автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.04, диссертация на тему:Совершенствование процесса копания грунта ковшом мини-экскаватора

6

од

Міністерство освіти України Полтавський державний технічний університет імені Юрія Кондратюка

Спеціалізована вчена рада К 25.01.01

На правах рукопису УДК 621.879; 624.132.3

РИБАЛКО Ірина Вільгельмівна

УДОСКОНАЛЕННЯ ПРОЦЕСУ КОПАННЯ ГРУНТУ КОВШЕМ МІНІ-ЕКСКАВАТОРА

05.05.04 Машини для земляних та дорожних робіт

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Міністерство освіти України Полтавський державний технічний університет імені Юрія Кондратюка

Спеціалізована вчена рада К 25.01.01

На правах рукопису УДК 621.879; 624.132.3

РИБАЛКО Ірина Вільгельмівна

УДОСКОНАЛЕННЯ ПРОЦЕСУ КОПАННЯ ГРУНТУ КОВШЕМ МІ IIІ-ЕКСКАВАТОРА

05.05.04 Машини дня земляних та дорожних робіт

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Дисертація є рукописом

Робота виконана в Харківському державному автомобіпьно'дорожньому

НАУКОВИЙ КЕРІВНИК - доктор технічних наук , професор НАЗАРОВ

Леонід Володимирович, завідувач кафедри будівельних і дорожніх машин Харківського державного автомобільно - дорожнього технічноі'о університету

ОФІЦІЙНІ ОПОНЕНТИ - доктор технічних наук , професор МАСЛОВ

Олександр Гаврмлович, Кременчуцький державний політехнічний інститут, завідувач кафедри основ конструювання машин

- кандидат технічних наук ШМАРОВ Володимир Данилович, Харківський державний університет будівництва і архітектури, декан факультету, доцент кафедри механізації будівельного виробниюта

ПРОВІДНА УСТАНОВА : Харківська державна академія залізничного

транспорту

засіданні спеціалізованої вченої ради К /5.01.и І у Полтавському державному технічному університеті за адресою : 31460!, м. Полтава, Першотравневнй проспект, 24. .

З дисертацісю можна ознайомитись у бібліотеці Полтавського державного технічного університету за адресою: 314601, м. Полтава, Першотравневий проспект, 24.

технічному університеті Міністерства освіти України

Захист відбудеться

Автореферат розісланий “<^ ” ґЛрбівп'Я 199В р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради кандидат технічних наук, доцент

М.П. Нестеренко

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. В наш час у всьому світі спостерігається розширення виробництва і застосування міні-екскаваторів. Особливо необхідні ці машини в нових умовах створення приватних фірм, фермерських господарств, невеликих будівельних організацій.

Такі машини випускаються багатьма фірмами далекого зарубіжжя, а також деякими екскаваторними заводами Росії. В Україні такі міні-екскаватори почав випускати Бердянський завод “Дормаш”. Проведені кафедрою будівельних і дорожніх машин Харківського державного автомобільно-дорожнього технічного університету випробування одного з перших зразків ціст машини показали, идо надійність окремих складових частин ще низька, параметри робочого обладнання, зокрема ковша, недостатньо обгрунтовані. Виявлено значний відпір з боку масива грушу на зуби ковша, що зменшує товщину стружки, збільшує час копання і енерговиїрати. Зменшення місткості ковша порівняно з ковшами екскаваторів будівельної групи, приводить до підвищення питомих енерговитрат. Одночасно збитки від затуплення зубів внаслідок їх зносу при малих місткостях ковшів для таких моделей значно більші ніж для екскаваторів навіть першої розмірної групи. Порівняння характеристик міні-екскаваторів, які випускаються зарубіжними фірмами та заводами Росії та України показує, що по основним характеристикам, в першу чергу, по енергомісткості розробки грунту, конструкції зарубіжних фірм суттєво виграють.

Вказані обставини приводять до висновку, що з метою вдосконалення конструкцій міні-екскаваторів, зокрема конструкції ковша і системи керування ним, необхідно провести глибокий аналіз процесу копання груніу ковшем цієї машини. При цьому, з метою зниження енергомісткості, в першу чергу необхідно розглянути взаємодію з грунтом зуба екскаватора на різних стадіях зносу, тобто при різних формах і розмірах поверхні зносу, визначити терміни заміни зубів, величину відпору масива грунта. Для перевірки аналітичних досліджень, визначення окремих характеристик процесу копання проведені експериментальні дослідження як з моделями ковшів, зубів ковша в грунтовому каналі, так і з натурною машиною - міні-екскаватором на базі малогабаритного навантажувача ПМТС-1200.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тема дисертації відповідає науковому напрямку роботи кафедри будівельних і дорожніх машин ХДАДТУ по приорітетному напрямку науки і техніки “ Ресурсозбереження регіональній програмі наукових робіт Північно-Східного центра Транспортної Академії України “ Удосконалення конструкцій будівельних і дорожних машин, які випускаються заводами України “, програмі науково-дослідних робіт кафедри “ Підвищення ефективності будівельних і дорожних машин на основі міждисциплінарних досліджень ( робочих процесів машин, удосконалення конструкцій, застосування модулів, зниження навантажень )

і вирішення міжгалузевих проблем ( зниження матеріаломісткості, енергомісткості, підвищення надійності)

Мета і задачі дослідження. Розробка математичних моделей процесу копання грунту як наукової бази підвищення ефективності міні-екскаваторів з єдиних позицій фізико-статистичного підходу. Такий підхід включає аналіз процесу копання з позицій детермінізму з врахуванням статистичних характеристик властивостей грушу і параметрів копання.,

Задачі, які вирішуються в роботі:

- визначення опору різання грунту незношеними зубами ковша, зубами і ріжучою кромкою , розробка математичних моделей;

- визначення впливу затуплення ( зносу ) на опір різанню при різних характеристиках поверхні зносу, розробка математичних моделей;

- встановлення статистичних характеристик процесу копання грунту ( математичного сподівання опору копання, дисперсії, коефіцієнту варіації);

- встановлення раціональній характеристик робочого органу міні-екскава-

тора;

- проведення експериментальних досліджень процесу копання грунту з моделями та натурним зразком ковша міні-екскаватора для перевірки одержаних аналітичних положень, виявлення фізичної картини взаємодії РО з грунтом, визначення критичних параметрів процесу, його статистичних характеристик.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в розробці на основі фізико-статистичного підходу математичних моделей взаємодії з грунтом ріжучих органів екскаваторів. Розроблені математичні моделі опору різання грунту гострими й зношеними зубами ковша екскаватора, які дозволяють врахувати як фізичну природу процесу різання, так і статистичні характеристики показників властивостей грунту і параметрів процесу. Дістали подальший розвиток методи визначення показників міцності грушу, амплііуд і частот відділення елементів грушу від масиву, опору різання зношеним зубом.

Практичне значення одержаних результатів полягає в тому, що користуючись розробленими математичними моделями робочі навантаження на ковші екскаватора визначаються на етапі проектування машини лише на основі характеристик грунту. Результати визначення навантажень можуть використовуватись для встановлення показників надійності робочого обладнання екскаватора. Таким чином, результати роботи використовуються в проектуванні робочого обладнання міні-екскаваторів.

Інший напрямок застосування одержаних залежностей - в учбовому процесі (дисципліни “ Машини для земляних робіт” , “Надійність будівельних і до-рожних машин”).

Методики визначення опору копання грунту, раціональних термінів заміни зубів передані ВАТ “Дормаш” м. Бердянська для використання при вдосконаленні міні-екскаватора і екскаватора з місткістю ковша 0,25 м3 , Харківській асоціації “ Харківагропромшляхбуд ”.

Особистий вклад здобувача складає наступне:

- розробка математичних моделей взаємодії робочого органу екскаватора з грунтом на основі фізико-статистичного підходу;

- математичні моделі процесу різання грунту незатупленим і заіупленим зубом з врахуванням просторового фактору;

- результата експериментальних досліджень процесів взаємодії з грунтом товша екскаватора, поверхні зносу зубів;

- визначення раціональних параметрів конструкції робочого органу.

При розробці відповідних розділів дисертації, створенні математичних моделей використані ідеї досліджень робочих процесів землерийно-транспортних <ашин ( плоска задача ), проведених на кафедрі будівельних і дорожніх машин ірофесором Нічке В.В. Конкретний особистий внесок здобувача полягас в юдальшому розвитку ідей фізико-статистичного підходу стосовно просторових адач різання грунту зубами екскаватора.

Апробація результатів дисертації. Окремі фрагменти робо-и доповідались:

- на міжнародних конференціях "Строительные и дорожные машины и их спользование в современных условиях”, Санкт-Петербург, 1995 г. ; “Развитие гроитсльных машин, механизации и автоматизации строительства и открытых орных работ”, Москва, 1996 г. ; Шостій міжнародній конференції “Новые тех-ологкив машиностроении”, Рибаче-Харків, 1997 р.; “Эргономика на автомо-ильном транспорте”, Харків, 1997 р.

- на республіканських і регіональних конференціях : Першій всеукраїнській ауково-практичній конференції “ Прогрессивные технологии и машины для роизводства стройматериалов, изделий и конструкций”, Полтава, 1996 р.; ре-ональній науково-практичній конференції “Проблеми розробки, виробництва, хплуатацїї та ремонту підйомно-транспортних, будівельних та дорожніх ма-ин”, Кіровоград, 1996 р.;

- конференціях Харківського державного автомобільно-дорожнього тех чного університета 1995-1997 рр.

Повністю дисертація доповідалась на засіданнях кафедри будівельних і до->жних машин ХДАДТУ, кафедри будівельних, навантажувально-ізвантажувальних та колійних машин Харківської державної академії заліз-ічного транспорту.

Публікації. Результати дисертації опубліковані в двох підрозділах інографії, п’яти статтях в збірниках наукових праць, восьми статтях в матеріа-х і тезах конференцій, препрінті.

Об’єм роботи. Дисертація складається з вступу, п’яти розділів, вис вків по результатам досліджень, списка використаних джерел та додатків. За іьний об’єм роботи 184 сторінки, в тому числі 130 сторінок машинописного ;сту, 13 таблиць, 70 рисунків, список використаних джерел з 110 найменувань ! додатки на 16 сторінках.

ЗМІСТ РОБОТИ

ОГЛЯД ЛІТЕРАТУРИ ЗА ТЕМОЮ І ВИБІР НАПРЯМКІВ ДОСЛІДЖЕНЬ

В наш час, коли стан економіки Ураїни ще не дозволяє випускати продук-

> машинобудування , здатну конкуруй™ з світовими зразками, необхідні іробки нових, ефективних конструкцій машин, в тому числі екскаваторів, юєння нових землерийних машин вимагає вирішення ряду питань, які

зв'язані з проектуванням, конструюванням і використанням цих машин. До цих питань відносяться підвищення продуктивності і надійності екскаваторів, зниження снергомісткості робочого процесу, зниження металомісткості, спрощення конструкцій. Тому зараз так важливо птибоке вивчення робочих процесів машин, в нашому випадку міні-екскаваторів, виявлення особливостей взаємодії робочих органів міні-екскаваторів з грунтом, визначення можливостей зниження енергомісткості розробки ірунту.

Дослідження з різання і копання ірушу, удосконалення процесів взаємодії ріжучих елементів робочих органів машин з грунтом проводились вченими країн СНД з початку двадцятого сторіччя до наших часів. Основоположними були роботи В.П.Горячкіна з різання грушу плугами. Великий вклад в дослідження процесів різання і копання грушу, удосконалення конструкцій машин для земляній робіт внесли ВД. Абезгауз, ІЛ.Айзеншток, Т.ВАлсхсєсва, В.А-Амельченко, МД.Андріуце, А.І-Анохін, К.ОАртем’ев, ВЛ.Баладінський,

В.І.Баловнєв, Б.О.Бондарович, І.П.Бородачов, В.С.Бочаров, Ю.О.Вєгров, Д.П.Волков, М.І.Гальперін, М.Г.Гаркаві, М.Г.Домбровський, А.М.Зеленін, РА.Кабашев, І.П.Керов, С.В.Кравець, Є.М.Кудрявцев, Е.М.Кузін,

A.П.Кулешов, О.Г.Маєвський, Е.Ю.Малиновський, Л.В.Назаров, П.І.Нікупін,

B.В.Нічке, В.К.Руднєв, О.М.Солотуб, В.М.Тарасов, М.О.Ульянов, ДЛ.Федоров, А.В.Фролов, М.А.Хархута, Л-А.Хмара, А.М.Холодов, ВА.Черкас ов, ІЛДнцен.

Створені наукові школи з досліджень взаємодії з грунтом робочих органів машин для земляних робіт, головними з яких є Московський державний будівельний університет, Московський і Сибірський автомобільно-дорожні інститути, ЦНДІБ, ВНДІбуддормаш, Київський державний університет будівництва і архітектури, Придніпровська державна академія будівництва і архітектури, Харківський державний автомобільно-дорожній технічний університет.

Проведені дослідження можна розділити за двома напрямками: експериментальні і аналітичні.

В першому - на основі експериментальних даних розробляли математичну модель процесу різання або копання грунту, вважаючи процес різання детермінованим. Такі роботи в галузі будівельного і дорожнього машинобудування, розпочаті М.Г-Домбровським, тривають до наших днів, наприклад, роботи МД-Андріуце. В цих математичних моделях застосовуються експериментальні показники чи коефіцієнти, які одержані для певних умов, як ірунтових властивостей, так і конструкції ріжучого органу ( РО ). Зміна грунту чи особливості конструкції ТО приводять до помилок при визначенні опору різання або копання.

Роботи другого напрямку базуються на положеннях статики сипкого середовища, механіки грунтів, динаміки грунтів. Більшість з них також вважають процес різання детермінованим, хоч в останні роки з’явились роботи, де процес різання розглядається як випадковий. Однак для виявлення характеристик процесу потрібно провести певну кількість експериментів, тобто розробка математичної моделі проводиться вже після створення РО чи його фізичної моделі. Крім

цього, фізична сторона явищ руйнування грушу при різанні в цьому випадку чітко не виявляється.

Математичні моделі, розроблені на основі статики сипкого середовища, складні, та й дають суттєві відхилення від експериментальних даних. Точніші й простіші моделі, розроблені на базі положень граничного стану грунту ( механіки грунтів ), в першу чергу розробки А.М-Холодова, які дістали подальший розвиток в роботах його учнів. Цей підхід також детермінований, але дає мож-тивість удосконалення, якщо застосувати фізико-статистичний підхід, в якому жладаючн математичну модель на базі опису фізичних явищ при руйнуванні грушу врахувати, при визначенні статистичних характеристик процесу різання, ггатистичні характеристики властивостей грунту й ТО.

Таким чином, можна зробити висновок, що в наш час є вже розроблена теорія різання й копання грунту на основі різних підходів до описання процесу іого руйнування. Але ряд питань вимагає подальшого розвитку. Тому для вдо-жоналення ТО, зокрема РО мікі-екскаваторів, потрібне подальше вивчення Ьормування опору різання і копання ірушу з врахуванням статистичних показ-іиків властивостей грунту, стану зносу зубів.

На основі вищесказаного в дисертаційній роботі поставлені такі задачи:

- розробка математичних моделей руйнування грунту зсувом на основі іізико-статистичного підходу;

- визначення опору різання грунту незношеними зубами ковша, зубами і 'іжучою кромкою, розробка математичних моделей;

- визначення впливу затуплення ( зносу ) на опір різанню при різних ха-актеристихах поверхні зносу, розробка математичних моделей;

- встановлення статистичних характеристик процесу копання грунту ( магматичного сподівання опору копанню, дисперсії, коефіцієнту варіації);

- встановлення раціональних характеристик робочого органу міні-екска-атора, ефективності їх застосування.

СУЧАСНІ УЯВЛЕННЯ ПРО МІЦНІСТЬ ГРУНТУ І її ПОКАЗНИКИ

Одержання точної математичної моделі поведінки грунту при його наван-іжеині зв’язано з непереборними труднощами внаслідок складної багатофазної /дови, неоднорідності, анізотропії. Тому в задачах взаємодії грунту з робочи-и органами машин для земляних робіт звичайно розглядається ідеалізована эделъ, яка має ряд показників, необхідних для математичного опису власти->стей грунту, деякі ж властивості не враховуються, чи показники їх встановлю-гься такими, щоб математичний опис був спрощений. В залежності від воло-істі грунт представляють як сипке, пластичне, крихке середовище. Основними іракгеристиками, які визначають опір руйнуванню ірунту вважають зчіплешія ж зсуві, зчіплення при відриві, кути внутрішнього і зовнішнього тертя, щіль-сть грушу.

Закон деформації грунту приймається у вигляді одержаної сксперименталь-

> степенної залежності Вінклера-Герстнера-Бернштейна-Бірулі, яка одержана я вдавлювання штампа в грунт

0= С;Л"

( 1 )

де ег- середня величина напруги під підошвою штампу;

А - деформація;

С) - коефіцієнт повної деформації, який характеризує деформаційні властивості грунту в залежності від його вологості, структури, розмірів штампу;

/л - показник, який характеризує відхилення від лінійної моделі деформування в залежності від вологості ірунту.

Для одержання правильної розмірності при /1 # 1 розроблена математична модель, яка має правильну розмірність для будь-як значень // , і точно відтворює залежність ( 1 )

<г=С,Ье(іг1}ІЛ . (2)

Якщо характеристики міцності грушу і методи визначення їх показників вже достатньо вивчені, то визначення коефіцієнта повної деформації розроблене ще недостатньо. Автором розроблена методика визначення цього показника : допомогою щіяьноміра ДорНДІ. При цьому забезпечується динамічна дія наконечника щільноміра на ірунт, що відповідає скоросхям руху ТО машини прі-різанні грунту.

При загальноприйнятих параметрах щільноміра коефіцієнт деформацї визначається залежністю при однакових площах штампів : прямокутного і наконечника щільноміра

Сд = С0т-^-~С0т, (3)

де Сд - коефіцієнт деформації грунту наконечниками щільноміра;

т - коефіцієнт, враховуючий відношення сторін В /5;

В - ширина зуба чи ножа;

5 - ширина площадки затуплення зуба чи ножа;

<і - діаметр наконечника щільноміра ДорНДІ.

Тоді з врахуванням характеристик щільноміра і площі прямохугногс штампу одержимо

Сц = 0,0766 пт В В, МПа/см, (4)

де п - кількість ударів щільноміра.

Руйнування грушу робочими органами машин для земляних робіт відбу ваєгься після того, як ірунт деформується ( створюється ущільнене ядро ) до такого стану, коли подальша деформація ( ущільнення ) потребує більших зусилз ніж зсув чи відрив елемента грунта. Цей граничний напружений стан характери зуєгься при руйнуванні зсувом таким співвідношенням між нормальною а „, до точною г напругами і характеристиками грунту7 - зчігшенням С і кутом внутріш нього тертя р на поверхні ковзання (закон Кулона-Мора )

т = С + er„tgp.

(5)

Якщо руйнується грунт в стані, який можна назвати крихким, то співвідношення між максимальною розтягуючою напругою і зціпленням грушу

при відриві ве характеризується як .

&тзх ( 6 )

В зв’язку з непостійністю властивостей грунту по шляху різання визначаються середні значення показників міцності грушу, їх дисперсії і коефіцієнти варіації. Для визначення можливого виду руйнування розглянуті умови навантаження і руйнування у відповідності з другою і четвертою теоріями міцності ( в рамках єдиної теорії міцності, яка об’єднує ці теорії для матеріалів з значним внутрішнім тертям).

Для визначення статистичних характеристик процесу руйнування грунту розглянуто вплив розподілу характеристик грушу і напруженого стану на величину граничних напруг, їх варіацію. У відповідності з теорією помилок задану функцію розкладено в ряд Тейлора і проведена оцінка відхилень. Коефіцієнт варіації vy визначений залежністю

де у - досліджувана функція;

х і - аргументи, які входять до складу функції в вигляді співмножників і дільників;

V х ¡- коефіцієнти варіації змінних х,.

Тоді коефіцієнт варіації граничної дотичної напруги т в рівнянні граничного стану при руйнуванні грунту зсувом ( 5 )

Аналогічно визначені статистичні характеристики інших показників міцності грушу, процесів його руйнування.

РІЗАННЯ ГРУНТУ НЕЗНОШЕНИМИ ЗУБАМИ МІНІ-ЕКСКАВАТОРА

Різання грунту незношеними зубами ковша міні-екскаватора представлено як ряд відділень елементів грушу, де по черзі відбуваються ущільнення грунту перед зубом і зсуви елементів. Зсув відбувається тоді, коли зусилля, необхідне для ущільнення грушу перед зубом, зрівняється з зусиллям, необхідним для зсуву

грунту. При цьому зусилля, необхідне для вдавлювання передньої поверхні зубу в грунт, визначається в момент, коли зуб пройшов шлях £5 , необхідний для того, щоб ущільнення досяпхо граничного значення і відбувся черговий зсув грунту-

Рис.1, Розрахункова схема різання грушу зубом екскаватора.

На елемент грунту, що зсувається, діють сили ДІЇ зуба Я і , реакція масиву К 2 , опір на площадці зсуву Т, опір наповнення , вага елемента Є . Зусилля Я; і К 2 відхилені від нормалей на вути зовнішнього і внутрішнього тертя.

Грунт деформується в напрямку рівнодіючої сил , які діють на зуб , тобто під кутом у— 90 - (а + 8) до дотичної траєкторії різання. З розрахункової схеми співвідношення між величиною максимальної деформації грунту х' і шляхом, який пройшов зуб , описується залежністю

(2)

x' — Sq sin a/cos S (9)

Тоді зусилля, яке необхідне дня ущільнення іруту в масив у відповідності з

cmS

. и. с ..<?2 чіп2 rt-

J ЬС^-^dxJ С* Й0$Ш С Є

2 4- (jí — 1) -

sm¿?

ccs S

(10)

(H)

eos (a + <S)_

дотична складова P¿¿ - Pd, [кіп ( a + S) + sin ¿cosa ], де b - ширина зубу;

CA - коефіцієнт деформації грунту; а - кут різання;

S- кут зовнішнього тертя.

Граничний стан грунту перед ножем, тобто стан, коли в площині зсуву досягаться умова г - С + ап tgp, забезпечується при зусиллі копання на зубі '

СІЛ-есер + С?3 зіп(р + ц/ ~ <р) \ і¥н соз(а + р+ яп(а+ 5+р+ у>) + яп5-соз(а + р+ ¡р) ’

дотична складова Р^ - Ра 5Іп ( а +6) , (13)

іе цг- кут зсуву; '

б3 - вага відділеного елемента грунту ( в зв’язку з маліспо по відношенню ю інших складових далі не приймаємо до уваги );

\УН - опір наповнення ковша, віднесений до числа зубів; р - кут внутрішнього тертя грушу; й - глибина різання.

Для врахування просторовості процесу скористаємось запропонованою \.Н .Зеленілим поправкою, яка залежить від співвідношення Ь / А . Тоді при зізанні п зубами одержимо середньо-максимальне значення

Рк = пЬИ(Р^/ Ьк^рк/Ь)=п(Ркзд + /3к2).. (14)

Прирівнявши значення Р з ( 10 ) і ( 12 ) одержимо значення шляху між зсу-іами 5о

реї

[СїйсоБр+ї^сса(о:+р+ зв(а + <5)ссе(а+ 8) „ , ¿ЛЯ ^ са<а+<5) 2

[іп(ег+(5+р+ у})+ап&хї(ог+р і- -[^с+^+ія^аво] ЬСдах^а

(15)

При лінійному зв’язку між напругою і деформацією

_ у

СОВ<?| [Сїйсовр+її^ ОСБ(<аг+р-Ц/)]-£Іп(£1Г+<5-ССв((2+<5) 2 1 2

$іпацяп(а+і5+р+¥0+^^^(#+Р+^)Няя(<*+‘ї)+я0<?0і:6(ї] ЬС^ша) '

(16)

Слід відзначити, що кут зсуву у/ не є постійною величиною, а змінюється в шежності від умов різання. Величина його залежить головним чином від ііввідкошення \У-,і { СЬИ - К^г і суми кутів а +£ +р . Розроблена математична одель визначення у/.

Знаючи величину шляху між двома зсувами 80 і швидкість руху ковша Ум ожна знайти періодичність (частоту) зсувів ірунту зубом

оз-Уи/Бо. (17)

Внаслідок можливої неодночасності елементарних актів руйнування шш-звидна зміна навантаження кожного зуба може бути зміщена по шляху (в часі),. в зв’язку з зміною міцностних властивостей висота пилковидних імпульсів та-)ж змінна.

При цьому процеси руйнування грунта зубами вважаємо статистично незалежними, визначеними випадковістю властивостей грушу, його агрегатністю та особливостями руйнування. Тоді основні статистичні характеристики процесу

де Рк - математичне сподівання зусилля копання;

ВРк - дисперсія зусилля копання; і’ - коефіцієнт варіації зусилля копашія;

і'ф - коефіцієнт варіації зусилля руйнування грунту одним зубом;

Пу - число зубів;

Рі - математичне сподівання складових математичної моделі зусилля копання;

' V;-відповідні коефіцієнти варіації.

Одержані залежності дозволяють визначити опір копання гру ту ковшем міні-екскаватора, його статистичні характеристики.

Як показує досвід експлуатації екскаваторів, надмірний знос зубів і ріжучих кромок ковша підвищує енергомісткість різання грушу в 1,4 - 3,0 рази, знижує продуктивність на 10 - 40 %, що приводить до економічної невигідності подальшої експлуатації. В металоконструкції робочого обладнання виникають навантаження, які підвищують напруги в 1,1 - 1,8 рази. Крім того, при роботі екскаватора з зношеними зубами суттєво зростає коефіцієнт варіації навантажень на робоче обладнання, тобто підвищується динамічність навантаження. Все

+ -----2---

ян— -ав(а+/>)

(19)

/-і ^ ¡»і

(20)

Р

(21)

ЗАТУПЛЕННЯ РІЖУЧИХ ЕЛЕМЕНТІВ І ЙОГО ВПЛИВ НА ПРОЦЕС КОПАННЯ ГРУНТУ КОВШЕМ МІНІ-ЕКСКАВАТОРА

це сприяє зниженню довговічності конструкції. машини. Своєчасна ж заміна зубів при досягненні граничного зносу знижує собівартість розробки 1 м3 грунту на 18 - 20 %.

В зв’язку з схазаним, особливо важливим для ефективної роботи мінї-екскаваторів є аналіз впливу затуплення на робочий процес машини, розробка ріжучих органів на основі цього аналізу, тим більш, що зі зменшенням місткості ковша суттєво зростають питомий опір різанню, підвищуються витрати на експлуатацію зубів екскаваторів.

Як показано на схемі взаємодії площадки зносу з грунтом ( рис. 2 ) можливі два варіанти взаємодії: вдавлювання грунту в масив під площадку зносу і видавлювання грунту з-під площадки зносу - зсув грунту.

Рис. 2. Схем а взаємодії площадки зносу з грунтом: а) при вдавлюванні грунту в масив під площадку зносу: б) при зсуві грушу з-під площадки зносу.

В першому випадку максимальна величина деформації грунту під площадку залежить від ширини площадки S і кута її нахнлуа 3 і визначається як x^j, — =S siпа 3 / cos (а з + S) (вважаємо, що деформування грунту відбувається в напрямку дії рівнодіючої нормального тиску й тертя Р3). Тоді

б)

siatr, (м-пщх-

0

cosva з + 5)

Дотична складова Рзд зусилля Рз визначається як

(22)

Р'З^Р’З Sin( £*;,+£).

При лінійній схемі деформації грунту ( [і - 1 )

ЬС, г,

р-п-~—5та,-%(а, +<5).

Нормальна складова Р3п зусилля Р’3 дорівнює Р Зп~ Р'з сої6, тоді сила тертя визначиться як '

ЬС.Б2 8Ш£Г,-$іп5 Рзг= 2 со5(сг, + £) ’ (25)

а її дотична складова Р3хд = Р Зх соб а з .

Тоді сумарний опір, викликаний площадкою зносу

ЬСЖ . Рл. -І—»“«з

, соза,

• <м>

В випадку видавлювання грунту з-під площадки зносу (рис. 2 6), необхідну для цього величину Р Зд знайдемо з системи рівнянь граничного стану елементу грунту, який зсувається ( за умови, що в цьому випадку, як вказано ЮА.Вєіровим з достатньою точністю можна приймати кути зовнішнього і внутрішнього тертя рівними між собою)

23 -Ь-С-согр-8Іп(аг, +р)

Рз*=---------------~----------- (27)

Один вад деформації грушу переходить в інший в залежності від розміру Б площадки затуплення, або куга нахилу площадки затуплення а 3. Назвавши ці характеристики переходу критичними і прирівнявши залежності ( 26 ) і ( 27 ) одержимо

4С (И-/#У-с%дг3)-соз(д, + £)

"р Сд 5Іп(а, + <У) + со5сг3 - зіл<5 ’

<4(1 + /4 ссе 5)

Л2йіл2Л-1

(1 + ¿4 соэ <У) * ~ 1 Аг їш23-І І ’

(29)

де

4С

С,5( 1 + іі2Я)

При значеннях 5 і а3 більших критичних, відбувається зсув, менших -ущільнення.

В випадку, коли нормальна складова опору затуплення стає більше нормальної складової опору копанню, можливий віджим зуба від масиву, зменшен-

ня товщини стружки. Умови, коші з’являється зусилля віджиму можна подати у вигляді

Рм =

(ЗО)

Тоді для умов вдавлювання чи видавлювання грунту граничні значення величини 5 площадки зносу

<«(«з + 5)

2 сов(а3 + <5)

\І г^(а+5) ІС, апо!3 • [£ш(а3 + £) + «ва, • япс>] + <5) і£а3/2)

8=Р.

і^а+6) 2ЬС'5ш(ау + <5)-созр

(31)

(32)

Аналогічно знайдені граничні значення характеристик поверхні зносу, коли вона являє собою криволінійну чи комбіновану поверхню.

Одержані математичні моделі дозволяють встановити характеристики , необхідні для визначення додаткових зусиль в робочому обладнанні від зносу зубів, енергосмносгі процесу копання, величин зносу ріжучих елементів і інше. На графіках ( рис. З ) наведені результати розрахунків математичних моделей.

Рис. 3. Залежність зміни: а) опору різання гострим зубом від гтшбнни різання; б) опору затуплення від кута нахилу площадхи зносу ( і - 5 = 20 мм;

2 - 5 = ЗО мм; 3 - Б = 40 мм).

ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНІ ДОСЛІДЖЕННЯ ПРОЦЕСУ ВЗАЄМОДІЇ ЗУБІВ З ГРУНТОМ

Метою експериментальних досліджень була перевірка розроблених теоретичних положень, виявлення фізичної картини взаємодії РО з грунтом, визначення критичних параметрів процесу, його статистичних характеристик.

Експериментальна частина роботи виконана на натурній машині - міні- ] екскаваторі на базі навантажувача ПМТС-1200 і на моделях в грунтовому каналі кафедри будівельних і дорожніх машин ХДАДТУ.

Основним завданням експериментів на натурній машині була перевірка загальних закономірностей зміни зусиль копання, порівняння фізичної картини руйнування грунту РО натурної величини і моделями. Проведення експериментів в каналі переслідувало мету визначення фізичної картини взаємодії поверхні зносу зуба з грунтом, виявлення критичних параметрів процесу, виявлення впливу розміщення зубів на энергоємність копання.

При проведенні експериментів дня регістрації досліджуваних характеристик процесу копання використовувались датчики, які не потребують підсилювача і осцилограф К 12-22. В ході експерименту замірялись такі величини: тиск в гідроциліндрах керування стрілою, рукояттю, ковшем, що давало можливість знайти зусилля на зубах ковша; характеристики забою - початкову пхибину різання, глибину траншеї, довжину різання поворотом рукояті і поворотом ковша, час копання.

В каналі проводились дослідження впливу ширини площадки затуплення і кута її нахилу на величину опору. Дослідження проводились згідно з трьохфак-торним планом експерименту, досліджуваними факторами були ширина площадки, кут ії нахилу і щільність грунту.

Проводились дослідження для визначення статистичних характеристик міцності грунту, в першу чергу з допомогою щільноміра ДорНДІ з шлейфом наконечників різної форми з однаковою площею дії на ірунт, а також з різними площами.

Проводились досліди для визначення впливу розстановки зубів, їх траєкторного зміщення на енергоємність копання. Випробувались чотири моделі ковша з різними варіантами розміщення, визначений найменш енергоємний варіант.

Обробка даних, одержаних в експериментальних дослідженнях проводилась відомими методами математичної статистики. Повторність дослідів визначалась відповідно з методикою, розробленою в КДАБА ( КІБІ ) в роботах ІОА.Веірова.

Вимірювання фізико-механічішх властивостей іруніу проводились прямими вимірами з допомогою складових лабораторії Литвинова або перерахунком по показникам щільноміра ДорНДІ.

Всього було проведено біля 250 дослідів в грунтовому каналі і в польових умовах з незношеними зубами, з моделями зношених зубів, з моделями ковшів. Обробка результатів вимірювань показала, що довірча ймовірність склада величину не менше 0,95, а відносна похибка вимірювань 12 -17 % .

Результати експериментальних досліджень підтвердили коректність розроблених математичних моделей, дозволили встановити фізичну картину процесу взаємодії зуба з грунтом, РО з грунтом, визначити порівняльні характеристики процесу копання ковшами з різним розміщенням зубів. На рис.4 приведені деякі результати дослідів.

2,0

І5

(О

0,5

А У /

У

✓ ■<а-

— <1

/>,См

2,5 5 7,5 ІО {5,5 У5

Рис. 4. Залежність зусилля: а) різання грунту зубом ¿=40 мм від глибини різання/^ 1,3 - п=6 уд.; 2,4 -и=Ю уд.; 1,2 - середньомаксимальні значення ;

3,4 - середні); б) копання грушу ковшами міні-екскавзторів ( 1,3 - місткість 0,1 м3; 2,4-0,25 м»).

ВИСНОВКИ

Проведений аналіз взаємодії зубів ковша міні-екскаватора з грунтом дозволяє зробити такі висновки.

1. Руйнування грунту РО ковша екскаватора проходить головним чином зсувом, причому як величини амплітуд зусиль, так і періодичність зсувів, величина куга зсуву залежать в першу чергу від двох характеристик грунту - зчітшен-ня при зсуві і коефіцієнта повної деформації грунту, а також характеристик схеми навантаження - кута різання, меншою мірою опору наповнення, розміщення зубів РО.

2. Головні характеристики грунту можуть бути визначені на основі одного показника - числа ударів шільноміра ДорНДІ по розробленим в дисертації залежностям.

3. Процес руйнування грушу доцільно розглядати з позиції фізико-статистичного підходу, коли математична модель будується на основі фізичної природи явища як детермінована при руйнуванні грунту по схемі ущільнення грушу - зсув, а можлива випадковість визначається врахуванням статистичних характеристик складових математичної моделі. Такий підхід дас змогу розробити раціональну конструкцію ТО ковша екскаватора. Одержані математичні моделі дозволили визначити основні характеристики копання - зусилля на зубах ковша та відстань між зсувами, кут зсуву.

4. Для міні-екскаваторів дуже важливо зменшити опір від зносу зубів. Це зв’язано як з енергомісткіетю процесу копання, так і з явищем віджиму ковша екскаватора від забою, зменшення глибини різання і зниження продуктивності. Одержані в роботі залежності дозволяють визначити величину додаткових зу-

екль від характеристик поверхні зносу, рекомендувати обмеження розмірів зносу. Критичні значення кута затупленш і ширини площадки затуплення дозволяють давати рекомендації по наплавці зубів, геометричним характеристикам їх.

5. Показано, що раціональне розміщення зубів на РО ковша екскаватора залежить від характеристик процесу копання, зокрема від глибини копання, відстані між зсувами грунту. Розроблена раціональна конструкція РО передана Бердянському ВАТ “Дормаш”.

6. Одержані математичні моделі процесу розробки ірушу міні-екскаватором можуть використовуватись не тільки для створення раціональних конструкцій ТО ковша екскаватора, а й як вихідні дані оцінки надійності робочого обладнання машини, розробки заходів підвищення надійності, покращення ергономічних якостей машини.

Основні положення дисертації опубліковані в працях:

1. Нічке В.В., Аіггонов МА., Срмакова О А., Рибалко І.В. Визначення частот і амплітуд зсувів грунху в залежності від умов різання !! Робочі процеси землерийно-транспортних машин і їх інтенсифікація. - Харків: ІСДО. - 1995.- С. 5258.

2. Нічке В.В., Антонов МА., Єрмакова ОА„ Рибалко І.В. Формування опору, різання випадковим потоком елементарних актів руйнування. Варіація опору // Робочі процеси землерийно-транспортних машин і їх інтснсифікація.-Харків: ІСДО. - 1995. - С.70-77.

3. Рыбалко И.В. Системный подход к описанию динамических процессов в

гидравлическом одноковшовом экскаваторе // Збірник наукових праць Харківської державної академії залізничного транспорту “Удосконалення засобів механізації на транспорті та підвищення зносостойкості елементів машин”. -Харків. - 1997. - Еип. ЗО. - С. 7-9. '

4. Ннчке В.В., Антонов НА., Ермакова Е.А.. Рыбалко И.В. Формирование сопротивлений резанию случайным потоком элементарных актов разрушения // Научные ірудьі КФ ХГПУ "Проблемы создания новых машин и технологий”.-Кременчуг. - 1996.- С. 174-176.

5. Ннчке В.В., Емельянов В.П., Ермакова ЕА., Рыбалко И.В. Повышение эффективности машин для земляных работ II “Техніка будшшщтва”.-Кнїв: Академія будівництва України. -1997. - № 2. - С. 26-29.

6. Ничке В.В., Кириченко И.Г., Рыбалко И.В., Ермакова ЕА. Нагрз’жеи-ноегь машин дая земляных работ /I Научные труды КГПИ. - Кременчуг.-1997. -Вып.2. - С. 3-! 2.

7. Ничке В.В., Рыбалко И.В. Особенности копания грунта ковшом миниэкскаватора обратной лопаты с изношенными зубьями // Научные труды КГПИ,- Кременчуг. -1997.- Вып.2.-С. 21-28.

8. Ничке В.В., Антонов НА., Рыбалко И.В. Долговечность рабочего оборудования мини-экскаваторов в зависимости от нагрузок в процессе копання II Материалы Шестой международной конференции “Новые технологии в машиностроении”. - Рыбачье-Харьков, 1997. - С. 232-235.

9. Ничке В.В., Ермакова ЕА., Рыбалко И.В. Определение оптимальной скорости копания грунта II Материалы Шестой международной конференции “Новые технологии в машиностроении”. - Рыбачье-Харьков, 1997. - С. 193-196.

10. Ничке В.В., Антонов НА., Ермакова ЕА., Рыбалко И.В. Взаимодействие ножей землеройно-транспортных машин с грунтом II Сб. докладов международной научно-технической конференции “Строительные и дорожные машины и их использование в современных условиях” . - Санкт-Петербург. - 1995. -

С. 55-57.

11. Ничке В.В., Ермакова ЕА., Рыбалко И.В. Определение оптимальной скорости копания грунта Н Материалы международной научно-технической конференции “Развитие строительных машин, механизации и автоматизации строительства и открытых горных работ”. - М. - 1996. - С.25-27.

12. Рыбалко И.В. Статистические характеристики взаимодействия со средой ковша экскаватора-погрузчика // Тезисы докладов Первой всеукраинской научно-практической конференции “Прогрессивные технологии и машины для производства стройматериалов, изделий и конструкций”. - Полтава. - 1996. - С. 114-116.

13. Нічке В.В., Єрмакова О А., Рибалко І.В. Опір різанню як випадковий

потік елементарних актів руйнування І/ Тези регіональної науково-практичної конференції “Проблеми розробки, виробництва, експлуатації та ремонту підйомно-транспортних, будівельних та дорожніх машин”. - К1СМ, Кіровоград. -1996.-С. 14-15. '

14. Ничке В.В., Ермакова Е А., Рыбалко И.В. К определению коэффициента деформации грунта I! Тезисы докладов Первой всеукраинской научнопрактической конференции “Прогрессивные технологии и машины для производства стройматериалов, изделий и конструкций”. - Полтава. - 1996. - С. 116118

15. Ничке В.В., Ермакова ЕА., Рыбалко И.В. Определение дисперсии сопротивления разрушения по дисперсиям характеристик прочности материала II Тезисы докладов Первой всеукраинской научно-практической конференции “Прогрессивные технологии и машины для производства стройматериалов, изделий и конструкций”. - Полтава. - 1996. - С. 189-191.

16. Рыбалко И.В. Колебания нагрузки на рабочих органах мини-экскаваторов.-Харьков: 1997.-4 с. ( Препр. / Международная научная конференция “Эргономика на автомобильном транспорте” ХГАДТУ )

АНОТАЦІЯ

Рибалко І.В. Удосконалення процесу копання груїпу ковшем міні-екскаватора.- Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.05.04 - машини для земляних і дорожних робіт. - Полтавський державний технічний університет імені Ю. Кондратюка, Полтава,1998.

Дисертацію присвячено питанням взаємодії ріжучих органів ( РО ) міні-екскаваторів з грунтом. В дисертації застосовано фізико-статнстичний підхід для визначення опору копанню і його складових, який грунтується на детермінованому представленні математичних моделей взаємодії РО з грунтом і статистичній оцінці характеристик грунту і процесу копання. Встановлено раціональні значення параметрів РО. Показані можливості оцінки показників надійності в залежності від характеристик процесу копання.

Ключові слова: фізико-статистичний підхід, руйнування ірушу, ріжучі органи ковша, затуплення зубів, зусилля копання, енергомісткість, надійність.

АННОТАЦИЯ

Рыбалко И.В. Совершенствование процесса копания грунта ковшом миниэкскаватора. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.05.04 - машины для земляных и дорожных работ. - Полтавский государственный технический университет имени Ю .Кондратюка, Полтава, 1998.

Диссертация посвящена вопросам взаимодействия режущих органов (ГО) мини-экскаваторов с грунтом. В диссертации применен физико-статистический подход для определения сопротивления копанию и его составляющих, который базируется на детерминированном представлении математических моделей взаимодействия РО с грунтом и статистической оценке характеристик грунта и процесса копания.Установлены рациональные значения параметров РО. Показаны возможности оценки показателей надежности в зависимости в зависимости от характеристик процесса копания.

Ключевые слова: физико-статистический подход, разрушение грунта, режущие органы ковша, заіупление зубьев, усилие копания, энергоемхость, надежность.

SUMMARY

Rybaiko I.V. Improved ground-digging by mini-dredges. - Manuscript.

The thesis is competing for a scientific degree of the Candidate of Engineering (PhD in Eng.), specialty 05.05.04 - earth- and road-work machines Yu. Kondratyuk Poltava State Technical University, Poltava, 1998.

The thesis treats the problem of mini-dredge cutting organs (CO) interaction with the ground. It employs the physics-statistical approach to evaluate the resistance to digging and to define its components. The approach is based on determined notion of mathematical models of СО/ground interaction and on statistical evaluation of both ground and digging performances. The rational significance of the COparameters are found. The possibilities for evaluating the reliability-parameters are shown subject to digging performances.

Key words: physics-statistical approach, ground destruction, ladle cutting organs, tooth bluntness, digging force, power consumption, reliability.