Создание эффективных рабочих органов - основной путь интенсификации рабочих процессов землеройно-транспортных машин

РАЗДЕЛ I

ТРАНСПОРТ.

ТРАНСПОРТНЫЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ МАШИНЫ

УДК 625.76

СОЗДАНИЕ ЭФФЕКТИВНЫХ РАБОЧИХ ОРГАНОВ - ОСНОВНОЙ ПУТЬ ИНТЕНСИФИКАЦИИ РАБОЧИХ ПРОЦЕССОВ ЗЕМЛЕРОЙНО-ТРАНСПОРТНЫХ МАШИН

И.А. Недорезов, д-р техн. наук, проф. Научно-исследовательский институт транспортного строительства

Аннотация. Исследование процессов взаимодействия землеройно-транспортных машин с различными по характеру грунтами позволяет оптимизировать параметры и улучшать конструкцию их рабочих органов, а развитие современных технических средств способствует применению САПР, требуя усовершенствования методов расчета и проектирования.

Ключевые слова: рабочий орган землеройно-транспортных машин, энергоёмкость резания грунта, разрушение грунтов

Об авторе

Недорезов Игорь Андреевич - родился 22.08.1930 г. в г. Красноярске, российский ученый в области дорожно-строительных машин и механизации строительства, доктор технических наук (1974 г.), профессор (1980 г.), член Академии транспорта РФ (1991 г.), Заслуженный деятель науки и техники РФ (1995 г.), Почетный транспортный строитель (1991 г.), заслуженный деятель науки и техники Москвы (2005 г.).

В 1953 окончил Сибирский автомобильнодорожный институт им. В.В. Куйбышева (Омск) по специальности дорожно-строительные машины и оборудование. Работал главным механиком Омского треста «Мелиоводстрой».

С 1958 года, окончив аспирантуру Московского автомобильно-дорожного института (МАДИ), работает в Научно-исследовательском институте тран-спортного строительства (ЦНИИС). С 1981 года - в должности заведующего отделением средств комплексной механизации транспортного строительства, а с 2006 г. -Главного научного сотрудника отдела докторантуры и аспирантуры ЦНИИС.

С 1977 года И.А.Недорезов преподает в вузах Москвы: в 1977-87 гг. - профессор МАДИ, с 1992 года - профессор Московского государственного технического университета

им. Н.Э. Баумана (МГТУ), с 1996 года - профессор Военно-технического университета спецстроя России. Член ряда ученых, научнотехнических и диссертационных советов, член экспертных советов ВАК с (1976), с 1979 года -член редколлегии журнала «Строительные и дорожные машины», с 2007 г. - журнала Механизация строительства.

Почетный профессор СибАДИ, Киргизского университета строительства и коммуникаций, Таразского гидромелиоративного университета (Казахстан), Почетный доктор СибАДИ, И.А.Недорезов имеет более 250 печатных работ, в том числе 70 авторских свидетельств и патентов на изобретения, включая зарубежные. Подготовил 32 кандидата и 5 докторов технических наук.

И.А.Недорезов - основоположник школы исследований по новым научным направлениям, связанным с разработкой грунтов в подводных условиях и оценками эффективности землеройной техники с учетом вариаций условий ее эксплуатации, создав в этих направлениях несколько лабораторий в вузах стран СНГ.

Предложил новый, вероятностный показатель эффективности землеройных машин -производственный потенциал. Разработал статистическую шкалу удельных сопротивлений грунтов резанию и копанию рабочими ор-

ганами землеройных машин, дал распределение грунтов по трудности разработки в строительстве, является автором ряда новых конструкций высокоэффективных рабочих органов машин для земляных работ, внедренных в практику строительства с большим экономическим эффектом при сооружении железных дорог, строительства станций метрополитенов, на объектах городского строительства и др.

Результаты этих разработок отражены в учебниках и учебных пособиях для вузов. В настоящее время И.А.Недорезов занимается вопросами научного обобщения результатов исследований на основе методов математического моделирования.

Исследования

Анализ тенденции развития рабочих органов ЗТМ показывает, что в обозримой перспективе они, как и современные ЗТМ, в основном будут оставаться механическими системами, осуществляющими разрушение грунтов с целью их разработки по принципу резания. Поэтому вопросы определения и обоснования наиболее целесообразных путей интенсификации рабочих процессов ЗТМ должны решаться прежде всего на основе познания и использования закономерностей процессов резания и копания грунтов. При этом если под резанием грунта понимают только его послойное отделение от массива, то процесс копания является значительно более сложным, т.к. кроме процесса резания, лежащего в его основе, включает процесс заполнения рабочего органа грунтом и другие сопровождающие его явления, прежде всего - образование призмы волочения грунта.

Показатель энергоемкости, под которым понимают затраты энергии на разработку единицы объема грунта, не может служить общим критерием технико-экономической эффективности оцениваемого образца ЗТМ. В качестве такого критерия необходимо использовать показатели более высокого уровня, например, удельные приведенные затраты, т.е. полная стоимость разработки единицы объема грунта с учетом эксплуатационных затрат, дополнительных капиталовложений и срока их окупаемости. Однако в отношении рабочих органов ЗТМ, учитывая их малую массу и стоимость по сравнению с массой и стоимостью всей машины (обычно всего несколько процентов), показатель энергоемкости может отражать в значительной мере и степень совершенства конструкции рабочего органа. Безусловно, при этом рабочий орган должен полностью отвечать своему технологическому назначению,

иметь необходимую долговечность и быть удобным в эксплуатации.

Для всех типов ЗТМ можно выделить три основных пути интенсификации их рабочих процессов:

• увеличение объема грунта, набираемого за цикл в процессе копания, или поперечного сечения грунтовой стружки, отделяемой от массива;

• повышение скоростей движения рабочих органов и ЗТМ;

• снижение потерь грунта в процессе копания и транспортирования.

Каждый из этих путей связан с совершенствованием конструкции рабочих органов ЗТМ, так как снижение энергоемкости резания и копания грунта является средством увеличения набора грунта (бульдозеры, скреперы, одноковшовые экскаваторы) и увеличения сечения непрерывного грунтового потока (землеройные струги, грейдер-элеваторы, автогрейдеры) при сохранении рабочей скорости, или повышения скорости движения рабочего органа и ЗТМ при прочих равных условиях. В каждом из этих случаев меньшую энергоемкость должен обеспечивать тот рабочий орган, который имеет меньшие потери грунта, как на этапе копания, так и на этапе транспортирования.

В настоящее время при расчетах, испытаниях и исследованиях ЗТМ широкое применение находят удельные сопротивления резанию К и копанию К , т.е. усилия, отнесенные к единице площади поперечного сечения отделяемого от массива слоя грунта. Эти величины тождественны энергоемкости резания и копания грунтов. С другой стороны, величина К (К1) фактически является и прочностной оценкой сопротивляемости грунта разрушению данным способом (резанием) с помощью того или иного рабочего органа. Поэтому безусловный практический интерес представляет вопрос: в каком отношении к общим прочностным показателям грунтов находится удельные сопротивления резанию и копанию.

Установлена достаточно тесная линейная связь между показаниями плотномера ДорНИИ (числом С), который дает интегральную оценку прочности грунта, более определенным показателем прочности - временным сопротивлением грунта односложному сжатию 80:

С

80~ , МПа.

0 30

Показано также, что грунты плохо сопротивляются разрыву (8р) и имеет место связь

8р« 0,2 8о.

С учетом этих сопротивлений на основе статистической обработки накопленных результатов экспериментальных исследований резания и копания грунтов сформирована шкала удельных сопротивлений резанию и копанию для наиболее характерных видов рабочих органов [1].

Шкала разработана с участием аспиранта, ныне кандидата технических наук Дианова Ф.А.

Показано, что величины удельных сопротивлений резанию и копанию грунтов рабочими органами ЗТМ находятся в промежутке:

8р <К(К1)<8о.

Чем ближе величина К (К1) к нижнему пределу (8р), тем более совершенен рабочий орган.

Доля сопротивления резанию в общем сопротивлении копанию грунта отвальноковшовыми рабочими органами с повышением прочности грунта возрастет примерно от 30 (слабые грунты) до 70% (прочные грунты, кроме мерзлых).

Ранее [2] было показано, что техническая производительность ЗТМ обратно пропорциональна энергоемкости копания грунта. Структурные формулы производительности для машин цикличного (Пц) и непрерывного действия (Пн) имеют вид:

П = А ц N К пк К пт и

Пн =

К1 + В цL А N К К

К 1

где Ац,, Ан и Вц - коэффициенты, зависящие от особенностей конструкций, параметров и условий работы машины;

N - мощность двигателя;

Кпк и кпт - коэффициенты, учитывающие потери грунта при копании и транспортировании ( О < КпкИКпт < I);

L - дальность транспортирования грунта;

К1 - удельное сопротивление копанию (энергоемкость копания).

Приведенные структурные формулы производительности отражают в формализованном виде перечисленные выше пути интенсификации рабочих процессов ЗТМ.

В кандидатской диссертации (И.А. Недоре-зов. Исследование копания грунта отвалами автогрейдера. МАДИ, 1958) было предложено рассматривать удельное сопротивление копанию, состоящим из трех основных слагаемых:

К1 = К+Кп+Кс,

где: К - сопротивление резанию; Кп - сопротивление перемещению призмы волочения; Кс -сопротивление от перемещения грунтовой стружки (наполнения рабочего органа).

Чем меньше поля сопротивления Кс в общем балансе сопротивлений, тем (при прочих равных условиях) рабочий орган более совершенен.

Отсюда определяются пути снижения сопротивления копанию: снижение нагрузок в зоне резания и уменьшение сил трения, препятствующих движению грунтовой стружки.

Оба этих пути требуют изменения традиционных конструкций рабочих органов, поиска новых, более эффективных решений на основе углубленного изучения процессов копания грунтов, с одной стороны, и тенденций развития рабочих органов - с другой. Последнее характеризуется тенденцией совершенствования процесса их взаимодействия с грунтом на основе перехода от примитивных овальноковшовых металлоконструкций к достаточно сложным системам функционально связанных элементов, узлов и механизмов [3].

В докторской диссертации (И.А. Недорезов "Повышение производственного потенциала землеройных машин на основе создания новых рабочих органов", (ЦНИИС Минтранс-строя, 1972) теория производительности ЗТМ получила дальнейшее развитие с учетом условий их эксплуатации. Было отмечено, что ЗТМ общего назначения применяются в широком диапазоне грунтовых условий, причем в процессе их эксплуатации характерна относительно частая смена строительных объектов. Это позволило заключить, что выпуск ЗТМ как бы обезличен в отношении к грунтовым условиям, изменение которых носит случайный характер, например, в отличие от горных машин, которые в ряде случаев проектируются под конкретные условия месторождения полезных ископаемых. В связи с этим был сделан вывод, что оценки технико-экономической эффективности ЗТМ требуют вероятного подхода на основе нового понятия - производственного потенциала ЗТМ, представляемого в виде математического ожидания эксплуатационной производительности [2]:

п = К £ П;Р;,

где £ П1Р1 - математическое ожидание технической производительности при вероятности Рi эксплуатации машины в грунте ной группы трудности разработки; К - коэффициент, учитывающий использование машины по времени в году и в течение смены.

п т

Определение производственного потенциала требует знания распределения грунтов по трудности разработки, т.е. знания грунтового срока эксплуатации ЗТМ в строительстве. Эта задача была решена на основе статистической обработки накопленных в ЦНИИСе результатов многолетних испытаний грунтов строительных объектов на территории нашей страны [4].

Таким образом, удалось подойти к более объективным оценкам эффективности различных ЗТМ, нормирования их годовой выработки, обоснованию объемов выпуска сменного рабочего оборудования (например, сменных ковшей различной вместимости для экскаваторов) и запчастей к нему.

Изучение процессов взаимодействия рабочих органов ЗТМ с разрабатываемыми грунтами является основой для совершенствования их конструкций и оптимизации параметров.

Применительно к отвалам автогрейдеров и бульдозеров длительное время не было обоснованной формы их поперечного профиля и оптимального угла захвата (угла установки в плане при косом копании). В результате проведенных исследований [5] было показано, что для автогрейдеров, работающих в основном по принципу косого копания, целесообразны отвалы с профилем постоянной кривизны, а для лобовых отвалов бульдозеров целесообразен профиль переменной кривизны при уменьшении кривизны в верхней части отвала. Были определены оптимальные значения угла захвата для отвала автогрейдера, а также предложен ряд зависимостей для расчета параметра этих машин [6]. Несколько позже экспериментальные исследования по косому резанию грунтов были продолжены в грунтовом канале ЦНИИС и была показана эффективность косого резания по сравнению с лобовым [7].

Однако реализация принципов эффективного косого резания и копания грунтов в конструкциях рабочих органов ЗТМ (кроме автогрейдеров, планировщиков и подобных им машин0 требуют комплексного подхода и дополнительных исследований. В частности, сферические отвалы для бульдозеров, имеющие косоустановленные крайние секции эффективны лишь при работе в кусковатых и нелипких грунтах, но практически не работоспособны в суглинках и глинах, которые наиболее часто встречаются в строительной практике. Такие отвалы особенно сильно залипают грунтом в стыках секций. На основе проведенных экспериментальных исследований была разработана оригинальная конструкция бульдозерного сферического отвала с подвижной

средней секцией [8]. В разработке и испытаниях такого отвала для бульдозера на базе колесного трактора К-702 принимал участие аспирант, ныне к.т.н. В.И. Козликин.

Применение новых отвалов повышает производительность бульдозеров и расширяет область их применения. Конструкция отвала запланирована во Франции и ФРГ.

Одновременно с исследованиями процесса косого резания грунтов велись экспериментальные работы по распространению принципов, заложенных в конструкцию известных экскаваторных ковшей ЦНИИС (ковшей Федорова), на рабочие органы других ЗТМ. В результате исследований различных ножевых систем с поверхностями подъема грунта была создана новая конструкция ножа совкового типа для грейдер-элеваторов более эффективная, чем традиционный дисковый нож [9]. В Дальнейшем результаты указанных работ были реализованы также в конструкциях нового фрезерно-метательного оборудования для канало-кюветокопателей на базе бульдозеров [10]. В этих работах принимал участие аспирант ныне к.т.н. В.П. Антимонов.

Параллельно с исследованиями процессов резания и копания обычных грунтов была развернута широкая программа исследований по ударному разрушению мерзлых грунтов, каменных углей и прочих горных пород [11]. Работы проводились ЦНИИСом совместно с Институтом горного дела Сибирского отделения АН СССР. В результате этих исследований и опытно-конструкторских работ была создана гамма нового навесного оборудования с ковшами активного действия для разработки мерзлых и прочных грунтов экскаваторами без предварительного рыхления [12]. Ковши активного действия запатентованы в Англии, Канаде и Франции. Кроме того, была разработана конструкция быстросъемного рыхления с пневмомолотом, устанавливаемого на ковши экскаватора [13]. В этих работах принимал участие аспирант, ныне к.т.н. О.К. Исаев.

В конце 70-х годов в связи с большой актуальностью создания эффективных средств механизации для разработки грунтов под водой и добычи полезных ископаемых со дна океана были развернуты широкие исследования процессов подводного резания и копания грунтов под гидростатическим давлением до 20 МПа. С этой целью в ЦНИИС и во Фрунзенском политехническом институте была создана экспериментальная база со специальными барокамерами, с помощью которых был выполнен большой комплекс исследований [14].

Они дали ряд новых результатов принципиального характера о влиянии гидростатического давления на процессы резания и копания грунтов. В исследованиях принимал участие аспирант, ныне д.т.н. Д.Д. Тургумбаев.

Большой объем материалов испытаний различных ЗТМ, накопленный в ЦНИИСе, позволил приступить к их научному обобщению, в результате чего совместно с докторами тезни-ческих наук Б.А. Бондаревичем и Д.И. Федоровым были получены основные зависимости режимов нагружения от условий работы ЗТМ и их параметров [15]. Кроме того, были проведены статистические обобщения результатов испытаний образцов грунтов, взятых из забоев ЗТМ, в процессе их испытаний. Они дали возможность определить корреляции между основными показателями физико-механических свойств грунтов и закономерности изменения коэффициентов вариации их прочности [16]. Полученные данные позволили составить номограммы для определения необходимых объемов испытаний грунтов с заданной точностью и достоверностью [17], а также предложить новый эффективный способ и устройство для автоматизированного контроля качества уплотнения грунтов пневмокатками.

В заключение следует отметить, что благодаря многолетней и плодотворной деятельности отечественной школы исследований в области ЗТМ накоплен огромный потенциал знаний, требующих научных обобщений [18].

Возможность достаточно широких обобщений при анализе ЗТМ изначально определяется единством структуры их технико-экономических моделей, где на входе имеются производственно-технические требования (в том числе экономические), а на выходе комплекс таких показателей как (производительность), качество и стоимость выполняемых работ. В фокусе этой системы находится процесс взаимодействия ЗТМ с рабочей средой, проявляющийся прежде всего в режиме их нагружения.

Информационное насыщение такой системой модели уже проиллюстрировано выше на примерах соответствующих обобщений зависимостей производительности ЗТМ.

Сейчас уже является общепризнанным тот факт, что благодаря работам представителей советской школы исследований в области строительных и дорожных машин был накоплен значительный потенциал знаний, обеспечивающий достаточно успешное развитие отрасли и во многом опередивших зарубежные научные достижения в этой области.

Отечественная научная школа исследований в области ЗТМ сложилась в основном в

послевоенный период. Этот процесс происходил одновременно с формированием чрезвычайно важной для нашего народного хозяйства отрасли строительного и дорожного машиностроения. У истоков новой области знаний стояла плеяда крупных ученых и педагогов, таких как профессор Александр Иванович Анохин (1885 - 1952, в последние годы заведовавший кафедрой СибАДИ; профессор Николай Григорьевич Домбровский (1898 - 1987) - много лет заведовавший кафедрой МИСИ; профессор Аркадий Николаевич Зеленин (1907 - 1977) - бывший заведующий кафедрой МАДИ; профессор Юрий Александрович Ветров (1916 - 1983) - бывший ректор и заведующий кафедрой КИСИ и их ученики профессор Артемьев К.А., (СибАДИ), профессор Федоров Д.И. (ЦНИИС) и др.

В свою очередь исследования этих ученых и их учеников во многом опирались на классические труды выдающегося ученого академика Василия Прохоровича Горячкина (1868 - 1935), который еще в 1898 году положил начало систематическим исследованиям сельскохозяйственной почвообрабатывающей техники.

Однако при снижении внимания к поисковым НИР и ОКР накопленные ресурсы знаний могут быстро истощиться.

Учитывая слишком медленное совершенствование во времени средних параметров традиционных конструкций машин, а следовательно, и параметров базовых единиц и других комплектующих изделий для новой техники, генеральным направлением НИР в этой области представляется поиск оригинальных технических решений прежде всего рабочих органов ЗТМ, обеспечивающих принципиальное превосходство их над лучшими из традиционных конструкций. Естественно, что это возможно лишь на основе широких научных исследований, глубоких знаний физики, процессов взаимодействия рабочих органов с технологической средой, с одной стороны, и законов развития техники с другой. При этом необходима экспериментальная проработка не только самих рабочих органов, но и других наиболее ответственных и наукоемких узлов машин, прежде всего систем привода и автоматизированного управления, обеспечивающих одновременный непрерываемый контроль качества работ в процессе их выполнения, а также оптимизацию параметров режима работы.

Вместе с тем, здесь следует еще раз подчеркнуть, что поиск новых технических решений машин лишь на основе отдельных случайных изобретений без их сопротивления с тенденциями развития техники может приве-

сти к заблуждениям и бесперспективности. Поэтому столь же важным являются исследования прогнозного характера, которых, к сожалению, проводится крайне мало, особенно в последнее время.

Заключение

К прогнозным исследованиям на основе выявления закономерностей развития науки и техники непосредственно примыкают систематизированные обобщения накопленных за многие годы материалов, прежде всего экспериментальных исследований, которые в литературе в основном представлены в разрозненном виде. Значительные объемы этих материалов именно к настоящему времени выдвигают на передний план проблему их строго научного обобщения, что само по себе неизбежно должно приводить к диалектическому появлению качественно новых результатов, открывающих перспективы развития техники. Отсюда же, наряду с насыщением современными средствами вычислительной техники, становится возможным и необходимым широкое использование такого мощного средства исследований, как имитационное (математическое) моделирование изучаемых процессов и систем. Во всех случаях это позволяет принципиально ускорить анализ, увеличив фронт и глубину научного поиска. И, наконец, значительного внимания требует связанная со всем вышеизложенным проблема совершенствования методов расчета и проектирования конструкций строительных и дорожных машин с выходом на уровень САПР. Главным звеном в цепи задач, относящихся к этой проблеме, представляется переход на модульный принцип проектирования машин с учетом серийности их производства при максимальном использовании в качестве модулей хорошо отработанных комплектующих изделий, что в целом должно давать существенный экономический эффект.

Библиографический список

1. Недорезов И.А., Дианов Ф.А. статистические оценки сопротивлений разанию и копанию грунтов землеройными машинами. «Строительные и дорожные машины», 1979, №9, С 20-22.

2. Недорезов И.А. О прогнозировании эффективности землеройных машин. «Строительные и дорожные машины», 1975, №2, С. 26-26.

3. Недорезов И.А. Интенсификация рабочих процессов землеройно-транспортных машин. МАДИ, М., 1979, 50 с.

4. Недорезов И.А. Распределение грузов по трудности разработки землеройными машинами. «Строительные и дорожные машины», 1973, №7, С. 5-6.

5. Недорезов И.А. О рациональном профиле отвала автогрейдера и бульдозера. «Строительные и дорожные машины», 1975, №8.

6. Недорезов И.А. К методике определения основных параметров и тягового расчета автогрейдеров. «Строительные и дорожные машины», 1962, №1, С. 15-18.

7. Недорезов И.А. Эффективность косого резания грунта. «Строительные и дорожные машины», 1969, №3, С.14-15.

8. Недорезов И.А., Федоров Д.И. , Воронцов В.И. Новые отвалы совкового типа для бульдозеров. «Строительные и дорожные машины», 1976, №2 с.

9. Недорезов И.А., Федоров Д.И., Бондаро-вич Б.А. Результаты исследований рабочих органов грейдер-элеваторов. «Строительные и дорожные машины», 1970 № 5, С.28-30.

10. Недорезов И.А., Прокофьев В.П., Антимонов В.П. Перспективы развития ротационных рабочих органов канало-кюветокопателей. ЦНИИТЭ-строймаш, М., 1979.

11. Недорезов И.А., Федоров Д.И., Федулов А.И., Хамчуков Ю.М. Резание и ударное разрушение грунтов. Наука, Новосибирск, 1965, с.

12. Недорезов И.А., Федоров Д.И., Тайц В.Г., Федулов А.И. Экскаваторные ковши активного действия (устройство, эксплуатация, ремонт). Транспорт, М., 1974, 224с.

13. Недорезов И.А., Исаев О.К. Применение навесных экскаваторных рыхлителей. ВПТИТранс-строй, М., 1987, 28с.

14. Недорезов И.А., Тургумбаев Д.Д. Моделирование процессов разрушения грунтов в подводных условиях. «Строительные и дорожные машины», 1994, №3, С. 20-23.

15. Недорезов И.А., Бондарович Б.А., Федоров Д.И. Вероятный анализ усилий в рабочем оборудовании землеройных машин. «Строительные и дорожные машины», 1971, №8, С. 10-12.

16. Недорезов И.А. Вариации прочности грунтов. В сб. «Строительные и дорожные машины. Экскаваторы и стреловые краны», выпуск 1. ЦНИИТЭ-строймаш, М., 1972, С. 3-8.

17. Недорезов И.А. К оценки трудности разработки грунтов. «Транспортное строительство», 1974, № 6, С. 42-43.

18. Недорезов И.А. Научное обобщение накопленных результатов - актуальная задача. «Строительные и дорожные машины»., 1995, № 3, С. 22-25.

Design of effective working elements is primary method of intensification of working processes of earth-moving machines.

I.A. Nedoresov

An investigation of processes of interaction earth-moving machines with different nature soils allows to optimize parameters and improve constructions of their working elements, while development of modern technical means promotes using SAD, demanding modernization of account and design methods.

Статья поступила 01,06,2008 г.