Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса. цель и задачи исследований
1.1 Существующие модели взаимодействия рабочих органов траншейных экскаваторов с грунтом 9
1.2 Рациональные режимы работы землеройных машин 13
1.3 Промышленное освоение траншейных машин с фрезерно-роторным рабочим органом 18
Выводы по главе. Цель и задачи исследований 25
2. Моделирование траншейного экскаватора с фрезерно-роторным рабочим органом
2.1 Системный анализ 28
2.2 Физическая модель подсистемы «грунт — рабочее оборудование»
2.3 Описание лабораторной установки и методика проведения эксперимента 33
2.4 Математическая модель траншейного экскаватора 40
3. Определение рациональных режимов работы экскаваторов с фрезерно-роторным рабочим органом
3.1 Результаты исследований подсистемы «грунт - рабочее оборудование» 45
3.2 Зависимость основных параметров рабочего процесса от управляющих воздействий оператора 46
3.3 Влияние коэффициента распределения мощности на производительность экскаватора и энергоемкость процесса 53
3.4 Определение оптимального коэффициента распределения в зависимости от мощности двигателя, тягового класса базовой машины и прочностных свойств разрабатываемых
грунтов 62
Выводы по главе вб
4. Оценка эффективности траншейных экскаваторов, способных адаптироваться к изменяющимся грунтовым условиям
4.1 Технико-экономическая эффективность использования экскаваторов с оптимальным коэффициентом распределения мощности 68
4.2 Методика расчета траншейных экскаваторов, способных адаптироваться к изменяющимся грунтовым условиям 72
Выводы по главе 73
5. Выводы по работе и направления дальнейших исследований 74
Список используемой литературы 76
Приложение 86
- Рациональные режимы работы землеройных машин
- Физическая модель подсистемы «грунт — рабочее оборудование»
- Зависимость основных параметров рабочего процесса от управляющих воздействий оператора
- Методика расчета траншейных экскаваторов, способных адаптироваться к изменяющимся грунтовым условиям
Введение к работе
Современный цивилизованный мир невозможно представить без развитой системы коммуникаций. Стремление расширить возможности и повысить надежность коммуникационных систем неизбежно приводит к созданию сетей: локальных, корпоративных, глобальных. Примером тому могут служить действующие на территории СНГ Единая автоматизированная система связи (ЕАСС), Единая энергетическая система (ЕЭС), корпоративные сети различных ведомств. Доступ к сети Интернет открывает новые возможности информационного обеспечения общества на мировом уровне.
В общей сети коммуникаций немаловажная роль отводится подземным кабельным коммуникациям. Так, в мировой практике передачи электроэнергии на расстояния отчетливо намечается тенденция перехода от воздушных линий к кабельным. В области связи также отдается предпочтение кабельным линиям. Кабельные линии связи, обладающие высокой степенью защиты каналов от помех, эксплуатационной надежностью и долговечностью, составляют основу сети связи: магистральные - 75%, внутризоновые - 50%, сельские - 62%, городские - 95%.
Создание волоконного световода явилось мощным толчком в развитии оптических кабельных линий связи, которые по темпам своего развития значительно превосходят все существующие системы передачи информации. На территории СНГ уже действуют суперсовременные волоконно-оптические линии связи (ВОЛС): Новосибирск — Хабаровск (протяженность 5480 км), Москва - Минск (480 км) и др. Идет подготовка к строительству ряда других: Буденновск - Махачкала, Самара - Саратов - Волгоград, Пермь - Ижевск, Вологда - Мурманск. Кроме того, ближайшее время Министерством связи РФ планируется ввести в действие 1,2 млн. номеров местной телефонной сети, 22,5 тыс. каналов междугородных и 7,62 тыс. каналов международных линий связи, проложить 2,5 тыс. км магистральных и 2,85 тыс. км внутризоновых линий связи.
Сооружение подземных коммуникаций связано, в первую очередь, с отрывкой траншей различного профиля и протяженности. В прочных и мерзлых грунтах указанные работы ведутся при помощи траншейных экскаваторов с фрезерно-роторным рабочим органом.
Характерной особенностью траншейных экскаваторов является разветвление силового потока, при котором часть мощности двигателя базовой машины передается рабочему органу, минуя движитель. Наряду с другими факторами указанное разветвление существенным образом влияет на производительность экскаватора. Мощность на рабочем органе характеризует величину снижения его тягового сопротивления, а мощность на движителе определяет скорость поступательного перемещения. В виду того, что мощность экскаватора ограничена, возникает необходимость ее рационального распределения в зависимости от мощности двигателя, тягового класса базовой машины и прочностных свойств разрабатываемых грунтов: т.е., встает вопрос о создании траншейного экскаватора, способного адаптироваться к изменяющимся грунтовым условиям.
В настоящей работе изложены результаты исследований траншейных экскаваторов с фрезерно-роторным рабочим органом, способных адаптироваться к изменяющимся грунтовым условиям. Определены рациональные режимы работы в зависимости от мощности двигателя, тягового класса базовой машины и прочностных свойств разрабатываемых грунтов.
В работе широко используются современные методы научных исследований, включающие системный анализ, физическое и математическое моделирование, планирование и статистическую обработку результатов эксперимента.
Научная новизна представлена:
физической моделью подсистемы «грунт - рабочее оборудование»;
математической моделью траншейного экскаватора;
- рациональными значениями коэффициента распределения мощности в
зависимости от мощности двигателя, тягового класса базовой машины и
прочностных свойств разрабатываемых грунтов.
Практическая ценность заключается в разработанной методике расчета траншейных экскаваторов, способных адаптироваться к изменяющимся грунтовым условиям.
Методы исследований основаны на использовании основных положений системного анализа, физического и математического моделирования, положений теоретической механики, механики грунтов и теории планирования эксперимента. Методика исследований включает также применение методов имитационного моделирования на ЭВМ.
Достоверность научных положений подтверждается методологической базой исследования, соблюдении основных принципов физического и математического моделирования, лабораторными исследованиями и идентификацией промежуточных результатов с исследованиями других авторов.
На защиту выносятся следующие основные положения:
- физическая модель подсистемы «грунт — рабочее оборудование»;
математическая модель траншейного экскаватора с фрезерно-роторным рабочим органом;
- влияние коэффициента распределения мощности двигателя базовой машины
между приводом рабочего оборудования и движителем на производительность
экскаватора и энергоемкость процесса;
зависимость рациональных значений коэффициента распределения от мощности двигателя, тягового класса базовой машины и прочностных свойств разрабатываемых грунтов;
- методика расчета траншейных экскаваторов, способных адаптироваться к изменяющимся грунтовым условиям.
Работа выполнена на кафедре «Строительно-дорожные машины и гидравлические системы» Иркутского государственного технического университета под руководством канд. техн. наук, доц. В.Г. Зедгенизова.
Автор выражает глубокую признательность сотрудникам кафедры и аспирантам за оказанную помощь в работе над диссертацией.
Рациональные режимы работы землеройных машин
Рабочий процесс машины с активным рабочим органом складывается из двух движений: вращения рабочего органа и подачи машины на забой. Сочетание указанных движений определяет основные параметры рабочего процесса и оказывает существенное влияние на производительность машины в целом.
Абезгауз В. Д. [1] на основании большого количества опытов по блокированному резанию песчаных и глинистых грунтов, угля, горючих сланцев рабочими органами фрезерного типа делает заключение о наличии оптимального соотношения ширины и толщины срезаемой стружки, при котором удельное сопротивление резанию минимально. Так, для супеси в залежи влажностью w = 8% и прочностью Суд = 9 ударов ударника ДорНИИ рациональное соотношение составляет 1,5...3,0.
Отмечается, что рациональным является режим работы экскаватора с оптимальными параметрами срезаемой стружки, которые обеспечивают минимальную энергоемкость процесса. Исследование режимов работы угледобывающей машины на математической модели были проведены Е. 3. Позиным [75], который оптимальные параметры стружки связывает с рабочими характеристиками машины: скоростью резания и скоростью подачи на забой. При помощи методов линейного программирования показано, что при наложении на процесс ограничений, например, по выносной способности транспортирующего органа, минимум энергоемкости может не совпадать с максимальной производительностью машины. В этом случае для действующих машин оптимальным следует считать режим работы, обеспечивающий достижение наивысшей производительности. Поскольку зависимость производительности от скорости подачи на забой выражается монотонно возрастающей функцией, при определении рациональных режимов работы действующих машин в качестве главного параметра может быть принята скорость подачи.
Проблемами исследования эффективности статико-динамических рыхлителей (СДР) посвящены работы [30, 31]. В [30] описывается рабочий процесс СДР с пневматическим ударно-вибрационным механизмом (УВМ). Указывается, что привод УВМ целесообразно осуществлять от двигателя базовой машины, отбирая при этом не более 30% мощности.
Гурин М. А., Жегульский В. П. в работе [31] приводят результаты исследования динамической модели СДР на АВМ. Исследования показали, что путем подбора и регулирования параметров системы возможно обеспечение такого режима работы, когда процесс разрушения грунта будет полностью происходить за счет энергии УВМ, а тягач осуществлять перемещение рабочего органа, преодолевая сопротивление уже разрыхленного грунта. Для реализации такого режима работы мощность УВМ составляет 70...75% от мощности тягача.
Наблюдается также положительный эффект применения УВМ в рыхлителях послойного действия, когда максимальная сила сопротивления грунта не превышает силу тяги СДР. В этом случае достаточно 20...30% мощности двигателя базовой машины использовать для привода УВМ, что дает возможность повысить производительность и уменьшить буксование движителя.
При оптимизации параметров СДР рассматривается в виде системы "тягач - УВМ — грунт", которая учитывает разветвление силового потока, ограниченную мощность двигателя и случайный характер силы сопротивления рыхлению. В качестве параметра оптимизации была сконструирована функция желательности Харингтона, задававшаяся как среднее геометрическое частных функций откликов: коэффициента использования двигателя по мощности - KN и коэффициента буксования - 8, которые характеризуют режим работы СДР.
Для вибрационных кабелеукладчиков [46] рациональным является режим работы агрегата с минимальной энергоемкостью, которая при работе на грунтах III — IV категории определяется оптимальным коэффициентом распределения мощности двигателя базовой машины между приводом рабочего органа и движителем. Оптимальное значение указанного коэффициента зависит от типа кабелеукладчика, тягового класса базовой машины, прочностных свойств разрабатываемых грунтов и лежат в пределах: — кабелеукладчики легкого типа тяговый класс 100 кН- 0,2...0,7 150 кН-0,7...0,9 — магистральные кабелеукладчики тяговый класс 100 кН -0,1... 0,23 150 кН-0,24...0,7 Стрельников А.Н. [89] отмечает, что рациональный режим работы цепного траншейного экскаватора также определяется оптимальным коэффициентом распределения мощности базовой машины между приводом рабочего оборудования и движителем, который при работе на грунтах I III категории изменяется: - для экскаваторов с рабочим органом шириной 0,4 м тяговый класс 9 кН-0,053...0,136 тяговый класс 14 кН - 0,082.. .0,208 - для экскаваторов с рабочим органом шириной 0,27 м тяговый класс 9 кН - 0,076...0,221 тяговый класс 14 кН-0,128...0,328 Файнзильбер М. Л. [101] указывает, что максимальную производительность на прочных грунтах обеспечивает режим работы траншейного экскаватора с максимальными коэффициентом использования двигателя по мощности и крутящим моментом на рабочем органе, а на слабых — с максимальными коэффициентом использования двигателя по мощности и заполнением ковшей. Отмечается, что реализация указанных режимов работы требует бесступенчатого регулирования скоростей рабочего органа и движителя. В случае 2-х ступенчатого регулирования скорости рабочего органа и бесступенчатого регулирования скорости движителя производительность экскаватора снижается на 15-20%. Практически все исследователи отмечают, что рациональный режим работы землеройных машин с активным рабочим органом зависит от многих факторов и, в первую очередь, от прочности разрабатываемых грунтов. Широкий диапазон изменения грунтовых условий, в которых эксплуатируются землеройные машины, заставляет искать пути к поддержанию рационального режима работы в зависимости от прочностных свойств грунта.
Физическая модель подсистемы «грунт — рабочее оборудование»
Научно-методической основой формирования физических моделей является теория подобия, которая дает возможность установить подобие или разработать способы его достижения. Подобными являются такие физические системы, у которых подобны все характеризующие их параметры: все векторные величины геометрически подобны, а скалярные - пропорциональны в соответствующих точках пространства и в соответствующие моменты времени. Подобие характеризуется пропорциональностью всех величин, определяющих их качественную и количественную стороны.
Геометрическое подобие выражается равенством всех соответствующих углов и пропорциональностью всех линейных размеров (ki=const). Кинематическое подобие системы определяется тождественностью направления и пропорциональностью действующих скоростей и ускорений (kv=const). Динамическое подобие системы характеризуется тождественностью направлений и пропорциональностью векторов сил или напряжений (ka=const).
На основании теории подобия формируются системы безразмерных соотношений, называемых критериями подобия. Получение критериев подобия основывается на анализе предварительной информации о моделируемом явлении на уровне гипотезы, отсутствие такой информации делает создание модели исследуемого объекта практически невозможным.
В зависимости от характера исходной информации используются различные методы получения критериев подобия. Широкое применение получили методы анализа уравнений, анализа законов и анализа размерностей.
Разновидностью метода анализа уравнений является метод анализа реологических моделей. Он представляет практически синтез методов уравнений и законов, так как реологическая модель формируется на основании анализа фундаментальных законов, определяющих развитие напряженно -деформированного состояния среды во времени.
Процесс взаимодействия фрезерно-роторного рабочего органа с грунтом характеризуется малыми объемами грунта, послойно отделяемыми от забоя. Рассматривается установившееся движение рабочего органа. На поверхность материала действует внешнее давление. Силы инерции не принимаются во внимание, вес среды не учитывается. Моделирование производится без изменения свойств среды.
Описание лабораторной установки и методика проведения эксперимента Результаты экспериментов должны обладать достаточной надежностью, которая при моделировании зависит не только от степени соответствия модели натурному образцу, но и метода измерений, измерительной аппаратуры, квалификации экспериментатора. Применение математической теории планирования и статистической обработки результатов эксперимента позволяет существенно сократить число опытов, уменьшить время проведения эксперимента, а также получить математическую модель исследуемого процесса.
В качестве объекта исследования принято рабочее оборудование экскаватора ЭТР-134, техническая характеристика которого приведена в табл. 2.2.
Цель экспериментальных исследований - определение усилия копания в зависимости от соотношения скоростей рабочего органа и подачи, определяющих толщину срезаемой стружки, и прочностных свойств грунта.
Эксперименты проводились в грунтовом канале (рис. 2.2), который состоит из лотка с тензометрической тележкой, привода, пульта управления и комплекта регистрирующей аппаратуры. Лоток 1, длиной 6 м, шириной 1 м и глубиной 0,6 м, заполнен грунтовой смесью, в которую закладываются образцы мерзлого грунта 2. По краям лотка имеются направляющие, по которым перемещается тензометрическая тележка 3 с физической моделью фрезерно-роторного рабочего органа 4. Тележка содержит раму с опорными колесами, на раме установлен бесступенчатый регулируемый привод рабочего органа. Привод состоит из электродвигателя постоянного тока 5 клиноременной передачи 6. Имеется возможность установки сменного рабочего оборудования для подготовки грунта к эксперименту.
Пульт управления (рис. 2.3) позволяет изменять направление и скорость рабочих движений. Скорость рабочего органа замеряется датчиком 7 (рис 2.4), скорость передвижения тележки - датчиком 8 (рис. 2.5), крутящий момент на рабочем органе - датчиком 9 (рис. 2.6).
Зависимость основных параметров рабочего процесса от управляющих воздействий оператора
Математическая модель траншейного экскаватора ЭТР-134 реализована на ПЭВМ в среде «Mathcad - 2001» и получены зависимости основных параметров рабочего процесса от режимов работы экскаватора, которые определяются грунтовыми условиями ki и сочетанием параметров регулирования fi и f2.
С увеличением параметра регулирования возрастает подача гидронасоса привода рабочего органа и, соответственно, скорость рабочего органа Vj. Так как параметр регулирования fj и подача гидронасоса привода движителя остаются неизменными, увеличение параметра регулирования fi вызывает изменение соотношения скоростей рабочего органа и поступательной скорости перемещения экскаватора, что приводит к уменьшению толщины срезаемой стружки h. С уменьшением толщины стружки незначительно увеличивается коэффициент удельного сопротивления копанию kj, снижаются усилие копания Р и давление в приводе рабочего органа рь однако крутящий момент Мі на гидронасосе продолжает возрастать. Это объясняется тем, что интенсивность увеличения рабочего объема гидронасоса превышает скорость падения давления в гидросистеме.
Изменение мощностей, потребляемых приводом рабочего органа и движителя, приводит к изменению коэффициента распределения мощности Кь значение которого с увеличением параметра fj уменьшается.
Вертикальная реакция на зачистном башмаке Y2 в исследованном диапазоне изменения параметра регулирования f\ знакопеременна. При значении fl=0,33 возросшее усилие копания нарушает равновесие рабочего органа относительно базовой машины, и последний стремится выйти на дневную поверхность. По мере увеличения fi усилие копания снижается, равновесие восстанавливается, и реакция на зачистном башмаке становится положительной.
При дальнейшем увеличении параметра регулирования f2 крутящие моменты обоих насосов М\ и М2 продолжают возрастать, вследствие чего нагрузка двигателя становится больше номинальной, и последний переходит на корректорную ветвь. При этом угловая скорость коленчатого вала w интенсивно снижается, и картина рабочего процесса резко меняется: скорости рабочего органа Vj и движителя V2, мощности обоих приводов Ni и N2 падают, остальные параметры продолжают пропорционально увеличиваться.
Вертикальная реакция на зачистном башмаке Y2 постепенно уменьшается и при значении f2=0,25 становится равной нулю. Анализ полученных зависимостей показывает, что изменение параметров регулирования неодинаково влияет на картину рабочего процесса. Параметр регулирования f2 определяет поступательную скорость перемещения экскаватора и его производительность. Максимальная производительность достигается при работе двигателя в режиме максимальной мощности. Параметр регулирования fj на производительность экскаватора непосредственного влияния не оказывает, однако с его помощью поддерживаются параметры рабочего процесса в рамках наложенных ограничений. Сочетание параметров f\ и f2 однозначно определяется коэффициентом распределения мощности, который показывает отношение мощности, потребляемой движителем, к мощности на привод рабочего органа. Коэффициент распределения мощности выбран в качестве показателя, определяющего режим работы экскаватора. 3.3. Влияние коэффициента распределения мощности на производительность экскаватора и энергоемкость процесса
На рис. 3.6 представлена зависимость скорости поступательного перемещения экскаватора на базе трактора ТТ-4 от коэффициента распределения мощности на грунтах прочностью 3,5x106 Па. Фигуры 1-3 показывают изменение скорости поступательного перемещения экскаватора от коэффициента распределения мощности при различных значениях параметра регулирования fi.
С увеличением коэффициента распределения мощности К і до некоторого предела скорость поступательного перемещения и производительность экскаватора во всех случаях нарастают и достигают максимума в точках, соответствующих максимальному использованию двигателя по мощности. При дальнейшем увеличении коэффициента распределения мощности нагрузка двигателя превышает номинальную, и последний переходит на корректорную ветвь внешней скоростной характеристики. Угловая скорость коленчатого вала падает, вместе с ней уменьшается скорость поступательного перемещения и производительность экскаватора.
Фигура Вг, огибающая точки максимума скорости перемещения экскаватора при различных значениях параметра регулирования f\, ограничивает область возможной производительности экскаватора при максимальном использовании двигателя по мощности.
Кривая энергоемкости процесса Е (рис. 3.7) также является функцией коэффициента распределения мощности и при условии максимального использования двигателя по мощности носит экспоненциальный характер.
Методика расчета траншейных экскаваторов, способных адаптироваться к изменяющимся грунтовым условиям
На основе анализа и обобщения результатов исследований разработана методика расчета траншейных экскаваторов, способных адаптироваться к изменяющимся грунтовым условиям. Методика включает в себя следующие основные положения. 1. Исходя из требований технологии строительства, выбирается базовая машина траншейного экскаватора. 2. С учетом грунтовых условий определяется диапазон изменения рационального коэффициента распределения мощности двигателя базовой машины между приводом рабочего органа и движителем (). 3. Определяется максимальное значение мощности, потребляемой приводом рабочего органа и движителем во всем диапазоне изменения грунтовых условий: где Npomax и Na5Kmax - максимальное значение мощности, потребляемой приводом рабочего органа и движителя соответственно; Na - мощность двигателя базовой машины; Kipaumin и Кірацшах - минимальное и максимальное значение оптимального коэффициента распределения мощности в принятом диапазоне изменения грунтовых условий. 4. По найденным значениям мощности выбираются гидронасосы привода рабочего органа и движителя. 5. Дальнейший расчет гидрообъемных приводов ведется по существующим методикам [55, 56, 57].
1. Установка регулируемого привода рабочего органа на экскаваторе с базовой машиной тягового класса 100 кН дает возможность повысить производительность экскаватора на грунтах прочностью 106 Па в 2,8 раза. Дальнейшее повышение производительности ограничивается мощностью двигателя базовой машины.
2. Разработанная методика расчета позволяет на основании требований технологии строительства определить основные параметры траншейных экскаваторов, способных адаптироваться к изменяющимся грунтовым условиям.
Результаты выполненных исследований позволили сделать ряд выводов и практических рекомендаций, направленных на повышение эффективности траншейных экскаваторов с фрезерно-роторным рабочим органом.
1. Физическое моделирование подсистемы «грунт - рабочее оборудование» позволяет установить зависимость усилия копания от толщины срезаемой стружки и прочностных свойств разрабатываемых грунтов. Указанная зависимость согласуется с исследованиями других авторов и положена в основу математической модели траншейного экскаватора.
2. Математическая модель траншейного экскаватора дает возможность оценить влияние управляющих воздействий оператора на основные параметры рабочего процесса. Параметр регулирования f2 определяет поступательную скорость перемещения экскаватора и его производительность. Параметр регулирования f\ на производительность экскаватора непосредственного влияния не оказывает, однако с его помощью поддерживаются параметры рабочего процесса в рамках наложенных ограничений.
3. При работе экскаватора, с учетом накладываемых ограничений по конструктивным, технологическим и др. требованиям, максимум производительности совпадает с минимумом энергоемкости.
4. Установлено, что для каждой категории грунта существует рациональный режим работы экскаватора, который определяется оптимальным коэффициентом распределения мощности двигателя базовой машины между приводом рабочего органа и движителем, значение которого лежат в пределах: - тяговый класс 40 кН - 0,210.. .0,02 - тяговый класс 50 кН - 0,327.. .0,05 - тяговый класс 100 кН -0,281... 0,111
5. Установка регулируемого привода рабочего органа на экскаваторе с базовой машиной тягового класса 100 кН дает возможность повысить производительность экскаватора на грунтах прочностью 106 Па в 2,8 раза. Дальнейшее повышение производительности ограничивается мощностью двигателя базовой машины.
6. Разработанная методика расчета рациональных режимов экскаватора позволяет на основании требований технологии строительства определить основные параметры траншейных экскаваторов, способных адаптироваться к изменяющимся грунтовым условиям.
7. Годовой экономический эффект от использования экскаватора на базе трактора Т-170, способного адаптироваться к изменяющимся грунтовым условиям, составляет около 1 млн. руб.
Исходя из вышеизложенного, дальнейшие исследования целесообразно направить на разработку автоматической системы управления рациональным режимом работы и создание траншейного экскаватора, способного адаптироваться к изменяющимся грунтовым условиям.
Похожие диссертации на Определение рациональных режимов работы траншейных экскаваторов с фрезерно-роторным рабочим органом
