автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.04, диссертация на тему:Создание энергосберегающей рыхлительной техники, обеспечивающей перераспределение динамических нагрузок в зону разрушения грунта

9 15-5/381

На правах рукописи

Геллер Юрий Александрович

СОЗДАНИЕ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩЕЙ РЫХЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ, ОБЕСПЕЧИВАЮЩЕЙ ПЕРЕРАСПРЕДЕЛЕНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ НАГРУЗОК В ЗОНУ РАЗРУШЕНИЯ ГРУНТА

05.05.04 — Дорожные, строительные и подъемно-транспортные машины

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Хабаровск-2015

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Забайкальский государственный университет»

Научный доктор технических наук, доцент

консультант: Лещинский Александр Валентинович

ФГБОУ ВПО «Тихоокеанский государственный университет», кафедра «Транспортно-технологические системы в строительстве и горном деле», профессор

Официальные Абраменков Дмитрий Эдуардович

оппоненты: доктор технических наук, профессор

ФГБОУ ВПО «Новосибирский государственный университет путей сообщения», кафедра «Здания, строительные конструкции и материалы», заведующий кафедрой

Желукевич Рышард Борисович

доктор технических наук, профессор

ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет», кафедра «Авиационные горюче-смазочные материалы», профессор

Нилов Владимир Александрович

доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет», кафедра «Графика, конструирование и информационные технологии в промышленном дизайне», профессор

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Сибирская автомобильно-дорожная академия (СибАДИ)», г. Омск

Защита состоится 25 сентября 2015 года в!5 часов на заседании диссертационного совета Д 212.294.01 при ФГБОУ ВПО «Тихоокеанский государственный университет» по адресу: 680035, г. Хабаровск, ул. Тихоокеанская, 136, ауд. 315".

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте ФГБОУ ВПО «Тихоокеанский государственный университет» http://pnu.edu.ru /

Автореферат разослан Ц ^ 2

Ученый секретарь ___IV 0 Лещинский

диссертационного совета Александр Валентинович

: л Российская ! Общая характеристика рафдоц,,,.^., !

Актуальность работы. Структура сложившихся способам йеХбНММевшй ' разработки мерзлого и прочного грунта в конце прошлого и начале этого "столе- " тия определялась возможностями существующего парка базовых машин и еще далека от оптимальной. Тенденция повышения энергонасыщенности и материалоемкости базовых машин увеличивает их тягово-сцепные свойства, но, вместе с тем, не безгранична. К тому же увеличение материалоемкости влечет за собой повышение удельного расхода топлива. В связи с этим, поиск резервов, обеспечивающих высокоэффективное разрушение горных пород, прочных и мерзлых грунтов является актуальным направлением исследований.

Одним из направлений повышения эффективности ведения земляных работ в сложившихся условиях является интенсификация рабочих процессов, которая невозможна без изучения механизма разрушения фунта. Это вызвано динамическим характером взаимодействия рабочего органа рыхлительного оборудования с грунтовым массивом. Возможность снижения динамических нагрузок, передаваемых на базовую машину, а, в лучшем случае их полного снятия и направления в зону разрушение фунта, обеспечивает повышение эффективности процесса.

В настоящее время в области динамики машин рассмотрен широкий круг вопросов, связанных с исследованием и анализом поведения динамических систем. Однако успешное создание и внедрение новых машин, обеспечивающих возможность перераспределения энергии колебаний и ударов в направлении рабочего оборудования с возможностью адаптивного управления вибрационным состоянием, требует разработки динамических моделей, учитывающих особенности движения реальных систем, адекватно описывающих взаимодействие рабочего оборудования с внешней средой при различном динамическом воздействии.

Методической основой решения задач поиска, разработки, исследования технических решений, обеспечивающих защиту от вибраций и ударов, является теоретическая механика с ее различными приложениями. В динамике машин проблемам управления динамическим состоянием различных объектов уделяется первостепенное внимание.

Настоящая работа посвящена исследованию возможности управления динамическим состоянием землеройных машин с целью снижения вибрационной нагруженности и удельной энергоемкости, анализу условий разрушения мерзлого фунта существующим рыхлительным оборудованием и предложению на этой основе ряда машин, объединенных в единый класс по принципу «замыкания» динамических нафузок на рыхлительном оборудовании и фунте.

Отсутствие научных рекомендаций, конструкторской проработки, экспериментальных исследований, касающихся непосредственно землеройных машин, в основе которых заложен принцип «замыкания» динамических нафузок на рабочем оборудовании и фунте, создает определенные проблемы по их широкому использованию в дорожном, строительном и горном деле.

Работа по тематике диссертации в течение ряда лет велась в соответствии с координационным планом научно-исследовательских работ по проблеме «Теория машин и систем машин» (1.11.1) Академии наук СССР (раздел «Теория

колебаний механических систем»). По результатам работы выполнены хоздоговорные отчеты с государственными номерами 79057123, 81089374.

Цель работы. Повышение эффективности землеройных процессов на основе создания теоретического и методологического подхода к исследованию динамики, расчету и оптимальному синтезу нового класса машин, предназначенных для разработки прочных и мерзлых грунтов.

Объектом исследования являются вибрационные процессы и машины для разработки прочных и мерзлых грунтов.

Основная научная идея заключается в создании условий управления динамическим состоянием землеройных машин, обеспечивающих перераспределение энергии колебаний и ударов в зону контакта рабочего органа с грунтовым массивом

Предметом исследований являются закономерности устанавливающие зависимость между параметрами управления вибрационным состоянием землеройных машин и возможностью перераспределения энергии колебаний и ударов в зону разрушения грунтового массива. Энергетическая оценка работы рыхлителя с аккумулятором энергии при движении рабочего органа в резонансном режиме.

Задачи исследования.

1. Провести анализ существующих моделей и методов статического и динамического воздействия исполнительных органов землеройных машин на грунтовый массив.

2. На основании проведенного анализа синтезировать класс машин на уровне проработки конструктивных схем, объединенных принципом «замыкания» динамических нагрузок на рабочем оборудовании и грунте.

3. На примере рыхлителя с аккумулятором энергии, являющегося представителем предложенного класса машин, разработать математическую модель, определяющую вибрационное состояние механической системы.

4. Установить причины, влияющие на изменение вибрационного состояния и обосновать возможность управления вибрационным состоянием с целью перераспределения колебательной энергии в сторону исполнительного органа землеройной машины.

5. Выявить критерии, определяющие периодический характер воздействия внешних нагрузок на исполнительный орган при взаимодействии с грунтовым массивом. Связать указанные критерии с физико-механическими свойствами грунта и скоростными режимами движения базовой машины.

6. На примере рыхлителя с аккумулятором энергии, изучить механизм возникновения колебательного процесса при разработке мерзлого грунта. Теоретически обосновать механизм снижения динамических нагрузок, передаваемых на базовую машину при взаимодействии рыхлительного оборудования с грунтовым массивом, в основе которого лежит принцип замыкания динамических нагрузок.

7. Провести теоретический анализ взаимосвязи упруго-инерционных свойств рыхлительного оборудования и режимов разработки мерзлого грунта с эффективностью процесса.

8. Выполнить экспериментальные исследования по установлению степени влияния основных параметров процесса на эффективность разрушения мерзлого грунта.

9. Изыскать способы и средства технической реализации инженерных решений. Разработать рекомендации расчета основных параметров рыхлитель-ного оборудования.

10. Оценить технико-экономическую эффективность внедрения рыхлителя с аккумулятором энергии в производство.

Научная новизна заключается в:

- разработке метода математического моделирования землеройных машин, работающих в условиях интенсивного внешнего нагружения на основании изучения вибрационного состояния;

- исследовании и установлении возможности управления динамическим состоянием механической системы «базовая машина - аккумулятор энергии -рабочий орган - грунт»;

- установлении связи между физико-механическими свойствами прочного и мерзлого грунта, скоростными режимами движения базовой машины и частотой образования грунтовых элементов, определяющих вынужденные колебания рабочего органа;

- выявлении механизма снижения энергоемкости процесса разрушения мерзлого и прочного грунта при передаче энергии на рабочий орган через упругую связь и установлении степени влияния основных параметров процесса на его эффективность;

- предложении средств технической реализации, направленных на повышение эффективности разрушения прочного и мерзлого фунта.

На защиту выносятся:

1. Концепция формирования, поиска и выбора способа и средств защиты землеройных машин на основе введения в виброзащитные системы дополнительных связей, определяющих возможность перераспределения энергии колебаний и ударов в механической системе.

2.Результаты обоснования и проработки конструктивных схем рабочего оборудования землеройных машин нового типа, имеющего в своем составе дополнительные цепи в виде механизмов активного преобразования движения, основанного на принципе «замыкания" динамических нагрузок на исполнительном органе и фунте.

3. Методология динамического анализа и синтеза, используемой при изменении состояния механических систем на основе перераспределения энергии колебаний,удара и взрыва.

4. Результаты исследований, связанные с изучением особенностей динамических свойств колебательных систем с обратными связями на основе рыхлителей с аккумулятором энергии.

5. Методика расчета рыхлительного оборудования, позволяющая определять режимы движения и параметры рабочего оборудования, выполнять параметрическую оптимизацию по технологическим критериям.

Практическая значимость. Предложен способ и конкретные конструкции землеройных машин, объединенные принципом «замыкания» динамических нафузок на рабочем оборудовании и фунте. Разработана рабочая доку-

ментация и создана экспериментальная партия рыхлителей с аккумулятором энергии РС01 и РС02. Разработана методика расчета основных параметров рыхлительного оборудования, позволяющего перераспределять энергию колебаний в зону разрушения грунтового массива.

Реализация работы осуществлена в организациях объединения «Росме-лиорация» минводхоза РСФСР, предприятии «Челябинскавтодор», строительной организации Бурятии, предприятиях Забайкальского края.

Научно-методические результаты, полученные в диссертационной работе, используются в учебном процессе Забайкальского государственного университета, и Забайкальского института железнодорожного транспорта при чтении лекций студентам по дисциплине «Моделирование движения наземных транспортных средств», а также при выполнении курсовых работ.

По результатам работы выполнены хоздоговорные отчеты с государственными номерами 79057123, 81089374. тематика исследований входила в координационный план научно-исследовательских работ по проблеме «Теория машин и систем машин» (I.II.I) Академии наук СССР на 1986-1990 гг. (раздел «теория колебания механических систем).

Апробация работы. Результаты, изложенные в диссертационной работе, докладывались на: научном семинаре факультета «Транспортные и технологические машины» (Омск, СибАДИ, 1986 г.); научно-технической конференции «Перспективные направления развития машиностроения» (Чита, ЧитПИ, 1998 г.); 13-ой научно-практической конференции (с международным участием) «Забайкалье на пути к устойчивому развитию, ресурсы, экология, управление» (Чита, ЧитГТУ 2003 г.); VII Всероссийской научно-практической конференции «Кулагинские чтения» (Чита, ЧитГТУ, 2007 г.); VI Международная научно-техническая конференция «Прогрессивные технологии в современном машиностроении» (Пенза, 2010 г.); IX Международной конференции «Ресурсовоспро-изводящие, малоотходные и природоохранные технологии освоения недр», Москва (Россия)-Котону (Бенин), 2010 г.; VI Международной научно-технической конференции «Проблемы исследования и проектирования машин» (Пенза, 2010 г.); XI Международной научно-технической конференции «Кулагинские чтения» (ЗабГУ, 2011г.); региональной научно-практической конференции «Сервис транспортных и технологических машин» (ЗабГУ, 2011 г.); XI Международной научно-технической конференции «Вибрации в технике и технологиях» (Полтавский национальный технический университет имени Юрия Кондратюка - Украина, 2012 г.); V международной научно-технической конференции «Проблемы механики современных машин» (Восточно-Сибирский государственный университета технологий и управления, Улан-Уде, 2012 г.); X Международном форуме ИнЭРТ-2012 (ДГТУ, Ростов-на-Дону, 2012); XII Международной научно-практической конференции «Кулагинские чтения» (ЗабГУ, 2012г.); заседании НОЦ современных технологий, системного анализа и моделирования (Ир-ГУПС, 2012 г.); расширенном заседании кафедры ТТС ТОГУ (г. Хабаровск, 2014г.)

Диссертация в целом обсуждена и одобрена Научно-методическим советом «Института современных технологий, системного анализа и моделирования» Иркутского государственного университета путей сообщения в 2012г., на кафедре ТТС Тихоокеанского государственного университета в 2014г.

Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 57 печатных работах, в том числе в одной монографии, 10 статьях, рекомендованных ВАК, 9 патентах на изобретение, 7 авторских свидетельствах, а так же в материалах всероссийских и международных конференций.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из семи глав, основных результатов и выводов, библиографического списка из 353 наименований, 310 страниц текста, 125 рисунков, 21 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследования, сформулированы цели и основные задачи работы, отмечена научная новизна и практическая значимость, приведены основные положения работы, выносимые на защиту-

В первой главе дается краткий обзор и анализ существующих способов взаимодействия рабочего оборудования землеройных машин, относящихся к классу ЗМ для специальных земляных работ, включая способ динамического воздействия. В связи с интенсификацией рабочих процессов, обусловленных повышением производительности ведения землеройных работ, отмечена необходимость поиска рационального способа динамического воздействия рабочего оборудования на среду.

Решение проблемы эффективного использования ЗМ для разработки грунтов посвящены работы М.М. Крылова, A.A. Дубровского, Д.Д. Баркана, К.А. Артемьева, Ю.А. Ветрова, Д.П. Волкова, В.И. Баловнева, В.Л. Баладин-ского, А.Н. Зеленина, A.M. Холодова, И.А. Янцена, Н.И. Атлесного, Б.З. Захар-чука, Д.А. Лозового, В.П. Станевского, В.Д. Телушкина, Г.А. Шлойдо и многих других ученых.

В результате исследований, проведенных ранее, отмечено, что для большинства видов мерзлых фунтов при температуре ниже -5°С и глубине резания Н > 0,5 м тяговое усилие, требуемое на его разрушения, достигает предельной величины не только для существующих базовых машин, но и для перспективных образцов. Дальнейшее совершенствование базовых машин по пути увеличения тяговых характеристик повлечет за собой непропорциональный рост материалоемкости машин и повышение удельного расхода топлива. В связи с этим поиск резервов, обеспечивающих рациональный режим ведения земляных работ, является актуальным.

При исследовании режимов разрушения фунта, Ю.А. Ветровым, В.П. Станевским и другими учеными установлено, что наиболее целесообразная глубина резания (с энергетической точки зрения) находится в пределах Н=(2...4)В, где В - ширина режущей части рабочего органа. Из тех же соображений скорость резания может быть доведена до 3 м/с. Однако повышение рабочих скоростей ведения земляных работ сопровождается значительным возрастанием динамических нафузок.

Детальный анализ условий распределения энергии при взаимодействии исполнительного органа рабочего оборудования с фунтовым массивом позволил сформулировать новый способ защиты базовой машины и оператора от динамических нафузок. Этот способ предложено называть принципом «замыка-

ния» динамических нагрузок на рабочем оборудовании и грунте. Приоритет предложенного способа опубликован в бюллетене изобретений №30 в 2009 г. Суть способа заключается в перераспределении энергии колебаний и ударов, возникающих в механической системе «базовая машина - рабочее оборудование» при взаимодействии с внешней средой, в зону контакта исполнительного органа с грунтовым массивом.

В соответствии с приведенным анализом синтезирован класс землеройных машин, объединенных указанным принципом, конструктивные особенности которых защищены 16 авторскими свидетельствами и патентами на изобретение. Классификация синтезированного класса землеройных машин и конструктивные схемы рабочего оборудования, созданного на принципе «замыкания» динамических нагрузок, представлены на рис. 1 и в таблице 1.

Рис. 1. Классификация рыхлителей

Представлены теоретические предпосылки, поясняющие принцип перераспределения энергии вибрации и удара в зону контакта исполнительного органа с грунтовым массивом. Для более глубокого теоретического исследования выбран рыхлитель с аккумулятором энергии, как представитель предложенного класса машин, применяемый при ведении больших объемов землеройных работ.

Проведен обзор существующих конструктивных и теоретических решений, определяющих использование рыхлителей с упругой связью, как в России, так и за рубежом.

Таблица 1

Конструктивные схемы машин и рабочего оборудования для специальных земляных и горных работ с «замыканием» динамических нагрузок на рабочем оборудовании

и грунте

Назва ние

Конструктивная схема машины

Конструктивная схема рабочего оборудования

а - общий вид; б - схема рыхпительного оборудования в момент заглубления режущей части рабочего органа на расчетную глубину; в - схема рыхпительного оборудования при установившемся режиме движении

А с. 815169 СССР МКИ' Е 02 Р 5/30 А с. 939672 СССР МКИ' Е 02 Р 5/30 А с. 994650 СССР. МКИ' Е 02 Р 5/30 А.с. 1016445 СССР. МКИ1 Е 02 Р 5/30 Пат. 1176944 (РФ), МКИ' Е 02 р 5/30 Пат. 2239689 (РФ). МКИ' Е 02 Р 5/30 Пат. 2455428 (РФ), МКИ' Е 02 Р 5/30 Пат. 2505647 (РФ). МКИ' Е 02 Р 5/30 Пат. 2537428 (РФ). МКИ' Е 02 Р 5/30

С металлическим постелем энергии аккумулятора

С жидкостным носителем энергии аккумулятора

С га-ювым носителем энергии аккумулятора

Рыхлитель ударного действия с балансировочными грузами

Рыхлитель вибрационного действия

Рыхчитель взрыво -импульсного действия

Рыхлитель с комбинированным рабочим ор-

2 2

I ? 1

. I X

1з1

X Ь X ¡11 г. 2 Ж

Р I -з

А ы ы п -

В | £

Э Я =1

2 5 *

5 5

8^ 9 111

Окончание таблицы 1

В атмосферу

От компрессора

В атмосферу

Ог компрессора

1 - равноплсчный рычаг;

2 - корпус пневмо - или гидро молота;

3 - поршень - боек;

4 - рыхлитсльный зуб;

5 - механизм газо - или гпдро рапределення

A.c. №889805 СССР, МКИ' E02F 5/30 Пат. 2372447 (РФ). МКИ 7 Е 02 F 5/30

К верхней камере основного и нижней камере дополнительного

От нижней камеры основного н верхней камеры дополнительного ппевмомолотов

Вторая глава посвящена современным подходам в теории и практике виброзащитных систем.

Современное представление о динамическом состоянии машин и оборудования при их эксплуатации, включая и землеройные машины, невозможно без получения математических моделей, отражающих колебательные процессы, возникающие как при взаимном движении узлов и агрегатов машин, так и при взаимодействии с окружающей средой. Исследования в области защиты различных объектов от вибраций и ударов (ВЗС) начали интенсивно развиваться в начале 70-х годов. Результаты исследований отражены в работах известных в России и за рубежом ученых. К их числу относятся Артоболевский И.И., Ала-бужев П.М., Фролов К.В., Блехман И.И., Быховский И.И., Вейц B.J1., Генкин М.Д., Елисеев C.B., Коловскоий М.З., Лурье А.И., Мигиренко Г.С., Синев A.B., Харкевич A.A., Гарднера М.Ф., Ден-Гартог Дж. П., Nelson P.A., Preumont А., Snowdon I.S., Ungar E.R. и многие другие.

Анализ работ позволил классифицировать причины, последствия и меры снижения динамических нагрузок.

Установлены задачи управления динамическим состоянием при создании рабочего оборудования ЗМ предназначенных для разработки прочных и мерз-

лых фунтов, скальных пород. Цели, поставленные при решении задач, сформулированы следующим образом:

- обеспечение условий необходимых для максимальной передачи энергии разрушения в фунтовый массив и удержании работы рыхлительного оборудования в этом состоянии при установившемся режиме движения;

- снижение вибрационной (ударной) активности рабочего оборудования в местах крепления к базовой машине;

- поддержание условий максимальной виброизоляции базовой машины от динамических нафузок при установившемся режиме движения.

Распространение динамических нафузок на оператора со стороны источников для предлагаемого класса машин представлены в виде схем, показанных на рис. 2.

а) б)

Рис. 2. Схема распространения динамических нагрузок от источников к оператору при наличии: а - в цепи рабочего оборудования упругой связи; б - дополнительной связи в кинематической цепи рабочего оборудовании активного действия

Одной из основных задач проведенных исследований было изыскание способов и средств, позволяющих обеспечить возможность управления динамическим состоянием механической системы «базовая машина - аккумулятор энергии рабочий орган - фунт». Целями при решении этой задачи являлось:

- использование энергии колебаний рабочего органа рыхлительного оборудования для разрушения фунта;

- создание условий, при которых изменение динамических параметров рабочего оборудования обеспечит возможность движения рабочего органа в режиме согласования частот;

- снижение виброактивности рабочего оборудования в местах крепления навески рыхлителя к привалочной плите базовой машины.

Таким образом, задача управления динамическим состоянием рыхлителя с аккумулятором энергии в конечном итоге сводилась к созданию устройств, позволяющих обеспечить активную обратную связь между объектом защиты и рабочим оборудованием подверженным воздействию внешних динамических воздействий.

На рис. 3 представлены устройства и схемы управления вибрационным состоянием рабочего оборудования рыхлителя с аккумулятором энергии.

Рис 3. Схема ручного (автоматического) управлении параметрами рабочего оборудования рыхлителя с пружинным (а), газовым (б) и жидкостным (в) аккумуляторами энергии: 1 - объект управления; 2 - исполнительное звено; 3 -внешнее воздействие; 4 - информация о состоянии объекта (обратная связь); 5 -управляющее воздействие; 6 - информация о состоянии среды

Представлены методы аналитического моделирования современных технических систем, примерный перечень которых показан на рис. 4.

Рис. 4. Примерный перечень математических методов описания технических систем

В задачах оценки динамического состояния систем при наличии упруго-вязких звеньев с конечным числом степеней свободы в случае рассмотрения малых колебаний относительно положения равновесия используют линейные уравнения Лагранжа второго рода:

Ад + Вд + Сд = Р(1), (!)

где А,В,С - симметричные положительно-определенные пхл матрицы, составленные из инерционных, диссипативных и квазиупругих коэффициентов; q -п -мерный фактор обобщенных координат системы; - вектор обобщенных сил, действующих на источник или объект.

В третьей главе проведено исследование вибрационной нагруженности землеройных машин на примере рыхлителя с аккумулятором энергии.

Основным методом защиты технических систем от вибрации является виброизоляция. Она эффективна, если частота возбуждающего воздействия превышает как минимум в 1,41 значение собственной частоты системы виброизоляции. Эффективность виброизоляции объекта как системы с одной степенью свободы при гармоническом воздействии можно оценить безразмерным коэффициентом передачи ц.

Предположим, источник колебаний (рис. 5) совершает гармонические колебания по закону

(2)

где амплитуда виброперемещения источника колебаний.

Рис. 5. Модель механической системы с одной степенью свободы при кинематическом возбуждении

Составим уравнение движение системы с учетом сил вязкого трения

тх + а(х-{;)+с{х-1е)= 0. (3)

Полагая, что с течением времени, в силу наличия сил вязкого сопротивления, свободные колебания затухают, подставим в уравнение (3) частное решение в виде

(4)

где (р - угол сдвига фаз между перемещением источника колебаний и объекта виброизоляции.

После преобразования выражение (3) получим:

(- тр~ + ¡ар + с)х = (¡ар + с)£. (5)

Используя выражение (5), вычислим передаточную функцию

с+х1п . (6)

£ (с-тр )+1ар

Амплитуда колебаний объекта защиты равна:

,,УЩл -6. „ ' (7)

где Ка— коэффициент расстройки или частотное отношение Ка= — \ ;; - коэф-

асо

фициент механических потерь т) = —.

Коэффициент передачи системы, выражающий соотношение между амплитудами объекта виброизоляции и источника вибрации, равен:

х„ ф + к^1 (8)

Графики, представленные на рис. 6, 7 позволяют объяснить основные способы виброзащиты базовой машины.

Рис. 6. Зависимость коэффициента передачи /и от коэффициента расстройки и коэффициента механических потерь

Рис. 7. Зависимость коэффициента передачи ц от коэффициента расстройки

КтОДшисит расстройки

На рис. 6, 7 можно выделить три области: дорезонансная (Кп < 0,5 и // = 1), резонансная (0,55^ <1,614 и /и » 1) и зарезонансная.

Наиболее практичной областью эксплуатации объекта виброизоляции является зарезонансная зона, когда > 1,41 и ц < I. В данном частотном диапазоне возможно управление вибрационным состоянием механической системы необходимое для достижения оптимальных результатов.

Для исследования возможности управления динамическим состоянием механической системы «базовая машина - аккумулятор энергии - рабочий орган - грунтовый массив» рассмотрено влияние упруго-инерционных свойств на АЧХ системы (рис. 8), представленной как система с тремя степенями свободы.

Для математического описания движения механической системы составлена система из 3-х уравнений Лагранжа 2-го рода. В качестве обобщенных координат приняты: X,- перемещение основного объекта. При этом сделано допущение, что корпус рыхлительного оборудования и базовая машина представляют единую жесткую систему, перемещающуюся воль горизонтальной оси; Хг - перемещение зуба и подвижных концов штанг стойки; ц> - угол поворота тяги 5 относительно корпуса рыхлителя.

С учетом найденных частных производных и по обобщенным координатам, получена система уравнений:

D

w

D'

x 3

Рис. 8. Расчетная схема механической системы: 1 - корпус рыхлителя; 2 - стойка с рыхлительным зубом; 3. 4 - штанги стойки; 5 - тяга; 6 - гидроцилиндр поворота тяги; 7 - упругий элемент аккумулятора энергии

т „„ i х i - у т з * 2 + (с i + с 2 )х I ~ С 2х':

с. х ;

- т з х , + с 2 х 2 - с 2 х i = F (/ );

(9)

J . г + с i

ь V

cos а

• = М (< ) '

в которых

m . + — m , + m 1 3 1

j ) ' ™ „. . = ( i + -J" J } •

{(a t + 12 c!}| .

J 2 н + т 3 ° 1 + W 5

Принимая в качестве частных решений системы (9) выражения х, = Л, sin (cot), х2 = Л, s¡n(íüf), ц/ = 0 sin (га/), а также их производные

х, = -А.со3 sin (col), х-2 =-А2со2 s\n(cot), у = -у^со1 sin(¡u/), получим - + Л, (с, +С2)+ Аг (2/3)тую 2 -с2Л2 = 0 ;

Л, у/и5йГ - с,- A2m,rJeo2 + с3Л, = ; £ 2

Со +с3—^—iy0 = F0h.

' cos а

Из уравнения(12) получим

с« ■

h

Jv<°1+C з

(10) (11) (12)

(13)

С3 в уравнении (13) представляет упругие свойства жидкости гидроцилиндра поворота тяги 5. Учитывая, что сжимаемость распространенных минеральных масел в естественных условиях составляет примерно 0,6 % на каждые 10 мПа, можно сказать, что С3 » С,, а, следовательно, можно принять у/0 « 0.

Левые части уравнений (10) и (11) не зависят от внешних воздействий и

определяют свойства системы уравнений относительно А, и А2: [(с, + с2)~ т„р1со2]А, - (с2 + (2/3 )т 3со 2 )а 2 = 0 ;

- (с, + (2/3 )т 2 )А, + (с2 - /и ,„ га>-)Аг = 0 . Приравнивая к нулю определитель, составленный из коэффициентов при А, и А2,

А = [(с, + С,)- ">,,, г <0 2 Xе 2 ~ т^и')- (сз + (2/3 >и, ш2У = 0, найдем значения собственных частот

| т1чЧС2 + "Vlfo 4 зтл ± "VlC! + mnrÁCi С,) + 4 - от.с, 3 1 i

тяр\тпр1 + Г Ь) Wi + ¡H

Следовательно, колебания системы, в общем случае, могут происходить на двух частотах.

Общие решения первых дух уравнений системы (9) будут иметь вид:

= А\ sin (co,t + (р)+ A- sin (a2t + ср)\ ^^

х2 = А\ sin(ú>,í + <р)+ А2 sin^,/ + <р), где и а>3 - первая и вторая собственные частоты (индексы у амплитуд обозначают: подстрочная нумерация - номер масс, надстрочная - номер частоты).

Рассмотрим представленную на рис. 9 зависимость частот главных колебаний от упруго - инерционных свойств механической системы (жесткость упругих элементов с, и с2 принята равной 200кН /м, т> = ,,7j = m, = o,im,)-

Из анализа графических зависимостей можно сделать вывод о том, что вторая собственная частота выше первой; при колебаниях по первой форме

л 10000

:',о i

: г

: <í :

Рис. 9. Зависимость частоты главных колебаний от упруго - инерционных свойств механической системы: а - синфазные колебания; б - антифазные колебания

масса основного объекта и гасителя колебаний движутся в фазе (синфазно), при колебаниях по второй форме - в противофазе (антифазно). При соответствующем возбуждении процесс колебаний может происходить на одной из главных частот й), или со-,, т.е. когда в уравнениях (17) будут отсутствовать первые или вторые члены.

Из уравнений (14) определим коэффициент отношения амплитуд колеба-

нии

л, . _ \ „ „I с, + —т.ю VI + с2>- ту1ш _ ' 3

с, + —т.ю - 3 3

На рис. 10 представлена графическая зависимость коэффициента отношения амплитуд колебаний ц от упруго - инерционных свойств механической системы.

•■гк

Рис. ТО. Зависимость отношении амплитуд главных колебаний от упруго - инерционных свойств: а - синфазные колебания; б - антифазные колебания

На основании графической зависимости можно сказать, что при антифазном движении (рис. 10, б) амплитуда гасителя колебаний (при соответствующих упруго - инерционных параметрах механической системы) много больше амплитуды колебаний основного объекта.

Вычислим парциальные частоты механической системы, используя формулы (18)

1а_ = ГИГ 1п V15 '

30

с, т ■

(19)

В соответствии с уравнениями (19) построим графические зависимости парциальных частот от упруго - инерционных свойств механической системы (рис. 11).

Рис. 11. Зависимость парциальных частот от упруго - инерционных свойств механической системы: а - основной объект; б - гаситель колебаний

Сопоставляя, главные (рис. 9) и парциальные частоты (рис. 11), можно ска-

зать, что частота главных колебаний при антифазном движении сопоставима с парциальной частотой гасителя колебаний. При этом амплитуда колебаний гасителя колебаний (рабочего органа) много больше амплитуды колебаний базового объекта (рис. 10).

Анализ графических зависимостей позволил сделать вывод — собственная частота колебаний массы щ должна быть выбрана такой, что бы амплитуда колебаний базового объекта была минимальной, а это соответствует условию, при котором парциальная частота массы т, согласуется с частотой возмущающей силы.

При оценке возможности управления динамическим состоянием, механическая система «базовая машина - аккумулятор энергии - рабочий орган -грунтовый массив», представлена в виде системы с двумя степенями свободы (рис. 12). х,

X 2

С|

С2 I_ С}

а-,

Рис. 12. Модель двухмассной механической системы

Уравнения вынужденных колебаний масс т, и т2, если пренебречь демпфированием в элементах трансмиссии и гусеничного движителя, при кинематическом возбуждении системы имеют вид:

/и,*, + с,дс, -а2(х2 -х,)-с2(х2-х,) = 0; >»2*2 +а1(х2-х,)+с2(х2 -дс,)-с3(^-дг,)=0. приведем последние уравнения к алгебраическому виду (с, +с, + /ра2 -т.р2)*, - (¡р а 2 +с2)дг, = 0; -{¡ра2 + с, )*, + (с2 + сг + ¡ра, - тгр2)х2 =

Используя уравнения (21), вычислим передаточные функции

с,('Ра! + с»)__

(20) (21)

{ (с, + с, + ¡ра ,

И',(р)= 7_с,(с, ч с, + ¡р а , - т ,р')_ (22)

3 £ (с, + с, + ¡р а , - т , р 1 )■ (с , + с, + фа, - т , р : )- (¡р а . + с . )"'

и, выделив действительную и мнимую части, определим коэффициенты передачи. Полагая, что с2 =с3; га2/й>, = Кт\ а2о)2/с2 = г)2\с2/с, = К/, "и/т, = К,,,представим коэффициенты передачи в безразмерном виде

Ч,/к7Г]

'О-^т 1,^(1* К.)

*

1 1«, >

(23)

Сопоставляя графические зависимости коэффициентов передачи основного объекта р, и колеблющейся массы р2 (Рис- 13), можно сказать, что для различных частот кинематического возбуждения на графике существуют зоны соответствующие оптимальному значению К= р, /р2.

Частота кинематического возбуждения, рад/с "

Рис. 1.3. Зависимость коэффициента передачи от частоты кинематического

возбуждения

В этих зонах коэффициент стремится к минимальному значению.

Например, при г)г = 0.820 ,к с = 0,5 среднее значение К),= = 0,038/0,833 = 0,043. С увеличением т]г значение коэффициента К,, уменьшается. В случае когда = 0,182 , Кс = 0,1 к„ = 0,098 . Величина коэффициента г/г зависит от упруго-инерционных свойств колеблющейся массы, а также от сил вязкого сопротивления, возникающих в зоне контакта колеблющейся массы с грунтовым массивом.

Частота кинематического возбуждения связана со скоростным режимом движения основного объекта и физико-механическими свойствами среды в зоне контакта с колеблющейся массой. Изменение указанных параметров влечет за собой рассогласование между коэффициентами передачи /у, и /и2 в сторону ухудшения динамического состояния основного объекта.

Адаптивное управление упруго-инерционными свойствами колеблющейся массы в ручном или автоматическом режимах позволит целенаправленно приводить механическую систему к рациональному состоянию.

Конструкции устройств управления упругими свойствами рабочего оборудования рыхлителя с аккумулятором энергии представлены в табл. 1 и на рис. 3.

Проведены исследования влияния диссипативных сил, возникающих в трансмиссии и гусеничном движителе базовой машины, а также конструктивных особенностей рычажного соединения рабочего органа рыхлительного оборудования на коэффициенты передачи колеблющейся системы.

Полагая, что колебания системы возбуждаются кинематически (рис. 13) за счет колебания рабочего органа по закону £ = = составлены дифференциальные уравнения движения, механической системы.

^ш, + ут, ^ лг, — у Л), х2 + (с, + а 2 )дг,- а г х2 + (с, + с, V, - с2х2 = 0; + у/я,^-Г! — дг, — £Г, *,+ («1 + а,)х2-а, (~е2х, + (с, + с,)х, - с,( = 0,

где с,,с2,с3,а„а2,а3 - коэффициенты, учитывающие упругие и диссипативные свойства трансмиссии и гусеничного движителя базовой машины, рабочего оборудования в зоне присоединения аккумулятора энергии и в зоне контакта рабочего органа с грунтовым массивом.

При дальнейших исследованиях силы вязкого сопротивления, возникающие в зоне контакта колеблющейся массы с грунтовым массивом, и силы сопротивления, возникающие в зоне заделки Рис. 13. Расчетная схема системы свободных концов пружин, представле-при кинематическом возбуадении ны одним вязким элементом, расположенным между колеблющейся массой и основным объектом.

После приведения уравнений (26) к алгебраическому виду, получены коэффициенты передачи

" <

(к'^кц, - 0.062 к2пк1к2и У +...

, 2К'.ки + К1К1 + К'пКи - 0,062'К'0Кги - 2К'аК1Ки - КгаКи -0,876к2пк1к;, - К^К^К^п,

+ . Гкпк.к«п, + КаК'.К1п, + 2КпК'„Кип, - К'пК.КиП1 - К'пК„п, -V

(26)

2К'.Ки + К'Хи + КлаКи-0,062*К'аК1 -2К'аК1Ки - К'пКи -0,876 к^к1к1 - К}>К„Ки1},112

■ (к а К и П, + к пК'„ к1, )'

А/ 1, - К„ к. к

А/7?! ~ ~

-0,876К>аКХ„Ъ

В уравнениях М, = т1 +(2/3)т3 ; М2 = ш, +(2/3)т3\ а3 = а2,с3 = с2; ¿у, = ^¡с,/М,;

<ц,2М,

^ т3 = 0,1т2; М2 = 1,066т2; = , = ^ = ;

А/,©, М,А/2<а, (У, А/, _ ^ = ^ _ к, Ш = = =

и я.1 11 А / л,3 л, л, и /. Л1 Л|/. л» 11 "

Л/а,г А),' ' " «а, М, с, а>, <и,с,

¡раг _. р а} с2 Мг = _ .р^а^М^ = .¿»а^ =,'КпК,0КмГ12, (И, (и, Л/2 Л/,с2 а», й),сг ЛУ, си, с3 ¡в, И1

Ш"ЬР2 = = 0,062кХ; = К^К и ,где - коэффициент отноше-

<ч2 Л/, Л/, (И,"

ния частот подвижных звеньев рабочего оборудования и базовой машины

Kw = ю2/ю,; Kn-коэффициент расстройки или частотное отношение Ка = р/а,; 7 - коэффициент механических потерь 77 = «¿а/с.

Графики зависимости и р2 от АГГ1 представлены на рис. 14, 15.

/"p/V

I |

у --т/2 -0,5; : ---»72=i,o; : ....... П, =1,5; -

■rh \

-У

f г? 2=2Д -

rt ц ! А

т у Ч N

4 \ •• к* —v

Ч г\ / i

ЧА ) ь.

Рис. 14. Область возможных значений коэффициентов передачи и //, при значении 7, = 0,1

■е-

045-

Коэффициент отношения частот

I I 1 I I П

Кп

--Щ- 0,5;

---

....... 72=1.5

- 72=2,0.

К =2, К„ш 0,04

Л

/Л

\

Коэффициент отношения частот

Рис. 15. Область возможных значени!! коэффициентов передачи /У, и р2 при значении 77, = 0,5

Если сопоставить графические зависимости коэффициентов передачи основного объекта представленных на рис. 14, 15, то можно сказать, что с увеличением воздействия диссипативных сил на объект, амплитуда колебания р, в области первой резонансной частоты уменьшается. Аналогичное поведение в этой области прослеживается и для коэффициента передачи колеблющейся массы р2.

В области второго резонанса наблюдается существенное изменение вибрационного состояния колеблющейся массы - коэффициент передачи р2 в этой области достигает своего максимального значения. Упруго-инерционные свойства колеблющейся массы и диссипативные силы главным образом определяют положение пиковых значений коэффициента передачи р2.

Рассмотрены конкретные примеры изменения вибрационного состояния механической системы «базовая машина - аккумулятор энергии - рабочий орган - грунт» в зависимости от частоты вынужденных колебаний рабочего органа и сил сопротивления, возникающих в зоне контакта рабочего органа с грунтовым массивом.

В четвертой главе рассмотрены предпосылки, методика и результаты теоретических исследований взаимодействия рабочего органа рыхлительного

оборудования с грунтовым массивом.

Изучен процесс взаимодействия рабочего органа с мерзлым грунтом. Установлено периодическое образование грунтовых элементов с группированием частоты их образования около некоторой частоты р (рис. 16).

Рис. 16. Схема образования грунтовых элементов: а - момент образования очередного грунтового элемента; б-усилия, возникающие в грунтовом массиве

Зависимость р от параметров процесса при условии, что образуемые грунтовые элементы в плоскости движения рыхлителя имеют трапециевидную форму (см. рис. 16), выражается следующим соотношением:

р - 2п _ lnV« _ 2nV„<Jc CQS (p)cos( a + pa - p) T U Лг,; cos (pjsin (p0 - p)

где Vn - скорость подачи рабочего органа, м/с; lcmp- длина площадки среза, м; осмт?ср— напряжение смятия и среза, возникающие в зоне контакта передней грани ножа с фунтовым массивом в момент нарушения предельного напряженного состояния, МПа. Напряжение асм и связаны с усилиями смятия Рсм и среза Рср (рис. 16, б), действующими при образовании фунтового элемента по площадке смятия и среза зависимостями: Рсм — о~СЛ1РСЛ1 = &СМЫСМ, Рср = т"рРср = т"срЫср; Ь - ширина зоны резания, м\ /ц,„ /ф - проекции плоскостей

смятия и среза, м. , =l Т"п cos fco) = h-'"■/■ c°s ) . h _ глубина резания

" a~ cos {p) ctc„ cos (p)sin (у/ )

(рис. 16, а), м; у/ - угол скалывания, град, у = (90 -а - рй + р) ; р,р0 - соответственно, угол внутреннего и внешнего трения, град; а - угол резания, град.

Графические зависимости частоты скола элементов стружки р от внешних характеристик процесса представлены на рис. 17. Графический анализ выражения (27) показал, что р зависит не только от механических свойств фунта, таких как угол наклона площадки скола *|/, напряжение среза т"р и смятия ст„„ но и от скорости подачи рабочего органа V„, глубины резания Н.

При оценке эффективности работы рыхлителя с аккумулятором энергии учитывалась возможность перераспределения энергии колебаний механической системы «базовая машина - аккумулятор энергии - рабочий орган» в зону контакта рабочего органа с грунтовым массивом. При этом источником вынужденных колебаний рабочего органа считалась сила сопротивления фунта разрушению, носящая характер близкий к гармоническому закону, а модель грунта представлена средой Кельвина - Фойгта с достаточной для практического ис-

пользования точностью описывающая процессы в динамической модели при разрушении грунта.

В качестве динамической модели, раскрывающей энергетическую сторону процесса взаимодействия рабочего органа с грунтом, рассмотрена многомассная механическая система с одной степенью свободы (рис. 18), перемещающаяся вдоль оси X. Предположено, что все силы направлены вдоль оси X и лежат в одной горизонтальной плоскости, проходящей через центры масс. Рыхлитель содержит рабочий орган, состоящий из двух штанг 2 массой т2 каждая, снизу к которым через шарниры присоединен зуб 1 массой м,. Между подвижными элементами рабочего органа и элементами навески рыхлителя, соединенными с базовой машиной, расположен упругий элемент жесткостью с и демпфер с эквивалентным коэффициентом вязких потерь а„ = а +а,.

- 1-у/=70райУ = 21ч/с[

- 2- V = Юрад.V = 45лг/с;

3- у = 10рад.У=90м 1с.

4 - V = ¡брад, У = 12м I с,

5 - у = ЬЬрад, У = 45м/с:

6 _1// = 56рад,У=90м/с.

3 зо я

о

4

>, 20

: : - У=0,45м/с )- У=0.65м/с - У=0,90м/с 5-V"!.15м/с 6-V» 1.50м/с

/

Г

7

/ У

1

/ /

г, /ог„ т 0.4.а = 30 /

/ /

/ /

/ У /

у и ✓ У

✓ У < ¿г

< -И

< —^

б I

аЭ

3 )

г: 2

■ )

0 02 04 0.6 01 1 12 14 16 1 8 2 2.2 2.4 2.6

Отношение напряжения смятия к напряжению среза <гСм/Тср

а)

Р 25-1—

|-(1/= 0.689 рад.Н =

2-(С = 0.Ь%9 рад.Н ■■

3-|К =0.689 рад.Н =

4-1// = 0,6$9 рад.Н

5-!//= 0.55Ърад. Н ■ 6 - у/ = 0.558/хн), Н -

7-^ = 0,558рад.Н-

8-у/= 0.454/юд.Н ■■

9-1/' -0.454рад.Н -

10-1/' =0,454рад. Н -

I \-у1-0,454рад.Н

г,/<г„ -ОЛог-ЗО"

0.10«, = 0.15л<; 0.20ч. ■- 0.25м; = 0,15д|; 0.20«; 0,25л; ¡0.10 л; = 0,15л; 0,20л; = 0,25«

в)

О 01 0 2 0 3 0 4 0.5 0 6 0 7 0 6 0 9 1

Угол наклона площадки скола, рал у/ б)

Рис. 17. Зависимость частоты образования грунтовых элементов от: а - отношения {<г,„/тп); б — наклона площадки скола у/; в - скорости подачи рабочего органа

Скорость подачи рабочего органа, м/с

Включение последнего обусловлено имеющим место диссипативным поглощением энергии в местах заделки упругого элемента и подвижных звеньях рабочего органа, а также потерь в материале упругого элемента и фунте.

Рис. 18. Схема рыхлителя

Возмущающая сила Р=Ро5т2р1, где р - частота вынужденных колебаний (средневзвешенная круговая частота скола элементов грунтовой стружки), приложена к вершине зуба.

В соответствии с выбранной динамической моделью дифференциальное уравнение движения рабочего органа примет вид:

(Зот, + 2т2)1?р + к + а)1?ф + [(т1 + + = 1 _ С052р()> (28)

Принимая во внимание, что <р = Аъ\п2р1 + Всо$2р1 + С', ф = 2Ар соь2р! -2Вр5т2р1 , энергия, рассеянная при разрушении грунта за один период колебаний рабочего органа ( 7" = 2л/р{, р, = 2/> = 2яУ„/1стр ) равна:

г . JT ' г

Арас = j(av+a.)x<&= j(av + a.)frL-dt= j(av+ce,X2Ap cos 2pt - 2Bp sin 2pt)-L2dl = 0 0 о

(29)

~ гг'^к®1 -4/>2)2 +1бл!р2]' где А, В, С - постоянные интегрирования; п - коэффициент затухания. 2л = = 3(а„р+а,)/(.3т1+2т2); а- частота собственных колебаний. ш3 = =з[(ш, +2т,)г+с£]/[(3ет, +/л,)/£]; У„р — приведенный момент инерции. У„г = (Зя»| + 2т, )£2 /3.

С учетом (27), получим

"(<**+<*,У,' 2лУяаси cos (p)cos (а + р0 - р)

h rv cos (р„ )sin (р0 - р)

1(3т, + 2т,) '1 3(m,g + m;g + cL ) 2*V.a„ cos (p)cos (а + p„ - p) 2 ' 2 +

(3 т, + 2 т 2 )Л Ht", cos (p„ )sin (p„ - p )

(30)

б(а„,, + д,.)»К,<г„ cos (p)cos (д + р„ - р) (З/я, + 2тг)Н т"г cos (pD)sin (р„- р)

1-р= 5 рад/с, с=300 кН/м;

2 - р=10 рад/с, с-300 кН/м;

3 - р=15 рад/с, с=300 кН/м; ■4 - р=20 рад/с, с=300 «Н/м; 5 - р= 5 рад/с, с=500 кН/м; 6-р=10 рад/с. с=500 кН/м, 7 - р=15 рад/с. с=500 кН/м;

- р=20 рад/с. с=500 кН/м; 500кг, Н = 0.2м,а = 30".

2 4 6 8 10 12 14 1618 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40

Частота вынужденных колебаний, рад/с

а)

12000 24000 36000 48000 60000 Вязкость фунта, Н*с/м б)

Рис. 19. Зависимость энергии, рассеиваемой в грунте от: а - частоты вынужденных колебаний; б - вязкости грунта

Графический анализ выражения (30) позволил отметить существенное влияние параметров процесса на эффективность передачи энергии рабочему органу при разрушении грунта (рис. 19, 20). При этом максимум передачи энергии в грунт приходится на режим согласования частот р и со. Данное условие определяет целесообразность поддержания параметров механической системы в режиме согласования частот при изменении внешних воздействий.

Основными параметрами рабочего оборудования, влияющими на энергетические показатели процесса, являются жесткость упругой связи и масса рабочего органа (рис. 21). Поскольку управление инерционными свойствами рабочего оборудования при эксплуатации рыхлителя сложнее, чем упругими, масса рабочего органа принята постоянной. Упругая связь оборудования выполнена регулируемой.

Рис. 21. График определения § оптимальных параметров рыхли-телыюго оборудования с аккумулятором энергии

Жесткость упругого элемента, Н/м

а)

Длина игганг стойки, м в)

1200 1600 Масса рабочего органа, кг

Масса рабочего органа, кг б)

Рис. 20. Зависимость энергии, рассеиваемой в грунте от: а - жесткости упругой связи; б - массы рабочего органа; в - длины вылета штанг стойки

Семейство характерных кривых, соответствующих максимальному рассеянию энергии в фунте

—— 1 - р= 5 рад/с, аИ5 кН'с/м;

— 2 - р= 5 рад/с, а1=20 кН*с/м; —3-р=10 рад/с, а1=15кН*с/м

• 4 - р=10 рад/с, а1=20 кН*с/м

—— 5 - р=15 рад/с, а!=15 кН'с/м

0 100000 200000 300000 400000 500000 600000 700000

50000

45000-

40000-

30000-

— 1 -р= 5 рад/с, а1=15 кН'с/м; —" 2 - р=10 рад/с, а1=15 кН*с/м;

— 3-р=5рад/с,а1=20кН*с/м;

— 4 - р=10 рад/с, а1=20 кН*с/м;

50 ОкН/м,Н = 0,2м, а = 30°.

20000-

15000-

В реальных условиях, когда сила сопротивления грунта разрушению носит сложный периодический характер, теоретическое описание энергетической стороны процесса затруднено. Поэтому дальнейшие исследования проводились на масштабной модели и в реальных условиях, с разложением осциллографиче-ской записи касательной составляющей усилия сопротивления грунта разрушению в ряд Фурье.

В пятой главе приводится методика экспериментальных исследований описания, оборудования и измерительной аппаратуры.

Основная часть экспериментальных исследований проводилась в лабораторных условиях (рис. 22) с проверкой отдельных результатов на натурных образцах рыхлителей с аккумулятором энергии (рис. 23)

б) в)

Рис. 22. Стенд для исследования рыхлителыюго оборудования землеройных машин (Пат. на изобр. № 2239689): а - конструкция стенда; б - регистрирующие датчики, в - принципиальная схема с традиционной и интегральной оценкой эффективности процесса ведения земляных работ

Размеры лабораторного стенда выбирались в соответствии с методикой приближенного физического моделирования землеройно-транспортных машин с линейным масштабным коэффициентом К, = 5. При выборе размера грунтовых образцов учитывалось влияние боковых стенок и дна образца на снимаемые результаты. Расстояние от дна и стенок образца, на котором стабилизировалось усилие резания, считалось минимальным при назначении общих размеров. Длина образца определялась необходимым отрезком реализации х(г), обеспечивающим достижение заданной точности оценок характеристик слу-

чайного процесса, основным показателем которого являлась продолжительность реализации процесса Т0.

а) б)

Рис. 23. Рыхлитель с аккумулятором энергии (А.с. № 815169, 936672, 994650, пат. на изобр.2455428'): а - навесное оборудование; б - натурный образец

Оценка влияния упругой связи аккумулятора энергии на эффективность процесса разрушения грунта проводилась по многофакторному плану.

В качестве контролируемых параметров были приняты следующие факторы: жесткость упругой связи с\ ход рабочего органа, определяемый предварительным поджатием упругого элемента Ь0\ вылет вершины зуба рабочего органа относительно оси подвеса штанг стойки скорость подачи рабочего органа V. Задача описания процесса, таким образом, сводилась к отысканию функциональной связи в виде

у = /(с,Ь0,Ь,У), (31)

где у — коэффициент передачи динамической нагрузки.

У=к.V)*10(р/о; т'пея, Про - масса тележки и рабочего органа; хта, х^ ускорения тележки и рабочего органа.

Для решения поставленной задачи проводилось планирование эксперимента второго порядка с использованием плана В4-плана на кубе 4-й размерности, для реализации которого необходимо постановка всего 24 опытов. С целью исключения влияния систематических погрешностей, вызванных изменением внешних условий, последовательность проведения экспериментов, запланированных матрицей, носила случайный характер. Необходимое количество экспериментов в каждой точке плана определялось по методике Романовского:

"-'а^2/^ 1 (32)

где критерий Стьюдента, определимый по таблице при заданной надежности эксперимента и числу степеней свободы; Б - среднеквадратическое отклонение; £ - точности измерения.

В шестой главе изложены результаты экспериментальных исследований. С целью повышения точности и достоверности определения критерия оптимизации, опыты эксперимента повторялись по шесть раз в каждой точке плана. При этом план эксперимента проводился в порядке случайного смешивания (рандомизации).

Проведен статистический анализ адекватности принятой модели экспериментальных исследований. В результате экспериментальных исследований получена адекватная зависимость критерия оптимизации от кодированных значений факторов следующего вида:

у = 21,21+6,67с - 6,64У-2,81Ь + 1,80с2 + 11.41У2 + (33)

+ 0,61Ь2-12,30сУ- 2,17с1 + 4,81УЬ.

График зависимости выражения (33) в форме поверхностей равного отклика представлен на рис. 24.

Рис. 24. Зависимость коэффициента передачи динамических нагрузок от параметров рабочего оборудования и режимов его движения в виде поверхностен равного отклика для песчаного грунта при \У = 11 %, I = -5 "С (¿о=70 мм)

Для более детального анализа влияния факторов на степень передачи динамических нагрузок, их зависимость представлена в виде следов поверхностей равного отклика на плоскости факторов Х| и Х( (рис. 25 - 28).

Рис. 25. Зависимость параметра оптимизации «у» от жесткости упругой связи при Ь =0,25 м: / - У = 0,20м/с; 2 -У =0,2 5 м/с; 3 - У=0,30 м/с; 4 - У=0,35 м/с; 5 - У=0,40 м/с

Рис.26. Зависимость параметра оптимизации «у» от вылета вершины зуба при с=100 кН/м: 1 -V =0,20 м/с; 2 - У =0,25 м/с; 3 - У=0,30 м/с; 4 - У =0.35 м/с; 5 - У = 0,40 м/с

Исследование полиномиальной модели и ее геометрических образов позволило отметить существенное влияние контролируемых параметров на параметр оптимизации. Так, например, при фиксировании вылета вершины зуба на среднем уровне (рис. 34) и увеличении скорости подачи рабочего органа с 0,2 до 0,4 м/с необходимо изменять жесткость упругой связи. Если при К=0,27 м/с

НО 86,7 93,3 100 106,6 113,3 С, кН/м

0.35 0.30 0.25 0.20 0.15

значению «у» соответствует с=80 кН/м, то при К=0,37 м/с значению «у» соответствует с= 110 кН/м. Этим обеспечивается поддержание выходного параметра на минимальном уровне

Выполнение инженерных расчетов по модели (33) является достаточно трудоемкой задачей. С целью ее облегчения на предварительном этапе расчетов, построенная модель может быть представлена графически в виде сетчатой номограммы (рис. 29). Ключ пользования номограммой нанесен непосредственно на рисунке. ь,

0.20 0.23 0.27 0.30 0.33 0.37 У. м/с

0.20 0.23 0.27 0.30 0.33 0.37 У. м/с

0.35 0.30 0.25 0.20 0.15

Рис. 27. Зависимость вылета вершины зуба рабочего органа относительно оси подвеса от скорости его подачи при «у» - 25 %: 1 - с=80 кН/м; 2 - с=90 кН/м; 3 - с=100 кН/м; 4 -с=110 кН/м; 5 - с=120 кН/м

Рис. 28. Зависимость вылета вершины зуба рабочего органа относительно оси подвеса от скорости его подачи в условиях поддержания выходного параметра на заданном уровне при с=80 кН/м

Рис. 29. Сетчатая номограмма расчета параметров рыхлительного оборудования

Сетчатая номограмма дает возможность компактно представить полученную математическую зависимость в графическом виде. Применение номограммы существенно снизило трудоемкость определения значений функции отклика в зависимости от изменения факторов, а также позволило решать обратные задачи.

Выполнена оценка амплитуды колебаний рабочего органа в области согласования частот на основе представления усилия резания в виде полигармонического ряда и сравнения их с экспериментальными значениями. Расхождение расчетных и экспериментальных амплитудных характеристик находилась в пределах 30 %. Указанное расхождение объясняется высокой значимостью случайной составляющей реального процесса.

Проведена оценка эффективности использования упругой связи. При проведении экспериментов отмечено снижение энергоемкости процесса на 10... 12 % в области согласования частоты колебаний рабочего органа с частотой скола грунтовых элементов. При этом производительность процесса за счет снижения энергоемкости возросла на 15..20 %, при снижении динамических нагрузок, передаваемых на базовую машину, в 1,5...2,0 раза.

В седьмой главе представлены практические рекомендации по выбору основных параметров рыхлителя с аккумулятором энергии и выводы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. На основании анализа литературных источников установлено, что одним из факторов, сдерживающих эффективное использование машин для разработки прочных и мерзлых грунтов, являются динамические нагрузки, предаваемые на базовую машину и оператора, возрастающие при повышении рабочих скоростей.

2. Разработаны математические модели и установлены закономерности влияния упруго-инерционных свойств механической системы «опорная поверхность - гусеничный движитель - трансмиссия - базовая машина - рабочее оборудование - грунт».

3. Установлена закономерность распространения динамических нагрузок, возникающих при взаимодействии рабочего органа рыхлительного оборудования с грунтовым массивом. Определено условие, при котором динамические нагрузки, действующие на базовую машину, перераспределяются в зону разрушения грунта. Данное условие предложено называть принципом «замыкания» динамических нагрузок на рабочем оборудовании и грунте. На основе предложенного принципа синтезирован класс землеройных машин, в том числе и рыхлителя с аккумулятором энергии, защищенных авторскими свидетельствами и патентами.

4. Установлено, что рабочий орган в совокупности с аккумулятором энергии являются активной виброзащитной системой, позволяющей управлять вибрационным состоянием механической системы и целенаправленно перераспределять энергию колебаний в зону разрушения грунта.

5. Изучен механизм взаимодействия рабочего органа с мерзлым грунтом при передаче энергии через упругую связь. Теоретически установлена и экспериментально доказана связь основных параметров рыхлителя и режимов реза-

ния с максимальным рассеянием энергии в фунте. На основании многофакторного эксперимента построена адекватная математическая модель, характеризующая степень перераспределения динамических нафузок, возникающих при разрушении фунта, между рабочим органом и базовой машиной при наличии упругой связи.

6. Для облегчения инженерных расчетов, связанных с выбором рациональных параметров рыхлителя с аккумулятором энергии при его конструировании и эксплуатации, предложена сетчатая номофамма, позволяющая существенно снизить трудоемкость определения значения функции отклика в зависимости от изменения контролируемых параметров, а также решать обратные задачи.

7. Сравнение энергетических показателей процесса разработки мерзлого грунта рабочим органом с жесткой и упругой связью показало заметное снижение (до 10...12 %) энергоемкости разработки фунта при упругой связи рабочего органа в области рациональных параметров. Это вместе с возможностью увеличения скорости резания фунта при соблюдении условий защиты базовой машины от конструктивноопасных динамических нафузок повышает производительность разработки мерзлого фунта. Тенденция выпуска энергонасыщенных тракторов в отечественном машиностроении способствует более эффективному использованию рыхлителей с аккумулятором энергии на основе интенсификации рабочих процессов.

8. Результаты теоретических и экспериментальных исследований использованы при создании опытной партии рыхлителей с аккумулятором энергии РС-01, РС-02 в количестве 5 образцов, разработанных, испытанных и переданных в эксплуатацию при непосредственном участии автора.

9. Чистый дисконтированный доход от внедрения рыхлителя с аккумулятором энергии на базе трактора Т-3501 при продолжительности проекта 6 лет составит более 4 млн. рублей по сравнению с рыхлительным оборудованием традиционной конструкции за тот же период времени.

В результате проведенного комплекса теоретических и экспериментальных исследований решена важная задача для экономической деятельности России по созданию и разработке энергосберегающей рыхлительной техники, обеспечивающей перераспределение энергии динамических нагрузок в зону разрушения фунта.

Успешному выполнению задач подобного рода будут способствовать дальнейшие исследования в этом направлении.

Основное содержание диссертации изложено в следующих работах:

1. Геллер Ю.А. Анализ причин, влияющих на динамическое нагруже-ние рыхлительного оборудования, и поиск резервов, обеспечивающих эффективное разрушение грунта / Ю.А. Геллер // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. - 2010. - № 4 (28). - С. 57-64.

2. Геллер Ю.А. Влияние механических свойств грунта на частоту колебаний рабочего органа рыхлителя с аккумулятором энергии / Ю.А. Геллер // Системы. Методы. Технологии. - 2011. - №.4 (12). - С. 20-25.

3. Геллер Ю.А. Динамическая модель рыхлителя с аккумулятором энергии / Ю.А. Геллер // Системы. Методы. Технологии. - 2012. - №1 (13).

- С. 28-32.

4. Геллер Ю.А. Влияние упруго-инерционных свойств землеройных машин на динамическое гашение колебаний / Ю.А. Геллер, O.A. Баландин И Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. - 2012. -№ 2 (34). - С. 64-71.

5. Геллер Ю.А. Влияние режима согласования частот на энергетические показатели разрушения грунта / Ю.А. Геллер // Системы. Методы. Технологии. - 2012. - № 3 (15). - С. 35-40.

6. Геллер Ю.А. Оценка эффективности виброизоляции землеройных машин при наличии упругой связи // Системы. Методы. Технологии. -2013. - № 1 (17). - С. 33-37.

7. Геллер Ю.А. Оценка возможности управления динамическим состоянием землеройных машин / Ю.А. Геллер // Вестник Забайкальского государственного университета. - 2013. - №8 (99). - С. 71-81.

8. Геллер Ю.А. Экспериментальное исследование эффективности разрушения мерзлого грунта рыхлителем с аккумулятором энергии / Ю.А. Геллер // Вестник Забайкальского государственного университета.

2013. - №10 (101). - С. 69-81.

9. Геллер Ю.А. Исследование влияния жесткости упругой связи на энергоемкость разрушения грунта рыхлителем с аккумулятором энергии / Ю.А. Геллер // Вестник Забайкальского государственного университета. -

2014. - №8 (111). - С. 52-63.

10. Геллер Ю.А. Экспериментальное определение амплитудно-частотных характеристик рабочего оборудования рыхлителя / A.B. Лещинский, Ю.А. Геллер // Вестник Тихоокеанского государственного университета. - 2014. - № 4 (35). - С. 99-104.

11. Рыхлитель: Пат. 1176944 Российская Федерация, МКИ3 Е 02 F 5/30. / Геллер Ю.А. - № 3709935/29-03; заявл. 02.01.84; опубл.07.09.85. Бюл. №33.- 4 с.

12. Вибрационный рыхлитель: Пат. 2222669 Российская Федерация, МКИ 7 Е 02 F 5/30. / Геллер Ю.А. -№ 2001114130; заявл. 23.05.01; опубл. 27.01.04. Бюл. №3.-5 с.

13. Стенд для исследования рабочих органов землеройных машин: Пат. 2239689 Российская Федерация, МКИ 7 Е 02 F 3/00, G01M 19/00. / Геллер Ю.А.

— № 2002122136/03; заявл. 13.08.02; опубл. 10.11.2004. Бюл. № 31. -9 с.

14. Вибрационный рыхлитель: Пат. 2367747 Российская Федерация МКИ 7 Е 02 F 5/30. / Геллер Ю.А. - № 2008116382; заявл. 24.04.08; опубл. 20.09.09. Бюл. № 26. - 7 с.

15. Рыхлитель ударного действия: Пат. 2372447 Российская Федерация, МКИ 7 Е 02 F 5/30. / Геллер Ю.А. - № 2008120282; заявл. 21.05.08; опубл. 10.11.09. Бюл. №31.-5с.

16. Рыхлитель ударного действия: Пат. 2380489 Российская Федерация, МКИ 7 Е 02 F 5/30. / Геллер Ю.А. - № 2008116381; заявл. 24.04.08; опубл.27.01.10. Бюл. №3.-4 с.

17. Рыхлитель с пружинным аккумулятором энергии двухстороннего действия: Пат. 2455428 Российская Федерация, МКИ3 Е 02 F 5/30. / Геллер Ю.А.-№ 2010146230/03; заявл. 12.11.2010; опубл. 10.07.12. Бюл. № 19.-9 с.

18. Рыхлитель с жидкостным аккумулятором энергии двухстороннего действия: Пат. 2505647 Российская Федерация, МКИ3 Е 02 F 5/30. / Геллер Ю.А. -№ 2012123202/03; заявл. 05.06.2012; опубл. 27.01.14. Бюл. № 3. -9 с.

19. Рыхлитель с газовым аккумулятором энергии двухстороннего действия: Пат. 2537428 Российская Федерация, МКИ3 Е 02 F 5/30. / Геллер Ю.А. - № 2013133013/03; заявл. 16.07.2013; опубл. 10.01.15. Бюл. № I. - 8 с.

20. Рыхлитель: A.c. 815169 СССР МКИ3 Е 02 F 5/30. / Безручко Н.П., Геллер Ю.А. (СССР). -№ 2727234/29-03; заявл. 22.02.79; опубл. 23.03.81, Бюл. № 11.-2 с.

21. Рыхлитель: A.c. №889805 СССР, МКИ3 E02F 5/30. / Безручко Н.П., Геллер Ю.А., Киричек A.A., Козлов В.П., Гаршин А.П. (СССР). - №2892666/2903; заявл. 07.03.80; опубл. 15.12.81. Бюл. №46. - 3 с.

22. Рыхлитель: A.c. 939672 СССР МКИ3 Е 02 F 5/30. / Безручко Н. П., Геллер Ю.А., Киричек А. А., Козлов В. П., Хлынов Ф. П. (СССР). - № 3222893/29-03; заявл. 24.12.80; опубл. 30.06.82. Бюл. № 24. - 3 с.

23. Устройство для разработки прочных фунтов: A.c. 968558 СССР, МКИ3 Е 02 F 5/30. / Безручко Н.П., Геллер Ю.А., Киричек A.A., Козлов В.П. (СССР). - № 3272533/29-03; заявл.03.04.81; опубл. 23.10.82. Бюл. №39. - 4с.

24. Рыхлитель для разработки мерзлых и прочных фунтов: A.c. 994650 СССР, МКИ3 Е 02 F 5/30. / Безручко Н.П., Геллер Ю.А., Киричек A.A., Козлов В.П., Блиников H.A., Гаршин А.П. (СССР). - № 2892665/29-03; за-явл.07.03.80; опубл.07.02.83. Бюл. №5.-4 с.

25. Рыхлитель: A.c. 1016445 СССР, МКИ3 Е 02 F 5/30. / Геллер Ю.А., Киричек A.A., Безручко Н.П., Круглов Г.Р. (СССР). - № 3399226/29-03; заявл. 24.02.82; опубл. 07.05.83. Бюл. №17. - 4 с.

26. Рыхлитель: A.c. 1304465 Российская Федерация, МКИ3 Е 02 F 5/30. / Геллер Ю.А., Киричек A.A., Курбатов Н.Е., Маккавеев Е.П. (РФ). - № 3700504/29-03; заявл. 10.02.84; опубл. 15.12.86. Бюл. № 35. - 4 с.

27. Геллер Ю.А. Создание эффективной техники на примере машин для специальных земляных работ, действующих по принципу замыкания динамических нафузок на рыхлительном оборудовании и фунте: монография. - Чита: ЗабГУ, 2011.-217 с.

28. Геллер Ю.А. Рыхлитель мерзлых фунтов / Н.П. Безручко, Ю.А. Геллер, В.И. Капралов // Гидротехника и мелиорация. -1980. - №1. - С. 31-32.

29. Geller U.A. Energy-saving class of the machines, which work according to the principle of closing dynamic loads on the loosening equipment / U.A. Geller // China Science and Technology Review. - 2011. - Vol. 10. - p. 29.

30. Геллер Ю.А. Активные средства виброзащиты землеройных машин на примере рыхлителя с аккумулятором энергии / Ю.А. Геллер // Bi6pauiY в техшщ та технолопях. - 2012. - № 2 (66). - С. 105-111

31. Геллер Ю.А. Создание класса машин, работающих по принципу замыкания динамических нафузок на рабочем оборудовании / Ю.А. Геллер // Вестник Читинского государственного университета. - №5 (56). - 2009. - С. 24-36.

32. Геллер Ю.А. К вопросу повышения эффективности рыхления мерзлых грунтов рыхлителем с аккумулятором энергии / Геллер Ю.А. // Исследование рабочих процессов строительных и дорожных машин. Сборник научных трудов. - Омск: ОмПИ, 1986. - С.65-68.

33. Геллер Ю.А. Влияние аккумулятора энергии рыхлителя на процесс формирования грунтовых элементов / Ю.А. Геллер // Вестник Читинского государственного университета. -2005. -№2 (39).- С. 8-12.

34. Геллер Ю.А. Расчетная схема рыхлителя с аккумулятором энергии / Ю.А. Геллер // Вестник Читинского государственного университета. - 2007 -№4 (45). - 2007. - С. 49-56.

35. Геллер Ю.А. Исследование влияния параметров рыхлителя с аккумулятором энергии на эффективность разрушения фунта / Ю.А. Геллер // Вестник Читинского государственного университета. - 2008. -№2(47).- С. 119-129.

36. Геллер Ю.А. Оценка возможности управления динамическим состоянием рыхлителя с аккумулятором энергии / Ю.А. Геллер // Инновация, экология и ресурсосбереающие технологии (ИнЭРТ-2012). Труды X Международного науч.-технич. форума- Ростов н/Д: ДГТУ, 2012. - С. 178-182.

Геллер Юрий Александрович

СОЗДАНИЕ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩЕЙ РЫХЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ, ОБЕСПЕЧИВАЮЩЕЙ ПЕРЕРАСПРЕДЕЛЕНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ НАГРУЗОК В ЗОНУ РАЗРУШЕНИЯ ГРУНТА

05.05.04 - Дорожные, строительные и подъемно-транспортные машины

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Подписано к печати _15.04.15 Формат 60x90 1/16. Бумага писчая. Оперативный способ печати. Усл. п. л. 2,0. Уч.- изд. 1,8. Заказ № 17

Тираж 120 экз.

Забайкальский государственный университет 672039, Чита ул. Александро-Заводская, 30

РИК ЗабГУ 672039, Чита, ул. Александро-Заводская, 30 www.rik@zabgu.ru

Для заметок

2015675710

2015675710