Введение к работе
Актуальность работы. Темпы и качество строительных работ, производительность и условия труда в значительной степени зависят от структуры, технического уровня средств механизации и степени использования новой техники.
В строительстве наиболее трудоемкими являются земляные работы. Специфические условия строительства увеличивают потребности в различном оборудовании для дорожно-строительных машин (ДСМ), в том числе и гидроударном.
Особенностью развития ДСМ является повышение рабочей эффективности, расширение универсальности применения. Последнее достигается благодаря применению широкой гаммы сменного навесного рабочего оборудования.
Одной из ведущих многофункциональных строительных машин в России и за рубежом является неполноповоротный и полноповоротный гидравлический экскаватор со сменными рабочими органами.
Применение гидроударного рабочего оборудования на дорожностроительных машинах, в первую очередь на строительных экскаваторах, повышает эффективность работы машин при разработке мерзлого грунта, разрушении скальных пород, проходке скважин в грунте, забивании и извлечении свайных элементов, уплотнении грунта и выполнении других видов работ.
В известных конструкциях гидроударных устройств применяются золотниковые или клапанные распределительные узлы в блоке управления рабочим циклом, обладающие общеизвестными недостатками (большие местные гидравлические сопротивления, сложность изготовления, ремонта и др.), которые снижают эффективность работы устройства.
Гидроударные рабочие органы ДСМ имеют ограниченные резервы дальнейшего улучшения технических характеристик, связанные с особенностями применяемых схем гидроударных устройств.
При современном состоянии работ по созданию и применению гидравлических ударных рабочих органов наиболее актуальным является разработка вопросов их прикладной теории и многоцелевого использования.
По мере усложнения технологии производства земляных работ, активизации рабочих органов ДСМ, наблюдаются тенденции увеличения скоростей движения рабочих органов в различных механизмах, в том числе и гидроударных, уменьшение масс подвижных частей, использование быстропротекающих ударных процессов. Существующие теории взаимодействия рабочих органов с грунтом все менее адекватно удовлетворяют потребностям практики.
Поэтому одним из путей создания многоцелевых гидроударных рабочих органов ДСМ следующего поколения является развитие, углубление
существующих теорий взаимодействия ударных рабочих органов с фунтом, на основе которых осуществляется проектирование эффективных гидравлических ударных устройств с учетом физико-механических свойств фунтов и видов выполняемых рабочим органом работ при разработке фунтов.
В диссертации выполнены исследования по созданию многоцелевых гидроударных рабочих органов ДСМ на основе беззолотниковых гидроударников (с мембранными запорно-регулирующими элементами (МЗРЭ) с учетом видов выполняемой работы при разработке фунтов.
В основе диссертационной работы лежат результаты, полученные при выполнении научно-исследовательских работ по комплексной проблеме «Инерционно-импульсные системы», утвержденной приказом MB и ССО СССР от 08.02.1982г. № 162; целевой комплексной профамме «Гидропривод» Минвуза РСФСР, утвержденной приказом № 92 от 30.04.86 г.; по Государственному заказу Госстроя СССР на выполнение научно-технической работы «Разработать профессивные технологии производства земляных работ и обратных засыпок с применением высокоэффективных средств механизации», выполняемого на основании общесоюзной научно-технической профаммы 0.55.18; по межвузовской научно-технической профамме «Строительство» (с 1991 по 1993 год), а с 1994 года и по настоящее время по МНТП «Архитектура и строительство» Минобразования РФ.
Основная идея работы заключается в использовании принципов механики фунтов (теории линейно деформируемых тел и распространения волн деформаций в фунтах) для решения задач определения контактных напряжений при взаимодействии рабочих органов ДСМ с фунтом и создания эффективных многоцелевых беззолотниковых гидроударных рабочих органов ДСМ для уплотнения и разрушения фунтов.
Объектом исследования являются многоцелевые беззолотниковые гидроударные рабочие органы дорожно-строительных машин.
Предмет исследования - взаимодействие многоцелевых беззолотниковых гидроударных рабочих органов с разрабатываемой средой.
Цель работы - разработка основ теории многоцелевых беззолотниковых гидроударных рабочих органов ДСМ, реализующих эффективное динамическое воздействие на обрабатываемую среду с учетом видов выполняемой работы (уплотнение, разрушение фунта ) и физико-механических свойств фунта.
Для достижения цели в работе поставлены и решены следующие задачи:
установить общие закономерности формирования основных параметров гидроударных рабочих органов дорожно-строительных машин, выявить их функциональные связи на основе регрессионного анализа;
разработать математические модели многоцелевых беззолотниковых гидроударных рабочих органов ДСМ, предназначенных для уплотнения и разрушения грунтов, как динамической системы "базовая машина -объемный гидропривод - гидроударный рабочий орган - разрабатываемая среда";
развить и обобщить теорию взаимодействия ударного рабочего органа с уплотняемым грунтом, установить аналитические зависимости параметров гидроударных рабочих органов от физико-механических свойств разрабатываемой среды;
установить основные характеристики взаимодействия гидроударного рабочего органа с разрабатываемой средой при разрушении грунта;
на основе математических моделей разработать рекомендации по проектированию беззолотниковых гидроударниксв, выбору основных параметров многоцелевых гидроударных рабочих органов ДСМ;
рекомендовать параметрический ряд гидроударных рабочих органов для гидравлических экскаваторов I - V размерных групп.
Методика исследований основывается на использовании математического моделирования динамических процессов гидроударников, взаимодействия рабочих органов с грунтовой средой, применении методов регрессионного анализа, использовании научных положений гидромеханики, теоретической механики, механики грунтов и теории планирования многофакторного эксперимента. Методика исследований включает также применение методов САПР, вычислительной техники и методов вычислительной математики.
Экспериментальные исследования проводились на стендах и в натурных условиях с применением современного метрологического оборудования по стандартным методикам и с применением методов планирования эксперимента.
Научные положения, защищаемые автором:
Основы теории взаимодействия многоцелевых беззолотниковых гидроударных рабочих органов ДСМ с грунтовой средой.
Математические модели динамики многоцелевых гидроударных рабочих органов ДСМ на основе беззолотниковых гидроударных устройств, учитывающие основные конструктивные параметры гидроударника, параметры базовой машины и физико-механические свойства разрабатываемых грунтов с учетом видов выполняемых работ.
Уравнения регрессии, связывающие основные параметры гидроударных импульсных систем (функциональные зависимости диаметра хвостовика инструмента от энергии единичного удара, массы гидромолота от массы экскаватора и др.), позволяющие прогнозировать значения технических характеристик активных рабочих органов ДСМ.
Методика проектирования многоцелевых гидроударных рабочих органов ДСМ, представляемая как итерационный процесс, включающий в себя синтез структуры объекта, выбор параметров системы, исследование математической модели, анализ результатов, принятие решения.
Достоверность научных положений, выводов н рекомендаций подтверзадается:
Сравнением аналитических результатов, полученных на основе используемых теорий, с экспериментальными данными.
Удовлетворительной сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований, достаточным объемом измерений, обеспечивающим с вероятностью 0,95 относительную погрешность не более 15...20%.
Научная новизна работы.
Разработаны основы теории многоцелевых беззолотниковых гид-
роударньгх рабочих органов ДСМ с учетом особенностей взаимодействия
рабочих органов с грунтом:
аналитическое выражение зависимости средних контактных напряжений на поверхности грунта при его уплотнении от физико-механических свойств грунта и параметров ударного рабочего органа;
аналитическое выражение толщины уплотняемого слоя грунта и времени удара при уплотнении грунта;
функциональные зависимости параметров рабочего органа ударного действия при разрушении грунта (энергии удара, глубины внедрения, времени удара, обобщенной силы сопротивления) от прочностных свойств грунта, характеризуемых числом С ударника ДорНИИ;
Уравнения регрессии основных параметров гидроударных устройств (диаметра хвостовика инструмента от энергии единичного удара, массы гидромолота от массы экскаватора и др.).
Математические модели динамики многоцелевых беззолотниковых гидроударных рабочих органов ДСМ.
Установлены характеристики и функциональные зависимости основных параметров многоцелевых беззолотниковых гидроударных рабочих органов ДСМ от свойств обрабатываемой среды и видов выполняемой работы (уплотнение, разрушение грунта).
Практическая ценность работы. Создана инженерная методика выбора основных параметров многоцелевых беззолотниковых гидроударных рабочих органов ДСМ; разработаны рекомендации по выбору основных параметров активных рабочих органов ДСМ с учетом вида выполняемой работы.
Рекомендован параметрический ряд гидроударных рабочих органов для гидравлических экскаваторов I - V размерных групп, который является основой для создания нормативных документов (ГОСТов) по гидроударным рабочим органам ДСМ.
Предложены конструкции многоцелевых беззолотниковых гидроударных рабочих органов ДСМ повышенной эффективности с учетом видов выполняемой работы (уплотнение, разрушение грунта).
Создан программно-имитационный комплекс для проектирования многоцелевых беззолотниковых гидроударных рабочих органов ДСМ, позволяющий формировать основные параметры активных рабочих органов ДСМ и проводить имитационное моделирование рабочих процессов.
Изготовлены экспериментальные образцы гидроимпульсной техники на основе беззолотниковых гидроударников, разработанные в СибАДИ при непосредственном участии автора, такие как гидротрамбовка и гидромолот к экскаватору III размерной группы, ручной гидравлический лом, гидравлический пробойник грунта и другие, и подтверждена их работоспособность и эффективность.
Положения, выносимые на защиту.
Основы теории многоцелевых беззолотниковых гидроударных ра
бочих органов дорожно-строительных машин:
основное уравнение процесса ударного уплотнения грунта, функциональные зависимости параметров гидроударного рабочего органа и функциональные зависимости основных параметров гидроударного рабочего органа при разрушении фунтов.
Математические модели динамики многоцелевых беззолотниковых гидроударных рабочих органов ДСМ и результаты их исследования.
Уравнения регрессии основных параметров беззолотниковых гидроударных устройств (зависимости диаметра хвостовика инструмента от энергии единичного удара, массы гидромолота от массы экскаватора и др.), позволяющие прогнозировать значения основных проектных параметров активных рабочих органов ДСМ.
Рекомендации по выбору параметров многоцелевых беззолотниковых гидроударных рабочих органов ДСМ, предназначенных для выполнения таких разных по характеру работ, как уплотнение и разрушение грунта.
Методика выбора основных параметров беззолотниковых гидро
ударных рабочих органов ДСМ на основе теории взаимодействия рабочих
органов с грунтом и учетом видов выполняемой работы.
Личный вклад автора в решение проблемы заключается в формулировании общей идеи, цели и задач исследования; в выполнении теоретических и экспериментальных исследований, обобщении их результатов; участии в проектировании экспериментальных образцов гидроимпульсной техники на основе беззолотниковых гидроударников и их исследовании; разработке ТЗ и рекомендаций по проектированию многоцелевых гидроударных рабочих органов ДСМ.
Реализация работы. Результаты исследований использованы :
при разработке гидроимпульсной техники на основе беззолотниковых гидроударников, таких как гидротрамбовка к экскаватору III размерной группы, конструкция которой защищена авторским свидетельством № 863854 и экспериментальный образец которой прошел производственные испытания на строительных объектах треста «Строймеханизация-2» Главомскпромстроя; гидромолот к экскаватору III размерной группы, гидравлический пробойник грунта и другие;
при выполнении научно-исследовательской работы в планах межвузовской научно-технической программы «Строительство», «Архитектура и строительство» Минобразования РФ с 1991 по 1999 годы;
при разработке «Технического задания на проектирование гидромолота к экскаватору ЭО-2621 В2», «Технического задания на проектирование ковшей активного действия для экскаваторов II - IV размерных групп» и «Рекомендаций по проектированию многоцелевых активных рабочих органов ДСМ на основе гидроударных устройств с МЗРЭ», которые переданы предприятиям г. Омска (КБТМ, ЗТМ).
Методика инженерного проектирования, основные результаты исследований с 1980 года широко используются в учебном процессе при подготовке инженеров-механиков по специальности 170900 «Подъемно-транспортные, строительные, дорожные машины и оборудование».
Апробация работы. Отдельные этапы и основные результаты работы докладывались и получили одобрение на научных семинарах, конференциях кафедр вузов СибАДИ (1980 - 1999 гг.), КИСИ (1986 г.), МАДИ (1982 г.), ЧПИ (1980, 1981 гг.), научных, научно-практических республиканских конференциях России, Казахстана и на международных конференциях:
Всесоюзной научно-технической конференции «Повышение эффективности транспортного строительства и качества строящихся объектов», посвященной 25-летию Минтрансстроя, г. Москва, 1979 г.;
научно-техническом семинаре «Новое в проектировании и эксплуатации гидропривода и систем гидроавтоматики», г. Ленинград, ЛДНТП, 1981,1984 гг.;
Всесоюзной научно-технической конференции по проблемам развития строительной и дорожной техники для работы в условиях Сибири и Севера, г. Красноярск, 1981 год;
конференции «Перспективы, опыт применения и расчета гидравлических систем и гидропривода в машиностроении», г. Киев, 1982 год;
XVI Всесоюзном совещании по гидравлической автоматике, г. Киев, КИИГА, 1983 год;
Республиканской конференции «Повышение эффективности земле-ройно-транспортных машин», г. Харьков, 1984 год;
Зональной конференции «Проектирование и эксплуатация промышленных гидроприводов и систем гидропневмоавтоматики», г. Пенза, 1986 год;
Всесоюзном совещании «Теоретические и технологические аспекты создания и применения силовых импульсных систем», г. Караганда, 1990 год;
Всероссийской международной научно-технической конференции «Автомобильные дорога Сибири», г. Омск, 1994 год;
П-ой Международной научно-технической конференции «Автомобильные дороги Сибири», г. Омск, 1998 год;
Экспериментальный образец гидротрамбовки на основе беззолотникового гидроударного устройства экспонировался на ВДНХ СССР, г. Москва в 1986 и 1988 годах.
Публикации. По результатам исследований опубликовано 52 печатные работы в том числе одна монография, 2 учебных пособия, получено 18 авторских свидетельств на изобретения, выпущено 10 отчетов по НИР.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, восьми глав, заключения и приложения. Работа содержит 325 страниц, в том числе 221 страницу машинописного текста, 54 таблицы, 89 рисунков, список литературы из 354 наименований и приложение на 37 страницах.
В приложении приведены листинги программ имитационного комплекса и документы по результатам внедрения.
