СОЗДАНИЕ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩЕЙ РЫХЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ, ОБЕСПЕЧИВАЮЩЕЙ ПЕРЕРАСПРЕДЕЛЕНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ НАГРУЗОК В ЗОНУ РАЗРУШЕНИЯ ГРУНТА тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.05.04, доктор наук Геллер Юрий Александрович

• Геллер Юрий Александрович
• доктор наук
• 2015

Оглавление диссертации доктор наук Геллер Юрий Александрович

Введение

Глава ¡.Обоснование выбора направления исследований

1.1. Выбор направления исследований

1.2. Пути интенсификации работы навесных рыхлителей при разработке мерзлых грунтов

1.3. Энергетический анализ разработки мерзлого грунта рыхлителями и пути повышения эффективности их работы

1.4. Краткий обзор известных конструкций рыхлителей с аккумулятором энергии и их классификация

1.5. Обзор и анализ теоретических исследований динамики землеройных машин

Выводы по первой главе

Глава 2. Современные представления в теории и практике виброзащитных систем

2.1. Причины возникновения динамических нагрузок в технических системах и задачи управления динамическим состоянием

2.2. Модели динамических воздействий

2.3. Методы математического описания технических систем

2.4. Меры снижения динамических нагрузок

2.5. Общие принципы управления состоянием технических

систем

2.6. Основные этапы динамического синтеза ВЗС

Глава 3. Исследование вибрационной нагруженности землеройных

машин на примере рыхлителя с аккумулятором энергии

3.1. Оценка эффективности виброизоляции базовой машины

3.2. Влияние упруго-инерционных свойств на АЧХ механической системы с тремя степенями свободы

3.3. Влияние упруго-инерционных свойств рабочего оборудования и диссипативных сил на динамическое состояние основного объекта

3.4. Оценка возможности управления динамическим состоянием механической системы .....................,

Выводы по третьей главе

Глава 4. Исследование влияния основных параметров землеройных машин на эффективность взаимодействия с грунтовым массивом

4.1. Предпосылки и методика теоретических исследований

4.2. Механизм процесса образования фунтовой стружки

4.3. Определение связи между механическими свойствами грунта, параметрами процесса и основными размерам образуемых грунтовых элементов

4.4. Расчетная модель трехмассной механической системы рыхлителя с одной степенью свободы

4.5. Гармонический анализ периодической возмущающей силы

4.6. Исследование вынужденных колебаний рабочего органа рыхлителя на основе гармонического анализа периодической возмущающей силы

Выводы по четвертой главе

Глава 5. Методика проведения экспериментальных исследований

5.1. Порядок проведения исследований

5.2. Объекты для проведения экспериментальных исследований

5.3. Выбор измерительной аппаратуры

5.4. Подготовка образцов

5.5. Определение необходимого количества опытов

5.6. Обоснование выбора метода математической обработки результатов измерений

5.7. Методика многофакторного эксперимента

Глава 6. Экспериментальные исследования

6.1. Статистический анализ основных показателей процесса

6.2. Исследование эффективности разрушения мерзлого грунта рыхлителем с аккумулятором энергии

6.3. Корреляционный анализ усилий, возникающих при разрушении грунта

6.4. Экспериментальное определение амплитудных характеристик рабочего органа

6.5. Оценка влияния скорости подачи рабочего органа и жесткости упругой связи на частоту скола грунтовых элементов

6.6. Изучение влияния жесткости упругой связи на энергоемкость процесса

6.7. Натурные испытания рыхлителя с аккумулятором энергии

6.7.1. Подготовка рыхлителей к испытаниям

6.7.2. Результаты экспериментальных исследований

Выводы по шестой главе

Глава 7.0сиовные результаты работы и выводы

7.1. Практические рекомендации по выбору основных параметров рыхлителя с аккумулятором энергии

7.2. Направление дальнейших исследований

7.3.0сновные выводы по работе

Список литературы

Приложение

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «СОЗДАНИЕ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩЕЙ РЫХЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ, ОБЕСПЕЧИВАЮЩЕЙ ПЕРЕРАСПРЕДЕЛЕНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ НАГРУЗОК В ЗОНУ РАЗРУШЕНИЯ ГРУНТА»

ВВЕДЕНИЕ

Переход к рыночной экономике ужесточает требования к созданию машин и оборудования, используемых в экономической деятельности России. При этом особое внимание уделяется эффективному ведению технологических процессов, обеспечивающему минимальные энергозатраты. Важная роль в успешном выполнении поставленных задач принадлежит исследованию, разработке горных, строительных и дорожных машин и в частности оборудования для разработки скальных пород, прочных и мерзлых грунтов. Особенно необходимо создание оборудования такого типа для зон Сибири, Дальнего востока и Крайнего Севера, где значительную часть земляных работ приходится проводить в условиях отрицательных температур.

Структура сложившихся способов разработки мерзлого и прочного грунта в конце прошлого столетия и начале этого определялась возможностями существующего маломощного парка базовых машин и, несмотря на положительные сдвиги в настоящее время, еще далека от оптимальной [1]. В связи с этим необходимо дальнейшее ведение поиска резервов, обеспечивающих высокоэффективное разрушение горных пород, прочных и мерзлых грунтов.

Одним из направлений повышения эффективности ведения земляных работ в сложившихся условиях является интенсификация рабочих процессов, которая невозможна без изучения механизма разрушения грунта. Это вызвано динамическими характеристиками взаимодействия рыхлительного оборудования с прочным и мерзлым грунтом. Возможность снижения динамических нагрузок, передаваемых на базовую машину, а, в лучшем случае их полного снятия и направления на разрушение грунта, обеспечивает повышение эффективности процесса.

В настоящее время в области динамики машин рассмотрен широкий круг вопросов, связанных с исследованием и анализом поведения динамических систем. Однако дальнейшее успешное создание и внедрение новых машин, обеспечивающих перераспределение энергии колебаний и ударов в направлении рабочего оборудования с возможностью адаптивного управления

вибрационным состоянием, требует разработки динамических моделей, учитывающих особенности движения реальных систем, адекватно описывающих взаимодействие рабочего оборудования с внешней средой при различном динамическом воздействии.

Методической основой решения задач поиска, разработки, исследования технических решений, обеспечивающих защиту от вибраций и ударов, является теоретическая механика с ее различными приложениями. В динамике машин проблемам управления динамическим состоянием различных объектов уделяется первостепенное внимание.

Фундаментальные результаты по решению этих вопросов представлены в многочисленных трудах отечественных и зарубежных ученых; Артоболевского И.И., Бабакова И.М., Бабицкого В.И., Бидермана В.Л., Блехмана И.И., Болотина В.В., Бутенина Н.В., Вейца В.Л., Ганиева Р.Ф., Генкина М.Д., Турецкого В.В., Ден-Гартога Дж.П., Диментберга М.Ф., Елисеева С.В., Клюева В.В., Колесникова К.С., Коловского М.З., Кононенко В.О., Кренделла С., Ларина В.Б., Митропольского Ю.А., Неймарка Ю.И., Пальмова В.А., Пановко Я.Г., Пер воз ва не ко го A.A., Светлицкого В.А., Синева A.B., Тимошенко С.П., Троицкого В.А., Фролова К.В., Фурунжиева Р.И., Хвингия М.В., Цзе Ф.Ц., Че-ломея В.Н., Черноусько Ф.Л. и др.

Основными задачами виброизоляции и виброзащиты являются снижение динамической нагруженности машин, создание комфортных условий работы оператора, обеспечение надежной работы узлов и агрегатов машин и других мероприятий определяющих актуальное направление теоретических и экспериментальных исследований.

Настоящая работа посвящена исследованию возможности управления динамическим состоянием землеройных машин с целью снижения вибрационной нагруженности и удельной энергоемкости, анализу условий разрушения мерзлого грунта существующим рыхлительным оборудованием и предложению на этой основе ряда машин, объединенных в единый класс но принципу замыкания динамических нагрузок на рыхлительном оборудовании и грунте.

Отсутствие научных рекомендаций, конструкторской проработки, экспериментальных исследований, касающихся непосредственно землеройных машин, в основе которых заложен принцип замыкания динамических нагрузок на рабочем оборудовании и грунте, создает определенные проблемы по их широкому использованию в дорожном, строительном и горном деле.

Цель работы. Повышение эффективности землеройных процессов на основе создания теоретического и методологического подхода к исследованию динамики, расчету и оптимальному синтезу нового класса машин предназначенных для разработки прочных и мерзлых грунтов.

Объектом исследования являются вибрационные процессы и машины для разработки прочных и мерзлых грунтов.

Основная научная идея заключается в создании условий управления динамическим состоянием землеройных машин, обеспечивающих перераспределение энергии колебаний и ударов в зону контакта рабочего органа с грунтовым массивом

Предметом исследований являются закономерности устанавливающие зависимость между параметрами управления вибрационным состоянием землеройных машин и возможностью перераспределения энергии колебаний и ударов в зону разрушения грунтового массива. Энергетическая оценка работы рыхлителя с аккумулятором энергии при движении рабочего органа в резонансном режиме.

Задачи исследования.

1. Провести анализ существующих моделей и методов статического и динамического воздействия исполнительных органов землеройных машин на грунтовый массив.

2. На основании проведенного анализа синтезировать новый класс машин, объединенных принципом замыкания динамических нагрузок на рабочем оборудовании и грунте.

3. На примере рыхлителя с аккумулятором энергии, являющегося представителем предложенного класса машин, разработать математическую модель, определяющую вибрационное состояние механической системы.

4. Установить причины, влияющие на изменение вибрационного состояния и обосновать возможность управления вибрационным состоянием с целью перераспределения колебательной энергии в сторону исполнительного органа землеройной машины.

5. Выявить критерии, определяющие периодический характер воздействия внешних нагрузок на исполнительный орган при взаимодействии с грунтовым массивом. Связать указанные критерии с физико-механическими свойствами грунта и скоростными режимами движения базовой машины.

6. Изучить механизм возникновения колебательного процесса при разработке мерзлого грунта рыхлителем с аккумулятором энергии. Теоретически обосновать механизм снижения динамических нагрузок, передаваемых на базовую машину при взаимодействии рыхлительного оборудования с грунтовым массивом, в основе которого лежит принцип замыкания динамических нагрузок.

7. Провести теоретический анализ взаимосвязи упруго-инерционных свойств рыхлительного оборудования и режимов разработки мерзлого грунта с эффективностью процесса.

8. Выполнить экспериментальные исследования по установлению степени влияния основных параметров процесса на эффективность разрушения мерзлого грунта.

9. Изыскать способы и средства технической реализации инженерных решений. Разработать рекомендации расчета основных параметров рыхлительного оборудования.

10. Оценить технико-экономическую эффективность внедрения рыхлителя с аккумулятором энергии в производство.

Научная новизна заключается в:

- разработке метода математического моделирования землеройных машин, работающих в условиях интенсивного внешнего нагружения на основании изучения вибрационного состояния;

- исследовании и установлении возможности управления динамическим состоянием механической системы «базовая машина - аккумулятор энергии — рабочий орган - грунт»;

- установлении связи между физико-механическими свойствами прочного и мерзлого грунта, скоростными режимами движения базовой машины и частотой образования грунтовых элементов, определяющих вынужденные колебания рабочего органа;

- выявлении механизма снижения энергоемкости процесса разрушения мерзлого и прочного фунта при передаче энергии на рабочий орган через упругую связь и установлении степени влияния основных параметров процесса на его эффективность;

- предложении средств технической реализации, направленных на повышение эффективности разрушения прочного и мерзлого фунта.

На защиту выносятся:

1. Концепция формирования, поиска и выбора способа и средств защиты землеройных машин на основе введения в виброзащитные системы дополнительных связей, определяющих возможность перераспределения энергии колебаний и ударов в механической системе.

2.Результаты обоснования и проработки конструктивных схем рабочего оборудования землеройных машин нового типа, имеющего в своем составе дополнительные цепи в виде механизмов активного преобразования движения, основанного на принципе замыкания динамических нафузок на исполнительном органе и фунте.

3. Методология динамического анализа и синтеза, используемой при изменении состояния механических систем на основе перераспределения энергии колебаний, удара и взрыва.

4. Результаты исследований, связанные с изучением особенностей динамических свойств колебательных систем с обратными связями на основе рыхлителей с аккумулятором энергии.

5. Методика расчета рыхлительного оборудования, позволяющая определять режимы движения и параметры рабочего оборудования, выполнять параметрическую оптимизацию по технологическим критериям.

Практическая значимость. Предложен способ и конкретные конструкции землеройных машин, объединенные принципом замыкания динамических нагрузок на рабочем оборудовании и грунте. Разработана рабочая документация и создана экспериментальная партия рыхлителей с аккумулятором энергии РС01 и РС02. Разработана методика расчета основных параметров рыхлительного оборудования, позволяющая перераспределять энергию колебаний в зону разрушения грунтового массива.

Реализация работы осуществлена в организациях объединения «Росме-лиорация» минводхоза РСФСР, предприятии «Челябинскавтодор», строительной организации Бурятии, предприятиях Забайкальского края.

Научно-методические результаты, полученные в диссертационной работе, используются в учебном процессе Забайкальского государственного университета при чтении лекций студентам по дисциплине «Моделирование движения наземных транспортных средств», а также при выполнении курсовых работ.

По результатам работы выполнены хоздоговорные отчеты с государственными номерами 59057123, 81089374. тематика исследований входила в координационный план научно-исследовательских работ по проблеме «Теория маши и систем машин» (I.II.I) Академии наук СССР на 1986-1990 гг. (раздел «теория колебания механических систем).

Апробация работы. Результаты, изложенные в диссертационной работе, докладывались на: научном семинаре факультета «Транспортные и технологические машины» (Омск, СибАДИ, 1986 г.); научно-технической конференции «Перспективные направления развития машиностроения» (Чита, Чит-

ПИ, 1998 г.); 13-ой научно-практической конференции (с международным участием) «Забайкалье на пути к устойчивому развитию, ресурсы, экология, управление» (Чита, ЧитГТУ 2003 г.); VII Всероссийской научно-практической конференции «Кулагинские чтения» (Чита, ЧитГТУ, 2007 г.); VI Международная научно-техническая конференция «Прогрессивные технологии в современном машиностроении» (Пенза, 2010 г.); IX Международной конференции «Ресурсовоспроизводящие, малоотходные и природоохранные технологии освоения недр», Москва (Россия)-Котону (Бенин), 2010 г.; VI Международной научно-технической конференции «Проблемы исследования и проектирования машин» (Пенза, 2010 г.); XI Международной научно-технической конференции «Кулагинские чтения» (ЗабГУ, 2011г.); региональной научно-практической конференции «Сервис транспортных и технологических машин» (ЗабГУ, 2011 г.); XI Международной научно-технической конференции «Вибрации в технике и технологиях» (Полтавский национальный технический университет имени Юрия Кндратюка - Украина, 2012 г.); V международной научно-технической конференции «Проблемы механики современных машин» (Восточно-Сибирский государственный университета технологий и управления, Улан-Уде, 2012 г.); X Международном форуме ИнЭРТ-2012 (ДГТУ, Ростов-на-Дону, 2012); XII Международной научно-практической конференции «Кулагинские чтения» (ЗабГУ, 2012г.); заседании НОЦ современных технологий, системного анализа и моделирования (ИрГУПС, 2012 г.).

Диссертация в целом обсуждена и одобрена Научно-методическим советом «Института современных технологий, системного анализа и моделирования» Иркутского государственного университета путей сообщения в 2012г., на кафедре ТТС Тихоокеанского государственного университета в 2014г.

Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 57 печатных работах, в том числе в одной монографии, 12 статьях, рекомендованных

ВАК, 7 авторских свидетельствах, 8 патентах, а так же в материалах всероссийских и международных конференций.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из семи глав, основных результатов и выводов, библиографического списка из 353 наименований, 310 страниц текста, 125 рисунков, 21 таблицы.

Содержание диссертации.

В ведении обоснована актуальность темы диссертации, указана научная новизна, научная и практическая значимость работы, приведены структура и содержание диссертации, пересилены результаты, выносимые на защиту.

В первой главе дается краткий обзор и анализ существующих способов взаимодействия рабочего оборудования землеройных машин с грунтовым массивом, включая способ динамического воздействия. В связи с интенсификацией рабочих процессов, обусловленных повышением производительности ведения землеройных работ, отмечена необходимость поиска рационального способа динамического воздействия рабочего оборудования на среду. Проведенный детальный анализ взаимодействия исполнительных органов с грунтовым массивом, позволил сформулировать новый принцип взаимодействия рабочего оборудования со средой, при котором большая часть энергии колебаний и ударов концентрируется в зоне контакта рабочего органа с грунтом. Этот принцип предложено называть способом замыкания динамических нагрузок на рабочем оборудовании и грунте. Приоритет предложенного способа опубликован в бюллетене изобретений №30 в 2009 г,

В соответствии с приведенным анализом синтезирован класс землеройных машин, объединенных указанным принципом, конструктивные особенности которых защищены 14 авторскими свидетельствами и патентами, а также положительным решением на выдачу патента и заявкой на предполагаемое изобретение, находящейся на стадии рассмотрения.

Предложены теоретические предпосылки, поясняющие принцип перераспределения энергии вибрации и удара в зону контакта исполнительного

органа с грунтовым массивом. Для более глубокого теоретического исследования выбран рыхлитель с аккумулятором энергии, как представитель предложенного класса машин, применяемый при ведении больших объемов землеройных работ.

Проведен обзор существующих конструктивных и теоретических решений, определяющих использование рыхлителей с упругой связью как в России, так и за рубежом..

Вторая глава посвящена современным подходом в теории и практике виброзащитных систем. Рассматриваются причины и источники динамических воздействий, анализируются существующие подходы и методы решения задач, обусловленных определением динамического состояния машин, основанным на изменении параметров состояния. Известные подходы направлены либо на снижении уровня вибраций и ударов, создаваемых источником, либо создании вибрзащитных систем, позволяющих в той или иной степени управлять динамическим состоянием. Решение задач, связанных с построением управляемых виброзащитных систем, адаптивно реагирующих на внешние воздействия, привлекает интерес исследователей в последние годы. Такие системы реализуют активную защиту машин и операторов, управляющих ими, от вибрационных нагрузок. К числу таких машин можно отнести землеройную технику, в которой управление динамическим состоянием может не только защитить базовую машину от нежелательных вибрационных нагрузок, но и позволит перераспределить энергию вибраций на разрушение грунта.

В третьей главе рассматривается вопрос получения математической модели, раскрывающий принцип гашения динамических нагрузок, передаваемых на базовую машину на примере рыхлителя с аккумулятором энергии. Оценка эффективности виброизоляции базовой машины, как механической системы с одной степенью свободы, позволила установить область рационального соотношения между амплитудами колебаний объекта виброизоляции и источника, определяемого коэффициентом передачи /л. Наиболее ра-

циональной областью эксплуатации базовой машины является зарезонансная область, т.е. когда коэффициент расстройки Ка>\М и р<1. В данном частотном диапазоне возможно управлении вибрационным состоянием механической системы, позволяющим достигать оптимальных условий ведения землеройных работ.

Установлена аналитическая зависимость влияния упруго-инерционных свойств механической системы «опорная поверхность - гусеничный движитель, трансмиссия - базовая машина - рабочий орган - грунт», как системы с тремя степенями свободы, на АЧХ системы. Графический анализ зависимостей показал, что частота главных колебаний при антифазном движении сопоставима с парциальной частотой гасителя колебаний. Это позволяет при дальнейших исследованиях рассматривать динамическую модель рыхлителя с аккумулятором энергии, с частотных позиций, как механическую систему с одной степенью свободы. Сопоставляя амплитуды колебаний основного объекта и колеблющейся массы, можно отметить, что при определенных соотношениях масс основного объекта и гасителя колебаний, коэффициент соотношения частот цА в области анифазных колебаний примерно в 200 раз больше, чем в области синфазных колебаний. Это означает, что энергия ан-тифзных колебаний, сосредоточенная в области высоких парциальных частот, больше энергии синфазных колебаний сосредоточенной в низкочастотной парциальной системе. На динамическое состояние базовой машины влияют упруго-инерционные свойства рабочего оборудования и диссипатив-ные силы, возникающие в зоне контакта рабочего органа с грунтовым массивом, а также в элементах аккумулятора энергии, обусловленные относительным трением и гистерезисными потерями. В этом случае защита базовой машины от вибрационной нагруженности должна быть построена таким образом, чтобы в области формирования колебательных процессов была бы возможность управления динамическим состоянием объекта в направлении расширения зарезонансного диапазона. Критерием оценки динамического состояния системы может служить коэффициент передачи устанавливаю-

щий взаимосвязь между амплитудами колебаний либо источника колебаний и основного объекта //,, либо источника колебаний и колеблющейся массы ц2. Установлено, что в зарезонансной области существуют отдельные частотные зоны, в которых коэффициент = М\1Мг принимает наименьшие значения. Положение этих зон в частотном диапазоне совпадает с зонами резонансных колебаний колеблющейся массы. В зависимости от внешних факторов, для колеблющейся массы можно создавать такие условия, при которых она будет находиться в режиме резонансного или около резонансного состояния независимо от того в какой зоне частот вынужденных колебаний зарезонансной области будет находиться механическая система.

По-существу, рабочий орган в совокупности с аккумулятором энергии являются активной виброзащитной системой, позволяющей управлять вибрационным состоянием механической системы. Одним из возможных путей управления динамическим состоянием не только основного объекта, но и всей механической системы является возможность активного воздействия на упруго-инерционные свойства рабочего оборудования механической системы, например, путем изменения жесткости упругой связи, что позволит целенаправленно перераспределять колебательную энергию между колеблющимися массами.

В четвертой главе определены факторы влияющие, на механизм возникновения колебательного характера исполнительных органов землеройных машин. Установлено, что основными факторами, определяющими периодический характер образования грунтовых элементов, являются механические свойства фунта, выражаемые соотношением т" / а^, углом скола у и

глубиной резания. В силу изменяющихся внешних нафузок, происходящих по периодическому закону, процесс разработки мерзлого грунта можно организовать таким образом, что его производительность будет определяться скоростью подачи рабочего органа, соответствующей оптимальному режиму

настройки основных параметров рыхлителя по частоте скола грунтовых элементов.

В ходе проведенных исследований установлено, что из конструктивных параметров, позволяющих управлять вибрационным состоянием рыхлителя, наиболее полно отвечает упругая связь, выполненная в виде аккумулятора энергии. На эффективность разрушения грунта оказывает влияние также масса рабочего органа (зуб Ш] и штанги стойки птг) и вылет вершины зуба относительно оси подвеса. Из теоретических соображений при проектировании рыхлительного оборудования с аккумулятором энергии масса зуба и штанг стойки должны соответственно выбираться в пределах 300...1200 кг (тО и 100...400 кг (ш2). Длина штанг стойки должна находиться в пределах Ь=0,8..,2,0 м (в зависимости от мощности базовой машины и ее скоростных качеств).

В пятой главе обосновывается методика проведения экспериментальных исследования. Экспериментальные исследования проводились для подтверждения адекватности математической модели, а также проверки работоспособности и эффективности предложенных инженерных решений.

В шестой главе представлены результаты экспериментальных исследований. На основании статистического и корреляционного анализа установлено, что при рассмотрении процесса образования элементов грунтовой стружки как случайной функции, возникающие усилия при разрушении грунта, снятые с осциллограмм в мгновенных сечениях, отстоящих друг от друга на расстоянии, соответствующем среднему значению периода образования грунтовых элементов, имеют случайный характер, подчиняющийся нормальному закону распределения. В то же время в характере протекания процесса в целом превалирует периодическая составляющая, причем закономерность ее изменения согласуется со значением скорости подачи рабочего органа при прочих равных условиях. Упругая связь рабочего органа с элементами навески накладывает некоторое отличие на процесс разрушения фунта по сравнению с подобным процессом в случае жесткой связи рабочего органа. Это

проявляется в группировании основных частот скола грунтовых элементов в более узком диапазоне, что свидетельствует о некоторой стабилизации процесса разработки мерзлого грунта в условиях, соответствующих оптимальной глубине резания,

Момент, соответствующий минимальной передаче динамических нагрузок на базовую машину (тележку) и максимальной на рабочий орган, может изменяться как в сторону увеличения частоты скола грунтовых элементов, так и в сторону уменьшения, что определяется сочетанием режимов процесса. Это указывает на возможность применения регулируемой упругой связи (аккумулятора энергии), позволяющей настраивать механическую систему на оптимальный режим в соответствии с условиями эксплуатации. Сравнение теоретических и экспериментальных исследований по амплитудно-частотной характеристике, как одного из факторов, отражающих энергетическую сторону вопроса, позволило установить, что расхождение между теоретическими и экспериментальными наблюдениями находится в пределах 30 %. Указанное расхождение обусловлено высокой значимостью случайной составляющей процесса.

Сравнительный анализ энергоемкости разрушения мерзлого грунта при жесткой и упругой связи рабочего органа позволил установить снижение энергоемкости процесса в зоне оптимума примерно на 10... 12 % для условий, установленных экспериментом.

В седьмой главе предложены практические рекомендации по выбору основных параметров рыхлителя с аккумулятором энергии и выводы по работе,

Автор выражает свою признательность Заслуженному деятелю науки РФ, профессору, д. т. н. Елисееву C.B., научному консультанту профессору, д. т. н. Лещинскому A.B., профессору, д. т. н. Баландину O.A. за ценные советы, постоянную поддержку и внимание при проведении исследований и написании диссертации.

Глава 1. Обоснование выбора направления исследований

При решении задач, связанных с разработкой прочных и мерзлых фунтов, большое внимание уделяется процессам воздействия рабочих органов землеройных машин на среду. Это объясняется поиском решений, направленных на повышение эффективности работы землеройных машин в условиях возникновения нежелательных нагрузок динамического характера на элементах базовой машины и оператора. В связи с этим представляется важным исследование эксплуатационных свойств землеройных машин в зависимости от механических свойств мерзлого и прочного грунта, параметров рабочего оборудования и режимов ведения землеройных работ.

Список литературы диссертационного исследования доктор наук Геллер Юрий Александрович, 2015 год

- S

■ * , * т > \

ч

* * -Iii

41 * -Г*

А J— -

—

_- + _____

[/?[«,(с, +с2) + а2 (с2 + с,) + (а, + а2)- (с2 + с3) — 2сг7с2] —1 \р3\аг{Мх +М2)+\ал + а2)М2 -2т~а2]

(3.68)

и-, = — =

2 4

с'31с, +с2-р

\(с2 +сзХс1 +с2)-с2 ~Р21М\(с2 +съ) + М2{с\ +с2) + а2{а] + а2)~2т^2}+) [р^М.М.-т])

(3.69)

\р\а2(а +с,) + а2(с2 + с3) + (а! +а2)-(с2 + с3)~ 2а2с2]-

2 '

+ М2)+(а] +а2)М2 -2тъа2\

На рис 3.19 и 3.20 представлены графические зависимости параметров оптимизации и /л2 от контролируемых значений а2 и с2.

09 0.8

3 0.7

ЕГ" «! И

| 0.6 V

с

Я 0,5 к

I 0.4

Ж

5 03

6

0.2 0.1 0

1 л ■с а2 - 10— м цКН-с — — - а, -15- м ЧЛ кН'с — • — а-, - 20-- м

г ч Ч \

-"г А Г Л \

— Ч. N ь N Ч

ч ч \

■V. , " N Ч

ч ъ ь

М] ^:

—

10

15

20

25

30

35

40

45

50

Частота кинематического возбуждения, рад/с

Рис. 3.19. Зависимость коэффициентов передачи и р2от частоты кинематического возбуждении: С2-200 кН/м

Сопоставляя области динамического состояния механической системы (рис. 3.19, 3.20), можно отметить существенную зависимость критериев оптимизации от контролируемых параметров.

Наиболее значимыми из них являются жесткость упругой связи с2, определяющая внутреннюю возможность управления динамическим состоянием механической системы, и а2, учитывающий силы вязкого сопротивления, возникающие в зоне контакта колеблющееся массы с грунтовым массивом. Последний параметр определяет внешнее воздействие на динамическое состояние механической системы.

Частота кинематического возбуждения, рад/ с

Рис. 3.20. Зависимость коэффициентов передачи //, и ¿лот частоты кинематического возбуждения: &2~500 кН/м

С увеличением жесткости упругой связи наблюдается рост максимальных значений параметра оптимизации /л2 в области второго резонанса. Например, если при жесткости упругой связи <?3 =200кН/м (рис. 3.19) коэффициент передачи= 0,587, то в случае когда сг = 500кН/м (рис. 3.20) /л2 = 0,836. Коэффициент диссипативных потерь в обоих случаях был одинаков и составлял 15 кН-с/м.

Повышение жесткости упругой связи приводит к смещению зоны второго резонанса, соответствующей максимальному значению коэффициента

передачи р2, в область более высоких частот кинематического возбуждения. Для рассматриваемого случая это изменение привело к смещению частотного режима от р = 18,8/тад/с до р = Ъ1$рад!с.

Коэффициент передачи амплитудных колебаний основного объекта после зоны первой резонансной частоты практически монотонно стремится к нулю. Поэтому в зонах второго резонанса отношение коэффициентов передачи Кц = будет принимать наименьшие значения.

Закономерности изменения выходных параметров основного объекта и колеблющейся массы хорошо согласуются с технологическими возможностями разработки прочных и мерзлых фунтов в установившемся режиме.

Например, увеличение скоростного режима движения основного объекта вызывает смещение периодического воздействия на колеблющуюся массу в область более высоких частот. Частота периодического воздействия зависит и от состояния грунтового массива, определяемого физико-механическими и атмосферными условиями.

Подбирая упруго-инерционные параметры колеблющейся массы можно согласовывать частоту парциальных колебаний массы с частотой периодического воздействия, обеспечивая устойчивое вибрационное состояние механической системы в зонах второго резонанса.

Выводы по третьему разделу

1.На основании априорной информации и проведенных теоретических исследований установлено, что основными критериями виброизоляции базовой машины, как механической системы с одной степенью свободы, могут являться коэффициент передачи р , выражающий соотношение между амплитудами колебаний объекта виброизоляции и источника вибрации, и коэффициент, описывающий деформацию связей

2. Возможной областью эксплуатации объекта виброзащиты является весь частотный диапазон за исключением резонансной зоны, где критерии виброизоляции ¡л и jис превышают нормативные значения при значениях коэффициента механических потерь r¡ < 2.

3. Наиболее рациональной областью эксплуатации базовой машины является зарезонансная область, т.е. когда коэффициент расстройки Ка >1,41 и ¡л < 1. В данном частотном диапазоне возможно управлении вибрационным состоянием механической системы, позволяющим достигать оптимальных условий ведения землеройных работ.

4. Установлена аналитическая зависимость влияния упруго-инерционных свойств механической системы «опорная поверхность — гусеничный движитель, трансмиссия - базовая машина - рабочий орган - грунт», как системы с тремя степенями свободы, на АЧХ системы.

5. Графический анализ аналитических зависимостей показал, что вторая собственная частота системы выше первой; по первой форме масса основного объекта и масса гасителя колебаний движутся в фазе (синфазно), при колебаниях по второй форме - в противофазе (антифазно). При соответствующем возбуждении процесс колебаний может происходить на одной из главных частот щ или а>2. Сопоставляя главные (©,, а>2) и парциальные (ш,,,, а>01) частоты, можно сказать, что частота главных колебаний при антифазном движении сопоставима с парциальной частотой для гасителя колебаний. Это позволит при дальнейших исследованиях рассматривать динамическую модель рыхлителя с аккумулятором энергии, с частотных позиций, как механическую систему с одной степенью свободы. Сравнивая амплитуды колебаний основного объекта А, и колеблющейся массы А2, можно отметить, что при определенных соотношениях масс основного объекта и гасителя, коэффициент отношения частот /лА = — в области антифазных колебаниях примерно

А

в 200 раз больше чем в области синфазных колебаний. Это означает, что энергия антифзных колебаний, сосредоточенная в области высоких парци-

альных частот, больше энергии синфазных колебаний сосредоточенной в низкочастотной парциальной системе.

6. На динамическое состояние базовой машины влияют упруго-инерционные свойства рабочего оборудования и диссипативные силы, возникающие в зоне контакта рабочего органа с грунтовым массивом, а также в элементах аккумулятора энергии, обусловленные относительным трением и гистерезисными потерями. В этом случае защита базовой машины от динамических нагрузок должна быть построена таким образом, чтобы в области формирования колебательных процессов была бы возможность управления динамическим состоянием объекта в направлении расширения зарезонанс-ного диапазона.

7. Динамическое состояние механической системы определяется соотношением внешних и внутренних факторов. К внешним факторам относятся скоростной режим движения базовой машины, а также физико-механические свойства среды в зоне взаимодействия колеблющейся массы с грунтовым массивом, на которые, в свою очередь, влияют атмосферные условия. Внутренними факторами являются упруго-инерционные свойства механической системы.

8. Критерием оценки динамического состояния системы может служить коэффициент передачи р, устанавливающий взаимосвязь между амплитудами колебаний либо источника колебаний и основного объекта , либо источника колебаний и колеблющейся массы Установлено, что в зарезо-нансной области существуют отдельные частотные зоны, в которых коэффициент принимает наименьшие значения. Положение этих зон в

частотном диапазоне совпадает с зонами резонансных колебаний колеблющейся массы. В зависимости от внешних факторов, для колеблющейся массы можно создавать такие условия, при которых она будет находиться в режиме резонансного или около резонансного состояния независимо от того в какой зоне частот вынужденных колебаний зарезонансной области будет находиться механическая система.

9. По-существу, рабочий орган в совокупности с аккумулятором энергии являются активной виброзащитной системой, позволяющей управлять вибрационным состоянием механической системы. Одним из возможных путей управления динамическим состоянием не только основного объекта, но и всей механической системы является возможность активного воздействия на упруго-инерционные свойства рабочего оборудования механической системы, например, путем изменения жесткости упругой связи [18, 20 - 23, 122, 124, 264, 270, 341], что позволит целенаправленно перераспределять колебательную энергию между колеблющимися массами.

Глава 4. Исследование влияния основных параметров землеройных машин на эффективность взаимодействия с грунтовым массивом

Эффективность процесса разработки грунта рыхлителем с аккумулятором энергии характеризуется двумя основными моментами.

С одной стороны, применение аккумулятора энергии оказывает влияние на механизм образования грунтовых элементов, вызывая изменение соотношения между зонами пластического деформирования и хрупкого разрушения, возникающего при отделении элементов от грунтового массива. С другой - оказывает влияние на перераспределение энергии, высвобождаемой в результате резкого изменения сил сопротивления грунта разрушению в период между очередным отделением фунтового элемента и формированием нового. Важную роль при этом оказывают параметры рыхлительного оборудования и режимы ведения земляных работ.

При оценке параметров процесса влияние обоих моментов взаимосвязано, и определить ожидаемый эффект по одному из них невозможно.

Настоящий раздел посвящен установлению зависимостей, определяющих связь основных параметров процесса с эффективностью ведения земляных работ.

4.1. Предпосылки и методика теоретических исследований

На основании приведенного в главе I анализа литературных источников установлена необходимость теоретических исследований условий, обеспечивающих эффективный процесс разработки мерзлых грунтов при передаче энергии через аккумулятор.

Сложность процессов, протекающих в грунтах при их разрушении, не позволяет полностью учесть влияние фунта на динамику системы «базовая машина - аккумулятор энергии - рабочий орган - грунт» путем применения математического аппарата без использования экспериментальных данных,

характеризующих воздействие рабочего органа на грунт. В связи с этим, для выявления качественной стороны процесса целесообразно некоторое упрощение задачи, значительно облегчающее работу по выявлению сущности процесса. Таким упрощением, например, является допущение о том, что при установившемся движении механической системы «базовая машина-аккумулятор-рабочий орган» силы сопротивления фунта разрушению носят характер близкий к гармоническому. Это допущение вполне правомерно, поскольку, как показали исследования, проводимые ранее [25], период установившегося движения характеризуется узким спектром изменения частоты силы сопротивления грунта разрушению. При составлении расчетной схемы на основании анализа литературных источников [58 - 60, 79 - 82, 284, 315, 316, 321 — 323, 343, 345, 357, 360], были приняты также следующие допущения:

- сопротивление грунта разрушению действует в вертикальной плоскости, проходящей через продольную ось симметрии рыхлителя, т.е. боковые составляющие силы сопротивления грунта разрушению отсутствуют. При этом динамическая модель мерзлого грунта представлена средой Кельвина-Фойгта;

- центр массы машины также расположен на этой оси;

- рыхлитель рассматривается в качестве крюковой нагрузки к гусеничному трактору;

- гусеничная машина движется прямолинейно по ровному и недефор-мируемому основанию;

- движители работают синхронно и заменяются одним;

- все звенья (элементы навески, ходовая тележка, гусеницы, катки, ведущие и ведомые колеса и т.д.) за исключением аккумулятора энергии считаются абсолютно твердыми;

- зазоры в шарнирах звеньев кинематической цепи рабочего органа выбраны;

- не учитывается перемещение штока относительно корпуса гидроцилиндра в процессе действия нагрузок на рабочий орган. Предполагается, что

отсутствуют утечки гидрожидкости из замкнутой системы, а гидропривод, в котором она находится, не деформируется;

- упругие характеристики пружин аккумулятора энергии линейные. Предполагается, что значительная часть процесса колебаний упругой системы происходит в пределах рабочей деформации пружин

Принятые допущения позволяют моделировать исследуемый процесс с помощью плоской модели.

4.2. Механизм процесса образования грунтовой стружки

Последовательность формирования элементов грунтовой стружки при передаче энергии на рабочий орган через упругую связь в целом подобна их образованию при жесткой связи рабочего органа с элементами навески рых-лительного оборудования, но некоторые моменты, свойственные упругой связи, накладывают определенные условия на процесс разрушения мерзлого грунта.

Изучение физической сущности процесса отделения грунтовых элементов от массива проводилось тензометрированием касательной составляющей сопротивления фунта разрушению с записью процесса на осцилло-графическую ленту, а также фотосъемкой этапов образования грунтового элемента при свободном разрушении грунта. Отдельные фрагменты формирования фунтового элемента приведены на рис. 4.1, 4.2. Изучение кадров фотосъемки и расшифровка осциллофамм касательной составляющей усилия сопротивления грунта разрушению, возникающего в процессе разработки грунта, позволили установить следующее.

Процесс разрушения фунта при передаче энергии на рабочий орган через упругую связь представляет собой повторяющийся цикл скола грунтовых элементов от массива. Рабочий орган, внедряясь в грунт (рис. 4.1, а), вызывает его сжатие.

При этом наибольшее значение касательной составляющей Рт усилия сопротивления грунта разрушению достигается перед непосредственным от-

делением грунтового элемента, когда контакт передней грани ножа с грунтовым массивом достигает своего максимального значения, после чего происходит резкое падение усилия Рт. Этому моменту соответствует формирование грунтового элемента (рис. 4.1, б) и начало перемещения его на дневную поверхность.

б)

Рис. 4.1. Процесс формирования грунтового элемента при передаче энергии на рабочий орган через упругую связь: а - момент, соответствующий началу образования грунтового элемента; б - момент, соответствующий отрыв} ' основного грунтового элемента

Дальнейшее движение рабочего органа осуществляется под действием потенциальной энергии, накопленной в аккумуляторе (рис. 4.2, а). В этот период происходит продвижение основного элемента на дневную поверхность и скол промежуточных малых грунтовых элементов.

б)

Рис. 4.2. Процесс формирования грунтового элемента при передаче энергии на рабочий орган через упругую связь: а - момент, соответствующий сколу промежуточных элементов; б - момент, соответствующий началу образования очередного грунтового элемента

Цикл движения рабочего органа завершается началом образования очередного основного элемента грунтовой стружки (рис. 4.2, б). В это время накопленная рабочим органом кинетическая энергия и передаваемая ему от упругого элемента потенциальная переходят в грунт, вызывая его смятие в месте контакта с передней поверхностью и создание площадки сдвига. Дальнейшее формирование основного грунтового элемента происходит с одновременным накоплением энергии в аккумуляторе.

Сравнение осциллограмм усилий сопротивления грунта разрушению (рис.4.3, 4.4, 4.5, 4.6), возникающих при разработке грунта рабочим органом с жесткой и упругой связью, позволило также отметить следующее.

Рис. 4.3. Осциллограмма усилия резания на рабочем органе Рр0 и тележке Жтел при скорости подачи рабочего органа У=0,1 м/с

(С=3,3*Ю3 кН/м)

При жесткой связи рабочего органа осциллограмма касательной составляющей силы Рх - на восходящих участках близка к прямолинейной или незначительно вогнута, что указывает на хрупкий характер разрушения фунта. Кроме этого кривая силы Рт возрастает от минимального своего значения до максимального не сразу, а многократно изменяясь по величине (спектр высоких частот у=10...20 с"1), возрастает до максимума (спектр низких частот у=2,5...4 с"1), после чего падает.

г

йи,, 0.2 с _

Рис. 4.4. Осциллограмма усилия резания на рабочем органе Кр(| и тележке ки.., при скорости подачи рабочего органа У=0,1 м/с

(С=80 кН/м)

Рис. 4.5. Осциллограмма усилия резания на рабочем органе Гро и тележке Ртсл при скорости подачи рабочего органа У=0,2

м/с (С=80 кН/м)

При передаче энергии на рабочий орган через упругую связь, осциллограмма силы сопротивления грунта разрушению на восходящих участках имеет незначительную выпуклость, что указывает на дополнительные затраты энергии, связанные с пластическим деформированием грунта и сжатием

упругого элемента. Однако меньшее значение силы Рт и больший размер сколотых элементов (превалирует спектр низких частот v=2,5...4 с"') позволяет судить о некотором снижении энергоемкости процесса разработки грунта.

Рр() и тележке Ртел при скорости подачи рабочего органа У=0,4 м/с

(С=80 кН/м)

Необходимо также отметить, что часть энергии, накопленная аккумулятором, затрачивается на перемещение отделившихся и скол промежуточных элементов грунтовой стружки. На осциллограмме этот процесс отмечен незначительным наклоном спадающей части кривой и последующим, как правило, одиночным всплеском в области высоких частот (у=Ю.„20 с'1).

На основании проведенных экспериментов установлено, что передача энергии от базовой машины на рабочий орган через аккумулятор может быть разбита на следующие 4 этапа.

1. Аккумулятор накапливает энергию, но отделения грунтового элемента еще не происходит. В этот период начинается образование и рост ядра уплотнения.

2. Внутреннее напряжение в грунтовом массиве перед рабочим органом, соответствующее потенциальной энергии, накопленной в аккумуляторе, достигает своего критического значения. Для этого периода характерно за-

вершение образования грунтового элемента падение силы сопротивления грунта разрушению и возрастание скорости движения рабочего органа.

3. Абсолютная скорость рабочего органа достигает своего максимального значения, превышающего скорость движения базовой машины. Энергия, запасенная аккумулятором, переходит в кинетическую энергию рабочего органа. В этот период происходит передача кинетической энергии на отделение промежуточных элементов грунта и перемещение основного к дневной поверхности.

4. Абсолютная скорость рабочего органа падает до минимального своего значения — меньшего, чем скорость движения базовой машины. Оставшаяся часть энергии (кинетической) переходит в грунт на образование нового ядра уплотнения и создание микротрещин, определяющих новую площадку скола основного грунтового элемента. При этом часть энергии в виде упругих деформаций возвращается обратно в механическую систему. Начинается накопление потенциальной энергии в аккумуляторе.

В процессе проведения экспериментальных исследований установлено, что одной из главных причин изменения размеров образуемых грунтовых элементов является увеличение или уменьшение критической площади контакта передней грани режущего инструмента с грунтом. Отмечено также, что с уменьшением жесткости упругой связи или увеличением скорости подачи рабочего органа площадь контакта передней грани режущего инструмента с грунтом уменьшается, тогда как касательная составляющая силы сопротивления грунта разрушению в этом случае возрастает.

Таким образом, в основе образования грунтовых элементов как при изменении жесткости упругой связи, так и скорости подачи рабочего органа лежит одно и то же явление, обусловленное смещением характера разрушения фунта из зоны пластического деформирования в зону хрупкого и наоборот, т.е. определяющим фактором при образовании грунтовых элементов является скорость деформирования материала. Указанные выводы не противоречат теории физики твердого тела [212, 352] и хорошо согласуются с иссле-

дованиями влияния скорости резания на энергоемкость процесса [60, 75, 300, 345].

4.3. Определение связи между механическими свойствами грунта, параметрами процесса и основными размерами образуемых грунтовых элементов

Если процесс разработки грунта рассматривать как периодический, в результате которого происходит скол грунтовых элементов с некоторой постоянной частотой v (рис. 4.7, а, б), то общий объем разработанного грунта

í=i

где Voñm - общий объем разработанного грунта, м ; п - суммарное количество сколотых грунтовых элементов; V, - объем i-ro грунтового элемента, м .

Известно, что в процессе образования очередного грунтового элемента [3, 37, 61, 94, 117, 187, 284, 296, 308, 327] отделение его происходит по плоскости скола, расположенной под углом к основанию прорезаемой щели. Таким образом, объем вырезаемого грунтового элемента для свободного резания грунта можно выразить следующим соотношением:

Vcmp = (АВ * AF + CE *GD / 2)b, (4.2)

но

АВ = СЕ = im; AF = АЕ * sin( а +ц/)\

АЕ = AD - ED = (h -lcv sin a)/sin у/\

GD - ED sin( a + у/) - /£.1( sin a sin( a + у/) / sin у/,

тогда

Kmp ~ ~^cmpSllía^SÍn^ + ^w] +12 Únasm(pí + l{/)l2s\T\0(}b, (4.3) где V - объем вырезаемого грунтового элемента, м3; b - ширина прорезаемой щели, м; 1стр - длина площадки среза, м; 1см- длина площадки смятия, м; а

- угол резания, град; ц/ - угол наклона площадки скола, град; h - глубина резания, м.

б)

Рис. 4.7. Схема образования грунтовых элементов: а - момент образования очередного грунтового элемента; б - усилия, возникающие в грунтовом массиве

При рассмотрении процесса резания как последовательного скалывания элементов вдоль направления, определяемого углом скалывания \\f, между параметрами 1стр и 1СМ существует следующая зависимость:

U ~Км sin(180-a-i//)/sin(4.4)

Из выражения следует, что при определенной геометрии рабочего органа / и /с„ вполне определяются углом скалывания у. Все прочие факто-

ры, в т.ч. и свойства разрабатываемого грунта, влияют на 1т и 1см через угол

\|/. В соответствии с ранее проводимыми исследованиями [75, 300] и наблюдениями автора можно сказать, что с изменением скорости резания происходит изменение размеров ядра структурного уплотнения. Это, в свою очередь, определяет длину зоны смятия 1см, Кроме того, наличие упругой связи в кинематической цепи рабочего органа также вносит свои коррективы в размеры скалываемого элемента стружки. Учитывая это, выражение (4.4) примет следующий вид:

где Ку. Кс - коэффициенты, учитывающие влияние скорости и жесткости упругой связи на размер скалываемого элемента.

Таким образом выяснено, что основным параметром, влияющим на размер образуемого грунтового элемента, является площадь деформируемой части элемента, а именно, длина площадки смятия по передней грани ножа рабочего органа 1си. При этом, чем больше площадь деформированной части элемента, тем больше его объем.

Как уже отмечалось ранее, первая стадия образования грунтового элемента сопровождается деформацией сжатия в срезаемом слое и заканчивается, когда площадь смятия возрастает до некоторого определенного значения, соответствующего механическим свойствам грунта и режимам его разработки. Момент скалывания грунтового элемента характеризуется следующими условиями:

где Рсм, Рср - соответственно, сила, возникающая при образовании грунтового элемента по площадке смятия и среза, кН; исм — напряжение смятия, возникающее в зоне контакта передней грани ножа с грунтовым массивом в момент нарушения предельного напряженного состояния, мПа; т"ср -напряжение среза, соответствующее нарушению предельного напряженного

(4.5)

(4.6)

(4.7)

состояния грунта по площадке сдвига грунтового элемента, мПа; Ь - ширина зоны резания, м; 1ср - проекции плоскостей смятия и среза, м.

В первом приближении можно считать, что разработка грунта сопровождается образованием одинаковых грунтовых элементов, представляющих собой среднестатистический размер грунтового элемента в реальных условиях, а сам элемент (рис. 4.7, а) имеет трапецеидальную форму. В этом случае проекцию сил на ось, совпадающую с направлением действия результирующей силы, можно представить в виде

откуда

*е.Ь1а./со5{рь)=т^Ы/со&(р\ (4.8)

1 = 1 г;С05 СО = Л г; С05 (р0 ) (4.9)

щ а СЛ[ с об {р ) ст ш соз (р )зт {у/ ) '

Поскольку

-; у/= (90-а - р0+р) , (4.10)

ТО

мп( !80 -а -у/) зт у/

1 _ /си $т( 180-а-у/) _ )со5(а + у/)

стр 8Ш Ц/ 0~ «К^ЯШ^)

(4.11)

где р,рй - соответственно, угол внутреннего и внешнего трения.

Важной характеристикой при исследовании динамики рыхлителя с аккумулятором энергии является частота вынужденных колебаний рабочего органа, для определения которой можно воспользоваться выражением (2.11). Тогда

_ 2л_ _ 2яУ„ _ 2пУяа„ соз (¿>)со5( а + р0 - р)

Т 1стр т (/?, - р) ' (4.12)

где Уп - скорость подачи рабочего органа, м/с.

Учитывая, что на размер скалываемого фунтового элемента оказывает влияние жесткость упругой связи и скорость подачи рабочего органа, выражение (4.12) примет следующий вид:

РI =

2Ж _ 2ттУп _ 2пУпасм соэ (¿>)со5( а + р)КгКс Т 1Ш Ьт" (р0 )аш (р0-р)

(4.13)

Значения коэффициентов к Кс , входящих в выражение (4.13) определялись опытным путем.

4.4. Расчетная модель трехмассной механической системы рыхлителя с одной степенью свободы

В качестве динамической модели, раскрывающей качественную и количественную сторону процесса взаимодействия рабочего органа рыхлителя с грунтом, рассмотрим многомассную механическую систему (рис. 4.8), перемещающуюся вдоль оси X, т.е. допускаем, что все силы направлены вдоль оси X и лежат в одной горизонтальной плоскости, проходящей через центры масс.

////////////////7/ /////////у

^т1 рХ

Рис. 4.8. Схема рыхлительного оборудования

Рыхлитель [18, 20 - 23, 122, 124, 264, 270] содержит рабочий орган, состоящий из двух штанг 2 массой Щ каждая, снизу к которым через шарниры

присоединен зуб 1 массой гпх. Между подвижными элементами рабочего органа и элементами навески рыхлителя, соединенными с базовой машиной, расположен упругий элемент 3 с жесткостью С и демпфер 4 с коэффициентом вязких потерь оспр. Включение последнего обусловлено имеющим место

диссипативным поглощением энергии в местах заделки упругого элемента и подвижных звеньях рабочего органа, а также потерь в материале упругого элемента. Возмущающая сила pt , где р — частота вынужденных ко-

лебаний (средневзвешенная круговая частота скола элементов грунтовой стружки), приложена к вершине зуба.

Для определения основных характеристик свободных колебаний рабочего органа рыхлителя с одной степенью подвижности рассмотрим движение отдельных звеньев этой системы (рис. 4.8).

Примем за обобщенную координату системы угол <р, составленный осью штанги с вертикалью. Тогда кинетическая энергия системы Т может быть найдена из следующего выражения [26, 57, 189, 222, 261, 305, 335]:

(4.14)

где У/, У2 - моменты инерции штанг стойки относительно точек подвеса, 2 ■

кг*м ; <р - угловая скорость движения штанг стойки, рад/с; т/ - масса зуба рабочего органа, кг; Ь - длина штанги стойки, м.

Поскольку размеры и масса штанг стойки одинаковы

у - у -

I | — I 2

т , Ь

тогда

2

Т =-^-=~™»г<Р

(т , Ь2 + — т , I2 ) <р 1 . 2

3 =1 • ^ (4.15)

2 пр

где m2- масса штанги стойки рабочего органа, кг; тпр = тх + — т2 - приведенная масса рабочего органа, кг.

Потенциальная энергия системы П складывается из потенциальной энергий штанг стойки и зуба в поле силы тяжести и потенциальной энергии упругих сил пружины

L X\

П = 2т 2g — (1 - cos <р) + т , gl (1 - cos tp ) + с -

2 2 (4.16)

= (т ¡ + т 2 )gL (1 - cos q>) + (cL2 sin 2 <p) / 2.

Принимая во внимание, что при малых отклонениях системы от ноло-

<Р2

жения равновесия sin^ » (p,cosq> « 1 -— [209, 261, 335], потенциальная энергия системы равна:

П - [(ш, + т 2)gL +cL2\(-^= ]-спр<р2Ь,2 (4.17)

где спр - приведенная жесткость системы, НУм; g — ускорение свободного падения тела, м/с.2

Частота свободных колебаний к определится из следующего выражения [261]:

01 =

Спр 3(/Я, + m2)g + 3cL

(4.18)

тпр \ (3/и, + 2т2 )Ь

Таким образом, основными характеристиками свободных колебаний являются масса звеньев рабочего органа т/, жесткость упругого элемента и высота штанг стойки Ь,

Поскольку эффективный режим работы рыхлителя с аккумулятором энергии определяется настройкой частоты собственных колебаний рабочего органа на наиболее характерную частоту скола грунтовых элементов, важно выяснить - какая из характеристик свободных колебаний наиболее удобна для ее изменения в широком диапазоне. Для этого проведем анализ выражения (4.18) с построением зависимости свободных колебаний от анализируемых параметров (рис. 4.9).

Длина вылета штанг стойки, м

О 100000 200000 300000 400000 50000С

Масса рабочего органа, кг

Н/м

Жесткость упругого элемента.

0 100000 200000 300000 400000 500000

Жесткость упугого элемента Н/м

200 кг 100 кг 50 кг

в) г>

Рис. 4.9. Графические зависимости частоты свободных колебаний рабочего органа от анализируемых параметров: а - длины вылета штанги стойки; б - массы рабочего органа; в, г- жесткости упругой связи

Графический анализ позволил сделать следующие выводы. Длина штанг стойки (рис. 4.9, а) оказывает существенное влияние на частоту собственных колебаний при длине вылета штанг до 0,5 м. Дальнейшее увеличе-

ние длины штанг практически не влияет на частоту собственных колебаний рабочего органа.

Масса рабочего органа значительно влияет на частоту свободных колебаний в определенной области своих значений (рис. 4.9, б), после чего связь этих параметров ослабевает, а затем изменение массы практически не оказывает влияния на частоту колебаний.

Взаимосвязь жесткости носителя энергии и частоты свободных колебаний (рис. 4.9, в, г) на всем интервале своих значений практически остается постоянной за исключением начального нелинейного участка, причем величина нарастания жесткости упругой связи, примерно, пропорциональна увеличению частоты свободных колебаний.

Это дает основание полагать, что основным параметром управления процессом является жесткость упругой связи. Что касается длины вылета штанг стойки рабочего органа и его массы, то они должны быть такими, чтобы при их назначении обеспечивалась возможность проектирования основных узлов рыхлителя с минимальными размерами при максимальной передаче энергии в грунт от аккумулятора. На графике (рис. 4.9, а, б) это условие соответствует участку перегиба кривых зависимости длины вылета штанг Ь и массы ш от частоты свободных колебаний.

Рабочий орган рыхлителя состоит из трех подвижных звенев, два из которых находятся во вращательном движении, а одно - в поступательном. Для выяснения рационального распределения масс между звеньями воспользуемся выражением (4.18) и представим зависимость частоты собственных колебаний от массы штанг стойки и зуба рабочего органа. Данная зависимость представлена на рис. 4.10.

По результатам анализа можно сказать, что масса штанг стойки (звено 1) практически не влияет на частоту колебаний рабочего органа. Поэтому, исходя из условий прочности и жесткости, их массу можно принять равной 10...15 % от массы зуба рабочего органа.

15 с 4-

500

Рис. 4.10. Зависимость частоты собственных колебаний от массы звеньев рабочего органа

Расчетная схема рыхлителя с достаточной степенью точности может быть доведена до трехмассной с одной степенью свободы, что позволяет значительно сократить объем вычислительных работ при анализе динамической модели рабочего органа с упругой связью.

Для составления дифференциального уравнения движения рабочего органа рыхлителя воспользуемся уравнением Лагранжа второго рода [49, 261,335]

дп дя

d ,ьт . дт

— (—г) +

dt

д<р д(Р д(Р дер

где (р - обобщенная координата (угол поворота штанг стойки рыхлителя); ф — обобщенная скорость; — обобщенная восстанавливающая сила;

■+ F.

I J

(4.19)

д(р

8R

— - обобщенная сила сопротивления; F, - обобщенная возмущающая сила.

д(р

При составлении дифференциального уравнения предполагалось, что массив грунта надвигается на рабочий орган (рассматривается относительное

движение), причем роль возмущающей силы играет периодически изменяющаяся сила сопротивления грунта разрушению (предполагалось, что превалирующая гармоника колебательного процесса подчиняется закону F=F(fSin2pt).

В соответствии с выбранной одномассной динамической моделью дифференциальное уравнение движения рабочего органа, с учетом (4.15) и (4.17), примет следующий вид:

+ 2m, ® , * у , --L-у11-+ а г )L <р+ [(m, +m2)^+c]L2(p= (4.20)

F L

= —^—(1 - cos 2Р*X

или

где

" , • 2 F„L( 1 - cos 2pt )

Ф+2ny+w2<p= 0 v-^ (4.21)

11 щ>

2n = 3(^+«.J; (4.22) 3 т] + 2 т2

3[(m, + m2)f + с]

а>2=--; (4.23)

Зт, + 2 т2

^ _ (3-, + 2»,)1.'. (4 24)

оспр - приведенный коэффициент вязких потерь, обусловленный диссипатив-

ными потерями в системе; <хг - коэффициент вязкого сопротивления грунта; Упр — приведенный момент инерции.

Учитывая, что наличие диссипативных связей приводит к быстрому затуханию колебаний системы с собственной частотой, ограничимся анализом установившегося движения рабочего органа с частотой вынужденных колебаний.

Решение уравнения в этом случае будем искать в следующем виде:

(р = А ът2рг + В со^2р1 + С. (4.25)

Определим коэффициенты А, В и С

<р-2Ар eos 2pt - 2 BpSinl pt

(P = ~4Ap2 sin 2pt-4Bp2 eos 2pt - 4Ap2 sin 2pt - ABp1 co$2 pt + 4Anpcos2pt - 4i?«psm 2 pt + Sin 2/,/ + a* eos 2/7/ + eos 2/7/);

4Anp + Bco2 -Afín2 - - * , 2 Откуда

2Г

^ _ 4F0¿np p . 2 2

jL/„pf0

Решение уравнения примет

вид:

+ (4.26)

^(^TvTTT^yy eos 2pt + .

Вычислим энергию, таную при ^ ^ ^ ^

ОД колебания рабочего органа Т = ~ „ =2 = ЬгУ^

Pi ' ' Р I

стр

= ¡K +a,)xdx = **

А_ =

(4.27)

Учитывая, что

получим

X - (й£, - (Л/7, 008^-5/7,^04

(4.28)

2 я

Р]с

Арас = ](аф +®ЖАр\ С08 рл(-Вр] 8Н1 Р^)212& = о

пр

(4.29)

2Г%[(й>2-Ар2)2 +16п2р2]'

Принимая во внимание зависимость (4.13), а также (4.24), уравнение (4.29) примет следующий вид:

Арас

Итсгсо^р0)^п(р0-р)

-^(Зт, +2 т2) 2 3[т^ + т^ + сЬ) Гсо^р)со^а + р0 2

(Щ + 2т1 У 1 со<Л) )Мро ~ р) ,

(4.30)

ь(а„р + а, со^р)со^а + р) (Зт, + 2тг со^р0 )зш(р0

Последнего уравнения показывает, что энергия, рассеиваемая в грунте, а, следовательно, и максимально переданная на его разрушение, зависит от многих параметров и требует всестороннего исследования.

Прежде чем проводить анализ выражения (4.30) необходимо рассмотреть вид и значение диссипативных потерь, определяющих коэффициенты сопротивлений в уравнении. Диссипативные потери рабочего органа рыхлителя складываются из внутренних неупругих сопротивлений (гистерезисных потерь) упругих элементов, подвижных звеньев рабочего органа, внешних потерь в узлах крепления упругих элементов, а также диссипативных потерь, возникающих при движении рабочего органа в грунте. Внутренние потери в материале упругих элементов можно определить, исходя из коэффициентов поглощения материала

у/ ' = Д£ / Е , (4.31)

где ЛЕ - необратимые потери энергии в материале за цикл; Е — полная энергия цикла.

Для стальных элементов при напряжении сдвига тсдв =100...135 мГТа, (/'=0,005. ..0,01 [261,296].

Экспериментально установлено [261, 296], что необратимые потери энергии в материале в основном определяются амплитудой перемещения. В этом случае

где Нтах— максимальная деформация упругого элемента, м; С — линейная характеристика упругого элемента, кН/м; Г-упругая сила, кН.

В реальных механических системах причиной гистерезисных потерь являются не только внутренние потери энергии упругих элементов, но и конструкционные потери в заделках винтовых пружин. Указанные потери, если нет отрыва опорных витков, вызываются, в основном, их трением об опорные поверхности за счет поворота витков относительно друг друга. Если предоставить опорным виткам свободно поворачиваться вокруг оси пружины, то при нагружении ее осевой силой витки повернуться относительно друг друга. При наличии трения между опорными витками и опорными поверхностями при периодическом нагружении пружины, что имеет место в упругой системе рыхлителя, на опорных витках могут возникать знакопеременные моменты сил трения, влияние которых на затухание может оказаться значительно большим, чем влияние внутренних потерь в материале упругих элементов аккумулятора энергии.

Согласно [261, 296], относительный угол поворота опорных витков цилиндрической пружины растяжения-сжатия при отсутствии трения определяется выражением

Нтах^/2; Е=СНтах; АЕ=^'СНтах/2,

(4.32)

(4.33)

а момент Мо, необходимый для предотвращения поворота опорных витков на угол 0, равен

Мо = РРо{С-В)*\па0 ^ (4.34)

4(5вш2 Оц + ССОЙ2 а0)'

где Р - осевое усилие кН; Д, - средний диаметр пружины, м; - число рабочих витков, шт; а0 - угол подъема витков пружины на оси прутка, град; С, О - вспомогательные характеристики. Для пружин круглого сечения

В = (4.35) 64

С=—С, (4.36)

32 4 '

где е1 - диаметр прутка, м; Е - модуль упругости при растяжении-сжатии,

мПа; С/ - модуль упругости при сдвиге, мПа.

Момент трения об опорные поверхности равен

—, (4.37)

тр 2 ,

где р - коэффициент трения материала пружины по материалу опорной поверхности; Вип - диаметр опорной поверхности, мм.

В зависимости от конструкции пружины и соотношения Р0 и От возможны случаи знакопеременного перемещения концевых витков по опорным поверхностям, что также приводит к дополнительному затуханию и увеличению затрат энергии. Эти потери зависят от многих факторов и требуют анализа в каждом конкретном случае.

Поскольку учесть все параметры, влияющие на затухание колебательного процесса рабочего органа, представляется сложным, определение диссипативных сопротивлений рабочего органа проводилось опытным путем с записью процесса свободных колебаний на осциллограф и чес кую ленту с последующим определением коэффициента поглощения Ц/ ' и декре-

мента колебаний 8, связанных между собой следующим соотношением [261, 296]

у/' = 2пТ = 23, (4.38)

ё5 (4.39)

ат

где п - постоянная, зависящая от материала и типа конструкции; Г — длительность одного колебательного цикла, с; б - логарифмический декремент затухания; апам — последовательные пиковые значения кривой колебаний, мм.

При а, = 30лш,<з,+! = 26лш; Т=0,33 с (указанные значения получены при

обработке результатов записи процесса свободных колебаний на осцилло-графическую ленту)£ = 0,143; у/' = 0,286 .

Предположим, что потери энергии в материале равны потерям энергии в системе, представленной в виде упруго-вязкой схемы [261, 296]. Тогда

= ж^Кк (4.40)

где б7 - приведенный коэффициент вязких потерь системы. Принимая во внимание выражение (4.32), получим:

С у/г (4.41)

¿ПО)

При жесткости упругой связи С=15кН/м; со =25 с , апр =27,3 Н*с/м,

Для определения коэффициента вязкости, возникающего в зоне контакта рабочего органа с грунтом, принималось во внимание, что диссипатив-ные потери в грунте начинают возникать с момента скола грунтового элемента и в основном определяются трением ножа о боковые поверхности канала при обратном ходе рабочего органа. На основании проведения серии из 6 равноточных опытов с заданной величиной надежности а = 0,9 и относительной погрешностью £Яг=10 % на супесчаном грунте влажностью 20 % при температуре -5 °С последовательные пиковые отклонения составили

а, =30лш,а1+1 = 5,2лш; Т=0,54с, 3=1152, у/' = 3,504 . При жесткости упругой связи С=15кН/м; со =25 с', аш =334,61 Н*с/м (ажа =апр +а,).

Эксперименты проводились на лабораторном стенде, моделирующем натурный образец в масштабе 1:5 [1, 37, 40, 69, 70, 266, 309]. Для перехода от результатов, полученных при экспериментальных исследованиях, на натурные значения коэффициента диссипативных потерь ажв необходимо определить масштабный коэффициент . Значение коэффициента Ка ^ определялось из условия подобия как производная линейного масштабного коэффициента, масштаба сил и времени [37, 40]. С учетом выбора оптимальной глубины резания, равной Н=0,2 м эквивалентный коэффициент диссипативных потерь составил а1Кв = 18704,55 Н*с/м.

к = 55,9 (4.42)

«л™ £

Для обеспечения высокой производительности процесса разработки при минимально возможных затратах энергии необходимо, в соответствии с тяговыми параметрами машины, соблюдать рациональные режимы ведения земляных работ, соответствующих внешним условиям. Основной характеристикой, объединяющей изложенные ранее условия, для рыхлителей с аккумулятором энергии является частота образования элементов грунтовой стружки р .

Как показали теоретические исследования [НО, 113], р зависит не только от механических свойств грунта, таких как угол наклона площадки скола \)/, напряжение среза т"р и смятия асм, но и от скорости подачи рабочего

органа ¥п, глубины резания Н. Графические зависимости частоты скола элементов стружки р от внешних характеристик процесса представлены на рис. 4.11...4.13.

Основным параметром внутренней характеристики механической системы «рыхлитель — аккумулятор энергии - рабочий орган» является собственная частота рабочего органа О) , В [110, 113] было отмечено, что СО

функционально связана с приведенной массой рабочего органа тпр жесткостью упругой связи С и длиной штанги стойки определяющей вылет вершины зуба рабочего органа относительно оси подвеса.

Связь между частотой скола грунтовых элементов р, собственной частотой колебаний рабочего органа СО и энергией, передаваемой в грунт, определяется выражением (2.30). От того насколько р и СО согласованы между собой, зависит эффективность процесса разработки грунта.

О 02 04 0.6 О.а 1 1.2 1 4 1.6 1.8 2 2.2 2.4 2.6

Отношение напряжения смятия к напряжению среза

- 1- ^=0,70 рад, 22м/с;

-2 - ц/ =0.70 рад, У=0,45м/с;

- 3 -у =0,70 рад, У=0,90м/с;

- 4 -((/=0,56 рад, \/=0,22м/с;

- 5- ^=0,56 рад, У=0,45м/с;

-6 -ц) =0,56 рад. У=0,90м/с.

Рис. 4.11. Зависимость частоты образования грунтовых элементов от отношения (сг 1( / тср)

На рис. 4.14...4.20 представлены характерные зависимости энергии, передаваемой в грунт, от анализируемых параметров.

Например, при массе рабочего органа ю, = 500кг, с=300 кИ/м, а.1Кв = 10к11 *с/м,р = 10,8с"1 , Е=100 кН (рис. 4.14), энергия, передаваемая в грунт в режиме согласования частот, составляет А=35 кДж. При р = 15,6с"1 с и оставшихся без изменения остальных параметрах А=18,1 кДж, а при

р = 20с"1 А=5,9 кДж, что, соответственно, на 48,3 % и 83,1 % меньше, чем при частоте колебаний р = 10,8с"1.

25

20

Л 15

и

I

о. о £2 и

И

о

щ

о и

10

1

В 1 ф