Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор исследований. Цель и задачи исследования 8
1.1 Обзор теорий копания грунта 8
1.2 Анализ развития отвальных рабочих органов землеройно-транспортных машин 16
1.3 Обзор работ, посвященных исследованию формы поперечного профиля рабочих органов отвального типа 21
1.4 Выводы. Цель и задачи исследования .27
2. Теоретические исследования поперечного профиля отвала бульдозера 30
2.1 Обоснование математической модели процесса копания грунта 30
2.2 Определение методами вариационного исчисления рациональной формы поперечного профиля рабочего органа отвального типа 34
2.2.1 Отыскание рациональной формы ножа при заглублении в грунт 39
2.2.2 Отыскание рациональной формы поперечного профиля отвала при перемещении грунтовой массы 45
2.3 Влияние угла внутреннего трения грунта на форму поперечного профиля неповоротного отвала бульдозера 50
2.4 Влияние формы поперечного профиля отвала на удельную энергоёмкость процесса перемещения призмы грунта 52
2.5 Определение горизонтальной составляющей сопротивления перемещению призмы волочения для различных типов грунта 55
2.6 Влияние агрегатной скорости машины на сопротивление перемещению призмы грунта 58
2.7 Теоретические исследования рациональной формы поперечного профиля неповоротного отвала бульдозера :59
2.8 Влияние основных параметров отвала на удельную энергоёмкость процесса перемещения призмы грунта 71
2.9 Результаты теоретических исследований. Выводы 73
3. Экспериментальные исследования процесса копания грунта отвальными рабочими органами 76
3.1 Методика проведения лабораторных исследований 76
3.2 Определение необходимого числа измерений 84
3.3 Методика обработки данных эксперимента.. 85
3.4 Результаты экспериментальных исследований 87
3.4.1 Результаты лабораторных исследований : 87
3.4.2 Нахождение точки приложения результирующих сил на отвале 99
3.5 Выводы 103
4. Проверка адекватности математической модели 104
5. Основные результаты исследований. Выводы 107
Литература 110
Приложения 119
- Обзор работ, посвященных исследованию формы поперечного профиля рабочих органов отвального типа
- Отыскание рациональной формы поперечного профиля отвала при перемещении грунтовой массы
- Теоретические исследования рациональной формы поперечного профиля неповоротного отвала бульдозера
- Нахождение точки приложения результирующих сил на отвале
Введение к работе
Увеличение объёмов строительства предполагает расширение сферы работ, связанных с перемещением значительных масс грунта. Землеройные машины, оснащенные отвальными рабочими органами, как наиболее универсальные, применяются для всех видов строительства. Это обусловлено простотой конструкции и технического обслуживания, мобильностью и относительно низкой стоимостью. Машины с отвальными рабочими органами используются при возведении насыпей, планировании и профилировании площадок и откосов, для устройства траншей, котлованов, каналов, отчистки дорог от снега и т.д.
В последние годы значительное внимание стало уделяться повышению производительности землеройных машин, оснащенных отвальными рабочими органами, без существенного изменения конструкции и небольших материальных затратах. Это обусловлено новыми требованиями к качеству выполняемых работ, универсальностью, надёжностью, расширением технологических возможностей бульдозеров.
Основой создания эффективных и экономичных (энергоэффективных) землеройных машин является решение вопроса снижения удельной энергоёмкости процесса копания грунта. Удельная энергоёмкость - это затраты энергии на разработку единицы объёма грунта. В этом случае особый интерес представляют вопросы совершенствования рабочего оборудования, выбора рациональных параметров отвальных рабочих органов, то есть таких геометрических параметров неповоротного отвала бульдозера, при которых достигается наименьшая удельная энергоёмкость процесса копания грунта. Повышение энергоэффективности рабочих процессов бульдозеров путём совершенствования геометрических параметров поперечного профиля отвала является актуальной научно-технической задачей.
В диссертационной работе рассматривается вопрос влияния геометрических параметров отвальных рабочих органов на удельную энергоёмкость про-
цесса копания грунта. Для определения рациональной формы поперечных профилей рабочих органов отвального типа используются основные положения теории вариационного исчисления. Под поперечным профилем отвала понимаем совокупность профилей ножа и криволинейной части отвальной поверхности. В качестве критерия выбора рациональной формы поперечного профиля отвала принята величина удельной энергоёмкости процесса копания грунта. Данный критерий рассматривается как целевая функция для определения рациональной формы поперечного профиля. Таким образом, рациональной формой поперечного профиля будет экстремаль (линия, описывающая форму поперечного профиля), доставляющая минимум функции цели.
Объектом исследования являются процессы взаимодействия поперечного профиля неповоротного отвала бульдозера с грунтом в процессе копания.
Предмет исследования заключается в выявлении закономерностей влияния формы поперечного профиля отвала бульдозера на удельную энергоёмкость копания грунта.
Научная новизна работы представлена:
применением методов вариационного исчисления, в частности уравнения Эйлера, при определении рационального профиля неповоротного отвала бульдозера;
разработкой методики выбора рациональных геометрических параметров отвальных рабочих органов;
возможностью проектирования отвальных рабочих органов с учётом типа грунта и скорости рабочего процесса;
выявлением характера влияния форм поперечных профилей неповоротного отвала бульдозера на удельную энергоёмкость процесса копания;
аналитической интерпретацией поперечного профиля с переменной кривизной в виде сегмента логарифмической спирали.
Практическая ценность. На основании выполненных исследований обосновываются и даются рекомендации по выбору рациональной формы поперечного профиля неповоротного отвала бульдозера, зависящей от физико-
механических свойств грунта, параметров процесса заглубления и скорости процесса копания.
Апробация работы. Основные научные положения и результаты теоретических и экспериментальных исследований прошли апробацию на заседаниях кафедр «Дорожные машины» и «Высшая математика», на научно-технических конференциях в СибАДИ (2003 г.) и Красноярске (2004 г.), а также в публикациях.
На защиту выносятся следующие основные положения диссертации:
обоснование математической модели процесса копания грунта;
методика расчёта геометрических характеристик неповоротного отвала бульдозера;
результаты теоретических исследований геометрических параметров поперечных профилей неповоротного отвала бульдозера;
результаты экспериментальных исследований процесса копания грунта отвалами с различными поперечными профилями.
В первой главе диссертационной работы представлены результаты обзора научно-технической информации.
Проведённый анализ патентных источников, периодических изданий и Интернет-сайтов фирм производителей строительной техники, в области совершенствования рабочих органов отвального типа землеройных машин, позволил сделать вывод об актуальности проблемы снижения энергоёмкости копания грунта за счёт выбора рациональной формы поперечного профиля отвала и сформулировать цель и задачи исследования.
Вторая глава посвящена обоснованию математической модели процесса копания грунта. Представлена методика определения рациональной формы поперечного профиля неповоротного отвала бульдозера с использованием методов вариационного исчисления, приводится аналитическое обоснование выбора рационального поперечного профиля бульдозерного отвала.
Третья глава посвящена разработке конструкции экспериментальной установки с использованием составленной математической модели и анализу полученных экспериментальных данных.
Результаты проверки адекватности математической модели и анализ сходимости теоретических и экспериментальных данных приведены в четвёртой главе.
В пятой главе представлены основные выводы и заключения, сделанные на основании выполненного исследования.
Автор выражает глубокую признательность научному руководителю д.т.н., профессору A.M. Завьялову за ценные замечания и предложения, сделанные в процессе выполнения работы, а также к.т.н., доценту В.И. Лиошенко за оказанное содействие и помощь при изготовлении и внедрении экспериментальной установки бульдозерного отвала.
Обзор работ, посвященных исследованию формы поперечного профиля рабочих органов отвального типа
Лабораторные исследования проводились в лаборатории землеройных машин СибАДИ на специально изготовленной установке, конструкция которой позволяет достаточно полно выявить особенности взаимодействия отвала бульдозера с грунтом.
Грунтовой канал с установленными по бокам, железнодорожными рельсами имеет длину 20 м, ширину 2,5 м и глубину 2 м. Для проведения экспериментальных исследований использовалась тен-зометрическая тележка (рис.3.1), перемещаемая по рельсам с помощью лебёдки, установленной в конце грунтового канала. На переднюю часть тележки навешивалась экспериментальная установка, которая состоит из отвала, рамы, параллелограммнои подвески (рис. 3.2). Для заглубления ножа в грунт используется гидроцилиндр. Параллелограммная подвеска позволяет заглублять и поднимать рабочий орган без изменения угла резания. Узел крепления отвала экспериментальной установки крепится к параллелограммнои подвеске с помощью шести тензозвеньев по три с каждой стороны, которые соединены с тензометрической аппаратурой экранированными кабелями. В качестве объектов исследования были изготовлены следующие экспериментальные отвалы: 1) Отвал, поперечный профиль которого имеет постоянный радиус кривизны. 2) Отвал, поперечный профиль которого имеет переменную кривизну, увеличивающуюся книзу. Отвал с поперечным профилем переменной кривизны представляет собой часть логарифмической спирали, которая в полярной системе координат описывается следующим уравнением: За основные параметры профилей отвалов были приняты: угол резания а = 55; угол опрокидывания S = 75; высота отвала Н = 0,8 м; ширина отвала В = 1 м. Перед каждым опытом грунт в лотке тщательно разрыхлялся на глубину 0,15 м с помощью специального рыхлителя, затем разравнивался планирующим отвалом и уплотнялся катком до необходимой степени плотности. Степень уплотнения контролировалась ударником ДорНИИ. После уплотнения проводилась окончательная планировка грунта. Рыхлитель, планирующий отвал и каток устанавливались на переднюю часть тензометрической тележки и убирались из грунтового канала с помощью кран-балки. В течение подготовки также проверялась влажность грунта на приборе «Влагомер - 20». В случае, если влажность грунта отклонялась более чем на 2% от принятой, то грунт либо увлажнялся, либо опыт откладывался до просушки грунта. Перед началом эксперимента проводились контрольные замеры влажности грунта весовым способом по ГОСТу 5180-84. Плотность грунта замерялась методом режущих колец по ГОСТу 5180-84, сцепление С и угол внутреннего трения р определялись по ГОСТу 12248-78 с помощью полевой грунтовой лаборатории П-10. При удовлетворительных результатах физико-механических свойств грунта тензометрическая тележка с отвалом устанавливалась таким образом, чтобы при копании срезалась стружка необходимой толщины (рис 3.3). Для определения толщины срезаемой стружки замерялся уровень грунта от нижней балки до грунта до и после прохода при помощи деревянной рейки и линейки. Разность полученных величин и составляла толщину стружки. Уровень грунта замерялся через 0,5 м, затем подсчитывалось среднее арифметическое значение. Путь копания грунта замерялся рулеткой. На расстоянии трех метров от начала пути копания производилась остановка установки и замерялся объём призмы волочения. Для определения объёма призмы волочения замерялись высота и ширина призмы слева и справа отвала, а так же максимальные значения высоты и ширины, и угол отсыпки грунта в призме. В конце пути копания объём фунта в призме замерялся с помощью мерного ящика. Для определения объёма фунта в боковых валиках замерялись высота и ширина валика в начале и конце валика и длина бокового валика. Для определения высоты бокового валика грунта замерялся размер от нижней балки до верхней точки валика. Лабораторные исследования проводились на грунте — суглинке тяжёлом пылеватом, имеющем следующий гранулометрический состав: глинистых частиц - 9,08 %; песчаных частиц - 35 %; пылеватых частиц - 55,92 %. Влажность грунта составляла 12-15%. Число ударов по ударнику ДорНИИ Су=А. Плотность грунта в среднем была равна / = 1900-2010 кг/м , угол внутреннего трения /7 = 28-33, удельное сцепление С = 0,025 - 0,03 МПа. Пробы грунта брались в трёх местах по длине участка, не менее трёх проб с каждого участка. Число ударов ударника ДорНИИ определялось по длине всего участка с шагом 1м. В ходе экспериментальных исследований определялись горизонтальная и вертикальная составляющие сопротивления грунта копанию и суммарное тяговое усилие. Составляющие сопротивления и тяговое усилие измерялись с помощью тензометрической тяги (рис 3.4). На тензометрическую тягу наклеивались проволочные датчики сопротивления на бумажной основе с базой 20 мм и сопротивлением 199,2 + 0,1 Ом, соединённые в полумостовую схему (рис.3.5).
Для определения силовых масштабов все тензометрические звенья перед их установкой тарировались на специальном стенде. Тензозвенья, используемые для определения горизонтальной и вертикальной составляющих сопротивления, повторно тарировались при полностью смонтированной подвеске отвала (рис.3.5). Тарировка проводилась с помощью динамометра ДПУ-0,5 с ценой деления 5 кгс (50 Н). По результатам тарировки были построены тарировочные графики и определены силовые масштабы тензозвеньев (см. приложение 2).
Отыскание рациональной формы поперечного профиля отвала при перемещении грунтовой массы
В результате проведённых теоретических и экспериментальных исследований процесса взаимодействия неповоротного отвала бульдозера с грунтом была разработана методика выбора рациональной формы поперечного профиля отвальной поверхности с учётом заглубления ножа в грунт. Для определения рациональной формы поперечного профиля отвала и режущего инструмента были применены методы вариационного исчисления, реализующие условие Эйлера экстремума функционала. Данная методика позволяет анализировать влияние кривизны поперечного профиля на удельную энергоёмкость процесса копания фунта и определять рациональную форму профиля отвальной поверхности для заданных фунтовых условий.
На основании проведённых исследований были сделаны следующие выводы: 1. Величина сопротивления копанию фунта интерпретируется при помощи функционала, позволяющего определить рациональную поверхность ножа и поперечного профиля неповоротного отвала бульдозера. 2. Рациональная поверхность режущего инструмента L = f(z) зависит от физико-механических свойств фунта и параметров заглубления и определяется следующим уравнением где к — постоянная, зависящая от физико-механических свойств грунта; % — коэффициент линейности; В - ширина отвала; V и и - скорости перемещения рабочего органа и частиц присоединяемых масс соответственно; % - коэффициент, устанавливающий связь между агрегатной скоростью машины и скоростью приращения основания призмы грунта. Задавшись исходными значениями величин — высотой отвала, углом резания, а также физико-механическими свойствами разрабатываемого грунта можно получить рациональную конфигурацию поперечного профиля неповоротного отвала бульдозера. 4. Проведённые теоретические исследования показали, что рациональным поперечным профилем неповоротного отвала бульдозера, с точки зрения минимальной удельной энергоёмкости процесса копания грунта, является профиль переменной кривизны, увеличивающейся в нижней части отвала. 5. Рациональный профиль неповоротного отвала бульдозера, реализующий форму переменной кривизны, увеличивающейся книзу, можно аппроксимировать участком логарифмической спирали, заданной в полярных координатах уравнением г = г0е , где 0 р (рк, (рк - угол, задающий верхнюю точку поперечного профиля отвала; r0,Jc — параметры, зависящие от высоты отвала и физико-механических свойств грунта. Уравнение спирали для наиболее вероятного среднего типа грунта с 6. Разработанные математические модели позволяют на стадии проектирования определять горизонтальную составляющую сопротивления перемещению призмы волочения вдоль поперечных профилей различных типов и прогнозировать нагрузки, действующие на отвал. 7. Экспериментальные исследования выявили преимущества отвала с переменной кривизной по сравнению с отвалом, имеющим постоянную кривизну поперечного профиля. В результате процесс копания грунта происходит с наименьшими удельными энергозатратами. Снижение удельной энергоёмкости процесса копания является средством для возможного увеличения призмы волочения при сохранении рабочей скорости и прочих равных условиях рабочего процесса бульдозера. 8. Выявленный характер изменения расстояния от режущей кромки ножа до точки приложения результирующей сил на отвале позволяет спрогнозировать динамические нагрузки на металлоконструкцию машины и систему управления рабочим органом. 9. Анализ проведённых теоретических исследований на предмет адекватности даёт хорошую сходимость с результатами экспериментальных исследований. Расхождение между теоретическими и экспериментальными данными не превышает 7%.
Теоретические исследования рациональной формы поперечного профиля неповоротного отвала бульдозера
Для заглубления ножа в грунт используется гидроцилиндр. Параллелограммная подвеска позволяет заглублять и поднимать рабочий орган без изменения угла резания.
Узел крепления отвала экспериментальной установки крепится к параллелограммнои подвеске с помощью шести тензозвеньев по три с каждой стороны, которые соединены с тензометрической аппаратурой экранированными кабелями. В качестве объектов исследования были изготовлены следующие экспериментальные отвалы: 1) Отвал, поперечный профиль которого имеет постоянный радиус кривизны. 2) Отвал, поперечный профиль которого имеет переменную кривизну, увеличивающуюся книзу. Отвал с поперечным профилем переменной кривизны представляет собой часть логарифмической спирали, которая в полярной системе координат описывается следующим уравнением: За основные параметры профилей отвалов были приняты: угол резания а = 55; угол опрокидывания S = 75; высота отвала Н = 0,8 м; ширина отвала В = 1 м. Перед каждым опытом грунт в лотке тщательно разрыхлялся на глубину 0,15 м с помощью специального рыхлителя, затем разравнивался планирующим отвалом и уплотнялся катком до необходимой степени плотности. Степень уплотнения контролировалась ударником ДорНИИ. После уплотнения проводилась окончательная планировка грунта. Рыхлитель, планирующий отвал и каток устанавливались на переднюю часть тензометрической тележки и убирались из грунтового канала с помощью кран-балки. В течение подготовки также проверялась влажность грунта на приборе «Влагомер - 20». В случае, если влажность грунта отклонялась более чем на 2% от принятой, то грунт либо увлажнялся, либо опыт откладывался до просушки грунта. Перед началом эксперимента проводились контрольные замеры влажности грунта весовым способом по ГОСТу 5180-84. Плотность грунта замерялась методом режущих колец по ГОСТу 5180-84, сцепление С и угол внутреннего трения р определялись по ГОСТу 12248-78 с помощью полевой грунтовой лаборатории П-10. При удовлетворительных результатах физико-механических свойств грунта тензометрическая тележка с отвалом устанавливалась таким образом, чтобы при копании срезалась стружка необходимой толщины (рис 3.3). Для определения толщины срезаемой стружки замерялся уровень грунта от нижней балки до грунта до и после прохода при помощи деревянной рейки и линейки. Разность полученных величин и составляла толщину стружки. Уровень грунта замерялся через 0,5 м, затем подсчитывалось среднее арифметическое значение. Путь копания грунта замерялся рулеткой. На расстоянии трех метров от начала пути копания производилась остановка установки и замерялся объём призмы волочения. Для определения объёма призмы волочения замерялись высота и ширина призмы слева и справа отвала, а так же максимальные значения высоты и ширины, и угол отсыпки грунта в призме. В конце пути копания объём фунта в призме замерялся с помощью мерного ящика. Для определения объёма фунта в боковых валиках замерялись высота и ширина валика в начале и конце валика и длина бокового валика. Для определения высоты бокового валика грунта замерялся размер от нижней балки до верхней точки валика. Лабораторные исследования проводились на грунте — суглинке тяжёлом пылеватом, имеющем следующий гранулометрический состав: глинистых частиц - 9,08 %; песчаных частиц - 35 %; пылеватых частиц - 55,92 %. Влажность грунта составляла 12-15%. Число ударов по ударнику ДорНИИ Су=А. Плотность грунта в среднем была равна / = 1900-2010 кг/м , угол внутреннего трения /7 = 28-33, удельное сцепление С = 0,025 - 0,03 МПа. Пробы грунта брались в трёх местах по длине участка, не менее трёх проб с каждого участка. Число ударов ударника ДорНИИ определялось по длине всего участка с шагом 1м. В ходе экспериментальных исследований определялись горизонтальная и вертикальная составляющие сопротивления грунта копанию и суммарное тяговое усилие. Составляющие сопротивления и тяговое усилие измерялись с помощью тензометрической тяги (рис 3.4). На тензометрическую тягу наклеивались проволочные датчики сопротивления на бумажной основе с базой 20 мм и сопротивлением 199,2 + 0,1 Ом, соединённые в полумостовую схему (рис.3.5). Для определения силовых масштабов все тензометрические звенья перед их установкой тарировались на специальном стенде. Тензозвенья, используемые для определения горизонтальной и вертикальной составляющих сопротивления, повторно тарировались при полностью смонтированной подвеске отвала (рис.3.5). Тарировка проводилась с помощью динамометра ДПУ-0,5 с ценой деления 5 кгс (50 Н). По результатам тарировки были построены тарировочные графики и определены силовые масштабы тензозвеньев (см. приложение 2). Показания тензометрических датчиков записывались на бортовой измерительный комплекс (БИК) с модульной системой измерения на базе крейт-контроллера и ПК (рис.3.7).
Нахождение точки приложения результирующих сил на отвале
В.И. Баловнев 111 предлагает рассчитывать основные параметры бульдозерных отвалов на основе статики сыпучей среды, обладающей сцеплением. Он отмечает, что радиус кривизны отвала должен удовлетворять следующему соотношению где Н - высота отвальной части рабочего органа, м. В этом случае уменьшается влияние кривизны на горизонтальную составляющую сопротивления копанию. Так же, В.И. Баловнев приходит к выводу, что влияние кривизны падает с уменьшением высоты отвала. В Московском автомобильно-дорожном институте под руководством И.А.Недорезова /51/ были проведены исследования отвалов с целью определения их оптимального профиля и оптимального угла установки в плане. При экспериментальных исследованиях определялись величины сопротивлений резанию грунта, перемещению призмы волочения и перемещению стружки по отвалу под призмой волочения для отвалов трёх различных типов (рис. 1.4): 1) с постоянным радиусом кривизны; 2) с переменным радиусом кривизны при большей кривизне внизу; 3) с переменным радиусом кривизны при большей кривизне вверху. Экспериментальные отвалы имели одинаковую высоту, длину и равные углы опрокидывания 8 при равных углах резания у. Все опыты проводились на пылеватом грунте с плотностью 1,75 г/см3 при влажности 18 — 22%. Для данного типа грунта при постоянной толщине срезаемой стружке сопротивление резанию зависит только от углов захвата и резания, а сопротивления перемещению призмы волочения и перемещению стружки по отвалу зависят от радиуса кривизны и высоты отвала. В результате данных исследований были сделаны следующие выводы: 1. Оптимальным профилем поворотного автогрейдерного и универсального бульдозерного отвалов является профиль с постоянным радиусом кривизны. 2. Оптимальным профилем неповоротного отвала бульдозера является профиль с переменным радиусом кривизны при большей кривизне внизу. В исследованиях Н.Т. Сурашова /67/ рассмотрен процесс взаимодействия рабочих органов отвального типа с грунтами различной категории и установлена рациональная форма отвала в продольном сечении с учетом угла естественного откоса грунта р, которая обеспечивает максимальную площадь поперечного сечения призмы волочения. Н.Т. Сурашов рекомендует следующие оптимальные значения: угол наклона отвала є = 73 - 79, центральный угол кривизны отвала (р - 134 -150, значение радиуса кривизны отвала определять по формуле: На основании вышеизложенного обзора и анализа научных исследований, посвященных форме профилей неповоротных бульдозерных отвалов, можно сделать следующие выводы: І.При определении.оптимальных параметров поперечного профиля неповоротного отвала бульдозера принимают в качестве критерия наименьшее сопротивление копанию при наибольшем объеме призмы волочения. 2. Несмотря на то, что многие авторы занимались исследованиями форм профиля отвалов бульдозера, их рекомендации по выбору оптимальных параметров профиля отвала разноречивы. 3. Почти все исследователи считают, что для каждых грунтовых условий существуют свои оптимальные параметры профиля отвала, иначе процесс копания протекает без формирования и движения стружки по отвальной поверхности. 4. Рациональной, с точки зрения наименьшего сопротивления резанию грунта и перемещению призмы волочения, является форма профиля неповоротного бульдозерного отвала переменной кривизны, увеличивающейся в нижней части отвала. На основании полученных выводов можно сформулировать цель и задачи исследования. Целью работы является научное обоснование выбора рациональных геометрических параметров поперечного профиля неповоротного отвала бульдозера. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи: 1. Исследовать методами вариационного исчисления форму поперечного профиля неповоротного отвала бульдозера при перемещении призмы волочения. 2. Разработать методику выбора рациональных геометрических параметров рабочего органа отвального типа. 3. Провести экспериментальные исследования процесса копания грунта опытными образцами отвалов бульдозера. 4. Сопоставить результаты теоретических исследований с экспериментальными данными и установить степень адекватности математической модели. 5. Проанализировать результаты исследований, сделать выводы. Структура экспериментально-теоретических исследований в общих чертах представлена на рис. 1.5.
