Обоснование выбора конструктивных и технологических параме т ров исполнительного органа бесковшовых це п ных траншеекопат е лей

на правах рукописи

Школьный Александр николаевич

Обоснование выбора

конструктивных и технологических параметров

исполнительного органа бесковшовых цепных

траншеекопателей

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 Абраменков Дмитрий Эдуардович

- кандидат технических наук,

доцент Минин Виталий Васильевич

Ведущая организация: ЗАО «Томэкскавация» г. Томск

Защита диссертации состоится 26 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

Дальнейшее освоение природных ресурсов и интенсивное строительство в регионах Сибири и Дальнего Востока требует разработки больших объемов мерзлого грунта. В качестве машин для проходки траншей для укладки различного рода коммуникаций, выемке котлованов под фундамент, а также для аварийно-восстановительных работ на коммуникациях широко применяются траншеекопатели.

Большое количество машин, созданных различными предприятиями и организациями страны, отличается как разнообразием конструкций, так и их технологических параметров. Причем последние, как правило, выбирались интуитивно, исходя из опыта эксплуатации отдельных машин.

В настоящее время не только в России, но и в Европе, Америке и Канаде выпускаются бесковшовые цепные траншеекопатели, за основу которых приняты конструктивные схемы схожие с отечественными машинами. Современные цепные траншеекопатели, вместе с конструктивными схемами, унаследовали также и недостатки более ранних машин: несовершенную схему исполнительных органов, не всегда оптимальные технологические параметры.

Проведенные научные исследования процессов взаимодействия исполнительных органов с мерзлым грунтом не дают ответ на вопросы: какие режущие элементы необходимо применять, каким образом размещать эти резцы на исполнительном органе, какие задавать режимы работы, т.е. какая скорость резания должна быть у исполнительного органа и с какой скоростью должен перемещаться траншеекопатель, чтобы обеспечить наибольшую производительность.

Поэтому задачи создания и совершенствования многорезцовых исполнительных органов и режимов их работы являются по-прежнему актуальными.

Целью настоящей работы является обоснование методики выбора конструктивных и технологических параметров исполнительного органа бесковшовых цепных траншеекопателей в зависимости от свойств разрушаемой среды и конструктивно-кинематических параметров базовой машины.

Объект исследований: многорезцовые исполнительные органы бесковшовых цепных траншеекопателей

Предмет исследований: Процесс взаимодействия многорезцового исполнительного органа с мерзлым грунтом.

Для достижения цели были поставлены следующие задачи исследований:

• исследовать степень блокированности резцов при взаимодействии многорезцовых исполнительных органов с мерзлым грунтом;
• установить оптимальный шаг расстановки резцов между линиями резания;
• разработать математическую модель взаимодействия исполнительных органов бесковшовых цепных траншеекопателей с мерзлым грунтом;
• определить оптимальные (рациональные) технологические параметры рабочего процесса траншеекопателей в зависимости от изменения прочностных свойств разрабатываемых грунтов;
• разработать методику расчета исполнительных органов траншеекопателей для разработки мерзлых грунтов.

Методы исследования.

Применен комплексный метод, включающий: аналитический обзор и обобщение существующего опыта, теоретические разработки с использованием методов механики резания различных материалов, механики грунтов, методов корреляционно-регрессивного анализа, методов теории планирования и статистической обработки результатов эксперимента.

Научная новизна работы представлена:

• уточнением механизма резания мерзлых грунтов многорезцовым исполнительным органом;
• уточнением нагруженности резцов в различных схемах расстановки и математическим описанием схем;
• уточнением степени блокированности резания многорезцовым исполнительным органом;
• выбором оптимальной установки резцов на исполнительном органе;
• обоснованием конструктивных и технологических параметров исполнительных органов бесковшовых цепных траншеекопателей, а так же в установлении оптимальных режимных параметров работы существующих машин при разработке мерзлых грунтов с целью повышения их производительности.

Практическая ценность и реализация результатов работы.

Разработанная методика расчета принята для использования в ЗАО «Томэкскавация», ООО «УМ-2-Сервис», (г. Томск), где по этой методике спроектирован, изготовлен и внедрен траншеекопатель на базе ЭТЦ-165. Методика применяется в учебном процессе кафедры «Строительные и дорожные машины» Томского государственного архитектурно-строительного университета по дисциплине «Машины для земляных работ» для студентов 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:

• уточнен механизм резания мерзлых грунтов многорезцовым исполнительным органом;
• уточнена нагруженность резцов в различных схемах расстановки и математическим описанием схем;
• уточнена степень блокированности резания многорезцовым исполнительным органом;
• выбрана оптимальная установка резцов на исполнительном органе;
• обоснованы конструктивные и технологические параметры исполнительных органов бесковшовых цепных траншеекопателей.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы доложены на международной научно-технической конференции «Интерстроймех-2005» (Тюмень, 2005), на IV международной научно-технической конференции «Итоги строительной науки» (Владимир, 2005), на международной научно-технической конференции «Интерстроймех-2006» (Москва, 2006), на заседании кафедры «Строительные и дорожные машины» Томского государственного архитектурно-строительного университета.

Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 5 опубликованных работах.

Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 155 страницах и включает введение, четыре главы, основные выводы работы, библиографический список и приложения.

На защиту выносятся:

• математическая модель взаимодействия исполнительного органа бесковшовых цепных траншеекопателей с мерзлым грунтом;
• результаты экспериментальных исследований процесса взаимодействия с мерзлым грунтом резца с различной степенью блокированности и нагруженности многорезцового исполнительного органа;
• выбор оптимального шага расстановки резцов между линиями резания;
• методика определения оптимальных технологических параметров рабочего процесса траншеекопателей в зависимости от изменения прочностных свойств разрабатываемых грунтов;
• методика расчета конструктивных и технологических параметров исполнительного органа бесковшовых цепных траншеекопателей.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении изложены актуальность, цель и задачи представленной диссертационной работы, научная новизна, теоретические и методологические основы работы, основные положения, выносимые на защиту, достоверность, практическая ценность и реализация результатов, апробация, структура и объем работы.

Первая глава посвящена современному состоянию проблемы разработки мерзлых грунтов и анализу научных исследований, посвященных взаимодействию исполнительных органов с разрушаемой средой, оценке прочностных характеристик мерзлых грунтов.

Вопросам разработки мерзлых грунтов посвящено большое количество исследований таких научных школ как МАДИ, МГСУ, КИСИ, ТГАСУ, СибАДИ, а также коллективов научно-исследовательских центров: ВНИИСДМ, ВНИИЗеммаша, ВНИИтранспортного строительства, СибНИИ Стройдормаша; конструкторского бюро «Газстроймашина», заводов: «Дмитровский экскаваторный завод», ПО «Таллэкс», «Копейский машиностроительных завод», «Михневский РМЗ».

Большой вклад в разработку теории резания грунтов внесли видные ученые: Н.Г. Домбровский, А.Н. Зеленин, Ю.А. Ветров, Д.И. Федоров, И.А. Недорезов, В.И. Баловнев, К.А. Артемьев, А.М. Завьялов и др.

Большие комплексные научно-исследовательские работы по созданию бесковшовых цепных траншеекопателей и механизму взаимодействия их с мерзлым грунтом проведены О.Д.Алимовым, И.Г. Басовым, В.Г. Юдиным, В.Б. Лещинером.

Анализируя работу исполнительных органов бесковшовых цепных траншеекопателей, можно выделить следующие главные особенности процесса взаимодействия исполнительного органа с мерзлым грунтом:

1. Работа траншеекопателей протекает в условиях стохастически меняющихся воздействий, вызванных изменчивостью в пространстве и во времени свойств мерзлых грунтов как разрушаемой среды, изменением режущей способности инструмента, а также действием других случайных внешних факторов. Особенностью этих факторов является их неконтролируемость с точки зрения управления процессом.
2. Взаимодействие бесковшовых исполнительных органов с забоем является сочетанием двух процессов: отделения от массива грунта и удаление продуктов разрушения из траншеи. В то же время параметры исполнительного органа по-разному влияют на эффективность этих процессов и, следовательно, процессы следует оптимизировать по разным законам.
3. Управление машиной в процессе работы при изменении внешних воздействий может быть осуществлено изменением рабочих скоростей.

В настоящее время, у действующих машин, изменяется только скорость подачи (перемещения), но уже есть технические возможности регулировать и скорость резания.

Для обеспечения эффективных технологических и режимных параметров необходимо выявить зависимости, описывающие связь между управляемыми величинами и внешними факторами.

4. Поскольку рабочий процесс траншеекопателя (рыхление или подготовка мерзлого грунта к выемке) обычно не является заключительной стадией технологического процесса, то мерой эффективности режимов работы этих машин является их производительность, которая при неизменной ширине исполнительного органа может оцениваться скоростью подачи.

На основании изложенного выше, достижение оптимальных показателей может быть обеспечено алгоритмом решения для выбора которого, необходимо рассмотреть систему различных взаимосвязей

Всю совокупность факторов (параметров) воздействующих на процесс разработки мерзлых грунтов можно разделить на ряд групп в соответствии с характером и долей их участия (рис. 1):

Рисунок 1 -Принципиальная схема процесса взаимодействия факторов

влияющих на процесс разработки мерзлых грунтов бесковшовыми траншейными экскаваторами.

В соответствии с предложенной схемой при выборе технологических режимов работы исполнительного органа и расчете действующих нагрузок должны быть рассмотрены характеристики параметров и полная система связей между параметрами с учетом ограничений, сопровождающих процесс.

Наиболее общее решение дает совместное рассмотрение всех связей

Исследование этих связей позволяет решить две существенные задачи:

• расчет оптимальных конструктивных и технологических параметров создаваемых траншейных экскаваторов;
• определение оптимального режима работы действующих машин в данных грунтово-климатических условиях.

Проведенный анализ исследований мерзлых грунтов как разрушаемой среды, исследований влияния процесса взаимодействия этой среды и инструмента на силовые и энергетические показатели, а также недостаточная изученность технологических параметров рабочего процесса бесковшовых цепных траншеекопателей и конструктивное разнообразие исполнительных органов, позволили сформулировать цель и задачи исследований.

Во второй главе представлена методика проведения экспериментальных исследований механизма взаимодействия с мерзлым грунтом резцов, находящихся в различной степени блокированности и нагруженности многорезцового исполнительного органа.

Исследование проводилось на стенде СРМГ-1, созданным на кафедре «Строительные и дорожные машины» ТГАСУ на базе продольно–строгального станка, на каретке суппорта которого был установлен резцедержатель с тензодинамометром (рис. 2).

План проведения исследований был разработан согласно теории многофакторного эксперимента типа ПФЭ 24.

Рисунок 2 - Стенд для резания мерзлого грунта СРМГ-1	Рисунок 3 - Схема расположения тензометрических колец на основании динамометра

Для изучения зависимости блокированности резца принимались следующие факторы: ширина резца b, толщина срезаемой стружки h, расстояние между соседними линиями резания t и коэффициент нагруженности резца К, представляющий отношение глубины блокированного резания hci к полной толщине срезаемой стружки h.

В качестве отклика принималось отношение усилий резания Pz к силе блокированного резания Pбл. Образцы для экспериментов приготовлялись из трех типов грунтов: глина, суглинок, супесь. Они имели форму параллелепипеда с размерами 500х310х200 мм.

Образцы для испытаний формировались из грунтов естественного залегания путем укладки в форму с послойным перемешиванием и уплотнением с добавлением необходимого количества влаги. Вымораживание поверхностного слоя образцов предотвращалось покрытием влагонепроницаемой пленкой. Образцы охлаждались до заданной температуры в холодильной камере.

Для соблюдения температурных условий эксперимента, лабораторный стенд для исследования процесса резания располагался в неотапливаемом помещении, в котором в зимнее время была отрицательная температура воздуха.

Вся тензометрическая аппаратура, кроме тензодинамометра, находилась в помещении с температурой воздуха около +20°С. Перед началом экспериментов она прогревалась в соответствии с инструкцией по эксплуатации.

Образец мерзлого грунта закреплялся на столе стенда с помощью зажимного устройства, состоящего из двух уголков и двух винтовых стяжек. Один из уголков имел подвижное крепление к столу стенда. Образец устанавливался между уголками, зажимался стяжками, а затем подвижный уголок крепился болтами к столу.

После закрепления на столе образец прострагивался с целью выравнивания поверхности и удаления возможно вымороженного слоя грунта. Определялась температура слоя грунта. В это время закреплялся в гнезде резцедержателя требуемый резец.

Для обеспечения условий эксперимента, в соответствии с планом, проводились подготовительные резы (рис. 4). Первый рез, производился в условиях блокированного реза, глубиной h (рис. 4 а). Затем проводились резы, имитирующие проход последующих резцов при расстановке «симметричная елочка» с расстоянием между линиями t (рис. 4 б, в). Следующим этапом эксперимента, являлось резание моделирующее проход последующего резца одной и то же линии резания на глубину h (рис. 4 г).

Первый и последний резы проводились с одновременной регистрациией осциллографом составляющих сил резания. Часть продуктов разрушения собиралась в бюксы для определения весовой влажности.

После использования всей поверхности образца для осуществления того или иного числа резов она вновь прострагивалась и на последующем слое грунта повторялась новая серия резов с контролем температуры и влажности.

Рисунок 4 – Последовательность проведения резов

Для определения параметров срезов (площадь, углы развала и т.п.) осуществлялось парафинирование следов срезов. Образец располагался так, чтобы резы занимали вертикальное положение. На выровненную поверхность накладывалось толстое стекло и следы резов заливали парафином нагретым до 60°С, при большей температуре он вытекает через возможные неплотности и дает большую усадку при охлаждении.

Полученный таким образом слепок (рис. 5) широкой частью укладывался на бумагу и очерчивался. Полученный рисунок разбивался на интервалы по 5 мм и длина каждой из этих прямых линий замерялась для определения среднего значения развала по поверхности.

Среднее значение площади поперечного сечения блокированного реза вычислялось по длине и объему парафинового слепка. Последний определялся замером объема вытесненной жидкости при погружении слепка в мерный сосуд.

Рисунок 5 - Парафиновые слепки следов резания одиночным резцом

Другие параметры реза (высота прямоугольной части, высота и углы развала) определялись из рисунков площадей поперечного сечения реза, полученных путем очерчивания отдельных элементов парафинового слепка, разрезанного горячей струной на куски длиной 10 мм.

Для вычисления среднего значения площади целика необходимо было определять среднюю его высоту по длине реза. С этой целью было использовано устройство, разработанное на кафедре «Строительные и дорожные машины» Томского государственного архитектурно-строительного университета (рис. 6). Рамка устройства размещалась на выровненной поверхности образца мерзлого грунта так, чтобы подвижная планка 1 была сориентирована параллельно направлению резания и размещенные в подвижной планке через каждые 10 мм стержни 2 опустились по середине целика. По шкале 3 можно было определить положение каждого стержня в измерительном устройстве.

Рисунок 6 - Прибор для измерения средней высоты целика

Обработка осциллограмм осуществлялась методом измерения максимальных и минимальных ординат усилий. Для однородных грунтов определялись среднемаксимальные, среднеминимальные и средние значения составляющих силы резания.

Следует отметить, что максимальная относительная погрешность всех проведенных экспериментов не превышала 8-12% при доверительном интервале с 5% уровнем значимости.

В третьей главе проводились экспериментальные и теоретические исследования взаимодействия многорезцового исполнительного органа с мерзлым грунтом

Анализ геометрических характеристик отделяемых элементов при работе траншеекопателей (рис. 7) показывает, что если резцы на исполнительном органе установлены с одинаковым вылетом, то они делают рез на большую глубину относительно соседних резов, сочетая свободное, полусвободное и блокированное резание.

центральный резец	средний резец	крайний резец

Рисунок 7 – Геометрические характеристики отделяемых элементов

при расстановке резцов по схеме «елочки»

Для установления зависимости усилий резания от степени блокированности и нагруженности проведены эксперименты для трех типов грунтов по плану полного факторного эксперимента типа ПФЭ 24, и после статистической обработки получены уравнения вида Z=B0+ B1t- B2b- B3h+ B4K, позволяющие определять коэффициент блокированности для любого резца в зависимости от ширины резца b, толщины срезаемой стружки h, расстояния между соседними линиями резания t и коэффициента нагруженности резца К. Для различных грунтов эти уравнения имеют вид

для глины Z=0.662+0.028t-0.034b-0.014h+0.30K,

для суглинка Z =0.502+0.029t-0.028b-0.015h+0.34K, (1)

для супеси Z =0.468+0.035t-0.039b-0.011h+0.32K.

На практике бесковшовые цепные траншеекопатели проектируются с использованием нескольких схем расстановки резцов на исполнительном органе (рис.8): симметричная «елочка», разреженная «елочка», шахматная и другие.

	симметричная «елочка»
	разреженная «елочка»
	«шахматная» расстановка
	смешанная расстановка

Рисунок 8 – Существующие схемы расстановки резцов

Кинематический анализ показал, что расстановка резцов для всех схем расстановки описывается одинаковыми математическими зависимостями:

1. Среднее значение коэффициента нагруженности для резцов, установленных в пределах «елочки», когда в каждой линии резания установлено по одному резцу, не зависит от схемы расстановки и незначительно колеблется в зависимости от количества линий резания nl (табл.1).

Таблица 1 – Значения коэффициентов нагруженности

nл	5	7	9	11	13	15
	0,6	0,57	0,56	0,54	0,53	0,53

2. Суммарная длина контакта резцов с забоем в пределах одной «елочки» составляет

(2)

3. Среднее значение силы резания на одном резце с учетом износа резцов находится по зависимости (рис. 9)

(3)

где Pz0 – усилие резания острым резцом, Н;

Pи – усилие, вызванное износом резца, Н;

Pуд – удельная сила резания, МПа

h и b – глубина и ширина реза, мм;

kа =1-(90-)/150- коэффициент влияния угла резания;

kф- коэффициент формы передней поверхности резца;

kэ - коэффициент энергоемкости;

kv=1+0.1·vp – коэффициент влияния скорости резания;

q - давление на площадке износа, МПа;

- длина площадки износа, мм;

- коэффициент сопротивления перемещению площадки износа в направлении движения резца.

Рисунок 9 - Схема сил действующих на резец

Анализ экспериментальных данных показал, что между Руд и q существует устойчивая связь с коэффициентом корреляции r = 0,95007

q=2.11·Pуд. (4)

Силы резания на весь исполнительный орган (рис.10) можно рассчитать по приведенным ниже формулам.

Касательные

(5)

где ,

(6)

Нормальные

(7)

Горизонтальная составляющая (усилие подачи) согласно рис.10 находится по формуле

, (8)

а вертикальная

. (9)

Рисунок 10 – Схема взаимодействия цепного исполнительного органа с грунтом

Поскольку наименьшие усилия резания и, соответственно, энергоемкость процесса при разрушении одного и того же объема грунта многорезцовым исполнительным органом будут зависеть от шага резания, то одной из главных задач при конструировании является определение расстояния между резцами в соседних линиях резания (шага резания).

Проведенные экспериментальные исследования позволили выявить характерные зоны разрушения грунта и описать форму поперечного сечения среза (рис.11):

Рисунок 11 –Схема поперечного сечения среза

Постоянство соотношения сж/р для мерзлого грунта предопределило малый диапазон изменения углов развала борозды, поэтому для блокированного резания различных мерзлых грунтов значения этих углов можно принять равными 1=52, 2=22.

Для оценки боковых расширений прорези приняты безразмерные критерии, представляющие отношения расстояний от открытой поверхности до начала зоны сдвига h1 и зоны отрыва h2 к глубине резания h (рис.11)

k1 = h1 / h; k2 = h2/ h.

Величину боковых расширений можно определить по формуле

(10)

Для суглинков со средним диаметром частиц грунта dср=0,05мм

t1+t2 = (0,75…1,0)·h, (11)

а для супеси dср=0,15мм

t1+t2 = (1,31…1,61)·h. (12)

Учитывая, что значения t1+t2 в выражениях (12) получены как средние, а в действительности возможны и меньшие, для обеспечения гарантированного разрушения грунта между соседними резцами можно считать, что для мерзлых грунтов оптимальный шаг будет равен

tопт=b+Kt·h, (13)

где Kt=0.75…1,3.

Значение оптимального шага резания tопт позволяет проанализировать и выбрать схему расстановки резцов на исполнительном органе с заданной шириной прорезаемой щели В.

Решение такой задачи возможно по двум методам.

Первый метод основывается на том, что оптимальный шаг зависит от ширины b и глубины h резания и значение ширины резца позволит выбрать необходимое количество линий резания nl, соблюдая условие tопт= b+Kt·h.

Решение по второму методу предполагает, что выбранные по прочностным характеристикам резцы определенной геометрии позволяют обеспечить необходимое количество линий резания.

Рисунок 12 – Зависимость усилий резания Pz, усилий резания острым резцом Pz0 и усилий, вызванных износом резцов Pzи от количества линий резания при условиях tопт=b+Kt·h и VП/VР=const.

Проведенный анализ показывает, что при соблюдении условия расстановки резцов tопт сила резания Pz уменьшается с увеличением количества линий резания nl при постоянных значениях скорости подачи и скорости резания (рис. 12), при этом в большей степени уменьшаются усилия, вызванные износом резцов.

Практически условие tопт выполнить весьма сложно в силу нескольких обстоятельств. Во-первых, исполнительные органы имеют жесткую схему расстановки резцов без возможности изменения количества линий резания в процессе работы и, во-вторых, изменчивость прочностных характеристик мерзлого грунта предопределяет глубину резания при постоянной мощности базового двигателя.

Наибольший интерес представляет анализ нагруженности исполнительного органа при постоянной ширине резца и различных линиях резания.

Анализ полученных результатов показывает, что с увеличением числа линий резания nl при b=const усилия изменяются в пределах до 5%, а при изменении ширины резца с 10 до 15 мм, возрастание составляет около 30%. (рис.13). Это вызвано тем, что при увеличении числа линий резания уменьшается глубина резания и уменьшается блокированность резания, хотя в целом общее число резцов остается постоянным, т.к. в каждом звене режущей цепи установлен один резец. Увеличение же ширины резца вызывает большие дополнительные силы от износа резца, а усилия на передней поверхности практически остаются постоянными.

Рисунок 13 – Зависимость резания от количества линий резания при ширине резцов b=10 и 15 мм и VП / VР=const, В=120 мм и при постоянном количестве резцов

Сравнение исполнительных органов с различными расстановками резцов показывает, что наиболее рациональной является схема, обеспечивающая наибольшую глубину резания при постоянном соотношении VП / VР=const.

Четвертая глава посвящена выбору оптимальных технологических параметров рабочего процесса и инженерной методике расчета исполнительного органа.

Выше отмечалось, что в качестве критерия оптимизации можно принять скорость подачи.

Решение этой задачи возможно только при анализе баланса мощности двигателя базовой машины, который можно представить в виде следующего уравнения:

N1= Nдв·э = Nрез + Nпер + Nпод + Nгр, (14)

где N1-эффективная мощность двигателя;

Nдв- номинальная (паспортная) мощность;

э- коэффициент использования номинальной мощности двигателя, имеет значение, равное;

Nрез- мощность, расходуемая на привод исполнительного органа;

Nпер- мощность, необходимая для обеспечения рабочего хода исполнительного органа;

Nпод- мощность, расходуемая на подачу исполнительно органа в забой;

Nгр - мощность, необходимая для выноса грунта на дневную поверхность.

После преобразования выражения (14) и группирования подобных членов получена математическая модель, описывающая взаимодействие исполнительного органа с разрушаемой средой

, (15)

где E1…E3 –, характеризующие конструктивные параметры исполнительного органа, степень износа режущих элементов и прочностные свойства мерзлых грунтов.

Решение этой многофакторной функции не может быть однозначным, но может дать геометрическое место точек максимумов функции, образующих поле регулирования (изменения) режимов работы при полном использовании мощности двигателя базовой машины.

В общем случае для экскаваторов ширина и глубина траншеи заданы технологическими требованиями и наибольшую скорость подачи можно получить, варьируя скорость резания Vр, геометрические параметры резцов (ширина резца b, угол ), шаг резания t, количество линий резания nl, расстояние между резцами в линии резания lp.

Оптимальные значения этих параметров необходимо определить для различных грунтовых условий при определенной мощности двигателя.

При выборе оптимальных конструктивных и режимных параметров исполнительного органа необходимо учитывать следующие ограничения.

Ограничение, накладываемое прочностью резца. Необходимо иметь ввиду, что на резцы действуют изгибающие силы в продольном и поперечном направлениях, а также сжимающие от нормальных сил;

Ограничение, накладываемое заштыбованием исполнительного органа. Выше уже отмечалось, что при работе бесковшовых экскаваторов вынос грунта из траншеи обеспечивается самими режущими элементами и другими выступающими частями кулаков. Поэтому для нормальной работы необходимо, чтобы производительность по транспортированию грунта из щели была больше или равна производительности исполнительного органа по разрушению грунта;

Предельную скорость подачи машины из условия ее заштыбования, можно определить по формуле

(16)

Ограничение, накладываемое критическим расстоянием между линиями резания. Установлено, что разрушение грунта между соседними резцами происходит тогда, когда выдерживается условие (t-b)/h 0.7…1.3

(17)

Ограничение, накладываемое размерами резца

(18)

Ограничение, накладываемое предельным тяговым усилием базовой машины. Для нормальной работы необходимо, чтобы выполнялось условие

ХРТ, (19)

где РТ - номинальное тяговое усилие базовой машины.

Результаты расчета позволяют построить поле регулирования технологических параметров каждой конкретной машины (рис.14) с учетом ограничений. При этом максимальные скорости передвижения базовой машины соответствуют наиболее легким условиям работы (слабые грунты), а минимальные – наиболее тяжелым (наиболее прочные грунты, большая степень износа инструмента и т.п.).

Рисунок 14 - Поле регулирования режимов работы исполнительного

органа при линиях резания nl=9 и расстоянием между резцами в линии резания Н = 1400 мм, В = 140 мм.

Расчет и выбор конструктивных и технологических параметров исполнительных органов проводится согласно следующего алгоритма:

1. Задаются грунтовые и климатические условия эксплуатации траншеекопателя.
2. Согласно технического задания определяются параметры траншеи (ширина В, глубина Н).
3. Выбирается базовая машина с определенной мощностью двигателя и возможными тяговыми усилиями.
4. Определяются конструктивные параметры исполнительного органа: ширина b, вылет резцов из резцедержателей (кулаков), геометрические параметры ; количество линий резания nl, расстояние между резцами в линиях резания lp.

Наиболее рациональной шириной резца является наименьшая, подтверждаемая прочностными расчетами. По опыту эксплуатации цепных траншеекопателей рекомендуется b = 12...20мм. Резцы должны быть оснащены твердосплавными пластинками типа ВК8, ВК12 и т.п.

В зависимости от типа грунтов выбирается оптимальный шаг расстановки

Расстояние lp определяется шагом применяемой режущей цепи.

Схема расстановки резцов должна обеспечивать наибольшую толщину срезаемой стружки.

5. Для наиболее легких условий работы машины (наименьшая прочность грунта, острые резцы) и наиболее тяжелых (наибольшая прочность грунта, износ резцов по задней грани равный толщине твердосплавной пластинки) рассчитывается уравнением VП =(VР) и строятся графики для выбранных схем расстановки резцов.
6. Определяются граничные уравнения, формирующие на графиках контур поля регулирования.
7. Анализ полученных графических зависимостей позволяет выбрать рациональные конструктивные решения, обеспечивающие наибольшую скорость подачи VП. Для выбранного варианта легко определить необходимую скорость резания VР и предусмотреть ступенчатое или плавное изменение скоростей передвижения траншеекопателя. Эти расчеты также определяют диапазон скоростей подачи машины и принцип его регулирования.
8. Разработанные программы выдают необходимые силовые и энергетические показатели, которые используются для прочностных расчетов агрегатов и узлов исполнительного органа и всей машины в целом.

Для автоматизации расчетов технологических параметров исполнительного органа бесковшовых цепных траншеекопателей, изложенный выше алгоритм был реализован в виде компьютерной программы на языке высокого уровня QuickBasic.

Полученные в результате расчета зависимости хорошо описывают процесс взаимодействия исполнительного органа цепного траншеекопателя с мерзлым грунтом. Значения, полученные по формулам отличаются от экспериментальных, полученных кафедрой Строительные и дорожные машины ТГАСУ для траншеекопателя на базе трактора Т-100МГП (Н=1800 мм, В=140 мм) не более чем на 15% (рис.15).

Рисунок 15 – Зависимость мощности расходуемой исполнительным органом от скорости подачи

Разработанная методика позволила рассчитать основные конструктивные и технологические параметры исполнительного органа для машин типа ЭТЦ-165 по заказу «ООО УМ-2-Сервис».

Основные выводы:

1. Экспериментальные и теоретические исследования позволили уточнить и выявить ряд закономерностей процесса взаимодействия режущего элемента многорезцового исполнительного органа бесковшового цепного траншеекопателя с мерзлым грунтом с учетом блокированности и нагруженности резцов, конструктивно-кинематических параметров исполнительного органа и сил, вызванных износом.
2. Экспериментальные и теоретические исследования процесса взаимодействия исполнительного органа с мерзлым грунтом позволили установить зависимость коэффициента блокированности резания от конструктивных и технологических параметров: ширины резца, толщины срезаемой стружки, расстояния между линиями резания и коэффициента нагруженности.
3. Установленный оптимальный шаг расстановки резцов между линиями резания позволяет выбрать наиболее рациональное конструктивное решение исполнительного органа.
4. Полученные результаты теоретических и экспериментальных исследований позволили составить математическую модель взаимодействия исполнительного органа с мерзлым грунтом.
5. На основе экспериментальных и теоретических исследований составлен алгоритм выбора оптимальных конструктивных и технологических параметров исполнительного органа бесковшовых цепных траншеекопателей.
6. Разработанная методика расчета позволяет определять основные параметры исполнительного органа траншеекопателей или обосновывать технологические режимы работы с целью повышения производительности действующей машины.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Кириллов Ф.Ф. Оптимизация режимов работы бесковшовых цепных траншеекопателей/ Ф.Ф. Кириллов, А.Н. Школьный// Интерстроймех-2005: Труды международной научно-технической конференции. - Тюмень: Тюменский государственный нефтегазовый университет, 2005.- С. 177-180.
2. Кириллов Ф.Ф. О потере устойчивости плоской формы изгиба исполнительного органа цепного бесковшового траншеекопателя/ Кириллов Ф.Ф., А.Н. Щипунов, А.Н. Школьный// Интерстроймех-2005: Труды международной научно-технической конференции. - Тюмень: Тюменский государственный нефтегазовый университет, 2005.- С. 180-183.
3. Кириллов Ф.Ф. Расчет составляющих сил резания, вызванных износом инструмента/ Ф.Ф. Кириллов, А.Н. Школьный, А.В. Негодин// Итоги строительной науки: Материалы IV международной научно-технической конференции. - Владимир, 2005.- С. 174-178.
4. Щипунов А.Н. Влияние конструктивно-кинематических параметров рабочего органа баровых машин на процесс разработки мерзлого грунта / А.Н. Щипунов, В.А. Слепченко, А.Н. Школьный, А.В. Устинов // Итоги строительной науки: Материалы IV международной научно-технической конференции. - Владимир, 2005.- С. 180-185.
5. Кириллов Ф.Ф. Выбор оптимального шага расстановки резцов на бесковшовом траншеекопателе / Ф.Ф. Кириллов, Г.И. Митерев, А.Н. Школьный // Интерстроймех-2006: Труды международной научно-технической конференции. - Москва: Московский государственный строительный университет, 2006.- С. 98-100.
6. 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 ГОУ ВПО «ТГАСУ»; приоритет 25.09.2006. – 11 с.

Изд. лиц. №021253 от 31.10.97. Подписано в печать

Формат 6090/16. Бумага офсет. Гарнитура Таймс, печать офсет.

Уч.-изд. л. 2. Тираж 120 экз. Заказ №

Изд-во ТГАСУ, 634003, г. Томск, пл. Соляная, 2.

Отпечатано с оригинал-макета в ООП ТГАСУ.

634003, г. Томск, ул. Партизанская, 15.