Исследование влияния параметров рыхлителя с аккумулятором энергии на эффективность разрушения грунта Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

СТРОИТЕЛЬНЫЕ КОНСТРУКЦИИ И МАТЕРИАЛЫ

УДК 621.878 Ю.А. Геллер, к. техн. н, доцент каф. «Теоретическая механика», ЧитГУ

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПАРАМЕТРОВ РЫХЛИТЕЛЯ С АККУМУЛЯТОРОМ ЭНЕРГИИ НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ РАЗРУШЕНИЯ ГРУНТА

Научные интересы: динамика механических систем

В статье представлен анализ ранее выведенной математической модели, устанавливающей зависимость параметров аккумулятора энергии и рабочего органа на энергетические показатели процесса.

Установлены параметры, влияющие на диссипативные потери в материале упругой связи и в зонах контакта опорных витков упругого элемента с опорными поверхностями аккумулятора энергии.

Рассчитан коэффициент диссипативных потерь в зоне контакта рабочего органа с грунтовым массивом.

Установлены рациональные режимы ведения земляных работ, соответствующих внешним условиям.

Определена рациональная область параметров рабочего органа и аккумулятора энергии, соответствующая рациональному использованию рыхлительного оборудования ■

J. Geller, Chita state university

RESEARCH OF INFLUENCE OF PARAMETERS OF THE MACHINE ON FOR DESTRUCTION OF A GROUND WITH THE ACCUMULATOR OF ENERGY ON EFFICIENCY OF DESTRUCTION OF A BASIS

In clause the analysis before the deduced mathematical model establishing dependence of parameters of the accumulator of energy and a working body on power parameters of process is submitted.

The parameters influencing on dispersion of loss in a material of elastic communication and in zones of contact of basic coils of an elastic element with basic surfaces of the accumulator of energy are established.

Factor dispersion of losses in a zone of contact of a working body with an earth file is designed.

The rational modes of conducting earthen works appropriate to external conditions are established.

The rational area of parameters of a working body and accumulator of energy appropriate to rational use the machine on for destruction a ground ■

* * *

р

(апр + аг К2

2яУпсем 8та 81п

90-

{а - р - Ро)'

ККс

90

{а + Р + Ро У

81П

90

{а - Р - Ро )

1 {3щ + 2т2)

3т§+т&+сЬ) с 2ж¥пасм 8та 81п п ем Г90 {а - Р - Р0 Л _ 2 _ КК

{3т + 2т2 )ь НТ"См^ 90 {а+Р + Р0 )" 8Ш 90 {а - Р - Р0 У

2 2

\2

+

(1)

+

6{апр + аг рКСсм 81па б1П {3т + 2т2 )Ит[\pftg

90-

{а+Р + Ро У

\КуКс

90 {а+Р + Р0 )" siп Г90 {а - Р - Р0 )]

ё 2 ] ё 2 ]

2

2

2

рае

2

2

2

2

Для исследования влияния параметров рыхлителя на эффективность разрушения грунта воспользуемся зависимостью, выведенной ранее [1],

где апр - приведенный коэффициент упругих потерь, обусловленный диссипативными потерями в системе, Н*с/м;

аг - коэффициент вязкого сопротивления грунта, Н*с/м;

Уп - скорость подачи рабочего органа,

м/с;

Стсм - напряжение смятия, возникающее в зоне контакта передней грани ножа с грунтовым массивом в момент нарушения предельного напряженного состояния, мПа;

п

т ер - напряжение среза, соответствующее нарушению предельного напряженного состояния грунта по площадке сдвига грунтового элемента, мПа;

а - угол резания, град.;

Ф - угол наклона площадки скола, град.;

Р0 - угол внешнего трения, град.;

Р - угол внутреннего трения, град.;

Ро - максимальное значение усилия резания, Н;

I - длина вылета штанги стойки, м;

Н - глубина резания, м; т1 - масса зуба, кг; т2 - масса штанги; с - жесткость упругой связи, Н/м;

К/, Кс - коэффициенты, учитывающие соответственно влияние скорости и жесткости упругой связи на размер скалываемого элемента.

Прежде чем проводить анализ выражения (1), необходимо рассмотреть вид и значение диссипативных потерь, определяющих коэффициенты сопротивлений в уравнении. Диссипативные потери рабочего органа рыхлителя складываются из внутренних неупругих сопротивлений (гистере-зисных потерь) упругих элементов, подвижных звеньев рабочего органа, внешних потерь в узлах крепления упругих элементов, а также диссипативных потерь, возникающих при движении рабочего органа в грунте. Внутренние потери в материале упругих элементов можно определить исходя из коэф-

фициентов поглощения материала y ' = D E / E, (2)

где DE - необратимые потери энергии в материале за цикл;

Е - полная энергия цикла.

Для стальных элементов при напряжении сдвига Тсдв =100...1 35 мПа, У ‘=0,005...0,01 [2].

Экспериментально установлено [2], что необратимые потери энергии в материале, в основном, определяются амплитудой перемещения. В этом случае Hmax=F/2; F=CHmax;

DE = y CHmax /2, (3)

где H max - максимальная деформация упругого элемента, м;

C - линейная характеристика упругого элемента, кН/м;

F - упругая сила, кН.

В реальных механических системах причиной гистерезисных потерь являются не только внутренние потери энергии упругих элементов, но и конструкционные потери в заделках винтовых пружин. Указанные потери, если нет отрыва опорных витков, вызываются, в основном, их трением об опорные поверхности за счет поворота витков относительно друг друга. Если предоставить опорным виткам свободно поворачиваться вокруг оси пружины, то при нагружении ее осевой силой витки повернутся относительно друг друга. При наличии трения между опорными витками и опорными поверхностями при периодическом нагружении пружины, что имеет место в упругой системе рыхлителя, на опорных витках могут возникать знакопеременные моменты сил трения, влияние которых на затухание может оказаться значительно большим, чем влияние внутренних потерь в материале упругих элементов аккумулятора энергии.

Согласно [2, 3], относительный угол поворота опорных витков цилиндрической

пружины растяжения-сжатия при отсутствии трения определяется выражением п pPD02 sin a0

q = -

2

1 1

----1---

C B

V У

(4)

а момент Мо, необходимый для предотвращения поворота опорных витков на угол в, равен

РЭ0 {с - Ва(

4(B si

(5)

где Р - осевое усилие кН;

йо - средний диаметр пружины, м;

іо - число рабочих витков, шт.;

а0 - угол подъема витков пружины на

оси прутка, град.;

С, й - вспомогательные характеристики. Для пружин круглого сечения

М 4 ^; (6)

B

64

(7)

с = а,

32

где d - диаметр прутка, м;

Е - модуль упругости при растяжении-сжатии, мПа;

в - модуль упругости при сдвиге, мПа. Момент трения об опорные поверхности равен

РР^оп

Мтр —

(В)

где Р - коэффициент трения материала пружины по материалу опорной поверхности;

Боп - диаметр опорной поверхности, м.

В зависимости от конструкции пружины и соотношения Б0 и Боп возможны случаи знакопеременного перемещения концевых витков по опорным поверхностям, что также приводит к дополнительному затуханию и увеличению затрат энергии. Эти потери зависят от многих факторов и требуют анализа в каждом конкретном случае.

Поскольку учесть все параметры, влияющие на затухание колебательного процес-

са рабочего органа представляется сложным, определение диссипативных сопротивлений рабочего органа проводилось опытным путем с записью процесса свободных колебаний на осциллографическую ленту с последующим определением коэффициента

поглощения у и декремента затухания 8, связанных между собой следующим соотношением [2]:

у = 2пТ = 28, (9)

(1о)

где п - постоянная, зависящая от материала и типа конструкции;

Т - длительность одного колебательного цикла, с;

8 - логарифмический декремент затухания;

а1, а1+1 - последовательные пиковые значения кривой колебаний, мм.

Приа{ = 30 мм,а+х = 26 мм; Т=0,33 с

(указанные значения получены при обработке результатов записи процесса свободных колебаний на осциллографическую ленту) 8 = 0,143; у ' = 0,286.

Предположим, что потери энергии в материале равны потерям энергии в системе, представленной в виде упруго-вязкой схемы [3]. Тогда

ЛЯНmax = Рапр®Н max , (11)

где апр - эквивалентный коэффициент вязкости системы.

Принимая во внимание выражение (3), получим

а = ■ (12)

пр 2 ла

При жесткости упругой связи

с = 15 кН/м; а =25 с-1, апр = 27,3 Н*с/м.

Для определения коэффициента вязкости, возникающего в зоне контакта рабочего органа с грунтом, принималось во внимание, что диссипативные потери в грунте на-

чинают возникать с момента скола грунтового элемента и, в основном, определяются трением ножа о боковые поверхности канала при обратном ходе рабочего органа. На основании проведения серии из шести равноточных опытов с заданной величиной надежности а = 0,9 и относительной погрешностью £а =10 % на супесчаном грунте

влажностью 20 % при температуре -5 0С последовательные пиковые отклонения состави-лиа{ = 30 мм , а{+1 = 5,2мм ; Т = 0,54 с, 8 = 1,752, у ' = 3,504 . При жесткости упругой связи С=15 кН/м; а =25 с-1 , апр =334,61 Н*с/м.

Эксперименты проводились на лабораторном стенде, моделирующем натурный образец в масштабе 1:5 [4, 5]. Для перехода от результатов, полученных при экспериментальных исследованиях, на натурные значения коэффициента диссипативных потерь апр необходимо определить масштабный коэффициент Ка . Значение коэффи-

апр

циента Ка определялось из условия подо-

апр

бия как производная линейного масштабного коэффициента, масштаба сил и времени [6]

к3 *7К;

к а =

а пр К

= 55,9.

С учетом выбора оптимальной глубины резания, равной Н = 0,2 м, приведенный коэффициент диссипативных потерь

составил а

пр

■18704,55 Н*с/м.

Для обеспечения высокой производительности процесса разработки при минимально возможных затратах энергии необходимо, в соответствии с тяговыми параметрами машины, соблюдать рациональные режимы ведения земляных работ, соответствующих внешним условиям. Основной характеристикой, объединяющей изложенные условия, для рыхлителей с аккумулятором энергии является частота образования эле-

а

ментов грунтовой стружки р.

Как показали теоретические исследования [7], р зависит не только от механических свойств грунта, таких как угол наклона

п

площадки скола у, напряжение среза т ср и

смятия Стсм, но и от скорости подачи рабочего органа Уп, глубины резания Н. Графические зависимости частоты скола элементов стружки р от внешних характеристик процесса представлены на рис. 1...3.

Основным параметром внутренней характеристики механической системы «рыхлитель - аккумулятор энергии - рабочий орган» является собственная частота рабочего органа к . В [1] было отмечено, что к функционально связана с приведенной массой рабочего органа тпр жесткостью упругой связи С и длиной штанги стойки Ь, определяющей вылет вершины зуба рабочего органа относительно оси подвеса.

Отношение напряжения с мятия к напряжению среза

Рис. 1. Зависимость частоты образования грунтовых элементов от отношения 1/(тср / Ссм)

Связь между частотой скола грунтовых элементов р, собственной частотой колебаний рабочего органа к и энергией, передаваемой в грунт, определяется выраже-

нием (1). От того насколько р и к согласованы между собой, зависит эффективность процесса разработки грунта.

н

о

о

&

и

о

и

о

ч

о

£

25

20

15

10

2

у = 0,689 у = 0,689 у = 0,689 у = 0,689 у = 0,558 У = 0,558 у = 0,558 у = 0,454 у = 0,454 у = 0,454 у = 0,454

■ = 0,4:

рад; Н=0,10 м рад; Н=0,15 м рад; Н=0,20 м рад; Н=0,25 м рад; Н=0,15 м рад; Н=0,20 м рад; Н=0,25 м рад; Н=0,15 м рад; Н =0,10 м рад; Н=0,20 м рад; Н=0,25 м

а = 300.

00 0.2 0.4 0.6 0.8 1

Скорость подачи рабочего органа, м/с

Рис. 2. Зависимость частоты образования грунтовых элементов от угла наклона площадки скола

80 п 70

и

а

о

§■

60

50

40

0

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

Угол наклона площадки скола, рад

Рис. 3. Зависимость частоты образования грунтовых элементов от скорости подачи рабочего органа

5

На рис. 4...8 представлены характерные зависимости энергии, передаваемой в грунт, от анализируемых параметров. Например, при массе рабочего органа т 1 = 500 кг ,

апр = 10 кН * с/м р = 8,1с _1 ,

^ = 100 кН (см. рис. 4), энергия, переда-

ваемая в грунт, в режиме согласования частот составляет А = 80 кДж.

При р = 15,6 с-1 с и оставшихся без изменения остальных параметрах А=44,5 кДж, а при р = 20с-1 А=26,3 кДж, что соответственно на 44,4 и 71,6 % меньше, чем при частоте колебаний р = 8,1с -1 .

*

н

К

а

и

и

й

и

к

и

о

о

й

а

К

и

Л

и

К

СП

80000

70000

60000

50000

40000

30000

20000

10000

с=200 кН/м; с=200 кН/м; с=200 кН/м; с=500 кН/м; с=500 кН/м; с=500 кН/м;

а1=10 кН*с/м а1=15 кН*с/м а1=20 кН*с/м а1=10 кН*с/м а1=15 кН*с/м а1=20 кН*с/м

0 10 20 30 40 50

Частота вынужденных колебаний, рад/с

Рис. 4. Зависимость энергии, рассеиваемой в грунте, от частоты вынужденных колебаний

0

0 £ и и

1

и

к

о

о

8

а

и

&

о

я

п

100000

80000

60000

40000

20000

0

2р= 5 рад/с; а!= 2р= 5 рад/с; а!= 2р=10 рад/с; а!= 2р=10 рад/с; а!= 2р=15 рад/с; а!= 2р=15 рад/с; а!=

15 кН*с/м ■20 кН*с/м 15 кН*с/м 20 кН*с/м 15 кН*с/м 20 кН*с/м

т = 500 кг,Н = 0,2 м,а = 30

0 200000 400000 600000 800000 100000С

Жесткость упругой связи, Н/м

Рис. 5. Зависимость энергии, рассеиваемой в грунте, от жесткости упругой связи

100000

£

ург

в

е

с

р

,яиг

г

р

ре

я

п

90000

80000

70000

60000

50000

40000

30000

20000

10000

0

2р=5 рад/с; с=100 кН/м — 2р=5 рад/с; с=200 кН/м 2р=10 рад/с; с=100 кН/м 2р=10 рад/с; с=200 кН/м 2р=15 рад/с; с=100 кН/м 2р=15 рад/с; с=200 кН/м а = 20 кН * с/ м;Н = 0,2 м

и

/

N

\

л N V

■ V

\

\ ч

N.

-

0 2000 4000 6000 8000 100001200014000160001800020000

Масса рабочего органа, кг

Рис. 6. Зависимость энергии, рассеиваемой в грунте, от массы рабочего органа

£

(р

и

ей

и

к

&

70000—

60000- —

50000—

1 * _

30000-- о рад/с; а1= ю кп с/м 2р=10 рад/с; а!=15 кН*с/м

- 2р=15 рад/с; а!=15 кН*с/м

2р= 5 рад/с; а!=20 кН*с/м 2р=10 рад/с; а!=20 кН*с/м 2р=15 рад/с а!=20 кН*с/м;

с = 200 кН/м,Н = 0,2 м,а = 30°.

0-'

0 0.25 0.5 0.75 1 1.25 1.5 1.75

Длина вылета штанг стойки, м

Рис. 7. Зависимость энергии, рассеиваемой в грунте, от длины вылета штанг стойки

I

Я

200000

150000

100000

50000

0-

10000 20000 30000 40000

Вязкость грунта, Н*с/м

2р= 5 рад/с; с=200 кН/м 2 р=10 рад/с; с=200 кН/м 2 р=15 рад/с; с=200 кН/м 2 р=20 рад/с; с=200 кН/м 2 р= 5 рад/с; с=500 кН/м 2 р=10 рад/с; с=500 кН/м 2р=15 рад/с; с=500 кН/м 2 р=20 рад/с; с=500 кН/м

50000

Рис. 8. Зависимость энергии, рассеиваемой в грунте, от его вязкости

2

0

С переходом области согласования параметров к и р в зону более высоких частот максимальная передача энергии за один период колебания рабочего органа также смещается. Например, при массе рабочего органа

т1 = 500 кг ,апр = 10кН * с/ м, р = 15,6 рад/с, Г = 100 кН (см. рис. 4) энергия, передаваемая в грунт в режиме согласования частот, составляет А=46,8 кДж. При р = 8,1 с-1 и оставшихся без изменения остальных параметрах А=24,8 кДж, а при р = 20 с-1 А=37,7 кДж, что соответственно на 47,0 и 19,4 % меньше, чем при частоте колебаний р = 15,6 рад/ с .

Увеличение жесткости упругой связи (рис. 5) или уменьшение массы рабочего органа (рис. 6) приводит к снижению передачи энергии в грунт за один период колебаний. Но если сравнить работу, совершенную за одинаковый промежуток времени, то она (не учитывая сил внутреннего сопротивления системы) останется равной.

Вылет вершины зуба относительно оси подвеса рабочего органа (в пределах реальных размеров штанг стойки) практически не оказывает влияния на передачу энергии в грунт. Например, при массе рабочего органа

щ= 500 кг, р = 5 рад/с, апр=20 кН*с/м

(рис. 7) на интервале изменения длины штанг стойки 0,5...1,5 м разница между количеством энергии, передаваемой в грунт за один период колебаний, составляет не более 6,5 %. При р = 15 рад/с и оставшихся без изменения остальных параметрах эта величина составляет не более 0,7 % от первоначального значения энергии.

Изменение вязкости грунта (рис. 8) влечет за собой изменение энергии, рассеиваемой в грунте. Причем на зависимость указанных параметров существенно влияет частота скола грунтовых элементов р. На

пример, при частоте скола грунтовых элементов р = 5 рад/ с и жесткости с = 200 кН /м максимальная энергия, рассеиваемая в грунте, приходится на вязкость грунта апр = 11,9 кН * с / м и составляет

Атах = 65,8 кДж. С увеличением частоты р и оставшихся без изменения остальных параметрах максимальная передача энергии смещается в зону уменьшения вязкости. Так, (при р = 10 рад / с и с = 200 кН/ м) максимальная передача энергии приходится на вязкость грунта апр = 2,0 кН * с / м и составляет Атах = 199,6 кДж. Превышение

критического значения частоты р приводит к смещению максимального рассеяния энергии в зону более высокой вязкости. Например, при р = 20 рад / с Атах = 27,9 кДж

и приходится на апр = 7,0 кН*с / м.

Из приведенного анализа следует, что основными параметрами, влияющими на энергетические показатели процесса, являются жесткость упругой связи и масса рабочего органа, причем величина массы рабочего органа ввиду сложности управления (рис. 9) выбрана постоянной. Упругая связь при этом выполняется регулируемой по жесткости и усилию поджатия, в соответствии с условиями эксплуатации рыхлителя в реальных условиях.

Таким образом, анализ процесса взаимодействия рабочего органа рыхлителя с мерзлым грунтом при передаче энергии через упругую связь позволяет сделать вывод о существенности влияния условий согласования внешней и внутренней характеристик процесса на эффективность разрушения грунта. Это дает основание полагать об ощутимости положительных качеств применения регулируемой упругой системы в реальных условиях, где сила сопротивления грунта разрушению носит периодический характер. Данные условия учтены в конструкциях предложенных аккумуляторов энергии [8, 9, 10].

с=100 кН/м с=200 кН/м с=300 кН/м с=500 кН/м

Семейство характерных кривых, соответствующих максимальному рассеянию энергии в грунте

0 400 800 1200 1600

Масса рабочего органа, кг

2000

Рис. 9. График определения оптимальных параметров рыхлительного оборудования с аккумулятором энергии

ЛИТЕРАТУРА

1. Геллер Ю.А. Расчетная схема рыхлителя с аккумулятором энергии / Ю.А. Геллер // Вестник ЧитГУ. - № 4 (45). - Чита, 2007. - С. 49-57.

2. Пановко Я.Г. Введение в теорию механических колебаний / Я.Г. Пановко. - М.: Наука, 1971. - 240 с.

3. Анурьев В.И. Справочник конструктора-маши-ностроителя / В.И. Анурьев. - 6-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1982. - Т. 1. - 576 с.

4. Геллер Ю.А. Стенд для исследования рабочих органов землеройных машин. Патент № 2239689. Зарегестр. 10.11.04.

5. Ахназарова С.А. Оптимизация эксперимента в химии и химической технологии / С.А. Ахназарова, В. В. Кафаров. - М.: Высш. школа, 1978. - 319 с.

6. Баловнев В.И. Моделирование процессов взаимодействия со средой рабочих органов дорожностроительных машин: учебн. пособие для студентов вузов / В.И. Баловнев. - М.: Высш. школа, 1981. - 335 с.

7. Геллер Ю.А. Влияние аккумулятора энергии на процесс формирования грунтовых элементов / Ю.А. Геллер // Вестник ЧитГУ. - Чита: ЧитГУ, 2005. - № 2 (39). - С. 8-12.

8. Геллер Ю.А., Безручко Н.П., Киричек А.А. Рыхлитель для разработки прочных и мерзлых грунтов. А.с. № 994650. Опубл. 07.02.83 Б.И. № 5.

9. Геллер Ю.А., Киричек А.А., Безручко Н.П. Рыхлитель. А.с. № 1016445. 0публ.07.05.83 Б.И.№ 17.

10. Геллер Ю.А. Рыхлитель. Патент № 1176944. Зарегестр. 08.04.93.