CC BY
45
УДК 624.132.3
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НОВЫХ РАБОЧИХ ОРГАНОВ РАЗРУШАЮЩЕ-ТРАНСПОРТИРУЮЩИХ МАШИН С ОРИЕНТАЦИЕЙ ПОТОКОВ ГРУНТА
Е.В. Горбатюк, ассистент, КНУСА
Аннотация. Один из путей интенсификации разработки твердых грунтов - использование машин непрерывного действия, основанных на принципах динамического разрушения и волновой теории деформации грунтов, чаще всего с дисковыми рабочими органами. При разработке грунтов такими рабочими органами необходимо осуществлять два процесса - разрушение грунта и вынос его из забоя. В ходе анализа конструкций высокоскоростных рабочих органов землеройных машин было выявлено то, что большинство землеройных машин осуществляет эту операцию отдельно, что приводит к дополнительным энергетическим затратам. Если появится возможность объединить эти два процесса таким образом, чтобы эти операции осуществлял один механизм, но при этом разрушенный грунт не мешал разрушению целого массива грунта, это привело б на наш взгляд к осуществление процесса с наименьшими энергозатратами.
Ключевые слова: рабочий орган, грунтовыносной элемент, транспортирующий элемент, сила сопротивления грунта разрушению, забой, навеска, образующая конуса, угол наклона.
Введение
Применяемые в наше время рабочие органы непрерывного действия вследствие небольших скоростей воздействия на рабочую среду более энергоемки по сравнению с высокоскоростными рабочими органами.
Цель и постановка задачи
Один из путей интенсификации разработки прочных грунтов это использование машин непрерывного действия, чаще всего с дисковыми рабочими органами с метателем в виде торцевых лопаток [1].
При разработке грунта происходит одновременное его резание и метание. Движение грунта в межлопаточном пространстве диска, который вращается, сложный: он состоит из переносного (вращение диска) и относительного (движения относительно диска). Кинетическая энергия частиц разрушенного грунта разная и зависит от места расположения его на дисковом рабочем органе. Поведение частиц грунта при выносе их из забоя на это время недостаточно описано. На основе обзора и анализа исследований, посвященных разработке грунтов рабочими органами непрерывного действия, можно сделать следующие выводы: недостатком существующих рабочих органов есть то, что в них происходит смешивание частиц грунта с разным зарядом
энергии, что приводит к ухудшению продвижения грунта по транспортирующим лопаткам, и, следовательно, к непродуктивным расходам энергии на перемешивание грунта.
Исследования новых рабочих органов разрушающе-транспортирующих машин
Разработан экспериментальный рабочий орган [2]. Рабочий орган землеройной машины непрерывного действия включает установленную соос-но на приводном вале ступицу, к которой жестко прикреплены диаметрально установленные плоские транспортирующие элементы 1 трапециевидной формы. Транспортирующие элементы 1 соединены между собою большими основами, которые прикреплены к ступице, а меньшие основания жестко связанны с охватывающим ободом 3, который лежит в одной плоскости со ступицей. На больших боковых сторонах транспортирующих элементов 1 установлены режущие элементы 2, а к меньшим боковым сторонам элементов 1 прикреплены грунтовыносные элементы 4. При этом грунтовыносные элементы 4 представляют собой части эллиптического конуса, отсеченной плоскостью, которая проходит через его вершину и большую ось основания и цилиндрической плоскостью, образованной ободом 3. При этом вершина эллиптического конуса закреплена на ступице 2, а выпуклая часть эллиптического конуса повернута в сторону приводного вала 1 (рис. 1).
Рис. 1. Рабочий орган разрушающе-транспорти-рующей машины
При разработке грунта рабочим органом частицы грунта, которые отрываются при помощи режущих элементов 2 от основного массива, почти мгновенно попадают на транспортирующие элементы 1 и далее на грунтовыносные элементы 4 с которых происходит их метание. Следовательно, необходимо разработать математический аппарат для того, чтобы определить кинематические параметры движения частицы грунта по грунтовыносным элементам разной конфигурации. Наиболее эффективными грунто-выносными элементами, на наш взгляд, будут элементы, которые выполнены в виде части эллиптического конуса. Главным преимуществом таких грунтовыносных элементов будет уменьшенный путь транспортирования грунта, что значительно снизит энергетические расходы на трение.
Для проведения экспериментальных исследований силовых параметров рабочих органов на кафедре строительных машин разработан и изготовлен специальный стенд. Стенд (рис. 2) состоит из рамы 1, с направляющими швеллерами 2, вдоль которых перемещается тензометрическая тележка 3.
Рис. 2. Схема лабораторной установки для экспериментального исследования рабочих органов
Рабочее передвижение тензометрической тележки осуществляется двигателем постоянного потока 4 (тип П-11, Р=4кВт, п=4200об/мин), через ременную 5 и винтовую 6 передачи. Тензометриче-ская тележка выполнена в виде контурной рамы жестко закрепленной на осях катков 7. С осями катков шарнирно соединена навеска 8, связанная через рычаг 9 с измерительным узлом 10. Узел предназначен для определения сопротивления рабочему передвижению рабочего органа и представляет собой тензометрическую балку с датчиками, которые соединены по перекрестной схеме. Отличительной особенностью соединения датчиков по этой схеме есть то, что разноименные датчики, расположенные с двух сторон балочки, соединены перекрестно и подключены в плечи тен-зометрического полумоста (рис. 6). Это позволяет измерять разницу моментов сил в разрезах I и II, которая зависит от величины силы и не зависит от точки ее приложения. На навеске 8 (см. рис. 4) закреплена натурная модель рабочего органа 12. Вращение рабочего органа осуществляется благодаря двигателю 11 (тип ГСМ-3000, Р=3кВт, п=6800об/мин) через цепную передачу 13. Передаточное отношение цепной передачи 13 может изменяться подбором звездочек. Цепная передача 13 имеет следующие передаточные отношения: [/1=1,33; [/2=1,47; £/3=1,67; ^=2,26.
Частота вращения электродвигателей может регулироваться как плавно, так и ступенчато, в границах от 100 об/мин до максимального значения. Ход тензометрической тележки ограничивается положением конечных выключателей 14. Усилие подачи регистрировалось осциллографом 15 путем записи отклонений луча шлейфа, которые формируются под действием деформаций тензо-балочки и наклеенных на нее тензодатчиков.
Исследования проводились на природных и искусственных грунтах. Последние характеризуются достаточно постоянными свойствами, поскольку изучение отдельных закономерностей и, особо, физических явлений, которые сопровождают процесс, требовало багаторазового повторения экспериментов при условии постоянства свойств образцов. Грунтовой материал 19 готовили по методике профессора В. И. Баловнева смешиванием помолотой спондиловой глины (30 %) и песка (58 %) с последующим добавлением воды (12 %). Полученная грунтовая смесь достаточно корректно моделировала наиболее представительный грунт - "средний суглинок" [3].
Экспериментальные испытания показали, что разработанная модель рабочего органа с грунто-выносными элементами, которые выполнены в виде части эллиптического конуса, при частоте
вращения а =20 с-1 обеспечивает дальность выброса грунта Х=8,3.. .9,0 м.
Дисковый рабочий орган с грунтовыносными элементами выполненными в бок, обратный вращению диска (рис. 3, а), при частоте вращения а =20 с-1 обеспечивает дальность выброса
Х=6,5...7,0 м.
Дисковый рабочий орган с радиальными грунто-выносными элементами (рис. 3, б), при таких же условиях обеспечивает дальность выброса
Х=4,8...5,3 м.
На рис. 3 показана полученная зависимость дальности выброса грунта Х от частоты вращения рабочего органа а для исследуемых рабочих органов: а - разработанной модели рабочего органа с грунтовыносными элементами, которые выпол-ненны в виде части эллиптического конуса; б -дискового рабочего органа с грунтовыносными элементами выполненными в сторону, обратную вращению диска; в - дискового рабочего органа с радиальными грунтовыносными элементами. Х, м
12
10
—т 1 / С -г— 1
) 1 1 ч Ч )
* / ( ) (\ Г
* К А Г
У, * ^
щ с
0
10
20
30
40
Рис. 3. Зависимость Х от а при сравнении нового рабочего органа с дисковыми рабочими органами
ния рабочего органа а для исследуемых рабочих органов: а - разработанной модели рабочего органа с грунтовыносными элементами, которые выполнены в виде части эллиптического конуса; б -рабочего органа для горизонтальной разработки грунта.
Е, Вт- год/м3 187,5
180 172,5 165
157,5
150
щ с
0
10
20
30
40
Рис. 4. Зависимость Е от а при сравнении разработанного рабочего органа с рабочим органом для горизонтальной разработки грунта Выводы
Использование разработанного рабочего органа в некоторых случаях будет очень целесообразно.
В данном разработанном рабочем органе создаются направленные потоки грунта, и тем самым понижаются энергетические расходы на непроизводительное смешивание грунта, разработанного рабочим органом при его транспортировании. Проведение экспериментальных исследований модели разработанного рабочего органа показало, что благодаря тому, что грунт почти мгновенно изымается из зоны резания, энергетические расходы уменьшились в 1,2 раза, а дальность выноса грунта увеличилась в 1,28 - 1,3 раза.
а
8
б
6
в
4
2
Разработанная нами конфигурация грунтовынос-ных элементов обеспечивает более свободное передвижение разработанного грунта к периферии рабочего органа, большую дальность его выноса, но, при этом, уменьшается прицельность выноса грунта и кучность, то есть необходимо установление кожуха для направления грунта в случае необходимости.
Возьмем для сравнения энергоемкости разработки данного объема грунта рабочим органом для горизонтальной разработки грунта, в котором происходит быстрое изъятие частиц грунта, которые отделились, из зоны разрушения грунта.
Данный рабочий орган при частоте вращения а =20 с-1 обеспечивает энергоемкость разработки грунта Е= 165 Вт-час/м3.
На рис. 4 показана полученная зависимость энергоемкости разработки грунта Е от частоты враще-
Литература
1. Гаркавенко О.М. Розробка та створення швидюс-
них обрушуючих дискових робочих оргашв землерийних машин безперервно! да. Авто-реф. дис. канд. техн. наук. - Кив, 1996. - 20 с.
2. Горбатюк £.В. Робоч1 органи землерийних ма-
шин з роздшьним потоком розвантаження //Науково-практичш проблеми моделювання та прогнозування надзвичайних ситуацш: Зб1рник наукових статей. - 1999. - Вип. 2 -С. 117-119.
3. Баловнев В.И. Моделирование процессов взаи-
модействия со средой рабочих органов дорожно-строительных машин. - М.: Высш. шк., 1981. - 335с. Рецензент: В.В. Ничке, профессор, д.т.н., ХНАДУ.
