Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 .Обоснование выбора направления исследований 18
1.1. Выбор направления исследований 18
1.2. Пути интенсификации работы навесных рыхлителей при разработке мерзлых грунтов 20
1.3. Энергетический анализ разработки мерзлого грунта рыхлителями и пути повышения эффективности их работы 23
1.4. Краткий обзор известных конструкций рыхлителей с аккумулятором энергии и их классификация 38
1.5. Обзор и анализ теоретических исследований динамики землеройных машин 49
Выводы по первой главе 58
Глава 2. Современные представления в теории и практике виброзащитных систем 63
2.1. Причины возникновения динамических нагрузок в технических системах и задачи управления динамическим состоянием 66
2.2. Модели динамических воздействий 72
2.3. Методы математического описания технических систем 79
2.4. Меры снижения динамических нагрузок 84
2.5. Общие принципы управления состоянием технических систем 93
2.6. Основные этапы динамического синтеза ВЗС 97
Глава 3. Исследование вибрационной нагруженности землеройных машин на примере рыхлителя с аккумулятором энергии 103
3.1. Оценка эффективности виброизоляции базовой машины 104
3.2. Влияние упруго-инерционных свойств на АЧХ механической системы с тремя степенями свободы 111
3.3. Влияние упруго-инерционных свойств рабочего оборудования и диссипативных сил на динамическое состояние основного объекта 121
3.4. Оценка возможности управления динамическим состоянием механической системы 128
Выводы по третьей главе 139
Глава 4. Исследование влияния основных параметров землеройных машин на эффективность взаимодействия с грунтовым массивом 143
4.1. Предпосылки и методика теоретических исследований 143
4.2. Механизм процесса образования грунтовой стружки 145
4.3. Определение связи между механическими свойствами грунта, параметрами процесса и основными размерам образуемых грунтовых элементов 152
4.4. Расчетная модель трехмассной механической системы рыхлителя с одной степенью свободы 156
4.5. Гармонический анализ периодической возмущающей силы 176
4.6. Исследование вынужденных колебаний рабочего органа рыхлителя на основе гармонического анализа периодической возмущающей силы 181
Выводы по четвертой главе 183
Глава 5. Методика проведения экспериментальных исследований 186
5.1. Порядок проведения исследований 186
5.2. Объекты для проведения экспериментальных исследований 187
5.3. Выбор измерительной аппаратуры 198
5.4. Подготовка образцов 203
5.5. Определение необходимого количества опытов 211
5.6. Обоснование выбора метода математической обработки результатов измерений 214
5.7. Методика многофакторного эксперимента 216
Глава 6. Экспериментальные исследования 219
6.1. Статистический анализ основных показателей процесса 219
6.2. Исследование эффективности разрушения мерзлого грунта рыхлителем с аккумулятором энергии 227
6.3. Корреляционный анализ усилий, возникающих при разрушении грунта 240
6.4. Экспериментальное определение амплитудных характеристик рабочего органа 246
6.5. Оценка влияния скорости подачи рабочего органа и жесткости упругой связи на частоту скола грунтовых элементов 248
6.6. Изучение влияния жесткости упругой связи на энергоемкость процесса 251
6.7. Натурные испытания рыхлителя с аккумулятором энергии 260
6.7.1. Подготовка рыхлителей к испытаниям 260
6.7.2. Результаты экспериментальных исследований 262
Выводы по шестой главе 265
Глава 7.Основные результаты работы и выводы 267
7.1. Практические рекомендации по выбору основных параметров рыхлителя с аккумулятором энергии 267
7.2, Направление дальнейших исследований 270
7.3.0сновные выводы по работе 272
Список литературы
- Краткий обзор известных конструкций рыхлителей с аккумулятором энергии и их классификация
- Методы математического описания технических систем
- Влияние упруго-инерционных свойств на АЧХ механической системы с тремя степенями свободы
- Расчетная модель трехмассной механической системы рыхлителя с одной степенью свободы
Введение к работе
Актуальность работы. Структура сложившихся способов механической разработки мерзлого и прочного грунта в конце прошлого и начале этого столетия определялась возможностями существующего парка базовых машин и еще далека от оптимальной. Тенденция повышения энергонасыщенности и материалоемкости базовых машин увеличивает их тягово-сцепные свойства, но, вместе с тем, не безгранична. К тому же увеличение материалоемкости влечет за собой повышение удельного расхода топлива. В связи с этим, поиск резервов, обеспечивающих высокоэффективное разрушение горных пород, прочных и мерзлых грунтов является актуальным направлением исследований.
Одним из направлений повышения эффективности ведения земляных работ в сложившихся условиях является интенсификация рабочих процессов, которая невозможна без изучения механизма разрушения грунта. Это вызвано динамическим характером взаимодействия рабочего органа рыхлительного оборудования с грунтовым массивом. Возможность снижения динамических нагрузок, передаваемых на базовую машину, а, в лучшем случае их полного снятия и направления в зону разрушение грунта, обеспечивает повышение эффективности процесса.
В настоящее время в области динамики машин рассмотрен широкий круг вопросов, связанных с исследованием и анализом поведения динамических систем. Однако успешное создание и внедрение новых машин, обеспечивающих возможность перераспределения энергии колебаний и ударов в направлении рабочего оборудования с возможностью адаптивного управления вибрационным состоянием, требует разработки динамических моделей, учитывающих особенности движения реальных систем, адекватно описывающих взаимодействие рабочего оборудования с внешней средой при различном динамическом воздействии.
Методической основой решения задач поиска, разработки, исследования технических решений, обеспечивающих защиту от вибраций и ударов, является теоретическая механика с ее различными приложениями. В динамике машин проблемам управления динамическим состоянием различных объектов уделяется первостепенное внимание.
Настоящая работа посвящена исследованию возможности управления динамическим состоянием землеройных машин с целью снижения вибрационной нагруженности и удельной энергоемкости, анализу условий разрушения мерзлого грунта существующим рыхлительным оборудованием и предложению на этой основе ряда машин, объединенных в единый класс по принципу «замыкания» динамических нагрузок на рыхлительном оборудовании и грунте.
Отсутствие научных рекомендаций, конструкторской проработки, экспериментальных исследований, касающихся непосредственно землеройных машин, в основе которых заложен принцип «замыкания» динамических нагрузок на рабочем оборудовании и грунте, создает определенные проблемы по их широкому использованию в дорожном, строительном и горном деле.
Работа по тематике диссертации в течение ряда лет велась в соответствии с координационным планом научно-исследовательских работ по проблеме «Теория машин и систем машин» (І.ІІ.І) Академии наук СССР (раздел «Теория
колебаний механических систем»). По результатам работы выполнены хоздоговорные отчеты с государственными номерами 79057123, 81089374.
Цель работы. Повышение эффективности землеройных процессов на основе создания теоретического и методологического подхода к исследованию динамики, расчету и оптимальному синтезу нового класса машин предназначенных для разработки прочных и мерзлых грунтов.
Объектом исследования являются вибрационные процессы и машины для разработки прочных и мерзлых грунтов.
Основная научная идея заключается в создании условий управления динамическим состоянием землеройных машин, обеспечивающих перераспределение энергии колебаний и ударов в зону контакта рабочего органа с грунтовым массивом
Предметом исследований являются закономерности устанавливающие зависимость между параметрами управления вибрационным состоянием землеройных машин и возможностью перераспределения энергии колебаний и ударов в зону разрушения грунтового массива. Энергетическая оценка работы рыхлителя с аккумулятором энергии при движении рабочего органа в резонансном режиме.
Задачи исследования.
1. Провести анализ существующих моделей и методов статического и динамического воздействия исполнительных органов землеройных машин на грунтовый массив.
-
На основании проведенного анализа синтезировать новый класс машин, объединенных принципом замыкания динамических нагрузок на рабочем оборудовании и грунте.
-
На примере рыхлителя с аккумулятором энергии, являющегося представителем предложенного класса машин, разработать математическую модель, определяющую вибрационное состояние механической системы.
-
Установить причины, влияющие на изменение вибрационного состояния и обосновать возможность управления вибрационным состоянием с целью перераспределения колебательной энергии в сторону исполнительного органа землеройной машины.
-
Выявить критерии, определяющие периодический характер воздействия внешних нагрузок на исполнительный орган при взаимодействии с грунтовым массивом. Связать указанные критерии с физико-механическими свойствами грунта и скоростными режимами движения базовой машины.
-
На примере рыхлителя с аккумулятором энергии, изучить механизм возникновения колебательного процесса при разработке мерзлого грунта. Теоретически обосновать механизм снижения динамических нагрузок, передаваемых на базовую машину при взаимодействии рыхлительного оборудования с грунтовым массивом, в основе которого лежит принцип замыкания динамических нагрузок.
7. Провести теоретический анализ взаимосвязи упруго-инерционных
свойств рыхлительного оборудования и режимов разработки мерзлого грунта с
эффективностью процесса.
-
Выполнить экспериментальные исследования по установлению степени влияния основных параметров процесса на эффективность разрушения мерзлого грунта.
-
Изыскать способы и средства технической реализации инженерных решений. Разработать рекомендации расчета основных параметров рыхлитель-ного оборудования.
10. Оценить технико-экономическую эффективность внедрения рыхлите
ля с аккумулятором энергии в производство.
Научная новизна заключается в:
- разработке метода математического моделирования землеройных машин, работающих в условиях интенсивного внешнего нагружения на основании изучения вибрационного состояния;
- исследовании и установлении возможности управления динамическим
состоянием механической системы «базовая машина - аккумулятор энергии -
рабочий орган - грунт»;
установлении связи между физико-механическими свойствами прочного и мерзлого грунта, скоростными режимами движения базовой машины и частотой образования грунтовых элементов, определяющих вынужденные колебания рабочего органа;
выявлении механизма снижения энергоемкости процесса разрушения мерзлого и прочного грунта при передаче энергии на рабочий орган через упругую связь и установлении степени влияния основных параметров процесса на его эффективность;
предложении средств технической реализации, направленных на повышение эффективности разрушения прочного и мерзлого грунта.
На защиту выносятся:
1. Концепция формирования, поиска и выбора способа и средств защиты землеройных машин на основе введения в виброзащитные системы дополнительных связей, определяющих возможность перераспределения энергии колебаний и ударов в механической системе.
2.Результаты обоснования и проработки конструктивных схем рабочего оборудования землеройных машин нового типа, имеющего в своем составе дополнительные цепи в виде механизмов активного преобразования движения, основанного на принципе замыкания динамических нагрузок на исполнительном органе и грунте.
-
Методология динамического анализа и синтеза, используемой при изменении состояния механических систем на основе перераспределения энергии колебаний, удара и взрыва.
-
Результаты исследований, связанные с изучением особенностей динамических свойств колебательных систем с обратными связями на основе рыхлителей с аккумулятором энергии.
-
Методика расчета рыхлительного оборудования, позволяющая определять режимы движения и параметры рабочего оборудования, выполнять параметрическую оптимизацию по технологическим критериям.
Практическая значимость. Предложен способ и конкретные конструкции землеройных машин, объединенные принципом «замыкания» динамических нагрузок на рабочем оборудовании и грунте. Разработана рабочая доку-
ментация и создана экспериментальная партия рыхлителей с аккумулятором энергии РС01 и РС02. Разработана методика расчета основных параметров рыхлительного оборудования, позволяющего перераспределять энергию колебаний в зону разрушения грунтового массива.
Реализация работы осуществлена в организациях объединения «Росме-лиорация» минводхоза РСФСР, предприятии «Челябинскавтодор», строительной организации Бурятии, предприятиях Забайкальского края.
Научно-методические результаты, полученные в диссертационной работе, используются в учебном процессе Забайкальского государственного университета, и Забайкальского института железнодорожного транспорта при чтении лекций студентам по дисциплине «Моделирование движения наземных транспортных средств», а также при выполнении курсовых работ.
По результатам работы выполнены хоздоговорные отчеты с государственными номерами 79057123, 81089374. тематика исследований входила в координационный план научно-исследовательских работ по проблеме «Теория машин и систем машин» (I.II.I) Академии наук СССР на 1986-1990 гг. (раздел «теория колебания механических систем).
Апробация работы. Результаты, изложенные в диссертационной работе, докладывались на: научном семинаре факультета «Транспортные и технологические машины» (Омск, СибАДИ, 1986 г.); научно-технической конференции «Перспективные направления развития машиностроения» (Чита, ЧитПИ, 1998 г.); 13-ой научно-практической конференции (с международным участием) «Забайкалье на пути к устойчивому развитию, ресурсы, экология, управление» (Чита, ЧитГТУ 2003 г.); VII Всероссийской научно-практической конференции «Кулагинские чтения» (Чита, ЧитГТУ, 2007 г.); VI Международная научно-техническая конференция «Прогрессивные технологии в современном машиностроении» (Пенза, 2010 г.); IX Международной конференции «Ресурсовоспро-изводящие, малоотходные и природоохранные технологии освоения недр», Москва (Россия)-Котону (Бенин), 2010 г.; VI Международной научно-технической конференции «Проблемы исследования и проектирования машин» (Пенза, 2010 г.); XI Международной научно-технической конференции «Кулагинские чтения» (ЗабГУ, 2011г.); региональной научно-практической конференции «Сервис транспортных и технологических машин» (ЗабГУ, 2011 г.); XI Международной научно-технической конференции «Вибрации в технике и технологиях» (Полтавский национальный технический университет имени Юрия Кондратюка - Украина, 2012 г.); V международной научно-технической конференции «Проблемы механики современных машин» (Восточно-Сибирский государственный университета технологий и управления, Улан-Уде, 2012 г.); X Международном форуме ИнЭРТ-2012 (ДГТУ, Ростов-на-Дону, 2012); XII Международной научно-практической конференции «Кулагинские чтения» (ЗабГУ, 2012г.); заседании НОЦ современных технологий, системного анализа и моделирования (ИрГУПС, 2012 г.); расширенном заседании кафедры ТТС ТОГУ (г. Хабаровск, 2014г.)
Диссертация в целом обсуждена и одобрена Научно-методическим советом «Института современных технологий, системного анализа и моделирования» Иркутского государственного университета путей сообщения в 2012г., на кафедре ТТС Тихоокеанского государственного университета в 2014г.
Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 57 печатных работах, в том числе в одной монографии, 10 статьях, рекомендованных ВАК, 9 патентах на изобретение, 7 авторских свидетельствах, а так же в материалах всероссийских и международных конференций.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из семи глав, основных результатов и выводов, библиографического списка из 353 наименований, 310 страниц текста, 125 рисунков, 21 таблицы.
Краткий обзор известных конструкций рыхлителей с аккумулятором энергии и их классификация
Аналогичные результаты получены при исследовании резания мерзлого грунта другими учеными. Например, А.И. Федуловым установлено [314], что на каждые 10 % увеличения глубины резания сила резания возрастает на 24 % и составляет при #=0,42 м примерно 416 кН; И.Г. Иванищевым [193] - при 10 % увеличения глубины резания усилие возрастает на 23 % и составляет при #=0,42 м примерно 540 кН.
В результате анализа можно отметить, что усилие резания при увеличении глубины возрастает по параболическому закону. Указанное обстоятельство объясняется дополнительным разрушением фунта по боковым сторонам прорези, что до некоторой критической глубины Нкр ведет к снижению энергоемкости процесса [78]. Дальнейшее увеличение глубины резания при продолжающемся росте усилия приводит к возрастанию энергоемкости процесса, что обусловлено прекращением роста боковых расширений прорези и увеличением зоны смятия фунта в нижней части ножа. Опыты, проведенные в КИСИ [75, 78], показали, что для большинства грунтов, при обычных углах резания, критической глубине резания соответствует определенное соотношение глубины резания к ширине ножа Н/В =2.. .4.
Установление взаимосвязи между усилием резания и скоростью движения режущего инструмента впервые высказал В.П. Горячкин [137] в 1927 году. При исследовании влияния скорости на тяговые характеристики плуга им было установлено, что увеличение скорости движения плуга в пять раз (К=0,4...2,0 м/с) приводит к возрастанию силы резания всего 12 %. Увеличение силы резания объяснялось затратами энергии на отбрасывание почвы.
Последующие исследования об этом приведены в ряде работ [3, 29, 77, 101, 187, 188, 300]. Исследования А.Н. Зеленина [186, 187] показали, что при резании мерзлых грунтов усилие сопротивления возрастает почти по линейной зависимости и в среднем увеличивается на 5...8 % на каждый 1 м/с (в интервале скорости 1...5 м/с). При исследовании влияния скорости резания на рабочие нагрузки роторного экскаватора В.П. Станевским установлено [300], что усилие резания, в среднем, возрастает на 12 % на каждый 1 м/с (V =1,22...2,75 м/с).
Таким образом, влияние скорости на сопротивление грунта разрушению оказывается незначительным при скоростях до 2...3 м/с. Увеличение скорости резания выше 5 м/с [75, 187] приводит к ускоренному возрастанию кинетической составляющей, обусловленной затратами энергии, связанными с отбрасыванием элементов грунтовой стружки.
При исследовании энергоемкости процесса разрушения грунта [300] установлено, что минимальной энергоемкости (при выбранной оптимальной глубине резания) разрушения соответствует скорость 2,5 м/с.
Аналогичным вопросом занимался Н.И. Атлеснов [25]. При хронометраже работы рыхлителя РМГ-3 на базе трактора ДЭТ-250 на строительстве канала Иртыш-Караганда в различных грунтовых и погодных условиях им установлено, что при скорости рыхления 0.9...1,2 м/с и заглублении рабочего органа 0,15...0,3 м процесс является более стабильным и высоко 23 производительным даже при разработке малосвязанных грунтов по сравнению с глубоким рыхлением на малых скоростях.
Таким образом, увеличение рабочих скоростей при разработке мерзлого грунта навесным рыхлительным оборудованием является одним из путей повышения производительности процесса.
Обобщая проведенный анализ, можно сделать следующие выводы:
1) увеличение глубины резания мерзлого грунта целесообразно до тех пор, пока происходит возрастание объема разрушаемого фунта по боковым сторонам прорези, чему соответствует определенное соотношение глубины резания к ширине ножа Н/В =2.. .4 [75 - 78];
2) усилие, требуемое для разрушения мерзлого грунта при глубине резания около 0,4...0,5 м, достигает такого значения (около 300...400 кН) [187, 304], которое является предельным не только для существующих отечественных конструкций рыхлителей, но и для перспективных образцов;
3) резервом увеличения производительности разрушения мерзлого фунта является повышение скорости рабочих процессов. При этом интенси фикация процесса разрушения (с энергетической точки зрения) целесообраз на до V= 2...3 м/с [75, 76,300].
Для рационального использования положительных сторон достигаемых при увеличении скорости резания, необходимо проведение энергетического анализа взаимодействия механической системы «базовая машина — рабочий орган» с мерзлым и прочным фунтом, что позволит выявить возможные пути совершенствования конструкции рыхлительного. Энергетический анализ разработки прочных и мерзлых грунтов
Анализ возможных путей повышения производительности процесса при разработке горных пород, прочного и мерзлого фунта показал, что наиболее приемлемым способом в этих условиях является увеличение рабочих скоростей процесса. Появление базовых машин большой единичной мощности способствует повышению рабочих скоростей при разрушении горных пород и грунта. Вместе с тем, значительное возрастание динамических нагрузок [25, 75, 76, 178] требует детального изучения картины распределения энергии в механической системе «базовая машина - рабочее оборудование - грунт».
С одной стороны, энергия, выделяемая в результате горения топлива, преобразуется в движение коленчатого вала двигателя и в виде постоянной механической характеристики (усилия или момента), соответствующей режиму работы двигателя, через кинематическую цепь передается на рабочий орган рыхлителя и далее грунту. При этом значительная часть энергии (20...25 %) [234] не доходит до рабочего органа, а в виде внутренних потерь, обусловленных относительным движением звеньев кинематической цепи механической системы, и потерь, связанных со свободным движением базовой машины, рассеивается в системе. С другой - силы сопротивления мерзлого грунта разрушению, при взаимодействии рабочего органа с грунтовым массивом, оказывают реакцию на механическую систему, изменяющуюся по «пилообразному закону» [78, 186].
Таким образом, экономически обоснованному равномерному режиму работы двигателя базовой машины [3, 29] противодействует реактивная сила сопротивления грунта разрушению, носящая ярко выраженный «пилообразный» характер [25, 78]. В связи с этим, возможны два способа эффективной эксплуатации рыхлителей при разработке мерзлого фунта. Со скоростью движения базовой машины, при которой в балансе сил, развиваемых машиной и сил сопротивления грунта разрушению, отсутствуют инерционные составляющие или они минимальны.
Методы математического описания технических систем
Исследования в области защиты различных объектов от вибраций и ударов (ВЗС) начали интенсивно развиваться в начале 70-х годов. Результаты исследований отражены в работах известных в России и за рубежом ученых. К их числу относятся Фролов К.В., Лурье А.И., Коловскоий М.З., Блехман И.И., Вейц В.Л., Синев А.В., Мигиренко Г.С, Алабужев П.М. и многие другие. Сибирская школа механики, специализирующаяся на задачах виброзащиты и виброизоляции машин и оборудования, а также задачах динамики управляемых систем начала формироваться в конце 60-х годов в Иркутском политехническом институте. Результаты работы ученых представлены многочисленными изобретениями, монографиями и научными статьями д.т.н., профессоров Елисеева СВ., Лукьянова А.В., Соболева В.И., Резника Ю.Н., Баландина О.А., Мижидона А.Д., Гозбенко В.Е., Белокобыльского СВ., Хо-менко А.П., Лукьянова А.А., Лонциха П.А., и др. [166].
Современное представление о динамическом состоянии машин и оборудования при их эксплуатации, включая и землеройные машины, невозможно без получения математических моделей, отражающих колебательные процессы, возникающие как при взаимном движении узлов и агрегатов машин, так и при взаимодействии с окружающей средой [79 - 82, 93, 97, 157 -174, 30, 34, 102, 103, 131, 147, 177, 192, 196, 205, 206, 208, 210, 213, 255, 256, 258,323,333-340,342, 346-349,353-356,358,359 и др.].
Интенсификация рабочих процессов землеройных машин способствует повышению производительности ведения земляных и горных работ, в том числе и при строительстве дорог и сооружений. Однако это невозможно без увеличения мощностных качеств базовых машин, повышения рабочих скоростей ведения технологических операций, связанных с разработкой прочных и мерзлых грунтов, применением активных рабочих органов, работа которых основана на механизмах ударного, вибрационного, взрыво-импульсного, комбинированного и других принципов действия.
В результате воздействия интенсивных знакопеременных нагрузок со стороны рабочего оборудования, увеличивается вибрационная нагружен-ность базовой машины, последствием которой является нарушение работоспособности или выход из строя деталей и узлов объекта защиты. Во многих случаях разрушение объекта связано с возникновением резонансных явлений. При поли гармония ее ком воздействии внешних нагрузок наиболее опасны те гармоники, которые вызывают резонанс объекта защиты или его отдельных узлов [81].
Возникающие вибрационные нагрузки не только отрицательно влияют на саму машину, снижая ее надежность и долговечность, но и, распространяясь по конструкции машины, воздействуют на оператора, отражаясь на его здоровье и работоспособности. Вследствие действия вибраций снижается производительность и качество труда, развивается профессиональное заболевание - вибрационная болезнь, которая в последнее время занимает второе место среди профзаболеваний рабочих в развитых странах. [45, 46, 140, 194, 195,210,298,353,356,358].
Задачей ВЗС землеройных машин в основном являлось улучшение условий работы оператора и в меньшей степени рассматривалось, как устройство способное защитить от динамических нагрузок саму машину. При дальнейшем совершенствованием ВЗС необходим поиск таких резервов вибрационной защиты, который позволили бы в комплексе решать задачу защиты оператора и машины от воздействия динамических нагрузок, а энергию нежелательных воздействий перераспределять в зону контакта рабочего оборудования с грунтовым массивом, тем самым, повышая энергоэффективность и производительность процесса.
Задачи виброзащиты и виброизоляции машин связаны с оценкой вибрационного состояния объектов различной сложности, изучением возможности управления состоянием систем, расчету средств управления и практическому применению [83, 93, 159- 168, 175, 204, 228, 244, 262, 263, 310, 330, 337-339,343,348,359]. Для многих технических объектов снижение энергии вибраций и ударов, передаваемых со стороны источника на объект защиты, является первостепенной задачей [82]. Однако это является частичной, хотя и значимой, долей проблем, среди которых можно выделить ужесточение требований к условиям выполнения технологических операций, их энергоемкости, комфортным условиям работы оператора, надежности работы оборудования. Применение дополнительных устройств, используемых наряду с упругими элементами, позволяют повысить эффективность методов управления динамическим состоянием механических систем [32 - 34, 162, 203, 207, 208, 210, 281, 244,358,359].
Изучение возможности создания рациональных конструкций вибро - и ударнозащитных систем [17, 62, 127, 225, 247, 292, 303, 333, 336], использование устройств обеспечивающих преобразование движения [135, 169, 170], применение различных вариантов соединения элементов управления [292] и методов механической фильтрации с использованием дополнительных масс [11, 292], привело к созданию и развитию теории защиты объектов от ударов и вибраций [37, 38, 71 - 73, 82, 92, 131, 154, 169 - 174, 203 - 206, 225, 292, 318, 324 и др.].
Дальнейшее развитие теории и практики ВЗС создало предпосылки к исследованию, разработке и созданию управляемых виброзащитных систем [127, 159, 205, 287, 159, 318 и др.], предполагающих активное воздействие на вибрационное состояние объекта. Объект регулирования в этом случае представлен подвижной или стационарной механической системой, связанной кинематически с устройством - источником, предполагающим вибрационное или ударное воздействие. Источником информации являются кинематические и силовые параметры вибрационного состояния объекта, а критериями эффективности управления - амплитуда или некоторый функционал, характеризующий виброактивность [82].
Влияние упруго-инерционных свойств на АЧХ механической системы с тремя степенями свободы
Большее влияние на величину смещения максимальных значений коэффициента оказывают диссипативные силы, возникающие в зоне контакта колеблющейся массы с грунтовым массивом (см. рис. 3.14). Если принять одинаковыми упруго-инерционные свойства рабочего оборудования при различных условиях взаимодействия колеблющейся массы с грунтовым массивом, то оценить диссипативные свойства среды можно коэффициентом механических потерь щ =а2Цсгт2 . При малых значений щ для системы характерно наличие двух диапазонов частот динамического гашения. Первый диапазон частот находится между двумя частотами собственных колебаний, второй диапазон частот находится за пределами второй более высокой частоты собственных колебаний. При малых значениях rj2 ширина межрезонансного интервала сравнительно невелика и может перекрываться интервалом варьирования частот внешних воздействий.
С увеличением значения 772 0,25 (рис.3.14) существенно снижается амплитуда резонансных колебаний, при этом в зоне второй резонансной частоты амплитудное отклонение колебаний основного объекта сглаживается. Это дает возможность расширить диапазон варьирования значениий основных параметров и решить задачу защиты основного объекта от вибраций за счет перераспределения энергии колебаний между колеблющейся массой (рабочим органом) и основным объектом (базовой машиной).
Таким образом, защита основного объекта от вибрационной нагруженное должна быть построена таким образом, что бы в области формирования колебательных процессов была бы возможность управления динамическим состоянием объекта в направлении расширения диапазона зарезонанс-ного интервала. Одним из возможных путей управления динамическим состоянием не только основного объекта, но и всей механической системы является возможность активного воздействия на упруго-инерционные свойства рабочего оборудования механической системы, например, путем изменения жесткости упругой связи. Это позволит целенаправленно перераспределять колебательную энергию между колеблющимися массами.
Оценка возможности управления динамическим состоянием механической системы Причиной вибраций, влияющих на работу оператора и базовую машину, являются резонансные колебания на основной, первой, собственной частоте. Возникающие при этом значительные амплитуды виброперемещений приводят к нежелательным явлениям, влияющим на оператора и базовую машину. Для анализа динамического состояния механической системы в этом случае достаточно рассмотреть поведение основного объекта и рабочего оборудования только в области первого резонанса, что позволяет представить реальную механическую систему в виде системы с двумя степенями свободы (рис. 3.15).
Модель двухмассной механической системы Уравнения вынужденных колебаний масс щ и т2, если пренебречь демпфированием в элементах трансмиссии и гусеничного движителя, при кинематическом возбуждении системы имеют вид:
Сопоставляя графические зависимости коэффициентов передачи основного объекта //, и колеблющейся массы //2 (рис. 3.16), можно сказать, что для различных частот кинематического возбуждения на графике существуют зоны соответствующие оптимальному значению Кр у . В этих зонах коэффициент К стремится к своему минимальному значению. Например, при 7 = 0.82, Кс - 0,5 среднее значение Кц = %«8з = 0 043- С увеличением Щ значение коэффициента Кц уменьшается. Например, в случае когда щ =0,182, Кс=0Л Км =0,098. Величина коэффициента Щ зависит от упруго-инерционных свойств колеблющейся массы, а также от сил вязкого сопротивления, возникающих в зоне контакта колеблющейся массы с грунтовым массивом. В рассматриваемом случае величина диссипативных сил была принята постоянной и равной аг = 20кН -сім.
Частота кинематического возбуждения связана со скоростным режимом движения основного объекта и физико-механическими свойствами среды в зоне взаимодействия с колеблющейся массой. Изменение указанных параметров влечет за собой рассогласование между коэффициентами передачи //, и //2 в сторону ухудшения динамического состояния основного объекта. Адаптивное управление упруго-инерционными свойствами колеблющейся массы в ручном или автоматическом режиме позволит целенаправленно приводить механическую систему к рациональному состоянию.
Проведем исследование влияния диссипативных сил, возникающих в трансмиссии и гусеничном движителе базовой машины, а также конструктивных особенностей рычажного соединения рабочего органа рыхлительного оборудования (рис. 3.12) на передаточные функции и коэффициенты передачи колеблющейся системы. При рассмотрении динамического поведения системы силы вязкого сопротивления, возникающие в зоне контакта колеблющейся массы с грунтовым массивом, и силы сопротивления, возникающие в зоне заделки свободных концов пружин, представим одним вязким элемен 133 том, расположенным между колеблющейся массой и основным объектом.
Расчетная модель трехмассной механической системы рыхлителя с одной степенью свободы
Применение в рыхлителях аккумулятора энергии с регулируемыми параметрами является одним из средств повышения эффективности процесса разработки грунта. Однако отсутствие в стандартных методиках и способах испытаний отдельных моментов, отражающих особенности указанной конструкции рыхлителя, не позволяет их применять в полной мере. Поэтому некоторые вопросы экспериментальных исследований процесса взаимодействия рабочего органа рыхлителя с грунтом при передаче энергии через аккумулятор, а также вопросы выбора оптимальных параметров, затрагиваемые в настоящей работе, требуют отдельной проработки методологического характера и последующего исследования в соответствии с выбранной методикой.
Методикой экспериментальных исследований предусматривалось проведение исследований в лабораторных и полевых условиях. В связи со сложностью проведения исследований в натурных условиях, за основу принят метод лабораторных исследований с последующей проверкой отдельных зависимостей на натурном образце.
Определение рациональных параметров рабочего оборудования, обеспечивающего максимальную передачу энергии колебаний в грунтовый массив, проводилось на масштабной модели в соответствии с критериями подобия и размерности [37, 40, 69, 179, 180, 188, 245, 253, 254].
Основным критерием при оценке эффективности процесса разрушения мерзлого грунта рабочим органом рыхлителя с аккумулятором энергии принята удельная энергоемкость разрушения Е, определяемая отношением работы, затрачиваемой на разрушение, к объему разрушаемого грунта. В ряде опытов в качестве оценки эффективности разрушения грунта принималось значение сил, действующих на элементы конструкции рабочего оборудования, а также скорости и ускорения их перемещения.
Лабораторные и полевые исследования проводились в следующем порядке: - проектирование и изготовление лабораторного и натурного образцов рыхлительного оборудования; - тарировка и монтаж измерительной аппаратуры; - определение необходимого количества измерений по условиям требуемой точности; - проведение запланированных экспериментальных исследований.
При проведении экспериментальных исследований решались следующие основные задачи: - проведение исследований взаимодействия рабочего органа с грунтом при назначенных параметрах рабочего оборудования и режимах движения на основе многофакторного эксперимента; - проверка отдельных теоретических исследований; - установление значения коэффициентов, входящих в теоретические зависимости; - определение минимальной удельной энергоемкости разрушения мерзлого для двух типов грунта (песчаный, суглинистый) при различной ско рости подачи рабочего органа и жесткости упругой связи; - выявление рациональных режимов движения рыхлительного обору дования.
Объекты для проведения экспериментальных исследований Объектами исследования в ходе проведения работ являлись: - лабораторный стенд; - экспериментальный образец рыхлителя с аккумулятором энергии.
Стенд для исследования взаимодействия рабочего органа с грунтовым массивом (рис. 5.1, 5.2, 5.3) состоит из сварной рамы 1 с расположенными на ней направляющими 2, по которым при помощи колес с ребордами перемещается тележка 3 [110, 266]. Снизу к тележке 3 через оси 4 и штанги парал-лелограммной стойки 5 присоединена каретка 6 с закрепленным на ней зубом 7. Сзади каретка 6 через регулировочный винт 8 с пружинами 9 и гайкой 10 соединена с тележкой 3. Для изучения влияния вылета вершины зуба 7 относительно оси подвеса на эффективность процесса, в щеках тележки 3 и штангах 5 предусмотрены отверстия I, относительно которых происходит колебание каретки 6 с зубом 7. Привод тележки осуществляется от гидроцилиндра 11 через тензоузел 12. Подача жидкости в гидроцилиндр 11 производится от насосной станции, состоящей из электродвигателя постоянного тока 13, шестеренного насоса 14, крана управления 15, редуктора 16 и емкости 17. Изменение скорости подачи тележки 3 осуществляется плавным регулированием частоты вращения ротора электродвигателя 13 через понижающий трансформатор 18, выпрямительный мост 19, реостат 20 и обмотку возбуждения электродвигателя.
Описываемый стенд работает следующим образом. После помещения формы с грунтом на опорную раму 1, включают электродвигатель 13 насосной станции, приводящей в движение шестеренный насос 14. При этом жидкость, поступающая из емкости 17 через насос 14, трубопровод, редуктор 16 и кран управления 15, приводит в движение шток гидроцилиндра 11, соединенный с тележкой 3 при помощи тензоузла 12. Перемещаясь, тележка 3 через оси 4, штанги рыхлительной стойки 5 и каретку 6 передает движение на зуб 7. Взаимодействие зуба 7 с грунтом при заданных параметрах упругой связи и режимах разработки грунта определяет перепад давлений между рабочей и сливной полостями гидроцилиндра 11, а следовательно, и фактическую производительность насоса QH [6, 43, 44]. Поскольку фактическая производительность насоса QH зависит от утечек жидкости [6, 43, 44], связанных линейной зависимостью с перепадом давлений &Р, и практически не изменя 189 ется от частоты вращения ротора насоса, ее принимаем как определяющий параметр энергоемкости процесса.