Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние проблемы. Цель и задачи исследований
1.1. Общая характеристика машин для прокладки гибких подземных коммуникации
1.1.1. Условия прокладки и требования к выполнению работ 11
1.1.2. Способы прокладки и средства механизации 13
1.1.3. Классификация машин для прокладки гибких подземных коммуникаций 30
1.2. Исследования машин для прокладки гибких подземных коммуникаций 33
1.2.1. Существующие теории резания грунтов 34
1.2.2. Исследования взаимодействия активных рабочих органов землеройных машин с грунтом 39
1.2.3. Рациональные режимы работы землеройных машин с активным рабочим органом 46
Выводы по главе. цель и задачи исследований
2. Моделирование рабочих процессов машин для прокладки гибких подземных коммуникаций
2.1. Системный анализ машин для прокладки гибких подземных коммуникаций 54
2.1.1. Математические модели подсистемы "базовая машина - опорная поверхность" 57
2.1.2. Физические модели подсистемы «грунт - рабочее оборудование» 62
2.2. Комбинированная физико-математическая модель вибрационного кабелеукладчика 66
2.3. Математическая модель траншейного экскаватора с фрезерно-роторным рабочим органом
2.4. Математическая модель цепного траншеекопателя со скребковым рабочим органом
Выводы по главе
3. Исследование машин для прокладки гибких подземных коммуникаций на модельном комплексе
3.1. Зависимость основных параметров рабочего процесса от управляющих воздействий оператора 82
3.2. Влияние коэффициента распределения мощности на производительность машин и энергоемкость процесса 89
3.3. Диапазон изменения оптимального (рационального) коэффициента распределения мощности 119
3.4. Оптимальные (рациональные) параметры машин для прокладки гибких подземных коммуникаций 124
Выводы по главе
4. Экспериментальные исследования машин для прокладки гибких подземных коммуникаций
4.1 Самоходный стенд для исследования вибрационных кабелеукладчиков в полевых условиях 137
4.2 Натурный образец магистрального вибрационного кабелеукладчика 144
4.3 Физические модели фрезерно-роторного и цепного скребкового рабочих органов 147
Выводы по главе
5. Эффективность использования машин в изменяющихся грунтовых условиях
5.1. Технико-экономическая эффективность использования машин с оптимальным (рациональным) коэффициентом распределения мощности
5.1.1. Кабелеукладчики с вибрационным рабочим органом
5.1.2. Фрезерно-роторные траншейные экскаваторы
5.1.3. Цепные траншеекопатели
5.2. Методика расчета машин для прокладки гибких подземных коммуникации в изменяющихся грунтовых условиях 1'J
Выводы по главе
6. Общие выводы по работе и направления дальнейших исследований 179
Список используемой литературы 182
Приложение 195
- Исследования взаимодействия активных рабочих органов землеройных машин с грунтом
- Комбинированная физико-математическая модель вибрационного кабелеукладчика
- Влияние коэффициента распределения мощности на производительность машин и энергоемкость процесса
- Физические модели фрезерно-роторного и цепного скребкового рабочих органов
Введение к работе
Актуальность темы. Современный цивилизованный мир невозможно представить без развитой системы коммуникаций, в которой все большая роль отводится подземным кабельным коммуникациям. Так, в мировой практике передачи электроэнергии на расстояние отчетливо намечается тенденция перехода от воздушных линий к кабельным. В области связи предпочтение также отдается кабельным коммуникациям, которые, обладая высокой степенью защиты каналов от помех и эксплуатационной надежностью, составляют основу сети: магистральные - 75%, внутризоновые - 50%, сельские - 62%, городские - 95%.
Создание волоконного световода явилось мощным толчком в развитии оптических кабельных линий связи. На территории СНГ действуют государственные суперсовременные волоконно-оптические линии связи (ВОЛС): Новосибирск - Хабаровск (протяженность 5480 км), Калуга -Белгород - Украина (934 км), Москва - Минск (480 км). В ближайшем будущем будет обеспечено строительство ряда других наземных ВОЛС: Буденовск - Махачкала, Самара - Саратов - Волгоград, Пермь - Ижевск, Вологда - Мурманск. Кроме того, Министерством связи РФ планируется ввести в действие 1,2 млн. номеров местной телефонной сети, 22,5 тыс. каналов междугородных и 7,62 тыс. каналов международных линий связи, проложить 2,5 тыс. км магистральных и 2,85 тыс. км внутризоновых линий связи.
Намеченные объемы работ требуют применения современной кабелеукладочной техники, проблема создания которой широка и многогранна. Во-первых, значительная протяженность предполагает вероятность появления на трассе грунтов различной прочности (включая прочные и мерзлые грунты). Грунтовые условия определяют способ прокладки и вид рабочего оборудования. Свои особенности на прокладку кабеля накладывает рельеф местности (балки, овраги, заболоченные участки, водные преграды). Особые условия прокладки оказывают влияние на способ агрегатирования рабочего оборудования с базовой машиной (навесной, полунавесной, прицепной, с
канатной тягой). Прокладка кабеля в стесненных условиях строительства (города и населенные пункты, территории промышленных предприятий) определяет тип движителя и ограничивает габаритно-весовые характеристики машины. Во-вторых, необходимо учитывать требования к выполнению работ. Это глубина прокладки, количество одновременно прокладываемых кабелей и др., определяющие конструктивные особенности рабочего оборудования. Наконец, внутренняя структура и параметры отдельных подсистем машины должны обеспечивать возможность достижения рациональных режимов нагружения, которые гарантируют наивысшую производительность агрегата в изменяющихся грунтовых условиях.
Ограниченный таким образом круг задач в комплексе представляет собой научно-техническую проблему, решение которой имеет важное народнохозяйственное значение. Выполненные в этой области исследования отражают только частные вопросы указанной проблемы и не позволяют приступить к разработке теории и обоснованию методов расчета землеройных машин для прокладки гибких коммуникаций.
Исследования выполнены в соответствии с научным направлением кафедры в рамках госбюджетной темы «Повышение надежности и долговечности строительно-дорожных и подъемно-транспортных машин» № 47/200 (1997-2002 г.г.).
Цель исследований: разработка теории и обоснование методов расчета машин для прокладки гибких подземных коммуникаций в изменяющихся грунтовых условиях.
Объект исследований: ножевые вибрационные кабелеукладчики, траншейные экскаваторы с фрезерно-роторным рабочим органом и цепные скребковые траншеекопатели.
Предмет исследований: рабочие процессы машин для прокладки гибких подземных коммуникаций.
Общая идея: с учетом условий прокладки и требований к выполнению работ предлагается отыскание рациональных режимов нагружения, которые
7 определяются оптимальным (рациональным) коэффициентом распределением мощности двигателя базовой машины между приводом рабочего органа и движителем.
Задачи исследования.
1. На основе системного анализа машин для прокладки гибких подземных'
коммуникаций разработать модельный комплекс, включающий в себя
математические модели подсистемы «базовая машина - опорная поверхность»
и физические модели подсистемы «грунт - рабочее оборудование».
2. Установить влияние коэффициента распределения мощности на
производительность машин и энергоемкость процесса в зависимости от вида
рабочего оборудования и способа агрегатирования с базовой машиной.
3. Найти диапазон изменения оптимального (рационального)
коэффициента распределения в зависимости от мощности двигателя, тягового
класса базовой машины и прочностных свойств разрабатываемых грунтов.
4. Определить оптимальные (рациональные) параметры рабочего процесса
машин в зависимости от изменения прочностных свойств разрабатываемых
грунтов.
5. Подтвердить основные результаты, полученные на модельном
комплексе, экспериментальными исследованиями.
Оценить эффективность использования машин с учетом изменяющихся грунтовых условий.
Разработать методику расчета машин для прокладки гибких подземных коммуникаций.
Методы исследований. В теоретической части использованы методы системного анализа, математического и физического моделирования, теории резания грунтов, теоретической механики и др. фундаментальных наук. Экспериментальные исследования основаны на применении методов теории планирования и статистической обработки результатов эксперимента.
Научная новизна представлена:
системным анализом машины для прокладки гибких подземных коммуникаций;
физическими моделями взаимодействия вибрационного, фрезерно-роторного и скребкового рабочих органов с грунтом;
комбинированной физико-математической и математическими моделями машин для прокладки гибких подземных коммуникаций в изменяющихся грунтовых условиях;
влиянием коэффициента распределения мощности на производительность машин и энергоемкость процессов в зависимости от вида рабочего оборудования и способа агрегатирования с базовой машиной;
оптимальными (рациональными) значениями коэффициента распределения мощности в зависимости от мощности двигателя, тягового класса базовой машины и прочностных свойств разрабатываемых грунтов;
эффективностью использования машин для прокладки гибких коммуникаций в изменяющихся грунтовых условиях.
Достоверность научных положений, изложенных в работе, подтверждается экспериментальными исследованиями в лабораторных условиях и производственными испытаниями натурных образцов.
Практическая значимость заключается в разработанной методике расчета машин для прокладки гибких подземных коммуникаций в изменяющихся грунтовых условиях.
Личный вклад автора состоит в формулировании цели и общей идеи работы, выполнении теоретической и участии в экспериментальной части исследований, анализе и обобщении результатов, разработке методики расчета машин для прокладки гибких подземных коммуникаций в изменяющихся грунтовых условиях.
Реализация работы. Рекомендации по проектированию вибрационных кабелеукладчиков использованы ПКБ «Главстроймеханизация» (г. Москва) при разработке экспериментального образца вибрационного кабелеукладчика на базе трактора Т-180 для прокладки магистральных кабелей связи, трестом
9 «Киргизсвязьстрой» (г. Бишкек) при создании нового вибрационного кабелеукладчика на базе трактора Т-130 для работы в грунтах с каменистыми включениями, ВНИИ транспортного строительства (г. Москва) при разработке технического задания на проектирование вибрационного кабелеукладчика на железнодорожном ходу КБЖ-1. Методика расчета траншейных экскаваторов приняты к использованию в ФГУП КБТМ (г. Омск) и ЗАО «Труд» (г. Иркутск) при модернизации цепного траншейного экскаватора ЭТЦ-165 и разработке траншейного экскаватора с фрезерно-роторным рабочим органом на базе трактора Т-170. Кроме того, результаты исследований внедрены в учебный процесс для студентов специальности 170900 «Подъемно-транспортные, строительные, дорожные машины и оборудование» ИрГТУ в виде нового курса «Моделирование рабочих процессов СДМ», лабораторного практикума по курсу «Машины для земляных работ», курсовом и дипломном проектировании.
Апробация работы. Результаты исследований обсуждались и были одобрены в разные годы на международных научных конференциях, научно-технических конференциях, научных семинарах МАДИ-ТУ, ЦНИИС, СибАДИ, ИрГТУ.
Публикации. По материалам диссертации опубликованы: 1 монография, 23 научных статьи, получено 3 авторских свидетельства.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, основных выводов по работе, списка использованной литературы из 136 наименований, приложения. Общий объем составляет: 232 страницы машинописного текста, 96 рисунков, 15 таблиц и 37 страниц приложений.
10 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ
Исследования взаимодействия активных рабочих органов землеройных машин с грунтом
Способ и технология прокладки гибких подземных коммуникаций выбираются в зависимости от условий прокладки и требований по выполнению работ. В настоящее время используются бестраншейный, траншейный и комбинированный способы.
Бестраншейным способом прокладывают кабель при помощи ножевых кабелеукладчиков. Благодаря совмещению операций по разрезанию грунта, укладке кабеля, обратной засыпке и уплотнению, трудоемкость бестраншейного способа на порядок ниже других. Бестраншейный способ обеспечивает требуемое качество работ и позволяет полностью механизировать процесс, что приводит к сокращению сроков строительства.
Кабелеукладчик оснащен ножом с кабельной кассетой, которая предохраняет кабель от механических повреждений в процессе укладки. При движении кабелеукладчика нож разрезает грунт, в образующуюся щель проходит кабельная кассета, с помощью которой кабель укладывается на заданную глубину. Вращающийся барабан обеспечивает непрерывную укладку кабеля на строительной длине, соединение которых производится при помощи муфт. При прокладке кабеля непрерывно осуществляется контроль глубины заложения и усилия натяжения кабеля.
При траншейном способе строительства все операции по прокладке кабеля выполняются раздельно. Разбивка трассы проводится согласно рабочей документации с выделением участков, на которых требуется повышенное внимание при прокладке. Траншею отрывают при помощи общестроительной землеройной техники (одноковшовые экскаваторы, цепные и роторные траншеекопатели) или вручную. Кабель при укладке разматывается с барабанов, установленных на кабельном транспортере. Во время движения транспортера кабель укладывается в траншею, после чего проводятся обратная засыпка, уплотнение и внешняя маркировка трассы.
В скальных и каменистых грунтах перед обратной засыпкой кабель предварительно укрывают слоем песка, а в городах и на территориях промышленных предприятий на песчаную подушку дополнительно укладывают слой кирпича или бетонных плит для защиты кабеля от механических повреждений.При комбинированном способе прокладки отрывка траншеи ведется одновременно с укладкой и обратной засыпкой при помощи траншейных укладчиков.
В силу неоспоримых преимуществ бестраншейного способа во всех возможных случаях следует вести прокладку при помощи ножевых кабелеукладчиков. И только там, где невозможно применение бестраншейного способа, кабель укладывается в открытую траншею.
Основным недостатком бестраншейного способа прокладки кабеля является значительное тяговое сопротивление ножевого рабочего органа, которое в отдельных случаях достигает 350 кН и более. Интенсификация процесса резания грунта путем наложения на рабочий орган вынужденных колебаний позволяет существенно (на 50 - 70%) снизить тяговое сопротивление, повысить эффективность работы кабелеукладчиков в грунтах с каменистыми включениями, насыпных щебневатых грунтах, галечнике. Вибрационные кабелеукладчики отличаются высокой степенью самоочищения ножа, устойчиво выдерживают заданную глубину прокладки кабеля и в меньшей мере разрушают поверхностный слой грунта.
Отечественный вибрационный кабелеукладчик КВГ (рис. 1.1) предназначен для прокладки всех типов кабелей связи (в том числе и оптико-волоконных) диаметром до 0,025 м на глубину до 1,2 м как в стесненных условиях, так и на международных линиях любой протяженности. Кабелеукладчик может быть использован также для прокладки полиэтиленовых труб диаметром 0,04-0,06 м, а с дополнительным оборудованием - и силовых немаслонаполненных кабелей, гибких дренажных труб.
Кабелеукладчик состоит из промышленного трактора Т-130 и рабочего оборудования: ножа, вибратора, кабельной кассеты. Спереди имеется вилочное устройство для установки кабельных барабанов. Привод вибратора осуществляется от вала отбора мощности, управление ножом и вилочным устройством производится при помощи гидроцилиндров. Модификация кабелеукладчика КВГ-2 отличается от базового варианта возможностью смещения кабелеукладочного оборудования от оси трактора для офсетной прокладки кабеля.
Из зарубежных фирм, выпускающих вибрационные кабелеукладчики, следует выделить «Vermeer». На рис. 1.2 показан вибрационный кабелеукладчик, состоящий из специального шасси на гусеничном ходу и ножевого вибрационного рабочего органа. Рабочий орган имеет кабелеукладочный нож, с которым жестко связан двухвальный дебалансный вибратор. Вибратор приводится в действие гидромотором. К ножу на параллельных шарнирно закрепленных тягах крепится кассета, которая может перемещаться относительно ножа в вертикальном направлении. Такое крепление кассеты позволяет исключить передачу вибрации от ножа на кабель. Из рабочего положения в транспортное и обратно оборудование переводится с помощью гидроцилиндров. Спереди имеется вилочное устройство, предназначенное для подъема и установки кабельных барабанов. В качестве дополнительного оборудования кабелеукладчик снабжен бульдозерным отвалом.
Вибрационный кабелеукладчик позволяет прокладывать один кабель диаметром до 0,054 м в грунтах I - IV категории на глубину 0,9 и 1,2 м. В вибрационном режиме скорость прокладки составляет 200-900 м/ч. Минимальный радиус поворота кабелеукладчика в рабочем положении 15-20 м, длина пути заглубления ножа 1,5-3 м.
Комбинированная физико-математическая модель вибрационного кабелеукладчика
Для разработки прочных и мерзлых грунтов эффективным оказывается применение баровых установок. На отечественных машинах устанавливается рабочий орган, который с некоторыми доработками заимствован от врубовых машин типа КМП, "Урал-33". Баровые рабочие органы, как правило, монтируются на гусеничных промышленных тракторах.
На рис. 1.5 представлен экскаватор ЭТЦ-208Д, предназначенный для нарезания щелей шириной 0,14 м и глубиной до 2,0 м в прочных и мерзлых грунтах. Базовой машиной является гусеничный трактор Т-130М, снабженный гидроходоуменишителем. На задней стенке трактора установлен редуктор привода рабочего органа. К редуктору крепится рама с приводной и натяжной звездочками, механизм подъема и опускания рабочего органа. Рабочая цепь имеет сменные резцы, установленные по специальной схеме. Привод рабочего органа — двухступенчатый, механический. Производительность экскаватора на мерзлых грунтах составляет 70 м /ч, наибольший габарит - 9,4 м, масса -20 000 кг [136].
При малых объемах работ на грунтах 1-ІЙ категории используются цепные траншеекопатели. При заданной глубине отрываемой траншеи цепной рабочий орган по сравнению с роторным имеет меньшую массу и габариты, что является немаловажным для работы в стесненных условиях. Цепные экскаваторы мобильны и маневренны, это дает возможность использовать их в городских условиях, а также на участках небольшой протяженности, где требуются частые перебазировки машины. Рабочее оборудование - скребковое, способ агрегатирования с базовой машиной - навесной, управление -гидравлическое.
Отечественные цепные траншеекопатели (ЭТЦ-165А, ЭТЦ-1607, ЭТЦ-1609, ЭТЦ-1616) выпускаются на базе колесных тракторов. Экскаватор ЭТЦ-165А выполнен на базе колесного трактора МТЗ-82 и предназначен для отрывки траншей шириной 0,27 и 0,4 м глубиной до 1,6 м под укладку кабелей и трубопроводов различного назначения.
Траншеекопатель оборудован скребковым рабочим органом и бульдозерным отвалом. Имеется возможность навески специального рабочего органа для разработки траншей шириной 0,14 м и глубиной 1,3 м в грунтах сезонного промерзания.
Рабочий орган представляет собой сварную раму, на которой установлены ведущая и ведомая звездочки, натяжное устройство с резиновым амортизатором, рабочая цепь с соответствующим комплектом резцов и скребков, отвальные шнеки. Цепь опирается на поддерживающие ролики, также размещенные на раме рабочего органа.
Для зачистки дна отрываемой траншеи рабочий орган имеет дополнительную раму со сменными башмаками. Заглубление рабочего органа, а также перевод его в транспортное положение обеспечивается механизмом подъема, состоящим из гидроцилиндра, корпус которого крепится к редуктору, а шток через рычажную систему соединен с рабочим органом. В передней части экскаватора установлен бульдозерный отвал.
Вращение рабочего органа и шнекового конвейера обеспечивается редуктором, установленным на корпусе заднего моста трактора. Редуктор получает вращение от вала отбора мощности и передает его приводной звездочке рабочей цепи. Для изменения скоростей рабочей цепи служит блок шестерен. От поломок при встрече с труднопреодолимым препятствием рабочий орган защищен предохранительной муфтой.
Другие модели отечественных цепных траншеекопателей выполнены аналогично и отличаются между собой значениями отдельных параметров. Так, например, модель ЭТЦ-1616 (рис. 1.6) в отличие от ЭТЦ-1609 имеет максимальную глубину копания до 1,8 м.
Из зарубежных цепных траншеекопателей интерес представляет модель V-5050 фирмы "Vermeer" (рис. 1.7). Машина предназначена для работы на грунтах I-III категории и может отрывать траншеи шириной 0,15-0,3 м на глубину до 1,52 м. Специальное шасси снабжено дизельным (или карбюраторным) двигателем мощностью 39 кВт, выполнено на
у пневмоколесном ходу и имеет гидростатическую трансмиссию. Рабочее оборудование навесное и состоит из рамы с ведущей и натяжной звездочками, рабочей цепи, шнекового транспортера и зачистного устройства. Привод рабочего органа - гидрообъемный.
В стесненных условиях с малым объемом работ на прочных грунтах используют легкие траншеекопатели с фрезерно-роторным рабочим органом. Примером тому может служить модель V-8050 фирмы «Vermeer» (рис. 1.8), которая предназначена для нарезания щелей шириной 0,10-0,16 м и глубиной до 0,76 м в прочных грунтах и скальных породах. Машина содержит специальное шасси на пневмоколесном ходу и диско-фрезерный рабочий орган. Шасси выполнено полноприводным, снабжено двигателем мощностью 63 кВт и гидростатической трансмиссией. Рабочий орган состоит из рамы, фрезерного колеса со сменными резцами, зачистного устройства и защитного кожуха. Рама установлена на задней стенке базового шасси и имеет возможность офсетного смещения. Привод ротора - гидравлический, управление осуществляется из кабины оператором.
Кроме фрезерно-роторного рабочего органа в модели V-8050 предусмотрена установка цепного рабочего органа или ножевого виброкабелеукладчика. В передней части шасси могут быть установлены рабочее оборудование одноковшового экскаватора и бульдозерный отвал. Технические характеристики других траншеекопателей приведены в табл. 1.2.
Влияние коэффициента распределения мощности на производительность машин и энергоемкость процесса
Существующий уровень развития науки и техники требует применения современных методов научных исследований, которые включают в себя системный анализ, моделирование и статистическую обработку результатов эксперимента.
Системный подход к решению сложных многопараметрических задач предполагает представление объекта исследования в виде системы, взаимодействующей с внешней средой. Система задается системными объектами, указываются внутренние связи и ограничения по конструктивным, А технологическим и другим требованиям. В соответствии с задачами исследования формируются параметры входа и выхода. Системная модель позволяет при заданных входных воздействиях определить параметры и структуру объекта, при которых показатели эффективности достигают своих экстремальных значений. При этом прямое экспериментирование на натурных образцах требует значительных материальных затрат и времени, а технические возможности конкретного образца зачастую ограничивают область исследований. Моделирование, как метод научных исследований, обладает, с одной стороны, приемлемой достоверностью результатов, с другой - существенным сокращением затрат по сравнению с экспериментами на натурных образцах. Поэтому использование средств моделирования в исследовании подобных объектов является вполне оправданным. Моделирование предполагает изучение объекта исследования при помощи модели, которая соответствует оригиналу и заменяет его на отдельных этапах исследования. Математические модели не обладают с объектом одной физической природой и не имеют с ним геометрического подобия. Необходимое условие - наличие системы уравнений, описывающих поведение исследуемого объекта. Математические модели целесообразно использовать в случае, когда известны зависимости отдельных параметров объекта от внешних факторов. Широкое использование современной вычислительной техники делает математическое моделирование удобным средством изучения сложных многопараметрических систем. Физические модели имеют одинаковую с объектом исследования физическую природу и отличаются от него масштабами параметров и величин. При этом необходимым условием являются физическое подобие и тождественность законов движения модели и исследуемого объекта. Физические модели используют при отсутствии математического описания объекта исследования. Комбинированные физико-математические модели сочетают в себе лучшие качества физических и математических моделей. Использование моделей предполагает проведение эксперимента, который является важным этапом научных исследований. При помощи эксперимента проверяются рабочие гипотезы и предположения, формируются новые представления об исследуемом объекте, устанавливаются конкретные зависимости и величины. Активный эксперимент дает возможность устанавливать значения факторов заранее по определенному плану, а исследователь может активно вмешиваться в ход эксперимента. При этом планирование эксперимента значительно сокращает трудоемкость и время его проведения, позволяет достичь заданного уровня значимости при минимально возможном числе опытов или при заданном числе опытов максимально возможный уровень значимости результата. Машина для прокладки гибких коммуникаций представляет собой сложную динамическую систему с разветвленной структурой, многочисленными связями и различного рода ограничениями. Система находится под действием активных сил (сила тяги базовой машины), внешних возмущений (сопротивление грунта копанию) и управляющих воздействий со стороны оператора. В общем случае указанные воздействия носят случайный характер и могут наблюдаться в различных сочетаниях. Элементы системы в большинстве своем нелинейны, и изменение параметров одного из них влечет за собой изменения показателей эффективности системы в целом. Используя положения системного анализа, машину для прокладки гибких подземных коммуникаций целесообразно представить в виде системы "грунт -рабочее оборудование - базовая машина - опорная поверхность". Основу системы составляют подсистемы "грунт - рабочее оборудование" и "базовая машина - опорная поверхность". Свойства каждой из подсистем характеризуются параметрами входящих в данную подсистему объектов. Так, для подсистемы "грунт - рабочее оборудование" определяющими следует считать: линейные и угловые размеры, кинематические параметры, динамические характеристики рабочего оборудования. Свойства подсистемы "базовая машина - опорная поверхность" определяют тип двигателя, характеристика агрегатов трансмиссии, параметры движителя. На систему наложены внутренние связи и ограничения по конструктивным, технологическим, эксплуатационным и др. требованиям (рис. 2.1). В соответствии с поставленной задачей исследования входом системы являются условия прокладки и требования к выполнению работ. Выходом служат показатели эффективности машины в целом. Системная модель дает возможность при заданных входных воздействиях установить структуру и параметры подсистем, при которых показатели эффективности достигают своих экстремальных значений.
Физические модели фрезерно-роторного и цепного скребкового рабочих органов
Научно-методической основой формирования физических моделей является теория подобия, которая дает возможность установить подобие и разработать способы его достижения. Подобными являются такие физические системы, у которых подобны все характеризующие их параметры: все векторные величины геометрически подобны, а скалярные - пропорциональны в соответствующих точках пространства и в соответствующие моменты времени. Подобие характеризуется пропорциональностью всех величин, определяющих их качественную и количественную стороны.
Геометрическое подобие выражается равенством всех соответствующих углов и пропорциональностью всех линейных размеров (ki=const). Кинематическое подобие системы определяется тождественностью направления и пропорциональностью действующих скоростей и ускорений (kv=const). Динамическое подобие системы характеризуется тождественностью направлений и пропорциональностью векторов сил или напряжений (kT=const).
На основании теории подобия формируются системы безразмерных соотношений, называемых критериями подобия. Получение критериев подобия основывается на анализе предварительной информации о моделируемом явлении на уровне гипотезы, отсутствие такой информации делает создание модели исследуемого объекта практически невозможным.
В зависимости от характера исходной информации используются различные методы получения критериев подобия. Широкое применение получили методы анализа уравнений, анализа законов и анализа размерностей. Разновидностью метода анализа уравнений является метод анализа реологических моделей. Он представляет практически синтез методов уравнений и законов, так как реологическая модель формируется на основании анализа фундаментальных законов, определяющих развитие напряженно - деформированного состояния среды во времени.
Известно, что при разработке связанного грунта рабочим органом кабелеукладчика, когда глубина резания значительно превышает ширину, образуются две зоны разрушения, границей раздела которых является критическая глубина резания. В докритической зоне, в основном, преобладает деформация сдвига грунта под определенным углом к горизонту, который определяется геометрическими характеристиками ножа и физико-механическими свойствами грунта. Перед ножом образуются тела скольжения, т.е. элементы сдвига грунта, причем ширина разрушения на уровне дневной поверхности превышает ширину рабочего органа. Резание малосвязанного грунта, не обладающего сцеплением, сопровождается образованием и перемещением перед ножом призмы в виде сыпучего тела.
В зоне ниже критической глубины резания преобладают напряжения сжатия и вязкопластические деформации. При этом грунт не выносится на дневную поверхность, а вдавливается в стенки и дно прорези. По мере удаления от рабочего органа вязкопластические деформации переходят в упругопластические, чем объясняется реактивное давление грунта на боковые поверхности ножа и частичное смыкание стенок прорези после его прохождения [67].
При наложении на рабочий орган вынужденных колебаний происходит снижение усилия резания, в основном, за счет уменьшения сил трения, вызванных давлением грунта на режущую кромку и боковые поверхности ножа. Это также приводит к увеличению доли сил сжатия и вязкопластических деформаций в общем балансе сил резания [82,129,130].
Из вышеизложенного следует, что на процесс взаимодействия вибрационного кабелеукладчика с грунтом доминирующее влияние оказывают силы, действующие на поверхность контакта и обусловленные структурным сцеплением, пластичностью и вязкостью грунта. Силы тяжести грунта и инерции не оказывают существенного влияния на процесс и их можно не учитывать.
Для скребкового и фрезерно-роторного рабочих органов процесс взаимодействия также характеризуется малыми объемами грунта, послойно отделяемыми от забоя, малыми скоростями движения. Рассматривается установившееся движение рабочего органа. На поверхность материала действует внешнее давление. Силы инерции во внимание не принимаются, вес среды не учитывается. Приняв за основу систему критериев подобия приближенного физического моделирования, разработанную проф. В.И. Баловневым [11], и дополнив ее критериями геометрического подобия и вибрационного резания грунта, получим следующую систему критериев подобия подсистемы «грунт - рабочее оборудование
