автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.04, диссертация на тему:Совершенствование технологического процесса взаимодействия рабочих органов землеройных машин с грунтом

На правах рукописи

Данилевич Денис Владимирович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ РАБОЧИХ ОРГАНОВ ЗЕМЛЕРОЙНЫХ МАШИН С ГРУНТОМ

05.05.04 -Дорожные, строительные и подъемно-транспортные машины.

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Орел - 2005

Работа выполнена в Орловском государственном техническом университете.

Научные руководители - доктор технических наук, профессор

[Бочаров Владислав Степанович!

доктор технических наук, профессор Ушаков Леонид Семенович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Берестов Евгений Иванович

кандидат технических наук Мясищев Виталий Николаевич

Ведущая организация - Московский государственный

автомобильно-дорожный институт (технический университет)

Защита состоится '!?{>" г-^ос» 2005 года в ^часов на заседании диссертационного совета Д212.182.03 при Орловском государственном техническом университете по адресу: 302020 г. Орел, Наугорское шоссе, 29.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Орловского государственного технического университета

Автореферат разослан "¿5"" 2005 г.

Ученый секретарь . / ^

диссертационного совета Борзенков М.И.

Общая характеристика работы

Актуальность темы.

Эффективность использования строительно-дорожных машин для земляных работ зависит от полноты реализации их эксплуатационных свойств в производственных условиях, что оценивается комплексом показателей. Задача повышения эффективности машин решается путем совершенствования методов их рационального использования по мощности и времени. Первое направление предусматривает определение, изучение и оптимизацию показателей эксплуатационных свойств отдельных машин для земляных работ, в том числе тягово-скоростных свойств, использования рабочего оборудования. Второе - разработку и совершенствование рациональных параметров рабочих органов, режимов работы землеройных машин, а также теоретических основ механизма взаимодействия с рабочими средами.

В настоящее время, разработка новой, техники, применяемой в дорожном строительстве, базируется на типовых методиках расчета основных конструктивных и эксплуатационных параметров, что часто приводит к появлению заведомо неконкурентоспособных машин.

При решении задачи повышения эффективности дорожных машин, в настоящее время, возникло противоречие между традиционными методами расчета параметров рабочих органов и современными методами, базирующимися на машинно-численных методах.

Интенсивное развитие компьютерных и электронных технологий позволяет использовать прогнозирующее математическое моделирование при выборе рациональных параметров конструкций рабочих органов с учетом особенностей и характера процесса резания, режимов работы машины, а так же различных случайных факторов. При этом, сами методики расчета должны быть реализованы в виде конечных программных продуктов, предлагаемых производителям дорожной и горной техники.

Таким образом, определение усилий на режущих частях рабочих органов изучение механизма образования поверхностей скольжения, переход к машинным методам расчета и проектирования новой, высокопроизводительной дорожной техники обеспечивающей совершенствование технологического процесса является актуальной задачей для строительного и дорожного машиностроения.

Работа выполнялась в соответствии с заданием Минобразования России по программе 206.04.01.027.

Цель работы. Совершенствование методов расчета сопротивления грунта резанию рабочим органом землеройной машины путем уточнения формы поверхности скольжения

Для достижения поставленной цели были сформулированы и решены следующие задачи:

1. Провести анализ научных работ, посвященных процессам резания и копания грунтов рабочими органами дорожных машин, а также типовых методик определения сопротивления грунта резанию.

2. Разработать математическую модель процесса резания грунта, учитывающую закономерность процесса разрушения грунтов рабочим органом земле-

з

ройной машины при послойной разработке и физико-механические свойства среды.

3. Разработать экспериментальную установку с измерительно-вычислительным комплексом для исследования процесса резания грунта, провести экспериментальные исследования.

4. Установить степень влияния угла резания, призмы волочения и скорости резания на форму поверхности скольжения и формирование усилий на рабочем органе.

5. Провести серию машинно-численных экспериментов по изучению напряженно-деформированного состояния разрабатываемого грунта.

6. Выполнить сравнительный анализ теоретических и экспериментальных исследований с целью проверки адекватности предложенной математической модели.

7. Разработать научно-обоснованную методику расчета сопротивления грунта резанию.

8. Разработать практические рекомендации, определяющие требования к средствам механизации земляных работ при разработке грунтов I-IV категории.

Объектом исследования является механизм образования поверхностей скольжения в системе "рабочий орган-грунт".

Предметом исследования является процесс резания грунтов рабочим органом землеройной машины.

Методы исследования. При решении поставленных задач использованы методы системного анализа и математического моделирования на ЭВМ. Математическая модель процесса резания получена на базе реологической модели Шведо-ва-Бингама. Эксперимент осуществлялся в среде оригинала, без изменения его физико-механических свойств, в качестве автоматизированной системы научных исследований использован аппаратно-программный комплекс компании National Instruments. Проверка результатов теоретических исследований осуществлялась путем проведения стендовых и натурных экспериментов, обработка полученных данных проведена на основе методов математической статистики.

Научная новизна результатов исследования:

- разработана математическая модель процесса резания грунта, позволяющая определить, по установленным многофакторным зависимостям, изменение сил нормального и касательного давления в ходе взаимодействия системы "рабочий орган - грунт";

- изучен механизм формирования поверхностей скольжения, выполнено их математическое описание, позволяющее учитывать массу элементов стружки, показатели сцепления и адгезионной прочности грунта при определении усилий на режущих частях рабочих органов землеройных машин;

- разработана программа на ЭВМ, позволяющая рассчитывать коэффициенты, входящие в состав математической модели определения сопротивления грунта резанию;

- разработана научно-обоснованная методика проектирования рабочих органов землеройных машин и комплектации средств механизации земляных работ,

учитывающая механизм стружкообразования и усилия резания фунтов при послойной разработке грунтов НУ категории.

Достоверность полученных результатов, сформулированных в диссертации. Полученные результаты, базируются на основных положениях механики грунтов, теории упругости и пластичности, подтверждается качественным и количественным согласованием результатов теоретических и экспериментальных исследований.

Практическая ценность работы:

- полученное математическое описание поверхностей скольжения, возникающих в процессе взаимодействия рабочих органов с грунтом, позволяет производить предварительный расчет сопротивления грунтов резанию рабочими органами машин для земляных работ машинными методами;

- предложена для практического использования хозяйствующими субъектами усовершенствованная научно-обоснованная методика расчета сопротивления фунтов резанию рабочими органами машин для земляных работ;

- разработаны дополнительные требования к организации проектирования рабочих органов машин для земляных работ путем расчета сопротивления фунта резанию с учетом кривых скольжения, предложены рекомендации по совершенствованию режима эксплуатации землеройных машин;

- разработаны рекомендации, определяющие технические требования к средствам механизации земляных работ при разработке фунтов 1-1У категории.

На защиту выносятся:

- результаты анализа методик расчета сопротивления фунтов резанию рабочими органами дорожных машин;

- математическая модель сопротивления фунта резанию, позволяющая определить по установленным многофакторным зависимостям, изменение сил нормального и касательного давления в процессе взаимодействия системы "рабочий орган-фунт";

- результаты экспериментальных исследований механизма стружкообразова-ния и усилия резания фунтов при послойной разработке, позволяющие учитывать массу элементов стружки, показатели сцепления и адгезионной прочности фунта при определении усилий на режущих частях рабочих органов землеройных машин;

- научно-обоснованная методика расчета сопротивления грунта резанию с учетом кривых скольжения, позволяющая оптимизировать проектирование рабочих органов землеройных машин и режимы их эксплуатации;

- практические рекомендации, устанавливающие требования к средствам механизации земляных работ при разработке фунтов 1-1У категории и перспективные направления их дальнейшего развития.

Реализация результатов работы. Методика расчета сопротивления фунта резанию внедрена в практику расчета и проектирования рабочих органов ЗАО "НПЦ Пофузчик", ЗАО "Дормаш". Результаты диссертационного исследования используются в учебном процессе Орловского государственного технического университета и Орловского государственного афарного университета при чтении лекций, проведении практических и лабораторных занятий по соответствующим дисциплинам, дипломном проектировании, выполнении научно-исследовательских работ.

Апробация работы. Основные положения диссертационного исследования докладывались на международных, региональных и республиканских научно-технических семинарах, конференциях и симпозиумах: «Интерстроймех -2001», Санкт-Петербург, 2001г.; шестой российской научно-технической конференции «Прогрессивные технологии в транспортных системах». Оренбург, 2003г.; международной научно-практической конференции «Надежность и ремонт машин», Гагра, 2004г; научно-методических и научно-исследовательских конференциях Орел ГТУ, Орел (2001, 2002, 2003, 2004, 2005гг).

Публикации. По материалам диссертационного исследования опубликовано 9 работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, изложена на 154 с. из них 124 с. основного текста, содержит 38 рис., 16 табл., библиографию из 76 наименований и 4 приложения.

Краткое содержание диссертации

Во введении обоснована актуальность темы, сформулирована цель и поставлены задачи исследования. Изложены вопросы практической значимости результатов исследования. Сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведен анализ состояния вопроса.

Вопросам взаимодействия рабочих органов дорожных машин с грунтами и расчета возникающих сопротивлений посвящено большое количество исследований. Значительный вклад в развитие этого направления внесли ученые: А.Н. Зелениным, В.И. Баловнев, Е.И. Берестов, B.C. Бочаров, Р.С. Бурштейн, Ю.А Ветров, Д.П. Волков, A.M. Завьялов, Г.И. Клиопа, Е.М.Кудрявцев, В.П. Станевский, Н.Д. Устинкиным, В.К. Руднев, Л.С. Ушаков, И.А Недорезов, Д.И. Федоров, М.И. Эстрин и др.

Проведен анализ опубликованных в научно-технической литературе методов расчета сопротивлений грунта резанию и копанию. Установлено, что существующие в настоящее время разработки, как правило, представляют поверхности скольжения отделяющейся стружки в виде плоскости, определяемой единственным показателем - углом "сдвига стружки". Для дальнейшего развития представлений о механизме резания необходимо установить истинное движение частиц грунта при образовании стружки, в связи, с чем требуется разработать "инструмент", позволяющий фиксировать эти движения, не нарушая целостности грунта. При этом необходимо отслеживать движение частиц грунта и фиксировать их траектории.

В процессе взаимодействия рабочих органов с фунтом, в массиве, происходят деформации сжатия, сдвига и растяжения, сопровождаемые его разрывом. Важнейшей характеристикой процесса внедрения инструмента в массив является его сопротивление резанию, которое в свою очередь является многопараметрической функцией, зависящей от конструктивных параметров рабочих органов, режимов их работы и показателей физико-механических свойств грунтов.

При решении инженерных задач, связанных с исследованиями взаимодействия рабочих органов машин со средой, широко используются методы математического моделирования процессов резания грунтов, развития и динамики изучаемой системы "рабочий орган - грунт".

Применение итерационного способа отображения напряженно-деформированного состояния, при использовании метода конечных элементов, позволяет с высокой степенью точности производить расчеты параметров с учетом особенностей среды, ситуации и реальных масштабов времени.

Во второй главе "Определение сопротивления грунта резанию рабочими органами отвального типа" приведены результаты теоретических исследований. Для расчета сопротивления грунта резанию, в работе использованы зависимости, учитывающие различные физико-механические свойства среды, конструктивные и технологические параметры процесса резания грунтов, опубликованные в научно-технической и нормативной литературе.

При исследовании механизма резания грунтов, последний рассматривается как среда, в которой деформация сдвига на произвольной площадке представлена линейной функцией нормального напряжения, описываемой уравнением Кулона:

Ы = + (О

где - предельное касательное напряжение;

- предельное нормальное напряжение; - угол внутреннего трения грунта;

С - сцепление среды.

Таким образом, на сопротивление грунта резанию оказывает влияние процесс отделения грунтовой стружки, в результате развития сложного напряженного состояния массива, физико-механические свойства грунта, внутреннего и внешнего трения, а также адгезионная прочность и ряд других факторов.

При воздействии рабочего органа на массив грунта сдвиг по поверхностям скольжения осуществляется под воздействием перемещающегося инструмента, поэтому для учета динамических факторов используется коэффициент влияния скорости на сцепление, при этом выражение 2.1 принимает следующий вид:

*тах = {ёР + (2)

где =Аи)- коэффициент влияния скорости сдвига стружки на сцепление.

Рассматривая грунт как вязкопластичную среду, при ее характеристике обычно используют реологическую модель Шведова-Бингама, представляющую собой параллельное соединение моделей среды Ньютона и Прандтля.

Основываясь на выше обозначенных свойствах среды, в работе рассмотрено условие равновесия призмы грунта, ограниченной поверхностью скольжения. Модель взаимодействия системы "рабочий орган - грунт" при поступательном движении инструмента и сдвига части массива по поверхности скольжения, в условиях отсутствия уплотненного ядра, может быть представлена расчетной схемой (см. рис. 1).

Усилие, действующее со стороны рабочего органа, на массив может быть разложено на нормальную и касательную составляющие:

где

Л',г -=Nstgp+Kvitgppt S, , (3)

S/ - площадь поверхности рабочего органа, находящаяся в контакте с грун-

том;

Ки] - коэффициент, влияния скорости деформации фунта на показатели адгезионной прочности;

Р1 - адгезионная прочность грунта; р - угол внешнего трения грунта о сталь.

N,

N1

\

N,

Рисунок 1 - Модель взаимодействия рабочего органа с массивом с образованием поверхности скольжения: I - рабочий орган; 2 - поверхность скольжения

На поверхности скольжения нормальная составляющая N и касательная

N[, определяется по формуле:

de ,

N¡ = N2tg<p г Kjgtp с S2 + т)—Бг,

dt

(4)

где

Математическая модель взаимодействия рабочего органа с массивом при поступательном движении инструмента со сдвигом по поверхности скольжения, для рассматриваемого случая, с учетом свойств грунта и скорости деформации, может быть представлена системой уравнений:

£ X = iV, sin а + (Nfgp + Kyltgpp,S¡) cos a - N2 sin if -

- (N2tg<p + Kjgtp с S2 + rj —S2) cos у - 0; (5)

dt

^Y = N, cos a - {N^tgp + К¡.ltgppiSl) sin a + JV2 cos цг -

de

где N,, N2 - силЫЙо'рмального'^авЛения? \?оо¥ветстве(нно на4 "лобовую" поверхность рабочего органа и на поверхность скольжения грунта;

1а - угол наклона (резанья) рабочего органа;

у/ - угол наклона касательной к кривой скольжения;

¡р - угол внутреннего трения грунта;

K-v и - коэффициенты влияния скорости резания на показатели сцепления и адгезионной прочности;

S2 - площадь поверхности скольжения грунтовой стружки

Р\ - адгезионная прочность грунта; г} - коэффициент вязкости грунта; de

dt

- скорость деформирования грунта,

G - сила тяжести призмы грунта, ограниченной плоскостями скольжения; q - распределенная нагрузка по свободной поверхности грунта;

ISi и S2 ~ площади плоскостей скольжения;

S3hSj - площадь действия распределенной нагрузки и сцепления. Горизонтальная Paj и вертикальная Ро2 составляющие сил сопротивления движению рабочего органа определяются как сумма проекций сил Nj и N2 на соответствующие направления:

(6)

Составляющие усилия резания могут быть определены из уравнений: горизонтальная Рш:

Рт = К^р^ЫгАц + Ку сЬМп + ЬИт]Ап + ЬН2уАн +

- qbhA!5 +cbhAl6,

вертикальная

ds

P01 - A', ,piSibha[[ + Kv cbhan +bhrj—al3+bh yaH +

dt

(7)

(8)

где А11-А16, ац-а16 —/{о., р, ч>, 41) - аналитические коэффициенты.

Система уравнений (5) и полученные многофакторные зависимости (7-8) представляют собой математическую модель для определения изменения сил нормального и касательного давления в ходе взаимодействия системы "рабочий орган-грунт", при учете: геометрических параметров рабочего органа; физико-механических свойств грунта; скорости приложения нагрузки; силы тяжести грунта, ограниченного плоскостями скольжения; нагрузки, распределенной по поверхности массива.

При решении физически нелинейной упруго-пластической задачи плоской деформации массива грунта использована схема идеально пластичной среды и в качестве условия текучести - условие Кулона-Мора:

+ • [ -sin а? + ,

2 М

(сгх + а Л + т2„ -ccos<p = 0

(9)

Для решения нелинейных упруго-пластических задач при использовании метода конечных элементов приняты итерационные процедуры метода начальных напряжений, в основе, которого лежит метод упругих решений А.А. Ильюшина, состоящий в реализации серии упругих задач для изотропной среды. Существенным достоинством, данного метода является его сходимость при любой зависимости между напряжениями и деформациями.

После выполнения очередного шага итерации программный модуль по нахождению разрывов в конечно-элементной сетке производит их поиск и графическое отображение развивающейся поверхности скольжения. Процесс продолжается до момента выхода линии скольжения на поверхность массива и образования тела скольжения.

В третьей главе "Экспериментальные исследования процесса резания грунтов рабочими органами отвального типа" выполнено математическое моделирование процесса резания грунтов и проведены вычислительные эксперименты. Для этого пакет прикладных программ «Штамп» (разработанный в ОрелГТУ) был адаптирован к решению задачи резания грунтов, в связи с чем разработана исходная модель разрушаемого грунта, отдельно смоделирован рабочий орган, с помощью которого ведется процесс резания, в файл исходных данных внесены параметры, характеризующие физико-механические свойства грунта. Далее, подбирался шаг, позволяющий производить расчет с минимальными потерями времени и обеспечивающий высокую точность получаемых результатов. Использование ППП «Штамп» позволил определить развитие зоны предельного пластического состояния массива грунта при итерации внешней нагрузки (рис 2), а ее выход на поверхность массива фунта, что предопределяет направление ее миграции при дальнейшем нагружении, т.е. поверхности скольжения.

Рисунок 2 - Область пластического состояния в массиве грунта. / - рабочий орган, 2 - массив фунта; 3 - изолинии; 4 - элементы, достигшие предела текучести

Программой экспериментальных исследований предусматривалось: разработка методики исследований, выбор материалов и оборудования; определение влияния угла резания, призмы волочения, скорости резания на процесс формирования поверхности скольжения; проверка адекватности исследований проведенных машино-численным и физическим методами, принятой физической картины процесса резания фунтов.

На первом этапе экспериментальных исследований изучен процесс струж-кообразования в зависимости от физико-механических свойств фунтов и технологических особенностей выполнения земляных работ. На втором этапе проведено физическое моделирование исследуемых процессов.

Для лабораторных исследований, проведенных в Орловском государственном техническом университете на кафедре "Автомобили и строительные, дорожные машины", принята методика физического моделирования, разработанная проф. В.И. Балов-

10

невым При этом эксперимент осуществлялся в среде оригинала, без изменения его физико-механических свойств.

Для проведения стендовых исследований процессов резания грунтов моделями рабочих органов и элементарными профилями, автором была разработана и изготовлена на заводе "Погрузчик" испытательная установка "Стенд-имитатор", позволяющая решать поставленные в работе задачи, а также изучать рабочие процессы землеройных машин. На основе технологий National Instruments и пакета LabVIEW разработан измерительно-вычислительный комплекс к испытательной установке "Стенд-имитатор", в котором аналоговые сигналы (давление, усилие, перемещение) с первичных преобразователей поступают на многоканальный АЦП, по заданным алгоритмам преобразуются в цифровые сигналы, соответствующие измеряемым величинам в выбранной системе единиц и автоматически преобразует в исследуемые зависимости. На рис.3 показана структурная схема "виртуального" прибора управления установкой "Стенд-имитатор", на которой представлена работа автоматизированного процесса измерения и обработки данных при помощи виртуальных инструментов LabVIEW.

Рисунок 3 - Структурная схема "виртуального" прибора

При резании грунта на испытательной установке "Стенд-имитатор" моделью бульдозерного ножа шириной 0,30 м, установленного с углом резания 45° при температуре 20° С, выявлено, что возникающие усилия, существенно зависят от скорости перемещения. Результаты, полученные с помощью системы LabVIEW, подтверждают факт роста усилий при увеличении скорости деформации (рис. 4). Установлено, что поверхность скольжения развивается постепенно (длительность скола - 0,1 - 2с (рис. 5)), причем с увеличением числа пластичности, увеличивалось и время развития поверхности скольжения.

Рисунок 4 - График зависимости силы резания от скорости резания при точщине среза 0,05 м и угле резания 50°

—1—.—1—---- -'—г1— ---^--1 t

1

, ', 1 . . .1

' Т . 1 . ' !

-- 'Л ] 1 1 р , 1 , К" 1 1" --1 |

1 1 , >

Ч / ч/ - :

1 1 1 1 1 I

> > л

Рисунок 5 - Падение сопротивления резанию в момент скола

Результаты исследований показывают (см рис 6), что по мере уменьшения угла резания для всех типов грунтов отмечается незначительное снижение кривизны поверхностей скольжения и уменьшение (10-15%) поперечной площади поверхности скольжения При этом увеличение призмы волочения не оказывает существенного влияния на поперечную площадь поверхности скольжения Малое изменение поперечной площади поверхности скольжения при уменьшении угла резания объясняется увеличением доли грунта приходящегося на поверхность ножа Эти особенности позволили дать объяснения, установленным закономерностям снижения сопротивления резанию грунта при уменьшении угла резания

Рисунок 6 Изменение площади стружки в зависимости от угла резания

Для определения влияния призмы волочения на характер образования и форму поверхности скольжения в процессе резания, проводились измерения поперечной площади образующихся поверхностей скольжения. Результаты экспериментальных исследований графически представлены на рисунке 7.

Рисунок 7- Влияние массы призмы волочения на площадь стружки, ограниченной поверхностями скольжения

Полученные результаты, свидетельствуют о том, что на начальной стадии формирования призмы волочения ее масса оказывает значительное влияние на поперечную площадь образующихся поверхностей скольжения. Дальнейший рост объема призмы волочения не вызывает значительных изменений площади стружки, о чем свидетельствует пологий участок (см. рис 7).

Физическое моделирование процесса резания грунтов проводилось на бульдозерах ДЗ-42Г и ДЗ-171.1, работающих на строительных площадках "Орелдорст-роя". Обработка полученных результатов проводилась путем сканирования фотоснимков (см. рис.8), определения площади тела скольжения и нахождении координат точек, характеризующих исследуемую поверхность скольжения. По полу-

ченным данным строились аппроксимирующие функции, из которых выбиралась одна, с наибольшей достоверностью (Я2) (см табл 1), где Я - достоверность аппроксимации, отображает близость линии тренда к фактическим данным

Рисунок 8 - Процесс формирования тела скольжения 1- отвал, 2- грунт, 3- прозрачная стенка, 4- поверхность скольжения, 5- размерная шкала

Оценка достоверности аналитических исследований, полученных при математическом моделировании резания грунта моделью рабочего органа, была проведена путем сравнения с результатами, полученными при испытаниях физической модели рабочего органа дорожной машины на испытательной установке "Стенд-имитатор", а также результатов расчетов методом конечных элементов

В табл 1 представлены аппроксимирующие функции поверхности скольжения, дискриминация моделей, которых производилась с помощью критерия Фишера

Таблица 1

Достоверность результатов аппроксимации поверхностей скольжения

Грунт Песок Супесь Суглинок Глина

Вид аппроксимирующей функции у = ах+Ь у = а+Ьх + схг у = ахь у = а1Ъх

Достоверность аппроксимации (Я2) 0,985 0,98 0,98 0,98

Критерий Фишера Рт«бл 5,1 5,1 5,1 5,1

Критерий Фишера ^Фнш р 1,025 1,021 1,5 0,67

В четвертой главе диссертации выполнен анализ результатов исследований и получено технико-экономическое обоснование эффективности результатов исследований. Разработаны практические рекомендации, устанавливающие требования к средствам механизации земляных работ при разработке грунтов 1-1У категории и алгоритмы, позволяющие рассчитывать конструктивные параметры рабочих органов или эксплуатационные характеристики дорожных машин и вы-

явления оптимального распределения парка машин по рабочим объектам путем расчета сопротивления грунта резанию с учетом функций кривых скольжения.

В качестве основных рекомендаций предложено, для достоверного определения сопротивлений грунта резанию необходим учет помимо геометрических факторов, физико-механических свойств грунтов и особенностей самого процесса резания, в том числе и поверхностей скольжения, для снижения энергозатрат процесса копания грунтов целесообразно использовать конструкцию бульдозерного оборудования, которая позволяла бы осуществлять заглубление отвала в грунтовый массив с большим углом (70...75 ) и в последующем процессе движения бульдозера уменьшать угол резания до наименьшего (35 45°), допустимого, значения.

Предложена методика расчета расхода топлива дорожных машин, с учетом затрат тягового усилия на заглубление отвала Данная методика предназначена для нормирования расхода топлива машин, в которых силовой установкой являются дизельные двигатели, а их эксплуатация организована при выполнении прогрессивных технологических операций в строительных работах и рациональной организации труда.

Дальнейшие расчеты показали, что годовой экономический эффект при расчете расхода топлива с учетом коэффициента, учитывающего затраты тягового усилия при максимальном заглублении отвала на 50 списочных единиц для 1-ой категории грунтов достигает 13,1 тыс. руб., для Ш-й категории 43,7 тыс. руб (рис.9). Экономия составляет от 19 до 70 тыс. руб

Анализ полученных результатов показывает, что при эксплуатации дорожных машин расход топлива необходимо рассчитывать индивидуально для каждой отдельно взятой машины, с учетом всех факторов связанных с разработкой грунтов, в первую очередь учет глубины резания и сопротивления резанию грунтов. При полномасштабном внедрении предложенной методики ее эффективность значительно увеличится.

Рисунок 9 - Зависимость расхода топлива от использования тягового усилия бульдозера на грунтах Ш - ой категории

Заключение

В результате выполненного уточнения связей и закономерностей процессов взаимодействия землеройных машин с рабочими средами, обосновывающих методику определения сопротивления фунта резанию с учетом поверхностей скольжения, решена актуальная научно-техническая задача по совершенствованию (технологического процесса при послойной разработке фунтов) методов расчета сопротивления грунта резанию.

На основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований были получены результаты и сделаны следующие выводы:

1. Установлено, что одним из основных факторов, характеризующим процессы резания и копания является образование поверхности скольжения отделяющейся стружки. Характер стружкообразования непосредственно влияет как на объем фунтового потока, сопротивление резанию, так и на величину его колебания, вызванного преодолением сцепления на поверхности скольжения.

2. В научных исследованиях, связанных с разработкой фунтов землеройными машинами, поверхности скольжения представляются в виде плоскости, характеризуемой углом сдвига стружки, что является частным случаем.

3. Разработана математическая модель, процесса резания фунта, учитывающая закономерность процесса разрушения фунтов рабочим органом землеройной машины при послойной разработке и физико-механические свойства среды, а также позволяющая определить по установленным многофакторным зависимостям, изменение сил нормального и касательного давления в ходе взаимодействия системы "рабочий орган - фунт";

4. В результате изучения механизма формирования поверхностей скольжения получено их математическое описание, позволяющее выполнять расчет параметров, характеризующих процесс стружкообразования, в зависимости от типа фунта, учитывать массу элементов стружки, показатели сцепления и адгезионной прочности фунта при определении усилий на режущих частях рабочих органов землеройных машин. При этом для упрощения расчетов и повышения точности полученных результатов использован профаммный пакет Microsoft Excel.

5. Разработана и изготовлена испытательная установка "Стенд-имитатор" с измерительно-вычислительным комплексом, позволяющая исследовать процессы резания фунтов моделями рабочих органов и изучать рабочие процессы машин землеройных машин.

6. В результате экспериментальных исследований выявлено, что на форму поверхности скольжения и формирование усилий на рабочих органах оказывает влияние угол резания, призма волочения и скорость резания. Установлено, что снижение сопротивления фунта резанию наблюдается при изменении угла резания с 60° до 30° (уменьшение поперечной площади стружки до 20%); по мере формирования призмы волочения происходит увеличение поперечной площади на 3 - 17% (в зависимости от типа фунта) образующихся поверхностей скольжения. Увеличение скорости резания с 0,5 м/с до 5 м/с в диапазоне рабочих скоростей землеройно-транспортных машин существенного влияния на процесс стружкообразования и размеры тел скольжения не оказывает.

7. Использованием итерационного процесса начальных напряжений при моделировании методом конечных элементов перехода разрабатываемого грунта в пластическое состояние, позволило получить функциональное описание поверхностей скольжения для основных типов грунтов. Для песчаных грунтов кривая скольжения описывается линейной функцией; супесей - степенной зависимостью; суглинков и глин соответственно - полиномом второй степени и экспонентой.

8. Предложен алгоритм и научно-обоснованная методика расчета сопротивления резанию грунта с учетом кривых скольжения, позволяющая оптимизировать проектирование рабочих органов землеройных машин и режимы их эксплуатации при послойной разработке грунтов.

9. Предложены практические рекомендации, устанавливающие требования к средствам механизации земляных работ при разработке грунтов ¡-IV категории.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах

1. Данилевич, Д.В. Сопротивление грунтов резанию /Д.В. Данилевич // Сб.научн. трудов «Известия ОрелГТУ», Орел: ОрелГТУ, 2001. - С. 34-35.

2. Данилевич, Д.В. К вопросу расчета сопротивления резанию грунтов / B.C. Бочаров, Д. В. Данилевич // Труды международной научно-технической конференции ИНТЕРСТРОЙМЕХ - СПб.: СПбГТУ, 2001-С. 115-118.

3. Данилевич, Д.В. Особенности взаимодействия элементов рабочего оборудования с грунтом /Д.В. Данилевич //Сб.научн. трудов «Известия ОрелГТУ», Орел: ОрелГТУ, 2003. - С. 106-108.

4. Данилевич, Д.В. Математическая модель определения сопротивления грунта резанию /Д.В. Данилевич //Труды международной научно-технической конференции «Прогрессивные технологии в транспортных системах» - Оренбург: ГОУВПО ОГУ, 2003-С. 78-80.

5. Данилевич, Д.В. Учет формы поверхностей скольжения в расчетах сил сопротивления грунтов резанию /Д.В. Данилевич //Труды международной научно-технической конференции - Могилев: ВБРГТУ МГТУ, 2004.

6. Данилевич, Д.В. Методика исследования процесса стружкообразования /Д.В. Данилевич // Сборник материалов международной научно-технической конференции - Гагра 2004- С. 117-120.

7. Данилевич, Д.В. Экономическая эффективность уточненной методики расчета сопротивления грунта резанию / Л.С. Ушаков, Д.В. Данилевич //Известия ОрелГТУ Естественные науки №3-4, 2004. - С. 88-92.

8. Данилевич, Д.В. Разработка фунтов бульдозерным оборудованием при регулировании угла резания/ Д.В. Данилевич, А.В. Паничкин, B.C. Бочаров // Горный информационно-аналитический бюллетень - М.: МГТУ - 2004

9. Данилевич, Д.В. Экономическая эффективность уточненной методики расчета сопротивления грунта резанию /Л.С.Ушаков, Д.В. Данилевич // Труды международной научно-технической конференции - Ставрополь: СтГАУ, 2004-С. 27-31.

Подписано к печати « 22 » апреля 2005г. Объем 1 пл. Тираж 100 экз. Заказ № 39/05п

Отпечатано на полиграфической базе Орловского государственного технического университета 302020, г. Орел Наугорское шоссе, 29

от - Rf.w

339

19 Mí Я Щ

Введение

Глава 1. Особенности математического моделирования сопротивления грунтов резанию рабочими органами землеройных машин

1.1 Особенности процесса резания грунтов

1.2 Методы определения сопротивлений грунта резанию и копанию

1.3 Влияние скорости резания грунтов на возникающие сопротивления

1.4 Методы математического моделирования напряженно-деформированного состояния среды 29 Выводы. Цель и задачи исследования

Глава 2. Определение сопротивления грунта резанию рабочими органами отвального типа

2.1 Физическая картина процесса резания грунтов

2.2 Математическая модель определения сопротивления грунта резанию

2.3 Моделирование упруго-пластического состояния разрабатываемого грунта путем уточнения формы поверхностей скольжения

2.4 Аналитическое определение разрывов сплошной среды и обоснование принятого критерия текучести 56 Выводы

Глава 3. Экспериментальные исследования процесса резания грунтов рабочими органами отвального типа

3.1 Методика, оборудование и материалы экспериментальных исследований

3.2 Экспериментальные исследования процесса резания грунтов с применением системы Lab VIEW

3.3 Оценка влияния факторов процесса резания грунтов на форму поверхности скольжения

3.3.1 Влияние угла резания на форму поверхностей скольжения

3.3.2 Влияние призмы волочения на форму поверхностей скольжения

3.3.3 Влияние скорости резания на форму поверхностей скольжения

3.4 Адекватность результатов аналитического исследования 86 Выводы

Глава 4 Методика расчета сопротивления грунта резанию рабочими органами отвального типа

4.1 Аппроксимация кривых скольжения

4.2 Методика расчета сопротивления грунта резанию с учетом функций кривых скольжения

Актуальность темы.

Эффективность использования строительно-дорожных машин для земляных работ зависит от полноты реализации их эксплуатационных свойств в производственных условиях, что оценивается комплексом показателей. Задача повышения эффективности машин решается путем совершенствования методов их рационального использования по мощности и времени. Первое направление предусматривает определение, изучение и оптимизацию показателей эксплуатационных свойств отдельных машин для земляных работ, в том числе тягово-скоростных свойств, использования рабочего оборудования. Второе - разработку и совершенствование рациональных параметров рабочих органов, режимов работы землеройных машин, а также теоретических основ механизма взаимодействия с рабочими средами.

В настоящее время, разработка новой, техники, применяемой в дорожном строительстве, базируется на типовых методиках расчета основных конструктивных и эксплуатационных параметров, что часто приводит к появлению заведомо неконкурентоспособных машин.

При решении задачи повышения эффективности дорожных машин, в настоящее время, возникло противоречие между традиционными методами расчета параметров рабочих органов и современными методами, базирующимися на машинно-численных методах.

Интенсивное развитие компьютерных и электронных технологий позволяет использовать прогнозирующее математическое моделирование при выборе рациональных параметров конструкций рабочих органов с учетом особенностей и характера процесса резания, режимов работы машины, а так же различных случайных факторов. При этом, сами методики расчета должны быть реализованы в виде конечных программных продуктов, предлагаемых производителям дорожной и горной техники.

Таким образом, определение усилий на режущих частях рабочих органов изучение механизма образования поверхностей скольжения, переход к машинным методам расчета и проектирования новой, высокопроизводительной дорожной техники обеспечивающей совершенствование технологического процесса является актуальной задачей для строительного и дорожного машиностроения.

Работа выполнялась в соответствии с заданием Минобразования России по программе 206.04.01.027.

Цель работы. Совершенствование методов расчета сопротивления грунта резанию рабочим органом землеройной машины путем уточнения формы поверхности скольжения

Для достижения поставленной цели были сформулированы и решены следующие задачи:

1. Провести анализ научных работ, посвященных процессам резания и копания грунтов рабочими органами дорожных машин, а также типовых методик определения сопротивления фунта резанию.

2. Разработать математическую модель процесса резания грунта, учитывающую закономерность процесса разрушения грунтов рабочим органом землеройной машины при послойной разработке и физико-механические свойства среды.

3. Разработать экспериментальную установку с измерительно-вычислительным комплексом для исследования процесса резания грунта, провести экспериментальные исследования.

4. Установить степень влияния угла резания, призмы волочения и скорости резания на форму поверхности скольжения и формирование усилий на рабочем органе.

5. Провести серию машинно-численных экспериментов по изучению напряженно-деформированного состояния разрабатываемого грунта.

6. Выполнить сравнительный анализ теоретических и экспериментальных исследований с целью проверки адекватности предложенной математической модели.

7. Разработать научно-обоснованную методику расчета сопротивления грунта резанию.

8. Разработать практические рекомендации, определяющие требования к средствам механизации земляных работ при разработке грунтов I-IV категории.

Объектом исследования является механизм образования поверхностей скольжения в системе "рабочий орган-грунт".

Предметом исследования является процесс резания грунтов рабочим органом землеройной машины.

Методы исследования. При решении поставленных задач использованы методы системного анализа и математического моделирования на ЭВМ. Математическая модель процесса резания получена на базе реологической модели Шведова-Бингама. Эксперимент осуществлялся в среде оригинала, без изменения его физико-механических свойств, в качестве автоматизированной системы научных исследований использован аппаратно-программный комплекс компании National Instruments. Проверка результатов теоретических исследований осуществлялась путем проведения стендовых и натурных экспериментов, обработка полученных данных проведена на основе методов математической статистики.

Научная новизна результатов исследования:

- разработана математическая модель процесса резания грунта, позволяющая определить, по установленным многофакторным зависимостям, изменение сил нормального и касательного давления в ходе взаимодействия системы "рабочий орган - грунт"; изучен механизм формирования поверхностей скольжения, выполнено их математическое описание, позволяющее учитывать массу элементов стружки, показатели сцепления и адгезионной прочности грунта при определении усилий на режущих частях рабочих органов землеройных машин;

- разработана программа на ЭВМ, позволяющая рассчитывать коэффициенты, входящие в состав математической модели определения сопротивления грунта резанию;

- разработана научно-обоснованная методика проектирования рабочих органов землеройных машин и комплектации средств механизации земляных работ, учитывающая механизм стружкообразования и усилия резания грунтов при послойной разработке грунтов 1-1V категории.

Достоверность полученных результатов, сформулированных в диссертации. Полученные результаты, базируются на основных положениях механики грунтов, теории упругости и пластичности, подтверждается качественным и количественным согласованием результатов теоретических и экспериментальных исследований.

Практическая ценность работы:

- полученное математическое описание поверхностей скольжения, возникающих в процессе взаимодействия рабочих органов с грунтом, позволяет производить предварительный расчет сопротивления грунтов резанию рабочими органами машин для земляных работ машинными методами;

- предложена для практического использования хозяйствующими субъектами усовершенствованная научно-обоснованная методика расчета сопротивления грунтов резанию рабочими органами машин для земляных работ; разработаны дополнительные требования к организации проектирования рабочих органов машин для земляных работ путем расчета сопротивления грунта резанию с учетом кривых скольжения, предложены рекомендации по совершенствованию режима эксплуатации землеройных машин;

- разработаны рекомендации, определяющие технические требования к средствам механизации земляных работ при разработке грунтов 1-1У категории.

На защиту выносятся:

- результаты анализа методик расчета сопротивления грунтов резанию рабочими органами дорожных машин;

- математическая модель сопротивления грунта резанию, позволяющая определить по установленным многофакторным зависимостям, изменение сил нормального и касательного давления в процессе взаимодействия системы "рабочий орган - грунт";

- результаты экспериментальных исследований механизма стружкообразования и усилия резания грунтов при послойной разработке, позволяющие учитывать массу элементов стружки, показатели сцепления и адгезионной прочности грунта при определении усилий на режущих частях рабочих органов землеройных машин;

- научно-обоснованная методика расчета сопротивления грунта резанию с учетом кривых скольжения, позволяющая оптимизировать проектирование рабочих органов землеройных машин и режимы их эксплуатации;

- практические рекомендации, устанавливающие требования к средствам механизации земляных работ при разработке грунтов 1-1У категории и перспективные направления их дальнейшего развития.

Реализация результатов работы. Методика расчета сопротивления грунта резанию внедрена в практику расчета и проектирования рабочих органов ЗАО "НПЦ Погрузчик", ЗАО "Дормаш". Результаты диссертационного исследования используются в учебном процессе Орловского государственного технического университета и Орловского государственного аграрного университета при чтении лекций, проведении практических и лабораторных занятий по соответствующим дисциплинам, дипломном проектировании, выполнении научно-исследовательских работ.

Апробация работы. Основные положения диссертационного исследования докладывались на международных, региональных и республиканских научно- технических семинарах, конференциях и симпозиумах: «Интерстроймех -2001», Санкт-Петербург, 2001г.; шестой российской научно-технической конференции «Прогрессивные технологии в транспортных системах». Оренбург, 2003г.; международной научно-практической конференции «Надежность и ремонт машин», Гагра, 2004г; научно-методических и научно-исследовательских конференциях Орел ГТУ, Орел (2001, 2002, 2003, 2004, 2005гг).

Публикации. По материалам диссертационного исследования опубликовано 9 работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, изложена на 154 с. из них 124 с. основного текста, содержит 38 рис., 16 табл., библиографию из 76 наименований и 5 приложений.

Основные выводы и предложения

Комплекс проведенных теоретических и экспериментальных исследований позволил сделать следующие выводы:

1. Исследования в области резания грунтов были начаты еще в начале прошлого века и продолжаются, по сей день. Несмотря на большой объем проделанной работы, остается ряд вопросов. Одним из таких вопросов является вопрос о роли поверхностей скольжения на процесс резания грунтов требующий дальнейшей проработки.

2. Установлено, что образование поверхностей скольжения отделяемого от массива элемента грунта является одним из основных факторов, характеризующих процессы резания и копания, а величина элементов "стружки" или так называемых тел скольжения непосредственно влияет как на объем грунтового потока, на сопротивления резанию, так и на величину их колебаний, вызванных преодолением сцепления на поверхности скольжения.

3. Существующие разработки, представляют поверхности скольжения в виде плоскости, определяемой единственным показателем — углом сдвига стружки, установление истинного движения частиц при образовании стружки требует разработки "инструмента", позволяющего проследить движение частиц грунта и фиксировать траекторию движения, не нарушая целостности грунта.

4. Анализ факторов, используемых для расчета сопротивления грунта резанию показал, что далеко не все реально действующие факторы учитываются, а анализируемые методики не отражают в полной мере физическую картину процесса резания грунта, вследствие чего результаты аналитических расчетов и фактические значения силовых параметров для отдельных категорий грунтов существенно разнятся.

5. Грунт рассматривается в общем случае как среда, в которой сопротивление грунта сдвигу по данной площадке - линейная функция нормального напряжения. При перемещении режущего инструмента происходит деформация грунтового массива и при достижении предельных значений прочности происходит разрушение структурных связей грунта или его пластическое деформирование, что приводит к сколу некоторого объема грунта.

6. Разработанная математическая модель, взаимодействия рабочих органов землеройных машин со средой (2.14, 2.26, 2.27), учитывает конструкцию и скорости перемещения рабочего органа, различные грунтовые условия, свойства среды и обеспечивает определение величины возникающих сопротивлений.

7. Моделирование на ЭВМ перехода разрабатываемого грунта в пластическое состояние под воздействием внешней нагрузки обеспечивается методом конечных элементов с использованием итерационного процесса начальных напряжений. Итерационные процедуры, метода начальных напряжений, состоящего в реализации упругих задач для изотропной среды, обеспечивают сходимость при любой зависимости между напряжениями и деформациями.

8. Экспериментальные исследования активного взаимодействия со сдвигом на модели рабочего органа отвального типа подтверждают что форма поверхности скольжения и размеры стружки в разной степени зависят от факторов характеризующих процесс резания. Так, при уменьшении угла резания с 60° до 30° наблюдается уменьшение поперечной площади стружки, а при увеличении массы призмы волочения не зависимо от типа грунта наблюдается увеличение поперечной площади стружки. Увеличение скорости резания с 0,5м/с до 5 м/с в диапазоне рабочих скоростей землеройно-транспортных машин существенного влияния на процесс ъ стружкообразования и размеры тел скольжения не оказывает (до 8 %).

9. Формы поверхности скольжения, полученные в ходе модельных и натурных экспериментов, а также результаты, полученные на конечно элементной модели грунта идентичны, что позволяет осуществить их функциональное описание в зависимости от типа грунта.

10. Математическая модель активного взаимодействия рабочих органов со средой установленная в главе 2 в результате аналитических исследований, отвечает результатам экспериментов. Она позволяет с точностью 5. 10 % определять возникающие сопротивления ковшовых и отвальных рабочих органов, вертикальных ножей при активном взаимодействии со сдвигом.

11. Установлено, что функции описывающие поверхности скольжения изменяются от линейной, на песчаных грунтах, до экспоненциальной, на глинах. При резании грунтов с другими показателями физико-механических свойств поверхности скольжения стружки будут занимать промежуточные значения [23, 30].

12. Функциональные зависимости (4.1 — 4.4.1) позволяют выполнять расчет параметров характеризующих процесс стружкообразования в зависимости от типа грунта. Разработана уточненная методика расчета сопротивления грунта резанию при учете формы поверхности скольжения. Для упрощения расчетов и повышения точности полученных результатов используется ЭВМ с программным пакетом Microsoft Excel.

13. Предложена методика расчета сопротивления резанию грунта с учетом функций кривых скольжения и представлена в алгоритмическом виде (рис. 4.5-4.6). Эффективное функционирование методики обеспечивается при соблюдении всех инструкций и ведении документации.

14. Разработаны практические рекомендации, устанавливающие требования к средствам механизации земляных работ при разработке грунтов I-IV категории и предложены перспективные направления, которые полностью согласуются и дополняют рекомендации других исследователей: Зеленина, Ветрова и др. авторов [31, 34, 63].

15. Разработана уточненная методика расчета расхода топлива МЗР с учетом затраты тягового усилия на заглубление отвала. Введен поправочный коэффициент, величина которого учитывает режим сопротивления грунта резанию.

16. Установлено, что на 1-ой категории грунтов нормативный расход топлива завышен по сравнению с фактическим на 13,3% при максимальном заглублении отвала, а при минимальном на 16,3%. Для П-ой категории грунтов нормативный расход топлива завышен по сравнению с фактическим на 14,7% при максимальном заглублении отвала, а при минимальном на 30,4%. При работе на Ш-й категории грунтов расход топлива занижен на 3,8%, в тоже время при минимальном заглублении отвала расход топлива завышен на 32,5%.

17. Установлено, что машина работая на 1-ой категории грунтов используется не эффективно, так как только 10% тяговой мощности расходуется на полезную работу. В то же время, при заглублении отвала более чем на 0,27 м будет расходовать всю тяговую силу на резание грунта. Согласно технической характеристике максимальная глубина резания составляет 0,3 м., соответственно, при заглублении от 0,27 до 0.3 м бульдозер будет работать в режиме перегрузки двигателя, что недопустимо.

18. Уточненная методика расчета расхода топлива с учетом коэффициента учитывающего режим сопротивления грунта резанию позволяет разработать электронный справочник, содержащий банк данных, включающий тип МЗР, технические характеристики, нормативные показатели, условия эксплуатации и результирующие показатели, обеспечивающие их работу с наивысшей производительностью и экономичностью.

19. При планировании работ эксплуатирующая организация должна предварительно выполнять расчет по определению расхода тягового усилия на преодоление сопротивления резанию грунта, для обеспечения оптимальных показателей производительности и экономичности техники.

4.3 Практические рекомендации

Результаты проведенных исследований, учитывающих особенности взаимодействия средств механизации с разрабатываемыми грунтами, позволили определить перспективные направления и установить требования к средствам механизации разработки грунтов 1-1V категорий:

1. Рабочие органы должны обеспечивать пространственно-временное разрушение грунтов, при этом удельная мощность, подводимая к среде в целом и ее элементарному объему должна быть достаточна для предельного разрушения ее структуры.

2. Диапазон изменения совокупности воздействий на грунты по величине удельной мощности должен соответствовать диапазону изменения их физико-механических свойств, выбор параметров воздействия осуществляется таким образом, чтобы они могли изменяться в соответствии с изменением свойств среды. Оптимальное решение этой задачи заключается в совершенствовании конструкций землеройной техники оснащаемой системами автоматического регулирования положение рабочего оборудования.

3. Для достоверного определения сопротивлений грунта лобовому резанию необходим учет помимо геометрических факторов, физико-механических свойств грунтов и особенностей самого процесса резания, в том числе и поверхностей скольжения. Игнорирование таких показателей, как сцепление и адгезионная прочность, особенно, грунтов с высоким сцеплением (Рг), принятие допущения о невесомости разрушаемой среды, приводит исследователя к упрощенным зависимостям вида Рр=к,Ыг [17, 47]. Расхождение с полученными данными составляет до 25% на песчаных и глинистых грунтах 8-15% на супесях и суглинках.

4. Для уменьшения возникающих сопротивлений, при заглублении бульдозерного отвала, угол его установки в существующих конструкциях принимают равным 55.60°, что приводит к увеличению сопротивления грунтов резанию. Для снижения энергозатрат процесса копания грунтов целесообразно использовать конструкцию бульдозерного оборудования, которая позволяла бы осуществлять заглубление отвала в грунтовый массив с большим углом (70.75°) и в последующем процессе движения бульдозера уменьшать угол резания до наименьшего (35.45°), допустимого, значения.

5. Обеспечение минимальной силы резания отвалами и ковшами землеройных машин целесообразно принимать: большее отношение ширины резания к глубине (7-10), при меньших углах резания. Целесообразно применять антифрикционные покрытия режущей части рабочих органов. Перспективны конструкции землеройных машин, позволяющие отделять процесс резания от процесса наполнения ковшей и устраняющие призму волочения.

Предложенные перспективные направления и установленные требования на основе результатов проведенных исследований дополняют рекомендации других исследователей: Зеленина, Ветрова и др. авторов.

4.4 Экономическая эффективность рекомендаций уточненной методики расчета сопротивления грунта резанию

Затраты на эксплуатацию самоходной техники по своему составу и структуре, методам расчета элементов затрат весьма различаются в зависимости от вида и типа машин.

Основные (технологические) затраты для СДМ связаны с выполнением технологических операций в дорожном строительстве и т.п. к ним относятся расходы на основную заработную плату машинистов (операторов), топливо, смазочные и прочие эксплуатационные материалы, на восстановление и ремонт шин и быстроизнашивающихся элементов, на техническое обслуживание и ремонты. Технологические затраты составляют около 80% общей суммы эксплуатационных затрат [41].

По признаку связи с выполнением технологических операций СДМ затраты подразделяются на переменные, постоянные и условно-постоянные.

К переменным относятся прежде всего расходы на топливо, смазочные и прочие эксплуатационные материалы, техническое обслуживание и ремонт МЗР.

К постоянным относятся общепроизводственные и общехозяйственные расходы (расходы на содержание административно-управленческого персонала, обслуживающих и вспомогательных хозяйств, внепроизводственные расходы).

К условно-постоянным относятся заработная плата операторов (машинистов) МЗР (основная и дополнительная), которая зависит от объема произведенной работы в тоннах, выполнения установленных норма, а также от размеров материального стимулирования за улучшение эксплуатационных показателей МЗР и амортизация машин, нормы начисления которой рассчитаны в зависимости от стоимости машины и величины наработки. По способу включения в себестоимость продукции или затрат на эксплуатацию машин и оборудования при составлении калькуляций затраты делятся на прямые и косвенные.

В процессе развития производства при внедрении новой техники, проведении мероприятий по научной организации труда, поступлении более эффективных средств механизации изменяются действующие нормы затрат.

Производительность бульдозера при разработке и перемещении грунта определяется по типовой методике [19].

Затраты на энергоносители для двигателей внутреннего сгорания рассчитываются по формуле:

Сэ=Рт \¥т Тг, (4.14) где Рт — цена топлива, руб/кг, т — часовой расход топлива, кг/маш.-ч.

Тг - годовая наработка, ч;

Предлагается уточненная методика расчета расхода топлива МЗР, с учетом затрат тягового усилия на заглубление отвала. Данная методика предназначена для нормирования расхода топлива машин, в которых силовой установкой являются дизельные двигатели, а их эксплуатация организована при выполнении прогрессивных технологических операций в строительных работах и рациональной организации труда [6, 61, 57].

Методика расчета уточнённой нормы расхода топлива и экономической эффективности эксплуатации парка машин с учетом поправочного коэффициента на категорию грунта для дизельных двигателей МЗР представлена в Приложении 4.

При планировании работ учитывается глубина резания, мощность двигателя, расход тягового усилия на преодоление сопротивления резанию грунта, что позволяет уточнить часовой расход топлива при работе на различных категориях грунтов. Расчет для различного парка машин и его списочного состава выполнен по предлагаемой методике и графически представлен на рисунках 4.7-4.9. В расчетах стоимость топлива принята исходя из его цены на 4-й квартал 2004 года.

20000

10000

16000

14000

Ю >> т" 12000 ш с.

С 10000

Сz о

X о сс

CL

3000

6000

4000

2000

0.1

0,15 0,2 0,25

Глубина резания, м

МЛ2Э2

1-1X285 ■—.^ 1 16059 10706

-вйй1.- J £-6361- л

С 5353

-S&2- Нйй- Г Д11 »-530- ► 214

0,3

1 кат/10 -1 кат/25 -1 кат/50 -1 кат/75

Рис. 4.7 Зависимость расхода топлива от использования тягового усилия бульдозера при разработке грунтов I- ой категории

При этом, можно увидеть, что на 1-ой категории грунтов нормативный расход топлива завышен по сравнению с фактическим на 13,3% при максимальном заглублении отвала, а при минимальном на 16,3%. О о.

Ш т к с; с о ч: о X о О а.

2«ггЛ0 -НИ— 2 ют/25

-2 чат/50 2 кат/7Ь

60000 бодао

49031

430)-1

4О000 зоооо

20000

15783

Глубина резаний,м

Рис. 4,8 Зависимость расхода топлива от использования тягового усилия бульдозера при разработке грунтов II - ой категории

Для П-ой категории грунтов нормативный расход топлива завышен по сравнению с фактическим на 14,7% при максимальном заглублении отвала, а при минимальном на 30,4%.

-ЗгатЛО -3 катЙЗ

- 3 кзт/50 -Зкаг/75

Глубина резания, м

Рис. 4.9 Зависимость расхода топлива от использования тягового усилия бульдозера при разработке грунтов III - й категории еоооо

50000

7562

20000

19559

При работе на Ш-й категории грунтов расход топлива занижен на 3,8%, в тоже время при минимальном заглублении отвала расход топлива завышен на 32,5%.

Дальнейшие расчеты показали, что годовой экономический эффект при расчете расхода топлива по уточненной методике с учетом коэффициента, учитывающего затраты тягового усилия при максимальном заглублении отвала на 10 списочных единиц для 1-ой категории грунтов достигает 262 руб., для Ш-й категории 874 руб. При списочном составе 50 единиц, соответственно 13,1 тыс. руб. и 43,7 тыс. руб. для 75 единиц. В тоже время при максимальном заглублении отвала годовой перерасход затрат на топливо для 10 списочных единиц составляет 105руб. и 8 тыс. руб. для 75 единиц.

Анализ полученных результатов показывает, что при эксплуатации МЗР расход топлива необходимо рассчитывать индивидуально для каждой отдельно взятой машины, с учетом всех факторов связанных с разработкой грунтов, в первую очередь учет глубины резания и сопротивления резанию грунтов. При полномасштабном внедрении предложенной методики ее эффективность значительно увеличится. Разработка теоретических основ и практических предложений по формированию парков машин создает предпосылки для оптимального распределения машин по объектам строительства и разработки мероприятий по повышению эффективности эксплуатации парков МЗР.

На рисунке 4.10 показана доля тягового усилия расходуемая на резание грунта, рис. 4.11 показывает изменение расхода топлива от величины сопротивления резанию грунта. о

X -О с; со о а;

ГО о; з X го 5

О 0) О.

0) с;

О >

100,0 90,0 80,0 70,0 5 60,0 50,0 40,0 30,0

107,8

О >> о 1— о со о

20,0 10,0

0,0

Г59,2

70,Я о2,8

34,9 1 36,5 нТз ГП7\3

4-Н- < м^е—■—' >-2^--- ► 4,1

0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25

Глубина резания, м

0,30

0,35

Рис. 4.10 Использование тягового усилия при разработке грунтов бульдозером

При этом, можно сделать вывод, что машина работая на 1-ой категории грунтов используется не эффективно, так как только 10% тяговой мощности расходуется на полезную работу. В то же время, эта же машина при заглублении отвала более чем на 0,27 м будет расходовать всю тяговую силу на резание грунта.

Согласно технической характеристике данная машина имеет максимальную глубину резания 0,3 м. Соответственно, при заглублении от 0,27 до 0.3 м бульдозер будет работать в режиме перегрузки двигателя, что недопустимо. Вышеизложенное показывает, что при разработке грунтов необходимо предварительно выполнить расчет по определению расхода тягового усилия на преодоление сопротивления грунта резанию. расход тягового усилия, %

-1 кат ■2 кат -3 кат

Рис. 4.11 Изменение расхода топлива от величины сопротивления резанию грунта

Разработанная уточненная методика расчета расхода топлива позволяет выполнять подбор машин для разработки грунтов с максимальным экономически обоснованным (рис. 4.10 и 4.11) эффектом их использования. Эта методика расчета расхода топлива с учетом коэффициента учитывающего режим сопротивления грунта резанию позволяет разработать электронный справочник, в котором будет содержаться банк данных, включающий тип МЗР, технические характеристики, нормативные показатели, условия эксплуатации и результирующие показатели, обеспечивающие их работу с наивысшей производительностью и экономичностью.

1. Автомобильный справочник / Перевод с англ. «Бош». Под ред. В.В. Мас-лова. М.: Из-во «За рулем», 2000. - 896 с.

2. Александров A.B., Основы теории упругости и пластичности / А.В. Александров, В.Д. Потапов // Учеб. для строит, и спец. вузов. М.: Высш. шк., 1990.-400 с.

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

4. Баловнев В.И. Обработка и планирование эксперимента при исследовании дорожных машин / В.И. Баловнев, Ю.В. Завадский, В.Ю. Майнулов // Учебное пособие МАДИ. -М., 1984. -59 с.

5. Баловнев В.И. Применение математической теории планирования эксперимента при исследовании дорожных машин / В.И. Баловнев, Ю.В. Завадский, В.Ю. Майнулов // Учебное пособие МАДИ. М., 1986. - 104 с.

6. Баловнев В.И. Интенсификация земляных работ в дорожном строительстве / В.И. Баловнев, JI.A. Хмара М.: Транспорт, 1983. - 183 с.

7. Басин В.Е. Адгезионная прочность. М.: Химия, 1981. - 207с.

8. Бате К. Численные методы анализа и метод конечных элементов / К. Бате, Е. Вилсон М.: Стройиздат., 1982. - 448с.

9. Белецкий Б.Ф. Строительные машины и оборудование: Справочное пособие (для производственников, студентов строительных вузов, факультетов и техникумов). Ростов н/Д: Феникс, 2002. - 592 с.

10. Берестов Е.И. Научные основы моделирования системы "грунт-рабочие органы землеройных машин" в режиме послойной разработки: Автореф. дис. д. т. н. Могилев, 1998.

11. Беркман И.П. Универсальные одноковшовые строительные экскаваторы / И.П. Беркман, A.B. Ранеев, А.К. Рейш М.: Высшая школа, 1977 - 384с.

12. Буфеев В.А. Внешнее трение твердых тел. М.: Деп. ВИНИТИ 19.02.91, per. № 3488-В91,298 с.

13. Болдин А.П. Основы научных исследований и УНИРС / А.П. Болдин, В.А. Максимов // Учебное пособие. 2-е издание, перераб. и дополн. -М., 2002. -276 с.

14. Бочаров В. С. Обеспечение надежности машин. / B.C. Бочаров, Г. С. Кутузов // Учебное пособие. Алма-Ата: АлИИТ, 1991. - 165 с.

15. Бочаров B.C. Взаимодействие рабочих органов машин с битумосодержа-щими породами. М.: Транспорт, 1992. - 296с.

16. Буриггейн P.C. Угол сдвига грунта в стружке при копании скрепером // Строительные и дорожные машины, 1988 г. -№11. С. 26-28.

17. Ветров Ю.А. Резание грунтов землеройными машинами. М.: Машиностроение, 1971.-375 с.

18. Голушкевич С.С. Статика предельных состояний грунтовых масс. М.: Гостехтеоретиздат, 1957. - 346 с.

19. Горячев М.Г. Учебное пособие "Средства дорожной механизации: технические характеристики и расчет производительности" / М.Г. Горячев, C.B. Лугов. М.: МКГП, 2003. - 67 с.

20. Горячев М.Г. Расчет производительности машин для строительства, ремонта и содержания городских путей сообщения / М.Г. Горячев, C.B. Лугов, Е.Л. Клейменова. М.: МКГП, 2003. - 36 с.

21. ГОСТ 27.002-89. Надежность в технике. Основные понятия. Термины и определения.

22. ГОСТ 4.24-84 Система показателей качества продукции. Номенклатура показателей.

23. Данилевич Д.В. К вопросу расчета сопротивления резанию грунтов / B.C. Бочаров, Д.В. Данилевич // Труды международной научно-технической конференции ИНТЕРСТРОЙМЕХ. СПб.: СПбГТУ, 2001. - С. 115-118.

24. Данилевич Д.В. Особенности взаимодействия элементов рабочего оборудования с грунтом / Сб. научн. трудов «Известия ОрелГТУ». Орел: ОрелГТУ, 2003.-С. 106-108.

25. Данилевич Д.В. Математическая модель определения сопротивления грунта резанию / Труды международной научно-технической конференции «Прогрессивные технологии в транспортных системах». — Оренбург: ГОУВПО ОГУ, 2003.-С. 78-80.

26. Данилевич Д.В. Учет формы поверхностей скольжения в расчетах сил сопротивления грунтов резанию / Труды международной научно-технической конференции. Могилев: ВБРГТУ МГТУ, 2004.

27. Данилевич Д.В. Методика исследования процесса стружкообразования / Сборник материалов международной научно-технической конференции. Га-гра, 2004.-С. 117-120.

28. Данилевич Д.В. Экономическая эффективность уточненной методики расчета сопротивления грунта резанию / Л.С. Ушаков, Д.В. Данилевич // Известия ОрелГТУ. Естественные науки, 2004 г. №3-4. - С. 88-92.

29. Данилевич Д.В. Разработка грунтов бульдозерным оборудованием при регулировании угла резания / Д.В. Данилевич, A.B. Паничкин, B.C. Бочаров // Горный информационно-аналитический бюллетень. М.: МГТУ - 2004.

30. Данилевич Д.В. Экономическая эффективность уточненной методики расчета сопротивления грунта резанию / Л.С. Ушаков, Д.В. Данилевич // Труды международной научно-технической конференции. Ставрополь: СтГАУ, 2004. -С. 27-31.

31. Дорожно-строительные машины и комплексы: Учебник для вузов по дисциплине "Дорожные машины" для специальностей 170900, 230100,150600 / В.И. Баловнев и др. Москва-Омск: Изд-во СибАДИ, 2001. - 528 с.

32. Ержанов С.Ж. Метод конечных элементов в задачах механики горных пород./ С.Ж. Ержанов, Т.Д. Каримбаев. Алма-Ата: Наука, 1975. - 338 с.

33. Заднепровский Р.П. Многофакторный анализ адгезии грунтов при их взаимодействии с рабочими органами землеройных машин // Строительство и архитектура, 1976 г. № 7.

34. Зеленин А.Н. Машины для земляных работ / А.Н. Зеленин, В.И. Баловнев, И.П. Киров. М.: Машиностроение, 1975. - 427 с.

35. Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике. — М.: Мир, 1975. — 541с. ,§, 36. Зенкевич О. Метод конечных элементов и аппроксимация. М.: Мир.,1986.-318 с.

36. Зорин В.А. Организация эффективного использования ТСМ автомобилей и строительных машин. М.: ЦМИПКС, 1990. - 69 с.

37. Ильюшин A.A. Пластичность. Основы общей математической теории. -М.: АН СССР, 1963.-271с.

38. Ишлинский А.Ю. Определяющие законы механики. Механика. Новое в зарубежной науке / А.Ю. Ишлинский, Г.Г. Черный. М.: Мир, 1975. - 230 с.0

39. Казарновский В.Д. Оценка сдвигоустойчивости связных фунтов в дорожном строительстве: Теоретические основы и практические методы. М.: Транспорт, 1985.- 168 с.

40. Клиопа Т.И. Влияние скорости на сопротивление копанию и технико-экономические параметры машин: Дис. на соиск. уч. степени канд. техн. наук. -М., 1959.-249 с.

41. Кос И.И. Основы надежности дорожных машин. / И. И. Кос, В. А. Зорин. -М.: Машиностроение, 1978. 165 с.

42. Лейбензон JI.C. Собрание трудов. Теория упругости, т. 1. М.: Изд-во АН > СССР, 1951.-468 с.

43. Лехницкий С.Г. Теория упругости анизотропного тела. М.: Наука, 1977. -415 с.

44. Малышев М.В. Механика фунтов. Основания и фундаменты. М.: Стройиздат, 2000. - 319с.

45. Малышев М.В. Прочность фунтов и устойчивость оснований сооружений. М.: Стройиздат, 1980. - 35с.

46. Машины для земляных работ: Учебник для студентов вузов по специаль-ф ности «Подъемно-транспортные, строительные, дорожные машины и оборудование» / Под общ. ред. Д.П. Волкова. М.: Машиностроение, 1992. - 448 с.

47. Межведомственная программа развития дорожного машиностроения России на 2001- 2005 гт. / Утверждено совместным приказом Минпромнауки России от 30.03.2001 г. № 140 и Минтранса России от 26.03.2001 г. №51-ДХ.

48. Механика грунтов, основания и фундаменты: Учебник / С.Б. Ухов и др.— 1994.-527 с.

49. Мизес Р. Механика твёрдых тел в пластически деформированном состоянии. В кн.: Теория пластичности. М.: ИЛ, 1948. - С. 48-56.

50. Морозов Е.М. Метод конечных элементов в механике разрушения. /Е.М. Морозов, Г.П. Никишков. -М.: Наука, 1980. 254 с.

51. Мруз 3. Неассоциированный закон течения гранулированных сред. В кн.: Механика гранулированных сред. Механика. Новое в зарубежной науке. / 3. Мруз, Ч. Шиманский. - М.: Мир, 1985. - С. 143.

52. Надежность машиностроительной продукции: практическое руководство по нормированию, подтверждению и обеспечению. М.: Издательство стандартов, 1990.-328 с.

53. Новожилов В.В. Основы нелинейной теории упругости. М.: Гостяжиз-дат, 1948.-304 с.

54. Определение строительных свойств грунтов: Справочное пособие / Н.С. Швец, В.Б. Швец, В.В. Душников. Киев: Будивельник, 1981. - 104 с.

55. Решетов Д. Н. Надежность машин / Д. Н. Решетов, А. С. Иванов, В.З. Фадеев // Учеб. пособие для машиностроительных специальностей вузов. — М.: Высш. шк., 1988.-231 с.

56. Российская энциклопедия самоходной техники. Справочное и учебное пособие для специалистов отрасли «Самоходные машины и механизмы». Т.1, 2 / Под. ред. В.А. Зорина М.: Просвещение, 2001. - 892 с.

57. Руднев В.К. Эксплуатационные материалы для строительных и дорожных машин. Методические указания к лабораторным работам и самостоятельной работы студентов. Орел.: ОрелГТУ,1997. - 20 с.

58. Сахаров А.С. Метод конечных элементов. М.: Высш. шк., 1982. - 479 с.

59. Соколовский В.В. Статика сыпучей среды. М.: Наука, 1990. - 270 с.

60. СП 12-134-2001. Механизация строительства. Расчет расхода топлива на работу строительных дорожных машин / Госстрой России. М, 2002.

61. Справочник конструктора дорожных машин. Изд. 2-е, переработ, и доп. / Под ред. И.П. Бородочева. М.: Машиностроение, 1971. - 504 с.

62. Станевский В.П. Исследование влияния скорости на процесс резания грунтов: Дис. на соиск. уч. степени канд. техн. наук. Киев, 1967. - 193 с.

63. Станевский В.П. О физической сущности влияния скорости на силу резания грунтов. Горные, строительные и дорожные машины: Сб. науч. тр. Киев: Техника, 1966. - Вып. 4. - С. 7-12.

64. Тарасов В.Н. Копание и резание грунтов осуществляющееся рабочими органами отвальных машин, ковшовых экскаваторов и многих других машин / В.Н. Тарасов, М.В. Коваленко // Строительные и дорожные машины, 2003 г. — №7.-С. 38-44.

65. Устинкин Н.Д. Влияние скорости на сопротивление резанию // Строительные и дорожные машины, 1968 г. № 1. - С. 10-20.

66. Ухов С.Б. Расчёт сооружений и оснований методом конечных элементов. М.: Стройиздат, 1973. - 118с.

67. Фадеев А.Б. Метод конечных элементов в геомеханике. М.: Недра, 1987.-220с.

68. Федоров Д.И. Рабочие органы землеройных машин. М.: Машиностроение, 1977.-288 с.

69. Хархута Н. Я. Дорожные машины. Л.: Машиностроение, 1986. - 471 с.

70. Цытович Н.А. Механика грунтов: Учебное пособие для строительных вузов. М.: Высш. шк., 1983. - 288 с.

71. Швецов Г.И. Инженерная геология, механика грунтов, основания и фундаменты: Учеб. для вузов. 2-е изд., перераб и доп. - М.: Высш. шк., 1997. - 319 с.

72. Эстрин М.И. Исследования режимов резания грунта ножами фейдер элеваторов // Строительные и дорожные машины, 1956 г. №10. - С. 7-8.

73. Эстрин М.И. Исследования резания грунта плоскими и дисковыми но жами грейдер элеватора // Строительные и дорожные машины, 1957 г. №11. -С. 18-21.

74. Caterpillar performance hand book, Caterpillar, 1975.

75. Lab VIEW для всех / Джефери Тревис: Пер. с англ. H.A. Клушина М. ДМК Пресс; ПриборКомплект, 2004. - 544 с.