Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Состояние вопроса. цель и задачи исследований 9
1.1 Пути повышения эффективности бульдозеров 9
1.2 Обзор и анализ конструкций рабочих органов бульдозеров
1.2.1 Прямые неповоротные отвалы бульдозеров 13
1.2.2 Отвалы бульдозеров с улучшенными транспортирующими свойствами 18
1.3 Обзор и анализ исследований процессов взаимодействия отвальных
рабочих органов бульдозеров с грунтом 31
1.3.1 Методы определения сопротивления грунта отвалами бульдозеров 33
1.3.2 Определение рациональных параметров отвалов бульдозеров 1.4 Обзор и анализ исследований процесса косого резания грунта дисковым ножом 50
1.5 Транспортирующие свойства отвалов бульдозеров 60
1.6 Выводы 65
1.7 Цель и задачи исследования 68
ГЛАВА II. Математическая модель процесса копания грунта полусферическим отвалом бульдозера с дисковыми секциями
2.1 Определение конструктивных параметров отвала 70
2.2 Теоретический анализ процесса копания грунта 74
2.3 Определение сопротивления копанию грунта 78
2.4 Выводы 87
ГЛАВА III. Экспериментальные исследования процесса копания грунта полусферическим отвалом бульдозера с дисковыми секциями 88
3.1 Исследование процесса копания грунта на физических моделях отвалов 88
3.1.1 Методика экспериментальных исследований
3.1.2 Результаты экспериментальных исследований 100
3.2 Проверка адекватности математической модели процесса копания грунта 109
3.2.1 Методика экспериментальных исследований 110
3.2.2 Результаты экспериментальных исследований 116
3.3. Выводы 118
ГЛАВА IV. Исследование транспортирующих свойств полусферического отвала бульдозера с дисковыми секциями
4.1 Методика экспериментальных исследований 120
4.2 Результаты экспериментальных исследований 126
4.3. Выводы 134
ГЛАВА V. Выбор рациональных параметров и определение области эффективного использования бульдозера с полусферическим отвалом с дисковыми секциями 136
5.1 Методика выбора рациональных параметров бульдозера с полусферическим отвалом с дисковыми секциями 136
5.1.1 Формирование исходных данных 137
5.1.2 Расчет главного параметра отвала 138
5.1.3 Выбор эффективного бульдозера с ПСОД 141
5.1.4 Выбор рациональных параметров полусферического отвала бульдозера с дисковыми секциями 147
5.1.5 Программный комплекс «Бульдозеры» 148
5.2 Определение области эффективного использования бульдозера с полусферическим отвалом с дисковыми секциями 154
5.3 Выводы 161
Основные выводы и результаты работы 162
Список использованных источников
- Прямые неповоротные отвалы бульдозеров
- Теоретический анализ процесса копания грунта
- Проверка адекватности математической модели процесса копания грунта
- Результаты экспериментальных исследований
Прямые неповоротные отвалы бульдозеров
По конструкции – это рабочие органы отвально–ковшового типа. Как правило, бульдозеры оснащаются рабочими органами отвального типа (отвалами). Использование рабочих органов ковшового типа ограничено послойной разработкой и транспортирования легких грунтов (песок, торф и т.п.) и материалов.
Примером такой конструкции является двухчелюстной ковш, который может работать как в режиме погрузочного устройства, так и отвала бульдозера. Для этого он оснащен передней и задней челюстями, шарнирно–соединенными между собой, а также двумя гидроцилиндрами управления. Задняя челюсть выполнена в виде бульдозерного отвала, а передняя имеет днище с режущей кромкой и боковыми стенками [10]. Ковшовые рабочие органы устанавливаются на бульдозеры– погрузчики легкого и среднего классов на пневмоколесном ходу.
Отвалы бульдозеров классифицируют по назначению, конструкции механизма подвески и форме (конфигурации) в плане.
По назначению отвалы, как и бульдозеры, разделяются на общего и специального назначения. Отвалы общего назначения используют для выполнения основных видов землеройно–транспортных и вспомогательных работ в различных грунтовых и климатических условиях. Отвалы специального назначения применяются для разработки скальных грунтов, угля, торфа, уборки снега, мусора, древесных отходов, толкания скреперов.
По конструкции механизма подвески отвалы выполняются неповоротными и поворотными в плане, а также перекашиваемыми в поперечной плоскости.
По форме в плане отвалы подразделяются на прямые, U–образные, W–образные и т.д. Бульдозеры общего назначения, как правило, оснащаются прямыми неповоротными (лобовыми) отвалами (ПО), как наиболее простыми по конструкции, надежными в эксплуатации и многофункциональными по назначению. У такого отвала его режущая кромка перпендикулярна продольной оси базовой машины (трактора).
Бульдозеры с поворотными отвалами имеют ограниченную область применения. Их используют для разработки и бокового перемещения грунта (прокладка пионерных и временных дорог, нарезка террас на косогорах и засыпка траншей), а также для грубых планировочных работ. Не рекомендуется их использовать для разработки грунтов с каменистыми включениями.
Анализ научно–технической и патентной информации в области бульдозеростроения позволяет выделить три основных направления совершенствования конструкций бульдозерных отвалов, которые обусловлены: снижением энергоемкости процесса копания грунта, расширением технологических возможностей и улучшением транспортирующих свойств.
Эти тенденции исторически связаны с эволюцией развития рабочих органов землеройно–транспортных машин и отражают достижения научно–технического прогресса на данном этапе развития землеройной техники и технологий [5, 6, 11]. Первые два направления совершенствования, главным образом, связаны с конструкцией ПО.
Повышение эффективности ПО бульдозеров реализуются путем: оптимизации их линейных и угловых параметров; снижения сопротивлений резанию грунта и движению грунтовой стружки по отвальной поверхности. Необходимо отметить, что резервы повышения эффективности бульдозеров за счет оптимизации линейных и угловых параметров ПО уже практически исчерпаны [12…15].
Снижение сопротивления резанию грунта реализуется в конструкциях ПО регулировкой угла резания, концентрацией усилий и локализацией энергии на режущей кромке таких рабочих органов.
Регулирование угла резания обычно производится путем наклона отвала в продольной вертикальной плоскости при помощи раскосов (винтовых или гидравлических). Отвалы же с регулировкой угла наклона их режущей кромки по причине сложности конструкции не нашли широкого применения.
Концентрация усилий на режущей кромке достигается в конструкциях отвалов с: механизмом перекоса; выступающим средним ножом; зубчатой режущей кромкой; специальными угловыми ножами, а также рыхлительными зубьями переднего и заднего рыхления.
В настоящее время наибольшее распространение получили бульдозеры с гидравлическим приводом механизма перекоса отвала. Перекос отвала у таких бульдозеров достигает 12…18, что дает возможность разрабатывать до 70% всех видов грунтов, включая мерзлые, а также горные породы, для которых обычно требуется предварительное рыхление [16, 17]. Основным недостатком таких конструкций является трудность траншейной разработки грунтов из–за наклона боковой кромки отвала, а также оконтуривания уступов и боковых стенок котлованов.
Установка на отвале в центральной его части выступающего ножа позволяет сократить путь внедрения отвала в грунт, улучшает условия формирования призмы волочения, повышает устойчивость процесса копания при прямолинейном движении машины.
Аналогичный эффект достигается при использовании отвалов с подвижной нижней частью, обеспечивающей механическую регулировку степени выдвижения режущей кромки среднего ножа относительно основной кромки в зависимости от свойств разрабатываемого грунта. Принудительное выдвижение средней части отвала осуществляется гидроцилиндрами двойного действия через систему рычагов и тяг. Для достижения оптимальных условий копания ширина выдвигаемой средней части отвала должна составлять 0,33…0,5 ширины отвала. При этом производительность может возрасти в 1,2 раза [18, 19].
Несмотря на указанные достоинства такие рабочие органы не получили широкого распространения из–за сложности конструкции и ослабления центральной, наиболее нагруженной части отвала.
В этой связи представляет интерес конструкция бульдозерного оборудования [20], у которой отвал 1 в нижней части оснащен жестко закрепленным выступающим средним ножом 2, установленным на одном уровне с основным ножом 3 (рисунок 1.1). При этом отвал 1 шарнирно установлен на толкающих брусьях 4 и соединен с ними при помощи гидрораскосов 5. Это обеспечивает изменение угла резания ножевой части отвала в диапазоне оптимальных значений (30…55) и упрощает конструкцию механизма регулирования вылета среднего ножа.
Теоретический анализ процесса копания грунта
Среди отечественных исследователей этим вопросам посвящены работы А.Н.Зеленина, В.И.Баловнева, И.А.Недорезова, Н.Л.Жихарева, А.А.Яркина, И.В.Шатова, А.М.Завьялова и др. Из зарубежных следует выделить работы Г.Кюна и Г.Дресса.
Г.Кюн [79, 80] исследовал отвалы трех различных профилей (с постоянной кривизной, с кривизной вверху, с кривизной внизу). Он рекомендует отвал с постоянной кривизной в качестве оптимального для поворотных бульдозеров и автогрейдеров, а для ПО бульдозеров - профиль с кривизной внизу.
По мнению Г.Дресса эвольвентный профиль переменной кривизны с большей кривизной внизу обеспечивает минимальную энергоемкость копания грунта бульдозером с ПО [81].
Подобные результаты были получены И.А.Недорезовым при исследовании профилей отвала бульдозера и автогрейдера [82]. Им было установлено, что с энергетической точки зрения рациональным для поворотного отвала является профиль с постоянным радиусом кривизны и углом резания 40, а для ПО - с переменным радиусом кривизны при большей кривизне внизу.
Н.Л.Жихаревым установлена картина движения грунта перед ПО и выделены три зоны, характеризующие процессы: формирования стружки, движения стружки по отвалу и разрушения ее с образованием призмы волочения [83]. Им установлено, что высота подъема пласта по отвалу зависит от прочностных свойств грунтовой стружки и возникающих сопротивлений ее движению. Он рекомендует следующие параметры ПО бульдозера для работы на связных грунтах: профиль с кривизной внизу, угол резания ар =30, угол опрокидывания /?=15, радиус кривизны отвальной поверхности І?=0,27H, где H - высота отвала.
В.И.Баловнев, проведя теоретический анализ процесса резания грунта на базе плоской задачи теории предельного состояния сыпучей среды со сцеплением установил, что ПО с кривизной внизу обладает меньшим сопротивлением копанию по сравнению с кривизной вверху [84]. Радиус кривизны цилиндрических отвалов он рекомендует определять по формуле R (0,9 ... 1Д)Я, (1.38) где Н - высота отвала. В работе [21] экспериментально установлены преимущества ПО с профилем переменной кривизны, увеличивающейся к низу, в виде участка логарифмической спирали. А.А.Яркиным во ВНИИСтройдормаше были проведены экспериментальные исследования по определению влияния параметров профиля ПО на энергоемкость копания и объем призмы волочения [7, 85]. Исследованиями установлены рациональные профиль ПО и глубина копания. Если эти условия выполняются, то процесс копания осуществляется при непрерывном движении стружки по отвальной поверхности. В противном случае, движение стружки вызывает вспучивание грунта в призме волочения и рост энергоемкости.
В качестве критерия оценки эффективности ПО А.А.Яркин предложил использовать величину, определяемую отношением тягового усилия к объему призмы волочения на участке установившегося режима копания.
Он рекомендует следующие параметры профиля ПО: угол резания ар =40…50, угол опрокидывания \f/=70…75, угол наклона е=75…80, длина прямой части внизу должна быть не меньше ширины ножа, радиус криволинейной части внизу - 0,87/, вверху - 1,1//, где Н - высота отвала. При разработке плотного грунта ПО рационального профиля угол наклона результирующей сил сопротивления и высота точки ее приложения соответственно составляют v=17 и //R=0,17//, а при копании и перемещении рыхлого грунта - v=0 и //R=0,27//.
Результаты исследований А.А.Яркина составили основу рекомендаций ВНИИСтройдормаша при проектировании ПО бульдозеров цилиндрического профиля, как наиболее технологичных, простых по конструкции и эффективно работающих в различных грунтовых условиях. Исследования поворотных отвалов землеройно–транспортных машин показали, что одним из наиболее значимых параметров, влияющих на энергоемкость процесса копания грунта, является угол захвата (установки отвала в плане). К наиболее значимым работам этого направления можно отнести исследования И.В.Шатова и И.А.Недорезова.
Анализируя относительное перемещение грунта по поверхности косого клина с учетом максимально допустимого КПД работы, затраченной на перемещение, И.В.Шатов [86] приходит к выводу о том, что оптимальный угол захвата для любого грунта может быть равен 26,5, так как в условиях строительства 240, где 2 – угол внутреннего трения грунта.
По результатам экспеиментально–теоретических исследований И.А.Недорезов рекомендует угол захвата при копании грунта принимать 35, а при перемещении – 28 [82, 87].
Исследовав косое копание (резание) грунта плоскими отвалами (ножами), Л.В.Красильников [88] определяет величину наивыгоднейшего угла захвата из выражений: при копании зх=45–(2/4), при перемещении призмы волочения зх=45–(2/2), где 2 – угол внутреннего трения грунта.
В.Я.Дворковой в качестве оптимального угла захвата рекомендует принимать: при копании зх=45–60, при перемещении – зх=26 [89].
Анализ результатов вышеприведенных исследований позволяет сделать вывод о том, что большинство исследователей рекомендуют принимать рациональную форму профиля ПО переменной кривизны, увеличивающейся к низу, а для поворотного – с постоянным радиусом кривизны. При этом угол захвата поворотного отвала при копании в средних (среднестатистических) грунтовых условиях (2=40) рекомендуется принимать от 30 до 40, а при транспортировании – от 26 до 28.
Проверка адекватности математической модели процесса копания грунта
Анализ работ по изучаемому вопросу показывает, что между процессами копания грунта ПО и ПСОД имеются принципиальные различия. Поэтому прежде чем приступить к научно обоснованному определению основных параметров ПСОД, необходимо рассмотреть физические процессы, имеющие место при копании грунта таким рабочим органом, движущимся по прямолинейной траектории в горизонтальном направлении. С этой целью были проведены предварительные экспериментальные исследования процесса копания грунта на малоразмерных (kl=9,2) физических моделях (ПО и ПСОД), в ходе которых производились визуальные наблюдения, фото– и киносъемка. Это позволило установить следующие особенности процесса копания ПСОД и произвести его теоретический анализ.
При движении ПСОД в направлении копания его боковые стенки, выполненные в виде дисковых ножей, врезаются в грунт и, взаимодействуя с ним, начинают свободно вращаться. При этом грунт срезается как дисковыми ножами, так и прямолинейным ножом средней секции отвала. Косо установленные к направлению движения, свободно вращающиеся дисковые ножи сдвигают срезанную ими стружку грунта к центру отвала, где она пересекается с грунтовым потоком, движущимся по прямолинейному ножу. В результате такого взаимодействия грунтовая стружка, поступающая внутрь отвала и формирующая призму волочения, подвергается боковому сжатию от торцов к центру отвала под действием двух боковых составляющих сил сопротивления косому резанию грунта Pд3, возникающих на боковых поверхностях дисковых ножей (рисунок 2.3).
На начальной стадии формирования призмы волочения кроме сил Pд3 движению срезанной стружки грунта препятствует только сила сопротивления трению Fпл1, действующая со стороны лобовой (отвальной) поверхности средней секции отвала.
По мере формирования призмы волочения сопротивление движению срезанной стружки возрастает, так как она начинает взаимодействовать с разрыхленным грунтом, находящимся в призме волочения: она, вдавливаясь в разрыхленный грунт, дополнительно преодолевает его лобовое сопротивление Rгр и трения грунта по грунту Fг.
Таким образом, срезанная стружка подвергается всестороннему сжатию со стороны призмы волочения и отвальных поверхностей ПСОД, что приводит к ее разрушению в зоне резания, а дисковые ножи замедляют свое свободное вращение, двигаясь синхронно с разрыхленным грунтом призмы волочения, в режиме качения со скольжением. При этом грунт в объеме призмы волочения поднимается на определенную высоту, обусловленную конструктивными параметрами отвала и совершает перед ним плоскопараллельное вращательно–поступательное движение (фонтанирование) за счет активной силы, создаваемой срезанной стружкой. Величина этой силы, а, следовательно, и скорость фонтанирования зависит от вида и состояния разрабатываемого грунта, а так же от параметров срезаемой стружки [57]. Такая картина взаимодействия характерна для копания связных (влажных, песчаных и глинистых) грунтов в силу их высокой структурной прочности. Очевидно, что чем выше скорость фонтанирования грунта в объеме призмы волочения, при равных прочих условиях, тем меньше сопротивление перемещению его по отвальной поверхности рабочего органа. На основании вышеизложенного можно предположить, что скорость фонтанирования грунта в призме волочения и режим качения дисковых ножей будут зависеть от соотношения моментов сил трения Mтр разрыхленного грунта о боковые поверхности дисковых ножей и движения Mд, действующих в плоскости их вращения [128, 129]. При этом источником движения дисковых ножей (Mд) будут являться горизонтальная Pд1, вертикальная Pд2 и боковая Pд3 составляющие силы сопротивления косому резанию грунта. Такой механизм взаимодействия объясняет отсутствие фонтанирования (движения) материала в призме волочения при разработке несвязных грунтов, так как величина Mтр будет больше Mд. В этом случае дисковые ножи будут замедлять свободное вращение в процессе копания вплоть до полной их остановки, а грунт в призме волочения будет подвергаться пучению.
В ходе проведения предварительных экспериментальных исследований было установлено, что высота подъема грунтовой стружки у модели ПСОД заметно больше чем у модели ПО. Это обусловлено пересечением грунтовых потоков, движущихся по крайним косо установленным дисковым и средней секциям отвала. По этой причине, за счет сдавливания с торцов, у ПСОД в конце процесса копания формировалась большая по объему призма волочения (рисунок 2.4).
Результаты экспериментальных исследований
Транспортирующие (накопительные и удерживающие) свойства отвалов бульдозеров оказывают существенное влияние на энергоемкость рабочего процесса, а, следовательно, и эффективность этих машин.
Существующая методика оценки накопительных и удерживающих свойств бульдозерных отвалов традиционной конструкции (ПО, ПСО) не учитывает режимов копания и дальности транспортирования грунта, а также особенностей конструкции ПСОД, что влияет на точность прогнозирования технико– эксплуатационных и экономических показателей бульдозеров. Поэтому задачами исследований данной главы являлись: определение влияния углов установки дисковых ножей на транспортирующие свойства ПСОД; изучение закономерностей процессов формирования и транспортирования призмы волочения ПСОД; сравнительные испытания транспортирующих свойств ПСОД и отвалов традиционной конструкции; разработка методов расчета величины призмы волочения в конце процесса копания и потерь грунта в боковые валики при транспортировании.
Экспериментальные исследования транспортирующих свойств ПСОД проводились в лаборатории «Землеройных машин» кафедры «Строительные и дорожные машины» ЯГТУ на большом грунтовом канале (рисунок 3.2) с использованием малоразмерных физических моделей отвалов (кl=9,2; натурный образец - отвал бульдозера тягового класса 100 кН), описание конструкции которых дано в п. 3.1 диссертационной работы (рисунки 3.6, 3.7, таблица 3.5).
Грунтовые условия соответствовали физическому моделированию с изменением прочностных свойств грунта: песчаный грунт, влажность - 5…7%, объемный вес - 17,0 кН/м2, С=1…2 (таблица 3.2).
На первом этапе было исследовано влияние углов установки дисковых ножей (а, Р) и дальности транспортирования (Lтм) на потери грунта в боковые валики (кпп). Опыты проводились с использованием методики планирования многофакторного эксперимента по матрице рототабельного центрального композиционного плана для трех факторов [130… 132].
Каждый эксперимент состоял из резания и набора грунта в призму волочения до момента стабилизации величины боковых валиков при толщине срезаемой стружки /гм=0,021 м (A=hм/H0м=0,175) и скорости движения 0,15 м/с, выглубления отвала и транспортирования призмы волочения на расстояние в соответствии с матрицей планирования. Варьируемыми параметрами в опытах являлись: углы установки дисковых ножей (а и Р) и дальность транспортирования грунта (Lтм). Таблица 4.1 – Уровни факторов и интервалы варьирования Факторы Х0 АХ +1 -1 +1,682 -1,682 Х1=а, градус 27 10 37 17 45 10 Х2=Р, градус 0 15 15 -15 25 -25 Х3=Ьтм, м 3,0 1,5 4,5 1,5 5,5 0,5 За целевую функцию была принята величина коэффициента кппм, учитывающего потери грунта в боковые валики, которая определялась из соотношения 122 пм , ппм У пм -гбм)/ -гі (4.1) где Gпм - вес грунта в призме волочения в конце процесса копания, Н; Gбм - вес грунта в боковых валиках по длине пути транспортирования, Н.
Вес грунта в конце процесса копания определялся путем суммирования веса в призме волочения на заданной отметке транспортирования Gпм и веса грунта в боковых валиках Gбм. Взвешивание грунта производилось на электронных весах («CAS» AD-10H).
Матрица планирования эксперимента в кодированном виде и результаты её реализации представлены в таблице 4.2.
Обработка результатов многофакторного эксперимента производилась по общепринятой методике [131, 132]. При этом была получена функция отклика исследуемой величины (кппм) в виде полинома второго порядка.
Переход от кодированного вида уравнений к натуральным значениям переменных осуществлялся по формуле (3.6). В соответствии с таблицей 4.1: X1 = 0,1(«–27); Х2 =/15; Х3 = 0,67(Lтм–3).
В дальнейшем были проведены исследования транспортирующих свойств на малоразмерных физических моделях ПО, ПСО и ПСОД рациональной конструкции (рисунок 3.7, таблица 3.5).
Сначала были проведены эксперименты по резанию и набору грунта в призму волочения до момента стабилизации величины боковых валиков в конце процесса копания. Величина объема призмы волочения Vпм определялась путем набора грунта в мерную емкость. Толщина срезаемой стружки hм изменялась от 0,009 до 0,024м ( 4=0,075 - 0,200) при скорости резания 0,15 м/с. Каждый опыт проводился с 4-х кратной повторностью.
На заключительном этапе были проведены исследования по изучению влияния толщины срезаемой стружки hм (А) и дальности транспортирования грунта Lтм на величину его потерь в боковые валики (кппм). Эксперименты проводились по матрице рототабельного центрального композиционного плана для двух факторов с изменением hм от 0,008 до 0,024 м ( 4=0,070-0,200) и Lтм от 1 до 6 м.