Методика исследования режимов резания грунта баровыми землерезными машинами и обработка опытных данных

ИЗВЕСТИЯ

ТОМСКОГО ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО

ИНСТИТУТА имени С. М. КИРОВА

Том 129

О. Д. АЛИМОВ, И. Г. БАСОВ, Ф. Ф. ЗЕЛИНГЕР, В. Г. ЮДИН, Э. И. ЛИСОВСКИЙ

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ РЕЖИМОВ РЕЗАНИЯ ГРУНТА БАРОВЫМИ ЗЕМЛЕРЕЗНЫМИ МАШИНАМИ И ОБРАБОТКА

ОПЫТНЫХ ДАННЫХ

Применяемые в практике баровые землерезные машины отличаются количеством, размерами и режимами работы исполнительных органов, устройствами для заводки бара в грунт, мощностью двигателей [1—6]. Эти машины работают и испыты-ваются в различных условиях. Поэтому данные о их производительности в большинстве случаев несопоставимы. Очень многие вопросы, связанные с выборов оптимальных режимов работы баровых машин, остаются нерешенными или недостаточно достоверными. Например, нет ясности, какими должны быть по величине целесообразные скорости движения режущей цепи, скорости, подачи и в какой взаимосвязи их необходимо применять. Это обусловливает необходимость проведения специальных исследований, которые позволили бы определить рациональные режимы работы существующих баровых машин -и наметить пути их дальнейшего совершенствования и создания.

В данной работе освещается методика исследования режимов резания грунтов баровыми исполнительными органами землерезных машин.

Основываясь на опыте создания и эксплуатации врубовых машин в шахтах при резании углей и учитывая .мощности двигателей современных тракторов и тягочей, которые могут быть применены для создания баровых машин, исследование режимов работы землерезных машин необходимо провести при изменении их параметров в следующих пределах [1]:

1) скорость резания от 0,4 до 3,0 ч- 5,5 м/сек\

2) скорость подачи от 0,2 до 3,0 -г- 4,0 м/мин;

3) усилие подачи от 200 300 до 5000 10000 кг;

4) глубина врубовой щели от 0,4 до 2,0 м;

5) угол наклона бара к горизонту от 20° до 90°.

6) ширипа прорезаемой щели от 0,12 до 0,14 м.

Результаты исследований режимов работы баровых исполнительных органов должны уточнить существующие представления о процессе разрушения мерзлых грунтов при резании цепными исполнительными органами; необходимых затратах мощности на протягивание цепи при различных скоростях подачи и резания; усилиях подачи при различных скоростях подачи и резания; затратах мощности на привод режущей части и на перемещение баровой установки; износе зубков и его влиянии

г. '

? ; - *

* ;

! 2

I

на усилия подачи, протягивания цепи и затраты мощности; процессе удаления штыба из врубовой щели, затраты мощности на вынос штыба при различных режимах работы цепного исполнительного органа.

Для исследования режимов резания мерзлых грунтов следует выбирать грунты, не содержащие включений гравия и других скальных пород. Это позволит точнее определить исследуемые параметры и исключить ошибки, которые могут возникнуть при резании баровым исполнительным органом твердых включений, значительно отличающихся но физико-механическим свойствам от однородного мерзлого грунта.

Экспериментальная установка

Для исследования режимов резания мерзлых грунтов в Томском политехническом институте создана экспериментальная установка с баровым исполнительным органом, получившая название «Мороз». Установка «Мороз» (рис. 1) создана на базе траншейного экскаватора типа

Рис. 1. Общий вид установки для резания мерзлых грунтов.

ЭТУ-353, с шасси которого снято рабочее оборудование и верхняя рама с бункером [4]. На освободившуюся раму экскаватора установлена режущая часть врубовой машины типа КМП (рис. 2). Привод режущей части осуществляется от двигателя через вал 1 (рис. 2) коробки скоростей, который при обычной работе экскаватора используется для привода ленточного транспортера. Скорость вращения вала 1 была увеличена путем замены зубчатых колес коробки скоростей с числом зубьев 15 и 28 на зубчатую пару с числами зубьев 21 и 22. Это позволило несколько разгрузить выходной вал 1 и исключить возможность его поломок при передаче наибольшей мощности от двигателя к режущей части машины. Для получения большого числа скоростей движения режущей цепи между валом привода ленточного транспортера коробки передач 2 (рис. 3) экскаватора ЭТУ-353 и ведущим валом редуктора режущей части КМП установлена раздаточная коробка 3 и коробка скоростей 4

2. Зак. 5735. 17

'¿сшеЛ мчовыо или колеса /Ь У -5" б 7 е [ 9 га и 11 13 /V >5\/б и? 18 т 30 г/ 22 23 2.4 2^ 26 27

число 29Ы 29 35 29 26 ?9Ш ♦V 2С 33 20 32 зз ¡яг ч/ <<9 /У /3 32 25 20 /¥ 70

модуль •А 5 5 чЖ ЗЛ ¿75 У.2\У2 У.2 ч.г 7 7 7 7 9 9 Ьт

Рис. 2. Кинематическая схема привода режущей части землерезной машины

«Мороз»,

автомобиля ЗИЛ-164. Заводка бара в грунт осуществляется с помощью гидроцилиндра 5, но в отличие от созданных ранее баровых установок [2—6] заводка рабочего органа производится при втягивании штока, то есть при подаче масла в штоковую полость гидроцилиндра.

Для замера мощности и скорости протягивания режущей цепи на установке «Мороз» использована коробка скоростей ЗИЛ-164 (рис. 4), которая подвешена свободно (балансирно) на подшипниках качения, представляя собой редукторный динамометр. На балансирный корпус коробки скоростей действует момент Мр. Этот реактивный момент Мр стремится повернуть корпус коробки вокруг оси, совпадающей с осью первичного и вторичного валов. Зная момент Мр , можно определить момент на валу приводной звездочки исполнительного органа.

Определение момента Мр сводится к измерению усилия, препятствующего вращению коробки. Это уравновешивающее усилие создается с помощью упругого силоизмерителя, в качестве которого использован пружинный динамометр 1 (рис. 2).

Один конец цилиндрической винтовой пружины 2 динамометра закреплен неподвижно, а второй связан с балансирным корпусом и приводит в движение карандаш 3. В результате на ленте 4 самописца регистрируется диаграмма усилия реактивного момента. С помощью двух барабанов 5 лента протягивается с постоянной скоростью.

Коробка скоростей автомобиля имеет устройство для привода валика спидометра. В данном случае это устройство 5 используется для привода тахометра, которым замеряется число оборотов выходного вала коробки скоростей. После соответствующего пересчета определяется скорость вращения звездочки режущего бара.

Усилие подачи режущего органа на грунт находится посредством регистрации давления жидкости в гидроцилиндре 8 с помощью двух манометров 9.

При испытаниях режущая цепь бара набиралась в «елочку» с девятью и семью линиями резания (рис. 5). Число зубков в применяемой

2*. 19)

1

Рис. 3. Принципиальная схема землерезной машины «Мороз:

цепи ие кратно числу зубков в веере. Поэтому цепь состояла из четырех полных и одной неполной «елочки».

Рис. 4. Схема редукторного динамометра.

При исследованиях использовались зубки марки КМЗ-1 с нормальной державкой.

45 § &

V О! «Г

1

—< м -4 >—

3 5

7 9 11 13 Я 17 (9 & 23 25 27

Ъ к &

I 0<

I щ

3 5 7 9 11 /3 Я 17 19 21 23 25 27

</г/сло кулачков

Рис. 5. Схема набора резцов режущей цепи.

Экспериментальная установка «Мороз» имеет следующую техническую характеристику.

Мощность двигателя, л. с. —54;

Глубина прорезаемых щелей в грунте при данном способе крепления бара максимальная, м:

при длине бара 1,9 м

- 1,3

- 1,6

- 2,2

- 1;

при длине бара 2,2 м

при длине бара 2,8 м количество баров, штук ширина врубовой щели в зависимости от конструкции зубцов и цепей, мм

скорость движения режущей цепи (20 скоростей), м/сек скорости перемещения установки: рабочие, м/час

— 20,4; 26,5; 35; 47; 103; 149,5; 186;

— 120—600; — 0,4 до 5,5;

маневровые, км/нас

- 1,28; 1,7; 3,8; 5,2; 6,8;

среднечасовая скорость прорезания щелей в мерзлом грунте, м/час габаритные размеры, м: длина, ширина, высота вес, кг.

— 18—180;

- 7,8; 2,9; 2,5;

— 9900.

Землерезная машина «Мороз» в описанном выше варианте предназначена для исследования режимов резания мерзлых грунтов цепными исполнительными органами. Она также может иметь и промышленное применение. В этом случае снимаются раздаточная коробка и коробка скоростей, а между валом привода ленточного конвейера коробки передач ЭТУ-353 и ведущим валом режущей части устанавливается карданный вал 6 (рис. 3).

Перед началом отсчета исследуемых величин включалась режущая часть машины «Мороз» и бар заводился на необходимую глубину в грунт. Режущая цепь продолжала работать до полного выноса из щели измельченного грунта. Затем рабочий орган выключался.

На диаграмме записи усилия сжатия пружины ставится номер и дата проведения эксперимента.

Запись диаграммы деформации пружины, по которой в дальнейшем определялся крутящий момент и мощность, передаваемая режущему органу, проводилась в следующей последовательности. При выключенных механизмах подачи и резания включался механизм протягивания ленты пружинного динамометра. На ленте пишущим механизмом наносится нулевая линия а\ (рис.6) и параллельная ей контрольная линия а*. Далее включается режущая цепь и на протягиваемой ленте регистрируется деформация пружины (участок а2). Этот участок характеризует потери холостого хода в передаче, начиная от выходного вала коробки скоростей ЗИЛ-164 и кончая режущей цепью бара. Участок диаграммы отражает суммарное усилие, расходуемое на преодоление потерь в передаче, на резание и вынос из щели измельченного грунта при включенной режущей цепи.

Установив определенную скорость резания, проводим серию опытов при изменении скорости подачи машины до полной загрузки двигателя. После этого включается следующая скорость движения режущей цепи и также последовательно увеличивается скорость подачи и т. д. Перед тем, как включить очередную скорость подачи, мерной линейкой замеряется толщина слоя измельченного грунта, остающегося в щели,

Порядок проведения опытов

и глубина щели. При каждой установке соответствующих скоростей резания и перемещения машины регистрируются показания манометров, установленных на гидроцилиндре. Величина давления, регистрируемого манометрами, пропорциональна усилию подачи машины. Изменение

Рис. 6. Диаграмма регистрации усилий на корпусе редукторного динамометра

скоростей движения режущей цепи производилось путем изменения передаточных чисел трансмиссии. Достигалось это путем переключения коробки скоростей, раздаточной коробки и редуктора режущей части машины КМП. В процессе проведения опытов число оборотов звездочки бара регистрируется тахометром. На каждой скорости подачи и резания проводилось не менее восьми экспериментов. Длина щели, прорезаемая этим баром, равнялась 5—8 ж. Скорость подачи машины «Мороз» под-считывается путем замера расстояния, пройденного машиной за опыт, и продолжительности опыта.

Крепость разрабатываемого грунта определялась с помощью ударника ДорНИИ [9]. Bice величины, полученные при выполнении каждого опыта, вносятся в журнал наблюдений.

Обработка экспериментальных данных

Из диаграммы деформации пружины динамометра путем расчета находятся следующие величины:

а) усилие, деформирующее пружину;

б) реактивный момент Мр;

в) крутящий момент на выходном валу редукторного динамометра М2 (рис. 4);

г) крутящий момент на приводной звездочке режущей цепи Ai3a;

д) среднее усилие протягивания режущей цепи;

е) среднее усилие протягивания режущей цепи, отнесенное к одному резцу;

ж) средняя мощность, расходуемая на разрушение грунта, преодоление сил трения цепи о стенки ручья бара и зубков о грунт;

з) мощность, расходуемая на транспортирование измельченного грунта.

Формулы для вычисления всех этих параметров и определения ошибок их вычисления и величины относительных ошибок приведены в табл. 1. В табл. 2 приведены коэффициенты, использование которых значительно упрощает расчет крутящего момента на выходном валу редукторного динамометра.

Наименование определяемой величины Расчетная формула

1 2

Средняя величина деформации пружины динамометра, мм Средняя величина минимальных деформаций пружины, мм Средняя величина максимальных деформаций пружины, мм Среднее значение реактивного усилия, кг Крутящий момент на выходном валу редукторного динамометра (рис. 4), кгм Крутящий момент на приводной звездочке режущей цепи, кгм Усилие протягивания режущей цепи при разрушении грунта, кг Крутящий момент, расходуемый на преодоление сил трения в ручье бара, кгм Усилие подачи рабочего органа на грунт, кг т max , г min ср "i" ср ^ср — 2 X. X. L\ +L'+...+ L'm г max t 2 m CP ~ m in L\+L\+...+ Lm CP ~ m Pp — L^pK P Ar м3- ,p PVKVK, Л1зв = Af3-/p 2 (M.2 - MTp) ip 2M'Jp

£> — D ал p"fd 2 Рштсоs (6 + Л-sin lH

Т а'б л и ц а 1

Формула определения относительной ошибки измерения величины Относительная ошибка, % Примечания

3 4 5

А^р АЛтЭХ А1тт

^тах ' т Д^-ср ¿СР Д^.х. ьтт

1" " ^х. X.

М

ср

ср

Д£ М А А А В — 4-— + — + — 5 / Л В

Д Я

рез

рез

д м\ Ж

д о

~5

Ар АЯ А С05 5 Р' р Я. соэ 5

12

10

10

и и Ь"— соответственно максимальные и минимальные значения деформации пружины. Находятся из диаграммы

к — коэффициент пропорциональности тарировочной кривой пружины

¿р — передаточное число редуктора режущей части. 1р = 6,25; 12,32

Б — средний диаметр ведущей звездочки режущей цепи. й = 303 мм

Усилие на штоке гидроцилиндра Ршт = Гп.р. Гп = =226 см2) р — давление масла в цилиндре. Я = 320 см;

1 2

— 90° — а) £ 4- Он/но СОБ Хн

и,

Число одновременно работающих резцов, шт Нщ? «р. р. - *Р гк

Усилие протягивания режущей цепи при резании грунта, отнесенное к одному резцу П РРСЗ л о. рез — Лр.р.

Мощность, расходуемая на резание и транспортирование мерзлого грунта из щели, л. с. М'£рПзв РрезО-Пзв N —- = —- 71620 143240

Скорость движения режущей цепи, м\сек тЛ-Язв 60

Рабочая скорость подачи машины, м\мин ^ II ¿Г

Средняя толщина стружки, снимаемой резцом, мм Ырхкг>а ср 60 ХУр, ц.

Удельные затраты энергии при резании грунта, кет н\мг р \У = 0,0272 — о

Продолжение таблицы 1

3 4 5

Д СОБ а ДИх + + м С05 а Н], 14,0 0„ = 320 кг; = 95 см; 1п0 =126 см

др АН АвШа А//, Рп ~~ Р + Я + з!п а + Н,

Ярр ¿р 4,0 Нш =1,6 м глубине щели; г = 42 резца при длине бара 2,2 м; г — 28 кулаков в цепи; ( = 190 мм — шаг цепи

ДЯо. рез ДРрез ^ Апр. р. Ро, рез Ррсз Яр. р. 14,0

ДАТ ДАТ Д/7ЗВ /V ~ м* + „ 2 "ЗВ 12,5 пзв — число оборотов ведущей звездочки

Аир. ц. АО Д/7ЗУ V?. ц. £> Лзв 4,0

Д1'п ДА А* 1>„ Ь 1 2,0 Ь — длина пути, пройденного землерезной -машиной за отрезок времени Ь

А1гср_А{р ( Д^ ( Дгрц ^ср ^р ^п ^рц 5,0 Ь = 9 или 7 линий резания в цепи

ДЙ7 ДРрез Д5 V Ррез 5 10,0 5 = 0,22 см- — наименьшая величина поперечного сечения стружки

Различный гранулометрический состав, влажность и колебания тем-дературы грунта предопределяют нестабильность его физико-механических свойств. Поэтому для получения достоверных данных по измеряемым величинам, характеризующим процесс разрушения, при постоянных параметрах опыт повторялся многократно.

Необходимое и достаточное число повторных опытов определится

Ядоп

где А) —1,65—2,0 — нормированное отклонение средней арифметической ряда опытов от единичного замера [8]; кд,оп~ 5—10% —величина допустимой ошибки при выполнении исследовательских работ [7]. ^вар—наибольшее значение коэффициента вариации для данной серии опытов.

Необходимое число опытов при резании талого грунта

29 42

Нот = 1,82 —= 42,6 ~ 43 опыта, 82

для мерзлого грунта в

= = 12,7« 13 опытов.

82

Для оценки разброса опытных данных подсчитанного числа экспериментов относительно усредняющей кривой, характеризующей закономерность изменения данной величины в зависимости от какого-либо параметра, подсчитывается коэффициент вариации всего поля точек

ваР* ср - |/ Л __ | »

где к т—отклонение данной величины относительно усредняющей кривой, -%.

Таблица 2

Скорость передачи I 11 III V

Передаточные числа коробки скоростей ЗИЛ-164 6,24 3,32 1,90 1 0,81

г — г Г\ 0,141 0,160 0,247 0 0,513

кг-к2 0,472 0,535 0,822 0 1,71

Результаты, полученные в процессе проведения опытов и при обработке диаграмм, заносятся в таблицу опытных данных. По опытным данным строятся графики исследуемых зависимостей.

Проведенные по данной методике исследования процессов резания талого и мерзлого грунтов позволили определить коэффициенты вариации данных, которые для крутящего момента при талом и мерзлом грунте меньше 20%, а для усилия подачи — меньше 30%. В первом

Деформация пружинь*, мм

Рис. 7. Кривые жесткости пружин динамометра, исследуемых для замера результирующего усилия при скоростях резания: /—0,43 и 0,78 м/сек; //—1,3 и 2,3 м/сек\ ///—3,4 и 5,4 м[сек.

случае показатели относятся ко второму, а во втором случае — к третьему классу точности показателей и расчетов. Ко второму классу точности относятся расчеты, которые в технике принято рассматривать как «точные». Данные третьего класса точности также пригодны для использования в технических расчетах [7].

Таким образом, экспериментальная установка «Мороз» обеспечивает получение данных, необходимых для проектирования и создания новых баровых машин для резания мерзлого грунта.

ЛИТЕРАТУРА

1. О. Д. Алимов. Задачи исследований баровых машин, применяемых для разрушения мерзлых грунтов. Известия ТПИ, т. 123, Томск, 1963.

2. О. Д. А л и м о в, И. Г. Б а с о в, 3. М. Пратусевич. Резание мерзлого грунта установкой УРМГ-60. ЦБТИ и НТО Стройиндустрия, Томск, 1962.

3. О. Д. Алимов, И. Г. Басов. Землерезные установки на базе экскаваторов ЭТУ-353. Механизация строительства, № 9, 1963.

4. О. Д. Алимов. Опыт создания баровых землерезных машин на базе траншейных экскаваторов. Статья в данном сборнике.

5. О. Д. Алимов, И. Г. Басов, Б. Л. Степанов. Машины для резания мерзлого грунта с цепными баровыми органами. Известия ТПИ, т. 123, Томск, 1963.

6. О. Д. А л и м о в. Механизация пересадки деревьев зимой. Лесное хозяйство, № 12, 1962.

7. Л. И. Барон. О точности основных технологических показателей и инженерных расчетов процессов добычи руд. Известия АН СССР, ОТН, № 9, 1951.

8. С. Н. Б е р н ш т е й н. Теория вероятностей. Гостехиздат, 1946.

9. А. П. 3 е л е н и н. Физические основы теории резания грунтов. Изд. АН СССР, 1950.