автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.06, диссертация на тему:Теория и разработка шагающих шасси машин для освоения ресурсов морского дна

Государственный комитет по народному образованию

ижнградекий ордена Ленина, ордена Октябрьской Революции и ордена Трудового Красного Знамени горный институт имени Г.В.Плеханова

На правах рукописи

Тимофеев Игорь Парфёнович

у/щ 622.271.5+622.234.5+622.234.8

теория и разработка шагающих шасси машин для ОСВОЕНИЙ ресурсов морского дна'

Специальность 05.05.06 ~ 'Торные машины"

Автореферат диссертации-, на соискание учёной степени доктора технических наук

Ленинград 1990

Работа выполнена в Ленинградском ордена Ленина, ордена Октябрьской Революции и ордена Трудового Красного Знамени горном институте имени Г.В.Плеханова.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор ТИХОНОВ Н.В., доктор технических наук, доцент ТАРАСОВ Ю.Д., доктор технических наук, профессор КОНТАРЬ Е.А.

Ведущая организация - производственное геологическое объединение "Севморгео"

Защита диссертации состоится " " ...............

1990 года в ..... час. на заседании специализированного

совета Д 063.15.12 при Ленинградском ордена Ленина, орден Октябрьской Революции и ордена Трудового Красного Знамени горном институте имени Г.В.Плеханова по адресу: 199026, г. Ленинград, 21 линия, Д. 2.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке институ Автореферат разослан ...................... 1990 года.

Учёный секретарь специализированного совета доктор техн. наук, проф. Я.К.ГОНЖОВ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В "Основных направлениях экономического и социального развития СССР на 1986-1990 годы и на период до 2000 года", принятых ХХУП съездом,КПСС, предусмотрено планомерное техническое переоснащение геологоразведочной службы, создание и внедрение специализированных высокомеханизированных и автоматизированных средств для изучения и промышленного освоения триродных ресурсов на континентальном шельфе и в Мировом океа-

Запасы цветных металлов на суше к 2000 году будут значитель-10 использованы. В Мировом океане уже сегодня разведаны огром-ше запасы железа, маргянца, кобальта, никеля, меди, циркония, »олибдена, цинка и других металлов. Так, запасы железа оценивался в 232 млрд.т., примерные запасы металлов морского дна пре-шшают запасы на суша: марганца в 50 раз, кобальта в 620 раз, гакеля в 90 раз, меди в 8 раз. Основная часть этих ресурсов содержится в железомарганцевых конкрециях, занимающих огромные [лощади на глубинах до 6000 м. В россыпях шельфовой зоны содер-;атся преимущественно рудные минералы, в первую очередь титсно--ые ~ ильменит и рутил, а также циркон и молибден. Некоторые >оссыпи содержат хром, магнетит, кассетерит, алмазы, золото и латину.

Изучение и промышленное освоение ресурсов морского дна не-озмолето без. технических средств и, в первую очередь, подвод-ого горного оборудования. Важная роль среди подводных горных ашин отводится донным агрегатам, несущим на себе добычные и ге логоразведочные рабочие органы е виде всасывающих нэконечни-ов, рыхлителей, ковшей, подборщиков, отээлов, грунтовых насо-ов, эрлифтны^ головок, зондов, крыльчаток, штампов и других.

Своевременная разработка научно- и теоретически обоснованных зтс.цик рпсчётя нового морского оборудования позволит без боль-лх неоправданных затрат м в короткие сроки осуществить его

т 4 -

внедрение в разрабатываемую в настоящее время новую подвода технологию добычных работ.

Цель работы. Установление закономерностей движения шагаю шасси в водной и воздушной средах для разработки теории их ! мещения и на этой основе создание высокоэффективных средств . обеспечивающих изучение и промышленное освоение природных р< сурсов континентального шельфа и Мирового океана.

Идея работы. Режимы перемещения шагающих шасси обеспечив ся изменением положения центра масс системы противовесом, п лавком и балластом, создающими попеременно избыточный момен относительно одной из опор шасси и определяются закономерно ми движения противовеса, поплавка вдоль несущей рамы шасси производительность«) откачки балласта.

Основные научные положения, выносимые на защиту: . I. Движущие силы шагающих шасси с приводом от противовес поплавка и балласта определяются длинами рабочего участка н щей рамы и её консолей, сближением опорных столов, смещение поплавка, превышением поплавка и балласта над центром масс си и массы присоединённого вспомогательного оборудования, к рые нелинейно связаны с силой тяжести противовеса, подъ'ёмнс силой поплавка и.балластных устройств.

2. Минимальная масса шагающего шасси с приводом от прост ' веса достигается при значениях относительной длины консоли

сущей рамы и относительного сближения опорных столов, оптии эируемых обратной зависимостью массы консоли и массы протш са с учётом массы присоединённого вспомогательного оборудо;

3. Кинематические характеристики поворота несущей ромы г шагании определяются с помощью физических моделей, отличакж переменным моментом инерции системы за счёт подвижности прс вовеса и поплавка вдоль несущей рамы и изменения массы бaлJ при прокачке и описываемых нелинейными дифференциальными у] нениями второго порядка в зависимости от закономерностей и: нения момента инерции системы в процессе повороте несущей рамы.

4. Угловые перемещения, скорости и ускорения поворота н щей рамы шагаищих шясси в водной среде определяются величм присоединённой массы среды, сопротивлениями движении и сксТрссти придонного течения, а углы зависания нес.уц°й рамы - пр^пыиенкем поплашга и балластных устройств нрд центром

со шагающего шасси.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов рекомендаций.

Научные положения, заключение и выводы, сформулированные в ссертации, обоснованы результатами теоретических исследова-й с использованием классических методов теоретической механи-и теории механизмов и машин, применением современных методов гения дифференциальных уравнений, совпадением с погрешностью • 10 % кинематических характеристик поворота несущей рамы, по-?енных теоретически и в эксперименте, экспериментальными ис-¡дованиями на лабораторных стендах, положительными реэульта-(и испытаний промышленных образцов шагающих шасси в морских говиях, а также опытом использования принципиально новых схем инструкций шагающих шасси в проектных решениях. Научная новизна результатов, полученных автором диссерта-г: разработана теория статики двухопорных шагающих шасси, ба-умцаяся на равновесном состоянии рамы шасси относительно не-,ей первой опоры при равенстве нулю реакции на второй и уста-лены закономерности изменения движущих сил от длины рабочего стка несущей рамы и её консолей, сближения опорных столов, щения поплавка, превышения поплавка и балласта над центром с шасси и от массы присоединённого вспомогательного оборудо-ия, определяющих выбор геометрических параметров машины; ус-овлены закономерности изменения массы шагающего шасси в замости от относительных длин геометрических параметров и з присоединенного вспомогательного оборудования; разработана эия динамики двухопорных шагающих шасси для систем с пере-«й1 моментом инерции за счёт подвижности противовеса и попса вдоль несущей рамы и изменения массы балласта при прокач-установлены закономерности изменения угловых перемещений гсстей и ускорений при повороте несущей рамы в воздушной и юй средах, на которые влияют режимы движения противовеса, :эвка и производительность прокачки балласта; установлены «омерности изменения угла зависания несущей рамы в эависи-■и от относительного превышения поплавка и балласта над цен: масс машины, ускорения замедления поплавка и производк-ности прокачки балласта.

п.учное значение работы состоит в разработке теории статики начики дзухопсрньгх шагающих шасси для переноса геологорэз-

- б -

ведочных и добычных рабочих органов по морскому 'дну, определяющей закономерности изменения геометрических, силовых и кинемати ческих характеристик шагающих шасси в воздушной и водной средах что является обобщением и дальнейшим развитием теории шагающих машин.

Практическое значение работы заключается в разработке теоретических -положений, расчётной методики, алгоритмов и программ н ЭЕМ по определению основных параметров шагающих шасси, позволяю щих с требуемой точностью производить необходимые инженерные расчёты на стадии проектирования, что обеспечивает сокращение затрат и сроков создания и внедрения новой подводной высокоэффе: тивной техники; параметрического ряда шагающих машин, обеспечив ющего упорядочение при конструировании и удовлетворяющего потре ности народного хозяйства в машинах такого класса для любых горно-геологических условий при ведении разведочных,« добычных работ на морском дне; стенда для исследования физико-механических свойств донных грунтов в естественном залегании на любых глубинах, который может быть использован для инженерно-геологических работ по определению удельных сил резания, удельного дав ления, напряжений среза, коэффициентов сопротивления движению непосредственно на морском дне, что обеспечивает достоверность полученных параметров грунтов в сравнении с исследованиями в ла бораторных условиях. '

. Реализация выводов и рекомендаций работы. Результаты диссерт ционной работы использованы:

- Всесоюзным научно-исследовательским институтом золото-платино ■ вой, алмазной и вольфрамо-молибденовой промышленности

.'• (ВНИИПРОЗОЛОТО) МЦМ СССР при конструировании шагающей установ ки с приводом от подъёмной силы плавучести при продувке бал. ласта для разработки россыпей шельфовой зоны; установка прошл испытания на Балтийском море;

- Всесоюзным научно-исследовательским институтом геологии и минеральных ресурсов Мирового океана (ВНЙИОкеангеология) Мингео СССР при конструировании геологоразведочной шагающей установк с приводом от подъёмной силы подвижного поплавка для ведения инженерно-геологических работ на дне океана при исследовании полигонов ШК и при создании стенда для исследования физико--ме!санических свойств донных грунтов в естественном залегании на шагающую установку разработаны рабсчие чертежей, а исследов

тельский стенд изготовлен в черырёх модификациях, прошёл промышленные испытания в Атлантическом и Тихом океанах и используется в промышленных рейсах института; - в Ленинградском горном институте при разработке проектов геологоразведочных добычных шагающих машин: а) шагающая установка с противовесом и всасывающим рабочим органом; б) шагающая установка с балластными устройствами и всасывающим рабочим органом; в) шагающая установка с поплавком и многокамерным пробоотборником.

Ожидаемый экономический эффект от внедрения шагающих машин и исследовательских стендов составит 660 тыс.рублей в год.

Связь теш диссертации с планом работ института.

Автор принимал участие в качестве руководителя хоздоговорных научно-исследовательских работ Ленинградского горного института имени Г.В.Плеханова, связанных с.созданием шагающих машин и тех--нических средств для исследования и разработки полезных ископаемых морского дна с 1975 по 1988 гг. (Ш гос.регистрации 71047168,76093785,1829067804,01620089083,01860006378, 01880003948), в соответствии с планом Минцветмета по проблема 0.08.032, по комплексным программам Минвуза РС5СР "Океан" и "Человек и окружающая среда", по целевой комплексной программе Минвуза Р05СР "Океанотехника" и научно-технической программе ГКНТ СССР по проблеме 0Ц.039.

Апробация работы..

Диссертационная работа и основные её разделы докладывались на научно-техническом пленуме "Техника и технология разработки месторождений твёрдых полезных ископаемых на шельфе", институт ВНИИПРОЗолото, г. Москва, 1975; на Всесоюзной научно-технической конференции "Совершенствование технологии и оборудования гидромеханизации горных, земляных, строительных и мелиоративных работ", МГИ, г. Москва, 1977; на П Всесоюзной научно-технической конференции "Технические средства изучения и освоения океана", ИКИ, г. Ленинград, 1978; на Всесоюзной научной конференции "Научные основы создания комплексно-механизированных и автоматизированных карьеров и подводной добычи полезных ископаемых", МГИ, 7. Москва, 1980; на Всесоюзной научно-технической конференции 'Проблемы создания техники для освоения шельфа", ГПИ, г. Горький, [982; на научно-технической конференции "Проблема создания новой техники для освоения шельфа", г. Астрахань, Т984; на семинаре

- е -

электромеханического факультета ЛГИ, 1989.

Модели шагающих машин и стендов, разработанные автором, экспонировались по телевидению (г. Ленинград, 1979); на ВДНХ СССР и тематической выставке "Подготовка горных инженеров" (г. Москва, 1982, серебряная медаль); на выставке "Научно-техн ческое творчество студентов" (Индия, г. Дели, 1984); на ВДНХ СССР, выставка "Изобретатели и рационализаторы Ленинграда и Ле нинградской области - интенсификации производства" (г. Москва, 1986, золотая медаль).

Публикации.

Основйые положения диссертации опубликованы в 29 работах, i том числе в монографии "Шагающие машны для освоения ресурсов морского дна" (Л., ЛГУ, 1987).

Объём работы.

Диссертация состоит из введения, семи глав и заключения, и: ложенных на 314 страницах машинописного текста, включает в се< 101 рисунок, 9 таблиц, список литературы из 128 наименований i приложения.

Автор выражает признательность коллективу института ВШИПРОЗолото за помощь в'проведении промышленной проверки образцов шагающих машин и коллективу ВШИОкеангеология за предо< тавление судна и условий для промышленных испытаний в океане стенда по исследованию донных грунтов.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Состояние проблемы и задачи исследования.

В качестве средств передвижения по дну уже предложены и мо быть использованы движители канатного, гусеничного, колёсного шнекового, шагающего и других типов. Однако условия эксплуата на дне, характеризующиеся низкой несущей способностью грунтов пересечённостью поверхности дна, возможным наличием преград, ктически делают малоэффективными или непригодными большинство речисленных движителей. Известно, что проходимость, например, леса ограничивается уступом высотой в треть его радиуса и шир канавы в две трети. Кроме того, колесо и гусеница непрерывно формируют грунт, затрачивая на это определённую энергию, а сс ваемая ими колея приводит к нарушению экологии.

Одним из наиболее перспективных для эксплуатации в условия морского дна и принципиально новым является шагающий движител

юторый способен мобильно вписываться в подводную технологию 'еологораэведочных и добычных работ, может просто перешагнуть фепятствие, не оставляя непрерывной колеи.

Следует заметить, что имеющиеся теоретические и научные разработки по шагающим машинам, в основном, посвящены транспортным дайнам, для которых главными параметрами являются скорость и омфорт водителя при движении. Например, в работах Чебьшева Л.П. Шигли Дж. использован для этого траекторией синтез движения топы ног механизмов, который обеспечивает движение по ровной поверхности. Приспособительные свойства механизмов к условиям дсро-« эа счет изменения длины шага и числа ног основываютсяна моде-крующем синтезе с применением ЭЩ, - ;

В нашем случае рассматриваются технологические шагающие маши-I, конструктивные схемы которых определяете?, условиями експяуа-щии и системами ведения работ на дне. Скорость же движения не шлется определяющим параметром«

Решающими следует считать такие факторы, как вписываеиость в дводную технологию добычных и геологоразведочных работ, пересе-нный рельеф, бездорожье и низкая несущая способность грунтов и 'сцепляемость. 7;-. *.,-Л ';

Технологические шагающие машины в настоящее время являются ьектами новой техники, для них отсутствуют общие, принципы выбо-определяющих параметров, методики расчёта в статике и динами, технологические показателя и критерии экономической эффективен, у -Т.:''-1/■ Пионерами в разработке технологии и.техники геояогорааведоч-с и добычных подводных работ,являются советские учёные и инже-)ы В.В.Ржевский, Г.А.Нурок, Г.И.Лязгинцев, Е.А.Контарь, И.Г, [ковников, В.С.Ястребов, А.Н.Дмитриев, В.А.Лобанов, Ю.В.Бубис, ¡.Бруякин, В.Д.Добрецов, С.В.Истошн, А.ВДукоиков, Л.Н.Молоч-ов, В.И.Попов и др.

Значительный вклад о разработку морской технологии и техни-ких средств внесли коллективы институтов МГЙ, МГРИ, ВНИИПРОЗо-о, ЛГИ, ГЗГО Севморгеология, ПГО Южморгеология, ВШС, ВНИПИ-анмаш и др. , ; • •

Анализ выполненных исследований и разработок показал, что для закия морских шагающих маиин, отвечавших требованиям подвод-технблогии ведения геологоразведочных и добычных работ потре-

буатся решить следующие задачи:

* выполнить анализ принципиальных и конструктивных схем морских Вдоавдюс ыашин с выявлением тенденций, принятых при конструирования V учётом горно-геологических условий эксплуатации;

* ИССЛвДовать шагающие шасси в статике, установить эакономернос-та изменения и определить критерии выбора геометрических и си-Аовых параметров;

* - исследовать шагающие шасси в динамике, разработать теоретические основыдвижения В воздушной и водной средах с учётом воздействия Переменного момента инерции, сопротивлений среда и придонного течения; - оптимизировать параметрический ряд шагающих шасси по основным

Параметрам й технико-экономическим показателям; » провести анализ динамики шагания параметрического ряда мади\ и установить зависимости кинематических режимов от движущих сил; • -Л-' •;. -.,*: .'.;■.>.*.-. .

» разработать методику расчёта основных геометрических и силовых параметров шагающих шасси и на ев основе создать образцы машин для промышленного использования.

. Принципиальные.. схемы щагающих шасси

Принцип переноса рабочих органов по поверхности морского дна для ведения геологоразведочных и добычных работ по заданной системе разработки для двухопорных шагающих шасси основан на изменении положения центра масс системы машина - рабочий орган и создании избыточного поворотного момента с помощью подвижной мае еы (рабочий орган или противовес), изменения плавучести при создании Подъемной силы продувкой балластных устройств или создание постоянной подъёмной силы подвижным поплавком. ,

На рис. I показаны принципиальные схемы шагающих шасси: а) с подвижной массой; б) с балластными устройствами; в) с подвижны» поплавком. Поворот несущей рамы шасси (например, подъём , яеаогр опорного стола) на угол У осуществляется избыточным ' моментом силы тяжести бщ, противовеса или Подъёмной силы шга-вучести Рц или подъёмной силы поплавка , а поворот на. угол ^ отклоняющим устройством или приводом поворота. При реверсе привода противовеса и поплавка и заполнении ёмкости бал. ластом (водой) поднятая опора встанет на другое место дка и рабочий орган машины может производить работы на'другом участке '

а)

б)

It) /н -ТГ) )ц ш И! Ш Ш III щ-ш m

в)

11) Щ HI Ш Ш JII III ПТ >)) />) И/ ))f trr Ь) in-

Bad сберху

Принципиальные схемы шагающих шасси: а) шасси о ф-'. .—«срэсом; б) с балластными устройствами; в) с подвижном nor-

морского дна. При повороте несущей рамы относительно левого опор ного стола происходит перенос правой опоры в новое рабочее положение. При равенстве углов поворота ^в относительно опорных столов шагающая машина перемещается по прямой, а при увеличении одного из углов движение может происходить по дуге необходимой кривизны с левым иди правым поворотом. Возможно также круговое движение с поворотом относительно одного из опорных столов.

Предложенные схемы двухопорных технологических шагающих шасси обеспечивают различные траектории движения для исследования грун тов, взятия проб и добычи полезных ископаемых как на шельфе, так и на дне океана.

- Шасси с подвижной массой найдут применение при разработке береговых месторождений и залежей на малых глубинах, где применение плавсредств невозможно, а также на больших глубинах при боль ших гидростатических давлениях.

Шасси с балластными устройствами рационально использовать при работе на шельфе с использованием корабельных систем для продувки или перекачки балласта в ёмкостях. • Машины с подвижным*поплавком найдут применение при любой глубина моря, их устойчивая работа будет определяться выбором

материала поплавка.- ......' •.....

Рабочие перемещения шагающих шасси можно осуществлять угловыми, параллельными, круговыми и продольными заходками или их комбинациями. При разработке заходками последовательно отрабатываются участки длиной |_,э и шириной 6 , которые в зависимости от горно-геологических условий могут иметь относительное распсло кение, определяемое величиной угла зашагивания р . При сплошно отработке месторождения угол зашагивания влияет на потери полезного ископаемого между заходками. Задаваясь потерями определяет ся полезная разрабатываемая площадь и производительность шагающей машины.

' Анализ технологических схем показал возможность создания ноной технологии ведения работ на морском дне. Движение шагающей машины с любыми углами зашагивания обеспечивает необходимые маневры при сложном рельефе дна и изменении горно-геологических условий.

Статика шагающих шасси

, Геометрические и силовые параметры шасси определены при условии статического равновесия относительно одного из горизонталь-

шх шарниров опорных столов при равенстве нулю реакции на дно зторой опоры.

Для машин с подвитой массой сила тяжести противовеса опреде-[яется по формуле

п (I + 20к)( Ь - г1) Ь - 26 „ Л

с-~тт«гтт-и/тгт20'

Д0 Ь - рабочая длина несущей рамы шасси; - длина консо-ей; 6 - сближение опорных столов; - линейная масса несущей амы; 2 С0 - суммарная сила тяжести узлов машины.

Удельная величина силы тяжести противовеса ^ Пр , приходяща-;я на единицу длины Ь рабочего участка несущей рамы выражена зрез безразмерные величины - относительную длину консолей (,к = £к / , относительное сближение опорных столов ^ » Ь / Ь и относительную силу тяжести вспомогательного оборудо-шия

( I + 2сСк)(1 - ) + ^ 1 " 2Л

. 2 ( + ) В<^к . При исследовании зависимости удельной силы тяжести противовес О Пр от Л,к и - относительных длины консоям к сбли-

ния опорных столов установлено, что её величина может быть эна-тельно снижена при правильном выборе параметров. При линейной ссе рамы С^ = 10 кг/м и 6В = 0,1 , оСк = 0,2 и - 0 7р = 400 Н/м, а при с/,к = 0,5 - 220 Н/м. Сближение опорных элов при ^ = 0,2 и ¿¿к = 0,5 уменьшает ^ Пр до 93,4 Н/м. шиз показал, что увеличение длины консолей снижает массу >тивовеса, но увеличивает массу рамы йасси, поэтому оптимиза-I относительной длины консолей выполнена из условия минимиза-г массы шасси и её значение определяется по формуле

I ОПТ Г • 0,5Ое

к Т'ТТГ , ■ ■

отношении О в /<^9 в О в = в О«®« Яри

¡ = 0,1 с£к = 0,35 , а при .А =0,2- о£к = 0,15. При-в = 0,1 + 1,0 и ръ = 0 о6°пт изменяется от 0,55 до 0,86, ри В» = 0,2 - от 0,15 до 0,42,

9

пр

- i 4 -

Таким образом, минимальная масса шагавщаго шасси с приводом от противовеса достигается при оптимизации относительной длины кон» солей с учетом массы присоединённого вспомогательного оборудования.

Для машин с балластными ёмкостями положительная сила плаву-

чести

Гп

определяется выражением

( L + 2Е,-)( I - 2&) 2 ( L + £к - I)

п

L '-ZÍ

еж-ь

2 G

и

ад

И удельная сила плавучести сшределяется по формуле (1ч- Рг) 3(i-2j5e)g&

_ 2 (I + o¿K - J5g ) I и

Исследованиями этого уравнения установлено, что наличие консолей приводит к увеличению удельной силы плавучести. С увеличением массы вспомогательного оборудования на машине при <з4к - О удельная сила плавучести возрастает. Однако, при изменении о(,к от нуля до 0,5 и 8 в = 0,15 подъёмная сила плавучести остаётся постоянной и с увеличением <5В подъёмная сила снижается при наличии консолей.

Экспериментальными исследованиями обнаружена возможность зави еания машины на любом угле f при установке балластных ёмкостей на кронштейнах выше центра масс на величину k . При такой схеме поворотный момент силы плавучести будет уменьшаться вследствие изменения плеча на величину fa • sin, f .-Угол зависания определяется из выражения

f„(I + <jK-J5g) - 2,596 (I -J3¿)- 0,5q(I + 2G¿„)(I-2fo)<

i,*

Y,(

f* -2 ^ >

где = \ь /1л - относительное превышение балластных устройс?

При о(,к = 0 и = 0 получено условие, необходимое для поворота рамы и зависания на некотором угле

• . (п> + .

для реализации поворота машины необходимо задавать избыточную с: лу п . Относительное превышение влияет на углы зависания и е: оптимальная величина находится в пределе 0,2 + 0,3.

Для машин с подвижным поплавком подъёмная -сила Р^ опреде-[явтся по формуле

п ( I + Ь „ _ 2 + „„ «л

tпл„--—г— <^9 +-—:— 2 ЬВ

1 + 2Лпа 'в 0,5 + л пл

дз еАпл = /!_. - относительное смещение поплавка. Удельная подъёмная сила поплавка \ дд равна

I

пл

I + £ 2 + «ЛПА

¿в

1 + 2^пл 0,5

Оптимальная величина относительного смещения поплавка установ-эна 0,25 + 0,5 при ^ »0. Наличие консолей приводит к увели-гнию удельной подъёмной силы поплавка.

Установка поплавка на кронштейне высотой к обеспечивает 1кже зависание машины на необходимом угле 4* • который опреде» гется из выражения *

, и, °.5+-Лпл 0,5 о (I + 2оСК) <3 + дь(2,5+Лял)

V—ц— - та--

Угол зависания с увеличением высоты кронштейна снижается, а увеличением смещения поплавка возрастает. Углы зависания в -20° обеспечиваются при относительном превышении = 0,1 ♦

0,25 и коэффициенте смещения оЛ т = 0,25. Исследование шагающих шасси в статике позволило выявить зако-адрности и оптимизировать геометрические и силовые параметры в эразмерной форме для любых длин несущей рамы шасси.

Динамика шагающих машин

Динамическая модель шагающего шасси представляет собой механичную систему, вращахяцуюся относительно неподвижной оси, с пере-шым моментом инерции при движении противовеса или поплавка >ль несущей рамы или при перекачке балласта. Изменение момента !рции системы зависит от закона изменения абсолютной скорости ¡жения подвижной массы, поплавка и закона изменения массы жид-ти в балластных устройствах.

Движение несущей рамы в вертикальной плоскости описано уравне-м Лагранжа

d ат эт n. с¡rw Ulf

а) Движение на воздухе.

Для машин с подвижной массой кинетическая энергия системы -несущая рама, противовес, опорный стол - при движении противов са в период поворота с замедлением, 1Г = 1i*0 - Q_0t имее

2 ~ - • 2 + 2 + 2 Частная производная по угловой скорости и времени получит в ражение

d 6Т .;; , _ _,г

ВИД 2 0,2

4= ^ ( a + gt + ci + dt + ei ) + + .ЧР { fe + 2ci + 3cti2 + 4ei3 ).

Обобщённая сила представляет собой момент сил тяжести прост веса, рамы и опорного стола и записывается в виде

( г! '- si2 ) cos 4> . .

Тогда уравнение движения рамы машины при повороте на угол I имеет вид

( %i . si2) cos1?- Ч( & + 2ct + 3dl\ 4 el* ) : • a + Ы + ci2 + cU3 + ei" -

Решение уравнения движения получено путём разложения в ряд Тейлора при f = 0, в результате получены выражения для опр< деления угла поворота и угловых скорости и ускорения рачы:

t---Г-1?.

При постоянной скорости движения противовеса на консолях

1 t* ( Ь-г ll? + $

ба 12 a

1 t2 • - 1 Ьч + S

га V 2Л2 2a ,

f * 1 JSM

" I i гаг + a /

равнение движения принимает вид

■ гп ^ со5 Ч> - Ч> ( 6 + 2с1 )

Ч> .

а + + с1г

го решение записывается в виде

.Л. И ;

бо. 8а2

Величины, входящие в уравнение движения, в. ^ажаятся через па-аметры машины

с^десь и р - момент инерции рамы относительно оси поворота; - масса противовеса; т,„„ - масса опорного стола; б—-"

"Г -г- .О"

та тяжести противовеса; ч)0 - скорость движения противовеса I рабочем участке рамы; О-0 - ускорение замедления при движет противовеса в период поворота р«мы.

б) Движение в воде.

При шагании в среде учтены затраты кинетической энергии на 1эмущение среды отдельными элементами во. вращательном и поступа-льном их движении, сопротивление движения в среде и сопротивле-о придонного течения. Дополнительная кинетическая энергия учи-

* \GnpiTe

5 = бпр а0/2 .

тывается присоединённым моментом инерции при вращатель-

ном движении, а при поступательном - присоединённой массой & т, соответствующих узлов машины. Силы сопротивления движению в среде пропорциональны квадрату скорости потока жидкости и учи тываются с помощью коэффициентов сопротивления для различных эл центов машины.

Уравнение движения в среде имеет вид:

Ср--:-Г ( . ) сой Ч> -

а+ Ы +с1г+ сИ*+ е{* I

- НР ( 6 + 2с* + зсИ\ 4еЬ* ) - ЧР2( Кр^ + к0С1 +

- «пР1 + Кпр2* + КПР/ ♦ ♦ + + ) - <* «шЧ» ( Крг + к0Са+ ^ + +

+ «пр/ + * ^Р'а^4 > Г «а» Ч»( Крв + Ч +

Здесь

о. - (Зр + ) + ( гапр + лггьпр )( £ к + I )2 +

+ ( ггь + д т „)( I - гЬ )2 ;

6 = 2 (пгпр + д лг Пр )( £к + £ )2 ;

с = ( ^ пр + йт прН - е -

(1 а - ( ^пр + ¿шпр) 1Г0С10 *

е - С ^пр* й ^пр 5 ао / 4 »

г а ( С пр -

3 = ( С пр- РАПР ^о / 2 ;

Кр - коэффициенты, зависящие от конструктивного исполнени.

3 несущей рамы;

Кос - коэффициенты, зависящие от конструктивного исполнени

л'ъ опорного стола;

Кдр - коэффициенты, зависящие от конструктивного исполнения подвижной массы. • .

При равноверной скорости движения противовеса в период поворота рамы уравнение движения имеет вид

Я íleos _ ^ ( Ь zci ) -

а + 6t + c¿

- KPl - «ос, + «npt + + + >.-

- SC0.4 ( Kp¿ + К0Сг + Кпрд + Knp9t + К^ t* ) -

в) Шагающие машины с балластными устройств-ми.

Момент силы положительной плавучести балластной ёмкости прео-олевает момент сил тяжести несущей рамы G р , опорного стола 'ос ' ('8ЛЛЯСТН0Й ёмкости Gg и сопротивления воды и придонно-о течения. Масса щ, балластной ёмкости с водой изменяется о закону

пг

пг.

- Q.<t.*t

;е т»„ - масса ёмкости, полностью заполненная водой; 0„ -

О | н

юизводительность насоса; Ь 0 - время откачки балласта, после >торого начинается поворот машны; - плотность воды. Кинетическая энергия системы представлена выражением

г-г

'L* 2 +

(Эр + аЭр ) У ^ ( /гьос + дпгос + ( т,0 + апг )( + ) Ч?г + (т0 + д пг -

з Ь. - высота установки балластных ёмкостей над центром ;с машины. - '

Суммарная обобщённая сила с учётом сопротивлений среды и (донного течения равна

г [ с ( to + i ) - djcosH5- e(t0 + i )

Si n>

и уравнение движения машины представлено видом

-1-+ >-с1]со5Ч>-

<х-6 { Ь0 +1 ) I I

-[е('*0 + й ).каЧ>зыЧ-- к3 ,

Здесь ;

а « Лр + дОр + ( т ос + йгтьос) I? + (лг0 + лпг )♦ • ( Е кг+ Ь,2 ) + ( + д т,) [ ( Ь + £к )2+ И,2 ] ; & =0Н [ С I + £к )2+1гг] с =0Н(1 + еж)

cl.-o.6GpL +СбЬ +СосЬ -0,5 РДрЬ-РЛ&Ь-

" рл „ Ь ; ■ е=Он(г/в; { = г ( С б !ъ - РЛ5Ь ) ;

«ос. +

ка + Кос2 + % ;

кз = 4 + Кос3 +

где Рд - силы Архимеда соответствующих узлов машины; Кр13 коэффициенты, зависящие от конструктивных параметров несущей мы; К0С) - коэффициенты, зависящие от конструктивных параме ров опорного стола; - коэффициенты, зависящие от коне

руктивных параметров балластных ёмкостей.

г) Шагающие машины с подвижным поплавком.

. Момент силы положительной плавучести поплавка Рпл преод< ваат момент силы тяжести рамы в р , рабочего органа С ор , лежки С тл , опорного стола С ос , сопротивления воды и пр! донного течения.

Кинетическая энергия системы при замедленном движении пре;

ставляет вид

T«i2( а + 6t + cí.2 + dí3+ ei*) + U2 + ai + P. Обобщённая сила равна Q„ я it cos У + St2 COS If - j slru f cos Ч7 -

- ^ [ KWTi +. ( 1Ц + K^ ) t ♦ С КТЛз + КПЛз 5 i8 +

- «fslr^ [*wt2 ^ < *W }t + ( W .^в +

+ < KWT, + ктл)5*< - ктл1Ч t2 ) ♦ «„„t* ] - • : :

- síaa4> ( KWTj + K^t +>W14t2 >-..'"■.

sin, а ^f ( 1Ц + K^t + K^t2 ) - ИпИ|в cos£4) . Уравнение движения машины с поплавком имеет вид

Ú5 --Í- ( ( г{ + s{2 + j siaf ) cos Ч* -

a + &t + ct2 + dt4 + el" 1 *

- tf ( В + 2ci + з di* + 4 et3) - 4>a[Kw

+ ' КТЛ2 + «пла 5 1 + ( Ктл3 + > ^ + Ктлч*3 + Ктл/+

- «тл/ + «и,*® ] - «f eii^ Кт2 + ( Ктл9 + V H +

- < ктл(0 - «пле > t2 + KTJI()t4] - sen.2 7 ( KWTi+

+ кТЛ)ц t4 ) - 51/ Ч> ( кпл? ♦ H^t + кПЛ912) - кПЛ(со*гЧ>,

где

С1 = С/ р + д С? р + ( пъор + лпъ0р )(0,5 L )2 + ( "гос + + Д |U ос ) L2 + 2 пь ( 0,25 L2+ L Йпл + ¿¿njI ) ¡ & « 2 ra ( L + 2 е пл ) % ; С = £пъ ( 1Г2- gnnQ 0 - 0,5 La0 ) ;

с1- - 2 т, ТГ0а0 ; е - 0,25 2 га а/ ;

Л' V-

-0,5 ( СТл- РДтА ) а0 - 0,5 <Упла0(/в-Лл)^ 5

Ч " Кр, + Ч + Ч + КЯ4 + 1Ц ;

Ч'^'Ч^Ч + Ч+ Ч ;

Кр^ ^ - коэффициенты, зависящие от конструктивных параметров рамы; - коэффициенты, зависящие от конструктивных пара-

метров рабочего органа; Кос - коэффициенты, зависящие от конструктивных параметров опорного стола; Ктл - коэффициенты, зависящие от конструктивных параметров тележки; Кпд - коэффициенты, зависящие от конструктивных параметров поплавка.

При движении поплавка с постоянной скоростью во время поворота рамы уравнение движения имеет вид

-1--I Сг1 + ¡«¿дЧ')со8 Ч> -

а + «I + с12 1 6

- Ч> (6 + 2с1 ) - Г2 [ к^ + С кТЛг *каЯл)Ь' *

+ ] .-'«ЬиЧ> [ку,Тг + (КТЛэ+КПЛ5)1 +

- Ч> ( ^ )-КПЛ(о сс5г 4>.

.Поворот несущей рамы шагающих шасси описан нелинейными дифференциальными уравнениями второго порядка в зависимости от переменного момента инерции, решение которых определяет углы поворота, угловые скорости и ускорения при проектировании машин.

Создание параметрического ряда шагающих шасси

Параметрический ряд на стадии создания новой техники позволяет обеспечить экономию средств, расходуемых при проектировании, изготовлении и эксплуатации машин, а также проанализировать существующее положение по отношению к конкретному изделию и выявить его перспективность.

В теоретическом плане параметрический ряд позволил решить частные задачи теории динамики шагающих машин и проанализировать основные геометрические и силовые параметры ряда с помощью ЭВМ. При разработке параметрического ряда шагающих машин установлен ' диапазон размеров изделий в соответствии с системой предпочти- . тельных чисел и потребности (штук) для удовлетворения всех видов работ.

Границы ряда приняты от 10 до 63 м и определяют длину рабочего участка несущей рамы' шагающей машины.

Потребность в шагающих машинах заменена (на данной стадии исследований) относительной величиной потребности, рассчитанной на объём горной массы в 1000 м3, при условии, что этот объём остаётся постоянным при работе различным количеством машин основного Е 10 и соседних рядов К 5 и Я 20.

Для определения числа машин каждого ряда ( И5, И<0 , П.го ) и типоразмера (например, И5д > ! /г го ,3) составлены ра-

венства

V + У^ \9 * Уу ,з /ь^ + У„? п = " Ую.з + ^а.л- п*,05 + Уп 'Ы? + Уо.9 +

+ \,зп10.1з + \/5*4В45+ Ую.п^Г Уго.г + ^го.ъ 'гго.^

Решение равенств выполнено при следующих соотношениях величин:

V

Л55 ~ >г Ю,5 + Тт ^ 10,Ъ

V 10,5

>1га,п =

Г^Ю.З _ 1<5±-

11- ю,5 ЪоУ

10.3 1

V го,12

у -"го, ¡г ' ' го, /з

П- И V/« '3

п /а./з V т. //

■ ns «1,4 n,a до девятого члена ряда;

fls ='2,0 п.,о после девятого члена ряда;

П,,0 я 1,63 пг0 до девятого члена ряда;

ti4B «2,0 П-ги после девятого члена ряда.

Отношение соседних рядов до девятого члена ряда : n.^/ = 0,41; n,i05 /п<ач = 0,63; = 0,8;

после девятого члена ряда

* 2,5; пщ/& 1»6; д2г,/з ¡"-го.т = 1>28-

Результаты расчёта по основному ряду приведены в таблице.

Условие экономичности ряда обусловлено общей суммой годовых аатрат, равных сумме себестоимости годовой программы с учётом нормативного коэффициента эффективности и годовых затрат на эксплуатацию.

В период проектирования и внедрения шагающих мантии целесообразно использовать ряд R 5, который является составляющим ряда Я 10.

Исследование динамики шагающих машин на ЭВМ

• Исследование дифференциальных уравнений движения рамы шагающих шасси выполнено для параметрического ряда R 5 на ЭВМ ЕС 1050 "Программы написфш на языке ФОРТРАН-ГУ. Для интегрирования использован метод Э'йлера с шагом интегрирования 0,005 с, что обеспечило необходимую точность результатов. Дня кйцдого типоразмера шасси изменялись длина консолей £ к , сближение опорных столов 6 , скорость 1f0 и ускорение (Х0 подвижной массы, поплавка • и производительность насоса Q н . Определялось изменение во времени угла поворота f , угловых скорости SP и ускорения рамы., "'■•'.

Для машин с противовесом анализ выполнен при изменении угла поворота У от нуля до 0,5 рад; длин рабочего участка несуще! рамы L я Ю, 16, 25 , 40 и 50; линейных масс рамы q, = 22, 35, 56, 90 и 112 кг/м; скоростей движения противовеса V = 0,2; 0,5; 0,8; 1,0 м/с; ускорений замедления противовеса О,0 =■ 0; 0,1; 0,2 и 1,0 м/с^; относительной длины консоли oLK = 0,15; 0,25; 0,35 и 0,5 и относительного смещения опорных столов jßß =0; 0,1 и 0,2.

Расчётные данные основного ряда Е Ю

!Типо-'Кол-во!Затраты!Прочие!Себэс~!Общая '.Себестоимость !Затрата.в. эксгшуата-! Общие пп 'раз- ! ма- ! . .на !затра-!тоимо-!себес-'с.учётом..нормЛции.(амортизационные!годоБые по 'мер, ' шин 'матери-! ты ' стъ из'той- '.коэффициента ! . отчисления ) 'затраты К 20 ! м ! ! алы . !_'далия !мость ¡эффективности !.-.... _!_

} ; , тысяч рублей

I . ю,о 2,0 0,082 0,033 0,114 0,228 0,034 0,045 0,079

3 12,5 7,4 0,129 0,052 0,118 1,335 0,200 0,267 0,476

5 16,0 11,6 0,207 0,083 0,290 3,380 0,506 0,676 1,182

7 20,0 18,4 0,333 0,136 0,469 8,130 1,290 1,726 3,016

9 25,0 29,1 0,520 0,208 0,728 21,180 3,180 4,236 7,416

II 31,5 18,4 0,850 0,340 1,190 21,900 3,280 4,380 7,660

13 40,0 11,6 1,335 0,535 1,870 21,780 3,270 4,356 7,626

15 50,0 7,4 2,070 0,835 2,895 21,360 3,200 4,272 7,472

17 63,0" 4,7 з,ззо- 1,330 "4;660 -21,670-- -3,250...... --- --4,334 7,584

м сл

При шагании на воздухе установлено, что изменение угла Ч* для принятых типоразмеров машин происходит с различной длительностью и зависит от изменения момента инерции вращающейся системы. Увеличение скорости противовеса приводит к сокращению времени поворота рамы, однако-при больших скоростях (1,0 м/с) требуется увеличивать длину консолей в сравнении со скоростью 0,2 м/с, что приводит к увеличению массы машины. Кроме того, при движении в среде будут увеличиваться сопротивления движению и, как следствие, мощность привода.

Для уменьшения длины консолей рационально использовать режим движения противовеса с замедлением в период поворота рамы, т.е. на выбеге двигателя. При этом режиме длительность поворота увеличивается незначительно, а длина консолей сокращается в несколько раз. При проектировании привода противовеса рационально в системе управления предусматривать его отключение в момент равновесия рамы относительно горизонтального шарнира одной из опор.

Уменьшение относительной длины консолей с 0,5 до 0,25 приводит к уменьшению времени поворота рамы из-за уменьшения момента инерции при меньшей длине консолей.

При смещении опорных столов к центру.шасси момент инерции противовеса увеличивается и угол поворота рамы изменяется медленнее. .

Угловая скорость рамы f* Для параметрического ряда машин изменяется в широком диапазоне. При изменении скорости противовеса в пять раз (от 0,2 до 1,0 м/с) угловая скорость изменяется в 1,5 раза для = 0,5.

Уменьшение длины консолей ( о£<к = 0,25) увеличивает скорость поворота рамы из-за уменьшения её массы. Сближение опорных столов снижает угловую скорость рамы при всех скоростях противовеса.

Анализ диапазонов изменения угловых скоростей определил величины окружных скоростей характерных точек на раме - опорных столов, противовеса - расположенных на разных радиусах от оси вращения .рамы. Окружная скорость для опорных столов изменяется при L = Ю м от 1,2 до 3 м/с, а при L = 50 м - 2,25 + 6,3 м/с.

Угловые ускорения изменяются также в широком диапазоне и достигают максимума, но их значения различны для лёгких и тяжёлых машин. При увеличении скорости противовеса от 0,2 до 1,0 м/с

максимальные ускорения рамы изменяются в два раза от 0,024 до 0,05 рад/с2 при о£к » 0,5; - 0 для Ь - 25 м.

Уменьшение длины консолей увеличивает угловое ускорение из-за снижения момента инерции системы, при я 0,25 и скорости противовеса 0,2 м/с-в два раза по сравнению с с6к » 0,5, а при скорости 1,0 м/с - в 1,3 раза при повороте рамы на 0,2 рад.

Сближение опорных столов приводит к снижению углового ускорения из-за увеличения момента инерции системы, Исследованиями установлено, что снижение динамичности шагания можно достичь путём уменьшения скорости движения противовеса на консолях, увеличением длины консолей и сближением опорных столов.

Рациональными условиями следует считать движение противовеса с замедлением, т.е. отключение привода В момент наступления рав^рвесия рамы шасси относительно одной из опор. Исследования показали, что при шагании в воздушной среде поворот рамы происходит с разгоном, это относится к машинам всех типоразмеров при любых параметрах. При больших угловых скоростях рамы,, особенно для тяжёлых машин, необходимо предусматривать встроенные амортизаторы или тормозные устройства.

Исследование процесса шагания в воде для шасси с противовесом выполнено для тех же параметров, что и при шагании на воздухе.

Исследования показали, что среда значительно тормозит поворот рамы в сравнении с движением на воздухе. Изменение угла поворота рамы также зависит от скорости движения противовеса. Большая скорость противовеса ( 1,0 м/с ) на первых секундах изменяет угол поворота быстрее (чем 0,2 м/с), однако сопротивления движению в среде растут пропорционально квадрату скорости и выз'ывают уменьшенение угла поворота более интенсивно, чем при меньшей скорости. Такая закономерность установлена на всех режимах и для любых параметров ряда машин.

Придонное течение уменьшает интенсивность роста угла поворо-. та, но при этом влияние скорости движения противовеса сохраняется с прежней закономерностью.

Угловая скорость рамы имеет максимум, величина и растянутость которого во времени зависит от скорости движения противовеса. При малых скоростях противовеса максимум угловой скорости наступает позднее и более растянут во времени.

При больших скоростях противовеса максимум имеет резко выраженный перегиб и затем нисходящая ветвь уходит к оси абсцисс.

При одинаковых длинах консолей и различных скоростях противовеса максимумы угловых скоростей по величине близки, но достигаются в различное время.

Наличие течения срезает максимум угловой скорости за счёт дополнительного сопротивления и при = 0,5 м/с уменьшает его в 1,4 раза при 1/*0 = 0,-2 м/с и 1,15-при ЯГ0 = 1,0 м/с. Максимальные окружные скорости в характерных точках крепления узлов машины снижаются на порядок в сравнении с движением на воздухе.

• Угловые ускорения резко изменяются за первые секунды движения, имеют выраженный максимум и быстрое падение до нуля.

Эти закономерности справедливы для всего параметрического ряда шасси. Установлено, что для каждого типоразмера шасси имеется угол, который достигается за одинаковое время, хотя противовес имеет различные скорости. Для скорости 0,2 и 1,0 м/с эти углы равны 0,484; 0,334; 0,584 и 0,65 рад при оС к = 0,25.

Установлено, что для всех типоразмеров шасси при одинаковой высоте подъёма опорных столов (два метра) время поворота рамы изменяется в узком диапазоне. Для ©¿„ = 0,5 и 1/1 = I м/с время поворота составляет 11,2 * 12,0 с, а при V 0 = 0,2 м/с 14,6 ♦ 18,8 с; при о£к = 0,25 - соответственно 7,8 + 9,0 и 10,6 + 15,0 с.

Для угловых скоростей характерным является близость по величине максимумов при различных скоростях движения противовеса. Например, 0,020 и 0,019 рад/с при 1Г0 = 1,0 и 0,2 м/с для оСк = 0,25 и 0,013, 0,012 рад/с при оСк = 0,5, для Ь = = 16 м, что объясняется сопротивлениями среды.

Малый диапазон изменения угловых скоростей позволил рекомендовать для расчётов окружную скорость в точке кропления опорных столов, равную 0,3 м/с при ЯГ0 = 1,0 м/с и 0,25 м/с при.

1Г0 = 0,2 м/с.

Характер изменения угловых ускорений для машин параметрического ряда одинаков. Имеется максимум, который достигается в первые 1,5 2 с движения и затем ускорения снижаются до нуля.

Для практического использования получены зависимости силы тяжести противовеса от длины .несущей рамы. Кривые представляют параболы, у которых раскрытие ветвей зависит от относительной длины консолей и смещения опорных столов.

Для шасси с балластными устройствами исследован процесс зависания рамы в процессе шагания в зависимости от геометрических параметров и производительности насоса при прокачке ёмкостей.

Исследования угла поворота и зависания рамы шасси показали, что процесс поворота зависит от превышения балластных ёмкостей над центром масс машины, производительности насоса и длительности его работы. При относительном превышении Ук * 0,6 зависание происходит на угле 0,4 рад при длительности работы насоса t# = 10 с и на 0,6 рад при t^ = 20 с. Снижение V^ до 0,2 увеличивает угол до 0,8 рад при = 10 с и до 1,0 рад--при = 20 с. При отсутствии кронштейнов С V^ = 0) рама поворачивается на угол 90° при создании положительной плавучести побой величины. . ®

Характер изменения угловой скорос.ти октрепльный.. Максимум ■.корости определяется временем отключения насоса и ® его увели- ' [ением возрастает. "Максимальная угловая скорость при V^ 3 0,5 ¡оставляет 0,011; 0,016; 0,024; 0,027 рад/с при производительнос-и насоса Q н = 2; 4; 8 и 10 мэ/ч, соответственно и продолжи-ельности работы насоса 20 с, а за 10 с работы - 0,0085; 0,013; ,020; 0,022 рад/с/ т.е. увеличение производительности насоса в ва раза повышает максимум угловой скорости в 1,5 раза. ° *

Угловые ускорения имеют максимум и достигают его за первые' -7 секунд, затем происходит резкое снижение до нуля. Более дина-тано процесс поворота происходит при больших производительнос-рс насоса. .

Для практического использования производительность насоса [едует принимать 2 + 4 м3/ч с длительностью прокачки 15 +.20 с. Для машин сп подвижным поплавком углы поворота и зависания мы шасси изменяются в зависимости от скорости его движения, к^ при скорости 0,5 и 1,0 м/с и ускорении замедления 1,0 с*" угол зависания больше -в 3 раза при большей скорости (0,05 0,16 рад) при относительном смещении поплавка оС к =0,5. и смещении-поплавка на 0,25 L углы зависания увеличиваются . значительно (0,06 и 0,18 рад), но более интенсивно, за II и с вместо 13 и 17 с. При меньшем смещении поплавка процесс зорота проходит более динамично из-за меньшего -приведённого юнга инерции системы. v

Имеются режимы движения поплавка,при которых нет зависания.

Это происходит при длительном торможении, когда избыточное пле чо подъёмной силы поплавка оказывается большим Например, при скорости поплавка 1,0 м/с и ускорении торможения 0,1 м/от плеч возрастает до 5 м, и зависание рамы шасси отсутствует.

Максимумы угловых скоростей зависят от скорости движения по лавка и определяются длиной пройденного пути при торможении и времени действия избыточного момента.

Экспериментальная проверка динамики шагания и исследование донных грунтов

Проверка основных теоретических положений динамики шагания выполнена на лабораторной модели, имитирующей поворот несущей рамы в вертикальной плоскости на воздухе и в воде. Процесс пов рота снимался на киноплёнку для покадровой обработки. При экс I рименте переменными параметрами были: рабочая длина рамы, длин консолей, масса противовеса и его смещение для создания избытс ного момента.

Полученные экспериментальные зависимости«угла поворота рамь во времени сравнивались с теоретическими кривыми, рассчитанным на ЭВМ. Погрешность результатов эксперимента и расчёта находит ся в пределах 0,2 + 12 % для угла поворота до 20°. С увеличени ем угла поворота погрешность снижается.

Промышленная проверка результатов теоретических исследован* выполнена на экспериментальной шагающей установке для ведения добычных работ в пляжевой зоне и на мелководье на берегу Бал™ ского моря. С помощью киносъёмки и покадровой обработки угла г ворота рамы машины установлена погрешность с расчётными велич!1 нами 12 % при повороте на 10° и 3 % - на угол 20°.

Несущая способность и напряжения сдвига грунтов в естествен ном залегании были определены на натурном стенде для исследов? ния физико-механических свойств донных грунтов с борта научно-исследовательских судов.

.Работы в производственных рейсах позволили определить завис мости усилия резания от длины режущей кромки, угла резания, рг стояния между режущими ножами, угла заточки режущей кромки.

Испытание грунтов вращательным срезом в естественном залег; нии показало изменение напряжений среза в диапазоне 4+20 кП> Сравнение результатов замера напряжений среза грунтов на дне I

I лабораторных условиях на,палубе показало снижение максималь-ых и минимальных величин примерно в 2 раза.

Результаты испытаний грунтов вращательным срезом в естествен-ом залегании использованы в методике расчёта шагающих шасси ри взаимодействии с донными грунтами.

Создание и испытания шагающих шасси.

Выполненный комплекс исследований позволил поставить и решить адачи по их реализации в промышленности.

Разработана инженерная методика выбора и расчёта основных па- . эметров шагающих машин. Структура методики выбора й расчёта »раметров шагающих машин построена следующим образом: в качест-5 базовой конструкции принята машина с подвижной массой (работа органом) ; максимально используется рабочая длина ' Ь несу-5й рамы; использована линейная масса несущей рамы; учи-

)вается влияние длины консолей ; сближения опорных столов . I ; силы сопротивления грунта " \у пр < реакция забоя на рабо-!й орган ' Кор . ^Г... "Д-^1

'Методика позволила определить геометрические параметры, к ко-|рым относится допустимый угол .подъема рамы с. учётом углов на - , «а изогнутых участков консолей, длины прямолинейных участков «солей, место установки поворотного кулака; и. углы поворота ра-■ в горизонтальной плоскости.; Из силовых нагружений рамы шасси осмотрены случаи расположения тяговой тележки с рабочим орга-м на левой консоли, в середине пролёта,: на правой консоли, "V • гружейие консоли во время шагания и условия равнопрочности мы. :. + ' -'-М'-'^"Г-; •.

Методика выбора геометрических и силовых параметров шагающих сси использована' при разработке экспериментальных образцов / вин с подвижной массой - добычной головкой, представляющей : цравлический рыхлитель, с балластными устройствами и подвиж- . * поплавком. . ' • - К' '

Испытания образцов;шагающих маиин проведены на береговой

Балтийского моря и с судна "Шепьф-1" при добыче песков со » в. районе шел^а.. Испытания подтвердили практически устойчй-з работу всех узлов шягпгазих машин.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе дано решение крупной научной проблемы, заключающейся в разработке теории движения и создании новых эффективных шагающих шасси, имеющих важное народохозяйственное значение, обеспечивающих перенос по морскому дну геологоразведочных и добычных рабочих органов по заранее заданным траекториям.

Проведённые исследования позволяют сделать следующие выводы:

I. Установлены закономерности изменения движущих сил от длины рабочего участка несущей рамы и её консолей, сближения опорных столов, смещения поплавка, превышения поплавка и балластнш устройств над центром масс шасси и от массы присоединённого вспомогательного оборудования при условии статического равновесия Несущей рамы шагающего шасеи относительно одной из опор \"р> равенстве нулю реакции морского дна на вторую опору. Получена обратно пропорциональная зависисмость силы тяжести противовеса от длины консолей, а при сближении опорных столов, её величина принимает конечное значение при длине консоли, равной нулю.

Подъёмная сила балластных устройств зависит от отношения массы, вспомогательного оборудования к массе несущей рамы и при его значении, равном 0,15, принимает постоянную величину. При \ относительной массе вспомогтального оборудования от 0,15 до . 1,0 отсутствие консолей приводит к увеличению подъёмной силы . балластных устройств максимум в 1,3 раза. . ..'• Наименьшее значение подъёмной силы подвижного поплавка достигается при его смещении относительно центра масс машины на 7 0,5 длины*несущей .рамы и отсутствии корсолей. Наличие консолей -приводит К увеличению подъёмной силы поплавка.

,"■2. Оптимизирована масса шагающего шасси с помощью относи-.• тельных величин: длины консоли, 'сближения опорных столов, смешения Поплавка и массы присоединённого вспомогательного оборудования. При этом минимальная масса шасси с приводом ст проти-. ровеса определяется оптимальным значением относительной длины .'. консоли, принимающей значения от 0,55 до'0,66 для относительно? / массы присоединённого вспомогательного оборуд^ютгея от 0,1 до . 1,0 соответственно.

.."-.> Дня машин с балластными устройствами с подвижным' поплавком -минимальная масса шасси определяется минимальны!/, значением подт '.;. ёмной силы плавучести.

3. Установлено, что кинематические характеристики поворота несущей рамы при шагании описываются нелинейными дифференциальны- • ми уравнениями второго порядка в зависимости от закономерностей ! изменения момента инерции системы в процессе поворота несущей ра- ■ мы. Физическая модель процесса шагания отличается переменным мо- ; ментом инерции системы за счёт движения противовеса и поплавка ; вдоль несущей рамы и изменения массы балласта при прокачке.

4. Установлено, что угловые перемещения, скорости и ускорения поворота несущей рамы в воздушной и водной средах зависят от ско- ) рости движения противовеса и поплавка, производительности прокач- . ки балласта, сопротивлений движению среды и скорости придонного течения. При повороте-несущей рамы на воздухе движение происходит ускоренно и имеет параболическую зависимость, в водной среде на характер движения'влияет её сопротивление.

В диапазоне скоростей противовеса от 0,2 до 1,0 м/с в некоторый момент времени достигаются одинаковые режимы движения благодаря меньшим сопротивлениям при меньших скоростях поворота рамы. На величину углов зависания рамы влияют производительность и время откачки балласта, начальныя скорость и замедление поплавка. Углы зависания снижаются с уменьшением времени прокачки балласта и увеличением ускорения торможения поплавка, влияющих на приведённый момент инерции системы.

5. На основе выполненных исследований разработаны:

новые конструкции шагающих шасси, обеспечивающие перенос рабочих органов и рабочих инструментов в новые положения морского дна при ведении геологоразведочных и добычных работ;

параметрический ряд шагающих шасси, обеспечивающий потребности народного хозяйства в шагающих машинах и экономию средств, расходуемых как при изготовлении машин, тая и при их эксплуатации;

стенд для исследования физико-механических свойств донных грунтов в естественном залегании при погружении на глубину до 6000м;

методика выбора основных геометрических и силовых параметров шагающих шасси при их конструировании.

Ожидаемый экономический эффект от использования шагающих шасси в добычных комплексах и стенда при проведении специализированных инженерно-геологических работ в Мировом океане составляет 660 тыс. рублей в год.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах :

1. Тимофеев И.П. Шагающие машины для освоения ресурсов Mopi кого дна. Л., ЛГУ, 1987, 175 с.

2. Ненарокомов В.Ю., Тимофеев И.П. Транспортная шагающая у< тановка для подводной добычи твёрдых полезных ископаемых и cti ительных материалов в зоне континентального шельфа. - В кн.: Гидромеханизация в народном хозяйстве СССР. Тезисы доклада Bei союзной научно-технической конференции "Совершенствование тех> нологии и оборудования гидромеханизации горных земляных,' стро! тельных и мелиоративных работ". М., 1977, с. 142-143.

3. Ненарокомов В.Ю., Тимофеев И.П. Транспортная шагающая У' тановка для подводной добычи твёрдых полезных ископаемых. -

В сб.: Новые разработки средств и систем горного транспорта. ' зисы доклада. Киев, 1977, с. 51-52.

4. Ненарокомов В.Ю.,•Тимофеев И.П. Шагающая установка для , бычных работ на морском дне. - В сб.: Технические средства из; чения и освоения океана. Тезисы доклада на П Всесоюзной конференции. Л., 1978, вьт. Ш, с. 142-143.

5. Тимофеев И.П. Шагающая установка для добычных работ на морском дне. - В сб.": Технические средства изучения и освоени океана. Тезисы доклада. Л., 1978, с. 32-33.

6. Ненарокомов В.Ю., Тимофеев И.П. Шагающая установка для подводной добычи твёрдых полезных ископаемых. - В сб.:.Технич кие средства изучения и освоения океана. Л., вып. 3, 1978,

с. 129-130.

7. Тимофеев И.П. Статика шагающих добычных машин с подвижн массой. - Повышение эффективности эксплуатации систем шахтног и карьерного транспорта. Л., 1981, т. 88, с. I28-I3I (Записки Ленингр. горн, ин-та).

8. Тимофеев И. П. Исследование и оптимизация основных парам ров добычных шагающих машин. - Исследование, разработка и экс луэтация нового горного оборудования. Л., 1982, с. 85-92 (сб. научн. трудов ин-та Гипроникель).

9.. Тимофеев И.П. Исследование и оптимизация основных парам ' ров добычных морских шагающих машин. - Совершенствование горн техники и технологии для открытых и подземных работ. Л., 1983 с. 107—I10 (сб. нпучн. трудов ин-та Гипроникель).

10. Ненарокомов В.Ю., Тимофеев И.П., Улащик Н.К. Установка для глубоководных исследований механических характеристик донны* отложений. - Техника и технология морских геологоразведочных и горнодобывающих работ. Л., 1984, с. 64-72 (сб. трудов ПГО Севморгеология).

11. Тимофеев И.П., Улащик Н.К., Ульянов Е.М. Результаты океанических испытаний установки исследования донньпс грунтов. -Горные стационарные установки и машины. Л., 1988, т. 117,

с. 93-96 (Записки Ленингр. горн, ин-та).

12. Захаров М.С., Кулямин Л.Н., Тимофеев И.П. Состояние и основные тенденции развития морских геологических исследований. - Перспективы развития глубоководных аппаратов для освоения ресурсов океана. НТО им. А.Н.Крылова. Л., Судостроение, 1988,' с. 32-42.

13. A.c. № 471452 (СССР), E2I.C 45/00. Добычное шагающее устройство для подводной разработки полезных ископаемых. / И.П.Тимофеев, В.И.Вдовиченко - №1970910. Заявлено 19.11.73 г. Опубл. 25.05.1975 - Бол., № 191

■ 14. Пат. 3983707 (США), E02F 5/28. Способ движения по дну ; водоёмов и морей и машина для его осуществления. /Г.Юезгин-цев, В.И.Попов, С.Ю.Истошин, М.А.Белявский, И.Н.Сташевский, И.П.Тимофеев (СССР) - №'1994405.. Заявлено 19.02.74. Опубл. 5.10.76 г. . ,

15. Пат. 2261377 (Франция), E2IC.' 45/00. Способ движения по цну водоёмов и морей и машина для его осуществления ./Г.М.Леэ-?инпев, В.И.Попов, С.Ю.Истошин, М.А.Белявский, И.Н.Сташевский, • i.П.Тимофеев (fcCCP) - № 1994406-.''Заявлено 19.02.74. Опубл. i3.II.77 г. '

16. Пат. 146682I (Великобритания), В92Д 57/02. Способ движе-шя по дну водоёмов и морей и машина для erb осуществления. Т.М.Лезгинцев, В.И.Попов,-С.Ю.Истошин, М.А.Белявский, И.Н.Ста-ювский, И.П.Тимофеев (СССР) - № 2010457. Заявлено 28.03,74. публ. 30.01.78. ' ' •■.'-■

17. Пат. I026I58 (Канада), E2IC 45/00. Способ движения по ,н,у водоёмов и морей и машина для его осуществления /Г.М.Лез-инцев, В.И.Попов, С.Ю.Истошин, М.А.Белявский,-И.Н.Сташевский, .И.Тимофеев (СССР) - № 2010459. Заявлено 28.03.74 г. Опубл. 4.02.78 г. ■ ' ..'. ■ : ;

18. Пат, 2506313 (ФРГ), E2IC 45/00. Способ движения по дну водоемов к морей и машина для его осуществления /Г.М.Лезгинцев, В.И.Попов, С.Ю.Истошин, М.А.Белявский, И.Н.Сташевский, И.П.Тимофеев (СССР) - » 1994405. Заявлено 14.02.75. Опубл. 20.03.79.

19, A.c. № 1027343 (СССР), Е02 3/88. Добычное шагающее устройство для подводной разработки полезных ископаемых /И.П.Тимофеев. № 3362601..

' 20. A.c. № 1055682 (СССР), В63В 39/00. Способ ориентирования плавсредств в водном бассейне /И.П.Тимофеев - № 3497867. Заявлено 3.05.82. Опубл. 23.11.83. Бгол. № 43.

21. A.c. № 109908I (СССР), E2IC 45/00. Установка для разработки конкреций, илов и россыпей со дна морей и океанов /И.П.Тимофеев, В.Ю.Ненарокомов, Н.К.Улащик, Е.М.Ульянов, А.В.Лукошков

- № 3421678. Заявлено 6.04.82. Опубл. 23.06.84 - Бюл. № 23.

22. A.c. № II5I675 (СССР), E2IC 45/00. Шагающая установка для взятия проб со дна морей и океанов. /И.П.Тимофеев, Н.К.Улащик, Е.М.Ульянов, В.Ю.Ненарокомов, А.В.Лукошков - № 3683694. Заявлено 28.12.83. Опубл. 23.04.85 - Бюл. № 15.

23. A.c. # II2334I (СССР), E2IC 45/00. Устройство для определения физико-механических свойств грунтов на дне моря. /В.В.Де-негин, И.П.Тимофеев, В.Ю.Ненарокомов.)? 3619579. Заявлено 13.07.83. Опубл. 8.07.84 г.

24. A.c. № II44460 (СССР) E2IC 45/00. Опора подводного устройства / Н.К.Улащик, И.П.Тимофеев. № 3667904. Заявлено 30.11.83 Опубл.-8. II.84.

25. A.c. № 1051288 (СССР), E2IC 45/00. Устройство для исследования параметров грунтов /И.П.Тимофеев, В.Ю.Ненарокомов, Н.К. Улащик, Е.М.Ульянов, А.Г.Андреев, Ю.ЕДуделин, А.В.Лукошков -

№ 3466629. Заявлено 6.07.82. Опубл. 30.10.83 г. - Бюл. V 40.

26. A.c. № I177487 (СССР), E2IC 45/00. Устройство для определения параметров грунтов на дне морей и океанов. Д1.П.Тимофеев, Н.К.Улащик, Е.М.Ульянов - № 3709809. Заявлено 11.03.84. Опубл. 7.09.85 - Бюл. № 33.

27. A.c. № 1209876 (СССР), E2IC 45/00- Устройство для иссле- " дования параметров грунтов. /И.П.Тимофеев, Н.К.Улащик, Е.М.Ульянов, А.В.Лукошков, Ю.И.Матвеев - Г; 3705144. Заявлено 1.03.04. Опубл. 7.02.86 - Бюл. JS 5.

28. A.c. № I33I955 (СССР), Е02Д I/O?... УстроГ-стьо для ис.пыта-

ния донных грунтов на сдвиг. /И.П.Тимофеев, Н.К.Улащик, Е.М. Ульянов, А.ЯАндреев - № 3969366. Заявлено 28.10.85. Опубл. 23.08.87 - Бюл. '¡5 31.

29. A.c. № 1345096 (СССР) G0IN 3/24, Е02Д 1/02. Устройство для испытания донных грунтов вращательным срезом. /И.П.Тимофеев, Н.К.Улащик, Е.М.Ульянов, А.А.Воропаев, В.С.Столяров -№ 4I046I9. Заявлено 13.05.86. Опубл. 15.10.87 - Бюл.' № 38.