Міністерство освіти і науки України

ПРИДНІПРОВСЬКА ДЕРЖАВНА АКАДЕМІЯ

БУДІВНИЦТВА ТА АРХІТЕКТУРИ

ГОРБАТЮК Євгеній Володимирович

УДК 624.132.3

Створення робочого органу землерийної машини з орієнтованими потоками виносу грунту

Спеціальність 05.05.04 – Машини для земляних та дорожніх робіт

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Дніпропетровськ – 2006

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Київському національному університеті будівництва і архітектури МОН України

Науковий керівник: | кандидат технічних наук, професор, лауреат Державної премії України в галузі науки і техніки Пелевін Леонід Євгенович, Київський національний університет будівництва і архітектури МОН України, завідувач кафедри будівельних машин

Офіційні опоненти:

- доктор технічних наук, професор, Нічке Вільгельм Вільгельмович, Харківський національний автомобільно-дорожній університет МОН України

- кандидат технічних наук, доцент Романовський Олександр Леонтійович, Національний університет водного господарства і природокористування МОН України, м. Рівне

Провідна установа:

Полтавський національний технічний університету ім. Юрія Кондратюка МОН України, м.Полтава, кафедра будівельних машин та обладнання

Захист відбудеться “22” червня 2006 р. о 13 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К08.085.03 в Придніпровській державній академії будівництва та архітектури Міністерства освіти і науки України за адресою: 49600, м.Дніпропетровськ, вул. Чернишевського, 24-А, ПДАБА.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці ПДАБА, 49600, м.Дніпропетровськ, вул. Чернишевського, 24-А.

Автореферат розісланий 19 травня 2006 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

доктор технічних наук, доцент Шаленний В.Т.

загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Існуючі робочі органи землерийних машин безперервної дії мають такий недолік при екскавації ґрунту за допомогою типових метальників: в них відбувається змішування частинок ґрунту з різним зарядом енергії, що приводить до непродуктивних витрат енергії на перемішування ґрунту. Отже, розробка машин з робочими органами, які дозволяють регулювати потоки ґрунту за рахунок віддалення частинок зруйнованого ґрунту з зони різання з подальшим їх пересуванням у ґрунтовиносні елементи, є досить актуальною.

Дана робота присвячена дослідженню закономірностей процесів розробки ґрунтового масиву та викидання розробленого ґрунту високошвидкісними робочими органами зі створенням орієнтованих потоків ґрунту.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота відповідає напрямку досліджень кафедри будівельних машин Київського національного університету будівництва і архітектури, а саме науково-дослідній роботі “Наукові принципи взаємодії динамічного навантаження і енергоємності руйнування природних робочих середовищ” (Номер держреєстрації 0199U002033).

Мета і задачі дослідження. Мета роботи полягає у створенні та впровадженні високошвидкісних та низькоенергоємних робочих органів землерийної машини з орієнтованими потоками ґрунту.

Задачі, які вирішуються в роботі: зниження опору різання та викидання ґрунту при руйнуванні ґрунту робочими органами з орієнтованими потоками виносу ґрунту; дослідження взаємодії робочого органу з орієнтованими потоками виносу ґрунту; розробка нових конструкцій ґрунтовиносних елементів, порівняння їх ефективності; створення математичної моделі розробки ґрунту робочими органами з орієнтованими потоками виносу ґрунту, мінімізація енергетичних витрат при найбільшій дальності викидання ґрунту; встановлення раціональних областей застосування робочих органів з ґрунтовиносними елементами; порівняння різних видів ґрунтовиносних елементів; перевірка результатів, одержаних аналітичним шляхом та експериментальними дослідженнями.

Об’єкт дослідження – процес формування потоку ґрунту при його розробці та транспортуванні з забою.

Предмет дослідження – робочі органи землерийних машин безперервної дії з орієнтованими потоками виносу ґрунту.

Метод дослідження – аналітично-експериментальний. Спочатку аналітичними засобами була з’ясована фізична суттєвість процесу руйнування ґрунту. Після цього проводився опис отриманих закономірностей, що дозволили застосувати результати досліджень при вирішенні практичних задач. Потім отримані закономірності обґрунтовувалися дослідним шляхом.

Наукова новизна одержаних результатів роботи полягає у визначенні закономірності формування потоку ґрунту при застосуванні високошвидкісних робочих органів, які полягають у тому, що частинки зруйнованого ґрунту мають різні заряди енергії і регулювання потоку ґрунту здійснюється за рахунок віддалення частинок зруйнованого ґрунту з зони різання з подальшим їх пересуванням у пазухи ґрунтовиносних елементів без додаткових енергетичних витрат на його розпушення та змішування при транспортуванні. Запропоновані принципово нові конструкції робочих органів, що основані на динамічному руйнуванні робочого середовища зі створенням орієнтованих потоків ґрунту.

Практичне значення одержаних результатів. Землерийні машини, що обладнані запропонованими робочими органами, дозволяють знизити енергоємність процесу розробки ґрунту порівняно з роботою традиційних робочих органів.

Розроблено методику інженерного розрахунку для нових конструкцій робочих органів землерийних машин динамічної дії.

Особистий внесок здобувача визначається одержаним ним науковим результатом, що виноситься на захист:

-

-

-

-

-

-

Апробація результатів дисертації. Про матеріали дисертації автор доповідав на 57-66 наукових конференціях КНУБА (Київ, 1996-2005 рр.), науковому семінарі кафедри “Будівельних і дорожніх машин” Придніпровської державної академії будівництва та архітектури (Дніпропетровськ, 2001, 2004, 2005р.), на науковому семінарі кафедри “Будівельних, дорожніх, меліоративних машин і обладнання” Українського державного університету водного господарства і природокористування (Рівне, 2002р.), на засіданні кафедри “Підйомно-транспортних, будівельних, дорожніх машин та обладнання” Харківського національного автомобільно-дорожнього університету (Харків, 2006р.). Робота в цілому доповідалася та схвалена на засіданні кафедри “Будівельних машин” КНУБА.

Публікації. Основний зміст досліджень викладено у 13 друкованих працях.

За результатами виконаних досліджень одержано 5 деклараційних патентів України на винахід.

Дисертація складається із вступу, 4 розділів, висновку, списку використаних джерел з 101 найменування, 3 додатків; містить 66 малюнків та 2 таблиці. Загальний обсяг дисертації складає 180 сторінок машинописного тексту, обсяг основного тексту 171 сторінка, додатків 9 сторінок.

ОСНОВНИЙ Зміст

У вступі обґрунтовано актуальність питання, сформульовані мета роботи, наукова новизна та практична цінність. Наведена загальна характеристика роботи, сформульовані основні положення та результати, що виносяться на захист.

У першому розділі виконаний огляд та аналіз існуючих методик розрахунку навантаження на землерийні машини безперервної дії, а також проведений аналіз їх конструктивного виконання як по принципу розробки ґрунту, так і по засобу його транспортування.

Дослідженню процесів та закономірностей розробки ґрунтового масиву машинами як безперервної, так і циклічної дії присвячені роботи В.Д.Абезгауза, Ю.А.Вєтрова, В.Л.Баладінського, А.М.Зеленіна, В.П.Горячкіна, М.Г.Домбровського, В.В.Нічке, Д.І.Федорова, В.К.Руднєва, В.І.Баловнєва, А.М.Холодова, Л.Є Пелевіна, І.А.Недорезова, Л.А.Хмари, В.Ю.Дончука, О.М.Гаркавенка та інших вчених.

Розробці теоретичних основ роботи роторних метальників присвячені роботи Б.І.Караваєва, Д.А.Шалмана, С.С.Рабіновича, А.А.Кавалерова, С.Є.Кудри, Л.Г.Шахмейстера, В.І.Баловнєва, М.С.Гласко, Н.А.Ісрафілова, Р.Р.Бархалова, В.С.Смірнова, Л.П.Лінгайтіса, А.Б.Жаброва, М.І.Дерев’янчука.

На основі огляду та аналізу досліджень, присвячених розробці ґрунтів робочими органами безперервної дії дискового типу, які одночасно розроблюють та виносять ґрунт з забою, можна зробити наступні висновки: недоліком існуючих робочих органів є те, що у цих робочих органах відбувається змішування частинок ґрунту з різним зарядом енергії, що приводить до погіршення просування ґрунту при транспортуванні, отже, до непродуктивних витрат енергії на перемішування ґрунту.

При роботі машин безперервної дії екскавація розробленого ґрунту здебільшого здійснюється метальниками різноманітного типу.

Недоліком метальників із зовнішньою подачею матеріалу є те, що у них відбувається заклинювання крупних фракцій матеріалу між лопаткою та кожухом.

Недоліком конструкції роторних метальників з нерухомим кожухом є порівняно висока енергоємність із-за наявності тертя ґрунту по кожуху та веєроподібність струменя, що не дозволяє отримати велику дальність польоту ґрунту.

Недоліком метальника з кожухом, який обертається, є низький ККД приводу, внаслідок складного механізму приводу, та висока метаємність конструкції.

Значний інтерес являють собою безлопатеві метальники, в яких розгін ґрунту відбувається за рахунок дії сил тертя по внутрішній поверхні ротора, що обертається, а його розвантаження – шляхом зміни напрямку руху потоку ґрунту. Загальним недоліком цих метальників є те, що вони мають низьку транспортувальну спроможність та можливість залипання ґрунту, яке приводить до значного збільшення енергоємності.

Траншеєкопачі можуть працювати на щільному ґрунті, але без великої кількості каменистих включень, що знижує технологічні можливості обладнання. Наявність ґрунторозроблювального та транспортувального елементів значно ускладнюють кінематичну схему робочого органу траншеєкопача, що знижує ККД машини. Недоліком даних механізмів є їх велика складність та металоємність при доволі невисокому коефіцієнту корисної дії.

Співробітниками Київського національного університету будівництва і архітектури були запропоновані конструкції робочих органів землерийної машини поперечного копання. Велика кількість з них складаються з рами, на якій закріплений ріжучий орган, що має кільцевий корпус. Недоліком даних технічних рішень є низький ККД приводу, внаслідок наявності двох виконавчих механізмів, а саме ріжучого та транспортувального елементів.

Таким чином, виникає необхідність розроблений ґрунт поділяти на декілька потоків одним механізмом, що знизить енергетичні витрати на непродуктивне змішування ґрунту. При транспортуванні ґрунт необхідно поділяти на два потоки. Для цього необхідно щоб ґрунт, який має малу кінетичну енергію (отже і малу швидкість) і не встигає пройти весь шлях від центру робочого органу до периферії, виходив з зони різання і потрапляв на ґрунтовиносні елементи, де одержував би додатковий заряд енергії (тому, що він продовжував би здійснювати обертальний рух з робочим органом) і рухався до периферійної частини робочого органу та транспортувався із вибою не змішуючись при цьому з потоком ґрунту, що руйнується. Необхідно також зменшити шлях транспортування ґрунту, щоб знизити енергетичні витрати на тертя при транспортуванні ґрунту.

Виходячи з викладеного вище, основною метою даної роботи є створення та впровадження високошвидкісних та низькоенергоємних робочих органів землерийної машини з орієнтованими потоками ґрунту.

На кафедрі будівельних машин розроблені робочі органи, які мають встановлену на привідному валу маточину, зв’язану з діаметрально розбіжними транспортувальними елементами 1, які обладнані різальними елементами 2, приєднаними до ободу 3. Транспортувальні елементи 1 виконані у вигляді трапеції, яка більшою основою прикріплена до маточини, меншою жорстко зв’язана з ободом 3. Більша бокова сторона обладнана різальними елементами 2, до менших бокових сторін прикріплені по своїм твірним ґрунтовиносні елементи 4, виконані у вигляді частини еліптичного конусу (рис. 1).

Через те, що робочий орган виконано спільно з ґрунтовиносними елементами, при транспортуванні не відбувається зміни напрямку вектора переносної швидкості частинок ґрунту, що також приводить до зниження енергетичних витрат на транспортування ґрунту.

У даному технічному рішенні створюються орієнтовані потоки ґрунту, тим самим знижуються енергетичні витрати на непродуктивне змішування ґрунту, розробленого робочим органом, при його транспортуванні.

У другому розділі наведено аналітичний опис взаємодії робочого органу землерийної машини з ґрунтом та обґрунтування раціональної конфігурації ґрунтовиносних елементів. Крім того, описані залежності силових параметрів робочих органів землерийної машини від радіусу робочого органу та кута нахилу твірних конусу.

Для визначення раціональної конфігурації робочого органу і особливо ґрунтовиносних елементів проведений кінематичний аналіз взаємодії робочого органу з ґрунтом.

Розроблено математичний апарат для визначення кінематичних параметрів руху частинки ґрунту по ґрунтовиносним елементам різної конфігурації. Найбільш ефективними ґрунтовиносними елементами, на наш погляд, є ґрунтовиносні елементи, які виконані у вигляді частини конусу, оскільки така форма буде сприяти як найменшому залипанню ґрунту. Найкраще при цьому, щоб ґрунтовиносні елементи були виконані у вигляді частини еліптичного конусу. Головною перевагою таких ґрунтовиносних елементів буде зменшений шлях транспортування ґрунту, оскільки довжина дуги половини еліпсу коротше за довжину дуги половини кола, що значно знизить енергетичні витрати на тертя при транспортуванні ґрунту.

Визначимо траєкторію руху частинки ґрунту по ґрунтовиносним елементам, яка відірвалася від основного масиву. Рух частинки буде складним. Він буде складатися з руху частинки від центра робочого органу під дією відцентрових сил та обертового й поступового руху з робочим органом.

Швидкість взаємодії ґрунтовиносних елементів з ґрунтом можна визначити з виразу:

, (1)

де Vm – швидкість подачі робочого органу на забій; Vx – швидкість руху частинки ґрунту вздовж осі х; Ri – відстань до осі z і-ї частинки ґрунту, щ – кутова швидкість робочого органу (рис. 1).

Рис. 1. Розрахункова схема для визначення кінематичних параметрів руху частинки ґрунту по ґрунтовиносним елементам робочого органу |

Рис. 2. Складові сил, що діють на елементарну частинку ґрунту

Товщину стружки ґрунту, що зрізається одним ріжучим елементом, приймаємо рівною глибині різання зуба, що закріплений на робочому органі, тобто, відстані у площині подачі між попередньою траєкторією ґрунторуйнівного елементу та поточною, встановленою по нормалі до останньої. Для кожного ґрунторуйнівного елементу глибина різання є змінною величиною, що змінюється від деякого значення до максимального. Вона залежить від швидкості переміщення базової машини, колової швидкості елементу, числа ріжучих елементів, що працюють “слід у слід”, кута контакту з ґрунтом та може бути визначена як

, (2)

де ц – кут між сусідніми ґрунторуйнівними елементами.

Під ґрунторуйнівними елементами, які працюють за схемою “слід у слід”, мається на увазі таке їх розміщення, при якому вони встановлюються на робочому органі кільцевими рядами.

Розглянуті залежності дозволяють визначити об’єм стружки, що зрізається за один оберт робочого органу, тобто, ми можемо розрахувати пропускну спроможність метальника робочого органу. При заданих технологічних параметрах (розміри забою та інше) можливо розрахувати не тільки кінематичні (швидкості взаємодії ґрунтовиносних та ґрунторуйнівних елементів з ґрунтом, відстані від осі робочого органу до частинки ґрунту), а і геометричні показники (кут нахилу твірної конусу), необхідні для проектування робочих органів з орієнтованими потоками виносу ґрунту.

Для робочого органу з декількома ріжучими елементами, що руйнують ґрунт за схемою “слід у слід”, вимагається врахування сил опору, що виникають внаслідок тертя бокових граней n-го числа зуб’їв, додаткового дробіння штибу та збільшення кількості ґрунторуйнівних елементів.

Сила опору ґрунту руйнуванню Pi складається з сили опору руйнуванню перед лобовою гранню і сили опору відділенню ґрунту ребрами ріжучого елемента, де під ребрами розуміється сума довжин бокових ребер ріжучого елемента та ріжучої кромки. При різанні декількома ріжучими елементами на ту ж глибину, що й одним, сили опору ґрунту руйнуванню перед лобовою гранню інтегрально підсумовуються, а додаткова складова Pдод (на рис.2 не показано) зростає внаслідок того, що збільшується сумарна довжина ребер із-за появи додаткових ріжучих кромок. Але завдяки розробленої конструкції робочого органу додаткова складова зменшується, оскільки частинки зруйнованого ґрунту не залишаються у зоні руйнування перед робочим органом, тобто, відсутні додаткові витрати енергії на тертя ґрунту по диску робочого органу та частинок ґрунту між собою. Додаткова складова залежить від глибини різання ґрунту, ширини ґрунторуйнівних елементів та кількості радіальних рядів ґрунторуйнівних елементів і зменшується на величину .

Додаткова складова сумарної сили опору ґрунту руйнуванню апроксимується виразом:

(3)

де KB – показник питомого динамічного опору середовища руйнуванню для багаторізцевого робочого органу; В – ширина ґрунторуйнівного елементу; h – глибина різання, що опрацьовується за один оберт диску n-ною кількістю ріжучих елементів; – кількість радіальних рядів ґрунторуйнівних елементів; KV – питомий показник для робочого органу з орієнтованими потоками виносу ґрунту, який залежить від геометричних параметрів ґрунтовиносних елементів.

Дотична сила опору ґрунту руйнуванню і-го ряду ріжучих елементів, які працюють за схемою “слід у слід” визначається з виразу

(4)

де – швидкість поширення деформації у ґрунті; – питомий динамічний опір різання ґрунту; – коефіцієнт загострення ґрунторуйнівного елементу; – товщина стружки, що зрізається одним ґрунторуйнівним елементом; б – кут нахилу твірної конуса ґрунтовиносних елементів; V – швидкість взаємодії ґрунтовиносних елементів з ґрунтом; – товщина стружки, що зрізається ґрунторуйнівними елементами; – коефіцієнт тертя ґрунту по матеріалу ґрунторуйнівного елемента.

Для дослідження конфігурації ґрунтовиносних елементів, як допущення, прийнято, що на робочому органі встановлено нескінченно велике число однакових ґрунтовиносних елементів і товщина цих ґрунтовиносних елементів дорівнює нулю.

Як ми визначили раніше, ґрунтовиносні елементи повинні бути виконані у вигляді частини еліптичного конусу. При цьому твірні, що утворюють цей конус, можуть бути прямими або мати угнутість чи в бік площини робочого органу чи в іншій бік.

В ході проведеного аналізу ми прийшли до висновку, що краще за все, щоб ґрунтовиносні елементи були виконані у вигляді конусу з прямими твірними. Робочі органи з такими ґрунтовиносними елементами мають доволі низьку енергоємність, а ґрунтовиносні елементи, виконані у такій формі, прості конструктивно, що теж дуже суттєво.

Потужність, яку необхідно витратити на руйнування та транспортування ґрунту з забою можна визначити за формулою:

, (5)

де Nр – потужність, яка витрачається на різання ґрунту; Nв – потужність, яка витрачається на придання частинкам ґрунту швидкості виносу; Nтр – потужність, яка витрачається на подолання сил тертя; Nп – потужність, яка витрачається на підйом ґрунту до моменту виносу.

Загальна потужність дорівнює:

(6)

де k – коефіцієнт тертя ґрунту по сталевим ґрунтовиносним елементам; г – щільність ґрунту.

Запропоноване нами визначення потужності, яку необхідно витратити на викидання об’єму ґрунту, є досить простим і, разом з цим, як доводять експериментальні дослідження, доволі точним – похибки між розрахунковими та експериментальними даними не перевищують 15-20% (рис. 3).

Рис. 3. Залежність потужності на руйнування та викидання ґрунту N від частоти обертання робочого органу щ при порівнянні потужності, отриманої:

а – експериментально (грунт – середній суглинок), б – теоретично

Для порівняння ефективності використання розробленого робочого органу, який побудований на принципах динамічного руйнування ґрунту, використаємо питому продуктивність (продуктивність на 1 кВт встановленої потужності):

(7)

Виведені залежності дозволяють знайти питому продуктивність робочого органу з орієнтованими потоками виносу ґрунту для ефективного порівняння з іншими робочими органами землерийних машин динамічної дії. Дані рівняння надалі будуть застосовуватися при інженерних розрахунках землерийної машини.

У третьому розділі наведені результати експериментальних досліджень взаємодії робочого органу з ґрунтом та закономірності зміни енергоємності процесу розробки ґрунту. Також наведено обґрунтування раціональної частоти обертання робочого органу за умови повного викидання ґрунту.

Для проведення експериментальних досліджень силових параметрів робочих органів нами розроблений і виготовлений спеціальний стенд. Стенд (рис.4) складається з рами 1, із спрямовуючими швелерами 2, вздовж яких переміщується тензометричний візок 3. Робоче пересування тензометричного візка здійснюється двигуном постійного струму 4 (тип П-II, N=4кВт, n=4200об/хв), через клинопасову 5 та гвинтову 6 передачі. Тензометричний візок виконаний у вигляді контурної рами, жорстко закріпленої на осях катків 7. З осями катків шарнірно з’єднана навіска 8, зв’язана через важіль 9 з вимірювальним вузлом 10. Вузол призначений для визначення опору робочому пересуванню робочого органу і уявляє собою тензометричну балку з датчиками, що з’єднані за перехресною схемою. Відмінністю з’єднання датчиків за цією схемою є те, що різнойменні датчики, розташовані з двох боків балки, з’єднані перехресно та підключені у плечі тензометричного напівмосту. На навісці 8 закріплена натурна модель робочого органу 12. Обертання робочого органу здійснюється завдяки двигуну 11 (тип ГСМ-3000, N=3кВт, n=0…1800об/хв) через ланцюгову передачу 13. Передаточне відношення ланцюгової передачі 13 може змінюватися підбором зірочок. Ланцюгова передача 13 має наступні передаточні відношення: u1=1,33; u2=1,47; u3=1,67; u4=2,26.

Рис. 4. Схема лабораторної установки для експериментального дослідження робочих органів

Частота обертів електродвигунів може регулюватися як плавно, так і ступінчасто, у межах від 100 об/хв до максимального значення. Хід тензометричного візка обмежується положенням кінцевих вимикачів 14. Зусилля подачі реєструвалося осцилографом 15 шляхом запису відхилень променя шлейфу, що формуються під дією деформацій тензобалочки та наклеєних на неї тензодатчиків.

Потужність, яка споживається електродвигуном 11 приводу робочого органу, записувалася синхронно самопишучим кіловатметром 16 та осцилографом 15. Для підсилення сигналів від датчиків у ланцюг підключався підсилювач 17 з блоком потенціометрів 18.

Дослідження проводилися на природних та штучних ґрунтах. Останні характеризуються достатньо постійними властивостями, бо вивчення окремих закономірностей і, особливо, фізичних явищ, що супроводжують процес, вимагало багатократного повторення дослідів за умови сталості властивостей взірців. Ґрунтовий матеріал 19 готували по методиці професора В.І.Баловнєва змішуванням помолотої спондилової глини (30%) та піску (58%) з наступним добавленням води (12%). Отримана ґрунтова суміш достатньо коректно моделювала найбільш представницький ґрунт – “середній суглинок” (щільність розпушеного ґрунту 1480 – 1540 кг/м3, кут внутрішнього тертя ґрунту по ґрунту 36 - 380).

При проведенні експериментальних випробувань модель розробленого робочого органу з орієнтованими потоками виносу ґрунту порівнювали із моделями дискових робочих органами з транспортувальними елементами виконаними у бік, зворотній обертанню диска, з радіальними транспортувальними елементами та з моделлю робочого органу для горизонтальної розробки ґрунту. Максимальна дальність викидання ґрунту з забою у моделі розробленого робочого органу була більше на 15–30% ніж у дискових робочих органів (рис. 5). Розроблена модель робочого органу з орієнтованими потоками виносу ґрунту при частоті обертання щ=20 с-1 забезпечує енергоємність розробки ґрунту Е=650 Вт·год/м3, що менше ніж енергоємність розробки ґрунту робочим органом для горизонтальної розробки ґрунту на 10 Вт·год/м3 (рис. 6).

Рис. 5. Залежності дальності викидання ґрунту Х від частоти обертання робочого органу щ для:

а – розробленої моделі робочого органу з ґрунтовиносними елементами, які виконані у вигляді частини еліптичного конусу; б – дискового робочого органу з транспортувальними елементами виконаними у бік, зворотній обертанню диска; в – дискового робочого органу з радіальними транспортувальними елементами | Рис. . Порівняння залежності енергоємності розробки ґрунту Е від частоти обертання робочого органу щ для:

а – розробленої моделі робочого органу з ґрунтовиносними елементами, які виконані у вигляді частини еліптичного конусу; б – робочого органу для горизонтальної розробки ґрунту

Для знаходження інтерпольованої функції f(x) проведено інтерполяцію функції дальності викидання ґрунту для нашого робочого органу за допомогою многочлену Лагранжа. Під змінною x в нашій функції розуміємо частоту обертання робочого органу щ, а під функцією f – дальність викидання X. Залишаючи значущі точки та спрощуючи функцію f(x), ми відкидаємо малозначущі члени які фактично не впливають на чисельне значення многочлена, та одержуємо:

(8)

Для знаходження оптимальної конфігурації ґрунтовиносних елементів модель розробленого робочого органу з ґрунтовиносними елементами, які виконані у вигляді частини еліптичного конусу, порівнювали з моделлю робочого органу з транспортувальними елементами, які виконані у вигляді частини піраміди. Енергоємність розробки ґрунту робочим органом з ґрунтовиносними елементами, які виконані у вигляді частини еліптичного конусу була менше на 10-20 Вт·год/м3 (рис. 7).

Експериментальні випробування робочого органу підтвердили, що при розробці ґрунту відбувається одночасне його різання та метання. Одночасно утворюються два потоки ґрунту. Перший потік – це ґрунт, який тільки-но відокремився від основного масиву і рухається під впливом ріжучого елементу. Потім частки зруйнованого ґрунту втрачають кінетичну енергію і потрапляють на ґрунтовиносні елементи утворюючи другий потік ґрунту.

В результаті проведених експериментальних досліджень можна зробити висновок, що розроблена конфігурація ґрунтовиносних елементів забезпечує вільне пересування розробленого ґрунту до периферії робочого органу, більшу дальність його виносу.

Рис. 7. Порівняння залежності енергоємності розробки ґрунту Е від частоти обертання робочого органу щ для:

а – для розробленої моделі робочого органу з ґрунтовиносними елементами, які виконані у вигляді частини еліптичного конусу; б – для розробленої моделі робочого органу з ґрунтовиносними елементами, які виконані у вигляді частини піраміди |

Рис. 8. Залежність дальності викидання ґрунту Х від кута нахилу твірної конуса б при частоті обертання:

а – щ=20 с-1; б – щ=30 с-1

Доведено, що ґрунтовиносні елементи виконані у вигляді частини еліптичного конуса кращі за ті, що виконані у вигляді частини піраміди. Це відбувається тому, що при гострих кутах, які є у ґрунтовиносних елементах, виконаних у вигляді частини піраміди, відбувається залипання ґрунту у кутах.

Експериментально визначено оптимальний кут нахилу твірної конуса б для робочих органів з орієнтованими потоками виносу ґрунту. Він повинен лежати у межах 400…500 (рис. 8).

Проведено порівняння потужності, що отримана експериментально та потужності, отриманої теоретично. Теоретично отримана потужність менше за експериментально отриману на 15–20%. Це пояснюється тим, що при розрахунку потужності за виведеними формулами не враховуються деякі фактори, такі як: втрати потужності на нагрів обмотки двигуна, втрати на подолання сил тертя у підшипниках, втрати потужності у ланцюговій передачі і таке інше. Ці фактори не дуже суттєво вплинуть на остаточний результат, а введення їх у формули набагато їх ускладнить.

Звідси можна зробити висновок, що запропоновані формули для визначення потужності на розробку ґрунту новим робочим органом можна використовувати для інженерної методики розрахунку.

Використовуючи теорію подібності, можна за вивченими характеристиками одного робочого органу (моделі) визначити характеристики іншого – робочого органу-натури. Все це не тільки спрощує проектування нових робочих органів, а й робить випробування нових моделей значно дешевшими ніж проведення натурних випробувань робочих органів (рис. 9).

Також виведено залежність для визначення раціональної частоти обертання робочого органу в залежності від його геометричних параметрів та властивостей ґрунту при максимальній дальності викидання ґрунту (рис. 10).

Рис. 9. Залежності продуктивності П1 від діаметра D1 робочого органу-натури при інших сталих параметрах, а саме продуктивності 4,5 м3/год, кількості обертів органа-натури n1=360хв-1, діаметра 0,4 м моделі робочого органу, кількості обертів n2 моделі робочого органу:

а - n2=200хв-1, б - n2=300хв-1, в - n2=400хв-1, г - n2=500хв-1. |

Рис. 10. Графік залежності частоти обертання робочого органу щ від радіусу робочого органу Ri при дальності викидання ґрунту Х0=2м, 5м, 10м, 15м

У четвертому розділі виконаний аналіз навісок робочих органів з орієнтованими потоками виносу ґрунту, приведені технічні рішення по конструктивному виконанню робочих органів з широким спектром технологічних можливостей, а також наведена методика розрахунку землерийно-транспортуючих машин з робочим органом з орієнтованими потоками виносу ґрунту.

Проведені натурні випробування дослідно-промислових моделей робочих органів з орієнтованими потоками руйнування та виносу ґрунту підтвердили правильність вибору конструктивних схем. Запропонована нами конструкція робочого органу з ґрунтовиносними елементами, виконаними у вигляді частини еліптичного конусу, дозволяє знизити енергоємність процесу розробки ґрунту за рахунок створення орієнтованих потоків ґрунту. Питома продуктивність при частоті обертання робочого органу щ=30 с-1, затраченої потужності на розробку ґрунту N=0,6 кВт, дорівнює ППИТ=13 м3/(год·кВт), що на 20 % вище ніж для дискових робочих органів.

Реалізація розробленого та запропонованого нового типу робочого органу можлива у вигляді ручного механізованого інструменту (рис. 11) та у вигляді навісного обладнання на землерийну машину безперервної дії (рис.12).

Рис. 11. Ручний механізований інструмент | Рис. 12. Навісне обладнання землерийної машини

Ручний механізований інструмент (рис. 11) складається з рами 1 з встановленими на ній електродвигуном 7, редуктором 3 та робочим органом 5. Привід робочого органу здійснюється від електродвигуна 7 потужністю 3 кВт та частотою обертання вала n=1500 хв-1 через ланцюгову передачу 2 та конічний редуктор 3. Ручний механізований інструмент має також два опорних колеса 4. Переміщення робочого органу здійснюється оператором. На робочому органі 5 розташовані ґрунторуйнівні елементи та ґрунтовиносні елементи, виконані у вигляді частини еліптичного конусу. До рами 1 кріпиться відбивач ґрунту 6.

Запропонована конструкція навісного робочого обладнання (рис.12) розроблена для робочих органів з орієнтованими потоками виносу ґрунту і має встановлені на рамі 1 вертикальні стояки 2, до яких прикріплені вертикальні гідроциліндри 3 і горизонтальні балки 4 з шарніром 6, до якого кріпиться рукоять 7 з приводом робочих органів 9 та робочими органами 10. Механізм керування вертикальним переміщенням робочих органів виконано у вигляді гідроциліндрів 3. Керування положенням робочих органів в плані здійснюють гідроциліндри 5, які кріпляться на балках 4. Для зміни кута нахилу робочих органів 10 в забої застосовуються гідроциліндри 8, що закріплені на рукоятках 7.

Ручний механізований інструмент доцільно використовувати при виконанні невеликих об’ємів робіт в обмежених умовах. Навісне обладнання на базі екскаватора доцільно використовувати при виконанні великих обсягів робіт, де не вимагається частого переводу машини з одного об’єкту на інший.

Застосування навісного обладнання, яке складається з двох привідних робочих органів, дозволить розширити технологічні можливості робочого органу за рахунок того, що такі робочі органи дозволять розробляти більш глибокі (або широкі) траншеї та котловани.

В результаті отриманої методики розрахунку для робочих органів безперервної дії з орієнтованими потоками виносу ґрунту можна визначити необхідні потужності двигуна базової машини, конструктивні розміри робочого органу, необхідні для його проектування, залежність продуктивності від частоти обертання робочого органу при даному об’ємі ґрунту, що знаходиться на ґрунтовиносних елементах.

ВИСНОВКИ

1. Розроблено новий підхід до аналізу процесу розробки ґрунту робочими органами безперервної дії, який заключається у можливості орієнтування потоків ґрунту. Робочий орган, який формує орієнтовані потоки ґрунту, складається з діаметрально розбіжних транспортувальних елементів, приєднаних до ободу, які обладнані різальними елементами, та ґрунтовиносних елементів, що розташовані за ними.

2. Визначено закономірності формування потоку ґрунту при застосуванні високошвидкісних робочих органів, які полягають у тому, що частинки зруйнованого ґрунту мають різні заряди енергії, і регулювання потоку ґрунту здійснюється за рахунок віддалення частинок зруйнованого ґрунту з зони різання з подальшим їх пересуванням у пазухи ґрунтовиносних елементів.

3. Для обґрунтування нового принципу розроблено математичний апарат, що дозволяє визначити траєкторію та швидкість руху ґрунту по ґрунтовиносним елементам; визначити конфігурацію ґрунтовиносних елементів; знайти залежність частоти обертання робочого органу від радіусу робочого органу при сталій дальності викидання ґрунту; визначити товщину стружки, що зрізається робочим органом; знайти сили різання ґрунту розробленим робочим органом та сили, що діють на частинку ґрунту, яка рухається по ґрунтовиносним елементам; потужність, необхідну на руйнування та винос ґрунту з траншеї; визначити питому продуктивність робочого органу безперервної дії з орієнтованими потоками виносу ґрунту.

4. В результаті порівняння кінематичних параметрів руху частинки ґрунту по ґрунтовиносним елементам різної конфігурації, які створюють орієнтовані потоки ґрунту, визначено, що ґрунтовиносні елементи, виконані у вигляді частини еліптичного конусу, дозволяють одержати максимальну щільність ґрунтового потоку.

5. Проведені порівняння робочих органів землерийних машин безперервної дії з ґрунтовиносними елементами, які приєднано позаду робочого органу, з іншими робочими органами землерийних машин безперервної дії дали можливість визначити мінімальну область енергоємності розробки ґрунтового масиву (частота обертання щ=60…200 с-1, дальність викидання ґрунту X=5…20 м), де цей робочий орган доцільно застосовувати.

6. ґрунтовиносні елементи повинні бути виконані у вигляді конусу з прямими твірними, що зменшує шлях транспортування ґрунту по ґрунтовиносним елементам. Робочі органи з такими ґрунтовиносними елементами мають енергоємність розробки ґрунту на 10-15% менше порівняно з робочими органами з ґрунтовиносними елементами, що виконані у вигляді частини піраміди. Експериментально визначено оптимальний кут нахилу твірної конуса. Він повинен лежати у межах 400…500. В результаті проведених досліджень доведено, що розроблені робочі органи забезпечують вільне пересування розробленого ґрунту до периферії робочого органу, більшу дальність його виносу.

7. Проведені натурні випробування дослідно-промислових моделей робочих органів з орієнтованими потоками руйнування та виносу ґрунту підтвердили правильність вибору конструктивних схем. Питома продуктивність при частоті обертання робочого органу щ=30 с-1, затраченої потужності на розробку ґрунту N=0,6 кВт, дорівнює ППИТ=13 м3/(кВт·год), що на 20 % вище ніж для дискових робочих органів.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

Статті у наукових фахових виданнях

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

10.

11.

12.

Деклараційні патенти

13.

14.

15.

16.

17.

Статті у наукових виданнях

18.

АнотаціЇ

Горбатюк Є В. Створення робочого органу землерийної машини з орієнтованими потоками виносу ґрунту. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.05.04 – машини для земляних та дорожніх робіт, Київській національний університет будівництва і архітектури, Київ, 2006.

Існуючі робочі органи землерийних машин безперервної дії мають такий недолік при екскавації ґрунту за допомогою типових метальників: в них відбувається змішування частинок ґрунту з різним зарядом енергії, що приводить до непродуктивних витрат енергії на перемішування ґрунту. Отже, розробка машин з робочими органами, які дозволяють регулювати потоки ґрунту за рахунок віддалення частинок зруйнованого ґрунту з зони різання з подальшим їх пересуванням у грунтовиносні елементи, є досить актуальною.

Дана робота присвячена дослідженню закономірностей процесів розробки ґрунтового масиву та викидання розробленого ґрунту високошвидкісними робочими