CC BY
28
256
Вестник ХНАДУ, вып. 65-66, 2014
УДК 621.863.2
ЗМЕНШЕННЯ ОПОРІВ ҐРУНТУ ЗУБУ РОЗПУШНИКА В РЕЖИМІ ЗАГЛИБЛЕННЯ РОБОЧОГО ОРГАНА
А.В. Фомін, проф., К.Т.Н., Л.Є. Пелевін, проф., к.т.н.,
Б.М. Мельниченко, асп., М.О. Жмура, студ.,
Київський національний університет будівництва і архітектури
Анотація. Розглянуто особливості робочого процесу розпушників у режимі заглиблення робочого органа. Визначено закономірності опорів ґрунту розпушенню в цьому режимі та в режимі зі збільшеною швидкістю заглиблення робочого органа у ґрунт. Запропоновано конструкцію розпушника, яка забезпечує зменшення опору ґрунту руйнуванню в режимі заглиблення робочого органа.
Ключові слова: розпушник, режим заглиблення, опір ґрунту.
УМЕНЬШЕНИЕ СОПРОТИВЛЕНИЙ ГРУНТА ЗУБУ РЫХЛИТЕЛЯ В РЕЖИМЕ
ЗАГЛУБЛЕНИЯ РАБОЧЕГО ОРГАНА
А.В. Фомин, проф., к.т.н., Л.Е. Пелевин, проф., к.т.н.,
Б.М. Мельниченко, асп., М.О. Жмура, студ.,
Киевский национальный университет строительства и архитектуры
Аннотация. Рассмотрены особенности рабочего процесса рыхлителей в режиме заглубления рабочего органа. Определены закономерности сопротивлений грунта в этом режиме и в режиме с увеличенной скоростью заглубления рабочего органа в грунт. Предложена конструкция рыхлителя, обеспечивающая уменьшение сопротивления разрушению в режиме заглубления рабочего органа.
Ключевые слова: рыхлитель, режим заглубления, сопротивление грунта.
DECREASING SOIL RESISTANCE TO RIPPER TOOTH IN THE PENETRATION
MODE OF THE WORK TOOL
A. Fomin, Cand., Eng. Sc., Prof., L. Pelevin, Cand., Eng. Sc., Prof.,
B. Melnichenko, postgraduate, M. Zhmura, student Kyiv National University of Construction and Architecture
Abstract. The specific features of ripper operation in the penetration mode have been considered. The mechanism of soil resistance to ripping in this mode and under the increased penetration speed of ripper work tool has been specified. The ripper design to decrease soil resistance to ripping in the penetration mode of the work tool has been suggested.
Key words: ripper, penetration mode, soil resistance.
Вступ
Особливістю роботи розпушників є часта зміна глибини різання ґрунту. Це обумовлено кількома факторами. По-перше, при гострому стані наконечників зуб розпушника затягується у ґрунтовий масив, за наявності на
наконечнику площадки зносу - виштовхується з масиву. Для встановлення необхідної глибини різання необхідно виглиблювати чи заглиблювати зуб. По-друге, при розробці неоднорідного за міцністю ґрунтового масиву чи за наявності у ньому твердих включень великих розмірів розпушник може буксувати
Вестник ХНАДУ, вып. 65-66, 2014
257
чи навіть зупинятись. Це призводить до необхідності зменшення глибини різання чи повного виглиблення зуба з наступним його заглибленням. Постійна зміна глибини різання має негативні наслідки: порушується сталий режим роботи розпушника, ускладнюється керування і зменшується продуктивність. Крім того, зміна положення наконечника при заглибленні робочого органа призводить до зміни напрямку дії і величини опорів ґрунту, що також може ускладнити роботу розпушника.
Аналіз публікацій
За даними [1], енергоємність розпушення мерзлих ґрунтів, залежно від їх фізико-механічних властивостей, становить 0,20,66 кВт-год/м3, в той час коли при інших способах розробки цей показник досягає 1-2 кВт-год/м3.
Мета і постановка задачі
Мета роботи полягає у проведенні аналізу роботи розпушників у режимі заглиблення робочого органа (зокрема силових закономірностей цього процесу) для розробки заходів з оптимізації режиму заглиблення.
Швидкість переміщення розпушника може бути взята постійною для кожної передачі, а швидкість заглиблення V3 є функцією швидкості висування штоків гідроциліндрів Vm зміни глибини розпушення і геометричних параметрів навісок (рис. 2).
v3 = f (Vrn, ^ b-c- f, k )■
Рис. 2. Розрахункова схема для кінематичного аналізу режиму заглиблення зуба
Зменшення опорів 5СТ 51ст ґрунту зубу розпушника в режимі заглиблення робочого органа
Траєкторія різання ґрунту в сталому режимі роботи розпушника співпадає за напрямком з траєкторією переміщення машини. У цьому випадку розпушення виконується на постійній глибині з постійним (сталим) кутом різання, а площа у (рис. 1) залежить від величин швидкостей переміщення розпушника Vp і заглиблення наконечника V3.
Рис. 1. Схема до визначення величини кута у відхилення дійсної траєкторії переміщення наконечника від траєкторії переміщення розпушника при заглибленні зуба
Величина кута у (рис. 1) визначається залежністю
ці = arctg
У3.в
Vp + V3.r
де V3 B і V3.r - відповідно вертикальна і горизонтальна складові швидкості заглиблення наконечника. Знак V3 г залежить від конструктивних особливостей навіски розпушника.
У режимі заглиблення робочого органа значення кутів різання і нахилу площадки зносу до дійсної траєкторії переміщення наконечника відрізняються від їх значень у сталому режимі: кут різання зменшується, а кут нахилу площадки зносу збільшується на величину \\j . Зменшення величини кута різання позитивно впливає на процес заглиблення зуба внаслідок зменшення дотичної і зростання нормальної (затягуючої) складових сил опорів ґрунту, що діють на передню грань наконечника.
258
Вестник ХНАДУ, вып. 65-66, 2014
Дотична сила опору ґрунту площадці зносу за збільшення кута її нахилу до траєкторії переміщення наконечника збільшується; при цьому зменшується нормальна сила опору площадці зносу.
Таким чином
2lf cos
l2 + b2 - c2
arccos -
2lb
\
P2
/
Для встановлення особливостей режиму заглиблення робочого органа розпушника ДП-9С з паралелограмною навіскою виконано кінематичний аналіз процесу заглиблення.
Відповідно до розрахункової схеми (рис. 2) координати різальної кромки наконечника визначаються виразами
Відповідно до розрахункової схеми кут а визначається залежністю
3% 9 „
a =-----0-с.-ті.
2
Кут 9 = const, а кути £, і ц визначаються з виразів
XE = d • sin а; Ye = d • cos а,
* k2
q = arccos—
+12-a2 2kl
l2 +d2-f2
11 = arccos------—
2ld
де d - пряма, що з’єднує різальну кромку наконечника з нижнім шарніром кріплення навіски; а - кут між прямою d і вертикальною координатною віссю.
де k - відстань між шарнірами А і D; a довжина ланки АВ.
Таким чином
Значення d і а залежать від ступеня висування штоків гідроциліндрів підйому-опускання зуба.
Із A BED, за теоремою косинусів
3% А k2 +12-a2
a =----0 - arccos---------
2 2kl
l2 +d2-f2
- arccos--------—.
2ld
d = ^Jl2 + f2 -2lf cos Pj.
Відстань l між шарнірами B і D (довжина ведучої ланки BD) за час t після початку заглиблення зуба дорівнює
l = lo -VJ,
де l0 - відстань між шарнірами B і D у положенні, що відповідає початку заглиблення зуба; Vm - швидкість втягування штоків гідроциліндрів.
Горизонтальна V3r і вертикальна V3B складові швидкості заглиблення зуба
V = X • V = і"
За наведеною методикою виконано розрахунки величини кута у для умов роботи
на першій передачі. Цю передачу обрано виходячи з того, що вона забезпечує максимальну силу тяги машини, і на практиці розпушник, частіше за все працює на ній. Результати розрахунків представлено на рис. 3.
Відстань f між шарніром В і різальною кромкою наконечника є величиною постійною (якщо не враховувати укорочення наконечника при зносі). Кут Pj дорівнює
P1 = P P2 ,
причому P 2 = const, a P залежить від довжини ланок ВС, CD і BD
arccos
l2 +b2-c
2
2lb
Рис. 3. Залежності величини кута у від заглиблення зуба розпушника Н (VP = 0,472 м/с)
Вестник ХНАДУ, вып. 65-66, 2014
259
За параметр Н взято відстань від поверхні ґрунтового масиву до різальної кромки наконечника (рис. 2). Для з’ясування закономірностей зміни опорів ґрунту в режимі заглиблення робочого органа виконано відповідні розрахунки для умов розробки фосфоритової руди. У розрахунках використано методику Ю.О. Ветрова [2, 3].
Опір різанню ґрунту гострим наконечником характеризується такими коефіцієнтами і параметрами: шв = 0,92 МПа; шбок = 0,12 МПа;
^бок.зр = 34,03 кН/м. Опір ґрунту площадці зносу шириною ap = 0,025 м з кутом нахилу до траєкторії різання 51ст = 10° визначається параметрами р0 = 74,75 кН/м, hyu = 0,22 м, рум = 443,6 кН/м [2]. Кут різання у сталому
режимі роботи розпушника дорівнює
5СТ = 45°, ширина наконечника b = 0,105 м. Ширина площадки зносу становить a = 0,05 м. Поточні значення кута різання дорівнювали 5 = 5СТ - \рг., кута нахилу площадки зносу до траєкторії різання -51 = 51ст + \|/г-. Кут різання ґрунту по сталі взято рівним ц = 15° .
Вплив величини кута нахилу площадки зносу до дійсної траєкторії різання враховувався за даними [3], відповідно до яких збільшення цього кута на один градус спричиняє збільшення опорів ґрунту в середньому на 5 %.
Аналіз цієї схеми показує, що режим заглиблення робочого органа має таку особливість. Внаслідок відхилення дійсної траєкторії переміщення наконечника від траєкторії пересування розпушника горизонтальна RPy і нормальна RNb складові сил опорів ґрунту залежать від величини дотичних Rp і нормальних RN сил опорів ґрунту наконечнику відносно дійсної траєкторії. Якщо при цьому відбувається збільшення горизонтальної
складової сили опору ґрунту RPy, в порівнянні з цим опором у сталому режимі, то це призводить до зменшення максимально можливої глибини різання.
Розглянемо методику розрахунку сил опорів ґрунту в режимі заглиблення зуба:
1. Поточна глибина різання, м
h =
H
cosy
2. Поточне значення кута різання, град 5 = 5 ст -V .
3. Поточне значення кута нахилу площадки зносу до дійсної траєкторії різання, град
51 _ 51СТ + V.
Схему сил опорів ґрунту, що діють на наконечник, наведено на рис. 4.
Рис. 4. Схема до визначення сил опорів ґрунту, що діють на наконечник: Rp - дотична сила опору ґрунту наконечнику; RN - нормальна сила опору ґрунту
наконечнику; RPr - горизонтальна складова сил опорів ґрунту Rp і RN; RNb -вертикальна складова сил опорів ґрунту Rp і Rn
4. Дотична сила опору ґрунту передній грані дорівнює, кН
RPn г =Ф' mBbh + 2mEOKh + 2mEOK.3Ph,
де ф - коефіцієнт врахування величини кута різання.
5. Нормальна сила опору ґрунту передній грані дорівнює, кН
RNu.t = RPu.r ctg (5 + ^).
6. Дотична сила опору ґрунту площадці зносу в сталому режимі, кН
R
рпл.ст
(
р0 + рум V
h Л
h
hYM
b
a
aP
260
Вестник ХНАДУ, вып. 65-66, 2014
7. Дотична сила опору ґрунту площадці зносу в режимі заглиблення, кН
R„ = R„ k,
чіл чпл.ст ’
де k — коефіцієнт, що враховує значення кута нахилу площадки зносу до дійсної траєкторії переміщення наконечника.
8. Нормальна сила опору ґрунту площадці зносу, Кн
= Чя ctg (51 +^).
9. Дотична сила опору ґрунту наконечнику, кН
Rp = ч.
R
РПЛ .
10. Нормальна сила опору ґрунту наконечнику, кН
Rn Rnпл Rnп г .
11. Г оризонтальна і вертикальна складові сил опорів ґрунту наконечнику, кН (рис. 4)
RP
R
N D
R
Pr
R
NВ
RP cos у - Rn sin у
D . D , пРи rn >0; RP sin у + Rn cos у
RP cosy + \Rn I sin у „ . u, , при Rn < 0.
RP sin у - \Rn I cos у
Результати розрахунків за наведеною методикою представлено на рис. 5.
Рис. 5. Залежності горизонтальної RPr і вертикальної RNb складових сил опорів
ґрунту від заглиблення зуба розпушника для паралелограмної навіски
Аналіз залежностей дотичних сил опорів ґрунту від заглиблення зуба показує, що го-
ризонтальна складова сил опорів ґрунту RPr
буде дорівнювати величині максимальної сили тяги розпушника T (7=275 кН) приблизно за глибини заглиблення робочого органа H « 0,47 м (точка А на рис. 5). Таким чином, максимальна глибина різання ґрунту для заданих умов становить 0,47 м.
Для забезпечення більшої величини заглиблення робочого органа пропонується наведене нижче технічне рішення. Зменшення величини кута у можна досягти збільшенням швидкості пересування розпушника VP і зменшенням горизонтальної складової швидкості заглиблення робочого органа V3r у випадку, коли ця складова має від’ємне значення. Збільшення швидкості VP за рахунок роботи на передачах із більшою швидкістю не є доцільним, оскільки при цьому зменшується сила тяги машини. Пропонується рішення про забезпечення збільшення швидкості пересування тільки робочого органа. Конструктивно це досягається таким чином (рис. 6).
Рис. 6. Конструктивна схема запропонованого навісного пристрою розпушника: 1 -базовий трактор; 2 - опорна рама; 3 - гідроциліндри зміни кута різання; 4 - гідроциліндри зміни глибини різання; 5 -касета; 6 - стояк; 7 - наконечник; 8 - гідроциліндри переміщення каретки; 9 -каретка; 10 - тягова рама; 11 - вісь
Навісний пристрій складається з опорної рами 2, закріпленої на тракторі 1, тягової рами 10, робочого органа у вигляді стояка 6 з наконечником 7 і гідроциліндрів керування.
Вестник ХНАДУ, вып. 65-66, 2014
261
Тягову раму виконано П-подібною з напрямними, в яких встановлено каретку 9 з касетою 5. Робочий орган встановлено в касеті. Робочий орган утримується в касеті двома гідроциліндрами 4, за допомогою яких також змінюється глибина різання. Переміщення каретки відносно опорної рами виконується двома гідроциліндрами 8. Касета утримується в каретці на осі 11 за допомогою двох гідроциліндрів 3. Додаткове призначення цих гідроциліндрів полягає у зміні кута різання. Запропонована конструкція дозволяє змінювати швидкість пересування робочого органа незалежно від швидкості руху базової машини за допомогою гідроциліндрів 8.
Крім того, така конструкція забезпечує можливість вертикального заглиблення робочого органа, за якого відсутня горизонтальна складова швидкості заглиблення. Кут у у цьому випадку буде мати постійну величину. Розрахунки сил опорів ґрунту розпушником із запропонованою конструкцією навіски наведено на рис. 7. У розрахунках взято, що величина додаткової швидкості пересування робочого органа дорівнює швидкості пересування машини, тобто сумарна швидкість робочого органа дорівнює 2VP = 0,974 м/с.
Рис. 7. Залежності горизонтальної і вертикальної складових сил опорів ґрунту від заглиблення зуба розпушника із запропонованою навіскою
Аналіз показує (рис. 7), що запропонована навіска забезпечує збільшення величини максимального можливого заглиблення робочого органа. Для паралелограмної навіски цей показник приблизно дорівнює 0,47 м (рис. 5), для запропонованої - 0,55 м (рис. 7), що забезпечує більшу продуктивність розпушника. Для кількісного порівняння цих показників виконано відповідні розрахунки, які показали, що продуктивність розпушника
із запропонованою навіскою збільшується на 31 % у порівнянні з продуктивністю розпушника із паралелограмною навіскою.
Висновок
У режимі заглиблення робочого органа розпушника траєкторія переміщення наконечника відхиляється від траєкторії переміщення машини. Кількісно відхилення характеризується кутом між траєкторією переміщення наконечника і траєкторією переміщення машини, величина якого залежить від величини швидкостей заглиблення наконечника і пересування розпушника.
У режимі заглиблення робочого органа горизонтальна складова опору ґрунту наконечнику залежить як від дотичної, так і від нормальної сил опорів ґрунту наконечнику відносно траєкторії його переміщення. Це збільшує величину горизонтальної складової опору ґрунту, яка не може перевищувати силу тяги базового трактора. Останньою умовою обмежується величина заглиблення зуба, від якої залежить продуктивність розпушника.
Оскільки горизонтальна складова опорів ґрунту збільшується із збільшенням кута між траєкторіями заглиблення наконечника і переміщення машини, то необхідно конструктивно зменшувати величину цього кута. Для цього запропоновано нову конструкцію навіски, яка забезпечує додаткове збільшення швидкості пересування робочого органа, незалежно від швидкості пересування машини, і вертикальне заглиблення робочого органа.
Порівняльні розрахунки опорів ґрунту для розпушника ДП-9С із традиційною (паралелограмною) навіскою і запропонованою показали, що для прийнятих ґрунтових умов запропонована навіска забезпечує величину максимально можливого заглиблення зуба, більшу на 0,08 м, в порівнянні з цим показником для паралелограмної навіски. Це забезпечує збільшення продуктивності розпушника на 31 %.
Література
1. Захарчук Б.З. Бульдозеры и рыхлители/ Б.З. Захарчук, В.А. Телушкин, Г.А. Шлой-до, А. А. Яркин. - М.: Машиностроение, 1987. - 240 с.
262
Вестник ХНАДУ, вып. 65-66, 2014
2. Ветров Ю.А. Машины для земляных работ
/ Ю.А. Ветров, А.А. Кархов, А.С. Конд-ра, В.П. Станевський. - К.: Вища школа 1981. - 384 с.
3. Вєтров Ю.О. Машини для земляних робіт.
Приклади розрахунків: навч. посібник / Ю.О. Вєтров, В.В. Власов. - К.: ІСДО, 1995. - 304 с.
4. Фомин А.В. Повышение эффективности
гусеничных рыхлителей путем ограничения износа наконечников: автореф. дис. на соискание учен. степени канд. техн. наук: 05.05.04 «Дорожные, строи-
тельные, подъемно-транспортные машины» / А.В. Фомин. - К., 1986. - 22 с.
5. Фомін А.В. Стабілізація режиму заглиблення робочого органа розпушника / А.В. Фомін, Л.Є. Пелевін, Б.М. Мельниченко // Весник ХНАДУ: сб. науч. тр. -2012. - Вып. 57. - С. 177-179.
Рецензент: Є.С. Венцель, професор, д.т.н., ХНАДУ.
Стаття надійшла до редакції 17 квітня 2014 р.
