Снижение вредного воздействия токсичных веществ на организм человека при работе цепного траншейного экскаватора

УДК 629.331:502.3

СНИЖЕНИЕ ВРЕДНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ ТОКСИЧНЫХ ВЕЩЕСТВ НА ОРГАНИЗМ ЧЕЛОВЕКА ПРИ РАБОТЕ ЦЕПНОГО ТРАНШЕЙНОГО ЭКСКАВАТОРА

М.В. Суковин, В.В. Столяров, Д.С. Алешков

Рассматривается проблема экологичности дизельных двигателей дорожно-строительной техники.

Ключевые слова: отработавшие газы, дизельный двигатель, дорожно-строительная техника, угарный газ, углеводороды, оксиды азота, сажа.

Проблема содержания вредных веществ в отработавших газах является в настоящее время актуальной. Выхлопные газы - отработавшее в двигателе рабочее тело - являются продуктами окисления и неполного сгорания углеводородного топлива. Выбросы выхлопных газов - основная причина превышения допустимых концентраций токсичных веществ и канцерогенов в атмосфере крупных городов, образования смога, являющихся частой причиной отравления в замкнутых пространствах, а так же является одной из предпосылок образования парникового эффекта.

Нормируемыми токсичными компонентами выхлопных газов дизельных двигателей являются угарный газ, углеводороды, оксид азота и сажа.

Применительно к дорожно-строительным машинам содержание вредных веществ в составе отработавших газов дизельных двигателей регламентируются ГОСТ Р 41.96-2005. В табл. 1 приведены нормы содержания вредных веществ, входящих в состав отработавших газов, в зависимости от мощности силовой установки.

Данные компоненты весьма негативно влияют на организм человека. Они могут вызывать отравления и быть причиной хронических заболеваний в случае превышения предельно допустимых концентраций в атмосфере.

Угарный газ очень опасен, так как не имеет запаха и вызывает отравление и даже смерть. Оксид углерода - продукт неполного сгорания топлива. На воздухе горит синим пламенем с образованием диоксида углерода (углекислого газа). Токсическое действие монооксида углерода основано на том, что он связывается с гемоглобином крови прочнее и в 200—300 раз быстрее, чем кислород. Тем самым вытесняя из крови кислород. Углеводороды обладают выраженным действием на сердечно-сосудистую систему и на показатели крови. Оксиды азота раздражающе воздействуют на слизистые оболочки глаз, носа, разрушают легкие человека, так как при движении по дыхательному тракту они взаимодействуют с влагой верхних дыхательных путей, образуя азотную и азотистую кислоты. Как правило,

164

отравление организма человека NOx (оксидами азота) проявляется не сразу, а постепенно, причем каких-либо нейтрализующих средств нет. Что касается сажи, при вдыхании ее частицы вызывают негативные изменения в системе дыхательных органов человека. Если относительно крупные частицы сажи размером 2.. .10 мкм легко выводятся из организма, то мелкие, размером 0,5.2 мкм, задерживаются в легких, дыхательных путях, вызывают аллергию. Как и любая аэрозоль, сажа загрязняет воздух, ухудшает видимость на дорогах, но, самое главное, на саже адсорбируются ароматические углеводороды, в том числе канцерогенный бензапирен [14].

Содержание перечисленных раннее вредных веществ можно уменьшить в составе отработавших газов дизельных ДВС, применяя традиционные методы нейтрализации, устанавливая катализатор на пути следования отработавших газов, применяя термические реакторы и рециркуляцию отработавших газов, электронные системы подачи топлива (Common Rail), а также для нейтрализации оксидов азота используя систему Bluetec.

Применительно к дорожно-строительным машинам, как правило, оснащенным дизельными двигателями, немаловажным фактором, который влияет на состав отработавших газов, является режим работы ДВС.

В качестве рассматриваемой дорожно-строительной техники была выбрана модель цепного траншейного экскаватора ЭТЦ-1616 на базе трактора ОМТЗ-82, выпускаемого Омским заводом транспортного машиностроения и оснащенного дизельным двигателем d-245.5. Техническая характеристика двигателя говорит о том, что наименьший расход топлива наблюдается на номинальной частоте вращения коленчатого вала равной 1400 об/мин, при этом крутящий момент достигает своего максимума.

Из этого следует вывод, что оптимальным режимом работы является номинальный режим без изменения скоростной характеристики. Изменения скоростной характеристики двигателя цепного траншейного экскаватора приведет к увеличению вредных выбросов. Основной причиной отклонения от номинального режима работы ДВС являются постоянно изменяющиеся грунтовые условия и, как следствие, несвоевременная реакция на изменяющуюся ситуацию человека-оператора.

Для решения данной проблемы предлагаем оборудовать ЦТЭ адаптивной системой управления перераспределения мощности.

С внедрением системы управления содержание вредных веществ в составе отработавших газов будет минимально постоянным, напряженность трудового процесса человека-оператора перейдет из вредного класса условий труда первой степени 3.1 в допустимые условия труда класса 2, а также немаловажным эффектом от внедрения предлагаемой системы являются увеличение производительности ЦТЭ и снижение расхода топлива.

За основу взята идея оптимального перераспределения мощности между 2 потребителями: движителем и рабочим органом. С датчиков информационных параметров, установленных на гидромоторах, а именно с датчиков вращения, и датчиков моментов информация поступает в блок управления, где происходит обработка параметров рабочего процесса и формируется управляющее воздействие на исполнительные элементы системы в соответствии, с разработанным алгоритмом, представленном на рис. 1. Если производительности рабочего органа П1 и движителя П2 не равны или суммарная мощность рабочего органа И1 и движителя И2 не равны мощности двигателя Идв, то подаются управляющие сигналы на гидромоторы рабочего органа q1 и движителя д2 .

Рис. 1. Алгоритм работы системы управления

Проведен анализ РП ЦТЭ и представлена совокупность математических моделей отдельных подсистем, на основании которых составлена обобщенная математическая модель РП ЦТЭ. Обоснован критерий эффективности РП ЦТЭ:

Е =

N

П

П

где Е - энергоемкость рабочего процесса ЦТЭ; NП - потребляемая мощность; П - производительность ЦТЭ.

Входными параметрами обобщенной математической модели РП ЦТЭ являются:

- заданная глубина копания;

- возмущающие воздействия со стороны силы реакции разрабатываемого грунта на рабочий орган (РО) и на элементы ходового оборудования (ХО) базовой машины со стороны микрорельефа.

Выходными параметрами обобщенной математической модели РП ЦТЭ являются:

- текущее значение потребляемой мощности;

- текущее значение производительности ЦТЭ;

- энергоемкость РП ЦТЭ.

С учетом неравномерного прямолинейного движения, вызванного воздействиями на элементы ХО неровностей микрорельефа и силы реакции разрабатываемого грунта на РО, суммарный момент сил сопротивления, приложенных к валу ДВС, описывают уравнениями

Мс = МРО + Jpo ^+M ХО + J ХО - M е;

ш ш

Мро = Мм ЙЛь

МхО = Мм 2'2Л2;

м е =

где МC - суммарный момент сил сопротивлений, приложенных к валу ДВС; МХО - момент сил сопротивления качению трактора; МРО - момент, возникающий от сил сопротивления копания грунта; М@ - приведенный к валу трактора момент сил сопротивления, возникающий от движения трактора под уклон; JРО - момент инерции РО; JХО - момент инерции ходового оборудования; юМ1 - угловая скорость гидромотора вала рабочего органа; юМ2 - угловая скорость гидромотора вала ходового оборудования; ММ1 -крутящий момент на валу гидромотора РО, ММ2 - крутящий момент на валу гидромотора движителя; ¡1,12 - передаточные отношения трансмиссий РО и движителя, соответственно; ц2 - коэффициент полезного действия (КПД) трансмиссий РО и движителя, соответственно; ОцТЭ - сила веса ЦТЭ; гк - радиус колеса; в - угол наклона поверхности грунта, относительно горизонтальной плоскости.

Рабочий процесс ДВС совместно с регулятором числа оборотов

описывается выражениями:

JдЮд = Мд

Мд

шг" + Птр2 + Е

где Jд - момент инерции ДВС, Мд - активный момент на валу ДВС; юд -угловая скорость вала ДВС; Мдмщ (ю) - момент ДВС при минимальной подаче топлива, соответствующей холостому ходу; М2 - приращение мо-

167

мента при максимальной подаче топлива; z - перемещение муфты регулятора, отсчитываемое от положения максимальной подачи топлива; m -приведенная к муфте масса всех подвижных частей регулятора; иТР - коэффициент вязкого трения; FH - сила предварительного натяга пружины, приведенная к муфте; A(z)- коэффициент поддерживающей силы, сПР -жесткость пружины регулятора.

В процессе работы ЦТЭ ходовое оборудование взаимодействует с рельефом грунтовой поверхности, неровности которой приводят к стохастическим вертикальным и угловым перемещениям ЦТЭ и РО при движении машины. Для моделирования микрорельефа левой и правой колеи в работе использовалась корреляционная функция, определяемая выражением

R(t ) = s2ye ~a М Tl,

где sy - среднеквадратическое отклонение исходного микрорельефа; ам, -коэффициент затухания функции; т - время корреляции.

При составлении программы на персональном компьютере микрорельеф был сглажен по пятну контакта шины с микрорельефом:

1 i+k усг (m) = — • x y(i\

x0 m=i-k

где ycr(m) - ординаты сглаженного микрорельефа; k = 0,5(x0 - 1); x0 - интервал усреднения; y(i) - ординаты несглаженого микрорельефа.

Математическая модель взаимодействия ХО с грунтом описана в соответствии с зависимостями, предложенными в работах В.Г. Зедгенизо-ва, А.Н. Стрельникова

\п

d k = Л

Fk

+ B

Gki + F cos p )

I Gkl + F cos p

Fk

Vz =wm 2(1 -d к ;

l3

Rk = Fk =y (Gkl + Fcosb) + Rh;

ММ 2 = rk (y (Gk1 + F cos b) + rh >3,

где dk - коэффициент буксования; Fk - суммарная сила сопротивления, приложенная к ЦТЭ; A,B,n - эмпирические коэффициенты, зависящие от свойств грунта и протектора; GKi - составляющая силы веса ЦТЭ, приходящаяся на заднюю ось машины; V2 - скорость передвижения базовой машины; гк - радиус колеса; RK - горизонтальная сила реакции на колесе; Мк - активный момент сил на валу заднего моста; F - сила реакции разраба-

тываемого грунта на РО; у - коэффициент сцепления ЯН - сила сопротивления перемещению зачистного башмака; ¡3 - передаточное отношение редуктора, устанавливаемого между осью заднего моста и гидромотором движителя.

Система уравнений, описывающая работу движителя с учетом изменения радиуса колеса, можно записать в виде

/ = —— [Vшу +сшУ - q(t)];

шК

гк =г - уст - усг ,

где шК - масса, приходящаяся на ось колеса; - коэффициент демпфирования шин; сШ - жесткость шин; q(t) - сила, возникающая в результате воздействия неровностей микрорельефа на ХО; г - свободный радиус колеса; уСТ - статический прогиб колеса под нагрузкой; у - вертикальная координата перемещения оси.

Геометрические связи звеньев ЦТЭ описываются уравнениями

К -

Кб -

.. узл + узп . у 3 -—2—;

у = у пл + упп . у п - 2 ;

У РО - (1 - КБ ) У П + КБ У л , где КБ - коэффициента базы; Ь - длина базы ЦТЭ; Ь1 - расстояние от оси передних колес до режущей кромки РО, формирующей дно траншеи; уРО -изменение глубины копания ЦТЭ в инерциальной системе координат в результате воздействия неровностей микрорельефа; уПП - высота неровностей микрорельефа под передним правым колесом; уПЛ - высота неровностей микрорельефа под передним левым колесом; у3П - высота неровностей микрорельефа под задним правым колесом; у3Л - высота неровностей микрорельефа под задним левым колесом.

Анализ силы реакции разрабатываемого грунта на РО ЦТЭ показал, что сила реакции может быть представлена как случайный процесс.

В связи с этим в данной работе сила реакции разрабатываемого грунта на РО в соответствии с работами Д.И. Федорова и Б.А. Бондаровича представлена как сумма двух составляющих, низкочастотной (тренда) и высокочастотной (флюктуации):

^ - ^ т + F ф,

где Г - сила реакции разрабатываемого грунта на РО; Fт - низкочастотная составляющая силы реакции (тренд); Гф - высокочастотная составляющая силы реакции (флюктуация).

Корреляционные функции флюктуации: при копании грунтов РО ЦТЭ аппроксимированы выражением

Дф(т) = аф -е

-out

Ф11К\

cos(p0 I хк I):

где оф - среднеквадратическое отклонение силы реакции; аф и рф - коэффициенты затухания и периодичности корреляционной функции; тк- время корреляции.

Математическая модель низкочастотной составляющей (тренда) была представлена расчетной схемой (рис. 1) и описана в соответствии с теорией копания, разработанной Н.Г. Домбровским и дополненной И.А. Недорезовым и В.Г. Зедгенизовым:

К = к/106+1;

|il =£/106+0/7;|i2 = /г/106 +03;

щ =Л:/106 +0,3;р = /г/103 +1500;

гт n ( Fícosa

Н - J-cosa-a;p = arctg ---

^ V[ • sin a + V2

L = H / cos a; h = / • cos(a + (3); y = arctgy\;

F0l=kBh^;F02=^F0l;

F03 = V^021 = ^03 sin(a + (3 - y);

F2 = hBL3AEpKg(\i2 sin a + cosa);

^3=^02^1 sin(a + p);

V2.

F4 = gwBL3AEpK2e

Vi

1

— + + ¥2 + ¥ъ + 5

где К - коэффициент разрыхления; к - коэффициент силы удельного сопротивления резанию; //ь //2 - коэффициенты силы трения о грунт соответственно РО и грунта; ц/1 - коэффициент пропорциональ-ности; р - плотность грунта; Я - глубина траншеи; 3- длина РО; а - угол наклона РО к вертикали; а - расстояние от точки крепления РО до поверхности грунта; (3 - угол наклона траектории движения скребков к горизонту; У2 - соответственно скорости цепи и машины; ЬЗАБ - длина забоя; Ь - толщина стружки; у - угол между поверхностью забоя и направ-лением вектора силы сопротивления резанию; ¥02 ~ касательная и нормальная составляющие вектора силы сопротивления резанию; - сила сопротивления резанию; В - ширина траншеи; / - расстояние между скребками; g - ускорение свободного падения; - сила собственного сопротивления РО; ^ - проекция силы сопро-

тивления резанию на траекторию движения цепи; Р2 - сила сопротивления грунта транспортированию на поверхность; Г3 - сила трения РО о грунт; Г4 - сила сопротивления формированию грунтового отвала; ^ - суммарная сила сопротивления копанию; w - коэффициент силы сопротивления грунта транспортированию; е - длина пути транспортирования грунта.

Рис. 1. Расчетная схема взаимодействия рабочего органа с грунтом

Момент сил, возникающий на валу гидромотора РО от сил сопротивления копанию, определяется как

ММ1 =

где тг - радиус звездочки РО; 14 - передаточное отношение редуктора, устанавливаемого между РО и гидромотором РО.

Для каждого из элементов, входящих в гидрообъемную трансмиссию, была составлена своя математическая модель, представляющая собой систему дифференциальных и алгебраических уравнений, а затем в результате композиции была найдена система уравнений, описывающих гидрообъемную трансмиссию машины в целом.

Гидронасосы представлены уравнениями

рн _ р + мнцон/ян ;

п _ Я н ю н Л мн .

Ун _---;

2р

Ю н _ Ю ДIР,

где ун - подача насоса; ян - рабочий объем насоса; юн - угловая скорость вала насоса; Мн - крутящий момент на валу насоса; Р], Рн - давления соответственно на входе и выходе; цОнн, ЦМнн - КПД насоса соответственно объемный и гидромеханический; ¡Р - передаточное отношение редуктора, устанавливаемого между ДВС и гидронасосом.

Математическая модель гидромотора описана уравнениями

ММ = ЧММ еММ (РМН - РМС У^мм - -1М М; м = ОМЧОМ А2щММ еМ); еМ = Чы1 ЯММ ,

где 0М - расход гидромотора; дММ - максимальный рабочий объем гидромотора; цМ - рабочий объем гидромотора; еМ - параметр регулирования; ыМ - угловая скорость вала гидромотора; ^ - момент инерции вращающихся масс, приведенный к валу гидромотора; ММ - крутящий момент на валу гидромотора; РМН, РМС - давления соответственно на входе и выходе; цОм, пММ - КПД гидромотора соответственно объемный и гидромеханический.

Гидролиния представлена уравнениями

0М = 0Н--РН кУПР.ТР;

ш

Рн = Рм +1

2 л5

р ё^тр

2

8уЬтр (Он + Ом Г Он + Ом

2

где 0Н ,0М - расходы рабочей жидкости соответственно на входе и выходе из сливной гидролинии; Рн ,РМ - давления соответственно на входе и выходе из сливной гидролинии; ШТР - диаметр гидролинии; ЬТР - длина гидролинии; у - удельный вес рабочей жидкости; ё - ускорение свободного падения.

Математическая модель соединения гидролиний

Ртс=2 •

• Ус 2 С 2 • Ус 2

РСТ1 + РСТ 2--2 • 0СТ1--2 • 0СТ2

2 • ё • 5 2 • ё • ^2

°ТС = °СТ 1 + 0СТ 2, где РСТ1,РСТ2 - давления жидкости входных гидролиний; 0СТ1,0СТ2 - расходы жидкости входных гидролиний; РТС, 0ТС - соответственно давление и расход в выходной гидролинии; СьС2 - коэффициенты гидравлических сопротивлений гидролиний: Б1, Б2 - площади проходных сечений входных гидролиний.

Вычисление производительностей и мощностей на РО и ХО производятся по зависимостям

П1 = 3600ЬсНУ1г;

П2 = 3600 БИУ 2;

Мм 1М 1141.

N = N 2 =

2р

ММ 2ЮМ 2г2Л2

2р

где Ьс - ширина скребка; г - количество скребков находящихся в забое.

172

Для реализации эксперимента была составлена математическая модель рабочего процесса цепного траншейного экскаватора и проведен машинный эксперимент в среде МАТЬАВ с пакетным расширением БипиПпк.

Анализ полученных теоретических значений параметров рабочего процесса с внедрением системы управления перераспределения мощности показал, снижение вредных веществ в отработавших газов:

-содержания угарного газа снизилось в отработавших газах на 12 %; -содержания оксидов азота 14,5 %; -содержания углеводородов на 19 %; -содержания сажи на 8 %.

Из рис. 2 и 3 следует, что потребляемая мощность стремится к мощности, вырабатываемой двигателем в номинальном режиме, при этом производительность достигает своего максимального значения при заданных грунтовых условиях.

60 55

50 45 40

О 20 40 60 ис 100

Рис. 2. Зависимость потребляемых мощностей цепным траншейным экскаватором, оснащенным устройством управления и не оснащенным Л^

600 550 500 450 400

О 20 40 60 г,с 100

Рис. 3. Зависимость производительностей цепного

траншейного экскаватора, оснащенного устройством управления Пс и не оснащенного ПЕ

Из этого следует вывод, что при использовании системы управления гидрообъемной трансмиссией цепного траншейного экскаватора количество вредных веществ в отработавших газах снижается.

173

N0, ¿У&кВт

КлД

1М/ \ АГ ^«¡УЧ/ и ^ ^ V

V

Пс,Пб, м /час

тт/ У ЛгС /Пс

№ * V Ал Л

Список литературы

1. Баловнев В.И., Хмара Л.А. Повышение производительности машин для земляных работ: производств. издание М.: Транспорт, 1992. 136 с.

2. Галдин Н.С. Гидравлические машины и объемный гидропривод: уч. пособие. Омск: СибАДИ, 2007. 257 с.

3. Гуськова Т.А. Токсикология лекарственных средств. М.: Рус. врач, 2003. 154 с.

4. Галдин Н.С. Элементы объемных гидроприводов мобильных машин. Справочные материалы: учеб. пособие. Омск: Изд-во СибАДИ, 2005. 127 с.

5. Денисов В.П. Оптимизация тяговых режимов землеройно-транспортных машин: дис. ... д-ра техн. наук. Омск: СибАДИ, 2006. 261 с.

6. Домбровский Н.Г., Гальперин М.И. Землеройно-транспортные машины. М.: Машиностроение, 1965. 276 с.

7. Зедгенизов В.Г. Теоретические основы создания машин для прокладки гибких подземных коммуикаций: дис. ... д-ра. техн. наук. Иркутск: ИрГТУ, 2004. 232 с.

8. Колякин В.И. Совершенствование планировочных машин на базе промышленных тракторов с целью повышения точности разработки грунта: дис. ... канд. техн. наук. Омск, СибАДИ, 1991. 249 с.

9. Корчагин П. А. Совершенствование одноковшового экскаватора с целью снижения динамического воздействия на рабочее место человека-оператора (на примере экскаватора второй размерной группы): дис... канд. техн. наук. Омск: СибАДИ, 1997. 188 с.

10. Корытов М.С. Теоретические основы измерения массы материала в ковше и запаса устойчивости фронтального погрузчика: дис... канд. техн. наук. Омск: СибАДИ, 1999. 246 с.

11. Кузин Э.Н. Повышение эффективности землеройных машин непрерывного действия на основе увеличения точности позиционирования рабочего органа: дис. ... д-ра. техн. наук М.: ВНИИСДМ, 1984. 443 с.

12. Мещеряков В. А. Адаптивное управление рабочими процессами землеройно-транспортных машин: дис. ... д-ра. техн. наук. Омск: СибАДИ, 2008. 303 с.

13. Моделирование взаимодействия скребкового рабочего органа цепного траншейного экскаватора с грунтом / И. А. Недорезов, В.Г. Зедгенизов, А.Н. Стрельников, С.А. Гусев // Строительные и дорожные машины. 2002. №12. С. 24 - 26.

14. Плетенева Т.В. Токсикологическая химия: учебник для вузов. 2-е изд., испр. М.: ГЭОТАР - Медиа, 2006. 512 с.

Суковин Михаил Владимирович, канд. техн. наук, доц., stolyarovbgd@rambler.ru, Россия, Омск, Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия,

Столяров Владимир Владимирович, канд. техн. наук, доц., stolyarovbgd@rambler.ru, Россия, Омск, Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия,

Алешков Денис Сергеевич, канд. техн. наук, доц., stolyarovbgd@rambler.ru, Россия, Омск, Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия

REDUCE THE HARMFUL EFFECTS OF TOXIC AGENTS ON HUMAN BODY AT WORK

OF THE CHAIN TRENCHER

M.V. Sukovin, V.V. Stolyarov, D.S. Alyosha

The ecological diesel engines of road construction equipment is discussed.

Key words: exhaust fumes, diesel engine, road construction machinery, carbon monoxide, hydrocarbons, nitrogen oxides, carbon black.

Sukovin Mikhail Vladimirovich, candidate of technicale scinses, docent, stolya-rovbgd@rambler.ru, Russia, Omsk, Siberian State Automobile and Highway Academy,

Stolyarov Vladimir Vladimirovich, candidate of technicale scinses, docent, stolya-rovbgd@rambler.ru, Russia, Omsk, Siberian State Automobile and Highway Academy,

Aleshkov Denis Sergeevich, candidate of technicale scinses, docent, stolyarov bgd@rambler.ru, Russia, Omsk, Siberian State Automobile and Highway Academy