CC BY
53
УДК 621.878
СТВОРЕННЯ ЗЕМЛЕРИЙНО-ТРАНСПОРТНИХ МАШИН ЗА УМОВАМИ ВИМОГ СУЧАСНОЇ ТЕХНІКИ
В.Ф. Демішкан, професор, к.т.н., ХНАДУ
Анотація. Розглянуто питання підвищення ефективності машин для земляних робіт, удосконалення робочих процесів взаємодії робочих органів ЗТМ із ґрунтом, підвищення надійності.
Ключові слова: землерийно-транспортні машини, сучасна техніка, ефективність, удосконалення робочих процесів, підвищення надійності.
Вступ
Якість землерійно-транспортних машин (ЗТМ) залежить у першу чергу від їх надійності продуктивності: двох основних характерне гик машини - виробничого і технічного потенціалу визначає підвищення якості. тому що перший визначається продуктивністю машини, другий - її надійністю. Підвищення виробничого потенціалу досягається інтенсифікацією всіх елементів робочого циклу, автоматизацією керування робочим процесом, що вимагає підвищення енергонасиченості машин [9]. Підвищення технічного потенціалу - підвищенням надійності, але введення в конструкцію машини інтенсифікаторів, елементів автоматичного керування приводить у більшості випадків до її зниження.
Аналіз останніх досягнень
Аналіз виробничого потенціалу дозволяє сформулювати напрямок його підвищення як за рахунок підвищення робочих швидкостей і тягових зусиль (підвищення енергонасиченості), так і за рахунок зниження робочих опорів (зниження енергоємності робочого процесу).
Останнє досягається в першу чергу за рахунок удосконалювання робочого органа ЗТМ. Це встановлення раціональних розмірів, форми, кутів установки ріжучих органів; створення робочих органів з параметрами, що змінюються і адаптуються до умов роботи; створення робочих органів, що забезпечують
зниження опорів наповнення зміною пристроїв направляючих потоки ґрунту або завантажуючих ґрунт механічними пристроями. Однак реалізація виробничого потенціалу машини можлива лише при відповідних показниках технічного потенціалу, особливо для енергонасичених машин. Основними напрямками підвищення цих показників є зниження навантаженості машини. підвищення статичної й втомної міцності, за рахунок застосування нових матеріалів і технологій, зниження тертя і зносу в сполученнях при взаємодії робочих органів машини з ґрунтом.
Мета і постановка задачі
Відповідно до вищевикладеного метою дослідження є визначення напрямків удосконалювання ЗТМ, визначення основ взаємодії робочих органів із середовищем.
Постановка цієї мети стає досить актуальної ще і тому, що в останні десятиліття відбулося значне падіння рівня ефективності нашої дорожньо-будівельної техніки в порівнянні з закордонною.
Напрямки підвищення ефективності
У зниженні ефективності дорожнього будівництва до 40 - 50 % приходиться на фактор механізації дорожніх робіт. За порівняно короткий період (1991 - 2005) намітилося істотне відставання українського дорожньо-будівельного машинобудування; по оптимальній оцінці на 1 - 2 покоління. Значно загострилася проблема прогнозування напрямків
розвитку основних (базових) машин. Цей розвиток може відбуватися шляхом еволюційного розвитку МЗР або альтернативним «революційним» шляхом, на основі наукових розробок і аналізу досягнень світового будівельного і дорожнього машинобудування [9]. Цей шлях базується на прискореному скороченні виниклого відставання шляхом створення й освоєння масового виробництва нової високопродуктивної, надійної конкурентоздатної техніки. До такої техніки відносяться високоенергонасичені універсальні машини, створені на базі модульної побудови, уніфікації, стандартизації, радикального підвищення надійності і продуктивності. При цьому необхідно передбачити випереджальний ріст продуктивності праці в міру підвищення виробничого і технічного потенціалу машин. Одночасно необхідно враховувати тенденції зміни питомих показників - зниження вартості одиниці продукції (грн/м ), енергоспоживання (кВттод/м1), металоємно-сті (кг/м1).
Ефективність ЗТМ визначається чотирма групами властивостей машин і експлуатаційних факторів:
1. Властивості, що характеризують виробничі можливості машини (виробничий потенціал по визначенню І.А. Недорезова [3] - продуктивність машини, її швидкість, економічні показники.
2. Властивості, що формують продуктивність і надійність конструкції машини (технічний потенціал [4]).
3. Фактори, що визначають умови експлуатації, що не залежать від організації експлуатації машин ([6] - грунтово-кліматичні умови).
4. Фактори умов експлуатації, обумовлені організацією і культурою експлуатації (кваліфікація оператора, обслуговування, ремонт).
льного опису різних видів руйнування. Тому на основі дослідження двох повних видів руйнування - відривом і зсувом була розроблена об'єднана теорія міцності Давиденкова-Фрідмана [8] для матеріалів які не мають внутрішнього тертя. Ґрунти, бетон, будівельні матеріали мають значне внутрішнє тертя, тому воно повинно враховуватись при розгляді руйнування. Граничні значення дотичних напруг т є функціями нормального тиску оп в площині зсуву і записується у відповідності із законом Кулона-Мора формулою
т = С + ап ^р,
(1)
де С - зчеплення ґрунту; р - кут внутрішнього тертя.
При побудові об’єднаної теорії міцності для ґрунтів необхідно застосувати як вихідні другу й четверту теорії міцності. Умови руйнування в цьому випадку можна записати так
зсув
відрив
Спр <°р; тш= С+стп ^р;
Спр Ср;
Тш< С + СТп^р-
(2)
Аналіз напруженого стану показує, що при зменшенні внутрішнього тертя при плоскому стиску руйнування проходить здебільшого зсувом. При збільшенні кута внутрішнього тертя підвищується ймовірність руйнування ґрунту відривом і після досягнення деякої величини тертя руйнування відривом стає переважним.
Процес різання ґрунтів
Процес відділення елементів ґрунту від масиву при різанні можна уявити як послідовний ряд актів деформацій руйнувань.
Різання ґрунтів робочими органами ЗТМ
При необхідності визначення виду руйнування ґрунту користуються вивченням зв'язків показників напруженого стану з характером руйнування на основі теорії міцності. Аналіз механічних теорій міцності показує, що кожна окрема теорія не може дати задові-
Рис. 1. Схема взаємодії ножа з ґрунтом
При цьому деформація ґрунту між послідовним руйнування (крок зсуву 8) визначається досягненням зусиллям деформування величини зусилля руйнування. Як показано дослідженням в ХНАДУ величина зусилля деформування ґрунту визначається як
р =
деф
СдBS2 sin2 аsin(а + 5 - р) cos2 5 cos р
(3)
де Сд - динамічний коефіцієнт деформації, Н/м3; S - крок зсуву; а, 5, р, у - кути різання, зовнішнього і внутрішнього тертя, кут зсуву.
Зусилля руйнування ґрунту Ртах описується
залежністю
Рдеф = СВК
С%у
^(у+р)
+1
+
cos а
sin а - -
^(у+р)
(4)
де С - зчеплення ґрунту; В і Нср - ширина і середня глибина різання; Кн - довантаження від опору заповнення робочого органу.
Прирівнявши Рдеф і Ртах можна визначити крок зсуву S
S =
cos 5
sin а
cos р[ЄВИ cos у + Кн sin(а + р + у)]
Сд В sin а sin(а + 5 - р)sin(р + у)
(5)
В цих залежностях Сд - динамічний коефіцієнт деформації визначається за допомогою щільно міра ДорНДІ.
Одержані залежності описують процес різання ґрунту гострими ножами, у яких площадка затуплення має розмір назначений в порівнянні с товщиною ножа. При експлуа-
тації ріжучих органів розмір площадки зростають, що приводить до появи опору затуплення, який може збільшити енергоємність різання в 1,4 - 3,0 рази, що приводить до економічної недоцільності подальшої експлуатації, необхідність заміни ножа.
Прискорена оцінка надійності
Одним із діючих засобів підвищення надійності машин є проведення широких випробувань на етапі створення нових конструкцій машин. Проте в даний час випробування надійності в експлуатаційних умовах ( як у переважній більшості випробовувалися дорожні і будівельні машини раніше) не можуть задовільнити вимог технічного прогресу, що істотно скоротить моральні терміни служби техніки. Тому скорочення термінів створення нових моделей машин при підвищенні якості виробів, що запускаються в серію з найважливіших задач науки і промисловості В даний час накопичено значний досвіт проведення різноманітних видів випробувань у процесі створення і доведення конструкцій. Проте окремі види випробувань мало пов'язані між собою, займають у процесі створення нової конструкції лише 10-12% загального обсягу часу. Науково-технічний рівень випробувань значною мірою визначає терміни впровадження нових конструкцій, їхнє доведення, надійність. Для скорочення термінів і підвищення обсягу і точності одержуваної інформації необхідне постійне удосконалювання методів і засобів випробувань, обробки й аналізу одержуваних даних.
Вирішення задач досліджень, випробувань і оцінки надійності в даний час проводиться двома шляхами: шляхом вивчення статистичних, імовірнісних закономірностей появи відказів, розглядом процесу функціонування машин і їхніх складових частин як випадкового процесу й оцінки показників надійності на цій основі; шляхом вивчення фізико-механічних властивостей і параметрів машин і їхніх складових частин, робочих процесів і робочих середовищ, фізичної природи і механізму відмов. Стан складових частин машини при цьому описується залежностями, що визначають фізичні закономірності процесу.
Викладене обумовлює необхідність рішення проблеми підвищення надійності МЗР у най-коротші строки з мінімальними витратами.
Розробка цієї проблеми потребує вирішення ряду значних наукових задач: розбудова наукових основ прискорених випробувань на всіх етапах створення й експлуатації машин; формування систем комплексних випробувань; забезпечення можливості прогнозування показників надійності і системі конструкція машини-робочий процес-умови експлуатації-прискорені випробування. На основі аналізу робочого процесу землерийно-транспортних машин визначається вплив різноманітних параметрів підсистем ґрунт-робочий орган-базова машина-оператор на формування навантажувального режиму, показників надійності. Знаходяться критичні значення параметрів, при яких змінюється фізична картина робочого процесу. Аналіз отриманих даних дозволяє встановити характер зовнішніх силових впливів на машину, визначити режим навантаження в залежності від конструктивних і експлуатаційних факторів.
Висновки
На основі створеної теоретичної бази розроблена система комплексних досліджень і випробувань надійності дорожніх машин, конструкції обладнання для проведення випробувань, методики перерахунку даних, отриманих при випробуваннях, для умов експлуатації [3, 6, 8].
У результаті узагальнення робіт попередніх дослідників, визначення механізму руйнування і середовища при взаємодії з робочими органами БДМ, формування робочих опорів, системного аналізу збуджуючих впливів, моделювання впливів при прискорених випробуваннях, моделювання процесів втрати працездатності розроблено наукові основи комплексних прискорених випробувань БДМ. Зокрема, розроблений ряд принципових теоретичних положень, таких як
- модифікація єдиної теорії міцності стосовно до матеріалів, що мають значне внутрішнє тертя;
- закономірності взаємодії робочих органів машин для земляних робіт (МЗР) із грунтом при різноманітних видах руйнування на основі лінійної і нелінійної моделей деформування ґрунту;
- описання процесу навантаження робочого органа МЗР у вигляді дво-частотного (полі-частотного) із визначенням характерних частот і амплітуд. їхніх варіацій;
- визначення режиму навантаження ЗТМ у функції максимальних, мінімальних і середніх значень навантаження;
Вдосконалення конструкцій ЗТМ, підвищення їх надійності методами прискорених випробувань, базується на основі вивчення у першу чергу фізичного боку робочих просів ЗТМ, процесів руйнування конструкцій машин, у тому числі:
- дослідження формування нормальних робочих навантажень на робочих органах ЗТМ- на основі положень теорії різання ґрунтів;
- визначення максимальних навантажень на машини;
- дослідження характерних видів руйнування деталей машин, визначення причин руйнування - на базі сучасних положень науки про опір утомі металів.
Нові наукові положення, розвинені в роботі, охоплюють старі уявлення про закономірності робочого процесу ЗТМ, процеси втрати працездатності як окремі випадки, що свідчить про їхню обґрунтованість.
Використання отриманих результатів дає можливість: при створенні ЗТМ - скорочувати строки створення машин, підвищувати продуктивність, виявляти складові частини, деталі, які обмежують надійність, або ті, що мають надлишковий ресурс, що в результаті призводить до підвищення надійності і зниження металоємності, тобто до підвищення якості машин; у процесі серійного виробництва - проводити періодичні прискорені випробування якості машин, визначати ефективність модернізації; у процесі експлуатації -знизити навантаження, підтримувати рівень надійності.
Література
1. Нічке В.В., Антонов М.А., Єрмакова О.А. Робочі процеси землерийно- транспортних машин і їх інтенсифікація. - Харків: ІСТД, 1995. - 184 с.
2. Холодов А.М., Ничке В.В., Назаров
ІІ.В. Землеройно-транспортные машины. -Харьков: Вища школа, 1982. - 192 с.
3. Ничке В.В. Надежность прицепного и навесного оборудования тракторов. - Харьков: Вища школа, 1985. - 152 с.
4. Бунин М.В., Ничке В.В. Эффективность и потенциалы строительных машин. -
Харьков: Вища школа, 1987. - 158 с.
5. Бунин М.В., Ничке В.В., Кириченко И.Г. и др. Создание и эксплуатация строительных машин при вариационном выборе технических решений. - К.: УМК ВО, 1992. -196 с.
6. Пампуро В.И. Вопросьі методологии
системного подхода к проблеме управления надежностью машин и сооружений //Надежность и долговечность машин и сооружений. - 1985. - Вып. 8. - С. 12 - 23.
7. Наукові основи створення високо-
ефективних землерийно-транспортних машин / Кириченко І.Г., Назаров Л.В., Нічке В.В., Демішкан В.Ф. та ін. - Харків: ХНАДУ, 2003. - 588 с.
8. Руднев В.К. Копание грунта земле-
ройно-транспортными машинами активного действия. - Харьков: Вища школа, 1974. -144 с.
9. Погорелый Л.В. Научно-
методические принципы обоснования и прогнозирования направлений развития сельскохозяйственной техники нового поколения и гибких технологических систем / Сб. научных работ Национального аграрного университета Украины // Механизация сельскохозяйственного производства. - Том VI. - К.: Изд-во НАУ, 1999. - С. 9 - 19.
Рецензент:
Стаття надійшла до редакції
