Исследование влияния антифрикционных слоев на резание и копание грунта землеройными машинами

МАШИНОСТРОЕНИЕ

УДК 621.828.06

Е. И. Берестов, А. Х. Афхами Алишах

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ АНТИФРИКЦИОННЫХ СЛОЕВ НА РЕЗАНИЕ И КОПАНИЕ ГРУНТА ЗЕМЛЕРОЙНЫМИ МАШИНАМИ

UDC 621.828.06

Y. I. Berestov, A. H. Afkhami Alishah

STUDY OF THE IMPACT OF ANTIFRICTION LAYERS ON SOIL CUTTING AND DIGGING DONE BY EARTHMOVING MACHINES

Аннотация

Приведены результаты исследований влияния антифрикционного слоя на резание и копание грунта землеройными машинами. Исследовано влияние длины антифрикционного слоя на сопротивление копанию и угол сдвига для ножа, плоского рабочего органа, отвала бульдозера и ковша скрепера. Установлено, что эффективность антифрикционного слоя зависит от типа машины. Подтверждена перспективность использования антифрикционных слоев.

Ключевые слова:

землеройная машина, трение рабочего органа, антифрикционный слой, эффективность, исследования.

Abstract

The paper presents the study of the impact of an antifriction layer in the process of soil cutting and digging done by earthmoving machines. The effect of the length of antifriction layer on resistance to digging and the angle of displacement for the blade, straight operating member, bulldozer blade and scraper bucket has been studied. It is found that the efficiency of the antifriction layer depends on the type of machine. The prospects of using antifriction layers have been proved.

Key words:

earthmoving machine, friction of operating member, antifriction layer, efficiency, research.

Проведенные исследования [1] показывают, что необходимо уделять очень серьезное внимание проблеме снижения трения между грунтом и рабочим органом землеройной машины. Изменение трения между ножом и грунтом приводит к изменению параметров, характеризующих взаимодействие системы «нож-грунт», аналогично тому, как к этому приводит изменение геометрических размеров ножа. Например, трение влияет на угол сдвига, а следова-

тельно, и на массу перемещаемого по ножу грунта, на положение сил, действующих между ножом и грунтом, и т. д.

Исследованиями Ю. И. Густова [2] установлено, что коэффициент трения грунта по металлу при резании существенно зависит от материала ножа и его термообработки, материала электродов, используемых для износостойкой наплавки.

Следовательно, за счет правильного выбора материала и его термообра-

© Берестов Е. И., Афхами Алишах А. Х., 2014

ботки, применения специальных покрытий или иных конструктивных способов снижения трения силу сопротивления резанию можно значительно уменьшить.

Для оценки эффективности конструктивных способов снижения трения между ножом и грунтом разработаны аналитические методы расчета [3, 4].

Далее приведены результаты исследований, полученные при помощи этих методов. Необходимость проведения таких исследований вытекает из технологических и экономических соображений, которые сводятся к одной проблеме - проблеме выбора рациональной длины слоя антифрикционного покрытия, поскольку очень вероятно, что оно может быть дорогим.

Рассмотрен грунт II-III категории (по числу ударов ударника ДорНИИ), характерный для строительных площадок Республики Беларусь, со следующими физико-механическими свойствами: р = 30° - угол внутреннего трения; а = 28° - угол внешнего трения по ножу без антифрикционного слоя; рг = 1,6 т/м3 -плотность грунта; с = 40 кПа - удельное сцепление грунта.

В некоторых случаях дополнительно рассмотрен грунт при других значениях удельного сцепления. Это позволило оценить влияние трения на разных категориях грунта (от I (при с = 5 кПа) до IV (при с = 100 кПа)).

Величина угла внешнего трения грунта по антифрикционному слою а принята равной 20° исходя из того, что она может быть достигнута методами термообработки и наплавки или правильным выбором металла без особых трудностей [2].

Влияние антифрикционного слоя на резание грунта

На рис. 1 представлены результаты расчета резания грунта ножом: В = 0,1 м -ширина ножа; l = 0,1 м - длина ножа, при толщине стружки h = 0,02 м для двух значений угла резания а = 30° и

а = 60°. Эти значения близки к углам резания, под которыми установлены режущие элементы землеройных машин.

Из рис. 1 видно, что наиболее эффективным является нанесение покрытия непосредственно у режущей кромки ножа. Так, если антифрикционное покрытие нанесено на длину 0,012 м, считая от режущей кромки, то снижение силы р1шах при удельном сцеплении грунта с = 40 кПа составит 83 % для угла резания а = 30° и 80 % для угла резания а = 60°.

Эти результаты почти такие же, как и при нанесении антифрикционного слоя по всей длине ножа.

Для угла резания а = 30° максимальные значения касательной составляющей сопротивления резанию р1тах снижаются антифрикционным слоем той же длины до 84,6 % при с = 5 кПа и 82 % при с = 100 кПа, а для угла резания а = 60° до 82,6 % при с = 5 кПа и до 80 % при с = 100 кПа.

Исследовано резание грунта плоским рабочим органом, установленным под теми же углами резания, но с размерами В = 1 м и I = 1 м (рис. 2) при толщине стружки к = 0,2 м и с = 40 кПа. При резании таким ножом, установленным под углом а = 60°, образуется призма волочения, влияние которой учтено [4]. Резание плоским рабочим органом близко к процессам копания отвалом и ковшом скрепера. Но более простые условия движения грунта по ножу и более простая расчетная схема позволяют легче его исследовать.

Из рис. 2, а видно, что влияние антифрикционного слоя остается прежним. Так, нож со слоем минимальной длины увеличивает угол сдвига на 6 %, снижает силу р1тах до 85 % по сравнению с ножом без такого покрытия. Это несколько хуже, чем при резании такого же грунта ножом с малыми размерами, и объясняется перемещением по поверхности ножа большой массы грунта.

а)

500 Н

400

300

200

100

р так с / =100 Ша)

Л

"'„........г-,

-\— 1...... ;=5 кПа) пак

тая

0 р2

0,04

0,06

100 град

во

60

40

Ч'

20

Р8 М 0,1

б)

800 Н

600

400

р так Г1

200

0,02

0,04

оре —

р таг \ 1

Ч'

/ /

Г"

! ' \

/ Ц!

80

град

60

40

Ч'

20

0Р8 ы 0,1

Рис. 1. Влияние длины I антифрикционного слоя на угол сдвига ц и максимальное р1тах значение касательной составляющей сопротивления резанию при разных значениях удельного сцепления грунта:

а - для угла резания а = 30°; б - для а = 60°

а)

50 кН

40

30

20

р тах  Г1 . ' р тт

Г1 10

0,2

0,4

00

\ ч/

1 р так / '

'...... и , / .

р ПИП п

/

-*-

50

град

40

30

20

10

Ч'

0 0 М 1

б)

50 кН

40

30

20

1 10

\ р так Г1 -Л-

"Л-

1——Г 1 -----^

&-------- ч Ч'

1...........,

\ --

— * — — р тт г1

50

град

40

30

20

Ч!

ю

0,2

0,4

00

00 М 1

Рис. 2. Влияние длины I антифрикционного слоя на угол сдвига у, максимальное р1тах и минимальное р1т1П значения касательной составляющей сопротивления резанию при наличии призмы волочения (сплошные линии) и ее отсутствии (штриховые линии): а - для угла резания а = 30°; б - для а = 60°

Рассмотрим (рис. 2, б) результаты для случая, когда нож установлен под углом резания а = 60°. Влияние призмы волочения существенно сказывается на параметрах, характеризующих процесс резания, что видно из рисунка (результаты, представленные на этом рисунке для случая, когда отсутствует призма

волочения, получены расчетным путем).

Однако общий характер влияния антифрикционного слоя остается одинаковым как при наличии, так и при отсутствии призмы волочения. Нож с антифрикционным слоем минимальной длины увеличивает угол сдвига на 13 % и снижает силу р1тах до 82 % по сравне-

нию с ножом без покрытия. Если вся поверхность ножа будет покрыта антифрикционным слоем, то сила р1шах снизится до 80,5 %, но при этом длина слоя при толщине стружки к = 0,2 м увеличится с 0,1 до 1 м, т. е. в 10 раз.

Для обоснования минимальной длины антифрикционного слоя использованы специальные методы расчета, рассматривающие цикл разрушения грунта ножом между двумя соседними большими сдвигами. На основании этих расчетов установлено, что минимальная длина антифрикционного слоя определяется толщиной срезаемой стружки. При а = 30° она не должна быть меньше 60 % от толщины стружки, а при а = 60° - 50 %. Эти значения пригодны для всех типов рабочих органов землеройных машин [5].

Несмотря на то, что общий характер влияния антифрикционного слоя остается одинаковым во всех рассмот-

ренных выше случаях, полученные результаты нельзя автоматически переносить на процесс копания. При копании отвалом или ковшом сопротивление перемещению срезанного грунта, движущегося по поверхности отвала или сквозь грунт внутри ковша, увеличивается и будет более существенным в общем балансе сил.

Влияние антифрикционного слоя на копание грунта бульдозером

На рис. 3, а представлены результаты расчетов влияния угла внешнего трения на параметры процесса копания для случая, когда поверхность отвала имеет антифрикционное покрытие по всей длине, на рис. 3, б - влияние длины антифрикционного покрытия при копании грунта толщиной к = 0,2 м для двух случаев - при т = 20° и т = 28°.

а)

б)

140 кН

120

100

80

60

40

20

140 град 140 л кН р тах 1 1

р тах 120 120 , /

100 100 '

ни ; 60 - 1 J р ГШП Г1

р тш / 1 н 1

40 40

V 20 р'г Г1 0 /

\ Ч> тп ' 0 - Ч'

15

20 01 -

25 град

30

0,1 /

0,2

м

140 град

120

100

80

60

40 Ч>

20

0,3

Рис. 3. Влияние угла внешнего трения (а) и длины I антифрикционного слоя (б) на угол сдвига у, максимальное р1тах и минимальное р1т1П значения касательной составляющей сопротивления копанию отвалом бульдозера

Значительные по величине сопротивления перемещению грунта по криволинейной поверхности отвала и влияние на них призмы волочения приводят к увеличению силы Р1т1П, действующей

после сдвига грунта. Эта сила составляет 35...41 % от силы р1тах при копании с толщиной стружки к = 0,2 м. Это значительно выше, чем для плоского рабочего органа при а = 60° (26.31 % при

той же толщине стружки), что свидетельствует о том, что доля сопротивлений, не зависящих от ограниченного по длине антифрикционного покрытия, увеличивается.

Далее сопоставим результаты, полученные при минимально возможной длине антифрикционного покрытия I = 0,1 м и полностью покрытом отвале.

У покрытого антифрикционным слоем отвала угол сдвига увеличится по сравнению с отвалом без покрытия на 11,2 %, при длине покрытия I = 0,2 м -на 9 %, при I = 0,1 м - на 8,2 %. Сила Р1тах при этом уменьшится в первом случае до 84,3 %, при I = 0,2 м - до 86,8 % и при I = 0,1 м - до 87,6 %.

Такие результаты свидетельствуют о том, что антифрикционный слой существенно влияет на сопротивление копанию (при минимальной длине слоя снижение силы р1тах на 12,4 %). Кроме того, увеличение длины антифрикционного слоя свыше минимальной не является целесообразным. Так, при увеличении длины слоя в 2 раза (с 0,1 до 0,2 м) снижение силы р1тах составит только 13,2 %.

Данные, подтверждающие вышеизложенное, получены для случая, когда нижняя часть ножей длиной 0,25 м остается непокрытой, а вся остальная поверхность отвала покрыта антифрикционным слоем при а = 20°. В этом случае угол сдвига увеличится по сравнению с отвалом без покрытия всего на 0,6° (с 25,1 до 25,7°) или на 2,4 %, а сила Р1тах уменьшится с 121 до 118 кН, т. е. всего на 2,5 %. Это подтверждает важность правильного выбора минимальной длины покрытия.

Копание при максимальной величине призмы волочения и толщине стружки к = 0,2 м является предельным для наиболее распространенного бульдозера на базе трактора Т-10М, и рекомендуемая для этого случая минимальная длина антифрикционного слоя I = 0,1 м может использоваться и при меньших толщинах стружки.

Таким образом, подтвердились предыдущие результаты, полученные при резании грунта плоским ножом, а именно: снижение трения в нижней части ножа наиболее целесообразно. Поэтому антифрикционный слой для бульдозера достаточно наносить только на нижнюю часть ножа у режущей кромки или на весь нож, учитывая его перестановку другой стороной при износе нижней кромки, оставив поверхность отвала без изменений.

Эффект от использования антифрикционного слоя снижается по мере накопления призмы волочения, когда появляются значительные дополнительные сопротивления как на поверхности отвала, так и на площадках скольжения в грунте.

Влияние антифрикционного слоя

на копание грунта скрепером

За базовую машину принят скрепер МоАЗ-6014. Особенности конструкции ковша скрепера позволяют наносить антифрикционный слой только на поверхность ножа и подножевой плиты. Снижение сил трения на боковых стенках ковша не имеет оснований ввиду малости этих сил.

Если учесть, что грунт в ковше движется по поверхности набранного ранее грунта, которая играет роль отвала, а при большой степени заполнения и вообще движется сквозь грунт в ковше, то можно сделать заключение, что применительно к скреперу снижение трения между грунтом и рабочим органом будет наименее эффективно. Причиной этого являются большие дополнительные сопротивления, действующие вне зоны контакта грунта с антифрикционным слоем.

Это подтверждается результатами вычислений. Из рис. 4 видно, что антифрикционный слой длиной I = 0,12 м будет наиболее эффективным при малой степени заполнения ковша, когда силы, препятствующие движению грунта в ковше, будут минимальны.

а)

б)

80 кН

60

40

20

........^ 1

1 р тах

*

р тт Г1

г ' \

\ Ч!

30

град

ВО

40

Ч'

20

0,1

0,2 0,3

0,4 м 0,5

в)

160 кН

120

80

р юах  1

р шш Г1

40

0,1

0,2

0,3

/ р так

р ПЖ1 Г1 --*

ч> \

Л

160 град

» 120

80

Ч>

40

0,4 М 0,5

Рис. 4. Влияние длины I антифрикционного слоя на угол сдвига у, максимальное р1тах и минимальное р1т1П значения касательной составляющей сопротивления копанию ковшом скрепера: а - при степени заполнения ковша Кн = 0,24; б - при Кн = 0,52; в - при Кн = 0,95

Так, при коэффициенте наполнения Кн = 0,24 сила р1тах уменьшается с 42,1 до 37,3 кН, что составляет 88,6 % от начального значения. При Кн = 0,52 это же покрытие снижает силу р1тах только до 93,6 % (с 79,6 до 74,5 кН). При Кн = 0,95 эффективность антифрикционного покрытия еще меньше. Сила Р1тах в данном случае снижается только до 98,1 % от начального значения (с 161 до 158 кН).

Полученные результаты позволяют оценить эффективность антифрикционного слоя, нанесенного на нижнюю часть ножей скрепера, на процесс копания.

Таким образом, скрепер можно считать машиной, наименее пригодной к использованию антифрикционного слоя на нижней части ножей, по сравнению с бульдозером и другими машинами, режущими грунт.

Заключение

Исследования подтвердили, что одним из перспективных направлений совершенствования режущих элементов рабочих органов землеройных машин является устройство на их режущей части антифрикционного слоя. Для получения такого слоя важно правильно выбрать износостойкий металл для наплавки и его термообработку или современный прочный антифрикционный материал на основе керамики и других материалов.

Расчет сопротивлений, возникающих при разработке грунта таким ножом, и выбор рациональной длины покрытия можно осуществить при помощи методов расчета и программного обеспечения, разработанных авторами [3, 4].

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Влияние трения грунта на поверхности ножа на сопротивление резанию / Е. И. Берестов [и др.] // Строительные и дорожные машины. - 2010. - № 11. - С. 34-38.

2. Густов, Ю. И. Триботехника строительных машин и оборудования / Ю. И. Густов. - М. : МГСУ,

2011. - 192 с.

3. Берестов, Е. И. Резание грунта ножом с антифрикционным покрытием / Е. И. Берестов, А. Х. Афгами Алишах, Э. Х. Джалилванд // Механизация строительства. - 2011. - № 3. - С. 6-9.

4. Берестов, Е. И. Перспективы использования антифрикционных покрытий рабочих органов машин для земляных работ / Е. И. Берестов, А. Х. Афгами Алишах // Строительная наука и техника. -

2012. - № 2. - С. 67-71.

5. Берестов, Е. И. Распределение давлений по поверхности ножа при резании грунта / Е. И. Берестов, А. Х. Афгами Алишах, Э. Х. Джалилванд // Интерстроймех-2011 : материалы Междунар. науч.-техн. конф. - Могилев, 2011. - С. 26-29.

Статья сдана в редакцию 14 июля 2014 года

Евгений Иванович Берестов, д-р техн. наук, Белорусско-Российский университет. Тел.: +375-291-24-89-95.

Алиасгар Хассан Афхами Алишах, аспирант, Белорусско-Российский университет.

Yevgeny Ivanovich Berestov, DSc (Engineering), Professor, Belarusian-Russian University. Phone: +375-291-24-89-95.

Aliasghar Hassan Afkhami Alishah, PhD student, Belarusian-Russian University.