Теоретические исследования процесса разработки грунта рабочим органом землеройной машины с выступающим ножом трапециевидной формы Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.879.3.064.2

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА РАЗРАБОТКИ ГРУНТА РАБОЧИМ ОРГАНОМ ЗЕМЛЕРОЙНОЙ МАШИНЫ С ВЫСТУПАЮЩИМ НОЖОМ ТРАПЕЦИЕВИДНОЙ

ФОРМЫ

Л.А. Хмара, профессор, д.т.н., ПГАСА, В.А. Талалай, аспирант, ДонНАСА

Аннотация. Рассматриваются теоретические исследования процесса копания грунта ножами трапециевидной формы с разными параметрами. Приведен анализ взаимодействия с грунтом рабочего органа бульдозера, ножевая система которого укомплектована выступающим ножом трапециевидной формы (ВНТФ). Доказана целесообразность придания ножам рабочего органа бульдозера трапециевидной формы.

Ключевые слова: стружка, разрушение, прорезь, математическая модель.

Введение

Наиболее распространенной землеройно-транспортной машиной, используемой в строительстве, является бульдозер с рабочим органом традиционного типа. Один из эффективных направлений повышения производительности бульдозера является совершенствование рабочего органа, или отдельных его функциональных частей, предложенных на основании анализа закономерностей его взаимодействия с разрабатываемым грунтом [1].

Повышение производительности и эффективности работы бульдозера возможно за счет придания ножевой системе РО таких геометрических параметров, при которых усилие резания грунта будет min, а траектория перемещения срезанной стружки грунта и ее компоновка будет способствовать увеличению призмы волочения, т.е. с минимальным усилием перемещения грунта по отвалу и минимальными потерями грунта в боковые валики [2].

Цель и постановка задачи

Целью статьи является определение, на основании теоретического исследования процесса копания грунта, рациональных форм ножевых систем РО.

Задачи: 1 - провести теоретические исследования процесса разработки грунта РО, дать анализ взаимодействия РО бульдозера с разрабатываемой средой; 2 - разработка математической модели процесса копания грунта РО с ВНТФ; 3 - создание, на основе анализа, усовершенствованных конструкций РО.

Анализ воздействия режущего элемента на разрушаемый грунт

Анализируя работы ученых Баловнева В.И., Ветрова Ю.А., Зеленина А.Н. [1, 2, 3] и др. исследователей было установлено, что при блокированном и полусвободном резании двигаясь вперед, режущий элемент прямоугольной формы отделяет стружку, оставляя после себя прорезь трапециевидной формы, ширина которой на поверхности существенно больше ширины Ь ножа находящегося на глубине йпол. На основании данных положений были предложены принципиально новые схемы взаимодействия режущего элемента с грунтом, в основе которых лежит нож трапециевидной формы с разными параметрами образования трапеции.

На схеме (рис. 1, а) с ножом формой Нт/Н=1 отсутствует сила Рбок, затрачиваемая на разрушения грунта в боковых расширениях прорези, так же за счет геометрии ножа была ликвидирована зона действия силы бокового

среза Рбок ср. В данном случае суммарная сила резания имеет вид:

характеризующей процесс формуле следующий вид

Р(Ъ, К, 5) = у тСв (Ъ+ ^ол Сёф;) К

(1)

Р(Ъ, К, 5) =(у тсв ((Ъ+ (Кол -К')^ф1)х

где у - коэффициент, учитывающий угол резания; тсв - удельная сила свободного резания при угле резания 45°; Ъ - ширина режущей кромки ножа; ф1 - угол наклона боковых граней ножа; Кпол - глубина копания.

В двух других предложенных схематических решения (рис. 1, б, в) (ННТН=0,5-0,3) в отличии от ННТ/Н=1, зоны действия сил Рбок и Рбок.ср существуют, но они смещены вверх от основания ножа Ъ1, что придает

X (Кпол - К') + ЪтН')) + 2Рбок

1 - К'

+ 2Р

К'

V У

К',

^ф1Ка+

(2)

где Рбок - сила сопротивления грунта разрушению в боковых расширениях прорези; Рбок.ср - сила сопротивления грунта срезу боковыми ребрами ножа; К - глубина начала образования боковых расширений прорези; К' - глубина копания прямоугольной части ножа.

а

б

Рис. 1. Схема грунтовой прорези, зоны действия составляющих сил резания при копании ножом трапециевидной формы: а - ножом формы Нн/Н = 1; б - ножом формы Нн/Н = 0,5; в - ножом формы Нн/Н =0,3

Анализ предложенных схематических описаний влияния ножа на грунт объективно указывает на эффективную геометрию ножа трапециевидной формы, способного разрабатывать грунт с минимальным усилием за счет результативной траектории воздействия на грунт.

Математическая модель процесса копания грунта РО бульдозера оборудованным ВНТФ и БК

При определении горизонтальной

составляющей сопротивления грунта копанию, были учтены закономерности, полученные проф. В.И. Баловневым и проф. Л.А. Хмарой [1], в которых грунт представлен в виде статики сыпучей среды обладающей сцепными свойствами. Этот процесс описывается сложным математическим выражением, реальный вид которого из-за сложности в статье не приведен, а дается только в функциональном представлении

рВН _ ВвН(т.н)п ВвН(т.в) ар(Т), ар(ВН)„ hТ,

hвн, 3, р, У, а, Ур, hз, Аи А2, Аз, Нот), (3)

где В'Т - ширина традиционного ножа, м.; ВвН(т.н), ВвН(тв) - ширина, соответственно нижнего и верхнего основания ВНТФ, м; ар(т), ар(ВН) - угол резания, соответственно традиционного ножа и ВНТФ, град.; ^, hвн -глубина резания, соответственно

традиционного отвала и отвала с ВНТФ, м; 5, р - угол, соответственно внешнего и внутреннего трения, град.; у - плотность грунта, т/м3; а - толщина срезаемого пласта; ур - плотность разрыхленного грунта, т/м3; ^-ширина площадки затупления; Аь А2, А3 -коэффициенты, определяемые аналитически; Нот - высота отвала, м.

Новые конструкции бульдозерного РО, оснащенного ВНТФ

Анализ взаимодействия режущего элемента и математическая модель процесса разработки грунта РО с ВНТФ позволили определить, что придание ножевой системе трапециевидной формы способствует уменьшению трения боковой поверхности ножа, а также уменьшению потерь грунта в боковые

расширения прорези и увеличению массы призмы волочения и одновременно уменьшению горизонтальной составляющей сопротивления грунта копанию. На основании проведенного анализа были разработаны варианты установок ножевых систем (рис. 2, а, б и в) и конструкции РО содержащие ВНТФ (рис. 3)

а

в

Рис. 2. Варианты возможных конфигураций установки ножевых систем и их элементов: а, б - 1ВН; в - 2ВН и зубья

На рис. 2 обозначены: 1, 4 - ВН; 2 - БК; 3 -ТН, 5 - зубья; аь а2, - угол резания традиционным и новым (выступающим) ножами, соответственно; а'1 и а'2 - угол резания, соответственно, стандартным и изогнутым зубом.

а

Рис. 3. РО бульдозера с выступающим ножом трапециевидной формы: а - 1ВН; б -2ВН; в - 2ВН боковые стенки и вынесенная вперед ножевая система с 1ВН

Выводы

Теоретический анализ взаимодействия с грунтом РО указывает на эффективность применения ВНТФ, способствующего увеличению массы призмы волочения и уменьшению горизонтальной составляющей сопротивления грунта копанию.

Литература

1. Баловнев В.И., Хмара Л.А. Интенси-фика-

ция разработки грунтов в дорож-ном строительстве. - М.: Транспорт, 1993. -383 с.

2. Ветров Ю.А. Резание грунтов землерой-

ными машинами. - М.: Машиностроение, 1971.- 357 с.

3. Зеленин А.Н. Основы разрушения грунтов

механическими способами. - М.:

Машиностроение, 1968.- 368 с.

Рецензент: Л.В. Назаров, профессор, д.т.н., ХНАДУ.

Статья поступила в редакцию 6 июня 2007 г.