CC BY
69
ТЕХНОЛОГИЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ ПРОЦЕССОВ. МЕХАНИЗМЫ И ОБОРУДОВАНИЕ
УДК 621.879
С.А. Зеньков, Н.А. Балахонов, К.А. Игнатьев
ФГБОУ ВПО «БрГУ»
АНАЛИЗ ВОЗМОЖНОГО ПОВЫШЕНИЯ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ЭКСКАВАТОРОВ ПРИ УСТРАНЕНИИ АДГЕЗИИ ГРУНТА К КОВШУ
Адгезия грунта к ковшам экскаваторов существенно снижает их производительность и влияет на величину силы трения грунта в ковше. Коэффициент пропорциональности или приведенный коэффициент трения f учитывает особенности сдвига при определении силы трения грунта по металлической поверхности, а его величина включает деформационную и адгезионную составляющие и зависит от тех же параметров, что и сопротивление сдвигу: времени t и давления Р контакта, влажности W и дисперсности D грунта, температуры в плоскости сдвига Т, состояния поверхности металла.
Определены значения коэффициента пропорциональности в зависимости от температуры в плоскости сдвига как без воздействия интенсификаторов, снижающих адгезию, так и при тепловом и термоакустическом воздействиях. Это позволит рассчитывать силу трения по металлической поверхности рабочего органа с учетом адгезии и действия интенсификаторов.
Ключевые слова: адгезия грунта, производительность экскаватора, сила трения грунта, напряжение сдвига, коэффициент пропорциональности, приведенный коэффициент трения.
При разработке влажных связных грунтов (особенно при отрицательной температуре) налипание и намерзание грунта на рабочие органы существенно снижает производительность машин. Уменьшение производительности происходит вследствие уменьшения полезной вместимости ковшей и за счет неполной разгрузки, роста как лобового сопротивления при резании (копании) в результате прилипания влажного грунта к рабочему органу, так и сопротивления входа в ковш, а также увеличения простоев машин из-за необходимости очистки рабочих органов [1—3]. Из известных способов снижения адгезии грунта к ковшам экскаваторов наиболее эффективными являются способы воздействия интенси-фикаторами: тепловым и термоакустическим (вибротепловым) [3].
Техническая производительность экскаватора определяется соотношением [1]:
3600дКркшкиш
Вт.ч =---> U)
где q — вместимость ковша, м3; Кр — коэффициент влияния разрыхления грунта, Кр =—; к — коэффициент разрыхления грунта; кн — коэффициент на-
kv р
полнения ковша; — продолжительность цикла, с; £нал — коэффициент нали-паемости на внутреннюю поверхность скольжения влажного грунта;
кнал = 0,7..ЛД
кт„ =
Ч
где дн — объем грунта, налипшего на внутреннюю поверхность ковша; q — qн — фактический объем грунта, выгружаемый из ковша.
Повышение производительности экскаваторов в результате устранения адгезии грунта можно достичь за счет снижения усилия копания, увеличения объема набираемого грунта, сокращения времени цикла, так как не будет затрат времени на очистку ковша.
При копании грунта ковшом экскаватора Н.Г. Домбровским предложено в общем случае три сопротивления [1]:
Р = р + Р + Р
р П С '
где Р — сопротивление резанию; Рп — сопротивление перемещению призмы волочения; Рс — сопротивление от перемещения грунтовой стружки внутри ковша.
Переходя к удельным сопротивлениям, это уравнение можно записать в виде
к ' = кр + кп + к,
где слагаемые соответственно те же.
По данным И.А. Недорезова для ковшей экскаваторов доля сопротивлений Кп и Кс в величине К' может составлять от 70 до 30 % в зависимости от прочности грунта, снижаясь с ее повышением.
Все способы, устраняющие налипание грунта в ковшах экскаваторов, либо частично, либо полностью устраняют сопротивление трению грунта в ковше Р .
с
Адгезия связана с трением. По данным Р.П. Заднепровского сила трения составляет от 30 до 60 % общего сопротивления копанию. Сила трения грунта по поверхности скольжения с учетом адгезии определяется зависимостью [2]: ^ = АР + Б, (2)
где Р — равнодействующая сил нормального давления контакта; рп — удельная сила прилипания, Па; /— коэффициент пропорциональности для деформационной составляющей силы трения; / — коэффициент пропорциональности для адгезионной составляющей силы трения; — площадь контакта.
При / = получаем известную формулу Дерягина — Кротовой.
Удельная сила прилипания рп зависит от давления, времени контакта, типа и состояния грунтов [2] и может различаться в 150 раз.
Согласно теории трения Терцаги — Боудена, сила внешнего трения равна прочности на сдвиг адгезионных связей, образовавшихся в точках истинного контакта, и определяется формулой
^ = т5, (3)
где т — сопротивление (напряжение) сдвигу, учитывающее адгезионные связи; — площадь контакта.
/щ, = — f + f Рп^ ■ (6)
Приравнивая правые части уравнений (2) и (3), имеем: tS = fP + fPn S, (4)
откуда сопротивление сдвигу
т = f + f Р S. (5)
S
Анализ формулы (5) показывает, что сопротивление (напряжение) сдвигу грунта по металлической поверхности состоит из деформационной fP и адгезионной (f р S) составляющих и зависит от давления и площади контакта, свойств поверхностей сдвига, скорости перемещения образца.
Разделив обе части уравнения (4) на равнодействующую сил нормального давления контакта Р получим
rS ^ s S
P = f + f Рп P
Коэффициент пропорциональности или приведенный коэффициент трения f учитывает особенности сдвига при определении силы трения грунта по металлической поверхности, а его величина включает деформационную и адгезионную составляющие и зависит от тех же параметров, что и сопротивление сдвигу, а именно времени t и давления Р контакта, влажности Wи дисперсности D грунта, температуры в плоскости сдвига Т, состояния поверхности металла.
Будем считать, что формула (5) определяет и сопротивление сдвигу при примерзании грунта к поверхности скольжения. Тогда коэффициент пропорциональности fp будет учитывать влияние адгезии при отрицательной температуре и определяться приравниванием аналитической зависимости (5) с полученными экспериментальным путем на специальном сдвиговом стенде [13, 14] зависимостями [3—12], где т = f (D, F, P,W,T, t).
Напряжение сдвига т, площадь S и давление контакта Р поддаются измерению, что дает возможность экспериментально определить приведенный коэффициент тренияf при смерзании грунта с металлической поверхностью рабочего органа.
Без воздействия интенсификаторов с учетом зависимости [3]:
/пр =(66770,25D +10,95p + 16,96W-1,34T + 7,79t-6,52-106 D2 -
- 0,81 p2 -0,09W2 -0,042T2 -0,1í2 -409,5Dp -718WD +
+484,5DT + 82,5Pt + 0,09WP - 0,07PT - 0,36WT + 0,13Wt - (7)
- 0,11T -648,92) S.
При термоакустическом воздействии с учетом зависимости [4—6]:
/пр =( 4,42 + 0,15 p + 0,2 W + 0,58T-0,07t + 330,5D-24DT + 59Dt +
+ 0,01рЖ-0,01рГ-0,03^-19Ю4£>2 -0,01 p1 -0,02JV2 -
2\S (8)
'P
При тепловом воздействии с учетом зависимости [7—12]: fnp =(0,82p + 1,62W + 1,22T - 0,26? + 3,41 • 103 D -0,52 • 106D2 -
- 0,03/ - 0,06W2 + 0,003772 - 0,0 It2 - 0,07 ■ 1О3D W -
- 0,05 • 103Dt + 0,1 • 103 Dt + 0,02PW - 0,02PT - 0,05WT -11,27)S.
(9)
Результаты расчета коэффициента пропорциональности по зависимостям (7)—(9) от температуры приведены в таблице.
Ориентировочные значения коэффициента пропорциональности/пр в зависимости от температуры в плоскости сдвига
Температура, °С +5 -5 -15 -25 -35
Без внешнего воздействия 2,43 6,09 9,33 12,14 14,53
При термоакустическом воздействии 0,19 0,29 0,39 0,48 0,58
При тепловом воздействии 0,67 0,83 0,95 1,05 1,12
Данные величиныf определены при следующих значениях внешних факторов: дисперсности грунта D = 5-10~3 мм, давлении прижатия Р = 20 кПа, влажности W = 17,5 %, времени контакта t = 20,5 мин.
Анализ полученных значений коэффициента пропорциональности fp показывает, что с понижением температуры контактирующих поверхностей от +5 до -35 °Сf^ возрастает при термоакустическом воздействии в 3 раза, при тепловом воздействии в 1,7 раза, без внешнего воздействия в 6 раз. Абсолютные значения приведенного коэффициента трения при термоакустическом воздействии меньше, чем величина f без внешнего воздействия в среднем в 25 раз, увеличиваясь с понижением температуры. Тепловое воздействие снижает^ в среднем в 12 раз. С понижением температуры кратность снижения f при тепловом и термоакустическом воздействиях возрастает.
Используя полученные зависимости (7)—(9), можно определить значения коэффициента пропорциональности при требуемых значениях внешних факторов (в зависимости от условий эксплуатации) и рассчитать силу трения грунта по металлической поверхности рабочего органа с учетом адгезии при смерзании и при внешнем воздействии.
Сопротивление копанию и энергоемкость процесса разработки грунта ковшом экскаватора в значительной степени определяются явлениями, протекающими при движении вырезанной из массива стружки грунта в полости ковша.
Библиографический список
1. Абдразаков Ф.К. Одноковшовые экскаваторы могут работать производительнее // Механизация строительства. 1990. № 6. С. 16—17.
2. Заднепровский Р.П. Теория трения скольжения. Волгоград : Офсет, 2005. 51 с.
3. Зеньков С.А., КурмашевЕ.В., Красавин О.Ю. Анализ повышения производительности экскаваторов при использовании пьезокерамических трансдьюсеров // Системы. Методы. Технологии. 2009. № 4. С. 38 - 41.
4. WangX.L., Ito N., Kito K. Study on reducing soil adhesion to machines by vibration. In: Proceedings of the 12th International Conference of ISTVS, 7—10 October, 1996 (Yu Q.; Qiu L., eds). China Machine Press, Beijing, China. Pp. 539—545.
5. Azadegan B., Massah J. Effect of temperature on adhesion of clay soil to steel // Cercetari Agronomice in Moldova. 2012, vol. XLV, no. 2 (150), pp. 21—27. DOI: 10.2478/ v10298-012-0011-z.
6. Rajaram G., Erbach D.C. Effect of wetting and drying on soil physical properties // Journal of Terramechanics. 1999, vol. 36, no. 1, pp. 39—49. DOI: 10.1016/S0022-4898(98)00030-5.
7. Chen B., Liu D., Ning S., Cong Q. Research on the reducing adhesion and scouring of soil of lugs by using unsmoothed surface electroosmosis method // Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering. 1995. № 11 (3). Pp. 29—33.
8. Ignatyev K.A., Filonov A.S., Lkhanag D., Battseren I. Definitions of time from the surface soil breakout body work in a high impact // Scientific transactions. Ulaanbaatar, Mongolia, MUST, 2013, no. 3/139, pp. 144—146.
9. Зеньков С.А., Игнатьев К.А. Влияние ультразвукового воздействия на адгезию грунтов к рабочим органам землеройных машин // Системы. Методы. Технологии. 2012. № 2 (14). С. 43—45.
10. Ignatyev K.A., Filonov A.S., Zarubin D.A. Application of piezoceramic radiators for combating adhesion or soils to excavating part of an earthmoving machine. Science and Education:materials of the 2th international research and practice conference. Munich, publishing office Vela Verlag Waldkraiburg — Munich- Germany, 2012, vol. 1, pp. 251—256.
11. Жидовкин В.В., Нечаев А.Н., Красавин О.Ю. Применение гибких нагревательных элементов для снижения адгезии грунта к рабочим органам СДМ // Строительство: материалы, конструкции, технологии : материалы I (VII) Всеросс. науч.-техн. конф. Братск, 2009. С. 154—158.
12. Диппель Р.А., Булаев К.В., Батуро А.А. Планирование эксперимента по исследованию влияния параметров теплового воздействия на сопротивление сдвигу грунта // Механики XXI веку. 2005. № 4. С. 52—56.
13. Банщиков М.С., Воропаев Д.В., Бубнова О.Э. Применение нагревательных устройств для снижения адгезии грунта // Молодая мысль: Наука. Технологии. Инновации : материалы III (IX) Всеросс. науч.-техн. конференции студентов, магистрантов, аспирантов и молодых ученых. Братск, 2011. С. 71—73.
14. Определение рациональных параметров оборудования теплового действия к рабочим органам землеройных машин для разработки связных грунтов / С.А. Зеньков, К.А. Игнатьев, А.С. Филонов, Н.А. Балахонов // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2013. № 2(71). Вып. 2. С. 128—133.
15. Зеньков С.А., Курмашев Е.В., Мунц В.В. Стенд для исследования влияния комбинированного воздействия на адгезию грунтов к землеройным машинам // Механики XXI веку. 2007. № 6. С. 15—18.
Поступила в редакцию в декабре 2013 г.
Об авторах: Зеньков Сергей Алексеевич — кандидат технических наук, доцент кафедры строительных и дорожных машин, Братский государственный университет (ФГБОУ ВПО «БрГУ»), 665709, Иркутская область, г. Братск, ул. Макаренко, д. 40, 8(3953)32-53-58, mf@brstu.ru;
Балахонов Никита Александрович — магистрант кафедры комплексной механизации строительства, Братский государственный университет (ФГБОУ ВПО «БрГУ»), 665709, Иркутская область, г. Братск, ул. Макаренко, д. 40, 8(950)149-67-73, balaxon-off@mail.ru;
Игнатьев Кирилл Андреевич — аспирант кафедры строительных и дорожных машин, Братский государственный университет (ФГБОУ ВПО «БрГУ»), 665709, Иркутская область, г. Братск, ул. Макаренко, д. 40, 8(964)350-71-25, епе^-Ьшп-91@ yandex.ru.
Для цитирования: Зеньков С.А., Балахонов Н.А., Игнатьев К.А. Анализ возможного повышения производительности экскаваторов при устранении адгезии грунта к ковшу // Вестник МГСУ 2014. № 2. С. 98—104.
S.A. Zen'kov, N.A. Balakhonov, K.A. Ignafev
ANALYSIS OF THE POSSIBLE INCREASE OF THE EXCAVATORS PRODUCTIVITY AFTER REMOVING SOIL ADHESION TO THE SCOOP
In the process of developing wet cohesive soils (especially at cold temperatures) sticking and freezing of soil on the operating elements essentially reduces the machines performance. The performance decrease happens due to the reduction in the useful capacity of the scoops and due to incomplete unloading, the growth of frontal resistance at cutting (digging) as a result of wet ground sticking to a working part and also the resistance of the input into the scoop and increase of machine downtime due to the need to clean the operating elements. One of the most effective ways to reduce the adhesion of soils at the temperatures below zero is effecting with thermal and vibrothermal intensifies.
The article presents the analysis of shovels performance and soil frictional resistance inside the scoop. The proportionality coefficient or reduced friction coefficient takes into account the shift peculiarities when determining the soil friction force on metal surface, and its value includes deformation and adhesive components and depends on the same parameters as the shear resistance, namely, the time and the contact pressure, humidity and dispersity of soil, temperature in the shear plane, the surface state of the metal.
Experimentally with the use of a special bench shift values the proportionality factor was determined depending on the temperature in the shear plane without affecting intensifiers, which reduce adhesion, and also at thermoacoustic and thermal impact. The results will allow calculating the frictional force on the metal surface of the operating element, taking into account adhesion and intensifiers effect. The obtained data will help to select the type of intensifier.
Key words: adhesion of the soil, productivity of excavators, friction of the soil, shear stress, proportionality coefficient, reduced friction coefficient .
References
1. Abdrazakov F.K. Odnokovshovye ekskavatory mogut rabotat' proizvoditel'nee [Bucket Excavators can Work Longer]. Mekhanizatsiya stroitel'stva [Mechanization of Construction]. 1990, no. 6, pp. 16—17.
2. Zadneprovskiy R.P. Teoriya treniya skol'zheniya [Sliding Friction Theory]. Volgograd, Ofset Publ., 2005, 51 p.
3. Zen'kov S.A., Kurmashev E.V., Krasavin O.Yu. Analiz povysheniya proizvoditel'nosti ekskavatorov pri ispol'zovanii p'ezokeramicheskikh transd'yuserov [Analysis of Excavator Performance Improvement with the Use of Piezoceramic Transducers]. Sistemy. Metody. Tekhnologii [Systems. Methods. Technologies]. 2009, no. 4, pp. 38—41.
4. Wang X.L., Ito N., Kito K. Study on Reducing Soil Adhesion to Machines by Vibration. Proceedings of the 12th International Conference of ISTVS, 7—10 October, 1996. China Machine Press, Beijing, China, pp. 539—545.
5. Azadegan B., Massah J. Effect of Temperature on Adhesion of Clay Soil to Steel. Cercetari Agronomice in Moldova. 2012, vol. XLV, no. 2 (150), pp. 21—27. DOI: 10.2478/ v10298-012-0011-z.
6. Rajaram G., Erbach D.C. Effect of Wetting and Drying on Soil Physical Properties. Journal of Terramechanics. 1999, vol. 36, no. 1, pp. 39—49. DOI: 10.1016/S0022-4898(98)00030-5.
7. Chen B., Liu D., Ning S., Cong Q. Research on the Reducing Adhesion and Scouring of Soil of Lugs by Using Unsmoothed Surface Electroosmosis Method. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering. 1995, no. 11 (3), pp. 29—33.
8. Ignatyev K.A., Filonov A.S., Lkhanag D., Battseren I. Definitions of Time from the Surface Soil Breakout Body Work in a High Impact. Scientific Transactions. Ulaanbaatar, Mongolia, MUST, 2013, no. 3/139, pp. 144—146.
9. Zen'kov S.A., Ignat'ev K.A. Vliyanie ul'trazvukovogo vozdeystviya na adgeziyu grun-tov k rabochim organam zemleroynykh mashin [Ultrasound Influence on Soil Adhesion to the Operating Elements of Digging Machines]. Sistemy. Metody. Tekhnologii [Systems. Methods. Technologies]. 2012, no. 2 (14), pp. 43—45.
10. Ignatyev K.A., Filonov A.S., Zarubin D.A. Application of Piezoceramic Radiators for Combating Adhesion or Soils to Excavating Part of an Earthmoving Machine. Science and Education: Materials of the 2nd International Research and Practice Conference. Munich, publishing office Vela Verlag Waldkraiburg — Munich- Germany, 2012, vol. 1, pp. 251—256.
11. Zhidovkin V.V., Nechaev A.N., Krasavin O.Yu. Primenenie gibkikh nagrevatel'nykh elementov dlya snizheniya adgezii grunta k rabochim organam SDM [Using Elastic Heating Elements for Reducing Soil Adhesion to the Operating Elements of a Road-building Machine]. Stroitel'stvo: materialy, konstruktsii, tekhnologii: materialy I (VII) Vserossiyskoy nauchno-tekh-nicheskoy konferentsii [Construction: Materials, Structures, Technologies: Materials of the 1 (7) All-Russian Scientific and Technical Conference]. Bratsk, 2009, pp. 154—158.
12. Dippel' R.A., Bulaev K.V., Baturo A.A. Planirovanie eksperimenta po issledovaniyu vliyaniya parametrov teplovogo vozdeystviya na soprotivlenie sdvigu grunta [Planning the Experiment on the Research of Thermal Parameters Influence on the Shear Strength in Soils]. MekhanikiXXI veku [Mechanics of the 21st Century]. 2005, no. 4, pp. 52—56.
13. Banshchikov M.S., Voropaev D.V., Bubnova O.E. Primenenie nagrevatel'nykh us-troystv dlya snizheniya adgezii grunta [Using Heating Devices for Reducing Soil Adhesion]. Molodaya mysl': Nauka. Tekhnologii. Innovatsii: materialy III (IX) Vserossiyskoy nauchno-tekhnicheskoy konferentsii studentov, magistrantov, aspirantov i molodykh uchenykh [Young Thought: Science. Technologies. Innovations: Works of the 3 (9) All-Russian Scientific and Technical Conference of Students, Master and Postgraduate Students and Young Scientists]. Bratsk, 2011, pp. 71—73.
14. Zen'kov S.A., Ignat'ev K.A., Filonov A.S., Balakhonov N.A. Opredelenie ratsional'nykh parametrov oborudovaniya teplovogo deystviya k rabochim organam zemleroynykh mashin dlya razrabotki svyaznykh gruntov [Defining Rational Parameters of the Thermal Equipment to the Operating Elements of Digging Machines for Development of Cohesive Soils]. Vestnik Saratovskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta [Proceedings of Saratov State Technical University]. 2013, no. 2(71), issue 2, pp. 128—133.
15. Zen'kov S.A., Kurmashev E.V., Munts V.V. Stend dlya issledovaniya vliyaniya kom-binirovannogo vozdeystviya na adgeziyu gruntov k zemleroynym mashinam [Stand for Combined Influence Investigation on Soil Adhesion to Digging Machines]. Mekhaniki XXI veku [Mechanics of the 21st Century]. 2007, no. 6, pp. 15—18.
About the authors: Zen'kov Sergey Alekseevich — Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Department of Construction and Road Building Machinery, Bratsk State University (BrGU), 40 Makarenko street, Bratsk, 665709, Russian Federation; mf@ brstu.ru; +7 (3953) 32-53-58;
Balakhonov Nikita Aleksandrovich — Master Student, Department of Integrated Mechanization of Construction, Bratsk State University (BrGU), 40 Makarenko street, Bratsk, 665709, Russian Federation; balaxon-off@mail.ru; +7 (950) 149-67-73;
Ignat'ev Kirill Andreevich — postgraduate student, Department of Construction and Road Building Machinery, Bratsk State University (BrGU), 40 Makarenko street, Bratsk, 665709, Russian Federation; energy-burn-91@yandex.ru; +7 (964) 350-71-25.
For citation: Zen'kov S.A., Balakhonov N.A., Ignat'ev K.A. Analiz vozmozhnogo povysh-eniya proizvoditel'nosti ekskavatorov pri ustranenii adgezii grunta k kovshu [Analysis of the Possible Increase of the Excavators Productivity after Removing Soil Adhesion to the Scoop]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2014, no. 2, pp. 98—104.
