CC BY
48
МАШИНЫ ДЛЯ ЗЕМЛЯНЫХ РАБОТ
УДК 621.879.328
ДОСЛ1ДЖЕННЯ РОЗПУШУВАЧ1В 13 ДЕКЫЬКОМА ЗУБЦЯМИ, РОЗТАШОВАНИМИ НА Р13НИХ Р1ВНЯХ
Л.А. Хмара, проф., д.т.н., С.В. Шатов, проф., д.т.н., Прпдншровська державна академ1я буд1вництва та архгтектурн,
м. Дншропетровськ
Анотац1я. Розглядаетъся взаемоЫя з мерзлыми та мщними грунтами робочого органу розпу-шуеача, зубщ якого розташоват на pi3uux р1внях. Теоретично та експерименталъно доведено доцтьтсть еикористання нарозпушуеачахрозробленог конструкци обладнання.
Ключов1 слова: мерзл1 та мщт грунти, розпушувач1, зубщ на pi3uux р1внях.
ИССЛЕДОВАНИЕ РЫХЛИТЕЛЕЙ С НЕСКОЛЬКИМИ ЗУБЬЯМИ, РАСПОЛОЖЕННЫМИ НА РАЗНЫХ УРОВНЯХ
Л.А. Хмара, проф., д.т.н., С.В. Шатов, проф., д.т.н., Приднепровская государственная академия строительства и архитектуры,
г. Днепропетровск
Аннотация. Рассматривается взаимодействие с мерзлыми и прочными грунтами рабочего органа рыхлителя, зубья которого расположены на разных уровнях. Теоретически и экспериментально доказана целесообразность использования на рыхлителях разработанной конструкции оборудования.
Ключевые слова: мерзлые и прочные грунты, рыхлители, зубья на разных уровнях.
RESEARCH OF SCARIFIERS WITH SEVERAL TEETH LOCATED AT DIFFERENT LEVELS
L. Khmara, Prof., D. Sc. (Eng.), S. Shatov, Prof., D. Sc. (Eng.), Prydniprovsk State Academy of Civil Engineering and Architecture, Dnipropetrovsk
Abstract. This article deals with the interaction of scarifier actuator with teeth located at different levels with frozen and firm soils. The feasibility of using the designed equipment on scarifiers has been proved theoretically and experimentally.
Key words: frozen and firm soils, scarifiers, teeth at different levels.
Вступ
Буд1вництво нових та реконструкщя старих об'екпв пов'язаш з необхщшстю виконання земляних po6iT. Ц1 роботи можуть виконува-тися у pi3Hi пори року. У pa3i проведения ро-6iT взимку грунти мають значно вищ1 показ-ники мехашчних властивостей, у першу
черту з мщносп, пор1вняно з шшими nepio-дами року. У зимовий перюд мщшсть грунта збшьшуеться у 30-40 раз1в. Це призво-дить до шдвищення енергоемносп та вартосп виконання земляних po6iT традицш-ною техшкою: одноювшовими екскаватора-ми, скреперами, бульдозерами. 1снуе значна кшьюсть cnoco6iB та вщповщних засоб1в ме-
хатзаци з розробки мерзлих та мщних грунпв [1-3]. Однак вони мають окрем1 техноло-пчш та конструкторсью недолши. Тому створення машин { обладнання для ефектив-но1 розробки мерзлих та мщних грунпв е ак-туальним науково-техшчним завданням.
Анал1з публжацш
Найбшьш перспективним для розробки грунпв е використання розпушувач1в статично! дп, яю встановлюються на гусеничних тракторах, - це навюне обладнання до бульдозе-р1в або навантажувач1в [4-7]. Вони викону-ють шдготовч1 роботи з пошарового розпушення мерзлих та мщних грунпв перед роботою основних землерийних машин (екс-каватор1в). Найчаспше розпушувач1 встано-влюють у заднш частиш трактор1в, оснаще-них бульдозерним обладнанням (рис. 1).
в
Рис. 1. Типи розпушувач1в: а, б - з одним зубом; в - з декшькома паралельними зубцями
Таке компонування вир1внюе тиск гусениць бульдозерно-розпушувального агрегата на опорну поверхню, що покрашуе його тягов1 характеристики та дозволяе обштися одшею машиною при поеднанш бульдозерних { роз-пушувальних робп на одному об'екл. Розпушувач1 мають нескладне та надшне обладнання, достатню продуктившсть (70200 м3/годину), яюсть роботи та невисоку варт1сть.
Для розробки мерзлих та мщних грунт1в за-лежно вщ IX стану (мщшсть, тип грунт1в тощо) використовують бульдозери-розпушу-вач1 певного тягового класу в межах 1001000 кН. Залежно вщ технолопчних вимог розпушення грунт1в виконують: на максима-льну глибину за один прохщ розпушувача з одним зубом (рис. 1, а, б); на найбшьшу ширину розпушення розпушувачами з декшь-кома паралельними зубцями (рис. 1, в). Зуб-щв може бути два, три, п'ять. За необхщносл вщстань м1ж зубцями може змшюватися. Для пщвищення ефективносл використання роз-пушувач1 виконують ¿з повздовжшм нахилом зубщв (рис. 1, б) та змшою !х вильоту вщно-сно робочо! балки шляхом вертикально! перестановки зубщв на вщповщний монтажний отв1р (рис. 1, а, в).
Проте навюш розпушувач1 мають ряд недо-лтв: !стотш динам1чш навантаження на елементи розпушувач1в { базових трактор1в через характер коливального процесу розпушення мщних { мерзлих грунпв; значш за розм1рами елементи розпушеного грунту, що ускладнюе застосування шшо! землерийно! техшки, зокрема ювшового типу, що працю-ють у комплекс! з розпушувачами; вщносна невелика глибина розпушення за один прохщ, особливо для розпушувач1в тягового класу 100-150 кН.
У зв'язку з вищевикладеним вдосконалення навюних розпушувач1в спрямоване на усу-нення цих недолтв шляхом створення нових тишв робочих оргашв, зокрема з декшькома зубцями, встановленими на р1зних р1внях.
Мета 1 постановка завдання
Метою дослщжень е розробка пропозицш з удосконалення розпушувач1в для шдвищення ефективносл пщготовчих робп за рахунок зменшення розм1р1в елеменпв розпушеного грунту, зниження динам1чних навантажень та збшьшення технолопчних показниюв роботи розпушувач1в.
Дослщження розпушувач1в ¡з декшькома зубцями, розташованими на р1зних |ивня\
На кафедр! «Буд!вельш та дорожш машини» Придншровсько! державно! академп буд1в-ництва та арх1тектури ведуться досл1дження процесу розробки мщних I мерзлих грунпв розпушувачами [8, 9]. За результатами досль джень розроблено розрахункову схему (рис. 2) процесу взаемоди з грунтом робочого органа розпушувача, особливютю якого е наявшсть на стшках 1 двох зубщв - перед-нього 2 та заднього 3, оснащених змшними наконечниками 4 I 5. Передш зуб 2 I наконечник 4 розташоваш вище задшх зуба 3 I наконечника 5.
Рис. 2. Розрахункова схема процесу взаемоди з грунтом робочого органа розпушувача ¡з двома зубцями: 1 - стшка; 2 - передни зуб; 3 - заднш зуб; 4 - переднш наконечник; 5 - заднш наконечник; 6 -криволшшна поверхня
М1ж передшм 2 I задшм 3 зубцями виконано розвантажувальне вшно, утворене криволь ншною поверхнею 6 для виходу грунту, зруйнованого задшм зубом 3. У процеа розробки грунт1в кожним з наконечниюв розро-бляеться половина загально! глибини розпу-шення, що дозволяе знизити динам1ку коливань робочого органу I зменшити розмь ри елеменпв розпушеного грунту.
Теоретичними досл1дженнями визначено, що для розпушувача з двома зубцями ошр роз-пушенню мерзлого грунту визначаеться
рдв = р" + р" = р[ + 2 Р'2 + Р'3
+р'4 + р'5 + р"+р'3+р'"
(1)
де Р",Р" - ошр розпушенню передшм \ задшм зубцями; Р" , Р'2, Р'ъ, Р'А, Р", Р", Р'3, Р'" -складов! опору розпушенню грунту, вщповь
дно: перед лобовою поверхнею зубщв (Р^; у б1чних прор1зах грунту (Р2); вщ ваги елемен-т1в розпушеного грунту (Р3); вщ ущшьнення грунту в б!чш стшки прор1зу у нижнш части-ш (Р4); вщ наявносп поверхонь зносу на наконечниках (Р5).
3 метою визначення рацюнальних парамегр1в робочого органа з декшькома зубцями були проведен! експериментальш дослщження з використанням ф1зичного моделювання. До-сл1дження проводилися на стенд! (рис. 3), який складався з контейнера ¡з середовищем, що моделювалися (парафш), ушверсальну модель робочого органа розпушувача ¡з змшними параметрами, металоконструкци для кршлення контейнера та модел! робочого органа, а також тензомегричну систему для фжсаци силових парамегр1в процесу.
Рис. 3. Стенд для дослщження процесу роз-пушення мщних грунт1в: 1 - рукоятка горизонтально! подачц 2 - переднш зуб; 3 - заднш зуб; 4 - рама; 5 - робочий орган; 6 - тензомегрична система; 7 - корпус; 8 - монтажш отвори; 9 - контейнер; 10 - рухомий стш; 11 - рукоятка б1чно! подачц 12 - рукоятка вертикально! подач!
На шдстав1 експерименпв було отримано так1 р1вняння perpeci!:
для дотично! складово! опору розпушенню
Ри
Рд = 2679,1 - 468,5 • hn - 790,6 • b -
-200,7 • L + 201,6 • hn • b -15,7 • hn • L - (2)
-16,2b1 • L + 56,8 • h2n + 242,8 • b12 + 24,5 • L,2
де Сп - глибина розпушення передшм наконечником, м; Ь1 - ширина переднього наконечника, мм; L - вщстань м1ж наконечниками по горизонтал^ м.
- для питомого показника ^ - площа розпушеного грунту у перер1з1)
Рд /F = 383,64-33,29• hn -58,11-b1 --50,84 • L + 5,36• hn • b + 1,95hn • L + +4,69• b • L + 2,25 • h2n + 4,8 • b2 + 3,54 • L2.
(3)
Змши параметр1в hn, b, L дозволили вардава-ти вщповщно до вщношення h„/H за постш-но1 загально! глибини розпушення Н; ств-вщношення b/b2 - за постшно! ширини b2 заднього наконечника; вщношення L/h3, де h3 - глибина розпушення заднього зуба, яка дор1внюе Н - hn. Отримано залежносп (рис. 4) шляхом обчислення вираз1в (2) i (3) i3 кроком параметр1в
h = hn +1; b = b + 0,5; Ц = Ц + 2. (4)
Анал1з отриманих залежностей Рд = f (hn, b1) показав, що на змшу дотично! складово! опору розпушенню Рд (рис. 4, а) найбшьший вплив справляло вардавання ширини bi переднього наконечника. Змша Рд за збшьшен-ня b1 вщ мшмального до максимального значения склала 1,5-3,6 рази, а за збшьшення hn - в 1,4-2,3 рази.
На змшу енергоемносп процесу розпушення (рис. 4, б) вардавання ширини b1 i глибини розпушення hn справляло р1вний вплив. При цьому змша показника PJF за збшьшення b1 i hn вщ min до max склала 1,1...1,4 рази. Мшмальною енергоемнютю руйнування ма-Tepiany волод1е робочий орган з послщовно розташованими зубцями при hn = 2,0 - 3,0 см i вщношенш hJH = 0,4 - 0,6 при b/b2 = = 1,8 - 2,7.
Л,, кН
h
Ъ,
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
Рл /F, кН/см2
к
п
Н
ь,
Рис. 4. Залежносп вщ сшввщношень к„/Н та Ь1/Ь2: а - дотично! складово! опору розпушенню Рд; б - питомого показника Pд/F
3 анал1зу залежностей Р№ PJF = / <Ъп, L) ви-пливае, що на змшу дотично! складово! опору розпушенню Рд вардавання глибини Сп розпушення 1 вщсташ м1ж стшками L мало р1вний вплив з незначним переважанням впливу вардавання глибини Сп (рис. 5). Най-менше значения спостер1галося при к„/Н = 0,4 - 0,6 та L/hз=2,0 - 3,0.
При визначенш ступеня впливу L та Ь1 для залежностей Р№ PJF = / ^, Ь ¡) встановлено, що на змшу Рд значний вплив справляло вардавання ширини Ь1; а на змшу Рп№ - варда-вання вщсташ L (рис. 6). Мшмальне значен-
ня показника Р^ вщповщае вщношенням Ьх/Ь2 =1,8 - 2,7 1 1Л3=2.
К
Н
Рис. 5. Залежносп вщ стввщношень L/h3 та Су/И: а - дотично! складово! опору розпушенню Рд; б - питомого показника
Р^
Отримаш результати експеримент1в показу-ють, що при розпушенш матер1ал1в на незна-чних глибинах вщдшення !х елемент1в здшс-нюеться за рахунок деформацш вщриву, а зона ущшьнення мае мшмальну величину. При робот! розпушувач1в на великих глибинах на загальний отр розпушенню найбшь-
шии вплив справляе иого складова, що хара-ктеризуе отр ущшьненню грунту в нижнш частиш прор1зу, який може перевищувати суму решти складових опору розпушенню. Використання на розпушувач! робочого органа з двома зубцями забезпечуе зниження опору розпушенню у середньому на 19-21 %.
0,5 V.
уу-^ъг-/--'-—_к_к-
1,0 2,0 3,0 4,0 5,0
а
0,141_\t_\ZL ^
0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0
б
Рис. 6. Залежносп вщ стввщношень L/h3 та Ь1/Ь2: а - дотично! складово! опору розпушенню Рд; б - питомого показника Pд/F
Найб!льший вплив на процес розпушення матер!алу робочим органом з послщовним розташуванням зубц!в справляли ширина переднього наконечника, глибина його розпушення та вщстань м!ж зубцями. Рацю-нальш значения перерахованих параметр!в характеризуються вщношеннями Ь\/Ь2 = = 1,8 - 2,7; Су/Н = 0,4 - 0,6 та 1/Съ = 2,0 - 3,0.
На пщстав! отриманих результата теоретичного анал1зу створеш натурш машини - роз-пушувач! на баз! трактор1в Т-170, Т-330, ДЕТ-250 (рис. 7). Експлуатащя робочого органа нового типу показала, що наявнють двох послщовно розташованих зубщв забезпечуе глибину розпушення за один прохщ до 0,480,55 м, тод1 як глибина розпушення розпу-шувача традицшно! конструкцп (з одним зубом) склала 0,32-0,35 м.
Рис. 7. Розпушувач! ¿з зубцями, встановле-ними на р1зних р1внях, на баз! трактор1в: а, б - Т-170; в - ДЕТ-250
При сталому процес! розпушення робочий орган ¿з двома зубцями руйнував мерзлий суглинок, вщокремлюючи вщ масиву елементи грунту. Елементи грунту, вщокремлю-ваш передньою стшкою, мали в поперечному перер1з1 трапещепод!бну форму, а вщокрем-люваш задньою стшкою - прямокутну форму. При вим1рюванш елеменпв грунту вста-новлено, що робочий орган ¿з двома зубцями зменшуе розм1р розпушеного грунту в 1,6 -1,8 рази. При цьому середнш розм1р еле-
менпв грунту, розпушеного робочим органом ¿з двома зубцями, склав 0,33 м, а робочим органом з одним зубом - 0,62 м. Це сприяло пщвищенню продуктивное^ од-ноювшового екскаватора ЕО-4111Б, який працював у комплекс! з розпушувачем, в се-редньому до 20-22 % в результат! полшшен-ня наповнення ковша.
Процес розпушення характеризувався стш-ким рухом базового трактора, що ютотно знижувало динам1чш навантаження на елементи пщвюки ! базову машину, сприяло збь льшенню !х термтв експлуатац!!. При ви-пробуванн! отримано так! результати (у чисельнику приведен! результати для розпу-шувача з двома зубцями, у знаменнику - з одним):
- продуктившсть, м3/годину: 94/72
- глибина розпушення, м 0,55/0,4
- швидюсть розпушення, км/год. 3,2/2,6
Конструкщя пщвюки робочого органа з роз-ташуванням зуб1в на р1зних р1внях забезпечуе штенсивне заглиблення його в масив, що розробляеться, з поверхш грунту. Довжина шляху заглиблення становила 5-6 м, теля чого розпушувач виходив на сталий режим роботи.
За результатами дослщжень запропоновано вар1анти (рис. 8) виготовлення робочого органа з двома зубцями, розташованими на р1з-них р1внях, залежно вщ типу базового трактора, конструкцп пщвюки (мюця кршлення зубщв), мехашчних властивостей середови-ща, що розробляеться.
в г
Рис. 8. Виконання робочих оргашв розпушу-вач1в з розташуванням зубщв на р1зних р1внях : а - у вигляд! окремих стшок; б -на загальнш стшщ; в, г - у вигляд! стш-ки з нахилом робочо! частини
3 точки зору рацюнального технологичного виготовлення обладнання, стшка робочого органа виконуеться з двох прямих частин -верхньо! й нижньо! (рис. 8, в), або з одшею стшкою, встановленою з нахилом вщносно пщвюки (рис. 8, г). Це дозволяе ращонально розм1тити листовий прокат 1 розр1зати його при виготовленш робочого органу з двома зубцями.
При використанш обладнання з нахилом стшки (рис. 8, г) проводиться замша робочо! балки (мюце установки стшки) на под1бну з И нахилом, кут якого визначаеться кутом нахилу стшки робочого органа.
Висновки
Виконання роб1т у мерзлих та мщних грунтах пов'язане з необхщнютю удосконалення роз-пушувач1в, зокрема оснащения !х обладнан-ням з розташуванням зубщв на р1зних р1внях.
Експериментально визначено рацюнальш параметри робочих оргашв розпушувач1в ¿з двома зубцями, розташованими на р1зних р1внях. Зниження опору розпушенню для цього обладнання становить 19-21 %.
Експлуатацшш випробування розпушувач1в ¿з двома зубцями у ВАТ «Укрспецекскава-щя» 1 «Дншростроймехашзащя» показали переваги обладнання пор1вняно з розпушувачами традицшного типу: збшьшилася на 22-24 % глибина розпушення, на 12-14 % знизилася металоемнють 1 енергоемнють процесу розпушення грунпв, на 14-16 % збь льшилася продуктивнють розпушувач1в.
Випробування розпушувач1в ¿з двома зубцями показали зменшення розм1р1в елеменнв розпушеного грунту на 60-80 %, що зумови-ло збшьшення продуктивносн землерийних машин (екскаватор1в, скрепер1в) на 20-22 %, яю працюють у комплекс! з розпушувачами.
Лггература
1. Технолопя бущвельного виробництва. Книга 1. Загальш вщомосн про бущв-ництво, роботи пщготовчого перюду,
земляш роботи та ш: навчальний noci6-ник / О. М. Л1вшський, В. С. Дорофеев, С. А. Ушацький та îh. - К.: УАН, «МП Леся», 2012. - 416 с.
2. Машини для земляних робп: пщручник / Л. А. Хмара, С. В. Кравець, М. П. Ско-блюк та ш; за заг. ред. Л. А. Хмари та С. В. Кравця. - X.: ХНАДУ, 2014. -548 с.
3. Строительная, дорожная и специальная техника отечественного производства. Краткий справочник / А. А. Глазков, Н. А. Манаков, А. В. Панкратов. - М.: ЗАО «Бизнес-Арсенал», 2000. - 816 с.
4. Технико-эксплуатационная характеристика машин фирмы «Caterpillar». Справочник. - Иллинойс, США: Caterpillar Inc. - 1999. - 724 с.
5. Бульдозеры и рыхлители / Б. 3. За-харчук, В. Д. Телушкин, Г. А. Шлойдо,
A. А. Яркин. - М.: Машиностроение, 1987. - 240 с.
6. Растегаев И. К. Машины для вечномерз-лых грунтов / И. К. Растегаев. - М.: Машиностроение, 1986. - 216 с.
7. Кузнецова В. Н. Экспериментальные исследования нагружения зуба рыхлителя при разработке мерзлых грунтов /
B. Н. Кузнецова, Р. А. Мартюков // Строительные и дорожные машины. -2006. - № 4. - С. 35-37.
8. Хмара Л. А. Рыхлитель с последовательным расположением зубьев / Л. А. Хмара, С. В. Шатов // Строительные и дорожные машины. - 1989. - № 2. - С. 11-13.
9. Хмара Л. А. Эксплуатационные испытания рыхлителя с рабочим органом ступенчатого типа / Л.А. Хмара, C.B. Шатов // Известия вузов. Строительство и архитектура. - 1987. - № 6. -
C.104-107.
Рецензент: 1.Г. Кириченко, професор, д.т.н., ХНАДУ.
Стаття надшшла до редакци 12 квпня 2016 р.
