Обоснование параметров экскаваторных профильных ковшей и их рациональное использование при строительстве осушительных каналов Фам Тхе Хынг 0

Данный автореферат диссертации должен поступить в библиотеки в ближайшее время
Уведомить о поступлении

Диссертация - 480 руб., доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Автореферат - 240 руб., доставка 1-3 часа, с 10-19 (Московское время), кроме воскресенья

Фам Тхе Хынг 0. Обоснование параметров экскаваторных профильных ковшей и их рациональное использование при строительстве осушительных каналов : ил РГБ ОД 61:85-5/3630

Содержание к диссертации

ВВЕДЕНИЕ 4

ГЛАВА I. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС ПРОИЗВОДСТВА ЗЕМЛЯННХ РАБОТ ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ ОСУШИТЕЛЬНЫХ КАНАЛОВ

Современные средства механизации . . 7
Технологический процесс производства работ при строительстве осушительных каналов 9
Основы резания грунтом. Обзор предшествующих исследований 14
Экскаваторные профильные ковши и их технологические качества 27

Выводы по главе 29

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА КОПАНИЯ ГРУНТА ПРОФИЛЬНЫМ КОВШОМ

2.1. Исследования усилия копания и его основных состав
ляющих . 30

2.1Л. Определение вместимости ковша 30

2.1.2. Определение суммарного приведенного усилия копания

грунта профильным ковшом 35

2.2. Обоснование выбора основных параметров профильного
ковша . 47

Выводы по главе 62

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА КОПАНИЯ . ГРУНТА ПРОФИЛЬНЫМ КОВШОМ

ЗЛ« Методика проведения экспериментальных исследова
ний . 63

Задачи экспериментальных исследований . 63
Условия и место проведения экспериментальных исследований ;.......... 63
Описание экспериментальной установки» приспособлений и измерительной аппаратуры 67

Результаты экспериментальных исследований по определению усилий копания 76
Результаты лабораторных исследований технологического процесса копания моделями профильных ковшей. ....... 89
Результаты исследований технологического процесса

в натурных условиях ......... 100

Выводы по главе 109

Стр.

ГЛАВА 4. РЕКОМЕНДАЦИИ ГО РАЦИОНАЛЬНОМУ ПРИМЕНЕНИЮ ПРОФИЛЬНЫХ КОЭДЕй

Выбор основных параметров профильных ковшей III
Рабочее место экскаватора с профильным ковшом при разработке осушительных каналов 114
Рациональное применение профильных ковеей при разработке осушительных каналов различных сечения .... 118

ВЫВОДЫ ГО ДИССЕРТАЦИИ 131

Литература ............ .... ІЗЗ

Введение к работе

Масштабы и темпы мелиорации в СССР не имеют себе равных в мире. В мае 1984 года, Политбюро ЦК КПСС обсудило и одобрило основные направления программы широкой мелиорации земель. В осуществлении этой программы, в текущем году, предстоит ввести в эксплуатацию 649 тысяч гектаров орошаемых и 684 тысячи гектаров осушаемых земель, обводнить 4,3 миллиона гектаров пастбищ. В перспективе предлагается значительное увеличение площадей орошаемых и осушаемых земель.

Огромное значение имеет мелиорация и в социалистической рес-публикв Вьетнам. Коммунистическая партия и правительство С.Р.В. уделяют также большое внимание на механизацию строительства мелиоративных работ и в последнее время, благодаря дружественной помощи СССР, строятся и вводятся в эксплуатацию новые мелиоративные системя и гидротехнические сооружения.

Строительство каналов - одно из наиболее сложных и трудоемких видов мелиоративных работ.

Как в СССР так и в С.Р.В. строительство каналов ведется современными машинами, обладающими высокими техникоэксплуатационными показателями. Это машины циклического действия - одноковшовые как канатные так и гидравлические, это и машины непрерывного действия -однороторные, двухроторные, фрезерные.

Однако, большой объем каналов в зоне осушения, строятся при помощи одноковшовых экскаваторов, которые отличаются универсальностью, надежностью и хорошо приспособлены для работы на слабых грунтах. Наиболее эффективны одноковшовые экскаваторы на строительстве каналов больших сечений, где от них можно получить максимальную производительность. Однако, в практике строительства немало случаев, когда требуется возводить каналы малых сечений глубиной от 1,0 до 2,0 метров. На таких каналах работа одноковшовых экскаваторов затрудняется, так как для достижения требуемого качества возводимых работ, значительная часть рабочих циклов тратится на отделочные операции, что неизбежно влечет за собой понижение коэффициента наполнения ковша. Для подобных производственных условий целесообразно применять специальные виды ковшей, например профильные.

Конструкция профильных ковшей известна давно, но изготавливаются они пока малыми сериями.

В СССР, рядом заводов разработаны различные конструкции профильных ковшей, однако они не поставляются в комплекте с другими видами сменного рабочего оборудования. Это объясняется недостаточным спросом на них со стороны производственников, так как эффективность их работы не всегда подтверждается, с другой стороны профильные ковши рассматриваются как дополнительное оборудование, поэтому научные учреждения как в СССР так и в С.Р.В, не уделяли должного внимания исследованиям их работы и установлению научного обоснованных параметров и конструктивных решений. В результате на сегодняшний день невозможно дать необходимые рекомендации по применению тех или иных типов ковшей на экскаваторах различных размерных групп.

В данной работе сделана попытка восполнить указанный пробел и обосновать пути развития конструкций профильных ковшей и рационального их применения в мелиоративном строительстве.

Цель работы. Исследовать технологический процесс работы экскаваторов обратной лопаты с профильным ковшом при строительстве осушительных каналов. Определить рациональные параметры профильных ковшей для экскаваторов Ш-ей и 1У-ой размерных групп, обеспечивающих наилучшие технико-экономические и технико-эксплуатационные показатели.

Методика исследований. Для решения поставленных задач в диссертации методика исследований осуществлялась посредством теоретических и экспериментальных исследований как в лабораторных, так и в полевых условиях.

Научные положения. Научные положения,защищаемые в диссертации, следующие: методика определения усилий копания профильным ковшом; оптимизация параметров профильных ковшей для экскаваторов Ш-ей .и 1У-ой размерных групп; рекомендуемые границы применения профильных ковшей; пути повышения эффективности применения профильных ковшей в строительстве осушительных каналов.

Практическая ценность работы. Результаты исследований позволили получить необходимые данные для конструирования профильных ковшей. Созданы и испытаны опытные образцы. Техническая документация передана в Главнечерноземводстрой Министерства мелиорации и водного хозяйства СССР для организации промышленного выпуска профильных ковшей.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на научно-технических конференциях Московского ордена Трудового Красного Знамени гидромелиоративного института (г.Москва, 1982 г., 1983 г., 1984 г.)

Публикация. Основные положения выполненных исследований освещены в трех опубликованных статьях.

Г Л А В A I

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС ПРОИЗВОДСТВА ЗЕМЛЯНЫХ РАБОТ ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ ОСУШИТЕЛЬНЖ КАНАЛОВ

I.I. Современные средства механизации.

В настоящее время, каналы разрабатываются специальными землеройными машинами, выпуск которых предусматривает "Система машин для комплексной механизации сельскохозяйственного производства" на I98I-I990 гг. [145].

Основную операцию разработки каналов - вырезку сечения выполняют двухфрезерные и шнекороторные каналокопатели, плужные каналокопатели и одноковшовые экскаваторы.

Применение той или иной машины зависит от конкретных условий строительства, объемов работ, наличия трудовых и материально-технических ресурсов и принятой схемы организации работ.

Строительство осушительных каналов специальными каналокопате-лями, способными отрывать сечение канала за один проход весьма ограничено. Так фрезерные каналокопатели могут быть применены лишь на торфяных грунтах и при строительстве каналов малых сечений. Шнекороторные экскаваторы имеют ограниченное применение из-за Большого удельного давления на грунт, что в большинстве случаев значительно затрудняет или делает невозможным их использование в зоне осушения.

Таким образом наиболее эффективным средством механизации при строительстве осушительных каналов следует считать одноковшовый экскаватор. Благодаря универсальности и высокой надежности одноковшовые экскаваторы могут оказаться наиболее выгодными с экономической точки зрения, хотя по удельной производительности уступают каналокопателям с непрерывным действием.

Особенно целесообразно применять одноковшовые экскаваторы при строительстве каналов больших сечений. В этом случае выработка экскаватора близко к расчетному. Однако положение меняется при необходимости отрывать с помощью экскаваторов каналов малых сечений. Здесь технико-эксплуатационные показатели экскаватора понижаются. Требование строго выдерживать размеры строящегося канала, вызывает необходимость дополнительных отделочных циклов экскаватора при которых резко снижается коэффициент наполнения ковша и всвязи с этим производительность машины.

В строительных организациях СССР и Вьетнама работают десятки тысяч одноковшовых экскаваторов. Экскаваторы способны разрабатывать разнообразные грунты, в том числе плотные и неоднородные, а также взорванные скальные грунты.

Опыт эксплуатации одноковшовых экскаваторов наших стран и зарубежных показал, что наибольший экономический эффект дают экскавато ры с гидравлическим приводом, В десятой пятилетке, экскаваторные заводы СССР освоили выпуск одноковшовых гидравлических экскаваторов 3...6 размерных групп. Большинство выпускаемых полноповоротных одноковшовых гидравлических экскаваторов составляют машины третьей и четвертой размерных групп с ковшами вместимостью 0,5..,1,0 м³.

Основной моделью экскаваторов третьей размерной группы является экскаватор Э-5015 и Э0-ЗЭ22(А.Б»в) и 30-3323 Киевского, Ленинградского и Калининского экскаваторных заводов.

Освоен также выпуск экскаваторов четвертой размерной группы моделей 30-432ІА» 30-4121 и 30-4124. Экскаваторы пятой размерной группы представлены моделями 30-5122 и 30-5123» экскаваторы шестой группы - моделью 30-6122»

Из освоенных промышленностью одноковшовых экскаваторов в гидроприводом наибольший интерес для мелиоративного строительства представляют машины 3-5015. Э0~3322А(Б.В). 30-3323» 30-4І2ІА и 30-4224. а также экскаваторы с увеличенной опорной поверхностью гусениц (МТП-7І. МТП-72).

Оборудование обратной лопаты с гидравлическим приводом имеет существенное преимущество перед оборудованием с канатным приводом, так как реакция грунта при копании обратной лопатой воспринимается не только массой рабочего оборудования, но и всей массой экскаватора машины в целом. При этом возможно реализовать большие усилия копания, разрабатывать более прочные грунты, улучшить наполнение ковша

С целью увеличения радиуса действия и глубины копания стрелу или рукоять выполняют составной из двух или нескольких частей, которые можно фиксировать в нескольких положениях, или же принимают сменные стрелы и рукояти различной длины.

Все перечисленные модели гидравлических экскаваторов применяются и на строительстве мелиоративных систем Вьетнама.

1*2 Технологический процесс производства работ при строительстве осушительных каналов.

В зависимости от условий работ и параметров каналов применяют-* ся следующие приемы разработки поперечных сечений: - продольный. Экскаватор движется вдоль оси канала. Разработка сечения выполняется в том же направлении; - продольно-поперечный. Экскаватор движется с некоторым смещением относительно оси канала. Разработка сечения выполняется под некоторым углом к направлению движения экскаватора; - поперечным. Экскаватор движется по берме параллельно оси канала, разработка сечения выполняется перпендикулярно к оси или под некоторым углом к ней. укладка вынутого грунта при поперечном и продольно-поперечном способах разработки сечений за один проход экскаватора возможна только на одну сторону, а при продольном - на оЦе стороны. При разработке пионерной траншеи экскаватор разрабатывает грунт продольным способом с укладкой его в кавальеры на одну или обе стороны с оставлением берм шириной не менее м. Ясли пионерную траншею копают одновременным проходом два экскаватора, то один из них, идущий первым, разрабатывает свою часть поперечного сечения продольным, а второй - продольно-поперечным способом.

Поперечные сечения канала дорабатывают отдельными участками одновременно на всей или на заранее установленной части длины с расширением и углублением канала до проектных размеров и последующей отделкой откосов.

Производительность экскаватора зависит от вместимости ковша, типа рабочего оборудования, условий работы и других факторов.

Эксплуатационная производительность определяется выражением ^- ^Г ї'!'"в > (I ) где: (L - вместимость ковша;

К_н - коэффициент наполнения ковша;

К_р - коэффициент разрыхления грунта;

Н_в - коэффициент использования рабочего времени; їц.~ продолжительность цикла работы.

Основными направлениями повышения производительности [І04І являются: выбор рациональной для конкретных условий схемы работы; выбор рациональных технологических параметров рабочего места; использование конструктивных особенностей машин.

При выборе рациональной технологии строительства открытых осушительных систем учитываются условия производства, габариты канала и их удельный вес в общем объеме работ, имеющиеся машины и механизмы, их технико-эксплуатационные и экономические показатели.

На производительность экскаватора влияют: продолжительность цикла экскавации, затраты времени на передвижку экскаватора в забое» удельный объем выемки грунта.

Применение ковшей увеличенной вместимости повышает производительность экскаватора, но не пропорционально вместимости, ибо в этом случае также увеличивается и продолжительность набора грунта [1233* При повышении вместимости ковша в 1,5 раза (по В.Г.Ясинецкому), производительность экскаватора увеличивается в 1,4 раза (по И.И.Знаменскому) и в 1,35 раза (по данным ИНИЙМЭСХ). Широкое внедрение ковшей повышенной вместимости, по данным Н.Г.Домбровского С54,55 3 » должно повысить производительность экскаваторного парка не менее чем на

12 %.

Наряду с другими показателями производительность экскаватора зависит от продолжительности рабочего цикла, рабочий цикл экскаватора обратной лопаты состоит из пяти операций: копание, поворот платформы с рабочим оборудованием от забоя к отвалу, разгрузка грунта, поворот в забой и опускание ковша.

Условно принято, что затраты времени на разработку грунта и наполнение ковша, а также на рагрузку в отвал - величины постоянные для данных условий и зависят от квалификации машиниста, тогда общая продолжительность рабочего цикла зависит от угла поворота платформы.

Продолжительность цикла Ґ_ц определяется по формуле t=t+t+t+t С 2 ) где: Сд. - время копания; t_n - продолжительность поворота на выгрузку; t_B - время выгрузки; t_n2 - продолжительность поворота в забой.

Продолжительность цикла экскавации при изменении угла поворота стрелы определяется эмпирической формулой В.Ф.Карловского [733 Ji-90^o , ^*^{-/ь+~р-*"*>} ^{(з )} где: J* - величина фактического угла поворота град, условно принятая за единицу;

К_9о ** продолжительность цикла экскавации при угле поворота 90.

Анализ распределения затрат времени на выполнение отдельных операций цикла показывает, что весьма значительная часть его, от 25##.. 50 % затрачивается на заполнение ковша грунтом - копание С713 . Поэтому сокращение продолжительности копания может явиться одним из значительных резервов повышения производительности экскаватора.

Затраты времени на поворот, разгрузку и возвращение ковша в забой составляют до 70 % от всего цикла. Сокращение продолжительности выполнения этих операций достигается за счет уменьшения угла поворота платформы, что обеспечивается выбором наиболее рациональной для данных условий схемы работы экскаватора.

При сооружении каналов возникает необходимость в дополнительных планировочных циклах, выполняемых с целью выдерживания заданных расчетных размеров сечения и соблюдения требуемого качества разрабатываемых поверхностей. Выполнение отделочных циклов сопровождается значительными потерями производительности, так как при этом уменьшается коэффициент наполнения ковша.

Степень снижения производительности будет зависить от соотношения числа отделочных циклов к общему числу рабочих циклов. Эта величина резко возрастает при сооружении каналов малых сечений.

Время, затрачиваемое на планировку откосов и дна каналов: ^⁼ to't'l > ( Ч ) где: t_Q - среднее время планировки I м* поверхности канала, определяемое опытным путем, с/м*; L - длина забоя;

6 - длина периметра поперечного сечения канала,м. Снижение производительности экскаваторов из-за затрат времени на планировку и подчистку откосов и дна канала оценивается коэффи- ци_Єнтон:С73] U-ZL-L-f _{""** w}_„ ^С5:>

Таким образом сокращение числа отделочных циклов может в значительной мере влиять на производительность экскаватора. В определенной степени это может быть достигнуто за счет применения профильных ковшей, исследование работы которых является предметом данной диссертации.

Вопросам повышения производительности одноковшовых экскаваторов посвящен ряд исследований советских ученых. Профессор И.И.Знаменский С693 определил оптимальные зоны применения экскаваторов с различными рабочими органами, изложил методику определения производительности в зависимости от условий и показал пути улучшения и рационального использования экскаваторного парка.

Совершенствованию работы экскаваторов на строительстве посвящены исследования Н.Г.Домбровского [ 523» Н.И.Фенина и В.Г.Ясинецкого CI233* Методика обоснования эффективности применения экскаваторов разработана С.Е.Канторером С731» Способы разработки сечений каналов и путей увеличения производительности одноковшовых экскаваторов при строительстве каналов на болотах в летних условиях изложены в работе А.М.Романенко [ Ю83

Однако технологический процесс работы экскаватора с профильным ковшом изучен еще мало и преимущество профильных ковшей, проявленные в определенных условиях эксплуатации, используются недостаточно.

1.3« Основы резания грунтов. Обзор предшествующих исследований.

Исследования в области разработки грунтов характеризуются преемственностью их результатов, поэтому работы исследователей развивают и дополняют работы своих предшественников в направлении создания единой теории разработки грунтов. Отсюда следует, что целесообразно излагать результаты исследований различных авторов в их исторической последовательности.

Первыми работами, касающимися непосредственно резания грунтов являются исследования академика В.П.Горячкина, который дал известную, так наз|шаемую, рациональную формулу для определения силы тяги конных и тракторных плугов и определил численное значение коэффициента резания грунтов К для сельскохозяйственных машин с рабочими органами лемешного типа. Последователи школы В.П.Горячкина обогатили науку сведениями о процессах резания почвы рабочими органами сельскохозяйственных машин.

Изучение процесса лобового резания грунтов посвящены работы А.Д.Далина, Н.Г.Домбровского и других ученых, на которых мы ниже остановимся подробнее.

Зарубежные работы больше касаются исследований, связанных с вопросами строительной механики грунтов, однако часть из них заслуживает внимания благодаря качественной стороне изучаемых явлений. В области лобового резания грунта представляют интерес работы Динглингера и Ратье, проводившиеся в 1927-1932 гг. [1503«

Однако несмотря на тщательность постановки опытов, в результате принятой методики исследований сделаны выводы, мало пригодные для машин естественного размера, работающих в нормальных эксплуатационных условиях.

Лабораторные эксперименты этих исследований имеют ценность в силу того, что полученные ими результаты свидетельствуют о вполне закономерном протекании процесса резания грунта стальными листами (элементарными профилями) в данном случае искусственно уплотненного влажного песка.

Остальные, известные из литературу зарубежных исследований раннего периода не представляют самостоятельного научного интереса в области изучения непосредственного процесса резания грунта. Поэтому приводимые в данной работе краткие сведения о результатах экспериментальных исследований некоторых иностранных авторов имеют целью дать исторический обзор исследований предшественников и проследить закономерности и общность физических явлений, возникающих при резании грунта рабочими органами различной конфигурации.

Результаты исследований Советских ученых.

Многолетние исследования Советских ученых В.П.Горячкина, А.Д.Далина, Н.Г.Домбровского, А.Н.Зеленина в области основ теории разрушения грунтов различными механическими способами, по существу создали новое направление науки. Эти работы дают научно обоснованный материал для расчета и создания высокопроизводительных и малоэнергоемких машин предназначенных для разработки грунтов.

В.П.Горячкин установил, что для создания плугов рациональной формы необходимо отдельно оценить сопротивление чистому резанию и отдельно дополнительными силами, возникающими в процессе работы плугов.

Так возникла известная формула В.П.Горячкина для определения общего сопротивления плуга [ 473ї где: G - вес плуга, кг; / - коэффициент перемещения (перекатывания) плуга; /Г - удельное сопротивление резанию; а «* глубина пахоты, см ( л * 15...20 см); 8 - ширина пласта, см (і * 1,5 см); >Q$-P - сопротивление грунта отбросу его лемехом в сторону, это сопротивление не превышает 5 % от величины ^ и в ряде случаев может не учитываться; К-<*6 * (0,5...0,55) ; (* « ІЮ кДа).

По рекомендации В.П.Горячкина величина к * 20...60 кПа при работе плуга на почвах от легких до тяжелых. В.П.Горячкин указывает, что в то время как член Каё характеризует деформацию пласта, следовательно полезную трату усилия, первый член является вредным, мертвым сопротивлением, с которым надо бороться всеми средствами.

Работы А.Д.Далина, выполненные в 1938-19 гг. имели целью дать в первом приближении необходимые коэффициенты и метод расчета ротационных машин для сельского хозяйства.

А.Д.Далин обобщил большой опыт исследователей в области сельскохозяйственных машин, изучил свойства грунтов и технологию их разработки и поставил собственные эксперименты, что позволило ему наметить рациональную форму рабочего элемента фрезерных сельскохозяйственных машин.

А.Д.Далин определил численные значения величины удельного сопротивления резанию различных грунтов для режущих элементов фрезерных сельскохозяйственных машин. Эти данные он привел в сопоставлении со значениями К (кПа) определенными в 1936 г. А.Н.Зелениным для случая лобового резания канатным скрепером со серповидным ковшом [49Д»

Таблица I

Исследователь категория грунта

П : I : ІУ

А.Н.Зеленин 70 112 165 240--260

А.Д.Далин 60 90 165 360

Близкое совпадение значений К , полученных Далиным для ножей фрезерных машин, с данными Зеленина для скреперов свидетельствует о том, что ножи фрезерных сельскохозяйственных машин разрабатывают грунт по принципу лобового резания сплошной среды, что вытекает непосредственно из их формы и технологии работы.

В 1938 г. Н.Г.Домбровский провел экспериментальные исследования, которые дали первичный материал для проектирования экскаваторов и нормирования экскаваторных работ. Он определил, что зависимость между силой напора, реализуемой на зубьях ковша, условиями работы назначением этих экскаваторов.

Опыты проводились с одноковшовыми экскаваторами малой мощности М І-ДВ "Комсомолец" вместимость ковша 0,35 м³» оборудованным прямой лопатой, драглайном и стругом. Для определения влияния вместимости ковша на усилие копания изменялась толщина режущих кромок в пределах

22»..55 мм,

Н.ГДомбровский исследовал величину "свободного усилия резания" различных моделей экскаваторов. Дифференцированного определения значений отдельных компонентов* составляющих суммарное тяговое усилие» произведено не было. Он считал, что отделять силы трения от усилий чистого резания не следует, так как трение имеет место всегда при вюбом виде оборудования, а поэтому его исключение имело бы отвлеченный интерес и не имело бы практической ценности.

При помощи динамометра определялись суммарные значения усилия копания Р_к в зависимости от влияющих факторов и удельные сопротивле- ния копанию К= — $ где о - площадь сечения снимаемой етруж- S ки.

Результаты исследований Н.Г.Домбровского состоят в следующем: - удельное сопротивление копанию незначительно увеличивается с уменьшением толщины стружки и увеличением толщины режущей кромки; - испытания над моделями дали более высокие значения К , чем для машины естественного размера. Вместе с тем, опыты с моделями дали менее четкую зависимость K = j(ft)₉ чем опыты с ковшами экскаватора "Комсомолец"; при заданной толщине режущей кромки на удельное сопротивление копанию влияет отношение перимента I режущей кромки к площади сечения стружки F С увеличением этого отношения значения /с возрастает; если принять, что каждой вместимости ковша строго соответствует определенная толщина режущих кромок и стружек, то с учетом влияния тг , могут быть получены значения к для ковшей струга и драглайна различной вместимости ковша; сопротивление копанию незначительно уменьшается при увеличении углов заострения наконечников зубьев ковша, струга и заднего угла резания Ы. ; при работе ковша механической лопаты в условиях снятия вертикальной стружкой нет призмы волочения и нет проталкивания грунта внутрь ковша, так как срезанная стружка свободно падает под влиянием собственного веса. Следовательно, происходит почти полное исключение сил трения от входящего в ковш грунта, имеющих место в струге и в драглайне.

Приоритет по созданию основ теории разрушения грунтов различными механическими способами принадлежит А.Н.Зеленину , работы которого заслуженно пользуются признанием как в СССР, так и зарубежом.

Особого внимания заслуживает теория разрушения, разработанная А.Н.Зелениным, учитывающая растягивающие напряжения при сжатии, вследствии образования в сжимаемых образцах различных материалов уплотненных ядер. Зта теория дает огибающую предельного состояния для реальных условий разрушения твердых тел.

На основании анализа факторов, влияющих на резание и физическую сущность происходящих при этом процессов А.Н.Зеленин установил закономерность и определил усилия резания в зависимости от конфигурации рабочего органа, категории грунта его влажности, глубины резания, площади срезаемой стружки и ряда других факторов. Он рекомендовал форлуму для расчета суммарного усилия рабочего режущего органа С61,6^,643: ^=Гр + Г+К + Г_т , (7) где: /р - сила чистого резания; F - сопротивление трению, возникающее на плоскостях боковых стенок; Я - суммарное усилие трения дна ковша о грунт призмы волочения грунта перед ковшом и сопротивление стружки продольному сжатию; ?т - усилие, необходимое на преодоление собственного веса рабочего времени. А.Н.Зеленин дал широкий анализ факторов влияющих на составляющие суммарного усилия копания рабочего органа землеройных машин и определил усилия копания грунта разными рабочими органами, в том числе: а) для элементарных профилей б) для ковшей без зубьев в) для отвалов бульдозеров F* *c-fi'V+^V+o,Q&)+is./fM-S+ttf_r.tgf j _(I0) где: С - число ударов динамического плотномера ДОРНИИ грунта; - длина горизонтальной кромки ковша, отвала; S - площадь режещуго элемента; ^ - площадь призмы волочения грунта. Формулы А.Н.Зеленина дают научно обоснованный материал для расчета и создания высокопроизводительных и малоэнергоемких машин для разработки грунтов.

За последние годы Советскими исследователями проведена большая работа по экспериментальному изучению резания грунтов.

Профессор Ю.А.Ветров Г 34...393 провел значительную исследовательскую работу по резанию грунтов и пород. Особенно ценны исследования по резанию полускальных пород аргиллитов, алевролитов с слабых песчаников. Он исследовал закономерности резания элементарными профильными ножами различной формы. Своими экспериментами он подтвердил ряд основных положений, ранее установленных А.Н.Зелениным. Ю.А.Ветров также как и А.Н.Зеленин, отвергает расчет усилия резания и копания по формулам fe = /f-S и ^'^^ * и считает необходимым определять закономерности раздельно: f * J(J,ы и др.) ( II )

Изменения усилий в зависимости от глубины резания, выраженное зависимостью # f= хА ₍ _к) где /Ґ - постоянная для данных условий резания»

Ю.А.Ветров С353 полагает, что при резании все грунты как влажные так и сухие образуют трапециидальную форму поперечного сечения среза (рис.1), причем верхнее основание трацеции больше нижнего» Вся сила блокированного резания простым острием ножа рассматривается состоящий из трех частей:

&JK.CP.

Рис.1 Зоны действия составляющих сил резания - силы для преодоления лобовых сопротивлений ножу^ , пропорциональной площади лобовой части и ширине среза» зависящей от угла резания и от крепости грунта; - силы разрушения грунта в боковых расширениях прорези Fg_0K , пропорциональной площади их сечения» зависящей от крепости грунта и практически не зависит от угла резания и ширины среза;

3 - силы бокового среза ^-_0/(ср * пропорциональной толщине сре за, зависящей от крепости грунта и практически не зависящий от ши рины среза, а также угла резания.

Ю.А.Ветров установил, что сила блокированного резания грунта простым острым ножом равна: где: / - коэффициент, учитывающих влияние угла резания;

Ю_с - удельная сила резания в лобовой части прорези при угле резания < * 45.

Если резание ведется по полублокированной схеме, когда расширение прорези образуется только по одну;' сторону ножа, то второй и третий члены (8) уменьшаются вдвое.

Основным достоинством работ D.А.Ветрова является то, что в этих исследованиях наиболее полно изучен вопрос о влиянии износа и усилий резания. Ю.А.Ветров пришел в выводу о целесообразности применения в настоящее время эмпирических формул как более точных.

А.С.Ребровым выведены формулы для определения размеров зубьев ковшей экскаваторов в зависимости от емкости ковшей, а также расчетные формулы для определения сопротивления грунта копанию ковшами. А.С.Ребров считает, что сопротивление копанию складывается из двух составляющих ГЮ2,ЮЗЗ: где: F - составляющая реакция грунта при резании; /? - реакция срезанного грунта перемещению из призмы волочения в ковш.

Касательную к траектории движения, составляющую реакции грунта при резании стружек толщиной /f , равной /5 ... /7 ширины ковша.

А.С.Ребров рекомендует определять реакцию грунта по следующей формуле для ковшей прямых и обратных лопат: F ^s * {'/1(О,7+0,О0/*Ы)+/(^2^-6+J*-*/'ⁿ'6') ( 15 ) где: Z $у - проекции линий износа зубьев соответственно на вертикальную и горизонтальную оси, см; JH= / - коэффициент трения стали о грунт; /г - число зубьев ковша; і - ширина зуба.

Результаты исследований иностранных авторов

В 1773 г. Кулон доказал, что давление песка на стенку различно в зависимости от того, продвигается ли стенка в неподвижном песке, или песок движется по направлению к неподвижной сренке С 62]* Он ввел,так называемые, понятия "активное давление" и "пассивное давление" и предложил формулы для определения этих величин.

В 1923-1926 гг. Франциус и Штрек, проводившие опыты в лаборатории строительства фундамента в Ганновере, подтвердили правильность величин, полученных Кулоном для расчета подпорных стенок, и установили, что применение формул активного и пассивного давления грунта для определения величины сопротивления резанию дает результаты, заниженные по сравнению с экспериментальными данными пример-но в ЗО раз С 65].

Это показывает, что данные формулы непригодны для определения величины сопротивления при проникании листов в песок и, что происходящие при резании процессы не могут быть отождествлены с давлением на стенку.

Ниннельт в 1926 _г# доказал путем измерений на ковше грейфера, что общее сопротивление резанию очень велико t623 , но его опыты не дали возможности вычислить величины отдельных сопротивлений.

В конце XIX века Соломон и в *927 г. Клейн попытались найти основы для расчета, производя опыты с моделями машин лемешного типа L62Л. Но опыты с моделями не дали положительного результата из-за отсутствия законов моделирования применительно к землеройным машинам.

Исследование процесса резания грунтов в лабораторных условиях было начато Динглингером в 1927 г, и Ратье в 1930 г., продолжившим под руководством профессора Клейна работу Динглингера.

Динглингер начал эксперименты по определению величины сопротивления, возникающего при прорезании песка на различную глубину вертикальными стальными листами. Уже в самом начале опытов было уста» новлено, что при внедрении листов в песок приходится помимо лобового сопротивления преодолевать трение боковых поверхностей листа о песок. Усилие необходимое для преодоления этих сопротивлений можно вычислить если известно давление песка на лобовую и боковую поверхности листа, а также коэффициента трения между частицами песка и угол трения металла о грунт ї5б]] .

Основные результаты опытов Динглингера следующие: - давление на лобовую поверхность листа увеличивается пропорционально длине листа и квадрату глубины резания; - давление на лобовую поверхность листа увеличивается пропорционально квадрату глубины резания и по величине в 10*30 pas больше чем это можно ожидать согласно теории давления грунта; - при разрушении грунта впереди листа выдвигается тело более широкое, чем разрезающий лист, напоминающее по форме раковину; - непосредственно перед лезвием из песка образуется тело повышенного давления, которое и вызывает разделение песка. Это тело обволакивает тонким слоем боковые поверхности профиля и исчезает ниже критической глубины.

Ратье продолжил работу, начатую Динглингером и установил, что при прохождении через песок режущего элемента с прямоугольным поперечным сечением на его боковых поверхностях образуется пограничный слой из песка, а перед его лобовой поверхностью - тело повышенного давления [149]. Эти явления были обнаружены при прохождении лезвия последовательно через темный и светлый песок.

В своей работе Штерн разделил сопротивление на два вида: давлению и вытеснению. По его предложению тупая свая преодолевает сопротивление давлению, а острие преодолевает сопротивление вытеснению t62]]. Однако развивать и подтверждать экспериментами высказанное предположение Штерн не мог.

В 1912 г. Циммерман поставил многочисленные опыты с моделями и нашел, что заостренную до известного предела сваю забивать в грунт легче чем тупую, но при дальнейшем заострении сопротивление вбиванию вновь повышается 61 ЗА Однако данная работа над моделя*» ми не позволила уточнить величину наивыгоднейшего угла заострения свай.

Результаты опытов позволили Ратье впервые попытаться аналитически определить сопротивление резанию применительно к работе ковша волокушного типа Г62І.

Общее сопротивление копанию F по Ратье слагается из следующих компонентов: лобового сопротивления ti^ , силы трения о дно ковша R_u , силы трения R_s , возникающей у обеих боковых стенок ковша. f= Цц+*4,+2Ъ (16)

Приведенные формулы Ратье имеют неточности и базируются на следующих необоснованных допущениях: опыты проводились только с песком, а формулы распространяются на все виды грунтов; при выводе формулы для определения Wgi не учтено сопротивление от внедрения в грунт режущих кромок скрепера, влияние угла резания, угла заострения режущих кромок и наличия зубьев; неучтено усилие, необходимое для преодоления сопротивления внутри ковша, которое возникает при заполнении ковша; формулы выведены из предположения, что ковш скрепера зарыт в грунт на всю высоту, а этого практически не бывает; величина /С принимается Ратье равной ISO кг/м^ для влажного и до 300 кг/м^ для глинистых грунтов. Эти значения крайне малы, так как известно, что сила сцепления для глинистых грунтов до*-стигает 2000 кг/см^ и более.

Из-зарубежных ученых следует еще отметить Г.Кюна, К.Дресса, а также В.И.Гетмана и И.Браха экспериментально исследовавших в основном рабочие органы типа отвалов С62Д49].

В.И.Гетман для определения усилий резания рекомендует элементарную формулу *до Горячкинского периода": где: К ~ удельное сопротивление резанию; JZ - угол захвата рабочего органа.

В I960 г. И.Брах изложил экспериментально-теоретические исследования по определению целесообразной величины угла резания о^ [I49J, изучению срезания стружки ковшом многоковшового экскаватора, а также по изменению нормальной силы, перпендикулярной к траектории движения рабочего органа.

IА. Экскаваторные профильные ковши и их технологические качества

К экскаваторам с оборудованием обратной лопаты выпускается в качестве сменных рабочих органов, ковши различного назначения и конструкции. Это ковши для рытья траншей» уширенные ковши для планировочных работ и решетчатые ковши для экскавации грунта из под воды и профильные ковши мелиоративного назначения.

Наибольший интерес для мелиорации представляют профильные ковши, предназначенные специально для строительства каналов определенных типоразмеров. Применение профильных ковшей позволяет одновременно с разработкой грунта производить зачистку и планировку дна и откосов канала. При этом отпадает необходимость выполнения дополнительных планировочных операций, снижается трудоемкость и стоимость строительства. При использовании профильных ковшей сохраняется естественная структура грунта на откосах каналов и, поэтому во время ливней и паводков откосы меньше разрушаются, а срок службы канала увеличивается.

В СССР профильные ковши изготавливаются рядом заводов, в том числе Ленинградским, Калининским и Ковровеким. Однако выпуск профильных ковшей производится очень малыми сериями, а их конструкция и технологические качества не всегда отвечают производственным условиям различных зон СССР.

По разработкам институтов мелиоративной отрасли и строительных организаций изготавливаются профильные ковши на опытно-экспериментальных и ремонтных заводах. Это в первую очередь, ковши КПУ-3 и КПУ-4, сконструированные в институте СевНИИГиМ для канатных экскаваторов Э-304В и Э-352А. Конструкция профильного ковша усилена балкой коробчатого сечения, к которой приварены открылки и проушины крепления ковша. Сзади открылки укреплены косынками. Ковши изготав- ливают из легированных сталей» режущие кромки нижнего и боковых ножей наплавляет твердым сплавом, что увеличивает прочность и долговечность ковшей.

К недостаткам ковшей такой конструкции следует отнести малую длину режущих кромок боковых стенок ковша» что приводит к увеличению затрат времени на планировку откосов и снижает их качество.

Профильные ковши изготавливает и зарубежом почти ко веем моде-лям экскаваторов с вместимостью ковша 0,15...1,0 м . Профильные ковши с открылками или ножами применяет различные фирмы например Шгт &й#^(США), &сАег (Франция) LI53L Существуют конструкции, в которых открылки можно устанавливать под разными углами» что позволяет отрывать каналы с различной крутизной откосов. Конструкция ковшей позволяет применять боковые подрезные ножи длина которых равна сумме длин боковых стенок ковша и открылок. Высота профильных ковшей фирмы &c&to (Франция) достигает 4 м.

Для мелиоративного строительства профильные ковши с открылками более эффективны. Их применение позволяет улучшить качество планировки и повысить производительность за счет сокращения числа зачис-тных ходов и лучшему заполнению ковша.

Болыок разнообразие конструкций профильных ковшей выпускаемых различными заводами и фирмами вызвано не только разнообразием производственных условий для которых эти ковши предназначены» но и в определенной мере отсутствием единого мнения о технологических и эксплуатационных качаствах тех или иных конструкций. Добавим к этому, что в настоящее время отсутствует методика расчета и обоснования параметров профильных ковшей и выбора соотношений их основных размеров в зависимости от энергетических возможностей экскаваторов.

29 Выводы по главе

В СССР и Вьетнаме разработка осушительных каналов осуществляется главным образом одноковшовыми экскаваторами, поэтому вопро-с повышения эффективности их работы является актуальной народнохозяйственной задачей.

Установлено» что на производительность одноковшовых экскаваторов существенно влияет проведение планировочных операций. При разработки- каналов малых сечений количество циклов, при которых выполняются планировочные операции, возрастает.

Применение профильных ковшей может сократить количество планировочных циклов и улучшить технико-эксплуатационные и экономические показатели работы экскаваторов при разработке каналов определенных сечений.

Советские ученые В.П.Горячкин, А Д.Далин, Н.Г.Домбровский, А.Н.Зеленин, ^.И.Ьаловнев, И.А.Недорезов, Ю.А.Ветров, Ю.И.Княжев и другие исследовали процессы резания и копания грунтов рабочими органами и создали теоретическую базу для расчета и конструирования землеройных машин различных типов.

Однако работ посвященных специально профильным ковшам в технической литературе очень мало. Это затрудняет выбор конструктивных решений и обоснования параметров профильннх ковшей. Этим объясняется, в частности, большое разнообразие конструкций ковшей, выпускаемых различными заводами.

Г Л А В А 2

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА КОПАНИЯ ГРУНТА ПРОФИЛЬНЫМ КОВШОМ

Как уже указывалось применение профильных ковшей позволяет полностью или частично исключить проведение дополнительных операций по планировке дна и откосов.

Процесс взаимодействия профильного ковша с грунтом отличается от процесса работы обычного ковша. Теоретические исследования были выполнены с целью выработки научно обоснованных рекомендаций по применению профильных ковшей и методики инженерного расчета усилия копания и основных параметров профильных ковшей. Для решения основных задач исследования было выполнено следующее: выведены формулы для определения усилия копания профильным ковшом и его составляющих; выполнено обоснование выбора и определения рациональных параметров ковша; исследование технологии строительства каналов профильным ковшом.

2.1. Исследования усилия копания и его основных составляющих

При выводе формул для определения усилий копания на режущих элементах профильного ковша в основу были положены теории копания грунтов Советских ученых [7, 8, 18, 35, 38, 52, 53, 61, 62, 64] .

Для учета влияния силы тяжести грунта в ковше на усилие копания и для исследования основных параметров профильного ковша были введены выражения для определения вместимости профильного ковша.

2.І.І. Определение вместимости ковша.

При расчете вместимости профильных ковшей трапецеидального типа (рис. 2 ), были приняты следующие обозначения: с/ - угол резания кромок ковша; У - угол наклона боковой кромки ковша; R - радиус кривизны задней стенки; п» - высота ковша; /, - длина горизонтальной кромки ковша. Общая вместимость ковша V^ была: определена как сумма объемов отдельных участков ковша по следующей формуле: где: V* , у* , )/₃ , Yh " вместимость отдельных участков ковша в соответствии с рис.3. Вместимость участка /у можно определить по формуле:

К -- //"4а * ^s_mer * и_жл -4,^ J-*Мни _с а,) где: tjggn $ чумгс~ площади соответствующих участков ковша, которые могут быть найдены по следующим формулам: где: /й, 4, АЩ& ~ длины отрезков на рис.3.

Далее, выражая каждую длину отрезка через параметры ковша приведенные выше, получены следующие формулы: S»a* ftr + t*otyf)4_K ; (2i) ^S*Arsr(Sr + *^]f)* - (22)

Подставив полученные выражения (21) и (22) в формулу (20) было получено:

Рис.21. Основные параметры профильного ковша и схема действующих сил на ковш

Рис. 3. Схема для определения объема ковша

Аналогично были получены выражения для определения вместимости /^ , Уз и *^ : -*fa-aJ^)Jfa-**»<*J-<>t2r ; (24)

К* ^^b>^/^^V^^^^/^. ^C25}

Подставив выражения (23), (24), (25) в (19) получили формулу для расчета вместимости ковша:

Для упрощения этого выражения сделаны следующие замены: /f= п^в^&сС vLa-nx'/totdx после некоторых преобразований получено окончательное выражение */> & +.»\.-S* _^^^y_f#^/«^^ _> (27 ) где: XJ , /(J, /f^ ~ коэффициенты зависящие от угла резания и определяемые по следующим формулам:

Ъ*%ЛтР*&+ЫЖ+1/&ли) , (28)

4" ^ ^ ' ( 29 ) ^ ~ зґ*-2 <&*#<*) ( 30 )

Для экскаваторных ковшей по данным исследований [50, 62, 661 угол резания должен быть в пределах 12.,,15. Б задачу настоящей работы исследование влияния угла резания не входило.

Как видно из выражения (27) вместимость ковша в основном зависит от высоты ковша п^ , длины горизонтальной кромки г^ и угла наклона боковой кромки И, Угол наклона определяется заложением откосов канала, а длина горизонтальной кромки - шириной канала по дну. Высота ковша п_к зависит от возможного усилия копания, рекомендации по выбору величины этого параметра приведены ниже на основании исследования взаимосвязи различных факторов процесса копания грунта.

2.1,2. Определение суммарного приведенного усилия копания грунта профильным ковшом.

Процесс взаимодействия профильного ковша с грунтом значительно отличается от процесса работы обычного ковша обратной лопаты. Главное отличие - это увеличенная длина режущей кромки, которая состоит из горизонтального участка (кромка передней стенки ковша) и двух наклонных участков (боковые стенки). Кроме того, наличие открылков создает дополнительное сопротивление, что должно быть учтено при проектировании профильных ковшей.

При расчете же суммарного усилия копания грунта приведенного к горизонтальной кромке профильного ковша, считаем, что суммарное усилие копания грунта профильным ковшом может быть получено геометрическим суммированием всех усилий копания отдельными элементами ковша.

Режущими элементами профильного ковша являются: горизонтальная кромка ковша (без зубьев) - /}g (рис.2); две боковые кромки ковша ДД и ВС $ и две режущие кромки открылков ковша С и^/*.

Суммарное усилие копания грунта профильным ковшом может быть определено по следующей формуле %т*Я+ %+ ?/+ %+Ъ* С ^3I ) где: F_r - усилие копания грунта горизонтальной кромкой ковша; вг ^и Fg ~ усилия копания грунта боковыми кромками ковша (по М гГ и F₀~ ~ усилия копания грунта открылками.

Для определения суммарного усилия копания профильным ковшом необходимо определить отдельные составляющие усилия копания.

Усилие копания грунта горизонтальной кромкой ковша, можно определить по известной формуле для расчета усилия копания обычным ковшом без зубьев [61, 62J. F_r = 10^^(^2,6^)^0,0075^/+0,035)^/ + где: 4* - длина горизонтальной кромки ковша, м;

С ~ число ударов динамического плотномера (ДОРНИИ); п - толщина стружки; ]/₀ - коэффициент, учитывающий влияние на усилие резания угла; заострения боковых профилей; М - коэффициент, зависящий от условий резания (степеней блокировки стружки); оС - угол заднего резания; - толщина режущего профиля; К - соответствует удельному сопротивлению данного пласта продольному сжатию; л_с# определяется по работам А.Н.Зеленина Г 61, 62, 63 ] ; - коэффициент, учитывающий увеличение коэффициента сжатия ( л ) от высоты // пригружающего слоя грунта; hi - поперечное сечение снимаемого пласта грунта (рис.4); j_r - объемный вес грунта; А - объем призмы волочения; Q - сила тяжести грунта в ковше.

Ри.25.Равработка канала глубиной І,Ом экекаватором 30-3322 а профильным ковном.

Для использования этой формулы в нашем случае должны уточнить и коэффициенты и размеры сечения стружки, а также силу тяжести грунта, действующую на ковш.

Поперечное сечение пласта грунта, снимаемого горизонтальной кромкой ковша *$/ было определено с учетом влияния боковых кромок, (рис.4), т.е. было принято, с достаточной степенью точности, что горизонтальная стружка ограничена линиями А/С и В & , являющимися биссектрисами углов соответственно МАВ\ ABC.

Объем призмы волочения Q.j был определен с учетом длины набора грунта ковшом h . f_f -- S/l . (34 )

Длина набора грунта L определялась из условия наполнения ко вша « площадь сечения пласта грунта, срезаемого горизонтальной и боковыми кромками ковша; So » Sg « площади сечения фигур ОА'в'р и 0/1ВС (рис.4).

Выразив площади Sf, * и S₃ через параметры ковша, было полуаено:

Таким образом была получена формула для определения длины набора грунта ковшом: »

Подставив (33) и (36) в (34) получаем формулу для расчета объема призмы волочения:

Сила тяжести грунта в ковше определяется следующим образом: где: Є - сила тяжести грунта, находящегося в средней части над днищем ковша; 6₂ и G- - сила тяжести грунта, находящегося на боковых частях ковша; f - коэффициент трения. Сила тяжести #/ определена по формуле:

Ь'К-Ь-К* , (39) где {у - объем грунта, находящегося в средней части над днищем ковша. Величина у*, была получена по формуле:

После некоторых преобразований эта формула приведена к следующему виду: где: Kf , /fe * коэффициенты, определяемые по формулам (28 »29 ). Сила тяжести . , выраженная через параметры ковша

Величины сил тяжести &2 и ( определены следующим образом =Н^Ь|^/И^ , () где Jg - объем грунта, находящегося на боковой части ковша

После ряда преобразований формула для определения Vg приве дена к виду: 2 где / ₌ (/+ fact* &&) - С 44 )

Затем, подставляя формулу (43) в (42) получим:

Подставив (45,41) в (38) получаем формулу для нахождения силы тяжести грунта в ковше: б/'^Л *%?*/ б-*»*-***, с «в )

Подставив $6 ,37 , 33 ) в ( 32) получаем общую формулу для нахождения усилия копания на горизонтальной кромке: -* -1«

Усилия копания грунта боковой кромкой ковша с достаточной степенью точности для инженерных расчетов можно считать, что процесс копания грунта боковой кромкой профильного ковша идентичен процессу копания грунта отвалом. Параметры боковых кромок соответствуют аналогичным параметрам отвала.

На основании известных формул 62, 63] и анализа процесса копания грунта боковой кромкой профильного ковша, выводим формулу для расчета усилия копания грунта боковыми кромками профильных ковшей (рис.2).

Допуская, что усилия копания грунта двумя боковыми кромками равны, величину их рассчитываем по формуле: где: /а.= /7'&4Л* ~ толщина стружки копания боковой кромкой; ( 49 )

2/⁷ _ ,.*- - длина боковой кромки; ( 50 )

Д.- - объем призмы волочения грунта на боковой части ковша. Величину й~ можно определять по формуле где От - поперечное сечение призмы волочения боковой части. Площадь сечения ох можно выразить через параметры ковша (рис.4):

4г- —р- + —*-? *%? ( 52 )

Объем призмы волочения fa , выраженный через параметры ков- ₀ _,, _{аФЄмьгі г^4фЫЫкш}

ГвсУЕЯ?стг.ігл?.г Б^Я'ЛОТПКА

СССР ] ...,. к. и.-Г.лкя:"'.!

Подставив выражения (53, 50, 49) в (48) получим общую формулу для расчета усилия копания на боковой кромке ковша:

Усилие копания грунта открылками профильного ковша. В процессе копания грунта профильным ковшом, открылки срезают грунт и обру» шают его в ковш. Считая процесс копания грунта открылками как и процесс копания грунта отвала, суммарное усилие копания грунта открылками можно определить по следующей формуле С 61, 62 J :

С , е/₀ , , /К ,У *<&Р "" №^нее вычисленные величины; /f " Ж'СЬ&У - высота открылка; ( 56 ) l_ffs *?~у - длина открылка, м; ( 57 )

Рд - поперечное сечение стружки, разрабатываемой открылками, (рис.4); ^L - объем призмы волочения рассчитывается по следующей формуле

Площадь сечения * может быть определена по формуле:

Объем призмы волочения О, , выраженный через параметры ковша: _{*('г +*ь ty^fyr-tyr)} _{Цг+Якм Ш)} _{Иг'КХксгЛЦії]}

_{А' / 8}

Рис» 4. Схема для определения сечения стружки грунта

1 - предпоследняя траектория

2 - окончательная траектория

Подставив выражения (59, 97, 56) в (55) получаем общую формулу для расчета усилия копания на открылке ковша /,ЗГ / где: Л , П₀ , fix - в см.

Таким образом, получены выражения для определения составляющих усилия копания грунта профильным ковшом. Анализ этих выражений ( 47, 54, 60, *) показывает, что при известных исходных данных: тип грунта, параметры ковша; расчеты усилий не представляют большой сложности несмотря на громоздкость формул. Геометрические параметры и их соотношения существенным образом оказывают влияние на величину составляющих усилия.

Суммарное приведенное усилие копания грунта профильным ковшом. Для определения мощности двигателя и расчета рабочего оборудования необходимо знать приведенное усилие копания. Это усилие определено методом приведения ранее полученных составляющих в точку К ,рис.2. Каждое из этих усилий раскладывалось на две составляющие, нормальную и касательную, в соответствии с теорией Н.Г.Домбровского Г53І .

Касательное напряжение /\« может быть выражено через нормаль» ное А. следующим образом: где: для супеси ^' = 0,8*0,5 ; для суглинка t^r = 0,55*0,4 ; для глины tpV = 0,42*0,25.

Усилие на открылках ковша можно представить как геометричес-кую сумму составляющих г₀ и r_Q :

После преобразования получена формула

Из этого выражения найдены формулы для определения нормальной и касательной составляющих усилия F₀ : F_e"*F_e-toY; (63) F*i F- М-фУ=F₀Mn

Далее были найдены составляющие усилия /^ по направлению координатных осей ОХ'$ ОУ и 02 (рис.2) tf=/f&s4; F*=F,M-&»4; (65) F?= /yu^-faf* $,**&}(66) fiF/^-ter+F/'M»^, F₀'*F₀--^-0^-^+F„-&sP\Oui, . <^ет>

Используя тот же метод были найдены составляющие усилия копания боковой кромкой в системе координат ХОУ? І Ff-Fg-taeb, />*/ АР-Aaf; ₍₆₈₎ F*= f"««s + ґ?Щ bf, F*= FfGxVM*c/₆у Fy-JW. a*<& u»j*; ( 69 ) /f^Ff-JurY. &Ы, Оку.

Составляющие усилия копания грунта на горизонтальной кромке ковша и системе координатХОУі ; *- if. А* с/_г+ F_r^ala*c{_r , /у =/^.^-#00(. +Ї^У-'&ие/г : (71) ff= F_r- &>V>.M»o/_r * Л~Г- **< ; ( 72 ) F_r^B- О ( 73 )

Составляющие приведенного усилия копания грунта в системе координатную ; пщс^=о^сС_г :

Ъ-С?-'?"»-?!*^'* ⁽⁷⁵⁾

Таким образом

Для дальнейших исследований были получены выражения составляю* щих лил : /* *tfa+b)+*iFr > <⁷⁸> где коэффициенты Afy , As , Л , /C₇ в зависимости от типа грунта приведены в таблице 2. Эти коэффициенты были определены на следующим выражениям: ^ = 2-Ы

Таблица 2

Значения коэффициентов Ху » /Cg , Ag , /С₇ для различных типов грунтов

Для дальнейших исследований составляющих усилия копания профильным ковшом (77) были рассчитаны и приведены в таблице 3 значения максимальных величин усилий при копании трех типов грунтов I, П и Ш категорий.

Анализируя полученные результаты можно заметить следующее: I. Расчетные зависимости при копании профильным ковшом существенно отличаются от формул, по которым определяется усилие при копании обычным ковшом обратной лопаты. Отличие связано с увеличенной длиной режущей кромки, изменением формы ковша и наличием открылков.

Таблица З

Значения суммарного усилия и его составляющих при копании профильным ковшом

Приведенные формулы позволяют учесть величины каждой из составляющих усилия копания обоснованных для определения наиболее рационального соотношения основных параметров профильного ковша.

При проверочных расчетах, когда геометрические параметры ковша заданы, формулы могут быть упрощены, поскольку целый ряд параметров могут быть заменены соответствующими значениями.

Результаты теоретических исследований усилия копания показывают, что усилия копания на открылках составляет 24*27 % от общего суммарного усилия копания профильным ковшом.

2.2. Обоснование выбора основных параметров профильного ковша.

Основными параметрами профильного ковша с открылками являются: емкость ковша (L , ширина нижней кромки t^ , высота ковша т2_к , высота открылков п^ , угол наклона боковой кромки и открылка к горизонту jf (рис.2).

Такие параметры как угол jf и ширина нижней кромки ъ_г зависят от величины заложения откосов и ширины канала по дну. Рекомендации по выбору других параметров ( А , п# , п₀ ) приводятся ниже.

Основной, исходный параметр - вместимость ковша может быть определен из условия реализации наибольшего усилия на ковше и достижения наибольшей производительности при необходимом качестве поверхности откосов и дна канала (высота неровности не должна превышать 5 см) С 146}.

По условию максимального возможного усилия копания экскаватора, параметры /Тд. и n_Q тесно взаимосвязаны и влияют на вместимость ковша, производительность экскаватора и качество разрабатываемого канала профильным ковшом.

Исследование параметров fy и щ проводилось применительно к одноковшовым экскаваторам третьей и четвертой размерных групп.

Пользуясь полученными ранее формулами (47 , 54 ,60 ) для определения составляющих суммарного усилия копания профильным ковшом с открылками, было определено наибольшее усилие копания при работе экскаватора на грунте Ш-ей категории.

В результате расчетов была определена максимальная вместимость профильного ковша без открылков соответствующая реализации наибольшего усилия копания. Эта вместимость для экскаватора Ш-ей размерной группы равна 0,57 м³, для экскаватора 1У-ой размерной группы 0,7 м³. При такой вместимости ковша может быть достигнута наибольшая производительность для данного типа экскаватора для разработки каналов малых сечений (глубина канала до I м). Такой ковш не обладает наибольшей производительностью для разработки каналов больших сечений (глубина более I м).

Для обеспечения нужного качества поверхности откосов разрабатываемого канала, желательно увеличить длину боковых кромок ковша и длину открылков, т.к. увеличение длины открылков способствует улучшению наполнения ковша, при этом сокращается путь набора грунта, уменьшается продолжительность рабочего цикла.

Однако, при увеличении длины открылков увеличивается и усилие копания. С другой стороны, усилие полученное по формуле (77) не должно превышать максимальной величины возможного усилия копания развиваемого экскаватором. Для сохранения определенной величины усилия копания, в то же время, при увеличении длины открылков необходимо уменьшать вместимость ковша, что в свою очередь приведет к снижению производительности экскаватора.

Для обоснования выбора рациональных параметров ковша выведена формула, связывающая высоту п_к ковша и высоту п₀ открылков.

Принимая максимальное усилие копания для ковша с различными параметрами п_к и п₀ постоянным и исходя из выражений (78,79 ), было получено следующее условие:

6,1= «Ч (fa ⁺ ^Ffi)+ ^К5 ^Fri = ^C0a*^t I ф«*(Ь+Ъ)'*Ь = *>"** J ⁽⁸⁰⁾ где: F. , Fr- * F * - усилия на открылках, боковых и горизонтальных кромках ковша соответственно при различных значениях Я* и Щ , Изменением составляющей усилия копания F/ можно пренебречь, так как ширина нижней кромки ковша постоянна. Необходимое и достаточное условие для нахождения основных параметров ковша примет следующий вид:

Ь+Ьі'Ь"»**- (81)

Из условия максимального возможного усилия копания грунта экскаватора: /$.-/W- l/fatJ²+f%f , (82) было получено следующее выражение: F,+F,-^&&» 5L?^r ; (₈_Э) отсюда имели: (84 )

Подставив ф^) в (82), и после решения уравнения второго порядка по F_nD получим: v⁹ А*/*?* ^с ^85} где: к₈ - K_SK₆- K_r /С₇ .

Подставив (JB5) в (83) получили общую формулу для нахождения зависимости основных параметров профильных ковшей:

Величина у^ет для экскаваторов Ш и ІУ размерных групп приняты по расчетам 100 и 120 кН соответственно. В результате расчета были получены: Fj = 53360 Н для экскаватора ІУ размерной группы и Fj = 48200 Н для экскаватора Ш размерной группы. Усилия копания на боковой кромке ковша рассчитьшается по формуле (54)» ^а усилие копания на открылках рассчитывается по уравнению (60). В ре« зультате расчета, были получены выражения зависимостей Пк~$(щ) типоразмеров профильных ковшей:

I) для экскаватора Ш-ей размерной группы: а) при угле наклона боковой кромки f - 45 б) при угле наклона боковой кромки / = 33

257/1+2576--47370+ ' * / у '—* = Л ( 88 )

2) Для экскаватора 1У-ой размерной группы: а) при угле наклона боковой кромки jf = 45 /0*/?o + ** б) при угле наклона боковой кромки t = 38 (90 )

257І+1571І-*Ш<7+ №ІЇ*-ЖЖ*ММЇ_ ₀ J70+<, + /$#

На основании вычислений по этим формулам была получена зависимость между параметрами щ ^ и₀ при условии постоянного максимального усилия копания экскаватора, которые представлены в таблицах Ч и 5 и графиках на рис.5

Вычисленная функция п# = J(r?₀) показывает, что может быть получено множество вариантов типоразмеров профильных ковшей.

Для дальнейших исследований были вычислены основные параметры около 20 типоразмеров профильных ковшей, применительно к экскаваторам Ш и ІУ размерных групп.

Анализируя данные таблиц Ч и 5, можно отметить, что для экскаватора Ш размерной группы профильные ковши без открылков имеют наибольшую вместимость 0,57 м³ и 0,53 м³ при углах / = 45 и jf = 38 соответственно.

При увеличении высоты открылков до ^ = 1»5 м ft = 45, вместимость ковша уменьшается более чем в 2,5 раза и при / = 38

Таблица 4

Параметры профильных ковшей для экскаваторов Ш размерной группы

Таблица 5

Параметры профильных ковшей для экскаваторов ІУ размерной группы

Высота открылков, см

Рис.^у. Зависимость основных параметров профильных ковшей. - при vCJ& »1:1 Т, Для экскаваторов - при tgf « 1:1,5 J И размерной группы - при IgK « 1:1 "1 Для экскаваторов - при tgjf - 1:1,5 J I размерной группы высота открылков может быть увеличена до н₀ - 0,98 м, а вместимость ковша уменьшится до 0,25 м³.

Для экскаваторов ІУ размерной группы наибольшая вместимость ковша без открылков при У*= 45 составляет 0,7 м³» а при Jf -38» 9" - 0»68 м³, при увеличении открылков до ## = 1,7 м, вместимость ковша уменьшается до 0,28 м³; для ковша с jf = 45, и для ковша с Ґ = 38 возможно увеличение открылков до п₀ = I м, при этом й. = 0,33 м³.

Дальнейшее увеличение параметра л₀ для профильных ковшей нецелесообразно, так как вместимость их значительно уменьшается.

Для рекомендаций по выбору наиболее рациональных параметров fy, ^ и й, было проведено исследование влияния этих параметров на производительность и качество поверхности откосов канала. Качество поверхности оценивалось высотой шероховатости поверхности откосов.

Для теоретических исследований высота шероховатостей была выражена через объем остаточного грунта в канале, который разрабатывать ковшом уже нецелесообразно, так как при этом наполнение ковша за один цикл составляло менее 50 %, Высота неровностей на поверхности откосов при этом должна составлять не более 0,05 м; что вполне допустимо для осушительных каналов [1463.

Исследование влияния параметров ковша на производительность экскаватора. Расчет производительности экскаватора с обычным ковшом и профильным ковшом производился по следующей формуле

Л*(%»!^&аую-*гК_в , (91) где: fy_a/f - объем разрабатываемого канала за время t чистой работы; У_ост - объем остаточного грунта в канале; t ~ время чистой работы.

Объем разрабатываемого грунта определялся по формуле: где: /г « количество рабочих циклов экскаваторов; а - средний объем призмы волочения грунта за один рабочий цикл. Объем призмы волочения А определялся следующим образом: f = S Z , ⁽93 ) где: $ - поперечная площадь призмы волочения, расчитывается по (35); /, - длина набора грунта ковшом. Окончательно объем

Выразим коэффициент остаточного грунта в канале через отношение объемов 1_сг и У_м// : ^ ^s 7TL ' С 95)

Подставив выражения (95,92) в (91) была получена формула для определения производительности экскаватора с учетом параметров профильного ковша с открылками:

Условно процесс копания при разработке канала профильным ковшом можно разделить на две стадии (рис.б): первая стадия - разработка центральной части сечения канала, объем грунта у_г ; вторая стадия - отделочные операции по разработке грунта в боковых углах сечения канала, объем грунта 1/_оет при этом можно определить следующим выражением, как видно из рис.6:

Рис.6 Схема расчета объема грунта оставшегося в канале.

С 97) С 98) где #^ - общая высота профильного ковша с открылками 0ст ~ %ст ~ условное поперечное сечение грунта оставшегося в канале. Общий объем грунта в канале рассчитывается по следующему выражению :

Подставив (98*99 ) ^в (9 получаем выражение для расчета коэффициента соотношения грунта оставшегося в канале к общему объему грунта ("ли* ~ %е+о)' cuff ^atr* (В>0) _СЛ+^'^г)

Для дальнейшего исследования влияния параметров ковша на производительность экскаваторов, были выполнены расчеты теоретической производительности 10-ти типоразмеров профильных ковшей (табл.4) к экскаваторам Ш размерной группы и 10-ти типоразмеров профильных ковшей (табл.5) к экскаваторам ІУ размерной группы. При этом, для каждого типоразмера ковша были найдены значения длины набора грунта L в зависимости от толщины стружки Я , и коэффициент выражающий оставшийся в канале грунт.(Табл.6).

Результаты вычисления производительности экскаватора с соответствующими профильными ковшами приведены в таблице 1. Были также получены графики зависимости производительности экскаватора от глубины разрабатываемого канала (рис.7 и 8).

Анализ полученных результатов позволяет отметить следующее:

1) При копании каналов малых сечений (глубина до 1,5 м) экс каватором Ш-ей размерной группы целесообразно применять профильные ковши типа Д, Ж и Bj, а при копании таких же каналов экскаватором IV размерной группы следует применять профильные ковши типа Р и Pj

Такие ковши дают повышенную производительность экскаватора и обеспечивают достаточное качество поверхностей дна и откосов разрабатываемого канала;

При разработке каналов глубиной от 1,5 м до 2,5 м целесообразно применять профильные ковши типа Д, 1 и Дт - для экскаваторов Ш-ей размерной группы и типов Р и Рт - для экскаваторов ІУ-ой размерной группы;

При разработке каналов профильными ковшами из условия максимального усилия копания экскаватора максимальная возможная производительность экскаватора и наилучшее качество разрабатываемого канала будет в случае совпадения размеров профильных ковшей с сечением канала.

Таблица б

Значения коэффициента соотношения грунта оставшегося в канале к общему объему грунта. Для типоразмер-ных профильных ковшей.

Таблица 7 Теоретическая производительность экскаватора с различными типоразмерными профильными ковшами

_о

Глубина разрабатываемого канала, м

Рис.

1.0 1.5 2,0 2,5

Глубина разрабатываемого канала, м

Рис. в. Производительность экскаваторов ДУ размерной группы с различными профильными ковшами а) 1,2,3,4,5 - соответственно с профильными ковшами типов Н, О, П, Р, С б) 6,7,8,9,10 - соответственно с профильными ковшами типов НрОрПрРрС^

Для более универсального использования экскаваторов при разработке каналов различных сечений, целесообразно применять профильные ковши с уменьшенной емкостью на 20*25 % и с наличием открылков 0,5*0,7 м.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ

1. Теоретические исследования позволили вывести,сравнительно несложные для инженерных расчетов, формулы для определения состав ляющих f₀ , fy , F_r усилий, а также суммарного усилия копания F_nf) , приведенного к горизонтальной кромке для профильных ковшей с открылками.

Наосновании теоретических исследований были получены зависимости для определения основных параметров fy , п_к , п₀ профильных ковшей с открылками. В результате которых были определены II типов профильных ковшей с различными параметрами для экскаваторов Ш-ей размерной группы и 10 типов профильных ковшей для экскаваторов 1У-ой размерной группы при одном и том же максимально возможном усилии копания экскаватора.

На основании полученных графиков теоретической производительности и коэффициентов соотношения грунта оставшегося в канале к общему объему грунта: для экскаваторов Ш-ей размерной группы рекомендуется применять профильные ковши типа Д ( &> = 0,63 м³, ^ ^а 0,5 м, "# ~ ^»0 ^м)» ^а Д^ля экскаваторов 1У-ой размерной группы профильные ковши типа Р ( (L = 0,63 м³, П₀ = 0,5 м , *# -1,1 м). Такие ковши дают сравнительные повышения производительности экскаваторов и достаточно точное выполнение поверхности дна и откосов канала.

Обоснование параметров экскаваторных профильных ковшей и их рациональное использование при строительстве осушительных каналов Фам Тхе Хынг 0

Похожие диссертации на Обоснование параметров экскаваторных профильных ковшей и их рациональное использование при строительстве осушительных каналов