Параметры и область применения рыхлителей к гидравлическим экскаваторам

Основными направлениями экономического и социального развития СССР на I98I-I985 годы и на период до 1990 года предусмотрено дальнейшее повышение эффективности капитального строительства, освоение значительных объемов работ, направленных в первую очередь на реконструкцию и техническое перевооружение действующих предприятий, а также на дальнейшее развитие и благоустройство городского хозяйства. В то же время производство строительных работ в городских условиях сопряжено с дополнительными трудностями, связанными с необходимостью выполнять трудоемкие операции по разрушению дорожных одежд.

Еще больше усложняется строительство в зимний период, особенно при производстве земляных работ.

Для успешного строительства в этих условиях необходим? иметь машины и оборудование с хорошими мобильными и транспортными качествами, способные эффективно выполнять работу в стесненных условиях.

Одноковшовые экскаваторы являются наиболее распространенными землеройными машинами. В настоящее время развитие гидрофицирован-ных экскаваторов идет по пути создания большого числа сменных рабочих органов, что повышает их универсальность. Поэтому становятся возможным такие работы, как, например, прокладки трубопроводов, которые обычно осуществлялись несколькими видами машин, производить одним экскаватором, это даст значительный экономический и технический эффект.

Современная технология зимних земляных работ основана на сочетании отеплительных мероприятий с рыхлением мерзлого грунта. При небольших объемах работ такое рыхление может осуществляться тем же экскаватором, каким будет производиться последующее копание грунта, что упрощает организацию работ, и в ряде случаев ускоряет сроки их выполнения. Кроме того, рыхлителем на экскаваторе возможно производить рыхление в стесненных условиях, где применение навесного тракторного рыхлителя является невозможным.

В связи с изложенным настоящую работу, направленную на определение рациональных параметров рыхлителей и областей их применения, следует признать актуальной.

В настоящее время ряд моделей одноковшовых гидравлических экскаваторов уже оснащен таким сменным рабочим оборудованием. Вместе с тем надо отметить, что непродолжительный срок его эксплуатации не позволил в достаточной мере выявить его возможности. Наблюдается также расхождение в параметрах этого оборудования, изготавливаемого разными фирмами, что указывает на недостаточную их изученность.

ЦЕЛЬЮ РАБОТЫ являлось получение обоснованных данных, необходимых для проектирования и создания рабочего органа для рыхления прочных слоистых сред. Под последними понимаются старые дорожные одежды и мерзлые грунты сезонного цромерзания.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА, работы характеризуется результатами исследований процесса рыхления прочных слоистых сред рабочим органом, как сменным оборудованием к гидравлическим экскаваторам. Получены аналитические выражения для определения усилий рыхления при взламывании прочных слоев. Разработана методика выбора параметров и области применения рабочего оборудования к одноковшовым гидравлическим экскаваторам.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить комплекс теоретических и экспериментальных исследований, направленных на решение задач. К таким задачам относились определения: — различий в работе навесного тракторного рыхлителя и рыхлителя, монтируемого как сменного оборудования на экскаваторе— зависимостей между параметрами рыхлителя, свойствами среды и параметрами забоя— рациональных параметров этого рабочего органа— характера нагружения рабочего оборудования— производительности экскаватора в зависимости от метода рыхления и глубины промерзания грунта— области применения рыхлителей, монтируемых на экскаваторах.

Решение этих задач позволило создать методику расчета параметров рабочего оборудования — рыхлителей к экскаваторам — и установить рациональные параметры и область применения рыхлителей.

НА ЗАЩИТУ ВЫНОСЯТСЯ: — результаты теоретических исследований по изучению закономерностей процесса взаимодействия рабочего органа с прочными слоистыми средами, аналитический метод определения усилия сопротивления рыхлению прочных сред, учитывающий физико-механические свойства среды— результаты экспериментальных исследований влияния параметров рыхлителя на основные факторы, характеризующие процесс рыхления— методика расчета и выбора основных параметров и области применения рабочего органа, используемого как сменное рабочее оборудование к одноковшовым гидравлическим экскаваторам.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ.

1. Проведено исследование процесса разрушения прочных слоистых сред методом взламывания рыхлителем, монтируемым как сменное оборудование на гидравлическом экскаваторе. В итоге получены зависимости, позволяющие определить сопротивления, которые возникают при разрушении прочных слоистых сред с учетом их толщины и прочностных свойств материала.

2. Рассмотрены различные возможные траектории движения рабочего органа, в результате чего установлено, что наименьшей энергоемкости соответствует метод рыхления, обеспечивающий вертикальное перемещение рабочего органа снизу вверх. При этом установлено влияние на сопротивление кривизны траектории. Найдено, что с увеличением кривизны сопротивление рыхлению снижается. Так, например, при увеличении кривизны от ее нулевого значения до величины 4 с/э сопротивление уменьшается на 204−25 $.

3. Теоретическим и экспериментальным путем установлено влияние на сопротивление и характер процесса рыхления таких параметров как прочность и толщина слоя, ширина и длина вылета режущей кромки зуба, углов заострения и резания, траектории движения рабочего органа и сцепления слоя с основанием.

4. Установлены рациональные геометрические параметры рабочего органа и, в частности, длина, ширина и высота зуба, углы резания и заострения. Разработана методика выбора параметров рабочего оборудования.

5. В результате натурных испытаний установлено, что применение рациональных геометрии и траектории движения рабочего органа позволило повысить производительность экскаватора на 20.30 $. При глубине цромерзания до 0,4.О, 5 м рыхлитель, работая методом взламывания, обеспечивает производительность в 1,5.1,8 раза большую, чем при послойном рыхлении.

6. Проведенные экспериментальные исследования позволили установить приемлемость принятых при теоретических исследованиях допущений. Отклонение расчетных значений от опытных не превышает 14.18%.

7. Оценен ожидаемый эффект от внедрения в производство рабочего органа к гидравлическому экскаватору. Показана целесообразность использования этого оборудования при сравнительно небольших объемах земляных работ.

5. ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ВЫБОРУ ПАРАМЕТРОВ И ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ РЫХЛИТЕЛЯ К ОДНОКОВШОВОМУ ГИДРАВЛИЧЕСКОМУ ЭКСКАВАТОРУ.

5.1. Определение рациональных параметров рыхлителей.

Благодаря простоте конструкции и достаточной надежности в работе, рыхлитель к гидравлическому экскаватору является эффективным средством для разрушения старых дорожных одежи и сезонномер-злых грунтов при отрывке котлованов и узких траншей, то есть при работе на малых объемах земляных работ.

Определение сопротивлений прочного слоя разрушению рыхлителем экскаватора являлось одной из основных задач нашего исследования. К этой задаче непосредственно примыкают вопросы, связанные с обоснованным определением рациональных параметров и режимов рыхления в зависимости от грунтовых условий.

В работе /19/ показано, что к основным критериям рациональности режущей части землеройных машин относятся минимальная энергоемкость резания грунта, возможно малая динамичность нагрузки на базовую машину, максимальный установленный размер отделяющихся кусков грунта, правильность геометрической формы образуемой поверхности массива, надежность и долговечность, удобство и црос-тота замены и восстановления.

Определяющими для конкретных типов машин могут быть только некоторые из перечисленных критериев. Результаты данного исследования относятся главным образом к критерию возможно малой энергоемкости процесса рыхления прочных слоистых систем при удовлетворении требованиям малой динамичности нагрузки на машину, долговечности и надежности режущего элемента.

Проведенные исследования позволили выявить основные параметры рыхлителя, в большей степени влияющие на процесс рыхления прочных слоистых систем. Толщина (глубина рыхления) прочного слоя является главным из параметров. На процесс рыхления прочных слоев существенное влияние оказывают состав и свойства грунтов, кинематика рабочего оборудования, форма и геометрия режущей кромки. Полученные результаты дают возможность определить рациональные параметры рабочего органа рыхлителя, такие как ширина зуба, глубина рыхления, длина вылета режущей кромки, радиус траектории движения режущей кромки зуба-рыхлителя, угол резания, угол заострения.

При взламывании прочного слоя режущая кромка рабочего органа продвигается в менее прочном грунте основания и разрушает этот грунт за счет деформаций сжатия. Поэтому для уменьшения сопротивления внедрению рабочего органа целесообразно размеры поперечного сечения наконечника назначать минимальными из условия его прочности. Однако минимальная ширина рабочего органа должна быть не менее той ширины, при которой црочный слой разрушается от деформаций изгиба и отрыва, а не прорезывается за счет деформаций сжатия. При конструировании рабочего органа отправным параметром, определяющим его геометрические размеры, является глубина рыхления. Если исходить из основного назначения рыхлителей — производить вскрышу поверхностного слоя мерзлого грунта или старого дорожного покрытия с целью последующей его разработки обычными землеройными машинами, то общая глубина рыхления может быть определена толщиной слоя промерзания или толщиной дорожного покрытия. Исследования показали, что критическое соотношение толщины слоя и ширины рабочего органа находится в пределах К =(8. 10) ?>. Следовательно, из данного соотношения определяется минимальная ширина рабочего органа. С точки зрения минимальных энергетических затрат, оптимальное соотношение толщины слоя и ширины рабочего органа находится в пределах Ь = (4.5) & .

Таким образом, рациональное соотношение между толщиной слоя и шириной рабочего органа находится в пределах.

ОН К < S < 0,25 Ь.

Как показали производственные испытания рыхлителей, рациональное соотношение между шириной рабочего органа и глубиной рыхления находится в пределах Ь = (4.5)?>. Такое соотношение целесообразно назначать при проектировании рыхлителей к гидравлическим экскаваторам.

Известно, что для навесных тракторных рыхлителей вылет режущей кромки наконечника должен быть наибольшим, исходя из условий прочности и жесткости стойки, а стойка должна иметь плавное очертание в месте сопряжения рабочих граней стойки и наконечника /22/.

Рабочее оборудование экскаватора, в отличие от тракторных навесных рыхлителей, позволяет осуществлять рыхление по различным траекториям и, в том числе, по вертикальной траектории. И длина вылета режущей кромки существенно влияет на процесс рыхления. Экспериментальными исследованиями установлено, что при вертикальном перемещении рабочего органа экскаватора с увеличением длины вылета режущей кромки усилие сопротивления возрастает, а при длине, равной tp = (4.6) S, энергоемкость процесса рыхления минимальная. Таким образом, длину вылета режущей кромки рабочего органа рекомендуется принимать равной (рис. 5.1).

Величина угла резания должна назначаться из условия достижения минимального усилия рыхления. Из результатов многочисленных исследований (в том числе и наших) следует, что с уменьшением угла //.

I / > 1 и.

Рис. 5,1. Принципиальная схема зуба-рыхлителя резания от 70° до 30° цроиоходит уменьшение энергоемкости процесса. Дальнейшее уменьшение угла резания может дать еще некоторое снижение энергоемкости рыхления, но оно нецелесообразно ввиду значительного снижения прочности режущего органа.

Большинство исследователей рекомендует оптимальный угол резания в пределах 30°.50°. Большее значение соответствует более прочному грунту. В связи с тем, что при рыхлении методом взламывания режущая кромка рабочего органа перемещается в менее прочном грунте, то угол резания следует назначать в пределах оС- 2>0°. ЪЪ°.

Наряду с углом резания большое значение имеет и угол заострения рабочего органа, особенно при внедрении его под прочный слой. Чем меньше угол заострения, тем меньше усилие внедрения рабочего органа. Минимальную величину угла заострения необходимо выбирать из условия прочности наконечника и обычно рекомендуется назначать в пределах.

Задний угол зуба-рыхлителя следует назначать в пределах 8°.10° с целью исключения трения задней грани о грунт.

Глубина рыхления (толщина слоя), ширина и длина вылета режущей кромки являются основными параметрами, определяющими геометрические размеры рабочего органа. % основе этих данных можно путем геометрических построений получить радиус сопряжения стойки и режущей кромки (рис. 5.1).

Известно, что стойка должна иметь плавное очертание в месте сопряжения рабочих граней стойки и наконечника. Это снижает силу резания и, как показали полевые исследования, обеспечивает минимальное усилие на внедрение рабочего органа под слой. Радиус сопряжения может быть принят равным.

Исследование процесса рыхления по различным возможным траекториям движения рабочего органа показало, что наименьшей энергоемкости соответствует метод рыхления, обеспечивающий вертикальное перемещение рабочего органа. При этом установлено влияние на сопротивление кривизны траектории. Найдено, что с увеличением кривизны соцротивление рыхлению снижается. Следовательно, необходимо стремиться к минимальному радиусу, описываемому рабочим органом относительно неподвижной рукояти. Исходя из геометрических соотношений высоты зуба и длины вылета режущей кромки, минимальный радиус траектории движения зуба-рыхлителя равен.

M10.U) S.

Полученные рациональные параметры зуба-рыхлителя были сопоставлены с имеющимися. В настоящее время ряд моделей гидравлических экскаваторов уже оснащен таким сменным рабочим оборудованием. Вместе с тем надо отметить, что непродолжительный срок его эксплуатации не позволил в достаточной мере выявить его возможности. Наблюдается также расхождение в параметрах этого оборудования, изготавливаемого разными предприятиями и фирмами.

Сопоставление проводилось с зубом-рыхлителем, серийно выпускаемым Ковровским экскаваторным заводом к экскаватору Э0−4121А.

Заводской рабочий орган имеет большой угол резания (50°) и не имеет заднего угла. Это ведет к увеличению сопротивления рыхлению и, как показал опыт эксплуатации в Артемовском управлении механизации, при рыхлении мерзлых грунтов отсутствие заднего угла ведет к интенсивному износу зуба-рыхлителя, а возникающая реакция грунта на площадку износа зуба выталкивает его, что ведет к неустойчивой работе рыхлителя. Увеличение длины вылета режущей части рабочего органа обеспечило повышение производительности экскаватора на 20.30 $.

5.2. Определение области применения рыхлителей, монтируемых на гидравлических экскаваторах.

Область экономически целесообразного применения рыхлителей устанавливается для строительных организаций, в которых рассматриваемый ряд машин применяется в аналогичных условиях производства при примерно одинаковой степени использования машин, при одном и том же уровне заработной платы.

За основу расчетов была принята методика, разработанная С. Е. Канторером /77/.

Область эффективного применения машин устанавливается по критерию, которым служит размер приведенных затрат, рассчитанных на единицу годовой выработки. На величину этого критерия влияет рад факторов, которые следует учесть при соответствующих расчетах. Эффективной является та область, в пределах которой приведенные затраты будут ниже тех, которые соответствуют другим конкурирующим вариантам.

Б качестве конкурирующих вариантов следует принять ряд машин, эксплуатационная производительность которых, при рыхлении мерзлых грунтов, изменяется до 100 иР/ч. Это позволит выявить область эффективного использования не только рыхлителей, монтируемых на гидравлических экскаваторах, но и других средств механизации, которые широко применяются в строительстве.

К числу конкурирующих машин относятся: компрессорная станция — ДК-9М с отбойными молотками, рыхлитель MFI-60,установленный на базе экскаватора Э0−2621, экскаватор ЭО-3322,оборудованный зу-бом-рыхлителем, и тракторный рыхлитель Д-572.

Капитальные вложения на приобретение машин принимались по их инвертарно-расчетной стоимости. Эксшгуатационная среднечасовая выработка устанавливалась с учетом разработки мерзлого грунта У категории. Следует отметить, что при определении производительности экскаватора рассматривался весь технологический процесс комплексной разработки забоя, включая рыхление и полную разработку грунта. Было принято, что экскаватор половину времени работает с оборудованием рыхлителя и вторую половину времени с ковшовым оборудованием.

Исходные данные, приведенные в табл.5.1,рассчитывались и принимались из следующих источников: /55,69,70,77,84/. На их основе устанавливается область эффективного применения машин указанных моделей в зависимости от двух переменных факторов — объема работ на объекте (Пв*Х) и расстояния перебазирования (Lhs =У)" которые оказывают наибольшее влияние на приведенные удельные затраты.

Эта область устанавливается по уравнению / 77 /.

М'- М" + (Н'-Н") ij+ (МК")-О.

X X.

5.1) с использованием формул м Ьн-сЫГ+КЕнУ 1н н= - ф.

11 nkEHVX п= - ф.

Ф Пч.

Числовые значения параметров М, Н и I приведены в табл.5.2. В результате получены значения граничного объема работ Х^при котором применение того или иного варианта механизации обеспечивает одинаковый размер приведенных удельных затрат, а следовательно, и одинаковую эффективность (рис. 5.2).