Совершенствование скребкового грунтоуборщика с целью повышения производительности бесковшового цепного траншеекопателя

На правах рукописи

устинов андрей владимирович

Совершенствование скребкового грунтоуборщика с целью повышения производительности

бесковшового цепного траншеекопателя

05.05.04 – Дорожные, строительные и подъемно-

транспортные машины

автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

томск – 2006

Работа выполнена в ГОУВПО «Томский государственный архитектурно-строительный университет»

Научный руководитель – кандидат технических

наук, профессор

Кириллов Федор Федорович

Официальные оппоненты: - доктор технических

наук, профессор

Веригин Юрий Алексеевич

- кандидат технических

наук, доцент

Коротков Владимир Сергеевич

Ведущая организация - ОАО «Томскводоканал»

Защита диссертации состоится 27 декабря 2006г. в 10-00 часов на
заседании диссертационного совета К 212.265.01 при Томском
государственном архитектурно-строительном университете по адресу: 634003, Томск, пл. Соляная 2, корп. 4, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Томского
государственного архитектурно-строительного университета.

Автореферат разослан 24 ноября 2006 г.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ

диссертационного Кравченко С.М.

совета

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В России в последние десятилетия наблюдается интенсивный рост объемов строительства, освоения природных ресурсов, обустройства нефтяных месторождений, газа и других полезных ископаемых, требующих достижения качественно нового уровня в капитальном строительстве, коренного улучшения качества работ на сооружаемых и реконструируемых объектах, разработки грунта с повышенной эффективностью.

Применение бесковшовых цепных траншеекопателей позволяет снизить энергозатраты на разработку мерзлого грунта, получить технологически подготовленную траншею, которую можно использовать для прокладки инженерных коммуникаций, нефтепромысловых трубопроводов, выемки целиков, пересадки деревьев, проведения взрывных работ и других видов.

Взаимодействие бесковшового цепного исполнительного органа с мерзлым грунтом при копании траншеи характеризуется тем, что режуще-транспортирующие элементы (РТЭ) одновременно с рыхлением грунта транспортируют его из траншеи.

Вынесенный на поверхность грунт осыпается в зазоры между исполнительным органом и боковыми стенками траншеи, затягивается в нее холостой ветвью режущей цепи и скапливается в нижней части исполнительного органа между РТЭ. Уплотняясь, он усложняет доступ резцов к забою, при этом увеличивается как усилие подачи, так и усилие протягивания режущей цепи.

Для повышения эффективности работы РТЭ необходимо снизить количество осыпающегося грунта с дневной поверхности путем удаления вынесенного грунта от исполнительного органа. Это в свою очередь позволит исключить подпрессовку грунта и обеспечить заданную производительность траншеекопателя по нарезке траншеи, особенно при использовании ее по технологическому назначению.

На основании проведенной классификации средств удаления грунта и анализа их работы нами предлагается использовать для этих целей скребковый грунтоуборщик.

В связи с изложенным, исследования направленные на совершенствование средств и способов удаления разрушенного грунта от исполнительного органа, являются актуальными.

Целью настоящей работы является повышение производительности бесковшового цепного траншеекопателя за счет совершенствования скребкового грунтоуборщика.

Объект исследований: бесковшовый цепной траншеекопатель со скребковым грунтоуборщиком.

Предмет исследования: процесс работы скребкового грунтоуборщика по уборке вынесенного на поверхность грунта при проходке траншей бесковшовым цепным траншеекопателем.

Для достижения цели были поставлены следующие задачи исследований:

- выполнить анализ исследований факторов, определяющих производительность бесковшовых цепных траншеекопателей;

- классифицировать по основным признакам устройства для удаления вынесенного на дневную поверхность грунта от прорезаемой траншеи;

- рассмотреть теоретические предпосылки совершенствования средств и способов удаления разрушенного грунта из зоны работы бесковшовых исполнительных органов траншейных экскаваторов;

- провести экспериментальные исследования на модели скребкового грунтоуборщика;

- разработать инженерную методику расчета рациональных параметров скребковых грунтоуборщиков;

- оценить экономическую эффективность результатов исследования.

Теоретической и методологической основой диссертации является анализ системы «бесковшовый цепной траншеекопатель – разрабатываемая среда» в вопросе совершенствования рабочего оборудования – скребкового грунтоуборщика. В работе использована теория подобия и размерностей, метод математического и физического моделирования рабочих процессов, теория транспортирования сыпучих материалов и других фундаментальных наук.

На защиту выносятся следующие положения:

- методика определения параметров скребкового грунтоуборщика;

- методика проведения экспериментов на модели скребкового грунтоуборщика;

- результаты экспериментальных исследований процесса удаления вынесенного грунта от траншеи скребковым грунтоуборщиком;

- методика инженерного расчета скребкового грунтоуборщика при совместной работе с бесковшовым цепным траншеекопателем;

- результаты анализа эффективности установки скребкового грунтоуборщика на бесковшовый цепной траншеекопатель.

Достоверность научных положений обоснована:

- методологической базой исследования основанной на положениях теории подобия и размерностей, теоретической механики, теории машин и механизмов и математической статистики, теории транспортирования сыпучих материалов;

- всесторонними исследованиями в лабораторных условиях скребкового грунтоуборщика и анализом результатов применения его на бесковшовых цепных траншеекопателях.

Научная новизна:

- предложена методика моделирования процесса уборки скребковым грунтоуборщиком вынесенного грунта от траншеи.

- определены значения затрачиваемой мощности скребковым грунтоуборщиком на удаление грунта от траншеи при различных его физико-механических свойствах и режимах работы траншеекопателя.

- разработана методика инженерного расчета рациональных параметров скребкового грунтоуборщика.

Практическая ценность и реализация результатов работы.

Результаты исследований рекомендованы и получили одобрение, частично внедрены в конструкции экскаваторов траншейных ЭТЦ-206,
ЭТЦ-208В, используются ОАО «Копейский машиностроительный завод».

Методика выбора и расчета скребковых грунтоуборщиков используется ОАО «Томскводоканал» (г. Томск), НИЦ «Импульс» (г. Бишкек), и в учебном процессе кафедры «Строительные и дорожные машины» Томского государственного архитектурно-строительного университета по дисциплине «Машины для земляных работ» специальностей 19.02.05 – «Подъемно-транспортные, строительные, дорожные машины и оборудование» и 27.01.13 – «Механизация и автоматизация строительства».

Личный вклад автора заключается в следующем:

- в формулировании цели и общей идеи работы;

• в уточнении классификации средств удаления вынесенного мерзлого грунта от прорезаемой бесковшовым цепным экскаватором траншеи;
• в уточнении коэффициентов заполнения межскребкового пространства грунтоуборщика, кинематических и силовых параметров по результатам теоретических исследований;
• в составлении многофакторной функциональной зависимости параметров скребкового грунтоуборщика при транспортировке мерзлого грунта;
• в установлении зависимости затрачиваемой мощности скребковым грунтоуборщиком от физико-механических свойств грунта и режимов работы траншеекопателя;
• в разработке инженерной методики определения рациональных параметров скребкового грунтоуборщика при совместной работе с бесковшовым цепным траншеекопателем и экономической оценки результатов.

Апробация исследований. Результаты диссертационной работы обсуждались на IV международной научно-технической конференции «Итоги строительной науки» (Владимир, 2005), международной научно-технической конференции «Интерстроймех-2006» (Москва, 2006), на IV всероссийской научно-технической конференции «Политранспортные системы» (Красноярск, 2006), на заседаниях кафедры «Строительные и дорожные машины» Томского государственного архитектурно-строительного университета.

Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 8 опубликованных работах.

Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 168 страницах и состоит из введения, пяти глав, основных выводов по работе, списка литературы из 105 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении представлены актуальность работы, научная новизна, практическая ценность, основные положения выносимые на защиту, реализация работы, апробация, личный вклад автора, публикации, структура и объем работы.

В первой главе выполнен анализ исследований факторов, определяющих производительность бесковшовых цепных траншеекопателей. Проведена классификация грунтоуборщиков, служащих для удаления вынесенного на поверхность грунта от траншеи. Определены задачи исследований скребкового грунтоуборщика.

При резании угля были определены основные факторы, влияющие на производительность исполнительных органов такими отечественными учеными как А.И. Берон, В. Н. Гетопанов, Л. И. Кантовица, Н.Г. Крапивин, Ю.Д. Красников, Е.З. Позин, М.М. Протодьяконов, В.И. Солод, А.М. Терпигоров, А.В. Топчиев, В.Н. Хорин и другими. Очевидна разница условий эксплуатации машин по добыче угля и траншеекопателей. Исполнительные органы врубовых машин ведут работы в горизонтальной плоскости, а траншеекопателем прорезается вертикальная щель, в результате чего затруднено удаление отделенного от массива грунта из траншеи в виду сил собственного веса выносимого грунта.

Обстоятельное изучение механизма разрушения пород малой и средней крепости при резании проводились В.Д. Абезгаузом, В.И. Баловневым, Ю.В. Ветровым, А.Н. Зелениным, И.А. Недорезовым, П.С. Кучеровым и многими другими.

Начиная с 50-х годов, ведутся интенсивные исследования по разработке мерзлых грунтов механическим способом. Комплексные научно-исследовательские работы по созданию машин с цепным режущим органом применительно к разработке мерзлых грунтов осуществлялись под руководством О.Д. Алимова, И.Г. Басова, В.Г. Юдина, В.Б. Лещинер. На основе глубоких и обширных исследований процесса резания мерзлого грунта была обоснована необходимость выбора режимов работы бесковшового цепного исполнительного органа таким образом, чтобы производительность его по рыхлению мерзлого грунта не превышала производительности по удалению продуктов разрыхления из траншеи, то есть выполнялось условие

, (1)

где Q – производительность исполнительного органа по рыхлению грунта в траншее; qц – производительность затягивания грунта холостой ветвью в призабойное пространство; Qп – производительность режущей цепи по выносу грунта из траншеи; qп – количество грунта, проходящего в единицу времени в зазоры между прорезаемой щелью и плитами исполнительного органа.

При не соблюдении этого соотношения разрыхленный грунт скапливается в призабойном пространстве, вновь уплотняется – подпрессовывается и затрудняет рыхление грунта в массиве, что ведет к резкому увеличению потребляемой мощности.

Анализом режимов работы бесковшовых цепных траншеекопателей установлено, что режим подпрессовки начинается от величины срезаемой стружки h = 20 … 28 мм, при этом увеличивается энергоемкость разрушения грунта (исследования проведены для бесковшовых цепных траншеекопателей на тракторах тягового класса 100 кН).

Для предотвращения появления подпрессовки необходимо убирать грунт от исполнительного органа путем использования дополнительного рабочего оборудования для разравнивания или буртования вынесенного грунта около прорезаемой траншеи.

Была установлена необходимость комплектования траншеекопателей устройствами для своевременного удаления с поверхности от прорезаемой траншеи разрушенного грунта, обеспечив циркуляцию в прорезаемой щели меньшего объема грунта и исключив обрушение его в прорезаемую траншею. Была проведена их классификация, определены задачи дальнейших исследований:

- провести теоретические исследования влияния параметров скребкового грунтоуборщика на эффективность его эксплуатации;

- выполнить экспериментальную проверку теоретических положений на модели скребкового грунтоуборщика позволяющую минимизировать затраты на проведение опытов;

- разработать инженерную методику расчета рациональных параметров скребковых грунтоуборщиков и оценить экономическую эффективность применения их на бесковшовых цепных траншеекопателях.

Во второй главе приведены теоретические предпосылки совершенствования средств и способов удаления разрушенного грунта из зоны работы бесковшовых исполнительных органов траншейных экскаваторов.

Параметром совершенствования скребкового грунтоуборщика была определена его производительность.

Нами был введен коэффициент, характеризующий скорость потока разрыхленного грунта j. Он учитывает во сколько раз скорость движения режущей цепи больше скорости потока разрушенного грунта выносимого РТЭ из прорезаемой траншеи.

Значение коэффициента j при подъеме разрыхленного грунта из щели в период близко предшествующий режиму подпрессовки, когда скорость разрушенного грунта будет максимальной, определится по зависимости

, (2)

где H и B – соответственно глубина и ширина прорезаемой траншеи; hв – вылет резца из кулака цепи; m – коэффициент увеличения сечения траншеи перед кулаками цепи за счет пространства между ними; – коэффициент разрыхления мерзлого грунта; Т – толщина направляющей рамы рабочего органа; K1 – коэффициент пропорциональности, учитывающий повторное затягивание грунт холостой ветвью на рабочую.

Для проверки изложенных выше теоретических положений и установления количественных значений отдельных коэффициентов были проведены специальные эксперименты. По результатам исследований выявлены закономерности влияния толщины срезаемой стружки h на величину коэффициента разрыхления мерзлого грунта . Величина достигает 1,6 … 1,9. Большие значения коэффициента j имеют место при скоростях движения цепи менее 2,0 м/сек, меньшие при > 2,0 м/с.

Составлены теоретические зависимости по определению коэффициентов заполнения межскребкового пространства (рис.1).

а) б)

Рис. 1 – Схема взаимодействия скребка с буртом грунта

Выражения для определения коэффициента заполнения межскребкового пространства (с учетом коэффициента разрыхления грунта и того, что грунт не уходит за пределы скребка на пути ) будут иметь вид:

1) для цепи с прямыми скребками

; (3)

2) для цепи с сегментными скребками

; (4)

3) для цепи с Г-образными скребками

. (5)

Для прямых скребков с различной шириной bс подсчитаны значения коэффициента заполнения : для скребка с – ; для скребка с – ; для скребка с – .

Установлены зависимости показателей скребкового грунтоуборщика от параметров траншеекопателя и прорезаемой щели в мерзлом грунте, таких как скорость движения скребковой цепи

. (6)

Составлена схема приложения усилий к скребку (рис. 2) и определены их значения.

Рис. 2 – Схема усилий, действующих на скребок

Вследствие сопротивления перемещению грунта по грунтовой постели скребок отклоняется от вертикального положения на угол , зависимость величины которого от высоты скребка h и натяжения цепи S в данной точке грунтоуборщика определяется из условия равновесия сил, действующих на скребок и ближние звенья скребковой цепи. С учетом приведенного выше значения коэффициента заполнения межскребкового пространства усилие сопротивления перемещению грунта K приложено к скребку на расстоянии .

Из условия равновесия сыпучей среды сила, действующая на скребок, определится

, (7)

где G – масса грунта в межскребковом пространстве; Q – масса скребка с ближними звеньями; – вертикальная составляющая силы натяжения звеньев цепи; – угловой коэффициент усилия K;
f – коэффициент трения грунта о грунт; – шаг расстановки скребков.

Общая работа, расходуемая на транспортирование грунта:

- при планировании

; (8)

- при буртовании

. (9)

Тогда мощность, расходуемая на транспортирование грунта скребковым грунтоуборщиком:

- при планировании грунта

; (10)

- при буртовании грунта

. (11)

Энергоемкость процесса транспортирования грунта скребковым грунтоуборщиком:

- при планировании грунта

; (12)

- при буртовании грунта

. (13)

В третьей главе рассматривается методика проведения экспериментальных исследований на модели скребкового грунтоуборщика.

Для проведения исследований работы скребкового грунтоуборщика была создана экспериментальная установка, определен коэффициент уменьшения линейных размеров модели равный трем, . Установка состоит из трех основных частей: модель грунтоуборщика, пульт управления, регистрирующая аппаратура (рис. 3).

Рис. 3 – Модель скребкового грунтоуборщика

При проведении экспериментов на модели скребкового грунтоуборщика определены ошибки измерений, находящиеся в допустимых пределах.

При проведении опытов изменялась форма, размеры скребка при одинаковой площади F (табл. 1).

Таблица 1 – Характеристика исследуемых скребков модели

форма скребка параметры скребка	прямые				сегментные
	2	1	3	4	8	5	7	6
Высота H, мм	120	100	84	84	120	100	100	84
Ширина B, мм	240	300	354	354 отгиб	240 отгиб	300 отгиб	300	354
	0,5	0,33	0,25	0,25	0,5	0,33	0,33	0,25

Пробы грунта для проведения экспериментов были взяты от цепного бесковшового траншеекопателя. Влажность грунта определялась взвешиванием его на аналитических весах (ГОСТ 5180-84). Она составила от 6 до 18 %. В процессе проведения экспериментов были определены угол естественного откоса , коэффициенты трения грунта о грунт и грунта о скребок , угол внутреннего трения и коэффициент сцепления грунта .

Таблица 2 – Параметры грунта

Параметры и вид грунта		Влажность W, %
		6	13	18
Суглинок		0,61	0,56	0,55
	Ксц	0,85	0,88	0,90
		0,45	0,42	0,40

На основе анализа факторов влияющих на процесс удаления вынесенного на дневную поверхность грунта от прорезаемой бесковшовым цепным экскаватором траншеи были выделены параметры: свойства транспортируемого грунта и свойства, принадлежащие скребковому транспортеру (ширина скребка транспортера ; коэффициент заполнения транспортирующего пространства грунтом ; скорость подачи траншеекопателя или перемещения транспортера ; скорость движения рабочего органа транспортера , скорость движения цепи для скребкового грунтоуборщика; подача на один скребок ; массовая производительность , усилие, расходуемое на транспортирование ; мощность, расходуемая транспортером на транспортирование грунта ). Анализируя вышеприведенные факторы можно отметить, что все они независимы, управляемы, совместимы, однозначны и могут быть с достаточной точностью замерены.

Рассмотрев ряд факторов, была выбрана в качестве критерия мощность Nтр, требуемая на удаление вынесенного на дневную поверхность грунта от прорезаемой траншеи, отвечающая всем перечисленным условиям.

Приняв за основу систему подобия приближенного физического моделирования, размерностей, процесс удаления вынесенного на дневную поверхность грунта от прорезаемой бесковшовым цепным экскаватором траншеи описывается функцией

Nтр = f(, S, fтр,, W,, П, ц, Fсц, Qв, P).

В качестве основных единиц системы приняты, ц, P. Тогда критерии подобия запишутся:

; ; ;

, ;

; ; .

Для того чтобы избежать систематических ошибок, опыты рандомизировались, для каждой величины скорости подачи и скорости движения скребковой цепи с десятикратным повторением в различных точках факторного пространства.

В четвертой главе анализируются результаты экспериментальных исследований проведенных на модели скребкового грунтоуборщика.

Изучен механизм образования тела волочения перед скребками грунтоуборщика различных форм и размеров. Образование ядра уплотнения продолжается на всем пути движения скребка, а образующееся из него тело волочения располагается и начинает выходить за пределы скребка. За счет сил трения грунта о грунт и грунта о скребок происходит непрерывное ворошение грунта внутри тела волочения. В результате образуется конечная его форма в виде трехгранной призмы, параметры которой определяются размерами скребка и свойствами грунта.

Определена транспортирующая способность скребка, зависящая от его формы и размеров (рис. 4) при . Сравнивая между собой скребки прямой и сегментной формы, как с отгибом, так и без него, можно сделать заключение, что скребки с отношением H/B = 1/4 имеют примерно одинаковые транспортирующие способности и усилия протягивания скребка. Скребки с отношением H/B = 1/2 во всех случаях имеют транспортирующую способность меньше, чем скребки с отношением H/B = 1/3 и H/B = 1/4. Транспортирующая способность у скребков сегментной формы с отгибом (H/B = 1/2) на 16 % больше, чем у скребков прямой формы.

Рис. 4 – Зависимость транспортирующей

способности скребка от его формы

Зависимость V=f(H/B) (рис. 4) показывает, что с уменьшением отношения рассматриваемых скребков увеличивается транспортирующая способность. Скребки сегментной формы имеют транспортирующую способность больше, чем прямые скребки. На транспортирующую способность влияет дополнительный отгиб. Так, прямой скребок с отношением H/B = 1/4 с отгибом имеет транспортирующую способность на 13 % больше, чем прямой без отгиба.

На усилие транспортирования так же влияет форма скребка. Рассматривая зависимость P = f(H/B) можно сказать, что скребок сегментной формы имеет большую величину усилия транспортирования, чем прямой скребок. Это подтверждает зависимость удельного сопротивления перемещению от подачи на один скребок Pуд = f(S) (рис. 5).

Рис. 5 – Зависимость удельного сопротивления

перемещению Pуд = P/G от подачи S

Это увеличение объясняется величиной внедрения скребка в разрушаемый грунт. Скребки сегментной формы имеют величину удельного сопротивления перемещению меньше, чем прямые скребки. Это можно объяснить тем, что грунт перемещается по сегментному скребку с меньшим сопротивлением, чем по прямому скребку.

Определен доверительный интервал значений удельного сопротивления перемещению для различных по виду скребков, демонстрирующий разброс значений в зависимости от вида скребка, его геометрических размеров и формы, от подачи S на один скребок. С увеличением подачи в пять раз удельное сопротивление перемещению уменьшается в два раза.

Проведена проверка коэффициентов заполнения межскребкового пространства. Полученные в результате проведенных опытов значения (рис. 6) коэффициента заполнения межскребкового пространства отличаются от значений коэффициента заполнения для различных форм скребков, вычисленных по формулам (3), (4), (5).

Рис. 6 – Зависимость коэффициента заполнения межскребкового

пространства от скорости движения скребковой цепи

Такое отличие можно объяснить тем, что при выводе формул предполагалось, что грунт не выходит за пределы скребка. На практике же грунт выходит за пределы скребка, что существенно влияет на коэффициент заполнения межскребкового пространства.

Ошибка определения коэффициента заполнения межскребкового пространства скребкового грунтоуборщика составила 11,4 %.

В практике использования скребковых грунтоуборщиков целесообразно назначить величину подачи S на один скребок несколько большую допустимой подачи , а именно . Часть грунта при этом будет оставаться на грунтовой «постели», но это не будет оказывать особого влияния на дальнейшую работу рабочего органа траншеекопателя. Транспортирующая способность скребков при этом увеличится. А так же можно эксплуатировать скребковый грунтоуборщик с меньшей скоростью движения скребковой цепи, что снизит динамические нагрузки.

Проведенные экспериментальные исследования при различных геометрических размерах скребков позволили определить взаимосвязь режимов работы скребкового грунтоуборщика с геометрическими размерами рабочего органа – скребка.

Таким образом, можно определить необходимую скорость движения скребковой цепи при известных параметрах траншеи, физико-механических свойствах выносимого из траншеи мерзлого грунта, скорости перемещения бесковшового цепного траншеекопателя, размеров скребков и шаге их расстановки на цепи (рис. 7).

Рис. 7 – Зависимость скорости движения скребковой цепи от

скорости подачи машины при различных размерах скребков

Проведение экспериментальных исследований позволило установить зависимость мощности, расходуемой на привод скребкового грунтоуборщика от скорости движения скребковой цепи при различной влажности мерзлого грунта (П = const) и при различной скорости подачи П (W = const).

Исследования проводились со скребковой цепью, скребки расставлены на цепи с шагом t = 270 мм. Ранее проводимые исследования показывают, что шаг расстановки скребков влияет на величину мощности и при шаге 270 мм она минимальна.

Исследования зависимости N = f(ц) проводились при постоянной скорости подачи. А скорость движения скребковой цепи изменялась от максимальной ц = 4,4 м/с до минимальной, при которой нарушалась устойчивая работа грунтоуборщика. То есть происходило нарушение нормального движения скребков, когда они удаляют весь вынесенный из траншеи грунт. Объем тела волочения становился настолько велик, что рабочий орган грунтоуборщика не справлялся с выносимым на дневную поверхность грунтом. Не выполнялось условие превышения производительности грунтоуборщика по удалению грунта от рабочего органа цепного бесковшового траншеекопателя над производительностью по выносу грунта РТЭ из прорезаемой щели
Qгрунтоуборщика > QРТЭ. Скорость движения скребковой цепи, при которой не выполняется условие, обозначим критической ц крит.

Обработкой результатов испытаний проведенных на модели скребкового грунтоуборщика установлено уравнение, удовлетворительно описывающее значения затрачиваемой мощности на транспортирование скребками вынесенного грунта от прорезаемой траншеи

. (14).

Полученные натурные данные отражены в графиках на рис. 8-9. Зависимость N = f(ц) выполнена для мерзлых грунтов при скорости подачи скребкового грунтоуборщика П от 41 м/час до 155 м/час (рис. 8).

Рис. 8 – Зависимость мощности от скорости движения скребковой цепи

1) – влажность мерзлого грунта W = 6 %;

2) – влажность мерзлого грунта W = 13 %;

3) – влажность мерзлого грунта W = 18 %

А влажность грунта изменялась от 6 % до 18 % (рис. 9).

Рис. 9 – Зависимость мощности от скорости движения скребковой цепи

1) – скорость подачи ;

2) – скорость подачи ;

3) – скорость подачи

Увеличение мощности в этом случае связано с увеличением толщины S захватываемого слоя грунта скребками. Толщина этого слоя грунта зависит от конструктивных и кинематических параметров, которые между собой связаны известной зависимостью .

Поэтому при скорости подачи и уменьшении скорости движения скребковой цепи происходит увеличение объема тела волочения перемещаемого скребками, что ведет к увеличению мощности расходуемой на привод скребковой цепи. Величина скорости , при которой происходит увеличение мощности, зависит от скорости подачи.

Так при влажности грунта (рис. 8) 13 % минимальная скорость движения скребковой цепи при скорости подачи . Увеличивая скорость подачи траншеекопателя до критическая скорость так же увеличивается до 1,85 м/с. При дальнейшем увеличении скорости подачи до 81,5 м/час и 155 м/час критическая скорость движения скребковой цепи увеличивается соответственно до 2,1 м/с (на 30 %) и до 2,5 м/с на (55 %).

Мощность, расходуемая на транспортирование грунта скребками при критической скорости движения скребковой цепи, достигшей минимального значения , изменяется с изменением критической скорости движения скребковой цепи. Для грунта влажностью и скорости подачи (рис. 8), величина мощности составляет . Увеличивая скорость подачи до , мощность увеличивается до или на 102 %.

На величину расходуемой мощности оказывает влияние и влажность мерзлого грунта. Проанализируем изменение мощности при скоростях подачи и движении скребковой цепи (рис. 9) в зависимости от изменения влажности грунта от 6 % до 18 %. Минимальная расходуемая мощность на транспортирование составит 3,0 кВт при влажности грунта. При увеличении влажности мощность увеличивается. Дальнейшее увеличение влажности до и приводит к увеличению мощности соответственно до (на 43 %) и до (на 76 %).

Проведенные исследования скребкового грунтоуборщика с различной формой скребков при площади показали, что наибольшей транспортирующей способностью обладают скребки с отношением прямоугольной и сегментной формы при H = 84 мм, B = 354 мм. Усилие протягивания скребка в зависимости от подачи имеют пропорциональную зависимость только до величины подачи . При подачах больших транспортирующая способность и усилие протягивания скребков стабилизируется. Каждый скребок имеет ограниченную геометрическими размерами транспортирующую способность, увеличение которой можно осуществлять за счет боковых отгибов или использования скребков сегментной формы. Необходимо выбирать скорость движения скребковой цепи в пределах от 1,7 м/с до 2,5 м/с. При этом мощность грунтоуборщика будет минимальная от 3,2 кВт до 9 кВт, а производительность грунтоуборщика достигать своих максимальных значений.

Сравнение результатов расчета, выполненного по зависимостям (6-13), с результатами проведенных нами экспериментальных исследований позволяет считать эти зависимости достоверными и использовать их для расчета теоретических значений с погрешностью расчета не превышающей 10 … 15 %.

В пятой главе представлена методика выбора и расчета основных параметров скребкового грунтоуборщика и рассмотрены вопросы экономической эффективности результатов исследования.

Инженерная методика расчета служит для проектирования скребковых грунтоуборщиков и обеспечения их совместной работы с бесковшовым цепным траншеекопателем (рис. 10).

Рис. 10 – Бесковшовый цепной траншеекопатель

со скребковым грунтоуборщиком

Методика позволяет определить на стадии проектирования рациональные параметры скребков грунтоуборщика и скребковой цепи, кинематические параметры механизма и силовые. Приведена методика тягового расчета скребковой цепи и определения массы движущихся частей скребкового грунтоуборщика. Отражены результаты (табл. 3) применения инженерной методики расчета скребковых грунтоуборщиков на бесковшовых цепных траншеекопателях с мощностью двигателя базовой машины 96 кВт и глубиной прорезаемой траншеи 2,0 м, шириной 0,14 м.

Таблица 3 – Параметры скребкового грунтоуборщика

Показатель	Обозначение	Значе-ние	Показатель	Обозначение	Значе-ние
шаг скребковой цепи	tц, мм	63	длина скребковой цепи	Lц, мм	6426
максимальное окружное усилие на приводной звездочке	, кН	5,3	мощность скребкового грунтоуборщика	Nц, кВт	3,2 … 9
			количество звеньев цепи	W, шт.	102
геометрические размеры скребка	bс x hс, мм2	354 x 84	масса скребковой цепи грунтоуборщика	mц, кг	37
диаметры делительной окружности звездочек	dпр, мм d2, мм	342,85 263,25	шаг расстановки скребков на цепи	tс, мм	270
скорость движения скребковой цепи	ц, м/с	1,7 м/с … 2,5 м/с	производительность грунтоуборщика	Qгрунтоуб-ка, т/ч	60,48

Определена эффективность применения бесковшовых цепных траншеекопателей со скребковым грунтоуборщиком с помощью составленной технико-экономической модели представленной зависимостью

, (15)

где Цб – цена базовой машины; – коэффициент учета роста производительности новой техники по сравнению с базовой; – коэффициент учета изменения срока службы новой машины по сравнению с базовой; – изменение текущих издержек эксплуатации при использовании новой машины вместо базовой; – изменение сопутствующих капитальных вложений; Эк, Эс, Ээ – эффект от изменения качества продукции, социальный и экологический эффект, обусловленные применением новой техники.

Экономический эффект от внедрения методики расчета скребковых грунтоуборщиков достигается за счет применения скребковых грунтоуборщиков – как рабочего оборудования бесковшовых цепных траншеекопателей, что влечет увеличение скорости подачи траншеекопателя не приводя к работе в режиме подпрессовки грунта. Увеличивается производительность траншеекопателя, и, следовательно, снижается себестоимость единицы конечной продукции, что обеспечивает народнохозяйственный эффект.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ РАБОТЫ

1. Изучен процесс образования тела волочения перед скребком грунтоуборщика, определены усилие и объем транспортирования грунта скребками различных форм и размеров, их транспортирующая способность.
2. Установлена зависимость и определен доверительный интервал значений удельного сопротивления перемещению массы транспортируемого грунта при различных величинах подачи на один скребок различных типов.
3. Установлена рациональная скорость движения скребковой цепи грунтоуборщика (1,7 … 2,5 м/с) при которой требуемая мощность на транспортирование грунта от прорезаемой траншеи составит 3,2 … 9 кВт.
4. На основании проведенных теоретических и экспериментальных исследований разработана инженерная методика определения рациональных параметров скребкового грунтоуборщика на стадии проектирования бесковшовых цепных траншеекопателей.
5. Ожидаемый народнохозяйственный эффект от применения бесковшовых цепных траншеекопателей со скребковым грунтоуборщиком составит 283 200 руб. в год за счет увеличения производительности траншеекопателя на 12 %.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Щипунов, А.Н. К определению плотности потока штыба и влияние величины уплотнения отделенного от массива грунта на режимы работы экскаватора траншейного цепного бесковшового (ЭТЦБ)/ А.Н. Щипунов, А.В. Устинов и др.// Итоги строительной науки: Материалы IV международной научно-технической конференции. – Владимир: ВООО ВОИ, 2005. – С. 180-185.

2. Щипунов, А.Н. Влияние конструктивно-кинематических параметров рабочего органа баровых машин на процесс разработки мерзлого грунта/ А.Н. Щипунов, В.А. Слепченко, А.В. Устинов// Итоги строительной науки: Материалы IV международной научно-технической конференции. – Владимир: ВООО ВОИ, 2005. – С. 178-180.

3. Щипунов, А.Н. Обоснование критериев подобия при моделировании процессов удаления грунта от рабочего органа экскаватора траншейного цепного бесковшевого/А.Н. Щипунов, А.В. Устинов; Томский гос. архит.-строит. ун-т – Томск, 2006, 31 с., ил. – Деп. в ВИНИТИ 04.08.06, № 1042-В2006.

4. Щипунов, А.Н. Поиск возможных путей повышения производительности траншейных экскаваторов при разработке мерзлых грунтов/ А.Н. Щипунов, А.В. Устинов// Материалы международной научно-технической конференции «ИНТЕРСТРОЙМЕХ 2006». – Москва, 2006. – С. 360-363.

5. Щипунов, А.Н. Классификация средств удаления вынесенного грунта от траншеи, прорезаемой бесковшевым цепным траншеекопателем/А.Н. Щипунов, А.В. Устинов; Томский гос. архит.-строит. ун-т – Томск, 2006, 18 с., ил. – Деп. в ВИНИТИ 24.10.06, № 1258-В2006.

6. Кириллов, Ф.Ф. Методика определения параметров скребковых грунтоуборщиков, применяемых на бесковшовых цепных траншеекопателях/ Ф.Ф. Кириллов, А.Н. Щипунов, А.В. Устинов// Политранспортные системы: материалы IV Всеросс. НТК, Красноярск, 22 – 24 ноября 2006 г.: В 2 ч. Ч. 2. Красноярск: ИПЦ КГТУ, 2006. – С. 72-74.

7. Щипунов, А.Н. Удаление продуктов разрушения от прорезаемой траншеи цепным грунтоуборщиком/ А.Н. Щипунов, А.В. Устинов// Изв. вузов. Строительство. – 2006. – № 11, 12. С. 72-78.

8. Заявка 2006134233. Российская Федерация, МПК Е 02 F 5/06. Рабочее оборудование траншеекопателя/ Кириллов Ф.Ф., Щипунов А.Н., Школьный А.Н., Устинов А.В.; Заявитель ГОУВПО «ТГАСУ»; приоритет 25.09.2006. – 11 с.