Определение рациональных режимов работы цепных траншейных экскаваторов со скребковым рабочим органом тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.05.04, кандидат технических наук Стрельников, Александр Николаевич

• Стрельников, Александр Николаевич
• кандидат технических наук
• 2003

Оглавление диссертации кандидат технических наук Стрельников, Александр Николаевич

ВВЕДЕНИЕ

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Существующие модели взаимодействия рабочих органов цепных траншейных экскаваторов с грунтом

1.2 Обзор исследований по рациональным режимам работы машин с активным рабочим органом

1.3 Промышленное освоение цепных траншейных экскаваторов со скребковым рабочим органом

Выводы по главе. Цель и задачи исследований

2. МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА ЦЕПНОГО ТРАНШЕЙНОГО ЭКСКАВАТОРА

2.1 Системный анализ

2.2 Математическая модель подсистемы «грунт - рабочее оборудование»

2.3 Физическая модель подсистемы «грунт - рабочее оборудование»

2.4 Описание лабораторной установки и методика проведения эксперимента

2.5 Математическая модель цепного траншейного экскаватора 40 Выводы по главе

3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАЦИОНАЛЬНЫХ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ЦЕПНЫХ ТРАНШЕЙНЫХ ЭКСКАВАТОРОВ

3.1 Результаты исследований подсистемы «грунт - рабочее оборудование» ■ '

3.2 Результаты исследований цепного траншейного экскаватора

3.2.1 Зависимость основных параметров рабочего процесса от управляющих воздействий оператора

3.2.2 Влияние коэффициента распределения мощности на производительность экскаватора и энергоемкость процесса

3.2.3 Определение оптимальных параметров рабочего процесса в зависимости от мощности двигателя, тягового класса базовой машины и прочностных свойств разрабатываемых грунтов

Выводы по главе

4. ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ЦЕПНЫХ ТРАНШЕЙНЫХ ЭКСКАВАТОРОВ, СПОСОБНЫХ АДАПТИРОВАТЬСЯ К ИЗМЕНЯЮЩИМСЯ ГРУНТОВЫМ УСЛОВИЯМ

4.1 Технико-экономическая эффективность использования экскаваторов с оптимальным коэффициентом распределения мощности

4.2 Методика расчета цепных траншейных экскаваторов, способных адаптироваться к изменяющимся грунтовым условиям

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Определение рациональных режимов работы цепных траншейных экскаваторов со скребковым рабочим органом»

В нашей стране ежегодно выполняются огромные объемы строительных работ по сооружению подземных коммуникаций. В области мелиорации это строительство каналов и устройство дренажных систем, в энергетическом строительстве - сооружение магистральных газо- и нефтепроводов, промышленном и гражданском - прокладка кабельных линий связи, электроснабжения, водопровода и др. коммуникаций.

Сооружение подземных коммуникаций связано, в первую очередь, с отрывкой траншей различного профиля и протяженности. В настоящее время указанные работы ведутся при помощи траншейных экскаваторов, которые по сравнению с одноковшовыми имеют более высокую производительность и качество отрываемой траншеи. Кроме того, траншейные экскаваторы просты в управлении, легко поддаются автоматизации и менее опасны в природоохранном отношении.

Характерной особенностью траншейных экскаваторов является \ разветвление силового потока, при котором часть мощности двигателя базовой машины передается рабочему органу, минуя движитель. Наряду с другими факторами указанное разветвление существенным образом влияет на производительность экскаватора. Для траншейных экскаваторов мощность на рабочем органе характеризует величину снижения его тягового сопротивления, а мощность на движителе определяет скорость поступательного перемещения экскаватора. В виду того, что мощность экскаватора ограничена, возникает необходимость ее рационального распределения в зависимости от параметров траншеи, мощности двигателя и тягового класса базовой машины.

Кроме того, траншейные экскаваторы работают в широком диапазоне изменения грунтовых условий. Очевидно, что с изменением прочности разрабатываемых грунтов должно изменятся и распределение мощности между приводом рабочего органа и движителя. Таким образом, встает вопрос о создании траншейного экскаватора, способного адаптироваться к изменяющимся грунтовым условиям.

Выполненные ранее в этой области исследования не позволяют приступить к разработке методики расчета траншейных экскаваторов с учетом меняющегося грунтового фона. Поэтому предлагаемую тему диссертационной работы следует считать актуальной.

Для отрывки узких траншей в грунтах IIII категории применяются цепные траншейные экскаваторы со скребковым рабочим органом, который по сравнению с фрезерно-роторным имеет меньшую массу и габариты. Это позволяет использовать цепные траншейные экскаваторы в стесненных условиях, а также на участках небольшой протяженности, где требуются частые перебазировки машины.

В настоящей работе изложены результаты исследований цепных траншейных экскаваторов со скребковым рабочим органом, способных адаптироваться к изменяющимся грунтовым условиям. Определены рациональные режимы работы в зависимости от ширины отрываемой траншеи, мощности двигателя и тягового класса базовой машины, прочностных свойств разрабатываемых грунтов.

В работе широко используются современные методы научных исследований, включающие системный анализ, физическое и математическое моделирование, статистическую обработку результатов эксперимента.

Научная новизна представлена:

- физической и математической моделями подсистемы «грунт - рабочее оборудование»;

- математической моделью цепного траншейного экскаватора;

- оптимальным значением коэффициента распределения мощности в зависимости от ширины траншеи, мощности двигателя и тягового класса базовой машины, прочностных свойств разрабатываемых грунтов.

Практическая ценность работы заключается в разработанной методике расчета цепных траншейных экскаваторов, способных адаптироваться к изменяющимся грунтовым условиям.

Методы исследований основаны на использовании основных положений системного анализа, математического и физического моделирования рабочего процесса цепного траншейного экскаватора и взаимодействия рабочего органа с грунтовой средой, научных положений теоретической механики, механики грунтов и теории планирования эксперимента.

Методика исследований включает также применение методов имитационного моделирования на ЭВМ и использование вычислительной техники и методов вычислительной математики.

Достоверность научных положений подтверждается методологической базой исследования, основанной на положениях теории резания грунтов, соблюдении основных принципов физического и математического моделирования, идентификацией промежуточных результатов исследований с исследованиями других авторов.

На защиту выносятся следующие основные положения:

- физическая и математическая модели подсистемы «грунт - рабочее оборудование»;

- математическая модель цепного траншейного экскаватора;

- влияние величины коэффициента распределения мощности двигателя базовой машины между приводом рабочего оборудования и движителем на производительность экскаватора и энергоемкость процесса;

- зависимость оптимального значения коэффициента распределения мощности от ширины траншеи, мощности двигателя и тягового класса базовой машины, прочностных свойств разрабатываемых грунтов;

- методика расчета цепных траншейных экскаваторов, способных адаптироваться к изменяющимся грунтовым условиям.

Работа выполнена на кафедре «Строительно-дорожные машины и гидравлические системы» Иркутского государственного технического университета под руководством канд. техн. наук, доц. В.Г. Зедгенизова.

Автор выражает глубокую признательность сотрудникам кафедры и аспирантам за оказанную помощь в работе над диссертацией.

Заключение диссертации по теме «Дорожные, строительные и подъемно-транспортные машины», Стрельников, Александр Николаевич

5. ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ И НАПРАВЛЕНИЯ ДАЛЬНЕЙШИХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Результаты выполненных исследований позволили сделать ряд выводов и практических рекомендаций, направленных на повышение эффективности цепных траншейных экскаваторов со скребковым рабочим органом.

1. При изучении рабочего процесса цепных траншейных экскаваторов необходимо использовать современные методы научных исследований, включающие системный анализ, моделирование, статистическую обработку результатов эксперимента.

2. Разработанная математическая модель цепного траншейного экскаватора дает возможность исследовать основные параметры рабочего процесса и определить рациональные режимы работы в зависимости от ширины траншеи, мощности двигателя и тягового класса базовой машины, прочностных свойств разрабатываемых грунтов.

3. Установлено, что для каждой категории грунта существует рациональный режим работы экскаватора, который определяется оптимальным коэффициентом распределения мощности двигателя базовой машины между приводом рабочего органа и движителем, значения которого лежат в пределах: для экскаваторов с рабочим органом шириной 0,4 м тяговый класс 9 кН - 0,053.0,136 тяговый класс 14 кН - 0,081 .0,208 для экскаваторов с рабочим органом шириной 0,27м тяговый класс 9 кН - 0,076. 0,221 тяговый класс 14 кН - 0,128.0,328

4. Увеличение выносной способности рабочего органа за счет увеличения высоты резцов и скребков по сравнению с базовым вариантом дает возможность повысить производительность экскаватора на грунтах I и II категории - в 4,3 раза, а на грунтах III категории - в 2,5 раза. Дальнейшее повышение производительности ограничивается тяговым сопротивлением рабочего органа. Совместное увеличение выносной способности и скорости рабочей цепи приводит к повышению производительности экскаватора на грунтах I категории - в 9 раз, II категории - в 4,8 раза, III категории - в 2,9 раза. Дальнейшее повышение производительности ограничивается мощностью двигателя базовой машины.

5. Разработанная методика расчета позволяет на основании требований технологии строительства определить основные параметры цепных траншейных экскаваторов, способных адаптироваться к изменяющимся грунтовым условиям,

6. Годовой экономический эффект от использования экскаватора на базе трактора МТЗ-80, способного адаптироваться к изменяющимся грунтовым условиям, составляет 620 тыс. руб.

Исходя из вышеизложенного, дальнейшие исследования целесообразно направить на разработку автоматической системы управления рациональным режимом работы и создание цепного траншейного экскаватора, способного адаптироваться к изменяющимся грунтовым условиям.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Стрельников, Александр Николаевич, 2003 год

1. Абезгауз В.Д. Режущие органы машин фрезерного типа для разработки горных пород и грунтов.-М.: Машиностроение, 1965, 278 с.

2. Баладинский В.Л Динамическое разрушение грунтов рабочими органами землеройных машин. Дисс. д-ра техн.наук, - Киев: 1980, 680 с.

3. Баловнев В.И. Физическое моделирование резания грунтов. М.: Машиностроение, 1969. - 159 с.

4. Баловнев В. И. Моделирование процессов взаимодействия со средой рабочих органов дорожно-строительных машин. М.: Машиностроение, 1994. -432с.

5. Вартанов С.Х. Траншейный кабелеукладчик КТЦ-301. -Строительные и дорожные машины, 1994, №10. с. 10-12

6. Вартанов С.Х. Перспективные направления развития технологии производства землеройных работ и конструкций траншейных экскаваторов. -Строительные и дорожные машины, 1991, №9. с. 2-5.

7. Васильченко В.А., Беркович Ф.М. Гидравлический привод строительных и дорожных машин. М.: Стройиздат, 1978. - 166 с.

8. Ветров Ю.А. Исследование по резанию вскрышных пород. -М.: Углетехиздат,1949. 112 с.

9. Ветров Ю.А. Расчет сил резания и копания грунтов. -Киев: Киевский университет, 1965. 168 с.1 б. Ветров Ю.А. Резание грунтов землеройными малинами.

10. Машиностроение, 1971. -360 с.17 . Ветров Ю.А., Баладинский В.Л. Разрушение прочных грунтов. Киев: Будевильник, 1972. - 152 с.

11. Волков Д.П., Николаев С.Н., Марченко И.А. Надежность роторных траншейных экскаваторов. -М.: Машиностроение, 1972. -207 с.

12. Волков Д.П., Крикун В.Д. Машины для земляных работ. -М.: Машиностроение, 1992. -447 с.

13. Гальперин М.И., Домбровский Н.Г. Строительные машины. М.: Машиностроение, 1966. 372 с.

14. Гарбузов З.Е. и др. Землеройные машины непрерывного действия. М.-Л.: Машиностроение, 1965. -275 с.

15. Домбровский Н.Г. Сопротивление грунта копанию при работе одноковшового экскаватора. В кн.: Резание грунтов. 1951, с. 42-75 .

16. Домбровский Н.Г. Многоковшовые экскаваторы. М.: Машиностроение, 1972. -432 с.2 9. Дымшиц Г.А. Повышение производительности роторных экскаваторов с постоянной скоростью резания и не выдвижной стрелой. -Горные машины и автоматика, 1963, № 11, с. 28-33.

17. Жегульский В.П. Исследование и оптимизация статико-динамического рыхлителя послойного действия- Дисс. . канд.техн. наук. -Омск, 1980.-216 с.

18. Зеленин А.Н., Баловнев В.И., Керров И.П. Машины для земляных работ. М.: Машиностроение, 1975. -424 с.

19. Зеленин А.Н., Карасев Г.Н., Красильников Л.В. Лабораторный практикум по резанию грунтов. М.: Высшая школа, 1969. 310 с.

20. Инструкция по определению экономической эффективности создания новых машин, противопожарного оборудования и лифтов. М: ЦНИИТЭстроймаш, 1973. -279 с.

21. Каверзин С.В. Курсовое и дипломное проектирование по гидроприводу самоходных машин. Красноярск:, производственно-издательский комбинат "Офсет", 1997. -382 с.

22. Ковригин В.А. Изменение производительности универсального роторного экскаватора в зависимости от изменения сопротивления грунтов копанию. Труды/МИСИ, №59, 1968, с. 32-39.

23. Малиновский Е.Ю., Гайцгори М.М. Динамика самоходных машин с шарнирной рамой. Колебания и устойчивость. М.: Машиностроение. 1974. -176 с.3 9 . Мирзоян Г.С., Мануйлов В.Ю. Объемный гидропривод строительных и дорожных машин. М.: МАДИ, 1980, - 80 с.

24. Недорезов И.А. Исследование косого резания грунтов. В кн.: Машины для земляных работ. Труды / ЦНИИС, вып. 77, ." Транспорт, 1969, с.28-35.

25. Недорезов И.А. Эффективность косого резания грунта. -Строительные и дорожные машины, 1969, №3, с.14-15.

26. Недорезов И.А. Повышение производственного потенциала землеройных машин на основе создания новых рабочих органов. Дисс. д-ра техн. наук. - М.: 1972. - 570 с.

27. Недорезов И.А., Дианов Ф.А. Статистические оценки сопротивлений резанию и копанию грунтов землеройными машинам. -Строительные и дорожные машины. 1979, № 9, с. 20-22 .

28. Позин Ж.З. Основы выбора и поддержания оптимальных режимов работы исполнительных органов угледобывающих машин. В кн.: Разрушение горных пород механическими способами. - М.: Наука, 1966, с. 207-223

29. Прокофьев В.Н. Динамика гидропривода. М.: Машиностроение, 1972.-231 с.4 б . Расчет и проектирование строительных и дорожных машин на ЭВМ / Под ред. Малиновского Е.Ю. М.:Машиностроение,1980. -216 с.

30. Родин И.И., Соколов JI.K. Основы проектирования экскаваторов непрерывного действия. -Красноярск, 1987. -226 с.

31. Сергеев А.И. К вопросу об автоматизации рытья траншей под закрытый дренаж. В кн.: Строительные и дорожные машины. ЦНИИинформстройдоркоммунмаш, 1965, с. 19-27.

32. СН 207-68. Инструкция по проведению планово-предупредительного ремонта строительных машин. М: Госстрой СССР, 1968. -72 с.

33. Соколов Л.К., Герцог Е.В. Траншейное оборудование и режущий инструмент для разработки мерзлых грунтов. -Строительные и дорожные машины, 1995, №12. с. 7-9.

34. Тарасов В Н. Динамика систем управления рабочими процессами землеройно-транспортных машин. Омск: Западно-Сибирское книжное издательство, 1975. -182 с.

35. Тархов А.И., Карелин Е.Ф., Федоров А.И. О повышении производительности траншейных экскаваторов. -Строительные и дорожные машины, 1982, №2, с.7-8.

36. Тархов А.И., Калашников В.М. О недоиспользовании мощности двигателя траншейного экскаватора. В кн.: Повышение эффективности использования машин в строительстве. Л.: 1984, 38-44.

37. Тархов А.И. Научные основы рационального конструирования приводов траншейных экскаваторов. Дисс.д-ра техн. наук. -М.: МИСИ, 1984.

38. Тархов А.И., Ащеулов А.В., Гриф Г.В. Математическая модель механической системы многоковшового экскаватора. В кн.: Динамика строительных и дорожных машин. Ярославль, 1991, с.5-12.

39. Троицкий С.Н. Оптимизация процесса экскавации роторных траншеекопателей как средство повышения их производительности. Дисс. канд. техн. наук. - М., 1976. - 143 с.

40. Ульянов Н.А. Теория самоходных колесных землройно-транспортных машин. -М.: Машиностроение, 1969. -520 с.

41. Файнзильбер Е.М. Совершенствование методов расчета траншейных экскаваторов как замкнутых динамических систем. Дисс.канд. техн. наук. -М.: МИСИ, 1987.

42. Файнзильбер М.Л., Тархов А.И., Румянцев В.А. Оптимальные рабочие режимы траншейных экскаваторов. Строительные и дорожные машины, 1975, №6. с. 32-33.

43. Федоров Д.П. Рабочие органы землеройных машин. -М.: Машиностроение, 1977. 288 с.

44. Холодов A.M., Руднев В.К. Проектирование машин для земляных работ. -Вища школа, 1986. -270 с.

45. Шпектров И.Н., Троицкий С.Н., Резвяков А.Н. Исследование роторного траншейного экскаватора, разрабатываемого грунт способом попутного копания. Реф. сб. ВНИИТЭГазпром, 1973, вып. 10, с. 42 - 45.