CC BY
237
УДК 621.869
ФОРМИРОВАНИЕ ПРИЗМЫ ВОЛОЧЕНИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАЦИОНАЛЬНЫХ ОТНОШЕНИЙ ВЫСОТЫ И ШИРИНЫ ОТВАЛА
В.В. Ничке, профессор, д.т.н., О.Г. Тулузов, аспирант, ХНАДУ
Аннотация. Рассмотрена зависимость производительности бульдозера от характеристик отвала и грунта.
Ключевые слова: призма волочения, бульдозер, отвал, объем призм, производительность.
Введение
Проблема повышения эффективности строительных и дорожных машин, в частности землеройно-транспортных машин циклического действия, приобретает все большее значение в экономике Украины. Растет энерговооруженность, увеличиваются рабочие скорости, рабочие процессы интенсифицируются, однако одновременно увеличиваются простои вследствие снижения надежности машин. В современном производстве данная задача решается на этапах проектирования, изготовления и эксплуатации, причем обеспечение эффективности машин, ее надежности и произ2во. -дительности рассматривается как процесс управления, включающий экономические, технические и научные проблемы.
В итоге формируется комплекс свойств, которые назовем эксплуатационным потенциалом машины, характеризующим выработку машины в течение длительного промежутка времени. Эксплуатационный потенциал и эксплуатационная надежность машины определяет эффективность работы землеройно-транспортных машин - важнейший показатель качества.
Несмотря на некоторый успех в развитии отрасли строительного и дорожного машиностроения, которая представлена сравнительно небольшим количеством заводов (большая часть заводов размещена в России), их продукция в большинстве случаев не отвечает современным требованиям к эффективности машин.
Не определены связи рабочего процесса машины с надежностью, рациональные характеристики рабочих органов (РО) машин, их энергоемкости, оценки надежности машин, возможности построения рациональных рядов. В связи с этим проблема, определяющая закономерности формирования показателей эффективности машин, в
частности землеройно-транспортных машин (ЗТМ) цикличного действия, с учетом условий эксплуатации является актуальной.
Цель и постановка задачи
Для достижения поставленной цели - повышения эффективности ЗТМ циклического действия -необходимо:
1. Установить закономерности взаимодействия РО ЗТМ со средой в различных грунтовых условиях для определения рациональных параметров отвала бульдозера.
2. Установить реальный объем призмы волочения в различных грунтовых условиях.
Анализ публикаций
Исследованием образования объема призмы волочения перед отвалом бульдозера занимались многие ученые Украины, России, зарубежья (А. А. Яркин, В.И. Баловнев, И.П. Бородочев, Н.А. Жихарев, G. Kuhn, G. Greec, Л.А. Хмара, Г.А. Ги-верц, Е.Р. Петерс). Однако вопросы соотношения между высотой и длиной отвала достаточного обоснования не получили.
Особо остро встал этот вопрос после создания тяжелых и сверхтяжелых бульдозеров мощностью 250 - 800 кВт. Например, в ряду бульдозеров, выпускаемых Чебоксарским заводом промышленных тракторов ЧЗПТ "Промтрактор" - это соотношение находится в пределах 0,3-0,5 (см. табл. 1).
В большинстве исследований объем призмы волочения определяется как объем трехгранной призмы, одной стороной которой является отвал с высотой Н, угол откоса призмы принимается равным углу внутреннего трения р, что довольно близко к реальности для сыпучих грунтов.
Таблица 1 Характеристики современных
бульдозеров, выпускаемых заводом "Промтрактор"
Время цикла работы бульдозера определяется суммированием составляющих, т.е.
Высота отвала, мм Ширина отвала, мм Н/В
Т-330 1730 4540 0,31
Т-330 1830 4530 0,40
Т-15.01 1450 3750 0,386
Т-20.01 1700 4100 0,414
Т.25.01 1890 4180 0,45
ТМ25.01 1700 4800 0,354
Т-35.01 2210 4530 0,488
Т-500 2210 4530 0,488
Т-50.01 2420 4530 0,53
КБ25.01 1750 5520 0,317
Т-75.01 (ЧТЗ) 2600 6000 0,433
Т
тт
V* =
ВН2 21ЕР
В работе [3] принято, что призма волочения очерчена конической поверхностью с радиусом в основании К, углы наклона образующих к горизонту соответствуют углу естественного откоса а. В ходе математических преобразований автор допустил ошибку, поэтому полученную в результате зависимость следует считать некорректной.
Описание, анализ и разработка математических моделей
Для машин циклического действия, в частности, бульдозеров, существенное значение в математическом описании рабочего процесса имеет представление о времени цикла нагружения, его составляющих, объеме призмы волочения. Время резания (копания) грунта в рабочем цикле машины определяет низкую частоту нагружения и зависит главным образом от условий эксплуатации, грунтового фона, состояния машины, квалификации оператора, вида работ
К ВН2 к к
пТр (1-8К )
(
1 -
/ ±'
Фксц
кп
где Н и В - высота, ширина отвала; f и I - сопротивление движению и уклон местности; ф - коэффициент сцепления ходовых устройств с грунтом; ксц - коэффициент сцепного веса; аы - переводной коэффициент, равный 102 при N в кВт; N - мощность двигателя; птр - КПД трансмиссии.
Частота операций копания
®к = — Гц.
Для учета времени поворотов, переключения передач вводим коэффициент Квсп, на который умножается время копания, как наиболее стабильное для данных грунтовых условий, но разных дальностей транспортировки. Тогда время цикла работы бульдозера записывается в виде
Тц =
1
Г вн2
^д Птр I ^Р 1
Кк Кп Ккв . К1 -1
Л
Г К/Квсп
V 1 -8к 1 -§Т у
Ур ¿Т Ккв ^ИР 1 -8Т
¿ГСб (/ ±/)(Ккв + 1)Г
1 -8Т
Nц =■
3600
Тц
Таким образом, найдены основные временные характеристики режима работы бульдозера -время рабочего цикла машины, время копания грунта, количество рабочих циклов за час. Эти характеристики используются далее в расчетах производительности, надежности.
Например, часовую производительность ПТ определим из выражения
Пт = — -Кпр • Кти = Nц• Кти ,
Тц
где Кти - коэффициент технического использования машины.
Сменная производительность Псм определяется зависимостью
Псм=Пт К п ,
где Кв - коэффициент использования машины во времени; п - количество часов в смене.
Объем призмы волочения в значительной мере зависит от соотношения между длиной и высотой отвала. Это соотношение и форма профиля отвала анализируется многими научными школами. Особенно для тяжелых машин, когда длина отвала ограничивается железнодорожными или автодорожными габаритами. В таком случае необходимо создавать сборные конструкции отвалов, устанавливать рациональные соотношения высоты отвала к длине для основной части отвала. Как показано в [1] объем призмы волочения изменяется в зависимости от соотношения Н/В следующим образом
к
к = ВН
пр 2К
пр
где Кпр - коэффициент, учитывающий реальную форму призмы волочения.
\ . \
1 ^
/V / \ 1
Для определения рационального соотношения Н/В рассмотрим призму волочения перед отвалом в соответствии с предлагаемой ниже моделью (рис. 1).
уЛ/ )
Н/г%а
Н/г^а
В-2Н/гга
И/г&х
Рис. 1. Модель призмы волочения для несвязных грунтов
Полагаем, что на краях отвала образуются конические части (четверти конусов) с радиусом основания Н/tgа и высотой Н. Объем их составляет
V =1 .пН
' кч
• И.
6
В средней части призмы на участке В - 2Н /а образуется призма волочения объемом
V =|В--
2Н 1 И2
tgа) 2tgа Общий объем призмы составит
Рис. 2. Угол естественного откоса сыпучего тела со сцеплением при обрушении
Используя схему на рис. 2, получим
Н уБШр
tga =
Н усоБр - 2С (1 + Бшр)
где С - сцепление грунта в разрыхленном состоянии; у - объемный вес грунта в разрыхленном состоянии; р - угол внутреннего трения.
По данным [2] угол естественного откоса при высоте разрыхленного слоя и высоте отвала до 1,5 м составляет 56°, при 3м - 45°, т.е. величина угла падает с ростом высоты отвала на 0,7° на 10 см роста высоты. Кроме того, в движении величина угла трения уменьшается. В итоге можно записать
И = 0,7Btga .
Выводы
Взаимодействие рабочих органов ЗТМ с грунтом, в первую очередь, определяет эффективность машины. Анализ рабочего процесса ЗТМ позволил установить взаимосвязь между техническими характеристиками ЗТМ и разрабатываемым грунтом при определении продолжительности операций копания и транспортирования грунта, холостого хода.
V =1 В-—)• -Н—+1 .Н..
пр ' tga) 2tga 6 tg2a
Произведя некоторые преобразования, получим
Кр =
tg2a
(ВН ^а , пН31 ----Н +-
Взяв от (5) производную по Н, получим после преобразований
Н=0,7 В tgа.
Таким образом, рациональное соотношение между высотой и шириной отвала составляет 0,7 В tga, т.е. зависит от разрабатываемого грунта.
Анализ объема призмы волочения показал, что можно достичь ее максимального значения при определенных соотношениях ширины и высоты отвала бульдозера. В статье определено это рациональное соотношение.
Литература
1. Федоров Д.И. Рабочие органы землеройных
машин. - М.: Машиностроение, 1990. -368с.
2. Зенков Р. Л. Механика насыпных грузов. - М.:
Машиностроение, 1964. - 250 с.
3. Гиверц Г. Л. Определение характера перемеще-
ний и объема грунта перед отвалом при копании связных грунтов бульдозеров. Тезисы докладов НТК. - Полтава, 1985. - С.27-29.
р
а
Как показано в [2], в грунтах, которые обладают сцеплением, угол наклона призмы а может быть существенно большим, чем в несвязных грунтах.
Рецензент: Л.В. Назаров, профессор, д.т.н., ХНАДУ.
Статья поступила в редакцию 10 февраля 2005 г.
