автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.04, диссертация на тему:Повышение эффективности работы экскаваторов на основе установления предельных размеров износа зубьев ковша

РГ6 од

1 Я ЛПР 1993

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕЕПШИКИ КАЗАХСТАН КАЗАХСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АРШЕтРЮ-СТРОИТЕйЬНАЯ АКАДЕМИЯ

На правах рукописи ШЬПШДШОВ МУРАТ САПАРБЕКОБИЧ -

ЗДК 621.879.06

ШВЫШННИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ ЭКСКАВАТОРОВ НА ОСНОВЕ УСТАНОВЛЕНИЯ ПРЕДЕЛЬНЫХ РАЗМЕРОВ ИЗНОСА ЗУБЬЕЗ КОВША

Специальность — 05.05.04 "Дорожные и строительные машины"

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

АЛМА-АТА 1993

Работа выполнена в Казахской государственной архитектурно-строительной академии.

Научный руководитель - доктор технических наук,профессор

Р.А.Кабашев.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,профессор

К.Ж.Тургумбаев,

кандидат технических наук,доцент Е.Т.Алтынбеков. Ведущее предприятие — ГО Казсервмашиспытание Минтрансстроя

Республики Казахстан Защита диссертации состоится 2- 1993 г.

в /^часов на заседании специализированного совета К 058.05»-02 в Казахской государственной архитектурно-строительной академии (КазГАСА) по адресу: 480123, г.Алма-Ата,ул.Обручева,28,ауд. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке КвзГАСА.

Автореферат разослан "_11_1993 г.

Отзывы просьба представлять в двух экземплярах с подписью, заверенной печатью.

Телефоны для справок - 200363, 200472.

Ученый секретарь специализированного совета . К 058.05.02,

кандидат технических наук,

доцент Ы.Г.Хадеев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Значительное увеличение обьемов земляных работ требует качественного улучшения землеройной техники и повышения эффективности её использования.

Одним из ваянейшх факторов,влияющих на эффективность использования землеройных машин (ЗМ), является состояние ревущих

элементов (РЭУ их тзабочих органов (РО). Опыт эксплуатации ЗМ по— / *

казывает, что РЗ, непосредственно контактирующие с абразивной средой, подвергаются.интенсивному абразивному износу, что приводит к повышению энергетических и материальных затрат, изменению их оптимальных геометрических форм и размеров, установленных многолетними теоретическими и экспериментальными исследованиями.

Данные О.А.Вгтроаа, Д.П.Волкова, А.Н.Зеленина,Р.А.Кабашава и др. подтверждают важность и значение состояния геометрической формы РЭ для эффективного использования ЗУ..Так, допускаемый на практике их износ вызывает увеличение силы резания на 60..200£, энергоемкости щгацэсса резания в 1.4...3 раза, себестоимости разработки экскаваторами на 20...30^ при снижении производительности соответственно на 20..»40%. Это обусловливает узеличение напряженного состояния всей машины и снижает её эксплуатацио;*-нуп надежность. Однако, з реальных условиях эксплуатационники на обращают должного внимания своевременной замэнэ или ремонт«? РЭ, так как не установлены единые критерии степени изношенности, не предложен удобный в условиях эксплуатации метод замера величины износа. Этим определяется актуальность данной диссертационной работы»

Цель работы — повышение эффективности экскаваторов на о о— новв установления предельных размеров износа зубьев ковпз, поз— золящих снизить дополнительные сила рвзания от износа,сэбэстоа-

мость разработки грунтов и повысить производительность ЗМ за счет своевременной замены.

Основные задачи исследования. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

— изучить состояние эксплуатации РЭЗМ;

— установить критерий предельного состояния зубьев ковиа экскаватора;

— разработать методику установления предельных размеров износа зубьев ковша экскаватора;

— разработать программу, методику и провести экспериментальны а исследования по определении влияния износа зубьев на составляющие силы резания;

— определить расчетную фор»«у стабилизированного профиля зуба ковша экскаватора, соответствующего предельному износу по энергетическому критерию.

Обьект исследования. Рабочее оборудование (овратная лопата) одноковшового гидравлического экскаватора 30—3122Б с зубьями разной степени изношенности.

Научная новизна состоит в следующем:

— обоснован энергетический критерий предельного состояния зубьев ковша экскаватора по износу;

— разработана методика определения предельного размера износа зубьев ковша экскаватора;

— экспериментально сопоставлены характер и показатели процесса разработки грунтов з»бьями разной степени изношенности;

— получены зависитсти составляющих сил резания от износа зубьев, толщины снимаемого слоя грунта, угла резания;

— подучен расчетный профиль изношенного зуба ковша.

Практическая ценность работы заключается в установлениям

предельных размеров износа зубьев ковша экскаватора ЭО—3122Б, соблюдение которых в условиях реальной эксплуатации обеспечивает эффективное использование ЗМ.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечивается необходимым объемом экспериментальных исследований в производственных условиях, применением статистических методов при обработке экспериментальных данных, удовлетворительной сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований.

Пути реализации работы. Разработанная методика определения предельного размера износа зубьев экскаваторов и установленные предельные размеры износа могут быть использованы службами ремонтных предприятий, КБ и заводами изготовителями при выбраковке изношенных зубьев и их конструировании.

Научные положения, защищаемые автором:

— энергетический критерий предельного состояния зубьев ковша одноковшового гидравлического экскаватора по износу;

— теоретические положения^показывающие, что отношение нормальной составлявшей силы резания к касательной не сохраняется постоянным по мере увеличения степени износа;

— статистические зависимости составляющих силы сопротивле» кия резанию (математические ожидания и дисперсии уравнений регрессий) от величины износа зубьев, толщины снимаемого слоя, угла резания.

Апробация тботы. Основные положения диссертационной работы доложены и получили одобрение на Республиканской научно-технической конференции молодых ученых и специалистов "Архитектура и строительство — поиск и решения молодых",г.Алма-Ата,1989 г., региональной научно-технической конференции "Проблема механизации в региональном строительстве",г.Бишкек,1991 г., респубд;;—

б

канской научно-технической конференции в г, Воронеже, Россия, 1992 г,, на научно-технической конференции ДДИ, г.Алма-Ата,1991~ 92 г., на заседании кафедры "Строительные, дорожные машины и оборудование" ААДИ, г.Алма-Ата,1992 г,, межкафедральном объединенном семинаре "Дорожно-строительные малины" при Казахской государственной архитектурно-строительной академии, г.Алма-Ата,1991-93 г.

Публикации. Ш результатам исследований опубликовано 5 печатных работ.

Обьем работы. Диссертационная работа состоит из введения, глав, заключения и выводов, изложенных на страницах, из таблиц, рисунков, списка литературы из наименований, приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, определена цель исследования, приведена общая характеристика работы.

В ПЕРВОЙ ГЛАВЕ диссертации рассмотрен грунтовый фон эксплуатации землеройной техники и механизм абразивного изнашивания РЭЗМ. Выполнен анализ и обобщены труды ученых по вопросам работоспособ-. ности и надежности деталей машин в условиях абразивного износа, влияния износа РЭ на силовые параметры процесса резания грунтов и технико-экономические параметры ЗМ. Выполнен анализ методов рао-чета сил резания грунтов РОЗЫ с учетом износа РЭ. Проанализированы существующие критерии и методики определения предельных размеров износа РЭ землеройных,.гачвообрабатыващих и горных машин. В основе оценки предельных и допустимых при ремонте, по мнению большинства исследователей, лежат три критерия: технический, технолсь-гический и экономический. Известные методики основаны в основном на использовании экономического и технологического критерия, и не

принимают во вниманиз энергетические потери в связи с образовавшем площадки износа или затупления, что является существенным недостатком этих работ.

На основании проведенного анализа сформулирована основные задачи исследования и пути их решения.

ВТОРАЯ ГЛАВА посвящена обоснованию критерия предельного состояния по износу. Даны ограничения задачи исследования, необходимые для её решения: РЭ представляли собой плоские клинья, грунт принимался как изотропная среда, характеризуемая сцеплением, углом внутреннего и внешнего трения; площадка износа или затупление не влияет на сопротивления по бокам ножа.

Сила сопротивления грунта резанию преобладает з составе суммарного рабочего сопротивления ЗМ, особенно в условиях их расчетного рабочего режима, поэтому в первую очередь анализировался про» цесс резания грунтов.

Сущность влияния поверхности износа или затупления заключается з необходимости расходовать энергию не только на отделение стружки, но и на деформирование грунтового массива под ножей толщиной» равной проекции поверхности износа S » предложенной цроф. Зелекжнм А»Н. и КзбазеэЕМ P.A., на плоскость норзаальнув у. направлению резания. Эти затраты энергии бесполезна , та** как не приводят к росту обьекз грунта, етделшззгоея от массива.

к

J TTTv?

»

S

h

?кв.1. Схекз сил д;!*гг?уюс?1х на изнов:«клай зуб

Для ЗМ имеет большое значение учет всех составляющих сил, действующих на РЭ, в частности касательной Р и нормальной ДО сил (рис.1). Все авторы основное внимание уделяли изучению нэ-сательной составляющей сопротивления грунта резанию." В то же время характер изменения нормальной составляющей сопротивления грунта резанию имеет чрезвычайно большое значение для устойчивой работы ковша." Особенно важно изучение нормальной составляющей для рабочего оборудования обратной лопаты.

В расчетах величина суммарной нормальной составляющей силы резания определяется как часть суммарного касательного усилия Р , при этом не принимается во внимание, что отношение Л^Р не сохраняется постоянным. 1Ь мере увеличения степени износа РЭ происходит значительное увеличение сил отпора грунта и во всем интервале практической толщины среза суммарная нормальная составляющая оказывается направленной от забоя и становится столь большой, что силы тяжести рабочего, оборудования не достает для её уравновешивания, с:ановится возможным отделять весьма тонкую стружку грунта. Таким образом, с точки зрения энергоемкости процесса резания целесообразно использовать РЭ до износа, соответствующего равенству суммарной нормальной и касательной составля- ■ ющей силы резания. Такое положение нами предлагается понимать как предельное и значения величины износа - выбраковочшми (предельными), так как на трение, а также на смятие и разрушение .. грунта будет затрачиваться большая часть всей работы. Вместе с тем, на рабочем оборудовании будут возникать дополнительные большие нагрузки от усилий от: эра грунта.

Сила сопротивления резанию зависит от степени износа РЭ, толщины снимаемого слоя грунта, угла резания и может быть определена, используя математические модели Н.Г.Домбровского,А.Н.Зеленина, Ю.А.Ветрова, В.И.Баловнева или Д.И.Федорова.

Для нахождения составляющих сил резания нами использована модель проф. В.И.Баловнева, основанная на положениях теории предельного равновесия сыпучей среды В.В.Соколовского.

Из условия предельного состояния выведена формула для расчета предельного размера износа РЗ,

5 = C-é*4a Rv)/2a , ш

где: у

ы 'tyfJ' (2)

где: - коэффициенты, зависящие ет угла резания, угла внешнего и угла внутреннего трения; К — толщина снимаемого слоя грунта; ¡f - объемный вес грунта; ¿ — ширина зубьев, учвствущях в резания; 1/ь" — угол знеинего трения грунта;

<j

0 — угол внутреннего трения;

С(р — угол резания;

С(лл — угод наклона площадки накоса.

Для случая пологих граней (весьма кадет углов'резания) при

г и &Л/ 7

А, - 5i-n.fi■СО/2Ыр (&)

п> " — -.'

*

Для случая цроаю^уточтах граней, соответствующих величинам угла резания 7 24, при сСр У Уд ДУСЗьК ~^ ^

Для площадок износа с отрицательными углами наклона

Таким образом, выражения (I) —(7) позволяет последовательно рассчитать выбраковочные размеры износа РЭЗМ с учетом их геометрических параметров и физико-механических свойств грунтов.

Выполнен расчет составляющих сопротивления силы резания для наиболее распространенных типов грунтов юга Казахстана в функции от приведенного размера износа £ , угла резания С.р, толщины снимаемого слоя грунта А , угла наклона площадки износа {Со.1.

В ТРЕТЬЕЙ ГЛАЗЕ приводится программа, методика и используемое экспериментальное оборудование испытаний одноковшового гидравлического экскаватора ЭС—3122Б.

Для регистрации касательной и нормальной составляющих сил сопротивления резанию применялись тензометрические пальцы в местах подвески ковша к рукояти. Определение действительной траектории движения зубьев ковша в забое и толщины снимаемой стружки производилось при помощи угловых реохордных потенциометров, установленных в шарнирах ковша, рукояти и стрелы.

Зизикс—механические свойства грунтов определены по общей»» вестным методикам. В процессе испытаний регистрировались следующие параметры: напряжения в тензопальцах ПъДие;ки ковша к рукояти, давления в стоковой и поршневой полости гидроцилиндров стрелы, рукояти и ковша; углы наклона стрелы, рукояти и ковша; обороты вала двигателя; расход топлива.

Тензометряроваше выполнялось передвижной лабораторией конструкции НАТИ на базе автомобиля ГАЗ-66, оборудованной усилителями ЭМА-ПМ, осциллографом типа К 121.

При проведении испытаний учитывались рекомендации Ю.А.Вет-

рова, Д.И.Федорова и копание осуществлялось в условиях крут их траекторий. В этом случае сопротивления призмы волочения и заполнения ковша уравновешиваются-силами тяжести грунта, что. позволяет после определения соответствующих сил тяжести грунта, и рабочего оборудования найти величину составляющих силы резания.

В ЧЕТВЕРТОЙ ГаАВЕ приведены результаты экспериментальных исследований, их анализ и сопоставление с.результатами расчетов на ЭВМ. Опыты проводились на суглинке, выбранного в качестве типового, на осноей работ, проведенных проф. Р.А.Кабашевым, в летний период. В полевых условия:: определялись .число "С" плотномера ДорНИИ. После обработки данных испытаний получены следующие уравнения регрессий:

« математических ожиданий касательной и нормальной составляющих усилия резания от приведенного размера износа 5 » толщины снимаемого слоя грунта Л » угла резания С1.';

— математического ожидания площади поперечного слоя от величины приведенного размера износа 5 >

— дисперсий касательной и нормальной составляющих усилия ре— . зания от приведенного размера износа $ ; угла резания с1р\ от толщины снимаемого слоя грунта А ;

— дисперсии площади поперечного слоя грунта от величины приведенного размера износа £ .

Сопоставление результатов экспериментальных исследований в производственных условиях с результатами анализа этих процессов на ЛЭЗ.'.! показало, что их расхождение не превышает 18-20%,

В первых сериях опытов проводилось определение влияние толщины снимаемого слоя грунта, угла резания, положения коЕгпа в забое на составляющие силы сопротивления резания неизношенными зубьями. Анализ полученных экспертантальных данных процесса резания некношенными зубьями позволяет констатировать следующее:

РА

40

'30 10 Ю О

иг.

/ /У!

( ^ 1 гг* >п! 20 ЛЧ

^Г 2

1 £ л с л /

Рис.2. Изменение касательной (кривые I и 3) и нормальной (кривые 2 и 4) составляющей силы резания от степени износа

№ йЬ

¥ о,*

о

5т

* С / 5 * о г 3

№ \й

о»

0,5 М ¿Я 0,1

|

»

1—--5

;—

"Т

I

40 45 50 52

1с{?,гА

Рис.З. Влияние толщины енх^— Рис.4. Влияние угла рэзаняя • маемого слоя грунта к на стнсшени;; Н\Р,

на отнзпетав М/Р .

— между составляющими силы резания и толщиной снимаемого слоя наблюдается зависимость,близкая к пропорциональной;

— между составляющими силы резания и углом резания существует пропорциональная зависимость;

— толщина снимаемого слоя до 25 см неизношенныки зубьямипра-ктически не влияет на соотношение составляющих сопротивления силы резания;

— изменение .угла резания не оказывает' существенного влияния на соотношение нормальной и касательной составляющей силы резания.

Лри последующих сериях экспериментальных работ исследовалось влияние степени износа зубьев, изменяющихся угла резания и толщины снимаемого слоя грунта на результирующие касательную и нср~ мальчую составляющие сопротивления грунта резанию.

Как известно, суммарная касательная составляющая к траектория резания состоит из касательной силы, действующей на переднюю грань зуба и касательной, действующая на поверхность износа. Результирующая нормальная составляющая таете состоит из соответствующих составляющих, направленных навстречу друг другу.(Рис.I)

Проведенными экспериментами установлено ускоренное возрастание результирующих.касательных и нормальных составляющих со— противления резанию с увеличением степени износа . Особенно интенсивно они растут при малых толщинах среза к , когда сопротивления грунта поверхности износа или затуплению становятся преобладающими в суммарном сопротивлении резания. Изменение касательной составляющей силы резания от степени износа 5 определяется уравнением регрессии вида:

р г 5,92 - 0,51'В2' КН (8)

Результирующая касательная сила резания суглинка-зубьями со степенью износа 3 =20 мм при угле резания Йр=51е и толщине снимаемого слоя П. =20 см возрастает в 2,1 раза по отношению к

силе резания нвизнсшенными зубьями.(рис.2). Степень износа ока-

ч

зьшает(в основном, количественное влияние на механизм процесса резания, т.е. на распределение составляющих сопротивления резанию.

Результирующая нормальная составляющая, которая характеризует способность рабочего органа внедряться в грунт в начале резания и удеркиваться на определенной глубине в процессе резания грунта, все время направлена, в сторону поверхности массива, заставляя выгдубляться кош, и списывается уравнением регрессии вида: я .

Рост суммарной нормальной составляющей, по мере увеличения степени износа, столь значительный, что цри $ =18..22 мм она становится сравнимой с касательной составляющей сопротивления резанию.

Характер влияния толщины снимаемого слоя грунта на отношение нормальной и касательной составляющей сопротивления резанию изношенными зубьями из*гнклсяДрпс.З). Это связано с тем, что рост суммарной нормальной составляющей с увеличением толщины снимаемого слоя замедляется, так как происходит увеличение давления на лобовую поверхность зубьев ковша со стороны стружки из—за иэ— ньшей степени разрушения грунта.

Угол резания также оказывает определенное влияние на отношение Н\? ч(рис,4). Увеличение угла резания приводи? к росту отношения. Это связано с тем, что нормальная составдяящая, действующая на лобовую поверхность зубьев при увеличения угла резания резко уменьшается и происходит рост результирующей нормальней составляющей. Результаты экспер;аантоз покгзываюе, что хсрактер кризых зависимостей при изменении толщины сни-

жаемого слоя я угла рэзгш.* остается примерно с^ж- и тем же.

Оценка елийощ степени износа £ зубьеп кос-леЯ на зффег—

/7,

Зо т з М т £ 11

■'О1

1 " ■ -

1 г-

Л 1 е вг ? ¿л I

5, ж*

Рис.5. Изменение показателей работы экскаватора 30-3122Б от степени износа: 1-время копания С/1 ; 2-производитель-ность /] ,

Рис.6. Расчетный профиль изношенного зуба в супесчаных грунтах.

тивность работа экскаватора велась по изменению производительности,расхода топлива, времени копания (рис.5.). При этом установлено, что по мере увеличения износа зубьев ухудшается траектория движения зубьев ковша. Изменения производительности, времени копания и расхода топлива от степени износа зубьев, полученные путем математической обработки результатов экспериментов уписываются еле,дующими уравнениями регрессии:

/7=38/5-0.S7-S- i SB 40'*S', м3/м <«»

В ПЯТОЙ ПИВЕ выполнен расчет профиля изношенного зуба для различных грунтов.

Как показывает опыт эксплуатации землеройкой техники, производственники не уделяют должного внимания соблюдению предельных размеров износа РЭ, установленных по экономическому критерию. Это связано с необходимостью выполнения организационной работы по сео-евремзньой замене или ремонту, дефицитом запасных частей, на в последнюю очередь это связано с необходимостью выполнять замеры износа РЭ в условиях реальней эксплуатации. Поэтому выполнен рас— • чет предельного профиля износа, который наносится на боковой поверхности зуба, что позволит контролировать предельный износ.

Профили изношенных РЭЗМ зависят от грунтового фона эксплуатации и формируются аналогично распределению давления в зоне режущей кромки зуба. Jjih определения величины контактного давления на поверхности износа использованы положения теории предельного разноЕесия сыпучей среды В.Б.Соколовского и построены расчетные профили изношенных зубьев для ниболее распространенных грунтов Era Казахстана.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основное научная к практические результаты зсклвчаютск в

следующем:

I. Наиболее простым способом ограничения влияния износа РЭЗМ на эффективность использования ЗМ является своевременная их замена по достижении предельного износа. Обоснование предельных размеров износа необходимо выполнять с учетом энергетических потерь в связи с образованием площадки износа или поверхности затупления. РЭЗМ необходимо использовать'до износа, соответствующего равенству суммарной нормальной А/ и касательной Р составляющей силы резания.

2. Разработана методика и получены выражения, позволяющие определить предельные размеры износа зубьев кевша экскаватора. Величина отношения суммарной нормальной и касательной составляющих силы тезания существенно изменяется в зависимости от степени износа зубьев, угла резания, толщины снимаемого слоя и физи«о-мехе— ничвских свойств грунта.

3. В рабочем диапозоне толщин снимаемого слоя Л от 5 до 25 см отношение М/Р уменьшается с возрастанием А и возрастает по мере увеличения степени изнеса 5 и угла резания <4р . Устанвв-

ся износ зубьев.

4. Установлены предельные размеры износа зубьев по предложенному критерию для наиболее распространенных грунтов юга Казах—

5. Получены уравнения регрессии суммарной нормальной и касательной составляющих силы резания от степени износа, угла резания и толщины снимаемого слоя, влияния степени износа на показатели эффективности использования экскаваторов.

5. ГЬлучен расчетный профиль предельного износа, использование которого позволит контролировать предельный размер износа в реальных условиях эксплуатации.

лено, что решающим фактором>злиящим на отношение

являет—

стана.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Кульгильдинов М»С.,Сурашов Н.Т. Принципа и методы исследования износа режущих органов землеройных и землеройно-^гран-спортных масти./Архитектура и строительство - поиск и решения молодых.: Тезисы докл.-Ашг—Ата, 1989.-127с,

2. Кабашев Р.А.,Кульгильдинов М.С, Исследование процесса копания грунта гидравлическим экскаватором 20-3122 с изношенными эубьями./Цроблем;.- совершенствований и моделирования дорожной техники и технологических процессов строительства автомобильных дорог и автотранспорта.: Тезисы докл.-Алма-Ата,1992.-183с.

3. Кабашев P.A.,Кульгильдинов М.С. Определение предельных размеров износа зубьев ковша экскаватора. /Проблемы совершенствований и моделирования дорожной техники и технологических процессов строительства автомобильных дорог и автотранспорта.: Тезисы докл.-Алма-Ата,I992.-18Зс.

4. Кульгильдинов М.С,, Кабашзв P.A. Экспериментальное определение энергоемкости процесса копания гидравлическим экскаватором с учетом износа зубьев. /Региональная научн.техн.конферен. Проблема механизации в региональном строительстве.: Тезисы докл. —Бишкек.-С,24.

5. Кабашев P.A., Кульгильдинов М.С, Определение выбрзковоч» ных параметров режущих элементов землеройных мамтн.//Проектирование, тзхника и технология строительства автомобильных дорог.// Сб. трудоа. АДЦИ.- Алма-Ата. -1992. -С.102-106