МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

ХАРКІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ АВТОМОБІЛЬНО - ДОРОЖНІЙ

УНІВЕРСИТЕТ

Тулузов Олег Георгійович

УДК 621.869

ПІДВИЩЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТІ ЗЕМЛЕРИЙНО

ТРАНСПОРТНИХ МАШИН ЦИКЛІЧНОЇ ДІЇ

(НА ПРИКЛАДІ БУЛЬДОЗЕРІВ)

Спеціальність 05.05.04 – Машини для земляних та дорожніх робіт

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Харків - 2006

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Харківському національному автомобільно – дорожньому університеті Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник:

доктор технічних наук, професор Нічке Вільгельм Вільгельмович, Харківський національний автомобільно – дорожній університет, професор кафедри підйомно – транспортних, будівельних, дорожніх машин і обладнання

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор, заслужений винахідник України Хмара Леонід Андрійович, Придніпровська державна академія будівництва і архітектури, завідувач кафедри будівельних і дорожніх машин, м. Дніпропетровськ;

кандидат технічних наук, доцент Лізунков Олександр Вікторович, Кіровоградський національний технічний університет, доцент кафедри будівельних, дорожніх машин і будівництва.

Провідна установа:

Харківський державний технічний університет будівництва і архітектури, кафедра механізації будівельних процесів, Міністерство освіти і науки України

Захист відбудеться "13" вересня 2006р. о 1200 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64. 059. 02 при Харківському національному автомобільно – дорожньому університеті за адресою: 61002, м. Харків, вул. Петровського, 25

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Харківського національного автомобільно – дорожнього університету за адресою: 61002, м. Харків, вул. Петровського, 25.

Автореферат розісланий 23 червня 2006р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради ___________________________ І.С. Наглюк

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Основними напрямками економічного розвитку України передбачається істотне прискорення науково-технічного прогресу, підвищення технічного рівня виробництва за рахунок оснащення високопродуктивними, надійними машинами і обладнанням. Як показує досвід багатьох країн, першочерговою задачею поліпшення стану економіки країни є розширення будівництва автомобільних доріг. Таким чином підіймали економіку країни після важких криз в США (40-і роки 20 сторіччя), в Німеччині (30-і роки 20 сторіччя). Розвиток будівництва автомобільних доріг вимагає підвищення ефективності виробництва, технічного рівня машин, тому що від якості і кількості випущених конструкцій машин залежить виконання планів будівництва. Створення сучасних дорожніх машин великої потужності і продуктивності, ускладнення їх конструкцій, автоматизація робочих процесів приводить до підвищення вимог в першу чергу до надійності, яка по формулюванню академіка Берга є “якістю, розгорненою в часі”.

Не дивлячись на деякі успіхи в розвитку будівельного і дорожнього машинобудування в Україні , продукція вітчизняних підприємств в більшості не відповідає сучасним вимогам до ефективності машин.

Недостатньо визначені зв'язки робочого процесу машини з надійністю, раціональні характеристики робочих органів (далі РО) машин, їх енергоємності, оцінки надійності машин, можливості побудови раціональних рядів.

Тому проблема, що визначає закономірності формування показників ефективності машин, зокрема землерийно-транспортних машин (далі ЗТМ) циклічної дії на прикладі бульдозерів, з урахуванням умов експлуатації є актуальною.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалася відповідно до держбюджетної тематики науково-дослідної роботи кафедри підйомно-транспортних, будівельних, дорожніх машин і обладнання (далі ПТБДМО) ім. А.М.Холодова ХНАДУ “Підвищення ефективності і ресурсозбереження в дорожньо-будівельному комплексі України”.

Дослідження по темі дисертації були складовою частиною робіт з “Укравтодором” згідно тематичного плану за темами №№ 41-11-05, 54-01-04, 54-09-03.

Об'єкт дослідження. Процес взаємодії бульдозерів з ґрунтом та його ефективність.

Предмет дослідження. Закономірності зміни навантаження, визначення раціональних параметрів РО, оцінка їх надійності, корегування типорозмірних рядів, тобто закономірності зміни виробничого і технічного потенціалу машин для земляних робіт (далі МЗР).

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є підвищення ефективності бульдозерів за рахунок: а) вдосконалення РО, б) врахування опору від затуплення в процесі експлуатації, в) оцінки і підвищення надійності, г) раціональної побудови типорозмірних рядів.

Для досягнення поставленої мети необхідно:

1.

2.

3.

4.

Методи досліджень. Задачі, поставлені в дисертації вирішувались аналітичними та експериментальними методами. Базою останніх є сучасні дослідження в галузях планування експериментів, математичного та фізичного моделювання процесів взаємодії з середовищем РО ЗТМ з використанням в ході експериментів сучасної комп’ютерної техніки, методів електричних вимірювань неелектричних величин.

Аналітичні дослідження проводились з використанням теорії різання і копання ґрунту, теорії ймовірності, механіки ґрунтів.

Інформаційною основою дослідження є узагальнені матеріали вітчизняних і зарубіжних фірм, наукові результати досліджень провідних ВНЗів і наукових установ з проблем підвищення ефективності МЗР.

Наукова новизна одержаних результатів. Розроблений спосіб визначення і визначені нові закономірності підвищення виробничого і технічного потенціалів бульдозерів. Це дозволило:

- встановити закономірності взаємодії відвала бульдозера з ґрунтом при гострому і затупленому ножі, уперше одержати залежність, визначаючу зв’язок між різанням гострим і затупленим ножем;

-

-

- визначити енергоємність роботи машин при розробці і транспортуванні ґрунту.

Практичне значення одержаних результатів. Одержані в роботі результати дозволяють:

-

-

-

Результати досліджень впроваджені на ВАТ "Харківський тракторний завод", ДП Інститут машин і систем НАН України, передані для впровадження в Укравтодор, реалізовані в навчальному процесі (НДРС, курсове проектування, практичні заняття) механічного факультету ХНАДУ, реалізовані в ДРБУ - 2 ФДУП "Камчатавтодор".

Особистий внесок здобувача. В роботах, опублікованих в співавторстві, автору належить: визначення додаткових опорів руху ґрунту вгору по відвалу [3]; пропозиції по раціональному співвідношенню висоти і довжини відвалу бульдозера [17,20]; можливості підвищення надійності бульдозера [1,13,18]; удосконалення методики визначення коефіцієнта типорозмірного ряду і його оптимізації [2,4,8,9]; розробка залежностей для визначення опорів різання затупленим ножем [5,14,21]; визначення характеристик надійності на основі фізико-статистичного підходу [7,13]; принципи побудови і удосконалення структури ряду [9,16]; аналіз робочих опорів і витрат енергії [11,12,19].

Апробація роботи. Результати досліджень доповідались на 12 міжнародних конференціях: “Интерстроймех” 2000 – 2005 рр.; “Дорожньо-транспортний комплекс, як основа раціонального природокористування”, Омськ, Росія, 25-28 листопаду 2004р.; “Сталий розвиток гірничо-металургійної промисловості”, Кривий Ріг, Україна, травень 2004р.; “Сучасні проблеми та перспективи розвитку дорожньо-будівельного комплексу України”, Київ, вересень 2004р.; “Наукові основи створення високоефективних землерийно-транспортних машин”, Харків, листопад 2004р.; "Технічні і економічні перспективи розвитку автотранспортного комплексу і дорожнього будівництва", Харків, Україна, 16-17 травня 2005р., "Транспорт. Дорожні та будівельні машини", Кременчук, Україна, 28 - 29 жовтня 2005р.

Публікації. Основні результати дисертаційної роботи опубліковані в 20 виданнях, включених до переліку наукових фахових видань ВАК України, та в 12-и збірках матеріалів міжнародних конференцій.

Структура і об'єм роботи. Дисертація складається з введення, шести розділів, висновків, списку використаних джерел і додатків. Повний обсяг дисертації складає 215 сторінок, в тому числі 43 рисунка на 21 сторінці, 17 таблиць на 14 сторінках, 4 додатка на 35 сторінках. Список використаних джерел складає 121 найменування на 11 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У першому розділі надається огляд досліджень по темі дисертації. Розглядаються ґрунти, як робоче середовище ЗТМ, визначаються характеристики їх механічних властивостей.

Процес копання ґрунту РО машини є результатом взаємодії ножів ЗТМ, вирізаної стружки, ґрунту в масиві і ґрунту, який знаходиться в РО. Руйнування ґрунту може виникати окремими, проходячими один за другим циклами, безперервним процесом і в неоднорідних ґрунтах супроводжується чергуванням різних видів руйнування. Вид руйнування залежить від властивостей і стану ґрунту, кута різання ножа (клина) і глибини різання. Розрізняють такі види відділення стружки від масиву: зливною стружкою, елементною стружкою (зсувом чи відривом), відривом.

Великий вклад в вивчення процесу різання ґрунту РО ґрунтооброблюючих машин внесли вчені з галузі сільського господарства. Починалось це вивчення з робіт по теорії різання ґрунтів академіком В.П. Горячкіним.

Подальший розвиток теорії взаємодії РО МЗР з ґрунтом зв’язаний з дослідженнями О.І. Анохіна, К.А. Артемьєва, В.Л. Баладінського, В.І. Баловнєва, Б.О. Бондаровича, Ю.О. Вєтрова, Д.П. Волкова, М.Г. Домбровського, А.М. Зеленіна, С.В. Кравця, Л.В. Назарова, І.А. Недорєзова, В.В. Нічке, В.К. Руднева, Д.І. Федорова, Л.А. Хмари, А.М. Холодова. В останній час з'явились нові дослідження теорії різання і копання ґрунту.

В результаті досліджень розроблені основи теорії різання ґрунтів, методики розрахунку робочих опорів при взаємодії РО МЗР з ґрунтом, однак ряд питань взаємодії РО з ґрунтом необхідно доробити і уточнити (вплив на характер взаємодії затуплення ножів, розмірів РО).

Навантаження на РО при копанні ґрунту разом з характеристиками РО визначають характеристики надійності машини, які разом з продуктивністю визначають ефективність застосування машин. Вона характеризується комплексними показниками якості – наробітком машини і витратами на одиницю продукції – кубічний метр розробленого ґрунту.

В зв’язку з поширенням в сучасному проектуванні машин модульних конструкцій необхідна оптимізація конструктивних параметрів машин, підвищення їх надійності і продуктивності, уніфікація конструкцій і уточнення параметричних рядів машин. Типовою задачею оптимізації параметричного ряду є задача погодження функції попиту і функції пропонування.

З приведеного можна сформулювати такі висновки:

1. Стан будівельного і дорожнього машинобудування в Україні в наш час залишає бажати кращого. Ще до розпаду СРСР в Україні було мало підприємств Мінбуддормашу. Після встановлення незалежності України більшість підприємств, раніше тісно зв’язаних з заводами Росії, втратила провідні ролі у випуску машин – деякі збанкрутились, інші перейшли на випуск продукції не пов’язаної з будівельно - дорожнім машинобудуванням. Реально зараз потрібне створення нових конструкцій машин і відродження їх виробників.

2. Теорія робочих процесів ЗТМ розроблена достатньо, але окремі її питання ще вимагають доробки, уточнення. Крім того необхідно визначити зв’язок параметрів машин, її продуктивності, з надійністю машин.

3. Важливим питанням при складанні номенклатури випуску ЗТМ підприємствами України чи закупки техніки за рубежем є уточнення параметричних рядів машин з аналізом версій попит – пропозиція, виробництво – закупка і складання рядів оптимальних конструкцій і параметрів може допомогти промисловості вийти з застою.

На підставі виконаного аналізу сформульовані мета і задачі дисертаційного дослідження, що наведені у вступу.

В другому розділі розглянуті питання взаємодії РО ЗТМ з ґрунтом, їхня ефективність. Сучасні ринкові відносини ставлять умови виробництву ЗТМ - підвищення якості, конкурентноздатності, тобто підвищення показників виробничого і технічного потенціалів машин, в першу чергу, підвищення продуктивності і надійності, зниження енергоємності. В цій ситуації очевидна необхідність глибокого усестороннього вивчення і аналізу робочих процесів машин.

Розробка теорії різання і копання ґрунту РО ЗТМ ускладнюється специфічними особливостями ґрунту, такими як міцність і деформація, які змінюються в широких межах зі зміною щільності і вологості ґрунту.

Для визначення характеристик розподілу властивостей ґрунту необхідне оперативне вимірювання їх, що можна зробити за допомогою щільномірів різних типів, наприклад ударником ДорНДІ з набором необхідних наконечників. Одержані дані дозволяють визначити характер деформування, показником якого прийнято коефіцієнт повної деформації ґрунту С. Він був запропонований проф. О.К. Біруля в залежності, яка зв’язувала контактні напруги ? на межі середовище – площадка з деформацією Х ущільнюваного середовища у вигляді ? = С Х?, (1)

де ? – показник ступеня, який залежить в першу чергу від вологості ґрунту Wв, при цьому коли Wв > Fв > ? = 0, при Wв= (0,70,8)Fв > ? = 0,5, при Wв= (0,40,7)Fв > ? =1, Fв – верхня межа пластичності ґрунту.

Звичайно коефіцієнт повної деформації визначається вдавлюванням штампу в ґрунт, але для наших цілей необхідна значно швидша деформація (при швидкості 1м/с час взаємодії при одному зсуві складає в середньому 0,1с). Тому деформування за один удар ударника і деформування ґрунту ножем величини одного порядку. За даними акад. О.Ю. Ішлінського, величина занурення наконечника ударника в ґрунт за перший удар у1 визначається як , де уп – занурення за n ударів. Повне занурення за n ударів складає 10 см, тому .

Проведеними розрахунками з урахуванням параметрів стандартного ударника визначене значення , що при опорній площі наконечника 1 см2 дає значення =5,74n, МПа, де Р- зусилля вдавлювання, h - глибина занурення; F – площа наконечника.

Дослідженнями І.А. Недорезова показано, що зчеплення ґрунту визначається залежністю С=0,0055n,МПа/м.

Тоді залежність для визначення опору різання Ро з врахуванням привантаження WН від опору наповнення відвалу

, (2)

де В і hср–розміри зрізу; ширина і глибина; n – число ударів ударника ДорНДІ,

? ,?, – відповідно кути різання, внутрішнього тертя, зсуву ґрунту.

З залежності (2) визначаємо питомий опір різанню .

Залежність для визначення опору занурення ножа в ґрунт до зсуву елемента від масиву записується у вигляді

. (3)

Тоді крок S і частота зсуву визначається після зрівнювання Ро = Рдеф

; . (4)

Т. ч., знайдені основні залежності для визначення опору різання ґрунту бульдозером, високої частоти відділення елементів ґрунту від масиву.

Слід відзначити, що внаслідок нерівномірного розподілу властивостей ґрунту у просторі частіше відбувається нерівномірне відділення елементів ґрунту по довжині ножа. Якщо вважати по Ю.А. Ветрову, що середня ширина елемента зсуву b =3h, тоді середнє значення сили складає

, а частоти , де VМ – швидкість машини.

Для машин циклічної дії, зокрема бульдозера, суттєве значення в установленні показників продуктивності і надійності має визначення циклу навантаження, його складових і, як наслідок, числа циклів в одиницю часу в залежності від параметрів машини і властивостей ґрунту. Час копання ґрунту визначає низьку частоту навантажень і залежить, головним чином, від умов експлуатації, ґрунтового фону, стану машини, кваліфікації оператора, виду робіт. Час конання tк визначається як

, (5)

де kкв – коефіцієнт, враховуючий кваліфікацію оператора.

Транспортна складова часу робочого циклу tтр з врахуванням часу розподілу ґрунту визначається як відношення шляху транспортування lтр до швидкості транспортування

Vтр > , (6)

де - питомий опір від затуплення ножа.

При русі холостим ходом бульдозер проходить шлях lхх=lк+lтр. Тоді час холостого ходу , (7)

де Н, В, hср – висота, ширина і середня глибина копання; Gб – вага машини; f, і – опір руху і ухил місцевості; – коефіцієнт зчеплення ходових пристроїв з ґрунтом; kзч - коефіцієнт зчіпної ваги; Nд – потужність двигуна; – перевідний коефіцієнт, дорівнює 102 при N в кВт; – ККД трансмісії; - коефіцієнт впливу призми волочіння на її об’єм в залежності від співвідношення Н/В відвалу; kвтр – коефіцієнт втрат ґрунту з призми волочіння в процесі транспортування; kкв – коефіцієнт, враховуючий кваліфікацію оператора, k – питомий опір різанню.

Для одержання максимальної продуктивності необхідно знайти раціональні співвідношення між висотою Н і шириною В відвалу, щоб об’єм призми волочіння був максимальним. В найпростішій залежності об’єму призми коефіцієнт kпр враховує реальну форму призми волочіння, але він емпіричний і не враховує формування призми, конкретні показники властивостей ґрунту. На рис. 2 і 3 показані значення залежності Н/В від маси і потужності бульдозерів російського виробництва і виробництва фірм світу.

Як показує аналіз цих даних відношення Н/В дуже близькі для обох вибірок.

Для визначення раціонального співвідношення Н/В розглянемо модель призми волочіння при роботі бульдозера в ґрунтах без зчеплення. Вважаємо, що на кінцях відвалу формуються кінцеві частини (чверті конусів з радіусом основи Н/tg? і висотою Н). У випадку цієї моделі об’єм призми Vпр визначається як

,

а співвідношення Н/В після ряду перетворень H=0,7B tg. (8)

Якщо ґрунт має деяке зчеплення в зруйнованому стані СВ, кут нахилу поверхні призми волочіння до горизонталі збільшується і становить не ?, а ?

Формування призми волочіння при русі потоку вирізаного ґрунту по поверхні відвалу показано на рис. 4.

Рис. 4. Схема взаємодії: а) відвала з ґрунтом; б) ножа з ґрунтом.

При переміщенні призми волочіння виникає опір тертя між призмою і поверхнею ґрунту. На пласт ґрунту, який рухається по відвалу діють нормальні зусилля від ваги призми і опору Wпр. Розкладаючи Gпр і Wпр по напрямкам перпендикулярним до поверхні відвалу і паралельно йому одержимо після ряду перетворень

. (9)

Навантаження низької частоти зв’язано зі зміною всіх складових робочого опору по мірі створення призми волочіння бульдозера. Максимальна величина його в процесі копання складає Рmax.сц. – тобто величини тягового зусилля за зчепленням, а частота ?н визначається часом копання tк, тобто . Для РО достатньо розглянути ці дві частоти, щоб в подальшому розглядати процес копання як двочастотний.

Для підвищення ефективності і економічності механізації дорожнього будівництва необхідно вдосконалення як засобів виробництва, так і системи їх використання. В будівництві, як і в ряді інших галузей економіки біля половини об’ємів земляних робіт виконується ЗТМ. На даному етапі розвитку ЗТМ підвищення їх ефективності можливо вдосконалення геометрії робочих органів, застосування адаптування до умов роботи, використанням направляючих і транспортуючих ґрунт пристроїв, змащення, підвищення робочих швидкостей при умові автоматичного управління процесом копання. Ефективність ЗТМ оцінюється продуктивністю П, показниками надійності : середнім ресурсом Тср, середнім наробітком на відказ tв.ср, коефіцієнтом технічного використання kтв; узагальненим показником енергоємності і матеріалоємності , де N і G –потужність і маса машини; доходом від експлуатації машини.

Для бульдозерів енергоємність визначається для двох операцій – копання ґрунту і його транспортування. При копанні загальний опір роботи бульдозера визначається сумою складових різання, переміщення призми волочіння, руху ґрунту догори по відвалу, руху машини.

В транспортному режимі бульдозер переміщує призму волочіння ґрунту, існує і опір переміщенню машини, підрізання ґрунту.

Визначивши потужності, які витрачаються при копанні ґрунту, його транспортуванні, під час холостого ходу знаходимо коефіцієнт використання потужності двигуна , де Nі – реально використана потужність на і-тому етапі; Nном- номінальна потужність двигуна; - ККД трансмісії. Тоді після ряду перетворень витрати пального за годину Gnг

де gі – витрати палива в грамах на 1 кВт/год; і - - дольова частина часу відповідної операції; kв – коефіцієнт використання машини в часі.

В третьому розділі розглянуто формування опору від затуплення, розроблено математичний опис процесу різання при затуплених ножах. Основними видами зносу ножів ЗТМ є абразивне (до 50 % и більше) і втомне (12-15%). Обстеження машин в експлуатаційних господарствах Укравтодору, Укрводбуду, Криворізьких гірничо – збагачувальних комбінатів, Красноградського відділення технологічного транспорту та спецтехніки показало, що 70-80 % парків ЗТМ працюють зі зношеними ріжучими елементами. Збільшення в процесі експлуатації розмірів поверхонь зношення приводить до зростання опору різання на 50-200 %, енергоємності процесу різання в 1,5-3 рази. При цьому продуктивність бульдозерів зменшується на 15-40 %, а собівартість розробки ґрунту підвищується на 10-15%. Крім того, підвищуються напруження в складових частинах машини, знижується надійність, підвищується енергоємність роботи, вартість продукції. В результаті надмірне зношення приводить до економічної недоцільності або неможливості подальшої експлуатації машини. Тому підвищення ефективності ЗТМ значно залежить від стану ріжучого інструменту землерийної техніки.

Процес деформування ґрунту під поверхню затуплення (зносу) відбувається при малих кутах нахилу площадки зносу з. Після досягнення кутом з деякого критичного значення зкр ґрунт видавлюється з-під площадки затуплення. Математичну модель деформування ґрунту запишемо у вигляді , (тобто при лінійному законі деформування при ).

Рис.5. Схема взаємодії площадок затуплення з ґрунтом.

Тоді дотичну складову затуплення Рзг можна визначити при вдавлюванні ґрунту під ніж в вигляді: , (10)

де В – ширина ріжучого елемента, Sз – ширина площадки затуплення, з – кут нахилу площадки затуплення, - кут зовнішнього тертя ґрунту.

На практиці опір затуплення визначається як , де

.

При видавлюванні ґрунту з-під площадки затуплення горизонтальна складова опору видавлювання ґрунту: (11)

де с – зчеплення ґрунту при зсуві ; - кут внутрішнього тертя ґрунту.

Середній тиск на площадках зносу:

при вдавлюванні ґрунту під ніж ; (12)

при видавлюванні ґрунту . (13)

Знаючи коефіцієнт абразивности ґрунту, коефіцієнт абразивної стійкості матеріалу ріжучого елементу визначають величину зносу.

Розглядаючи процес чистого різання, тобто при відсутності різного роду привантажень, діючих як при гострому так і при затупленому ножах, можемо записати такі співвідношення при одній і тій же силі копання:

при гострому ножі ; при затупленому ножі ,

де k – питомий опір різанню гострим ножем; В – ширина різання;

h, h1– глибина різання гострим та затупленим ножами, з - питомий опір від затуплення. З цих рівнянь одержимо .

Т. ч. глибина різання зношеним ножем зменшується на величину .

Рис. 6. Графіки залежності: а) шляху копання LК від ширини S площадки затуплення; б) опору затуплення від ширини S площадки затуплення для бульдозера ДЗ – 182.

Тоді при різанні ґрунту з постійною товщиною стружки шлях наповнення відвалу: при гострому ножі ;

при зношеному ножі ,

де Vпр – об'єм призми волочіння; kвтр – коефіцієнт втрат ґрунту;

kр – коефіцієнт розпушення.

В зв'язку з тим, що зі зносом ножа змінюється тільки час копання, інші складові часу можна прийняти незмінними tconst, продуктивність бульдозера Пб можна знайти за залежністю , (14)

де для гострого ножа ;

для зношеного ножа , (15)

де - час виконання всіх операцій циклу за виключенням часу копання; - час копання; Vкоп – швидкість бульдозера при копанні.

В четвертому розділі розглядаються питання підвищення надійності машин як основи ефективності їх використання. Сучасне світове машинобудування дозволяє одержати якісну продукцію при порівняно невисокій ціні машини. При цьому середні світові складові ціни такі: матеріали – 47%, прямі трудові витрати – 11%, витрати на забезпечення якості – 12%, прибуток – 7,5%, інші заводські витрати – 22,5%,

В Україні суттєво підвищені заводські витрати і величина прибутку, що робить машини вельми дорогими, ненадійними, не конкурентноздатними на світовому ринку, незатребуваними в своїй країні. Для машин циклічної дії основний закон надійності відрізняється необхідністю врахування кількості циклів. Для машин безперервної дії: , де Р – ймовірність безвідмовної роботи; ? – параметр потоку відказів; t – час роботи машини. Для машин циклічної дії число їх відказів mx залежить як від їх наробітку t, так і від кількості робочих циклів u, , де – функція відказів. Безкінечно малий приріст числа відказів визначається у вигляді: .

Після ряду перетворень одержимо . В найпростішому випадку при ?t=const, ?u=const маємо:

. (16)

Вводячи в (16) продуктивність ПЕ і об’єм виконаних робіт одержимо, якщо Кц – коефіцієнт пропорціональності

. (17)

Таким чином, ймовірність безвідмовної роботи для машин циклічної дії визначається наробітком машин в одиницях одержаної продукції Q, експлуатаційної продуктивності ПЄ і показників ?t і ?u.

В робочому циклі бульдозерів слід розглядати процес навантаження як двочастотний, де одна, низька частота, визначається часом копання, а друга, висока – частотою відділення елементів ґрунту від масиву. Тоді кількість циклів низької частоти до руйнування у відповідності з розробками інституту електрозварювання ім. Патона НАН України виразиться залежністю:

, (18)

де і – число циклів до руйнування при двочастотному і одно частотному навантаженні; , –амплітуди високочастотного і низькочастотного навантажування ; і – відповідні частоти, v – показник, враховуючий властивості сталей. Для більшості сталей v = 1,4.

Для умов роботи ЗТМ, коли в більшості випадків діючі напруги одного знаку, а в конструкції є концентратори напруг слід приймати в розрахунках

?-rk, тобто обмежену межу витривалості при ефективній концентрації напруг k і коефіцієнті асиметрії циклу r. Тоді при двочастотному навантаженні:

. (19)

В п’ятому розділі розглядається побудова параметричних рядів машин, можливості їх оптимізації. Під параметричними рядами в будівельному і дорожньому машинобудуванні розуміють сукупність величин параметрів машин, призначених для виконання заданих функцій, вододіючих обмеженою взаємозамінністю і відмінних числовими значеннями параметрів. Для побудови параметричного ряду необхідно знати головний параметр, визначаючий параметр. Для бульдозерів таким параметром є тягове зусилля машини. Аналіз параметрів машин, що експлуатуються в наш час показав, що закономірність раціональних значень головного параметру А можна показати як:

, (20)

де Ао – базове значення параметру, в якості якого приймають мінімальне значення А, або найбільш широко застосоване; а – характеристика ряду; х - натуральний ряд чисел.

Для бульдозерів Ао= 14 кН , показник ?=0,6. З підвищенням частоти використання машин зменшується коефіцієнт ряду, який для бульдозерів загального призначення є 1,25 –1,4. Оптимальним параметричним рядом, прийнятим зараз в машинобудуванні є ряд, запропонований ВНДІНмаш:

.

Мадорский Л.Ф. в свою чергу пропонує ряд, за його поглядом, оптимальний з кроком ? 1,4:

.

Однак в роботах Сибірського відділення АН СРСР показано, що можна одержати ряди з меншими затратами. В першому випадку такий ряд визначається алгоритмом для мінімізації сумарних витрат з врахуванням обмеження зверху числа стандартних типорозмірів . В цьому випадку при одержимо оптимальний параметричний ряд .

Без обмежень на число стандартних типорозмірів ряд виглядає так

SСиб 2= 235, 422, 584, 1080, 1420, 1956, 3328, 5916.

На основі аналізу роботи і навантаження енергомодуля з технологічним модулем одержано значення коефіцієнта ряду. При виконанні певного об’єму робіт визначено оптимальну продуктивність машин для виконання цих робіт, затрати на виконання робіт і, як наслідок, кількість необхідних типорозмірів машин 3-4. Подальше збільшення числа типорозмірів не тільки не приводить до суттєвого зниження сумарних витрат, а й викликає додаткові складності і витрати по технічному обслуговуванню і ремонту парку, забезпечення запасними частинами і експлуатаційними матеріалами.

В шостому розділі наведені матеріали експериментальних досліджень. Основні дослідження проведені в ґрунтовому каналі на моделях відвалів бульдозерів, виконаних в масштабі 1:6 з дотриманням правил фізичного моделювання і планування експерименту. Для порівняння одержаних аналітичних результатів, даних фізичного моделювання і даних польового експерименту були проведені польові випробування в дорожньо ремонтно-будівельному управлінні № 2 Федерального державного унітарного підприємства “Камчатавтодор” (далі ДРБУ), де в свій час працював автор.

В процесі експерименту встановлені критерії подібності наближеного фізичного моделювання наповнення відвалу ґрунтом, вивчена фізична картина наповнення при різних розмірах відвалів, визначено характер руху ґрунту, визначено опір копанню. Експеримент проводився відповідно центральному композиційному плану.

Експеримент проводився на ґрунтовому каналі розміром 10 х 2 м, модель відвалу встановлювалась на тензометричному візку (рис.7). Візок рухався по колії, привод здійснювався за допомогою електролебідки. Зміна глибини різання проводилась електрогвинтом.

Рис. 7. Загальний вид комп’ютеризованого ґрунтового каналу.

Датчик складається з первинного тензоперетворювача і малогабаритного електронного блоку, конструктивно розміщених в одному корпусі. Цей блок дозволив за допомогою розробленої тензоплати АЦП реєструвати тягове зусилля в ОЗУ комп’ютера. Після заповнення ОЗУ інформація записується на вінчестер. Після комп’ютерної обробки одержували підсумковий графік зміни тягового зусилля в процесі різання ґрунту. Перед проведенням експерименту і після нього проводилось тарування приладу.

Рис. 8. Вимірювальний блок.

Вимірювання зусиль проводилось спеціально розробленим вимірювальним блоком (рис.8).Блок складається з перетворювача тиску ПД-20 (далі датчик), переробленого з ПД-40/3 УХЛ 3.1 ТУ 2-053 1917-90, вмонтованого в гідроциліндр Ц-40х250-12. 8903 ОСТ 23124-80.

Після обробки результатів експериментів одержано рівняння регресії:

Т=2,164795-0,005В- 0,006Н+0,004h+0,0000035B2+0,000012H2

Розроблені в аналітичних розділах залежності, які можуть бути використані для оптимізації технічної продуктивності і областей раціонального застосування бульдозерів необхідно було перевірити в умовах експлуатації. Сформовані з бульдозерів, які були в ДРБУ-2 ФДУП "Камчатавтодор", три загони з машинами трьох типорозмірних рядів випробувались на копанні траншей. По кожному загону визначались потужність, характеристики ваги, розмірів відвалів, продуктивність, витрати палива, загальна ціна машин загону. Кращі показники одержані для загону з відсутністю обмежень на кількість типорозмірів, який визнаний кращим і в аналітичній частині.

Результати натурного експерименту приведені в таблиці 1.

Деякі розходження одержані в наслідок відсутності у ДРБУ-2 ФДУП "Камчатавтодор" машин для побудови оптимального ряду.

ВИСНОВКИ

На підставі проведених аналітичних і експериментальних досліджень, огляду науково-технічної літератури по напрямку дисертації можна зробити наступні висновки:

1. Отримано закономірності, що встановлюють зусилля різання ґрунту гострим ножем відвала бульдозера заданої конструкції, яке визначається ґрунтовими умовами, у першу чергу зчепленням і коефіцієнтом деформації, кутами зовнішнього і внутрішнього тертя, що у свою чергу залежать від вологості. Тому той самий ґрунт при різній вологості має різні характеристики міцності, опору різанню.

Для оперативного визначення міцностних характеристик ґрунту досліджені їхні зв'язки з даними щільноміра ДорНДІ. Отримані залежності, що визначають зусилля різання через кількість ударів щільноміра. Такі дані досить важливі для експлуатаційних розрахунків, про що свідчить рішення Укравтодору про необхідність створення приладу для визначення міцностних характеристик ґрунту на 2006 р.

2. Виявлення і вивчення механізму заповнення відвала бульдозера ґрунтом показали, що при формуванні призми волочіння перед відвалом ґрунт, у залежності від його характеристик, рухається у вигляді потоку по відвалу або зрушується по лініях ковзання в тілі призми. Для найбільш розповсюджених ґрунтів другої і третьої категорій переважним є перший варіант. У математичній моделі опору руху потоку ґрунту враховані сили тертя потоку ґрунту при русі по відвалі і по ґрунті призми. Враховується також вплив опору руху призми волочіння на тертя потоку при русі його по відвалу.

3. Значний вплив на формування призми і, отже, продуктивності і навантаженості бульдозера робить співвідношення між висотою Н и довжиною В відвала, а також глибина різання h. Запропоновано геометричну модель форми призми волочіння, при якій раціональне співвідношення Н/В складає 0,7 tg . Експериментами з фізичними моделями, проведеними в ґрунтовому каналі, визначений вплив Н, В, h на зусилля копання ґрунту відвалом бульдозера. У результаті отримане рівняння регресії, з якого випливає, що найбільший вплив на опір різанню робить глибина різання і висота відвала.

4. Визначено опір від затуплення ножа, установлені залежності опору від ширини площадки затуплення S. Встановлено, що для бульдозерів основним видом деформації в процесі взаємодії площадки затуплення з ґрунтом є вдавлення ґрунту під площадку. При цьому опір пропорційний квадратові ширини площадки S2.

Вперше встановлено, як впливає затуплення на шлях копання. Цей вплив залежить головним чином від співвідношення питомих опорів різання k и затуплення . У зв'язку з необхідністю подолання додаткового опору від затуплення глибина різання зменшується до величини отже збільшується шлях наповнення відвала. У зв'язку з затупленням ножа бульдозера, істотно збільшуються опір підрізання при транспортуванні призми волочіння, що приводить до зменшення швидкості транспортування, зниженню продуктивності. При цьому збільшується навантаженість машини, отже, знижується характеристики надійності, безпеки і довговічності.

5. Встановлено, що машини циклічної дії мають показники надійності нижче, ніж машини безперервної дії. Отримано експонентну залежність імовірності безвідмовної роботи від часу роботи і продуктивності, де імовірність безвідмовної роботи визначається як часом роботи, так і числом циклів у процесі копання.

6. Проведено аналіз формування параметричних рядів машин. Визначено коефіцієнт ряду, кількість типорозмірів машин для виконання заданого обсягу робіт. Розглянуто ряди закордонних машин ведучих фірм і машин російського виробництва. У середньому коефіцієнти ряду складають 1,3-1,5. Установлено, що прийнята в даний час система формування рядів, розроблена у ВНДІНМаше, не є оптимальною. Раціональними є системи, розроблені в Сибірському відділенні АН СРСР.

7. Експериментальні дослідження, проведені в ґрунтовому каналі і польові випробування натурних машин в експлуатаційних господарствах, підтвердили результати аналітичних розробок, дозволили одержати дані про вплив на зусилля копання співвідношення висоти і довжини відвала, залежності шляху і часу наповнення відвала від стану ножової системи (глибини копання). Результати випробувань підтвердили результати аналітичних досліджень. Розходження досягає 15-17%. Більш значні розходження в польових випробуваннях натурних машин, де неможливо було виходячи з складу машин ДРБУ підібрати необхідний склад загонів у відповідності з характеристиками ряду. Однак тенденція зниження витрат від першого загону, створеного з машин ряду ВНДІНМаша, до другого і третього загону, підібраним з машин, близьким по потужності до рядів АН СРСР, збереглася, хоча при вільному виборі машин зниження витрат було б значно більшими.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Ничке В.В., Кириченко И.Г., Тулузов О.Г. Определение коэффициента типоразмерного ряда модульных машин // Галузеве машинобудування, будівництво: Зб. наук. пр, Полтава, Вид. ПДТУ. - Вип. 6. - Ч.1- 2000 - С. 53-58. Автором запропоновано прийняти річні приведені витрати пропорційними силовим показникам.

2. Ничке В.В., Тулузов О.Г. Определение сопротивлений копания грунта отвалом тяжелого бульдозера //Сб. научн. тр. Национального агроуниверситета “Механизация сельского производства”.- Киев, издательство НАУ т.8, 2000 .- С.54-57. Автору належить опис руху стружки між відвалом і призмою волочіння.

3. Ничке В.В., Ермакова Е.А., Рыбалко И.В., Тулузов О.Г. Влияние затупления режущих органов машин для земляных робот на нагруженность конструкции // Интенсификация робочих процесів будівельних и дорожніх машин: Сб. научн. тр. ПГАСА – Вып. 15. –Днепр. - 2002 - С. 146-151. Автору належить висновок, що числа ударів ударника ДорНИИ в залежності від співвідношення S/В носить нелінійних характер.

4. Ничке В.В., Тулузов О.Г. Формирование призмы волочения и определение рациональных отношений высоты и ширины отвала // Вестник Харьковского национального автомобильно-дорожного университета: Сб. научн. тр. – Вып. 29. Харьков, 2005.- С. 65-68. Автору належить описання форми призми волочіння.

5. Нічке В.В., Єрмакова О.А., Рибалко І.В., Писарєв В.П., Тулузов О.Г. Безвідказність машин // Підвищення ефективності технології та техніки для виконання вантажно – розвантажувальних, будівельних і колійних робіт на залізничному транспорті /Зб. наук. пр. УДАЗТ, Харків. – Вип. 50. - 2002. - С.54-60. Автору належать окремі визначення ймовірності безвідказної роботи для машин циклічної дії.

6. Ничке В.В., Рыбалко И.В., Тулузов О.Г., Беликов А.А. Типоразмерные ряды дорожных машин // Автомобильный транспорт: Сб. научн. тр.– Вып. 11.- Серия: Совершенствование машин для земляных работ. – Харьков: ХНАДУ, 2003. - С.69-72. Автору належить визначення оптимального ряду на основі робіт СибАН.

7. Тулузов О.Г. Повышение эффективности землеройно – транспортных машин совершенствованием структуры ряда // Вестник Харьковского национального автомобильно-дорожного университета: Сб. научн. тр. – Вып. 20. Харьков, 2003. - С. 40-42.

8. Ничке В.В., Ермакова Е.А., Тулузов О.Г. Анализ рабочего процесса землеройно – транспортных машин циклического действия // Вестник Харьковского национального автомобильно-дорожного университета: Сб. научн. тр. – Вып. 21. Харьков, 2003. - С. 30-33. Автору належить визначення показників безвідказності машин циклічної дії.

9. Ничке В.В., Емельянов В.П., Ермакова Е.А., Тулузов О.Г. Определение энергоемкости, экономии топлива землеройно – транспортных машин циклического действия // Вестник Харьковского национального автомобильно-дорожного университета: Сб. научн. тр. - Вып. 22. Харьков, 2003. - С.126-129. Автору належить визначення зв’язку між продуктивністю і витратами пального.

10. Ничке В.В., Тулузов О.Г. Определение оптимальных значений показателей надежности в зависимости от фона эксплуатации // Строительство. Материловедение. Машиностроение: Сб. научн. тр. - Вып. 26.- Серия: Подъёмно-транспортные, строительные и дорожные машины и оборудование. –Днепр: ПГАСА, 2004. - С.73-78. Автору належить визначення зв’язку показників надійності з умовами експлуатації.

11. Рыбалко И.В., Тулузов О.Г. Влияние затупления ножа на эксплуатационные характеристики землеройно – транспортных машин циклического действия // Вестник Харьковского национального автомобильно-дорожного университета: Сб. научн. тр.- Вып. 23.- Харьков, 2004. - С.56-58. Автору належить визначення зусиль затуплення від ґрунтових умов.

12. Ничке В.В., Рыбалко И.В., Демишкан В.Ф., Тулузов О.Г. Совершенствование производства и ускоренные испытания машин // Вестник Харьковского национального автомобильно-дорожного университета: Сб. научн. тр. – Вып. 25.- Харьков, 2004. - С.65- 68. Автору належить ідея застосування схеми Лестера в дослідженні прискореного визначення показників якості.

13. Тулузов О.Г. Компьютерная станция для проведения экспериментальных исследований на моделях в грунтовом канале //Вестник Харьковского национального автомобильно-дорожного университета: Сб. научн. тр. – Вып. 27. Харьков, 2004.- С.236-239.

14. Ничке В.В., Демишкан В.Ф., Тулузов О.Г. К вопросу рациональных параметров бульдозерного оборудования // Техніка та технологія виконання будівельних, колійних та перевантажувальних робіт на транспорті: Зб. наук. пр. УДАЗТ.- Вип. 58.- Харків, 2004. - С.50-54. Автору належить пропозиції по співвідношенню висоти і довжини відвалу бульдозера.

15. Нічке В.В.,