автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.04, диссертация на тему:Совершенствование процесса наполнения ковша скрепера применением грунтонаправляющего аппарата

РТ 6 он

. & «36

и харьковский государственный абтомобкжн.-доро:^::: технический университет

На правах рукою:«-;:

ЕРМАКОВА Елена Анатольевн'-.

ССРВРШЕНСТВОВАШБ ПРОЦЕССА НАПОЛНЕНИЯ КОБ:1" СКРЕП: г Л ПРИМЕНЕНИЕ* ГРУНТОНАПРАЕТЗШЙсГО АГПАУЛГА

05.05.С4 - мэашни 2Г.а з^лпян-н: дорожшх раТот

А 3 Г О Р Е -Ъ Е Р А Г дкссэргзют на соискаш;е ученс?. ст„•::■-.:•:: кандидата техтшческта наук

Харьков, 1996

Диссертация представлена в виде рукописи

Работа выполнена на кафедре строительных и дорожных маши.:--: Харьковского государственного автомобильно-дорожного технического университета (ХГАДТУ)

Научный руководитель: Академик транспортной академии и академии строительства Украины, доктор технических наук, профессор Ничке Вильгельм Еильгельмович

Н^уч'шй консультант: кандидат технических наук,

доцент Емельянов Владимир Петрович

Официальные оппоненты: Заслужекый изобретатель Украины

Академик академии строительства Украли, лектор технических наук, профессор Хмарз Лзокид Андреевич, кандидат технических наук, доцент Скибиций Александр Петрович

Еедущая организация: ОАО "ДормасГ г. Бердянск

Защта состоится 1996г. в /С час на заседании

специализированного ученого совета Д 02.17.02 Харьковского государственного аьтомобильно-дорожного технического университета по адресу: 310078, г.Харьков, ул. Петровского, 25.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Харьковского государственного автомобильно-дорожного технического университета

я

Автореферат разослан "(¡б" О А 1996г.

Ученый секретарь специализированного ученого совета,

доктор технических наук, доцент Подригало М.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В строительном и дорожном машиностроении, как в дальнем зарубежье, так и в странах СНГ, значительную долю составляют машины для земляных работ. Как показывает мировая практика, в последние .десятилетия наблюдается повышение объемов производства этих машин. В частности, расширились типоразмерные ряды скреперов, выпуск скреперов с различного рода интенсификаторами превысил выпуск традиционных конструкций машин (в США соотношение выпуска самоходных скреперов с элеваторной загрузкой достигало 60% общего выпуска машин). Ведущие фирмы мирового сообщества (Катер-пиллар, Комацу и др.) выпускали малые серии машин с другими видами загрузочных устройств. Хотя, как свидетельствуют данные аналитиков фирмы Комацу, выпуск скреперов в последние годы снизился, по прогнозным оценкам ожидается восстановление и даже повышение объемов выпуска самоходных скреперов.

Повышение эффективности скреперов, снижение материалоемкости и энергоемкости, повышение надежности является особо актуальной задачей для вновь создаваемого строительного и дорожного машиностроения Украины. На территории Украины имеется лишь Бердяиский завод "Дормаш", ОАО "Дормаш", выпускающий главным образом скрепер ДЗ-87-1 полуприцепной к колесному трактору Т-150К вместимостью ковша 5 м3. В связи с модернизацией трактора, повышением его тягового усилия открываются возможности существенного повышения вместимости ковша скрепера, повышения эффективности применением различного рода ин-тенсификаторов процесса, новых способов воздействия на грунт в процессе отделения стружки от массива, процесса заполнения ковша.

Объект и общая методология исследований. Изложенное обусловливает необходимость решения проблемы повышения эффективности скреперов (повышения-производительности, надежности, снижения материалоемкости, энергоемкости). Разработка этой проблемы требует решения ряда задач: создания математических моделей рабочего процесса скрепера на основе анализа взаимодействия ковша с грунтом; определения влияния различных параметров подсистем грунт-рабочий орган-базовая машина-оператор на формирование процесса копания; определения критических значений параметров, при которых изменяется физическая картина рабочего процесса; определения характера внешних силовых воздействий на машину. ■ •

Цель работы. Разработка научной база- повышения эффективности новым методом наполнения ковша с использованием грунтонаправлявдего аппарата (ГНА), заключающимся в снижении сопротивлений трения в процассе наполнения, установлении сравнительно постоянных тягового усилия и глубины резания на большей части пути наполнения.

Задачи работы. Развитие и углубление теории взаимодействия рабочих органов землеройно-транспортных машин с грунтом, определение-на этой базе рабочих сопротивлений, возможностей их снижения, интенсификации рабочего процесса. Определение силовых воздействий на рабочее оборудование, установление на стадии проектирования режимов нагружения машины. Разработка конструкций грунтонаправляювдх аппаратов.

Научная новизна. Разработан способ наполнения ковиа через направляющий аппарат и техническое - решение конструкции скрепера с ГНА, новизна которого подтверждена положительным решением по заявке на авторское свидетельство. Получены аналитические зависимости для'определения сопротивлений при на-

боре грунта с различными видами ГНА, определения характеристик процесса разрушения грунта коком скрепера. Анализ процесса резания грунта и наполнения ковша производился с использованием методов, предполагающих установление непосредственной зависимости характеристик рабочего процесса скрепера от физико-механических свойств грунта, параметров рабочего органа, характеристик машины в детерминистской постановке. Последующий учет случайного характера величин и процессов возможен физико-статистическими методам!, а 'аналитическими и экспериментальными исследованиями показаны преимущества предложенного способа наполнения ковша, возможности повышения производительности, надежности.

Достоверность. Достоверность научных положений обеспечивается необходимым объемом сравнительных экспериментов, выполненных на моделях в грунтовом канале; применением планирования экспериментов и статистической обработки результатов; сравнением с результатами полевых испытаний, выполненных на кафедре СДМ ХГАДТУ; сопоставлением и удовлетворительней сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований."

Практическая ценность. Разработана новая конструкция ковша с грунтонаправлящим аппаратом, реализующая способ наполнения через направляющее устройство. В соответствии с разработанной методикой тягового расчета составлены программы, позволяющие моделировать на ПЭВМ процесс наполнения ковша скреперам! с ГНА. Даны рекомендации по определении рациональных параметров ГНА. ,

Реализация работы. Создан экспериментальный образец скрепера с ГНА на базе скрепера ДЗ-172 в ПМК-50 Харьковского треста "Водстрой". С использованием выводов и рекомендаций.

полученных в данной работе, изготовлены чертежи ковша скрепера с ГНА увеличенной вместимости (до*8 м3), которые переданы ПО "Вкдормаш". Результаты работы используются в учебном ■ процессе при курсовом и дипломном проектировании, в курсе "Повышение эффективности СДМ" (специальность 7.090.214).

Апробация работы. Диссертационная работа докладывалась и обсуждалась на заседаниях кафедр строительных и дорожных машин ХГАДТУ, ПГАСА. Результаты исследований докладывались на научно-технических конференциях ХГАДТУ, ПГАСА, международных конференциях в ВИСИ в 1992 и 1994 гг., в Челябинском филиале НАТИ в 1991 г., на международной экологической кон-\ ференции в г. Кременчуге 1994 г., на меадународных конферен-

циях в Нижнем Новгороде и С.-Петербурге.

Публикации. По результатам исследований опубликованы 16 печатных работ, написаны два параграфа в монографии, получено положительное решение на изобретение.

Объем работ. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов по результатам исследований и приложений. Общий объем работы 157 страниц, в том числе 114 страниц машинописного текста, 15 таблиц, 48 рисунков, список литературы из 104 наименований и 3 приложения на 13 страницах.

Ца защиту выкосятся. Новый способ заполнения ковша через грунтонаправляицее устройство; математические модели процесса наполнения базовых форм ГНА; математические модели силовых воздействий, вызванных влиянием скорости движения машины на процесс наполнения; математические модели разрушения грунта ножами скрепера с ГНА; результаты аналитических и экспериментальных исследований скреперов с ГНА.

Тема диссертации соответствует научному направлении работы кафедры строительных и дорожных машин ХГАДТУ по приори-

тетному направлению науки и техники "Ресурсосбережение", региональной программе научных работ Северо-Восточного центра Транспортной Академии Украины "Совершенствование конструкций строительных и дорожных машин, выпускаемых заводами Украины", программе научно-исследовательских работ кафодры "Разработка методов создания и испытаний строительных и дорожных машин модульной конструкции с повышенными эксплуатационными качествами".

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ 1. ОБЗОР И АНАЛИЗ ИССЛЕДОВАНИИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ РАБОЧИХ ОРГАНОВ ЗТМ С ГРУНТОМ И ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОЦЕССА

ЗАПОЛНЕНИЯ КОВША СКРЕПЕРА В наше время, как никогда ранее, необходимо снижение энергоемкости процессов, снижение металлоемкости, упрощение конструкций с одновременным повышением требований к надежности. Поэтому сейчас так важно глубокое изучение рабочих процессов машин, в частности ЗТМ, определение возможностей снижения энергоемкости разработки и транспортировки грунта.

Ведущая роль в исследовании и совершенствовании рабочих процессов строительных и дорожных машин принадлежит ученым стран СНГ. Основополагающими являлись работы академика В.П. Горячкина по резанию почз плугами. Крупный вклад в исследование процессов резания и копания грунта, совершенствование конструкций машин для земляных работ и методов их расчета внесли В.Д. Абезгауз, И.Я. Айзеншгок, Т.В. Алексеева, В.А. Амэльченко, А.И. Ансхкн, К.А. Артемьев, В.Л. Бала-динскиЯ, Б..И. ЕалсЕнев, Б.А.' Бондарович, И.П. Бородзчев, B.C. Бочаров, Ю.А. Ветров, Д.П. Волков, М.И. Гальперин, Н.Г. Гаркави, Н.Г. Домбровский, А.Н. Зеленин, P.A. Кабашев,

И.П. Керов, Е.М. Кудрявцев, Э.Н. Кузин, А.П. Кулешов, А.Г. Маевский, Е.Ю. Малиновский, H.A. Недорезов, П.И. Никулин, В.В. Ничке, В.К. Руднев, А.И. Сологуб, В.Н. Тарасов, H.A. Ульянов, Д.И. Федоров, П.В. Фролов, H.A. Хархута, Л.А. Хмара, A.M. Холодов, В.А. Черкасов, И.Я.- Янцен.

Совершенствованию формы ковша и его режущи элементов посвящены работы H.A. Барсукова, В.П. Виниченко, А.И. Деми-денко, В.А. Кацина, В.В. Мелашича, Ю.А. Попова. Работы по исследованию эффективности применения активных грунтонерумешающих устройств внутри ковша были проведены Н.В. Бариновым, H.A. Долгушиным, H.H. Кизряковым, A.B. Матвеевым, О.Н., Сив-ковой. Применению газовой смазки ковша скрепера -посвящены . работы А.Б. Ермилова и И.Г. Кириченко.

Полученные на основе,анализа процесса наполнения коеш скрепера технические решения, направленные, на повышение эффективности работы ковша скрепера, можно представить четырьмя группами в зависимости от вида элемента конструкции ковша, который совершенствуется: решения по совершенствованию •режущих элэмэнтов, конструкции и форш ковша, заслонки, снижения сопротивлений наполнению. Решения всех груш направлены на снижение энергоемкости составляющих процесса - отделения грунта от массива, перемещения его в ковше, а также перед заслонкой. Это, в конечном счете, приводит к увеличению объема грунта в ковше и, следовательно, повышению производительности скрепера. Однако наиболее эффективными являются решения четвертой группы - введение в конструкцию ковша грунтонаправлящих или грунтотранспортирущих устройств.

Исследованиями, проведенными во ВНМИстройдормаше, СибАДИ, МАЛИ, ДИСИ, ХАДИ, получены данные об эффективности установки в ковше скрепера различных видое этих устройств. Анализ1 ре-

зультатов проведенных, исследований позволяет утверждать, что одним из перспективных направлений является применение грун-тояаправляюцих аппаратов (ГНА).

Исследования рабочего процесса скреперов с.ГНА позволили полутать данные, указывающие на их эффективность, определить рациональные значения некоторых параметров ГНА. Однако необходимо более глубокое изучение рабочего процесса наполнения ковша с ГНА, определения характеристик процесса в зависимости от конструктивных параметров ковша, ГНА, грунтовых условий работы скрепера, рабочей скорости машины.

На основе вышеизложенного в диссертационной работе поставлены следующие задачи:

- разработка математической модели процесса наполнения ковша скрепера с ГНА,определение рациональных параметров ГНА;

- создание принципиальной схемы и конструкции скрепера с ГНА;

- исследование возможности повышения скорости копания

1

грунта скрепером с ГНА, определение влияния скорости на характеристики процесса;

- теоретические и экспериментальные исследования влияния высоты ГНА, высоты наполнения ковша на величину сопротивления на режущем органе скрепера;

- исследование влияния ГНА на амплитуды и частоты наг-рукения скрепера и, следовательно, на характеристики режима нагружения и надежности машины;

- установление эффективности применения ГНА в скрепере.

2. ИССЛЕДОВАНИЕ СОПРОТИВЛЕНИИ НАПОЛНЕНИЮ КОВША СКРЕПЕРА

Проведен анализ грунтовых условий работы скрепера в Украине и на территории стран СНГ, приведены данные по вероят-

•ности выполнения скреперами различных видов работ, дальности транспортировки грунта. Приведены характеристики расчетного "среднего" грунта для скреперных работ.

Рассмотрены математические модели процесса наполнения коша скрепера. В настоящее время наибольшее распространение получила схема Е.Р.Петерса - В.И.Баловнева - А.Н.Холодова, согласно которой в конце наполнения ковша грунт поднимается вертикально, призмой с основанием а * ь, где а - толщина пласта, ь - ширина ножа скрепера с высотой Н, равной высоте ковша. Размер а принимается авторами различных схем равным от а = 11, где ъ. -глубина копания, до а = 1 Сова + 11 С^йф, где 1 - длина ножа, а и ф - углы резания и сдвига грунта.

Опыты, проведенкыэ в ХАДИ, показали, что реально грунт двинется в виде потока с расходящимися кверху границами между неподвижной и подвижной зонами грунта в ковше.

В средних грунтовых условиях угол (3 отклонения границ от вертикали составляет около 10°, возможно отклонение оои потока на 10-12* от вертикали в сторону ковша. Тогда передняя граница практически вертикальна, а задняя - наклонена назад на 18-22*.

Математические модели сопротивления наполнению т представляются Ь виде:

- для случая движения грунта вертикально с углами р отклонения границ между неподвижной и подвижной зонами:

„ -Г ^р СовСр-рЮАпр а "I «К = кВнТр - + "ИГ]

(1)

- для случая движения грунта с отклонением оси потока с^, отклонением задней границы между неподвижной и подвижной зонами (5 и передней границей, расположенной вертикально:- -

"н = ^Тр

Соз(р-а0-р)Е1прСозр

--5-" +

I

Сов (а0+р) кнсова0

tg(аo+0)-tg(аo-0)■

кСоза0

где 7р - плотность рыхлого грунта; к - коэффициент, учитывающий трение грунта о боковые стенки ковша.

Анализ зависимостей (1) и (2) показал, что существеннее снижение wн можно получить, если исключить боковое давление от призм сползания грунта, уменьшить коэффициент трения мен-ду-подвижной зоной и неподвижным грунтом ковша. Это можно достигнуть разделением подвижной и неподвижной зон кэстют.гл стенкаш, образующими грунтонзправлякшй аппарзт (ГНА).

Рассматривая равновесие элементарного объема грунта высотой йу в ГНА высотой н^, шириной Ь в ЖЕкей его часта, углами отклонения плоских стенок 61 - передней и р2 - задней, вертикальной центральной осью потока, получим систему уравнений

I

(СозР1+Г31пР1 )-1*2(СозР2-1-г31пр2)=0, (3)

2у=-И1(31лР1-£СовР1)-М2(31пр2-£СовР2)+О(Р+<1Р)-(О+<1а)Р+0=0.

Здесь Н},'!^ - соответственно нормальные усилия на передней и задней стенке; г - коэффициент трения грунта по металлу; а - напряжение в сечении площадью р, перпендикулярной к вертикальной оси потока; о - вес элементарного объема грунта. Выразив и^ и И2 через коэффициент бокового давления е в виде:

еВайу - •

М1 = • . (4>

определяй величину непряжения о зависимостью

Сп К,у 7 а - * А - -К7 ■ №)

Исходя из граничных условий, что напряжение а в верхнем обрезе (т.е. при у = 0) ГНА' равны напряжениям от вышележащих слоев грунта аБЦХ, получим постоянную интегрирования

сО = °вых КА + Т •

(6)

Тогда зависимость для определения напряжения о получит вид

вых А

КА + 7 КАу 7 7 "8

"К"

г °вых ка

7

+•1

е А -1

(7)

На первом этапе наполнения, когда уровень грунта в ковше не выше уровня ГНА, ошх = 0 и тогда С0 = 7,

7 ,

К4у

- 1) .

(8)

На втором этапе, когда уровень грунте в ковше н > ина, оКН7 определяется зависимость»

°вых = 7 (Н - Нна)+

7 (Н - Нна)2Б1прСоар

(9)

Напряжения в нижнем обрезе ГНА определяются формулой

н

| °внх ка +]|еканна _

Сопротивление наполнению равно " о„„ К

"н = °нвь =

вых _ ^

(10)

(И)

Коэффициент КА определяется зависимостью БЬ

К

•А ~ Т

ср

(да + + tgp2)

ГСовр. - 31пр1 Юовр« - 31пР0 где А = ---— + - — ' '

СовР1 + 181пР1 Сос{52 +

Работа по заполнению ковка представляется суммой работ при заполнении ковша на высоту кна и при заполнении ковша от

а

Б^д до уровня Н. На первом этапе действуют постоянные напряжения на'входе в ГНА а = ок1, на втором они изменяются от он1 до сш2 в конце наполнения. На первом этапе ковш наполняется до некоторого объема Уна, определяемого высотой ГНА, на втором объем грунта составит величину УкКн - Уна, где Ук вместимость ковша, Кн - коэффициент наполнения. Полная работа по заполнению ковша определится выражением

¿н = + *на> + -У-^К-Ин -Ла> • <12>

Подставив в зависимость (12) значения о и V, выраженные через параметры скрепера, полагая, что = = р, продифференцировав полученное уравнение по Ндд и приравняв результат нулю, определил Ндд. При этом выразим Н^ через н - высоту ковша в виде н^ = К^Н. Тогда

1 + КА -К.КиН

КН.; н; р; р; В; Ь) = ■ » Р в А Л . (13)

п лА

где Кр = 1 + tg(3tgp . . '

Полученное уравнение в общем видечне решается. Для решения численными или графическими методами, при средних грунтовых условиях и трех моделях скреперов ДЗ-87,' ДЗ-11, Д3-13 получено уравнение

Р " , 3.06К.

5,16 + 12,96}^ - 2,77К£ + 9К£ = 7,745е ъ . (14)

Из этого уравнения следует К^ = 0,5 и, следовательно,

«на опт = °'5Н " (15)

Для скреперов с ковшами увеличенной длины рекомендуется лркквшниэ ГНА с криволинейными стенками. Форма кривой могет бить различной, однако требования к тагам ГНА аналогичны требованиям к ГКА с плоскими стенками.

Анализ различных видов кривых показывает, что эти уело-

вия сравнительно просто достигаются применением спирали Архимеда с различными скоростями движения по лучу аг и а„.

Рассмотрен вариант ГНД, когда передняя стенка отсутствует. В этом случае поток грунта движется между задней стенкой ГНА и грунтом в заслонке. Сопротивление движению по задней стенке определяется аналогично первому варианту "модели сопротивления наполнению. Трение грунта по грунту на границе раздела неподвижной и подвижной зон в передней части потока определяется так же, как и при отсутствии ГНА. При этом для обычных заслонок объем грунта между заслонкой и границей раздела зон мал, чтобы образовать достаточно большую призму сползания. Поэтому боковое нормальное усилие зависит от коэффициента бокового давления е. Рассмотрев равновесие элементарного объема в штоке движущегося грунта, получим систему уравнений, аналогичную системе (3), с решением, аналогичным зависимостям (8), (10). Коэффициент А определяется зависимостью А = «е^^)-^©-^), а сопротивление наполнению »

= ^ь. + ^ДНна _ ^ _ (16)

В случае ГНА с комбинированными стенками, т.е. криволинейная и прямолинейная части в пластина, разновысокие пластины и т.д., решения определяются отдельно по участкам и сопротивления каждого последующего участка являются исходными (сопротивлениями на выходе) для предыдущего.

3. ВЛИЯНИЕ СКОРОСТИ НА. ПРОЦЕСС НАПОЛНЕНИЯ КОВША СКРЕПЕРА

. Исследованиями, проведенными в'ХАДИ, показано, что толщина грунтового потока в районе ножа с увеличением скорости уменьшается

БхпСси-ф) %0

а = ао ~ —г- / -тг , (17)

где а0 = УкПё^н-ХСоваг 7 - объемная масса грунта в массиве: т0 - предельное касательное напряжение при скорости копания, близкой к нулю.

Тогда ширина ь зева ГШ. должна быть не менее величины а.

Грунтовый поток в традиционной конструкции ковша скрепера воздействует на находящиеся выше слои грунта, т.е. оказывает на грунт динамическое давление с усилием Д, обусловленное кинетической энергией • потока (скоростной напор). Вследствие снижения скорости грунта в потоке (расширение подвижной зоны грунта) от максимальных значений в зоне ножа до минимальных в верхних слоях, возникает дополнительное усилие ад (динамический напор). Суммарное полезнее усилие Ф = Д + Од способствует наполнению коша.

Если грунтовый соток в ГШ движется в направлэнии, близком к вертикали, сопротивление резанию и наполнению кЬв-ша определится зависимостью

(«н-3»31п(р+ф)+(Т+У)Созр № = -оЬ5(а+С>)+о1ё(р+Ь)- ' (18)

где Т - сопротивление сдвигу в плоскости сдвига; Ри - инерционное сопротивление, т.э. усилие, необходимое для выведения грунта из состояния покоя и разгона до некоторой скорости.

Усилие 1"и определяется из закона количества движения.

При движении в ГНА скорость движения изменяется, уменьшаясь от скорости на входе в ГНА Упо до скорости на Еыходе \'т. Динамическое давление грунта, поступающего в ГНА, ка грунт, там находящийся. определяется по формуле Бернулли для давления потока на стенку, перпендикулярную направлению дви-

пения потока. Тогда скоростной напор определится выражением

D = ВТрК^

h2V2 2„2 М

-Б" (1£'>

Инерционную силу, возникающую iron торможении грунта в

ГНА, определяем из уравнения Лагранжа 2 рода для голономных

систем

d ат ат _ п ,9т

isr т7" я—Qo • u J'

aq0 эЧо

где T - кинетическая энергия системы; Q0 - обобщенная сила; qQ -обобщенная координата.

Из решения уравнения получил величину динамического напора в виде •

q = 2ВЬ7 V , где а = tg^+tgPp . (21)

А (Ъ+ах) 1 d

Суммарный напор грунта в ГНА получим из выражений (19)

и (21). ' .

в = (22,

' При скорости vm>1m/c и глубинах ь>10см величина суммарного напора достигает 15% и более от сопротивления наполнению и сравнима по величине с сопротивлением 1ли. Для ГКА с вертикальной осью потока грунта с учетом напора сопротивление резанию и наполнению выражается в виде

- CBh[U*fff^ 1 «WW1 xfoV

wr otg(a+S)+otg(p+<i>) 1

(23)

bfflKgH

+ otg(a+0)+otg(p-K|>) *

Оптимальное значение скорости скрепера, обеспечивающее максимальную производительность машины, найдем, используя

-1]

-+

- 15 ^

Рис. I.

Рис. 3 а.

Г ¿5 4

1 1____...

<?г.Г о, г <з?.т V Рис. 4.-

Рис. 2.

С и/7 с, .

Рис. 3 б.

Рис. I.Расчетная схеыа ГНА с плоскими стенками.

Рис.2.Расчетная схема формирования силовых факторов в ГНА.

Рис.3.Расчетная схема изменения угла сдвига (а) и график зави-

сиыэстиУ от величины сцепления С и еысоты наполнения И (б).

Рис.4.График зависимости энергоемкости разработки грунта от соотношения высот ГНА и ковша скрепера и угла внешнего трения о (1-3£ 2-2^; 3-15).

предложенное A.M. Холодовым понятие производительности по копанию.

Подставив в выражение для производительности ъсч составляющие, продифференцировав и приравняв результат нулю, получил оптимальную скорость

опт

AT vr+i) г

) (l+m)+

"Р

(24)

• где m = Угр/Ушр; vrp, vnop

скорости движения груженого скрепера и порожнего; А', В'', с - величины, характеризующие грунтовые условия и параметры скрепера.

4. ВЛИЯНИЕ ГНА НА РЕЖИМ НАГРУЖЕНИЯ СКРЕПЕРА И ЕГО ЭФФЕКТИВНОСТЬ

Как показано ранее проведенными исследованиями, процесс нагружения скрепера можно представить как двухчастотный. Применение ГНА, т.е. снижение сопротивления наполнению, приводит к изменению характеристик процесса - изменению угла сдвига грунта, высокой частоты нагружения, амплитуд нагрузки при отделении элементов' стружки от массива. Рассматривая равновесие элемента грунта перед ножом, получим систему уравнений, решив которую определим сопротивление копанию, включающее сопротивление резанию и сопротивле;ше наполнению оВЬ.[1+о1£»ф<^(р-Ц>) ]+и?н[81па' -Сова' сЪ£(р+ф) ]

V

(25)

ф = artg

о tg(р+ф)+о tg(а+0 Г Исследовав полученное выражение на минимум по ф, получим 1

--^ 1

+ /

1

ф(а)+-

"^н

oBh

1

Vh "оВК"

-1

где а' - угол наклона оси потока грунта в ковше;

= 31т' tgp-Cosа,-(Cosа' tgp+slгл' )ср(а);

Б1па'tgp-Cosa•

----СоааЧер-31па'; <р(а)^е(а-иЗ+р).

ф(а)

Таким образом, угол сдвига определяется как характеристиками трения грунта, так и сцеплением, а также глубиной резания и величиной сопротивления наполнению. При V? -- 0 формула (26) преобразуется в известное выражение

а+5+р

Сдвиг элемента грунта происходит, когда усилие, необходимое для уплотнения грунта перед ножом в массив, станет равным усилию, достаточному для сдвига. Тогда, представляя процесс отделения грунта от массива рядом последовательных этапов вдавливания - сдвига, определим периодичность процесса.

ВСд31п(а+5)Соз(а+0) -1-

¿¡■(-(М.-1 )51иа/Соз(а+0) Ц^ов®] СВН11+о4еф<П2(р-Ц)) ^н131па'-Соза'с^(р+ф) ]

ц+1

, (27)

где Ум - скорость-резания (скорость машины); Сд - динамический коэффициент деформации; ц - показатель, зависящий от влажности грунта.

Амплитуда высокочастотной составляющей нагрухения определяется в случае сдвига грунта по всей ширине ножа зависимостью (25).

Низкая частота кагружения определена з зависимости от времени наполнения ковша т.е. 0^=1/^,. Время наполнения кобес состоит из двух составляющих: времени наполнения до уровня зысотк направляющего аппарата и вше этого уровня

Анализ частот и амплитуд. нагружэни.я скрепера тяговым

усилием при традиционной конструкции и конструкции с ГНА позволяет полагать, что долговечность металлоконструкций скрепера с ГНА существенно повышается.

При изменении частот и амплитуд на 10-20% долговечность в циклах нагружения повышается в среднем на 35%.

Эффективность скрепера 'с ГНА определяется рядом показателей, которые можно разделить на три группы: определяющие качество, технический уровень разрабатываемой конструкции скрепера, экономические,показатели конкурентоспособности.

' Анализ показателей, определяющих технический уровень и эффективность скреперов с ГНА, свидетельствует, что при одной и той же мощности и тяговом усилии тягача и средних дальностях транспортировки грунта производительность увеличивается на 20%, материалоемкость снижается на 10%, энергоемкость на 17%, обобщенный показатель энергоемкости и материалоемкости на 25%. Эти показатели существенно повышаются,' если конструкция скрепера по соотношениям длины и высоты ковша, его вместимости приспособлены для работы с ГНА. Полученные зависимости позволили связать величину дохода, удельных проведенных затрат от параметров .скрепера, условий его эксплуатации.

5. ЭКСШРШЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

Целью экспериментальных исследований являлась проверка разработанных теоретических положений.

При этом решались .следующие задачи:

- изучение физической картины наполнения ковша с ГНА, установление характеристик процесса наполнения;

- определение рациональных характеристик ГНА;

- определение силовых характеристик процесса.

Лабораторные исследования процесса наполнения производились в грунтовом канале с моделью ковша скрепера шириной В = 0,4 м и В = 0,6 м и грунтом, приготовленным исходя из условий приближенного моделирования. Конструкция ковша позволяла изменять глубину резания, высоту ГНА, углы'отклонения пластин, ширину ззва ГНА. Тяговая станция обеспечивала движение модели ковша со скоростями: 0,138 м/с, 0,243 м/с, 0,419 м/с.

Для регистрации исследуемых характеристик процесса использовались усилитель УТ-8 и осциллограф К 12-22. В ходе экспериментов замерялись следующие величины: глубина копания, скорость движения, высота и углы расхождения грунтона-правлящих пластин, горизонтальная составляющая усилия копания. Перед кездой серией опытов производилась тарировка измерительного тракта и сравнение с первичной тарировкой.

Исследования в полевых условиях проводились на скреперах ДЗ-172, ДЗ-20, агрегатированнкх с трактором Т-фО, с целью проверки результатов экспериментов на моделях.

Обработка данных, полученных в экспериментальных исследованиях, проводилась известными методами математической статистики.

Результаты экспериментов в грунтовом канале показали, что характер изменения сопротивлений копанию и наполнению, энергоемкости процесса в зависимости от конструктивных характеристик, характеристик грунта и процесса копания соответствуют закономерностям, получешкк аналитическим путем. Отсюда следует, что рэзработанные математические модели процесса взаимодействия скрепера с ГКА с грунтом соответствуют действительности, среднее расхождение составляет 10-15%. Данные эксперимента пс-зеоляют сделать вывод о достаточно вы-

сокой эффективности предложенного метода снижения сопротивления наполнению.

При одном и том же пути заполнения скрепер с ПИ наои-рает на 25-30% грунта больше, чем скрепер традиционней конструкции.

ВЫВОДЫ

Проведенный анализ процесса наполнения ковша скреперов позволяет сделать следующие выводы:

1. Грунтонаправляквде аппараты различных видов позволяют существенно снизить сопротивление наполнению ковша и, следовательно, сопротивление копанию грунта ковшом скрепера.

2. Снииэние сопротивления наполнению при плоских плас-

с •

тинах с вертикальной или отклоненной назад на угол 10 - 15 центральной осью достигает 25-30%, если высота ГНА составляет около 0,5 Н, а коэффициент внешнего трения находится в пределах принимаемых значений. Если коэффициент внешнего трения может быть снижен до значений, близких к нулю (например, применением газовой смазки), сопротивление наполнении при плоских пластинах определяется лишь весовыми характеристиками столба грунта и снижается в 2,5-3 раза.

3. Грунтовый поток в ГНА продвигается, . замедляясь от некоторой начальной скорости до нуля, при атом .формируется скоростной напор, обусловленный кинетической энергией потока и динамический напор, образующийся .в результате снижения скорости грунта в ГНА.

В результате действия суммарного напора формируется по/

лезкое скоростное усилие, способствующее преодолению сопротивления наполнению. Это усилие составляет для современных скоростей и глубин копания до 10-15Я от сопротивления

нению и может сравняться с инерционным сопротивлением. С увеличением глубины резания полезное усилие возрастает, пропорционально квадрату глубины резания, а скоростное сопротивление пропорционально глубине.

4. Процесс отделения грунта от массива представляется как сдвиговый. Применение ГНА, а следовательно, уменьшение пригрузки на массив, приводит к увеличению угла сдвига ф. Из математической модели процесса отделения элемента стружки следует, что величина угла сдвига определяется главным образом отношением сопротивления наполнению «н к сопротивлению сдвига сВ1г. С увеличением отношения ^/авь. угол сдвига уменьшается. При отсутствии пригрузки § начале процесса наполнения угол сдвига соответствует значению, определенному по формуле Зворыкина, с увеличением игн/сВ11 на последнем этапе заполнения ковша-уменьшается до 20-25%.

5. Процесс отделения струкки от массива является циклическим, при этом цикл определяется процессом уплотнение -сдвиг элемента грунта. Путь сдвига определяется характеристиками грунта, глубиной резания, величиной пригрузки на грунт, частота, кроме этого - скоростью копания. Для средних грунтовых условий и скоростей до 1 м/с частота составляет 5-10 Гц, амплитуда достигает величины тягового усилия тягача по сцеплению.

6. Применение грунтонаправлящего аппарата снижает усилие копания в зависимости от грунтовых условий на 15-25%. Большие значения снижения характерны для малосвязных грунтов, при копании которых не только снижаются сопротивления наполнению, ко и уменьшается объем призмы волочения и, следовательно, сопротивления от перемещения этой призмы. Для средних грунтовых условий наиболее существенное снижение со-

противлений наполнению и, как следствие, сопротивлений копанию, наибольший коэффициент наполнения при уменьшении пути наполнения получены для ГНА с высотой, равной половине высоты ковша, с углами отклонения пластин от центральной оси потока р = 20° и отклонением центральной оси в ковш на 10° от вертикали."Аналогичные результаты получены для одной задней пластины, наклоненной под углом 30-40° к вертикали. .

7. Эффективность применения скреперов с ГНА несомненна. Количественная оценка ее, проведенная в соответствии с современными представлениями качества и эффективности, показала существенное повышение характеристик уровня качества. Так, производительность поЕшается на 20-25%, энергоемкость снижается на 17-20%, материалоемкость - на 10%, долговечность основных составных частей металлоконструкции поЕшается на 35-40%. Полученные характеристики соответствуют скреперу традиционной конструкции, оборудованному ГНА. При специальном проектировании скрепера с ГНА вместимость ковша увеличивается, эффективность'повышается.

8. Экспериментально показана достоверность математических моделей процесса наполнения ковша скрепера, изучена физическая картина процесса наполнения ковша с грунтонаправля-ющими аппаратами различных видов. В работе приведены результаты аналитических решений, определены энергетические харак-

■ теристики процесса, повышение производительности, повышение эргономических качеств.

9. Результаты исследований диссертации получили внедрение в учебный процесс, конструкции скреперов с ГНА разработаны в ряде дипломных проектов в широком- диапазоне Емести-мостей ковша. Данные эксперимента показали возможность повышения вместимости-ковша на 25-50%. Годовой экономический эф-

фект от использования скрепера с ГНА составляет в зависимости от условий эксплуатации от половины до полной стоимости машины.

К задачам дальнейших исследований следует отнести изучение всможностей снижения трения в ГНА, глубокое изучение процессов наполнения при различных видах'направляющи, различных способах установки пластин в ковше.

Основные положения диссертации отражены в следующих работах:

1. Ермакова Е.А. Повышение эффективности скрепера применением криволинейных направляющи потока грунта^ Сб.'тезисов докладов конференции "Совершенствование подготовки специалистов в области строительства и реконструкции зданий и сооружений", ■■ 1991.

2. Ничке В.В., Власенко И.В., Ермакова Е.А. Снижение трения в процессе наполнения ковша скрепера применением 'гру~ нтонаправляющих аппаратов. Тезисы докладов 5 научно-техшче-ской конференции "Триботехника - машиностроению" г.Новгород, 1991.

3. Ничке В.В., Шония Н.М., Власенко И.В., Ермакова Е.А. Влияние способа заполнения ковша на режимнагружения скреперного агрегата. Тезисы докладов Всесоюзной научно-технической конференции "Методы ускоренных стендовых испытаний агрегатов тракторов и с/х машин на надежность" г.Челябинск, 1991.

- 4. Кичке В.В., Ермакова S.A., Дмитриева Л.А. Ресурс машины. В книге "Создание и эксплуатация строительных машин при вариационном выборе технических решений". Бунин В.В., Ничке В.В. и др., Киев, УМК, ВО, 1392.

5. Кичке В.В,, Ермакова Е.А., Дмитриева Л.А. Методы по-

вышения надежности и эффективности. В книге "Создание и эксплуатация строительных машин при вариационном выборе технических решений". Бунин в.в., Ничке в.в. и др., Киев, умк, во, 1992.

6. Ничке В.В., Ермакова Е.А., Власенко И.В., Шония Н.М. Повышение эффективности скреперов совершенствованием процесса наполнения ковша. Материалы республиканской конференции "Повышение эффективности землеройных машин" Воронеж, 1992.

7. Шдке В.В., Ермакова O.A., Власенко- Ш.В., IDoaifl Н.М. Застосування грунтонапрямнсго пристрою для зниження робочого опору наповнення скрепера. 36. "Г1дромел1орац1я та гщротех-н1чне буд!вництво", вип. 20, 1993, Льв1в, с. 105-109.

8. Ничке В.В., Холодов A.M., Ермакова Е.А., Шония Н.М. Анализ направлений совершенствования рабочего процесса скреперов. Сб. тезисов докладов 2-й всероссийской конференции с международным участием "Повышение эффективности землеройных машин" Воронеж, 1994. '

9. Ничке В.В., Ермако'ва Е.А., Антонов H.A., Вдасенко И.В. Применение скреперов с постоянной толщиной срезаемой стружки для снятия зараженных слоев грунта. Сб. тезисов докладов международной научно-практической конференции "Актуальные вопросы охраны окружающей среда от антропогенного воздействия" Кременчуг, 1994.

10. Ш.чке В.В., Ермакова o.a. Вплив швидкост! на процес наповнення коша скрепера. "1нтенсиф1кац1я буд1вництва" 36. наукових праць за ред. проф. Хмари Л.А. К, isdo, 1994, 312с.

И. Ничке В.В., Антонов H.A., Ермакова Е.А., Рыбалко И.В. Взаимодействие ножей землеройно-транспортных машин с грунтом. Сб. докладов международной научно-технической конференции "Строительные и дорожные машины и их использование

в современных условиях", Санкт-Петербург, 1995.

12. Ничке В.В., Антонов H.A., Ермакова Е.А., Шония Н.М. Влияние характеристик рабочего процесса на надежность земле-ройно-транспортных машин. Тезисы "докладов и сообщений международной научно-технической конференции "Повышение эффективности проектирования испытаний и эксплуатации даигателей, автомобилей, вездеходных специальных строительных и дорожных машин" Нижний Новгород, 1994.

13. Ничке В.В., Антонов H.A., Ермакова Е.А. Основы теории взаимодействия режущих органов землеройно-транспорт-ных машин с грунтом (плоская задача). 36. наукових праць Харк1Еського дераавного пол1техн1чного ун!верситету (Кремен-чуцька ф1л!я) 1995, с. 48-53.

14. Ничке В.В., Антонов H.A., Ермакова Е.А., Власенко И.В., Хамза Самир. Совераенствование процесса наполнения ковша скрепера применением направляющих аппаратов. Сб. докладов международной научно-технической конференции "Строительные и дорожные машины и их использование в современных условиях". Санкт-Петербург, 1995. .

■ 15. Ничке.В.В., Антонов H.A., Ермакова Е.А. Основы теории взаимодействия режущих органов землеройно-транспортных машин с грунтом. Сб. трудов ХГАДТУ М г.Харькова, 1995 г.

15. Положительное решение на изобретение JS 4926434/03. Ковш скрепера. 1991г. Власенко И.В., Ермакова Е.А., Захаров В.И., Ничке В.В., Яблуновский B.C.

ермакова O.A. Удосконалення процесу наповнення ковша скрепера застосуванням грунтонапрямного апарату.

Дисертац1я на здобуття наукового ступеня кандидата тех-н1чних наук з спец1альност1 05.05.04 - машини для земляних i дорокн1х роб!т. Харк!вський деркавний автомоб1льно-дорожн!й техШчкий ун1взрситет, Харк1в, 1995р. '

Захшцаеться робота, яка мютить в coöi теоретичн! дос-,л1дження процесу наповнення ковша' скрепера грунтом з застосуванням грунтонапрямного апарату (ГНА), а також результата експериментальних дослхджень, виконаних методами математич-ного i ф1зичного моделввання.

Показано, що застосування ГНА дае можливЮть суттево зыеншити onip тертя на меж! рухомо! i нерухомо! зон грунту в ковш!. Де дозеоля® при ojthlfi 'i т!й же потужност! двигуна трактора копати грунт з б!льшою швидк1стю.

Зменшення опору наповнення впливае також на характер стружкотворення: змйсое кут площини зсуву, в!цстань м!к зеу-. вами, амшИтуду опору зсуву. В робот! Одержан! математичн! модел!, як! визначають вказан! характеристики процесу копан-ня.

Анал!з процесу копання грунту скрепером з ГНА показав, що основн! техн!ко-економ!чн1 показники машшш пхдвищу-ються - продуктивн1сть в 1,2-1,25 рази, довгов!чн1сть в 1,3 рази, енергоемн!сть зменшусться на 15-20%, металоемнЮть на 20%.

Ключов! слова: скрепер, грунтонапрямний апарат, шеид-. кють, тягове зусилля, ефективн1сть.

Ermakova E.A. "The perfection of process of filling burcket scraper by application soil track of apparatus".

Dissertation for an academic degree of Candidate of Sciences on specialities 05.05.04 - machines for excavation and road work. The Kharkov state automobile-road technical university, Kharkov, 1995.

The work, is protected which contains the theoretical researches of process of filling of scraper burcket by-ground by application soil track apparatus (STA), as well as results of experimental researches, executed by methods by of mathematical and physical simulation.

Is shown, that the application STA enables considerably to lower the resistance, to friction on beyond the 3cope of (border) of mobile and stationary zones of ground in the burcket. It permits at one and also the capacities of motor tractor to dig the ground with greater speed.

The reduction of resistance to filling influences aleo on nature formation of the shaving, changes the angle (corner) of area of shift, distance between shifts, amplitude of resistance to shift. Work receives the mathematical models, which define (determine) the mentioned characteristics of digging prooe33.

The analysis of digging process of ground a 3oraper with STA has shown, that principal the technological parameters of machine are increased- productivity in 1,2-1,25 times, durability in 1,3 times, power consumption decreases on 15-20 %, metal, consumption on 20 %.

The key words: scraper, soil track apparatus,

The speed, traction effort, efficiency.

Ермакова Е.А. Совершенствование процесса наполнения ковша скрепера применением грунтонаправлящего аппарата.

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук.: Харьков, 1996.

Декларация личного вклада к опубликованным работам в соавторстве.

Тп/п Поз.сп. Личный вклад по содержанию Вклад,%

1. 1. Повышение эффективности скрепера применением криволинейных направляющих потока грунта. 100%

2. 2. Определены усилия трения в ГНА. 35%

3. 3. Определены сопротивления наполнению ковша с ГНА. 25%

4. 4. Определен угол сдвига и высокие частоты нагружения. 40%

5. 5. Рассмотрена схема ГНА с плоскими стенками. 40%

6. 6. Рассмотрена базовая конструкция ГНА. 30%

7. ' 7. Определены сопротивления трению на пластинах ГНА. 30%

8. 8. Рассмотрены скреперы с пассивными ин-тенсификаторами. 20%

9. 9. Определены сопротивления наполнению скрепера с ГНА. 20%

10. 10. Определен динамический напор в ГНА. 50%

И. И. Определены пригрузки на грунт. 20%

12. 12. Определена интенсивность возрастания сопротивлений. 25%

13. 13. Изучено резание грунтов с пригрузкой на дневной поверхности. 30%

14. 14. . Проведен анализ процесса движения грунта в ГНА. 25%

•15. 15. Рассмотрено резание с пригрузкой на дневной поверхности. 30% 30%

16. 16. Предложено шарнирное соединение плит ГНА с ковшом, упор в ковше. 15%