Разработка горных пород бульдозерным оборудованием при регулировании угла резания Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

------------------------------------- © Д.В. Данилевич, А.В. Паничкин,

B.C. Бочаров, 2005

УДК 622.23.05

Д.В. Данилевич, А.В. Паничкин, B.C. Бочаров РАЗРАБОТКА ГОРНЫХ ПОРОД БУЛЬДОЗЕРНЫМ ОБОРУДОВАНИЕМ ПРИ РЕГУЛИРОВАНИИ УГЛА РЕЗАНИЯ

Семинар № 17

Для уменьшения возникающих сопротивлений при заглублении бульдозерного отвала угол его установки в существующих конструкциях принимают равным 55-60° и при этом угле осуществляют резание пород и грунтов, что приводит к увеличению сопротивления резания. Бульдозерный отвал жестко установлен относительно толкающих брусьев, что не позволяет уменьшать угол резания. Этот недостаток наиболее ощутим в процессе внедрения, когда угол заглубления бульдозерного отвала близок к 90°. Для снижения энергозатрат процесса копания грунтов целесообразно использовать конструкцию бульдозерного оборудования, которая позволяла бы осуществлять заглубление отвала в грунтовый массив с большим углом и в последующем процессе движения бульдозера уменьшать угол резания до наименьшего допустимого значения.

Конструктивным решением данного вопроса является использование шарнирной подвески бульдозерного отвала приведенной на (рис.

1). Ее конструкция позволяет изменять угол резания породы, не применяя дополнительных гидроцилиндров, обеспечивая тем самым неизменность гидрооборудования.

В ходе теоретической проработки, разработана методика расчета оптимальных точек крепления шарнирно закрепленного раскоса на базовой машине и отвале, а также точек крепления толкающего бруса на отвале. Исходя из оп-

тимизации конструктивной возможности совместного крепления выше перечисленных деталей и диаграммы зависимости изменения угла резания от наклона толкающего бруса (рис.

2) построенной по ниже приведенной зависимости, возможно, приблизить угол заглубления отвала к 90°, а угол резания к 0°.

Расчет угла резания производится по нижеследующей формуле:

а= 180" ~ 12 • ЯП^2 + - 142 + 12 + 11 - 211 12 С°5У2 1 (1)

[- 12С(КГ2 +11 21, -д/^ +12 - 211 12 оо*у2 )

где - расстояние от точки крепления толкающего бруса на базовой машине, до точки крепления раскоса на базовой машине; 12 -длина толкающего бруса; 13 - расстояние между точками крепления раскоса и толкающего бруса на отвале; 14 - длина раскоса

В свою очередь точность расчетов сопротивления породы резанию определяется из учета реальных процессов происходящих при резании. Таковыми представляются поверхности скольжения, собственный вес породы, ограниченного этой поверхностью и распределенная нагрузка на поверхности породы.

Определение напряжений, возникающих на поверхности инструмента при работе в среде, базируется на основании теории предельного равновесия сыпучей среды. При нарушении равновесия сопротивление сдвигу для связной среды описывается условием Кулона.

Рис. 1. Схема шарнирной подвески бульдозерного отвала: 1 - толкающий брус, 2 - раскос, 3 - отвал, 4 - базовая

Рис. 2. Диаграмма зависимости угла резания от угла наклона толкающего бруса

Под воздействием рабочего органа сдвиг по поверхностям скольжения осуществляется при определенной скорости, что требует создания в массиве более высоких напряжений. Тогда:

= °„ 1ЕР + С + Ко2 Р2,

(2)

где Л02 - коэффициент влияния скорости

сдвига на сцепление; р2 - сцепление разрабатываемой породы.

Рассмотрим активное взаимодействие со сдвигом при поступательном движении рабочего органа и угле наклона

2

где ф - угол внутреннего трения породы, т. е. Когда уплотненное ядро отсутствует (рис. 3). Сопротивление перемещению рабочего органа может быть определено рассмотрением условия равновесия призмы породы, ограниченной поверхностями скольжения.

Усилие, действующее на поверхность рабочего органа, имеет нормальную составляющую N1 и касательную:

^ + Ки&РР1 51 , (3)

где Б1 - площадь поверхности рабочего органа; р - угол внешнего трения породы по стали.

На поверхности скольжения нормальная составляющая N и касательная:

Ар

N2 = N2tgф+к2^яфр2 Б2 —52, (4)

а

где - площадь поверхности скольжения.

Математическая модель активного взаимодействия со сдвигом для рассматриваемого случая с учетом свойств породы и скорости сдвига по поверхностям скольжения может быть получена решением системы уравнений подвижного равновесия:

^ X = N; эш а + (N+ Ку11%рр18\) соэ а -

Же

- N2 эш у/ - (К2+ Ку2(яфр252 + г/— 52) х

ж

: соэ у = 0;

(5)

^ У = N1 соэ а - (Nх1%р + Ку11ярр1Б1) эт а + Же

+ N2 соэ у - (N+ Ку2Ьяфр252 + 2) х

х эт ^ - О - 3 - р 254 = 0,

где N1 - сила нормального давления на лобовую поверхность рабочего органа; N2 - нормальная сила, действующая на поверхности скольжения породы; а - угол наклона (резанья) рабочего органа; р - угол внешнего трения породы по стали; у - угол наклона касательной к кривой скольжения; ф - угол внутреннего тре-

К„1 И К,.., - коэффициенты

ния породы;

"И “ “г2 влияния скорости на показатели адгезионной прочности и сцепления; р1 - адгезионная

прочность; р2 - сцепление; ^ - коэффициент

вязкости; <Же_ - скорость деформирования; О -Ж

сила тяжести породы, ограниченного плоскостями скольжения; q - распределенная нагрузка; 51 и 52 - площади плоскостей скольжения; 53 и 54 - площадь действия распределенной

нагрузки и давления связности.

При глубине резания к, ширине рабочего органа Ь и плотности породы у сила тяжести материала О, ограниченного плоскостями скольжения, О = ЬуРоАВ, где РоАВ

Рис. 3. Модель активного взаимодействия со сдвигом без уплотненного ядра

- площадь фигуры OAB. Площадь массива, ограниченная поверхностями скольжения, определяется выражением:

F = -2

2|72 {e)de. (6)

Для рассматриваемого случая:

1 [f2 (@)d0. (7)

Г = -2

где в - полярный угол между углом резания и поверхностью массива.

Тогда сила тяжести породы, ограниченного плоскостями скольжения:

G = Yff2 №о.

(8)

Площадь поверхности скольжения по поверхности рабочего органа:

S, (9)

sin а

Площадь криволинейной поверхности скольжения S2 в массиве породы зависит от длинны участка, кривой, которая в общем виде определяется выражением:

” (10)

Iab = У f2 И+(/ W do,

где / - уравнение кривой скольжения; / - ее

Ж/

первая производная, равная ■> .

же

Тогда площадь скольжения:

52 = Ь • 1АВ . (11)

Площадь Б3 действия распределенной нагрузки д определяется длинной участка ОВ при в=а :

53 = Ь ■!об . (12)

Площадь Б4 действия давления связности (сцепление р2 породы на поверхности скольжения) определяется длинной участка ДВ, который является разностью участка ОВ и проек-

циеи поверхности скольжения на поверхность массива:

S4 = b ■1ДБ . (13)

Горизонтальную P01 и вертикальную Р02 составляющие сопротивления движения рабочего органа определим как сумму проекций сил N1 и N1tgp+Ku1p1S1tgp на соответствующее направление:

.. sin(a + р)

Poi = N i------------+ Pi Sitgpcosa;

cosp (14)

.. cos(a + o')

P02 = N i-------------Kw PiSitgpsina.

cos p

Представляет интерес вид линии скольжения, соединяющей точки А и В. Задача теперь заключается в определении семейства кривых описывающих линии скольжения для различных видов грунтов. "Поверхности

скольжения, по которым происходит отделение элемента материала от массива, в каждом случае имеет форму, соответствующую направлению движения с наименьшим сопротивлением" [1]. Экспериментально установлено, что при резании несвязных грунтов отделение элемента стружки от массива происходит в тот момент, когда грунт уже не может накапливать потенциальную энергию и происходит его перемещение по плоской поверхности (см. рис.

3). При разработке высокопластичных материалов [1] (битумосодержащих пород, состоящих из мелкозернистых песков, поры которых заполнены природным битумом) в процессе воздействия режущего элемента происходит пластическое деформирование срезаемой стружки, которая отделяется от массива, по поверхности, описываемой логарифмической спиралью (см. рис. 3). При резании грунтов с другими показателями физи-ко-механичес-ких свойств поверхности скольжения стружки будут занимать промежуточные значения.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Дорожно-строительные машины и комплек-

сы: Учебник для вузов по дисциплине "Дорожные машины" для специальностей 170900, 230100,150600/ В.И. Баловнев и др. - Москва-Омск: Изд-во СибАДИ, 2001. -528 с.: ил. 209.

2. Бочаров B.C. Взаимодействие рабочих орга-

нов машин с битумосодержащими породами. - М.: Транспорт, 1992. - 296с.

— Коротко об авторах —

Данилевич Д.В., Паничкин А.В., Бочаров B.C.