КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

БУДІВНИЦТВА І АРХІТЕКТУРИ

РАШКІВСЬКИЙ Володимир Павлович

УДК 621.879.48

ТОРЦЕВИЙ РОБОЧИЙ ОРГАН ТРАНШЕЄКОПАЧА
З КЕРОВАНИМИ СИЛОВИМИ ПАРАМЕТРАМИ

Спеціальність 05.05.04 – Машини для земляних, дорожніх
і лісотехнічних робіт

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ – 2008

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Київському національному університеті будівництва і архітектури Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент,
Пелевін Леонід Євгенович,
Київський національний університет будівництва і архітектури, завідувач кафедри будівельних машин

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор,
Кравець Святослав Володимирович,
Національний університет водного господарства та природокористування, завідувач кафедри будівельних, дорожніх, меліоративних машин і обладнання

кандидат технічних наук, доцент,
Ремарчук Микола Парфенійович,

Харківський національний автомобільно-дорожній університет, доцент кафедри підйомно-транспортних, будівельних, дорожніх машин і обладнання

Захист відбудеться 15.05. 2008 р. о 1000 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.056.08 в Київському національному університеті будівництва і архітектури за адресою: 03680, Київ, Повітрофлотський проспект, 31.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці КНУБА, 03680, Київ-37, Повітрофлотський проспект, 31.

Автореферат розісланий 10.04. 2008 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

д.т.н., професор М.К. Сукач

загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Виконання траншей землерийними машинами безперервної дії отримує все більше розповсюдження при підготовчих роботах на будівельних об’єктах та при прокладанні комунікаційних ліній. Особливо ефективно використовувати траншеєкопачі безперервної дії для прокладання локальних комунікаційних ліній на будівельних об’єктах.

Практика експлуатації землерийних машин показує, що розробка грунту з різнодисперсними включеннями з використанням торцевого робочого органу у вигляді диску дозволяє підвищити продуктивність машини.

В існуючих теоретичних та експериментальних дослідженнях торцевого робочого органу обґрунтовано його конструктивні параметри та визначені сталі силові параметри.

Разом з тим, не достатньо уваги приділено дослідженню адаптації торцевого робочого органу до фізико-механічних властивостей грунту та можливості керування його силовими параметрами в ході роботи.

Дослідження в цьому напрямку дозволить реалізувати на практиці новий низькоенергоємний технологічний процес руйнування грунту та знизити матеріалоємність землерийної машини через раціональне конструювання навісного обладнання її робочого органу.

Тож, перспективним є розвиток напрямку розробки торцевого робочого органу як такого, що має властивості несуцільного різання та поєднує руйнування та винос грунту, які дозволяють знизити енергоємність виконання земляних робіт механізованим способом.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Дисертаційна робота виконувалась в рамках досліджень кафедри будівельних машин Київського національного університету будівництва і архітектури, а саме науково-дослідній роботі 7ДБ-02 “Створення основ теорії передачі енергії робочими рідинами в динамічних системах приводів машин” (№ держреєстрації 0102U000933) та 7ДБ-05 “Основи теорії підвищення надійності та довговічності приводів динамічних робочих органів будівельної техніки” (№ держреєстрації 0105U001338).

Мета роботи – створення низькоенергоємного торцевого робочого органу з керованими силовими параметрами.

Поставлена мета досягається вирішенням наступних задач:

- проведено аналіз існуючих досліджень за тематикою;

- визначено фізичну та математичну модель торцевого робочого органу з керованими силовими параметрами;

- розроблено систему математичних моделей “грунт – робочий орган – привод”, які дозволять встановити межі керування силових параметрів торцевого робочого органу при його роботі в імпульсному режимі;

– визначено залежності зміни енергетичних показників торцевого робочого органу траншеєкопача при керуванні його силовими параметрами;

– проведено синтез навісного обладнання торцевого робочого органу;

– проведено експериментальні дослідження в лабораторних та польових умовах.

Об’єкт дослідження – процес руйнування ґрунту торцевим робочим органом траншеєкопача з керованими силовими параметрами.

Предмет дослідження – низькоенергоємний торцевий робочий орган траншеєкопача.

Методи досліджень. Теоретичні дослідження базуються на застосуванні методів теоретичної механіки, теорії механізмів і машин, опору матеріалів, диференціального та інтегрального числення та методів математичного моделювання. Для теоретичних розрахунків використовувались програмні модулі “Mathcad”, “Excel”, “SCAD”. Експериментальні дослідження проводились на стенді та в польових умовах на полігоні будівельних машин КНУБА із застосуванням методів планування та засобів обробки статистичної інформації.

Наукова новизна одержаних результатів.

Розкрито закономірності умов взаємодії системи “грунт – робочий орган – привод” з врахуванням можливості адаптації силових параметрів торцевого робочого органу до фізико-механічних характеристик грунту.

Визначено вплив примусового керування силовим потоком на робочому органі на процес розробки грунту, який полягає в можливості швидкого утворення імпульсу зі зміною частоти коливань у відповідності до умов руйнування грунту;

Отримані аналітичні залежності для визначення робочих показників траншеєкопача при керуванні силовим потоком його виконавчого органу.

Практичне значення одержаних результатів.

Створено торцевий робочий орган з керованими силовими параметрами для утворення траншей, що дозволяє зменшити енергоємність розробки грунтів ІІ-ІV категорій на 100…150 Вт•год/м3 та проведено синтез його навісного обладнання з метою розширення функціональних можливостей траншеєкопача.

Запропонована методика вибору та розрахунку торцевого робочого органу траншеєкопача з керованими силовими параметрами.

Результати досліджень впроваджені при конструюванні траншеєкопача з торцевим робочим органом на підприємствах ЗАТ “Агробудмеханізація”, ВАТ “Київський завод гумових та латексних виробів”, ТОВ “Три ведмеді”, ТОВ “Рембуд-2” та в учбовому процесі кафедри “Будівельні машини ім. Ю.О. Вєтрова” Київського національного університету будівництва та архітектури.

Особистий внесок здобувача. Основні результати дисертаційної роботи здобувачем отримано особисто. У наукових працях, виконаних у співавторстві, особистий внесок такий:

– проведено аналітичні дослідження процесу руйнування грунту землерийною машиною [1, 3];

– розроблено математичні моделі та алгоритми для розрахунку силових параметрів торцевого робочого органу [4, 5, 9, 13];

– досліджено динаміку гідравлічного приводу динамічних робочих органів [2, 7, 12];

– визначені енергетичні параметри руйнування грунту динамічними робочими органами землерийних машин при розробці грунту в імпульсному режимі [8, 11];

– проведено експериментальні дослідження торцевого робочого органу траншеєкопача з керованими силовими параметрами в лабораторних та польових умовах [6];

– проведено розробку конструкцій нових низькоенергоємних землерийних робочих органів та силових імпульсних приводів [14 – 21].

Апробація результатів дисертації. Основні положення наукових досліджень, що містяться в дисертації, доповідались і отримали позитивну оцінку на: 62, 64-67 Науково-практичних конференціях КНУБА (м. Київ, 2000 р., 2002-2007 рр.), науково-практичній конференції Кременчук, КДПУ (м. Кременчук, 2004 р.), VI науково-технічній конференції АС ПГП «Промислова гідравліка і пневматика» (м. Львів, 2005 р.), щорічних наукових конференціях молодих вчених, аспірантів і студентів КНУБА (м. Київ, 2006-2007 рр.), кафедрі будівельних, дорожніх, меліоративних машин і обладнання Національного університету водного господарства та природокористування (м. Рівне, 2007 р.), кафедрі підйомно-транспортних, будівельних, дорожніх машин і обладнання Харківського національного автомобільно-дорожнього університету (м. Харків, 2007 р.). Дисертаційна робота в повному обсязі була заслухана на розширеному засіданні кафедри будівельних машин КНУБА та науковому семінарі спеціалізованої вченої ради Д 26.056.08 (м. Київ, 2007 р.).

Публікації. Основний зміст положень дисертаційної роботи викладено у 21 друкованій науковій праці, в тому числі 8 патентах України на винаходи та корисні моделі.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, 5 розділів, висновку, 8 додатків, списку використаних джерел з 120 найменувань; містить 48 рисунків та 9 таблиць. Загальний обсяг дисертації складає 155 сторінок машинописного тексту, обсяг основного тексту 135 сторінок, додатків 9 сторінок та список використаних джерел 11 сторінок.

ОСНОВНИЙ Зміст

У вступі викладені актуальність, мета та задачі представленої дисертаційної роботи, наукова новизна, теоретичні та методологічні основи роботи, основні положення, які виносяться на захист, достовірність, практична цінність та реалізація результатів, структура та об’єм роботи.

В першОМУ розділІ проведений аналіз відомих досліджень стану проблеми зниження енергоємності розробки ґрунту механізованим способом, та аналіз досліджень силових імпульсних приводів для інтенсифікації робочих органів землерийних машин.

Дослідженню процесів та закономірностей статичної та динамічної розробки грунтового масиву машинами як безперервної, так і циклічної дії присвячені роботи В.Д. Абезгауза, Ю.О. Вєтрова, В.Л. Баладінського, В.С. Блохіна, М.Г. Малича, О.М. Зеленіна, В.П. Горячкіна, М.Г. Домбровського, Л.В. Назарова, В.В. Нічке, Д.І. Федорова, В.К. Руднєва, В.І. Баловнєва, А.М. Холодова, А.К. Рейша, М.К. Сукача, І.А. Недорєзова, Л.А. Хмари, Л.Є. Пелевіна, Ю.П. Пристайла, В.В. Власова, А.В. Фоміна, В.М. Смірнова, В.О. Крупка, В.Ю. Дончука, О.М. Гаркавенка та інших вчених.

В роботах відзначено, що при динамічному навантаженні об'єм і форма зруйнованої зони робочого середовища залежить від імпульсу сили, що спричиняє залишкові деформації грунту, а також від умов проходження цього імпульсу в масиві та виду робочого органу.

Фундаментальні аналітичні і експериментальні дослідження дозволили обґрунтувати ряд принципово нових положень зниження енергоємності робочих процесів торцевого робочого органу. Основними з цих положень є такі:

1.

2.

3.

4.

5.

6.

Дослідженню силових імпульсних систем присвячені роботи Т.М. Башти, Є.М. Хаймовича, В.М. Баранова, Ю.Є. Захарова, З.Я. Лур’є, І.Б. Матвєєва, О.Г. Лазуткіна, А.Ф. Кичігіна, А.С. Сагінова, Є.Ф. Чекулаєва, Г.Й. Зайончковського та ін.

Аналіз типів приводів будівельних машин дозволив визначити гідравлічний привод як пріоритетний для використання в якості силового імпульсного приводу робочого органу. До нього пред’являються такі вимоги: нерозривності потоку робочої рідини під час утворення імпульсу сили, а також забезпечення достатньої подачі рідини як основа відсутності кавітації.

З аналізу досліджень, проведених в цьому напрямку для галузі машинобудуванні, визначено напрямки інтенсифікації динамічних робочих органів шляхом використання силових імпульсних систем. На основі проведеного аналізу торцевого робочого органу траншеєкопача з керованими силовими параметрами вибрано напрям та сформульовано задачі дисертаційного дослідження.

ДРУГИЙ розділ присвячено визначенню кінематичних та силових показників торцевого робочого органу траншеєкопача.

Траншеєкопач з торцевим робочим органом (рис.1, а, б) складається з базової машини, на навісне обладнання якої встановлено торцевий робочий орган, що являє собою диск, який лобовою поверхнею зорієнтований на масив розроблюваного грунту, на якій розміщені різальні та метальні елементи. Торцевий робочий орган поєднує в собі основні положення енергозбереження, що дозволяє знизити енергоємність розробки грунту механізованим способом.

Аналіз процесу розробки грунту торцевим робочим органом показує, що перед його лобовою частиною сформовано масив, фізико-механічні властивості якого змінюються, що призводить до значного розкиду максимумів сили опору грунту руйнуванню в процесі роботи.

Дослідження процесу відокремлення часток грунту під час його руйнування торцевим робочим органом показало, що усереднений розкид максимумів сили опору грунту руйнуванню коливається в межах 20…50% для грунтів ІІ-ІV категорій.

Тож, при розробці рунтів ІІ-ІV категорій виникає необхідність примусового керування силовим потоком на торцевому робочому органі. Керування силовим потоком торцевого робочого органу полягає в реалізації додаткових силових імпульсів, що призводить до утворення додаткових імпульсних рухів при основному русі впровадження руйнуючого елементу (рис. 2, а, б).

При цьому швидкість входження різального елементу в массив становить

. (1)

де , та – відповідно колова швидкість робочого органу, швидкість руху базової машини та швидкість направленого силового імпульсу.

Для інтенсифікації процесу руйнування грунту торцевим робочим органом траншеєкопача використовується силовий імпульсний гідравлічний привод.

Імпульсне утворення додаткової сили на робочому органі під час розробки грунту також спричиняє утворення перед лобовою частиною торцевого робочого органу ослаблених грунтових зон. Використання гідравлічного зворотного зв’язку в імпульсному приводі дозволяє адаптувати робочий орган до зміни фізико-механічних властивостей грунту в ході роботи (рис. 3, а).

Забезпечення виконання нерозривності потоку робочої рідини як основної вимоги до імпульсного гідроприводу виконується шляхом використання дросельного розподільника з від’ємним перекриттям (рис. 3, б).

Розроблений спеціальний дросельний розподільник включає в себе робочу камеру 1, всередині якої встановлено з можливістю обертання приводний вал 3. На приводний вал 3 жорстко встановлено золотник 2 з ексцентриситетом , причому радіус золотника має таку величину , яка утворює гарантований зазор між золотником та магістраллю , що забезпечує нерозривність потоку робочої рідини.

При повороті золотника дросельного розподільника змінюється прохідний перетин напірної магістралі, що приводить до зміни подачі робочої рідини. Зміна швидкості протікання робочої рідини супроводжується імпульсом тиску в системі (рис. 3, в).

Таким чином, для реалізації керування силовими параметрами торцевого робочого органу траншеєкопача запропонована конструкція, яка включає в себе сукупність торцевого робочого органу та генератора коливань у вигляді дросельного розподільника, який включений в загальну гідросхему приводу. При цьому визначено, що для торцевого робочого органу з діаметром диску 0,6 м кутова швидкість складає 70…90 с-1, швидкість переміщення 0,1…0,12 м/с, номінальний крутний момент на валу двигуна 400 Н•м, момент імпульсу 0,8 Н•м•с.

У ТРЕТЬОМУ розділі проведені теоретичні дослідження торцевого робочого органу з керованими силовими параметрами.

Для визначення особливостей роботи торцевого робочого органу з керованими силовими параметрами було проведено аналіз процесу взаємодії робочого органу з грунтом та визначено, що на вихідний вал редуктора приводу робочого органу діє спектр навантажень, що складається з таких складових: періодичної складової, спричиненої входом - виходом зубців з зачеплення із ґрунтом; періодичної складової, що виникає у приводі; широкосмугового випадкового процесу.

Визначення повного спектру частот коливання на робочому органі, дозволяє враховувати відповідне загальне навантаження , що в свою чергу обумовлює проведення силового та міцнісного розрахунків землерийної машини з урахуванням режиму роботи торцевого робочого органу.

Траншеєкопач в загальному випадку розглядається як коливальна система з трьома ступенями свободи. Положення робочого органу в просторі визначається пружними деформаціями гідромеханізму підйому і деформаціями навіски робочого органу (рис.1, а).

При траншейному режимі основними видами коливань є лінійні коливання базового трактора, які визначаються переміщенням , кутові коливання навіски траншеєкопача, які визначаються кутом , кутові коливання диску торцевого робочого органу, які визначаються кутом .

Розглядаючи траншеєкопач з торцевим робочим органом як консервативну систему, складено рівняння руху траншеєкопача на основі рівнянь Лагранжа ІІ роду і після відповідних перетворень одержуємо диференціальні рівняння коливань системи

(2)

де , , – проекції сили різання грунту відповідно на вісі та , прикладені до площини диску; – рушійний момент на колесі базового трактора; – радіус приводного колеса базового трактора; – радіус дії сили різання грунту відносно вісі колеса базового трактора; – маса базової машини; – маса навісного обладнання; – маса торцевого робочого органу; , – відповідно момент інерції навіски та робочого органу; – момент на валу приводного двигуна торцевого робочого органу; – коефіцієнт, що враховує в’язкі показники гідроциліндра керування навіскою; – жорсткість гідроциліндра керування навіскою; , , – відповідно радіус кріплення торцевого робочого органу відносно шарніру повороту навіски, радіус кріплення гідроциліндра керування навіски та радіус диску торцевого робочого органу.

Чисельне вирішення системи рівнянь (2) дозволило отримати залежності зміни кутової швидкості диску торцевого робочого органу та зміну тиску в поршневій камері гідроциліндра керування положенням навіски при імпульсній дії сили різання (рис. 4-5). При цьому приймались наступні параметри моделювання: Н; Н•м; кг; кг; кг; 75 кг•м2; 25 кг•м2; Н•м; Н•с/м; Н/м; м; м.

Процес почергового розгону та наступного гальмування реалізовано дросельним розподільником (рис. 2, б).

Імпульсний процес утворення додаткової сили на робочому органі за рахунок дросельного регулювання швидкості силового гідромотора складається з етапів короткочасного гальмування та наступного розгону поршня гідромотора.

Врахування характеру регулювання прохідного перетину напірного трубопроводу в математичній моделі дросельного розподільника дозволяє внести доповнення в класичну математичну модель дросельного керування силовим гідромотором.

При цьому були прийняті такі додаткові умови:

1. Рівняння нерозривності виражається законом збереження рухомої маси рідини.

2. Рівняння руху рухомих елементів складається на підставі основного закону динаміки, що описує рух поршня гідромотора як твердого тіла.

3. Рівняння витрати рідини через гідроапаратуру залежить від дроселювання робочої рідини.

4. Визначальною приймаємо подачу , яка визначає швидкість висування поршня гідромотора.

5. Сила тертя поршня гідромотора постійна.

З урахуванням цих припущень, математична модель аналізованого приводу приймає вигляд:

(3)

де – витрати в поршневій порожнині гідромотора та через дросель; – коефіцієнт витрати робочої рідини; – площа прохідного перерізу дроселя, що забезпечує швидкість заданого робочого ходу; – густина робочої рідини; – номінальний тиск в системі; – тиск в поршневій порожнині гідромотора; х – переміщення поршня гідромотора; – ефективна площа поршня гідромотора; –об'єм у нагнітальній камері у початковий момент утворення імпульсу; – маса рухомих частин приводу; – швидкість руху робочої рідини, м/с; – коефіцієнт в’язкого тертя; – приведена сила на поршні гідромотора; – сила напівсухого тертя поршня гідромотора; – швидкість ударної хвилі робочої рідини; – модуль пружності робочої рідини; – тривалості фази гідравлічного удару; – час закривання напірної лінії.

Чисельне рішення математичної моделі дросельного регулювання гідромотора дозволяє отримати картину зміни імпульсу тиску нагнітання в залежності від часу утворення імпульсу. При цьому приймались наступні параметри моделювання: = 0,65; = 900 МПа?с2/см2; = 14 МПа; = 1,785•10-4 м2; = 2,5•10-6 м3; = 50 кг; = 20 Н?с/см; = 150 Н.

Під час моделювання процесу утворення імпульсу (рис. 7, а, б) встановлено, що межі доцільного утворення імпульсу тиску складають 15…20% від номінального. Подальше збільшення тиску спричиняє збільшення величини тривалості фази гідравлічного удару, що спричиняє утворення кавітації в системі, при якому ККД системи різко знижується.

Аналіз отриманих математичних моделей дозволяє описати масові показники робочого органу, машини та визначити параметри силового імпульсного гідравлічного приводу за умови потрібної величини направленого імпульсу на торцевому робочому органі траншеєкопача; визначити межі раціонального утворення імпульсу в системі приводу; визначити величини спрацювання силового імпульсного приводу; визначити стійкості приводу торцевого робочого органу в коливальному режимі; попередньо визначити працездатність приводу при його роботі в коливальному режимі.

Використання отриманих аналітичних залежностей дозволяють враховувати під час створення торцевого робочого органу з керованими силовими параметрами властивості силової частини робочого органу та особливості прикладання додаткової сили на робочий орган, що дозволяє визначити показники ефективного утворення направленого імпульсу.

У ЧЕТВЕРТОМУ розділі наведені результати експериментальних досліджень процесу розробки грунту торцевим робочим органом та закономірності зміни його енергетичних показників.

В ході проведення експериментального дослідження на стенді визначались: момент на приводному двигуні гідромотора ; кутова швидкість вихідного валу гідромотора ; кутова швидкість золотника дросельного розподільника ; зміна тиску в напірних лініях приводного гідромотора та час його утворення; температура робочої рідини гідроприводу. При цьому варіювались кутова швидкість золотника дросельного розподільника в межах 100…150 с-1, та подача робочої рідини в приводі в межах 150…270 л/хв (2,5…4,5•10-3 м3/с).

При натурному дослідженні визначались: момент на приводному двигуні гідромотора ; кутова швидкість золотника дросельного розподільника ; зміна тиску в напірних лініях приводного гідромотора та гідроциліндра керування положенням навіски ; подача робочої рідини в приводі ; температура робочої рідини; визначались параметри виконаної траншеї та час, витрачений на її утворення. При цьому варіювались швидкість переміщення базової машини в межах 0,09…0,14 м/с та кутова швидкість робочого органу в межах 50…95 с-1.

Для проведення експериментальних досліджень силових параметрів торцевого робочого органу траншеєкопача з керованими силовими параметрами було розроблено і виготовлено спеціальний стенд (рис. 8). Дослідний стенд складається з баку 1 з робочою рідиною від якого живиться насос 3, що приводиться в рух від електричного двигуна 2. З нагнітальної камери насоса 3 робоча рідина надходить до розподільника 7, який далі подає рідину до гідромотора 10, на якому встановлено торцевий робочий орган. Для запобігання аварії системи, між насосом та розподільником паралельно встановлено запобіжний клапан 13, що виходом через фільтр 14 зв’язаний з баком 1. Окрім цього, між розподільником 7 та гідромотором 10 встановлено дросельний розподільник 8, що приводиться в рух від автономного електродвигуна 12. Для контролю параметрів системи в схему встановлено між насосом 3 та розподільником 7 датчик температури 5, перед дросельним розподільником 8 – датчик тиску , в напірній та зливній ліній гідромотора 10 відповідно датчик тиску та .

Для вимірювання частоти та амплітуди зміни тиску в напірній лінії використовувався частотний датчик тиску типу МС-3000, який дозволяє відслідковувати зміну тиску в системі в межах 0,05…50 МПа. Для керування системою та зняття показників з датчиків для контролера було складено програму в програмному модулі “Alpha Programming”.

Дослідження на стенді проводились з метою визначення амплітудно-частотних властивостей імпульсного гідравлічного приводу з дросельним розподільником 8 з діаметром золотника 60 мм, гарантованим зазором 2 мм а також перевірки працездатності запроектованого силового імпульсного гідравлічного приводу. Характеристика елементів стенду наведена в табл. 1.

Таблиця 1

Характеристика силових елементів стенду

№ п/п | Назва | Позиція на схемі | Характеристика

1 | Двигун електричний приводний | 2 | Марка АМУ225М4

= 45 кВт, = 1500 хв-1

2 | Насос аксіально-поршневий | 3 | Марка 210.25 = 39 кВт, = 150…270 л/хв (2,5…4,5•10-3 м3/с)

3 | Мотор гідравлічний аксіально-поршневий | 10 | Марка 210.20 = 54,8 см3,

= 2700…4900 хв-1

4 | Двигун електричний приводу дросельного розподільника | 12 | Марка АИСЕ71А4

= 0,25 кВт, = 1500 хв-1

Випробування на стенді проводились при робочому тиску 20 МПа, робочій подачі 150…270 л/хв, з утворенням гальмівного моменту на вихідному валу в 500 Н•м.

Виявлено, що середній період коливань тиску становить 2…2,510-2 с. Експериментально підтверджено, що керування параметрами приводу, яке призводить до збільшення імпульсу тиску понад 20 % від номінального значення тиску в системі спричиняє виникнення в приводі під час перекриття напірного трубопроводу прямого удару, що суттєво погіршує роботу системи.

Натурні випробування торцевого робочого органу траншеєкопача з керованими силовими параметрами в імпульсному режимі на базі екскаватора, на який встановлена навіска з торцевим робочим органом з діаметром диску 0,6 м, проводились на грунтах щільністю 1800…2000 кг/м3, швидкість переміщення 0,12 м/с (рис. 9).

Залежність енергоємності руйнування грунту від швидкості обертання диску робочого органу визначена при виконання рівної продуктивності машини в межах 90 м3/год зі швидкістю переміщення базової машини 0,12 м/с. Визначена функція залежності енергоємності руйнування грунту ІІ-IV категорії при зміні швидкості обертання за умови коливального режиму руху з частотою коливань 40…45 Гц – , де – кутова швидкість торцевого робочого органу. Також отримано характер зміни тиску в поршневій камері гідроциліндра керування положенням навіски при роботі робочого органу в імпульсному режимі (рис.6).

Порівняльна картина енергоємності торцевого робочого органу траншеєкопача з керованими силовими параметрами в імпульсному 1 та безімпульсному 2 режимах роботи (рис. 10) показує, що імпульсне створення додаткового моменту на робочому органі величиною в 40 Н•м дозволяє знизити енергоємність руйнування грунту IV категорії в коливальному режимі на 14…16 %. Окрім цього, при роботі торцевого робочого органу в імпульсному режимі спостерігалось збільшення фракції розробленого грунту в 1,5…1,8 разів. Похибка експериментального дослідження склала 10…12 %.

В результаті проведених експериментальних досліджень можна зробити висновок, що використання запроектованого силового імпульсного приводу для торцевого робочого органу траншеєкопача дозволяє зменшити енергоємність руйнування рунту IV категорії на 14…16 % за рахунок керування режимом руху торцевого робочого органу в процесі роботи.

Також встановлено, що середнє значення приросту тиску в системі для утворення силового імпульсу складає близько 3 МПа (при номінальному 14 МПа), середнє значення енергоємності руйнування грунту складає близько 590 Вт•год/м3, значення продуктивності руйнування грунту складає близько 90 м3/год.

Звідси можна зробити висновок, що запропоновані аналітичні залежності для визначення силових параметрів торцевого робочого органу з керованими силовими параметрами можна використовувати для проведення інженерних розрахунків.

У П’ЯТОМУ розділі виконано інженерний розрахунок силових показників торцевого робочого органу з керованими силовими параметрами; проведений синтез навіски торцевого робочого органу, а також наведена методика розрахунку приводу торцевого робочого органу траншеєкопача з керованими силовими параметрами.

В ході розробки методики інженерного розрахунку силових показників торцевого робочого органу з керованими силовими параметрами визначено, що глибина впровадження різального елементу в масив за один імпульс визначається за формулою:

(4)

де – час імпульсу; – маса рухомих частин робочого органу; – швидкість робочого органу в момент імпульсу. – щільність грунту; де – площа контакту різальних елементів з грунтом; – відносна деформація розроблюваного середовища.

Енергоємність коливального процесу складатиме

, (5)

де – приріст імпульсу тиску в системі приводу робочого органу; – кутова швидкість коливальних рухів робочого органу; – питомий об’єм приводного двигуна; – кількість коливань, необхідних для відокремлення елементу масиву; – час імпульсу.

Існуюче навісне обладнання, виконане за схемою на рис. 11, а дозволяє використовувати його для роботи торцевого робочого органу при виконанні траншей. Але недоліком такої схеми є збільшена траєкторія нижньої точки диску робочого органу під час заглиблення.

Окрім цього, при коливальному режимі руху робочого органу виникає необхідність визначення напружень в елементах навіски під час роботи.

Синтез навіски торцевого робочого органу траншеєкопача з керованими силовими параметрами дозволяє визначити оптимальну траєкторію заглиблення робочого органу (глибина траншеї = 0,4 м, діаметр диску = 0,6 м) і виведення його в транспортне положення, що послужило підставою для вибору раціональних лінійних розмірів елементів навіски (рис. 11, б).

Заглиблення торцевого робочого органу складається з двох етапів: заглиблення до потрібної глибини траншеї та встановлення потрібного кута нахилу диску до напряму руху машини.

Аналіз кінематики торцевого робочого органу траншеєкопача з керованими силовими параметрами дозволяє визначити залежності зміни ходу гідроциліндру утворення додаткової корисної сили, від траєкторії робочого органу, за якими можна розробити автоматизовану систему управління процесом заглиблення робочого органу. На рис.11, в зображені залежності зміни величини висування штока гідроциліндра ГЦ 1 – 3, гідроциліндра ГЦ 2 – 2 від зміни глибини занурення робочого органу та відповідно кута нахилу диску до напряму руху машини.

Розроблена інженерна методика визначення параметрів керування торцевим робочим органом траншеєкопача дозволяє визначити: параметри для вибору приводного двигуна при потрібному часі імпульсу, номінальному робочому тиску, та знизити матеріалоємність навісного обладнання робочого органу.

ВИСНОВКИ

1. Огляд та аналіз досліджень в області руйнування грунту динамічними робочими органами показав, що на сьогоднішній час відсутні загальноприйняті підходи до визначення раціональних параметрів траншеєкопача з торцевим робочим органом.

2. Встановлено, що перспективним є використання торцевого робочого органу траншеєкопача з керованими силовими параметрами, завдяки можливості швидкісного утворення силового імпульсу на робочому органі з амплітудою та частотою, необхідною для відокремлення елементу грунту від масиву у відповідності до зміни фізико-механічних властивостей грунту, що призводить до збільшення фракції елементів розробленого грунту та зменшення енергоємності його руйнування.

3. Розроблено математичні моделі робочого процесу торцевого робочого органу при його роботі в коливальному режимі, що дозволяє визначити масові та геометричні параметри робочого органу та машини в залежності від геометрії траншеї та категорії грунту.

4. В результаті виконаних досліджень встановлено, що середнє значення імпульсу тиску в системі складає близько 3 МПа; середнє значення енергоємності руйнування грунту складає близько 590 Вт•год/м3; значення продуктивності руйнування грунту складає близько 90 м3/год при номінальному тиску системи = 14 МПа;

5. Визначено взаємозв’язок фізико-механічних властивостей грунту та силових параметрів торцевого робочого органу, який враховує зміну інерційних параметрів приводу торцевого робочого органу від зміни міцнісних показників грунту та дозволяє виконувати його руйнування з відривом елементів грунту замість їх зминання.

6. Проведений синтез навісного обладнання торцевого робочого органу траншеєкопача з керованими силовими параметрами дозволив мінімізувати траєкторію заглиблення диску, що визначається менш енергоємним процесом та визначити залежності зміни величин висування штоків гідроциліндрів керування навіскою у відповідності до лінійності траєкторії заглиблення та забезпечення ефективного кута різання грунту. Силовий розрахунок синтезованої навіски дозволив мінімізувати її металоємність за умови коливального режиму руху та потраплянні диску на жорсткий елемент.

7. Результати проведених експериментальних досліджень в лабораторних та польових умовах підтверджують теоретичні положення реалізації керування силовим потоком торцевого робочого органу при руйнуванні грунту IV категорії. Розбіжність складає 10…12 %.

8. Встановлена оцінка параметрів ефективного силового імпульсу для утворення коливального режиму руху різального елементу диску, та проведено розрахунок основних показників силового приводу торцевого робочого органу з керованими силовими параметрами. Так при швидкості впровадження різального елементу в масив 20 м/с та швидкості обертання 90 с-1 а також швидкості пересування машини 0,12 м/с, глибина впровадження різального елементу в масив за один імпульс складає 0,01 м, при цьому досягається зниження енергоємності руйнування грунту на 16 %.

9. Визначені межі раціональної частоти утворення імпульсу (40…55 Гц), які визначаються мінімумом енергоємності та відповідають умові нормальної роботи торцевого робочого органу.

10. Запропоновано методику розрахунку основних показників торцевого робочого органу траншеєкопача з керованими силовими параметрами та розроблено ряд нових робочих органів, які впроваджені у виробництво та в учбовий процес.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ

Статті у наукових фахових виданнях

1. Рашківський В.П. Імпульсний гідравлічний привод виконавчих механізмів будівельних машин/ Пелевін Л.Є., Рашківський В.П.// Техніка будівництва. Науково-технічний журнал. – К., 2001. – № 9. – С. 48-53.

2. Рашківський В.П. Пульсуючий гідропривод робочого органу обертальної дії/ Пелевін Л.Є., Рашківський В.П., Фомін А.В.// Гірничі, будівельні, дорожні та меліоративні машини: Всеукраїнський міжвід. зб. наукових праць. – К., 2002. – Вип. 59 – С.25-30.

3. Рашківський В.П. Використання явища резонансу при розробці грунту в гідравлічних динамічних приводах/ Пелевін Л.Є., Рашківський В.П., Фомін А.В.// Техніка будівництва. Науково-технічний журнал. – К., 2002, № 11. – С. 39-44.

4. Рашківський В.П. Динаміка насосного безакумуляторного приводу землерийних машин/ Пелевін Л.Є., Рашківський В.П.// Техніка будівництва. Науково-технічний журнал. – К., 2002. – № 12. – С. 53-58.

5. Рашківський В.П. Створення гідроімпульсної подачі на робочому органі землерийної машини/ Пелевін Л.Є., Рашківський В.П.// Гірничі, будівельні, дорожні та меліоративні машини: Всеукраїнський міжвід. зб. наукових праць. – К., 2003. – Вип. 61 – С.63-69.

6. Рашківський В.П. Експериментальна динаміка гідроімпульсних безакумуляторних систем/ Пелевін Л.Є., Рашківський В.П.// Гірничі, будівельні, дорожні та меліоративні машини: Всеукраїнський міжвід. зб. наукових праць. – К., 2003. – Вип. 62. – С.79-83.

7. Рашківський В.П. Математичне моделювання імпульсного гідроприводу робочих органів землерийних машин/ Рашківський В.П.// Вісник Кременчуцького політехнічного університету: Наукові праці КДПУ. – Кременчук: КДПУ, 2004. – Вип. 4/2004 (27). – С. 113-115.

8. Рашківський В.П. Адаптивні робочі органи землерийних машин/ Пелевін Л.Є., Рашківський В.П.// Гірничі, будівельні, дорожні та меліоративні машини: Всеукраїнський міжвід. зб. наукових праць. – К., 2004. – Вип. 64. – С.59-63.

9. Рашківський В.П. Динаміка землерийної машини з торцевим робочим органом/ Пелевін Л.Є., Рашківський В.П.// Техніка будівництва. Науково-технічний журнал. – К., 2004. – № 15, – С. 8-15.

10. Рашківський В.П. Землерийна машина з адаптивним робочим органом/ Пелевін Л.Є., Рашківський В.П.// «Вестник Харьковского национального университета автомобильно-дорожного университета»: Сборник научных трудов. – Харьков, 2005. – Вып. 29. – С. 285-288.

11. Рашківський В.П. Землерийний робочий орган з дискретним регулюванням/ Пелевін Л.Є., Рашківський В.П.// “Промислова гідравліка та пневматика”: Всеукраїнський науково-технічний журнал. – Вінниця, 2006. – Вип. 2 (12). – С. 115-118.

12. Рашківський В.П. Исследование и создание землеройной техники с энергосберегающими ствойствами для прокладки коммуникационных линий в городский условиях/ Горбатюк Є.В., Тетерятник А.А., Рашковский В.П.// ИНТЕРСТРОЙМЕХ-2007: материалы Международной научно-технической конференции, Самара 11-14 сентабря 2007 г. – Самара: Самарск. гос. арх.-строит. ун-т., 2007 – С.158-162.

13. Рашківський В.П. Моделювання динаміки руху траншеєкопача з торцевим робочим органом/ Ловейкін В.С., Пелевін Л.Є., Рашківський В.П.// Гірничі, будівельні, дорожні та меліоративні машини: Всеукраїнський зб. наукових праць. – К., 2007. – Вип.64. – С.78-83.

Патенти

14. Пат. 44563 А Україна, МКВ E02F5/10. Робочий орган землерийної машини: Фомін А.В., Пелевін Л.Є., Костенюк О.О., Рашківський В.П., Тетерятник О.А. – № 2001053502; Заявл. 24.05.01; Опубл. 15.02.02, Бюл. № 2 – 2 с.

15. Пат. 52005 А Україна, МКВ E02F5/10. Керований гідропривід: Смірнов В.М., Пелевін Л.Є., Гаркавенко О.М., Рашківський В.П., Солонько Р.М. – № 2002042545, Заявл. 20.03.02; Опубл. 16.12.02, Бюл. № 12 – 2 с.

16. Пат. 52268 А Україна, МКВ E02F5/30, 9/22. Слідкуючий дискретний гідропривід робочих органів землерийних машин: Баладінський В.Л., Смірнов В.М., Пелевін Л.Є., Рашківський В.П., Солонько Р.М. – № 2002042566; Заявл. 01.04.02; Опубл. 16.12.02, Бюл. № 12 – 2 с.

17. Пат. 61861 А Україна, МКВ E02F5/08. Робочий орган траншеєкопальної машини: Пелевін Л.Є., Рашківський В.П., Левицький Р.Г. – № 2003098440; Заявл. 12.09.03; Опубл. 15.01.03, Бюл. № 1 – 3 с.

18. Пат. 61863 А Україна, МКВ E02F5/32. Робочий орган розпушувача активної дії: Пелевін Л.Є., Рашківський В.П., Левицький Р.Г. – № 2003098442; Заявл. 12.09.03; Опубл. 15.01.03, Бюл. № 1 – 4 с.

19. Пат. 66067 А Україна, МКВ E02F5/32. Розпушувач активної дії: Баладінський В.Л., Пелевін Л.Є., Смірнов В.М., Гаркавенко О.М., Рашківський В.П. – № 2003076806; Заявл. 18.07.03; Опубл. 15.04.04, Бюл. № 4 – 5 с.

20. Пат. 5595 U Україна, МКВ E02F5/00. Торцевий робочий орган землерийної машини: Пелевін Л.Є., Рашківський В.П. – № 20040705863; Заявл. 16.07.04; Опубл. 15.03.05, Бюл. № 3 – 4 с.

21. Пат. 6736 U Україна, МКВ E02F5/00. Гідрозбудник зубців екскаватора: Пелевін Л.Є., Рашківський В.П., Човнюк О.В., Мельниченко Р.П. – № 20041109206; Заявл. 09.11.04; Опубл. 16.05.05, Бюл. №5 – 2 с.

АнотаціЯ

Рашківський В.П. Торцевий робочий орган траншеєкопача з керованими силовими параметрами. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.05.04 – машини для земляних та дорожніх робіт, Київський національний університет будівництва та архітектури, Київ, 2008.

В дисертації наведено дослідження, направлені на підвищення ефективності роботи траншеєкопачів, підвищення адаптаційних властивостей його робочого органу за рахунок зміни режимів руху різальних елементів.

Торцевий робочий орган траншеєкопача, являє собою диск на лобовій поверхні якого знаходяться різальні та метальні елементи.

Керування силовими параметрами торцевого робочого органу полягає в можливості швидкісного утворення силового імпульсу на робочому органі з амплітудою та частотою, необхідною для відокремлення елементу грунту від масиву у відповідності до зміни фізико-механічних властивостей грунту.

В ході виконання роботи розроблено систему математичних моделей “грунт – робочий орган – привод”, які описують взаємодію диску торцевого робочого органу з грунтом під час його руйнування, динаміку траншеєкопача при імпульсному навантаженні його робочого органу, динаміку силового імпульсного гідравлічного приводу траншеєкопача з торцевим робочим органом при утворенні направленого імпульсу шляхом дросельного регулювання приводного гідромотора.

Визначені закономірності зміни енергетичних показників торцевого робочого органу при зміні його режиму руху аналітичними та експериментальними шляхами. Встановлено характер зміни динамічних навантажень, що діют в елементах траншеєкопача при імпульсному навантаженні робочого органу. Виготовлені дослідно-промислові зразки у вигляді лабораторного стенду та навісного обладнання траншеєкопача, новизна технічних рішень яких захищена 14 патентами України на винаходи та корисні моделі.

Ключові слова: робочий орган, траншеєкопач, силовий імпульсний привод, адаптація, дросельний розподільник.

АННОТАЦИЯ

Рашковский В.П. Торцевой рабочий орган траншеекопателя с управляемыми силовыми параметрами. – Рукопись.

Диссертация на получение научной степени кандидата технических наук за специальностью 05.05.04 – машины для земляных, дорожных и лесотехнических работ, Киевский национальный университет строительства и архитектуры, Киев, 2008.

Существующий торцевой рабочий орган траншеекопателя представляет собой диск на лобовой поверхности которого находятся резательные и метательные элементы при использовании имеет существенный недостаток, который заключается в отсутствии адаптации его к физико-механические свойства рабочей среды во время ее разрушения.

Актуальным является разработка низкоэнергоемного торцевого рабочего органа, в котором за счет возможности управления режимом движения резательных элементов появляется возможность адаптации рабочего органа к физико-механическим свойствам грунта.

Данная работа посвящена исследованию режимов работы торцевого рабочего органа траншеекопателя с управляемыми силовыми параметрами при разработке грунта.

Управление силовыми параметрами торцевого рабочего органа заключается в возможности скоростного образования силового импульса на рабочем органе с величиной и частотой, необходимой для отделения элемента грунта от массива в соответствии с изменением физико-механических свойств грунта.

Адаптация происходит благодаря гидравлической обратной связи и реализована через базовый гидропривод.

В ходе выполнения работы разработана система математических моделей “грунт – рабочий орган – привод”, которые описывают взаимодействие диска торцевого рабочего органа с грунтом во время его разрушения, динамику траншеекопателя при импульсной нагрузке его рабочего органа, динамику силового импульсного гидравлического привода траншеекопателя с торцевым рабочим органом при образовании направленного импульса путем дроссельного регулирования приводного гидромотора.

Разработанная схема силового импульсного гидравлического привода, в котором роль генератора колебаний реализуется предложенным дроссельным распределителем, что позволяет образовывать импульс давления путем поочередного перекрытия и следующего открытия проходного