CC BY
47
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
УДК 621.86
А. Б. Филяков, Б. М. Славин, В. В. Коган
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ВНЕДРЕНИЯ ВИБРОУДАРНОГО РУШИТЕЛЯ
В ГЛИНОЗЕМ
Эксперименты ряда исследователей показали, что применение пассивных рабочих органов при разработке прочных и мерзлых грунтов связано с большими энергозатратами и созданием на внедряющихся кромках рабочего органа очень больших усилий. Замена пассивных рабочих органов активными (ударными и виброударными) позволяет уменьшить напорные усилия, необходимые для разрушения материалов [1-3], однако подробное изучение процесса внедрения виброударного рабочего органа до настоящего времени не проводилось.
Для проведения экспериментального исследования процесса внедрения виброударного рушителя в прочный грунт (глинозем) нами была спроектирована и изготовлена специальная экспериментальная установка.
Конструкция виброударной установки позволяла варьировать максимальную величину возмущающей силы от 325 до 4 000 Н, а также частоту собственных колебаний ударной системы подбором пружин различной жесткости.
В наших исследованиях максимальная сила удара равнялась 4 000 Н, максимальная скорость удара - 2 м/с, число ударов в секунду п = 8, разрабатываемый массив - рядовой глинозем.
Для определения параметров удара производилось измерение скорости удара, ускорения режущего органа и перемещения ножа в процессе внедрения. По этим параметрам можно определить энергию одиночных ударов, количество ударов в секунду, амплитуду вибрирующей части, усилие удара, сопротивление внедрению ножа и т. д.
Кроме перечисленных параметров, фиксировались условия формирования массива глинозема, глубина внедрения и температура окружающей среды. Использовались также результаты исследований физико-механических свойств кускового глинозема с имитацией условий транспортировки и складирования, проведенных нами для определения влияния слеживаемости глинозема на прочность массива груза.
С шестикратной повторностью каждого вида эксперимента проводилось виброударное внедрение семи типов виброрушителей (при температуре 5-12 °С) в смерзшийся рядовой глинозем влажностью Ж = 15-20 %, предварительно уплотненный до начального сопротивления сдвигу С0 = 3 • 103 Па при суточной выдержке массива груза:
1) плоского ножа без зубьев с углом заточки ножевой кромки 30°, длиной 1 м и толщиной 0,01 м;
2) плоского ножа с такими же размерами, но с пилообразными зубьями, с шагом 0,05 м и высотой 0,1 м;
3) аналогичного ножа с трапецеидальными зубьями с шагом 0,08 м и высотой 0,1 м;
4) аналогичного ножа с трапецеидальными зубьями с шагом 0,07 м и высотой 0,1 м;
5) криволинейного рушителя (с радиусом кривизны Я = 1,2 м и длиной 1,0 м) с трапецеидальными зубьями (шаг - 0,07 м, высота - 0,1 м);
6) углового ножа (угол - 90°, длина - 1,0 м) с трапецеидальными зубьями (шаг - 0,07 м, высота - 0,1 м);
7) углового ножа без зубьев (с теми же размерами).
Основными задачами исследования явились:
— определение характера зависимости нагрузочной характеристики N = ДИ);
— определение влияния на процесс внедрения рушителя формы режущей кромки ножа (формы зубьев);
— определение влияния на процесс внедрения формы рушителя (плоская, криволинейная, угловая).
Анализ статистически обработанных результатов измерения параметров виброударного внедрения всех исследуемых типов рушителей показал, что максимальную скорость и глубину внедрения имеет плоский нож с пилообразной формой зубьев, а минимальные - плоский нож без зубьев и, особенно, угловой нож без зубьев.
Средняя сила удара, очевидно, характеризует среднюю силу сопротивления рушителя внедрению в смерзшийся глинозем. И опять картина повторяется: наименьшее сопротивление оказывается у рушителя с пилообразной формой зуба, а наибольшее - у рушителей без зубьев.
Время внедрения ножей до максимальной глубины внедрения оказывается примерно равным (за исключением плоского углового рушителя) и находится в интервале 8,0-8,75 с.
Приблизительно одинаковым оказалось у всех рушителей и максимальное усилие удара -3 840-4 000 Н.
Сравнение экспериментальных значений максимального усилия удара с теоретическим расчетом показывает следующее.
Известно, что сила удара определяется по формуле
п 20■г 2 Р =------ю2 ,
&
где О = 120 Н - вес одного дебаланса; г = 0,02 м - эксцентриситет установки дебалансов; ю -угловая скорость при п = 480 об/мин.
Отсюда можно определить максимальное теоретическое усилие удара, которое оказывается равным Ртах @ 4 000 Н. Сравнение экспериментальных и теоретических значений усилий максимального удара показывает хорошую сходимость результатов.
Более полную картину о характере внедрения виброударного рушителя можно получить, проанализировав характер кривых внедрения на рис. 1. На нем представлены кривые внедрения шести типов рушителей: кривая 1 - для плоского ножа с пилообразными зубьями, кривая 2 - для плоского ножа с трапецеидальными зубьями (шаг - 0,08 м), кривая 3 - для плоского ножа с трапецеидальными зубьями (шаг - 0,07 м), кривая 4 - для криволинейного ножа с зубьями, кривая 5 - для углового ножа с зубьями, кривая 6 - для плоского ножа без зубьев, полученные по результатам статистической обработки результатов шести виброударных внедрений ножа каждого типа в смерзшийся глинозем. Работа виброударного углового ножа без зубьев не анализируется, т. к. параметры его внедрения значительно уступают параметрам внедрения остальных шести типов рушителей, и он не может быть рекомендован к практическому использованию. Так, его внедрение за один удар в 3,6 раза меньше, чем у такого же ножа с зубьями.
Рис. 1. Кривые внедрения шести типов рушителей в смерзшийся глинозем:
1 - для плоского рушителя с пилообразными зубьями; 2 - плоского ножа с трапецеидальными зубьями (шаг - 0,08 м); 3 - плоского ножа с трапецеидальными зубьями (шаг - 0,07 м);
4 - для криволинейного ножа с зубьями (шаг - 0,07 м); 5 - для углового ножа с зубьями (шаг - 0,07 м);
6 - для плоского ножа без зубьев; п - число ударов
Анализ осциллограмм показывает, что сила сопротивления внедрению на участках внедрения и остановки ножа практически постоянна, хотя, строго говоря, на этапе остановки рушителя сила удара бывает несколько больше, чем при его движении. Это явление объясняется тем, что при движении рушителя удар получается в какой-то степени «мягким» - деформация материала смягчает удар, а при остановке ножа удар получается жестким, т. к. весь силовой импульс воспринимается материалом (до тех пор, пока не начнется новое движение рушителя).
Отметим, что в некоторых случаях и при внедрении, в связи с большими сопротивлениями, которые могут возникнуть при попадании под нож очень крупных кусков, на некоторых этапах движение рушителя временно может прекратиться. Это объясняется тем, что сила удара, возникающая от вращения дебалансов, оказывается недостаточной для преодоления возникшего сопротивления. За счет продолжающихся ударных импульсов возникшее сопротивление обычно преодолевается (кусок глинозема разбивается), и нож опять продолжает внедряться в массив.
Анализ кривых внедрения позволяет установить, что процесс внедрения рушителей происходит не всегда равномерно. В начале внедрения независимо от типа ножа наблюдается наиболее интенсивное внедрение - Ак = 0,0026-0,0066 м за 1 удар. Затем интенсивность несколько уменьшается - Ак = 0,00066-0,0010 м за один удар. На последнем этапе внедрения интенсивность движения становится очень малой для всех типов ножей и практически одинаковой -Ак = 0,0001 м за один удар.
В соответствии с данной картиной внедрения можно выделить три характерных этапа движения рушителя. Первый этап, ограниченный на рис. 1 кривой а-а, представляет начальный этап - этап наиболее интенсивного внедрения. Второй этап, ограниченный кривыми а-а и б-б, представляет зону умеренного внедрения, третий этап - за кривой б-б - представляет область очень небольших перемещений рушителя в глиноземе.
Высокая интенсивность перемещения рушителя на первом этапе особенно характерна для ножей с зубчатой формой, причем наивысшую интенсивность - Ак = 0,0066 м за удар имеет нож с пилообразной формой зуба. Это явление объясняется тем, что нож с пилообразной формой зубьев имеет меньшее сопротивление внедрению, чем плоские ножи с зубьями трапецеидальной формы (кривые 2 и 3). Создавая на режущих кромках ножей, имеющих меньшее сопротивление внедрению, один и тот же силовой импульс - удар, можно достигнуть большего внедрения ножа в смерзшийся материал, чем ножей, обладающих большим сопротивлением. По этой же причине нож с трапецеидальным зубом, имеющим больший шаг - 0,08 м, будет внедряться на данном этапе несколько быстрее, чем нож с шагом 0,07 м, а криволинейный нож будет внедряться медленнее, чем последний, за счет некоторого увеличения длины. На угловой нож с зубьями помимо увеличения сопротивления за счет возрастания длины режущей кромки в 1,41 раза будет влиять и объемная деформация груза, наблюдаемая в угловой части (самом углу) рушителя. Исходя из полученных результатов (рис. 1), наибольшим сопротивлением будет обладать плоский нож без зубьев, т. к. его внедрение будет самым медленным.
Интересно отметить, что особенно интенсивно ножи с зубчатой режущей кромкой внедряются при заглублении самих зубьев, т. е. на первом этапе. Именно на этом этапе интенсивность внедрения - наклон кривых 1-6 к оси абсцисс - в значительной степени зависит от наличия зубьев и их формы. После окончательного заглубления зубьев (на глубине к = 0,12-0,14 м) интенсивность внедрения, характеризуемая углом наклона кривых 1-6 на втором участке, в значительной степени выравнивается. Следовательно, на втором этапе внедрения наблюдается перемещение рушителя, практически не зависящее от формы зубьев и вообще их наличия, хотя некоторое преимущество пилообразного ножа все-таки просматривается, т. к. его участок внедрения и на втором этапе значительно больше, чем у ножей 2-6. Это говорит о том, что при определенном заглублении зубьев теряется эффект зубчатой кромки вследствие выравнивания общего сопротивления внедрению. Поэтому зубья целесообразно применять при вертикальном внедрении в смерзшийся грунт на глубину, близкую к высоте зуба, а точнее, на глубину больше высоты зубчатой кромки на 20-40 %.
На третьем этапе внедрение практически прекращается из-за больших сопротивлений на торцевой режущей кромке ножа и появившихся при его заглублении значительных сил трения на боковых стенках ножа-рушителя.
По результатам экспериментов лучшие параметры (интенсивность, максимальное заглубление, энергетические затраты) имеет нож с пилообразной формой зуба. Однако, учитывая, что рушителем обычно производят и сгребание материала, острые зубья пилообразной формы могут создавать дополнительное сопротивление при перемещении, повредить деревянный настил в вагоне или пол в складских помещениях. Кроме того, зубья пилообразной формы быстро затупляются, что отчетливо было видно даже при лабораторных испытаниях рушителя. Поэтому, учитывая способность рушителя к внедрению в смерзшийся грунт и к сгребанию материала, где возможно просыпание захваченного материала в промежутках между зубьями, наиболее рациональной конструкцией из исследованных следует считать нож с трапецеидальной формой зуба с шагом 0,07 м (кривая внедрения 3 на рис. 1).
Рассмотрим процесс внедрения рушителя в смерзшийся глинозем с силовой точки зрения. На рис. 2 представлен взятый с натурной осциллограммы процесса внедрения плоского рушите-ля с трапецеидальной формой зуба с шагом 0,07 м участок процесса внедрения рушителя за один удар. Кривая 1 показывает перемещение рушителя в смерзшемся глиноземе за один удар в координатах времени и начало следующего удара, а кривая 2 характеризует действие самого силового импульса - удара по времени. Аналогичного вида характеристики имеют и другие типы исследуемых ножей, т. к. они отражают прочностные свойства в общем-то одного и того же материала.
Рис. 2. Перемещение ножа и силовой импульс за один удар вибромолота: 1 - кривая перемещения; 2 - силовой импульс;
3 - участок ОА в координатах Ы(Н)
На рис. 2 видно, что действие силового импульса составляет около 19 % времени одного рабочего цикла и приблизительно равно 0,023 с. При возникновении силового импульса, который очень резко возрастает во времени, начинается внедрение рушителя в материал. При достижении максимального силового импульса внедрение рушителя прекращается, т. к. при уменьшении усилия удара действующая сила становится недостаточной для продолжения процесса разрушения. От действия максимального усилия удара возникают максимальные напряжения (в зоне разрушения смерзшегося глинозема перед ножом), которые для данного массива груза будут предельными и при которых происходит разрушение материала. При уменьшении действующего усилия (удара) снижаются и напряжения в материале, которые становятся меньше предельных напряжений, поэтому дальнейшее разрушение массива и, следовательно, перемещение рушителя прекращаются. После прекращения действия силового импульса, характеризуемого кривой 2, практически исчезает напряженное состояние перед внедряющейся кромкой, поэтому на этом этапе работы виброрушителя, естественно, движение ножа не наблюдается. С повторением силового импульса снова возникает напряженное состояние материала перед внедряющейся кромкой, а при превышении предельных напряжений материала возникает повторное разрушение смерзшегося глинозема и дальнейшее заглубление рушителя в материал.
На рис. 2 приведена кривая 3, полученная экспериментально, нагрузочной характеристики разрушения ЩИ) смерзшегося глинозема при виброударном внедрении в него плоского рушите-ля (с трапецеидальными зубьями шагом 0,07 м).
На графике (рис. 2, кривая 3) просматривается линейная зависимость между N и И на участке ОА, которую можно с достаточной точностью заменить прямой, характеризуемой уравнением
N = gh,
где N - действующая нагрузка; И - внедрение ножа; g = tg 1, где 1 - угол наклона прямой 0-1 к оси абсцисс.
Участок ОА соответствует стадии ограниченно-упругого взаимодействия рабочего органа и материала, которое заканчивается разрушением. Эта стадия носит характер хрупкого разрушения, после которого нагрузка мгновенно падает до нуля. Нагрузочная характеристика О-А-В соответствует контактному процессу, состоящему из двух стадий - стадии нагрузки О-А и стадии разгрузки А-В. Упругое взаимодействие N = gh продолжается до достижения некоторой
, N
критической нагрузки М,,. и соответствующей ей величины внедрения И =----, при которой про-
g
исходит разрушение материала. После разрушения нагрузка мгновенно падает до нуля, т. к. в данном случае мы имеем совершенно хрупкое разрушение материала.
График функции внедрения И(0 будет иметь вид, представленный на рис. 3.
Рис. 3. Графики внедрения рушителя с зубьями шагом 0,07 м и высотой 0,1 м:
1 - экспериментальная кривая; 2 - теоретическая
Сопоставляя теоретический график функции внедрения виброударного рушителя в смерзшийся глинозем (кривая 2) с экспериментальным видом кривой внедрения (кривая 1 на рис. 3), можно сделать вывод о хорошем совпадении теоретических и экспериментальных результатов.
Обобщая результаты исследования процесса внедрения виброударного рабочего органа в слежавшиеся и смерзшиеся грунты, можно сделать следующие выводы.
1. С точки зрения эффективного использования параметров виброудара наиболее рациональным является плоский рушитель с трапецеидальной режущей кромкой (с шагом установки зубьев 0,07 м).
2. Для всех видов рушителей экспериментально получены нагрузочные характеристики разрушения смерзшегося глинозема, что позволяет провести аналитические расчеты параметров виброудара. Сопоставление теоретических расчетов с экспериментальными измерениями (рис. 3) показало хорошую сходимость результатов, что позволяет использовать полученные результаты для проектирования виброударных рабочих органов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Виброметод разработки мерзлых грунтов / Н. С. Шкуренко и др. - М.: Стройиздат, 1965. - 196 с.
2. Баладинский В. Л. Динамическое разрушение грунтов. - Киев: Изд-во КГУ, 1971. - 224 с.
3. Шлойдо Г. А., Бакулин А. В. Исследование эффективности многозубых рабочих органов рыхлителей на физических моделях // Тр. ВНИИСтройдормаш. - Вып. 106. - М., 1981. - 108 с.
Статья поступила в редакцию 4.02.2009
EXPERIMENTAL INVESTIGATION OF THE PROCESS OF VIBROPERCUSSION COLLAPSER INTRUSION INTO ALUMINA
A. B. Filyakov, B. M. Slavin, V. V. Kogan
The development process of strong and frozen grounds is considered in the paper. The results of the experimental investigation of different vibropercussion collapsers intrusion into strong ground are shown. Load characteristics of broken frozen alumina, allowing to analyze vibropercussion parameters, are gained. The expediency of the application of flat collapsers with a trapezoidal cutting edge is proved.
Key words: strong ground, load characteristic, vibropercussion, cutting edge.
