Содержание к диссертации
Введение
1. АНАЛИЗ РАБОТ ПО ИССЛЕДОВАНИЮ ФАКТОРОВ ОПРЕДЕЛЯЮЩИХ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ БЕСКОВШОВЫХ ЦЕПНЫХ ТРАНШЕЕКОПАТЕЛЕЙ 11
1.1. Факторы, определяющие режимы работы бесковшовых цепных траншеекопателей 13
1.2. Обзор существующих средств удаления грунта из зоны резания и обочины траншеи 19
1.3. Классификация средств и способов удаления грунта от траншеи 31
1.4. Выводы по главе и задачи исследований 36
2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЖЙ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ СРЕДСТВ И СПОСОБОВ УДАЛЕНИЯ РАЗРУШЕННОГО ГРУНТА ИЗ ЗОНЫ РАБОТЫ БЕСКОВШОВЫХ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ ОРГАНОВ ТРАНШЕЙНЫХ ЭКСКАВАТОРОВ 38
2.1. Рассмотрение вопроса повышения производительности бесковшовых цепных траншеекопателей 38
2.2. Исследование влияния подпрессовки грунта при работе траншеекопателя на процесс резания мерзлого грунта 43
2.3. Отличительные особенности скребкового грунтоуборщика 48
2.4. Методика определения коэффициентов заполнения межскребкового пространства скребкового грунтоуборщика... 51
2.5. Определение режимов работы скребкового грунтоуборщика.... 57
2.6. Силовые и энергетические показатели процесса транспортирования грунта скребковым грунтоуборщиком 62
2.7. Выводы по главе и задачи экспериментальных исследований.. 67
3. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ 68
3.1. Анализ скребкового грунтоуборщика, как рабочего оборудования применяемого на бесковшовых цепных траншеекопателях 68
3.2. Определение масштабного коэффициента модели 71
3.3. Экспериментальная установка и порядок проведения опытов 75
3.4. Методика моделирования работы скребкового грунтоуборщика 87
3.5. Выводы по главе 92
4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СКРЕБКОВЫХ ГРУНТОУБОРЩИКОВ 93
4.1. Исследование механизма образования тела волочения перед скребком грунтоуборщика 93
4.2. Определение усилий, транспортирующей способности различных по геометрии скребков и их рациональных размеров 102
4.3. Проверка коэффициентов заполнения межскребкового пространства 118
4.4. Выбор режимов работы скребкового грунтоуборщика 121
4.5. Определение величины мощности расходуемой на привод скребкового грунтоуборщика 123
4.6. Выводы по главе 139
5. ОБОСНОВАНИЕ МЕТОДИКИ ВЫБОРА И РАСЧЕТА ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ СКРЕБКОВЫХ ГРУНТОУБОРЩИКОВ 140
5.1. Общие сведения 140
5.2. Методика определения основных параметров скребкового грунтоуборщика ,141
5.3. Определение эффективности применения бесковшовых цепных траншеекопателей со скребковым грунтоуборщиком 153
5.4. Выводы по главе 156
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ РАБОТЫ 157
ЛИТЕРАТУРА 158
ПРИЛОЖЕНИЕ
- Факторы, определяющие режимы работы бесковшовых цепных траншеекопателей
- Рассмотрение вопроса повышения производительности бесковшовых цепных траншеекопателей
- Анализ скребкового грунтоуборщика, как рабочего оборудования применяемого на бесковшовых цепных траншеекопателях
- Исследование механизма образования тела волочения перед скребком грунтоуборщика
- Методика определения основных параметров скребкового грунтоуборщика
Введение к работе
Актуальность темы. В России в последние десятилетия наблюдается интенсивный рост объемов строительства, освоения природных ресурсов, обустройства нефтяных месторождений, газа и других полезных ископаемых, требующих достижения качественно нового уровня в капитальном строительстве, коренного улучшения качества работ на сооружаемых и реконструируемых объектах, разработки грунта с повышенной эффективностью.
Применение бесковшовых цепных траншеекопателей позволяет снизить энергозатраты на разработку мерзлого грунта, получить технологически подготовленную траншею, которую можно использовать для прокладки инженерных коммуникаций, нефтепромысловых трубопроводов, выемки целиков, пересадки деревьев, проведения взрывных и других видов работ.
' Особенностью взаимодействия бесковшового цепного исполнительного органа с мерзлым грунтом при копании траншеи является то, что режуще-транспортирующие элементы (РТЭ) одновременно с рыхлением грунта транспортируют его из траншеи.
Вынесенный на поверхность грунт осыпается в зазоры между исполнительным органом и боковыми стенками траншеи, затягивается в нее холостой ветвью режущей цепи и скапливается в нижней части исполнительного органа между РТЭ. Уплотняясь, он усложняет доступ резцов к забою, при этом увеличивается как усилие подачи, так и усилие протягивания режущей цепи.
Для повышения эффективности работы РТЭ необходимо снизить количество осыпающегося грунта с дневной поверхности путем удаления вынесенного грунта от исполнительного органа. Это в свою очередь позволит исключить подпрессовку грунта я обеспечить заданную производительность траншеекопателя по нарезке траншеи, особенно при использовании ее по технологическому назначению.
На основании проведенной классификации средств удаления грунта и анализа их работы нами предлагается использовать для этих целей скребковый грунтоуборщик.
В связи с изложенным, исследования направленные на совершенствование средств и способов удаления разрушенного грунта от исполнительного органа бесковшового цепного траншеекопателя, являются актуальными.
Целью настоящей работы является повышение производительности бесковшового цепного траншеекопателя за счет совершенствования скребкового грунтоуборшнка.
Объект исследований: бесковшовый цепной траншеекопатель со скребковым грунтоуборщиком. ....
Предмет исследования: процесс работы скребкового грунтоуборщика по уборке вынесенного на поверхность грунта при проходке траншей бес-
ковшовым цепным траншеекопателем.
, Для достижения цели были поставлены следующие задачи исследований:
- выполнить анализ исследований факторов, определяющих произво
дительность бесковшовых цепных траншеекопателей;
, - классифицировать по основным признакам устройства для удаления вынесенного на дневную поверхность грунта от прорезаемой траншеи;
рассмотреть теоретические предпосылки совершенствования средств и способов удаления разрушенного грунта из зоны работы бесковшовых исполнительных органов траншейных экскаваторов;
провести экспериментальные исследования на модели скребкового грунтоуборщика;
: - разработать методику расчета технологических параметров скребковых грунтоуборщиков;
: - оценить экономическую эффективность результатов исследования. Теоретической и методологической основой диссертации является анализ системы «бесковшовый цепной траншеекопатель — разрабатываемая среда» в .вопросе совершенствования рабочего оборудования — скребкового грунтоуборщика, В работе использована теория подобия и размерностей, методы математического и физического моделирования рабочих процессов, теория транспортирования сыпучих материалов, статистические методы обработки экспериментальных данных.
На защиту выносятся следующие положения: : - методика определения параметров скребкового грунтоуборщика; - методика проведения экспериментов на модели скребкового грунтоуборщика;
- результаты экспериментальных исследований процесса удаления
вынесенного грунта от траншеи скребковым грунтоуборщиком;
методика расчета скребкового грунтоуборщика при совместной работе с бесковшовым цепным траншеекопателем;
- результаты анализа эффективности установки скребкового грунто
уборщика на бесковшовый цепной траншеекопатель.
-'- Достоверность научных положений обоснована:
методологической базой исследования, основанной на положениях теории подобия и размерностей, теоретической механики, теории машин и механизмов и математической статистики, теории транспортирования сыпучих материалов;
всесторонними исследованиями в лабораторных условиях скребкового грунтоуборщика и анализом результатов применения его на бесковшовых цепных траншеекопателях.
Научная новизна:
предложена методика моделирования процесса уборки скребковым грунтоуборгциком вынесенного грунта от траншеи;
определены значения затрачиваемой мощности скребковым грунто-уборщиком на удаление грунта от траншеи при различных его физико-механических свойствах и режимах работы траншеекопателя;
разработана методика расчета технологических параметров скребкового грунтоуборшика.
Практическая ценность и реализация результатов работы.
Результаты исследований рекомендованы н получили одобрение, частично внедрены в конструкции экскаваторов траншейных ЭТЦ-206, ЭТЦ-208В, используются ОАО «Копейскнй машиностроительный завод».
Методика выбора н расчета скребковых грунтоуборшиков используется ОАО «Томскводоканал» (г.Томск), НИЦ «Импульс» (г. Бишкек), и в учебном процессе кафедры «Строительные и дорожные машины» Томского государственного архитектурно-строительного университета по дисциплине «Машины для земляных работ» специальностей 19.02.05 - «Подъемно-транспортные, строительные, дорожные машины и оборудование» и 27.01.13- «Механизация и автоматизация строительства».
Личный вклад автора заключается в следующем:
в формулировании цели и обшей идеи работы;
в уточнении классификации средств удаления вынесенного мерзлого грунта от прорезаемой бесковшовым ценным экскаватором траншеи;
-в уточнении коэффициентов заполнения межскребкового пространства грунтоуборшика, кинематических и силовых параметров по результатам теоретических исследований;
-в составлении многофакторной функциональной зависимости параметров скребкового грунтоуборшика при транспортировке мерзлого грунта;
в установлении зависимости затрачиваемой мощности скребковым груятоуборшиком от режимов работы траншеекопателя;
в разработке методики определения технологических параметров скребкового грунтоуборшика при совместной работе с бесковшовым цепным траншеекопателем и экономической оценки результатов.
Апробация исследования. Результаты диссертационной работы обсуждались на IV международной научно-технической конференции «Итоги строительной науки» (Владимир, 2005), международной научно-технической конференции «Интерстроймех-2006» (Москва, 2006), на IV всероссийской научно-технической конференции «Политранспортные системы» (Красноярск, 2006), на заседаниях кафедры «Строительные и дорожные машины» Томского государственного архитектурно-строительного университета.
Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 8 опубликованных работах.
Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 168 страницах и состоит из введения, пяти глав, основных выводов по работе, списка литературы из 105 наименований, 8 таблиц и 62 иллюстраций.
Факторы, определяющие режимы работы бесковшовых цепных траншеекопателей
Для работы с максимальной производительностью необходимо знать влияние каждого из основных факторов на режим работы бесковшового цеп ного траншеекопателя при соответствующем расходе мощности двигателя.
Режим работы бесковшового цепного исполнительного органа определяется , скоростью резания ир и подачи ип, а также его конструкцией - это количе ство резцов, их геометрические параметры и схемы набора.
Большое количество выполненных теоретических и экспериментальных работ посвящено изучению режимов работы бесковшовых цепных исполнительных органов и относится к угледобывающим машинам. Работами по определению влияния скорости подачи и скорости резания на процесс отделения стружки от массива угля занимались ученые М.М. Протодьяконов [66], В.Н. Берстель [26], К. Медведев [57], Г.В. Родионов и В.Г. Бочкарев [27], А.И. Берон [23], П.С. Кучеров [47,48] и другие [55, 62,68, 75].
В ряде работ [23, 25, 41, 55, 63, 64, 76] рациональные режимы работы цепных режущих органов связывается с поддержанием постоянной толщины срезаемой стружки путем сохранения постоянства соотношения и предлагается классифицировать способы достижения рационального режима [25] на примере угледобывающих машин:
- минимальный, при котором потребляемая мощность поддерживается на заданном уровне путем регулирования скорости подачи при постоянной скорости резания;
- максимальный, отличающийся от минимального тем, что уровень потребляемой мощности поддерживается одновременным и независимым регу 1 лированием скоростей подачи и резания; P - параметрический, при котором соотношение скоростей подачи и ре зания сохраняет постоянное значение на определенном участке разработки.
Поскольку наблюдается идентичность исполнительных органов с при меняемыми на бесковшовых цепных траншеекопателях для разработки мерз лых грунтов, были апробированы основные результаты вышеупомянутых ис следований. Тем не менее, явно отличие свойств разрабатываемой среды и ус ловий эксплуатации. При добыче угля исполнительный орган прорезает гори зонтальную щель, где разрушенная порода заполняет нижнюю часть вруба. А і при прорезке траншеи в мерзлом грунте исполнительный орган расположен вертикально, что создает дополнительные трудности выноса разрушенной породы из зоны резания, связанные с преодолением сил собственного веса разрыхленного грунта. Следует подробнее изучить состояние вопроса в современной науке по выбору режимов работы при разработке мерзлых грунтов. Соответствующие исследования проводились ранее и имеют место в настоящее время.
Рассмотрение вопроса повышения производительности бесковшовых цепных траншеекопателей
Оценим эффективность применения скребковых грунтоуборщиков на бесковшовых цепных траншеекопателях. Цель - изучение закономерностей составных структур траншеекопателя (рис. 2.1) для построения их оптимального взаимодействия.
Двигатель базовой машины траншеекопателя
Гидроходоуменьшитель механизма передвижения траншеекопателя
Исполнительный орган траншеекопателя
Скребковый грунтоуборщик, установленный на траншеекопателе как конечное множество функциональных элементов, и определяется отношение между ними. Так, мощность приводного двигателя базовой машины траншеекопателя распределяется на три подсистемы:
- привод гидроходоуменьшителя механизма передвижения траншеекопателя;
- привод рабочего органа траншеекопателя;
- привод скребкового грунтоуборщика, установленного на траншеекопателе;
Nw = Np + Nn+Nu, (2.1)
где Ыдв - мощность двигателя траншеекопателя.
Задача повышения производительности бесковшового цепного траншеекопателя имеет несколько возможных путей решения, одна из которых повышение скорости подачи траншеекопателя.
Увеличение скорости подачи траншеекопателя возможно за счет:
- конструктивных изменений исполнительного органа;
- использования дополнительного рабочего оборудования;
- изменения режимов работы траншеекопателя;
- увеличения мощности двигателя базовой машины.
Конструктивные изменения способны обеспечить увеличение скорости
подачи, не приводя к работе машины в режиме подпрессовки грунта лишь до определенного предела.
Изменение режимов работы траншеекопателя, отношения скорости подачи к скорости резания ип /о_ обеспечивающее величину срезаемой стружки h, исчерпало свои возможности, ведь увеличение толщины срезаемой стружки приводит к увеличению объема разрушенного грунта, который режущая цепь не способна вынести из рабочей зоны исполнительного органа. Наблюдается также его осыпание-затягивание обратно в траншею. Циркуля-ция разрыхленного грунта в траншеи снижает возможную скорость подачи траншеекопателя и, в конечном счете, приводит к подпрессовке разрушенно го грунта и к опрокидыванию двигателя.
Рост мощности приводного двигателя базовой машины также ограничен существующими технологиями в двигателестроении и требует обоснованности затрат на производство и эксплуатацию траншеекопателей.
Использование дополнительного рабочего оборудования для увеличения рабочей скорости движения траншеекопателя, и, как следствие, роста производительности, имеет как положительные, так и отрицательные моменты. К отрицательным относятся:
- увеличение массы траншеекопателя;
- повышение сложности кинематической схемы траншеекопателя;
- рост трудоемкости технического обслуживания и ремонта траншеекопателя.
Но к тому же имеется и ряд положительных сторон, превосходство которых над отрицательными очевидно:
- уборка от траншеи вынесенный на дневную поверхность грунт обеспечивает сокращение циркулирующего грунта в прорезаемой щели, что ведет к возможности увеличения скорости подачи траншеекопателя без появления режима подпрессовки исполнительного органа;
- использование не задействованной и освободившейся, от затрачиваемой на удаление циркулирующего грунта в траншее, мощности на привод скребкового грунтоуборщика;
- появление возможности планирования выносимого грунта, либо удобства последующей засыпки траншеи вынесенным грунтом;
- возможность применения с различными типоразмерами бесковшо-вых цепных рабочих органов.
Анализ скребкового грунтоуборщика, как рабочего оборудования применяемого на бесковшовых цепных траншеекопателях
Методы физического моделирования и их применение [2, 3, 6, 7, 8, 11, 12, 44, 58] базируются на теории подобия и размерностей, с помощью которой составляются безразмерные критерии, характеризующие изучаемый процесс.
Теория подобия и размерностей является связующим элементом между расчетом (теорией) и экспериментом, указывая как нужно ставить опыт, как обрабатывать опытные данные и как обобщать и распространять полученные результаты на другие объекты, то есть имеется возможность установления структуры функциональных связей между физическими величинами [2].
При моделировании процесса удаления грунта от прорезаемой траншеи транспортерами различных типов нами составлены критерии подобия, обеспечивающие необходимое равенство модели и натуры. При решении этой задачи мы опробовали, и в последствии решили, с необходимой точностью, проблемы на которые указывают авторы [3,6, 7, 8]:
1) известны не все определяющие параметры данного явления;
2) среди определяющих параметров можно выделить такие, влияние которых на процесс наиболее значительно и такие, влияние которых сравнительно невелико;
3) практический подбор параметров натуры таким образом, чтобы определяющие критерии модели и натуры были равны, имеет определенные трудности;
4) при наличии переменных параметров невозможно удовлетворить дополнительные условия подобия.
Использование моделей предполагает проведение эксперимента, который является частью научных исследований. С помощью проведения эксперимента формируются новые представления об исследуемом объекте, проверяются рабочие гипотезы и предположения, устанавливаются конкретные зависимости и величины.
Эксперимент дает возможность устанавливать значения факторов заранее по определенному плану, а исследователь может вмешиваться в ход проведения эксперимента и вносить требующиеся коррективы. При этом планирование эксперимента значительно сокращает трудоемкость и время его проведения, позволяет достичь заданного уровня значимости при минимально возможном числе опытов.
В нашем исследовании скребковый грунтоуборщик представлен сложной динамической системой с разветвленной структурой, многочисленными связями и различного рода ограничениями. Указанные действия носят случайный характер и могут наблюдаться в различных сочетаниях. Элементы системы не линейны и изменение параметров одного из них влечет за собой изменения системы в целом.
В соответствии с поставленной задачей исследования входом системы являются условия нарезки траншеи и требования к ней. Выходом служат показатели эффективности машины в целом.
Используя моделирование процесса работы, модель дает возможность при заданных входных воздействиях установить структуру и параметры подсистем, при которых показатели эффективности достигают своих максимальных значений.
Исследование механизма образования тела волочения перед скребком грунтоуборщика
Исследование механизма образования тела волочения перед скребком грунтоуборщика Для изучения процесса образования тела волочения при взаимодействии скребков грунтоуборщика с грунтом были проведены специальные эксперименты на грунте влажностью W = 10 %. Для наглядности процесса образования тела волочения перед скребком по пути его перемещения на поверхности грунта были нанесены параллельные скребку линии окрашенного в белый цвет песка, также расцвеченного по слоям (рис. 4.1).
Перемещение скребка по грунту
1) скребок;
2) линии из окрашенного в белый цвет песка;
3) слой песка белого цвета
В исследованиях применялись прямые, сегментные и Г-образные скребки (в плане формы), с отношением высоты и длины (ширины захвата) Н/В равным 0,25.
Образование ядра уплотнения продолжается на всем пути движения скребка, а образующееся из него тело волочения располагается и начинает выходить за пределы скребка. За счет сил трения грунта о грунт и грунта о скребок происходит непрерывное ворошение грунта внутри тела волочения. В результате образуется конечная его форма в виде трехгранной призмы (рис. 4.7), параметры которой определяюОпределение усилий, транспортирующей способности различных по геометрии скребков и их рациональных размеров
На основании проведенных экспериментов были построены зависимости V = f(S), P = f(S), V = f(H/B) и P = f(H/B) при S = const и V = г (форма скребка) (рис. 4.12-4.19).
Количество транспортируемого грунта за один проход для бесковшового цепного траншеекопателя определялось с учетом объемного веса грунта
V = G/y, где G - вес грунта транспортируемого скребком за один проход.
Анализ полученных зависимостей наиболее удобно провести с учетом геометрических форм и размеров скребков.
При изменении отношения высоты к ширине скребка от Н / В = 1 / 3 до Н / В = 1 / 2 (рис. 4.12) наблюдается снижение количества транспортируемого грунта V с увеличением подачи S более 30 мм. Усилие протягивания скребка также снижается на 12 ... 14 %. Уменьшение ширины скребка влияет на характер изменения зависимости V = f(S) (рис. 4.12). При подаче S = 45 мм и более наблюдается снижение количества транспортируемого грунта. Явление снижения количества транспортируемого грунта в этом случае можно объяснить уменьшением ширины скребка. Взаимодействуя с грунтом скребок, отделяет определенную подачей стружку, которая в процессе движения скребка перемещается вдоль его поверхности и часть грунта остается за пределами скребка, то есть не доходит до линии разгрузки. В связи с этим объем транспортируемого грунта растет менее интенсивно, чем при подачах S = 15... 30 мм, а усилие протягивания скребка снижается менее интенсивно, чем количество теряемого фунта размерами скребка и свойствами грунта (углы внутреннего трения, трения грунта о скребок, угол естественного откоса грунта).
Методика определения основных параметров скребкового грунтоуборщика
Скребковый грунтоуборщик располагается перед исполнительным органом бесковшового цепного траншеекопателя выполняя функцию уборки грунта от траншеи заданным слоем. Очистка зоны перед исполнительным органом от вынесенного фунта уменьшает осыпание его в траншею и снижает объем циркулирующего разрушенного грунта в ней, тем самым позволяет увеличить скорость подачи машины, не приводя к режиму подпрессовки режущей цепи, обеспечивая рост производительности траншеекопателя.
Скребковый грунтоуборщик проектируется на основе заданных параметров: ширины В и глубины Н прорезаемой траншеи.
Методика определения основных параметров скребкового грунтоуборщика
Подбор геометрических размеров скребков
Главным конструктивным параметром скребкового грунтоуборщика, как было показано выше, является ширина и высота скребка, который во взаимосвязи с конструктивно-кинематическим параметром - глубиной сдвигаемого слоя фунта от траншеи hb определяют уровень силовых и энергетических затрат, идущих на уборку вынесенного грунта от траншеи.
Нами было определено, что оптимальными геометрическими размерами скребков, при которых наблюдается минимум затрачиваемой мощности и максимальная транспортирующая способность на удаление вынесенного грунта от траншеи, размерами 2,0 х 0,14 м, являются ширина скребка b = 354 мм и высота скребка h = 84 мм.
Эти размеры обусловлены также расстоянием между краем гусениц механизма передвижения базовой машины и режущей цепью бесковшового цепного исполнительного органа.
Нами было исследовано восемь типов скребков (табл. 3.1) и определено влияние формы и размеров (при одинаковой площади) скребков на изменение объема тела волочения перед скребком.
Было выявлено, что тело волочения увеличивается при транспортировании скребками с отгибом.
