CC BY
42
РАЗДЕЛ I
ТРАНСПОРТ.
ТРАНСПОРТНЫЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ МАШИНЫ
УДК 621.879.445
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ СКРЕБКА ТРАНШЕЙНОГО ЦЕПНОГО ЭКСКАВАТОРА С ГРУНТОМ
А.И. Демиденко, А.Б. Летопольский
Аннотация. Рассматривается процесс взаимодействия скребка с грунтом с учетом возникновения перед режущей кромкой напряженного состояния грунта и влияния на силу сопротивления копанию угла резания и формы режущей кромки.
Ключевые слова: траншейный экскаватор, рабочий орган, скребок, угол резания.
Введение
Возрастающий объем земляных работ, связанный с планами развития, как отдельных субъектов Российской Федерации, так и страны в целом, требует применения новых более эффективных и производительных машин. Большой объем работ будет приходиться на строительство трубопроводов для водоснабжения населенных пунктов. Планом энергетического развития страны предусмотрено строительство новых магистральных газо- и нефтепроводов. Продолжает действовать программа компании «Газпром» по газификации субъектов РФ. В связи с этим встает вопрос о создании новых и модернизации имеющихся образцов землеройной техники особенно машин непрерывного действия.
Широкое применение траншейных цепных экскаваторов (ЭТЦ) в разных областях строительства требует совершенствования конструкции этих машин. Особую актуальность в связи с этим приобретают вопросы повышения производительности за счет применения новой конструкций скребка [3,5], что является эффективным средством снижения энергоемкости и себестоимости разработки грунта, а, следовательно, и сроков строительства трубопровода.
Для получения эффективной формы скребка необходимо исследовать процесс взаимодействия рабочего органа с грунтом, осуществить поиск новых конструктивных решений, обеспечивающих снижение сил сопротивления копанию, возникающей при работе ЭТЦ.
Снижение сил, возникающих в процессе разрушения, можно достичь различными техническими решениями [2]. Наиболее простым и менее затратным считается способ, направленный на совершенствование конструкции скребка.
Основная часть
Аналитическое решение для определения сил сопротивления копанию грунта проводится на основе теории предельного равновесия грунта, с использованием основных положений и методов расчета сил резания грунта ножом с острой режущей кромкой, предложенных К.А. Артемьевым [4]. Нож в процессе копания уподобляестя подпорной стенке, надвигающейся на массив.
Для определения силы сопротивления копанию грунта скребком с выступающей средней частью рассмотрим его как сочетание
простых прямолинейных ножей (рисунок 1).
Рассматривая грани скребка как подпорные стенки, надвигающиеся на грунтовый массив, и уподобляя сопротивление грунта сжатию пассивному отпору, определяем значение силы пассивного сопротивления грунта, действующей на грани скребка.
Зная параметры грунта и скребка, строим систему характеристических кругов и определяем направления площадок скольжения в грунтовом массиве. Направление площадок скольжения в грунте и силы, действующие на грани скребка, определяются раздельно для каждой грани.
В ходе теоретического исследования приняты следующие допущения:
• процесс копания грунта скребком рассматривается как периодически повторяющиеся сколы стружки грунта;
• скребок в процессе копания уподобляется подпорной стенке, надвигающейся на массив грунта;
• параметры грунта и рабочего органа известны;
• скорость резания не превышает 2 м/с. Для определения силы сопротивления копанию грунта нужно выполнить следующие этапы:
1. поиск поверхностей скольжения в грунтовом массиве;
2. определение аналитическим путем сил, возникающих на гранях скребка.
Сила сопротивления копанию грунта скребком с выступающей средней частью мо-
жет быть определена на основании следующей зависимости:
E = Е , + E 2 + E з + E 4, (1)
где E, = E,,, + Eв = Ejf + EtB + Ett+ Etc + EtB -
сила сопротивления копанию грунта выступающей частью скребка АС^ (рисунок 1), Н;
E = 2[(Enqcc + ENQClC) — (EMLClC + EMLClC) + edncr + edncr + Emi ]
- сила сопротивления копанию грунта боковыми гранями скребка (рисунок 1) Н; Е3 - сила
сопротивления копанию грунта вертикальным
ножом, Н; Е4 - сила сопротивления от массы
срезанного грунта на скребке, Н.
ь
Рис. 1. Схема взаимодействия граней скребка с грунтом
Для расчета силы сопротивления копанию грунта скребком с выступающей средней частью рассмотрим его как сочетание простых прямолинейных ножей (рисунок 1).
Определим силу сопротивления копанию грунта на выступающей части. Для этого находим поверхности скольжения для грани АС, а затем находим поверхности скольжения
для грани АВ, принимая за поверхность грунта горизонтальную плоскость, проведенную через точку перелома граней скребка.
Как следует из расчетной схемы (рисунок 1) в призме выпирания, создаваемой гранью АС, имеется только одна поверхность скольжения АМ, поэтому силу, возникающую на
грани АС, можно определить как для ножа с острой режущей кромкой.
Горизонтальная составляющая силы сопротивления копанию
dE = (1 + 0,75 tg Petg в) lady;
(2)
Вертикальная составляющая силы сопротивления копанию
h1
dE 1f = (^в - 0,75 tgps)l ady, (3)
О
где в - угол между плоскостью АС и вертикалью, град; рв - угол внутреннего трения грунта, град; a 1 - нормальное напряжение грунта, Па .
Для определения силы сопротивления на грани АВ определяем направление поверхностей скольжения, принимая за поверхность сыпучего тела горизонтальную плоскость
AA1. Плоскость АD продолжаем до плоскости скольжения ВН. В результате контакта грани АВ с грунтом перед ней возникают три зоны: ABB1 - зона наибольших напряжений, AB1K - зона особых напряжений и AKA1 -
зона наименьших напряжений. Продлив, плоскость АС до пересечения с ВН найдем силу, действующую на плоскость АК как разность сил, возникающих на грани АС и КС
Лі + h2
Е A = М і l ady - M11 ady;
(4)
EA = М2 J ady -M2 f ady. (5)
0 0
Нормальное напряжение для промежуточных подпорных стен определяется по зависимости [1] и с учетом пригрузки принимает вид
a = кхт + Cctg сре + q—) - Cctgye, (6)
где K— - коэффициент, определяемый аналитически, и зависит от типа подпорной стенки [1]; Y - плотность грунта, кг / м3 ; д -ускорение свободного падения, м/с2; у - текущая координата по вертикали, м; C -удельное сцепление грунта, Па ; q— -
равномерно распределенная пригрузка, Н/м2.
Равномерно распределенную пригрузку определим по выражению
q1 =
CH ’
(7)
где Gг - сила тяжести грунта, находящегося выше поверхности СН, Н; СН - длинна скалываемого элемента, м.
CH = h(ctgа + ctg/),
(8)
где h - толщина срезаемой стружки, м; а -угол резания, град, / - угол скола элемента грунта, град.
Неизвестные значения ^ и h2 определим по выражениям
h— = AC sin а; (9)
h2 = АВе etgPe sin а, (10)
где в - угол между АВ и АК (рисунок 1); е -основание натурального логарифма, АС и АВ
- параметры скребка, м.
Угол в определим
в= (0,5п+р-8-а-arcsinSin^). (11)
sinp
Чтобы получить искомое решение, перенесем действие горизонтальной и вертикальной составляющих и еАК на плоскость AA— , при этом вычитаем из (4) и (5) силу веса грунта в призме AKA— и силу сцепления по плоскости A—К .
Сила веса грунта в призме АКАХ
AKAj yg л л 1
Gг = — AA1h2 . (12)
AAj определим из выражения
2 AB sin scosw вtgP
AAj =----------------т- e ptgp (13)
cos Рв
Значение угла £ определим из выражения
s =—(0,5п + р -8-arcsinsinp) + а. (14)
2 sinp
h
0
0
0
h
Угол скола определим из выражения [2]
/ = п/4-рв /2. (15)
Удельное сцепление по плоскости А1К действует наклонно и ее составляющие равны
С, =
0,5AB sin 2аctg/C
e ;
cos pe
AB sin 2 аС
С =
e P tgpe
cos pв
(16)
(17)
Горизонтальная составляющая силы, действующей на плоскость ЛЛі
(18)
EAA1 = Е'ІК - С
Е3г ~ Е 3г Сг
В качестве равномерно распределенной при-грузки рассматриваем вертикальную состав-
т-’АА
ляющую силы Е3в 1 , действующую на плоскость АА!.
q 2 =
Е AA1
Е 3 в
AA 1b
(19)
ср .ч
^ г л /—* YgAC sin а
Е1г = t[AC sin а(М 1К1(—---------------+
+ Cctg pe +
G,
hbcp.ч (ctgа + ctg/)
) - Cctg pe) +
+ AB cos в(М 1К2(TgAB cos в + Cctg pe +
Eft' cos pe
Ьсрч2AB sin є cos /евtgp
-) - Cctg pe) +
+ AB sin ае^^ ((М1К1 (TgAB sin авЄі +
+ Cctgpe +
G
КрМ^а+ ctg/)
2
) - Cctgp,) -
(23)
0,5AB sin 2а^/С cos p,
e?** )](bc„ + а).
Вертикальная составляющая силы сопротивления копанию грунта
Е1в = t1[AC sin а(М 2 К 1(
ygAC sin а
2
+ Cctg ps +
G
КЬСР.ч (Ctgа + ctg/)
) - Cctg pe) +
+ AB cos в(М2 К2 (YgAB2cos в + Cctgps + (24)
EfT1 cos pe
bcp ч 2 AB sin є cos /e
в tgp,
-) - Cctgpe )](b + a),
где bcp ч - ширина стружки, вырезаемой выступающей средней частью скребка, м.
Силы, действующие на грань АВ, когда границей сыпучего тела является горизонтальная поверхность, на которой расположена пригрузка q2 , определяется следующим образом
dEAB = (1 + 0,75 tg patgв)jf ady ;
0
(20)
h3
dE 2AB = (tg в - 0,75 tg pe)f ady (21)
0
Нормальное напряжение для крутой подпорной стенки определим по выражению
EAA—
a2=K2(ygy+cctgp. + ..3: ) -Cctgp,,(22)
AAb
i ср.ч
где K2 - коэффициент, определяемый аналитически, и зависит от типа подпорной стенки [1].
В результате сумма выражений (2), (18) и (20) с учетом ширины средней части АСKF дает полное значение горизонтальной составляющей силы сопротивления копанию грунта выступающей средней частью скребка
где t - поправочный коэффициент, для горизонтальной составляющей силы сопротивления копанию грунта t = 0,715 , для вертикальной составляющей - 11 = 0,23 [1]; а - коэффициент, учитывающий силу сопротивления сколу грунта по боковым граням скребка. Определим силу сопротивления копанию Е 2
грунта, которая действует на боковую часть скребка.
Силы сопротивления копанию грунта, действующие на грань DNCR, определяются аналогично описанным выше способом, а при определении сил сопротивления копанию на грани NQС1C необходимо учесть, что разрушение грунта выступающей средней частью происходит на ширину, превышающую ширину этой части скребка, что ведет к исключению из процесса копания грунта определенной зоны MLC1C на горизонтальном ноже (рисунок 1).
Горизонтальную составляющую для плоскости MLC1C, не участвующей во взаимодействии с грунтом, найдем из выражения
5
EMLC1C = М1 la(
(b1 - b2)у к
+ b)dy. (25)
+
+
0
Значения Ьі и b2 определяются в виде:
b2 = k5 tgr; (26)
bl = b2 + h5tgr, (27)
где Y - угол развала, град.
Результирующая сила сопротивления для плоскости nQ^C равна:
Еw = М1 lady -М1 la((bl - ^ + b)dy; (28)
0 0 hs
Е^ = м Jady - М2 + b )dy. (29)
0 0 h5
Горизонтальная и вертикальная составляющие силы сопротивления копанию грунта, действующие на плоскость NK , будут равны:
k5 +Кб
Ef1 = Е*^ - Е'К,С = Е C - М' l ady ;(30)
з г 1 г 1 г 1 г 1 J ^
0
k5+k6
Ef1 = E1JVQCl C -Е'кіс = E1JVQClC -М2 lady • (31)
зв 1 в 1в 1 в 2 J У
0
Силы сопротивления копанию грунта, действующие на грань DNCR, с учетом того, что грань DNCR совершает косое резание.
Горизонтальная составляющая силы сопротивления копанию:
dE ™CR = M з cosS 'lk ady, (32)
где м = ^1іа +p) 5 - угол установки грани
3 cosqsina1
DNCR к направлению движения (рисунок 1); а' - угол наклона грани DNCR к горизонту, град;
Вертикальная составляющая силы сопротивления копанию:
dEDNCR = M cos5 Г ady, (33)
2в 4 J0 ^
где М = ^1+^.
4
cospsmal
Определим силу сопротивления копа-
нию Ез на вертикальном ноже:
kk
Е з в = t1( М 4 )( bep.H + а X (35)
где Ьве?к - ширина вертикального ножа, м.
Кроме выше описанных сил, которые действуют на скребок, есть сила сопротивления перемещению срезанного грунта, значение которой зависит от параметров скребка и угла резания.
Силу веса грунта можно определить из расчета объема грунта, срезаемого скребком, и его транспортирующей способности в зависимости от угла резания.
G, = mgK m = YVgKг
(36)
где т - масса грунта на скребке, которая остается до момента разгрузки, кг; V - объем срезанного грунта скребком, м3; Кт - коэффициент транспортирующей способности скребка.
Объем срезанного грунта скребком определяется:
V = (Я - Я(1 - С0а) + я^ (37)
sin а
2
где Ьс - ширина скребка, м; R - радиус описываемый режущей кромкой скребка, м; Н -глубина траншеи, м; ао - угол поворота
скребка,град.
Тогда последнее слагаемое в выражении (1) определим по зависимости:
^ /smwsm<a+р) 8Н1/С08а+ Рк Е4 = №К(—а—+—а—(38)
Sina+/)С0Sp Sina + /)С0р
где р - угол внешнего трения грунта, град.
Сумма выражений (28),(29), (30), (31), (32) и (33) дают вторую составляющую выражения (1).
Сумма выражений (23), (24), (28),(29), (32), (33), (34), (35) и(38) с учетом (25) дает полное выражения для определения сопротивления резанию грунта скребком с выступающей средней частью:
Е з, = t (М з lady)(bepH+ а);
(34)
0
г ■ ,1, тг ,У8АС sin а G . ^ .
Е1 г = ,[ АС Sin а (М1К1 (----- -+ С^ Рв +——:-------------г---------т) - Сс,8 Р,) +
2 кЬсРч(с,8 а + Щ /)
лп п,1, тг гТяАВ ^ в „ Еcos р „
+ АВ С^ в(М 1К 2 (------- -----+ Сс,8 р, + ----- 3в.-----в-------—) - Сс,8 Р, ) +
2 Ьср ч 2 АВ sin е cos /ер &9е
' уфАВ sin аев 18 Рв G
+ АВ sin ае в13Рв (М!КД---------- --+ С^8 р, + -——------------------г- -----) - С^8 р,) -
2 Ьср Н (&8 а + &8 /)
- °,5АВ sш 2ас,8 /С е,•ь + а) +
^ р^ ” г л ^ • ,-кжтг, У8АС sin а G . ^ .
+ tl[АС sin а(М 2К 1(------------------+ С^8 р, + —--------------------) - С^8 р,) +
2 ЬЬсРч (^8 а + М8 / )
+ 2t(СМ sin а [(М1К1 (+ с^8 рв + ^-----------------------------------) - Сс,8 рв ](Ь' + а) -
2 СМ sin а (с,8 а + с,8 /)
- СМ sin аМ 1К1 (У&ССМ ^п а (5Ь1 - 2Ь2) + СС8 ре (1,5Ь1 - 0,5Ь2) - СС8 рв (1,5Ь1 - 0,5Ь2)] +
6
+ ND cos Рсах 8''[(М3К2 (Y8ND_С0sв + Сс,8 ре +----------^ С0S Рв р ) - Сс,8 ре)](Ь + а) +
2 2ND sin е cos /ев 8р‘
ъттл ■ в'8р Г, г тг Y8ND sin аев,8р Ог
+ ND sin аев 8р‘ [М, К,(----------------+ СС8 р +--------------------------) -
1 14 2 в CN sin а(с,8а + с,8 /)
_ 0,5 ND sin2аct8/С в'8р^,-,’
- Сс,8 р ---------------ер,8рв ])(Ь + а)) +
С^ р,
+ 2,, (СNэтаМ.К (^8Сsinа + Сс,8р +--------------:---—г--------------) - Сс,8р ](Ь + а) -
2 в CN sin а(с,8а + с,8/) в
- СN sin а[М 1К1 (^,СС^Sinа (5Ь1 - 2Ь2) + СС8рв (1,5Ь1 - 0,5Ь2) - СС8рв (1,5Ь1 - 0,5Ь2)] +
6
+ ND^в[М4К2(ЖШС0Sв + Сс,8ре +-------------Е;в' С0SРв . ) - Сс,8ре](Ь + а)) +
2 2ND sinе cos /ев,8рв
У8к2 У8И2
+ [ (М 3 К2(—^ + Сс,8р,И7) - Сс,8р,И7) + ,1(М 4 К2(—^ + Сс,8рв^) - Сс,8р,К )](Ьввр.в + а) +
^ .sin/sin(а + р) sin/cos(а + р).
+ ]^8Кт (-------------— +---------------—).
sin(а + /)cosр sin(а + /)cosр
Выводы
1. Получена расчетная формула для определения силы сопротивления копанию грунта скребком ЭТЦ, которая учитывает: образование напряженного состояния грунта перед режущей кромкой, влияние на сопротивление копанию угла резания и формы режущей кромки.
2. Увеличение угла резания ведет к изменению угла наклона подпорной стенки. В результате изменяется размер срезаемого элемента стружки, размеры напряженных зон перед гранью резца и сцепление по площадке скольжения, а также меняется масса грунта на скребке, что влияет на силу сопротивления
копанию и учтено в вышеописанных выражениях.
3. Разработанный метод расчета полной силы сопротивления копанию грунта на основе теории предельного равновесия грунта отражает конструктивные особенности скребка и позволяет проанализировать влияние угла резания на процесс копания грунта.
Библиографический список
1. Артемьев К.А. Теория резания грунтов землеройно - транспортными машинами: Учеб.
пособие. - Омск: ОмПИ, 1989. - 80 с.
2. Баловнев В.И. Повышение производительности машин для земляных работ / В. И. Баловнев, Л. А. Хмара. - Киев : Будивельник, 1988. - 152 с. : ил
3. Демиденко А.И., Летопольский А.Б. Рабочие органы цепных траншейных экскаваторов / Механизация строительства. - 2010. - № 5. - с. 7-11.
4. Основы теории копания грунта скреперами / К. А. Артемьев. - М.-Свердловск : Машгиз, 1963. -128 с. : ил.
5. Патент на полезную модель 86202 Российская Федерация, МПК E02F 3/28 Скребковый рабочий орган траншейного цепного экскаватора / А.И. Демиденко, А.Б. Летопольский; заявитель и патентообладатель СибАДИ. - 2009115006/22; заявл. 20.04.2009; опубл. 27.08.2009, Бюл. № 24. - 1 с.: ил.
THEORETICAL INVESTIGATION OF INTERACTION CUTTING ELEMENT OF THE CHAIN TRENCHER WITH GROUND.
A.I. Demidenko, A.B. Letopolsky
We consider the interaction of the cutting element with the ground, taking into account the appearance before the cutting edge of a complex stress state of the soil and the effect on the resistance to cutting angle attak and shape of the
cutting edge. The method of calculating the result of resistance to each face of the cutter.
Демиденко Анатолий Иванович - канд. техн. наук, профессор, заведующий кафедрой «Техника для строительства и сервиса нефтегазовых комплексов и инфраструктур» Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии, имеет 114 опубликованных научных работ. Основное направление научных исследований - исследование и повышение эффективности техники для строительства и сервиса нефтегазовых комплексов и инфраструктур.
Летопольский Антон Борисович - аспирант кафедры «Техника для строительства и сервиса нефтегазовых комплексов и инфраструктур» Сибирской государственной автомобильнодорожной академии. Основное направление научных исследований - повышение эффективности траншейных цепных экскаваторов. Имеет 6 опубликованных работ.
E-mail: [email protected].
УДК 656
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ МЕТОДИКИ ПРОВЕДЕНИЯ ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОТБОРА ВОДИТЕЛЕЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПРОГРАММНО-АППАРАТНЫХ КОМПЛЕКСОВ
Д.С.Федоров
Аннотация. В статье рассмотрены теоретические аспекты методики проведения профессионального отбора водителей с использованием программно-аппаратных комплексов. Рассматривается специфика междугородных грузовых перевозок и требования к водителям, осуществляющих перевозки по данным маршрутам. Предлагается использовать теорию нечетких множеств и лингвистических переменных для расчета интегрального показателя пригодности водителя-оператора.
Ключевые слова: программно-аппаратные комплексы, профессионально важные качества, пригодность водителя, нечеткие множества.
Введение История водительской деятельности начинается в первые десятилетия 20 века, когда был создан первый автомобиль. С тех пор и до сегодняшних дней она приковывает к себе пристальное внимание ученых и специалистов. В монографии [6] автор дает определение «водительской деятельности» как разновидности операторской деятельности, которая изучается в системе
«человек-техника-окружающая среда». Различные науки и дисциплины исследуют эту систему, включающую в себя взаимодействия многих участников и элементов дорожного движения. Влияние водителя-оператора на безопасность дорожного движения изучалось различными специалистами научноисследовательских институтов и организаций, как в России, так и зарубежом [3, 4, 6, 7,
