CC BY
130
УДК 624.13.001.5
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НАЛИПАНИЯ И НАМЕРЗАНИЯ ГРУНТА НА РАБОЧИЙ ОРГАН РОТОРНОГО
ЭКСКАВАТОРА
Н.П. Дырда, ст. преподаватель, АДИ ДонНТУ, Н.Д. Каслин, профессор, к.т.н., ХНАДУ
Аннотация. Представлены полученные в результате экспериментальных исследований, проведенных в производственных условиях, закономерности изменения степени залипания и обмерзания ковшей роторных траншейных экскаваторов (ЭТР) в зависимости от производительности, грунтовых условий, температуры окружающего воздуха и времени работы, установлены рациональные режимы работы ЭТР при разработке влажных грунтов.
Ключевые слова: роторный трашшейный экскаватор, намерзание грунта, температура, производительность.
Введение
Налипание и намерзание грунта на рабочие органы существенно снижает производительность землеройных машин. Простои роторных траншейных экскаваторов (ЭТР), связанные с очисткой ковшей, достигают 20-30% сменного времени, при этом потери производительности составляют около 50%. Указанные сложности, а также некоторые другие привели к тому, что использование ЭТР с каждым годом снижается. Так в 1960 г. 50% земляных работ при строительстве магистральных трубопроводов выполнялись ЭТР, остальные - одноковшовыми экскаваторами. К 1970 г. объем работ, выполняемый ЭТР, снизился еще на 10%, а в 1990 г. было выполнено менее 15% объема [1]. Поэтому исследование по повышению эффективности использования ЭТР при разработке влажных грунтов является достаточно актуальным.
Анализ публикаций
В работах Сергеева Е.М. [2], Кондры А.С.[3], За-днепровского Р.П. [4] и других ученых в основном раскрыта природа липкости грунтов, закономерности ее изменения в зависимости от различных факторов. Однако закономерности налипания и намерзания грунта на рабочие органы землеройных машин, в том числе и ковшей ЭТР, остались не изучены.
Цель и постановка задачи
В связи со сказанным выше целью данного исследования является изучение закономерности изменения степени залипания и обмерзания ков-
шей ЭТР в зависимости от производительности, грунтовых условий, температуры окружающего воздуха при разработке влажных грунтов.
Результаты исследований
Для выявления особенностей применения ЭТР при разработке частично промерзших влажнен-ных грунтов, определения закономерностей налипания и намерзания грунта на рабочий орган были проведены систематические наблюдения за их работой. Наблюдения показали, что эксплуатационные качества экскаваторов резко снижаются при влажности грунта 20 -25%. При влажности 35-40% экскаваторы обычной конструкции оказались неработоспособными. Установлено, что в рабочем органе налипанию и обмерзанию наиболее подвергнуты ковши, цепные днища, диски ротора, ограничительные и подборные щиты, фартуки и лента транспортера.
Процесс налипания и обмерзания ковшей зависит от грунтовых условий и температуры окружающего воздуха. При влажности грунта ниже предела текучести, грунт разработанный зубьями, поступает в ковш в разрыхленном состоянии. Причем, частички грунта в начале загрузки ковша (процесс резания) мелкодисперсные, так как толщина серповидной стружки у ЭТР начинается с нуля. По мере поворота ротора наполнения ковша увеличивается и первые частички прижимаются к поверхностности контакта металлоконструкции силами трения грунта о поверхность ограничительного щита и от собственного веса грунта.
Динамика процесса налипания и обмерзания ковша, протекающего в три стадии, хорошо про-
слеживается на графиках, представленных на рис.1.
Кз
4 2 1
3
♦ П=234м3/ч;Тв=-1...+2С ■ П=314м3/ч;Тв=0...+2С А П=400м3/ч;Тв=0...+2С X П=234м3/ч;Тв=-12С -1-1-1-1-1-1-1—а
20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260
Рис.1. Изменение рабочего объема ковшей от времени в процессе налипания и намерзания грунта
При температуре окружающего воздуха ниже (-10 °С)-(-15 °С) решающее значение на первой стадии имеет непосредственный контакт грунта с холодной металлической поверхностью. Интенсивное намерзание грунта происходит в связи с повышенной теплоотдачей грунтом тепла более холодному и более теплопроводному металлу.
Особыми центрами распространения налипающего и намерзающего грунта являются мертвые зоны ковша - это места сопряжения конструктивных элементов ковша, характеризующиеся малоинтенсивными продвижениями грунта при заполнении ковша, когда развивается наибольшее контактное давление на поверхностях продвижения.
При этом интенсивному налипанию и обмерзанию подвергаются цепи задних стенок ковша, начиная с цепей, расположенных в непосредственной близости от дисков ротора, мест крепления цепей к поперечине ковша. Обмерзает сама поперечина изнутри ковша и внутренние поверхности дисков. Особенно интенсивно накопление грунта происходит в местах крепления ковша к дискам ротора, если рядом расположен зуб ковша: отделяемая зубом стружка направляется непосредственно в мертвую зону (угол ковша), а напорные силы создают повышенное контактное давление. Первая стадия характеризуется резким ростом количества остающегося в ковшах грунта, за счет заполнения мертвых зон (рис. 2).
Вторая стадия процесса начинается после заполнения мертвых зон и характеризуется некоторым замедлением, стабилизацией процесса. Связный липкий грунт выгружается из ковшей отдельными слоями. Поверхность отрыва имеет параболический профиль (рис. 3), отличающийся от внутреннего контура ковша. При этом устанавливается постоянный тепловой режим, так как намерз-
ший в первой стадии на поверхность металла грунт является теплоизолятором для последующих слоев грунта и интенсивность отдачи тепла металлоконструкции снижается.
Рис. 2. Ковш роторного - траншейного экскаватора после 30 мин. работы во влажных грунтах при окружающей температуре воздуха -15 °С
Третья стадия начинается с момента приближения суммарного объёма налипшего и намерзшего грунта и грунта, вновь поступающего в ковш, к объему ковша (коэффициент наполнения близок к 1). При этом повышается плотность грунта в ковше и возрастают силы сцепления между частицами. Это приводит к резкому росту объема налипшего и намерзшего грунта, за которым следует полная неработоспособность ротора.
Повторность исследования по определению зависимости изменения объема налипания и обмерзания ковша была десятикратной. Это позволило с надежностью 0,9 получить результаты замеров объема налипания и намерзания грунта с точностью 4-6%.
А
I—
А
Рис.3. Стадии налипания и намерзания грунта на ковше ЭТР
Обработка полученных результатов позволила получить зависимости, адекватно описывающие исследуемый процесс на первых двух стадиях.
К 0,0175 . кя+0,12
(1)
где К3 - коэффициент налипания ковш; Кн - коэффициент наполнения ковша; ^ - время работы рабочего органа.
0,7
0,1
Под коэффициентом налипания понимается отношение объема налипшего и намёрзшего в ковше грунта к полному объему ковша. Анализ результатов этого этапа исследований показал следующее. Рабочее время до полного налипания ковша зависит в основном от влажности, температуры окружающего воздуха, степени заполнения ковша. Зависимость рабочего времени /р от коэффициента наполнения ковша можно получить из уравнения (I), используя ту особенность, что ротор резко теряет работоспособность в том случае, когда сумма коэффициентов наполнения Кн и налипания К3 равна единице.
=
(1 - Кн) Кн 0,0175
Кн +0,12
(2)
Учитывая уравнение (2), а также известные уравнения по определению технической производительности роторных траншейных экскаваторов, получим зависимость, описывающую изменение производительности экскаватора при разработке влажных грунтов от коэффициента наполнения ковша.
П =■
60КНп ■ 2 -¥к
К„
-1
1 + и.
(1 - Кн ) Кн 0,0175
Кн +0.12
(3)
где п - частота вращения ротора; 2 - число ковшей; УК - емкость ковша; Кр - коэффициент разрыхления грунта; 1ОК - время очистки ковша.
600 500
\. <
/
V Лр
\\ /
,и /час
00
60
30
С ,2 0,3
О,А
3.5 0,6 Кн
Рис. 4. Изменение рабочего времени ковша и производительности ЭТР от коэффициента наполнения ковша
Это уравнение было рекомендовано производственным организациям для определения оптимальных режимов работы экскаваторов ЭТР-231 при разработке частично промерзших липких грунтов влажностью до 30%.
На рис.4 видна хорошая сходимость зависимостей изменения рабочего времени и среднечасовой производительности экскаватора, построенных по уравнениям (2) и (3) и по результатам практических наблюдений за работой ЕТР-231 на трассе нефтепровода Пермь-Альметьевск.
Выводы
Изучение особенностей применения ЭТР при разработке траншей в частично промерзших влажных грунтах показали, что обмерзанию и налипанию подвержены конструктивные элементы рабочего органа, которые распределены по всей рабочей зоне ротора. Так как теплообогрев рабочих поверхностей являются наиболее эффективным способом борьбы с намерзанием грунта, необходимо осуществить теплообогрев рабочего органа ЭТР комплексно, создавая необходимый температурный микроклимат по всей рабочей зоне ротора.
Литература
1. Шакиров Р.М., Шацкий А.С., Подгорбунский
Е.А. Состояние и перспектива развития механизации для строительства магистральных трубопроводов. Обзор. - М.: ВНИИНТПИ, 1991. - 72 с.
2. Сергеев Е.И. Грунтоведение. - М.: Изд-во
МГУ, 1971. - 596 с.
3. Кондра А.С. Исследование липкости грунтов и
предложения по ее ускорению. - Горные, строительные и дорожные машины. - К.: Техника. - 1976. - Вып. 3. - С. 204-211.
4. Заднепровский Р.П., Мерлицкий Ю.С., Лукья-
ненко К.Ф. Способы борьбы с налипанием и намерзанием влажных грунтов на рабочие органы строительных машин. - М.: Строй-издат, 1976. - 32 с.
Рецензент: В.В. Ничке ХНАДУ.
профессор, д.т.н., Статья поступила в редакцию 18 января 2005 г.
