ПРИДНІПРОВСЬКА ДЕРЖАВНА АКАДЕМІЯ

БУДІВНИЦТВА ТА АРХІТЕКТУРИ

КАРПУШИН Сергій Олександрович

УДК 621.878.25

ІНТЕНСИФІКАЦІЯ РОЗРОБКИ ҐРУНТУ СКРЕПЕРОМ ШЛЯХОМ

УДОСКОНАЛЕННЯ РОБОЧОГО ОРГАНУ І ТЕХНОЛОГІЇ

ЗАПОВНЕННЯ

Спеціальність 05.05.04 - Машини для земляних та дорожніх робіт

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового

ступеня кандидата технічних наук

Дніпропетровськ - 2001

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Придніпровській державній академії будівництва та архітектури, Міністерство освіти і науки України.

Науковий керівник – доктор технічних наук, професор, Хмара Леонід Андрійович,

Придніпровська державна академія будівництва та архітектури, завідувач

кафедри будівельних та дорожніх машин

Офіційні опоненти:

- доктор технічних наук, професор, Нічке Вільгельм Вільгельмович, Харківський державний

автомобільно-дорожній технічний університет, професор кафедри підйомно-транспортних,

будівельних, дорожніх машин і обладнання;– 

кандидат технічних наук, професор, Смірнов В`ячеслав Миколайович, Київський національний

університет будівництва і архітектури, професор кафедри будівельних машин.

Провідна установа –  Полтавський державний технічний університет імені Юрія Кондратюка,

кафедра будівельних машин та обладнання, Міністерство освіти і науки України, м. Полтава.

Захист відбудеться 27 червня 2001 року о 15.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К.08.085.03 Придніпровської державної академії будівництва та архітектури за адресою: 49600, м. Дніпропетровськ, вул. Чернишевського, 24-а, к.202.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Придніпровської державної академії будівництва та архітектури за адресою: 49600, м. Дніпропетровськ, вул. Чернишевського 24-а.

Автореферат розісланий 24 травня 2001 року.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Шаленний В.Т.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Вступ. В сучасних умовах створення будівельного і дорожнього машинобудування України особливу актуальність має питання розробки і впровадження у виробництво високоефективних, надійних і конкурентоздатних машин власного виробництва. Значну частку з них складають машини для земляних робіт, зокрема скрепери. Необхідність в скреперах обумовлена можливістю їх широкого використання в сферах промислового, цивільного, дорожнього і меліоративного будівництва, на вскришних роботах і відкритих розробках корисних копалин, що пояснюється універсальністю та можливістю виконання закінченого технологічного циклу при виконанні цих робіт.

Актуальність теми. Самохідний скрепер із завантаженням тяговим зусиллям тягача є найбільш простою і надійною в роботі землерийно-транспортною машиною. Однак традиційна конструкція і технологія заповнення ковша має ряд недоліків. Необхідність піднімання пласта на значну висоту з його наступним осипанням, для заповнення порожнеч передньої заслінки і задньої стінки, обмежують місткість ковша і обумовлюють велику енергоємність завершальної стадії заповнення. Ці фактори приводять до перевитрат пального і збільшення термінів виконання земляних робіт.

Аналіз існуючих технічних рішень (ТР) та досліджень, спрямованих на підвищення ефективності робочого процесу скрепера показав, що підвищити технічний рівень машини можна більш раціональним заповненням ковша і розташуванням грунту в ньому. Для скреперів великої місткості це може бути досягнуто застосуванням додаткових механізмів (шнеків, елеваторів тощо). Для скреперів малої місткості, зокрема ДЗ-87-1А, що випускаються на Україні Бердянським ВАТ “Дормаш”, може бути запропонований спосіб заповнення ковша у дві стадії, який забезпечується керуванням задньою стінкою в процесі набору грунту. Однак впровадження такого рішення стримується відсутністю досліджень по встановленню раціональних технологічних та конструктивних параметрів робочих органів (РО) і закономірностей їх взаємодії з грунтом.

В зв'язку з цим робота, в основу якої покладено комплексне дослідження, що направлене на встановлення ефективності застосування, раціональних параметрів РО, умов і режимів взаємодії з ґрунтом ковша скрепера, що обладнаний глибокою передньою заслінкою, задньою стінкою з відвальною поверхнею та східчастою ножовою системою (НС) в умовах заповнення ковша в дві стадії є актуальною і відповідає сучасним вимогам будівельного і дорожнього машинобудування.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана у відповідності з темою науково-дослідних робіт кафедри "Будівельні та дорожні машини" Придніпровської державної академії будівництва та архітектури "Екологічно чиста енергетика та ресурсо-зберігаючі технології" (№ державної реєстрації 04.04. МВ/-99).

Мета і задачі дослідження. Підвищення ефективності робочого процесу скрепера з тяговим завантаженням за рахунок зниження опору ґрунту копанню при збільшенні ґрунту, що набирається в ківш шляхом вдосконалення НС, конструкції і технології заповнення ковша в умовах обґрунтування раціональних конструктивних і технологічних параметрів.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити такі основні задачі:

- сформувати ряд нових ТР східчастих НС скрепера, як з боковими косинками (БК), так і без них;

- провести експериментальні дослідження по відпрацюванню раціональної конструкції НС, елементів ковша і технологічних параметрів процесу заповнення ковша в дві стадії;

- розробити математичні моделі, що описують опір ґрунту копанню РО скрепера, який обладнаний східчастою НС для різних ґрунтів при традиційному і двостадійному способах заповнення ковша;

- модернізувати натурний зразок і провести польові дослідження по встановленню якісної картини і кількісних залежностей зміни техніко-економічних параметрів процесу заповнення ковша;

- розробити методику моделювання процесу заповнення ковша в дві стадії, оцінки силових, енергетичних показників і визначення раціональних конструктивних і технологічних параметрів.

Об'єкт дослідження – функціонування системи “НС – грунт” в дослідженні ефективності робочого процесу завантаження землерийно-транспортної машини  ковша скрепера тяговим зусиллям.

Предмет дослідження – питання вибору та призначення раціональних параметрів НС скрепера в умовах двостадійного завантаження ковша скрепера тяговим зусиллям тягача, математичні моделі інженерного аналізу взаємодії з ґрунтом НС скрепера.

Методи дослідження. В роботі використовувались аналітичні та експериментальні методи досліджень. Аналітичні методи базувались на побудові реальних математичних моделей взаємодії різноманітних східчастих НС скрепера з ґрунтом як при традиційній так і при двостадійній схемах заповнення ковша тяговим зусиллям тягача. Експериментальна частина роботи включала методи фізичного моделювання процесу в сполученні з виробничими дослідженнями модернізованого натурного зразка. Використані методи постановки і статистичної обробки експериментальних даних вимірів. Отримані аналітичним методом результати порівнювались з результатами лабораторних та польових випробувань.

Наукова новизна одержаних результатів представлена:

- встановленими новими закономірностями процесу копання ґрунту скрепером, які заключаються в тому, що кількість ножів, котрі виступають (НВ), їх взаємне розташування по ширині РО впливає на ущільнення ґрунту і характер розподілу щільності ґрунту в порожнечі ковша, на силові та енергетичні параметри процесу при традиційному і двостадійному заповненні;

- вперше розробленими аналітичними залежностями визначення опору ґрунту копанню РО скрепера при східчастих НС, як з БК так і без них, що додатково враховують величину ущільнення ґрунту в зоні входу в ківш та нерівномірність ущільнення ґрунту в залежності від конструктивних особливостей НС;

- встановленою доцільністю розподілу процесу заповнення ковша збільшеної місткості, використовуючи для цього рухому задню стінку з відвальною поверхнею. Основною відмінністю процесу заповнення в дві стадії від традиційного способу є більш низьке поточне значення висоти пласта, що піднімається при заповненні РО.

Новизна розробленої конструкції НС і способу заповнення підтверджується двома патентами України на винаходи.

Практичне значення одержаних результатів визначається:

- запропонованим новим способом заповнення ковша скрепера в дві стадії, конструкцією РО для його здійснення і новою, більш ефективною НС;

- розробленою аналітичною методикою розрахунку силових, енергетичних і техніко-економічних параметрів, що дозволяє моделювати на ЕОМ реальний процес заповнення ковша скрепера в дві стадії;

- запропонованою аналітичною методикою визначення області раціонального використання скрепера, що обладнаний глибокою передньою заслінкою при заповненні ковша в дві стадії;

- використанням результатів досліджень в учбовому процесі ПДАБтаА, ХДАДТУ, ПДТУ, КДТУ (у курсовому та дипломному проектуванні, НДРС);

- створенням модернізованого натурного експериментального зразка скрепера з східчастою НС з двома НВ на базі скрепера ДЗ-87-1 в Кіровоградському управлінні зрошувальних систем "КУЗС";

- економічним ефектом від використання модернізованої машини та очікуваним економічним ефектом для випадку виготовлення натурної машини і її використання.

Розроблені методики визначення силових, енергетичних, техніко-економічних та раціональних конструктивних і технологічних параметрів передані для використання ряду підприємств: ВАТ “Дормаш" (м. Бердянськ), ВАТ “Укрспецекскавація” та ВАТ “Дніпробудмеханізація”, (м. Дніпропетровськ).

Особистий внесок здобувача. В ході наукового дослідження автором опубліковано 11 статей, основні положення яких розкривають зміст дисертаційної роботи. Зокрема 9 статей вийшло в співавторстві з докт. техн. наук Л.А. Хмарою, канд. техн. наук І.А. Соколовим, інж. М.І. Дерев'янчуком. Дисертанту в опублікованих наукових працях належить:

- розроблені розрахункові схеми взаємодії з ґрунтом РО скрепера та отримані на їх основі математичні моделі процесу;

- результати експериментальних досліджень зі східчастими НС в умовах двостадійної технології заповнення ковша;

- методика розрахунку раціональних конструктивних і технологічних параметрів РО (НС, передня заслінка, задня стінка) і процесу заповнення ковша

скрепера в дві стадії;

- запропоновані аналітичні залежності, згідно яким визначається область ефективного використання скрепера, що обладнаний глибокою передньою заслінкою при заповненні ковша в дві стадії.

Апробація результатів дисертації. Основні положення і дисертаційна робота в цілому доповідались і обговорювались на: регіональній науково-практичній конференції "Проблеми розробки, виробництва, експлуатації і ремонту підйомно-транспортних машин, будівельних і дорожніх машин" (м. Кіровоград, 1996р.); II-ій Міжнародній конференції "Проблеми і перспективи освоєння підземного простору великих міст" (м. Дніпропетровськ, 1997р.); 1-ій Міжнародній конференції "НАУКА І ОСВІТА- 98", (м. Дніпропетровськ, 1998р.); Міжнародній науково-практичній конференції “Проблеми будівельного і дорожнього комплексів” (м. Брянськ, 1998 р.), IV Міжнародному симпозіумі українських інженерів-механіків в м. Львові (1999р.); Міжнародній конференції "Проблеми реконструкції і експлуатації промислових та цивільних об'єктів" (м. Дніпропетровськ, 1999р.); засіданнях і наукових семінарах кафедри "Будівельні і дорожні машини" ПДАБтаА (м. Дніпропетровськ, 1997...2001рр.); засіданні кафедри "Будівельні, дорожні машини та будівництво" КДТУ (м. Кіровоград, 1999р.); засіданні кафедри "Будівельні і дорожні машини" ХДАДТУ (м. Харків, 2000р.); засіданні конструкторського бюро ВАТ "Дормаш" (м. Бердянськ, 1999р.); засіданні НТС ВАТ "Укрспецекскавація" та ВАТ "Дніпробудмеханізація" (м. Дніпропетровськ, 1999р.).

Публікації. Основні положення дисертаційної роботи викладені у 15 друкованих працях, з них 4 у фахових виданнях ВАК України, по тематиці дисертації отримано 5 патентів України на винаходи.

Структура та обсяг роботи. Дисертаційна робота складається з вступу, п'яти розділів, загальних висновків, списку використаних джерел і додатків. Загальний обсяг роботи 268 сторінок, в тому числі 123 сторінки машинописного тексту, 76 рисунків, 16 таблиць, список літератури з 108 найменувань та 6 додатків на 47 сторінках.

ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність досліджень, спрямованих на подальше вдосконалення і створення РО скреперів, прискорення заміни застарілої техніки новими більш продуктивними машинами, сформульована мета і задачі проведених досліджень та розкриті їх наукова новизна і практичне значення.

У першому розділі виконано огляд і аналіз науково-технічної і патентної інформації з питання дослідження робочого процесу скрепера. Встановлено існування великої кількості конструктивних рішень РО скреперів, що свідчить про зацікавленість дослідників даним напрямком. Виконано огляд і аналіз методів визначення опорів різанню та копанню ґрунту скрепером.

Суттєвий внесок в розвиток теорії різання і копання ґрунту внесли своїми дослідженнями вчені: К.О. Артем'єв, В.Л. Баладінський, В.І. Баловнєв, Ю.О. Вєтров, Д.П. Волков, М.І. Гальперін, В.П. Горячкін, М.Г. Домбровський, А.М. Зеленін, Л.В. Назаров, В.В. Нічке, В.К. Руднєв, Д.І. Федоров, Л.А. Хмара, А.М. Холодов та інші. Аналіз показав, що в даний час в роботах дослідників встановлені основні кількісні залежності між параметрами РО і середовищем, що розроблюється. В математичних моделях, що описують процес копання, ґрунт, що заповнив ківш, розглядається як розрихлений однакової щільності.

Питанню розподілу щільності ґрунту в РО при завантажені ковша тяговим зусиллям присвячені роботи В.Г. Ясинецького. Встановлено, що в зоні входу стружки ґрунту в ківш спостерігається підвищена щільність – ядро, що витягнуте в напрямку поступання ґрунту. В глибині ковша і порожнечі передньої заслінки щільність ґрунту менша. Попередні експериментальні дослідження, що виконані в лабораторії ПДАБтаА, вказують на нерівномірність ущільнення ґрунту і по ширині ковша.

Неоднорідність ущільнення ґрунту є наслідком недосконалості конструкції РО та технології процесу заповнення, що пов'язані з необхідністю піднімання ґрунту вирізаного НВ на значну висоту з його послідуючим осипанням в зони бокових стінок та передньої заслінки.

До уваги дослідників не потрапили ці питання, що вказує на недостатнє вивчення процесу заповнення ґрунтом ковша скрепера та на існування резервів щодо удосконалення РО, технологічних особливостей робочого процесу та математичного опису процесу.

Виконаний аналіз РО скреперів і досліджень процесу заповнення ковша показав, що головним показником на зменшення або заміну якого спрямована більшість ТР (телескопічні ковші, підгрібаючі пристрої, нахил бічних стінок ковша, шнеки, елеватори, двощілинне завантаження, глибокі передні заслінки та ін.) є поточне значення висоти підйому пласта ґрунту в ковші.

В зв'язку з цим доцільним є напрямок комплексного вдосконалення конструкції РО, зокрема НС, конструкції передньої заслінки, задньої стінки і технології заповнення ковша.

У другому розділі теоретично обґрунтована доцільність застосування східчастої НС з двома НВ і висунута робоча гіпотеза - "характер розподілу і величина щільності ґрунту в зоні входу пласта в ківш визначаються конструкцією НС, зокрема кількістю НВ, геометричними параметрами НВ, а також їх відносним розташуванням". У відповідності висунутій робочій гіпотезі сформований ряд нових ТР східчастих НС з НВ як з БК, так і без них (табл.1).

На основі проведених попередніх пошукових експериментальних досліджень з відібраною на основі найбільшої відповідності висунутій робочій гіпотезі групи НС (рис.1) і встановленні фізичної сутності процесу, розроблені розрахункові схеми процесу копання ґрунту скрепером, що обладнаний східчастою НС.

Математична модель для визначення опору ґрунту копанню скрепером, що обладнаний НС з двома НВ і БК для кінцевого етапу заповнення має вид:

де nвн, nсн, nбн – відповідно кількість ножів НВ, середніх (СН), бокових (БН); aрвн, aрсн, aрбн – відповідно кут різання НВ, СН, БН; d, r - відповідно кути зовнішнього і внутрішнього тертя; А1, А2 – коефіцієнти, що залежать від кута різання і визначаються аналітично; Ввн, Всн, Вбн Вбк, – відповідно ширина НВ, СН, БН, БК; hвн, hсн, hбн - відповідно глибина копання НВ, СН, БН; g, gр – відповідно об'ємна вага не розпушеного і розпушеного ґрунту; Сw – зчеплення ґрунту; kуп, kп – коефіцієнти, що отримані експериментально і враховують відповідно величину та нерівномірність ущільнення ґрунту; Нгр – висота ґрунту в ковші; авн, асн, абн - відповідно товщина пласта, що вирізана НВ, СН, БН; x - коефіцієнт бокового тиску; aвнзат, aснзат, aбнзат – відповідно кут затуплення НВ, СН, БН; hвнзат, hснзат, hбнзат - відповідно висота площадки затуплення НВ, СН, БН; s - міцність ґрунту сколюванню; kбок – коефіцієнт глибини розширення прорізі; y – кут сколювання ґрунту; gбр – кут бокового руйнування ґрунту.

Результати розрахунку для найбільш поширених типів ґрунтів представлені графічно на рис.2.

Встановлено ефективність НС з двома НВ і БК, що за показником Рк відносно до традиційної НС з одним центральним НВ складає 9…13%.

Проведені теоретичні дослідження процесу заповнення ковша в дві стадії (рис.3). В якості вихідних даних прийняті висота задньої стінки ковша Нст та її радіус Rст з умови Нст/Rст=1. Попередньо експериментально встановлені раціональні параметри глибокої заслінки та кут установки задньої стінки.

В результаті теоретичних досліджень розроблена методика аналітичного моделювання процесу заповнення ковша скрепера в дві стадії з використанням ЕОМ, що дозволяє визначати силові, енергетичні, технологічні та техніко-економічні параметри процесу при роботі скрепера в різних ґрунтових умовах. Результати розрахунку силових та енергетичних параметрів процесу представлені графічно на рис. .

У третьому розділі викладена методика проведення лабораторних досліджень по визначенню закономірностей взаємодії з ґрунтом РО скрепера, що обладнаний східчастими НС в умовах двостадійного завантаження. Приведений опис та дана характеристика моделей РО, стенду і вимірювальної апаратури.

Експериментальні дослідження проводились в лабораторних умовах на фізичних моделях з використанням теорії фізичного моделювання, що розроблена д. т. н., професором В.І. Баловнєвим.

Метою експериментальних досліджень було дослідження впливу параметрів РО і технологічних характеристик заповнення ковша скрепера в дві стадії на силові, енергетичні і техніко-економічні показники процесу.

Задачі експериментальних досліджень.

1. Вивчення на фізичних моделях процесу розробки найбільш розповсюджених ґрунтів ковшами скреперів, що обладнані різними НС з НВ і БК.

2. Встановлення залежності розподілу щільності ґрунту в зоні входу стружки в ківш від параметрів НС.

3. Визначення силових і енергетичних параметрів процесу.

4. Аналіз впливу розподілу щільності ґрунту в ковші, зокрема в зоні входу стружки в ківш, на силові і енергетичні параметри процесу для внесення уточнень в математичну модель процесу.

5. Встановлення раціональної конструкції НС.

6. Встановлення раціональних геометричних параметрів заслінки збільшеної місткості.

7. Відпрацювання і встановлення раціональних технологічних параметрів заповнення ковша скрепера в дві стадії.

Експериментальні дослідження проводились при виконанні умов рівності площ стружки ґрунту, що вирізається Fстр(НС)=const, постійної довжини і глибини копання для кожної НС, що досліджується Lкоп(НС)=const, hкоп(Lкоп)=const та швидкості копання Vкоп(НС)=const.

В процесі досліджень здійснювалась реєстрація горизонтальної складової опору ґрунту копанню Рк з допомогою комплекту вимірювально-реєструючої апаратури, в склад якої входили: тензодатчики, підсилювач 8АНЧ-714, магазин опорів МС-001, самописець Н338  П і з'єднувальні елементи.

У четвертому розділі приведені результати лабораторних експериментальних досліджень процесу копання ґрунту фізичною моделлю ковша при її обладнанні різними НС як для умов традиційного процесу набору ґрунту в ківш, так і для умов двостадійного завантаження ковша.

По даним експериментальних досліджень побудовані залежності: щільності ґрунту (r) по ширині ковша (В) для досліджуваних НС; величини r в залежності від відстані між двома сусідніми НВ (А), r=f(А); горизонтальної складової опору ґрунту копанню Рк для досліджуваних НС; ваги ґрунту, що набраний в ківш Gгр в залежності від конструкції НС; ваги призми ґрунту Gпр для досліджуваних НС; питомої енергоємності заповнення ковша скрепера Рк/Gгр для досліджуваних НС; роботи процесу копання Акоп для досліджуваних НС; енергоємності процесу копання Е для досліджуваних НС; опору копанню Рк в залежності від глибини копання hкоп, Рк=f(hкоп); величини горизонтального відкладення ґрунту в порожнечі передньої глибокої заслінки Lотл від кута встановлення задньої стінки D; опору ґрунту копанню Рк в залежності від довжини шляху копання Lкоп при різних НС в умовах заповнення ковша скрепера в дві стадії.

На основі проведених експериментальних досліджень на фізичних моделях ковша скрепера, що обладнаний НС з НВ і БК, глибокою передньою заслінкою та задньою стінкою з поверхнею відвалу, визначені схеми взаємодії моделей РО скрепера з середовищем, що розробляється та встановлена фізична сутність процесу.

Аналіз залежностей r=f(В) (рис.5) для досліджуваних НС та r=f(А) для НС з двома НВ (рис.6) дозволив встановити закономірності розподілу щільності ґрунту в ковші в залежності від конструктивних особливостей НС, що дало змогу визначити раціональні параметри НС.

Представлені на рис. залежності апроксимовані поліномом другого ступеню.

Рівняння регресії мають вигляд:

- для h=13,5мм ;

- для h=10,0мм .

В результаті аналізу залежності Lотл=f(D) встановлений раціональний кут установки задньої стінки D, що знаходиться в межах 85…95° від горизонталі.

Представлено співставлення результатів теоретичних та експериментальних досліджень. Розходження між даними, що отримані теоретично і експериментально знаходяться в межах допустимого і не перевищують 10…15%.

У п'ятому розділі викладена методика проведення та аналіз результатів польових експериментальних досліджень напівпричіпного скрепера ДЗ-87-1, що обладнаний НС з двома НВ (рис.7), представлена система показників до оцінки ефективності та методика визначення раціональних конструктивних і технологічних параметрів РО та процесу заповнення.

Натурні дослідження по визначенню продуктивності скрепера при заповненні ковша в дві стадії здійснювались як порівняльні з традиційним РО та способом заповнення.

Проведені натурні дослідження модернізованого зразка підтвердили роботоздатність і ефективність машини, що заповнюється в дві стадії, доцільність застосування для запропонованого способу глибокої передньої заслінки та НС з двома НВ.

Згідно представленої системи показників і проведених натурних досліджень виконана оцінка ефективності запропонованих в роботі технічних і технологічних рішень відносно традиційної конструкції РО і способу заповнення ковша скрепера.

Розроблена методика інженерного розрахунку і визначення раціональних конструктивних і технологічних параметрів РО і процесу заповнення скрепера для розробки ґрунтів І-ІІІ категорій.

Висновки

1. Встановлені нові закономірності процесу взаємодії РО скрепера з східчастою НС, які заключаються в тому, що зниження загального опору копанню при раціональній кількості НВ, їх геометричних параметрах і розташуванні досягається за рахунок збільшення кількості зон бокового руйнування на початку процесу копання і зниженні поточного значення висоти підйому ґрунту (робота тільки НВ) для кінцевого етапу заповнення ковша. При цьому сформований НС пласт, а також ґрунт, що знаходиться в ковші, характеризуються більш однорідною по ширині ковша щільністю.

2. Підтверджена висунута робоча гіпотеза про вплив конструкції НС, зокрема кількості НВ, їх геометричних параметрів і розташування на силові, техніко-економічні показники процесу і побічно на величину і характер розподілу щільності ґрунту по ширині ковша.

3. Раціональною конструкцією НС по силовим, енергетичним, техніко-економічним і технологічним параметрам на основі проведених теоретичних і експериментальних досліджень є НС з двома НВ і БК при рівних БН і СН.

4. Розроблена методика тягового розрахунку скрепера при обладнані РО східчастими НС, що досліджуються. У відповідності з методикою розроблені програми, що дозволяють з врахуванням конструктивних параметрів НС (кількість НВ, БН, СН, БК, ширина НВ, БН, СН, виліт НВ, кут різання НВ, БН, СН), фізико-механічних характеристик ґрунту (об'ємна вага, зчеплення, кути внутрішнього, зовнішнього тертя, природного відкосу, сколювання), величини і неоднорідності ущільнення ґрунтового пласта для різних НС, технологічних параметрів процесу (глибина копання, висота площадки затуплення, кут затуплення леза) визначати основні показники роботи скрепера для випадку hкоп=const(Lкоп), а також моделювати на ЕОМ реальний процес набору ґрунту скрепером зі східчастою НС.

5. Встановлено, що опір ґрунту копанню Рк НС з двома НВ і БК в зрівнянні з традиційною НС при одному центральному НВ знижується на 9…13%, показник енергоємності Рк/Gгр на 11…13%, що забезпечує підвищення продуктивності на 13…16%. Це пояснюється рівномірним заповненням ковша, відсутністю "пустот" біля бокових стінок.

6. Запропонована і досліджена нова двостадійна технологія заповнення скреперного ковша і конструкція для її здійснення. Теоретично і експериментально встановлені раціональні конструктивні параметри передньої заслінки і задньої стінки, а також технологічні параметри процесу заповнення в дві стадії.

7. Розроблена методика визначення раціональних конструктивних і технологічних параметрів РО скрепера з НС з двома НВ і БК, передньою заслінкою збільшеної місткості і задньою стінкою з відвальною поверхнею при заповненні в дві стадії для різних розмірних груп скреперів. Основні з них: кут різання aр=35°, раціональна кількість НВ – nвн=2, ширина НВ – Ввн=0,25 ширини ковша, кількість БК - 4, виліт НВ відносно БН в площині НС lвн=0,085м, раціональне співвідношення Всн/Вбн=1, глибина копання на першій стадії h1=0,09м, на другій h2=0,09м, співвідношення висоти задньої стінки з відвальною поверхнею Нст і радіуса кривизни поверхні задньої стінки Rст - Нст/Rст=1, кут установки задньої стінки на першій стадії D1=85…90°, на другій стадії D2=90…105°.

8. Порівняльний теоретичний аналіз скрепера, що працює згідно двостадійної технології і обладнаний НС з двома НВ і БК та скрепера з НС з одним НВ при традиційному способі заповнення показав, що при однаковій висоті заповнення ковша і незмінному тягачі запропоновані технічні і технологічні рішення дозволяють теоретично збільшити об'єм ґрунту в ковші на 26…30% при зниженні енергоємності процесу копання на 15…18%. Геометрична місткість ковша скрепера ДЗ-87-1 може бути підвищена з 4,5м3 до 5,8м3.

9. Польові випробування модернізованого експериментального зразка ДЗ-87-1 показали його роботоздатність і доцільність способу заповнення ковша скрепера в дві стадії та обладнання РО НС з двома НВ. Доцільно обладнання РО глибокою передньою заслінкою і задньою стінкою з відвальною поверхнею. В умовах проведення польових експериментальних досліджень (традиційна передня заслінка і задня стінка) продуктивність скрепера традиційного типу при дальності транспортування 400м складає 58,32м3/год. При копанні ґрунту згідно двостадійної технології в умовах обладнання РО НС з двома НВ технічна продуктивність склала 67,97м3/год, що вище в порівнянні з традиційним способом копання на 16,5%. Питома витрата пального склала при традиційному способі 0,54 л/м3, при двостадійному 0,49 л/м3, що нижче на 9,3%. Економічний ефект за термін використання модернізованої машини (5 міс.) по стану цін на 28.12.2000р. склав 9538,59 грн.

10. Згідно теоретичної оцінки ефективності запропонованих в комплексі технічних і технологічних рішень забезпечується підвищення продуктивності скрепера Птех на 17…25%. Показник матеріалоємності скрепера Gуд при цьому знижується на 10…14%, енергоємності процесу набору ґрунту Nуд на 15…18%. Очікуваний річний економічний ефект від експлуатації однієї машини з передньою заслінкою збільшеної місткості в умовах заповнення ковша скрепера в дві стадії при розробці зв'язних ґрунтів типу - суглинок в цінах на 28.12.2000р. - 59678,7 грн.

Основні положення дисертації опубліковані в роботах:

1. Карпушин С.А. К вопросу оптимизации рациональных технологических параметров процесса заполнения ковша скрепера в две стадии // Вісник академії ПДАБА. – 2000. - № 1. - С. 21-26.

2. Хмара Л.А., Карпушин С.А. Конструктивные резервы повышения эффективности скреперов // Интенсификация рабочих процессов строительных машин. – Днепропетровск: ПГАСиА. - 1998. - С. 51-58.

3. Хмара Л.А., Соколов И.А., Карпушин С.А. Исследование влияния конструкций ступенчатых ножевых систем на рабочий процесс скрепера // Приднiпровський науковий вiсник. – 1998. - №67(134). - С. 20-28.

4. Хмара Л.А., Голубченко А.И., Карпушин С.А., Кроль Р.Н. Математическая модель процесса копания грунта ковшом скрепера со ступенчатыми ножевыми системами // Вісник академії ПДАБА. – 1998. - №6. - С. 38-43.

5. Хмара Л.А., Соколов И.А., Карпушин С.А. Аналитическое определение сопротивления грунта копанию рабочим органом скрепера, оборудованным ножевой системой с выступающими ножами и боковыми косынками // Строительство. Материаловедение. Машиностроение. – Днепропетровск: ПГАСиА. – 1999. – №9. – С. 49-59.

6. Карпушин С.А., Кроль Р.Н. Определение производительности скреперов с учётом времени на операцию заглубления ковша // Вісник академії ПДАБА. – 1998. - № 7. - С. 20-22.

7. Хмара Л.А., Деревянчук М.И., Карпушин С.А. Исследование процесса копания грунта скрепером при двухстадийной технологии загрузки ковша // Интенсификация рабочих процессов строительных машин. - Днепропетровск: ПГАСиА. - 1998. - С. 44-51.

8. Хмара Л.А., Соколов И.А., Деревянчук М.И., Карпушин С.А. Особенности процесса заполнения ковша скрепера при двухстадийной технологии загрузки ковша // Приднiпровський науковий вiсник. – 1998. - №67 (134). - С. 34-39.

9. Хмара Л.А., Карпушин С.А. Математическое моделирование процесса заполнения грунтом ковша скрепера в две стадии // Интенсификация рабочих процессов строительных и дорожных машин. - Выпуск 10. - Днепропетровск: ПГАСиА. - 2000. - С. 43-53.

10. Хмара Л.А., Соколов И.А., Деревянчук М.И., Карпушин С.А. Определение области эффективного использования скрепера с двухстадийной технологией заполнения ковша // Сборник научных трудов ПГАСиА. - Выпуск 2. Часть 3. - Днепропетровск: ПГАСиА. – 1997. - С. 29-34.

11. Хмара Л.А., Карпушин С.А. Пути повышения эффективности рабочих процессов скреперов // Актуальнi проблеми водного господарства. – Том . - Рiвне: УДАВГ. - 1997. - С. 165-168.

12. Пат. 31977 А Україна, МКВ Е  3/64. Ножова система ковша скрепера. Пат. 31977 А Україна, МКВ Е  /64 / Л.А. Хмара, І.А. Соколов, С.О. Карпушин (Україна) - №98126337; Заявл. 01. 12. 98; Опубл. 15. 12. 2000.

13. Пат. 31976 А Україна, МКВ Е  3/64. Спосіб заповнення ґрунтом ковша скрепера. Пат. 31976 А Україна, МКВ Е  /64 / Л.А. Хмара, І.А. Соколов, М.І. Деревянчук, С.О. Карпушин (Україна) - №98126336; Заявл. 01. 12. 98; Опубл. 15. 12. 2000.

14. Пат. 21999А Україна, МКВ Е 02 F 3/40. Ківш скрепера. Пат. 21999А Україна, МКВ Е 02 F 3/40 / Л.А. Хмара, С.Л. Хачатурян, С.О. Карпушин (Україна) - №96041703; Заявл. 29. 04. 96; Опубл. 30. 04. 98.

15. Пат. 23420А Україна, МКВ Е 02 F 3/40. Ківш скрепера з шнекозавантажувальним пристроєм. Пат. 23420А Україна, МКВ Е 02 F 3/40 / Л.А. Хмара, С.Л. Хачатурян, С.О. Карпушин (Україна) - №96072724; Заявл. 09. 07. 96; Опубл. 02. 06. 98.

16. Пат. 23835А Україна, МКВ Е 02 F 3/64. Зчіпний пристрій скреперного агрегату. Пат. 23835А Україна, МКВ Е 02 F 3/64 / Л.А. Хмара, С.О. Карпушин, В.В. Мелашич (Україна) - №97062592; Заявл. 03. 06. 97; Опубл. 16. 06. 98.

17. Хмара Л.А., Хачатурян С.Л., Карпушин С.О., Дворніченко А.П. Про ефективність використання скреперів // Тези регіональної науково-практичної конференції "Проблеми розробки, виробництва, експлуатації та ремонту ПТМ, будівельних та дорожніх машин". – Кіровоград: КІСМ. – 1996. - С. 18-19.

18. Хмара Л.А., Соколов И.А., Карпушин С.А., Курочка В.И., Ярошевский Д.А. Исследование и разработка высокоэффективного рабочего оборудования землеройных машин и технологий для выполнения наземных работ при освоении подземного пространства городов // Труды II Междунар. конф. "Проблемы и перспективы освоения подземного пространства крупных городов". – Днепропетровск: ПГАСиА. - 1997. - С. 34-36.

19. Хмара Л.А., Карпушин С.А., Кроль Р.Н., Прусаков Д.В. Повышение эффективности рабочих процессов скреперов // Матеріали 1ої Міжнар. конф. "НАУКА І ОСВІТА-98". – Дніпропетровськ: Наука і освіта. – 1998. - Том 5. - C. 182.

20. Хмара Л.А., Ярошевский Д.А., Шураев С.А., Деревянчук М.И., Курочка В.И., Карпушин С.А., Гавриков А.В., Литвинов А.В., Кроль Р.Н., Прусаков Д.В. Дорожно-строительные и землеройные машины повышенной эффективности. // Труды международной научно-технической конференции "Проблемы строительного и дорожного комплексов". – Брянск: БГИТА. – 1998. – С. .

АНОТАЦІЇ

Карпушин С.О. Інтенсифікація розробки ґрунту скрепером шляхом удосконалення робочого органу і технології заповнення. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.05.04 - Машини для земляних та дорожніх робіт. – Придніпровська державна академія будівництва та архітектури, Дніпропетровськ, 2001.

Дисертаційна робота присвячена дослідженню процесу копання ґрунту скрепером при обладнанні робочого органу (РО) східчастою ножовою системою (НС) та глибокою передньою заслінкою в умовах заповнення ковша в дві стадії. Приведені результати теоретичних і експериментальних досліджень процесу заповнення ковша та розроблена методика визначення силових, енергетичних, техніко-економічних, раціональних конструктивних та технологічних параметрів РО і процесу.

Показано, що застосування запропонованих в комплексі конструктивних і технологічних рішень РО і процесу заповнення ковша згідно двостадійної технології, в порівнянні з скрепером традиційної конструкції веде до зменшення опору ґрунту копанню та до можливості підвищення місткості ковша на 26…30% при незмінному тягачеві.

Аналіз процесу заповнення ковша скрепера в дві стадії, обладнаного НС з двома ножами, котрі виступають, глибокою передньою заслінкою та задньою стінкою з відвальною поверхнею показує, що ефективність машини в порівнянні з скрепером традиційної конструкції зростає: продуктивність на 17…25%, показники матеріалоємності та енергоємності процесу набору ґрунту знижуються на 10…14%, 15…18% відповідно.

Ключові слова: скрепер, ківш, заслінка, опір, ножова система, ніж, що виступає, ґрунт, копання, двостадійна технологія, ефективність.

Карпушин С.А. Интенсификация разработки грунта скрепером путём усовершенствования рабочего органа и технологии заполнения. – Рукопись.

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук по специальности 05.05.04 - Машины для земляных и дорожных работ. – Приднепровская государственная академия строительства и архитектуры, Днепропетровск, 2001.

Диссертационная работа посвящена исследованию процесса копания грунта скрепером при оборудовании рабочего органа (РО) ступенчатой ножевой системой (НС) и глубокой передней заслонкой в условиях заполнения ковша в две стадии. В работе сформировано более 100 новых технических решений НС скреперов. В результате анализа выделена группа НС, ожидаемый эффект от взаимодействия с грунтом которых соответствует выдвинутой рабочей гипотезе. Приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований процесса заполнения ковша скрепера с выделенной группой НС. Экспериментально установлены закономерности между параметрами НС (количеством выступающих ножей их геометрическими параметрами, расположением) и силовыми, энергетическими, технико-экономическими параметрами процесса, а также величиной и характером расположения плотности грунта в ковше. На основании установленной физической сущности процесса заполнения ковша, оборудованного ступенчатой НС построены расчётные схемы и разработаны математические модели процесса.

Предложен и исследован способ заполнения ковша скрепера в две стадии. Разработана методика определения силовых, энергетических, технико-экономических, рациональных конструктивных и технологических параметров РО и процесса.

Показано, что использование предложенных в комплексе конструктивных и технологических решений РО и процесса заполнения ковша согласно двухстадийной технологии, в сравнении со скрепером традиционной конструкции ведёт к снижению сопротивления грунта копанию и к возможности повышения вместимости ковша на 26…30% при неизменном тягаче.

Анализ процесса заполнения ковша скрепера в две стадии, оборудованного НС с двумя выступающими ножами, глубокой передней заслонкой и задней стенкой с отвальной поверхностью показывает, что эффективность машины в сравнении со скрепером традиционной конструкции возрастает: продуктивность на 17…25%, показатели материалоёмкости и энергоёмкости процесса набора грунта снижаются на 10…14%, 15…18% соответственно.

Ключевые слова: скрепер, ковш, заслонка, сопротивление, ножевая система, грунт, плотность, копание, двухстадийная технология, эффективность.

KarpushinIntensification of the process of ground digging with the help of scraper by means of the working organ modification and filling – up technology – manuscript.

The dissertation for getting scientific degree of the candidate of the technical science in the speciality 05. . . – “Machines for Earth and Road Works”. – Prydneprovsk state academy of construction and architecture, Dnipropetrovsk, 2001.

The dissertation work is dedicated to the research of the digging ground process with the help of scraper by means of the fitting out of the working organ (WO) with the stage carving system (CS) and dup front lid in terms of ladle filling – up at two stages. In this work one can see the results of theoretical and experimental researches of ladle filling – up process and also worked out methods of the definition of power, energetic, technical – economical, rational constructive and technological parameters of WO and the process.

Yt's figured ant that the usage of the offered constructive and technological decisions of WO in complex and the process of ladle filling – up according to the two – stages technology in comparison with the scraper of the traditional construction diminishes the resistance of the ground digging and leads to the possibility of ladle volume extension to 26…30% at unchangeable puller (dragger).

The analysis of scraper ladle process of filling – up that is eguipped with CS with two knives that work in two stades shows that the scraper effectiveness in comparison with the scraper of the traditional construction is increased: the productivity to 17...25%, the pointers of the stuff consituency and energetical constituency of the process of ground gathering is diminished to 10...14%, 15...18% accordingly.

Key words: scraper, ladle, lid, resistance, carving systems, a projected knife, ground digging, two-stages technology, effectiveness.