CC BY
56
УДК 621.878
ЗЕМЛЕРИЙНА МАШИНА З АДАПТИВНИМ РОБОЧИМ
ОРГАНОМ
Л.Є. Пелевін, професор, к.т.н., В.П. Рашківський, аспірант, КНУБА
Анотація. Показано, що зусилля опору різанню ґрунту варіативно змінюється в процесі його розробки. Використовуючи гідроімпульсний привод, можна регулювати вихідне зусилля і наближати його до значення сил опору різанню. Таке регулювання обумовлює найменшу енергоємність розробки ґрунту робочим органом землерийної машини.
Ключові слова: землерийна машина, гідроімпульсний привод, імпульсне навантаження, слідкуюча подача.
Вступ
При виконанні землерийними машинами різних технологічних задач постає проблема невідповідності реальних зусиль, що виникають при руйнуванні робочих середовищ та навантажень на вихідній ланці машини. Це призводить до надмірного споживання енергії машиною при розробці одиниці об’єму ґрунту.
Аналіз публікацій
У відомих публікаціях така проблема вирішується шляхом розробки конструкцій низько-енергоємних робочих органів, їх форми та розміщення ріжучих елементів [1, 2].
Мета і постановка задачі
Метою даної роботи є розробка низькоенергоєм-ної землерийної машини шляхом вдосконалення приводу її робочого органу.
Результати розрахунків
Представимо процес різання ґрунту за допомогою наступної розрахункової схеми (рис. 1). Робочий орган ідеалізується як система, що складається з приведеної маси т і пружної ланки, що має приведену жорсткість С1. Система приводиться в дію деякою силою Р, яка змінюється так, що точка М її прикладання весь час рухатиметься з постійною швидкістю и. Такий тип навантаження спостерігається у більшості землерийних машин, що працюють в умовах практично сталого руху [1].
Рис. 1. Розрахункова схема землерийної машини
Лінійний характер залежності опору ґрунту від шляху різання, на довільно взятому відрізку, дозволяє умовно представити ґрунт як пружну ланку, що має жорсткість С2 = К / X , де Я - максимальне значення опору ґрунту; X - шлях різання за час періоду коливань опору ґрунту.
Відмітна особливість ґрунту як пружного елементу виявляється у тому, що його умовна жорсткість С2 існує тільки у напрямі різання, жорсткість же в протилежному напрямі рівна нулю (ця особлива властивість жорсткості С2 відображена на рис. 1 стрілкою). Таким чином, процес різання при сталому русі робочого органу може бути описаний системою, що включає приведені масу і жорсткість робочого органу, а також умовну жорсткість ґрунту.
Рівняння руху точки М додатку сили Р і маси т можна записати у вигляді
md x2 dt2
C1(x1 - x2 )= P, (1)
- C1 (x1 - x2) + C2 x2 = 0 , (2)
де х1 та х2 - координати точки М і маси т у напрямі різання. В той же час шлях точки М
(3)
Підставивши вираз (3) в рівняння (2) і виконавши перетворення, отримаємо
d Х2 C1 + C2
dt2 m
C1
m
x2 = — vt.
Швидкість руху маси т на етапі впровадження в грунт
vC2
ґ
Х2 = -
C1 + C2
cos rat +
C1
C
Л
(4)
2 J
де ra =
органу.
C + C
—------ - частота коливань робочого
Аналіз формули (4) показує, що у разі С1 < С2 можливі зупинка і навіть відскік ріжучого інструменту від ґрунту.
Визначимо зусилля в пружній ланці, тобто силу різання в початковий період зустрічі робочого органу з ґрунтом. Для цього скористаємося формулами (1) і (2): Рх = Кх + дах2, де Рх та Кх - поточні значення сили і опори ґрунту різанню.
З урахуванням виразу (4) отримаємо
Px = Rx - v
C2ram C1 + C2
-sin rat.
Максимальне значення сили різання Р = К + уС2ю- ш(С1 + С2) або Р = К + уС2/ю . Таким чином, сила різання не рівна опору ґрунту, а її максимальне значення лінійно залежить від швидкості різання.
Швидкість руху робочого органу у момент відділення чергового елементу зрізу, коли сила різання досягає максимального значення, згідно рівнянню (4), рівна х2 = уС1 /(С1 + С2).
Після цього починається другий етап руху ріжучого інструменту. Опір ґрунту різанню падає до нуля. Маса т починає взаємодіяти з новим елементом ґрунту, що має жорсткість С2.
Стан коливальної системи описується рівнянням (1) і (2) за початкових умов / = 0; х1 = Л^ х2 = уС1/(С1 + С2), де Л1 - початкова деформація пружної ланки на першому етапі руху.
Диференціальне рівняння руху маси т
С
х2 +ю2х2 = — ( + Л1) (5)
Загальне рішення рівняння (5) буде
CA
C1v C1A1
-cos rat +--------1— t +----(6)
C1 + C2 C1 + C2 C1 + C2
Сила різання на другому етапі руху
СД,
Px = Rx---—cos njf,
m
(7)
де Д1 - деформація пружної ланки на першому
етапі
Д1 vt1 x2 (t1),
(8)
де t1 - час руху робочого органу від початку урізування в масив до моменту виникнення максимального опору різанню; x2(t1) - шлях різання за час t1.
Деформація пружної ланки ріжучого органу в кінці другого етапу Д2 = vt2 +Д1 - x2 (t2), де x2 (t2)
- шлях різання за час t2 другого етапу. Надалі коливальний процес стабілізується. Період коливань T = 2п / ra .
Шлях різання у момент часу t
x = iX + C1(vtP +Д-Д cos rat)/(C1 + C2). Швидкість різання у цей момент
x = C1(v + Дга cos rat)/(C1 + C2),
а сила різання
Px = C2 (x - iX)- C1Д cos rat.
(9)
Аналізуючи динаміку різання ґрунтів, заключа-ємо, що різання - це автоколивальний процес. З теорії коливань відомо, що до автоколивальних відносяться неконсервативні системи, здатні утворювати незгасаючі періодичні коливання і що характеризуються наявністю наступних основних складових частин: постійного джерела енергії; коливальної системи; пристрою, регулюючого надходження енергії в коливальну систему
x1 = vt
m
x-, — —
m
з джерела енергії; ланцюги зворотного зв’язку між коливальною системою і регулюючим пристроєм.
Стосовно машин і установок для руйнування ґрунтів, робочим способом різання, роль джерела енергії виконує привод робочого органу. Регулювання подачі енергії в коливальну систему здійснює процес різання. Дія коливальної системи на грунт визначає зворотний зв'язок, типовий для автоколивальних систем.
В загальному випадку для землерийних машин параметр C1, що визначає жорсткість робочого органу машини, має постійне значення набагато більше значення параметру C2, що характеризує розроблюваний грунт. Таким чином забезпечується запас потужності робочого органу землерийної машини. З іншого боку, запас потужності робочого органу спричиняє занижений ККД машини під час її роботи.
Для визначення жорсткості C1 проаналізуємо схему розпушника на рис. 1. Приймемо деякі допущення:
- ланка AB - абсолютно жорстка;
- робочий орган MAD представляє собою абсолютно жорстку конструкцію.
Тоді, очевидно, що жорсткість C1 визначається жорсткістю гідроциліндра DE. Виходячи з цих положень складемо модель робочого органу землерийної машини з регульованим запасом його потужності (рис. 2).
Х1
Рис. 2. Модель робочого органу землерийної машини
Пружні властивості гідравлічної системи, що визначаються стискаємістю рідини і деформативні-стю конструкції системи, встановлюються в основу аналізу динамічних процесів, що виникають при імпульсній зміні навантаження на вихідній ланці системи.
Жорсткість ділянки трубопроводу довжиною l і поперечним перетином F [2]
C = f • (10)
У таких випадках гідромеханічну систему можна представити як коливальну, в якій носієм потенційної енергії є рідина, що деформується, трубопровід і пружні ланки, що приводяться поршнем, а кінетичної - маса mt поршня і ланок, з ним зв’язаних, і приведена до поршня або замінена дискретною системою маса рідини.
Підставимо значення C1 (10) в рівняння сили різання (9)
, ч EF Px = C2 (x - iX)—— Д cos at • (11)
Виходячи з міркувань, що складова C2 (x - iX) рівняння змінюється в часі за емпіричними законами, необхідно забезпечити умову зміни другої складової сили різання в часі. Конструктивно таку зміну можна забезпечити регулюванням прохідного перетину трубопроводу F • На рис. 3 зображено схему розподільчого пристрою, завдяки якому можна регулювати величину прохідного перетину [3]. Такий розподільчий пристрій забезпечує у вимкненому стані гарантований прохідний перетин f , а при роботі - гарантований зазор 5 , що дозволяє уникнути ефекту кавітації.
При повороті ексцентрика на величину а прохідний перетин буде
а
f = ^-{8(ф)Ф 0 <Ф<а-
0
Тоді рівняння 11 прийме вид
до мінімуму енергоємність, яка затрачується для розробки одиниці об’єму ґрунту.
Е а
Px = C2(х - іХ)-Д008юt /0-^5(ф)іф
. (12)
Для різних умов роботи гідроприводу та відповідно робочого органу, можливо задавати різні закони зміни гарантованого зазору §(ф).
Задачею відтворення загального закону зміни 8(ф) є наближення Рх до реальних значень сил опору ґрунту руйнуванню Р, що зменшує енергоємність розробки ґрунту адаптованим робочим органом.
Висновки
При визначенні законів зміни гарантованого зазору 8(ф) потрібно встановити значення можливих максимумів сили різання та врахувати швидкодію системи. Закон зміни гарантованого зазору 8(ф) визначає адаптацію стрибків тиску під стрибки сил різання ґрунту.
Використання гідроімпульсного приводу дозволяє відтворювати слідкуючу високоімпульсну подачу на виконавчому органі землерийної машини у відповідності з стрибками сил опору ґрунту руйнуванню. Така слідкуюча подача зводить
Література
1. Баладінський В.Л., Пелевін Л.Є., Рашківський
В.П., Ашомок О.Г. Землерийна ручна машина. Патент України №42386 А. Бюл. №2, 15.02.02.
2. Пелевін Л.Є., Левицький Р.Г, Рашківський В.П.
"Робочий орган траншеєкопальної машини". Патент України №61862А. Бюл. № 11, 17.11.2003.
3. Станевский В.П. Совершенствование рабочего
процесса землеройной машины. - К.: Вища школа, 1984. - 128 с.
4. Кожевников С.Н., Пешат В.Ф. Гидравлический
и пневматический приводы металлургических машин. - М.: Машиностроение, 1973. -360 с.
5. Пелевін Л.Є., Смірнов В.М., Гаркавенко О.М.,
Рашківський В.П., Солонько Р.М. Керований гідропривід. Патент України №52005А. Бюл. №12, 16.12.02.
Рецензент: Л.В. Назаров, професор, д.т.н.,
ХНАДУ.
Стаття надійшла до редакції 12 січня 2005 р.
