Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ современных тенденций совершенствования скреперов 9
1.1. Общие тенденции в развитии скреперов 9
1.2. Классификация и анализ интенсификаторов загрузки ковшей скреперов... 11
1.3. Обзор существующих методов определения усилий заполнения ковшей скреперов с помощью промежуточных стенок 18
1.4. Анализ исследований процесса разгрузки ковшей скреперов 20
Выводы и задачи исследований 24
2. Теоретическое исследование работы скрепера с промежуточной подгребающей стенкой (ППС) 27
2.1. Обоснование основных параметров скреперов оборудованных ППС 27
2.2. Сопротивление передвижению задней стенки при разгрузке удлиненного ковша скрепера 41
2.3. Длина ковша из условия разгрузки грунта 55
2.4. Корректировка сопротивления разгрузки ковша 58
2.5. Сопротивление передвижению промежуточной подгребающей стенки при загрузке ковша скрепера 60
2.6. Метод расчета гидромеханизма перемещения ППС 73
2.7. Заполнение ковша скрепера на заключительной стадии копания 76
Выводы 86
3. Экспериментальные исследования процесса разгрузки удлиненного ковша скрепера 88
3.1. Задачи экспериментальных исследований и измеряемые параметры 88
3.2. Экспериментальная установка по разгрузке моделей удлиненных ковшей..88
3.3. Методика экспериментальных исследований 95
3.4. Результаты исследований процесса разгрузки ковша скрепера 107
Выводы 121
4. Экспериментальные исследования процесса загрузки удлиненного ковша скрепера с помощью промежуточной подгребающей стенки 123
4.1. Задачи экспериментальных исследований и измеряемые параметры 123
4.2. Экспериментальные установки по загрузке моделей удлиненных
ковшей скреперов, оборудованных промежуточной подгребающей стенкой 124
4.3. Методика экспериментальных исследований 130
4.4. Результаты исследований процесса загрузки ковша скрепера 140
Выводы 151
5 Технико-экономические показатели скреперов, оборудованных промежуточными подгребающими стенками 153
5.1. Показатели скреперов с ППС и гидроаккумуляторами в сравнении со скреперами с ППС без гидроаккумуляторов 153
5.2. Сравнение различных моделей скреперов и комплектов машин по производительности и себестоимости работ 155
5.3. Оценка экономической эффективности инвестиционного проекта по модернизации скреперов 159
5.4. Экономический эффект от внедрения технологии производства земляных работ с применением модернизированных скреперов ДЗ-107М с удлиненным ковшом и ППС 161
Выводы 162
Общие выводы 163
Литература
- Обзор существующих методов определения усилий заполнения ковшей скреперов с помощью промежуточных стенок
- Корректировка сопротивления разгрузки ковша
- Методика экспериментальных исследований
- Методика экспериментальных исследований
Введение к работе
Актуальность темы: Скреперы, заполняющиеся за счет тягового усилия, отличаются простотой конструкции, однако, возникает необходимость в использовании трактора-толкача при наборе грунта. Кроме того, загрузка малосвязных грунтов с высоким коэффициентом наполнения невозможна даже с помощью толкачей. В связи с этим увеличивается себестоимость разработки грунта и появляется зависимость технологического процесса скрепера от толкача. Последние 20…30 лет характеризуются поисками эффективных интенсификаторов загрузки скреперных ковшей. Интенсификаторы типа скребковых и шнековых элеваторов нашли применение, однако, имеют существенные недостатки. У скреперов с элеваторной загрузкой затруднена работа на тяжелых грунтах и грунтах содержащих крупнообломочные включения. Кроме того, эти интенсификаторы занимают значительный объем внутри ковша и требуют дополнительных устройств для обеспечения удовлетворительной разгрузки. Перспективным является внедрение интенсификаторов типа промежуточных подгребающих стенок, которые занимают незначительный полезный объем ковша, могут работать с грунтами, содержащими крупнообломочные включения, не препятствуют процессу разгрузки грунта из ковша и могут обеспечить высокий коэффициент наполнения существующих и удлиненных ковшей. Такие интенсификаторы изготавливались различными организациями, а производственные испытания доказывали эффективность их применения. Поскольку теоретических и экспериментальных исследований скреперов с интенсификаторами подобного типа было проведено недостаточно, то вопрос определения рациональных параметров скреперов с интенсификатором в виде промежуточной подгребающей стенки является актуальным.
Объект исследования - рабочее оборудование скреперов с интенсификатором загрузки типа промежуточной подгребающей стенки (ППС).
Предмет исследования - процессы загрузки и разгрузки удлиненных ковшей скреперов с применением ППС.
Целью работы является повышение производительности скреперов и снижение себестоимости выполняемых ими работ.
Основная идея работы заключается в том, что путем применения интенсификатора типа ППС обеспечивается загрузка существующих и удлиненных ковшей с высоким коэффициентом наполнения, увеличение производительности и снижение себестоимости выполняемых работ.
Задачи исследования:
- создать функциональную зависимость (целевую функцию) по определению рациональной длины, а, следовательно, и вместимости ковша, оборудованного ППС;
- теоретически и экспериментально определить максимально возможную длину ковша из условия предельного состояния грунта при разгрузке;
- разработать метод расчета сопротивлений передвижению задней стенки в удлиненном ковше на основе уточнения напряженного состояния грунта при разгрузке;
- исследовать процесс загрузки и разработать метод по определению сопротивления продвижению грунта внутрь ковша с помощью ППС;
- создать метод расчета гидромеханизма привода ППС;
- исследовать возможность увеличения коэффициента наполнения передней части ковша на заключительной стадии копания до полной пробуксовки колес;
- выполнить расчет технико-экономических показателей скреперов, оборудованных ППС.
Основные научные положения, представленные к защите:
1. Вместимость ковшей скреперов, оборудованных ППС, экономически целесообразно увеличивать путем удлинения ковша существующих скреперов в 1,51…1,88 раза, в зависимости от параметров машины и дальности транспортировки грунта.
2. Процесс загрузки удлиненного ковша с помощью ППС аналогичен процессу разгрузки грунта с помощью задней стенки, в связи с чем в методах определения сопротивлений загрузке и разгрузке следует учитывать напряжения по криволинейной поверхности сдвига, боковым и нижним граням призмы выпирания путем их интегрирования.
3. У скреперов с ППС и удлиненным ковшом на заключительной стадии копания в результате увеличения сцепной силы тяжести и тяги, а также использования рывка до полной пробуксовки колес возможно повысить усилие на рабочем органе машины на 20…38% и коэффициент наполнения передней части ковша на 12…19%.
Научная новизна работы:
1. Выявлено распределение удельных давлений со стороны грунта на заднюю и боковые стенки ковша скрепера в процессе разгрузки и определены контуры призм выпирания, образующихся при загрузке с помощью ППС удлиненных ковшей, а также при разгрузке с помощью задней стенки.
2. Разработаны методы расчета сопротивлений загрузке и разгрузке удлиненных ковшей скреперов.
3. Предложен метод определения динамической нагрузки на рабочий орган в заключительной стадии копания.
Практическая значимость работы заключается в том, что полученные результаты исследований, обоснований и апробаций позволяют решить в едином комплексе ряд сложных и актуальных для проектирования скреперов задач, и в частности:
- обоснованы основные параметры скреперов с интенсификаторами загрузки типа ППС;
- создана методика экспериментальных исследований по определению деформаций грунта внутри ковша под воздействием ППС и задней стенки с помощью меченых частиц и цветных полос;
- установлено, что работа ППС и одновременное движение скрепера при наборе грунта невозможны без дополнительного источника энергии;
- предложено в качестве дополнительного источника энергии использовать гидроаккумуляторы, заряжаемые при холостых пробегах скрепера;
- проведены производственные испытания, которые подтвердили эффективность применения скреперов с ППС.
Достоверность научных положений, изложенных в работе, подтверждается экспериментальными исследованиями в лабораторных и полевых условиях, с использованием современного оборудования и необходимым объемом экспериментальных данных и их хорошей сходимостью с теоретическими расчетами, а также результатами производственных испытаний опытного образца скрепера, оборудованного ППС.
Реализация работы. Результаты диссертационной работы внедрены в ОАО «Ургалуголь». Лабораторное экспериментально-исследовательское оборудование внедрено в учебный процесс на кафедре «Транспортно-технологические системы в строительстве и горном деле» Тихоокеанского государственного университета (ТОГУ).
Апробация работы. Основные положения диссертации обсуждены и одобрены на: Международной научно-технической конференции Интерстроймех в 2003 и 2007гг.; симпозиуме «Неделя горняка» (семинар «Горные машины и оборудование») в 2007 и 2008гг.; симпозиуме «Дальний Восток-3» (семинар «Современные технологии добычи и переработки полезных ископаемых) 2007г.; IV, V, VI, VII Межрегиональных научно-технических конференциях с международным участием «Механики ХХI веку», г. Братск, БрГУ, 2005-2008гг; 60-й региональной научно-практической конференции творческой молодежи, г. Хабаровск, ДВГУПС, 2002; III, V краевых конкурсах молодых ученых и аспирантов, г. Хабаровск, 2001, 2003гг; кафедре «Транспортно-технологические системы в строительстве и горном деле» ТОГУ.
Объем и структура диссертации: Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы из 122 наименований и 12 приложений на 29 страницах. Основное содержание работы изложено на 175 страницах машинописного текста, включая 10 таблиц, 101 рисунок.
Обзор существующих методов определения усилий заполнения ковшей скреперов с помощью промежуточных стенок
Скрепер с телескопическим ковшом имеет два ковша, меньший из которых перемещается внутри основного на роликах (рис.1.2 /). Удельная энергоемкость процесса копания ниже, чем у существующих скреперов, кроме того, имеется возможность значительного удлинения ковша и его вместимости [18, 19]. Однако, данная конструкция скрепера имеет завышенную металлоемкость и сложна в изготовлении.
У скреперов с активным ножом (рис. 1.2/с) эффективность работы достигается за счет уменьшения усилия на отделение стружки грунта от массива и снижения сопротивления перемещения грунта по ножу в ковш. Активные ножи могут выполняться в виде виброножей, поворотных ножей или ножей с изменяемой шириной [8, 20]. Данная конструкция сложна в изготовлении. Так же велика вероятность поломки ножей при работе с каменистыми включениями.
Скреперы с загрузочным лотком отличаются компоновкой и наличием шар-нирно прикрепленного к ковшу загрузочного лотка (рис. 1.2/7). Заполненный за счет тягового усилия машины загрузочный лоток принудительно опрокидывается назад и разгружается в заднюю часть ковша [8]. Недостатками являются низкая эффективность при работе на связных грунтах вследствие залипання, а также более сложная и дорогостоящая конструкция.
Скреперы с секционным (роторным) барабаном (рис. 1.2/у) осуществляют загрузку и разгрузку ковша за счет поочередного поворота барабана на определенный угол (обычно 90) [8, 22]. Аналогичную конструкцию имеют скреперы с гребковым ротором [14,8] (рис. 1.2//). Скреперы с секционным барабаном и гребковым ротором имеют очень сложную, громоздкую и дорогостоящую конструкцию рабочего оборудования. Центр тяжести таких скреперов повышается, что снижает устойчивость машины. Кроме того велика вероятность залипання ротора или барабана.
Оригинальным является решение использовать эластичные надувные оболочки для принудительного перемещения грунта внутри ковша [23] (рис. 1.2п). Но использование такого типа интенсификаторов невозможно на грунтах с каменистыми включениями, поскольку очевидно повреждение оболочки.
Работа скреперов с активной заслонкой (A3) основана на том, что накапливающийся при копании перед ковшом в призме волочения грунт, захватывается ею и перемещается внутрь ковша [8, 24] (рис. 1.2р,с). Недостатком применения A3 является необходимость увеличения длины тяговой рамы и габаритов машины, для обеспечения возможности работы интенсификатора перед ковшом. A3 с произвольной траекторией движения очень сложны по конструкции и в управлении.
Для разработки плотных и мерзлых грунтов предлагается оснащать скреперы диско-фрезерным оборудованием [25] (рис. 1.2 /77). К недостаткам такой схемы можно отнести большую энергоемкость процесса копания грунта и малую производительность скрепера (особенно при работе на мерзлых грунтах).
Разработаны комбинированные методы интенсификации основанные на сочетании традиционных и новых схем [8, 16, 122] (рис. 1.20). В качестве традиционных методов используются двухножевая система копания и наклонные боковые стенки, а в качестве нового метода принята газовоздушная смазка поверхностей скольжения. Недостатком газовоздушной смазки является возможность возникновения явлений «простреливания» и «фонтанирования» грунта в ковше при его загрузке или выгрузке, что резко снижает эффект от применения этих устройств.
Увеличения коэффициента наполнения ковша можно достичь применением догружающих сцепных устройств, которые увеличивают сцепную силу тяжести тягача при наборе грунта [26, 27]. Недостатком таких устройств является невозможность их применения на скреперах, агрегатируемых одноосными тягачами.
Перспективным направлением в развитии интенсификаторов загрузки ковша являются активные стенки. По принципу перемещения грунта активные стенки можно подразделить на метательные и подгребающие. Двухлопастной активный рабочий орган (ДАРО) в качестве привода имеет обычно кривошипный механизм. ДАРО располагается в передней верхней части ковша (рис. 1.3 а). Скреперы с ДАРО возможно использовать как для подгребания (сдвигания) так и для метания грунта [28,29].
При подгребании грунта гребная лопасть в точке В і (рис. 1.3 5) внедряется в грунт, находящийся в ковше. Затем происходит перемещение нижней кромки лопасти по заданной траектории до точки В, находящейся на минимальном расстоянии Н от днища ковша, далее нижняя кромка лопасти выходит из контакта с грунтом в точке С\, и затем, перемещая грунт до высоты наполнения Нг, ссыпает его в ковш скрепера, двигаясь обратно вхолостую. Осыпающийся грунт располагается в ковше под углом естественного откоса, как в продольном, так и в поперечном профиле.
Однотипная конструкция интенсификатора может использоваться и для метания грунта (рис. 1.3 0). При контакте ДАРО с грунтом скорость ее лопасти (стенки) равна или несколько больше скорости срезанного пласта грунта в ковше, после этого скорость метательной стенки плавно увеличивается до величины, необходимой для броска грунта на заданную высоту наполнения и длину ковша. После отрыва грунта от метательной стенки скорость ее снижается до нуля, чтобы подготовить плавное изменение направления ее движения на холостой ход. Далее цикл повторяется. Наибольший эффект от применения ДАРО можно получить на сыпучих грунтах. В тоже время на связных и липких грунтах или грунтах с каменистыми включениями на метательное оборудование действуют значительные динамические нагрузки, что может привести к его поломке. Кроме того, может произойти залипание грунтом лопастей, что снизит эффективность ДАРО.
Артемьевым К.А. обоснован продольный профиль ковшей, которые значительно длиннее ковшей, применяемых на существующих скреперах. Однако, заполнение задней части таких ковшей не представляется возможным при любом ин-тенсификаторе из рассмотренных выше. Интенсификаторы типа 1111С обеспечивают высокий коэффициент наполнения ковша не только с продольным профилем, обоснованным Артемьевым К.А., но и еще более длинные, если это вызвано экономической целесообразностью. Подгребающие активные (промежуточные подгребающие) стенки перемещаются внутри ковша скрепера и имеют привод от гидроцилиндров. В зависимости от конструкции интенсификатора активные стенки могут иметь простую, сложную или произвольную траекторию движения. 1111С с про 17 стой траекторией движения (рис. 1.4 а ) перемещается в направляющих и управляется одной парой гидроцилиндров [30]. Данная схема проста по устройству и в управлении, однако, при продвижении грунта в заднюю часть ковша наряду с пересыпанием будет происходить и его сжатие, что приведет к значительному увеличению сопротивлений. Кроме того, при обратном ходе стенки, грунт будет осыпаться.
Корректировка сопротивления разгрузки ковша
Проделанный анализ позволяет сделать вывод о перспективности создания скреперов с интенсификаторами загрузки ковша типа ППС, поскольку соотношение 0/VK у них на 14...28% меньше чем у скреперов с элеваторной загрузкой в шнековом или скребковом исполнении. Затраты на техническое обслуживание и ремонт скрепера с ковшом і-ой длины также зависят от стоимости машины [51, 60] Р, = S,Hp(fOOTryt (2.6) где Нр - норма отчислений на ТО и ремонт скрепера. Затраты на замену шин скрепера с ковшом і-ой длины [51] Зіш = Цша?КдшпшПг(2ПиТгУ, (2.7) где Cf - сила тяжести пары шин при і-ой длине ковша; Цш- рыночная цена шин, приведенная к единице их веса; пШ1Пш - соответственно число шин на скрепере и нормативный пробег шины, км; Кдш - коэффициент, учитывающий затраты на доставку шин и на проведение работ по их замене; Пг - среднегодовой пробег скрепера.
Расчет изменения силы тяжести шин в зависимости от увеличения длины ковша приводится в приложении 1. Затраты на топливо [51, 60, 61] Зя = qeNeKe6KdNKmNKm3(Lia + Да) {1000рдУ , (2.8) где qe- удельный расход топлива при номинальной мощности двигателя; Ne- номинальная мощность двигателя; рд- удельная масса дизельного топлива; Кдб- коэффициент использования двигателя по времени; KgN- коэффициент использования двигателя по мощности; KmN- коэффициент, учитывающий изменение удельного расхода топлива в зависимости от KdN; Ктз - коэффициент, учитывающий расход топлива на запуск; Цд- цена дизельного топлива; йд- стоимость доставки дизельного топлива.
При удлинении ковша мощность двигателя остается без изменений, поскольку его мощности достаточно для преодоления сопротивлений, действующих на скрепер в тяговом и транспортном режимах [44]. В тяговом режиме сопротивления возрастают незначительно, поскольку ширина ковша остается неизменной. При движении скрепера в транспортном режиме сопротивления возрастают прямо пропорционально его массе. Однако, для их преодоления тягач имеет достаточный резерв мощности двигателя, который недоиспользуется. Мощности двигателей существующих скреперов обеспечивает скорость их движения с грунтом порядка 40...50км/час. Фактически из-за небольшой дальности транспортировки грунта и плохого состояния дорог, скреперы из условия безопасности движения редко развивают скорость более 20...30км/час [62, 63, 64]. Затраты на смазочные материалы Зс принимаются в зависимости от расходов на топливо [51] Зс = ЗтКС1 (2.9) где Кс- коэффициент перехода от стоимости топлива к стоимости смазочных материалов. Затраты на рабочую жидкость [51] 3Р = ЧрКвПр{Цр + MP) T}1, (2.10) где q - емкость гидравлической системы скрепера, с удлинением ковша изменяется незначительно, поэтому для упрощения расчетов принимаем постоянной величиной; Кд- коэффициент, учитывающий пополнения рабочей жидкости в систему; Пр- периодичность полной замены рабочей жидкости; Цр- стоимость рабочей жидкости; Др - стоимость доставки рабочей жидкости.
Эксплуатационная производительность машины Пі3 определяется в соответствии с [7, 65, 66] Па =3600ViK6\Kpa3pTiuy , (2.11) где I/ - объем грунта в ковше і-ой длины; Кв - коэффициент использования машины по времени в течение часа (смены); Кразр - коэффициент разрыхления грунта в ковше; Тіи- время цикла машины с ковшом і-ой длины. Объем грунта в ковше скрепера, оснащенного интенсификатором загрузки в виде промежуточной подгребающей стенки (ППС), определяется по зависимости [67] К- = qmK% + qaKaH, (2.12) где qn3 - вместимость ковша в области передней заслонки; qld - вместимость ковша і-ой длины в области над днищем ковша; К - коэффициент, учитывающий наполнение передней части ковша (в области передней заслонки); Кдн- коэффициент, учитывающий наполнение области над днищем ковша. Наполнение передней части ковша зависит от величины тягового усилия и сцепной массы скрепера. На последнем этапе набора грунта передняя часть ковша заполняется только за счет тягового усилия без использования ППС. С увеличением тягового усилия скрепера коэффициент К возрастает. Область над днищем ковша заполняется как за счет силы тяги, так и при помощи интенсифи-катора, который продвигает грунт из передней части ковша в заднюю. Траектория движения ППС подбирается из условия полного заполнения ковша. В связи с этим Кдн можно принимать за постоянную величину [43].
Вместимость ковша і-ой длины в области над днищем ковша Ча=Яіа1, (2.13) где q1g - вместимость ковша существующего скрепера в области днища. Время рабочего цикла скрепера с ковшом і-ой длины определяется по формуле [68] Тш =tiK+ Ър +ffP+ tbx + tan (2-14) где t,Kttizpitip tixx соответственно время копания, транспортировки, разгрузки грунта и холостого хода скрепера с ковшом і-ой длины; tdon- дополнительное время на развороты и переключение передач. Продолжительность копания грунта скрепером при условии полного использования мощности тягача и приводом интенсификатора от дополнительного источника энергии (гидроаккумуляторов) [68] ( ( \ v г \ (BhKK + А „ - Z C,a)(„{N - #,)# - S.) 1 + " V Hi ) где YJO,- суммарная сила тяжести скрепера и грунта; Rfu - сцепная сила тяжести скрепера при і-ой длине ковша; (рСЦ1 со,6к,е- соответственно коэффициенты сцепления, сопротивления качению, буксования и уклона местности при копании; Кк- коэффициент удельного сопротивления копанию; У- коэффициент, учитывающий объем грунта перед заслонкой; В, Н - соответственно, ширина ковша и высота его наполнения; h - минимальная толщина стружки в конце копания; N, NB 36 соответственно мощность двигателя и мощность, затрачиваемая на привод вспомогательных механизмов; г] - коэффициент полезного действия трансмиссии. Коэффициент удельного сопротивления копанию определяется по зависимости [69] КК=ТК- F p = Тк (BhY, (2.16) где 7 к - сопротивление копанию; Fcmp -площадь поперечного сечения стружки. Сопротивление копанию определяется согласно известной методике [7] Тк = KpBh + BhHy + хВН2у + УВНуц2, (2.17) где у - приведенная плотность грунта, равная произведению плотности р на ускорение свободного падения, т.е. р 9,81.
Методика экспериментальных исследований
Сопротивление трения грунта призмы выпирания по боковым стенкам ковша зависит от напряжений возникающих в грунте в направлении оси У (рис.2.11). Для определения Fmp ff и FmpdH рассмотрим напряженное состояние элементарных объемов грунта, соответствующих местоположению точек А и Б. В т. А пересекаются боковая стенка, днище и поверхность сдвига ПВ, а в т. Б боковая стенка, днище и задняя стенка (рис.2.1U). На элементарные объемы грунта действуют, во-первых, напряжения, возникающие от собственного веса грунта и направленные вдоль осей X, У и Z: rz, 7Х = (Ту = azZ. Во-вторых, в результате давления задней стенки на грунт в элементарных объемах А и Б соответственно возникают дополнительные (распорные)напряжения сг х,ау,сгг и (jnx,oyl jz (рис.2.11).
Схема к определению сопротивления трения грунта ПВ по боковым стенкам и днищу ковша: а - общая схема действия напряжений (удельных давлений) на днище и боковые стенки ковша со стороны ПВ; б - схема действия напряжений (удельных давлений) на боковую стенку в точке А пересечения поверхности сдвига с днищем ковша; 6 - схема действия напряжений (удельных давлений) в элементарных граничных объемах А и Б; г - схема к определению угла в; д - схема к определению площади контакта ПВ с днищем ковша.
Очевидно, что при уменьшении глубины залегания h элементарных объемов, напряжения, возникающие от силы тяжести грунта, будут снижаться и на поверхности грунта станут равны нулю [75]. В связи с тем, что при сжатии ПВ задней стенкой, грунт вдоль оси Z может свободно перемещаться (подниматься вверх), можно принять, что cr z = Jnz = 0. Напряжения о х и &у, а также т"х и (Ту взаимосвязаны между собой через коэффициент бокового давления в грунте, и могут быть записаны в следующем виде: ст у = т хЯ, ау = а"хХ. Значения Л для рыхлого грунта в ковше скрепера равно 0,40...0,70 [76, 79, 80], а сг х определяется из условия равенства пассивного отпора Fnac силам, действующим на заднюю стенку со стороны грунта в ковше. Удельные давления и напряжения имеют одинаковую размерность и физическую сущность. Поскольку принято, что напряжения характеризуют деформации внутри тел (грунтов), то напряжения действующие со стороны грунта на заднюю, боковые стенки и днище ковша, в дальнейшем будем называть удельными давлениями.
Дополнительное (распорное) напряжение вдоль оси X равно J X = Jp cos є, (2.63) где CTp - результирующее напряжение от дополнительных напряжений. Результирующее напряжение тр выразим через нормальное напряжение по поверхности сдвига crN: сгр = JN [cos(s - р)] . (2.64) Преобразуем уравнение (2.63) с учетом зависимостей (2.47) и (2.64) о-; = crN cos є [cos(s - arcs/n(B/2R))] 1. (2.65) Дополнительное (распорное) удельное давление вдоль оси У ст у = cr xtgs = JN coss\cos(s - arcs/n(B/2R))] 1. (2.66) Удельное давление в грунте в нижней части ковша в направлении оси У от силы тяжести грунта с учетом коэффициента бокового давления а у = уНГде. (2.67) Сопротивление трения грунта по боковой стенке ковша FmpB =(Nr+N2)M„ (2.68) где /V; - давление на боковую стенку со стороны грунта призмы выпирания от дополнительных (распорных) удельных давлений; N2- давление на боковую стенку со стороны грунта призмы выпирания от силы тяжести грунта; //; - коэффициент трения грунта по стали. Давление на стенку N1 равно н /V, = J о k__h h_ \\ f-дгс W. (( А пц+(7р \dh, (2.69) где Yc Угол наклона задней стенки к днищу; 9- угол наклона линии пересечения лобовой поверхности ПВ с боковой стенкой; к - длина боковой грани ВМ призмы выпирания в верхней части ковша (рис.2.11а).
Длину боковой грани к можно выразить следующей зависимостью к = ао+Т + Ъ- (2-70) їду с fg9 где я -расстояние между точками А и Б (а0 = (0,04...0,0б)В). Удельные давления ау и уу, действующие на боковую стенку со стороны грунта вдоль оси У на дне ковша, можно записать в следующем виде д =Y yh;"y =ftih, (2.71) где Уц У"у коэффициенты, имеющие размерность Н/м и учитывающие изменение соответственно удельных давлений (j y,ci"y с глубиной залегания грунта в ковше. Сделаем допущение, что линия AM пересечения лобовой поверхности ПВ и боковой стенки является прямой линией (рис.2.11г). Угол наклона линии AM к днищу ковша e arcfg-- -—, (2.72) лА - лм где Х А, Х м- координаты соответственно точек А и М относительно оси А". Координаты точек А и М: Х А = Hltgfi + {R2 - J - в2U); Х м =Rf- / - В2/4. (2.73) Угол наклона линии AM зависит от геометрических параметров ковша и ПВ. Преобразуем уравнение (2.72) с учетом зависимостей (2.73) в = arcfg . Н г . (2.74) H/tgP + R2-Rf- \R22 - В2J4 + JR? - В2/4 Давление на стенку N2 от силы тяжести грунта в ковше равно h h N2 = J о dh, (2.75) Су J к ІЛ г9Ус їдв. где а у - удельное давление, возникающее от силы тяжести грунта и действующее на боковую стенку ковша. Удельное давление ту можно записать следующим образом гу = Yyh, (2.76) где уу - коэффициент, имеющий размерность Н/м и учитывающий изменение удельного давления т„ с глубиной залегания грунта в ковше.
С учетом уравнений (2.69),(2.71),(2.75),(2.76), после интегрирования удельных давлений, действующих на боковую стенку ковша, и упрощений силу трения о боковую стенку можно записать следующим образом
Составляющая FmpdH при определении пассивного отпора грунта Fmc в уравнении (2.30) трдн — dHaz 1 (2.78) где SngpH - площадь соприкосновения призмы выпирания с днищем ковша; (Tz - удельное давление в грунте, контактирующем с днищем ковша.
Методика экспериментальных исследований
Полученные уравнения (2.159), (2.160) позволяют расчетным путем определять составляющие Рх и Р2 общего сопротивления Р перемещению ППС, а, следовательно, и усилия в штоках гидроцилиндров привода ППС. Значение общего сопротивления изменяется по мере движения ППС. Максимальное значение Рт достигается при наибольшем объеме грунта в ПВ, что соответствует 33...54% от общего хода Lnnc (рис.2.20). Зная зависимость изменения Рт от хода ППС можно обоснованно подходить к определению энергозатрат на работу интенси-фикатора и расчету гидромеханизма перемещения ППС. Расчетные данные максимальных значений общего сопротивления Рт приведены в приложении 5. 2.6. Метод расчета гидромеханизма перемещения ППС
С целью определения потребной мощности на привод интенсификатора типа ППС и обоснования возможности применения гидроаккумуляторов, возникает необходимость разработки метода расчета усилий на штоках гидроцилиндров механизма перемещения промежуточной стенки. Ниже рассматривается последовательность расчета по этому методу, а также определение потребной мощности на привод интенсификатора и подбор гидроаккумуляторов.
Траектория движения подгребающей стенки задается направляющими, расположенными на наружной стороне боковых стенок ковша (рис.2.1). ППС перемещается вдоль бортов ковша скрепера по направляющим при помощи гидроцилиндров [84]. Для определения усилия на штоках гидроцилиндров Fy необходимо учесть составляющие Рх и Pz сопротивления перемещению ППС, а также трение роликов Рд и RM о направляющие (рис.2.23). Ролики , Гидроцилиндр npuboda ППС Рис.2.23. Схема к расчету привода ППС Из уравнения моментов относительно точки А Fu = FTbjs. (2.162) где b,s- плечи действия сил; FT- усилие, возникающее в тяге при перемещении ППС. Из уравнений моментов относительно точек Д и М RM = {0,5Px.(l + dff) + 0,5PZ, 0,5d)/d, (2.163) Ra = (p,5Pxd + 0,5PZ, 0,5d)/d. (2.164) где d - база каретки; /- расстояние от точки приложения сил Рх, и Pz, до нижней внутренней кромки направляющих; d0 - диаметр роликов каретки. Из суммы проекций сил на ось тяги FT = [Рд + рм + 0,5Рх.)cos ат - 0,5PZ. sin ат, (2.165) где Рм, Рд- сопротивления передвижению роликов по направляющим, определяемые по известным зависимостям [85]. Затраты мощности на привод ППС Nnnc (кВт) будут равны [86] Nnnc = 2Fu&uJJl/rjp WOO-1, (2.166) где Зц- скорость выдвижения штока гидроцилиндра; г\ц- коэффициент полезного действия гидроцилиндра; rjp- коэффициент полезного действия рычажной системы.
Расчеты по приведенной зависимости показывают, что для привода интен-сификатора типа ППС в зависимости от модели скрепера, длины его ковша и свойств грунта может затрачиваться от 18,7 до 35,1% номинальной мощности двигателя базового тягача (приложение 5). Поскольку копание на заключительной стадии ведется с максимальным использованием мощности тягача, одновременное включение в работу ППС невозможно [45]. Следовательно, для того чтобы включить интенсификатор необходимо остановить скрепер и прекратить копание. Однако, это приведет к увеличению времени цикла машины. В связи с этим, целесообразно для привода ППС использовать гидроаккумуляторы подключаемые в гидросистему по разработанной автором схеме [87] и заряжаемые при движении скрепера с порожним ковшом в сторону забоя. Работа при разрядке гидроаккумулятора (ГА) для изотермного процесса [88] А и = РЛНРтах/рЛ С2-167) где рн - начальное давление газа в ГА (давление в конце разряда ГА жидкостью); ртах- максимальное давление зарядки ГА; VK- конструктивная (полная) емкость ГА.
Работа, выполняемая при разрядке аккумуляторов, Аи с учетом потерь в гидросистеме должна быть не меньше работы А, совершаемой при перемещении ППС Aurj2C А, (2.168) где г]гс - коэффициент полезного действия гидросистемы. Или с учетом уравнения (2.167) РнКЧгс ІПІРШХІРН) А. (2.169) Тогда конструктивный объем ГА К .I 7-у (2Л70) С достаточной точностью для азотного ГА можно принять рн = 0,418ртах [84] Тогда неравенство (2.170) можно записать в следующем виде А А / — = 1 . (2.171) 0А18ртахг]гс1п \Pmax IU fi Ртах гс Усилие на штоках гидроцилиндров Рц при перемещении ППС изменяется, поскольку меняются сопротивления Рх и Pz , определяемые по уравнениям (2.159), (2.160). Это обусловлено изменением объема грунта в призме выпирания Vm перед ППС (приложение 6, рис.2.20). Если траекторию движения ППС разбить на ряд шагов и для каждого шага аналитически определить Рх , Pz и РТ (рис.2.24а), то можно рассчитать изменение усилия в гидроцилиндрах привода ППС. Зависимость изменения усилия в гидроцилиндрах привода ППС можно представить в графическом (рис.2.24 5) и аналитическом виде.
