CC BY
53
УДК 621.879.3
С.А. Зеньков, К.А. Игнатьев, А.С. Филонов, Н.А. Балахонов
ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАЦИОНАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ ОБОРУДОВАНИЯ ТЕПЛОВОГО ДЕЙСТВИЯ К РАБОЧИМ ОРГАНАМ ЗЕМЛЕРОЙНЫХ МАШИН ДЛЯ РАЗРАБОТКИ
СВЯЗНЫХ ГРУНТОВ
Проведены экспериментальные исследования интенсифицирующего воздействия на адгезию грунтов к рабочим органам землеройных машин при отрицательной температуре. Рассмотрены два гибких нагревательных элемента ЭНГЛ-1 и ЭНГЛУ-400, как возможные варианты для применения непосредственно на ковше экскаватора. Представлены результаты экспериментальных исследований, определены рациональные параметры оборудования. Представлено техническое решение для ковша экскаватора с интегрированным в него нагревательным элементом.
Гибкий нагревательный элемент, адгезия, связный грунт, трение, производительность, землеройные машины, напряжение сдвига.
SA. Zen’kov, К.А. Ignat’yev, A.S. Filinov, NA. Balahonov
DEFINITION OF RATIONAL PARAMETERS OF THERMAL EQUIPMENT TO WORKING BODIES MOVING MACHINES FOR A COHESIVE SOIL
Experimental studies on the effects of intensifying soil adhesion to the working parts of earthmoving machinery in cold temperatures. We consider two flexible heating elements Angle-1 and Angle-400 as possible to apply directly to the bucket. The results of experimental studies, there is a rational parameters of the equipment. Presented solution for Excavator Bucket with an integrated heating element.
The flexible heating element, adhesion, cohesive soil, friction performance, earthmov-ers, shear stress
Опыт эксплуатации землеройных машин показывает, что при разработке влажных грунтов (особенно при отрицательной температуре) намерзание и налипание грунта на рабочие органы существенно снижает производительность машин.
При этом снижение производительности происходит из-за уменьшения полезной вместимости ковшей за счет неполной выгрузки, увеличения лобового сопротивления при резании (копании) в результате прилипания влажного грунта к рабочему органу, роста сопротивления входа в ковш, увеличения простоев машин ввиду необходимости очистки рабочих органов. Кроме того, растут энергетические потери из-за увеличения сил трения и снижается качество выполняемых работ. Сила трения при копании и планировке составляет 30...70 % от общего сопротивления копанию, а производительность снижается в 1,2 ... 2 раза и более [1]. Известно, что одним их эффективных методов снижения адгезии грунтов является тепловой [2,3].
Данная работа направлена на исследование возможности применения теплового воздействия для борьбы с адгезией грунтов к рабочим органам землеройных машин с помощью гибких ленточных электрических нагревателей (ЭНГЛ). Для проведения экспериментов был изготовлен запатентованный лабораторный стенд (рис. 1, 2) [4], состоящий из металлоконструкции 1 с регулировочными винтами 3 и с закрепленными на ней при помощи болтовых соединений 5 с возможностью вертикального перемещения направляющих 4, каретки 6 с имитатором ковша экскаватора и встроенным в него нагревательным элементом, снабженной катками 2 и установленной подвижно в направляющих 4, жестко закрепленного на каретке 6 поверхностью 10 (сталь 3), цилиндрической обоймы 12 без дна с размещенными внутри и концентрично ее оси съемным кольцом 11 и штампом 9 с крышкой 7. Штамп 9 жестко связан со штангой 20, которая установлена подвижно с возможностью вертикального перемещения в жестко закрепленной на металлоконструкции 1 направляющей втулке 22 и соединена шарнирно с нагрузочным рычагом 18, на свободном конце которого подвешена подставка 14 со
сменными грузами 13. Обойма 12 без дна посредством шпилек 16 с гайками 17 с возможностью регулировки прикреплена к металлоконструкции 1 и снабжена теплоизоляционным кожухом 8 и двумя болтами 15 для фиксации в ней съемного кольца 11. Кольцо 11 из ударопрочного полиэтилена высокого давления выполнено с внутренним диаметром, равновеликим наружному диаметру штампа 9. Штамп выполнен полым и имеет отверстия 23 и 19 и герметичную крышку 7 из материала (медь, ^=384 Вт/(мК)) с теплопроводностью больше, чем теплопроводность материала штампа 9 (сталь 45, Х=47 Вт/(мК)). Каретка 6 через тензометрическое кольцо 25 связана с приводным механизмом 26. Стенд снабжен комплектом тензометрической аппаратуры 24 (динамометр электронный ДОР-3-5И).
Рис. 2. Принципиальная схема экспериментального сдвигового стенда для исследования влияния теплового воздействия на прочность смерзания грунта с металлом
Экспериментальные исследования процессов интенсифицируемого воздействия на адгезию к поверхности ковшей экскаваторов при отрицательной температуре выполнены с применением методов физического моделирования систем и математической теории планирования экспериментов. В ходе проведения экспериментов в широких пределах варьировались параметры и режимы воздействия и основные факторы, обусловливающие прочность смерзания грунтов с металлической поверхностью скольжения
Диапазон параметров оборудования для создания теплового воздействия (их рациональные значения) были выбраны на основании предварительных экспериментов и результатов исследований зависимости целевой функции (напряжения сдвига) от параметров теплового воздействия.
На лабораторном стенде были испытаны два нагревательных элемента одного типа (гибкий нагревательный элемент): ЭНГЛ-1 (табл. 1) и ЭНГЛУ-400 (табл. 2). При работе ЭНГЛ-1 было достигнуто существенное снижение напряжения сдвига, а значит и адгезии грунта с поверхностью рабочего органа. А при работе нагревательного элемента ЭНГЛУ-400 температура поверхности имитатора рабочего органа была больше, но снижение напряжения сдвига не пропорционально повышению температуры и изменяется в пределах 13% от напряжения сдвига при использовании нагревательного элемента ЭНГЛ-1 (табл. 3).
Таблица 1
Технические характеристики ЭНГЛ-1_____________________________________
Максимальная температура на поверхности ленты 180°С (250°С по заказу)
Минимальная температура монтажа 50°С
Минимальный радиус изгиба 10 мм
Ширина активной части 24 мм
Толщина активной части 3,3 мм
Таблица 2
Технические характеристики ЭНГЛУ-400____________________________________
Максимальная температура 400 °С
Минимальный радиус изгиба 15 мм
Длина низкотемпературных выводов 700 мм
Электропитание 220 В
Для проведения активного эксперимента с целью получения математической модели, в соответствии с рекомендациями [5] и особенностями данных экспериментальных исследований выбираем план, являющийся наиболее оптимальными для соответствующего числа факторов: ортого-
нальный план второго порядка для двухфакторной модели с N = 32. В качестве факторов выбраны нормальное давление на грунт P и продолжительность нагрева tp (таблица 3).
Измерение напряжения сдвига проводилось при следующих постоянных параметрах: дисперсность грунта Бэ=7* 10-3 мм; весовая влажность грунта W=12.5%; температура окружающей среды T = -150C; продолжительность контакта грунта с металлом t = 10,5 мин.
Математическая обработка полученных результатов проводилась на ПК при помощи программы MODEL для многофакторных зависимостей с использованием метода наименьших квадратов. В результате обработки экспериментальных данных были получены уравнения регрессии:
для ЭНГЛ-1 Ymen = 5,467 + 0,25 • x1 - 0,588 • x2 - 0,05 • x2 + 0,05 • x2 + 0,15 • x1 • x2 (1)
для ЭНГЛУ- 400 Ymen = 5,06 + 0,217 • x1 - 0,583 • x2 + 0,017 • x2 -0,2835 • x22 + 0,1 • x1 • x2 (2)
Уравнения регрессии проверялись на адекватность методом сравнения двух дисперсий при пятипроцентном уровне значимости (a=0,05 и доверительной вероятности 95%). Результаты проверки свидетельствуют об адекватности данных уравнений, т.к. расчетный коэффициент Фишера для ЭНГЛ-1 составляет 0,6767186, а для ЭНГЛУ-400 составляет 0,6645362 при табличном коэффициенте Фишера равном 5,99.
Далее с использованием программного комплекса STATISTICA были построены поверхности отклика при взаимодействии двух изменяющихся факторов при использовании нагревательных элементов ЭНГЛ-1 (рис. 3) и ЭНГЛУ-400 (рис. 4).
Отыскание экстремума функций многих переменных уравнений (1,2) методом Ньютона проводилось с использованием программы WolframAlpha. Экстремальная точка находится в отрицательной области отклика. В исследованном диапазоне изменения факторов с увеличением нормального давления на грунт напряжение сдвига увеличивается на 5__21%, а с увеличением времени нагрева напря-
жение сдвига уменьшается на 17_ 35%. Наименьшее значение напряжения сдвига зафиксировано при нормальном давлении на грунт 10 кПа и времени нагрева 7 мин. (в исследованном диапазоне изменения факторов).
Варьируемые факторы и результаты измерений напряжения сдвига
Таблица 3
Тип гибкого нагревательного элемента Х1 - нормальное давление на грунт P, кПа Х2 - продолжительность нагрева tр, мин Напряжение сдвига Утеп, кПа
ЭНГЛ-1 10 3 5,8
10 5 5,3
10 7 4,3
20 3 6,0
20 5 5,4
20 7 4,9
30 3 6,1
30 5 5,6
30 7 5,2
ЭНГЛУ-400 10 3 5,2
10 5 4,9
10 7 3,9
20 3 5,4
20 5 5,1
20 7 4,1
30 3 5,5
30 5 5,2
30 7 4,6
Рис. 3. Поверхность отклика при взаимодействии варьируемых факторов при использовании ЭНГЛ-1
Рис. 4. Поверхность отклика при взаимодействии варьируемых факторов при использовании ЭНГЛУ-400
В результате проведенных экспериментов были выявлены напряжения сдвига грунта по поверхности имитатора рабочего органа с тепловым воздействием для каждого из нагревательных элементов. Опыты показали, что напряжение сдвига с тепловым воздействием снижается примерно в семь раз для нагревательного элемента ЭНГЛ-1 и в восемь - для нагревательного элемента ЭНГЛУ-400 (по сравнению с напряжением сдвига без воздействия), что в свою очередь благоприятно скажется на механизации земляных работ, при разработке связных грунтов. Наиболее оптимальным является использование ЭНГЛ-1, так как разница в снижении усилия сдвига с ЭНГЛУ-400 не превышает 13% по сравнению с ЭНГЛ-1, а потребляемая мощность значительно меньше. Так же более рациональным режимом работы для нагревательного элемента является режим работы в промежутке от 3 до 7 минут, так как за данный промежуток времени элемент способен нагреть поверхность ковша экскаватора до температуры 11.. .40 °С, что обеспечивает снижение адгезии грунтов, к ковшам экскаваторов при отрицательной температуре до семи раз.
Рис. 5. Ковш экскаватора со встроенным гибким нагревательным элементом
Применение в качестве источника теплового воздействия для снижения намерзания грунта гибких нагревательных ленточных элементов осуществлено в конструкции ковша экскаватора прямая лопата, представленной на рис. 5. Ленточный элемент 3 намотан на кронштейны 4, жестко закрепленные на внешней поверхности передней стенки ковша между ребрами жесткости, и закрыт крышкой 2. Свободное пространство заполнено сухим кварцевым песком 1, который является одновременно тепло-изолятором и аккумулятором тепловой энергии, обеспечивая равномерный нагрев передней стенки. Установка нагревательного устройства на внешней стороне передней стенки ковша прямой лопаты вызвана тем, что передняя стенка наиболее подвержена адгезии, а пространство между карманами зубьев и нижним выступом передней стенки в меньшей степени взаимодействует с грунтом в процессе работы экскаватора.
ЛИТЕРАТУРА
1. Зеньков, С. А. Определение рациональных параметров оборудования интенсифицирующего действия к ковшам экскаваторов для снижения адгезии грунтов при отрицательных температурах : дис. ... канд. техн. наук: защищена 29.09.1987 : утв. 09.03.1988 / С.А.Зеньков. М.: МАДИ, 1987. 246 с.
2. Зеньков, С.А. Перспективы применения гибких нагревательных ленточных элементов для снижения адгезии грунта к рабочим органам ковшового типа / С.А.Зеньков, Е.В.Курмашев, А.В.Елохин, ДДэлэг // Сб. докл.УШ Всерос.науч.-техн.конф. «Механики-ХХ1 веку». Братск: Изд-во ГОУ ВПО «БрГУ», 2009. С. 164-167.
3. Зеньков С.А. Применение гибких нагревательных ленточных элементов для снижения адгезии грунтов к ковшам экскаваторов / С.А. Зеньков, Е.В. Курмашев, О.Ю. Красавин // Сб. докл. четвертой Междунар. конф. Улан-Удэ: Изд-во ВСГТУ, 2009. Т. 4. С. 67-73.
4. А.с. 1310696 8И, МПК4 СЮШ19/02, СЮШ33/24. Сдвиговой стенд / Баловнев В.И., Бакатин Ю.П., Зеньков С.А., Журавчук С.В. (8И). - Заявл. 12.12.1985; Опубл. 15.05.1987, Бюл. №18.
5. Баловнев, В. И Применение математической теории планирования эксперимента при исследовании дорожных машин / В.И. Баловнев, Ю.В. Завадский, В.Ю. Мануйлов. М.: МАДИ, 1985. 104 с.
Зеньков Сергей Алексеевич -
кандидат технических наук, доцент, декан механического факультета Братского государственного университета
Игнатьев Кирилл Андреевич -
магистрант Братского государственного университета
Филонов Александр Сергеевич -
магистрант Братского государственного университета
Балахонов Никита Александрович -
магистрант Братского государственного университета
Sergey A. Zen’kov-
Ph.D., Associate Professor, Dean of the Faculty of Mechanical Bratsk State University
Kirill A. Ignat’yev-
magistrant Bratsk State University
Aleksandr S. Filonov -
magistrant Bratsk State University
Nikita A. Balahonov -
magistrant Bratsk State University
Статья поступила в редакцию 03.04.13, принята к опубликованию 30.04.13
