CC BY
38
№ 11 - 12 листопад - грудень 2011
Висновки. У ході роботи розроблена і реалізована в програмі MATLAB блок-схема математичної моделі процесу тепловологої обробки виробів із ніздрюватого бетону. Також запропоновано регулятор, за допомогою якого здійснюється регулювання температурного режиму обробки ніздрюватобетонних виробів в автоклаві. Побудова математичної моделі та введення регулятора дозволяють поліпшити якість процесу тепловологої обробки, внаслідок чого забезпечити необхідну міцність ніздрюватобетонних виробів.
ВИКОРИСТАНА ЛІТЕРАТУРА
1. Бушуев С. Д., Михайлов В. С. Автоматика и автоматизация производственных процессов: Учебник для вузов. - М. : Высшая школа, 1990. - 256 с.
2. Дьяконов В. MATLAB6: Учебный курс, СПб : Питер. - 2002. - 528 с.
3. Дьяконов В. Simulink 4. Специальный справочник, СПб : Питер. - 2001. - 592 с.
4. Нечаев Г. К., Пух А. П., Ружичка В. А. Автоматизация технологических процессов на предприятиях строительной индустрии. - К. : Высшая школа, 1979. -280 с.
5. Ткачев В. С., Ужеловський В. А. Применение информационных технологий для совершенствования управления электрической печи сопротивления // Вісник Придніпровської державної академії будівництва та архітектури. -Д. : ПДАБА, 2007. - № 4. - С. 45 - 50.
6. Численные методы решения строительно-технологических задач на ЭВМ: учебник / под ред. В. А. Вознесенского. - К. : Вища шк., 1989. - 328 с.
УДК. 624.134.1::168.1
ТЕОРЕТИЧНЕ ВИЗНАЧЕННЯ СИЛОВИХ ТА ЕНЕРГТИЧНИХ ПАРАМЕТРІВ РІЗАННЯ ГРУНТУ ГВИНТОВИМ РОБОЧИМ ОРГАНОМ
О. І. Голубченко, к. т. н., доц., М. Е. Хожило, асп.
Ключові слова: гвинтовий робочий орган, планувальна машина, опір різання ґрунту, руйнування ґрунту, ґрунтова стружка
Актуальність проблеми. В Україні щорічне збільшення транспортних потоків вимагає значного зростання обсягів дорожнього будівництва [1]. У той же час будівництву нових доріг та реконструкції існуючих сприяє проведення в Україні Євро-2012. Якість виконання дорожніх робіт значною мірою залежить від планування земляного полотна на заключному етапі виконання земляних робіт.
Головною перевагою виконання планувальних робіт машинами безперервної дії є можливість розподілення ґрунту по поверхні під час зрізання нерівностей та засипання впадин або безперервне зрізання ґрунту та його транспортування за межі робочої машини.
Постановка проблеми. Для виконання планувальних робіт на землерийно-транспортних машинах безперервної дії широко використовуються активні гвинтові робочі органи з різальним ножем на зовнішньому боці гвинтової поверхні. Їх переваги полягають у можливості зрізання ґрунту та його осьового переміщення, отримання значної ширини виконання робіт на похилих поверхнях, а також у зменшеній матеріалоємності порівняно з робочими органами статичної дії.
Для обґрунтування раціональних параметрів гвинтових робочих органів для різання ґрунту потрібно мати залежності для визначення опору різання ґрунту, енергоємності робочого процесу, а також показника, який враховує якість виконання планувальних робіт. Слід відзначити, що основне навантаження на планувальне гвинтове робоче обладнання виникає у процесі зрізання ґрунту, який відрізняється від різання ґрунту робочими органами традиційних землерийно-транспортних машин, таких як бульдозер, автогрейдер тощо.
Мета статті. Отримати теоретичні залежності для визначення опору різання ґрунту та енергоємності робочого процесу гвинтового робочого органа планувальної машини.
Аналіз публікацій. На сьогоднішній день близькою за суттю проблематикою займалися вчені В. І. Баловнєв [2], Л. В. Красильников [3; 4], Е. В. Куриллов [5] та інші. В опублікованих працях містяться поодинокі викладки матеріалу, пов'язаною з методиками визначення опору прямолінійного різання ґрунту косим ножем.
Виклад основного матеріалу. Об’єм зрізаного ґрунту гвинтовим робочим органом залежить від його частоти обертання n та швидкості руху базової машини VM при постійній
58
Вісник ПДАБА
ширині В. Частота обертання при заданому діаметрі D робочого органа визначає лінійну колову швидкість V0 різальної кромки робочого органа. На рисунку 1 надана розрахункова схема, визначення об’ємів зрізаного та незрізаного ґрунту. З порівняння схем на рисунку 1, а та 1, б видно, що при FM >> V0 площа поперечного перерізу незрізаного ґрунту (рис. 1 б, фіг. РМК) у напрямі руху базової машини зростає. Його руйнування повинне здійснюватися за допомогою зачисного ножа, який встановлюється позаду робочого органа. Для визначення енергосилових параметрів різання гвинтовим робочим органом потрібно визначити об’єм ґрунту, що зрізується.
Для цього вводимо коефіцієнт врахування об’єму незрізаного ґрунту гвинтовим робочим органом, який дорівнює
К
(1)
де VH - об’єм незрізаного ґрунту гвинтовим робочим органом;
V3 - загальний об’єм зруйнованого ґрунту.
Оскільки ширини зрізаного та незрізаного ґрунтугвинтовим робочим органом рівні між собою, то коефіцієнт КН можна виразити через співвідношення у напрямі руху базової машини площини перерізу незрізаного ґрунту FH до загальної площі зруйнованого ґрунту у напрямі руху базової машини:
Кн = Ff, (2)
*5
б
Рис.1. Схема визначення об’ємів зрізаного та незрізаного ґрунту: а -VM << Vo/ б _Vm >> F0
Таким чином, можна стверджувати, що при швидкому русі базової машини та повільному обертанні робочого органа на поверхні зрізу будуть залишатися значні незруйновані об’єми ґрунту (рис.1, б).
Для трикутника Д ОО^М справедлива рівність
V^t26 = R2 + R2- 2R2cosxP , (3)
де VM - швидкість руху базової машини; t„6 - час одного оберту робочого органа;
R - радіус робочого органа.
З виразу (3) кут ір дорівнює
^ = arccos (і - ^г). (4)
Площа перерізу незрізаного ґрунту
Рн = VM£обД - 0.5Д20/і + simp). (5)
Загальна площа перерізу зрізаного та незрізаного ґрунту
Рэ = VMto6^fc, (6)
де hk - глибина копання грунту.
З урахуванням виразів (5) та (6) коефіцієнт
59
№ 11 - 12 листопад - грудень 2011
1-
0.5Я
Ум*об
(Ф + SITU/))]
(7)
Залишки ґрунту після його копання гвинтовим робочим органом можна охарактеризувати висотою [h] гребенів незрізаного ґрунту (рис.1), яка не перевищує [/і] < (0,05 ... 0,1)/гк.
Висота
[h]=R-R 1-
4R2 '
(8)
Мінімальна кутова швидкість обертання гвинтового робочого органа, яка відповідає прийнятому значенню [h] дорівнює
(°0тІП = 2VM(2R-M). (9)
Розрахункова схема для визначення геометричних параметрів ґрунтової стружки, що зрізується різальним ножем різально-кидального робочого органа, надана на рисунку 2.
Кут копання /?fc дорівнює
$к = arccos*^. (10)
Площа перерізу ґрунту нормальна до осі обертання робочого органа
Цр ~ Кі^обh-k-
(11)
Рис. 2. Розрахункова схема для визначення геометричних параметрів ґрунтової стружки, що зрізується різальним ножем гвинтового робочого органа
60
Вісник ПДАБА
Площа перерізу ґрунту, у напрямі різальної кромки ножа гвинтової поверхні робочого органа
де а0
17 __ fofc
*с — >
с cos а0
кут нахилу різальної кромки ножа гвинтової поверхні робочого органа:
(12)
а0
= arctg
Рис. 3. Розрахункова схема для визначення елементарних складових опору різання ґрунту одиночним гвинтовим елементом робочого органа
де Т - крок гвинтової поверхні;
D - зовнішній діаметр робочого органа.
Ширина різання ґрунту нормальна до осі обертання.
bp = RPk + VMtоб- (13)
61
№ 11 - 12 листопад - грудень 2011
Ширина різання ґрунту у напрямі різальної кромки ножа гвинтової поверхні робочого органа дорівнює:
Ьс = (КРк + Уміоб)/ cos а0.
Середня товщина ґрунту, що зрізується у напрямі різальної кромки ножа гвинтової поверхні робочого органа:
hep
Fc ^м^об^/е
bc RPk+VMt об
(14)
Розрахункова схема для визначення елементарних складових опору різання ґрунта ножем гвинтового робочого органа надана на рисунку 3.
Елементарна нормальна складова опору різання ґрунту, що діє на елементарну площинку зі сторонами dl та dz, дорівнює
dN = ап- dl- dz, (15)
де ап - нормальне напруження, яке створюється ґрунтом, що зрізується[2].
Зрізаний ґрунт відразу захоплюється гвинтовою поверхнею і транспортується вздовж кола робочого органа, тому зовнішній тиск дорівнює нулю і
on = Ygx + c- ctgp (і - (16)
Рис. 4. Схема дії повних сил опору
62
Вісник ПДАБА
З урахуванням виразу для визначення оп сила dN, діюча на виділений елемент ножа після перетворень та інтегрування
(УВЬcpJ Чр"су 2
N =
hnnbrl LEP}L+c-ctgp(l-j^j
Після інтегрування елементарна дотична складова опору різання ґрунту дорівнює Рої = (1 + ctgap • tg8)hcpbc + с • ctgp (і -Повне значення радіальної складової опору різання ґрунту
Ро2 = (і - tgap • tg8)ctgaphcpbc • + с • ctgp (і -
(17)
(18) (19)
На рисунку 4 надана схема дії повних сил опору на різальну частину одного витка робочої поверхні гвинтового робочого органа.
Сила тертя ґрунту по різальній частині одного витка робочої поверхні гвинтового робочого органа
FTp = N- tgS, (20)
де 8- кут зовнішнього тертя ґрунту.
Осьова складова сили тертя, що діє на один виток робочої поверхні гвинтового робочого органа:
FTpl = N • tgS • sina0. (21)
Нормальна до осі обертання складова сили тертя, що діє на один виток робочої поверхні гвинтового робочого органа:
FTp2 = N -tg 8- cos a0. (22)
Момент від нормальних складових сил тертя, що діють на витки робочого органа, відносно осі обертання:
MTp=z- FTp2 • (R - 0,5/іср),
де z - кількість витків робочої поверхні гвинтового робочого органа.
Осьова сумарна складова опору різання дорівнює:
Щ>с = -Рої — Ртрі>
де Рої - осьова складова дотичної сили різання ґрунту, що дорівнює:
Ро1! = Р0і cos а0.
Загальна горизонтальна складова опору різання:
W01=Z- (p^cos (fjfffc) + +Ртр2 cos(^fc) - P02sin (fjfffc)),
де P02i - нормальна складова дотичної сили різання ґрунту, дорівнює:
Рої = Р0і sina0.
Момент опору на приводному валу робочого органа від сил різання ґрунту дорівнює:
Мк =г-Р^1(й-0,5/іср).
Повний момент опору на приводному валу робочого органа під час копання:
М = Мк + Мтр.
Визначаємо енергоємність руйнування ґрунту від обертання робочого органа:
^ _ 2пМ
к - zhkTto6vM(i-KHy
Енергоємність руйнування ґрунту від поздовжнього руху робочого органа:
Рп =-----—-----.
п ZhkT(l—KH)
(23)
(24)
(25)
(26)
(27)
(28)
(29)
Повнаенергоємність руйнування ґрунту:
Е = ЕК + ЕП. _ (30)
Аналіз теоретичних досліджень із визначення впливу параметрів на опір та енергоємність різання ґрунту гвинтовим робочим органом надано у вигляді графічних залежностей на рисунках 5 - 8.
Слід зазначити, що найбільша енергоємність Е (рис. 5) процесу різання ґрунту гвинтовим робочим органом при сталійглибині копання Нк = 0,2 м відмічається зі збільшенням швидкості пересування базової машини УМ. При цьому діаметр робочого органа майже не впливає на енергоємність. Так, при обертах робочого органа n = 200 хе-1, швидкості пересування УМ = 0,6 м/с робочий орган з діаметром D = 0,8 м має більшу енергоємність, ніж із діаметром
63
№ 11 - 12 листопад - грудень 2011
D=0,6 м, лише на 4 %. Але існує раціональне значення частоти обертання п, після якої значення енергоємності змінюється повільно (рис. 5). Так, при D = 0,8 м та VM = 0,1 м/с після перевищення частоти обертання п робочого органа більш ніж п = 60 хв~!, енергоємність незначно змінюється. Така тенденція характерна і для інших діаметрів робочого органа.
Збільшення діаметра при постійних значеннях п, hK виникає збільшення енергоємності. Це явище пояснюється тим, що збільшується плече дії сил різання та тертя під час виконання робочого процесу.
Виходячи з рисунка 6, можна зробити висновок, що на момент суттєво впливає діаметр робочого органа D. З діаграми видно, що при сталих обертах робочого органа, швидкості пересування, робочий орган з діаметром D = 0,8 м має більший крутний момент, ніж з діаметром D = 0,6 м на 27,4 %. Для двох вищезгаданих діаграм є спільна умова: при збільшенні обертівп робочого органа та зменшенні швидкості пересування РМенергоємність та момент знижуються. Це пояснюється тим, що об’єм зрізаного ґрунту за наведених умов малий.
Z=2;
Y=2000 кг/м;
р=25°;
ар=30°;
5=21°;
Ьк=0,2 м;
D/T=1
D=0,6m;Vm=0,1m/c
D=0,6m;Vm=0,3m/c
D=0,6m;Vm=0,6m/c
D=0,8m;Vm=0,1m/c
D=0,8m;Vm=0,3m/c
D=0,8m;Vm=0,6m/c
n, х-1
Рис. 5. Графік залежності повної енергоємності руйнування ґрунту Е від частоти обертання n
Z=2;
Y=2000 кг/м;
р=25°;
ар=30°;
5=21°;
Ьк=0,2 м;
D/T=1
■ D=0,6m;Vm=0,1m/c
■ D=0,6m;Vm=0,3m/c
■ D=0,6m;Vm=0,6m/c
■ D=0,8m;Vm=0,1m/c
■ D=0,8m;Vm=0,3m/c • D=0,8m;Vm=0,6m/c
20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200
n, х
1
Рис. 6. Графік залежності повного моменту опору на приводному валу М
від частоти обертання n
64
Вісник ПДАБА
Вплив глибини копання hk на енергоємність Е наведений на рисунку 7. Діаграма свідчить про те, що найменша енергоємність спостерігається при співвідношенні D/T = 0,6, а найбільша -D/T = 2 і різниця між ними становить 51 %. Аналіз впливу співвідношення D/T на енергоємність процесу копання, при сталих УМта п, дав змогу встановити, що зі зменшенням кроку гвинтової поверхні Т енергоємність Е підвищується. Пояснюється це тим, що складова сили тертя в площині, нормальній до осі обертання робочого органа, яка виникає в напрямі підйому гвинтової поверхні Т, збільшується.
Графік залежності повного моменту опору на приводному валу M від співвідношення D/T при Нк = 0,2 м показаний на рисунку 8. За однакових умов копання ґрунту і на різних діаметрах робочого органа крутний момент М збільшується на 37 % при D = 0,8 м. У той же час, при обертах приводного вала п = 75 хв~! різниця моменту між діаметрами становить 25 %.
D=0,6 м; Vm=0,3 м/с; n=135 об/хв; Z=2 витки;
у=2000 кг/м;
р=26°;
ар=30°;
5=25°.
> D/T=0,6
■ D/T=0,7
5
* D/T=1
)( D/T=1,5
hk, м
Рис. 7. Графік залежності повної енергоємності руйнування ґрунту E від глибини копання при D = 0,6 м
Z=2;
у=2000 кг/м;
р=25°;
ар=30°;
5=21°.
D=0,6m; Vm=0,1m/c; n=75 об/хв. ^^D=0,6m; Vm=0,3m/c; n=135 об/хв. D=0,6m; Vm=0,6m/c; n=150 об/хв. D=0,8m; Vm=0,1m/c; n=75 об/хв.
0,6
0,75
1,5
D/T
Рис. 8. Графік залежності повного моменту опору на приводному валу M від співвідношення D/T при Нк = 0,2 м
Висновки. 1. Отримано теоретичні залежності для визначення опору різання ґрунту та енергоємності робочого процесу гвинтового робочого органа планувальної машини.
1
2
65
№ 11 - 12 листопад - грудень 2011
2. За теоретичними залежностями прораховані головні енергосилові характеристики гвинтового робочого органа планувальної машини.
3. Побудовано та проаналізовано графічні діаграми отриманих результатів.
ВИКОРИСТАНІ ДЖЕРЕЛА
1. Машини для земляних робіт : навч. посіб. / Л. А. Хмара, С. В. Кравець, В. В. Ничке та ін./ - За заг. ред. Л. А. Хмари та С. В. Кравця. - Рівне - Дніпропетровськ - Харків. - 2010. -557 с.
2. Баловнев В. И. Моделирование процессов взаимодействия со средой рабочих органов дорожно-строительных машин. - М. : Высшая школа, 1981. - 336 с.
3. Красильников Л. В. Исследование лобового и косого резания грунтов при различной высоте рабочего органа: Автореф. дисс. . канд. техн. наук . - Харьков, 1967. - 20 с.
4. Красильников Л. В. Косое резание и копание грунта // Строительные и дорожные машины, 1967. - № 6. - С. 23 - 25.
5. Куриллов Е.В. Косое резание грунта дисковым ножом // Е. В.Куриллов, А. С.Щербаков / Механизация строительства. - 2009. - № 4. - С. 26 - 28.
УДК 539.3
ЧИСЛЕННЫЙ АНАЛИЗ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ ОБОЛОЧКИ ПРИ НЕОДНОРОДНОМ В ОКРУЖНОМ НАПРАВЛЕНИИ ПРОДОЛЬНОМ СЖАТИИ
М. В. Колесников, асп.
Ключевые слова: устойчивость оболочек, неоднородное сжатие, напряженно-
деформированное состояние
Введение. Проблеме устойчивости круговой цилиндрической оболочки под воздействием неоднородного в окружном направлении продольного сжатия посвящено большое число работ [1 - 6]. На сегодняшний день при исследовании устойчивости таких оболочек очевидной является необходимость использования геометрически нелинейной модели выпучивания. Современные расчетные программные комплексы (ПК), базирующиеся на методе конечного элемента (МКЭ), позволяют достаточно точно решать такого рода задачи. Так, результаты численного расчета устойчивости круговой цилиндрической оболочки при неоднородном в окружном направлении осевом сжатии в среде ПК ANSYS находятся в хорошем соответствии с данными эксперимента, что говорит о высокой эффективности комплекса [8].
В то же время напряженно-деформированное состояние (НДС) оболочки при неоднородном продольном сжатии, что непосредственно связано с прочностью рассматриваемых конструкций, изучено недостаточно, в особенности в геометрически нелинейной постановке. В настоящей работе с целью оценки применимости ПК ANSYS для исследования НДС оболочек при неоднородном сжатии проведен расчет тонкостенного цилиндра, результаты испытаний которого представлены в работе [7]. Данные расчета МКЭ сравниваются с экспериментальными данными, а также с результатами расчета методом конечных разностей (МКР). Изучено влияние геометрической нелинейности на величину опасных напряжений рассматриваемой оболочки.
Постановка задачи и методика численного моделирования. В работе [7] приведены результаты экспериментального исследования НДС продольно сжатой гладкой цилиндрической оболочки, подкрепленной по торцам кольцами. Радиус оболочки R = 200 мм, толщина t = 0,5 мм, длина L = 405 мм (относительные параметры: R/t = 400, L/R = 2). Материал - алюминиевый сплав АМГ6 (модуль Юнга Е = 70,6 ГПа, коэффициент Пуассона v = 0,3). На верхний торец оболочки нагрузка передавалась по всему периметру. Нагружение нижнего торца осуществлялось по четырем отрезкам дуг направляющего круга с центральным углом п/6. Располагались участки нагружения с одинаковым шагом по периметру (рис. 1, а). Нагрузка передавалась через специальные крестообразные упругие прокладки. Замеры относительных деформаций производились тензодатчиками с базой 10 и 20 мм при помощи статического измерителя деформации.
66
