CC BY
27
УДК 621.872:69.0025
ТЕОРЕТИЧНЕ ДОСЛ1ДЖЕННЯ КОПАННЯ ГРУНТУ БУЛЬДОЗЕРОМ, ОБЛАДНАНИМ ШНЕКОВИМ 1НТЕНСИФ1КАТОРОМ
Л. А. Хмара, д. т. н., проф., Р. М. Кроль, асист.
Ключовi слова: бульдозер, шнековий ШтенсифЫатор, робоче обладнання, б1чне транспортування, критична кутова швидюсть, гранична площа, поперечний перер1з
Постановка проблеми. Бiчне транспортування грунту при плануванш бущвельних дшянок та прокладанш земляного полотна шд час бущвництва автодорш е однieю iз трудомiстких операцш, для цього використовують бульдозери з неповоротними та поворотними вщвалами, автогрейдери та грейдер-елеватори. Незважаючи на таю переваги бульдозерiв як унiверсальнiсть, простота конструкци та маневренiсть, використання цих машин пiд час виконання зазначених технологiчних операцiй мае сво! недолши: при збiльшеннi товщини вирiзувано! стружки бiчна складова опору копанню намагаеться розвернути бульдозер навколо повздовжньо! ош, що спричинюе збiльшення витрат часу машишста на зайвi маневри; при збшьшенш робочих швидкостей машина випробовуе велик навантаження на ходову частину та трансмюю, що скорочуе термш служби внаслiдок швидкого зносу.
Бульдозер, обладнаний вщвалом iз шнековим штенсифшатором, позбавлений недолiкiв звичайного бульдозера. Рухаючись на бiльших робочих швидкостях, вш перемiщуе шнековим iнтенсифiкатором зрiзаний ножем грунт за рахунок метання тд кутом до повздовжньо! осi. Таким чином тдвищуеться продуктивнiсть, а тягове зусилля бульдозера витрачаеться на рiзання грунту, розгiн грунту до колово! швидкостi шнекового iнтенсифiкатора та на подолання сил тертя грунту об вщвал i гвинтову поверхню.
Аналiз публiкацiй. У технiчнiй лiтературi шформащя, яка стосуеться розрахунку конструктивних параметрiв шнекiв та призначення !х режимiв роботи, мiститься в обмеженiй кшькость Найбiльш повно дана iнформацiя вщображена в роботах К. М. Севастьянова [1], Р. Л. Зенкова [2], А. М. Григор'ева [3], В. I. Баловнева, В. М. Шкриль [4], А. О. Стваковського [5], В. С. Сухорукова та А. I. Долгих [6]. Також дана шформащя наведених у статтях Л. А. Хмари та Р. М. Кроля [7 - 13].
Мета статть Базуючись на теори сипучого середовища, розробити теоретичш основи бiчного транспортування грунту вщвалом бульдозера з шнековим штенсифшатором, методи розрахунку споживано! шнековим iнтенсифiкатором потужностi, розрахунку конструктивних параметрiв та ошташзащ! режимiв роботи.
Виклад матерiалу. При теоретичних дослщженнях бiчного транспортування грунту, що зрiзуеться прямолiнiйним рiзальним ножем вiдвалу, приймаемо такi припущення:
- грунт, що транспортуеться, являе собою сипуче середовище без зчеплення та характеризуеться густиною у, кутом внутрiшнього тертя р , кутом зовнiшнього тертя 5 ;
- транспортування грунту шнековим штенсифшатором вщбуваеться безперервним потоком та складаеться з двох етатв, перший - транспортування грунту у зош його контакту з лобовою поверхнею вщвала, другий - транспортування за рахунок вшьного польоту грунту з початком траекторп вiльного транспортування на рiвнi верхньо! кромки вщвально! поверхнi, що характеризуеться кутом вщриву (рк;
- транспортування грунту у зош контакту з лобовою поверхнею вщвалу вщбуваеться з осьовою швидкiстю, а пiд час вшьного транспортування - з абсолютною початковою швидюстю, яка складаеться з колово! швидкосп та осьово! швидкостi;
- повне транспортування грунту, що зрiзуеться ножем вщвалу при перемiщеннi його за час одного оберту шнекового штенсифшатора, неможливе за бiчнi межi вiдвала, i тому перед робочим органом у напрямку руху базово! машини створюеться призма накопичення, грунт яко! повторно захоплюеться гвинтовою поверхнею та транспортуеться у бiчному напряму.
Розрахунковi схеми утворення призми накопичення грунту перед вщвалом бульдозера, обладнаного шнековим штенсифшатором, та для визначення параметрiв грунту у просторах виткiв надаш на рисунках 1 та 2.
Вщстань осьового перемiщення грунту за один оберт шнекового штенсифшатора дорiвнюе
Li = • S + Li • cos 2 n
arctg
я
3
• SinPK
(1)
Рис. 1. Розрахункова схема бгчного транспортування грунту та утворення призми
накопнчення на початку транспортування
Рис. 2. Розрахункова схема бгчного транспортування грунту та утворення призми накопичення при сталому режимг
де (рв - центральний кут, який вщповщае криволшшнш поверхш вщвала; £ - крок
гвинтово! поверхш шнекового iнтенсифiкатора; Ьх - довжина проекци траекторп вiльного транспортування центра ваги шару грунту, зрiзаного ножем, на горизонтальну площину;
30 = (0 • Яс - колова швидюсть центра ваги грунту у просторах витюв Ш1; 3 = £ (0 - осьова
в п
швидкiсть транспортування грунту; Яс - радiус центра ваги грунту у просторах витюв; (рк -кут метання грунту.
Оскшьки Ш1 постiйно обертаеться та рухаеться поступово iз швидкiстю &м, робочий процес транспортування грунту здшснюетъся безперервно. Далi вiдбуваеться захоплення
першого укладеного шару грунту Ш1 та його перемщення за рахунок метання на вщстань Ь2 та перемiщення з 2-го витка в осьовому напрямку на вщстань Ьв 2 (рис. 2).
Площа поперечного перерiзу 1 -го шару грунту, який потрапляе за межi робочого органа у напрямку бiчного транспортування, Кр ■ Ик ■ Ьв1.
Дал^ рухаючись поступово, шнековий iнтенсифiкатор здшснюе наступний захват попередньо укладених шарiв грунту та !х подальше транспортування у бiчному напряму на
вщстань Ьв(, поки вони не вийдуть за межi робочого органа. Перемщення тд час послiдовного
транспортування шарiв грунту при киданнi на вщстань та осьовому перемщенш Ьв1
змiнюються, тому що зростае висота площини приземлення грунту.
Для спрощення приймаемо: об'ем призми накопичення грунту складаеться з окремих шарiв грунту висотою Кр ■ hк iз змiщенням один вiдносно шшого на середню вiдстань Ьвср (рис. 3, а).
Замшимо ступiнчату вшьну поверхню грунту прямолiнiйною за рахунок з'еднання середини вертикальних меж кожних шарiв грунту. Кут нахилу прямо! до горизонту дорiвнюватиме:
д = arctg
К • Kp L.„
(2)
Для подальших теоретичних дослiджень необхiдно знайти середнi значення вiдстаней LB ср
Та Lcp .
Рiвняння руху (рис. 1) центра ваги грунту шсля метання в координатних осях XOY, яю мають вигляд:
х = 3с • sin срк • t;
y = &с •cos Фк •t -
2
(3)
де Зс - початкова швидкiсть метання центра ваги грунту, рзташованого у мiжвитковому
просторi шнекового iнтенсифiкатора.
Пюля виключення часу t iз системи рiвнянь (3) та з урахуванням того, що для середньо!
лши
поперечного
перерiзу
призми
накопичення
х = L
ср '
y = -(Яшн + Rccp • sin (рк) + 0,5 • Beid • tgg та середнiй радiус центра ваги потоку грунту близький до зовшшнього радiуса Rc ср « RUíH отримаемо кубiчне рiвняння для визначення Lcp:
Lcp • cos
arctg
3 . • Sin cp„
1
tgPK
-■ 008
arctg
3 • >
• Sin
Рв
2 •п
• S•m-
- Lp "R • C0S
arctg
33
3
• sin Рк
+ Кн • Sin Рк • C0S
í
arctg
33
3
• sin Рк
+
Р 1 I (R •p • S R • sin p •p • S „ „ „ , -..i + JÍJL- • S--У - \ шн ' "— + -^шн-r^íjí--0,5 • Beid ■ Кк ■ Кр | = 0,
2 • П tg Рк g
2 •п
2 •п
введене позначення.
де Q =-г—
2 • К2 • К н +32) • Sin2 Рк
Аналогiчно (1) середня вiдстань змiщення грунту у осьовому напрямi дорiвнюе:
Lep =Р• S + Lp • cos
2 • П
(
arctg
3 3
Y
• sin Рк
Умова безперервностi потоку грунту для останнього витка мае вигляд
Ров •3М =(F • Rc R,
(4)
(5)
(6)
де
К. -
площа поперечного перерiза призми накопичення грунту напроти останнього
витка; (К • Яс) - фактичний добуток площi поперечного перерiзу потоку грунту та равдуса центра ваги грунту, що вiдповiдае цiй площi в останньому витку; (0 - кутова швидюсть
обертання шнекового iнтенсифiкатора, що визначаеться з умови не забивання останнього витка.
Рис. 3. Поперечний перер1з призми накопичення тарозподы грунту на витках Ш1: а - поперечний перер1з призми накопичення; б - фактичний поперечний перер1з грунту на витках Ш1; в - осереднений поперечний перер1з грунту на витках Ш1
а
б
в
Площа грунту призми накопичення напроти останнього витка Ш1:
Ра.е = \к + {(ве1д - 0,5. Ь^)-5 ]■ -^1 + 0,5.52- ^. (7)
^ в.срв.ср
Тодi постае питання за фактичним числовым значенням (р ■ Яс) визначити форму поперечного перерiзу грунту у просторi останнього витка, яка характеризуемся геометричними параметрами 5', Я' та р .
Мшмальна кутова швидкiсть ®0т;п з умови незабивання останнього витка шнекового штенсифшатора:
+ 11« мч , I ч К'Кр 1 ^ С2 К'Кр
(5.\К + [(ве,д -0,5.Ьвср)-5].+ 0,5.^
в.ср
0тт
[Р-К Г [Р-Я- ] ' (8)
де [р. Яс ] - граничне значення добутку, що вiдповiдае не забиванню останнього витка
(методику визначення див. [7]).
Для визначення силових та енергетичних параметрiв робочого процесу шнекового штенсифшатора необхiдно визначити параметри середньо! площi поперечного перерiзу грунту Рср у просторах витюв (рис. 3, в).
Умова безперервностi потоку мае вигляд:
РХ.3М = 1е-Рр-Зсхр , (9)
де ¿с сР - лiнiйна швидкiсть центра ваги грунту iз середньою площею
В
поперечного перерiзу Рср ; Zв = ~^Т" - кшьюсть виткiв; Зм - швидкiсть руху бульдозера.
Загальна площа поперечного перерiзу грунту, що транспортуеться у напрямку руху базово! машини при сталому режимi робочого процесу, дорiвнюе:
Рт= К- Вв1д + 0,5. (Ве,д - 0,5.4.ср )2. - 0,125. Ь^ . , (10)
де Кк - товщина в^зувано! стружки грунту; Ввдд - ширина вщвала бульдозера. Лiнiйна швидюсть центра ваги грунту рiвна
¿с.ср =®0. Яс.ср , (11)
де Яс ср - радiус центра ваги грунту iз середньою площею поперечного перерiзу. Фактичний добуток площi та координати центра тяжшня дорiвнюе:
К'&м ^ . В д + 0,5 . (В д - 0,5. Ь )2. - 0,125. Ь -К . (12)
ту вгд ' V вгд ' в.ср' т ' в.ср р
Ве,д '»С Ьв.ср _
Продуктивнiсть робочого процесу з урахуванням взаемоди вiдвала бульдозера, що обладнано Ш1 з грунтом призми накопичення, дорiвнюе:
К.
(рср . Кс ср ) =
Пт = Р^.Зм == к
Вв1д + 0,5. (Вв1д - 0,5. Ьвср)2. - 0,125. Ь^ • Кр
Ьв.ср
¿м. (13)
Баланс потужносп шнекового iнтенсифiкатора при бiчному транспортуванш грунту, що зрiзуеться ножем вщвала бульдозера, мае вигляд:
X N = Крр + Кро,с + Кп + Ктя , (14)
де N- витрати потужносп на розгiн грунту у радiальному напрямку; Nос - витрати потужносп на розгiн грунту в осьовому напрямку; Nn - витрати потужносп на пiдйом грунту;
Nm в - витрати потужностi на подолання сил тертя грунту по поверхш вщвала. Потужнiсть (кВт), що витрачаеться на розгiн грунту в радiальному напрямку:
N = П -у
р. р т Í
<• RLp
рр т ' 2000 де у - густина грунту, кг/м3.
Потужнiсть (кВт), що витрачаеться на розгiн грунту у осьовому напрямку:
3
N = П -у '
р.ос т /
2000
Потужнють (кВт), що витрачаеться на шдйом грунту:
N = П • g^ у
п то/
(К» + RC,P -sin Рк ) 1000
(16)
(17)
Потужностi (кВт), що витрачаються на подолання сил тертя грунту по поверхш вщвала:
N = N' + N" (18)
т.в т.в т.в ' V-1"/
де N'tn в - витрати потужностi на подолання сил тертя грунту по поверхш вщвала вщ
радiального руху грунту; N"tn в - витрати потужносп на подолання сил тертя грунту по
поверхш вщвала вiд осьового руху грунту.
Потужнють (кВт), що витрачаеться на подолання сил тертя грунту по поверхш вщвала вщ радiального руху грунту:
Zв • (Рвц.в + тгр ■ g • COsР • tg5 • «0 • К.ср
N' =-2-
тв 1000
(19)
де Рвц в - вiдцентрова сила, яка дiе на грунт, що контактуе з поверхнею вiдвала; тгр - маса
грунту, яка контактуе з поверхнею вщвала.
Потужнють (кВт), що витрачаеться на подолання сил тертя грунту по поверхш вщвала вщ осьового руху грунту:
n =-
zв •(Рвц.в + тг- g^ cos%)• tg53t
2
Маса грунту дорiвнюе:
S
т =
гр
1000
Рср • Рв • К.ср
• Y
cosa
(20) (21)
де ас.ср = arctg-
2 • п • R
Вiдцентрова сила
- кут пщйому гвинтово! поверхнi Ш1 на радiусi Rc
с.ср
Рвц.в = тгр «0 •Кср або Рвц.в =
Рср • Рв • RlcV • «0 •Y
cosa
З урахуванням (21), (22) потужносп N'me та N"me вiдповiдно дорiвнюють
2
с.ср
N' =
N'' =
Z • y • F • Р • а>г, • R • tg5
в i ср Г в 0 с.ср О
1000•cosa
Zв '/• Рср Рв -Кср 3в 5
Rc.cp «0 + g^ cos
Рв
с. ср
г
1000•cosa
R„
, 2
Рв
с.ср
с.ср «0 + g^
Крутний момент на привщному валу шнекового штенсифшатора:
1000•£N
Мкр =
Енергоемнiсть робочого процесу бiчного транспортування грунту при копанш
I N
Е = ■
(22)
(23)
(24)
(25)
(26)
2
Висновки. 1. З умови безперервносп потоку отримано залежносп значення критично! кутово! швидкост обертання шнекового iнтенсифiкатора вiд швидкост руху базово! машини при копанш грунту.
2. Отримано вираз для обчислення середнього значення осьового змщення грунту.
3. Розроблено баланс потужност шнекового iнтенсифiкатора при бiчному транспортуванш грунту.
ВИКОРИСТАНА Л1ТЕРАТУРА
1. Севастьянов К. М. Исследование энергоемкости процесса экскавации торфа из залежи горизонтальными шнек-фрезами: автореф. дис. ... на здобуття наук. ступеня канд. техн. наук / К. М. Севастьянов. - Калинин : КПИ, 1973. - 23 с.
2. Зенков Р. Л. Машины непрерывного транспорта / Р. Л. Зенков - М. : Машиностроение, 1980. - 303 с.
3. Григорьев А. М. Винтовые конвейеры / А. М. Григорьев. - М. : Машиностроение, 1972.
- 182 с.
4. Баловнев В. И. Исследование работы отвалов с механической интенсификацией / В. И. Баловнев , В. Н. Шкрыль // Строительные и дорожные машины», 1978. - № 4. - С. 24 - 26.
5. Спиваковский А. О. Специальные транспортирующие устройства в горнодобывающей промышленности / А. О. Спиваковский, И. П. Гончаревич. - М. : Недра, 1985. - 129 с.
6. Сухоруков В. С. Снижение энергоемкости транспортирования грунта горизонтальным шнеком / В. С. Сухоруков, А. И. Долгих / В кн.: Проблемы сельскохозяйственной мелиорации в Поволжье. - Саратов, 1984. - С. 167 - 170.
7. Хмара Л. А. Методика расчета винтошнекового интенсификатора на рабочем оборудовании бульдозера / Л. А. Хмара, Р. Н. Кроль, И. А. Соколов, Е. И. Урих // Зб. наук. пр.: Галузеве машинобудування, бущвництво. Вип. 6. Ч. 1. - Полт. держ. техн. ун-т iм. Юрiя Кондратюка, 2000. - С. 75 - 77.
9. Хмара Л. А. Робочий орган бульдозера iз шнековим штенсифшатором / Л. А. Хмара, Р. М. Кроль // Вюник Придншр. держ. акад. бущвниц. та архггект. - Д. : ПДАБА, 2001. - № 12.
- С. 51 - 57.
10. Хмара Л. А. Теоретичш та експериментальш дослщження шнекового штенсифшатора на робочому обладнанш бульдозера / Л. А. Хмара, Р. М. Кроль, I. А. Соколов // Зб. наук. пр.: Вюник УДУВГП. - Рiвне, 2002. - Вип. 5 (18), Ч. 6.- С. 84 - 94.
11. Хмара Л. А. Призначення режимiв роботи шнекового штенсифшатора / Л. А. Хмара, Р. М. Кроль // Сб. науч. тр.: Строительство. Материаловедение. Машиностроение. Серия: Стародубовские чтения. - Д. : ПГАСА, 2003. - С. 230 - 231.
12. Хмара Л. А. Визначення критично! частоти обертання та висоти зависання грунту для шнекового штенсифшатора на робочому обладнанш бульдозера при пошаровш розробщ грунту / Л. А. Хмара., Р. М. Кроль // Сб. науч. тр.: Строительство. Материаловедение. Машиностроение. Серия: Подъемно-транспортные, строительные и дорожные машины и оборудование. - Д. : ПГАСА, 2004. - Вып. 26. - С. 57 - 66.
13. Хмара Л. А. Теоретическое исследование режимов работы шнекового интенсификатора / Л. А. Хмара, Р. Н. Кроль // Интерстроймех - 2005: Тр. Междунар. науч.-техн. конф. - Тюмень, 2005. - Ч. 1. - С. 262 - 266.
УДК 504.064.4:669.181.28
ЭКОЛОГИЧЕСКИ БЕЗОПАСНЫЕ СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ ГРАНШЛАКОВ СИЛИКОМАРГАНЦА И ДОМЕННЫХ ГРАНШЛАКОВ
Н. В. Спильник, асп., С. А. Щербак, д. т. н., проф.
Ключевые слова: экологическая безопасность, эмиссия, тяжелые металлы, шлаки, заполнитель, мелкозернистый бетон
Постановка проблемы. Сегодня, в результате развития научно-технического прогресса, требуется значительный вклад науки в решение актуальных проблем, возникающих при изготовлении строительных материалов, а именно:
