Особенности процесса зачерпывания кусковых грузов грейферными механизмами

УДК 621.86.063 ББК 39.91-046

А. Б. Филяков

, Б. М. Славин

ОСОБЕННОСТИ ПРОЦЕССА ЗАЧЕРПЫВАНИЯ КУСКОВЫХ ГРУЗОВ ГРЕЙФЕРНЫМИ МЕХАНИЗМАМИ

A. B. Filyakov,

B. M. Slavin

PECULIARITIES OF THE SCOOPING PROCESS OF BULK CARGOES BY MEANS OF CLAW MECHANISMS

Представлены результаты экспериментальных исследований по изучению процесса резания кусковых грузов плоскими деформаторами и влияния фракционного состава материала на процесс внедрения. Получена физическая картина процесса резания. Предложены зависимости для определения сил сопротивления резанию и внедрению.

Ключевые слова: кусковой груз, резание, внедрение, деформатор, физическая картина, сила сопротивления.

The results of experimental studies on the process of cutting bulk cargo by means of flat deformers, as well as the influence of the fractional composition of the material on the implementation process are shown in the paper. A physical picture of the cutting process is obtained. Dependences for determination of the resistance forces for cutting and introduction are offered.

Key words: bulk cargo, cutting, application, deformer, physical picture, resistance force.

Г еографические условия, сложившиеся на Земле, определяют неравномерное распределение по миру сырьевых ресурсов, разобщенность производств, расположенных на разных континентах, между которыми находятся океаны и моря, составляющие почти 70 % поверхности земного шара. Существующая в мировом сообществе необходимость обмена результатами труда определила развитие торгового судоходства, флота и портов.

Процесс доставки груза требует значительных трудовых и технических ресурсов. Соотношение между механизированным и ручным трудом в определенной мере является показателем цивилизованности общества. Портовая и судовая перегрузочная техника - это средство механизации ручного труда. Широкая номенклатура грузов определяет многообразие способов производства грузовых операций, специализацию перегрузочных машин, портов и судов. Особое место в этом процессе занимает перегрузка насыпных и навалочных материалов, на долю которых приходится более 50 % перерабатываемых грузов.

Анализ существующих результатов исследования процесса зачерпывания насыпных и навалочных грузов показывает, что зачерпывание крупнокусковых материалов происходит иначе, чем сыпучих и мелкокусковых грузов. В этом случае характер процесса зависит от размеров кусков материала (гранулометрического состава), его твердости и других физико-механических свойств, именно поэтому необходимы исследования влияния фракционного состава насыпного кускового груза на сопротивление резанию и внедрению ковшевых рабочих органов.

Изучению данной проблемы посвящены работы Г. В. Родионова и Р. Л. Зенкова. Принцип учета влияния размеров кусков, предложенный Р. Л. Зенковым [1], состоит в следующем. При внедрении ножевой части режущего органа в материал нож увлекает своим торцом куски материала, расположенные на пути его движения (рис. 1). В результате происходит как бы увеличение толщины режущей кромки. Расчетная толщина режущей кромки определяется по формуле

5 = 5 + а ,

где 5 - толщина ножа; а - наибольший размер типичных кусков.

Рис. 1. Схема внедрения ножа: £ - толщина ковша; а - наибольший размер типичных кусков;

5 - расчетная толщина режущей кромки

В дальнейшем расчет сопротивления внедрению ножа в кусковой материал ведут по формулам, применяемым для расчета сопротивлений легкосыпучих материалов, но с расчетной толщиной режущей кромки. Формула (1) не проверялась экспериментально, а ее расчетная схема «не работает» при горизонтальном перемещении деформатора.

В связи с этим нами было проведено экспериментальное исследование процесса внедрения деформатора в кусковой груз с целью определения влияния фракционного состава [2].

Сопротивление резанию исследовалось на специально отсортированном глиноземе, предварительно уплотненном (до начального сопротивления сдвигу С0 = 3 • 103 Па) при температуре Т = 22 °С и влажности Ж = 1,5 %, имеющем следующий фракционный состав:

Мелкодисперсный глинозем.............................................. а = 0,002-0,004 м

Мелкокусковой глинозем................................................ а = 0,02-0,03 м

Среднекусковой глинозем......................................Т" а = 0,03-0,05 м

[_ а = 0,05-0,08 м

Крупнокусковой глинозем............................................... а = 0,1-0,12 м

Сила резания и влияние фракционного состава груза на сопротивление резанию исследовались с помощью специального периметра, представляющего собой горизонтальный нож с различными углами резания.

Экспериментальные исследования проводились на ножах с углами резания а = 30° и а = 45° при глубине резания 0,05; 0,1; 0,51 и 0,2 м.

Кроме определения силы резания, фиксировались пути перемещения периметра с помощью датчика пути. Каждый эксперимент приводился в десятикратной повторности. Одновременно велась киносъемка процесса резания периметром глинозема, а начальная, промежуточная и конечная фазы фиксировались фотосъемкой.

На рис. 2 (кривая 1) представлены результаты измерения усилия резания периметром для различных фракций глинозема после статистической обработки при а = 30° и толщине срезаемой стружки 0,1 м. Кривая 1 показывает в процессе внедрения периметра в уплотненный глинозем зависимость между нагрузкой Р и перемещением периметра У при размере типичного куска а = 0,002-0,004 м, кривая 2 - при размере кусков а = 0,03-0,05 м, кривая 4 - а = 0,05-0,08 и кривая 5 - а = 0,1-0,12 м.

Анализ кривых 1-5 показывает [2], что зависимость Р(£) для всех фракций имеет идентичный характер: для всех кривых четко просматриваются на рис. 2 до £ = 0,2-0,24 м два этапа движения: I этап - при интенсивно возрастающей нагрузке, II этап - практически при постоянной нагрузке.

Резкое возрастание нагрузки Р на I этапе связано с начальным заглублением периметра в бунт груза и последующим уплотнением материала у свободно лежащего края бунта груза. На II этапе горизонтального надвигания периметра на груз усилие резания для всех фракций груза стабилизируется и незначительный рост дальнейшего усилия резания (после £ = 0,2-0,24 м) происходит только за счет увеличения присоединяемых масс и возрастающих под их влиянием сил трения. Сама же зависимость Р(а) получилась довольно сложной.

Рис. 2. Экспериментальное изменение сопротивления резанию при внедрении периметра в зависимости от фракционного состава: 1 - мелкодисперсная фракция; 2 - кусковой груз, аср = 0,03 м;

3 - аср = 0,05 м; 4 - аср = 0,08 м; 5 - аср = 0,12 м

На основании результатов экспериментальных исследований [2] была определена зависимость между фракционным составом глинозема и сопротивлением внедрению:

P = 0,08 ^ ак е“2’25ш - 6 • e-ш

где Р - сопротивление внедрению, кг; а - типичный размер кусков, мм; ш и k - коэффициенты, учитывающие влияние на сопротивление внедрению размера типичного куска, ш = 0,00222; k = 0,834.

С другой стороны, известна зависимость силы резания от толщины срезаемой стружки. Согласно экспериментальным данным, она довольно точно описывается уравнением

Р = (к / в) к,

где к и в - коэффициенты, учитывающие влияние на сопротивление внедрению размера типичного куска. Для рядового глинозема (с аср = 0,08 м) и ножа рациональной формы а = 30°; в = 1,73; к = 0,5; при этом Р (дан/псм), к, см.

Экспериментальное исследование процесса резания периметром насыпного кускового груза (глинозема) стружкой малой толщины (0,05-0,2 м) позволило установить следующую зависимость между сопротивлением внедрению ковша Рвн и параметрами ковша, грузом и толщиной срезаемой стружки:

Рвн = 0,153 (аке~2’25ш - 6е-ш(а-65)2 ) 2,25 - °,05Я Кф Су,

где Рвн - сопротивление внедрению ковша при его заполнении, дан; а - типичный размер куска, мм; к и ш - коэффициенты, учитывающие влияние на сопротивление размера типичного куска, ш = 0,00222; к = 0,834; Н - глубина внедрения, см; Кф - коэффициент формы ковша; Су - коэффициент, учитывающий степень уплотнения груза. При неуплотненном грузе Су = 1,0; при сильно уплотненном - Су = 1,5.

Результаты исследований [2], полученные в виде уравнения (2), были сопоставлены с результатами теоретических расчетов, учитывающих рекомендации [1]. Сравнение теоретической и экспериментальной зависимости показало, что наибольшие расхождения в определении удельного усилия резания наблюдаются у размеров кусков а = 0,02-0,08 м, где погрешность расчетов может достигать 200 %.

Анализ физической картины процесса внедрения периметра в кусковой груз показал следующее.

При резании рядовых грузов с преобладанием в составе кусковой фракции после встречи режущей кромки с куском происходит вдавливание его в массив груза. Как показывает анализ записи усилия резания, кусок не сразу уходит в сторону от режущей кромки, а некоторое время

движется впереди нее и сам является в этот период частью режущей кромки. Усилие для преодоления сопротивления вдавливанию зависит от размера куска, его формы, ориентирования в пространстве его граней, фракционного состава и связности груза.

Анализ картины резания и измерения сопротивления внедрению показал, что под режущей кромкой ножа остается свободным от груза пространство и только 10-30 % встречающихся на пути режущей кромки кусков вдавливаются в массу груза, находящегося ниже режущей кромки; остальные куски выпирают вверх. Следует отметить, что это соотношение находится в прямой зависимости от толщины стружки срезаемого груза. От толщины стружки зависит и период времени, в течение которого кусок движется впереди режущей кромки. На некоторой глубине резания, которая для каждого конкретного состояния рядового груза различна, усилие на вдавливание практически перестает увеличиваться, и увеличение силы резания будет возрастать в основном за счет усилия, идущего от присоединяемых масс.

Результаты статистически обработанных осциллограмм, измеряющих усилие резания периметром грузов с различным фракционным составом, позволили установить три характерные фазы резания.

Первая фаза начинается с момента внедрения периметра в груз до образования тела скольжения; она характеризуется интенсивным повышением силы сопротивления резания и наблюдается при перемещении ножа на 0,12-0,18 м (рис. 2) при рациональном угле резания а = 30°.

Во второй фазе при образовании тела скольжения интенсивность увеличения усилия резания уменьшается в 3-4 раза и остается практически постоянной в течение всей фазы.

В третьей фазе, которая начинается при перемещении ножа на S > 0,36 м, интенсивность увеличения сопротивления резанию груза вновь возрастает примерно вдвое. Полученная картина объясняется характером процесса резания, который фиксировался с помощью киносъемки. Исследование показало, что в начальный момент внедрения образованное тело скольжения имеет небольшие размеры, но резание груза - сдвиг срезаемого клина - происходит со сколом ф @ 45°, что и вызывает большое сопротивление. В конце первой фазы образуется тело скольжения с углом скольжения ф = 24°; это приводит, несмотря на увеличение объема тела скольжения, к некоторому снижению сопротивления среды. Этот угол остается практически постоянным на протяжении всей фазы резания. В третьей фазе начинается интенсивное увеличение высоты насыпи и размеров тела скольжения, что приводит к увеличению усилия резания.

Большое влияние на величину усилия резания Р и нормальную составляющую общего сопротивления N оказывает размер встречающегося куска, его положение, ориентация, прочность и т. д. Так, сила N в некоторые моменты внедрения могла изменить направление на противоположное. Затупление режущей кромки при работе на связном кусковом грузе сказывается значительно меньше, чем при работе на связном мелкодисперсном грузе. Экспериментальные исследования показали, что толщина срезаемой стружки должна быть не менее (2,5-3)аср. В этом случае получаются меньшие энергозатраты на объем перерабатываемого груза.

Исследования [1, 3], а также полученные нами результаты [4] позволяют наметить следующие этапы процесса зачерпывания крупнокусковых грузов.

На первой стадии опущенный грейфер внедряется в материал на определенную глубину; затем под действием усилий в замыкающем канате начинается поворот челюстей и их незначительное вертикальное перемещение вниз. Под действием усилия на ноже куски материала под ножом перемещаются в зоны наименьших сопротивлений: вниз, расщелину между другими кусками, и в стороны (внутрь ковша и вне его). Перемещение вне контура ковша ведет к некоторому уплотнению окружающего массива. Однако сопротивление этому уплотнению довольно значительно, поэтому челюсть грейфера под действием реактивных сил перемещается к его оси, что вызывает дополнительное усилие сжатия кусков материала, движущихся внутрь контура.

В [3, 4] был выявлен фактор, сопутствующий описанному процессу - образование и разрушение так называемых «балок», возникающих при сжатии перемещающихся навстречу друг другу массивов крупнокусковых материалов. При этом сначала выбираются зазоры между кусками, а затем при контактировании возникают жесткие «балки» различной протяженности. Возникновение таких «балок» сразу вызывает возрастание сопротивления сжатию массива. Это видно на рис. 3, где показана схема образования «балок» при зачерпывании кусковых материалов неправильной и цилиндрической формы.

а б

Рис. 3. Схема образования «балки» при зачерпывании различных материалов: а - крупнокусковых; б - цилиндрической формы

При зачерпывании мелких сыпучих материалов (песок, гравий и т. п.) усилие в замыкающем канате по мере смыкания челюстей возрастает равномерно. Иначе проходит процесс зачерпывания крупнокусковых материалов. В этом случае при смыкании происходит образование из контактирующих зачерпываемых кусков жестких «балок», линия контакта между которыми характеризуется сложными кривыми. Таких контактных линий в плоскости зачерпывания между днищем челюсти и кусками по высоте массива зачерпываемого материала может образовываться одновременно несколько (рис. 3, а). Распорные «балки» образуются также и в поперечном сечении между стенками челюстей. При этом с уменьшением отношения В/Ь (В - ширина челюсти) и размаха грейфера к поперечному размеру зачерпываемых кусков сопротивление разрушению образовавшихся распорных «балок» возрастает.

При дальнейшем смыкании челюстей нижележащие уплотненные слои оказывают сопротивление внедрению в материал, в результате чего кромки челюстей начинают перемещаться по пологой кривой зачерпывания. При этом происходит подгребание челюстями кусков и их уплотнение. В результате уплотнение материала сдерживается хаотически расположенными перед ножами кусками, т. к. происходит частичное дробление этих кусков и перемещение челюстей вверх - в зоны пониженного давления зачерпываемого груза.

Если крупнокусковой материал обладает низкой прочностью, то под действием усилия на ноже может происходить разрезание кусков, разрушение устойчивости «балки» из кусков материала и его прессование. В этом случае траектория ножа по характеру приближается к траектории при зачерпывании мелкокусковых и легкосыпучих материалов.

Полученные нами результаты дают возможность уточнить расчеты сопротивлений внедрению грейферного механизма (а также других ковшовых рабочих органов) в глинозем и другие аналогичные грузы и более подробно описать процесс зачерпывания крупнокускового материала.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Зенков Р. Л. Механика насыпных грузов. - М.: Машгиз, 1964. - 341 с.

2. Филяков А. Б. Взаимодействие рабочих органов перегрузочных машин с насыпными грузами. -Астрахань: Изд-во АГТУ, 2004. - 176 с.

3. Таубер Б. А. Грейферные механизмы. - М.: Машиностроение, 1985. - 269 с.

4. Филяков А. Б., Славин Б. М. Грейферные механизмы. - Астрахань: Изд-во АГТУ, 2009. - 280 с.

Статья поступила в редакцию 1.02.2012

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ

Филяков Александр Борисович - Астраханский государственный технический университет;

д-р техн. наук; профессор.

Astrakhan State Technical University; Doctor of Technical Science,

Filyakov Alexander Borisovich

Professor.

Славин Борис Матвеевич - Астраханский государственный технический университет; канд. техн. наук, доцент; зав. кафедрой «Начертательная геометрия и инженерная графика»; bslavin@yandex.ru.

Slavin Boris Matveevich - Astrakhan State Technical University; Candidate of Technical Science, Assistant Professor; Head of the Department "Descriptive Geometry and Engineering Graphics"; bslavin@yandex.ru.