Содержание к диссертации
Введение 6
Глава I. Состояние и основные направления развития ЗМ. Характеристика проблемы 14
1.1. Состояние и основные направления повышения эффективности Ж 14
1.2. Направления исследований в области повышения эффективности РО 3d 23
1.3. Характеристика проблемы. Цель и задачи исследований 37
Глава . Научные основы формирования многокомпонентных РО ЗМ методом функционального расчленения математических моделей процесса взаимодействия инструмента со средой 43
2.1. Основные положения формирования новых технических решений 43
2.2. Основы формализации формирования многокомпонентных РО ЗМ посредством расчленения и анализа ма -тематической модели явления или процесса, составляющих принцип действия проектируемого объекта 62
2.3. Составление математических моделей процесса механического разрушения грунтов и механических аналогий элементов математической модели 69
2.4. Диакоптирование, анализ и оптимизация расчленения математических моделей процесса механического разрушения грунта 86
2.5. Основы синтеза и формирования новых конструктивных решений многокомпонентных РО ЗМ 98
2.6. Выводы по главе .122
Глава 3. Теоретический анализ и оценка многокомпонентных РО ЗМ с интенсификаторами различного принципа действия * 125
3.1. Оценка эффективности применения многокомпонентных РО с интенсификаторами различного принципа действия . 125
3.2. Математические модели и анализ процесса копания грунта многокомпонентными РО ЗМ ковшового и отвального типов с двухножевой системой 132
3.3. Математические модели и анализ процесса рыхле - ния грунта многокомпонентными РО рыхлителей. 153
3.4. Математические модели и анализ процесса копания грунта многокомпонентными РО ЗМ с интенсифика торами комбинированного действия 159
3.5. Выводы по главе 177
Глава 4. Методика экспериментальных лабораторных исследований многокомпонентных РО ЗМ и используемое оборудование 179
4.1. Методика экспериментальных исследований многокомпонентных РО ЗМ скреперного типа 179
4.2. Методика экспериментальных исследований многокомпонентных РО Ш отвального типа 189
4.3. Методика экспериментальных исследований процесса копания грунта ковшами экскаваторов. 205
4.4. Методика экспериментальных исследований многокомпонентных РО рыхлителей . 213
4.5. Выводы по главе 217
Глава 5. Результаты лабораторных исследований по копа нию грунта многокомпонентными РО Ш 219
5.1. Экспериментальные исследования многокомпнентных РО Ж скреперного типа 219
5.2. Экспериментальные исследования многокомпонентных РО ЗМ бульдоезрного типа 245
5.3. Экспериментальные исследования процесса копания грунта многокомпонентными РО ковшей экскаваторов 254
5.4. Экспериментальные исследования многокомпонентных РО Ж типа каналокопатели 271
5.5. Экспериментальные исследования многокомпонентных РО рыхлителей 280
5.6. Выводы по главе 287
Глава 6. Исследования многокомпонентных РО ЗМ полевых условиях 289
6.1. Исследования многокомпонентных РО скре - перов 289
6.2. Исследования многокомпонентных РО Ж отвального типа 299
6.3. Исследования многокомпонентных РО ков - шей эскаваторов 308 (/
6.4. Исследования многокомпонентных РО рыхли телей , 315
6.5. Выводы по главе .323
Глава 7. Основы выбора и определения рациональных параметров многокомпонентных РО Ж интен сифицирующего действия 325
7.1. Определение параметров скреперов с двух ножевой системой копания 325
7.2. Определение параметров ковшей экскавато - ров с двухножевой системой копания 328
7.3. Определение параметров бульдозеров с интенси-фикаторами различного принципа действия 334
7.4. Определение основных параметров рыхлителей с траєкторним смещением рыхлящих зубьев 337
7.5. Выводы по главе .340
Глава 8. Технико-экономическая эффективность применения многокомпонентных ТО ЗШ, сформированных методом анализа и расчленения математических моделей процесса 347
8.1. Эффективность применения метода расчленения процесса механического разрушения грунта при формировании новых технических решений Р0 Ш 347
8.. Технико-экономические показатели и области эффективного применения многокомпонентных Р0 Ш 348
8.3. Состояние внедрения результатов исследований в практику проектирования многокомпонентных РО, расчета ЗМ и их производства. 357
Основные научные результаты и выводы ., 361
Литература 367
Введение к работе
Перспективным планом развития народного хозяйства СССР, предусмотренным в "Основных направлениях экономического и социального развития СССР на I98I-I985 года и на период до 1990 года", наряду е повышением производительности труда в строительстве поставлена задача обеспечить выпуск машин повышенного качества с улучшенными технико-экономическими показателями [і].
Во всех отраслях народного хозяйства на основе его всесторонней интенсификации необходимо поднять техническую вооруженность труда; всемерно внедрять комплексную механизацию и автоматизацию производственных процессов, неуклонно сокращать во всех отраслях численность работников, занятых ручным трудом.
Обеспечение научно-технического прогресса следует осуществлять в условиях создания и внедрения в производство принципиально новой техники и материалов, прогрессивной технологии, выпуска машин и агрегатов большойединичной мощности и производительности [і, И, 23]. настоящее время решается указанная задача по повышению производительности труда в строительстве за счет увеличения количества выпускаемых строительных машин, роста численности парка. Однако на ближайшую перспективу в связи с большими объемами земляных работ машины с прежними конструкциями рабочих органов (РО) не смогут обеспечить намеченное повышение производительности труда в строительстве без дальнейших широких научно-технических мероприятий по совершенствованию и созданию высокоэффективных РО.
Выполнение поставленной задачи наряду с совершенствованием и улучшением парна землеройных машин (ЗМ), состоящих в основном из традиционной техники, предусматривается путем оснащения строительства высокоэффективными машинами, ускорив замену устаревшей техники новыми высокопроизводительными машинами, основанными на базе использования научных исследований процесса взаимодействия і "с грунтом и обладающими существенной энергоресурсосберегаемоетыо.
Создание высокопроизводительных Ш следует осуществлять по двум направлениям: совершенствование и изменение конструкций РО машин сложившихся конструкций и находящихся в настоящее время в условиях эксплуатации; создание принципиально новых РО и машин, вновь проектируемых.
В настоящее время дальнейшее повышение эффективности землеройной техники сдерживается в значительной степени отсутствием научно и экспериментально обоснованных методов формирования но -вых ТР и создание на этой основе многокомпонентных РО Ш.
Необходимо разработать соответствующие методы формирования новых конструктивных решений, создать математические модели и моделирующие алгоритмы, отражающие существо механизма взаимодейст -вия с грунтом РО, оборудованных интенсификаторами различного типа, разработать систему оценки их эффективности, дать рекомендации по их эффективному использованию и осуществить внедрение новых многокомпонентных РО в практику производства земляных работ.
Проблема данной работы формулируется как обеспечение повышения эффективности и интенсификации рабочих процессов Ш на базе создания научных основ и методов формирования новых технических и конструктивных решений и внедрения многокомпонентных РО.
Научная задача определяется необходимостью разработки научных основ метода формирования многокомпонентных РО ЗМ.
Многокомпонентные РО представляют систему взаимосвязанных элементов, предназначенных для интенсификации рабочих процессов ЗМ и обеспечивающих существенную энергоресурсосберегаемость.
В результате решения данной проблемы разработан метод формирования многокомпонентных РО ЗМ и реализован на этой базе в народном хозяйстве ряд реальных образцов РО, позволяющих повысить их
производительность, расширить области применения и эффективность в целом.
Научная идея работы состоит в использовании принципа декомпозиции применительно к математическим моделям явлений, процессов, составляющих основу принципа действия проектируемого объекта на подмодели для проведения анализа, синтеза и оптимизации с целью формирования новых конструктивных и технических решений (ТР).
Введено понятие функционального расчленения (диакоптического) математических моделей рабочего процесса механического разрушения грунта на элементы как метода, обеспечивающего синтез и формирование многокомпонентных РО 2М.
В работе показываются пути повышения эффективности ЗЙ за счет совершенствования РО традиционных машин, создания на базе научного поиска принципиально новых. Приводятся результаты решения поставленной проблемы от начала выявления идеи до реализации ТР, созданных по результатам исследований. Созданы на этой основе промышленные образцы многокомпонентных РО Ш, такие как ковши экскаваторов-драглайнов с двухножевой системой копания, ковши прямая (обратная) лопата для экскаваторов ЭО-2621, ЭО-3322 (Э-302Б), ковши скреперов Д-357П, рыхлителя с двумя последовательно расположенными рыхлящими зубьями на базе тракторов Т-100, T-I30, ДЭТ-250, РО ударного действия с последовательным расположением ступенчатых боковых граней клиньев к экскаватору ЭО-2621 и ЭО-4321 для пневмомолотов типа ПШ-100, ПР0-30, ПРО-35, ПШ-І20, отвал бульдозера с ВСН и газовой смазкой поверхности скольжения ДЗ-42, контактирующей с грунтом, ковши скреперов с ВСН и газовой емазкой поверхности скольжения, ка-налокопатель типа MK-I2, снабженный интенсификатором комбинированного действия.
Научная новизна исследования представляется следующими положениями:
- разработаны теоретические основы и метод/ формирования новых технических и конструктивных решений на основании функционального расчленения и анализа математической модели явления или процессов, составляющих основу принципа действия РО проектируемого типа;
- дана формализованная схема и программа формирования на основании разработанного метода новых технических и конструктивных решений в области механического разрушения грунтов, как упруго-вязко -пластической среда, что позволяет распространить полученный метод на решение вопросов формирования новых технических и конструктивных решений в области машин для перемешивания, уплотнения, дробления и другой подобной техники;
- установлены закономерности протекания рабочих процессов ЗМ с РО, имеющими траекторно-последовательное размещение ножевых систем (ковши прямых и обратных лопат экскаваторов, драглайнов,скреперов, зубья рыхлителей и т.п.) и РО комбинированного типа, оснащенных несколькими интенсификаторами (для увеличения удельного давления ножевой системы на грунт, для снижения сил трения, для снижения сил сцепления в грунте и др.);
- составлены математические модели процессов разработки грунтов РО нового типа, обладающие высокой эффективностью и сформированные как многокомпонентные конструкции-комплексы;
- разработана методика оценки эффективности новых РО, возникающих в результате их формирования по разработанному в диссертации методу расчленения и анализа математических моделей явлений или процессов, составляющих основу работы проектируемых типов РО.
Практическая ценность работы заключается в наличии ускоренного метода формирования новых ТР и полученных рекомендациях по выбору и назначению рациональных параметров многокомпонентных РО ЗМ при оснащении их различными интенеификаторами и эксплуатации в различных грунтовых условиях. Созданы научные основы проектирования и выбора рациональных параметров многокомпонентных F0 ЗМ как с традиционными интенсификатораыи, новыми, так и комбинированными. Разработаны моделирующие алгоритмы по определению сил сопротивления грунтов копанию при эксплуатации РО в различных условиях и оценена эффективность РО с двухножевой системой копания применительно к ковшу скрепера, ковшу драглайна, отвалу бульдозера с ВСН и газовой смазкой, перекосом отвала в вертикальной плоскости и газовой смазкой и т.п. Даны рекомендации по эффективным областям использования указанных машин. На защиту выносятся следующие положения:
- метод формирования новых решений посредством расчленения и анализа математической модели явления или процесса, составляющих основу принципа действия проектируемого объекта;
- формализация разработанного метода в виде схемы соответствующего моделирующего алгоритма;
- анализ предложенным методом механического разрушения грунтов, как упруго-вязко-пластического тела для совершенствования и формирования новых РО ЗМ;
- составленные математические модели и выявленные закономерности протекания процессов разработки грунтов РО нового типа, обладающие высокой эффективностью и сформированные как многокомпонентные конструкции-комплексы;
- методика оценки новых ТР различного принципа действия;
- реализация новых конструктивных решений Ш с траекторно-последовательным размещением ножевой и рыхлящей систем (скреперы, ковши экскаваторов типа прямая и обратная лопата, драглайны, рыхлители и др.);
- реализация конструктивных решений ЗМ с интенсификаторами комбинированного типа (бульдозеры с ВСН и газовой смазкой, екре перы с двухножевой системой и газовой смазкой и др.).
Полученные расчетные и фактические значения технико-экономических показателей Ш с многокомпонентными РО при их эксплуата-т ции в условиях строительства подтвердили практическую значимость проблемы, целесообразность реализации полученных результатов исследований в народном хозяйстве страны. Предложенные в результате решения общей проблемы новые конструктивные и ТР РО ЗМ защищены авторскими свидетельствами на изобретения.
Экспериментальные исследования проводились в лабораторий физического моделирования рабочих процессов строительных машин ДИСЙ. Исследования и испытания Ш проводились на строительных объектах УМС-І, УМС-2 (г. Днепропетровск) и УМС-4 (г. Никополь) треста "ДнепроетроЙмеханизащия" комбината "Днепрометаллургстрой", Миро-веком СУ-І (г. Кривой Рог) треста "Днепроэкскавация" Минтяжстроя УССР, полигоне ШШГиМа (г. Новочеркасск), строительных объектах треста "Мелиоводстрой" (г. Семикаракорск, Ростовской обл.), полигоне учебно-экспериментальной базы МАДй, Бердянском заводе дорожных машин, полигоне ДИСИ.
Основные опытно-конструкторские работы проводились на базе треста яДнепростроймеханизацияи комбината "Днепрометаллургстрой" Минтяжстроя УССР, опытного ремонтно-механического завода (г.Днепропетровск) , Марганецкоро опытно-экспериментального завода треста вДнепроэкекавация", Бердянского завода дорожных машин, конструкторского бюро опытно-механического завода ШШГиМа, Ба-тайского опытно-механического завода и др.
Результаты работы получили внедрение в виде созданных образцов многокомпонентных РО Ш или отдельных партий типа ковши скреперов, драглайнов, прямая (обратная) лопата с двухножевой системой копания, рыхлительное оборудование с двумя последовательно раеноложенными рыхлящими зубьями, отвал бульдозера с ВСН и газовой смазкой поверхности скольжения» контактирующей с грунтом, кана -локопатель с газовой смазкой, наконечники для разрушения прочных и мерзлых грунтов. Чертежи и техдокументация многокомпонентного рыхлительного оборудования с двумя рыхлящими зубьями, рабочее оборудование отвального и ковшового типов, клиновидные РО с бо -новыми уступами переданы для внедрения по запросам более 70 организациям.
Результаты работы получили внедрение и использование в учебном процессе при курсовом и дипломном проектировании в ДЙСИ,МАДИ, КИСХМ. Созданное стендовое оборудование используется в ДЙСИ в НИРСе по курсу "Строительные машины", курсовом и дипломном проектировании.
Отдельные положения и работа в целом докладывались на заее -даниях кафедры "Строительные машины" МИСИ им. В. В. Куйбышева (1983), кафедры "Дорожные машины" ШДИ (1982), заседании секции "Строительные машины" Ученого совета ЦНИЙС Минтрансетроя СССР (1982), заседаниях кафедр "Строительные машины" и "Прикладная механика" ДИСЙ (1981-83), III Всесоюзной конференции "Автоматизация поискового конструирования и подготовки инженерных кадров", (АІЇК-83), г. Иваново (1983), Всесоюзной научно-технической конференции ТАДИ (1982), НТС ВНИИстройдормаша (1975-1980), заседании отдела земляных работ ЦНИИОМТП (1982), ВНШземмаш (1981), ШШЙГиї (1981), республиканском семинаре "Комплексная механизация массовых земляных и открытых горных работ" КИСИ (1981), научно-технических конференциях МАДЙ (1975-1982), ВИСИ (1977), ДИСИ (1975-1982), Всесоюзной научно-технической конференции ДИИТ 1976), Тульского политехнического института (1976), КИСХМ 1978), заседаниях HTG Бер-дянского завода дорожных машин (1981), Бадаковского завода само -ходных ЗМ (1981), Киевском КБ "Укрглавстроймеханизация" (1981), Уральской конференции "Пути повышения надежности и ресурса систем машин", г. Свердловск (1983), Главнечерноземводстрое РСФСР 1982), - -трестах "ДнепростроЙмеханизация" Минтяжстроя УССР (1975-1982),
"Днепроэкскавация" (1976-1982), "Днепроспецетрой" (1978), общеминистерских школах Минтяжстроя УССР передового опыта ведения зем -ляных работ (1977-1983) и др.
В работе использован экспериментальный материал, полученный автором совместно с аспирантами Мелашичем В.В. и Шатовым СВ., касающийся исследований скреперов и рыхлителей. Этот материал помещен в работе в качестве иллюстраций, обосновывающих ряд теоретических положений, разработанных автором диссертации.
По теме диссертации опубликовано 2 монографии, 73 статьи, получено 102 авторских свидетельства на изобретения, 52 положительных решения Госкомизобретений СССР о выдаче авторских свиде -тельств [10-15, 19-21, 24, 25, 27-29, 29-39, 85, 153-157, 160-163, 165-167, 169, 179, 194 ].
Работа выполнена на кафедре "Строительные машины" Днепро -петровского инженерно-строительного института в период с 1975 по 1983 год.
Автор приносит глубокую благодарность заведующему кафедрой "Дорожные машины" МАДИ докт. техн. наук, проф. В.И. Баловневу за ценные советы и консультации при работе над диссертацией.
Объем диссертации: диссертация изложена на 239 страницах машинописного текста, включает 45 таблиц и 155 иллюстраций на 127 страницах, список литературы из 222 наименований на 14 страницах. Работа состоит из введения, восьми глав и заключения.
