CC BY
18
УДК 622.233.5
МАЛОГАБАРИТНАЯ ИМПУЛЬСНАЯ ФРЕЗА ДЛЯ РАЗРУШЕНИЯ ПРОЧНЫХ ГРУНТОВ
© 2010 г. В.А. Болтовский, В.К. Черноброва
Южно-Российский государственный South-Russian State University
университет экономики и сервиса, г. Шахты of the Economy and Service, Shahty
Описана опытная конструкция малогабаритной и малоэнергоемкой машины для разрушения прочных грунтов импульсной фрезой. Рассматривается влияние периодических ударов на колебания импульсной фрезы.
Ключевые слова: фреза; импульс; конструкция; удар; колебания; грунт
Application of the big forces at impact of a mill with a strong ground for creation of the new machine design possessing in small overall dimensions and power consumption for destruction strong grounds. Influence of periodic blows on fluctuations of a pulse mill is considered.
Keywords: mill; impulse; design; blow; fluctuations; a ground.
К недостаткам существующих машин непрерывного фрезерования прочных грунтов (мерзлые грунты и твердые покрытия) относятся большие затраты энергии на вдавливание резцов в грунт, наличие в приводе фрезы редукторов с большим передаточным отношением для создания значительных усилий на зуб фрезы.
Поскольку для эффективного разрушения прочного грунта соответствующими рабочими органами требуются усилия порядка 300 - 500 кН, для машин режущего типа необходимы базовые машины большой мощности и веса [1].
В стесненных условиях городского строительства, коммунальных работ и при ремонте дорог имеется потребность в легких мобильных землерезных машинах, создающих большие усилия на зуб фрезы.
На кафедре «Прикладная механика и конструирование машин» ЮРГУЭС разработана опытная установка для разрушения прочных грунтов импульсной фрезой [2].
На рис. 1 показана принципиальная схема опытной установки.
5 6
V / / / /
Рис. 1. Принципиальная схема опытной установки
Импульсная фреза включает маятниковую раму 9 с фрезой 7, привод 5 вращения фрезы. Маятниковая рама связана с ходовой частью 1 шарниром 10.
Другая опора маятниковой рамы 9 фрезы осуществляется упругим элементом 3, связанным с кривошипом 2, имеющим привод 4 для создания вынуж-
денных колебаний маятниковой рамы. Кожух 6 служит защитой от разлетающихся частиц грунта. Привод фрезы осуществляется посредством упругого элемента 8 (например, ременной передачей).
Исследование влияния ударов на колебания фрезы является одной из задач создания эффективной машины ударного действия.
Ударную обобщенную силу QS выразим через 5 - функцию Дирака [3]
QS = HS5(t -1 ).
В общем случае дифференциальное уравнение малых колебаний рамы фрезы с учетом ударных воздействий будет иметь вид
q + 2nq + k2q = hBSinpt + hS5 (t - t1 ) , (1 )
,2 с „ в ,e Hв ,SHS
где k2 =- ; 2n = -; he =-; hS =-.
a a a a
Ниже рассмотрим частный случай малых колебаний при n = 0 и hв = 0.
Схема колебаний импульсной фрезы представлена стержнем весом G1 прикрепленного шарниром О. На конце стержня длиной l прикреплен груз (фреза) весом G. Стержень с фрезой удерживается в горизонтальном положении вертикальной пружиной жесткостью с на расстоянии а от шарнира О. На груз (фрезу) действует вертикальный ударный импульс S в некоторый момент времени t1 (рис. 2 а).
Из выражений кинетической энергии Т и потенциальной энергии П устанавливаем коэффициенты инерции и жесткости, соответствующие обобщенной координате ф
Gl2 т 2
аи = Jпр =—+Jx ; с11 = са , g
где Jx - осевой момент инерции стержня фрезы.
oh
ф
У..........
G1
i
т т г
фтах - smr--- ■ яцг —
W W ч
ф
■глТТГМПШгь
^гтишпгшгть.
т г \
г 2
S S S S S S S
ж,. i 1.....Í 1,, 1
г w т ....... W . г 1 г г \ г®
Рис. 2. Графики колебаний системы при ударных импульсах различной периодичности
Частота свободных колебаний
k = . =
са
Gl2 g
+ Jx
V
cga
Gl2 +Jxg
Уравнение движения рамы фрезы будет иметь вид Ф = Ф0 + ф = Cj coskt + C2 sinkt +
hS
+—sin k (t -11 )l(t -11), k
(2)
где - ^) - единичная функция.
Если до приложения импульса рычаг фрезы находился в покое, значение постоянных С1 = С2 = 0 . Тогда из (2) получаем
hS
Ф = — sin к (t - ti )i(t - ti). к
(3)
Поскольку за обобщенную координату в данном случае принят угол поворота ф, то Н5 представляет момент ударного импульса относительно оси вращения Н5 = 51.
С учетом этого находим Sl
hS =-
G[_ g
или h = -
Slg
+ J,
Gl2 + Jxg
Тогда выражение (3) принимает вид
Slg
ф =
(Gl2 + Jxg) k
sink(t-ti )l(t-ti).
Если импульс приложен в начальный момент движения (при ^ = 0), то
Ф =
S
(Gl2 + Jxg) k
sin kt.
Максимальное значение угла отклонения рычага фрезы
= S
фтах =
(Gl2 + Jxg) Ik'
График колебаний изображен на рис. 2 б. Если к рычагу фрезы в течение некоторого времени прикладываются несколько ударных импульсов, действующих через равные промежутки времени (случай периодических ударов) и если удары следуют через
At = T , где T = 2л Ia11 = 2л 2 V c, ^
Gl2 + Jxg
то уравне-
cga
ние движения рычага фрезы будет
Slg
Ф =
sin kt - sin k I t - T|lf t - T| +
2 ) l 2 )
Величина h - согласно формуле (1) равна
5 Н5 5
h =-, где Н - импульс обобщенной ударной
силы.
(G/2 + Jxg) k + sin k (t - T )l(t - T)-sin k ^ t - 3 T jl^ t - 3 T j +
+ sink(t-2T)l^t-2Tj... .
Колебания будут прерывистыми, т. е. будут возникать и исчезать через каждые полпериода. График таких колебаний представлен на рис. 2 в. Если удары следуют через At = T , то уравнение движения будет выглядеть так:
Ф = 7-Slg—т- [sin kt + sin k (t + T )l(t + T) +
(Gl2 + Jxg) k + sin k (t + 2T )l(t + 2T) + sin k (t + 3T )l(t + 3T) + + sin k (t + 4T )l(t + 4T)....]
В этом случае после каждого импульса амплитуда колебаний будет увеличиваться на величину
li
а
ф
б
в
ф
г
a
n
Slg
т. е. неограниченно расти по закону
(Gl2 + Jxg) к
арифметической прогрессии. График таких колебаний изображен на рис. 2 г. Здесь мы встречаемся с явлением, аналогичным явлению резонанса.
На рис. 3, 4 показана опытная установка импульсной фрезы.
Рис. 3. Рабочий орган
В этом случае по поверхности грунта наносится серия ударов, в результате чего образуется сеть трещин, снижающих прочность массива и позволяющих производить его разработку.
Такие условия существенно снижают удельный износ рабочего инструмента и позволяют эффективно разрушать прочные грунты.
При ударном воздействии фрезы на грунт удары следуют систематически, например, через почти равные промежутки времени Т1 = 1,5 с (рис. 5).
F
Рис. 4. Опытная установка в работе
Отдельные параметры установки: электродвигатель асинхронный 3 кВт; частота вращения фрезы 1000 об/мин; диаметр фрезы по режущим кромкам зубков 480 мм; ширина прорезаемой щели 30 мм; масса фрезы 15 кг; масса установки 100 кг
При разработке прочных грунтов требуется развивать не только высокие динамические импульсы, но и предотвращать существенное затупление рабочего органа. Поэтому ударные машины выгодно отличаются от других типов машин.
Рис. 5. Характер импульсного воздействия фрезы на грунт
Время отличия импульсов от нуля и есть время удара. При ударном воздействии фрезы прочный грунт разрушается крупным сколом, уменьшаются затраты энергии на вдавливание фрезы и трение, что позволит создать эффективную машину для стесненных условий работы. Таким образом малогабаритная импульсная фреза может выполнять свою технологическую функцию по разрушению прочного грунта затрачивая сравнительно небольшую энергию.
Литература
1. Лозовой Д.А., Ветлов Ю.Е., Кузяев А.И. Механизация разработки мерзлых грунтов : учебное пособие. Саратов, 1979. 56 с.
2. Пат. 2186179 Российская Федерация, МКИ Е 02 F 5/08 Землерезная машина / В.А. Болтовский, Е.С. Величко, Р.В. Дикий, Е.Р. Байбара; заявитель и патентообладатель Южно-Рос. гос. ун-т экономики и сервиса. № 2001110157/03 ; заявл. 13.04.2001 ; опубл. 27. 07.2002, Бюл. № 21. 3 с. : ил.
3. Лебедев В.А., Михайлов Б.К., Дерябин И.С. Действие удара на механическую систему. Л., 1981. 63 с.
Поступила в редакцию
25 марта 2010 г.
Болтовский Валерий Анатольевич - канд. техн. наук, доцент, кафедра «Прикладная механика и конструирование машин», Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса. Тел. (8636) 22-04-33 доб. 21-00.
Черноброва Виктория Константиновна - аспирант, кафедра «Прикладная механика и конструирование машин», Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса. Тел. (8636) 22-04-33 доб. 21-00.
Boltovsky Valery Anatolievich - Candidate of Technical Sciences, assistant professor, department «Applied mechanics and designing of machine», South-Russian State University of the Economy and Service. Ph. (8636) 22-04-33 add. 21-00.
Chernobrova Viktoriya Konstantinovna - post-graduate student, department «Applied mechanics and designing of machine», South-Russian State University of the Economy and Service. Ph. (8636) 22-04-33 add. 21-00._
