CC BY
72
УДК 602.5/621
ЗАТУПЛЕННЯ НОЖІВ БУЛЬДОЗЕРА ТА ЙОГО ВПЛИВ НА ПРОДУКТИВНІСТЬ
В.Ф. Демішкан, професор, к.т.н., ХНАДУ
Анотація. Розглянута взаємодія площадки затуплення з ґрунтом, визначено вплив зміни глибини різання на шлях різання та зменшення продуктивності зізростанням величини площадки зносу.
Ключові слова: деформація, робочий процес бульдозера, затуплення.
Вступ
Бульдозери є найпоширенішими машинами в сучасному дорожньому будівництві, парк їх постійно розширюється й обновляється. Використання бульдозерів у дорожньому будівництві дуже високе: це розробка, переміщення й розрівнювання ґрунту, засипання траншей і виїмок, зведення насипів, розкривні роботи, зрізання чагарнику й багато чого іншого, однак у даній роботі зупинимося на основній операції - розробці ґрунту.
Аналіз публікацій
У дослідженнях міцності й деформування ґрунту для приближення аналітики й практики розрахунків необхідні залежності, що описують робочі процеси різання через доступні експлуатаційні показники, наприклад кількість ударів ударника ДорНДІ.
Розробка теорії різання й копання ґрунту ріжучими органами (РО) машин для земляних робіт (МЗР) ускладнюється специфічними особливостями ґрунту, а саме: міцності і деформаційні характеристики ґрунту змінюються в широких межах при зміні щільності й вологості ґрунту; вони змінюються в просторі й можуть бути різні не тільки в напрямку руху машини, але для землерийно-транспортних машин (ЗТМ), і по ширині РО [1].
Мета і постановка задачі
Для визначення характеристик розподілу властивостей ґрунту потрібний оперативний їхній вимір, що може бути здійснено застосуванням щільно-мірів різного виду з набором необхідних наконечників. Отримані дані дозволяють оцінити характер деформування й руйнування ґрунту, розробити розрахункові схеми, що дають можливість розрахунку опорів різанню й копанню.
Дослідження характеристик ґрунту й опорів різанню
Характеристикою, що давала б достатню інформацію про деформаційні властивості ґрунту, може бути коефіцієнт його повної деформації С. Цей коефіцієнт був запропонований О.К. Біруля [4] залежно від того, що єднає контактні напруги на межі середовище - площадка й деформацію X ущільненого середовища. Ця залежність [4] представляється у вигляді
ст = С ■ X Г
(1)
де ц - показник ступеня, що залежить у першу чергу від вологості ґрунту Ж. При цьому при Ж >Р -ц = 0, при Ж =(0,7-0,8) -Р -ц = 0,5, при
Ж = (0,4 - 0,7) - Р - ц = 1, де Р - верхня межа пластичності ґрунту, а С - коефіцієнт повної деформації, визначається, як правило, вдавленням у ґрунт плоского круглого штампа, тоді
Сі =
4 ■ Р п ■ Б2 ■ И
(2)
де Р - зусилля вдавлювання; Б й И - діаметр й осідання штампа.
Процеси взаємодії із ґрунтом штампа й наконечника ударника різні: у першому випадку - це статичний вплив на ґрунт, у другому - динамічний, ударний вплив. Тому надалі будемо говорити про С, не як про коефіцієнт статичної деформації, а як про коефіцієнт деформації, отриманий за допомогою ударника, СД - динамічний коефіцієнт.
Як показано в [3], повна деформація ґрунту наконечником ударника визначається залежністю
Уп = Уі 'Jn ,
(3)
де 5 - кут зовнішнього тертя ґрунту об сталь; £ - крок зсуву.
де у1 - занурення за перший удар; п - кількість ударів ударником ДорНДІ. Звідси занурення за перший удар у дорівнює
Уі =
уп
%/ñ
(4)
Оскільки загальне занурення ударника дорівнює 10 см, тому
Уі =
10
■Jñ
(5)
Початкова швидкість наконечника в момент стикання із ґрунтом $0 підраховується за законом удару непружних тіл
ту
(6)
де тУд - маса всього ударника; тГР - маса падаючого вантажу, Н - висота падіння вантажу.
Час удару ударника об ґрунт ї = 2 • у/ и0. Для найбільш поширеного ударника (з масою падаючого вантажу тГР = 2,5 кг, загальною масою 4,5 кг, висотою падіння Н = 0,4 м, глибиною занурення 0,1 м) динамічний коефіцієнт повної деформації визначається після деяких перетворень залежністю
СД =5,74п МПа/см3.
S =
g Icosр-[С • B • h • cosф + WH ■ sin ( + р + ф)
. (9)
sin а V Сд • B • sin2 a- sin ( + S-p)sin (р + ф)
Дослідження опорів затупленню
У процесі експлуатації ножі РО зношуються, з’являється поверхня зношування, яку можна моделювати площадкою затуплення [6, 7].
У найпростішому випадку вдавлення ґрунту площадкою затуплення під ніж [6] дотична складова опору від затуплення РЗТ визначається залежністю
Р =
1 ЗТ
Сд • B • S2 sin2 а3 • sin (а3 +g) 2 cos2 (а3 +g)
5,74 • n • B • S2 sin2 а3 • sin (а 3 +g)
(10)
cos
(а3 +g)
де ^ - ширина площадки затуплення; а3- кут нахилу площадки затуплення; Сд = 5,74 ■ п - коефіцієнт повної деформації ґрунту.
Користуючись узагальненими характеристиками опору ґрунту різанню: коефіцієнтом опору ґрунту різанню к і коефіцієнтом опору ґрунту затупленню п3 (опір РЗТ, віднесений до довжини ножа В) складемо рівність
P = k • B • h = k • B • h + B •n3,
(11)
Тоді залежність для визначення опорів різанню (максимальної сили зсуву елемента) [1]
P = -
0max
sin а-
C • b • hCp •
sin ф cos а
cos ф tg (ф + р)
+ sin ф
tg (ф+р)
■Wh
(7)
де к - глибина різання гострим ножем; к1 - глибина різання затупленим ножем; к - питомий опір різанню; п3 - питомий опір від затуплення.
З (11) отримаємо глибину різання затупленим ножем кх
(12)
де В і к - розміри зрізу: ширина й глибина; Жн -опір наповнення робочого органа (РО); а, р, ф -відповідно кути різання, внутрішнього тертя й зсуву ґрунту.
Залежність для визначення сили, необхідної для вдавлювання ножа в ґрунт при показнику ц = 1
Ро
таХдЄф
Сд • B• S2 • sin2 а-sin(а + g-p) cos2 g^cos р
(8)
Таким чином, глибина різання зношеним ножем
п
зменшується при тій же силі Р на величину —.
к
Отже, шлях набору ґрунту в призму волочіння збільшиться на
= L3 L0CTp = '
Пз
Unp • kH_____________________________
kр • B k • h2 — n3 • h
. (13)
При різанні стружкою постійної товщини шлях наповнення робочої призми волочіння УПР становить:
при гострому ножі
к —
при затупленому ножі
Vпр ■ кп
У,р ■ к
B ■ И ■ k р
(14)
Ьг — -
пр п
= к ■
к ■ И
1 к ■ И — п3
(15)
де УПР - об’єм призми волочіння; кп - коефіцієнт втрат ґрунту; кр - коефіцієнт розпушення.
Продуктивність машини циклічної дії, наприклад, бульдозера можна визначити виразом
П Упр ■ кп 3600
ПР, — ■ ,
(16)
де Пб - продуктивність бульдозера; /ц - час циклу.
Час циклу складається із часу копання ґрунту (наповнення відвала), транспортування, розвантаження, холостого ходу й двох поворотів. У зв’язку зі зношуванням ножів змінюється тільки час копання /коп , інші складові залишаються незмінними.
Тоді продуктивність у випадку гострого ножа можна знайти у вигляді
Пз =
, оЧ соза3 ■ зіп 8
18 (аз +8)+—(ттг
соз (а 3 +8)
зіп а 3; (19)
ккоп = С ■[*§ (ф + р) + с^8 У]
зіп (а + 8) ■ соз (\|/ + р) зіп (а + 8 + ^ + р)
(20)
де Сд і С - коефіцієнти деформації й зчеплення ґрунту; а й а3 - кути різання й затуплення; 5, р, у - кути зовнішнього, внутрішнього тертя й зсуву ґрунту; £ - ширина площадки затуплення.
Висновки
Розглянуті вище дослідження з визначення характеристик робочого процесу бульдозера дозволяє зробити такі висновки.
1. За основну характеристику ґрунту в робочому процесі бульдозера варто прийняти кількість ударів ударника ДорНДІ, яким визначається зчеплення ґрунту й коефіцієнт повної деформації його.
2. В усіх розрахунках бульдозерів необхідно враховувати затуплення ножів машини, що приводить як до значного підвищення навантаженос-ті, так і до зниження продуктивності.
3. Ступінь впливу затуплення на робочий процес
п
бульдозера визначається відношенням — , тобто
к
відношенням питомого опору затуплення до питомого опору різання.
Пб —-
Упр ■ кп
3600
Упр ■ кп
3600
(17)
Упр ■ кп
кр ■ В ■ И 'икоп
У випадку затупленого ножа
Упр ■ кп 3600
Пб —-
Упр ■ кп
-. (18)
кр ■ В ■ И'Чк
Тут ?сош4 - час виконання всіх операцій циклу за винятком часу копання; /коп - час копання ґрунту; икоп - швидкість копання ґрунту.
Як показано в [8, 9] значення коефіцієнтів ккоп й П3 становлять
4. Отримані залежності дають можливість визначати терміни служби ножів, продуктивність при різному ступені затуплення й нормувати ці показники залежно від ґрунтових умов.
Література
1. Ничке В.В., Кириченко И.Г., Рыбалко И.В.,
Ермакова Е.А. Нагруженность машин для земляных работ // Научные работы КГПИ «Проблемы создания новых машин и технологий». - 1997. - Вып.2. - С. 3-12.
2. Ничке В.В., Ермакова Е.А., Трунова О.С, Аб-
рамов В.В. Определение деформационных характеристик грунта плотномерами // Автомобильный транспорт. Сер. «Совершенствование машин для земляных и дорожных работ». - Харьков: ХГАДТУ. - 2000. - Вып. 5.
- С. 66-69.
3. Ишлинский А.Ю., Кондратьева А.С. К теории
динамического испытания грунта ударником ДорНИИ // Труды совещания по проходимости колесных и гусеничных машин по целине и грунтовым дорогам. - М: Изд. АН СССР. - С.56-61.
^сопйі +
4. Бируля А.К. Проходимость автомобилями чер-
ноземных грунтов // Труды совещания по проходимости колесных и гусеничных машин по целине и грунтовым дорогам. - М.: Изд. АН СССР. - С.89-93.
5. Недорезов И. А. Научное обобщение накоплен-
ных результатов - актуальная задача // Строительные и дорожные машины. - 1995.
- № 3. - С. 22-25.
6. Ничке В.В., Ермакова Е.А., Рыбалко И.В., Ту-
лузов О.Г. Влияние затупления режущих органов МЗР на нагруженность конструкции // Интенсификация рабочих процессов строительных и дорожных машин // Сб. научн. тр. ПГАСА - Днепропетровск. - 2002. -Вып. 15. - С. 146-151.
7. Рыбалко И.В., Тулузов О.Г. Влияние затупле-
ния ножа на эксплуатационные характеристики ЗТМ циклического действия // Вестник ХНАДУ // Сб. научн. тр. - Харьков: ХНАДУ. - 2004. - Вып. 23. - С.56-58.
8. Нічке В.В., Антонов М.А., Єрмакова О.А. Ро-
бочі процеси землерийно-транспортних машин і їх інтенсифікація. УСДО. - Харків, 1995. - 184 с.
Рецензент: Л.В. Назаров, професор, д.т.н.,
ХНАДУ.
Стаття надійшла до редакції 18 січня 2007 р.
