Содержание к диссертации
Введение
1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЙ
1.1. Конструкции двухроторных экскаваторов-каналокопателей
1.1.1. Двухроторные экскаваторы-каналокопатели отечественного и зарубежного производства 14
1.1.2. Патентно-технические решения двухроторных рабочих органов экскаваторов-каналокопателей 21
1.2. Обзор и анализ предшествующих теоретических и экспериментальных исследований 29
1.2.1. Выбор основных.параметров рабочего органа экскаватора-каналокопателя 30
1.2.2. Определение энергетических показателей 38
1.3. Структурная схема и системная модель двухро-торного экскаватора-каналокопателя 42
1.4. Задачи исследований 49
2. АНАЛИТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА ДВУХ-
Р0Т0РН0Г0 ЭКСКАВАТОРА-КАНАЛОКОПАТЕЛЯ ДЛЯ СТРОИТЕЛЬ СТВА КАНАЛОВ С КРУТЫМИ ОТКОСАМИ 52
2.1. Оценка влияния угла наклона ротора на исходные параметры рабочего процесса 52
2.2. Определение размеров, шага обрушения и времени выноса целика грунта, формируемого двухроторным рабочим органом каналокопателя 59
2.3. Определение угла разгрузки выбросной лопатки наклонного ротора каналокопателя 76
2.4. Аналитическое определение наружного и внутреннего диаметров транспортирующих /выбросных/ лопаток наклонного ротора 84
2.5. Выводы 90
3. МЕТОДИКА И РЕЗУЛЬТАТЫ ЗКСПЕРЙМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ФИЗИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ НАКЛОННОГО РОТОРА 93
3.1. Методика экспериментальных исследований 93
3.2. Математическая обработка результатов экспериментальных исследований 104
3.3. Результаты исследований III
3.4. Выводы 119
4. МЕТОДИКА. И. РЕЗУЛЬТАТЫ ЖСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
НАТУРНЫХ ОБРАЗЦОВ ДВУХР0Т0РН0Г0 РАБОЧЕГО ОРГАНА ДЛЯ СТРОИТЕЛЬСТВА КАНАЛОВ С КРУТЫМИ ОТКОСАМИ 120
4.1. Методика проведения исследований 120
4.1.1. Методика экспериментальных исследований двух роторного рабочего органа для строительства каналов с крутыми откосами на базе тягача типа ЭТР-172 124
4.1.2. Методика экспериментальных исследований двух роторного канавокопателя МИ-902 128
4.2. Результаты экспериментальных исследований двух роторного рабочего органа на базе тягача типа ЭТР-172 136
4.3. Результаты экспериментальных исследований двух роторного рабочего органа канавокопателя МИ-902.. 144
4.4. Выводы ...154
5. РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ 157
5.1. Методика расчета основных параметров двух роторного рабочего органа для строительства каналов с крутыми откосами 157
5.2. Двухроторный каналокопатель KM-II 160
5.3. Выводы 164
ОСНОШЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ 165
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 167
ПРИЛОЖЕНИЯ 176
- Конструкции двухроторных экскаваторов-каналокопателей
- Оценка влияния угла наклона ротора на исходные параметры рабочего процесса
- Методика экспериментальных исследований
- Методика проведения исследований
- Методика расчета основных параметров двух роторного рабочего органа для строительства каналов с крутыми откосами
Введение к работе
Утвержденные ХХУІ съездом КППСС "Основные направления экономического и социального развития СССР на I98I-I985 годы и на период до 1990 года" предусматривают дальнейшее неуклон-развитие производительных сил и увеличение выпуска промышленной продукции.
Новым пятилетним планом предусмотрен рост промышленного производства в СССР к 1985 году на 26-28% / I /. Минстройдор-машу установлен рост товарной продукции за годы пятилетки по отношению к 1980 г. на 30% со средним темпом 5,4%, что отражает большую потребность в строительных, дорожных и коммунальных машинах / 2 /.
Характерной чертой плана одиннадцатой пятилетки по строительным и дорожным машинам является увеличение единичных мощностей выпускаемых машин. Это будет способствовать повышению производительности труда строительных рабочих, что особенно важно в условиях сокращения прироста трудовых ресурсов.
Выполнению главной задачи одиннадцатой пятилетки, состоя* щей в обеспечении дальнейшего роста благосостояния советских людей, служит Продовольственная программа, принятая 24 мая 1982 г. очередным Пленумом ЦК КПСС.
Продовольственной программой предусматривается ускорение темпов проведения мелиорации и ирригации земель в целях снижения зависимости сельскохозяйственного производства от климатических условий и получения гарантированных урожаев сельскохозяйственных культур. Площадь орошаемых земель намечено довести в 1985 г. до 20,8 млн.га и в 1990 г. до 23 - 25 млн. га, а площадь осушенных земель соответственно до 15,5 и 18 -
19 млн.га / 3, 4 /.
Каналокопатели с глубиной копания до 1,2-1,7 м нашли широкое применение в различных областях народного хозяйства при строительстве протяженных выемок трапецеидального сечения и, в частности, мелиоративном строительстве*' По типу рабочего органа в зависимости от способа реализации мощности двигателя различают: пассивные или плужные и активные каналокопатели. Плужные каналокопатели предназначены для рытья каналов с поперечным сечением менее 1,5 м и глубиной до 1,0 м. Эти каналокопатели реализуют главным образом тяговую мощность базового трактора. Активные экскаваторы-каналокопатели предназначены для строительства каналов глубиной до 1,7 м / 5, б /.
Принципиальное отличие экскаваторов-каналокопателей от плужных заключается в том, что грунт вырезается не сплошным пластом, а стружками небольшой толщины вращающимся рабочим органом / ротор, фреза / без деформации естественного грунта на откосах каналов / б /.
Каналокопатели с активным рабочим органом имеют следующие преимущества перед плужными: удельное сопротивление копанию зависит от формы стружки и свойств грунта, но не зависит от размеров сечения канала; не требуется больших тяговых усилий, что создает благоприятные условия для проходимости базовой машины и не требует значительной сцепной массы; обеспечивается хорошее качество каналов с чистыми откосами и
ДНОМ?' - обеспечивается реализация всей мощности базового тягача.
В двухфрезерных каналокопателях оси фрез располагаются в плоскости, перпендикулярной к оси канала, и наклонены к горизонту под углами, зависящими от заложения откосов разрабаты - ваемого канала / 7, 8 /. В настоящее время Минстройдормаш выпускает серийно двухфрезерные каналокопатели ШШ-І200А и ЭЕР-I25A, а ранее выпускался двухроторный экскаватор-каналокопатель ЭГР-172.
Существующие конструкции каналокопателей обеспечивают разработку каналов с коэффициентом заложения откосов ПЪ =1,0-1,5. Шесте с тем для строительства ряда каналов / временные осушители, картовые каналы, каналы специального профиля и др. / требуется крутое заложение откосов / 0,3-^ ffl <С 1,0 /. В частности, такие каналы широко применяются для осушения земель в Колхидской низменности. Проектом освоения Колхидской низменности предусмотрено доведение освоенных площадей к концу XI пятилетки до 20000 га, к 1990 г. до 63000 га. Общая длина каналов должна составить: к 1986 г. около 15000 км., а к 1990 г. около 47300 км. Общий объем земляных работ по нарезке каналов составит: в 1985 г. - 386 тыс.м3, в 1990 г. - 2567 тыс.м3. Актуальным вопросом является и создание каналокопателя для строительства каналов специального профиля / 9, 10 /.
Исходя из требований народного хозяйства в НПО "ВНИИЗЕМ-МАШ" при участии и под руководством автора диссертации были проведены работы по разработке и исследованию двухроторных экскаваторов-каналокопателей для строительства каналов с крутыми откосами. Работы проводились в рамках тем / 9, 10, II /, предусмотренных тематическим планом НПО "ЕНЙИВЕММАШ". В результате проведенных исследований были созданы двухроторные каналокопатели для строительства каналов с крутыми откосами на базе тракторов ДГ-75БВ-С4 и K-70I.
В данной работе на основе критического анализа известных конструктивных решений и исследований двухроторных экска- ваторов-каналокопателей обоснована возможность создания ка-налокопателя способного производить разработку каналов с крутыми откосами. Работа выполнена во Всесоюзном научно/- исследовательском институте землеройного машиностроения "ЕНИИЗЕМ-МАІІГ.
Цель работы заключается в повышении производительности и качества работ по строительству каналов с крутыми откосами путем установления основных закономерностей, определяющих процесс строительства каналов с крутыми откосами двухроторным рабочим органом экскаватора-каналокопателя, выборе конструкции и основных параметров такого рабочего органа.
Научная новизна работы связана с обоснованием конструкции, параметров и режимов работы двухроторного рабочего органа, обеспечивающего разработку каналов с крутыми откосами с образованием целика грунта рациональных размеров и формы. Приводится математическое описание процесса образования, обрушения и выноса целика грунта из забоя двухроторным рабочим органом. Получены аналитические зависимости для определения угла разгрузки выбросных лопаток крутопоставленного ротора, а также взаимного расположения режущих и выбросных элементов ротора.
Методика проведения исследований базируется на комплексном решении поставленных в работе задач. Применены следующие методы исследований: аналитический - при исследовании процесса разработки сечения канала двухроторным рабочим органом, установлении рациональных параметров рабочего органа; лабораторных экспериментов с использованием методов физического моделирования рабочего процесса и исследований натурных образцов с целью подтверждения и дополнения аналитических зависимостей, которые выполнялись с применением методов многофакторного эксперимента; вероятностно-статистического анализа при обработке результатов экспериментальных исследований; технико-экономического анализа при определении экономической эффективности применения двухроторного рабочего органа для строительства каналов с крутыми откосами.
Степень обоснованности и достоверности научных положений, выводов и рекомендаций определяется: использованием в работе апробированных результатов научных исследований, применением основных положений теории и расчета фрезерно-роторных рабочих органов; сходимостью результатов аналитических и экспериментальных исследований.
Практическая ценность работы заключается в разработке методики расчета основных параметров двухроторного рабочего органа, на основании которой создана новая конструкция рабочего органа экскаватора-каналокопателя, отвечающего требованиям строительства каналов с крутыми откосами.
Реализация результатов исследований. Результаты выполненных исследований использованы Всесоюзным научно-исследовательским институтом землеройного машиностроения при создании двухроторного экскаватора-каналокопателя МИ-902 на базе трактора К-701, предназначенного для разработки каналов специального профиля, при разработке двухроторного каналокопателя KM-II, предназначенного для строительства осушительных каналов с крутыми откосами. Опытным заводом НПО "ВНИЙЗЕММАПГ изготовлена первая промышленная партия и изготавливается первая промышленная серия каналокопателей KM-II.
Автор защищает: аналитические зависимости, описывающие процесс образования, обрушения и выноса целика грунта из забоя двухроторным рабочим органом экскаватора-каналокопателя; установленные зависимости геометрических и кинематических параметров двухроторного рабочего органа, обеспечивающего разработку каналов с крутыми откосами с образованием целика грунта рациональной формы, от различных факторов, определяющих его рабочий процесс; результаты экспериментальных исследований разработки каналов с крутыми откосами предлагаемым рабочим органом; - методику расчета и выбора параметров двухроторного рабочего органа для строительства каналов с крутыми откосами.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы рассматривались на ХХХУІ научно-технической конференции Ленинградского инженерно-строительного института в 1978 г., на 44- ой научно-технической конференции Московского гидромелиоративного института в 1979 г., научно-техническом совете Всесоюзного научно-исследовательского института землеройного машиностроения в 1976, 1980, 1983 и 1984 г.г.
Публикация. По результатам работы опубликовано 5 статей и получено 6 авторских свидетельств на изобретение. Результаты работы приведены в научно-технических отчетах / 9,10,11 /. Разработанное в ходе исследований и защищенное авторским свидетельством "Устройство для определения плотности грунта" демонстрировалось на выставке НТШ-82 ВДНХ СССР и отмечено Почетным дипломом выставки.
Конструкции двухроторных экскаваторов-каналокопателей
Разнообразные грунтовые условия эксплуатации двухроторных каналокопателей, требования к параметрам отрываемых каналов, отвалообразованию и т.д. обуславливают многообразие конструктивных решений этих машин / 12 - 15 /. І Общей особенностью двухроторных и двухфрезерных рабочих органов каналокопателей / 12,15 / является то, что они состоят из двух наклонных роторов /фрез/, плоскости вращения которых параллельны откосам отрываемых каналов. Рабочий орган разра-батывает лишь часть поперечного сечения канала /рис.1,1/.
В зависимости от скорости вращения роторов /фрез/ они классифицируются на два основных типа / 12 /
- с гравитационной разгрузкой;
- с инерционной разгрузкой.
Граница между инерционной и гравитационной разгрузкой практически определяется соотношением между силой тяжести и действующей на транспортируемый роторами грунт центробежной силой: если первая больше второй, имеет место гравитационная разгрузка, а необходимым условием инерционной разгрузки является превышение центробежной силы над силой тяжести.
Фрезы и роторы имеют различные конструктивные исполнения. Фрезы /рис.1.2/ имеют форму дисков или пологих конусов / 15 / с установленными по окружности ножами для копания грунта и лопатками на боковой поверхности для отбрасывания вырезанного и обрушившегося грунта. Окружная скорость фрез составляет 8 г 30 м/с. Фрезами преимущественно пользуются для рытья осушительных каналов в болотно-торфяных грунтах с погребенной древесиной, торфо-минеральных грунтах первой категории с мелкими каменистыми включениями.
class2 АНАЛИТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА ДВУХ-
Р0Т0РН0Г0 ЭКСКАВАТОРА-КАНАЛОКОПАТЕЛЯ ДЛЯ СТРОИТЕЛЬ СТВА КАНАЛОВ С КРУТЫМИ ОТКОСАМИ class2
Оценка влияния угла наклона ротора на исходные параметры рабочего процесса
Разработка каналов с крутым заложением откосов требует установки роторов двух роторного рабочего органа под большими углами к горизонту ОСр 45. Для рационального выбора геометрических и кинематических параметров рабочего органа и определения силовых и энергетических показателей рабочего процесса канавокопателя требуется аналитическая оценка влияния величины угла наклона ротора к горизонту на параметры, определяющие рабочий процесс канавокопателя.
Аналитическая оценка выполняется на основе ряда исходных параметров и принятых допущений.
Исходными параметрами являются: глубина отрываемого канала /fc и ширина канала по дну Ь , диаметр Лр , ширина &р и угол наклона к горизонту оСр ротора.
Принятые допущения: наружный диаметр, ширина и угол наклона к горизонту левого и правого роторов одинаковы; роторы расположены симметрично относительно продольной плоскости симметрии отрываемого канала; поверхность резания роторов -цилиндрическая; ось вращения ротора перпендикулярна поверхности откоса канала.
Методика экспериментальных исследований
Исследования взаимодействия транспортирующих элементов наклонного ротора с грунтом выполнены с применением методов приближенного физического моделирования / 50,63-66 /.
Физические модели составляют одну из подгрупп материальных моделей, широко используемых для исследования рабочих процессов дорожно-строительных машин / 64,65 /. Физические модели, подобные оригиналу во времени, создаются для исследования динамики изучаемых процессов и получения зависимостей и закономерных связей структуры и, следовательно, параметров и характеристик, выражающих сущность изучаемых явлений. Основой при этом является физическое подобие модели и объекта, предполагающее сходство физической природы и тождественность законов движения / 65 /.
Теоретическая модель взаимодействия транспортирующих элементов наклонного ротора с грунтом показывает, что явления, протекающие при этом, характеризуются совместным действием сил тяжести, инерции, внутреннего и внешнего трения / 12 /. Определяющим силовым фактором является действие сил инерции, что вытекает из условия обеспечения инерционного режима разгрузки грунта. Решение такой системы действия сил разработано В.И.Баловневым, применительно к взаимодействию рабочих органов землеройных машин со средой / 64,65 /.
Исследования рассматриваемого процесса выполнены с использованием 5-го варианта приближенного моделирования без изменения свойств среды /песка/ при соблюдении критериев динамического и геометрического подобия / 64,66 /.
Критерии динамического подобия: -Zy - отношение сил инерции к силам веса грунта;
g0 - отношение силы трения по грунту к действующей силе; & - отношение силы трения по металлу к действующей силе. Критерии геометрического подобия:
- критерии линейных параметров C;tj /диаметр наклонного ротора ЛнвДм К. , длина транспортирующего элемента H = fM 1 » ширина транспортирующего элемента Ъ н »м Є »
- параметры канала HHe Нм fc ;
- критерий угловых параметров сдам С н).
Для принятого варианта приближенного моделирования скорость процесса "м Н ( а ) .
Формирование физической модели производилось при ограничении значения коэффициента 1С из условия, что предельный объем среды Л V . 200 СІ , где 0І - средний раз мер линейных частиц, составляющих среду.
Линейный размер модели имеет также ограничения по предельно допустимой ошибке измерения с точки зрения точности измерительной аппаратуры. По формуле, приведенной в работе / 64 /, для принятого варианта моделирования определено минимальное значение масштабного коэффициента Кр 20 . Значение К? получено при условии использования электротензометрического способа измерений параметров и записи их шлейфовым осциллографом Н-700 с усилителем УТ-4-І на осциллографическую бумагу шириной 120 мм.
"Экспериментальные исследования выполнялись на лаборатор 95 ком поисковом стенде "ЕНИИЗеммаш". Конструкция стенда представлена на рис. 3.1. Стенд состоит из тележки с грунтовым каналом, портала, привода, рельсовых путей и пульта управления. Исследуемая модель рабочего органа /рис. 3.2 / крепится через тензорамку к несущей каретке, установленной на траверсе Траверса с несущей кареткой имеет возможность вертикального перемещения. В свою очередь,каретка может поворачиваться вокруг оси траверсы и передвигаться вдоль нее. Грунтовый канал передвигается по рельсовому пути. Привод механизма перемещения грунтового канала развивает тяговое усилие - 6 кН, ход грунтового канала - 4400 мм, а его ширина составляет - 1400мм. Привод ротора и механизма перемещения грунтового канала осуществляется от насосной станции /рис. 3.3/. Применение гидравлического привода обеспечивает возможность бесступенчатого регулирования частоты вращения ротора в диапазоне 50-500 об/мин. и скорости передвижения грунтового канала в интервале 0,017 - 0,525 м/с.
Исследования моделей наклонного ротора проводились в лабораторных условиях на песке с объемной массой = 1600 кг/ м3, углом внешнего трения і 4 = 29 - 36 и углом внутреннего трения jf2 = 39 - 43.
class4 МЕТОДИКА. И. РЕЗУЛЬТАТЫ ЖСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
НАТУРНЫХ ОБРАЗЦОВ ДВУХР0Т0РН0Г0 РАБОЧЕГО ОРГАНА ДЛЯ СТРОИТЕЛЬСТВА КАНАЛОВ С КРУТЫМИ ОТКОСАМИ class4
Методика проведения исследований
В соответствии с поставленной целью и задачами работы проведение экспериментальных исследований двухроторного рабочего органа планируется в следующих основных направлениях: исследование процесса разработки каналов с крутыми откосами в различных грунтовых условиях двухроторным рабочим органом с целью получения данных о процессе копания грунта двухроторным рабочим органом, изменениях величішн силовых и энергетических показателей процесса копания для оценки достоверности результатов аналитического расчета мощности и определения рациональных конструктивных параметров рабочего органа с учетом физико-механических свойств разрабатываемого грунта, режимов работы рабочего органа, параметров отрываемого канала и кавальера.
Общая схема экспериментальных исследований приведена на рис. 4.1. В качестве объектов исследования использовались экспериментальный двухроторный рабочий орган для строительства каналов с крутыми откосаїли на базе тягача типа ЭТР-172 и экспериментальный двухроторный каналокопатель МИ-902 на базе трактора "Кировец" К-701. При выполнении экспериментальных исследований применялись средства электротензометрии /76-78/ для замера нагрузок и других механических величин, а также выполнялись инструментальные замеры и визуальное наблюдение.
Методика расчета основных параметров двух роторного рабочего органа для строительства каналов с крутыми откосами
В основы методики расчета положены результаты аналитических и экспериментальных исследований рабочего процесса двухроторного рабочего органа для разработки каналов с крутым заложением откосов.
1. Исходными данными для расчета являются физико-механические характеристики разрабатываемого грунта, глубина / и ширина канала по низу , коэффициент заложения откосов канала /ft , определяющий угол наклона ротора к горизонту ОСр , ширина кавальера, формируемого наклонными роторами 3 » техническая производительность каналокопателя 7Т .
2. В зависимости от глубины отрываемого канала /% диаметр ротора Др определяется из выражения
Верхний предел значений Дг принимается для больших углов наклона ротора к горизонту.
3. Величина угла контакта ротора с забоем 0 к находится из выражения /2.6/.
4. Геометрические параметры завистного устройства определяются параметрами канала, условиями разгрузки грунта в отвал и параметрами отвала, находятся по данным / 12 /.
5. Число режущих элементов ZH ротора определяется из условия нахождения в забое по крайней мере одного режущего элемента /ножа/ из выражения ZJOC И принимается.
6. Ширина резания ротора определяется из принятой схемы разработки поперечного сечения канала и рекомендуемого соотнес шения 2/j»/- , определяемого физико-механическими свойствами разрабатываемого грунта.
7. Окружная скорость ротора Г выбирается минимально возможной по условиям выброса /выноса/ и обеспечения требуемой ширины кавальера. Величина выносной способности наклонного ротора определяется по методике / 12 / с учетом значения угла разгрузки выбросной лопатки , определяемого зависимостью /2.35/. Выполнение обеспечения требуемой ширины кавальера проверяется по зависимостям / 2.28, 3.2, 4.3 /.
8. Скорость рабочего передвижения канавокопателя определяется из условия обеспечения требуемой производительности канавокопателя.
