Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние вопроса, обзор и анализ существующих конструкций цепных рабочих органов и методов их расчёта 8
1.1.1 Обзор существующих конструкций цепных траншейных экскаваторов непрерывного действия 8
1.1.2 Обзор конструкций режущих элементов и схем их расстановки на рабочих органах экскаваторов непрерывного действия 10
1.1.3 Обзор конструкций рабочих цепей, направляющих рам и цепных рабочих органов траншейных экскаваторов 13
1.2. Обзор существующих теоретических исследований по резанию талых и мёрзлых грунтов и методов расчёта усилий резания 16
1.3. Обзор существующих исследований динамики рабочего процесса цепных приводов и методов их расчета 19
1.4. Выводы по главе и постановка задач исследования 29
2. Теоретические исследования по совершенствованию конструкций цепных рабочих органов траншейных экскаваторов и методов их расчета 31
2.1. Моделирование динамических процессов работы цепного траншейного экскаватора 31
2.2. Анализ результатов моделирования и разработка предложений по совершенствованию элементов и системы привода цепного рабочего органа 45
2.3. Теоретический анализ параметров зацепления усовершенствованной системы привода цепного рабочего органа 53
2.4. Выводы по второй главе 56
3. Экспериментальные исследования по определению параметров нагрузочного режима элементов и систем приводов цепных траншейных экскаваторов 57
3.1.1 Определение параметров нагрузочного режима на режущих элементах при их взаимодействии с различными типами мёрзлых грунтов 57
3.1.2 Экспериментальные исследования влияния износа режущих элементов на их работоспособность и выявление рациональных схем их расстановки на рабочем органе 64
3.2. Экспериментальные исследования по определению рациональных конструктивных параметров и оптимальных условий применения режущих элементов 65
3.3. Экспериментальные исследования работоспособности конструкций узлов и элементов рабочих органов цепных траншейных экскаваторов 74
3.3.1 Исследование цепного рабочего органа траншейного экскаватора, оснащённого поворотными и неповоротными резцами в полевых условиях при работе на однородных грунтах 74
3.3.2 Исследование цепного рабочего органа траншейного экскаватора, оснащённого поворотными и неповоротными резцами в полевых условиях при работе на грунтах с каменистыми включениями 80
3.4. Выводы по главе 84
4. Методика проектирования цепного узкотраншейного рабочего органа для разработки мёрзлых и прочных грунтов, включая грунты с гравийно-галечниковыми включениями 86
4.1 Описание расчетной схемы узкотраншейного цепного рабочего органа 86
4.2. Методика расчёта и выбора рациональных параметров рабочего органа узкотраншейного экскаватора для разработки мёрзлых грунтов и грунтов с каменистыми включениями 89
4.3. Пример использования методики определения рациональных параметров цепного рабочего органа для разработки мёрзлых грунтов с каменистыми включениями. 103
Заключение, общие выводы и результаты 109
Исследований
Библиографический список 111
Приложение
- Обзор существующих теоретических исследований по резанию талых и мёрзлых грунтов и методов расчёта усилий резания
- Анализ результатов моделирования и разработка предложений по совершенствованию элементов и системы привода цепного рабочего органа
- Экспериментальные исследования по определению рациональных конструктивных параметров и оптимальных условий применения режущих элементов
- Методика расчёта и выбора рациональных параметров рабочего органа узкотраншейного экскаватора для разработки мёрзлых грунтов и грунтов с каменистыми включениями
Введение к работе
Актуальность темы. Дальнейшее увеличение объёма работ по освоению северных территорий Красноярского края и Российской Федерации связано с интенсификацией строительных и земляных работ. Большая площадь территории Красноярского края (2401600 км , что составляет 14% от общей территории России) и не развитая транспортная инфраструктура требуют более радикальных решений при строительстве трубопроводов и коммуникаций.
Для решения этих вопросов, при ограниченном росте трудовых ресурсов, на первое место выдвигаются задачи по созданию высокоэффективных землеройных машин непрерывного действия, таких как цепные траншейные экскаваторы, применяемые при разработке мёрзлых и прочных грунтов, особенно в условиях городской черты, при выполнении аварийно-восстановительных работ, вскрытии асфальто-дорожного полотна, укладке коммуникаций, обладающих повышенной производительностью и надёжностью. [70]
Возросшие требования к экскаваторам непрерывного действия определяются значительным расширением области их применения. Использование устаревших конструкций цепных рабочих органов резко ограничивают область применения, но в связи с отсутствием соответствующего оборудования, производятся работы в значительно завышенных областях применения, что приводит массовому выходу инструмента, преждевременному износу узлов рабочего оборудования и к общему снижению работоспособности и эффективности экскаваторов. Это положение дел в конструировании экскаваторов непрерывного действия связано с отсутствием данных по усилиям резания на рабочем инструменте, при разработке мёрзлых грунтов и рекомендаций по проектированию специальных цепных рабочих органов. Известные теории зубчатого зацепления дают не полную информацию о цепных передачах теориях расчётов специальных зацеплений. В связи с этим, возрастают требования к системам приводов и элементам цепных рабочих органов траншейных экскаваторов, которые еще недостаточно надежны, в связи с отсутствием методик проектирования элементов и систем приводов, учитывающих вероятностный характер нагрузочного режима, определяемого категорией, гранулометрическим составом и реологическими свойствами разрабатываемых грунтов, схемой расстановки режущих элементов на рабочем органе, а также влияние динамических процессов в системе приводов при работе экскаватора. [97].
5 Отмеченные обстоятельства обуславливают наличие актуальной научно-технической задачи совершенствования режущих элементов и разработки высокоэффективного рабочего оборудования цепного траншейного экскаватора, а также методов их расчета, учитывающих условия эксплуатации уже на этапе проектирования. Результаты диссертационного исследования получены при выполнении научно-исследовательских работ по целевым комплексным программам правительства и тематическому плану НИР Министерства образования и науки Российской Федерации.
Цель работы: Повышение уровня надёжности элементов и системы привода рабочего оборудования цепных траншейных экскаваторов за счёт совершенствования конструкций режущих элементов и систем приводов рабочих органов цепных траншейных экскаваторов и методов их проектирования.
Методы исследований. Поставленные в работе задачи решались комплексно: путём разработки и исследования математической модели рабочего процесса цепного траншейного экскаватора, аналитического исследования существующих систем приводов цепных рабочих органов траншейных экскаваторов, экспериментальных исследований нагрузочного режима при разработке мёрзлых и прочных грунтов в лабораторных условиях с использованием теории планирования экспериментов с обработкой результатов на ЭВМ, физического моделирования и тензометрии исследуемых процессов.
Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и результатов, полученных автором, подтверждается теоретически и экспериментально. Научные положения аргументированы, теоретические результаты работы и выводы подтверждены экспериментальными исследованиями, использованием законов теоретической механики, сопротивления материалов, грунтоведения, а также согласованностью результатов теоретических и экспериментальных исследований, полученных в лабораторных и производственных условиях.
Адекватность полученных математических и регрессионных моделей реальным производственным процессам доказывается сопоставлением расчётных показателей с результатами полигонных исследований и опытными данными эксплуатационных испытаний натурных образцов рабочего оборудования, а также результатами экспериментальных исследований других авторов.
Научная новизна;
- регрессионные модели нагрузочного режима элементов и системы
привода цепного рабочего органа для разработки мёрзлых грунтов с учетом прорезания каменистых включений получены впервые и позволяют более достоверно осуществлять прочностные расчёты режущих элементов и системы привода рабочего органа;
усовершенствованы и защищены охраноспособными документами, имеющими мировой приоритет, конструкции режущих элементов, схем их расстановки и цепного рабочего органа траншейного экскаватора, а также определены области их эффективного применения для различных условий эксплуатации;
разработанная математическая модель рабочего процесса цепного траншейного экскаватора, позволяет анализировать динамику совместной работы узлов и механизмов, выявлять факторы, влияющие на эффективность эксплуатации оборудования и учитывать свойства разрабатываемых грунтов, а также влияние износа режущих элементов уже на этапе проектирования;
- существенно уточнена методика расчета и выбора рациональных параметров
конструкций цепного рабочего органа траншейного экскаватора в части
определения области существования механизма, пределов изменения шага цепи
и параметров зацепления с ведущим звеном при значительном расширении
диапазона изменения предполагаемых эксплуатационных параметров.
Положения, выносимые на защиту.
1. Результаты экспериментальных стендовых и натурных исследований по
определению параметров нагрузочного режима элементов и систем приводов
цепных траншейных экскаваторов при разработке мёрзлых грунтов и грунтов с
каменистыми включениями и сравнительный анализ энергоёмкости рабочего
процесса;
Усовершенствованные конструкции режущих элементов, схем их расстановки и цепного рабочего органа траншейного экскаватора, а также значения рациональных областей их эффективного применения для различных условий эксплуатации;
Математическая модель рабочего процесса цепного траншейного экскаватора и анализ динамики совместной работы элементов и систем приводов его механизмов, а также свойства разрабатываемых грунтов;
Методика проектирования рабочих органов цепных траншейных экскаваторов для заданных условий эксплуатации.
Практическая ценность. На основе проведённых исследований предложены рекомендации для применения режущего инструмента землеройных машин непрерывного действия. Сформирована динамическая
7 модель цепного траншейного экскаватора, позволяющая выявить кинематические связи рабочего органа с высокими показателями динамичности. Выработаны рекомендации для выбора рациональных параметров цепных траншейных экскаваторов при проектировании вновь создаваемых машин и областей применения цепного рабочего органа. Получены лабораторные данные по резанию мёрзлых грунтов, позволяющие иметь достоверные значения сил резания для различных грунтовых условий, необходимых для расчётов различных рабочих органов фрезерного типа.
Реализация работы. Методика расчёта цепного узкотраншейного рабочего органа, предназначенного для разработки мёрзлых и прочных грунтов, включая грунты с гравийно-галечниковыми включениями, обобщённые рекомендации по определению рациональных параметров узкотраншейных цепных рабочих органов, для существующей базовой техники, имитационная модель цепного траншейного экскаватора, включающая подмодели привода цепного траншейного экскаватора и регрессионные модели нагрузочного режима применялись при проектировании навесного фрезерного оборудования для ямочного ремонта на базе экскаватора ЭТЦ-1609 и рабочего оборудования цепного траншейного экскаватора ЭТЦ -2000 в ФГУП «СибНИИстройдормаш».
ГИЦ «СтройдормашСЕВЕР» внедрены: - Методика проведения экспериментальных исследований режущих элементов землеройной техники; Стенд проведения резания грунтов по авторскому свидетельству №1099220 и стенд для испытаний рабочих органов траншейных машин по авторскому свидетельству № 1143807. В инженерно-внедренческой фирме «ТУЛСИБ» внедрена в мелкосерийное производство рабочая цепь к траншейному экскаватору для разработки мёрзлых грунтов по А.с. 924271 и схема расстановки режущих элементов по А.с. №.15553611. В МУП «Водоканал» внедрён рабочий орган цепного траншейного экскаватора по патенту № 2175041 и рекомендации по грунтовым условиям его эксплуатации.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались, обсуждались и получили одобрение на научно-технических советах Красноярского филиала НПО «ВНИИстройдормаш» (1980 - 1995.гг.) и Красноярского государственного технического университета(2006 г.); Всесоюзных и региональных конференциях и проблемных семинарах в городах Красноярске (1980, 1981, 1984, 1988, 1990, 1999, 2000, 2002, 2006 г.г.), Москве 1985, Киеве 1987, Норильске (2000,2003г.г.)
Публикации. По теме диссертации опубликовано 20 научных статей, выполнено 8 НИОКР, получено 9 авторских свидетельств, 2 патента.
Обзор существующих теоретических исследований по резанию талых и мёрзлых грунтов и методов расчёта усилий резания
Ещё Кулон в далёком 1773 году доказал, что давление песка на стену различно в зависимости от того, продвигается ли стена в неподвижном песке или песок движется по ней. Но лишь в начале XX века с появлением механизации труда шахтёров колхозников, строителей, стремительно начала развиваться наука резания грунтов.
Основоположниками исследования процесса резания грунтов в России землеройными машинами являются академик В.П. Горячкин, профессор Н.Г.Домбровский, М.М.Протодьяконов. А.Н.Зеленин и другие [60, 64].
Первые исследования в области резания грунтов (почвы) провёл профессор В.П Горячкин, который вывел «рациональную формулу» для определения силы тяги конных и тракторных плугов и определил численное значение коэффициента резания грунтов К для сельскохозяйственных машин лемешного типа.
За рубежом первые работы Дринглингера и Ратье в области резания грунтов появились в 1927 -1932 годах, имели большое значение для получения закономерностей резания грунта элементарными профилями, однако опыты на моделях машин имели низкую сходимость результатов.
В 1923 -1926 г.г. Франциус и Штрек, подтвердили правильность выводов Кулона для расчёта подпорных стенок и доказали, что процессы происходящие при резании не могут быть отождествлены с давлением на стенку. В 1930 году Ратье исследовал сопротивления, возникающие при перемещении вертикально расположенных листов различной ширины и сделал первую попытку определения сопротивления движения ковша скрепера аналитическим путём. Наиболее глубокое изучение процесса резания талых и мёрзлых грунтов нашло развитие в России нашли в 60-80е годы [9,12, 14, 17, 27, 34, 60, 64]. Основоположником теории резания грунтов в России является академик В.П. Горячкин , который вывел формулу составляющей копания, параллельной траектории движения [60]. где: G - вес плуга; / - коэффициент перемещения плуга; К - удельное сопротивление резанию; а - глубина резания; Ь- ширина пласта; є a bV -сопротивление отбросу в сторону. М.Д. Андреуце [10] одним из главных факторов в установившихся формах конструкции режущих органов и геометрических параметров стружки являются физико-механические свойства грунта, определяющие величину сопротивления копанию KF. С увеличением прочности сопротивление копанию приближается коэффициенту крепости Кр=(1,75+2,1)/ (по М.М. Протодьяконову), при чём параметры конструкций рабочих органов в значительной мере зависят от физико-механических свойств грунтов. Исследуя оптимальные режимы траншейных экскаваторов, В.П.Фомичёв [94] сравнил показатели ударника ДорНИИ с удельными сопротивлением сжатию и модулем упругости горных пород, в основе которой положена зависимость разрушения при сжатии А кгс/см , модулем упругости Е кг/см и временным сопротивлением сжатию т в кг/см ; В результате анализа автор сделал вывод: режимы резания при работе траншейных экскаваторов зависят от состояния грунта. Профессор А.Н.Зеленин [64] предложил расчёт величины касательной составляющей силы резания производить по формуле, в которой введены коэффициент влияния скорости Kv[&0] и коэффициент jU, характеризующий влияние вида резания на сопротивление мёрзлого грунта при величине блокирования резца, показатель степени h по результатам обработки экспериментальных данных принят равным 1,2 [63]: где: С - количество ударов плотномера ДорНИИ; h - толщина стружки; Ь-ширина резца; а - угол резания; ju - коэффициент, характеризующий влияние вида резания на сопротивление мёрзлого грунта; А - Коэффициент учитывающий затупление резца (Д = 0.85 - 2.0, для острого резца А = 0,85, для слегка затупленного Д = 1.0); Kv - коэффициент учитывающий влияние скорости. Л.К.Соколов [84, 85] уточнил степень h равную 1.2. по результатам экспериментальных исследований проведённых в Красноярском филиале ВНИИстройдормаш, кроме того, при расчётах прочности корпусов резцов и их армирования применил соотношение составляющих усилий резания: Данное соотношение основано на экспериментальных опытах[61]. Формулы (1.2.3) и (1.2.4) позволяют произвести расчёт сил резания рабочим органом непрерывного действия и вычислить результирующую мощность в сочетании от параметров и схем расстановки резцов. Профессором Н.Г.Домбровским [60] были определены опытным путём усилия копания PQI - касательное усилие, PQ2 - нормальное усилие и Роз боковое в значение которых входит понятие удельного сопротивления копанию к\, &2, &з, которые переведены в таблицы и рекомендации. Причём доказано, что величина значения ki для различных рабочих органов, при разработки одинаковых грунтов, совпадают, а удельное сопротивление копанию напрямую зависит от коэффициента крепости к\ = (1,75-2, l)fu даёт основание считать, что к\ в значительной степени связан с показателями физико-механичесиких свойств грунтов. Тяговое усилие на цепи было определено формулой: где: с - высота стружки срезаемого грунта одиночным резцом, Ъ -ширина срезаемой стружки, п - количество ковшей находящихся в работе, к\ -удельное сопротивление копанию. Н.Г.Домбровский сделал основные выводы по исследованиям следующие: 1. Удельное сопротивление копанию незначительно возрастает с уменьшением толщины стружки и с увеличением толщины режущей кромки. 2. Испытания моделей дали более высокие значения к/, чем машин естественного размера. 3. На удельное сопротивление копанию влияет параметр отношения периметра режущей кромки к площади срезаемой стружки. 4. Величина kt при резании стружки стругом для ковшей различной вместимости имеет определённую зависимость от толщины струга и его размеров. 5. Сопротивление копанию изменяется в зависимости от притупления инструмента и уменьшения заднего угла. 6. Усилие копания ковша механической лопаты может быть выражено уравнением
Анализ результатов моделирования и разработка предложений по совершенствованию элементов и системы привода цепного рабочего органа
Динамические процессы в системах привода строительно-дорожных машин исследованы в работах и определены основные параметры и требования к проектированию приводных редукторов и вспомогательных механизмов. Наиболее слабым звеном в этой цепочке является ведущее колесо, передающее усилие на тяговую цепь. Предварительные исследования и работы по созданию грунтовых цепей показали о необходимости специальных подходов к методам проектирования и расчётам зубчатого зацепления. В известных конструкциях цепных передач на приводные звёздочки действуют следующие динамические нагрузки (2.1.12): Основными факторами, оказывающими влияние на динамику процесса резания при передаче вращения через ведущую звёздочку являются силы возникающие от: Рт - инерционного момента неравномерности вращения; Ртн -неравномерности хода, при заходе на звёздочку; Р изн - увеличение шага и, как следствие, увеличение колебаний при заходе на звёздочку; Рнат - дополнительные колебания из-за не достаточного натяжения цепи. Третьим уровнем жесткости является трансмиссия хода экскаватора. Привод хода для экскаваторов непрерывного действия принято формировать по принципу гидромеханической трансмиссии с широким диапазоном бесступенчатого варьирования ползучих скоростей передвижения. Расчётная схема имитационной математической модели цепного траншейного экскаватора, показанная на (Рис.2.1.12.), представляет из себя одномассовую систему В. И. Баловнева [17, 52, 60] для пневмоколёсного погрузчика, дополненную моделью цепного рабочего органа траншейного экскаватора, в котором имеется три степени свободы. Влияние неровностей и динамические колебания от процесса резания рабочим органом определяют величину деформации движителя (деформа цию пневматических колёс).
Вертикальная координата (по оси х) и горизон тальная координата (но оси z) некоторой точки системы под передней опорой (А) и соответственно иод задней опорой (В) могут быть выражены через ко ординаты центра массы (Б) и углов (р, (р следующим образом: где: T- тяговое усилие, W- сопротивление движению, /\i - горизонтальная, Ркз - боковая, Р[а - вертикальная составляющие приведённой силы сопротивления копанию, Сш -жесткость ходового оборудования, гш - коэффициент вязкого трения, Fm - коэффициент сухого трения, т - масса машины, С„ -приведённая жёсткость металлоконструкции, Сш\ - жесткость передней опоры, СШ2-жёсткость задней опоры, G - вес машины, гш\ - коэффициент вязкого трения передних колёс, гш2 - коэффициент вязкого трения задних колёс (для гусеничных машин гші =гші), J - момент инерции машины относительно центра тяжести, Fm\ - сила сухого трения в передних пневматиках, Fm2 - сила сухого трения в задних пневматиках, /,, l2, /р, /z- геометрические размеры принятой системы, индекс «б» определяет движение машины в горизонталь ной плоскости. Приведённые зависимости позволяют математически описать функциональную зависимость тягового усилия транспортного средства от внешних факторов, при статической нагрузке на рабочем органе. Активизация процесса копания, за счёт привода движения рабочей цепи и установленных на ней специальных режущих инструментов, приводит к появлению дополнительных нагрузок, связанных с факторами жесткости навесного оборудования, усиленного факторами маховых моментов вращающихся деталей трансмиссии и влиянием жесткости базовой машины. Рассматривая траншейный экскаватор непрерывного действия, как систему с двумя ветвями распределения мощности необходимо построить модель, описывающую взаимосвязи между силовыми узлами и металлоконструкцией экскаватора в целом. Из условия равенства потенциальных энергий при копании цепным рабочим органом приведённая жёсткость всех узлов трансмиссии привода рабочего органа может быть определена из соотношения [8]: где Ymp - суммарная жесткость трансмиссии базовой машины и редуктора привода рабочего органа, Ypo приведённая жёсткость рабочего органа, YjCjf суммарная приведенная жёсткость цепи, СР- суммарная жёсткость направляющей рамы, С„- жёсткость механизма натяжения, Yr.u, -жёсткость гидроцилиндра, СЗВ- приведённая жесткость ведущей звёздочки. Упруго-механическую модель базовой машины можно представить в виде реологической модели движитель - среда, а процесс взаимодействия движителя с грунтом можно представить как один из вариантов модели, в которой реактивная горизонтальная составляющая колёс (Rr\ ; Rr2) имитирует вязкопластическую модель Сен-Венана и Ньютона, а вертикальная реакция на пневматическое колесо (RB) представляется упруго-вязко-пластической моделью Бингмана. Реологическая модель навесного оборудование позволяет определить места изменяемой жесткости навески в процессе работы. Реологическая модель цепного рабочего органа состоит из последовательно соединённых между собой звеньев по модели Фойгта. Влияние конструктивной жесткости рабочего органа на усилие резания Характер изменения Ркі зависит от тягового усилия цепи и величины натяжения.
По данным профессора Н.Г.Домбровского [60] величина усилия натяжения рабочей цепи экскаватора должна составлять от 0,4 до 0,6 от усилия тяги на рабочей цепи. Основным условием резания мёрзлых грунтов и грунтов с каменистыми включениями является: где, Ра — усилие резания среды одиночным резцом; а - модуль сопротивления разрушению грунта (каменистого включения); F - площадь разрушения одиночным резцом, в плоскости перпендикулярной направлению движения. В связи с тем, что мёрзлый грунт представляет собой сложную математическую модель со многими неизвестными, а величина площади срезаемой стружки это функция, зависящая от состояния разрушаемой среды и параметров инструмента, определить математическим путём, усилие резания на одиночном резце аналитическим путём установить невозможно. Для определения усилий возникающих в процессе резания необходимо поставить ряд экспериментов резания одиночным резцом образцов моделей мёрзлого грунта, при этом, для улучшения сходимости результатов, масштабный фактор моделирования необходимо принять М 1:1. Результаты исследований усилий нагружения рабочего органа и разработанная комплексная модель экскаватора позволяют анализировать изменение параметров нагрузочного режима элементов и систем приводов рабочего органа и выявлять причины возникновения колебаний величины срезаемого слоя грунта режущим инструментом и колебаний базовой машины. Все эти факторы в значительной мере определяют уровень надёжности и производительность, а в некоторых случаях ведут к полной потере работоспособности. Анализ процесса работы экскаватора на модели позволил разработать конструктивные предложения по усовершенствованию рабочего органа, которые приводятся в четвертой главе.
Экспериментальные исследования по определению рациональных конструктивных параметров и оптимальных условий применения режущих элементов
Экспериментальные исследования на стендах проводились для определения количественных показателей отклонения среднепиковых сил резания мёрзлых грунтов различной прочности и грунтов с каменистыми включения ми различноі о гранулометрического состава[23,29,53,59]. Определения процентного соотношения результирующей силы резания между её составляющими для поворотных и неповоротних резцов. Определения области применения режущих инструментов!89]. Опыты проводились на стенде одиночного резания (Рис.3.2.1).
Стенд представляє! собой масштабную модель резания мёрзлого грунта одиночным резцом, масштабный фактор выбран равный 1:1 [5,6], что наиболее соответствует возможностям моделирования однородных мёрзлых грунтов и грунтов с каменистыми включениями.
Конструкция стенда позволяет протягивать исследуемый режущий инструмент на участке образца мёрзлого грунта, при этом информация о нагрузках на кромке резца воспринимается тензометрической головкой (Рис.3.2.2).
Тензометрическая головка тарировалась на разделение трёх составляющих Ри : Рк: Р,-„ показателя и записывались на носитель. Тензометриче-ское оборудование производило запись параметров, пути и времени.
Механическая часть стенда обеспечивала варьирование линейных скоростей резца от 0,5 до 5 м/с и регулировки параметров резания относительно образца грунта (Рис.3.2.3) (глубины, шага, типоразмера резца) [73]. Моделирование образцов грунта производилось по методике[47;65].
Исследование энергоемкости процесса поворотным и не поворотным резцом проводилось на образцах мёрзлого грунта для супесей и суглинков и на образцах с гравийно-галечниковыми включениями, при моделировании гранулометрического состава и процентного содержания наиболее распространённых грунтов23,56, 62,64,].
Для этого в лаборатории готовились необходимые образцы грунта с определённым гранулометрическим составом и влажностью, замораживались в холодильной камере до создания однородной температуры всего образца. Образцы грунтов с каменистыми включениями моделировались двумя способами: моделировалась вмещающая среда, а по расчётной линии резания вмораживались образцы каменистых включений определённой направленности; моделировалось процентное соотношение составляющих грунта различного гранулометрического состава, наиболее характерного для региона Красноярского края, Читинской и Свердловской областей [23,56].
Параметры резания, режимы и условия резания планировались и проводились по утверждённой методике работ.
На первом этапе проводились сравнительные исследования параметров резания тангенциальным резцом Р18, армированные пластинками твёрдого сплава по ТУ-48-19-371-83 и поворотным резцом диаметром 12 мм с углом конусности 80 Таблица №2 (Рис.3.2.4, 3.2.5.) [100,106].
Исследования проводились на суглинках прочностью 70 н- 134 ударов (по плотномеру ДорМИИ). Скорость резания 1 м/с. Из графика (Рис.3.2.6, 3.2.7) зависимости изменения касательной силы резания видно, что для поворотного резца усилие с увеличением глубины нарастает меньше, чем у Р-18, изменение нормальной силы резанию {Рис.3.2.8.), а изменение боковой составляющей для обоих резцов приближается друг к другу (Рис. 3,2.9.).
Исследования средней площади срезаемой стружки (Рис.3.2.10) для Р18 и поворотного резца показал, что с увеличением глубины резания площадь скола у поворотных резцов становится меньше, чем площадь скола плоскими резцами Р18 при аналогичной глубине резания в тоже время в процессе износа, поворотных резцов, с увеличением глубины резания площадь скола уменьшается на 27- 35% (Рис.3.2.11).
Методика расчёта и выбора рациональных параметров рабочего органа узкотраншейного экскаватора для разработки мёрзлых грунтов и грунтов с каменистыми включениями
Исходные параметры для выбора параметров рабочей цепи и расчётов: Рекомендуемая скорость движения режущей цепи рабочего органа без-ковшового (скребкового) типа 1,5 н-2,4 м/сек. Шаг цепи tu и её параметры выбирают согласно приводной мощности ра бочего органа (Таблица4.1) [46] При расчёте сечения звеньев цепи принимают запас прочности шестикрат-ный[37,71]. Удельное давление в шарнире звена не должно превышать р= 35-40 Н/мм . - Тяжелый режим нагружения и малая ширина траншеи (до 0.4 метра) определяют тип несущей цепи: - ширина разрабатываемой траншеи до 0.1 0.2 метра - необходимо применять цепь кулакового типа с наружным зацеплением на ведущей звёздочке; - ширина разрабатываемой траншеи до 0,2 + 0,4 метра - необходимо применять пластинчатую цепь с зацеплением спаренными роликами по краям рабочей цепи и двух ведущих звёздочек, рабочие площадки должны быть выполнены на основе монолитных блоков.
Требования к рабочей цепи[48]: - рабочие и соединительные звенья цепи должны быть выполнены из термо-обработанной стали и обладать большой износостойкостью, в случае наличия сварных соединений места взаимодействия упрочняются, или защищаются более прочными деталями (устанавливаются дополнительные термообработанпые втулки); - соединительный палец рабочей цепи должен иметь прочную рабочую поверхность в месте поворота относительно втулки, а по соединительным щекам палец должен иметь прессовую, или иную плотную посадку (не допускается свободных посадок пальца по соединительным щекам и фиксацией их шпонкой или фасонной формой отверстия, при данном исполнении наблюдается снижение ресурса в 2 н- 3 раза, а при тяжелых режимах работы ресурс может составлять до 20% от проектируемого); - зазор между элементами цепи (палец-втулка, соединительные щеки) не должен быть меньше, чем самые твёрдые неразрушаемые абразивные частицы грунта и составлять 0,1 -н0,2 мм ; - соседние звенья, несущие резцы, должны иметь упоры, предотвращающие прогиб рабочей цепи в сторону рамы; - щеки или кулаки рабочей цепи должны входить во взаимодействие с направляющей рамой, или опорными роликами и передавать рабочие нагрузки от нормальной и боковой составляющих сил резания, на раму рабочего органа и на машину в целом; - режущие кромки резцов не должны выступать за вертикальную плоскость переднего шарнира рабочей площадки, на которых они установлены; - расстояние между линиями резания соседних резцов на одной рабочей площадке должно быть не менее 100 мм; - наклон резцов допускается только от середины к стенке забоя; - карманы резцов должны иметь обтекаемую форму и не должны блокировать каменистые включения; - рабочая цепь с установленными на ней резцами не рекомендуется оборудовать дополнительными зачистпыми скребками (из опыта известно, что поток грунта формирующийся резцами достаточен для эффективного выноса разработанного грунта, наличие скребков приводит к заносу обратно в траншею большого количества разработанного грунта); - рабочая цепь не должна блокировать грунт между соседними роликами и роликами и зубьями звёздочек.
По шагу цепи определяют диаметр ведущей звёздочки на турасном валу: где: Дзв. - диаметр звёздочки, мм; Z - количество зубьев. Имея параметры звёздочки, выбрав скорость движения рабочей цепи, можно определить силу тяги Р т.„ приходящуюся на рабочую цепь [1.27]: где: Ь - ширина траншеи; // - глубина траншеи; кр - коэффициент разрыхления грунта (принимается 1,3-1,5); (X - угол установки рабочего органа в траншеи; Количество одновременно работающих площадок в траншее зависит от её глубины и угла установки рабочего органа и определяется: Суммарная сила тяги цепи складывается из суммы сил сопротивления копанию, транспортирования разработанного грунта каждой площадкой, находящимся в забое и дополнительными сопротивлением самого рабочего органа: Собственное сопротивление рабочего оборудования принято 0.9 от силы тяги на рабочей цепи. Средняя сила тяги несущей цепи перераспределяется на каждую единичную площадку и составляет и с учётом коэффициента динамичности кд и коэффициента заполнения рабочего пространства кх возможного изменения прочности к дневной поверхности грунта кс где: кл - для цепных рабочих органов тяжелой серии составляет и 2,4н-3,0 (Таблица 4.1); к, - коэффициент сопротивления резанию при наполняемости рабочего пространства для суглинка 1.2 -И .4 [55]; кс- коэффициент характеризующий увеличение прочности к дневной поверхности для талых грунтов 1.1-г1.3[55]. Выбираем параметры режущего инструмента и его конструктивные особенности: Режущий инструмент для разработки мёрзлых и прочных грунтов может быть выбран двух типов в зависимости от грунтовых условий: Тангенциальные (Рисунок 4.1.1.) или радиальные резцы с плоскими пластинами и с углом передней грани режущей кромки близкой к 140 рекомендуется выбирать для разработки однородны мёрзлых и прочных грунтов без каменистых вклю-чений[38,45]. Расчётная подача на один резец должна быть не менее 10 -12 мм (согласно проведённых экспериментальны исследований сравнений энергоём кости процесса резания плоскими и поворотными резцами; б). Поворотные резцы (Рис.4.1.2) предназначены для разработки прочных грунтов и пород с каменистыми и валунными включениями, при расчётной подаче на резец менее 10-12 мм[44] ; в). В случае разработки однородных мёрзлых грунтов малой прочности (с выше 30 ударов ДорНИИ) с возможной встречей каменистых и валунных включений, в целях увеличения ресурса инструмента и надёжности работы цепного рабочего органа необходимо применять поворотные резце, при этом произойдёт падение производительности экскаватора до 30 - 40%; г). Мёрзлый грунт малой прочности (до 30 ударов ДорНИИ) и талый грунт с каменистыми включениями рекомендуется разрабатывать радиальными и тангенциальными резцами с плоскими пластинами, при этом пластины твёрдого сплава работают па износ, а величина подачи на один резец соответствует минимальной энергоёмкости процесса резания[48,50,54].
