Обоснование рациональной формы поперечного профиля неповоротного отвала бульдозера

Увеличение объёмов строительства предполагает расширение сферы работ, связанных с перемещением значительных масс грунта. Землеройные машины, оснащенные отвальными рабочими органами, как наиболее универсальные, применяются для всех видов строительства. Это обусловлено простотой конструкции и технического обслуживания, мобильностью и относительно низкой стоимостью. Машины с отвальными рабочими органами используются при возведении насыпей, планировании и профилировании площадок и откосов, для устройства траншей, котлованов, каналов, отчистки дорог от снега и т. д.

В последние годы значительное внимание стало уделяться повышению производительности землеройных машин, оснащенных отвальными рабочими органами, без существенного изменения конструкции и небольших материальных затратах. Это обусловлено новыми требованиями к качеству выполняемых работ, универсальностью, надёжностью, расширением технологических возможностей бульдозеров.

Основой создания эффективных и экономичных (энергоэффективных) землеройных машин является решение вопроса снижения удельной энергоёмкости процесса копания грунта. Удельная энергоёмкость — это затраты энергии на разработку единицы объёма грунта. В этом случае особый интерес представляют вопросы совершенствования рабочего оборудования, выбора рациональных параметров отвальных рабочих органов, то есть таких геометрических параметров неповоротного отвала бульдозера, при которых достигается наименьшая удельная энергоёмкость процесса копания грунта. Повышение энергоэффективности рабочих процессов бульдозеров путём совершенствования геометрических параметров поперечного профиля отвала является актуальной научно-технической задачей.

В диссертационной работе рассматривается вопрос влияния геометрических параметров отвальных рабочих органов на удельную энергоёмкость процесса копания грунта. Для определения рациональной формы поперечных профилей рабочих органов отвального типа используются основные положения теории вариационного исчисления. Под поперечным профилем отвала понимаем совокупность профилей ножа и криволинейной части отвальной поверхности. В качестве критерия выбора рациональной формы поперечного профиля отвала принята величина удельной энергоёмкости процесса копания грунта. Данный критерий рассматривается как целевая функция для определения рациональной формы поперечного профиля. Таким образом, рациональной формой поперечного профиля будет экстремаль (линия, описывающая форму поперечного профиля), доставляющая минимум функции цели.

Объектом исследования являются процессы взаимодействия поперечного профиля неповоротного отвала бульдозера с грунтом в процессе копания.

Предмет исследования заключается в выявлении закономерностей влияния формы поперечного профиля отвала бульдозера на удельную энергоёмкость копания грунта.

Научная новизна работы представлена:

— применением методов вариационного исчисления, в частности уравнения Эйлера, при определении рационального профиля неповоротного отвала бульдозера;

— разработкой методики выбора рациональных геометрических параметров отвальных рабочих органов;

— возможностью проектирования отвальных рабочих органов с учётом типа грунта и скорости рабочего процесса;

— выявлением характера влияния форм поперечных профилей неповоротного отвала бульдозера на удельную энергоёмкость процесса копания;

— аналитической интерпретацией поперечного профиля с переменной кривизной в виде сегмента логарифмической спирали.

Практическая ценность. На основании выполненных исследований обосновываются и даются рекомендации по выбору рациональной формы поперечного профиля неповоротного отвала бульдозера, зависящей от физикомеханических свойств грунта, параметров процесса заглубления и скорости процесса копания.

Апробация работы. Основные научные положения и результаты теоретических и экспериментальных исследований прошли апробацию на заседаниях ч кафедр «Дорожные машины» и «Высшая математика», на научно-технических конференциях в СибАДИ (2003 г.) и Красноярске (2004 г.), а также в публикациях.

На защиту выносятся следующие основные положения диссертации:

— обоснование математической модели процесса копания грунта;

— методика расчёта геометрических характеристик неповоротного отвала бульдозера;

— результаты теоретических исследований геометрических параметров поперечных профилей неповоротного отвала бульдозера;

— результаты экспериментальных исследований процесса копания грунта отвалами с различными поперечными профилями.

В первой главе диссертационной работы представлены результаты обзора научно-технической информации.

Проведённый анализ патентных источников, периодических изданий и Интернет-сайтов фирм производителей строительной техники, в области совершенствования рабочих органов отвального типа землеройных машин, позволил сделать вывод об актуальности проблемы снижения энергоёмкости копания грунта за счёт выбора рациональной формы поперечного профиля отвала и сформулировать цель и задачи исследования.

Вторая глава посвящена обоснованию математической модели процесса копания грунта. Представлена методика определения рациональной формы поперечного профиля неповоротного отвала бульдозера с использованием методов вариационного исчисления, приводится аналитическое обоснование выбора рационального поперечного профиля бульдозерного отвала.

Третья глава посвящена разработке конструкции экспериментальной установки с использованием составленной математической модели и анализу полученных экспериментальных данных.

Результаты проверки адекватности математической модели и анализ сходимости теоретических и экспериментальных данных приведены в четвёртой главе.

В пятой главе представлены основные выводы и заключения, сделанные на основании выполненного исследования.

Автор выражает глубокую признательность научному руководителю д.т.н., профессору A.M. Завьялову за ценные замечания и предложения, сделанные в процессе выполнения работы, а также к.т.н., доценту В. И. Лиошенко за оказанное содействие и помощь при изготовлении и внедрении экспериментальной установки бульдозерного отвала.

5. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ВЫВОДЫ.

В результате проведённых теоретических и экспериментальных исследований процесса взаимодействия неповоротного отвала бульдозера с грунтом была разработана методика выбора рациональной формы поперечного профиля отвальной поверхности с учётом заглубления ножа в грунт. Для определения рациональной формы поперечного профиля отвала и режущего инструмента были применены методы вариационного исчисления, реализующие условие Эйлера экстремума функционала. Данная методика позволяет анализировать влияние кривизны поперечного профиля на удельную энергоёмкость процесса копания фунта и определять рациональную форму профиля отвальной поверхности для заданных фунтовых условий.

На основании проведённых исследований были сделаны следующие выводы:

1. Величина сопротивления копанию фунта интерпретируется при помощи функционала, позволяющего определить рациональную поверхность ножа и поперечного профиля неповоротного отвала бульдозера.

2. Рациональная поверхность режущего инструмента L = f (z) зависит от физико-механических свойств фунта и параметров заглубления и определяется следующим уравнением.

С i.

I = - Ц (/ м. кх) z + /0 + //0 • к0? + С,.

-//()•?, где С, С, — постоянные интегрирования- //0 = sin р0- р0 — угол внешнего трения, коэффициенты /0, /, к0, кх находятся из соотношений.

LZo LZQ | LZq * Lg^ l0 = i————, /] = /—r-^-—, /сд = ~J- —=—-, k = /—-Д—-,.

Jl + L'2 1 + L'2 -Jl + L'2 Jl + L'2 ll + L'2)• ll + L'2 z0 Z0J .I z0 ! Z0 V Zq? Zq здесь L', L' ~ производные функции L = f{z) в точке z0 = 0, причем L’Zq = tgа, а — исходный угол резания.

3. Рациональный поперечный профиль у = .у (х) неповоротного отвала бульдозера описывается уравнением где 5 — высота отвала- //0 — коэффициент внешнего трения, коэффициенты р1, р2,К1,К2определяются следующим образюм где к — постоянная, зависящая от физико-механических свойств грунта- % -коэффициент линейностиВ — ширина отвалаV и и — скорости перемещения рабочего органа и частиц присоединяемых масс агрегатной скоростью машины и скоростью приращения основания призмы грунта.

Задавшись исходными значениями величин — высотой отвала, углом резания, а также физико-механическими свойствами разрабатываемого грунта можно получить рациональную конфигурацию поперечного профиля неповоротного отвала бульдозера.

4. Проведённые теоретические исследования показали, что рациональным поперечным профилем неповоротного отвала бульдозера, с точки зрения минимальной удельной энергоёмкости процесса копания грунта, является профиль переменной кривизны, увеличивающейся в нижней части отвала.

5. Рациональный профиль неповоротного отвала бульдозера, реализующий форму переменной кривизны, увеличивающейся книзу, можно аппроксимировать участком логарифмической спирали, заданной в полярных.

I п.

Ух&bdquoУх, здесь у' - производные функции у = .у (х) в точке х0 = О, соответственно- % коэффициент, устанавливающий связь между координатах уравнением г = г^ек<�р, где 0 <(р<�срк, срк — угол, задающий верхнюю точку поперечного профиля отвалаг0, к — параметры, зависящие от высоты отвала и физико-механических свойств грунта.

Уравнение спирали для наиболее вероятного среднего типа грунта с начальными данными профиля: угол резания, а = 55°, угол опрокидывания 8 = 75°, ширина ножа / = 0,2 м, будет иметь вид г = 0,48 е0'7"*.

6. Разработанные математические модели позволяют на стадии проектирования определять горизонтальную составляющую сопротивления перемещению призмы волочения вдоль поперечных профилей различных типов и прогнозировать нагрузки, действующие на отвал.

7. Экспериментальные исследования выявили преимущества отвала с переменной кривизной по сравнению с отвалом, имеющим постоянную кривизну поперечного профиля. В результате процесс копания грунта происходит с наименьшими удельными энергозатратами. Снижение удельной энергоёмкости процесса копания является средством для возможного увеличения призмы волочения при сохранении рабочей скорости и прочих равных условиях рабочего процесса бульдозера.

8. Выявленный характер изменения расстояния от режущей кромки ножа до точки приложения результирующей сил на отвале позволяет спрогнозировать динамические нагрузки на металлоконструкцию машины и систему управления рабочим органом.

9. Анализ проведённых теоретических исследований на предмет адекватности даёт хорошую сходимость с результатами экспериментальных исследований. Расхождение между теоретическими и экспериментальными данными не превышает 7%.