Научная статья на тему 'Давление на площадку износа ножей землеройно-транспортных машин'

Давление на площадку износа ножей землеройно-транспортных машин Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

CC BY
222
73
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ЗЕМЛЕРОЙНО-ТРАНСПОРТНАЯМАШИНА / НОЖ / ПЛОЩАДКА ИЗНОСА / ДАВЛЕНИЕ / МЕТОДИКА РАСЧЕТА

Аннотация научной статьи по механике и машиностроению, автор научной работы — Берестов Евгений Иванович, Джалилванд Эхсан Хоррам

Рассмотрены причины, вызывающие износ нижней стороны ножей землеройно-транспортных машин. Установлено, что площадка износа испытывает большие давления даже при копании без заглубления ножа, с постоянной толщиной стружки. Изложена методика их расчета. Показано влияние на величину этого давленияугласдвига.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по механике и машиностроению , автор научной работы — Берестов Евгений Иванович, Джалилванд Эхсан Хоррам

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

PRESSURE ON WEAR AREA OF BLADES OF EARTHMOVING MACHINES

The causes of wear of the underside of earthmovers blades have been considered. It has been found that the wear area experiences great pressures even when digging without blade penetration and with constant chip thickness. The method of their calculation is presented. The effect of the angle of displacement on the magnitude of this pressure has been found.

Текст научной работы на тему «Давление на площадку износа ножей землеройно-транспортных машин»

МАШИНОСТРОЕНИЕ

УДК 621.828.06

Е. И. Берестов, Э. Х. Джалилванд

ДАВЛЕНИЕ НА ПЛОЩАДКУ ИЗНОСА НОЖЕЙ

ЗЕМЛЕРОЙНО-ТРАНСПОРТНЫХ МАШИН

UDC 621.828.06

Y. I. Berestov, E. K. Jalilvand

PRESSURE ON WEAR AREA OF BLADES OF EARTHMOVING MACHINES

Аннотация

Рассмотрены причины, вызывающие износ нижней стороны ножей землеройно-транспортных машин. Установлено, что площадка износа испытывает большие давления даже при копании без заглубления ножа, с постоянной толщиной стружки. Изложена методика их расчета. Показано влияние на величину этого давления угла сдвига.

Ключевые слова:

землеройно-транспортная машина, нож, площадка износа, давление, методика расчета.

Abstract

The causes of wear of the underside of earthmovers blades have been considered. It has been found that the wear area experiences great pressures even when digging without blade penetration and with constant chip thickness. The method of their calculation is presented. The effect of the angle of displacement on the magnitude of this pressure has been found.

Key words:

earthmoving machine, blade, wear area, pressure, design procedure.

У землеройно-транспортных машин, таких как бульдозер и автогрейдер, рабочий процесс связан с непрерывным взаимодействием отвала с грунтом. Поэтому и износ ножей у этих машин более интенсивный, чем у скрепера, у которого набор грунта в ковш составляет незначительную часть рабочего цикла.

Однако физические процессы, происходящие при отделении грунта от массива, у этих машин одинаковы - наблюдается периодический сдвиг грунта ножом. При этом наиболее нагруженной является нижняя часть передней по© Берестов Е. И., Джалилванд Э. Х., 2014

верхности ножа [1]. Для ее упрочнения используется термообработка токами высокой частоты или наплавка рабочей поверхности износоустойчивыми материалами. Принято считать, что ножи с упрочненной передней поверхностью самозатачивающиеся. Такие ножи при эксплуатации получают характерный износ режущей кромки. Площадка износа появляется со стороны нижней, более мягкой части ножа. Эта площадка у землеройно-транспортных машин расположена в горизонтальной плоскости, соответствующей типичной для данной машины глубине резания. При

заглублении рабочего органа до максимальной глубины или выглублении до нулевой отметки угловое положение площадки износа изменяется всего на 1,5...2°, что можно не учитывать при ее малых размерах.

Такая же площадка износа появляется и у ножей, сделанных в Республике Иран по западной технологии, имеющих другой состав материала и другую термообработку.

Интенсивный износ ножей с нижней стороны, который наблюдается на практике, приводит к заключению, что на эту часть ножа действует давление не только при заглублении, носящее относительно кратковременный характер, но и при копании даже с постоянной толщиной стружки. Иначе такой быстрый износ нижней стороны ножей невозможно объяснить.

Для оценки величины вышеописанного давления рассмотрим схему на рис. 1. В момент сдвига происходит формирование устойчивого положения площадки скольжения ОВ, а после сдвига на эту площадку будет действовать давление qб со стороны перемещаемого потока грунта ОБКО, зависящее от сопротивлений перемещению этого потока и его веса [2]. Давление действует достаточно продолжительное время - до формирования площадки скольжения при первом малом сдвиге (положение ножа В К '). В этом случае перед кромкой ножа появляется площадка скольжения С В ', выполняющая те же функции по отношению к грунту, расположенному под ней перед ножом, что и площадка ОВ при большом сдвиге, а на грунт перед ножом будет действовать давление qм.

Рис. 1. Схема давлений на грунт перед режущей кромкой при появлении площадки сдвига

Таким образом, за цикл разрушения между двумя соседними большими сдвигами на площадку сдвига в грунте перед ножом действуют достаточно высокие давления. Кроме того, грунт испытывает такие же давления при малых сдвигах, количество которых за цикл определяется многими факторами. Поэтому обратимся к схеме на рис. 2, на которой изображена площадка сколь-

жения без привязки ее к большим или малым сдвигам.

В механике грунтов [3] принято различать уплотнение грунтов при длительном воздействии постоянной статической нагрузки (компрессия) и уплотнение грунтов при кратковременном действии динамических нагрузок (механическое уплотнение). Проанализируем второй случай. Для него допуска-

ется рассматривать грунт как линейно деформируемую и идеально упругую среду, для которой зависимость между нормальным давлением о и деформацией грунта к принято считать прямолинейной:

^ = Кк ■ к,

(1)

где Кк - коэффициент жесткости, зависящий не только от свойств грунта, но и от размеров подошвы основания (в данном случае площадки сдвига) [3].

Рис. 2. Схема для расчета давлений на площадку износа при копании с постоянной толщиной стружки

Под действием давления q произойдет некоторое сжатие грунта под площадкой скольжения на величину Д/ОВ, которая будет пропорциональна нормальному давлению, что с учетом формулы (1) позволяет получить

Д/ОВ =

q■ооб р

К

(2)

к

где р - угол внутреннего трения грунта.

Тогда величина деформации грунта в вертикальной плоскости

ДкОВ = Д/ОВ ■ ооб^ =

q ■ ооб р- ООБ^

К

. (3)

к

Таким образом, под нож попадает грунт, предварительно деформированный на величину ДкОВ в вертикальной плоскости. Это приводит к появлению давлений со стороны грунта на площадку износа ножа, препятствующую

расширению грунта кверху. Величина этих давлений, в соответствии с формулой (1), будет равна:

qN = Кк-Дк

ОВ

(4)

После прохождения площадки износа с грунта снимается давление, и его поверхность поднимется на некоторую величину Дк. Такое явление отмечается многими исследователями, например, Ю. А. Ветровым [4].

В результате даже при копании грунта без изменения толщины стружки площадка износа находится под воздействием значительных по величине давлений, приводящих к интенсивному ее износу.

Эти же давления позволяют оценить и силу трения ножа о грунт. Применительно к схеме на рис. 2 сила трения площадки износа ножа о грунт

Ртр = Чм ■Ь ■1 ■ tg®,

(5)

где Ь - длина ножа; I - ширина площадки износа; а - угол внешнего трения.

Скорость перемещения грунта относительно поверхности площадки износа равна скорости перемещения машины.

Таким образом, изложенные теоретические положения позволяют рассчитать параметры (скорость перемещения и давление), определяющие износ трущихся поверхностей, а следовательно, перейти к расчету скорости изнашивания нижней кромки ножа.

На рис. 3 представлены результаты расчетов геометрических параметров грунта применительно к копанию моделью отвала бульдозера, установленного в грунтовом канале Белорусско-Российского университета. Из рисунка видно, что уменьшение толщины стружки приводит к уменьшению угла сдвига. Это свидетельствует об увеличении давления на площадку сдвига, несмотря на

уменьшение массы грунта, перемещаемого по поверхности отвала, и снижение сопротивления копанию при тонких стружках [5]. Происходит это в основном из-за высоких сил трения между перемещаемым по отвалу потоком грунта и призмой волочения, с одной стороны, и отвалом - с другой.

Эпюра давлений на отвал построена по результатам расчета его криволинейной части. Давление на нижнюю прямолинейную часть построено условно, т. к. этот вопрос требует специальных исследований распределения давлений по поверхности ножа при больших и малых сдвигах [1].

Аналогичная картина наблюдается и при копании грунта скрепером (рис. 4). Из рисунка видно, что при одной и той же степени заполнения ковша грунтом уменьшение толщины стружки приводит к уменьшению угла сдвига. Причины этого такие же, как и при копании отвалом.

Рис. 3. Копание рабочим органом отвального типа

Рис. 4. Изменение положения площадки сдвига при изменении толщины стружки

Угол сдвига существенно зависит как от степени заполнения ковша грунтом, так и от режима копания (рис. 5). Однако и в этом случае выглубление

ковша в заключительной стадии (к = гаг) приводит к значительному уменьшению угла сдвига.

а)

б)

Ч1

а - при h = const; б - при h = var

Рис. 5. Зависимость угла сдвига от степени заполнения ковша

Таким образом, уменьшение толщины стружки влечет за собой уменьшение угла сдвига у вследствие увеличения давлений q на площадку сдвига, что, в свою очередь, приводит к более высоким давлениям на площадку износа. Из формул (3) и (4)

qN = q • cos р• cos^. (6)

Рассмотрим работу бульдозера весом 200 кН на базе трактора Т10М, имеющего длину отвала 3,2 м на типовом грунте с углом внутреннего трения р = 30°, углом внешнего трения а = 28° и удельным сцеплением с = 40 кПа. Ширина сот площадки износа ножа у этого бульдозера для новых ножей равна 14 мм, а для полностью изношенных - около 25 мм.

Большой сдвиг происходит довольно часто [2], и новая площадка сдвига появляется, когда старая еще не исчезла. Учитывая это, можно считать, что осадка грунта из-за давлений, дей-

ствующих на площадку большого сдвига, и возникающее из-за этого давление ды на площадку износа ножа будут мало изменяться на протяжении цикла разрушения грунта между большими сдвигами. Поэтому за основу можно принять расчет при большом сдвиге. Действительное положение площадки большого сдвига (угол у) и давление д, действующее на нее, можно определить по методике [5].

При копании грунта бульдозером угол большого сдвига грунта изменяется в широких пределах: от 30...400 - в начале копания до 5.10° - в конце (в зависимости от категории грунта и режима работы). Результаты расчета давления ды (рис. 6) показывают, что оно увеличивается по мере накопления грунта перед отвалом. Так, при угле сдвига у = 35° (в начале копания) давление ды = 19 кПа, в конце копания при у = 7,5° ды = 95 кПа.

Рис. 6. Изменение давления д, действующего на площадку износа, в зависимости от величины угла сдвига у

В этих условиях в начале копания (у = 35°) сила, действующая со стороны грунта на площадку износа ножей отва-

ла при ее длине 14 мм, Ры = 0,85 кН, а при длине площадки износа 25 мм -1,52 кН. В конце копания при у = 7,5° и

длине площадки износа 14 мм будем иметь РN = 4,25 кН, а при длине площадки износа 25 мм - РN = 7,6 кН.

Возникающая из-за этого сила трения площадки износа о грунт в конце копания при длине площадки износа 14 мм Ртр = 4,25 • 0,53 = 2,25 кН, а при длине площадки износа 25 мм - Р^ = 4 кН. Если учесть, что сопротивление передвижению бульдозера весом 200 кН Рг = О • / = 200 • 0,1 = 20 кН, то дополнительное сопротивление из-за трения ножа по грунту достигает 20 % от сопротивления передвижению бульдозера Р/.

Таким образом, при копании грунта землеройно-транспортной машиной на площадку износа ножа постоянно действуют вертикальные давления. Их величина даже на грунтах II категории достигает 100 кПа при малых толщинах стружки.

Необходимо заметить, что после набора призмы волочения бульдозером (при ее перемещении к месту укладки) рекомендуется заглублять отвал в грунт

на 2.3 см с целью компенсации потерь грунта в боковые валики. Однако при этом угол сдвига будет минимальным, а давления, действующие как на площадку сдвига, так и на площадку износа, -максимальными. Это значит, что при возведении земляных сооружений бульдозером на площадку износа действуют высокие давления не только при наборе грунта, но и при его транспортировании, т. е. на протяжении всего цикла взаимодействия отвала с разрабатываемым грунтом. Еще более это характерно для рабочего процесса автогрейдера, работающего на малых толщинах стружки при планировании и профилировании грунта.

Совместность рассмотренных давлений с более высокими давлениями, действующими при заглублении ножа, приводит к интенсивному износу его нижней стороны. Величину давлений, действующих на площадку износа при заглублении ножа, можно определить по специальной методике [6].

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Берестов, Е. И. Распределение давлений по поверхности ножа при резании грунта / Е. И. Берестов, А. Х. Афгами Алишах, Э. Х. Джалилванд // Интерстроймех-2011 : материалы Междунар. науч.-техн. конф. - Могилев, 2011. - С. 26-29.

2. Берестов, Е. И. Сопротивление грунтов резанию / Е. И. Берестов // Изв. вузов. Строительство. -1997. - № 10. - С. 102-107.

3. Цытович, Н. А. Механика грунтов (краткий курс) / Н. А. Цытович. - М. : Высш. шк., 1973. -

280 с.

4. Ветров, Ю. А. Резание грунтов землеройными машинами / Ю. А. Ветров. - М. : Машиностроение, 1971. - 360 с.

5. Берестов, Е. И. Расчет параметров процесса копания грунта отвалом / Е. И. Берестов, С. В. Ив-лев, С. И. Бондарь-Ляшук // Строительные и дорожные машины. - 2005. - № 7. - С. 36-39.

6. Берестов, Е. И. Расчет заглубления отвала бульдозера / Е. И. Берестов, Э. Х. Джалилванд // Строительные и дорожные машины. - 2012. - № 10. - С. 38-44.

Статья сдана в редакцию 14 июля 2014 года

Евгений Иванович Берестов, д-р техн. наук, Белорусско-Российский университет. Тел.: +375-291-24-89-95.

Эхсан Хоррам Джалилванд, аспирант, Белорусско-Российский университет.

Yevgeny Ivanovich Berestov, DSc (Engineering), Prof., Belarusian-Russian University. Phone: +375-291-24-89-95.

Ehsan Khorram Jalilvand, PhD student, Belarusian-Russian University.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.