Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ существующего положения в обосновании основных параметров режущего инструмента многорезцовых исполнительных органов 10
1.1 Анализ условий эксплуатации и основных параметров технических характеристик экскаваторов траншейных бесковшовых 10
1.2 Обзор исследований сопротивляемости резанию прочных и мерзлых грунтов 16
1.2.1 О механизме резания грунта 16
1.2.2 О расчете сил сопротивления резанию грунтов 37
1.3 Цели и задачи исследования 44
2 Методика проведения экспериментальных исследований механизма взаимодействия одиночного резца с массивом мерзлого грунта 46
2.1 Общие положения 46
2.2 Стенд для резания мерзлых грунтов СРМГ-1 48
2.3 Универсальная испытательная машина УИМ-2 51
2.4 Приготовление образцов мерзлого грунта 53
2.5 Порядок проведения экспериментов по резанию мерзлых грунтов с одиночным резцом на стенде СРМГ-1 55
2.6 Порядок проведения экспериментов по внедрению штампов в образцы мерзлого грунта на лабораторном стенде УИМ-2 61
3 Исследование механизма резания мерзлых грунтов одиночным резцом 63
3.1 Анализ механизма блокированного резания 63
3.2 Влияние основных параметров реза на силу резания 73
3.3 Выводы по главе 82
4 Влияние ширины режущего инструмента на другие параметры рабочего органа ЭТЦБ 84
4.1 Взаимосвязь ширины режущего инструмента с основными показателями технической характеристики ЭТЦБ и разрушаемой среды 84
4.2 Влияние ширины резца на выбор ширины среза для различных схем резания 87
4.3 Взаимосвязь ширины резца с шагом расстановки резцов в линии резания 93
4.4 Влияние армирования резцов твердосплавными элементами на выбор ширины инструмента 96
4.5 Выводы по главе 101
5 Обоснование методики выбора и расчета основных параметров многорезцового цепного рабочего органа 102
5.1 Выбор основных конструктивных параметров рабочего органа 102
5.2 Определение силовых и энергетических затрат на резание мерзлых грунтов с учетом износа режущего инструмента 107
5.3 Определение эффективности применения ЭТЦБ 118
5.4 Выбор оптимального значения ширины резца 120
5.5 Оптимизация на ЭВМ рабочего органа ЭТЦБ 122
5.5.1 Выбор критериев и обоснование цели оптимизации 122
5.5.2 Методика оптимизации рабочего органа ЭТЦБ 123
5.5.3 Результаты оптимизации на ЭВМ 127
5.6 Выводы 131
Основные выводы работы 133
Литература 134
Приложение 1 144
Приложение 2 149
Приложение 3 150
Приложение 4 152
Приложение 5 174
- О механизме резания грунта
- Анализ механизма блокированного резания
- Влияние ширины резца на выбор ширины среза для различных схем резания
- Результаты оптимизации на ЭВМ
Введение к работе
Актуальность темы. Вопросам разработки мерзлых грунтов
посвящено большое количество исследований таких научных школ как МАДИ, МГСУ, КИСИ, ТПУ, ТГАСУ, СибАДИ, представляемых АН.Зелениным, Н.Г.Домбровским, Ю.В.Ветровым, О.ДАлимовым, И.Г.Басовым, КААртемьевым и многими другими, а также проектно-конструкторскими бюро и НИИ.
Это обусловлено условиями работы машин в зимних условиях, особенно в регионах Западной Сибири и Крайнего Севера, где значительный объем строительно-монтажных работ ведется в зимний период (прокладка дорог, инженерных коммуникаций, нефтегазопроводов, освоение нефтегазовых месторождений), так как в летнее время зачастую сделать это невозможно из-за труднопроходимости заболоченной местности. В зимнее время сопротивление грунтов разрушению значительно возрастает, что заставляет использовать специальную технику для разрушения мерзлых и прочных грунтов - экскаваторы траншейные цепные бесковшовые (ЭТЦБ).
Анализ конструкций ЭТЦБ выявил ряд конструктивных недостатков. Рабочие органы данных экскаваторов проектируются с использованием режущего инструмента, изготовленного для горнодобывающей промышленности, что не всегда целесообразно. Существует практика установки одинакового режущего инструмента на машины со значительно отличающейся мощностью, размерами отрываемой траншеи и скоростью подачи. Схемы расстановки режущего инструмента на рабочем органе проектируются с использованием только результатов эксплуатации ЭТЦБ. Четких рекомендаций по выбору основных параметров рабочего органа (ширины резца, глубины резания, поперечного шага расстановки резцов по забою) в зависимости от применяемой схемы расстановки резцов, конструктивно-кинематических параметров машины и физико-механических свойств грунта не существует. Это говорит об отсутствии должного методического подхода к проектированию рабочего органа ЭТЦБ. Совокупность недостатков существующих рабочих органов ведет к повышенным удельным приведенным затратам на эксплуатацию ЭТЦБ и расходу дорогостоящего режущего инструмента.
Анализ исследований отечественных и зарубежных источников процесса взаимодействия режущего инструмента с грунтом показал их недостаточность.
і (>Сй НАЦИОНАЛ ЫМв} ВНБЛИОГЕКА І
Выход из сложившейся ситуации - это создание методики по выбору и расчету основных параметров рабочего оборудования ЭТЦБ на основании проверенных экспериментальных данных.
Целью настоящей работы является обоснование методики выбора и расчета основных параметров рабочего органа ЭТЦБ в зависимости от свойств разрушаемой среды и конструктивно-кинематических параметров базовой машины.
Для достижения цели были поставлены следующие задачи исследований:
- установить рациональное соотношение между шириной резца
Ь, глубиной h и поперечным шагом резания t для наиболее
распространенных мерзлых грунтов по полублокированной и сотовой
схемам набора резцов;
-получить зависимости критической глубины резания от ширины резца, угла резания и физико-механических свойств мерзлых грунтов;
получить зависимость ширины резца от совокупности определяющих конструктивно-кинематических параметров базовой машины ЭТЦБ;
разработать методику выбора и расчета рациональных схем набора режущего инструмента для полублокированной и сотовой схем разрушения;
-создать методические основы разработки параметрического ряда режущего инструмента для ЭТЦБ.
Научная новизна работы заключается:
в уточнении механизма резания мерзлых и прочных грунтов одиночным резцом;
в установлении зависимости критической глубины срезаемой стружки от физико-механических свойств мерзлых грунтов и геометрии режущего инструмента (ширины резца и угла резания);
в выявлении зависимости параметров поперечного сечения среза от формы и размеров уплотненного ядра;
в обосновании зависимости ширины резца от совокупности определяющих конструктивно-кинематических параметров базовой машины ЭТЦБ;
Теоретической и методологической основой диссертации являются основные положения механики резания различных материалов, методы корреляционно-регрессионного анализа, труды ученых по этим вопросам. Обработка экспериментальных данных проводилась с
использованием методов математической статистики. Численные расчеты выполнены на ЭВМ при помощи языка программирования Quick-Basic.
Практическая ценность работы заключается:
в результатах исследования процесса взаимодействия резца с разрушаемым массивом мерзлого грунта с учетом такого явления, как критическая глубина резания;
в методике рациональной расстановки резцов по полусвободной, полублокированной и сотовой схемам резания;
в создании методики выбора и расчета основных параметров многорезцового цепного рабочего органа ЭТЦБ.
Реализация результатов диссертационной работы.
Метод выбора и расчета основных параметров многорезцового цепного рабочего органа применим для расчета и оптимизации рабочих органов ЭТЦБ. Отдельные составляющие методики использовались при создании машин: УРМГ-60, БЭТУ, «Мороз», ЦКМ-1, 2, «Ас-катеш», ТМ-5. Полученная методика реализована в виде программы для ЭВМ «Bagger», при помощи которой была проведена многовариантная оптимизация конструкции рабочего органа траншейного экскаватора БК-700, что позволило снизить удельные приведенные затраты на эксплуатацию машины на 90%.
Методика выбора и расчета основных параметров многорезцового цепного рабочего органа используется ООО «Томскводоканал» (г.Томск), НИЦ «Импульс» (г.Бишкек), ОАО «Сибстроймеханизация» (г.Новосибирск), и в учебном процессе кафедры «Строительных и дорожных машин» Томского государственного архитектурно-строительного университета по дисциплине «Машины для земляных работ» IV курса специальности 19.02.05 - «Подъемно-транспортные, строительные, дорожные машины и оборудование».
Апробация работы. Результаты диссертационной работы доложены на международной научно-технической конференции «Интер-строймех-98» (Воронеж, 1998), на международной научно-технической конференции «Интерстроймех-2001» (Санкт-Петербург, 2001), на международной научно-технической конференции «Архитектура и строительство. Наука, образование, технологии, рынок», на секции «Совершенствование технологий строительного производства, повышение эффективности труда, уровня технической надежности» (Томск, 2002), на заседании кафедры «Строительных и дорожных машин»
Томского государственного архитектурно-строительного университета.
Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 7 опубликованных работах.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных выводов работы, библиографического списка и приложений. Содержание диссертации изложено на 135 страницах, включая 43 рисунка, 26 таблиц, библиографического списка с числом 102 записей и 5 приложений. Общий объем работы составляет 185 страниц.
О механизме резания грунта
Взаимодействие режущего инструмента с разрушаемой средой сопровождается отделением пограничных слоев материала от массива. Протекающие в разрушаемом материале явления носят сложный характер, поэтому они до настоящего времени недостаточно изучены, несмотря на то, что начало исследований процесса резания было положено И.А. Тиме более полутораста лет назад. За это время накопилось большое количество работ.
В данной главе мы ограничимся анализом исследований механизма резания прочных и мерзлых грунтов одиночным резцом, что позволит выявить пути изыскания рациональных конструктивных параметров режущего инструмента, схем резания и режимов работы многорезцовых рабочих органов траншейных экскаваторов.
В тридцатые годы двадцатого столетия появился ряд работ [12, 15, 28, 38] по теоретическому обоснованию процессов разрушения угля резцом горной машины, которые основывались на теории резания металлов К.А.Зворыкина. Поскольку зубок (резец) действует как клин, авторы находили угол между направлением движения резца и плоскостью скалывания из условия возникновения максимальных скалывающих напряжений в этой плоскости. По мнению авторов [15] механизм разрушения угля резцом представляет собой поочередное смятие и выламывание кусочков угля неправильной формы в результате преодоления максимальных нормальных напряжений. Эту точку зрения поддерживал ряд ученых [46-48, 64].
На основе исключительно теоретических построений не удавалось более или менее реально обрисовать картину процесса разрушения горной породы резанием. Первые эксперименты проведенные М.М.Протодьяконовым [64], В.С.Савковым [72, 73], П.С.Кучеровым [46-48] сыграли большую роль в изучении механизма резания горных пород. Они послужили толчком в развитии экспериментально-теоретических методов исследования разрушения горных пород.
Наука о закономерностях разрушения горных пород стремительное развитие получила в сороковые - шестидесятые годы двадцатого столетия.
М.И.Слободкин [81] разработал теорию резания углей на основе математического аппарата теории упругости. По Слободкину, резец - жесткий штамп, оказывающий расклинивающее действие на упругое бесконечное полупространство и скалывающий элементы угля правильной формы. Он считал, что усилие подачи резца равно произведению площади торцевой площадки износа на предельное касательное напряжение, возникающее в угольном массиве на некоторой глубине под подошвой от действия сжимающей силы, и не зависящее ни от скорости подачи, ни от скорости резания.
Позиции Слободкина разделял целый ряд исследователей [57, 58, 59-61, 74, 82], которые утверждали, что для установившегося режима резания характерны следующие этапы стружкообразования. После отделения очередного элемента угольной стружки резец воздействует передней гранью на расположенный впереди участок массива. В силу ограниченной его контактной прочности и действия ограждающей плоскости материал дробится на пылевидные фракции. Это дробление связано с возникновением в прилегающей зоне предельной комбинации касательного и нормального напряжений. Процесс сопровождается бурным пылеобразованием при одновременном увеличении высоты контакта по передней грани.
С увеличением высоты контакта (толщины стружки h) все больше сказывается влияние обнаженной стороны забоя. Наибольшее влияние последнего на процесс разрушения соответствует моменту, когда высота контакта передней грани с массивом близка к глубине резания. Завершается увеличение высоты контакта нарушением условий предельного равновесия материала перед резцом, характерных для данного материала и вида резания. При этом от массива по всему сечению реза отделяется сравнительно крупный элемент, форма и размеры которого зависят от ряда факторов и определяются по принципу наименьшего сопротивления.
В результате отделения основного элемента от массива уменьшается площадка контакта по передней, задней и боковым граням резца и интенсивность напряжений по ним. Считается [74], что формирование сил на резце происходит в основном за счет упругих деформаций и боковых распоров, зависящих от характера напряженного состояния массива по передней грани.
С.А.Шемякин в работах [36, 99] отмечает, что при блокированном резании мерзлого грунта «перед лобовой поверхностью движущегося зуба формируется уплотненное ядро грунта, которое уплотняясь и продвигаясь вверх по поверхности зуба, создает давление на вышележащий слой грунта. То обстоятельство, что, во-первых, поверхность отделения всегда бывает рваной, а во-вторых, то, что элементы стружки отлетают при рыхлении вверх, а не по ходу движения зуба, свидетельствует о том, что отделение стружки происходит в основном за счет деформации отрыва».
С.А.Шемякин рекомендует [36] отношение глубины реза к ширине резца принимать равным h/b=3.
В.Д.Абезгауз [1], в отличие от других исследователей, делит процесс разрушения породы резцом на два вида. Первый, когда толщина стружки сопоставима с деформацией породы, то есть происходит истирание породы задней поверхностью резца и отделение мелких элементов передней гранью. Второй, когда толщина стружки много больше деформации грунта, то есть определяющим является разрушение грунта передней гранью резца.
Процесс резания сопровождается образованием уплотненного ядра (рис. 1.2, б), которое возникает под действием сил приложенных к резцу и сил сопротивления внедрению в грунт, сил трения между ядром и грунтом, ядром и материалом резца, под действием внутреннего трения материала ядра и сил упруго-пластичного деформирования грунта.
Эти силы взаимно уравновешиваются, но из-за неоднородности грунта и постоянного колебания сил сопротивления ядро находится в равновесии на ограниченных участках пути. В остальное время происходит обновление ядра: смещение его относительно рабочей поверхности, и как следствие, удаление одних частей ядра и наращивание новых слоев. Ядро фактически выполняет функции резца и представляет собой клин, боковые поверхности которого описываются параболической кривой, кругом или эллипсом у пластичных грунтов или даже прямой у хрупких несвязных грунтов. Вершина клина расположена на расстоянии 0,75h от дневной поверхности. Форма ядра такова, что происходит выравнивание давления на передней грани резца. Появление ядра возможно только при превышении определенного критического угла резания, характеризуемого коэффициентом трения ядра о переднюю грань резца.
Перемещение ядра по передней поверхности зависит от скорости резания и величины нормальной составляющей силы сопротивления по отношению к силе трения ядра по передней грани. Кроме того, объем ядра, как и возможность его образования, зависит от скорости резания. При превышении некоей максимальной величины скорости резания, из-за увеличения частоты колебаний сил и самого инструмента (вибрация), происходит резкое падение величины силы трения, что не дает уплотненному слою грунта "закрепиться" на передней грани инструмента. И, наоборот, при скорости резания меньшей некоего минимального значения, силы, удерживающие близлежащие к резцу слои уплотненного материала, будут нарастать медленнее, чем это требуется для образования ядра.
Тело ядра образуется дроблением в хрупких грунтах и посредством уп-ругопластических деформаций в связных грунтах.
Процесс отделения стружки происходит при сложном напряженном состоянии. В.Д.Абезгауз считает, что элементы стружки отделяются по параллельным плоскостям скольжения. По мере внедрения резца, благодаря совместному действию напряжения сжатия, отрыва или сдвига (в зависимости от направления результирующей сил на резце), сначала отделяется небольшой элемент грунта, который частично дробится во время роста сил сопротивления до момента скола. При дальнейшем продвижении резца, происходит отделение большего элемента по плоскости скольжения, располагающейся ниже предыдущей. При этом ядро, в результате скачков сил сопротивления, перемещается вверх по передней грани инструмента. Самый крупный элемент скалывается, когда плоскость скольжения "опустится" до вершины ядра. Между тем разрушение в боковых расширениях прорези происходит в результате перемещения ядра по передней грани резца, которое посредством сил трения и давления на окружающий грунт увлекает за собой близлежащие слои, то есть разрушение идет растяжением и сдвигом. При отсутствии ядра элемент стружки отделяется сдвигом или отрывом.
Анализ механизма блокированного резания
Для изучения механизма резания были проведены специальные эксперименты. Их идея заключалась в дискретной фиксации (фотографировании) изменения деформации и разрушения мерзлого грунта при внедрении передней грани резца. По определённой методике (см. п.п. 2.4) готовились образцы мерзлого грунта, в которые на стенде УИМ-2 осуществлялось внедрение специально изготовленных штампов-резцов, имитирующих блокированное резание (см. п.п. 2.6).
Внедряемый штамп-резец деформировал мерзлый грунт, в результате чего нанесённая на нем сетка искажалась определенным образом (рис. 2.17). Эти искажения сетки в процессе резания мерзлого грунта через определенные промежутки времени фиксировались с помощью фотоаппарата, закрепленного на штанге жестко связанной со стаканом гидроцилиндра, перемещающего штамп-резец.
В процессе резания наблюдается довольно сложная картина разрушения образца мерзлого грунта, что нашло отражение в ключевых фотографиях и их обрисовки на кальках для большей наглядности (рис. 3.1).
При внедрении штампа-резца в торцевую стенку образца, даже на незначительную глубину (20 мм, рис. 3.1, б; фото 1) наблюдается уже полностью сформировавшееся ядро из уплотненного передней гранью грунта, которое перемещаясь вверх по передней грани в сторону открытой поверхности производит выкол крупного элемента в верхнем слое грунта. Резец его не касался, а для отделения от массива достаточно было тех незначительных напряжений скола, возникших от перемещения ядра, которые даже не исказили контрольной сетки на теле сколотого элемента.
Следует заметить, что при воздействии передней грани резца на грунт, последний на площадке контакта, уплотняется за счет вытеснения из зоны высокого давления газообразной составляющей и льда-цемента, который при таких напряжениях переходит в псевдожидкое состояние и вытесняется из межчастичного пространства минеральной основы мерзлого грунта в его близлежащие слои.
То обстоятельство, что плотность ядра существенно выше плотности вмещающих его слоев грунта объективно подтвердилось тем, что на ровной поверхности стенок использованных образцов мерзлого грунта с нанесенной сеткой после равномерного высыхания в течение трех месяцев в зонах пластических деформаций появилась четко фиксируемая бугристость.
При дальнейшем перемещении штампа-резца (40 мм, рис. 3.1, б; фото 2) происходит выдавливание ядра вверх по передней грани резца. Но после первичного скола крупного элемента на поверхности образовавшейся лунки резко снижается напряжение, что приводит лед из псевдожидкого в твердое состояние. На пути движущегося вверх ядра образуется жесткий слой грунта, в который частично входит и верхняя часть ядра.
Происходит промежуточный выкол в лунку крупного скола.
Дальнейшее движение резца (50 мм, рис. 3.1, б; фото 3) сопровождается мелкими сколами грунта с поверхности лунки перемещающимся вверх по передней грани и постоянно нарастающим ядром за счет вовлечения слоев грунта, лежащих на пути движения резца. Это хорошо видно из того, как деформируются нижние слои сетки на образце. Практически из деформированных слоев грунта образуется ядро, а верхние слои грунта разрушаются за счет сдвига и отрыва.
В промежутке между фото 3 и 4 был достаточно крупный выкол на поверхность лунки. Поверхность контакта резца с ядром достигла при этом максимально возможной величины.
Наступает момент (90 мм, рис. 3.1, б; фото 5), когда объем ядра вместе с окружающей зоной пластических деформаций достигает практически максимальной величины. Это хорошо видно по искривлению сетки на образце мерзлого грунта, по зонам сдвига и трещинам отрыва.
Последующее внедрение штампа в образец (перемещение ПО мм, рис. 3.1, б; фото 6) приводит к отделению крупного элемента стружки. Высота контакта резца с грунтом принимает наименьшее за опыт значение.
По форме стружки и характеру поверхности отделяемого крупного элемента стружки видно, что нижняя его часть отделяется путем сдвига (это заметно по следам скольжения минеральных частичек в виде борозд), а верхняя - отрывом (разделительная поверхность бугристая без малейших следов скольжения).
Дальнейшее движение резца (перемещение 120 мм, рис. 3.1, б; фото 7) сопровождается вновь нарастанием объема ядра с увеличением высоты контакта передней грани с грунтом.
Следует отметить, что описываемое исследование механизма резания осуществлялось с низкой скоростью движения резца. Это диктовалось желанием визуального наблюдения и фотографирования процесса резания, но в то же время давало некоторые его искажения. Они выражались в более низкой частоте сколов элементов стружки и очень низкой скорости отделения этих элементов от массива. Объяснить это можно относительно низкой скоростью изменения напряжений (V=do7dt) в образце мерзлого грунта.
Таким образом, на основе результатов экспериментальных исследований можно окончательно сформулировать наше представление о процессах взаимодействия резца с мерзлым грунтом при различных параметрах этого взаимодействия.
Резание даже однородного мерзлого грунта с постоянными величинами h,b,a характерно периодическим изменением нагрузки на резце (рис. 3.1-3.3).
Блокированное резание осуществляется следующим образом. Отделяется крупный элемент 1 (рис. 3.2) стружки, срезаемой с выровненной поверхности. Образуется лунка выкола. Сопротивление резанию падает от максимального до минимального значения (но не до нуля), так как резко уменьшается площадь контакта передней грани резца с грунтом.
При дальнейшем движении сопротивление резанию растет скачкообразно (позиции 2, 3, 4 рис. 3.2) из-за промежуточных выколов элементов стружки на поверхность лунки. Поверхность контакта передней грани резца с грунтом после каждого промежуточного выкола возрастает, достигает максимальной величины (поз. 5 рис. 3.2), в результате чего наступает очередной выкол крупного элемента стружки.
Механизм резания. Проникание резца в срезаемый слой мерзлого грунта всегда происходит в нижней части этого слоя. Здесь передняя грань резца по всей ширине b и по высоте 1к (рис. 3.3) практически постоянно контактирует с разрушаемой средой. В результате давления этой площадки на мерзлый грунт он сжимается и приобретает необратимую пластическую деформацию. Образуется на передней грани резца в мерзлом грунте ядро уплотнения в виде полуцилиндра (рис. 3.3) с диаметром d = 1к. Площадь основания ядра F = b 1.
В условиях всестороннего сжатия в ядре уплотнения развивается такое напряжение, которое лед-цемент мерзлого грунта превращает в псевдожидкое состояние. В результате он частично вытесняется в близлежащие слои грунта, которые приобретают также пластическое состояние. И только верхняя часть разрушаемого слоя грунта остается жесткой.
Сформировавшееся ядро начинает перемещаться вверх вдоль передней грани в сторону открытой поверхности по линии наименьшего сопротивления.
В верхней части зоны, окружающей ядро пластически деформированным грунтом происходит сдвиг некоторого объема грунта под углом ф, (рис. 3.3), переходящий в трещину отрыва под углом ф2 в зоне упруго деформированного слоя. Происходит отделение первого промежуточного элемента срезаемой стружки вместе с некоторой частью действующего на этот элемент уплотненного ядра.
Затем в таком же порядке произойдут все последующие промежуточные выколы с некоторым увеличением диаметра d и объема ядра на каждом из них. При этом скачкообразно нарастает сопротивление грунта резанию, Отделение очередного крупного элемента стружки происходит при достижении максимальной площадки контакта передней грани резца с грунтом для заданной глубины резания.
Влияние ширины резца на выбор ширины среза для различных схем резания
По длине и ширине цепного рабочего органа резцы размещаются в такой последовательности (или по такой схеме), которая обеспечивала бы соответствующую схему резания, которая представляет собой геометрическое изображение поперечного сечения среза в забое траншеи после прохода повторяющейся группы резцов. В настоящее время наиболее широко применяются полусвободная, полублокированная и сотовая схемы резания.
Цепной рабочий орган на своих звеньях несет несколько повторяющихся групп резцов, каждая из которых перекрывает всю ширину траншеи В. Резцы размещены поперек цепи с шагом t. Это создает по длине рабочего органа несколько линий резания пл, с расстоянием между резцами в них равным 1р = m tu, где tu - шаг цепи, am- число звеньев цепи между резцами в линии резания.
Рассмотрим влияние величины b на число линий резания для различных схем резания.
Полусвободная схема резания характерна тем, что ширина среза t принимается равной ширине резца b (рис. 4.1)
Достоинство такой схемы резания заключается в том, что она сохраняется при любой глубине резания.
Экспериментально установлено, что минимальная энергоемкость резания при полусвободной схеме будет в случае равенства глубины резания h и ширины резца Ь.
Основным недостатком данной схемы резания по сравнению с другими является использование большего числа резцов, при прочих равных условиях. Это приводит к более высокой энергоемкости резания мерзлого грунта, большему расходу режущего инструмента, а в целом, большей стоимости разработки мерзлого грунта.
Полублокированная схема резания отличается от полусвободной тем, что «веер» резцов, повторяющейся группы, набран с таким значением величины t, которое учитывает хрупкость разрушаемого мерзлого грунта.
Конструктивно это выражается тем, что ширина среза назначается больше ширины резца Ь, то есть t = b(l + K1K2), (4.10)
Ширина срезаемой стружки t зависит от глубины резания h при любой ширине резца Ь, осуществляющего полублокированное резание. И для любой дискретной глубины резания существует своя предельная (критическая) ширина срезаемой стружки t , превышение которой приводит к переходу от полублокированного к блокированному виду резания.
Поэтому для осуществления данной схемы резания следует решать задачу выбора рациональной величины t или числа линий резания пл с учетом области применения экскаватора, грунтово-климатических условий. Это обусловлено тем, что по мере эксплуатации ЭТЦБ изнашивается режущий инструмент, увеличивается сопротивление резанию, в результате чего при ограниченной мощности двигателя приходится уменьшать скорость перемещения машины, а вместе с тем и глубину резания h.
При одинаковом расстоянии t между линиями резания по криволинейному «вееру» резцов в забое траншеи шириной ВКВ для полублокированной схемы число линий резания в соответствии с уравнениями (4.8), (4.9) определится из выражения.
Особо следует отметить, что расстояния между линиями резания в ряде случаев принимаются не одинаковыми, потому что в крайних линиях резания число резцов удваивается с целью снижения нагрузки на резец путем уменьшения толщины срезаемой ими стружки мерзлого грунта. Поэтому между крайними и соседними с ними линиями резания расстояние должно быть меньше в Kt раз (рис. 4.3).
Сотовая схема резания имеет место при работе режущей цепи, несущей несколько повторяющихся групп резцов, каждая из которых состоит из двух полугрупп резцов (рис. 4.4). Первая из них обеспечивает срезание слоя грунта по всей ширине траншеи В с поперечным шагом 2t между резами остаются не срезанные целики грунта, которые разрушаются резцами второй части повторяющейся группы.
Следует заметить, что сотовая схема резания характерна тем, что резцы во всех линиях резания, за исключением крайних осуществляют блокированное резание по целикам оставляемым впереди идущими резцами.
Полная повторяющаяся группа резцов, обеспечивающая сотовую схему резания, размещается на режущей цепи с расстоянием t между линиями резания, то есть с веером резцов таким же, как при полублокированной схеме резания.
Поэтому порядок определения числа линий резания для сотовой схемы будет таким же, что и для полублокированной схемы резания, то есть с веером резцов, как при полублокированной схеме резания. Отсюда, число линий резания сотовой схемы определяется по зависимости (4.13).
Следует рассмотреть вопрос о необходимом минимальном числе линий резания в забое, с точки зрения сохранения выбранной схемы резания. Для оценки схемы резания на рабочем органе ЭТЦБ используется коэффициент схемы резания, представляющий средневзвешенный коэффициент блокированности резцов контактируемых с грунтом и определяемый в общем виде из выражения
Экспериментальные исследования показали, что коэффициент схемы резания должен лежать в диапазоне:
0,5.. .0,6 - для полусвободной;
0,6.. .0,8 - для полублокированной и
0,8... 1,0 - для сотовой схемы расстановки резцов на режущей цепи.
После подстановки этих диапазонов в уравнения (5.31, 5.33, 5.34) определения коэффициента схемы резания для соответствующей схемы расстановки резцов на режущей цепи и соответствующего анализа минимальное число линий резания должно быть не менее:
5 - для полусвободной;
5... 7 - для полублокированной и
7.. .9 - для сотовой схемы расстановки резцов на рабочем органе.
Результаты оптимизации на ЭВМ
Наилучшие показатели по каждому виду оптимизации (прил. 5, табл. 5.1 - 5.4 и табл. 5.11 - 5.12) сведены в таблицу 5.1. По результатам исследования влияния ширины резца на показатели, определяющие эффективность применения ЭТЦБ с расстановкой резцов по полусвободной и полублокированной схемам (прил.5, табл. 5.5- 5.10), строились графики (рис. 5.5 и 5.6), числовые значения которых отображены в таблицах 5.2 и 5.3. Для сотовой схемы резания график не строился, из-за невозможности получения достаточного количества данных для заданной ширины траншеи.
Анализ результатов оптимизации позволяет сделать заключение:
- Создана действующая методика оптимизации рабочего органа ЭТЦБ, позволяющая оценить рациональность его конструктивно-силовых параметров;
- Наибольшего эффекта, как и предполагалось, позволяет достичь третий вариант оптимизации. Итогом оптимизации по этому варианту стало снижение приведенных затрат на 90%, повышение средней эксплуатационной производительности ЭТЦБ на 516% и увеличение длины разрабатываемой одним комплектом режущего инструмента траншеи на 4,3%;
- Смена режущего инструмента (первый вариант оптимизации ЭТЦБ) в свою очередь дает определенный положительный эффект. Обеспечивается падение удельных приведенных затрат на 56,6%, рост производительности на 57,3% при уменьшении длины разрабатываемой одним комплектом режущего инструмента траншеи на 36,6%;
- Второй вариант позволяет провести оптимизацию рабочего органа ЭТЦБ с эффективностью, находящейся в середине диапазона, крайние значения которого задают первый и третий варианты оптимизации рабочего органа ЭТЦБ;
- Как показывают графические зависимости удельных приведенных затрат эксплуатации ЭТЦБ (рис. 5.1, 5.2) от ширины режущего инструмента, существуют такие значения ширин резца, которым соответствует минимум удельных приведенных затрат. То есть для определенного сочетания кинематических и силовых параметров ЭТЦБ, а также грунтовых условий существует единственное значение рациональной ширины режущего инструмента.
