Введение к работе
Актуальность темы. В связи с ростом городского строительства прокладка и ремонт подземных инженерных коммуникаций проводится в стесненных условиях. Возрастающая сложность проведения таких работ с внешней экскавацией грунта при ужесточении экологических требований обуславливает применение бестраншейных технологий (метод прокола и горизонтального направленного бурения).
Повышение эффективности применения установок для реализации бестраншейных технологий прокладки инженерных коммуникаций, в значительной степени зависит от усилия, развиваемого механизмом подачи. Применяемые в настоящее время цепные и гидравлические механизмы имеют ряд недостатков: различная величина усилия при работе штоковой и поршневой полостей гидроцилиндров, нарушение шага цепи из-за износа звеньев, возможность травмирования обслуживающего персонала при разрыве цепи, незначительная надёжность и большие габариты вспомогательного оборудования.
Повышение эффективности разрабатываемых установок предполагает устранение указанных недостатков. Использование зубчато-реечных передач, получивших распространение, например, для перемещения подъёмных установок, очистных комбайнов в сложных подземных условиях, позволит повысить эффективность работы проектируемого механизма грунтопрокалывающей установки при обеспечении безопасности персонала. Необходимость обеспечения малых габаритов требует проведения исследований по определению рациональной компоновки и параметров передачи с учётом взаимодействия с опорно-направляющим устройством. Кроме того, известные методы проектирования не позволяют достоверно оценить влияние геометрических параметров на нагруженность элементов механизма подачи, а также сопоставить возможные варианты конструкции без проведения экспериментальных исследований. Это влечёт за собой необоснованное увеличение металлоёмкости и снижение срока службы вновь проектируемых зубчато-реечных передач.
В связи с этим в диссертационной работе решается актуальная научно-техническая задача обоснования рациональных параметров зубчато-реечного механизма подачи для повышения эффективности грунтопрокалывающей установки.
Диссертационная работа соответствует научному направлению кафедры «Техническая механика» НИ РХТУ им. Д.И. Менделеева – «Разработка методов повышения технического уровня технологических машин», утвержденному решением Ученого Совета НИ РХТУ им. Д.И. Менделеева 26.02.2010 г. (протокол № 6) и выполнена в рамках аспирантского плана научно-исследовательской работы.
Цель работы. Совершенствование метода проектирования зубчато-реечного механизма подачи и обоснование его параметров, обеспечивающих повышение эффективности применения грунтопрокалывающей установки.
Идея работы. Повышение эффективности грунтопрокалывающей установки достигается за счет снижения удельных энергозатрат на проведение прокола посредством научно обоснованного выбора усилия, развиваемого зубчато-реечным механизмом подачи, с учетом типа грунта и особенностей трассы прокола, а также дополнительных качественных характеристик проектируемой передачи.
Задачи исследования:
– провести обзор и анализ конструкций прокалывающих установок, механизмов подачи и проведенных ранее исследований;
– разработать математическую модель зубчато-реечного механизма подачи с учётом особенностей применения грунтопрокалывающей установки;
– обосновать рациональную компоновку и параметры механизма подачи грунтопрокалывающей установки;
– провести исследование нагруженности зубчато-реечного механизма подачи при осуществлении прокола в грунтах с коэффициентом крепости по шкале М.М. Протодьяконова f = 0,3…0,7 в условиях умеренного климата;
– разработать методику расчёта геометрических, кинематических и силовых параметров зубчато-реечного механизма подачи грунтопрокалывающей установки.
Метод исследования. В работе использован комплексный метод исследования, включающий научный анализ и обобщение опыта проектирования и эксплуатации грунтопрокалывающих установок, методы теории плоских зацеплений, векторных контуров, теории устойчивости, сопротивления материалов и математического моделирования. Практическая часть работы базируется на исследовании твердотельных моделей с помощью метода конечных элементов, реализованного в современном программном продукте APM WinMachine.
На защиту выносятся наиболее значимые положения диссертационного исследования, составляющие научную новизну работы:
усовершенствованная математическая модель зубчато-реечного механизма подачи, учитывающая при определении усилия подачи тип грунта и особенности трассы прокола, а также дополнительные качественные характеристики проектируемой передачи;
установленные зависимости ускорения скольжения и результаты исследований;
скорректированные дополнительные ограничения синтеза, учитывающие скорость и ускорение скольжения, а также условие пересопряжения зубьев в движителе зубчато-реечного механизма подачи грунтопрокалывающей установки;
наиболее рациональная, с точки зрения формирования трассы прокола, компоновка движителя зубчато-реечного механизма подачи грунтопрокалывающей установки;
рекомендации по выбору конструктивных параметров зубчато-реечного механизма подачи, обеспечивающие повышение эффективности применения грунтопрокалывающей установки.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обоснована корректностью постановки задач, базируется на анализе современного состояния методов расчета тяжело нагруженных зубчато-реечных передач, применением современных математических методов с использованием ЭВМ, соответствием результатов теоретических исследований с результатами расчетов и экспериментов, полученными другими авторами (расхождение не превышает 7%), а также внедрением результатов работы в промышленность.
Научное значение работы заключается в установлении основных закономерностей взаимодействия пары колесо-рейка, разработке математической модели и зависимостей, позволяющих обоснованно выбрать наиболее рациональные параметры зубчато-реечного механизма подачи грунтопрокалывающей установки.
Практическое значение работы: предложена конструкция грунтопрокалывающей установки, отличающаяся применением зубчато-реечного механизма подачи, позволяющая снизить удельные энергозатраты на проведение прокола (положительное решение о выдаче патента на полезную модель № 2010130056); разработана «Методика расчёта геометрических, кинематических и силовых параметров зубчато-реечного механизма подачи грунтопрокалывающей установки» и программное обеспечение с возможностью визуализации результатов расчёта, что расширяет возможности проектировщика при оценке различных геометрических характеристик передачи за счёт введения дополнительных показателей качества и позволяет снизить сроки выполнения проектных работ.
Реализация выводов и рекомендаций: «Методика расчета геометрических, кинематических и силовых параметров зубчато-реечного механизма подачи грунтопрокалывающей установки» внедрена в ООО «Скуратовский опытно-экспериментальный завод» (г. Тула); результаты аналитических исследований использованы ООО «БЕЛРА-Центр» (г. Тула) при создании установок горизонтального прокола; основные положения диссертационной работы и разработанное учебное пособие «Проектирование и конструирование машин для бестраншейной прокладки труб» используются в учебном процессе Тульского государственного университета при чтении курсов «Бурильные машины и установки» и «Проектирование и конструирование горных машин и комплексов»; математическая модель и программное обеспечение по расчету параметров зубчато-реечных передач используются в учебном процессе кафедры «Техническая механика» НИ РХТУ им. Д.И. Менделеева.
Апробация работы. Результаты исследований и основные положения диссертационной работы докладывались и получили одобрение на научных конференциях: Международных: «Математические методы в технике и технологиях» (Ростов-на-Дону, 2007), «Интеграция науки и производства» (Тамбов, 2008), МКХТ (Москва 2008, 2009); «Гагаринские чтения» (Москва, 2008, 2009), «Неделя горняка» (Москва 2009, 2010), «Повышение ресурсо- и энергоэффективности: наука, технология, образование» (Москва, 2009); «МИКМУС» (Москва, ИМАШ РАН, 2009, 2010), 5-й Конференции по проблемам горной промышленности, строительства и энергетики (Тула, 2009); Всероссийских: «Информационные системы и модели в научных исследованиях, промышленности и экологии» (Тула, 2008), «Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения» (Воркута, 2008, 2009), «Научный потенциал молодёжи – будущее России» (Муром, 2009), «Молодежь XXI века – будущее Российской науки» (Ростов-на-Дону, 2009), «Будущее машиностроения России» (Москва, 2009, 2010), «Инновации. Интеллект. Культура» (Тюмень, 2009); научно-практических: «Научных конференциях профессорско-преподавательского состава и сотрудников НИ РХТУ им. Д.И. Менделеева» и «Научно-технических конференциях молодых ученых, аспирантов, студентов» (Новомосковск, 2007-2010).
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 13 научных работ (2,99 п.л.\1,36 п.л. – доля соискателя), из них 2 работы (0,56 п.л.\0,22 п.л.) в журналах, включённых в перечень ВАК.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 разделов и заключения, изложенных на 185 страницах машинописного текста, содержит 90 рисунков, 12 таблиц, список использованной литературы из 108 наименований и 6 приложений.
