Размещено на http://www.allbest.ru/

ПРИДНІПРОВСЬКА ДЕРЖАВНА АКАДЕМІЯ

БУДІВНИЦТВА ТА АРХІТЕКТУРИ

УДК 621.879.3.064.2

ІНТЕНСИФІКАЦІЯ РОЗРОБКИ ҐРУНТУ БУЛЬДОЗЕРНИМ ВІДВАЛОМ УДОСКОНАЛеННЯМ ПАРАМЕТРІВ НОЖОВОЇ СИСТЕМИ

Спеціальність 05.05.04 - машини для земляних, дорожніх і лісотехнічних робіт

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Талалай Віктор Олександрович

Дніпропетровськ 2008

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі «Підйомно-транспортні, будівельні, дорожні машини і обладнання» Донбаської національної академії будівництва і архітектури Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник:

доктор технічних наук, професор, Заслужений винахідник України, академік АБ України Хмара Леонід Андрійович, Придніпровська державна академія будівництва та архітектури МОН України, завідувач кафедри «Будівельні та дорожні машини»

Офіційні опоненти:

- доктор технічних наук, професор Назаров Леонід Володимирович, Харківський національний автомобільно-дорожній університет МОН України, м. Харків;

- кандидат технічних наук, доцент Мелашич Василь Васильович, Інститут безперервної фахової освіти Придніпровської державної академії будівництва та архітектури МОН України, м. Дніпропетровськ.

Захист відбудеться "05" червня 2008р. о 15 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 08.085.03 в Придніпровській державній академії будівництва та архітектури Міністерства освіти і науки України за адресою: 49600, м. Дніпропетровськ, вул. Чернишевського, 24-а, ПДАБА.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Придніпровської державної академії будівництва та архітектури, 49600, м. Дніпропетровськ, вул. Чернишевського, 24-а, ПДАБА.

Автореферат розісланий "03" травня 2008 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради К 08.085.03,

доктор технічних наук, професор Шаленний В.Т.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Останнім часом спостерігається значний зріст рівня інвестицій у будівельне виробництво, який у свою чергу потребує виконання більшого обсягу земляних робіт на різних об'єктах, навіть зі складними інженерно-геологічними і кліматичними умовами. У зв'язку з цим особливо актуальним постає питання про зниження енерговитрат і підвищення продуктивності й економічної ефективності роботи землерийно-транспортних машин (ЗТМ), а так само розробки багатофункціональних робочих органів (РО).

Найбільш розповсюдженою ЗТМ, яку застосовують в будівництві, є бульдозер з РО традиційного типу. У процесі роботи бульдозера найбільша частина енергії витрачається на різання ґрунту і на його переміщення. Треба також відмітити про процес занурення відвала в ґрунт, тому що від його ефективності залежить час і шлях розробки ґрунту, що також впливає на продуктивність. Таким чином, найважливішою функціональною частиною РО бульдозера є ножова система (НС). Тому ефективне занурення в масив ґрунту і зниження енергоємності копання ґрунту, тобто інтенсифікація розробки ґрунту, можлива шляхом удосконалення параметрів НС і створення принципово нової конструкції. Це є актуальною задачею, розв'язання якої може бути спрямоване на технічне переозброєння парку землерийних машин з метою підвищення їхньої продуктивності при відносно малих матеріальних витратах.

Таким чином, визначення раціональних параметрів РО бульдозера, що сприяють зниженню енергоємності розробки ґрунту, є актуальною і важливою науково-технічною задачею.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана в рамках наукових досліджень по держбюджетних тематиках ДонНАБА за замовленням Міністерства освіти і науки України К-2-15-01 «Розробка наукових основ модернізації будівельних машин» (№ держреєстрації 0102U002846) і К-2-12-06 «Ефективне використання іноземної техніки в умовах Донбасу» (№ держреєстрації 0107U000100).

Мета і задачі досліджень.

Метою роботи є підвищення ефективності робочого процесу бульдозера за рахунок застосування в конструкції РО виступаючого ножа трапецієподібної форми (ВНТФ) на підставі встановлення закономірностей процесів руйнування ґрунту і визначення його раціональних геометричних параметрів.

Для досягнення поставленої мети сформульовані і вирішені наступні задачі дослідження:

- виконати огляд і аналіз науково-технічних і патентних рішень конструкцій РО і їхніх НС;

- виконати огляд і аналіз наукових досліджень впливу параметрів і форм бульдозерного обладнання на процес копання ґрунту;

- теоретично визначити раціональні параметри НС відвала (розробити математичну модель процесу розробки ґрунту бульдозерним відвалом з різними геометричними параметрами НС, що дозволить визначати силу опору ґрунту копанню);

- сформувати РО бульдозера з ВНТФ і БК;

- створити фізичні моделі бульдозерних відвалів з НС, що містять ВНТФ і бічні косинки (БК);

- провести експериментальні дослідження на фізичних моделях, проаналізувати вплив на складові опору копанню, маси призми волочіння, висоти призми волочіння, втрати ґрунту в бокові валики і енергоємність, геометричних параметрів НС, що мають ВНТФ і БК при різних параметрах глибини копання і властивостей ґрунту;

- провести польові випробування по встановленню ефективності роботи бульдозерного відвала, оснащеного ВНТФ;

- визначити область раціонального застосування і техніко-економічну ефективність бульдозера, оснащеного ВНТФ і БК;

- розробити методику вибору і визначення раціональних параметрів бульдозерного відвала, обладнанного ВНТФ і БК;

- упровадити результати роботи в реальні проекти.

Об'єкт дослідження: інтенсифікація процесу розробки ґрунту бульдозерним відвалом.

Предмет дослідження: бульдозерний відвал, НС якого оснащена ВНТФ і БК. бульдозер копання відвал ножовий

Методи дослідження:

1. Методи багатофакторного планування експерименту, що включають:

- 3-и факторний експеримент, проведений з моделями ножів;

- 4-и факторний експеримент з моделлю РО, оснащеного ВНТФ і БК, проведений відповідно до рототабельного центрального композиційного плану другого порядку, з довірчою імовірністю 0,95;

2. При проведенні польових випробувань використовувався метод визначення технічної продуктивності бульдозера, який розроблено на основі нормативних документів: ГОСТ 10792 - 82 (ОСТ 22-1660-86) «Бульдозери гусеничні загального призначення. Правила приймання і методи випробувань», ДБН В.2.8-2-95. «Будівельні машини, устаткування і механізований інструмент. Види випробувань. Порядок їхнього проведення».

Наукова новизна отриманих результатів.

1. Встановлено закономірності впливу форми ножа на процес руйнування ґрунту.

2. Встановлено закономірності взаємодії з ґрунтом РО бульдозера, оснащеного ВНТФ і БК, суть яких полягає в адаптації робочого процесу до властивостей ґрунту, характер руйнування якого полягає в утворенні зони бічних руйнувань ґрунту, які відповідають трапецієподібній формі, що обумовило форму НС.

3. Встановлено раціональні співвідношення параметрів НС, які забезпечують мінімальну енергоємність процесу розробки ґрунту.

4. Встановлено математичну модель РО, яка враховує геометричні параметри НС, оснащеної ВНТФ і БК, яка заснована на теоретичному аналізі процесу руйнування ґрунту.

5. Доведено, що нова конструкція РО, оснащеного ВНТФ і БК на 14-18% ефективніше традиційної конструкції, а також має більшу технологічну здатність, яка досягається за рахунок застосування ВНТФ на більш міцних ґрунтах;

6. Запатентовано розроблені конструкції РО з ВНТФ і БК (6 патентів України на винахід).

Практична значимість отриманих результатів визначається: рекомендаціями раціональних параметрів бульдозерного відвала, оснащеного ВНТФ і БК, економічним ефектом від впровадження в народне господарство розробленого відвала бульдозера з ВНТФ і БК, конструкція якого застосовувалася на об'єктах організації «ГП управління по гасінню, профілактиці териконів і рекультивації земель ДП «Макіїввугілля»; використанням результатів досліджень кафедрою ПТБДМО Донбаської національної академії будівництва і архітектури (ДонНАБА) разом з Придніпровською державною академією будівництва та архітектури (ПДАБА) при виконанні науково-дослідних робіт, а також у навчальному процесі при підготовці інженерів-механіків за фахом 7.090214 «Підйомно-транспортні, будівельні, дорожні, меліоративні машини і обладнання».

Особистий внесок здобувача визначається постановкою наукової задачі, формулюванням мети, пошуку їхніх рішень, шляхом проведення теоретичних і експериментальних досліджень, отриманими науковими розробками і практичними результатами, аналізом і висновками, викладеними в дисертації.

Отриманий здобувачем науковий результат, що виноситься на захист, відображений у друкованих працях, опублікованих у співавторстві, а саме: у роботах [1,2] - сформовані конструкції РО, обладнані ВНТФ і БК; у роботах [3,4] - експериментальні дані і графічні залежності, отримані і побудовані для ножів трапецієподібної форми (НТФ); у роботах [6,7] - експериментальні дані, регресійні рівняння і графічні залежності, отримані і побудовані для РО, що мають ВНТФ і БК; у роботі [8] - математична модель процесу копання ґрунту РО, обладнаним ВНТФ і БК, а також регресійні рівняння і побудовані залежності поверхонь відгуку головних параметрів від досліджуваних факторів; у роботі [9] - схематичний і математичний опис процесу взаємодії з ґрунтом НТФ; у роботах [10-15] - запропонована форма виступаючих ножів (ВН).

Апробація результатів роботи.

Матеріали дисертаційної роботи доповідалися на засіданнях і наукових семінарах кафедри «Підйомно-транспортні, будівельні, дорожні машини і обладнання» ДонНАБА (2004-2007рр.), на засіданнях і наукових семінарах кафедри «Будівельні та дорожні машини» ПДАБА (2007-2008рр.), науково-технічних конференціях ХНАДУ (міжнародних науково-практичних конференціях 2006, 2007 «МЕХАТРОНІКА БУДІВЕЛЬНИХ І ДОРОЖНІХ МАШИН»), ДонНАБА (V і VІ міжнародних наукових конференціях молодих вчених, аспірантів і студентів), СДАБУ: «ИНТЕРСТРОЙМЕХ 2007» (міжнародна науково-технічна конференція, м. Самара, Росія).

Публікації.

По темі дисертації і результатах досліджень опубліковано 15 друкованих праць, з яких 8 робіт у спеціалізованих фахових видавництвах, 1 - тези, 5 - деклараційних патентів, 1 - патент України на винахід.

Структура й обсяг роботи.

Дисертаційна робота складається з вступу, п'яти розділів, загальних висновків, списку використаних джерел з 103 найменувань і 7 додатків. Містить 186 сторінок машинописного тексту, у тому числі 99 рисунків і 41 таблицю.

Зміст роботи

У вступі доведена актуальність питання. Встановлена мета досліджень, наукова новизна і практична цінність роботи. Проведена загальна характеристика і аналіз роботи, сформульовані основні положення, що виносяться на захист.

У першому розділі представлені основні закономірності процесів різання і копання ґрунтів, наведені основні положення теорії різання і методи розрахунку сил різання ґрунту. Виконано аналіз розвитку РО бульдозера і наведено огляд технічних рішень (ТР) відвалів підвищеної ефективності, які мають ВН, класифікованих на 3 групи.

Великий внесок у дослідження і вивчення багатофакторного впливу на взаємодії РО з ґрунтом, вивчення фізики процесу, тобто в розвиток теорії різання, внесли вчені: В.Д. Абезгауз, І.Я. Айзеншток, К.О. Артем'єв, В.Л. Баладінський, В.І. Баловнєв, Ю.О. Вєтров, Д.П. Волков, В.П. Горячкін, Е. Дінглінгер, М.Г. Домбровський, М.Л. Жихарев, А.М. Зеленін, С.В. Кравець, Г. Кюн, Л.В. Назаров, І.А. Недорєзов, В.В. Нічке, В.О. Пенчук, І. Ратьє, В.К. Руднєв, М.К. Сукач, Д.І. Федоров, Л.А. Хмара, А.М. Холодов та інші.

Аналіз основних напрямків, загальних тенденцій розвитку РО бульдозера і схем, що відображають розвиток конструкцій відвалів по кожній з його функціональних частин, показав, що альтернативною конструкцією при створенні РО інтенсифікаційної дії є відвал з ВН, тому що його застосування сприяє найбільш ефективному зануренню відвала в ґрунт і надає можливість застосування на більш міцних ґрунтах за рахунок впливу питомої сили тяги, яка розвивається бульдозером, що діє на меншу площу ріжучої частини відвала. Аналіз основних положень теорії різання показав, що найбільш перспективною формою ріжучого елемента є трапецієподібна. Однак розглянуті загальні положення теорії різання не дають повної відповіді на питання впливу на процес геометричних параметрів ріжучого елемента трапецієподібної форми при його взаємодії з ґрунтом та потребують додаткових досліджувальних розв'язань цього питання.

Аналіз наукових досліджень і огляд ТР дозволили встановити задачі, які необхідно вирішити для досягнення поставленої мети:

- теоретичне визначення раціональних параметрів НС відвала (розробити математичну модель процесу копання ґрунту бульдозерним відвалом, оснащеним ВНТФ і БК);

- створити фізичні моделі ножів з різними геометричними параметрами і формами (Н_НТ/Н=1; Н_НТ/Н =0,5; Н_НТ/Н =0,3);

- створити фізичну модель РО бульдозера, який оснащено НС, що містить ВНТФ і БК;

- провести експериментальні дослідження на фізичних моделях по вивченню впливу геометричних параметрів НС, що має ВНТФ і БК, глибини копання, властивостей ґрунтів на складові опору копанню Р_К, маси призми волочіння G_ПР, висоти призми волочіння, втрати ґрунту в бічні валики G_ПТ і енергоємність Е;

- провести польові випробування по встановленню ефективності роботи бульдозерного відвала, оснащеного ВНТФ;

- визначити області застосування і техніко-економічну ефективність бульдозера, НС якого має ВНТФ і БК;

- розробити методику вибору і визначення раціональних параметрів бульдозерного відвала, який оснащено ВНТФ і БК.

В другому розділі надається аналіз і побудова нових ТР (табл. 1, 2) та теоретичне дослідження процесу взаємодії з ґрунтом НТФ (рис.1) і відвала з ВНТФ і БК.

Таблиця 1

Схема формування РО бульдозера, оснащеного ВНТФ і БК

К-ть ВН	Параметри, що визначають конструкцію РО з ВН і БК	Схема РО з ВН і БК
1ВН	ВН1, В=3 ножі, В(1)тр.н, В(1)тр.в, h1, h2, ц, г, б1, б2.
2ВН	ВН1, ВН2, В=5 ножів, В(1)тр.н=В(2)тр.н, В(1)тр.в=В(2)тр.в, h1, h2, ц1=ц2, г1= г2, б1, б2.
3ВН	ВН1, ВН2, ВН3, В=5 ножів, В(1)тр.н=В(3)тр.н, В(2)тр.н, В(1)тр.в= В(3)тр.в, В(2)тр.в, h1, h2, h3, ц1=ц2=ц3, г1=г2, г3, б1, б2, б3.
2ВН+ +БС+ +ВВНС+ +З+ +1ВН	ВН1, ВН2, В=5 ножів, ВВННС, БС1,БС2, З, ВВНС3, ВН1ВВНС, h1, h2, h1ВТН ВВНС, h2 ВТН ВВНС, hБС, ц, г, В(1)тр.н=В(2)тр.н, В(1)тр.в=В(2)тр.в, В(ВВН1)тр.н,В(ВВН1)тр.вб1, б2, бґ1, бґ2, бЗ

Розглянута методика, що була запропонована д.т.н., професором Л.А. Хмарою, яка полягає в математичному і функціональному розчленовуванні РО на складові, їх аналізі, знаходженні раціональної форми, а потім об'єднанні елементів з найкращими показниками в нову систему. Так було сформовано ряд нових конструкцій РО, оснащених ВНТФ і БК (див. табл. 1), а також створено ряд можливих конфігурацій установлювання НС і їх елементів (див.табл. 2), симбіоз яких дозволяє створити більш 200 ТР РО бульдозера.

На підставі теоретичного аналізу утворення прорізу в ґрунті при розробці масиву прямокутним ножем та виникнення і впливу ущільненого ядра на лобовій поверхні ножа були розроблені і проаналізовані схеми утворення ґрунтових прорізів, в основі яких лежить НТФ з різними параметрами утворення трапеції.

Аналіз запропонованих схем взаємодії ножа з ґрунтом вказує на перевагу ножа з трапецієподібною формою Н_НТ/Н=1, тому що за рахунок геометричних параметрів ножа, зони Р_{бок ср} і Р_бок, які утворяються в процесі копання прямокутним ріжучим елементом, були змінені на (розроблене автором поняття) «зону трапецієподібного зрізу» Р_ТР.СР.

У даному випадку сумарна сила різання має вигляд:

Р(b, h, д) = г m_св (b₁+ h_пол ctgц₁) h_пол+2 m_ТР.СР h. (1)

У двох інших запропонованих схематичних рішеннях (Н_НТ/Н=0,5…0,3) на відміну від Н_НТ/Н=1 зони дії сил Р_{бок ср} і Р_бок. існують, але вони зміщені вгору від основи ножа b₁, що надає характеризуючій процес формулі, наступного вигляду:

Р(b, h, д) =(г m_св ((b₁+ (h_пол -h')ctgц₁) (h_пол -h')+ b₂ h'))+ 2 m_ТР.СР h+

+2P_бок ctgц₁ h'²+ 2P_{бок. ср.} h'. (2)

При теоретичному визначенні горизонтальної складової опору ґрунту копанню були враховані закономірності, отримані проф. В.І. Баловнєвим і проф. Л.А. Хмарою, де ґрунт має зчіпні властивості і представлений у вигляді статики сипучого середовища.

На рис.2. наведено розрахункову схему для визначення опору ґрунту копанню відвалом з ВНТФ і БК.

Також розроблені схеми дії сил опору ґрунту зануренню, копанню і переміщенню з одночасним підрізуванням ґрунту ВНТФ і БК (рис. 3).

Рішення аналізованих закономірностей і знаходження їх складових дозволили одержати математичну модель для аналітичного визначення горизонтальної складової опору ґрунту копанню відвалом з ВНТФ і БК, яка має вигляд:

де В_Т, В_ВН - ширина відвала, відповідно традиційного і з ВН, м.; h_Т, h_ВН - глибина різання традиційного відвала і відвала з ВН, м.; б_р - кут різання, град.; д - кут зовнішнього тертя, град.; г - щільність ґрунту, т/м³.; с - кут внутрішнього тертя ґрунту, град.; а - товщина шару, що зрізується, м; Н_ОТ - висота відвала, м; г_р - щільність ґрунту в розпушеному стані, т/м³; h_З = 0,01…0,02 - ширина площадки затуплення, м.; А₁, А₂, А₃ - коефіцієнти, обумовлені аналітично.

Також визначена математична модель об'єму розробленого ґрунту:

- у результаті копання відвалом з ВНТФ і БК:

q_отв(ВН)=. (4)

- у результаті підрізування ВНТФ і БК:

q_{пр.грВНТФ}=. (5)

На рис. 4. наведені графічні залежності зіставлення результатів розрахунку математичної моделі процесу копання відвалом з ВНТФ і БК, з результатами розрахунку існуючих моделей.

Бульдозерний відвал, оснащений ВНТФ і БК при розробці ґрунту витрачає зусилля на 3,8% менше, ніж традиційний відвал, а призма волочіння зростає на 14%, що робить дану конструкцію більш ефективною від традиційної. Даний результат досягається за рахунок: - утворення бічних розширень прорізу і зменшенню площі затуплення різальної частини ножа; - зниження опору тертю ножа об ґрунт у процесі різання; - компактній побудові призми волочіння, траєкторію створення якої задає форма НС (ВНТФ і БК); - зниження втрат ґрунту в бічні валики, завдяки утриманню ВНТФ і БК (у випадку копання ВНТФ).

У третьому розділі викладена методика планування і проведення експериментальних досліджень (на стенді фізичного моделювання рис. 5, 6), метою яких було дослідження впливу параметрів ВНТФ, яким обладнаний РО бульдозера, на занурення відвала в ґрунт, величину сили копання Р_К, енергоємність Е і економічність процесу копання ґрунту.

Дослідження були розбиті на два етапи: 1-й етап - дослідження з визначення раціональної геометрії НТФ (досліджувані фактори: Х₁ - кут трапецієподібності ц, Х₂ - кут різання б і Х₃ - форма ножа Н_НТ/Н=0,3…1); 2-й етап - дослідження впливу РО, НС якого оснащена ВНТФ і БК на процеси, що впливають на силові і енергетичні показники (досліджувані фактори: Х₁ - кут трапецієподібності ц, Х₂ - кут різання б, Х₃ - висота ВНТФ h_ВН і Х₄ - щільність ґрунту С_УД).

Експеримент 1-го етапу передбачав рішення наступних задач:

- дослідження на фізичних моделях (рис. 7) впливу трапецієподібної форми елемента НС (ножа) з різними параметрами, на силові показники процесу різання ґрунту (рис. 8) при різних фізико-механічних властивостях ґрунту;

- встановлення раціональних геометричних параметрів НТФ.

Експериментальні дослідження 2-го етапу розглядають наступні задачі:

- дослідження і вивчення на фізичних моделях (рис.9) процесу копання ґрунту РО з ВНТФ і БК;

- визначення силових і енергетичних показників процесу копання РО з ВНТФ і БК;

- аналіз впливу БК на уловлювання ґрунту й утворення призми волочіння;

- установлення раціональних геометричних параметрів ВНТФ і кута нахилу БК (розробка методики вибору раціональних параметрів РО);

- проведення польових випробувань натурної моделі РО бульдозера, оснащеного ВНТФ.

Експериментальні дослідження проводилися на фізичних моделях з використанням теорії фізичного моделювання, що базується на теорії подоби.

Для визначення взаємного впливу досліджуваних параметрів експерименти проводилися згідно з методологією планування рототабельного центрального композиційного експерименту. Результати оброблялися шляхом математично-статистичного аналізу і методу теорії імовірності, після чого перевірялися за допомогою програми для ЕОМ Statgraphic 5 Plus.

У четвертому розділі наведені результати експериментальних досліджень з фізичними моделями ножів (табл. 3) і РО, оснащених ВНТФ і БК для визначення впливу параметрів, які досліджуються, на процес копання ґрунту (табл. 4, 5).

У результаті проведення експерименту розглянуто характер впливу геометричних форм ножа на процес взаємодії з ґрунтом і визначені закономірності, що описують процес.

На підставі проведених експериментальних досліджень були визначені: - схеми взаємодії з ґрунтом моделі РО з ВНТФ і БК; - механізм протікання процесу копання; - фізична сутність процесу.

У результаті аналізу і порівняння другорядних досліджуваних факторів, метою яких було визначення впливу кількості ВН і наявність бічних обмежувальних стінок (БС) на процес копання, були побудовані графічні залежності.

Багатофакторні експериментальні дослідження, виконані відповідно до плану-матриці центрального, композиційного ротатабельного планування другого порядку, що дозволило одержати регресійні моделі головних показників залежних від факторів: Х₁ - кут трапецієподібності ц, Х₂ - кут різання б, Х₃ - висота ВНТФ h_ВН, Х₄ - щільність ґрунту С_УД:

- рівняння, що визначає середнє зусилля копанню ґрунту РО з ВНТФ і БК Р_К=f(ц, б, h_ВН, С_УД):

Р_К= -5,965-1,137ц+2,7117б+1,3297h_ВН-4,917С_УД+0,00391ц²+0,0113цб-0,0261цh_ВН+ +0,115цС_УД-0,028б²-0,0025бh_ВН+0,126бС_УД+0,035h_ВН²-0,261h_ВНС_УД+0,0656С_УД²; (6)

- рівняння, що визначає масу призми волочіння при копанні ґрунту РО з ВНТФ і БК G_ПР = f(ц, б, h_ВН, С_УД):

G_ПР = -9181,68+3,36ц+256,307б+264,98h_ВН+318,442С_УД-0,059ц²+0,215цб-0,219цh_ВН- -0,1884цС_УД-1,22б²-1,74бh_ВН-4,528бС_УД-1,48h_ВН²-3,439h_ВНС_УД+7,466С_УД²; (7)

- рівняння, що визначає масу втраченого ґрунту в бічні валики при копанні ґрунту РО з ВНТФ і БК G_ПТ = f(ц, б, h_ВН, С_УД):

G_ПТ=4586,862-101,9394ц-1,193б+77,306h_ВН-271,813С_УД+0,1043ц²+0,674цб+0,599цh_ВН+3,08цС_УД-0,9376б²+0,957бh_ВН+7,571бС_УД-2,443h_ВН²-1,898h_ВНС_УД-19,872С_УД²; (8)

Обробка отриманих регресійних моделей на ЕОМ дозволила побудувати тривимірні графічні залежності (діаграми поверхні відгуку) (див. табл. 5).

Розбіжність теоретичних і експериментальних досліджень не перевищує 10%.

У п'ятому розділі розкрита методика проведення натурних випробувань бульдозера з РО, обладнаним ВНТФ, представлені результати випробувань, а також наведена методика визначення раціональних параметрів РО, оснащених ВНТФ, розкриті розроблені автором конструктивні пропозиції по створенню високоефективних бульдозерних РО з ВНТФ і БК.

Польові випробування модернізованого РО бульдозера, обладнаного ВНТФ, встановленого на базовій машині ДЗ-27С (рис.10), проводились на породному відвалі шахти ім. В.І. Леніна в м. Макіївка. Натурні випробування проводилися як модернізованою конструкцією РО, так і з РО традиційного виконання (з метою порівняння показників ефективності).

Проведення польових випробувань бульдозера з відвалом, оснащеним ВНТФ, дозволили підтвердити його працездатність і ефективність при виконанні основних операцій процесу копання (рис. 11, 12). Також були визначені техніко-економічні показники.

З огляду на цільове призначення бульдозера, оснащеного ВНТФ, була розглянута система основних показників ефективності роботи техніки і зроблена оцінка і порівняння показників ефективності бульдозерних відвалів з ВНТФ і традиційного типу.

Розроблено методику і визначені раціональні конструктивні параметри РО бульдозера, обладнаного ВНТФ, як змінного обладнання для всіх модифікацій бульдозерних відвалів, здатних виконувати роботи на ґрунтах І-IV (а ВНТФ і на V) категоріях міцності.

Загальні висновки

1. На підставі виконаного обстеження існуючих конструкцій РО бульдозера за науково-технічними і патентними джерелами, а також теоретичного аналізу сутності процесу копання ґрунту різальним елементом, встановлено, що найбільш перспективним РО інтенсифікаційної дії є відвал, оснащений ВНТФ, що дозволяє відвалу ефективно виконувати розробку щільних ґрунтів.

2. У результаті теоретичних досліджень була проаналізована схема взаємодії ножа прямокутної форми з ґрунтом, розглянуті зони дії складових сил різання, на основі яких встановлені схеми взаємодії НТФ (Н_НТ/Н=1; Н_НТ/Н=0,5; Н_НТ/Н=0,3) з ґрунтом, аналіз яких вказує на ефективність застосування різальних елементів трапецієподібної форми.

3. Розроблено математичну модель, яка відображає геометричні особливості РО, та враховує фізико-механічні властивості ґрунту, який розробляється, геометричні параметри РО, технологічну особливість робочого об'єкта і дозволяє визначити опір ґрунту копанню РО з ВНТФ і БК і зіставити її з моделями побудованих для відвалів: традиційного типу; з ВН прямокутної форми; з ВН прямокутної форми і БК.

Сформовані рівняння, що визначають об'єм ґрунту q_отв, який переміщається відвалом за один робочий цикл і обсяг ґрунту q_{пр.гр.ВНТФ} - що підрізається ВНТФ, на основі яких можна визначати масу призми волочіння G_пр.

На основі розрахунку математичної моделі отримані значення і побудовані графічні залежності Р_К, G_ПР, Р_К/G_ПР, що вказують на ефективність застосування відвала з ВНТФ і БК, що на 17,8% вище від традиційного відвала, тому що зусилля копання знизилося на 3,8%, а маса призми волочіння зросла на 14%.

4. Сформовані нові конструкції бульдозерних РО, оснащених ВНТФ і БК, а також розроблено ряд варіантів встановлення НС відвала, симбіоз яких з новими конструкціями РО дозволяє створити більш 200 модифікацій РО з ВНТФ і БК.

5. Лабораторні експериментальні дослідження, проведені в 2 етапи (1-й етап - з моделями ножів відвала; 2-й етап - з моделями бульдозерних відвалів, НС яких мали різну геометричну конфігурацію) дозволили з'ясувати й встановити: - фізичну сутність процесу розробки ґрунту ножами і відвалами і визначити характер впливу геометричних форм ножа на показники процесу; - для ножів раціональним діапазоном величини ц є: при Н_НТ/Н=1- ц=30...60°; Н_НТ/Н=0,5- ц=45...55°; Н_НТ/Н=0,3- ц=50...60°; - відвал з ВНТФ і БК витрачає на процес розробки ґрунту менше зусилля Р_К, ніж традиційний відвал, при цьому за рахунок компактної побудови призми волочіння її маса G_ПР зростала; - розробка ґрунту й експлуатація відвала з ВНТФ і БК на міцних ґрунтах значно ефективніша, ніж на слабких, грузлих ґрунтах; - збільшення кількості ВНТФ на відвалі приводить до збільшення втрат ґрунту в бічні валики; - застосування БС на відвалах із ВНТФ і БК більш ефективно, ніж для традиційного відвала.

6. Отримано регресійні рівняння, що характеризують процес розробки ґрунту моделями ножів і відвалів, аналіз яких дозволяє побудувати графічні залежності головних показників, які аналізуються, від досліджуваних факторів.

7. Досліджений у натурних умовах бульдозер з відвалом, оснащеним ВНТФ, встановлений на базовій машині Т-130.І.Г-1 (ДЗ-27С), показав поліпшення головних показників і працездатності РО при роботі на міцних ґрунтах. Визначено, що запропонована конструкція РО забезпечує відвалові можливість експлуатації на більш міцних ґрунтах за рахунок контакту з ґрунтом меншої довжини різальної частини НС, при тих самих зусиллях, які розвиває базова машина, тобто конструкція РО з ВНТФ найбільш ефективна при розробці щільних ґрунтів. На відміну від традиційних ножів, встановлення на РО ВНТФ сприяє більш швидкому зануренню відвала в масив ґрунту на початковій стадії процесу копання, а також сприяє плануванню компактної призми волочіння і дозволяє робити додаткове підрізування ґрунту при переміщенні призми волочіння, що компенсує обсяг втраченого в бічні валики ґрунту і сприяє збільшенню продуктивності.

Експериментально доведено, що використання і застосування на міцних ґрунтах бульдозера з відвалом, обладнаним ВНТФ, забезпечує зниження енергоємності, відносно традиційного РО, на 12%. Об'єм розробленого ґрунту традиційним відвалом склав 120,4 м³/год, а відвалом із ВНТФ - 137,6м³/год, що на 14,3% вище, при цьому питома витрата палива в традиційного РО склав 0,166л/м³, а в РО з ВНТФ - 0,14л/м³, технічна продуктивність бульдозера, оснащеного ВНТФ зросла відносно традиційного на 14%, питома матеріалоємність знизилися на 12%.

8. Розроблено рекомендації з раціонального використання і застосування РО дослідженої конструкції. Отже, запропоновано й обґрунтовано нове бульдозерне обладнання, яке оснащено ВНТФ, що відповідає фізичній сутності процесу руйнування ґрунту ВН і сприяє зменшенню енергоємності процесу копання ґрунту відносно традиційної конструкції РО.

9. Розроблено методику визначення раціональних параметрів бульдозерного РО, оснащеного ВНТФ і БК, як змінне РО бульдозерів усіх типорозмірних груп. Основні параметри: - категорії ґрунту, що рекомендуються для розроблювання I-V; - висота ВНТФ hвн=(1,5…2)h_ТР; - ширина верхньої основи ВНТФ =; - ширина ріжучої крайки ВНТФ =-2h_ВНctgц, - кут нахилу бічних ребер ВНТФ ц=30...45°; - кут різання ВНТФ б_{р (ВН)} = 60…70є.

10. Результати роботи впроваджені в реальні проекти.

Публікації за матеріалами дисертації

1. Талалай В.А. Формирование перспективных рабочих органов бульдозера / Л.А. Хмара, В.А.Талалай // Строительство. Материаловедение. Машиностроение: Сб. науч. тр.Днепропетровск: ПГАСА, 2005. Вып. 33 С. 50-55.

2. Талалай В.А. Рабочий орган землеройной машины с выступающим ножом трапециевидной формы / Л.А. Хмара, В.А.Талалай, А.О. Белинский // Зб. наук. праць.Харків: ХНАДУ, 2005. Вип. 29 С. 95 97.

3. Талалай В.А. Рациональные формы ножевых систем рабочих органов землеройных машин / В.А. Пенчук, В.А. Талалай, Д.Г. Белицкий // Матеріали V міжнародної наукової конференції молодих вчених, аспірантів, студентів: Зб. наук. праць. Макіївка: ДонНАБА, 2006. Вип. 4(60) С. 139-142.

4. Талалай В.А. Теоретические исследования процесса разработки грунта рабочим органом землеройной машины с выступающим ножом трапециевидной формы / Л.А. Хмара, В.А.Талалай // Зб. наук. праць.Харків: ХНАДУ, 2007. Вип. 38 С. 57-60.

5. Талалай В.О. Експериментальне дослідження процесів розробки грунту робочими органами трикутної форми / В.О. Пенчук, Д.Г. Белицький, В.О. Талалай // Технологія, організація, механізація та геодезичне забезпечення будівництва: Зб. наук. праць. Макіївка: ДонНАБА, 2006. Вип. 6(62). С. 135-137.

6. Талалай В.А. Нахождение оптимальных форм ножевых систем рабочих органов бульдозера на основании теоретического и экспериментального анализа / Л.А. Хмара, В.А.Талалай // Строительство. Материаловедение. Машиностроение: Сб. науч. тр.Днепропетровск: ПГАСА, 2007. Вып. 39 С. 25-29.

7. Талалай В.А. Исследование формы ножевых систем рабочих органов бульдозера, оснащенных трапециевидными ножами (на основании экспериментального анализа) / Л.А. Хмара, В.А.Талалай // Строительство. Материаловедение. Машиностроение: Сб. науч. тр.Днепропетровск: ПГАСА, 2007. Вып. 39 С. 18-24.

8. Талалай В.А. Исследование процесса взаимодействия с грунтом рабочего органа бульдозера, оснащенного выступающим ножом трапециевидной формы / Л.А. Хмара, В.А.Талалай // Интерстроймех 2007: материалы Международной научно- технической конференции, 11-14 сентября 2007г.: Сб. науч. тр. Самара: Самарск. гос. арх.-строит. ун-т, 2007. С. 70-75.

9. Талалай В.А. Рациональные формы ножевых систем рабочих органов бульдозера / В.А.Талалай // Збірник тез доповідей і повідомлень VI Міжнародної наукової конференції молодих вчених, аспірантів, і студентів. Макіївка, ДонНАБА, 18 квітня 2007р. Макіївка, ДонНАБА, 2007. С. 49.

10. Деклараційний патент №11656 Україна, МПК Е02F3/76 Бульдозерний відвал / Хмара Л.А., Талалай В.О., Соколов І.А.; заявник та патентовласник Пидніпров. держ. ак-я буд. та арх., Донбас. нац. ак-я буд. і арх.- №u200503557; заяв. 15.04.2005; опубл. 16.01.2006, Бюл.№1.

11. Деклараційний патент №12473 Україна, МПК Е02F3/76 Бульдозерний робочий орган / Хмара Л.А., Талалай В.О., Соколов І.А.; заявник та патентовласник Пидніпров. держ. ак-я буд. та арх., Донбас. нац. ак-я буд. і арх.- №u200506756; заяв. 11.07.2005; опубл. 30.01.2006, Бюл. № 2.

12. Деклараційний патент №12474 Україна, МПК Е02F3/76 Відвал бульдозера / Хмара Л.А., Талалай В.О., Соколов І.А.; заявник та патентовласник Пидніпров. держ. ак-я буд. та арх., Донбас. нац. ак-я буд. і арх.- №u200506758; заяв. 11.07.2005; опубл. 15.02.2006, Бюл.№2.

13. Деклараційний патент №12475 Україна, МПК Е02F3/76 Робочий орган землерийної машини / Хмара Л.А., Талалай В.О., Соколов І.А.; заявник та патентовласник Пидніпров. держ. ак-я буд. та арх., Донбас. нац. ак-я буд. і арх.- № u 200506761; заяв. 11.07.2005; опубл. 30.01.2006, Бюл. № 2.

14. Деклараційний патент №12868 Україна, МПК Е02F3/76 Робочий орган бульдозера / Хмара Л.А., Талалай В.О., Соколов І.А.; заявник та патентовласник Пидніпров. держ. ак-я буд. та арх., Донбас. нац. ак-я буд. і арх.- № u 200504744; заяв. 20.05.2005; опубл. 15.03.2006, Бюл. № 3.

15. Патент №19198 Україна, МПК Е02F3/76 Відвал бульдозера / Хмара Л.А., Талалай В.О.; заявник та патентовласник Донбас. нац. ак-я буд. і арх., Пидніпров. держ. ак-я буд. та арх.-№u200604640; заяв. 25.04.2006; опубл. 15.12.2006, Бюл. № 12.

Анотація

Талалай В.О. Інтенсифікація розробки ґрунту бульдозерним відвалом удосконаленням параметрів ножової системи.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.05.04 - машини для земляних, дорожніх і лісотехнічних робіт. Донбаська національна академії будівництва і архітектури. Макіївка, 2007.

Захищається дисертаційна робота, у якій надається нове рішення актуальної наукової задачі, що полягає у встановленні закономірностей процесів руйнування ґрунту РО з ВНТФ і БК і визначенні його раціональних геометричних параметрів.

Розробка наукового обгрунтування методологічних принципів розрахунку раціональних параметрів РО з ВНТФ і БК являє собою актуальну народногосподарську задачу у зв'язку з можливістю використання конструкції при виконанні земляних робіт на щільних грунтах та збільшення технологічної можливості бульдозера.

Обгрунтовано та встановлено зниження енергоємності відносно традиційного РО на 12%, збільшення об'єму розробленого ґрунту на 14,3%, при цьому питома витрата палива бульдозера з РО, обладнанним ВНТФ, склала 0,14л/м³, а технічна продуктивність бульдозера з ВНТФ зросла відносно традиційного на 14%.

Ключові слова: бульдозер, відвал, робочий орган, ножова система, виступний ніж трапецієподібної форми, бічні косинки, ґрунт, призма волочіння, процес розробки, копання ґрунту, ефективність, продуктивність.

Аннотация

Талалай В.А. Интенсификация разработки грунта бульдозерным отвалом усовершенствованием параметров ножевой системы.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.05.04 - машины для земляных, дорожных и лесотехнических работ. Донбасская национальная академия строительства и архитектуры. Макеевка, 2007.

Защищается диссертационная работа, в которой представлено новое решение актуальной научной задачи, заключающееся в установлении закономерностей процессов разрушения грунта РО с ВНТФ и БК и определении его рациональных геометрических параметров.

Проведенный анализ существующих положений теории резания позволил: 1- схематически описать процесс резания грунта НТФ и определить наиболее эффективные параметры НТФ; 2 - разработать математическую модель процесса копания грунта РО с ВНТФ и БК, учитывающую физико-механические свойства грунта, физику процесса разрушения грунта, геометрическую форму и параметры НС, содержащей ВНТФ и БК.

Рассматриваемые в работе лабораторные экспериментальные исследования состояли из 2-х этапов, целью которых являлось: 1-й этап - определение рациональной формы и геометрических параметров режущего элемента, на основании проведения 3-х факторного эксперимента; 2-й этап - определение рациональных параметров РО с ВНТФ и БК, на основании проведения 4-х факторного эксперимента. Адекватность и достоверность полученных, на основании экспериментальных данных регрессионных уравнений и их последующий расчет, отображенный в графических зависимостях методом сопоставления результатов, позволил подтвердить достоверность математической модели, отображающей процесс копания грунта РО с ВНТФ и БК.

Разработка научно обоснованных методологических принципов расчета рациональных параметров РО с ВНТФ и БК представляет собой актуальную народно-хозяйственную задачу в связи с возможностью использования конструкции при выполнении земляных работ на плотных грунтах и увеличению технологической возможности бульдозера.

Доказано и установлено снижение энергоемкости, относительно традиционного РО на 12%, увеличение объема разработанного грунта на 14,3%, при этом удельная затрата топлива бульдозера, оснащенного РО с ВНТФ, составила 0,14 л/м³, а техническая производительность бульдозера с ВНТФ возросла относительно традиционного на 14%.

Ключевые слова: бульдозер, отвал, рабочий орган, ножевая система, выступающий нож трапециевидной формы, боковые косынки, грунт, призма волочения, процесс разработки, копание грунта, эффективность, производительность.

Summary

Talalay V.A. Intensification of ground development by bulldozer dump by improveding blade system parameters.

Thesis for the candidate of technical degree of State administration on specialty 05.05.04 - machines for earthen, road and forest technical works. Donbass National Academy of Civil Engineering and Architecture. Makeyevka, 2007.

The dissertation present a new decision of urgent scientific problem which consists in establishment regulariti of ground destruction processes which excavating part of the earth-moving machine which includes active blade of trapezoid form and side gussetings as well ar the definitions of its rational geometrical parameters.

The development of scientifically proved that methodological calculation principles of rational parameters of the excavating part of earth-moving machine which includes active blade of trapezoid form and side gussetings are an urgent national economic problem in conection with the possibility to use the device while moving firm ground and increase technological potentials of the bulldozer.

The dissertation proved the decrease of power consumption with regard to traditional use of excavating part of earth-moving machine by 12%, the increase of developed ground volume by 14.3%, at that specific fuel consumptione of the bulldozer equipped which the excavating part which includes active blade of trapezoid form was 0.14 l/m³. Technical productivity of the bulldozer increased with regard to the traditional one by 14%.

Key-words: bulldozer, dump, excavating part, blade system, active blade of trapezoid form, side gussetings, ground, dragging prism, engineering process, ground digging, effectiveness, productivity.

Размещено на Allbest.ru

...