Совершенствование технологического процесса взаимодействия рабочих органов землеройных машин с грунтом

Актуальность темы

.

Эффективность использования строительно-дорожных машин для земляных работ зависит от полноты реализации их эксплуатационных свойств в производственных условиях, что оценивается комплексом показателей. Задача повышения эффективности машин решается путем совершенствования методов их рационального использования по мощности и времени. Первое направление предусматривает определение, изучение и оптимизацию показателей эксплуатационных свойств отдельных машин для земляных работ, в том числе тягово-скоростных свойств, использования рабочего оборудования. Второе — разработку и совершенствование рациональных параметров рабочих органов, режимов работы землеройных машин, а также теоретических основ механизма взаимодействия с рабочими средами.

В настоящее время, разработка новой, техники, применяемой в дорожном строительстве, базируется на типовых методиках расчета основных конструктивных и эксплуатационных параметров, что часто приводит к появлению заведомо неконкурентоспособных машин.

При решении задачи повышения эффективности дорожных машин, в настоящее время, возникло противоречие между традиционными методами расчета параметров рабочих органов и современными методами, базирующимися на машинно-численных методах.

Интенсивное развитие компьютерных и электронных технологий позволяет использовать прогнозирующее математическое моделирование при выборе рациональных параметров конструкций рабочих органов с учетом особенностей и характера процесса резания, режимов работы машины, а так же различных случайных факторов. При этом, сами методики расчета должны быть реализованы в виде конечных программных продуктов, предлагаемых производителям дорожной и горной техники.

Таким образом, определение усилий на режущих частях рабочих органов изучение механизма образования поверхностей скольжения, переход к машинным методам расчета и проектирования новой, высокопроизводительной дорожной техники обеспечивающей совершенствование технологического процесса является актуальной задачей для строительного и дорожного машиностроения.

Работа выполнялась в соответствии с заданием Минобразования России по программе 206.04.01.027.

Цель работы. Совершенствование методов расчета сопротивления грунта резанию рабочим органом землеройной машины путем уточнения формы поверхности скольжения.

Для достижения поставленной цели были сформулированы и решены следующие задачи:

1. Провести анализ научных работ, посвященных процессам резания и копания грунтов рабочими органами дорожных машин, а также типовых методик определения сопротивления фунта резанию.

2. Разработать математическую модель процесса резания грунта, учитывающую закономерность процесса разрушения грунтов рабочим органом землеройной машины при послойной разработке и физико-механические свойства среды.

3. Разработать экспериментальную установку с измерительно-вычислительным комплексом для исследования процесса резания грунта, провести экспериментальные исследования.

4. Установить степень влияния угла резания, призмы волочения и скорости резания на форму поверхности скольжения и формирование усилий на рабочем органе.

5. Провести серию машинно-численных экспериментов по изучению напряженно-деформированного состояния разрабатываемого грунта.

6. Выполнить сравнительный анализ теоретических и экспериментальных исследований с целью проверки адекватности предложенной математической модели.

7. Разработать научно-обоснованную методику расчета сопротивления грунта резанию.

8. Разработать практические рекомендации, определяющие требования к средствам механизации земляных работ при разработке грунтов I-IV категории.

Объектом исследования является механизм образования поверхностей скольжения в системе «рабочий орган-грунт» .

Предметом исследования является процесс резания грунтов рабочим органом землеройной машины.

Методы исследования. При решении поставленных задач использованы методы системного анализа и математического моделирования на ЭВМ. Математическая модель процесса резания получена на базе реологической модели Шведова-Бингама. Эксперимент осуществлялся в среде оригинала, без изменения его физико-механических свойств, в качестве автоматизированной системы научных исследований использован аппаратно-программный комплекс компании National Instruments. Проверка результатов теоретических исследований осуществлялась путем проведения стендовых и натурных экспериментов, обработка полученных данных проведена на основе методов математической статистики.

Научная новизна результатов исследования:

— разработана математическая модель процесса резания грунта, позволяющая определить, по установленным многофакторным зависимостям, изменение сил нормального и касательного давления в ходе взаимодействия системы «рабочий орган — грунт» — изучен механизм формирования поверхностей скольжения, выполнено их математическое описание, позволяющее учитывать массу элементов стружки, показатели сцепления и адгезионной прочности грунта при определении усилий на режущих частях рабочих органов землеройных машин;

— разработана программа на ЭВМ, позволяющая рассчитывать коэффициенты, входящие в состав математической модели определения сопротивления грунта резанию;

— разработана научно-обоснованная методика проектирования рабочих органов землеройных машин и комплектации средств механизации земляных работ, учитывающая механизм стружкообразования и усилия резания грунтов при послойной разработке грунтов 1−1V категории.

Достоверность полученных результатов, сформулированных в диссертации. Полученные результаты, базируются на основных положениях механики грунтов, теории упругости и пластичности, подтверждается качественным и количественным согласованием результатов теоретических и экспериментальных исследований.

Практическая ценность работы:

— полученное математическое описание поверхностей скольжения, возникающих в процессе взаимодействия рабочих органов с грунтом, позволяет производить предварительный расчет сопротивления грунтов резанию рабочими органами машин для земляных работ машинными методами;

— предложена для практического использования хозяйствующими субъектами усовершенствованная научно-обоснованная методика расчета сопротивления грунтов резанию рабочими органами машин для земляных работразработаны дополнительные требования к организации проектирования рабочих органов машин для земляных работ путем расчета сопротивления грунта резанию с учетом кривых скольжения, предложены рекомендации по совершенствованию режима эксплуатации землеройных машин;

— разработаны рекомендации, определяющие технические требования к средствам механизации земляных работ при разработке грунтов 1−1У категории.

На защиту выносятся:

— результаты анализа методик расчета сопротивления грунтов резанию рабочими органами дорожных машин;

— математическая модель сопротивления грунта резанию, позволяющая определить по установленным многофакторным зависимостям, изменение сил нормального и касательного давления в процессе взаимодействия системы «рабочий орган — грунт» ;

— результаты экспериментальных исследований механизма стружкообразования и усилия резания грунтов при послойной разработке, позволяющие учитывать массу элементов стружки, показатели сцепления и адгезионной прочности грунта при определении усилий на режущих частях рабочих органов землеройных машин;

— научно-обоснованная методика расчета сопротивления грунта резанию с учетом кривых скольжения, позволяющая оптимизировать проектирование рабочих органов землеройных машин и режимы их эксплуатации;

— практические рекомендации, устанавливающие требования к средствам механизации земляных работ при разработке грунтов 1−1У категории и перспективные направления их дальнейшего развития.

Реализация результатов работы. Методика расчета сопротивления грунта резанию внедрена в практику расчета и проектирования рабочих органов ЗАО «НПЦ Погрузчик», ЗАО «Дормаш». Результаты диссертационного исследования используются в учебном процессе Орловского государственного технического университета и Орловского государственного аграрного университета при чтении лекций, проведении практических и лабораторных занятий по соответствующим дисциплинам, дипломном проектировании, выполнении научно-исследовательских работ.

Апробация работы. Основные положения диссертационного исследования докладывались на международных, региональных и республиканских научнотехнических семинарах, конференциях и симпозиумах: «Интерстроймех -2001», Санкт-Петербург, 2001 г.- шестой российской научно-технической конференции «Прогрессивные технологии в транспортных системах». Оренбург, 2003 г.- международной научно-практической конференции «Надежность и ремонт машин», Гагра, 2004гнаучно-методических и научно-исследовательских конференциях Орел ГТУ, Орел (2001, 2002, 2003, 2004, 2005гг).

Публикации. По материалам диссертационного исследования опубликовано 9 работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, изложена на 154 с. из них 124 с. основного текста, содержит 38 рис., 16 табл., библиографию из 76 наименований и 5 приложений.

Основные выводы и предложения.

Комплекс проведенных теоретических и экспериментальных исследований позволил сделать следующие выводы:

1. Исследования в области резания грунтов были начаты еще в начале прошлого века и продолжаются, по сей день. Несмотря на большой объем проделанной работы, остается ряд вопросов. Одним из таких вопросов является вопрос о роли поверхностей скольжения на процесс резания грунтов требующий дальнейшей проработки.

2. Установлено, что образование поверхностей скольжения отделяемого от массива элемента грунта является одним из основных факторов, характеризующих процессы резания и копания, а величина элементов «стружки» или так называемых тел скольжения непосредственно влияет как на объем грунтового потока, на сопротивления резанию, так и на величину их колебаний, вызванных преодолением сцепления на поверхности скольжения.

3. Существующие разработки, представляют поверхности скольжения в виде плоскости, определяемой единственным показателем — углом сдвига стружки, установление истинного движения частиц при образовании стружки требует разработки «инструмента», позволяющего проследить движение частиц грунта и фиксировать траекторию движения, не нарушая целостности грунта.

4. Анализ факторов, используемых для расчета сопротивления грунта резанию показал, что далеко не все реально действующие факторы учитываются, а анализируемые методики не отражают в полной мере физическую картину процесса резания грунта, вследствие чего результаты аналитических расчетов и фактические значения силовых параметров для отдельных категорий грунтов существенно разнятся.

5. Грунт рассматривается в общем случае как среда, в которой сопротивление грунта сдвигу по данной площадке — линейная функция нормального напряжения. При перемещении режущего инструмента происходит деформация грунтового массива и при достижении предельных значений прочности происходит разрушение структурных связей грунта или его пластическое деформирование, что приводит к сколу некоторого объема грунта.

6. Разработанная математическая модель, взаимодействия рабочих органов землеройных машин со средой (2.14, 2.26, 2.27), учитывает конструкцию и скорости перемещения рабочего органа, различные грунтовые условия, свойства среды и обеспечивает определение величины возникающих сопротивлений.

7. Моделирование на ЭВМ перехода разрабатываемого грунта в пластическое состояние под воздействием внешней нагрузки обеспечивается методом конечных элементов с использованием итерационного процесса начальных напряжений. Итерационные процедуры, метода начальных напряжений, состоящего в реализации упругих задач для изотропной среды, обеспечивают сходимость при любой зависимости между напряжениями и деформациями.

8. Экспериментальные исследования активного взаимодействия со сдвигом на модели рабочего органа отвального типа подтверждают что форма поверхности скольжения и размеры стружки в разной степени зависят от факторов характеризующих процесс резания. Так, при уменьшении угла резания с 60° до 30° наблюдается уменьшение поперечной площади стружки, а при увеличении массы призмы волочения не зависимо от типа грунта наблюдается увеличение поперечной площади стружки. Увеличение скорости резания с 0,5м/с до 5 м/с в диапазоне рабочих скоростей землеройно-транспортных машин существенного влияния на процесс ъ стружкообразования и размеры тел скольжения не оказывает (до 8%).

9. Формы поверхности скольжения, полученные в ходе модельных и натурных экспериментов, а также результаты, полученные на конечно элементной модели грунта идентичны, что позволяет осуществить их функциональное описание в зависимости от типа грунта.

10. Математическая модель активного взаимодействия рабочих органов со средой установленная в главе 2 в результате аналитических исследований, отвечает результатам экспериментов. Она позволяет с точностью 5. 10% определять возникающие сопротивления ковшовых и отвальных рабочих органов, вертикальных ножей при активном взаимодействии со сдвигом.

11. Установлено, что функции описывающие поверхности скольжения изменяются от линейной, на песчаных грунтах, до экспоненциальной, на глинах. При резании грунтов с другими показателями физико-механических свойств поверхности скольжения стружки будут занимать промежуточные значения [23, 30].

12. Функциональные зависимости (4.1 — 4.4.1) позволяют выполнять расчет параметров характеризующих процесс стружкообразования в зависимости от типа грунта. Разработана уточненная методика расчета сопротивления грунта резанию при учете формы поверхности скольжения. Для упрощения расчетов и повышения точности полученных результатов используется ЭВМ с программным пакетом Microsoft Excel.

13. Предложена методика расчета сопротивления резанию грунта с учетом функций кривых скольжения и представлена в алгоритмическом виде (рис. 4.5−4.6). Эффективное функционирование методики обеспечивается при соблюдении всех инструкций и ведении документации.

14. Разработаны практические рекомендации, устанавливающие требования к средствам механизации земляных работ при разработке грунтов I-IV категории и предложены перспективные направления, которые полностью согласуются и дополняют рекомендации других исследователей: Зеленина, Ветрова и др. авторов [31, 34, 63].

15. Разработана уточненная методика расчета расхода топлива МЗР с учетом затраты тягового усилия на заглубление отвала. Введен поправочный коэффициент, величина которого учитывает режим сопротивления грунта резанию.

16. Установлено, что на 1-ой категории грунтов нормативный расход топлива завышен по сравнению с фактическим на 13,3% при максимальном заглублении отвала, а при минимальном на 16,3%. Для П-ой категории грунтов нормативный расход топлива завышен по сравнению с фактическим на 14,7% при максимальном заглублении отвала, а при минимальном на 30,4%. При работе на Ш-й категории грунтов расход топлива занижен на 3,8%, в тоже время при минимальном заглублении отвала расход топлива завышен на 32,5%.

17. Установлено, что машина работая на 1-ой категории грунтов используется не эффективно, так как только 10% тяговой мощности расходуется на полезную работу. В то же время, при заглублении отвала более чем на 0,27 м будет расходовать всю тяговую силу на резание грунта. Согласно технической характеристике максимальная глубина резания составляет 0,3 м., соответственно, при заглублении от 0,27 до 0.3 м бульдозер будет работать в режиме перегрузки двигателя, что недопустимо.

18. Уточненная методика расчета расхода топлива с учетом коэффициента учитывающего режим сопротивления грунта резанию позволяет разработать электронный справочник, содержащий банк данных, включающий тип МЗР, технические характеристики, нормативные показатели, условия эксплуатации и результирующие показатели, обеспечивающие их работу с наивысшей производительностью и экономичностью.

19. При планировании работ эксплуатирующая организация должна предварительно выполнять расчет по определению расхода тягового усилия на преодоление сопротивления резанию грунта, для обеспечения оптимальных показателей производительности и экономичности техники.

4.3 Практические рекомендации.

Результаты проведенных исследований, учитывающих особенности взаимодействия средств механизации с разрабатываемыми грунтами, позволили определить перспективные направления и установить требования к средствам механизации разработки грунтов 1−1V категорий:

1. Рабочие органы должны обеспечивать пространственно-временное разрушение грунтов, при этом удельная мощность, подводимая к среде в целом и ее элементарному объему должна быть достаточна для предельного разрушения ее структуры.

2. Диапазон изменения совокупности воздействий на грунты по величине удельной мощности должен соответствовать диапазону изменения их физико-механических свойств, выбор параметров воздействия осуществляется таким образом, чтобы они могли изменяться в соответствии с изменением свойств среды. Оптимальное решение этой задачи заключается в совершенствовании конструкций землеройной техники оснащаемой системами автоматического регулирования положение рабочего оборудования.

3. Для достоверного определения сопротивлений грунта лобовому резанию необходим учет помимо геометрических факторов, физико-механических свойств грунтов и особенностей самого процесса резания, в том числе и поверхностей скольжения. Игнорирование таких показателей, как сцепление и адгезионная прочность, особенно, грунтов с высоким сцеплением (Рг), принятие допущения о невесомости разрушаемой среды, приводит исследователя к упрощенным зависимостям вида Рр=к, Ыг [17, 47]. Расхождение с полученными данными составляет до 25% на песчаных и глинистых грунтах 8−15% на супесях и суглинках.

4. Для уменьшения возникающих сопротивлений, при заглублении бульдозерного отвала, угол его установки в существующих конструкциях принимают равным 55.60°, что приводит к увеличению сопротивления грунтов резанию. Для снижения энергозатрат процесса копания грунтов целесообразно использовать конструкцию бульдозерного оборудования, которая позволяла бы осуществлять заглубление отвала в грунтовый массив с большим углом (70.75°) и в последующем процессе движения бульдозера уменьшать угол резания до наименьшего (35.45°), допустимого, значения.

5. Обеспечение минимальной силы резания отвалами и ковшами землеройных машин целесообразно принимать: большее отношение ширины резания к глубине (7−10), при меньших углах резания. Целесообразно применять антифрикционные покрытия режущей части рабочих органов. Перспективны конструкции землеройных машин, позволяющие отделять процесс резания от процесса наполнения ковшей и устраняющие призму волочения.

Предложенные перспективные направления и установленные требования на основе результатов проведенных исследований дополняют рекомендации других исследователей: Зеленина, Ветрова и др. авторов.

4.4 Экономическая эффективность рекомендаций уточненной методики расчета сопротивления грунта резанию.

Затраты на эксплуатацию самоходной техники по своему составу и структуре, методам расчета элементов затрат весьма различаются в зависимости от вида и типа машин.

Основные (технологические) затраты для СДМ связаны с выполнением технологических операций в дорожном строительстве и т. п. к ним относятся расходы на основную заработную плату машинистов (операторов), топливо, смазочные и прочие эксплуатационные материалы, на восстановление и ремонт шин и быстроизнашивающихся элементов, на техническое обслуживание и ремонты. Технологические затраты составляют около 80% общей суммы эксплуатационных затрат [41].

По признаку связи с выполнением технологических операций СДМ затраты подразделяются на переменные, постоянные и условно-постоянные.

К переменным относятся прежде всего расходы на топливо, смазочные и прочие эксплуатационные материалы, техническое обслуживание и ремонт МЗР.

К постоянным относятся общепроизводственные и общехозяйственные расходы (расходы на содержание административно-управленческого персонала, обслуживающих и вспомогательных хозяйств, внепроизводственные расходы).

К условно-постоянным относятся заработная плата операторов (машинистов) МЗР (основная и дополнительная), которая зависит от объема произведенной работы в тоннах, выполнения установленных норма, а также от размеров материального стимулирования за улучшение эксплуатационных показателей МЗР и амортизация машин, нормы начисления которой рассчитаны в зависимости от стоимости машины и величины наработки. По способу включения в себестоимость продукции или затрат на эксплуатацию машин и оборудования при составлении калькуляций затраты делятся на прямые и косвенные.

В процессе развития производства при внедрении новой техники, проведении мероприятий по научной организации труда, поступлении более эффективных средств механизации изменяются действующие нормы затрат.

Производительность бульдозера при разработке и перемещении грунта определяется по типовой методике [19].

Затраты на энергоносители для двигателей внутреннего сгорания рассчитываются по формуле:

Сэ=Рт ¥-т Тг, (4.14) где Рт — цена топлива, руб/кг, т — часовой расход топлива, кг/маш.-ч.

Тг — годовая наработка, ч;

Предлагается уточненная методика расчета расхода топлива МЗР, с учетом затрат тягового усилия на заглубление отвала. Данная методика предназначена для нормирования расхода топлива машин, в которых силовой установкой являются дизельные двигатели, а их эксплуатация организована при выполнении прогрессивных технологических операций в строительных работах и рациональной организации труда [6, 61, 57].

Методика расчета уточнённой нормы расхода топлива и экономической эффективности эксплуатации парка машин с учетом поправочного коэффициента на категорию грунта для дизельных двигателей МЗР представлена в Приложении 4.

При планировании работ учитывается глубина резания, мощность двигателя, расход тягового усилия на преодоление сопротивления резанию грунта, что позволяет уточнить часовой расход топлива при работе на различных категориях грунтов. Расчет для различного парка машин и его списочного состава выполнен по предлагаемой методике и графически представлен на рисунках 4.7−4.9. В расчетах стоимость топлива принята исходя из его цены на 4-й квартал 2004 года.

Ю >> т" 12 000 ш с.

С 10 000.

Сz о.

X о сс.

CL.

0.1.

0,15 0,2 0,25.

Глубина резания, м.

МЛ2Э2.

1−1X285 ¦—.^ 1 16 059 10 706.

— вйй1. J ?-6361- л.

С 5353.

— S&2- НййГ Д11 «-530- > 214.

0,3.

1 кат/10 -1 кат/25 -1 кат/50 -1 кат/75.

Рис. 4.7 Зависимость расхода топлива от использования тягового усилия бульдозера при разработке грунтов Iой категории.

При этом, можно увидеть, что на 1-ой категории грунтов нормативный расход топлива завышен по сравнению с фактическим на 13,3% при максимальном заглублении отвала, а при минимальном на 16,3%. О о.

Ш т к сс о ч: о X о О а.

2"ггЛ0 -НИ— 2 ют/25.

— 2 чат/50 2 кат/7Ь.

60 000 бодао.

430)-1.

4О000 зоооо.

Глубина резаний, м.

Рис. 4,8 Зависимость расхода топлива от использования тягового усилия бульдозера при разработке грунтов II — ой категории.

Для П-ой категории грунтов нормативный расход топлива завышен по сравнению с фактическим на 14,7% при максимальном заглублении отвала, а при минимальном на 30,4%.

— ЗгатЛО -3 катЙЗ.

— 3 кзт/50 -Зкаг/75.

Глубина резания, м.

Рис. 4.9 Зависимость расхода топлива от использования тягового усилия бульдозера при разработке грунтов III — й категории еоооо.

При работе на Ш-й категории грунтов расход топлива занижен на 3,8%, в тоже время при минимальном заглублении отвала расход топлива завышен на 32,5%.

Дальнейшие расчеты показали, что годовой экономический эффект при расчете расхода топлива по уточненной методике с учетом коэффициента, учитывающего затраты тягового усилия при максимальном заглублении отвала на 10 списочных единиц для 1-ой категории грунтов достигает 262 руб., для Ш-й категории 874 руб. При списочном составе 50 единиц, соответственно 13,1 тыс. руб. и 43,7 тыс. руб. для 75 единиц. В тоже время при максимальном заглублении отвала годовой перерасход затрат на топливо для 10 списочных единиц составляет 105 руб. и 8 тыс. руб. для 75 единиц.

Анализ полученных результатов показывает, что при эксплуатации МЗР расход топлива необходимо рассчитывать индивидуально для каждой отдельно взятой машины, с учетом всех факторов связанных с разработкой грунтов, в первую очередь учет глубины резания и сопротивления резанию грунтов. При полномасштабном внедрении предложенной методики ее эффективность значительно увеличится. Разработка теоретических основ и практических предложений по формированию парков машин создает предпосылки для оптимального распределения машин по объектам строительства и разработки мероприятий по повышению эффективности эксплуатации парков МЗР.

На рисунке 4.10 показана доля тягового усилия расходуемая на резание грунта, рис. 4.11 показывает изменение расхода топлива от величины сопротивления резанию грунта. о.

XО ссо о а;

ГО оз X го 5.

О 0) О.

0) с;

О >

100,0 90,0 80,0 70,0 5 60,0 50,0 40,0 30,0.

107,8.

О >> о 1— о со о.

20,0 10,0.

0,0.

Г59,2.

70,Я о2,8.

34,9 1 36,5 нТз ГП73.

4-Н- < м^е—¦—' >-2^—- > 4,1.

0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25.

Глубина резания, м.

0,30.

0,35.

Рис. 4.10 Использование тягового усилия при разработке грунтов бульдозером.

При этом, можно сделать вывод, что машина работая на 1-ой категории грунтов используется не эффективно, так как только 10% тяговой мощности расходуется на полезную работу. В то же время, эта же машина при заглублении отвала более чем на 0,27 м будет расходовать всю тяговую силу на резание грунта.

Согласно технической характеристике данная машина имеет максимальную глубину резания 0,3 м. Соответственно, при заглублении от 0,27 до 0.3 м бульдозер будет работать в режиме перегрузки двигателя, что недопустимо. Вышеизложенное показывает, что при разработке грунтов необходимо предварительно выполнить расчет по определению расхода тягового усилия на преодоление сопротивления грунта резанию. расход тягового усилия, %.

— 1 кат ¦2 кат -3 кат.

Рис. 4.11 Изменение расхода топлива от величины сопротивления резанию грунта.

Разработанная уточненная методика расчета расхода топлива позволяет выполнять подбор машин для разработки грунтов с максимальным экономически обоснованным (рис. 4.10 и 4.11) эффектом их использования. Эта методика расчета расхода топлива с учетом коэффициента учитывающего режим сопротивления грунта резанию позволяет разработать электронный справочник, в котором будет содержаться банк данных, включающий тип МЗР, технические характеристики, нормативные показатели, условия эксплуатации и результирующие показатели, обеспечивающие их работу с наивысшей производительностью и экономичностью.