Повышение эффективности бульдозенрного оборудования путем снабжения отвала шнековым интенсификатором Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Вюник ПДАБА До 80 - ргччя Придитровськог державног академП будгвництва та архитектуры УДК 621.872:69.0025

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ БУЛЬДОЗЕРНОГО ОБОРУДОВАНИЯ ПУТЕМ СНАБЖЕНИЯ ОТВАЛА ВИНТОШНЕКОВЫМ ИНТЕНСИФИКАТОРОМ

Л. А. Хмара, д. т. н., проф., Р. Н. Кролъ, ассист.

Ключевые слова: винтошнековый интенсификатор, докритический режим работы, закритический режим работы, абсолютная скорость, бульдозер.

Проблема. Бульдозер имеет преимущества при засыпании траншей - универсальность, маневренность, простоту конструкции. Но применение этих машин на засыпании траншей имеет важные недостатки: работа проводится циклическими, челночными движениями машины (рис. 1), что определяет увеличение полосы отчуждения, увеличение затрат времени, работы и топлива в сравнении с непрерывным способом засыпания; работа бульдозериста утомляющая; машина воспринимает большие нагрузки на ходовую часть и трансмиссию, что сокращает срок их службы в связи с быстрым износом. Также снижается качество засыпания: неравномерная подача грунта в траншею большими массами может привести к сдвигу труб относительно друг друга, к повреждению изоляции труб и образованию пустот, что способствует оседанию и вымыванию грунта.

И/ I

111 1 ] 1 1 11 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

1 1 1 1 1 ,!. 1 1 1 1 ( 1 1 1 1 1 1 1

Рис. 1. Схема засыпки траншей бульдозером параллельными проходами: I - перпендикулярными; II- косыми

Машины, оборудованные шнековыми рабочими органами отличаются многообразием конструкции и широтой области использования [1 - 5]. Бульдозер с винтошнековым интенсификатором (рис. 2) может быть использован для послойной разработки грунта при работе в качестве путепроходчика и для обратной засыпки траншей. Главный фактор, который определяет высокую производительность этой машины, - непрерывность рабочего процесса, который включает резание, экскавацию грунта из забоя и его транспортирование.

Перемещаясь вдоль траншеи, он перемещает в нее грунт, который не падает на трубопровод, а скатывается по нему. Такой способ разрешает проводить засыпку траншеи в условиях ограниченной полосы отчуждения, обеспечивая высокое качество засыпки (снижается вероятность повреждения трубопровода и полное заполнение пустот между трубопроводом, дном и стенками траншеи).

Физическая картина рабочего процесса винтошнекового интенсификатора на рабочем оборудовании бульдозера имеет существенные отличия по сравнению со шнековыми конвейерами. Это обусловлено тем, что горизонтально расположенный винтошнековый интенсификатор не имеет кожуха, с одной стороны он ограничен лобовой поверхностью отвала, а с другой является свободным (ничем не ограниченным).

Цель статьи. Выяснение физической картины рабочего процесса винтошнекового интенсификатора и установление на этой основе методики выбора и определения рациональных параметров бульдозера с винтошнековым рабочим оборудованием, обеспечивающим получение улучшенных технико-экономических показателей рабочего процесса.

12 3 4

4 2 13

Рис. 2. Общий вид бульдозера, оборудованного винтошнековым интенсификатором: а - вид сбоку; б - вид спереди; 1 - винтошнековый интенсификатор; 2 - бульдозерное оборудование; 3 - привод винтошнекового интенсификатора

Экспериментальное и теоретическое исследование рабочего процесса. Опыты были проведены для двух типов разрабатываемой среды - абсолютно сыпучей и со сцеплением при относительной влажности 12...16 % и количества ударов плотномера ДорНИИ 4 удара для последнего.

Проведенные опыты указали на следующие особенности протекания рабочего процесса:

1. Большое значение имеет направление вращения винтошнекового интенсификатора (рис. 3, а, б), поскольку необходимо, чтобы захваченный винтовой поверхностью грунт сразу попадал в пространство между лобовой поверхностью отвала и винтовой поверхностью винтошнекового интенсификатора, а не откидывался вперед нижней частью винтошнекового интенсификатора, образовывая призму, которая будет постоянно возрастать.

Как видно из фотограмм (рис. 3, а, б), в начале процесса копания и на протяжении всего процесса срезанный ножом грунт и грунт, который транспортируется, интенсивно откидывается винтовой поверхностью интенсификатора вперед относительно направления движения, снова захватывается и снова откидывается вперед. Наблюдается незначительная способность транспортирования грунта в осевом направлении, транспортирование грунта в сторону осуществляется за счет бокового смещения во время бросания грунта вперед винтошнековым интенсификатором.

2. Зазор между периферией винтовой поверхности интенсификатора и лобовой поверхностью отвала должен быть минимальным. Необходимо, чтобы срезанный ножом грунт сразу и в полной мере захватывался винтовой поверхностью. Наличие зазора между упоминавшимися элементами приводит к нерациональной затрате энергии на преодоление сил трения при подъеме грунта по лобовой поверхности отвала, при разработке грунта со сцеплением (рис. 3, в, г) и образование зон зависания грунта при разработке сыпучей среды.

Возникает необходимость для инженерного расчета математически описать местоположение винтошнекового интенсификатора относительно лобовой поверхности отвала и ножевой системы.

3. Процесс транспортирования грунта винтошнекового интенсификатора на рабочем оборудовании бульдозера имеет особенность - к грунту, который транспортируется в каждом витке, беспрерывно добавляется грунт, который срезается ножом отвала бульдозера. Итак, каждый соседний виток передает следующему транспортируемый им объем грунта, к которому прибавляется объем грунта, который вырезается ножом отвала бульдозера.

4. В значительной мере физическая картина рабочего процесса также зависит от режима работы винтошнекового интенсификатора, что определяется его частотой обращения. Каждому из режимов отвечает своя физическая картина процесса, разный характер движения материала (рис. 3, д, е).

Для инженерного расчета при проектировании кронштейнов крепления винтошнекового интенсификатора к отвалу необходимо знать численное значение координат установки центра

винтошнекового интенсификатора в зависимости от геометрических параметров последнего и отвала бульдозера, угла резания грунта и глубины копания.___

д е

Рис. 3. Фотограммы процесса копания грунта винтошнековым интенсификатором:

а, б - левосторонняя навивка (вращение от отвала); в, г - зазор между лобовой поверхностью отвала и винтовой линией интенсификатора; д - докритический режим работы; е - закритический режим работы

Параметры профиля отвала задаются углом резания ар, глубиной копания грунта Ик, высотой Нотв и радиусом Яотв кривизны отвала. Отвал имеет постоянный радиус кривизны, который выбирается в диапазоне Яотв = (0,8...0,9)Нотв [6].

При известной высоте отвала Нотв и глубине копания грунта Ик профиль отвала строится при условии, что угловые параметры связаны зависимостью:

б

а

в

г

24х + Ро = 1800,

где g - угол наклона криволинейной части отвала; Ро - угол опрокидывания.

За начало отсчета выбираем режущую кромку ножевой системы (точка Он), в которой располагаем координатные оси XY (рис. 4).

Согласно расчетной схеме (рис. 4) вертикальная координата по оси Y центра винтошнекового интенсификатора равна: Уви = Reu + hK.

Рассмотрев А ОнОотвВ, имеем: О* = ;

н

smap

г . К g = arctg--

Rome ' sinap '

R

о О = отв

соз^

Учитывая, что точка О1 прикосновения периферии винтовой линии винтошнекового интенсификатора с отвальной поверхностью и центры отвальной поверхности Оотв и шнекового интенсификатора Ошн лежат на одной прямой, имеем: О О = Я — я

отв ви

С А ОотвОшнО2 определяем

ОотвО2 = В-оте ' cosap — Ru ; Р Вотв ' C0Sap — Вви

Р = arccos-

R — R

отв ви

Угол у равен

у = Р — а,р.

С А ОотвОшнОн по теореме косинусов определяем:

ОшнОн

V ОотвОшн + ОотвОН — 2 • ОотвОшн ' ОотвОн ' с™( %+У) .

Горизонтальную координату точки установления винтошнекового интенсификатора находим с прямоугольного А Ош^Он

2

*ви = Ошнв =л1 ОшнО2 — (Яви — К / .

Мощность, потребляемую винтошневовым интенсификатором, находим из уравнения баланса мощностей:

Nобщ = N1 + N2 + N3 + N4 + N5 ,

где N = Побщ • §•ур • Н - мощность, затрачиваемая на подъем грунта; N2 = 2 • Побщ • § ур • Б • 1§р - мощность, затрачиваемая на преодоление сил трения грунта по

грунту;

60 3 2

N3 = 2 • Побщ---ур •щ • Яи • - мощность, затрачиваемая на преодоление сил трения грунта по

п

стали;

N4 = Побщ •ур • Щ • Я^ - мощность, затрачиваемая на разгон грунта в окружном направлении; N = 36О0 • Побщ ур • Б2 • п2 - мощность, затрачиваемая на разгон грунта в осевом направлении; Побщ - поток грунта, который проходит через шнековый интенсификатор, м3/с; ур - объемная масса разрыхленного грунта, кг/м3;

§ - ускорение свободного падения, м/с2;

п - частота вращения шнекового интенсификатора, мин-1;

Щ - угловая скорость, рад.с-1;

Яви - радиус шнекового интенсификатора, м.

Рис. 4. Расчетная схема к определению координат центра установки шнекового интенсификатора относительно лобовой поверхности отвала

Поток грунта, который проходит через шнековый интенсификатор:

1 к'вит

Пзаг = ^ П ' П1вит , г=1

где П1вит = Нк ■ £ -Зк ■ Кр - поток грунта, который приходится на один виток шнекового интенсификатора, м3/с;

квит = —— количество витков;

оИш

Ьк - глубина копания грунта, м;

0к - скорость копания грунта, м/с;

Кр - коэффициент разрыхления грунта;

Ьви - длина шнекового интенсификатора, м.

Для исследования рабочего процесса копания грунтов отвалом бульдозера с шнековым интенсификатором на физических моделях был использован стенд для физического моделирования рабочих процессов землеройно-транспортных машин кафедры СДМ ПГАСА.

В качестве образца для изготовления модели отвала бульдозера принят бульдозер ДЗ - 171.1 (базовый трактор Т - 130). Физическая модель выполнена в масштабе КI = 10.

Экспериментальные данные о нагрузках, действующих на физическую модель отвала бульдозера со шнековым интенсификатором, были получены методом электротензометрирования. Обработка осциллограмм осуществлялась планиметрированием участков, соответствующих установившемуся рабочему процессу, при помощи тарировочного графика. Для измерения крутящего момента на вале шнекового интенсификатора был

использован торсиометр, для снятия и представления сигнала при вращательном движении от тензодатчиков к измерительной аппаратуре - токосъёмник.

Во время проведения многофакторных экспериментальных исследований производилась запись действующего усилия копания, крутящего момента на вале шнекового интенсификатора, частоты вращения последнего и производилось измерение массы призмы волочения.

Экспериментальные данные были обработаны на ЭВМ и получены уравнения регрессии:

- для среднего значения крутящего момента:

Мср = 0,076 - 0,01951 •п + 55,12 • & + 0,228 • С + 24,7 • 5 -0,000873 -п-С + 284 •&• Б +

+ 0,00006 -п2 -310-&2 - 600-Б2;

- для среднего значения усилия копания:

Рср = 207,67 -2,03-п + 2582 •& + 20,319 •С -3737 -Б-0,0245 •п-С + 5,63 •п-Б + 0,00496 -п2 -

ср

-9525 -&2 - 0,7525 •С2 +19400 -Б2;

- для массы призмы волочения:

Опр = 8,032- 0,04624- п-13,09 • &+0,0215 • С - 93,03-Б + 0,043 • п-&+0,074• п-Б-1,375 • &• С +

+113,33-&• Б+1,3-С-Б+0,0001• п2 +167,5-&2 + 0,01025- С2 + 515,56 • Б2; где п - частота вращения шнекового интенсификатора; & - скорость рабочего процесса;

С - плотность грунта, которая оценивается количеством ударов плотномера ДорНИИ; Б - шаг навивки винтошнекового интенсификатора.

Расчетная схема отвала бульдозера с винтошнековым интенсификатором для выбора и определения рациональных параметров представлена на рисунке 5.

Производительность бульдозерного отвала при копании грунта: П0тв = В • И •&б'Кр , где В - ширина отвала бульдозера, м; И - глубина копания грунта, м;

&б - скорость передвижения базовой машины (скорость копания грунта), м/с; Кр - коэффициент разрыхления грунта. Производительность винтошнекового интенсификатора:

ПШн = 3600-*^ -ав> • Б• пШн -у,

где Ови - наружный диаметр витков шнека, м; dв - диаметр вала шнека, м;

Б - шаг навивки шнека, м;

пшн - частота вращения шнека, с-1;

У - коэффициент заполнения межвиткового пространства шнека, у = 0,6...0,8. Учитывая то, что для нормальной работы необходимо соблюдение условия:

П < П

отв шн

и приравняв эти производительности, находим зависимость частоты вращения винтошнекового интенсификатора от его геометрических параметров и скорости движения базовой машины

Вотв - И - &б - КР

"шн--т-т--

900•*-(П2и -d2)-Б• у

Сравнительная характеристика экспериментальных данных и теоретических зависимостей для определения потребляемой мощности представлена в виде графика (рис. 6) зависимости крутящего момента от частоты вращения винтошнекового интенсификатора (рис. 7, 8).

Рис. 5. Расчетная схема отвала бульдозера с винтошнековым интенсификатором для выбора и определения рациональных параметров

В результате проведенных исследований выполнена сравнительная оценка эффективности бульдозеров различного конструктивного исполнения, применяемых для засыпки грунтом траншей. Произведена оценка двух типов бульдозеров:

- бульдозер ДЗ - 28 с косоустановленным отвалом, выполненный на базе трактора Т-130 Г;

- бульдозер ДЗ - 171.1 с винтошнековым интенсификатором на базе трактора Т - 130.

Выводы. Бульдозерный отвал, снабженный винтошнековым интенсификатором, имеет улучшенные технико-экономические показатели (табл. 1):

- повышение производительности П при обратной засыпке траншей составляет 50,1 %;

N

О ..

- снижение материалоемкости — и энергоемкости п" составляет соответ 30,15 %.

ю 29,7 % и

4,5 4 3,5

, 3 £ 2,5

& 2

* 1,5

1

0,5 0

25 50 75 100 125 150 175 200 225 250 275 300 325

П, мин.

Рис. 6. График зависимости крутящего момента М на валу винтошнекового

ср

интенсификатора от частоты вращения п :

-- экспериментальная кривая;

------- теоретическая кривая

160 п

140 120 100 80 60 40 20 0

Песок Супесь Суглинок Глина

0,03

0,035

0,04

0,045

0,05

R, м

Рис. 7. Зависимость критической частоты винтошнекового интенсификатора от радиуса

последнего и разрабатываемой среды

Оценка эффективности применяемых бульдозеров произведена по системе показателей [5], а результаты представлены в таблице 1.

Ут, м/с

Рис. 8. Зависимость абсолютной скорости частицы грунта от скорости базового трактора

Т а б л и ц а 1

Результаты оценки эффективности бульдозеров, применяемых для засыпки грунтом траншей

№ п/п Наименование показателя Формула Значение Значение показателей

Бульдозер ДЗ-28 с косо-установленным отвалом Бульдозер ДЗ-171.1 с неповоротным отвалом, снабженным винтошнековым интенсификатором

1 Масса машины G кг 16 550 17 470

2 Мощность машины N кВт 118 143,55

Продолжение таб. 1

3 Производительность П м3/ч 154,3 231,6

4 Материалоемкость G П кг ■ ч м3 107,26 75,432

5 Энергоемкость N П кВт ■ ч 3 м 0,765 0,62

6 Число рабочих, обслуживающих бульдозер п р чел 3 3

7 Показатель использования людских ресурсов п р П чел ■ ч 3 м 0,01944 0,01727

8 Обобщенный показатель материалоемкости и энергоемкости О ■ N П 2 кг ■ кВт (м3 /ч)2 82,025 46,754

9 Обобщенный показатель материалоемкости, энергоемкости и людских ресурсов О ■ N ■ п р кг ■ кВт ■ чел 1,595 0,8075

П3 (м3 / ч)3

Т а б л и ц а 2

Рациональные параметры винтошнековых интенсификаторов на рабочем оборудовании

бульдозера

№ п/п Параметр Обозначение Размерность Значение

1 2 3 4 5

1 Высота отвала бульдозера Н отв мм Ноте = 500 ■ ^ - 5 ■ Тн

2 Ширина отвала бульдозера в отв мм Вотв = (1,2... 1,4) ■

3 Радиус кривизны отвала бульдозера Я отв мм Яотв = (°Д.Д9 ) ■н отв

4 Длина винтошнекового интенсификатора ^ви мм ^ви = ( 0,95..^,) ■ Вотв

5 Шаг винтошнекового интенсификатора Б мм Б = (0,8...0,9) ■ Бви

6 Диаметр винтошнекового интенсификатора ^и мм Бви = (0,8... 0,9; ■ Нотв

7 Угол наклона винтовой линии а град. а = 20...250

8 Частота вращения винтошнекового интенсификатора п мин.-1 п = 175...225

9 Скорость передвижения бульдозера 3 км/ч 3 = 1,44.2,16

10 Горизонтальная координата установки центра винтошнекового интенсификатора относительно режущей кромки ножа (см. рис. 3) х ви мм хви = = VОшн°н - - (Пви - К )2

11 Вертикальная координата установки центра винтошнекового интенсификатора относительно режущей кромки ножа (см. рис. 4) Уви мм у = Я + К У ви ви к

12 Угол резания грунта ар град. ар =55

13 Угол наклона отвала е град. е = 75

14 Угол опрокидывания Д0 град. Д0 = 70...75

На основании выполненных теоретических и экспериментальных исследований представлена методика выбора и определения рациональных параметров бульдозера с винтошнековым интенсификатором (табл. 2) [6].

ИСПОЛЬЗОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Дорожные машины. Ч.1. Машины для земляных работ / Алексеева Т. В., Артемьев К. А., Бромберг А. А. и др. М.: Машиностроение, 1972. - 504 с.

2. Баловнев В. И., Хмара Л. А. Интенсификация разработки грунтов в дорожном строительстве. М.: Транспорт. 1993. - 383 с.

3. Баловнев В. И., Хмара Л. А. Повышение производительности машин для земляных работ. К.: Будiвельник. 1988. - 152 с.

4. Справочник конструктора дорожных машин / Под ред. И. П. Бородачева. - М.: Машиностроение, 1973. - 500 с.

5. Григорьев А. М. Винтовые конвейеры. М.: Машиностроение, 1972. - 184 с.

6. Козьмин П. С. Машины непрерывного транспорта. Л.: Машгиз, 1976. - 270 с.

7. Конвейеры. Справочник под общей ред. Пертена Ю. А. Л.: Машиностроение, 1984. -351 с.

8. Спиваковский А. О., Дьячков В. К. Транспортирующие машины. 3-е изд. - М.: Машиностроение, 1983. - 487 с.

9. Хмара Л. А., Кроль Р. М. Визначення критично! частоти обертання шнекового штенсифшатора першого роду // Сб. науч. тр. Строительство. Материаловедение. Машиностроение. Серия: Подъемно-транспортные, строительные и дорожные машины и оборудование. Выпуск 33, 2005. - С. 70 - 77.

10. Хмара Л. А., Кроль Р. Н. Теоретическое исследование режимов работы шнекового интенсификатора // Интерстроймех-2005: Труды междунар. науч.-техн. конф. Ч. 1. - Тюмень : ТюмГНГУ, 2005. - С. 262 - 266.

11. Хмара Л. А., Кроль Р. М. Визначення геометричних залежностей шнекового штенсифшатора на робочому обладнанш бульдозера // Вюник Придшпровсько! державно! академн будiвництва та архгтектури. - Дшпропетровськ: ПДАБтаА, 2006, №12. - С. 37 - 45.

12. Хмара Л.А., Кроль Р.М. Призначення режимiв роботи шнекового штенсифшатора / Строительство, материаловедение, машиностроение: Сб. научн. трудов / ПГАСА. -Днепропетровск. - 2003. - Вып. 22, ч. 2. - С. 230 - 232.

13. Хмара Л. А., Кроль Р. М. Теоретичне дослщження закономiрностi руху частки грунту по гвинтовш поверхш шнекового штенсифшатора // Зб. наук. пр. Вюник нац. ун. водного господарства та природокористування. Вип. 2 (34). Ч. 2, 2006. - С. 175 - 181.