Параметры копания грунта поворотом ковша обратной лопаты тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.05.04, кандидат технических наук Кузьмин, Сергей Сергеевич

• Кузьмин, Сергей Сергеевич
• кандидат технических наук
• 2003

Оглавление диссертации кандидат технических наук Кузьмин, Сергей Сергеевич

Оглавление.

Введение.

1. Состояние вопроса, постановка цели и задач исследования.

1.1 Обзор работ по резанию и копанию грунта.

1.2 Обзор работ по резанию и копанию грунта при переменной толщине стружки.

1.3 Постановка цели и задач исследования.

2. Сопротивление грунта резанию и копанию.

2.1 Постановка задачи исследования.

2.2 Параметры резания грунта с плоской исходной поверхностью.

2.3 Параметры резания грута с одной исходной цилиндрической поверхностью.

2.4 Особая точка и параметры резания грунта при двух исходных цилиндрических поверхностях.

2.5 Выводы по главе.

3. Энергоемкость копания грунта.

3.1 Энергоемкость копания грунта с плоской исходной поверхностью.

3.2 Энергоемкость копания грунта с одной исходной цилиндрической поверхностью.

3.3 Энергоемкость копания грунта с двумя исходными цилиндрическими поверхностями.

3.4 Выводы по главе.

4. Схема разработки экскаваторного забоя

4.1 Энергоемкость копания грунта с тремя исходными цилиндрическими поверхностями.

4.2 Параметры схемы разработки экскаваторного забоя.

4.3 Выводы по главе.

5. Экспериментальные исследования.

5.1 Цель и задачи исследований.

5.2 Методика проведения экспериментальных исследований и оборудование.

5.3 Методика и результаты обработки экспериментальных данных.

5.4 Выводы по главе

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Параметры копания грунта поворотом ковша обратной лопаты»

Прикладная наука о резании грунтов развивалась соответственно ее востребованию на рынке землеройных машин. До середины прошлого века достаточной для расчета рабочих органов этих машин и их приводов была практическая формула проф. Н.Г. Домбровского, основанная на формуле академика В.П. Горячкина для определения силы резания рабочим органом лемешного типа. Формула Н.Г. Домбровского предполагала пропорциональную зависимость касательной составляющей рабочего сопротивления ковшу от площади поперечного сечения грунтового среза (стружки). Согласно источников [12, 20, 21] особенностью расчетного метода Н.Г. Домбровского является то, что в нем рассматривается не собственно резание, а копание - процесс, включающий в себя преодоление, кроме сопротивлений резанию, также сопротивлений призмы волочения, заполнению ковша и, в некоторых случаях, трения ковша или другого рабочего органа о поверхность забоя. Для определения коэффициентов пропорциональности, называемых соответственно удельными сопротивлениями грунта копанию и в совокупности представляющих исходные расчетные характеристики различных грунтов, использовались опытные данные, полученные в результате статистической обработки результатов измерений сил копания на лабораторных стендах, а также натурными образцами землеройных машин в широком диапазоне разрабатываемых грунтов. При этом удельное сопротивление грунта копанию определялось как частное от деления касательной составляющей силы копания на площадь поперечного сечения стружки. Характерно, что при разработке одних и тех же грунтов этот параметр оказался различным в зависимости от способа разработки. Так, например, для грунтов III категории (согласно классификации проф. А. Н. Зеленина) плотностью 1600 - 2000 кг/м3 удельное сопротивление копанию варьировалось в пределах от 160 до 280 кПа при разработке грунта прямыми и обратными лопатами и от 220 до 400 кПа при работе драглайнов. Различия объяснялись различными долями составляющих суммарного сопротивления грунта копанию. Из всех этих составляющих наибольшей стабильностью обладает сопротивление грунта резанию, которое в большей мере зависит от внутреннего сцепления грунтовых частиц, а также от характеристик внутреннего и внешнего трения грунта, в меньшей мере - от угла резания, наличия на ковше зубьев, степени затупления режущих кромок и т.п. Значения удельного сопротивления грунта резанию можно определить специальными опытами или аналитически: вычитанием из сопротивления грунта копанию перечисленных выше сопротивлений, определяемых на основе законов физики. Средние значения удельного сопротивления грунта той же III категории составили 120 - 200 кПа или 71 до 75% от сопротивления грунта копанию лопатами, от 50 до 55% - при копании ковшом драглайна.

В результате исследований, проведенных проф. А.Н. Зелениным в МАДИ, была предложена формула для определения силы резания, в которой прежняя пропорциональная зависимость от площади поперечного сечения стружки заменялась линейной зависимостью от ширины грунтового среза и степенной зависимостью его толщины. Несмотря на возникший после опубликования А.Н. Зелениным этих результатов научный спор по поводу указанной степенной зависимости, отметим, что на сегодняшний день и практическая формула Н.Г. Домбровского, и формула А.Н. Зеленина имеют равноправное применение в практике расчета землеройных машин.

В отличие от механических лопат и драглайнов для определения сопротивлений копанию или резанию грунтов рабочими органами типа грейферных или погрузочных ковшей применить формулы Н.Г. Домбровского и А.Н. Зеленина непосредственно не представляется возможным из-за сложности определения толщины грунтовой стружки. Еще более остро эта проблема заявила о себе в связи с широким развитием и внедрением в строительное производство гидравлических экскаваторов, в частности с рабочим оборудованием обратной лопаты. При копании грунта поворотом ковша отделяемый от массива грунтовый элемент также не имеет явно выраженной толщины стружки. При копании же грунта поворотом рукояти с фиксированным на ней ковшом, обычно при плавающей стреле и включаемой кратковременно только для принудительного изменения траектории движения режущей кромки (зубьев) ковша, возникает проблема установления параметров этой траектории на этапах между двумя очередными включениями стрелы. Требуемая толщина грунтовой стружки зависит от траектории резания. Эта задача ставилась и ранее, например, при перемещении ковша драглайна по откосу забоя, где толщина стружки, в общем случае переменная, также зависела от траектории движения режущей кромки землеройного инструмента. Как в случае драглайна, так и при копании грунта поворотом рукояти обратной лопаты в описанном режиме, мы имеем дело с одной избыточной степенью свободы рабочего органа (для драглайна) или рабочего оборудования (для обратной лопаты). Изучением вопроса траекторий резания занимался проф. Ю.А. Ветров [12], им была разработанная теория пространственное™ резания.

Опираясь на результаты научных исследований Ю.А. Ветрова [10-13] профессор В.Я. Крикун [29] предложил поправки к применяемым в расчетной практике формулам для определения сопротивлений грунта копанию Н.Г. Дом-бровского и резанию А.Н. Зеленина, учитывающие скорость изменения толщины грунтовой стружки по длине траектории резания. Результаты этих исследований взяты для теоретического исследования поставленных задач о сопротивлении разработки грунта обратной лопатой, как в режиме поворота ковша, так и поворотом рукояти.

Актуальность исследования. В настоящее время одноковшовыми экскаваторами разрабатывается до 85% общего объема земляных работ. Преимущественное применение в строительстве нашли гидравлические экскаваторы, доля которых в общем парке машин для земляных работ составляет около 90%. Эффективность выполнения земляных работ зависит как от конструктивно- кинематических и силовых параметров машины, физико-механических свойств разрабатываемых грунтов, так и от способов их разработки. Существуют различные способы разработки грунта, основным из которых для одноковшовых гидравлических экскаваторов с рабочим оборудованием обратной лопаты является копание грунта поворотом ковша. Этот способ взаимодействия ковша с забоем, формируемым в процессе копания, обеспечивает наибольшее заполнение ковша грунтом и высокую производительность работ.

Внедрение в строительство гидравлических одноковшовых экскаваторов с рабочим оборудованием обратной лопаты вызвало необходимость совершенствования методов расчета сопротивлений грунта разработке по траекториям большой кривизны и других характеристик процесса. В научно-технической литературе эти методы не получили достаточного освещения и требуют углубленного изучения. Все это предопределило необходимость постановки вопроса о теоретическом рассмотрении взаимодействия рабочего органа с грунтом с целью последующего уточнения методик расчета сопротивлений грунта разработке, оценки энергоемкости копания и обосновании принципа формирования рациональной схемы разработки экскаваторного забоя в режиме копания грунта поворотом ковша обратной лопаты.

Научная новизна работы состоит в том, что:

• установлены теоретические закономерности для расчета сопротивлений грунта резанию и копанию, учитывающие кривизну траектории разработки грунта и форму исходной грунтовой поверхности;

• теоретически обоснована методика оценки энергоемкости копания грунта по траекториям большой кривизны;

• сформулирован принцип расчета рациональной схемы разработки грунта поворотом ковша обратной лопаты по критерию минимума энергоемкости процесса копания; • разработана расчетная методика для определения параметров рациональной схемы разработки экскаваторного забоя в режиме копания грунта поворотом ковша обратной лопаты. Практическая значимость результатов исследований. Результаты диссертационных исследований являются теоретической базой обоснованного выбора параметров рациональной схемы разработки грунта поворотом ковша обратной гидравлической лопаты, могут быть использованы при проектировании новых моделей гидравлических экскаваторов, а также при разработке рекомендаций для машинистов экскаваторов по оптимальной организации экскаваторного забоя в указанном режиме копания.

Разработанный и созданный в лаборатории кафедры «Строительные и подъемно-транспортные машины» стенд для лабораторных работ используется в учебном процессе факультета «Механизация и автоматизация строительства» МГСУ. Методика экспериментальных исследований использована при разработке методики проведения лабораторных работ по дисциплине «Машины для земляных работ» для студентов специальностей: «Подъемно-транспортные, строительные, дорожные машины и оборудование» и «Механизация и автоматизация строительства».

Достоверность.

Достоверность полученных результатов подтверждена соответствием данных расчета по разработанным методикам, соответствующим теоретической модели процесса копания грунта поворотом ковша, экспериментальным материалам, полученным на модели промышленного гидравлического экскаватора ЭО-321 с рабочим оборудованием обратная лопата.

На защиту выносятся:

1. Теоретическая модель взаимодействия режущего инструмента с грунтом по траекториям большой кривизны.

2. Методики:

• расчета сопротивлений грунта резанию и копанию, учитывающего кривизну траектории разработки грунта и форму исходной грунтовой поверхности;

• оценки энергоемкости копания по траекториям большой кривизны;

• определения рациональной схемы разработки грунта поворотом ковша обратной лопаты по критерию минимума энергоемкости процесса копания.

3. Результаты экспериментальных исследований процесса копания грунта поворотом ковша обратной лопаты модели гидравлического экскаватора ЭО-321.

Реализация результатов работы.

Результаты исследований использованы:

• строительными организациями: филиалом «Строительное Управление №175» ОАО «Мосфундаментстрой №2» и ООО «ФПК Сатори» при проведении земляных работ на объектах г.Москвы с целью повышения производительности одноковшовых гидравлических экскаваторов;

• в учебном процессе при изучении курса «Машины для земляных работ» по специальностям: «Подъемно-транспортные, строительные, дорожные машины и оборудование» и «Механизация и автоматизация строительства».

Апробация работы. Основные положения работы доложены на Московской межвузовской научно-технической конференции студентов и молодых ученых «Подъемно-транспортная техника» (Москва, МГСУ, 2000г., 2001г.)

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 5 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Общий объем диссертации составляет 138 страниц, в том числе 30 таблиц, 43 рисунка, список литературы содержит 54 наименования трудов отечественных и зарубежных авторов.

Заключение диссертации по теме «Дорожные, строительные и подъемно-транспортные машины», Кузьмин, Сергей Сергеевич

6. Результаты исследования, разработанный и созданный в лаборатории кафедры «Строительные и подъемно-транспортные машины» стенд для лабораторных работ используются в учебном процессе факультета «Механизация и автоматизация строительства» МГСУ. Методика экспериментальных исследований использована при разработке методики проведения лабораторных работ по дисциплине «Машины для земляных работ».

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Кузьмин, Сергей Сергеевич, 2003 год

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

2. Аверин А.Д. Земляные работы// Госстройиздат, 1963.

3. Агароник М.Я. Исследование и определение параметров ковшей обратных лопат экскаваторов с гидравлическим приводом. Диссертация на соискание ученой степени к.т.н. М., 1974.

4. Айзеншток И.Я. К построению физической теории резания грунтов// Сборник статей «Резание грунтов» Изд. АН СССР, 1951.

5. Андриуцэ М.Д. Исследование корреляционных связей между сопротивлением грунтов резанию и копанию и их физико-механическими свойствами// Диссертация на соискание ученой степени к.т.н., М., 1963.

6. Баловнев В.И. Методика определения основных параметров отвала бульдозеров// Строительные и дорожные машины, 1960, № 1.

7. Баловнев В.И. Моделирование процессов взаимодействия со средой рабочих органов дорожно-строительных машин: Учеб. пособие для студентов высш. учеб. заведений. 2-е изд., перераб. М.: Машиностроение, 1994.-432с.

8. Борисов С.М. Современные одноковшовые экскаваторы.// НИИИнфст-ройдоркоммунмаш, 1966.

9. Ветров Ю.А. Резание грунтов землеройными машинами. М.: Машиностроение, 1971.

10. Гальперин М.И., Домбровский Н.Г. Строительные машины// М. Машиностроение, 1966.

11. Горячкин В.П. Собрание сочинений. T.I-VI, М.: Сельхозиздат. 1939 -1948.

12. Далин А.Д., Павлов И.П. Роторные грунтообрабатывающие и землеройные машины. М.: Машгиз, 1950.

13. Демин A.A. Научные основы рабочего процесса экскаватора драглайна // Диссертация на соискание ученой степени д.т.н, М., 1990.

14. Домбровский Н.Г. Повышение производительности одноковшовых экскаваторов. М.: Стройиздат, 1951.

15. Домбровский Н.Г. Сопротивление грунтов копанию ковшом экскаватора. «Механизация строительства», 1940, № 1

16. Домбровский Н. Г. Экскаваторы. Ч. I и II. М.: Машгиз, 1940.

17. Домбровский Н.Г., Панкратов С. А. Землеройные машины. М.: Госстройиздат, 1961.

18. Зеленин А.Н. Основы разрушения грунтов механическими способами. М.: Машиностроение, 1968.

19. Зеленин А.Н. Физические основы теории резания грунтов. М.: АН СССР, 1950.

20. Зеленин А.Н., Павлов В.П., Агароник М.Я. и др. Исследование разработки грунта гидравлическими экскаваторами. /Строительные и дорожные машины, №10.-М., 1976.-С. 9-11.

21. Карасев Г.Н. Выбор основных параметров прицепного скрепера. Автореферат диссертация на соискание ученой степени к.т.н. М., 1970.- 21с.

22. Крикун В.Я. Расчет сопротивления грунта резанию и копанию при переменной толщине стружки // Строительные и дорожные машины, № 2, 2001.

23. Крикун В.Я., Кузьмин С.С. Расчет параметров рационального забоя одноковшового экскаватора // Строительные и дорожные машины, № 8, 2002 .

24. Крикун В.Я., Кузьмин С.С. Рациональная схема копания грунта поворотом ковша обратной лопаты // Механизация строительства, № 2, 2003.

25. Крикун В.Я., Кузьмин С.С. Сопротивление грунта резанию поворотом ковша обратной лопаты // Механизация строительства, № 12, 2002.

26. Крикун В.Я., Манасян В.Г. Расчет основных параметров гидравлических экскаваторов с рабочим оборудованием обратная лопата: Учеб. пособие. 1-е издание. М.: АСВ, 2001.

27. Кузьмин С.С. Резервы повышения эффективности работы одноковшовых экскаваторов // Естественные и технические науки, № 2(2), 2002.

28. Кузьмин С.С. Исследование взаимодействия режущего инструмента с грунтом при переменной толщине стружки // Московская межвузовская научно-техническая конференция студентов и молодых ученых «Подъемно-транспортная техника» // М.:МГСУ, 2000, 2001

29. МАДИ. Выбор оптимальных параметров ковшей емкостью от 0,15 до 1м3 для гидравлических экскаваторов. /Научно-технический отчет. № гос. регистрации 69003921. -М., 1969-1970, 1972.-499 с.

30. МАДИ. Совершенствование конструкции рабочего оборудования гидравлических экскаваторов на базе изучения особенностей взаимодействия рабочих органов с грунтом. Научно- технический отчет. № гос. регистрации 72053765.-М., 1973. 107 с.

31. Машины для земляных работ: Учеб. для вузов / Волков Д.П., Крикун В.Я., Тотолин П.Е. и др.; Под ред. Д.П. Волкова. М.: Машиностроение, 1992.

32. Павлов В.П. Исследование и оптимизация конструктивно- технологических параметров обратной лопаты экскаваторов с гидравлическим приводом. Диссертация на соискание ученой степени к.т.н. М., 1982. —227 с.

33. Перлов A.C. Исследование нагрузок в рабочем оборудовании обратной лопаты одноковшовых гидравлических экскаваторов. Диссертация на соискание ученой степени к.т.н.- М., 1969. 213 с.

34. Перлов A.C., Раннев A.B. К расчету рабочего оборудования и привода гидравлического экскаватора. /Сб. трудов ВНИИСтройдормаша, вып. 45. -М., 1969.-с. 7-15.

35. Плотников A.C. Разработка рекомендаций на определение исходных параметров к расчету одноковшового экскаватора с гидроприводом. Диссертация на соискание ученой степени к.т.н. М., 1974. - 153 с.

36. Ребров A.C. К вопросу повышения производительности одноковшовых экскаваторов// ВНИИ Стройдормаш, Вып.9, Машгиз, 1954.

37. Рынсков O.E. Исследование процесса наполнения скреперных ковшей грейферного типа. Диссертация на соискание ученой степени к.т.н. МА-Д И MB О, 1951.

38. Соколовский В.В. Статика сыпучей среды. М.: Гостехтеоретиздат, 1954.

39. Строительные машины: Справочник: в 2-х т. Т.1: Машины для строительства промышленных, гражданских сооружений и дорог/ Под ред. Э. Н. Кузина. 5-ое изд., перераб. -М.: Машиностроение, 1991

40. Успенский А.М. Исследования по резанию грунтов многоковшовыми экскаваторами поперечного копания. Диссертация на соискание ученой степени к.т.н., 1964.

41. Федоров Д.И., Бондарович Б.А. Исследование режимов работ землеройного струга // Строительные и дорожные машины, 1965, № 8

42. Федоров Д.И., Машкович О.Н. Исследование режимов резания грунта рабочим органом роторного экскаватора ЭРГ-350/1000 // Горные машины и автоматика, 1963, № 5

43. Федоров Д.И., Перепонов В.И. Исследование статистических свойстврежимов нагружения рабочего оборудования одноковшовых экскаваторов. В сб. «Строительные и дорожные машины». М.: НИИИнфСДКМ, 1966, №4

44. Цытович H.A. Механика грунтов (краткий курс). 2-е изд., доп. Учебник для вузов. М., «Высш. школа», 1973.

45. Dinglinger Е. Über dem Grabewiderstand. "Fördertechnik", Bd. 22. 1929

46. Dress G. Untersuchen Uber das Kraftspiel an Flachbagger Scheidwerkzeug en In mittelsand und schwach bindigem sandigem sahuff. Baumachine und Bautechnik №2;4;;6;712, 1957.

47. Rathje J. Der Snittvorgang im Sande. "Forschugsarbeiten auf dem Gebiete des Ingenieurwesens", 1931, H. 350.