Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Особенности математического моделирования сопротивления грунтов резанию рабочими органами землеройных машин 10
1.1 Особенности процесса резания грунтов 10
1.2 Методы определения сопротивлений грунта резанию и копанию 17
1.3 Влияние скорости резания грунтов на возникающие сопротивления 26
1.4. Методы математического моделирования напряженно- деформированного состояния среды 29
Выводы. Цель и задачи исследования 33
Глава 2. Определение сопротивления грунта резанию рабочими органами отвального типа 35
2.1 Физическая картина процесса резания грунтов 35
2.2 Математическая модель определения сопротивления грунта резанию 38
2.3 Моделирование упруго-пластического состояния разрабатываемого грунта путем уточнения формы поверхностей скольжения 47
2.4 Аналитическое определение разрывов сплошной среды и обоснование принятого критерия текучести 56
Выводы 61
Глава 3. Экспериментальные исследования процесса резания грунтов рабочими органами отвального типа 63
3.1 Методика, оборудование и материалы экспериментальных исследований 63
3.2 Экспериментальные исследования процесса резания грунтов с применением системы LabVIEW 75
3.3 Оценка влияния факторов процесса резания грунтов на форму поверхности скольжения 80
3.3.1 Влияние угла резания на форму поверхностей скольжения 80
3.3.2 Влияние призмы волочения на форму поверхностей скольжения 82
3.3.3 Влияние скорости резания на форму поверхностей скольжения 83
3.4 Адекватность результатов аналитического исследования 86
Выводы 90
Глава 4 Методика расчета сопротивления грунта резанию рабочими органами отвального типа 92
4.1 Аппроксимация кривых скольжения 92
4.2 Методика расчета сопротивления грунта резанию с учетом функций кривых скольжения 97
4.3 Практические рекомендации 103
4.4 Экономическая эффективность рекомендаций уточненной методики расчета сопротивления грунта резанию 105
Выводы 112
Основные выводы и предложения 114
Список использованных источников 118
- Методы математического моделирования напряженно- деформированного состояния среды
- Моделирование упруго-пластического состояния разрабатываемого грунта путем уточнения формы поверхностей скольжения
- Экспериментальные исследования процесса резания грунтов с применением системы LabVIEW
- Экономическая эффективность рекомендаций уточненной методики расчета сопротивления грунта резанию
Введение к работе
Актуальность темы.
Эффективность использования строительно-дорожных машин для земляных работ зависит от полноты реализации их эксплуатационных свойств в производственных условиях, что оценивается комплексом показателей. Задача повышения эффективности машин решается путем совершенствования методов их рационального использования по мощности и времени. Первое направление предусматривает определение, изучение и оптимизацию показателей эксплуатационных свойств отдельных машин для земляных работ, в том числе тягово-скоростных свойств, использования рабочего оборудования. Второе — разработку и совершенствование рациональных параметров рабочих органов, режимов работы землеройных машин, а также теоретических основ механизма взаимодействия с рабочими средами.
В настоящее время, разработка новой, техники, применяемой в дорожном строительстве, базируется на типовых методиках расчета основных конструктивных и эксплуатационных параметров, что часто приводит к появлению заведомо неконкурентоспособных машин.
При решении задачи повышения эффективности дорожных машин, в настоящее время, возникло противоречие между традиционными методами расчета параметров рабочих органов и современными методами, базирующимися на машинно-численных методах.
Интенсивное развитие компьютерных и электронных технологий позволяет использовать прогнозирующее математическое моделирование при выборе рациональных параметров конструкций рабочих органов с учетом особенностей и характера процесса резания, режимов работы машины, а так же различных случайных факторов. При этом, сами методики расчета должны быть реализованы в виде конечных программных продуктов, предлагаемых производителям дорожной и горной техники.
5
Таким образом, определение усилий на режущих частях рабочих
органов изучение механизма образования поверхностей скольжения, переход
к машинным методам расчета и проектирования новой,
высокопроизводительной дорожной техники обеспечивающей
совершенствование технологического процесса является актуальной задачей для строительного и дорожного машиностроения.
Работа выполнялась в соответствии с заданием Минобразования России по программе 206.04.01.027.
Цель работы. Совершенствование методов расчета сопротивления грунта резанию рабочим органом землеройной машшіьі путем уточнения формы поверхности скольжения
Для достижения поставленной цели были сформулированы и решены следующие задачи:
Провести анализ научных работ, посвященных процессам резания и копания грунтов рабочими органами дорожных машин, а также типовых методик определения сопротивления фунта резанию.
Разработать математическую модель процесса резания грунта, учитывающую закономерность процесса разрушения грунтов рабочим органом землеройной машины при послойной разработке и физико-механические свойства среды.
Разработать экспериментальную установку с измерительно-вычислительным комплексом для исследования процесса резания грунта, провести экспериментальные исследования.
Установить степень влияния угла резания, призмы волочения и скорости резания на форму поверхности скольжения и формирование усилий на рабочем органе.
Провести серию машинно-численных экспериментов по изучению напряженно-деформированного состояния разрабатываемого грунта.
Выполнить сравнительный анализ теоретических и экспериментальных исследований с целью проверки адекватности предложенной математической модели.
Разработать научно-обоснованную методику расчета сопротивления грунта резанию.
Разработать практические рекомендации, определяющие требования к средствам механизации земляных работ при разработке грунтов I-IV категории.
Объектом исследования является механизм образования поверхностей скольжения в системе "рабочий орган-грунт".
Предметом исследования является процесс резания грунтов рабочим органом землеройной машины.
Методы исследования. При решении поставленных задач использованы методы системного анализа и математического моделирования на ЭВМ. Математическая модель процесса резания получена на базе реологической модели Шведова-Бингама. Эксперимент осуществлялся в среде оригинала, без изменения его физико-механических свойств, в качестве автоматизированной системы научных исследований использован аппаратно-программный комплекс компании National Instruments. Проверка результатов теоретических исследований осуществлялась путем проведения стендовых и натурных экспериментов, обработка полученных данных проведена на основе методов математической статистики.
Научная новизна результатов исследования:
- разработана математическая модель процесса резания грунта, позволяющая определить, по установленным многофакторным зависимостям, изменение сил нормального и касательного давления в ходе взаимодействия системы "рабочий орган- грунт";
изучен механизм формирования поверхностей скольжения, выполнено их математическое описание, позволяющее учитывать массу элементов стружки, показатели сцепления и адгезионной прочности грунта
7 при определении усилий на режущих частях рабочих органов землеройных машин;
- разработана программа на ЭВМ, позволяющая рассчитывать
коэффициенты, входящие в состав математической модели определения
сопротивления грунта резанию;
- разработана научно-обоснованная методика проектирования рабочих
органов землеройных машин и комплектации средств механизации земляных
работ, учитывающая механизм стружкообразования и усилия резания
грунтов при послойной разработке грунтов I-IV категории.
Достоверность полученных результатов, сформулированных в диссертации. Полученные результаты, базируются на основных положениях механики грунтов, теории упругости и пластичности, подтверждается качественным и количественным согласованием результатов теоретических и экспериментальных исследований.
Практическая ценность работы:
- полученное математическое описание поверхностей скольжения,
возникающих в процессе взаимодействия рабочих органов с грунтом,
позволяет производить предварительный расчет сопротивления грунтов
резанию рабочими органами машин для земляных работ машинными
методами;
- предложена для практического использования хозяйствующими
субъектами усовершенствованная научно-обоснованная методика расчета
сопротивления грунтов резанию рабочими органами машин для земляных
работ;
разработаны дополнительные требования к организации проектирования рабочих органов машин для земляных работ путем расчета сопротивления грунта резанию с учетом кривых скольжения, предложены рекомендации по совершенствованию режима эксплуатации землеройных машин;
- разработаны рекомендации, определяющие технические требования к
средствам механизации земляных работ при разработке грунтов I-IV
категории.
На защиту выносятся:
результаты анализа методик расчета сопротивления грунтов резанию рабочими органами дорожных машин;
математическая модель сопротивления грунта резанию, позволяющая определить по установленным многофакторным зависимостям, изменение сил нормального и касательного давления в процессе взаимодействия системы "рабочий орган - грунт";
- результаты экспериментальных исследований механизма
стружкообразования и усилия резания грунтов при послойной разработке,
позволяющие учитывать массу элементов стружки, показатели сцепления и
адгезионной прочности грунта при определении усилий на режущих частях
рабочих органов землеройных машин;
научно-обоснованная методика расчета сопротивления грунта резанию с учетом кривых скольжения, позволяющая оптимизировать проектирование рабочих органов землеройных машин и режимы их эксплуатации;
практические рекомендации, устанавливающие требования к средствам механизации земляных работ при разработке грунтов I-IV категории и перспективные направления их дальнейшего развития.
Реализация результатов работы. Методика расчета сопротивления грунта резанию внедрена в практику расчета и проектирования рабочих органов ЗАО "НПЦ Погрузчик", ЗАО "Дормаш". Результаты диссертационного исследования используются в учебном процессе Орловского государственного технического университета и Орловского государственного аграрного университета при чтении лекций, проведении практических и лабораторных занятий по соответствующим дисциплинам, дипломном проектировании, выполнении научно-исследовательских работ.
#
9 Апробация работы. Основные положения диссертационного
исследования докладывались на международных, региональных и республиканских научно- технических семинарах, конференциях и симпозиумах: «Интерстроймех -2001», Санкт-Петербург, 2001г.; шестой российской научно-технической конференции «Прогрессивные технологии в транспортных системах». Оренбург, 2003 г.; международной научно-практической конференции «Надежность и ремонт машин», Гагра, 2004г; научно-методических и научно-исследовательских конференциях Орел ГТУ, Орел (2001, 2002, 2003, 2004, 2005гг).
Публикации. По материалам диссертационного исследования опубликовано 9 работ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, изложена на 154 с. из них 124 с. основного текста, содержит 38 рис., 16 табл., библиографию из 76 наименований и 5 приложений.
Методы математического моделирования напряженно- деформированного состояния среды
При решении инженерных задач связанных с исследованиями процессов взаимодействия рабочих органов строительно-дорожных машин со средой, а также во многих других отраслях, широко используются различные методы математического моделирования развития и динамики изучаемых процессов, базирующиеся на законах механики твердого тела [8, 36, 49, 59]. Это позволяет использовать полученные аналитические зависимости для решения практических задач и обоснования параметров процессов и оборудования. Для повышения точности решаемых задач и соответствия фактических и изучаемых процессов, среды, рабочих органов и др. необходимо увеличивать количество элементов, что приводит к значительному росту объема вычислений. Развитие ЭВМ способствовало широкому использованию численных методов, а получаемые при этом результаты, позволили выйти на качественно новый уровень решения поставленных задач.
Метод конечных разностей (методом сеток) — является одним из методов решения краевых задач дифференциальных уравнений. На область рассматриваемого тела (область решения краевой задачи) наносится сетка линий, точки пересечения которых называют узлами. За неизвестные принимаются значения разыскиваемых функций в узлах сетки. Находятся приближенные формулы для производных от изучаемых функций в узлах сетки, выраженные через узловые ординаты этих функций (конечно-разностные операторы производных) [2]. Полученные операторы подставляются в дифференциальное уравнение, с условием, чтобы оно выполнялось в каждом узле сетки. Граничные условия данной краевой задачи также формируются с помощью конечно-разностных операторов. В целом это приводит к алгебраической системе уравнений относительно узловых ординат изучаемых функций. Для линейных дифференциальных уравнений конечно-разностные решения образуют систему линейных алгебраических уравнений. Поскольку использование ЭВМ позволяет составить и решать системы таких уравнений очень высокого порядка, метод конечных разностей представляет весьма мощное средство решения прикладных задач теории упругости.
Для различных инженерных целей требуется задание распределения напряжений и деформаций в упругой сплошной среде. Тогда предметом исследования являются двумерные задачи о плоском напряженном и плоском деформированном состояниях. Такая задача дискретизируется следующим образом: сплошная среда разделяется воображаемыми линиями на некоторое количество конечных элементов; предполагается, что элементы связаны между собой в узловых точках, расположенных на их гранях; выбирается функция, определяющая перемещения внутри каждого конечного элемента через перемещения узловых точек; функции перемещений однозначно определяют деформации внутри элемента. Эти деформации при известных начальных деформациях и упругих свойствах элемента позволяют определить напряжения как внутри элемента, так и на его границах. В этом заключается сущность метода конечных элементов (МКЭ). Большие возможности МКЭ особенно ярко проявились в механике грунтов и горных пород с их многообразием механических свойств материалов и условий нагружения [49, 68]. В обеих задачах - о плоском напряженном и плоском деформированном состояниях — поле перемещений однозначно определяется перемещениями и и V в направлениях осей X и Y прямоугольной систем координат. В обоих случаях рассматриваются только по три компоненты напряжения и деформации в плоскости X-Y. В случае плосконапряженного состояния все остальные компоненты напряжения равны нулю по определению и, следовательно, не совершают внутренней работы. Часто свойства материала таковы, что деформации единственным образом определяюся через напряженное состояние. Случай истинной пластической деформации может быть аппроксимирован для такого материала лишь при монотонном увеличение напряжений. При использовании МКЭ применительно к грунтам, использовались итерационные (пошаговые) процедуры методов начальных деформаций и начальных напряжений. Вычисления итерационным путем включают пошаговую систему: к системе приложена полная нагрузка и определяются напряжения и деформации, соответствующие нулевому напряжению; для каждого элемента определяются новые напряжения и деформации, полученные на предыдущем шаге; снова производится упругий расчет, основанный на значениях постоянных упругости, найденных для каждого элемента на шаге 2-а (предыдущем); повторяется шаг два и так далее. В настоящее время наиболее распространен вариант МКЭ, основанный на методе перемещений с использованием принципа минимума потенциальной энергии. Достоинствами, обеспечивающими популярность МКЭ, являются: простота получения конкретных решений по имеющейся готовой программе; возможность сгущения сети элементов в ожидаемых местах высоких градиентов исследуемого параметра; возможности задания любых граничных условий; принципиальная возможность реализации в программах произвольных механических свойств материала, любой последовательности нагружения и т.д. Единственными строгими решениями задачи о предельном состоянии грунта приводится в аналитической форме в работах В.В. Соколовского [60] и графически в работах С.С. Голушкевича [18]. Взаимодействие рабочего органа с грунтом рассматривается с точки зрения тех теорий предельного равновесия, которые связаны с определением пассивного давления грунта на подпорные стенки. Процесс заглубления режущего инструмента в грунт рассматривается как периодически повторяющиеся сколы элементов стружки, вызываемые внедрением ножа в образовавшийся при предыдущем сколе откос массива. Расчет состоит из двух этапов: — определение поверхностей скольжения в грунтовом массиве при помощи характеристических кругов С.С. Голушкевича [18]; — определение аналитическим путем давлений, воспринимаемых гранями ножа. Для определения общего сопротивления внедрению ножа в грунт необходимо определить сопротивления резанию каждой гранью ножа. На сегодняшний день уровень развития вычислительной техники настолько высок, что единичные расчеты напряженного состояния нагружаемого или разрабатываемого грунта представляют интерес лишь с точки зрения получения индивидуальных навыков, но не как не способствуют решению крупных научных и практических задач. Поэтому, использование существующих программных продуктов и разработка новых, реализующих метод конечных элементов, является актуальным подходом в решении поставленных задач.
Моделирование упруго-пластического состояния разрабатываемого грунта путем уточнения формы поверхностей скольжения
Проведенные теоретические исследования позволили сделать следующие выводы: 1. Анализ факторов используемых для расчета сопротивления резанию грунта показал что, далеко не все реально действующие факторы учитываются, а анализируемые методики не отражают в полной мере физическую картину процесса резания грунта, вследствие чего результаты аналитических расчетов и фактические значения силовых параметров для отдельных категорий грунтов существенно разнятся. 2. Грунт рассматривается в общем случае как среда, в которой сопротивление грунта сдвигу по данной площадке - линейная функция нормального напряжения. При перемещении режущего инструмента происходит деформация грунтового массива и при достижении предельных значений прочности происходит разрушение структурных связей грунта или его пластическое деформирование, что приводит к сколу некоторого объема грунта. 3. Разработанная математическая модель взаимодействия рабочих органов строительно-дорожных машин со средой (2.14, 2.26, 2.27), учитывает конструкцию и скорости перемещения рабочего органа, различные грунтовые условия, свойства среды и обеспечивает определение величины возникающих сопротивлений. 4. Моделирование на ЭВМ перехода разрабатываемого грунта в пластическое состояние под воздействием внешней нагрузки обеспечивается методом конечных элементов с использованием итерационного процесса начальных напряжений, 5. Итерационные процедуры метода начальных напряжений, состоящего в реализации упругих задач для изотропной среды, обеспечивают сходимость при любой зависимости между напряжениями и деформациями. 6. При решении физически нелинейной упруго-пластической задачи плоской деформации массива грунта целесообразно использовать схему идеально пластичной среды и в качестве условия текучести принять условие Кулона-Мора (2.67). 7. Для получения числовых значений сопротивления резанию грунта необходимо провести экспериментальные исследования процесса стружкообразования и получить его функциональное описание.
Несмотря на то, что процесс стружкообразования исследовался многими учеными [10, 16, 34, 31], вопрос характера поверхностей скольжения в различных типах грунтов изучен недостаточно. Во второй главе, на основе выполненной оптимизации существующих методик расчета сопротивления грунтов резанию, получена математическая модель (2.14) учитывающая влияние определяющих факторов процесса резания. Отличительной особенностью этой модели является учет формы поверхности скольжения при расчете объема тела скольжения.
Экспериментальные исследования проводились для проверки результатов теоретических исследований процесса стружкообразования путем установления функциональных зависимостей формы поверхности скольжения применительно к наиболее распространенным типам грунтов, а также оценка влияния факторов процесса резания на характер стружкообразования.
Задачи экспериментальных исследований включали: 1) разработка методики исследований; 2) выбор материалов и оборудования; 3) проверка соответствия принятой физической картины процесса резания грунтов; 4) определение влияния угла резания, призмы волочения, скорости резания на процесс формирования поверхности скольжения.
Методика проведения экспериментальных исследований обуславливается спецификой проблемы формирования парков машин позволяющих систематизировать их по функциональным признакам и разработать мероприятия по повышению эффективности их использования. На первом этапе экспериментальных исследований изучен процесс стружкообразования в зависимости от физико-механических свойств грунтов и технологических особенностей выполнения земляных работ. На втором этапе проведена серия полевых исследований.
Экспериментальные исследования процессов взаимодействия рабочих органов отвального типа с грунтом проведены на моделях, параметры которых определены на основе теории подобия. Для лабораторных исследований, проведенных в Орловском государственном техническом университете на кафедре "Автомобили и строительные, дорожные машины", принята методика физического моделирования, разработанная проф. В.И. Баловневым [3, 31]. При этом эксперимент осуществлялся в среде оригинала, без изменения его физико-механических свойств, что позволяет использовать формулы перехода от модели к оригиналу (табл.3.1) [3,31 ].
Экспериментальные исследования процесса резания грунтов с применением системы LabVIEW
Автоматизированная система научных исследований (АСНИ) представляет собой аппаратно-программный комплекс на базе средств измерительно-вычислительной техники, предназначенный для экспериментального изучения объектов (процессов) исследования и построения их математических моделей. Основными частями АСНИ являются: научно-методическое обеспечение - методы, алгоритмы проведения эксперимента, обработки и представления опытных данных, в том числе специальное научно-методическое обеспечение характерное для данной предметной области; технические средства — ЭВМ, средства измерения, средства формирования сигналов управления, линии связи, средства представления результатов; программные средства - системное программное обеспечение (ПО), прикладное (ПО); информационное - базы и банки данных, информационно-поисковые, справочные и обучающие системы, а также программные средства поддержки компьютерных сетей; метрологическое обеспечение — дополнительные аппаратные и программные средства, методические материалы, регламентирующие документы и инструкции, предназначенные для обеспечения метрологических характеристик системы, контроля за ними, аттестации и поверки измерительных и управляющих каналов; организационно-методическое и правовое обеспечение — методические материалы, инструкции для пользователя, документы, регламентирующие доступ к системе, порядок ее эксплуатации и развития. Структурная схема АСНИ представлена на рис. 3.6.
Среди известных ЛСНИ широкое применение получила инструментальная среда графического программирования LabVIEW компании National Instruments [45]. Это средство сочетает простоту программирования с широкими функциональными возможностями. Применение средств графического программирования при разработке и создании виртуальных измерительных систем не требует знания языков программирования и владения сложными методиками программирования. В данном случае программирование ведется на уровне блок-схем и диаграмм. Пакет LabVIEW содержит широкий набор инструментов для разработки интерфейса пользователя, работающего с измерительным и управляющим оборудованием; для статистической обработки результатов эксперимента; для разработки сетевых приложений и многое другое. Разработка программного обеспечения для достаточно сложной измерительной системы с использованием LabVIEW (при условии наличия некоторых навыков) занимает времени на порядок меньше, нежели на многих других алгоритмических языках.
Необходимо отметить, что согласно ОСТ 9.2-98, программная продукция компании National Instruments (LabVIEW, Lab Windows и др.) является сертифицированным инструментальным средством разработки программного обеспечения для универсальных систем общего назначения, а их аппаратура полностью соответствует международным стандартам организации измерительно-управляющих устройств и систем.
На основе технологий National Instruments и пакета LabVIEW разработан измерительно-вычислительный комплекс к испытательной установке "Стенд-имитатор", в котором аналоговые сигналы с первичных преобразователей давления, усилий, перемещения и т.д. поступают на многоканальный АЦП, где они преобразуются в цифровой код, фильтруются от случайных помех и по заданным алгоритмам преобразуются в цифровые сигналы, соответствующие измеряемым величинам в выбранной системе единиц в режиме реального времени и автоматически преобразует в исследуемые зависимости. Достоинством разработанной системы измерения является возможность обработки поступающей информации в режиме реального времени, проведение преобразований и масштабирование величин, а также использование различных способов представления и регистрации данных. Легкий переход в Microsoft Excel дает возможность сравнивать результаты с ранее полученными, не выходя из системы. На рис.3.7 показан фрагмент лицевой панели управления установкой
"Стенд-имитатор", на котором представлена работа автоматизированного процесса измерения и обработки данных при помощи виртуальных инструментов LabVIEW, позволяющих существенно уменьшить погрешность измерения удельного давления на входе в гидроцилиндр привода рабочего органа, а также определения горизонтальной и вертикальной составляющих усилия перемещения рабочего органа. Основную часть панели занимает график, отображающий в реальном времени характеристики процесса. Структурная схема "виртуального" прибора управления параметрами устройства обработки сигналов представлена на рис.3.8.
Оценка влияния факторов процесса резания грунтов на форму поверхности скольжения 3.3.1 Влияние угла резания на форму поверхностей скольжения Важнейшим фактором, в конструкции рабочего оборудования, определяющим энергоемкость процесса резания является угол резания. По углу резания определяется положение отвала, соотношения рабочих скоростей машины и рациональные траектории. Для изучения влияния угла резания на характер стружкообразования и его анализа на стенде-имитаторе были выполнены экспериментальные исследования с углом резания 30, 40, 50, 60 и 70. Во всех случаях скорость перемещения рабочего органа оставалась неизменной.
Экономическая эффективность рекомендаций уточненной методики расчета сопротивления грунта резанию
Эффективность использования машин для земляных работ зависит от полноты реализации их эксплуатационных свойств в производственных условиях и оценивается разнообразными показателями. Процесс оснащения дорожно-строительных организаций техникой выдвигает задачу повышения эффективности ее использования. Эта задача решается путем совершенствования методов использования машин по мощности и времени. Первое направление предусматривает определение, изучение и оптимизацию показателей эксплуатационных свойств отдельных машин для земляных работ, в том числе тягово-скоростных свойств, использования рабочего оборудования. Второе - разработку и совершенствование теоретических основ, и применение в дорожном строительстве методов определения производительности машин для земляных работ и влияющих на нее факторов, разработку системы показателей оценки эффективности использования машин.
Одна из основных задач создания современных землеройных машин состоит в обосновании оптимальных параметров рабочих органов и изыскании путей и методов их интенсификации при одновременном снижении энергетических, материальных и трудовых затрат. Эффективность оборудования, в общем случае, тем выше, чем большая доля подводимой энергии поглощаемая средой и, в частности грунтом, расходуется на получение желаемых результатов. Отсюда следует, насколько важное значение имеет правильный выбор форм рабочих органов и интенсивности воздействий, а также условий их передаче грунту.
В настоящее время выбор параметров рабочих органов и воздействий осуществляется главным образом исходя из условий выполнения данной конкретной технологической операции. Сам по себе такой подход вполне естественен и оправдан, однако имеет свои недостатки. Дело в том, что процессы взаимодействия рабочих органов с грунтом при разработке и транспортировании имеют в разных вариантах повторяющиеся, общие элементарные виды взаимодействий отдельных элементов рабочего оборудования.
Рассмотренные ранее принципиальные возможности определения силы резания грунта плоским отвалом, позволили получить расчетные формулы, содержащие в качестве аргументов как геометрические характеристики рабочих органов, так и прочностные, конструктивные и режимные характеристики, разрушаемого грунта (глубина резания h, ширина рабочего органа b и плотность грунта у, угол наклона (резанья) рабочего органа, ее, угол внешнего трения грунта по стали, р и угол внутреннего трения грунта, (р\ - адгезионная de прочность, Р\ и - сцепление грунта, с; - скорость деформирования, т, сила тяжести грунта, ограниченного плоскостями скольжения, G и распределенная нагрузка, q). Выполнение расчетов связано с большой сложностью вычислений, что обусловлено двумя причинами: 1) Трудностью обоснованного выбора расчетных величин прочностных характеристик разрушаемых грунтов, в особенности, сцепления частиц и угла внутреннего трения. При решении задач механики грунтов используются сдвиговые [45, 71] характеристики грунта, которые не нашли практического применения при расчетах землеройных машин. Конструктор, проектирующий землеройные машины, в качестве расчетных величин принимал значения с высокой степенью приближения, т.к. категории определены в зависимости от числа ударов динамического плотномера ДорНИИ и представлены в классификаторе грунтов по трудности разработки, а другие грунтовые характеристики не приводятся. 2) Аргументы {а, р, (р, цг), входящие в состав сложных тригонометрических функций, приняты с определенным допущением, что увеличивает вероятность появления ошибок при расчетах, для выполнения которых требуется значительное время. Для решения возникших трудностей предлагается уменьшить трудоемкость вычислений путем разработки программных продуктов и электронных таблиц прочностных характеристик грунтов. В основу разработанной методики вошли математические модели (2.26, 2.27, 4.1 — 4.4.1), результаты теоретических и экспериментальных исследований, обобщенные в итоговые функциональные зависимости. Разработанная методика применима для конструктора-разработчика, на этапе проектирования МЗР и для эксплуатирующих организаций при оптимизации распределения парка машин по рабочим объектам и интенсификации рабочих процессов МЗР. Методика расчета сопротивления грунта резанию с учетом функций кривых скольжения для конструктора-разработчика включает следующие этапы; - предварительный анализ разрушаемых грунтов, сбор информации по определению прочностных характеристик грунтов с целью выбора расчетных величин; - ввод массива данных в разработанные расчетные формулы для получения числовых значений сопротивления резанию; - сравнительный анализ результатов расчета с целью выявления перспективных конструктивных параметров рабочего органа или эксплуатационных характеристик землеройной машины. Методика расчета сопротивления фунта резанию с учетом функций кривых скольжения для эксплуатирующих организаций: - предварительный анализ разрушаемых грунтов, сбор информации по определению прочностных характеристик фунтов с целью выбора расчетных величин; - ввод массива данных в разработанные расчетные формулы для получения числовых значений сопротивления резанию; - сравнительный анализ результатов расчета с целью выявления оптимального распределения парка машин по рабочим объектам. Дополнительно разработаны алгоритмы, включающие основные этапы методики расчета сопротивления фунта резанию, с учетом функций кривых скольжения. Специфика эксплуатации дорожных и строительных машин оказывает существенное влияние на характер системы управления парком машин. Многовариантность организации и технологии производства работ требует решения многих оптимизационных задач, которые позволяют значительно повысить эффективность использования машин. На рис. 4.5 представлен алгоритм определения конструктивных параметров рабочего органа или эксплуатационных характеристик землеройной машины путем расчета сопротивления грунта резанию с учетом функций кривых скольжения.
