CC BY
27
about influence of speed working bodies of digging machines on the resistance force of soil cutting
Abstract. The processes occurring during high-speed cutting of soil is are considered. The dependence of the resistance force of soil cutting from speed of interaction, taking into account the compressibility of soil and the occurrence of wave drag forces is established. Analytical expressions for calculating the components of the total force of high-speed cutting of soils is given. The dependence of the energy intensity of the cutting process of the speed is analyzed and practical recommendations for the rational choice of cutting speed is given.
Keywords: resistance force of soil cutting, cutting speed, compressibility of soil, compression wave ground, the force of the wave resistance, the power consumption of the cutting process, efficient cutting speed.
references
1. Vetrov Yu.A. Rezanie gruntov zemleroynyimi mashinami / Yu.A. Vetrov. -M.: Mashinostroenie, 1971. - 357 s.
2. Zelenin A.N. Osnovyi razrusheniya gruntov mehanicheskimi sposobami / A.N. Zelenin. - 2-e izd., pererab. i dop. - M.: Mashinostroenie, 1968. - 376 s.
3. Artemev K.A. Osnovyi teorii kopaniya grunta skreperami / K.A. Artemev. - M.: Mashinostroenie, 1963.
4. Nadai A. Plastichnost i razrushenie tverdyih tel. Tom 2 / A. Nadai ; per. s angl. pod red. G.S. Shapiro. - M.: Mir, 1969. - 864 s.
5. Ivanov N.N. Konstruirovanie i raschet nezhestkih dorozhnyih odezhd / N.N. Ivanov, Ya.I. Kaluzhskiy, M.B. Korsunskiy [i dr.]. - M.: Transport, 1973. - 328 s.
6. Landau L.D. Teoreticheskaya fizika. Tom 6. Gidrodinamika / L.D Landau, E.M. Lifshits. - 3-e izd., pererab. - M.: Nauka. Gl. red. fiz.-mat. lit., 1986. - 736 s.
7. Stanevskiy V.P. O fizicheskoy suschnosti vliyaniya skorosti na silu rezaniya gruntov // Gornyie, stroitelnyie i dorozhnyie mashinyi :
sbornik. Vyip. 4 / V.P. Stanevskiy. - Kiev.: Tehnika, 1966. S. 46-51.
8. Fomichev V.P. Metodika rascheta optimalnyih rezhimov rabotyi transheynyih ekskavatorov / V.P. Fomichev. - Rostov-na-Donu.: RISI, 1971. - 118 s.
9. Alekseeva T.V. Dorozhnyie mashinyi. Chast 1. Mashinyi dlya zemlyanyih rabot / T.V. Alekseeva, K.A. Artemev, A.A. Bromberg [i dr.]. -3-e izd., pererab. i dop. - M.: Mashinostroenie, 1972. - 504 s.
Семкин Дмитрий Сергеевич (Россия, г. Омск) - кандидат технических наук, доцент кафедры «Техника для строительства и сервиса нефтегазовых комплексов и инфраструктур» ФГБОУ ВО «СибАДИ». (644080, Россия, г. Омск, пр. Мира 5, e-mail: D.S.Semkin@yandex.ru).
Semkin Dmitry Sergeevich (Russia, Omsk) - candidate of technical Sciences, docent of the department «Technique for construction and service of oil and gas complexes and infrastructures», «The Siberian Automobile and Highway University (SibADI)». (644080, Russia, Omsk, Mira prospect 5, e-mail: D.S.Semkin@yandex.ru).
УДК 539-531
ОСОБЕННОСТИ РЕАЛИЗАЦИИ МАКСИМАЛЬНЫХ СИЛ И УСКОРЕНИЙ ПРИ УДАРЕ ТВЕРДЫХ ТЕЛ
Б.Н.Стихановский1, Л.М.Стихановская2 10мский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС), Россия, г. Омск;
2ФБГОУ ВО «СибАДИ» Россия, г. Омск.
Аннотация. В статье рассматривается проблема определения максимальных сил при ударном взаимодействии твердых тел в случае упругих, пластических деформаций контакт-
ных поверхностей и при ударе по консоли с прямоугольным и круглым поперечным сечением. Определены максимальные деформации в центреконтактной зоны при соударениител из одинаковых и разных материалов. Установлены количественные зависимостимежду отдельными параметрами удара для получения максимальных ударных сил. Приведен пример практического применения теоретических зависимостей при создании ударного копра с высокими скоростями взаимодействия бойка с испытуемым объектом.
Ключевые слова: ударное взаимодействие, высокая скорость, упругиеи пластические деформации, максимальная сила, копер для ударных испытаний.
введение
Эффективность использования удара твердых тел в технологических процессах является одним из показателей технического уров ня ряда отраслей, поэтому исследованию таких взаимодействий посвящено множество публикаций [1],[2],[3].
Решение вопросов теории передачи энергии удара .определение импульсов сил, напряжений, ускорений, коэффициентов восстановления д отскоеа является осно вой для создания с овременных высокопроизводительных машин иустройств, используемыхп ри выполнении горных, строител ьныхи дорожных работ, разработке мерзлого грунта, разбивке негабаритов из бетонаи пород, ковкеи штамповке металлов и производстве разнообразных технологических операций [4], [5] . Будет рассмотрено взаимодействие твердых тел в двух случаях, когд а прео бладают упругие или пеастические деформации взонеконтакта.
ударное взаимодействие
твердых тел
Случай 1. Упругие дефлрмации в зоне контакта.
При упругих деформациях в конуактной области можно воспользоваться зависимостями Г. Герца. При этом максимальиая площадь контакта должна быть много меньше площадей поперечных сееений тел и энергияпла-стических деформаций значительно меньше энергии упругих, где приведенный радиус кон-тактныхповерхностей
Ro< (2-3) d¡,
_ R • R2
где Ro н - 1 2
Цс-Я,
диаметры поперечных сечений тел т = 1 первого и ¡=2 второго тела. П о Г.Герцу максимальная сила при ударе
Fm= к • am:
3ж ([[ 3
(1)
(Л)
[ в
i-пП
, ы-КОЭФФиМиентПуассона и E -модулиупругости дляматериалов двух соударяющихся тел.
г г l-ы2 1-Ы21 1
[ к[2 н -к--н-
яЕх лЕ2 яЕп
где! E п =
Е1Е2
п Е1 (1-/^^(1^) П ри одинановыхмат-|эиа л ах:
Е1=ЕпнЕ . ПП вИ2ПЫ.
(3)
(б(
Е п =
кн
2(1--/О
2ЕДЯп
3(1-ы2)'
(5)
(6)
Максимальная деформация в центре контактной зоны:
= , 15mnV п )п,4
mm2 где mпн—
m + m2
Для одинаковыхматериаловтел:
((
(8)
„ _ г15тИ0^р2(1 Р2)~|0,4
Подставляя (2) и(7) в (1) :
Р --Е Г5~с1 ^о2 40.6 р _ в"80Р^о(1(5^0^
_ |Е^ё^Х1'2
3 16
. 1,2т(ИоЕ02тХ6)ОЛ
лях, Ни ; Формула (13) получена с учетом коэффициента полезного действия передачи внутрен нейэнергии при ударе, когда коэффициент восстановле ния раве, нулю, [1, с. 83] , и макси—альной силы при ударе по преграде, [6, с.208].
Приближенно:
2,5тГ0 1Р т
где т= -
т,,
(14)
т,
1,2827Я0 ' Е0 т0 ' Р0
Дляодиннковых материалов :
1 — а^
(Ю)
(110
Рассмотри1\/1 предыдущий пример и предположим, что =вердо сть по Бринелю и В=ккерсу:
аВмНу =200кг1мм0 м2Л09н1м2. тогда
2,5-10
-^0,1- 2 • 109 • 0,5 =
Для =тальныхтел ¡л^ 0,3; Е= 2 -1011 н/м2;
(120
Например, при удареп^ = т2= 0,5 кг со
скоростью V,, = 10 м/с и Рп= 0,1м имеем:
т0 = 0,25 кг и максималь=ую силу удара Н т м145к#
т
Случай 2. Пластические дефорнации в контактной зоне
Максимальная сила при ударе и 1 по неподвижной т2 (или т2 по неподвижной т1) со скоростьюУ0 равна:
т2х0 420 0 Нт
(13)
н.
т1 Рт2
где за первое выбираем тел о с меньшей массой, т.е. и 1 < и 2; а у - твердость мате риала в зоне контакта - меньшая из двух взаимодействующих поверхностей, т.е. которая в первую очередь деформирует, |эазмерность в Паска-
= 1,25 • 10 =125 кН .
Снуч-йЗ. Удар по консоли дл=ной • , имеющей монент инерции площади попереч=ого нечения I и ./модуль упругости Еу
Для прямоугольного поперечного сечения
т Ш
консоли 1 =-, где Ь-ширина, а 1ч - высота
11 оТ
СвЧвНИЯ, ДЛЯ К|ЭуГЛ01"0 СвЧвНИЯ I __ к.п.д.
(5-4 '
передачи внутренней энергии при неподвио-ном до удара одного из тбл ,[6]: т
О и-= -т.е. энерг-я, =дущая на
т -ь 1
оеф-рмаоию , равна :
д _ ттХ02 _ т0Х02
2(т -+- 1)
Р )
тУ
Энергия деформаций равна:
где у - максимальная деформация в точке
}7 £3
удара. У консоли длиной £ : у= —-—. Приравнивая Е кЕл получим : сEI
вн деф' *
т V 2 = ~ т |Мо у о
К 2£3
3Е1
откуда :
_ = У^ -о3Е
т £\ £
(15)
Пусть £ =40 мм = 0,04 м ; сечение кру-
глое с1 = 10 мм ,т.о. I = —■
3,14 -104
64
491мм =
= 491-10 12т/ ; стер>^ент консоли стальной, т.е. Е = в-РО11///,/ , О0 = 10.^Тс, т 1 =т2 = 0,5 кг, те. т 0 = 0,25 кг , тогда
Б = 1,1 0,04
\0Л3кН.
10 10,25 • 3-2-1011 - 491-10
-12
0,04
Как видно из (10 - 12 ) и (13 - 14 ), у максимальной силы и cooтвeocтрeннo у м а1тималь-
Р Рт
ного ускорения центров масс р ~~лт имеем наибольший показатель степени у^корости
удара V 0 .И если увеличение твердости ограничено пределами прочности материала и закалкой бойка, а размер пр>иЕ5еденного 1^тдиуса
R 0 нельзя брать большим из-за снижения центральности уд ара, [6], то величину скорости
V0 можно увеличивать вдесятки и сотни раз. Одним из способов увеличения скорости уда-|та является использование ротационного разажного механизма, чт= пс^;звол:я(5т, например, достигать скорости О0= 40м-с-1 п|эи габаритах в сотни раз меньших, чем размеры вертикального копра со свободно падающим бойком, в котором для достижения этой же
скорости необходима высота падения не ме-
2
нее а=-°-= 80 м. где ч = П,И1 м/с2.
Обычно копры применяются в испытательной технике на перегрузки различных изделий при ударах. Одним из последних достижений в
этой области является копер для ударных испытаний, [7 ] .
Копер содержит корпус 1 и ротор 2, на периферии которого размещены держатели, выполненные в виде колец со сферической внутренней поверхностью. В кольцах вставлены бойки в виде шаров. Один шар закреплен в держателе без возможности выхода из него, а второй шар имеет возможность выхода из держателя и связан через держатель со штоком. Величина хода штока такая, что исключается контакт держателя с желобом, расположенным в секторе торможения ротора диаметрально противоположно сектору выхода второго шара в конус. Вне зоны торможения участок выполнен в виде направляющей без заклинивания и торможения держателей и шаров, между конусом и тормозным участком расположен прямой участок желоба. С корпусом связаны конусный ствол 5, ось которого расположена по касательной к траектории бойка. На срезе конусного ствола установлен узел крепления испытуемого объекта С. Привод осевого перемещения и радиальные каналы через окна связаны со штоками и кольцами, а пальцы, входящие в момент разгона ротора и выходящие из фиксатора держателей - с гнездами. Тормозное устройство выполнено в виде же-лобас углом конусности 2 а ,рис.1.
Перед испытанием на копре привод отключен, а пальцы держателей заходят в гнёзда фиксатора. При этом штоки входят внутрь радиальных каналов ротора так, что кольца при вращении ротора не задевают стенок тормозных устройств. По достижении заданной скорости вращения ротора включается привод осевого перемещения, который поднимает фиксатор. Пальцы освобождаются и штоки с кольцами и бойками под действием центробежных сил движутся к периферии ротора, где один боек производит удар по испытуемому объекту. Торможение одного кольца со связанным бойком-шаром происходит в желобе тормозного устройства. При этом путь торможения значительно уменьшается по сравнению с гладкой тормозной поверхностью, так как кольца зажимаются в конусе желоба, при этом приведенное трение Р больше, чем на
,где а угол
плоскости, тоестьРп=' _
пр 8та
конусности желоба. Например, при а =30° имеем Рпр= 2Р, где Р - сила трения-скольжения кольца поплоскости.
4 2
Рис. 1 - Копер 1 - корпус; 2 - ротор, 3- держатель; А - боек,
5 - конусный ствол: 6 - испытуемый объект; 7 - жёлоб.
Кроме этого, удар держателя кольца в конусе тормозного устройства вызывает отскок значительно меньший, чем от гладкой поверхности корпуса, что приводит к большей стабильности выхода бойка из кольца, точности попадания в ствол и уменьшает разброс результатов испытаний на копре для ударных испытаний. Один из шаров 4 закреплён в держателе и не вылетает из держателя при его торможении в жёлобе. При этом сила торможения передаётся через ротор 2 на другой шар, который вылетает и попадает в конус 5, а затем ударяет в испытуемое изделие 6. Следовательно, тормозится всегда только держатель с закреплённым шаром . Оба штока в процессе разгона ротора давят равномерно одинаковыми и противоположно направленными центробежными силами на пальцы , а при срабатывании привода из-за малого хода штока держателя свободного шара может тормозиться лишь шток, держатель и связанный с ним шар, т.к. он выходит в направляющей на небольшой ход , достаточный для прижатия в жёлобе.
Прямой участок желоба необходим для плавного входа держателя со связанным шаром в зону торможения жёлоба, что исключает удар держателя при входе в тормозную зону.
заключение
Получены зависимости максимальной силы и ускорения от скорости удара, геометрических характеристик и материалов соударяющихся тел при упругих и пластических деформациях в контактной зоне, практическое применение которых нашло отражение при создании копра для ударных испытаний. Предлагаемая конструкция копра имеет один конусный ствол и один узел крепления испытуемого объекта вместо двух в существующих копрах. Кроме этого, исключён вероятный удар держателей при входе в начальную зону торможения криволинейного жёлоба в области конусного ствола, что делает конструкцию копра более простой и надёжной, а также уменьшает тормозной путь ротора за счёт увеличения центробежной силы прижатия из-за присоединённой массы шара, жёстко связанного с тормозимым в жёлобе держателем. Такой копер позволяет значительно увеличить скорость удара, достигая максимально возможных ударных сил при заданных параметрах соударяющихся твердых тел.
библиографический список
1.Тарасов, В.Н. Теория удара в теоретической механике и ее приложение в строительстве / В.Н. Тарасов, Г.Н. Бояркин. - Омск : Изд-во ОмГТУ, 1999.-120 с.
2. Галдин, Н.С. Оптимизационный синтез основных параметров гидравлических импульсных систем строительных машин / Н.С. Галдин, В.Н. Галдин, Н.Н. Егорова // Вестник СибАДИ. - 2013. - №6 (34). - С.73-77.
3. Щербаков, B.C. Основные показатели гидравлических импульсных систем строительных машин / B.C. Щербаков, В.Н. Галдин // Вестник СибАДИ. - 2013. - №1(29). - С. 47-51.
4. Алимов О.Д. Гидравлические виброударные системы / О.Д. Алимов, С.А. Басов. - М. : Наука, 1990. - 352 с.
5. А. с. 1045041 СССР, G 01 М 7/ 00. Устройство для ударных испытаний изделий / Б.Н. Стихановский - №3448940/25-28 ; за-явл.08.06.82; опубл. 30.09.83, Бюл.№36.-3с.
6. Стихановский, Б.Н. Процессы удара : монография / Б.Н. Стихановский. - Омск : Изд-во ОмГТУ, 2010.324 с.
7. Пат. 163315 Российская Федерация. G 01 М 7/ 00 Копер для ударных испытаний / Б.Н. Стихановский, Е.С. Чернова. Опу-бл.10.06.2016. Бюл.№16.
features of implementation of the maximum forces and accelerations impact of solids
Annotation. The problem of determining the maximum strength under shock interaction of solids in the case of elastic, plastic deformation of the contact surfaces, and when you hit the console with rectangular and circular cross-section. Determine the maximum strain in the center of the contact zone of the collision of bodies of the same and different materials. The quantitative relationship between the individual parameters in order to maximize the impact shock forces. An example of the practical application of the theoretical curves to create a shock copra high-speed interaction of the striker with the test object.
Keywords: shock interaction, high speed, elastic and plastic deformation, maximum force, pile driver for impact test.
references
1.Tarasov V.N. Impact theory in theoretical mechanics and its application in the construction / V.N. Tarasov, GN Boyarkin.-Omsk: Publishing OmSTU, 1999.-120 with.
2. Galdin N.S. Optimization synthesis of the basic parameters of hydraulic pulse systems
construction machinery / N.S. Galdin, V.N. Galdin, NN Egorov // Herald SibADI.-2013.-№6 (34) .- S.73-77.
3. Shcherbakov V.S. Key indicators of hydraulic pulse systems of construction machinery of /V.S. Shcherbakov, V.N. Galdin // Herald SibADI.-2013.-№1 (29).-S.47-51.
4. Alimov O.D. Hydraulic vibro-impact systems / O.D. Alimov, S.A. Basov. M .: Nauka, 1990.-352s.
5. A.S 1045041 USSR, G 01 M 7 / 00. An apparatus for impact testing products [Text] B.N. Stickhanovskiy / -№3448940 / 25-28; zayavl.08.06.82; publ. 09.30.83, Bul.№36- 3s.
6. Stickhanovskiy B.N. Shot process: Monograph / B.N. Stihanovsky .- Omsk: Publishing house OmSTU, 2010.324 with.
7. Pat. 163315 R.F. G 01 M 7/ 00 .Pile driver for impact test [Text] / B.N. Stickhanovskiy .E.S. Chernova; publ10.06.2016. Bul.№16.
Стихановский Борис Николаевич - д-р техн. наук, профессор Омского государственного университета путей сообщения (644046, г. Омск, пр. Маркса, 35.,e-mail bstish@ mail.ru.
Стихановская Любовь Михайловна - канд. техн. наук, доцент Сибирского государственного автомобильно-дорожного университета ( 644080, г.Омск ,пр. Мира,5, e-mail stikhanovskaya@gmail.com.
Stickhanovskiy Boris Nikolaevich - d-r of technical Sciences, professor Omsk State Transport University (644046, Marksa,35 prospekt, Omsk, Russian Federation., e-mail bstish@ mail.ru .
Stickhanovskaya Lubov Mihailovna -candidate of technical Sciences, associate Professor Sibirskaya State Automobile and Highway University (644080, Mira,5 prospect, Omsk, Russian Federation., stikhanovskaya@ gmail.com.
УДК 621.86/87
ВЛИЯНИЕ КООРДИНАТ ТОЧКИ КРЕПЛЕНИЯ УРАВНОВЕШИВАЮЩЕГО КАНАТА НА КОЛЕБАНИЯ ГРУЗА КРАНА-ТРУБОУКЛАДЧИКА
В.В. Танский
Сибирский государственный автомобильно-дорожный университет «СибАДИ», Россия, г. Омск
Аннотация: в работе рассмотрены вынужденные колебания груза на стреле крана-трубоукладчика, закрепленного при помощи уравновешивающего каната, обоснованна плоская расчетная схема крана-трубоукладчика и составлены дифференциальные уравнения движения
