CC BY
15
УДК 624.132.6 DOI: 10.30977/АТ.2219-8342.2019.44.0.87
ДОСЛ1ДЖЕННЯ РУХУ ЧАСТИНОК Грунту ПО Грунтовиносних ЛОПАТКАХ РОБОЧИХ ОРГАН1В ДИНАМ1ЧНО1 Д11
Пелев1н Л.С.1, Азенко А.В.1, Горбатюк С.В.1, 1Ки1вський нацюнальний ун1верситет буд1вництва й арх1тектури
Анотаця. Проведено досл1дження руху частинок грунту по грунтовиносних лопатках робочих оргатв динамично! дИ'. У результат7 анал1зу наявних публтацт взято за мету роботи анал1ти-чне досл1дження, результат якого дозволить проектувати робоч1 органи 7з заданими параметрами лопаток та необх1дними режимами роботи, м^тм^зуючи шлях проходження частинок грунту по них.
Ключов1 слова: рух частинок грунту, робоч1 органи динам1чног дИ'.
Вступ
У зв'язку з тенденщею збшьшення обсяпв земляних робгг юнуе потреба у новому пщ-ходi до методiв екскавацп грунту в процес розробки нових конструкцш робочого обла-днання для руйнування та виносу грунту iз забою. Один зi шляхiв штенсифшацп розробки грунту - це використання машин безпе-рервно! ди, найчастiше з дисковими робочи-ми органами з метачем у виглядi грунтовиносних лопаток, яю встановленi безпосередньо на робочому оргаш [1].
У процесi розробки грунту дисковими ро-бочими органами iз грунтовиносними лопатками вщбуваеться одночасне рiзання грунту та екскаващя по грунтовиносних лопатках. Тому дослщження робочих органiв iз грунтовиносними лопатками стають усе бiльш актуальними в мiру збiльшення штенсифша-цп виробництва, через можливiсть не тiльки розробки грунту, а i його виносу iз зони роз-робки.
Анал1з публжацш
У роботах [1, 2] проведено дослщження прямолшшних та криволшшних лопаток, а також вибору !х рацiональних параметрiв. Бiльш перспективним видаеться використання криволшшних лопаток. Методи вибору !х форми й аналiзу руху частинок грунту по них розглянуто в роботах [2, 4-5]. Проведено аналiз наявних патента Укра!ни [6, 7], у конструкщях яких використовуються грун-товиноснi лопатки.
Методи вибору форми лопаток, аналiзу руху частинок грунту по них у цей час роз-роблеш недостатньо.
Унаслiдок аналiзу наявних публшацш зроблено висновок, що актуальними е досль дження, результати яких матимуть практичне
застосування у вдосконаленнi робочих орга-híb динамiчноl ди з грунтовиносними еле-ментами.
Мета i постановка завдання
У процес створення робочих оргашв ди-намiчноl ди з грунтовиносними лопатками виникае потреба у мшiмiзащl енергетичних затрат, а саме на проходження частинок грунту по грунтовиносних лопатках.
Тому актуальною проблемою е досль дження питань, спрямованих на пщвищення технолопчних характеристик робочих орга-híb за рахунок вибору оптимально! форми грунтовиносних лопаток.
Метою роботи е аналггичне дослщження руху частинок грунту, що виноситься грунтовиносними лопатками робочих оргашв ди-намiчноl ди, що дозволить проектувати ро-бочi органи iз заданими параметрами лопаток та необхщними режимами роботи, мiнiмiзуючи шлях проходження частинок грунту по них.
Дослщження руху частинок грунту по
криволшшнш грунтовиноснш лопатцi
Розглянемо робочий процес руху части-нок грунту по лопатках робочого органу, ви-конаних у виглядi частини елшса.
Píbmhm руху частинки грунту по лопатках будуть такими [1]:
Y = R cos ф;
Z = R sin ф + Vmt; (1)
X = Vxt,
де Vm - швидкiсть подачi робочого органу на забiй; Vx - швидкiсть руху частинок грунту уздовж ос х; R - вщстань до осi z i-i части-
нки грунту; ф - кут повороту робочого органу.
Ураховуючи, що ф = rat, перетворимо систему (1) до вигляду
Y = R cos rat; Z = R sin rat + Vmt;
(2)
X = Vxt.
де ra - кутова швидкiсть робочого органу.
Для знаходження кшематичних парамет-рiв продиференцiюeмо кожне рiвняння сис-теми (2), визначаемо проекци швидкостей частинки грунту, що рухаеться по лопатцi:
Vy = dy / dt = - Rrasinrat;
Vz = dz / dt = Rracosrat + Vm;
Vx = dx / dt = Vx.
Щцставляючи систему рiвнянь (2) в рiв-няння елшсо!да обертання (5), отримаемо:
1 - V¡t2 = (R2 cos2 rat + R sin2 rat +
+Vmt2 + 2RVmt sinrat)K2
або
1 - V2t2 = (Ri + V2t2 +
2t2 mt
+ 2RVmt sin rat)K2
Пюля перетворень отримаемо:
Звiдси
R2 + 2 RVmt sinrat +
1 - V 2t 2
+ V2t2 - = 0
m K2
Подшяючи змiннi, отримаемо в диферен-цiалах:
dy = -R¡ ra sin ratdt;
dz = (R¿ racosrat + Vm )dt; (3)
dx = Vxdt.
Швидюсть взаемоди лопаток з частинка-ми грунту
V =
dx
+
+
або, враховуючи рiвняння (3):
V = VrV + V2m + V2 + 2RraVm cosrat . (4)
Враховуючи рух робочого органу, частинки грунту по лопатках, яю виконаш у ви-глядi частини елшса, рухаються по елшсо!ду обертання, рiвняння якого мае вигляд:
1 - X2 = K 2(Y2 + Z2)
(5)
де коефщент K залежить вщ пiвосей елш-со!да, якi мають однакову довжину, i дорiв-нюе:
k=±=4,
a2 b2
де a та b - рiвнi твои елшсоща обертання.
n Mt2 - V2K2t2 cos2 rat -1 . R = -^--Vmt sinrat. (6)
K
Розробка математичноТ моделi процесу руху частинки грунту по лопатках
Розробимо математичну модель процесу руху частинки грунту по лопатках; для цього позначимо сили, яю ддать на частинку грунту (рис. 1).
Запишемо рiвняння сил, яю дiють на час-тинку грунту, яка рухаеться по лопатках. Спроектуемо вс сили, що дiють на частинку грунту на вюь х:
dP.в • sina - ¿Ртр • sin р - dPg --dmw • sin р = 0,
де Рв - сила, потрiбна для викидання частинки грунту з лопатки з певною швидюстю; Ртр - сила тертя, що дiе на частинки грунту,
який рухаеться по лопатщ; Pg - сила тяжiння
частинки грунту; dm - маса елементарно! частинки грунту; w - прискорення частинки грунту.
Величина сили тертя дорiвнюе:
РТр = k • Pn
(7)
де k - коефщент тертя частинки грунту по сталевих лопатках, Pn - сила нормального тиску, що дорiвнюе:
Pn = mg cosP . (8)
2
2
2
Рис.1. Схема сил, що дiе на частинку грунту пiд час руху по грунтовиноснiй лопатцi
Величина сили тертя дорiвнюе:
Ртр = kmg cos Р . (9)
Тодi сила тертя, що дiе на частинки грунту, який рухаеться по лопатках, дорiвнюе:
аРтр = kgcosР • dm. (10) Сила тяжiння, як вщомо, дорiвнюе:
dPg = gdm . (11)
Прискорення частинки грунту дорiвнюе: w = ю2 • Я,. (12)
Звщси сила, потрiбна для викидання частинки грунту з грунтовиносно! лопатки, дорь внюе:
P = ( kg sin ß cos ß + g + ш2R sin ß )dm . в sin а
Висновки
Отже, у процес aнaлiтичного дослщжен-ня руху частинок грунту, що виноситься гру-нтовиносними лопатками робочих оргашв динамiчноi ди, унаслiдок перетворень отри-мано рiвняння руху частинки грунту по елш-со!ду обертання та рiвняння сили, необхщно! для викидання частинки грунту з грунтови-
носних елеменпв. Це дозволяе проектувати робочi органи i3 грунтовиносними лопатками з необхщними режимами роботи та параметрами лопаток, мiнiмiзуючи шлях проходжен-ня частинок грунту по них.
Лтратура
1. Пелевш Л. £., Горбатюк £. В. Створення ви-сокопродуктивних робочих оргашв землерий-них машин: монограф1я. Кш'в: КНУБА, 2011. 128 с.
2. Лобачевский Я. П., Старовойтов С. И., Гринь А. М. Энергетические и технологические аспекты работы дискового рабочего органа. Сельскохозяйственные машины и технологии. 2017. URL:
https://doi.org/10.22314/2073-7599-2017-1-18-22
3. Шатохш В. М., Семишв О. М., Попова А. М. Про оптимальну форму лопатки роторного метальника грунту: пращ Тавршського державного агротехнолопчного ушверситету. Мель тополь: ТДАТУ, 2012. С. 260-269.
4. Бартенев И. М., Драпалюк И. М., Шабанов М. Л. Система машин для лесного хозяйства и защитного лесоразведения: учеб. пособие. Воронеж: ВГЛТА, 2010. 215 с.
5. Брагинец Н. В. Анализ конструкций дисковых рабочих органов и теоретическое обоснование повышения эффективности процесса обработки почвы за счет использования более совершенных рабочих органов. URL: http://khntusg.com.ua/files/sbornik/vestnik 111/st atia 13.pdf .
6. Бартенев И. М., Попов И. В. Влияние геометрических параметров универсального почвообрабатывающего орудия на его эффективность. Лесотехнический журнал. 2014. № 2. С. 197-203.
7. Голубченко О. I., Хожило М. Е. Розробка ро-бочого обладнання землерийно-транспортно! машини безперервно! дй // Интенсификация рабочих процессов строительных и дорожных машин: сб. науч. тр. Днепропетровск: ПГАСА, 2009. Вып. 51. С. 110-113.
8. Трубилин Е. И., Сохт К. А., Коновалов В.И., Данюкова О. В. Рабочие органы дисковых борон и лущильников. Научный журнал КубГАУ. Краснодар, 2013. № 91 (07).
9. Робочий орган землерийно! машини: пат. 126621 Украна: МПК E02F 5/08; заявл. 07.02.2018, опубл. 25.06.2018, Бюл. № 12. 6 с.
10. Дисковий робочий орган динамiчноi дй: пат. 129712 Украна: МПК E02F 5/08; заявл. 02.05.2018, опубл. 12.11.2018, Бюл. № 21. 9 с.
References
1. Pelevin L.E, Horbatyuk E.V. (2011). Stvorennya vysokoproduktyvnykh robochykh orhaniv zem-leryynykh mashyn [Creation of high-performance working machines for earthmoving machines] Monograph. (Kyiv, 2011) [in Ukraine].
2. Lobachevskyy YA.P., Starovoytov S.Y., Hryn' A.M. (2017) Enerhetycheskye y tekhno-lohycheskye aspekty raboty dyskovoho rabocheho orhana. [Technological aspects of the work of the discussion working organ] Sel'skokhozyaystvennye mashyny y tekhnolohyy. 2017. [in Russia].
3. Shatokhin V.M., Semkiv O.M, Popova A.M.
(2012) Pro optymal'nu formu lopatky rotornoho metal'nyka gruntu [On the optimal shape of the blade of a rotor thrower of soil] Pratsi Tav-riys'koho derzhavnoho ahrotekhnolohichnoho universytetu. (Melitopol, 2012). [in Ukraine].
4. Bartenev Y.M.. Drapalyuk M.V., Shabanov M.L. (2010) Systema mashyn dlya lesnoho khozyayst-va y zashchytnoho lesorazvedenyya [System of machines for forestry and protective forest reproduction], ucheb. posobye .VHLTA (Voronezh, 2010). [in Russia].
5. Brahynets N.V. Analyz konstruktsyy dyskovykh rabochykh orhanov y teoretycheskoe obosno-vanye povyshenyya effektyvnosty protsessa obrabot-ky pochvy za schet yspol'zovanyya bolee sover-shennykh rabochykh orhanov [Analysis of structures of disk working bodies and theoretical substantiation of increasing the efficiency of the process of soil cultivation through the use of more advanced working bodies] URL: http://khntusg.com.ua/files/sbornik/vestnik_111/st atia_13.pdf. [in Russia].
6. Bartenev Y.M., Popov Y.V. (2014) Vlyyanye heometrycheskykh para-metrov unyversal'noho pochvoobrabatyvayushcheho orudyya na eho effektyvnost' [Influence of geometric parameters of universal soil-cultivating tools on its efficiency] Lesotekhnycheskyy zhurnal. [in Russia].
7. Holubchenko O.I., Khozhylo M.E. (2009) Rozrobka robochoho obladnan-nya zemleryyno-transportnoyi mashyny bezperervnoyi diyi [Development of working equipment of a continuous-moving excavation machine] Sb. nauch. tr. yntensyfykatsyya rabochykh protsessov stroy-tel'nykhy dorozhnykh mashyn. [in Ukraine].
8. Trubylyn E.Y., Sokht K.A., Konovalov V.Y.
(2013) Rabochye orhany dyskovykh boron y lushchyl'nykov [Working organs of disk harrows and peelers]. Nauchnyy zhurnal KubHA U. (Krasnodar 2013). [in Russia].
9. Azenko A.V., Pelevin L.YE., Horbatyuk YE.V., Fomin A.V., Patent na korysnu model' [Working body of earthmoving machine] № 126621, «Ro-bochyy orhan zemleryynoyi mashy-ny», 25.06.2018, Byul. № 12 [in Ukraine].
10. Pelevin L.YE., Azenko A.V., Horbatyuk YE.V., Patent na korysnu model' № 129712, «Dyskovyy robochyy orhan dynamichnoyi diyi» [Disk Work Body of Dynamic Action], 12.11.2018, Byul. № 21 [in Ukraine].
ne^ebih ^eomg cbremflobhh1, k.t.h., npo^ecop,
+380(67) 777-81-72, pelevin leonid@ukr.net,
Азенко Артем В^алшович1, астрант, +380(66)094-05-61, azenkoartem@ukr.net,
Горбатюк Свгенш Володимирович1, к.т.н., доцент, +380(67) 910-59-43, gek gor@i.ua. 1Ки1вський нацiональний унiверситет будiв-ництва й архиектури
Investigating the motion of soil particles on soil blades of working bodies of dynamic action Abstract. The study of the motion of soil particles by soil blades of working bodies of dynamic action was carried out. The analysis of existing researches and publications, in which the main problem is highlighted, namely that the methodology of selecting blades, the analysis of the motion of soil particles on them at this time is not enough. As a result of the analysis of existing researches and publications, the purpose of research is set, namely: analytical researches, the result of which will allow to develop working bodies with predetermined parameters of blades and necessary modes of work, minimizing the path of passing particles of soil on them. The methodology of research is the analytical studies of the motion ofparticles of soil on the ground shovels. In studying the motion of soil particles on soil blades formed equations of motion of the particle of soil, and the speed of the soil fraction is obtained from the soil blade. The result of the research is a mathematical model of the motion of a soil particle on a soil-like blade, a scheme of forces acting on a soil particle has been developed, the force required for the emission of soil particles from soil blades has been obtained. As a result of the study of the motion of the soil particles by the soil-like blades of the working bodies of the dynamic action, the equations of the motion of the soil particle were obtained as a result of the transformations. An ellipsoid of rotation and an equation offorce necessary for throwing the soil out of the soil elements were obtained. the practical value lies in the fact that the obtained equations allow designing the working bodies by ground treatment and the parameters of the blades that minimize the path of the passage of soil particles onto them. The originality lies in the fact that the resulting equations will allow the design of new working bodies of dynamic action with soil blades.
Key words: motion ofparticle of soil, working organs of dynamic action
Pelevin Leonid1, PhD, Professor,
tel. +380(67) 777-81-72, pelevin_leonid@ukr.net,
Azenko Artem1, PhD Student, azenkoartem@ukr.net, tel. +380(66)094-05-61,
Gorbatyuk Ievgenii1, PhD, Associate Professor, tel. +380(67) 910-59-43, gek_gor@i.ua. 1Kyiv National University of Construction and Architecture, Povitroflotsky ave., 31, Kyiv, Ukraine, 03037.
Исследование движения частичек грунта по грунтовыносным лопаткам рабочих органов динамического действия
Аннотация. Проведено исследование движения частиц грунта по грунтовыносным лопаткам рабочих органов динамического действия. Проведен анализ существующих исследований и публикаций, в которых выделена основная проблема, а именно: методология выбора лопастей, анализ движения частиц грунта по ним в настоящее время разработаны недостаточно. В результате анализа существующих исследований и публикаций выделена цель исследования, а именно: аналитические исследования, в результате которых будет возможно разрабатывать рабочие органы с заданными параметрами лопаток и необходимыми режимами работы, минимизирующими путь прохождения грунта по грунтовыносным лопаткам. При изучении движения частиц грунта на грунтовыносных лопатках сформированы уравнения движения частиц грунта, а также уравнение скорости грунта по грунтовыносной
лопатке. Результатом исследования является математическая модель движения частицы грунта по грунтовыносным лопаткам, разработана схема сил, действующих на частицу грунта, сила, необходимая для выброса частиц грунта по грунтовыносным лопаткам. Оригинальность заключается в том, что полученные уравнения позволят проектировать новые рабочие органы динамического действия с грунтовыносными лопатками. Ключевые слова: движение частицы грунта, рабочие органы динамического действия.
Пелевин Леонид Евгеньевич1, к.т.н., профессор, +380(67) 777-81-72, ре!еуш leonid@ukr.net, Азенко Артем Витальевич1, аспирант, +380(66)094-05-61, azenkoartem@ukr.net, Горбатюк Евгений Владимирович1, к.т.н., доцент, +380(67) 910-59-43, ^к йОГ@и.ш. 1Киевский национальный университет строительства и архитектуры, пр. Воздухофлотский, 31, г. Киев, Украина.
