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&tradeрезания.

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 конструктивнокинематических 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, 2000 г., 2001 г.).

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.

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».