочего органа.

На основе предыдущих исследований разработана, математическая модель цепного траншейного экскаватора (рис. 3 и 4).

2 __5

К рабочему "оборудованию

Рис.3. Расчетная схема ЭТЦ 1 - ДВС; 2,3,5 - согласующий редуктор; 4 - ходоуменьшитель; 6 - ведущее колесо

движителя.

Р = arctJ--Vi\COaa | h = l- cos(a + р)

V¡ -sina + Fj

к, = к + -

Р = к,- В h

W = C-(G + P-cosa) + P-sma 5 = А.(- " VW

\G + P- cosa

+ B-

G+P-cosa

А/, Mг J- • ш + i,, если а <<л„, иначе

РГ-

P-r

- a2 • (0 + W-R

Piz

Pi

K+Nz

Л

Л»

ra, =<2i -Л ■

4i

v>t=Qi-ft~

К2=ю,-(1-6)

<¡2-h R

> (7)

h i, N.

J

Рис. 4. Математическая модель цепного траншейного экскаватора

где Р - \гол наклона траектории движения рабочей цепи к горизонту, рад. - скорость движения рабочей цепи, м/с. V; - действительная скорость перемещения агрегата, м/с. а-угол наклона рабочего органа к вертикали, рад, Ь - толщина срезаемой стружки, м. 1 -расстояние между скребками, м, 1ч - коэффициент удельного сопротивления грунта копанию. Па, к и А1 - эмпирические коэффициенты, Р - сила сопротивления грунта копанию. Н, Ь - ширина траншеи, м, - сопротивление перемещению экскаватора. Н, С - коэффициент сопротивления перемещению экскаватора; в - вес экскаватора, Н, 3 - кочффициеш буксования движителя; А, В и п - коэффициенты, зависящие от свойств грунта и параметров движителя, Р1 и рз - давление в напорной магистрали привода рабочего органа и движителя соответственно, Па, г и Я - радиус ведущей звездочки рабочего органа и приводного колеса движителя соответственно, м, Е - энергоемкость процесса, кВт ч/мЗ; I, ¡| и ¡2 -передаточные числа согласующих редукторов, 1 - передаточное число ходоуменьшшеля, 41 и <^2 - рабочий объем гидромотора привода рабочего органа и движителя соответственно. м , М1 и Мг - крутящий момент гидронасосов привода рабочею органа и движителя соо1ветственно, Нм, г^ 1 и г|2-КПД привода рабочего органа и движителя соответственно, о}- и (02 -угловая скорость вала гидромотора привода рабочего органа и движшеля соответственно. рад/с, С}1 и - рабочий объем гидронасоса привода рабочего ор!ана и движителя соответственно, м\ О и £2 - параметр регулирования рабочего объема гидронасоса привода рабочего органа и движителя соответственно; ш - угловая скорость коленчатого вала ДВС, рад/с, N1 и N2- мощность привода рабочего органа и движителя соответственно, Вт, К1 - коэффициент распределения мощности двигателя базовой машины между приводом рабочего органа и движителем

Уравнения (4) составлены на основе результатов исследований З.Е. Гар-бузова и положений теории резания грунтов Н.Г. Домбровского. Они определяют кинематические характеристики рабочего оборудования и силовое взаимодействие с грунтом. Уравнения (5) учитывают взаимодействие колесного движителя с опорной поверхностью, изложенное в работах Н.А. Ульянова. Уравнение (6) характеризует параметры двигателя базовой машины, уравнения (7) описывают процессы, происходящие в объемном гидроприводе рабочего ор1 ана и движителя

При составлении математической модели были приняты следующие допущения

- рассматривается установившийся режим работы экскаватора;

- потери в приводе рабочего органа и движителе учитываются соответствующим КПД.

В третей главе представлены результаты исследований подсистемы "грунт- рабочее оборудование", где показано, что усилие копания и его составляющие при заданной скорости подачи находятся в нелинейной зависимости от скорости цепи (рис. 5), а при заданной скорости цепи пропорционально скорости подачи (рис. 6). Кривые Р (рис. 5-6) показывают аналогичные зависимости, полученные по результатам экспериментов с физической моделью. В исследованном диапазоне изменения параметров максимальное расхождение результатов физического и математического моделирования составило 10% Кроме того, по результатам моделирования получена зависи-

Vi(m/C)

Рис 5 Зависимость усилия копания (Р, F) и его составляющих (Pi, Р2, Pi, P.i. Р<) от скорости цепи V, (V2 = 0,008 м/с, а = 45", В = 0,27)

1578,1695 1812 1927 2044 2160 2275 34 103_ 171 239 307 375 443 5 14 23 32 40 49 58 11 34 ' 56 79 _ 1 01 23 1 4_6

9 _ 25_ 42 58_' 75 92 :^НЭ8_

-Ф-Р0 1520|1520 1520 1520'1520 1520 1520 _ ,1667^1760 1850 1930 2010

У2 . 10'3(м/с)

Рис 6 Зависимость усилия копания (Р, Г) и его составляющих (Р1, Р2, Рт, Р4, Р<) от скорости подачи (V) = 1,5 м/с, а = 45°, В = 0,27)

^ 3.0Е+05

го С

2.0Е+05 1.0Е+05

16

32

48

64

■ К I 6.30Е+05 ' 4.47Е+05 3.85Е+05 3.54Е+05

к1, 5.75Е+05 1 4.87Е+05 | 4.58Е+05 4.43Е-Ю5

'—з^— к2! 3.84Е+05 . 2.97Е-Ю5 , 2.49Е+05 2.25Е-Ю5 И. 104(м)

Рис 7 Зависимость удельного сопротивления копанию (к) 01 толщины срезаемой стружки (И) к - экспериментальная кривая, к], кг - верхняя и нижняя границы по В К Рудневу

'0,03 0,06'0,08 0,1 '0,12 '0,14 0,17 0,19 0,21

-\/2_ 0,1 0,18 0,22 0,24 0,25_0,25 0,26 0,26 0,26 ■_1 0/19 0,23 0.26 0,26

-Л-2 0.17 0,22 0,25 0 24

-Х-3 1,24 0,18 0,24 0,21____,_,

'—Ж—4 | 0,1 • 0,18 {0.14 ■• _|_____

|-9—Е ;0,15.0,11 0,09 0,08'о,08'о,08'0,07 0,07 0,07

К1

Рис 8 Зависимость производительности экскаватора и энергоемкости процесса от коэффициента распределения мощности = 57 кВт, Т - 14 кН, В ~ 0,4 м)

мость удельного сопротивления копанию от толщины срезаемой стружки на фунтах II категории (рис. 7). Приведенная зависимость, в основном, попадает в область значений удельного сопротивления копанию, полученных В.К. Рудневым при экспериментальных исследованиях на натурных образцах цепных траншейных экскаваторов. Указанное обстоятельство позволяет в дальнейшем для грунтов I и III категорий использовать значения удельного сопротивления копанию, полученные другими авторами.

При анализе результатов исследований цепного траншейного экскаватора выявлено что.

- параметр регулирования fi на производительность экскаватора непосредственного влияния не оказывает, однако с его помощью поддерживаются параметры рабочего процесса в рамках наложенных ограничений;

- параметр регулирования f2 определяет поступательную скорость перемещения экскаватора и его производительность. Максимальная производительность достигается при работе двигателя в режиме максимальной мощности, о чем свидетельствует номинальное значение угловой скорости коленчатого вала;

- сочетание параметров регулирования f, и f2 однозначно определяется коэффициентом распределения мощности двигателя базовой машины между приводом рабочего органа и движителем.

Указанный параметр выбран в качестве показателя, определяющего режим работы экскаватора.

На рис. 8 представлена зависимость производительности и энергоемкости рабочего процесса экскаватора на базе трактора МТЗ-80 с шириной рабочего органа 0,4 м на грунтах II категории. Кривые 1-4 показывают изменение скорости поступательного перемещения экскаватора от коэффициента распределения мощности при различных значениях параметров регулирования fi и f2. Кривая V2, огибающая точки максимума скорости перемещения экскаватора при различных значениях параметров регулирования fi и f2, ограничивает область возможной производительности экскаватора при максимальном использовании двигателя по мощности Кривая энергоемкости процесса Е также является функцией коэффициента распределения мощности и при условии максимального использования двигателя по мощности носит экспоненциальный характер. Наибольший интерес представляет правая область, с границей раздела К|= 0,1, где существует множество значений коэффициента распределения мощности, при которых и производительность экскаватора близка к максимальной и энергоемкость процесса Е минимальна.

Для определения оптимального из них необходимо исследовать зависимость основных параметров рабочего процесса от коэффициента распределения мощности с учетом ограничений, накладываемых на процесс по конструктивным, технологическим и др требованиям В качестве ограничений выбраны, максимальные значения толщины срезаемой стружки, зависящей

от выносной способности скребкового рабочего органа - 0,1 м, усилия копания, определяемого прочностными характеристиками рабочего оборудования и настройкой предохранительного устройства - 20 кН, тягового сопротивления рабочего органа, ограниченного тяговым классом базовой машины -14 кН и скорости рабочей цепи, соответствующей технической характеристики машины - 2,5 м/с.

Для этого проведен анализ основных параметров процесса копания на грунтах II категории экскаватора на базе трактора МТЗ-80 с шириной рабочего органа 0,4 и 0,27 м от значения коэффициента распределения мощности. Анализ зависимостей показывает, что при работе с оптимальным коэффициентом распределения мощности производительность экскаватора и энергоемкость процесса не зависят от ширины отрываемой траншеи. Вместе с тем, при изменении последней происходит перераспределение мощности двигателя базовой машины между приводом рабочего органа и движителем. Так, у экскаватора с рабочим органом 0,27 м за счет увеличения толщины срезаемой стружки усилие копания, тяговое сопротивление, давление в обоих приводах и коэффициент буксования остаются прежними. Однако, за счет изменения рабочих скоростей, мощность, потребляемая движителем, возрастает, мощность же на привод рабочего органа снижается. Указанное обстоятельство приводит к увеличению оптимального коэффициента распределения мощности с 0,14 до 0,23.

Для определения оптимального значения коэффициента распределения мощности выполнен анализ оптимальных параметров рабочего процесса экскаватора от прочностных свойств разрабатываемых грунтов.

Анализ результатов проведенных исследований показывает, что для каждой категории грунта существует рациональный режим работы экскаватора, который определяется оптимальным коэффициентом распределения мощности двигателя базовой машины между приводом рабочего органа и движителем, значение которого зависят от ширины траншеи, тягового класса базовой машины и прочностных свойств разрабатываемых грунтов. На рис. 9 представлена зависимость оптимального коэффициента распределения мощности от ширины отрываемой траншеи, мощности двигателя и тягового класса базовой машины, прочностных свойств разрабатываемых грунтов.

В четвертой главе рассмотрена оценка эффективности ЭТЦ, способных адаптироваться к изменяющимся грунтовым условиям.

Эффективность использования экскаваторов с оптимальным коэффициентом распределения мощности проводилась в сравнении с базовым вариантом, в качестве которого принят серийный экскаватор ЭТЦ-165А.

Анализ показывает, что у экскаватора ЭТЦ-165А во всем диапазоне изменения грунтовых условий наблюдается явное несоответствие параметров рабочего оборудования и мощности базовой машины. Из-за ограничений по выносной способности рабочего органа и скорости цепи невозможно достичь

категория грунта

Рис 9 Зависимость оптимального коэффициента распределения мощности (к]) от ширины траншеи (В = 0,4; 0,27 м), мощности двигателя (К = 57; 40; 29 кВт), прочностных свойств разрабатываемых грунтов

Рис. 10. Эффективность адаптации траншейного экскаватора на базе трактора МТЗ-80 (1 - базовый трактор, 2-е увеличенными резцами; 3-е увеличенными резцами и скоростью цепи V])

полной загрузки двигателя базовой машины. В связи с этим отсутствует возможность даже частичной адаптации экскаватора к изменяющимся грунтовым условиям.

Выносная способность рабочего оборудования может быть увеличена за счет увеличения высоты резцов и скребков, что позволяет увеличить толщи-4 ну срезаемой стружки до 0,097 м дает возможность на грунтах II категории увеличить поступательную скорость перемещения экскаватора до 0,226 м/с (рис. 10, кривая '2). Наблюдается частичная адаптация экскаватора к изменяющимся грунтовым условиям. Дальнейшее увеличение толщины срезаемой стружки ограничивает максимальное тяговое сопротивление рабочего f' органа.

Дополнительное увеличение скорости цепи приводит к уменьшению толщины срезаемой стружки, усилия копания и, соответственно, тягового сопро-j тивления рабочего органа. Поэтому появляется возможность дополнительно-

го увеличения скорости поступательного перемещения экскаватора, максимальное значение которой ограничивается мощностью двигателя базовой машины (рис. 10, кривая 3). Наблюдается полная адаптация экскаватора к изменяющимся грунтовым условиям

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Разработанная математическая модель цепного траншейного экскаватора дает возможность исследовать основные параметры рабочего процесса и определить рациональные режимы работы в зависимости от ширины траншеи, мощности двигателя и тягового класса базовой машины, прочностных свойств разрабатываемых грунтов.

2. Установлено, что для каждой категории грунта существует рациональный режим работы экскаватора, который определяется оптимальным коэффициентом распределения мощности двигателя базовой машины между приводом рабочего органа и движителем, значение которого лежат в пределах:

для экскаваторов с рабочим органом шириной 0,4 м тяговый класс 9 кН - 0,053.. .0,136 тяговый класс 14 кН - 0,081 ...0,208 для экскаваторов с рабочим органом шириной 0,27 м ^ тяговый класс 9 кН-0,076...0,221

тяговый класс 14 кН-0,128...0,328

3. Увеличение выносной способности рабочего органа за счет высоты резцов У и скребков по сравнению с базовым вариантом дает возможность повысить

производительность экскаватора на грунтах I и II категории - в 4,3 раза, а на грунтах III категории - в 2,5 раза. Дальнейшее повышение производительности ограничивается тяговым сопротивлением рабочего органа. Совместное увеличение выносной способности и скорости рабочей цепи приводит к повышению производительности экскаватора на грунтах I категории - в 9 раз, II категории - в 4,8 раза, III категории - в 2,9 раза. Дальнейшее повышение

производительности ограничивается мощностью двигателя базовой машины.

4. Разработанная методика расчета позволяет на основании требований технологии строительства определить основные параметры цепных траншейных экскаваторов, способных адаптироваться к изменяющимся грунтовым условиям,

5. Годовой экономический эффект от использования экскаватора на базе трактора МТЗ-80, способного адаптироваться к изменяющимся грунтовым условиям, составляет 620 тыс. руб.

Исходя из вышеизложенного, дальнейшие исследования целесообразно направить на разработку автоматической системы управления рациональным режимом работы и создание цепного траншейного экскаватора, способного адаптироваться к изменяющимся грунтовым условиям.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

1. Системная модель цепного траншейного экскаватора /В.Г. Зедгенизов, А.Н. Стрельников// Повышение эффективности транспортных систем: Сб. науч. тр./ИрГТУ, Иркутск, 1999, с.47-49.

2. Математическая модель цепного траншейного экскаватора /В.Г. Зедгенизов, А.Н. Стрельников// Повышение эффективности транспортных систем: Сб. науч. тр./ ИрГТУ, Иркутск, 1999, с.52-55.

3. Рациональные режимы работы землеройной машины с активным рабочим органом /А.Н. Стрельников// Повышение эффективности транспортных систем: Сб. науч. тр./ ИрГТУ, Иркутск, 1999, с.59-61.

4. Математическая модель взаимодействия скребкового рабочего органа цепного траншейного экскаватора с грунтом /В.Г. Зедгенизов, С.А. Гусев, А.Н. Стрельников// Вестник/ ИрГТУ, №11,2001, с. 25-27.

5. О режимах нагружения цепного траншейного экскаватора / В.Г. Зедгенизов, А.Н. Стрельников, Д.А. Мамаев// Интеллектуальные и материальные ресурсы Сибири: Сб. науч. тр./ ч. 1., ИГЭА, Иркутск, 2002, с.246-251.

6. Моделирование взаимодействия скребкового рабочего органа цепного траншейного экскаватора с грунтом / И.А. Недорезов, В.Г. Зедгенизов, А.Н. Стрельни ков, С.А. Гусев/ Строительные и дорожные машины, 2002, №12, с. 24-26.

Подписано к печати19.05.2003 Формат 60x90 1/16. Бумага писчая. Оперативный способ печати. Усл. п. л. 1.21. Уч.-изд. 1.16. Тираж 100. Заказ * 136

ПО УМУ СибАДИ. Омск, пр. Мира,5

№113 8 4

ВВЕДЕНИЕ

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Существующие модели взаимодействия рабочих органов цепных траншейных экскаваторов с грунтом

1.2 Обзор исследований по рациональным режимам работы машин с активным рабочим органом

1.3 Промышленное освоение цепных траншейных экскаваторов со скребковым рабочим органом

Выводы по главе. Цель и задачи исследований

2. МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА ЦЕПНОГО ТРАНШЕЙНОГО ЭКСКАВАТОРА

2.1 Системный анализ

2.2 Математическая модель подсистемы «грунт - рабочее оборудование»

2.3 Физическая модель подсистемы «грунт - рабочее оборудование»

2.4 Описание лабораторной установки и методика проведения эксперимента

2.5 Математическая модель цепного траншейного экскаватора 40 Выводы по главе

3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАЦИОНАЛЬНЫХ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ЦЕПНЫХ ТРАНШЕЙНЫХ ЭКСКАВАТОРОВ

3.1 Результаты исследований подсистемы «грунт - рабочее оборудование» ■ '

3.2 Результаты исследований цепного траншейного экскаватора

3.2.1 Зависимость основных параметров рабочего процесса от управляющих воздействий оператора

3.2.2 Влияние коэффициента распределения мощности на производительность экскаватора и энергоемкость процесса

3.2.3 Определение оптимальных параметров рабочего процесса в зависимости от мощности двигателя, тягового класса базовой машины и прочностных свойств разрабатываемых грунтов

Выводы по главе

4. ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ЦЕПНЫХ ТРАНШЕЙНЫХ ЭКСКАВАТОРОВ, СПОСОБНЫХ АДАПТИРОВАТЬСЯ К ИЗМЕНЯЮЩИМСЯ ГРУНТОВЫМ УСЛОВИЯМ

4.1 Технико-экономическая эффективность использования экскаваторов с оптимальным коэффициентом распределения мощности

4.2 Методика расчета цепных траншейных экскаваторов, способных адаптироваться к изменяющимся грунтовым условиям

В нашей стране ежегодно выполняются огромные объемы строительных работ по сооружению подземных коммуникаций. В области мелиорации это строительство каналов и устройство дренажных систем, в энергетическом строительстве - сооружение магистральных газо- и нефтепроводов, промышленном и гражданском - прокладка кабельных линий связи, электроснабжения, водопровода и др. коммуникаций.

Сооружение подземных коммуникаций связано, в первую очередь, с отрывкой траншей различного профиля и протяженности. В настоящее время указанные работы ведутся при помощи траншейных экскаваторов, которые по сравнению с одноковшовыми имеют более высокую производительность и качество отрываемой траншеи. Кроме того, траншейные экскаваторы просты в управлении, легко поддаются автоматизации и менее опасны в природоохранном отношении.

Характерной особенностью траншейных экскаваторов является \ разветвление силового потока, при котором часть мощности двигателя базовой машины передается рабочему органу, минуя движитель. Наряду с другими факторами указанное разветвление существенным образом влияет на производительность экскаватора. Для траншейных экскаваторов мощность на рабочем органе характеризует величину снижения его тягового сопротивления, а мощность на движителе определяет скорость поступательного перемещения экскаватора. В виду того, что мощность экскаватора ограничена, возникает необходимость ее рационального распределения в зависимости от параметров траншеи, мощности двигателя и тягового класса базовой машины.

Кроме того, траншейные экскаваторы работают в широком диапазоне изменения грунтовых условий. Очевидно, что с изменением прочности разрабатываемых грунтов должно изменятся и распределение мощности между приводом рабочего органа и движителя. Таким образом, встает вопрос о создании траншейного экскаватора, способного адаптироваться к изменяющимся грунтовым условиям.

Выполненные ранее в этой области исследования не позволяют приступить к разработке методики расчета траншейных экскаваторов с учетом меняющегося грунтового фона. Поэтому предлагаемую тему диссертационной работы следует считать актуальной.

Для отрывки узких траншей в грунтах IIII категории применяются цепные траншейные экскаваторы со скребковым рабочим органом, который по сравнению с фрезерно-роторным имеет меньшую массу и габариты. Это позволяет использовать цепные траншейные экскаваторы в стесненных условиях, а также на участках небольшой протяженности, где требуются частые перебазировки машины.

В настоящей работе изложены результаты исследований цепных траншейных экскаваторов со скребковым рабочим органом, способных адаптироваться к изменяющимся грунтовым условиям. Определены рациональные режимы работы в зависимости от ширины отрываемой траншеи, мощности двигателя и тягового класса базовой машины, прочностных свойств разрабатываемых грунтов.

В работе широко используются современные методы научных исследований, включающие системный анализ, физическое и математическое моделирование, статистическую обработку результатов эксперимента.

Научная новизна представлена:

- физической и математической моделями подсистемы «грунт - рабочее оборудование»;

- математической моделью цепного траншейного экскаватора;

- оптимальным значением коэффициента распределения мощности в зависимости от ширины траншеи, мощности двигателя и тягового класса базовой машины, прочностных свойств разрабатываемых грунтов.

Практическая ценность работы заключается в разработанной методике расчета цепных траншейных экскаваторов, способных адаптироваться к изменяющимся грунтовым условиям.

Методы исследований основаны на использовании основных положений системного анализа, математического и физического моделирования рабочего процесса цепного траншейного экскаватора и взаимодействия рабочего органа с грунтовой средой, научных положений теоретической механики, механики грунтов и теории планирования эксперимента.

Методика исследований включает также применение методов имитационного моделирования на ЭВМ и использование вычислительной техники и методов вычислительной математики.

Достоверность научных положений подтверждается методологической базой исследования, основанной на положениях теории резания грунтов, соблюдении основных принципов физического и математического моделирования, идентификацией промежуточных результатов исследований с исследованиями других авторов.

На защиту выносятся следующие основные положения:

- физическая и математическая модели подсистемы «грунт - рабочее оборудование»;

- математическая модель цепного траншейного экскаватора;

- влияние величины коэффициента распределения мощности двигателя базовой машины между приводом рабочего оборудования и движителем на производительность экскаватора и энергоемкость процесса;

- зависимость оптимального значения коэффициента распределения мощности от ширины траншеи, мощности двигателя и тягового класса базовой машины, прочностных свойств разрабатываемых грунтов;

- методика расчета цепных траншейных экскаваторов, способных адаптироваться к изменяющимся грунтовым условиям.

Работа выполнена на кафедре «Строительно-дорожные машины и гидравлические системы» Иркутского государственного технического университета под руководством канд. техн. наук, доц. В.Г. Зедгенизова.

Автор выражает глубокую признательность сотрудникам кафедры и аспирантам за оказанную помощь в работе над диссертацией.

5. ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ И НАПРАВЛЕНИЯ ДАЛЬНЕЙШИХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Результаты выполненных исследований позволили сделать ряд выводов и практических рекомендаций, направленных на повышение эффективности цепных траншейных экскаваторов со скребковым рабочим органом.

1. При изучении рабочего процесса цепных траншейных экскаваторов необходимо использовать современные методы научных исследований, включающие системный анализ, моделирование, статистическую обработку результатов эксперимента.

2. Разработанная математическая модель цепного траншейного экскаватора дает возможность исследовать основные параметры рабочего процесса и определить рациональные режимы работы в зависимости от ширины траншеи, мощности двигателя и тягового класса базовой машины, прочностных свойств разрабатываемых грунтов.

3. Установлено, что для каждой категории грунта существует рациональный режим работы экскаватора, который определяется оптимальным коэффициентом распределения мощности двигателя базовой машины между приводом рабочего органа и движителем, значения которого лежат в пределах: для экскаваторов с рабочим органом шириной 0,4 м тяговый класс 9 кН - 0,053.0,136 тяговый класс 14 кН - 0,081 .0,208 для экскаваторов с рабочим органом шириной 0,27м тяговый класс 9 кН - 0,076. 0,221 тяговый класс 14 кН - 0,128.0,328

4. Увеличение выносной способности рабочего органа за счет увеличения высоты резцов и скребков по сравнению с базовым вариантом дает возможность повысить производительность экскаватора на грунтах I и II категории - в 4,3 раза, а на грунтах III категории - в 2,5 раза. Дальнейшее повышение производительности ограничивается тяговым сопротивлением рабочего органа. Совместное увеличение выносной способности и скорости рабочей цепи приводит к повышению производительности экскаватора на грунтах I категории - в 9 раз, II категории - в 4,8 раза, III категории - в 2,9 раза. Дальнейшее повышение производительности ограничивается мощностью двигателя базовой машины.

5. Разработанная методика расчета позволяет на основании требований технологии строительства определить основные параметры цепных траншейных экскаваторов, способных адаптироваться к изменяющимся грунтовым условиям,

6. Годовой экономический эффект от использования экскаватора на базе трактора МТЗ-80, способного адаптироваться к изменяющимся грунтовым условиям, составляет 620 тыс. руб.

Исходя из вышеизложенного, дальнейшие исследования целесообразно направить на разработку автоматической системы управления рациональным режимом работы и создание цепного траншейного экскаватора, способного адаптироваться к изменяющимся грунтовым условиям.

1. Абезгауз В.Д. Режущие органы машин фрезерного типа для разработки горных пород и грунтов.-М.: Машиностроение, 1965, 278 с.

2. Баладинский В.Л Динамическое разрушение грунтов рабочими органами землеройных машин. Дисс. д-ра техн.наук, - Киев: 1980, 680 с.

3. Баловнев В.И. Физическое моделирование резания грунтов. М.: Машиностроение, 1969. - 159 с.

4. Баловнев В. И. Моделирование процессов взаимодействия со средой рабочих органов дорожно-строительных машин. М.: Машиностроение, 1994. -432с.

5. Вартанов С.Х. Траншейный кабелеукладчик КТЦ-301. -Строительные и дорожные машины, 1994, №10. с. 10-12

6. Вартанов С.Х. Перспективные направления развития технологии производства землеройных работ и конструкций траншейных экскаваторов. -Строительные и дорожные машины, 1991, №9. с. 2-5.

7. Васильченко В.А., Беркович Ф.М. Гидравлический привод строительных и дорожных машин. М.: Стройиздат, 1978. - 166 с.

8. Ветров Ю.А. Исследование по резанию вскрышных пород. -М.: Углетехиздат,1949. 112 с.

9. Ветров Ю.А. Расчет сил резания и копания грунтов. -Киев: Киевский университет, 1965. 168 с.1 б. Ветров Ю.А. Резание грунтов землеройными малинами.

10. Машиностроение, 1971. -360 с.17 . Ветров Ю.А., Баладинский В.Л. Разрушение прочных грунтов. Киев: Будевильник, 1972. - 152 с.

11. Волков Д.П., Николаев С.Н., Марченко И.А. Надежность роторных траншейных экскаваторов. -М.: Машиностроение, 1972. -207 с.

12. Волков Д.П., Крикун В.Д. Машины для земляных работ. -М.: Машиностроение, 1992. -447 с.

13. Гальперин М.И., Домбровский Н.Г. Строительные машины. М.: Машиностроение, 1966. 372 с.

14. Гарбузов З.Е. и др. Землеройные машины непрерывного действия. М.-Л.: Машиностроение, 1965. -275 с.

15. Домбровский Н.Г. Сопротивление грунта копанию при работе одноковшового экскаватора. В кн.: Резание грунтов. 1951, с. 42-75 .

16. Домбровский Н.Г. Многоковшовые экскаваторы. М.: Машиностроение, 1972. -432 с.2 9. Дымшиц Г.А. Повышение производительности роторных экскаваторов с постоянной скоростью резания и не выдвижной стрелой. -Горные машины и автоматика, 1963, № 11, с. 28-33.

17. Жегульский В.П. Исследование и оптимизация статико-динамического рыхлителя послойного действия- Дисс. . канд.техн. наук. -Омск, 1980.-216 с.

18. Зеленин А.Н., Баловнев В.И., Керров И.П. Машины для земляных работ. М.: Машиностроение, 1975. -424 с.

19. Зеленин А.Н., Карасев Г.Н., Красильников Л.В. Лабораторный практикум по резанию грунтов. М.: Высшая школа, 1969. 310 с.

20. Инструкция по определению экономической эффективности создания новых машин, противопожарного оборудования и лифтов. М: ЦНИИТЭстроймаш, 1973. -279 с.

21. Каверзин С.В. Курсовое и дипломное проектирование по гидроприводу самоходных машин. Красноярск:, производственно-издательский комбинат "Офсет", 1997. -382 с.

22. Ковригин В.А. Изменение производительности универсального роторного экскаватора в зависимости от изменения сопротивления грунтов копанию. Труды/МИСИ, №59, 1968, с. 32-39.

23. Малиновский Е.Ю., Гайцгори М.М. Динамика самоходных машин с шарнирной рамой. Колебания и устойчивость. М.: Машиностроение. 1974. -176 с.3 9 . Мирзоян Г.С., Мануйлов В.Ю. Объемный гидропривод строительных и дорожных машин. М.: МАДИ, 1980, - 80 с.

24. Недорезов И.А. Исследование косого резания грунтов. В кн.: Машины для земляных работ. Труды / ЦНИИС, вып. 77, ." Транспорт, 1969, с.28-35.

25. Недорезов И.А. Эффективность косого резания грунта. -Строительные и дорожные машины, 1969, №3, с.14-15.

26. Недорезов И.А. Повышение производственного потенциала землеройных машин на основе создания новых рабочих органов. Дисс. д-ра техн. наук. - М.: 1972. - 570 с.

27. Недорезов И.А., Дианов Ф.А. Статистические оценки сопротивлений резанию и копанию грунтов землеройными машинам. -Строительные и дорожные машины. 1979, № 9, с. 20-22 .

28. Позин Ж.З. Основы выбора и поддержания оптимальных режимов работы исполнительных органов угледобывающих машин. В кн.: Разрушение горных пород механическими способами. - М.: Наука, 1966, с. 207-223

29. Прокофьев В.Н. Динамика гидропривода. М.: Машиностроение, 1972.-231 с.4 б . Расчет и проектирование строительных и дорожных машин на ЭВМ / Под ред. Малиновского Е.Ю. М.:Машиностроение,1980. -216 с.

30. Родин И.И., Соколов JI.K. Основы проектирования экскаваторов непрерывного действия. -Красноярск, 1987. -226 с.

31. Сергеев А.И. К вопросу об автоматизации рытья траншей под закрытый дренаж. В кн.: Строительные и дорожные машины. ЦНИИинформстройдоркоммунмаш, 1965, с. 19-27.

32. СН 207-68. Инструкция по проведению планово-предупредительного ремонта строительных машин. М: Госстрой СССР, 1968. -72 с.

33. Соколов Л.К., Герцог Е.В. Траншейное оборудование и режущий инструмент для разработки мерзлых грунтов. -Строительные и дорожные машины, 1995, №12. с. 7-9.

34. Тарасов В Н. Динамика систем управления рабочими процессами землеройно-транспортных машин. Омск: Западно-Сибирское книжное издательство, 1975. -182 с.

35. Тархов А.И., Карелин Е.Ф., Федоров А.И. О повышении производительности траншейных экскаваторов. -Строительные и дорожные машины, 1982, №2, с.7-8.

36. Тархов А.И., Калашников В.М. О недоиспользовании мощности двигателя траншейного экскаватора. В кн.: Повышение эффективности использования машин в строительстве. Л.: 1984, 38-44.

37. Тархов А.И. Научные основы рационального конструирования приводов траншейных экскаваторов. Дисс.д-ра техн. наук. -М.: МИСИ, 1984.

38. Тархов А.И., Ащеулов А.В., Гриф Г.В. Математическая модель механической системы многоковшового экскаватора. В кн.: Динамика строительных и дорожных машин. Ярославль, 1991, с.5-12.

39. Троицкий С.Н. Оптимизация процесса экскавации роторных траншеекопателей как средство повышения их производительности. Дисс. канд. техн. наук. - М., 1976. - 143 с.

40. Ульянов Н.А. Теория самоходных колесных землройно-транспортных машин. -М.: Машиностроение, 1969. -520 с.

41. Файнзильбер Е.М. Совершенствование методов расчета траншейных экскаваторов как замкнутых динамических систем. Дисс.канд. техн. наук. -М.: МИСИ, 1987.

42. Файнзильбер М.Л., Тархов А.И., Румянцев В.А. Оптимальные рабочие режимы траншейных экскаваторов. Строительные и дорожные машины, 1975, №6. с. 32-33.

43. Федоров Д.П. Рабочие органы землеройных машин. -М.: Машиностроение, 1977. 288 с.

44. Холодов A.M., Руднев В.К. Проектирование машин для земляных работ. -Вища школа, 1986. -270 с.

45. Шпектров И.Н., Троицкий С.Н., Резвяков А.Н. Исследование роторного траншейного экскаватора, разрабатываемого грунт способом попутного копания. Реф. сб. ВНИИТЭГазпром, 1973, вып. 10, с. 42 - 45.