Методика создания и расчета рабочих органов с направленными потоками выноса грунта

УДК 624.132.3

МЕТОДИКА СОЗДАНИЯ И РАСЧЕТА РАБОЧИХ ОРГАНОВ С НАПРАВЛЕННЫМИ ПОТОКАМИ ВЫНОСА ГРУНТА

Е.В. Горбатюк, доцент, КНУСА

Аннотация. Исследования посвящены установлению закономерностей процессов разработки грунтового массива и методике расчета высокоскоростных рабочих органов с созданием ориентированных потоков выноса грунта.

Ключевые слова: рабочий орган, грунтовыносной элемент, транспортирующий элемент.

Введение

В связи с тенденцией увеличения объемов земляных работ существует необходимость в новом подходе к методам экскавации грунта при разработке новых конструкций рабочего оборудования для разрушения и выноса грунта из забоя.

При разработке грунта дисковым рабочим органом происходит одновременное его резание и экскавация. Для уменьшения энергетических затрат при экскавации грунта необходимо сформировать и сориентировать поток грунта.

Анализ публикаций

В процессе разработки грунта в существующих рабочих органах происходит измельчение и смешивание частичек грунта с разными скоростями, что приводит к ухудшению продвижения грунта по транспортирующим элементам. Эти проблемы решались для низкоскоростных ковшевых рабочих органов.

При разработке грунта высокоскоростными рабочими органами использовалось другое техническое решение - ставилось дополнительное устройство - метатель.

Цель и постановка задачи

Один из путей интенсификации разработки твердых грунтов - это использование машин непрерывного действия с высокоскоростны-

ми рабочими органами с возможностью ориентирования потоков выноса грунтов. Цель данной работы состоит в методике создания и расчета рабочих органов с направленными потоками выноса грунта.

Задачи, которые решаются в работе: минимизация энергетических затрат при наибольшей дальности выброса грунта и создание методики расчета рабочих органов с направленными потоками выноса грунта.

Решение задачи

С целью улучшения работы существующего навесного оборудования землеройных машин разработан новый принцип эффективной разработки грунта высокоскоростными рабочими органами, который позволяет снизить энергоемкость процесса за счет формирования ориентированных потоков грунта [1].

Предлагается принципиально новый подход к анализу процесса разработки грунта рабочими органами беспрерывного действия, который заключается в возможности регулирования потоков грунта за счет почти мгновенного отдаления частичек разрушенного грунта из зоны резания.

Для обоснования нового принципа разработан математический аппарат, с помощью которого можно решить конкурентную задачу между достижением максимальной дальности выброса грунта с минимизацией энергоемкости процесса при постоянном отноше-

нии толщины стружки к частоте вращения рабочего органа [2].

Нами предложен и разработан новый высокоскоростной рабочий орган (рис. 1), что позволяет получить оптимальную плотность грунтового потока, который экскавируется из забоя [3]. Он состоит из диаметрально расходящихся транспортирующих элементов 1, оснащенных режущими элементами 2, присоединенными к ободу 3 и грунтовыносных элементов 4, которые находятся за ними.

При транспортировании грунт делится на два потока. Грунт, который имеет малую кинетическую энергию (соответственно и малую скорость), не успевает пройти весь путь от центра рабочего органа к периферии, попадает в коническую часть грунтовыносных элементов, где получает дополнительный заряд энергии и по образующей движется к периферийной части рабочего органа и транспортируется из забоя через открытые основания конуса. Так как рабочий орган сделан совместно с грунтовыносными элементами, то при транспортировании не происходит смены направления вектора переносной скорости частичек грунта, что также приводит к снижению энергетических затрат на транспортирование грунта.

Рис. 1. Высокоскоростной рабочий орган землеройной машины с направленными потоками выноса грунта

Были проанализированы грунтовыносные элементы, сделанные в виде части пирамиды и части конуса. Был сделан вывод, что грунтовыносные элементы, сделанные в виде части конуса, более эффективны. Это происходит потому, что при острых углах, которые

есть у грунтовыносных элементов, сделанных в виде части пирамиды, происходит за-липание грунта. Также, и это очень важно, грунтовыносные элементы, сделанные в виде части конуса, конструктивно проще изготовлять. Лучше всего, чтобы грунтовыносные элементы были сделаны в виде части эллиптического конуса, - путь транспортирования грунта будет меньшим.

Для получения необходимой мощности двигателя базовой машины, конструктивных размеров рабочего органа, необходимых для его проектирования, необходимо определить мощность, которая тратится рабочим органом на разрушение и выброс грунта из траншеи [4].

Исходные данные для определения мощности и продуктивности рабочего органа: частота вращения рабочего органа ю, с-1, радиус рабочего органа R, м, скорость подачи рабочего органа на забой Vm, м/с, ширина грунторазрушающего элемента B, м, скорость распространения деформации в грунте Ц, м/с, удельное динамическое сопротивление для каждого ряда грунторазрушающих элементов, которые находятся на разных рассто-я-ниях от центра рабочего органа КД, МПа, толщина стружки, которая срезается одним грунторазрушающим элементом АЛ, м, коэффициент трения грунта по материалу грунторазрушающего элемента / количество грунторазрушающих элементов п, угол наклона образующей конуса грунтовыносных элементов а, град., расстояние до оси рабочего органа г-й частички грунта Rг, м/с, скорость движения частички грунта перпендикулярно оси рабочего органа Vx, м/с, толщина стружки, которая срезается грунторазрушающими элементами Л, м, коэффициент заострения грунторазрушающего элемента Ка, количество радиальных рядов грунторазрушающих элементов г, коэффициент трения грунта по стальным грунтовыносным элементам k, плотность грунта, который разрушается у, кг/м3, ускорение свободного падения g, м/с2.

Мощность, которую необходимо потратить на разрушение и транспортирование грунта из забоя, можно определить по формуле

N = N + N + N + N

р в тр п , V1/

где N - мощность, которая тратится на резание грунта, N - мощность, которая тратится

на придание частицам грунта скорости выноса, N^p - мощность, которая тратится на преодоление сил трения, N1 - мощность, которая тратится на подъем грунта до момента выноса.

щей конуса грунтовыносных элементов, g -ускорение свободного падения.

Мощность, которая тратится на преодоление сил трения

Мощность, которая тратится на резание грунта

N = kgy0,8лR2А hV .

икДВИ — [1 + 2К

ВИ

/п2 (В + 2А И)2

-]),

А И sinа V г - 1

где и - скорость перемещения деформации в среде (грунте), Кд - удельное сопротивление разрушению, В - ширина

грунторазрушающего элемента, И - толщина стружки, которая срезается грунторазрушающими элементами, Ка - коэффициент заострения грунторазрушающего элемента, п -количество грунторазрушающих элементов, / - коэффициент трения грунта по материалу грунторазрушающего элемента, г - количество радиальных рядов грунторазрушающих элементов, АИ - толщина стружки, которая срезается одним грунторазрушающим элементом, V - скорость взаимодействия грунтовыносных элементов с грунтом.

Скорость взаимодействия грунтовыносных элементов с грунтом можно определить из выражения

V =4Я>2 + VI + V2 + 211 юVm cosюt ,

где 1 - расстояние до оси рабочего органа г-й частички грунта, ю - частота вращения рабочего органа, Vm - скорость подачи рабочего органа на забой, Vх - скорость движения частички грунта перпендикулярно оси рабочего органа.

Мощность, которая тратится на придание частицам грунта скорости выноса:

N = ^ cosa + + ю2 1) Г

sin а

Г у0,8л! 2А hV,

где k - коэффициент трения грунта по стальным грунтовыносным элементам, 1 - радиус рабочего органа, у - плотность грунта, который разрушается, а - угол наклона образую-

Мощность, которая тратится на подъем грунта до момента выноса

N^1^ = gy0,8лR2 А И ю1г. Общая мощность равна

ЛГ г м иКдВИ ВИ

N = е н А [1+

г = 1 о

2Ка

п (В + 2А И)2

(А И sina V - ЯУт) Г ]Ь +

А И sinа V

g

г -1 ю

+ ^ cosа +---------+ ю 1,)у0,8п 1 А hV +

sinа

+ kgy0,8лR2А И V + gy0,8лR2А И ю1г.

На рис. 2 показано рассчитанные зависимости мощности на разрушение и выброс грунта от частоты вращения рабочего органа для разработанной модели рабочего органа.

Рис. 2. Зависимость мощности на разрушение и выброс грунта N от частоты вращения рабочего органа ю для разработанной модели рабочего органа: а - 1 =

= 0,1 м, б - 1 = 0,2 м, в - 1 = 0,3 м

Мощность двигателя базовой машины можно определить разделив полученную общую мощность на коэффициент, который учитывает коэффициент потерь мощности на трение разрушенного грунта по стенкам забоя,

г

г= 1

г= 1

коэффициент полезного действия двигателя Подставив значения продуктивности рабочего

рабочего органа и коэффициент полезного органа (10) и мощности на разрушение и вы-

действия механического привода. брос грунта (7) в данную формулу получим

Коэффициент потерь мощности на трение разрушенного грунта по стенкам забоя, с учетом угла трения грунта по грунту, на прохождение % равен 0,78 - 0,8. Коэффициент полезного действия механического привода приблизительно равен Кпр=0,6...0,7.

Отсюда мощность двигателя базовой машины равна

м г иКДВИ Nm = N /К д = не (-^ [1 +

ог

1 2Ка

ВИ

/п2 (В + 2А И)2 "

-

А И sinа V г - 1

+ (kg cosа + —— + ю2 Л.)у0,8л 12А hV + sinа

+ kgy0,8лЛ2А И V +

+ gy0,8пR2А И ю1,.} /КдЛр.

Продуктивность рабочего органа найдем с помощью формулы

П =

3600 q УрК л ^ ’

где q - объем грунта, который находится на грунтовыносных элементах, УоК - окружная скорость рабочего органа, D - диаметр рабочего органа.

Учитывая, что VоК = ю Ч1, получим 7200 q ю

П=

л

или

П = 2291,8 q ю .

Удельная продуктивность рабочего органа (продуктивность на 1 кВт установленной мощности) равна

п,. = п.

УД

N

г иКДВИ ПУд = {2291,8 q ю}/{е (—^- Г

‘7= 1 2Ка

Г [1 +

ВИ(п - 1) /п2 (В + 2А И)2

-

А И sinа V г - 1

+ (kg cosа + —— + ю2 Л.)у0,8л 12А hV + sinа

+ kgy0,8лR2А И V + gy0,8пR2А И ю1г}.

Применяя теорию подобия процессов рабочих органов непрерывного действия и зная геометрические и динамические параметры органа-модели, найдем необходимый диаметр рабочего органа-натуры [5]

D = DJПг •

П2п1

Если, например, зададимся полученными в ходе опытов экспериментальными данными (диаметром модели рабочего органа D2=0,4 м, количеством оборотов п2=300 мин4, продуктивностью П2=4,5 м3/час), то получим диаметр рабочего органа, задаваясь его необходимой продуктивностью П1 и количеством оборотов п1 гидравлического мотора

D = 1,62з/П . п

В результате нами получена методика расчета рабочих органов с направленными потоками выноса грунта.

Выводы

На основании теоретических и экспериментальных исследований разработаны и описаны новые конструкции высокоскоростных рабочих органов непрерывного действия, в которых происходит одновременное резание и экскавация грунта. В предложенных высокоскоростных рабочих органах формируются ориентированные потоки грунта, что сни-жа-ет энергетические потери на непродуктивное измельчение и смешивание грунта при его транспортировании.

Реализация разработанного и предложенного нового типа рабочего органа возможна в виде ручного механизированного инструмента и в виде навесного оборудования на различные базовые машины.

Предложенная конструкция грунтовыносных элементов проста в изготовлении (может быть изготовлена в условиях эксплуатации), имеет низкие показатели металлоемкости, себестоимости, затрат труда на монтаж и демонтаж, практически не увеличивает затрат на техническое обслуживание землеройной машины.

Проведенные экспериментальные исследования моделей разработанных рабочих органов показали, что благодаря делению и направлению потоков грунта силы резания уменьшились в 1,2 раза, а дальность выброса грунта увеличилась в 1,28 - 1,3 раза.

В результате полученной методики расчета для рабочих органов непрерывного действия с ориентированными потоками выноса грунта можно определить необходимые мощности двигателя базовой машины, конструктивные размеры рабочего органа, необходимые для его проектирования, получены зависимости продуктивности от частоты вращения рабочего органа при данном объеме грунта, который находится на грунтовыносных элементах.

1. Горбатюк С.В. Огляд та аналiз юнуючих

конструкцш робочих оргашв землерийних машин динамiчноl дп // Прн., буд., дор. та мелюрат. машини: Всеукр. мiжвiд. зб. наук. пр. - К.: КНУБА. - 2003. - Вип. 61. - С. 48 - 52.

2. Робочий орган землерийно! машини:

Декларацшний патент на винахщ №31860А. Укра!на. МКИ 6 Е 02 F 5/08/ Баладшський В.Л., Пелевiн Л.С., Гаркавенко О.М., Горбатюк С.В. -№98115932; Заявлено 09.11.1998; Опубл. 15.12.2000, Бюл. №7-11. - 6 с.

3. Пелевин Л.Е., Горбатюк Е.В. Кинематиче-

ские параметры рабочего органа с направленными потоками энергии разрушения и выноса грунта // Техника строительства: научно-технический

журнал. - 1999. - Вып. 6. - С. 10 - 13.

4. Створення робочого органу землерийно!

машини з орieнтованими потоками ви-носу грунту // Автореф. дис. канд. техн. наук. - Дншропетровськ: ПДАБА, 2006.

5. Горбатюк С.В. Подiбнiсть процеав розробки грунту робочими органами безперервно! ди // Прн., буд., дор. та мелюрат. машини: Всеукр. мiжвiд. зб. наук. пр. - К.: КНУБА. - 2002. - Вип. 59. - С. 33-36.

Рецензент: В.В. Ничке, профессор, д.т.н., ХНАДУ.

Литература

Статья поступила в редакцию 28 мая 2007 г.