Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Состояние вопроса и задачи исследования 10
1.1 Обзор технологий прокладки траншей, котлованов и оросительных каналов 10
1.2 Анализ парка оборудования для уплотнения грунта траншей и котлованов 20
Выводы по главе 35
ГЛАВА 2. Проектирование грунтоуплотняющего устройства на основе приближенного прямолинейно-огибающего механизма 37
2.1 Кинематический анализ и синтез приближенных прямолинейно-огибающих механизмов 37
2.2 Определение кинематических характеристик грунтоуплотняющего устройства 52
Выводы по главе 66
ГЛАВА 3. Силовой анализ грунтоуплотняющего устройства 68
3.1 Определение вертикальной статической нагрузки с учетом характеристик грунта 68
3.2 Определение реакций в шарнирах грунтоуплотняющего устройства 76
3.3 Динамический анализ с законом сохранения момента импульса и учетом механической характеристики двигателя 92 Выводы по главе 98
ГЛАВА 4. Разработка и исследование устройства для уплотнения и вытрамбовывания траншей со сложным движением исполнительного органа 100
4.1 Прочностные расчеты грунтоуплотняющего устройства 100
4.2 Расчет механических передач привода устройства 103
4.3 Общий порядок и пример расчета грунтоуплотняющего устройства 109
4.4 Экспериментальное исследование взаимодействия грунтоуплотняющих опор с грунтом 114
Выводы по главе 123
Заключение 124
Список использованной литературы
- Анализ парка оборудования для уплотнения грунта траншей и котлованов
- Определение кинематических характеристик грунтоуплотняющего устройства
- Определение реакций в шарнирах грунтоуплотняющего устройства
- Расчет механических передач привода устройства
Введение к работе
Актуальность темы исследования. В жилищно-коммунальном хозяйстве, промышленном, гражданском и гидротехническом строительстве наиболее трудоемкими являются земляные работы, особенно работы, связанные с прокладкой траншей и каналов. Как в России, так и за рубежом, прокладка траншей и каналов осуществляется в основном способом выемки грунта с последующим уплотнением дна. В связи с этим уже на начальном этапе планируются затраты на выемку и вывоз грунта, а также на организацию работ по уплотнению грунта дна траншей. Для увеличения несущей способности дно необходимо уплотнять качественно, так как от степени уплотнения дна траншеи зависит долговечность возведенных зданий и сооружений и в дальнейшем - расход средств на их эксплуатацию и ремонт.
Одним из направлений снижения производственных затрат на земляные работы по прокладке траншей (работы нулевого цикла) является применение способа прокладки без выемки грунта, или вытрамбовывание. В настоящее время этот способ является наиболее перспективным, однако, из-за низкой производительности применяемых для этого устройств, применяется значительно реже, а его широкое внедрение сдерживается недостаточным уровнем механизации, несмотря на широкое разнообразие землеройной и грунтоуплотняющей техники. Низкая производительность способа обусловлена отсутствием такой конструкции машины, которая позволила бы обеспечить непрерывность процесса вытрамбовывания при приемлемых габаритах и мобильности, что особенно актуально для маломерных траншей и каналов.
Актуальность поставленных задач подтверждается не только появлением литературных источников по теории и практике нового способа прокладки траншей [1, 2, 29, 93, 94, 119], но и оживлением патентного сегмента, связанного с разработкой специальных устройств [42, 45, 47, 54, 87,
5 112, 113]. Однако предложенные технические решения обладают высокой
сложностью конструкции и требуют применения дополнительных средств
механизации для перестановки устройства в следующую зону уплотнения.
Тем не менее, патентный поиск выявил тенденцию к применению в таких
устройствах сегментного уплотняющего рабочего органа [112, 113, 125],
выполняющего движение раскатки грунта. Применение такого рабочего
органа позволяет в сравнении с катком при равном удельном давлении в
несколько раз уменьшить металлоемкость и габаритные размеры, что
значительно повышает мобильность и маневренность устройства.
Этим обусловлена необходимость разработки новых методов расчета и
конструкций устройств для уплотнения и вытрамбовывания траншей и
каналов, отвечающих основным требованиям; высокая производительность;
непрерывность процесса вытрамбовывания; высокая уплотняющая
способность; минимальные металлоемкость и энергоемкость;
малогабаритность, маневренность, универсальность и технологичность конструкции; высокая эксплуатационная надежность и др. На основе анализа функциональных механизмов строительных машин в работах [37, 49] отмечается перспективность использования в качестве исполнительных механизмов грунтоуплотняющих устройств механизмов с напряженным замкнутым кинематическим контуром. Такими механизмами являются прямолинейно-огибающие механизмы [64], которые позволяют создавать на их основе машины, обладающие низкой стоимостью изготовления, незначительными габаритными размерами и массой, низкими энергозатратами и материалоемкостью при производственном процессе, и, самое главное, непрерывность процесса уплотнения при дискретности ел едообразования.
Перспективными в рамках нового класса прямолинейно-огибающих механизмов [64] могут быть некоторые из шагающих движителей [25, 126-128], особенно тот, у которого обеспечивается непрерывность колеи при
перестановке сегментного рабочего органа, выполняющего сложное движение огибания дна траншеи [127].
Цель и задачи исследования. Целью данной диссертационной работы является разработка теоретических предпосылок создания конструкции принципиально нового і ру нтоуп л отняющего устройства для вытрамбовывания траншей и оросительных каналов на основе прямолинейно-огибающего механизма со сложным движением исполнительного органа.
Достижение поставленной цели предусматривает решение следующих задач:
анализ технологий прокладки траншей и принципов воздействия рабочих органов существующих разновидностей землеройных и грунтоуплотняющих машин, исходя из их кинематических и динамических особенностей, для определения наиболее перспективного способа прокладки траншей;
выявление возможности создания высокопроизводительного гру нтоупл отняющего устройства на основе приближенных прямолинейно-огибающих механизмов;
определение кинематических характеристик исполнительного механизма грунтоуп л отняющего устройства на основе кривошипно-кулисного прямолинейно-огибающего механизма и закона движения гру нтоупл отняющего устройства для выбора оптимального режима работы устройства;
определение динамических характеристик грунтоуплотняющего устройства, учитывающих особенности сложного движения исполнительного органа;
разработка методики расчета привода исполнительного механизма грунтоуплотняющего устройства с учетом механической характеристики асинхронного двигателя;
создание макета грунтоуплотняющего устройства, позволяющего
подтвердить его работоспособность и теоретические предпосылки в области кинематических и динамических показателей. Методология и методы исследования. Решение поставленных задач диссертационного исследования осуществляется на основе методов и средств теории механизмов и машин, теоретической механики, теории уплотнения дорожно-строительных материалов, теории механики грунтов. Исследования проводились с применением ЭВМ, при этом использовались методы анализа и синтеза механических систем с помощью математических моделей, реализация которых осуществлялась аналитическими и численными методами.
Научная новизна:
на основе анализа технологий прокладки выявлено, что наиболее перспективным является способ прокладки без выемки грунта, а существующие грунтоуплотняющие устройства применяются в основном для уплотнения дна уже проложенной траншеи и обладают рядом недостатков, главными из которых являются: сложность конструкции, значительная металлоемкость и энергоемкость;
на основе анализа схем прямолинейно-огибающих механизмов выявлена перспективность использования в качестве исполнительного механизма грунтоуплотняющего устройства кривошипно-кулисного шагающего механизма; с помощью теории интерполяционного синтеза определены его основные размеры;
определены кинематические характеристики движения грунтоуплотняющего устройства в целом и каждой из его опор; в аналитическом виде получена зависимость рабочего угла опоры от обобщенной координаты;
впервые предложен и реализован алгоритм решения
дифференциального уравнения движения машинного агрегата привода исполнительного механизма грунтоуплотняющего устройства с учетом механической характеристики двигателя и с использованием закона сохранения момента импульса;
силовой анализ механизма грунтоуплотняющего устройства выполнен
методом продольных реакций; установлена и экспериментально
подтверждена зависимость между вертикальной статической
нагрузкой, параметрами рабочего органа грунтоуплотняющего
устройства (ширина, радиус) и глубиной уплотнения.
Практическая ценность:
разработано и изготовлено грунтоуплотняющее устройство оригинальной конструкции для вытрамбовывания траншей и оросительных каналов на основе приближенного кривошишю-кулисного прямолинейно-огибающего механизма;
разработан пакет программ для кинематического и динамического расчета механизма грунтоуплотняющего устройства в математической среде Maple и среде Exel с использованием макросов Visual Basic of Applications (VBA).
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается созданием работоспособного макета грунтоуплотняющего устройства, результатами экспериментальных исследований взаимодействия грунтоуплотняюших опор с грунтом с использованием стандартных измерительных приборов, современных методик ведения исследований и статистической обработки результатов эксперимента.
Апробации работы. Основные положения диссертационной работы докладывались, обсуждались и получили одобрение на научно-технических конференциях Южно-Российского государственного университета
9 экономики и сервиса (г. Шахты, 2004 - 2007 гг.), международной научно-технической конференции «Проблемы исследования и проектирования машин» (г. Пенза, 2006 г.), международной конференции "Теория механизмов и механика машин", посвященной 100-летию со дня рождения академика И.И. Артоболевского (г. Краснодар, 2006), Всероссийской научно-технической конференции "Информационные системы и модели в научных исследованиях, промышленности и экологии" (г. Тула, 2007).
Публикации. По результатам проведенных исследований опубликовано 13 работ, в том числе патент на изобретение и патент на полезную модель.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, 5 приложений и содержит 139 страниц машинописного текста, 50 рисунков, 5 таблиц и список литературных источников из 136 наименований.
Диссертация выполнена на кафедре "Прикладная механика и конструирование машин" Южно-Российского государственного университета экономики и сервиса.
Анализ парка оборудования для уплотнения грунта траншей и котлованов
Оборудование для уплотнения грунта характерно разнообразием машин, отличающихся по принципу действия, характеру взаимодействия с грунтом, конструкции.
Анализ существующих конструкций будем проводить, рассматривая только то оборудование для уплотнения, которое пригодно для работы в траншеях, кроме этого, в связи с перспективностью способа прокладки траншей без выемки грунта, будем анализировать это оборудование на возможность применения при прокладке траншей без выемки грунта.
Существует ряд общих требований, которым должны отвечать грунтоуплотняющие машины [23], Это высокая уплотняющая способность и производительность машины; минимальные металлоемкость и энергоемкость; малогабаритпость, маневренность, универсальность и технологичность конструкции; высокая эксплуатационная надежность и др.
Отметим особенности работы груптоуплотняющего оборудования в траншеях и котлованах. Траншеи и котлованы относятся к стесненным условиям производства, для которых применение крупных средств механизации, предназначенных для широкого фронта работ, оіраничено. В связи с этим работа грунтоуплотняющих машин в траншеях и котлованах связана со следующими особенностями [23]; ограниченная возможность движения базовой машины, что предопределяет преимущественно позиционную работу; при уплотнении фунта необходима в основном перестановка рабочего органа; плохая видимость места уплотнения для оператора (особенно при большой глубине траншеи).
Вопросам уплотнения грунтов в стесненных условиях посвящено множество работ [12, 18-21, 23, 25, 28, 42, 455 47, 54, 56-58, 76, 78, 79, 82, 87 89, 92, 105, 106, 108, 111, 115, 117]. В настоящее время во всем мире, в том числе и в России, при уплотнении грунтов в траншеях и котлованах используются практически все существующие способы уплотнения: вибрирование и вибротрамбование, укатка, трамбование. В связи с разнообразием способов уплотнения грунта разнообразно и оборудование для уплотнения грунтов. Наиболее распространены: виброплиты, вибротрамбовки, малогабаритные виброкатки самоходные и с ручным управлением, механические и взрывные трамбовки, сменное навесное грунтоуплотняющее оборудование к гидроэкскаваторам или специализированным машинам. Общий анализ грунтоуплотняющего оборудования [ 10] высокоразвитых стран, показывает, что в мире при производстве средств уплотнения грунта в стесненных условиях наблюдается тенденция выпуска ручных трамбовок и самопередвигаюпщхся виброплит массой 100-120 кг, широко распространяется управление рабочими процессами средних и тяжелых трамбовок и виброплит с помощью стрелового оборудования гидравлических экскаваторов. Кроме того, благодаря непрерывному действию в сочетании с хорошими динамическими и эксплуатационными характеристиками, малогабаритные виброкатки постепенно вытесняют с рынка тяжелые вибрационные плиты.
Для уплотнения несвязных и ма освязных грунтов применяют виброплиты. По способу передвижения плигы делятся на ручные, самопередвигающиеся (управляются вручную), прицепные и крановые, которые подвешиваются на крапе или экскаваторе (рис, 1.6).
Рабочим органом виброплит [18-20, 23, 25, 57, 58, 76, 78, 79, 82, 87-89, 115, 117] является плита с жестко закрепленным па ней вибровозбудителем. Плита выполнена в виде прямоугольного корыта сварной из стального тестового проката ти тахт кішетрущш, Плшівдь опорной поверхности шиты может составлять от 0,25.,.0,3 м" до 2,5,,,6,0 м , 4 масо от нескольких оглограммов до десятков томя (меньшие значення относятся к рабочим органам плит с ручным управлением, большие - к рабочим органам подвеошй&шых к стреловому оборудованию кранов и зкекматоров).
Под действием силы, имеющей переменное направление, рабочая плата совершает шдебатедьшш движения Чжіжш грунта итпншог вибрировать, силы трения и ІЇЦЄШЇЄНИЯ между ними уминынвются, и результате чего частицы переориентируются тмим образом, чтобы занимать минимальный объем, т. с грунт деформируется и переходит в более плотное состошше.
Определение кинематических характеристик грунтоуплотняющего устройства
Механизм устройства представляет собой криво шипно-кул иен ый прямолинейно-огибающий механизм [65], состоящий из двух уплотняющих опор радиуса R (рис. 2.4),
Когда центр кривизны М одной опоры движется по прямолинейному участку траектории, обеспечивается параллельное поверхности грунта обкатывающее воздействие, вторая опора в это время находится в фазе переноса (центр кривизны М движется по криволинейному участку траектории). На рисунке 2.4,а показано крайнее положение механизма, тот момент времени, когда с грунтом соприкасаются обе опоры: для первой опоры фаза уплотнения только начинается, а для второй опоры эта фаза завершается. В этом положении угол р- — . В общем случае с грунтом контактирует только одна опора. Для определения кинематических характеристик достаточно рассматривать одну опору, для второй опоры характеристики будут отличаться на фазу р = к,
В сечении выпуклая опора представляет собой сегмент окружности радиуса К. Длина дуги, образующая полную рабочую поверхность опоры, определяется в крайнем положении механизма (р = —) и ограничивается точками N и К. В этом же крайнем положении из прямоугольного треугольника ОАВ можно определить угол а0, определяющий половину дуги опоры и максимальную глубину уплотнения hmii, обусловленную конструктивными особенностями механизма:
Такое соотношение размеров r{J b к г2 на рабочем ходе кривошипа обеспечивает параллельное поверхности грунта обкатывающее воздействие.
Для определения рабочего угла опоры а, определяющего длину дуги контакта опоры с фунтом, рассмотрим общий случай уплотнения, когда грунт уплотняется на некоторую глубину h (рис. 2.5). Когда центр кривизны М движется по прямолинейному участку траектории, точка L опоры движется по циклоиде. На участке циклоиды от начала уплотнения {щ = —) до точки L рабочий угол а остается постоянным (рис. 2.5,а) и определяется из прямоугольного треугольника DMK: а = атссоя: L (2,32) где h - глубина уплотнения На участке L L" циклоиды рабочий угол а уже не постоянен, а постепенно уменьшается ло нуля (рис. 2.5,6). В этом случае угол а определяется следующим образом. Определяем координаты точки контакта N : У =-Г -costfjj +г3 -cos г//-J!; (2,33) A Ar =rx -sin i -r2 siny/. (2-34) M І Рисунок 2.5 - К определению рабочего угла а опорьт Определяем координаты точки контакта К: YK =-r{ -cosір. -\-r2 cos f-cos{y/-crfl); Хк -г, -sin , -г, sin + Sin y +дг0); (2.35) (2.36)
Тогда длина отрезка N K: N-K = {Z XKy+(Y Y,y . (2.37) В равнобедренном треугольнике N MK из вершины М проводим биссектрису МТ угла N MK. Из курса геометрии известно, что в равнобедренном треугольнике биссектриса, проведенная из вершины треугольника к его основанию, являемся медианой и высотой. Из прямоугольного треугольника N MT: , a N K/2 Sin— = -= 2 R откуда N K 17R (2.38) a = 7.- arcsin
Определим линейные и угловые скорости и ускорения звеньев механизма для последующего определения приведенного момента инерции. Кривошип ОА вращается равномерно, поэтому ускорение точки А равно нулю. Скорость точки А\
Определение реакций в шарнирах грунтоуплотняющего устройства
На механизм в процессе огибания действует сила сопротивления Fc, которая приложена в точке контакта К и направлена по нормали к центру кривизны дуги в точке М (рис.3.3). Действует сила Fc на грунтоуплотняющую опору, которая находится в фазе уплотнения, На опору, не контактирующую с грунтом, сила/ - не действует.
Рассмотрим случай "чистого" огибания, т.е. когда опоры просто обкатывают поверхность грунта без уплотнения. Это соответствует началу работы грунтоуплотнягощего устройства.
Из рисунка 33 видно, что на рабочем ходе кривошипа сила сопротивления Fc при любом угле поворота р проходит через мгновенный центр вращения и не создает момента. Это означает, что если крутящий момент от привода на входной кривошип не передается, то механизм остается неподвижным при приложении внешней силы.
Оценим силовые характеристики прямолинейно-огибающего механизма устройства в процессе огибания дутой окружности с учетом деформации грунтового полупространства. Если силы сопротивления распределены по контактной поверхности N K равномерно, то равнодействующая сила Fc, равная по величине силе тяжести всей конструкции (включая дополнительный груз, который обеспечивает заданную степень уплотнения), будет приложена в точке К, соответствующей середине контактной поверхности N K, и направлена к центру кривизны опоры {рис. 3.4). Направление силы сопротивления Fc в этом случае будет определяться половиной рабочего угла а, аналитическое выражение которого получено в главе 2 данной диссертационной работы,
По определенному рапсе приведенному моменту необходимо определить реакции в шарнирах для дальнейших прочностных расчеюв. Как уже говорилось ранее, механизм содержит две груптоуплотняющие опоры: одна опора контактирует с уплотняемой поверхностью, другая находится в фазе переноса. Реакции в шарнирах будем определять отдельно для каждой опоры, а затем с учетом этих реакций определим реакции на входном звене.
На первую опору действуют сила сопротивления Fc (происходит фаза уплотнения), приложенная в точке К и определяемая половиной рабочего угла а, сила тяжести G2 и сила инерции Fu2, приложенные к центру масс опоры. При определении величины вертикальной статической нагрузки по формуле (3.9) был приведен пример определения нагрузки грунтоуплотняющего устройства, откуда видно, что для уплотнения на глубину 6 см, требуется нагрузка в 5175,5 П. При уплотнении па большую глубину потребуется большая нагрузка, т.е. величина силы сопротивления FCi напрямую зависящая от величины вертикальний статической нагрузки, весьма велика. Определим величины силы тяжести G? и силы инерции Fu2.
Сила тяжести G2 определяется по формуле; G2 =m2-g, (3.25) где т2 - масса грунтоуплотняющей опоры; g - ускорение свободного падения.
При массе опоры т2=\Ъ кг (масса определена в системе твердотельного моделирования КОМПАС-ЗО V7, в качестве материала опоры взята Сталь 10 ГОСТ 1050-88) сила тяжести составит: G2 =13-9,81 = 127,5 H. Сила инерции Fu2 опоры определяется по формуле: Fl=m2-asl. (3,26)
В соответствии с графиком ускорения центра масс грунтоуплотняющей опоры (рис, 2.9)? максимальное ускорение на рабочем ходе кривошипа (— р —) составляет 0,2 м/с . Тогда сила инерции Fu2 =13-0,2 = 2,6 Н. Из сравнения величин сил Fc, G? и Fu2 видно, что значение силы сопротивления Fc нампш о больше значений сил G2 и Fu2, поэтому последними при определении реакций в шарнирах можно пренебречь.
Па первом этапе определим уравновешивающую силу Fyp методом Жуковского. Этот метод обычно применяется, когда нужно сразу определить уравновешивающую силу без определения реакций в шарнирах. По условию теоремы Жуковского, уравнение равновесия для шатунной плоскости механизма выражается в виде уравнения моментов относительно полюса Р повернутого плана скоростей (рычага Жуковского) 170]: где Муп - момент уравновешивающий; v, - скорость точки приложения силы F/t ы} - угловая скорость звена приведения, к которому приложен момент М;; Й 1 - угловая скорость звена приведения. Мощность /-той силы равна произведению силы на скорость точки приложения силы с учетом угла между ними: ЛГ,= со8(ад- (3.28) Тогда для контактирующей с грунтом опоры кривошипно-кулисного прямолинейно-огибающего механизма (рис, 3,4) можно записать уравнение мощностей:
Расчет механических передач привода устройства
Для подтверждения адекватности формулы (3.9), используемой при определении требуемой вертикальной статической нагрузки для заданной глубине уплотнения, необходимо провести экспериментальное исследование процесса взаимодействия грунтоуплотняющей опоры с грунтом. Для этого необходимо определить глубину уплотнения при различной вертикальной статической нагрузке.
Испытания проводились при помощи макета грунтоуплотняющего устройства, его платформа нагружалась грузами различной массы (44 кг, 55 кг, 66 кг, 77 кг, 88 кг), глубина уплотнения для каждой из опор определялась при первом ( р = 0) и втором {(р = 2л) проходе рабочего органа по поверхности грунта и фиксировалась при вертикальном положении шкалы измерительной линейки (ГОСТ 427-75), нанесенной на боковой поверхности опоры (рис. 4.5).
В качестве материала уплотнения использовался машсаязиый зрунт (песш), гаажноеть которого определялась методом высуитшиия до цоеішшшї массы в соответствии с ["ОСТ 5180-84,
Измерение влажности производилось в следующем порядке. В заранее высушенный взвешенный закрытый стаканчик насыпался песок, который тжишвмея вместе со стаканчиком. Затш стакашшк вместе с открытой крышкой помешался в нагретый сушшшшй шкаф, сушился в течение 3 ч щш температуре 105 С, и после лого опять прой.шодйяоеп твепшвшгие. 11о полуадийым данным определялась влажность w. %:
Измерения производились индикаторами часового типа ГОСТ 577-68,
первый фиксировал величину вертикальной статической нагрузки в диапазоне от 0,01 мм (2500 Н) до 0,06 мм (19375 Н), второй величину просадки штампа в зависимости от нагрузки. Для перевода показаний первого индикатора из мм в Н использовалась тарировочная характеристика (рис. 4.6,6). Для соответствующей нагрузки определялось контактное напряжение по формуле: Р с = —. S (4.49) Результаты измерений и вычислений приведены в таблицах 4.1 и 4.2.
Полученные средние значения в мм по тарировочной характеристике переводим в Н и определяем контактные давления о по формуле (4.49). Результаты расчетов представлены в таблице 4.2.
Оценку соответствия результатов эксперимента расчетным значениям проведем следующим образом. Но полученным в результате эксперимента средним значениям к (табл. 4.4) строим график h(P) зависимости глубины уплотнения от вертикальной статической нагрузки.
Затем для каждой точки измерения определяем абсолютную погрешность в результатах расчетных и опытных значений отклонения па заданной длине интервала приближения или длине заготовки по формуле:
Полученное значение коэффициента корреляции n jh, =0,994 говорит о высоком соответствии теоретических и экспериментальных значений глубины уплотнения.
Максимальное отклонение экспериментальной глубины уплотнения от теоретической составляет 3,5 %.
1. В результате применения разработанных в данной работе методик определения кинематических и динамических характеристик, а также существующих методик прочностных расчетов и расчетов механических передач создана оригинальная конструкция грунтоуплотняющего устройства со сложным движением исполнительного органа, реализованная в виде макета.
2. Проведенное экспериментальное исследование взаимодействия грунтоуплотняюших опор с грунтом подтвердило достоверность полученной формулы, определяющей зависимость между вертикальной статической нагрузкой, параметрами рабочего органа грунтоуплотняющего устройства (ширина, радиус) и глубиной уплотнения. Максимальное отклонение экспериментальной глубины уплотнения от теоретической составляет 3,5 %, что говорит о хорошей сходимости теоретических расчетов и экспериментальных данных.
