CC BY
100
УДК 624.132
ПЕРСПЕКТИВНІ РОБОЧІ ОРГАНИ ДИНАМІЧНОЇ ДІЇ ДЛЯ СТВОРЕННЯ ТРАНШЕЙ
О.А. Тетерятник, аспірант,
Київський національний університет будівництва і архітектури
Анотація. Розглянуто проблему підвищення продуктивності та зниження енергоємності робочих органів траншейних машин і описано інноваційний напрямок розвитку динамічних робочих органів для створення траншей.
Ключові слова: енергоємність розробки ґрунту; динамічний робочий орган; поєднання позитивних ефектів; робочий орган типу „ конусна фреза ”; газоімпульсний інтенсифікатор; інтенсифікатора спрямованої дії; енергозберігаючим газоімпульсним інтенсифікатором; газоімпульсний ґрунторуйнуючий пристрій.
Вступ
Проблема підвищення продуктивності траншейних машин, що використовуються в будівництві, сільському господарстві, меліорації та інших галузях народного господарства, є однією з головних проблем розвитку машинобудування. На сьогоднішній час обсяг робіт з відривання траншей виконується переважно одноківшевими і багатоківшевими екскаваторами. Але ці машини [1] мають суттєві недоліки, зокрема велику масу, великі габаритні розміри, малу питому продуктивність, велику енергоємність та застосування декількох робочих органів, що зумовлює складну конструкцію робочих органів та їх приводів (характерно для багатоківшевих екскаваторів).
Вирішення проблеми підвищення ефективності траншейних машин полягає в створенні землерийних машин та їх робочих органів, які у робочому процесі використовують „динамічне” різання ґрунтів, тобто збільшують енергетичний вплив на робоче середовище.
Ця проблема тісно зв’язана з науковими і практичними завданнями, що полягають у дослідженні фізики процесу руйнування ґрунтів з різними фі-зико-механічними характери-тиками при інтенсифікації прикладання навантаження на них у процесі руйнування і створення на цій основі принципово нових методів динамічного руйнування робочих середовищ, методик розрахунку параметрів робочих процесів ґрунторуйнуючих машин, розробки конструкцій цих машин і їх робочих органів.
В Київському національному університеті будівництва і архітектури розроблено нові принципи
роботи землерийної техніки, що дозволили створити зразки машин з продуктивністю (питомою)
18...20 м3/год на 1 кВт потужності, в той час як у кращих зарубіжних машинах цей показник не перевищує 5. При цьому маса машини зменшується в
4...6 разів, а в деяких випадках на порядок [1].
Основні з цих принципів формулюються наступним чином:
1. Формування орієнтованих високих швидкостей навантажування. При цьому досягається найбільший ефект руйнування за рахунок концентрації та одночасного прикладання сил у визначених точках масиву таким чином, щоб лінії дії сил перетинатися на оптимальній глибині руйнування. Орієнтовані високі швидкості взаємодії робочого органа з ґрунтом легко створюються за рахунок імпульсного, частотоударного, віброударного безперервного навантаження, що при незначному заглибленні робочого органа дозволяє одержати значну регульовану глибину руйнування, що забезпечує збільшення продуктивності машин, зменшення їх металоємкості, зниження енергоємності руйнування ґрунту. Ефекти швидкісного навантаження можуть бути створені не тільки за рахунок приводу, а і за рахунок вірного розподілу різальних елементів на робочих органах. Крім того, процес швидкісного навантаження досить легко піддається керуванню.
2. Перерозподіл енергетичного потоку. Робочий орган повинен мати свій двигун, а не одержувати енергію від головного двигуна за рахунок системи різних передач з дуже низьким ККД.
3. Формування перед робочим органам ослаблених зон, які створюються за рахунок накопичення
втомлюючих деформацій при багатоциклічних навантаженнях.
4. Руйнування ґрунту способом відривання для забезпечення зменшення енергоємності процесу.
5. Зменшення енергоємності руйнування ґрунту за рахунок вирізання елементу масиву без його повного руйнування.
6. Поєднання в одному робочому органі функцій руйнування ґрунту і його транспортування.
Аналіз публікацій
Із аналізу досліджень і публікацій [1,2,3] випливає, що зменшення енергоємності розробки ґрунтів можна досягти за рахунок інтенсифікації прикладання навантаження на робоче середовище робочими органами безперервної дії. Динамічні ґрунторуйнівні машини мають значно меншу масу і габарити, досягають значно більшої продуктивності при менших енерговитратах у порівнянні з існуючими машинами.
Однією з відомих конструкцій, яку розроблено у КНУБА, є конструкція робочого органа роторного типу [4], який базується на останньому з перелічених принципів. Використання цього принципу дає змогу значно спростити як конструкцію самого робочого органа, так і конструкцію приводу, що дозволяє зменшити металоємкість робочого органа та створити умови використання в якості базової машини трактора нижчого тягового класу. Ще однією особливістю є можливість повороту робочого органа на деякий кут по відношенню до поздовжньої осі базової машини. Це надає можливість створювати траншеї різної ширини.
Заслуговує уваги конструкція робочого органа кільцевого типу [5]. Він також поєднує в собі одночасно функції руйнування ґрунту та його транспортування, але позбавлений можливості повороту у вертикальній площині для регулювання ширини траншеї. Особливістю робочого органа кільцевого типу є те, що в ньому використовується ще один з перелічених вище принципів, а саме принцип зменшення енергоємності руйнування ґрунту за рахунок вирізання елементів масиву без його повного руйнування. Завдяки розташуванню різальних елементів по концентричним колам та на боковій поверхні робочого органа руйнування частини масиву відбувається безпосередньо різальними елементами, а інша частина руйнується завдяки напругам, які утворюються від накладання хвиль деформації, що виникають при зануренні зуб’ їв в масив з високою швидкістю.
Робочий орган дискового типу [6], крім переваг, які має робочий орган кільцевого типу, має ще
одну перевагу, яка полягає в можливості розміщувати робочий орган у вертикальній площині під деяким кутом до поверхні ґрунту. Це формує забій таким чином, що він знаходиться над робочою поверхнею диску. Завдяки цьому відбувається ослаблення масиву за рахунок сил тяжіння ґрунту. Крім того, ґрунт над робочим органом постійно знаходиться під дією хвиль напружень, що створюються внаслідок високої швидкості обертання диску, завдяки чому в масиві формуються втомлюючі деформації. Таким чином руйнування ґрунту відбувається внаслідок різання його різальними елементами, втомлюючих деформацій та обвалення. Крім того, для зміни ширини траншеї передбачена можливість повороту робочого органа в горизонтальній площині. Цей робочий орган має досить просту конструкцію, що забезпечує невелику масу та простоту приводу. Завдяки своїй малогабаритності робочий орган може бути встановлений на трактори більш нижчого тягового класу, ніж аналогічні за продуктивністю робочі органи статичної дії.
Поряд з переліченими перевагами, вищезгадані робочі органи мають недоліки, до яких можна віднести залежність глибини траншеї від діаметра робочого органа, еліпсоподібний профіль траншеї, можливість забивання робочої поверхні твердими включеннями, що знижує ефективність їх роботи.
Мета і постановка задачі
Метою є створення нових робочих органів динамічної дії, енергоємність робочого процесу яких буде меншою і які будуть позбавлені недоліків раніше розроблених конструкцій.
Невирішена раніше частина проблеми полягає у поєднанні позитивних ефектів, в запропонованому робочому органі, що зменшує енергоємність розробки ґрунтів і є актуальним напрямком розвитку цієї галузі господарства.
Робочі органи динамічної дії типу “конусна фреза”
Новий робочий орган позбавлений недоліків перелічених вище розробок та поєднує їх позитивні якості [7]. Це робочий орган типу „конусна фреза” (рис. 1). Конусна фреза забезпечує такі принципи роботи, як вирізання елементу масиву без його повного руйнування (за рахунок розташування різально-метальних елементів по концентричних колах), поєднання в одному робочому органі функцій руйнування та транспортування ґрунту (за рахунок просторової орієнтації різально-метальних елементів) та самообвалення ґрунту (за рахунок конусної форми робочого органа та втомлюючих деформацій, що виникають під дією хвиль напружень від дії на масив підрізної кромки та різально-метальних елементів).
В останній час все частіше застосовують комбіновані методи руйнування ґрунтів, які становлять синтез основних методів, наприклад, термомеханічний, пневмомеханічний, гідромеханічний та інші. Комбіновані методи дозволяють використовувати переваги та компенсувати недоліки окремих методів, тому їх ефективність значно вище, ніж кожного окремо. Виходячи з цього, наступним кроком у розробці динамічних робочих органів типу „конусна фреза” є робочий орган (рис. 2), у конструкції якого передбачено газоімпульсний інтенсифікатор [8].
Рис. 1. Робочий орган типу „конусна фреза”: 1 - базова машина; 2 - рама робочого органа; 3 - привід робочого органа; 4 - конусна фреза; 5 - зачисний кожух; 6 - підрізна кромка; 7 - різально-метальні елементи
При дії навантаження від створеного газом імпульсу в вершинах тріщин та надрізів, створених різально-метальними елементами, виникають граничні напруги. Це призводить до швидкого зростання тріщин та виникнення розклинювального ефекту, що сприяє розпушенню ґрунту та його відриву під дією розтягуючих сил в бік відкритої поверхні масиву. Випускні отвори розташовані по концентричним колам різного діаметру таким чином, щоб у вертикальному перерізі вони знаходились на однаковій відстані від концентричних кіл різально-метальних елементів, а в горизонтальному перерізі лінія випускних отворів випереджала лінію різально-метальних елементів на кут 450. Це приводить до дії навантаження від імпульсу газу в проміжках між дією напруг, створених накладанням хвиль деформації в масиві при взаємодії з ґрунтом різально-метальних елементів. Все це дозволяє підвищити категорійність
ґрунтів, які можуть розроблюватись конусною фрезою та зменшити можливість заклинювання робочого органа при наявності у ґрунті твердих включень.
Кроком вперед у зниженні простоти конструкції конусної фрези є використання газоімпульсного інтенсифікатора спрямованої дії (рис. 3).
Рис. 2. Конусна фреза з газоімпульсним інтенсифікатором: 1 - базова машина; 2 - рама робочого органа; 3 - привід робочого органа; 4 - газоімпульсне обладнання; 5 - конусна фреза; 6 - зачисний кожух; 7 - різально-метальні елементи; 8 - випускні отвори; 9 - лінія випускних отворів
га І — атмосфера
Рис 3. Конусна фреза з газоімпульсним інтенсифікатором спрямованої дії: 1 - рухомий конус; 2 - нерухомий розподілювальний конус; 3 - робочі камери; 4 - з’єднувальні канали; 5 - випускні отвори; 6 - двопози-ційний клапан; 7 - елементи ущільнення; 8 - тіла кочення
Особливістю цього робочого органа є розташування рухомого конуса з випускними отворами над нерухомим розподільним конусом з робочими камерами, які утворюють з поздовжньою віссю базової машини кут 45°, що зумовлює витікання імпульсу газу у напрямку розроблюваної траншеї. Це приводить до дії навантаження від імпульсу газу в проміжках між дією напруг, створених накладанням хвиль деформації в масиві при взаємодії з ґрунтом різально-метальних елементів. Завдяки цьому створюються додаткові динамічні навантаження на ґрунт. Це дозволяє більш ефективно використати енергію стисненого газу та зменшити енергоємність розробки ґрунту.
Рис 4. Конусна фреза з енергозберігаючим газо-імпульсним інтенсифікатором: 1 - нерухомий конус; 2 - внутрішній рухомий конус;
3 - газоімпульсні ґрунторуйнівні пристрої;
4 - порожнина-ресивер; 5 - випускний канал газоімпульсних ґрунторуйнівних пристроїв; 6 - двопозиційний клапан; 7 - елементи ущільнення; 8 - тіла кочення
Ще однією розробкою є конструкція конусної фрези з енергозберігаючим газоімпульсним інтенсифікатором (рис. 4). Конусна фреза складається з нерухомого конуса, який виконано у вигляді зрізаного конуса, розташованого основою більшого діаметра донизу, внутрішнього рухомого конуса та газоімпульсних ґрунторуйнуючих пристроїв, що розташовані у проміжку між ними по концентричним колам різного діаметру.
Зовнішні робочі отвори розташовано на поверхні зовнішнього конусу в напрямку руху базової машини, чим забезпечується дія імпульсу газу в напрямку розроблюваної траншеї. Встановлення зовнішніх робочих отворів у вигляді гвинтової лінії, а також форма зовнішнього конуса, дозволяють використовувати імпульс газу для виносу розробленого ґрунту за межі траншеї.
Особливістю даної конструкції є те, що сумарний час відкривання та закривання робочих отворів заслінками незначний у порівнянні з часом дії імпульсу стисненого газу, тому ґрунт буде знаходитися практично весь час циклу під дією макси-
мального тиску, що дозволяє більш ефективно використовувати енергію імпульсу газу. Виконання зовнішнього конуса робочого органа нерухомим зменшує його тертя по ґрунту, а використання порожнини внутрішнього конусу як ресивера виключає коливання тиску при циклічній роботі газоімпульсних ґрунторуйнівних пристроїв, що в поєднанні знижує енергоємність різання.
Висновки
В цій статті наведено один з напрямків подальшого розвитку динамічних робочих органів. Подальший розвиток вищезгаданих робочих органів можливий як комбінація позитивних якостей та конструктивних елементів попередніх конструкцій робочих органів, або поєднання в одному робочому органі двох чи більше методів розробки ґрунту.
Література
1. Ветров Ю.А., Баладинский В.Л. Машины для
специальних земляных работ. - К.: Вища школа, 1980.
2. Баладінський В.Л., Фомін А.В., Костенюк О.О.,
Тетерятник О.А., Колоша О.В. Аналітичне визначення режимних параметрів робочого процесу торцевого і периферійного різального інструмента // Гірничі, будівельні, дорожні та меліоративні машини. - 2002. - № 60.
3. Фомін А.В., Костенюк О.О., Тетерятник О.А.
Визначення силових і енергетичних параметрів ґрунторуйнуючих робочих органів типу конусна фреза // Гірничі, будівельні, дорожні та меліоративні машини. - 2004. - № 63.
4. А.С. №1362792 СССР, МКИ Е02Б 5/08. Рабо-
чий орган землеройной машины / Баладинский В.Л., Костенюк А.А., Пелевин Л.Е., Фомин А.В. - Опубл. 30.12.1987. Бюл. № 48.
5. А.С. №1446246 СССР, МКИ Е02Б 5/08. Рабо-
чий орган землеройной машины / Пелевин Л.Е., Костенюк А.А., Рыбко А.В., Кудря С.Е., Фурто Г.С., Карпиловский Е.И. -Опубл. 30.12.1989. Бюл. № 47.
6. А.С. №1798442 СССР, МКИ Е02Б 5/08. Рабо-
чий орган землеройной машины / Баладинский В.Л., Гаркакавенко А.Н., Кравиуз С.В., Пелевин Л.Е., - Опубл. 28.02.1993. Бюл. № 8.
6. Патент України № 44563А. Робочий орган зем-
лерийної машини // Фомін А.В., Пелевін Л.Є., Костенюк О.О., Тетерятник О.А., Рашківсь-кий В.П. - Опубл. 15.02.2002. № 2, 2002 р.
7. Патент України № 53381А. Конусна фреза зем-
лерийної машини // Баладінський В.Л., Фомін А.В., Костенюк О.О., Тетерятник О.А., Холоденко А.М. - Опубл. 15.02.2002. № 2, 2003 р.
Рецензент: В.В. Нічке, професор, д.т.н., ХНАДУ. Стаття надійшла до редакції 18 січня 2005 р.
