CC BY
68
УДК 621.878
Геллер Юрий Александрович
Yury Geller
СОЗДАНИЕ КЛАССА МАШИН, РАБОТАЮЩИХ ПО ПРИНЦИПУ «ЗАМЫКАНИЯ» ДИНАМИЧЕСКИХ НАГРУЗОК НА РАБОЧЕМ ОБОРУДОВАНИИ
THE CREATION OF THE CLASS OF THE MACHINES WORKING BY THE PRINCIPLE OF " CONCENTRATION" OF DYNAMIC LOADS ON THE WORKING EQUIPMENT
Проведен энергетический анализ взаимодействия рыхлительного оборудования с грунтовым массивом. Предложена классификация рыхлителей по принципу «замыкания» динамических нагрузок на рыхлительном оборудовании.
Представлены конструктивные схемы и реальные конструкции рыхлителей, выполненные на уровне изобретений, принцип работы которых основан на замыкании динамических нагрузок в рыхлительном оборудовании.
Приведено краткое описание работы машин для специальных земляных работ с пояснением принципа снижения динамических нагрузок, передаваемых на базовую машину
The article deals with the energy-dispersive analysis of interaction of rippers with terrestrial surface. Classification of rippers by the principle of "concentration" of dynamic loads on ripper equipment is given.
Construction schemes and real constructions of invented rippers, operating principle of which is based upon concentration of dynamic loads on ripper equipment, are presented.
Performance of equipment for special ground operations is described briefly, specifying principle of reduction of dynamic load on the base machine
Ключевые слова: рыхлительное оборудование, базо- Key words: rippers, base machine, solid ground, concentra-
вая машина, прочный грунт, замыкание динамических tion of dynamic loads, power consumption of the process,
нагрузок, энергоемкость процесса, аккумулирование, accumulation, combined influence, explosion, impact, vibra-
комбинированное воздействие, взрыв, удар, вибрация, tion, internal friction angle, tangents of loading
угол внутреннего трения, касательные нагрузки
Анализ возможных путей повышения производительности процесса при разработке горных пород, прочного и мерзлого грунта показал, что наиболее приемлемым способом в этих условиях является увеличение рабочих скоростей процесса. Появление базовых машин большой единичной мощности способствует повышению рабочих скоростей
при разрушении горных пород и грунта. Вместе с тем, значительное возрастание динамических нагрузок [1, 2] требует детального изучения картины распределения энергии в механической системе «базовая машина - рабочее оборудование - грунт».
С одной стороны, энергия, выделяемая в результате горения топлива, преобразуется в
движение коленчатого вала двигателя и в виде постоянной механической характеристики (усилия или момента), соответствующей режиму работы двигателя, через кинематическую цепь передается на рабочий орган рыхлителя и далее - грунту. При этом значительная часть энергии (20...25 %) [3] не доходит до рабочего органа, а в виде внутренних потерь, обусловленных относительным движением звеньев кинематической цепи механической системы, и потерь, связанных со свободным движением базовой машины, рассеивается в системе. С другой - силы сопротивления мерзлого грунта разрушению, при взаимодействии рабочего органа с грунтовым массивом, оказывают реакцию на механическую систему, изменяющуюся по "пилообразному закону" [4].
Таким образом, экономически обоснованному равномерному режиму работы двигателя базовой машины [5,6] противодействует реактивная сила сопротивления грунта разрушению, носящая ярко выраженный "пилообразный" характер [2, 4]. В связи с этим возможны два способа эффективной эксплуатации рыхлителей при разработке мерзлого грунта:
1) со сниженной скоростью движения базовой машины, обеспечивающей минимальные энергозатраты. Это требует "вписывание" режима работы двигателя в "пилообразную" характеристику изменения внешних нагрузок;
2) со скоростью, обеспечивающей экономически целесообразную производительность. При этом для повышения эффективности работы механической системы необходимо "сглаживание" внешней "пилообразной" характеристики, поступающей на элементы базовой машины, т.е. требуется приблизить силовой сигнал, поступающий на базовую машину к сигналу, вырабатываемому ей.
Эксплуатация рыхлителя по первому способу практически нецелесообразна по следующим причинам:
- во-первых, резко падает производительность процесса;
- во-вторых, усложняется работа опера-
тора из-за интенсивного управления параметрами машины с целю "вписывания" режима работы машины в характеристику изменения внешних нагрузок;
- в-третьих, возникает дискомфорт работы оператора из-за появления низкочастотных колебаний, отрицательно действующих на организм человека [2, 7];
- в-четвертых, малая скорость движения базовой машины (рабочего органа) способствует развитию пластических деформаций в грунте, что требует дополнительных затрат энергии [1].
При эксплуатации рыхлителя по второму способу возможны следующие варианты:
а) работа на экономически целесообразной скорости без изменения закона движения рабочего органа относительно базовой машины (рыхлитель с жесткой связью рабочего органа);
б) с изменением закона движения рабочего органа благодаря введению в кинематическую цепь упругой связи;
в) с изменением закона движения рабочего органа относительно базовой машины путем активизации его движения внешним источником энергии (рыхлитель с активным приводом рабочего органа).
Увеличение скорости движения рабочего органа (варианта) обуславливает формирование динамических нагрузок на нем и, в силу жесткой связи с базовой машиной, передает их последней почти без искажений.
Механизм передачи усилий колебательного характера протекает по следующей схеме.
Двигатель базовой машины, принимая сигнал в виде реакции сопротивления грунта разрушению, развивает (через оператора) требуемую мощность на его преодоление. Наибольшее возрастание мощности двигателя будет определяться максимальным усилием на рабочем органе, в результате которого произойдет нарушение предельного равновесия в грунтовом массиве. При этом звенья кинематической цепи, передающей усилие на
рабочий орган, предельно сжимаются в силу упругих свойств и забирают на себя часть энергии.
После скола элемента грунтовой стружки происходит резкое падение усилия сопротивления грунта разрушению. Звенья кинематической цепи, до этого предельно сжатые, начинают интенсивно восстанавливаться, перемещаясь относительно друг друга, вплоть до образования зазоров между ними. Это влечет к интенсивному поглощению энергии (как и при сжатии), обусловленному относительным трением, вязким сопротивлением, гистерезисны-ми потерями [2, 5].
В результате резкого падения нагрузки часть звеньев (например, рабочий орган, элементы навески) будет двигаться вперед по ходу движения базовой машины, а часть (например, элементы трансмиссии), в силу возникших реактивных сил - в обратном направлении, соответствующем относительному движению каждого из звеньев. Одновременно с этим из-за продолжающегося интенсивного горения топлива на относительное движение звеньев накладывается ускоренное движение механической системы в целом.
Возрастающая нагрузка, действующая на рабочий орган, приводит к очередному замыканию кинематической цепи, что влечет за собой появление динамических нагрузок в механической системе, потери энергии на вредные сопротивления.
Таким образом, всякая попытка изменения закона нагрузки на несущих элементах базовой машины (привалочная плита и т.п.) в силу жесткого соединения с рабочим органом не приводит к желаемому результату. При этом динамические нагрузки на элементах базовой машины с увеличением скорости процесса возрастают, появляются заметные поте-
ри, вызванные вредными силами сопротивления, повышается расход топлива, связанный с ускоренным движением базовой машины в период резкого падения сил сопротивления.
Изменение закона движения рыхлитель-ного оборудования путем введения упругой (вариант «б») или активной (вариант «в») связи позволяет "экранировать" элементы базовой машины от резко изменяющихся внешних нагрузок, формируемых на рабочем органе. Однако несогласованная частота и амплитуда колебаний рабочего органа с частотой скола и размерами элементов грунтовой стружки (вариант «б»), или реактивные силы, возникающие в период ускоренного движения ударной части рабочего органа (вариант в), серийных и опытных машин не позволяют устранить динамические нагрузки, передаваемые на базовую машину. Это повышает затраты энергии при разработке горных пород, прочного и мерзлого грунта, снижает долговечность машины.
Недостатки механической системы, работающей по варианту "б" и "в", можно свести к минимуму, используя (назовем его) способ "замыкания" динамических нагрузок на рыхлительном оборудовании. Идея работы механических систем по данному способу основана на "концентрировании" динамических нагрузок в зоне рабочего оборудования и направлении их в грунтовый массив. При этом базовая машина разгружается от динамических нагрузок, а освободившаяся энергия направляется в грунт.
Этот принцип лег в основу исследования, проработки способа, конструктивных схем и создания машин данного класса. Классификация рыхлителей, основанная на способе «замыкания» динамических нагрузок в рыхлительном оборудовании [8, 9, 10, 11, 12], представлена на рис.1.
С И Н Т Е З А Н А Л И З
Машины для специальных земляных работ
Р Ы Х Л И Т Е Л И
РЫХЛИТЕЛИ СТАТИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ С НЕПРЕРЫВНЫМ ЦИКЛОМ РАБОТЫ
РЫХЛИТЕЛИ СТАТИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ С ЦИКЛИЧЕСКИМ НАГРУЖЕНИЕМ РЫХЛИ-ТЕЛЬНОГО ОБОРУДОВАНИЯ
РЫХЛИТЕЛИ ДИНАМИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ С НЕПРЕРЫВНЫМ ЦИКЛОМ РАБОТЫ
РЫХЛИТЕЛИ ДИНАМИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ С ЦИКЛИЧЕСКИМ НАГРУЖЕНИЕМ РЫХ-ЛИТЕЛЬНОГО ОБОРУДОВАНИЯ
РЫХЛИТЕЛИ с "зам ыканием" динамических нагрузок на рабочем оборудовании
Рыхлитель с аккумулятором энергии
Рыхлители с комбин иро-ванным рабочим ор ганом
Рыхлители с рабочим органом взрывоимпульсного действия
Рыхлители с пневмо-и гидроударным рабочим органом
Рыхлители с рабочим органом вибрационного действия
Рис. 1. Схема классификации рыхлителей
В рыхлителях с аккумулятором энергии [13, 14, 15, 16, 17] (рис. 2, а; б; в; г; д; е) при сколе грунтовых элементов энергия, накапливаемая в аккумуляторе, передается в виде дополнительной энергии в грунт. При согласовании частоты скола грунтовых элементов с частотой собственных колебаний рабочего органа
а)
снижаются динамические нагрузки, передаваемые на базовую машину, а передача дополнительной энергии от аккумулятора на разрушение грунта будет максимальной. Конструкция аккумулятора энергии может быть пружинной, пневматической или жидкостной (рис. 2, г; д; е).
Рис. 2. Рыхлитель с аккумулятором энергии: а - конструкция рыхлителя; б, в - натурный образец; г - конструкция пружинного аккумулятора энергии; д - конструкция пневматического аккумулятора энергии; е - конструкция гидравлического аккумулятора энергии
да
В конструкции рыхлителя с комбинированным рабочим органом [18] (рис. 3, а, б) реактивные силы, возникающие при воздействии ударного инструмента на грунт, передаются по раме рыхлительного оборудования на фрезы-шнеки. Это, с одной стороны, уменьшает силы
а)
В рыхлителе взрыво-импульсного действия [19] (рис. 4, а; б; в) энергия взрыва в виде выхлопных газов передается по каналам основной и дополнительной рыхлительных стоек с зубьями газодинамического действия. Взрывные потоки направлены под углом внутреннего трения к горизонтальной и вертикальной продольной плоскостям. Такое направление выхлопных газов создает
трения, возникающие при вращении фрезы, с другой - приводит к «замыканию» динамических нагрузок внутри контура рыхлительного оборудования и исключению возможности их передачи на базовую машину и оператора.
минимальное усилие скола грунтовых элементов, а пересечение двух взрывных потоков обеспечивает не только минимальную энергоемкость процесса, но также снижает поперечные и продольные динамические нагрузки, передаваемые на базовую машину. Кроме того, выдвижные клинья снижают отдачу выхлопных газов на базовую машину.
Рис. 3. Рыхлитель с комбинированным рабочим оборудованием: а - конструкция рыхлителя; б - схема воздействия рыхлительного оборудования на грунт
а)
Рис. 4. Рыхлитель взрыво-импульсного действия: а - конструкция рыхлителя; б - схема направления взрывных волн; в - конструкция стойки газодинамического действия с выдвижным клином
При ведении земляных работ рыхлителем вибрационного действия [20, 21] (рис. 5, а; б; в) рыхлительные зубья внедряются в грунт за счет тягового усилия базовой машины. Усилие на режущей части зубьев определяется статической пригрузкой упругого элемента, вызванного тяговым усилием базовой машины. Одновременно с этим, в результате синхронного вращения дебалансов вибровозбудителей, в зону разрушения грунта через стойки передается динамическая составляющая усилия разрушения. Колебательное движение стоек, вызванное работой вибровозбу-дителй, передается на упругий элемент через шарнирные опоры. В режиме согласования частоты вынужденных колебаний дебалансов вибровозбудителей с частотой собственных колебаний механической системы "стойка с рыхлительным зубом - вибровозбудитель-
штанга" происходит максимальная передача энергии вибровозбудителей в грунт и минимальная - на элементы базовой машины.
Благодаря применению дополнительной стойки с рыхлительным зубом и вибровозбудителем, в объеме грунта, заключенного между рыхлительными зубьями, создаются концентраторы напряжений, вызванные работой рыхлителя. Это снижает тяговое усилие базовой машины.
В рыхлителях ударного действия динамические нагрузки, предаваемые на базовую машину, могут быть сведены к минимуму либо путем синхронного движения отельных частей пневмо- или гидроударного механизма [22, 23] (рис. 6, а; б; в), либо введением балансировочного груза [24] (рис. 7, а; б).
Рыхлитель ударного действия по первому типу (см. рис. 6, а) включает базовую ма-
шину, смонтированные на навесной раме рав-ноплечный рычаг с основным и дополнительным пневмомолотами, полости которых разделены поршнями-бойками на верхние и нижние камеры, связанные воздушной магистралью с воздухораспределительной системой, источником сжатого воздуха и атмосферой.
В результате подачи сжатого воздуха к верхней камере основного пневмомолота происходит ускоренное движение поршня-бойка и его удар о верхнюю часть зуба, что приводит к разрушению грунта. Одновременно с этим сжатый воздух, поступающий в нижнюю камеру дополнительного пневмомолота, ускоренно поднимает поршень-боек. В первый момент реактивные силы сжатого воздуха заставляют перемещаться корпус дополнительного пневмомолота вниз, сообщая энергию удара зубу
а)
пневмомолота через переднюю буксу. Энергия удара при этом усиливается в результате передачи дополнительного усилия, вызванного воздействием сжатого воздуха на заднюю буксу корпуса основного пневмомолота. В конце подъема поршень-боек ударяет о заднюю буксу корпуса дополнительного пневмомолота. Энергия удара через рычаг, связывающий пневмомолоты, передается зубу от корпуса основного пневмомолота. Далее цикл повторяется, но уже со стороны дополнительного пневмомолота. Взаимно компенсирующие движения пневмомолотов и поршней - бойков «замыкают» динамические нагрузки внутри рыхлительного оборудования «рыхлительный зуб - основной пневмомолот - равноплечный рычаг - дополнителный пневмомолот - рыхлительный зуб - грунт».
в)
Рис. 5. Рыхлитель вибрационного действия: конструкция рыхлителя; б - принципиальная конструкция рабочего оборудования; в - конструкция упругого элемента
а
Рис. 6. Рыхлитель ударного действия: а - общий вид рыхлителя;
б, в - принципиальная схема рабочего оборудования; г - конструкция воздухораспределителя вращательного действия
в)
Р
Рис. 7. Рыхлитель ударного действия: а - общий вид рыхлителя; б, в - принципиальная конструкция рабочего оборудования с возможными расположениями балансировочных грузов
Р
В рыхлителе ударного действия по втором типу (рис. 7 а; б) снижение динамических нагрузок, передаваемых на базовую машину, осуществляется путем установки на балке, соединяющей пневмомолот с навесной рамой базовой машины, балансировочного груза. Расстояние Ь от центра вращения балки до оси симметрии пневмомолота определяется из условия
Ь = ^ о1 + ^ о 2 + ^ С 3
т11с1 + т 21с 2 ’
где I - расстояние от центра вращения балки до оси симметрии пневмомолота;
Лох - момент инерции балки относительно оси вращения;
Jо2 - момент инерции балансировочного груза относительно оси вращения;
JС3 - момент инерции пневмомолота относительно центра масс; ті - масса балки; тг
- масса балансировочного груза;
IС1 - расстояние от оси вращения до центра масс балки;
IС 2 - расстояние от оси вращения балки
до центра масс балансировочного груза.
Для создания концентраторов напряжения в замкнутом объеме грунта и исключения центробежных сил инерции при работе рыхлитель снабжен дополнительной балкой с осью вращения, балансировочным грузом и пневмомолотом.
При оценке эффективности работы рых-лительного оборудования, работающего по принципу «замыкания» динамических нагрузок на рыхлительном оборудовании, кроме натурных испытаний опытной партии рыхлителей, проводились экспериментальные на физической модели, выполненной в масштабе 1: 5 [25] (рис. 8).
220в
Рис. 8. Принципиальная схема стенда для исследования рабочих органов землеройных машин с интегральной оценкой эффективности процесса ведения земляных работ
В основу изучения качественных и количественных показателей эффективности рыхления кроме традиционного метода оценки показателей с помощью регистрирующих датчиков (тензодатчиков, датчиков перемещения, скорости и ускорения) заложен интегральный метод оценки энергоемкости процесса, осно-
1. Веторв Ю.А. Исследование фактора скорости резания грунтов / Ю.А. Веторв, В.П. Станевский // Горные строительные и дорожные машины. - Москва, 1969. - № 8. -- С. 21-26.
2. Атлеснов Н.И. Исследование режимов нагружения навесных рыхлителей: дис. ... канд. техн. наук /Н.И. Атлеснов. - М., 1979. - 153 с. -С. 145-153.
3. Рейш А.К. Машины для земляных работ / А.К. Рейш, С.М. Борисов, Б.Ф. Бандаков / Под ред. С.П. Епифанова: справочное пособие по строительным машинам. - 2-е изд. перераб. и доп. - М.: Стройиздат, 1981. - 352 с.
4. Ветров Ю.А. Машины для специальных земляных работ /Ю.А. Ветров, В.Л. Баладинский: учеб. пособие для вузов. - Киев: Вища школа, 1980. -192 с.
5. Баладинский В.Л. Динамическое разрушение грунтов / В.Л. Баладинский. - Киев: КГУ, 1971. - 123 с.
6. Геллер Ю.А. Разработка мерзлых грунтов рыхлителем с аккумулятором энергии: дис... канд. техн. наук /Ю.А. Геллер. - Омск, 1986. - 207 с.: ил.-Библиогр.: С. 197-207.
7. Мэнли Р. Анализ и обработка записей колебаний / Р. Мэнли // Пер. с англ. с доп. канд. техн. наук С.С. Зиманенко и ЛЮ. Купермана. - М.: Машиностроение, 1972. - 368 с.
8. Геллер Ю.А. Дифференциальное уравнение движения рабочего органа рыхлителя / Ю.А. Геллер. - Чита, 1988. - 15 с. - Библиогр.: 5 назв. -Деп. в ЦНИИТЭстроймаш 09.03.89. - № 3-сд-89.
9. Геллер Ю.А. Влияние аккумулятора энергии на процесс формирования грунтовых элементов /Ю.А. Геллер // Вестник ЧитГУ. - № 2 (39). - Чита, 2005.- С. 8-12.
10. Геллер Ю.А. Расчетная схема рыхлителя с аккумулятором энергии / Ю.А. Геллер // Вестник ЧитГУ. - № 4 (45). - Чита, 2007.- С. 49-57.
ванный при учете объема жидкости, перетекающей через регулируемое дроссельное устройство от силового гидроцилиндра стенда.
Разработанная и изготовленная опытная партия рыхлителей с аккумулятором энергии после проведенных натурных исследований и испытаний внедрена в народное хозяйство.
___________________________________Литература
11. Геллер Ю.А. Исследование влияния параметров рыхлителя с аккумулятором энергии на эффективность разрушения грунта / Ю.А. Геллер // Вестник ЧитГУ. - № 2 (47). - Чита, 2008. - С. 119-129.
12. Геллер Ю.А. Способ механической разработки грунтов / Ю.А. Геллер: Заявка на предполагаемое изобретение. RU 2008116379. Приоритет от 05.11. 2008.
13. А.с. 815169 МКИ E 02 F 5/30. Рыхлитель / Ю.А. Геллер, Н.П. Безручко. - № 2727234/29 03; Заяв. 22.02.79; Опубл. 23.03.81 Бюл. № 11. -2с.: ил.
14. А.с. 939672 МКИ E 02 F 5/30. Рыхлитель / Ю.А. Геллер, Н.П. Безручко, А.А. Киричек. - № 3222893/29-03'Заяв. 24.12.80; Опубл. 30.06.82 Бюл. № 24. -3с.: ил.
15. А.с. 994650 МКИ E 02 F 5/30. Рыхлитель для разработки мерзлых и прочных грунтов / Ю.А. Геллер, Н.П. Безручко, А.А. Киричек. - № 2892665/29 03; Заяв. 07.03.80; Опубл.07.02.83 Бюл. № 5. - 4 с.: ил.
16. А.с. 1016445 МКИ E 02 F 5/30. Рыхлитель /Ю.А. Геллер, А.А. Киричек, Н.П. Безручко. -№ 3399226/29-03'Заяв. 24.02.82; Опубл. 07.05.83. -Бюл. № 17. - 4 с: ил.
17. Пат. 1176944 МКИ E 02 F 5/30. Рыхлитель / Ю.А. Геллер. - № 3709935/29-03; Заяв. 02.01.84; Опубл. 0709.85. - 4 с.: ил.
18. А.с. 968558 МКИ E 02 F 5/30. Устройство для разработки прочных грунтов / Ю.А. Геллер, Н.П. Безручко, А.А. Киричек. - № 3272533/29 03; Заяв. 03.04.81; Опубл. 23.10.82 Бюл. № 39. - 4 с.: ил.
19. А.с. 1304465 МКИ E 02 F 5/30. Рыхлитель /Ю.А. Геллер, А.А. Киричек, Н.Е. Курбатов, Е.П. Маккавеев. - № 3700504/29-03; Заяв. 10.02.84; Опубл. 15.12.86. - Бюл. № 33. - 4 с.: ил.
20. Пат. 2222669 МКИ 7 Е 02 F 5/30. Вибрационный рыхлитель / Ю.А. Геллер, № 2001114130; Заяв. 23.05.01; Опубл. 27.01.04. - Бюл. № 3. - 5 с.: ил.
21. Геллер Ю.А. Вибрационный рыхлитель. Заявка на предполагаемое изобретение. RU 2ÜÜe1WSe2. Приоритет от 2вШ. 2ÜÜ8.
22. А.с. 8898Ü5 МКИ E Ü2 F 5ISÜ. Рыхлитель I Ю.А. Геллер, Н.П. Безручко, А.А. Киричек, А.П. Гаршин. - № 2в92вввI29-ÜS; ЗаявШШ.8Ü; Опубл. 25.12.81 Бюл. № A6. - A с.: ил.
2S. Геллер Ю.А. Рыхлитель ударного действия I Ю.А. Геллер: Заявка на предполагаемое изобретение. RU 2ÜÜe1WSe1. Приоритет от Ü8.Ü7. 2ÜÜ8.
Коротко об авторе_______________________________
2A. Геллер Ю.А. Рыхлитель ударного действия I Ю.А. Геллер: Заявка на предполагаемое изобретение. RU 2ÜÜ812Ü282. Приоритет от 28.Ü7. 2ÜÜ8.
25. Пат. 22S9689 Mm 7 E Ü2 F SIÜÜ, GÜ1M 19IÜÜ. Стенд для исследования рабочих органов землеройных машин I Ю.А. Геллер, №
2ÜÜ21221SвIÜS; Заяв. 1S.Ü8.Ü2; Опубл. 1Ü.11.ÜA.-Бюл. № S1. - 9 с.: ил.
Briefly about the author
Геллер Ю.А., канд. техн. наук, доцент, Читинский госу- Yu. Geller, Candidate of Science, Associate Professor, Chita
дарственный университет (ЧитГУ) State University
Тел. 41-90-99
Научные интересы: динамика механических систем Areas of expertise: dynamics of mechanical systems
