На правах рукописи

Киселева Лариса Николаевна

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ И

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ

РАБОЧЕГО ОРГАНА ПОДКАПЫВАЮЩЕЙ МАШИНЫ

Специальность 05.05.04 – «Дорожные, строительные

и подъемно-транспортные машины»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Омск – 2011 1

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия (СибАДИ)»

кандидат технических наук, доцент

Научный руководитель:

Федотенко Юрий Александрович доктор технических наук, доцент

Официальные оппоненты:

Пономаренко Юрий Евгеньевич кандидат технических наук, доцент Матяш Иван Иванович ФГБОУ ВПО «Братский

Ведущая организация:

государственный университет»

Защита состоится 7 декабря 2011 г. в 1000 часов на заседании диссертационного совета ВАК РФ Д 212.250.02 при ФГБОУ ВПО «Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия (СибАДИ)» по адресу: 644080, г. Омск, проспект Мира, 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия (СибАДИ)».

Отзывы на автореферат в двух экземплярах с подписью, заверенной печатью учреждения, просим направлять на адрес диссертационного совета.

Телефон для справок: (3812) 65-01-45, факс (3812) 65-03-23.

Автореферат разослан 1 ноября 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.250.02 В.Н. Кузнецова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Российская Федерация располагает развитой трубопроводной инфраструктурой. На долю этого вида транспорта сегодня приходится более 30 процентов общего грузооборота страны. Суммарная протяженность трубопроводов составляет более 230 тыс. километров.

Большая их часть эксплуатируется свыше 30 лет. В связи с этими обстоятельствами остро стоит вопрос о ремонте магистральных трубопроводов, что сопряжено с большими затратами труда и материальных средств, для экономии которых необходимы наиболее прогрессивные методы строительства и ремонта и ускоренные темпы их проведения.

Кроме того, протяженность трубопроводных магистралей России постоянно увеличивается, осуществляются модернизация и техническое перевооружение ранее построенных трубопроводов, внедряются современные средства связи и управления, совершенствуются технологии транспорта и ремонта объектов магистральных трубопроводов.

Наиболее сдерживающим фактором повышения производительности ремонта трубопроводов является несовершенство средств механизации выполнения земляных работ. Одноковшовые экскаваторы и бульдозеры не могут обеспечить необходимой производительности. При реализации технологии ремонта трубопровода применяется послойная разработка грунта подкапывающей машиной. В отличие от традиционного метода снятия плодородного слоя грунта бульдозером, исключается перемещение машины поперек трубопровода. Разработка трубопроводной траншеи с применением подкапывающей машины сокращает количество технологических операций при вскрытии трубопровода, что приводит к увеличению производительности строительных работ при капитальном ремонте трубопроводов.

Однако разработка связных и плотных грунтов подкапывающей машиной практически невозможна в силу несовершенства конструкции рабочих органов. К тому же высокие значения силы сопротивления разработке грунтов, возникающие на рабочих органах подкапывающей машины, резко снижают ее производительность. Минимизация силы сопротивления позволит не только повысить энергоэффективность процесса разработки грунта, но и снизить сжимающие усилия на трубопроводе, реализуемые захватами подкапывающей машины.

Следовательно, актуальным является проведение теоретических и экспериментальных исследований для создания высокоэффективных рабочих органов подкапывающей машины.

Объект исследований – конструктивно- технологическая система «рабочий орган подкапывающей машины - разрабатываемый грунт».

Предмет исследований – закономерности процесса взаимодействия рабочего органа подкапывающей машины с разрабатываемым грунтом.

Целью работы является: повышение эффективности работы подкапывающей машины путем совершенствования конструкции и обоснования основных параметров рабочего органа.

Задачи исследований:

1. разработка математической модели процесса взаимодействия рабочего органа подкапывающей машины c разрабатываемым грунтом;

2. разработка методики обоснования основных параметров рабочего органа подкапывающей машины путем снижения энергоемкости процесса разработки грунта;

3. создание эффективной конструкции рабочего органа подкапывающей машины;

4. проверка адекватности теоретических результатов путем проведения экспериментальных исследований новой конструкции подкапывающей машины;

5. экономический анализ использования подкапывающей машины новой конструкции.

';

Достоверность научных исследований обеспечена 1. методологической базой исследования, основанной на фундаментальных теориях;

2. применением математического анализа в качестве основного инструмента исследования;

3. практической и экспериментальной проверкой адекватности теоретических исследований.

Научная новизна:

1. Разработана математическая модель процесса взаимодействия рабочего органа подкапывающей машины c разрабатываемым грунтом.

2. Установлены зависимости составляющих суммарной силы сопротивления разработки грунта от его физико-механических свойств и параметров рабочего органа подкапывающей машины.

3. Определены рациональные параметры рабочего органа подкапывающей машины исходя из критерия минимизации энергоемкости процесса разработки грунта.

Практическая значимость:

1. Разработана методика обоснования основных параметров рабочего органа подкапывающей машины.

2. Создана конструкция рабочего органа подкапывающей машины повышенной эффективности (патенты на полезную модель № 64312, 93126 «Машина для удаления грунта из-под магистрального трубопровода»).

3. Возможность использования разработок и результатов исследований в учебном процессе по специальностям и направлениям подготовки кадров высшей квалификации, а также на предприятиях и в организациях, занимающихся проектированием и созданием землеройных машин.

Апробация работы. Основные научные положения и результаты теоретических и экспериментальных исследований докладывались, обсуждались и получили положительную оценку на IX-ой Международной научно-технической конференции молодежи «Транссибнефть» (2008 г.), Всероссийских научно-практических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых «Развитие дорожно-транспортного комплекса и строительной инфраструктуры на основе рационального природопользования» (СибАДИ, 2008 - 2011 г.г., г. Омск), научнотехнических конференциях СибАДИ, научных семинарах факультета «Нефтегазовая и строительная техника» СибАДИ, (СибАДИ, 2008 - г.г., г. Омск), Международном конгрессе «Креативные подходы в образовательной, научной и производственной деятельности» (СибАДИ, 2010 г., г. Омск), молодежном форуме «Ритм» (2011 г., Омск).

Реализация результатов. Методика определения параметров подкапывающей машины внедрена в Конструкторском бюро ттранспортного машиностроения, Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии (СибАДИ) (г. Омск) при выполнении научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ. По предложенной методике разработан, изготовлен и успешно испытан рабочий орган подкапывающей машины повышенной эффективности, новизна которого подтверждена патентами на полезную модель.

Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 9 научных работах, в том числе 4 публикации в ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендуемых ВАК Министерства образования и науки РФ; двух патентах на полезную модель.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных результатов, выводов и рекомендаций, библиографического списка используемой литературы.

Во введении приведено обоснование актуальности темы диссертации, научная новизна и практическая ценность работы.

В первой главе освещается общее состояние вопроса в области повышения эффективности земляных работ в процессе ремонта магистральных трубопроводов, проводится выявление и анализ недостатков существующих конструкций подкапывающих машин, их рабочих органов и режимов работы.

Среди отечественных ученых, внесших вклад в решение этих актуальных проблем, следует отметить Х.А. Азметова, В.Л. Березина, Л.И.

Быкова, Г.Г. Васильева, А.Г. Гумерова, Р.С. Гумерова, К.А. Забелу, О.М.

Иванцова, А.А. Коршака, М.А. Лежнева, В.В. Москвичёва, В.В. Орехова, К.Е. Ращепкина, Н. Х. Халлыева, А.М. Шаммазова, Р.Г. Шарафиева, Э.М.

Ясина и других авторов многочисленных публикаций.

Научной основой работ по исследованию процессов разработки грунтов являются труды В.Д. Абезгауза, О.Д. Алимова, К.А. Артемьева, В.Л. Баладинского, В.И. Баловнева, И.Г. Басова, Г. Бернацкого, Ю.А Ветрова, М.И. Гальперина, В.П. Горячкина, А.Д. Далина, Н.Г.

Домбровского, А.Н. Зеленина, Л.С. Зенина, И.А. Недорезова, А.С.

Кадырова, Ф.М. Канарева, А.Я. Сагомоняна, Г.Н. Синеокова, Д.И.

Федорова, В.Г. Юдина и других исследователей.

Обзор существующих исследований выявил недостаточность теоретических и экспериментальных данных по вопросу повышения эффективности разработки грунтов рабочими органами подкапывающих машин.

Анализ используемых подкапывающих машин показал, что при их работе имеются следующие недостатки. Привод попеременной шаговой подачи вперёд машины прижимными захватами оказывает на трубопровод значительные сжимающие усилия. Это может вызывать в стенке трубопровода механические перенапряжения и даже деформации, а это при дальнейшей эксплуатации трубопровода может привести к разрушению трубы и соответственно к аварии. Еще одним недостатком является то, что цилиндрические рабочие органы не обеспечивают надлежащий вынос связных и плотных грунтов, и под трубопроводом остается неразработанным слой грунта. Это приводит к невозможности выполнения последующих технологических операций. Кроме того, при разработке связных и плотных грунтов на рабочих органах возникают высокие величины силы сопротивления разработки грунта. Это приводит к снижению скорости передвижения машины по трубопроводу, так как усилий захватов привода машины бывает недостаточно для удержания тележки на трубопроводе. Поэтому происходит ее проскальзывание по трубе и неизбежные сбои в работе машины.

Идея работы: совершенствование конструкции и изменение направления вращения рабочего органа подкапывающей машины позволит повысить эффективность разработки грунта.

В качестве рабочего органа подкапывающей возможно использование роторов конической формы с уширяющимся нижним основанием. Это сформирует и удержит клин разрабатываемого грунта под трубопроводом и предотвратит обрушение грунта на дно траншеи.

Исследования показали, что для минимизации величины силы сопротивления и удельной энергоемкости процесса разработки грунта могут быть использованы рабочие органы с измененным направлением вращения. Изменение вращения роторов по направлению друг к другу создаст дополнительную силу тяги, возникающую при отталкивании резцов ротора от грунтового клина.

Во второй главе изложены теоретические исследования процесса взаимодействия рабочего органа подкапывающей машины при разработке грунта.

Размер стружки грунта определяется как расстояние между траекториями двух соседних резцов. Толщина стружки – это отрезок, заключенный между траекториями I и II движения резцов и нормальный к траектории I.

Рисунок 1 – Расчетная схема для определения толщины стружки Траектория движения резца может быть представлена уравнениями:

где x1, y1, x 2, y 2 - координаты режущих кромок соседних резцов; – скорость движения подкапывающей машины; - угол поворота резца к оси X; - угловая скорость вращения ротора подкапывающей машины; R – радиус установки резца на поверхности ротора; 0 - угол между соседними резцами.

С учетом ряда преобразований получена формула для определения толщины стружки, срезаемой резцом:

Объем грунта, вынимаемый из забоя одним резцом, составит где н, к - угол поворота ротора при входе резца в забой и его выходе из забоя.

Процесс взаимодействия рабочих органов подкапывающей машины включает в себя следующие этапы: внедрения резцов роторов в грунт, его разработка, перемещение грунта по рабочему органу и вынос срезанного грунта в боковые приямки траншеи.

Таким образом, можно обозначить две контактные зоны взаимодействия рабочего органа с разрабатываемым грунтом: зона непосредственной разработки грунта и зона выноса грунта. Этапы внедрения резцов ротора в грунт, перемещение грунта по рабочему органу и его разработка осуществляется в зоне непосредственной разработки грунта, а вынос срезанного грунта в боковые приямки траншеи – в зоне выноса грунта (рис. 2).

Рисунок 2 – Контактные зоны взаимодействия рабочего Рассмотрим этапы разработки и выноса грунта. Для этого разработана расчетная схема взаимодействия рабочего органа с грунтом (рис. 3).

Рисунок 3. – Схема сил, действующих при взаимодействии с грунтом перемещению резцов в грунте на ось, совпадающую с направлением движения машины, Pотб - сила, необходимая для отбрасывания грунта.

Движение резца вертикального ротора сопровождается изменением угла атаки грунта резцом (рис. 4).

Рисунок 4 – Схема сил, действующих сумма произведения сил, приходящихся на резцы в массиве грунта Ti N, на угол наклона резца :

где p - давление на резец, b0 - ширина резца, hi - толщина стружки i-го резца, n - количество резцов на одном ряду, одновременно взаимодействующих с грунтом.

Давление, приходящееся на резец, определяется из зависимости:

где - плотность грунта; В – сжимаемость грунта; - скорость движения подкапывающей машины.

Т.к. резцы установлены шагом угла 0, можно записать Выражение для определения силы сопротивления перемещения резцов ротора в массиве грунта имеет вид:

где К – количество рядов резцов, Ri - радиус установки резца; 1i - угол поворота резца; ni - количество резцов i-го ряда, одновременно взаимодействующих с грунтом.

Силу трения, направленную по касательной к поверхности резца, определим как где f – коэффициент внешнего трения.

грунта является его способность сопротивляться касательным усилиям. Это сопротивление сцепления между частицами грунта и сил трения. Силы трения, в свою очередь, связаны с нормальным напряжением и коэффициентом трения.

Силу трения поверхности ротора о грунт можно определить как интегральную сумму сил трения грунта на элементарных площадках ротора, направленных по касательной к его поверхности:

где – сила трения грунта, направленная по касательной к поверхности ротора, S – поверхность контакта резцов с грунтом, dS – элементарная площадка контакта грунта с поверхностью ротора Касательное напряжение выражаем через нормальное:

где нормальное давление со стороны грунта на боковую поверхность ротора, H - глубина траншеи, z - координата произвольной точки боковой поверхности конуса, контактирующего с грунтом, - коэффициент бокового давления.

где - угол наклона образующей конуса к горизонтальной поверхности (основанию конуса), Rн - радиус нижнего основания усеченного конуса.

С учетом области интегрирования (рис. 6) из последнего выражения имеем где x1, x2, x3 - уравнения линий, ограничивающих область интегрирования, Rв - радиус верхнего основания усеченного конуса.

Суммарная величина силы сопротивления движению ротора от сил нормального давления грунта на его поверхность определяется из выражения:

cos, y - угол наклона вектора нормального давления к направлению где движения машины.

С учетом ряда преобразований и области интегрирования выражение (15) принимает вид Сопротивление отбрасыванию грунта с рабочего органа составит:

где Рсдв - сила, сдвигающая грунт с поверхности рабочего органа, Рув сила, увлекающая грунт во вращение.

Рассмотрим силы, действующие на элемент стружки, находящийся на поверхности резца конического ротора. На элемент стружки Рисунок 7 - Схема для определения силы действует сила тяжести грунта сопротивления отбрасыванию грунта с G m g, центробежная сила рабочего органа подкапывающей машины инерции Fw m 2 R, нормальная реакция поверхности резца T N и сила трения Tтр f T N.

Сила, сдвигающая элемент грунта с резца вниз, равна составляющей силы веса:

Сила, увлекающая грунт во вращение:

где 0 - угол резания.

Сдвиг грунта с поверхности рабочего органа конического типа произойдет в случае, когда т.е.:

Зная сопротивление перемещению подкапывающей машины, можно определить крутящий момент вращения ротора, мощность приводного вала, оптимальную схему расположения резцов на роторе машины, энергоемкость процесса разработки грунта.

В третьей главе приведено обоснование основных параметров рабочего органа подкапывающей машины. Разработана блок-схема обоснования основных параметров рабочего органа подкапывающей машины (рис. 8).

Рисунок 8 – Блок-схема алгоритма обоснования основных параметров Исходными данными являются: тип разрабатываемого грунта, его физико-механические свойства, глубина укладки и диаметр трубопровода, геометрические параметры подтрубного пространства, геометрические параметры резца ротора.

Определяем величину силы сопротивления подкапывающей машины с ротором цилиндрического типа Wц. Принимаем минимальное количество резцов для цилиндрического ротора n = 12, учитывая, что при этом значении сила сопротивления будет наименьшей.

Задаемся минимальным количеством резцов на поверхности конического ротора n = 16 и минимальным углом наклона образующей конуса = 760. Производим расчет составляющих суммарной силы сопротивления грунта разработки ротором конического типа W. Затем определяются и сравниваются величины мощности и удельной энергоемкости процесса разработки грунта рабочими органами цилиндрического и конического типа (Эц и Эк).

Если Эк < Эц, то условие выполняется.

Если Эк > Эц, то необходимо пошагово уменьшать значение угла образующей конуса до 720 до выполнения условия Эк < Эц.

Если при значении угла образующей конуса = 720 условие Эк < Эц не выполняется, то необходимо пошагово увеличивать количество резцов на поверхности конического ротора n до значения n = 24. Цикл повторяется при изменении значения угла = (76…72)0 до обеспечения выполнения условия Эк < Эц.

Исходя из условия, что в зоне непосредственной разработки грунта должен находиться хотя бы один резец, принята спиральная схема расстановки резцов (рис. 8). C учетом разработанной схемы расстановки резцов (рис. 3.6) для ротора конической формы (диаметр нижнего основания ротора – 1300 мм, диаметр верхнего основания ротора – 650 мм, высота ротора – 700 мм, угол наклона образующей конуса – 720) была построена схема расположения резцов спирали в зоне разработки грунта.

Исходя из зависимостей, конструктивных параметров режимов ее работы, была построена кривая силы сопротивления разработки грунта резцами подкапывающей машины. Кривая разработанной в программном продукте MATLAB программы расчета величины силы сопротивления разработки грунта рабочими органами подкапывающей машины (рис. 9).

Сила сопротивления, Н Анализ графиков показывает, что качественно картины изменения величины силы сопротивления T в зависимости от увеличения количества резцов – схожи. Также, при увеличении количества резцов на спирали, наблюдается плавность нагружения ротора. Однако, как показывают графики, увеличение количества резцов до значения n = нецелесообразно, вследствие того, что величина силы сопротивления T существенно не отличается при количественном увеличении резцов до n = 24. К тому же увеличение количества резцов при n > 28 невозможно в силу конструктивных особенностей ротора. При нахождении четырех резцов спирали в массиве грунта значение величины силы Т составит 1,76 кН.

Рассмотрим процесс выноса грунта из зоны его разработки.

Из выражений, полученных в главе, рассчитаны значений cилы, увлекающей грунт во вращение, Рув, и силы, сдвигающей грунт с ротора, Рсдв. в зависимости от угла поворота резца для различных радиусов установки резцов на роторе (рис. 10, 11).

Сила увлекающая, Н от угла поворота резца для различных радиусов установки резцов на конусном роторе при разработке грунта суглинистого типа II категории, влажностью 19 %:

от угла поворота резца для различных радиусов установки резцов на конусном роторе при разработке грунта суглинистого типа II категории, влажностью 19 %:

Анализ графиков (рис. 10, 11) показывает, что для рабочего органа подкапывающей машины с предлагаемыми параметрами для всех радиусов установки резцов на поверхности ротора выполняется условие сдвига грунта с поверхности рабочего органа.

Исследования показали, что величина силы, увлекающей грунт во вращение, для цилиндрического ротора – убывает. Ее величина значительно ниже, чем для ротора конической формы. Это приводит к тому, что грунт не удерживается на поверхности ротора цилиндрического типа, и происходит обрушение грунта. Величина сдвигающей грунт силы для ротора цилиндрической формы выше, чем для ротора конической формы. Это указывает на преждевременное обрушение грунта с поверхности цилиндрического ротора. Таким образом, для конического ротора выполняется условие удержания грунта на поверхности рабочего органа и вынос его в боковые приямки.

Рисунок 12 - Кривая силы сопротивления рабочим органам конической формы Анализ графика показывает, что наблюдается цикличность изменения величины силы сопротивления разработки грунта. При внедрении резцов в грунт происходит постепенное возрастание величины силы сопротивления разработки грунта. Своего максимума эта величина достигает при внедрении второго и третьего резцов ряда в массив грунта.

После чего происходит снижение величины силы сопротивления. Это объясняется максимальной разрыхленностью массива грунта.

Теоретическое максимальное значение величины силы разработки грунта ротором конической формы составляет 4050 Н. Теоретическое минимальное значение - 3050 Н.

В четвертой главе приведены результаты экспериментальных исследований процесса разработки грунта подкапывающей машины новой конструкции.

Для проведения сравнительных экспериментов по исследованию взаимодействия роторов цилиндрической и конической формы (рис. 13 а, б) с грунтом разработана лабораторная установка (рис. 14), которая монтируется на тензометрическую тележку. С одной стороны направляющая балка соединяется с гидроцилиндром подъема (опускания) балки, а на противоположной стороне находятся рабочий орган с резцами.

Рисунок 13 – Рабочие органы подкапывающей машины 1 –тензометрическая тележка; 2 – кронштейн гидроцилиндра верхний; 3 – кронштейн гидроцилиндра нижний; 4 – рабочий ротор; 5 – резцы; 6 – лебедка В ходе проведения эксперимента разработке подвергался суглинистый грунт II категории, влажностью 19 %., число ударов ударника ДорНИИ – 5.

Был изготовлен экспериментальный образец рабочего органа конической формы со следующими параметрами (рис. 13 б): угол образующей ротора = 720, высота ротора 700 мм, диаметр верхнего основания – 650 мм, диаметр нижнего основания – 1300 мм, длина резца ротора – 100 мм, ширина резца – 50 мм, количество резцов на поверхности – 16. Резцы расположены по спиральной схеме расстановки (спираль Архимеда).

Программой эксперимента предусмотрен следующий порядок выполнения работ:

1. проектирование и изготовление рабочего органа (конического ротора с закрепленными на нем резцами) подкапывающей машины;

2. разработка методики проведения лабораторных исследований;

3. подбор необходимого оборудования и приборов;

4. подготовка бокового приямка траншеи;

5. сборка и подготовка лабораторной установки;

6. тарировка тензозвена путем его пошагового нагружения;

7. разработка грунта экспериментальным рабочим органом;

8. запуск программы обработки сигналов на ПК, фиксирующих возникающие в процессе резания грунта нагрузок;

9. обработка полученных экспериментальных данных.

Экспериментальные исследования по оценке адекватности теоретически полученных рациональных параметров подкапывающей машины проходили в несколько этапов.

На первом этапе экспериментально было определено значение силы сопротивления, возникающей при разработке грунта ротором цилиндрической формы при традиционном и обратном вращении.

Перед началом первого этапа эксперимента тензозвено устанавливалось на тележку лабораторной установки. После чего рабочий орган цилиндрической формы помещался в траншею для разработки грунта. При разработке грунта данные о величине силы сопротивления фиксировались с датчиков, предварительно установленных на тележке, и передавались для обработки при помощи программ ПК.

При проведении лабораторных исследований были получены осциллограммы изменения величины силы сопротивления разработки грунта во времени. В результате обработки осциллограмм получены графики зависимости изменения величины силы сопротивления разработки грунта ротором цилиндрической формы при прямом и Рисунок 15 - График изменения величины суммарной силы сопротивления W разработки суглинистого грунта II категории, влажностью 19 %, ротором цилиндрической формы: 1 – прямое вращение, 2 – обратное вращение Как видно из полученных графиков, величина силы сопротивления при обратном вращении цилиндрического ротора несколько снижается.

Также наблюдается снижение величины разброса между максимальным и минимальным значениями величины силы сопротивления разработке грунта.

На следующем этапе эксперимента испытаниям подвергался опытный образец рабочего органа конической формы. Рабочий орган устанавливался непосредственно в траншею, предварительно подготовленную с учетом производственных условий разработки грунта под трубопроводом. После чего выполнялась разработка грунта. Были получены осциллограмма и графики изменения величины силы сопротивления разработки грунта во времени для ротора конической формы при обратном его вращении.

Сила сопротивления, Н Рисунок 16 - Графики изменения величины суммарной силы сопротивления W разработки суглинистого грунта II категории, влажностью 19 %, при обратном вращении ротора: 1 – ротор цилиндрической формы, 2 – ротор конической формы Сравнительный анализ результатов эксперимента (рис. 16, 17) указывает на цикличность протекания процесса разработки грунта резцами подкапывающей машины для роторов цилиндрической и конической формы.

Рисунок 17 – Графики изменения величины суммарной силы сопротивления W разработки суглинистого грунта II категории, влажностью 19 %, ротором конической формы: 1 – экспериментальная кривая, 2 – теоретическая кривая Величина максимальной силы сопротивления для ротора цилиндрической формы составляет 5800 Н, для ротора конической формы – 4200 Н, минимальное сопротивление 2500 Н и 2800 Н соответственно.

Величина силы сопротивления при использовании конического ротора по сравнению с цилиндрическим снижается на 15 - 18 %. При этом наблюдается более равномерная загрузка резцов ротора, что выражается в отсутствии резких экстремумов графика функции. Это обеспечивает более равномерное нагружение рабочего органа. Как видно из графика (рис. 17) имеет место параллельность теоретических и экспериментальных кривых.

Погрешность составляет 8 – 11 %.

Следовательно, разработанная математическая модель процесса взаимодействия рабочих органов подкапывающей машины адекватна реальным процессам разработки грунта. Предлагаемая методика обоснования рациональных параметров рабочего органа подкапывающей машины, учитывающая физико-механические свойства разрабатываемого грунта и параметры стружки, позволяет на стадии проектирования и создания машины принципиально новой конструкции определить ее основные параметры.

В пятой главе приводится описание практического использования результатов выполненных исследований.

Рисунок 18 - Методика обоснования основных параметров рабочих органов Разработанная методика обоснования основных параметров рабочих органов подкапывающей машины (рис. 18) включает следующие основные позиции.

составляющих силы сопротивления разработке грунта, а также величина силы сопротивления разработке грунта. На втором этапе определяются подкапывающей машины, которые позволят определить необходимое количество резцов, шаг и угол их расстановки, угол образующей конуса.

Третий этап – нахождение крутящего момента сопротивления разработке грунта, позволяющего подобрать необходимый двигатель и редуктор подкапывающей машины. Четвертый этап – нахождение мощностных параметров рабочего органа подкапывающей машины и ее удельной энергоемкости. Пятый этап – создание образца рабочего органа подкапывающей машины и проведение экспериментальных изысканий для подтверждения адекватности теоретических исследований Данная методика позволяет определить основные геометрические параметры рабочего органа и режимы работы машины.

По результатам проведенных теоретических и экспериментальных исследований создана конструкция подкапывающей машины, защищенная патентами Российской Федерации.

Сущность новой конструкции машины (рис. 19) заключается в следующем.

Рисунок 19 - Конструкция машины для удаления грунта из-под трубопровода приямок, образованный в подготовленной траншее. Затем рабочие органы посредством силовых гидроцилиндров устанавливаются в рабочее положение. Машина начинает разработку грунта. Конусная форма роторов способствует удержанию грунта в опорном клине под трубопроводом и более полному выносу отработанного грунта в боковые приямки траншеи. Обратное вращение роторов обеспечивает стабильное заглубление в грунт резцов, что создает дополнительную силу тяги машины. После завершения разработки грунта из-под магистрального трубопровода рабочие роторы приводятся (поворачиваются) посредством силовых гидроцилиндров в установочное положение и вся машина может быть перенесена на другой участок работы.

Удельная энергоемкость процесса разработки грунта при использовании машины с коническими рабочими органами по сравнению с цилиндрическими снижается на 7 – 9 %. Годовой доход эксплуатационного предприятия при использовании модернизированной машины с коническими роторами составит более 300000 рублей (в ценах 2011 г.).

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ:

1. Разработана математическая модель процесса взаимодействия рабочего органа подкапывающей машины c разрабатываемым грунтом. Получена зависимость для определения величины суммарной силы сопротивления разработки грунта рабочими органами подкапывающей машины с учетом конусной формы и изменения направления вращения ротора. Теоретически полученное максимальное значение величины силы разработки грунта ротором конической формы составляет 4050 Н;

минимальное значение – 3050 Н.

2. Разработана методика определения основных параметров рабочего органа подкапывающей машины, учитывающая физико-механические свойства разрабатываемого грунта и режимы работы машины.

3. Обоснованы конструктивные параметры рабочего органа подкапывающей машины. Изменение цилиндрической формы роторов подкапывающей машины на коническую позволяет сформировать и удержать клин грунта под трубопроводом, что обеспечивает минимизацию удельной энергоемкости процесса разработки грунта.

Спиральная схема расстановки резцов на поверхности ротора позволит обеспечить равномерность нагружения рабочих органов за счет непрерывности контакта резцов с массивом разрабатываемого грунта. Установлено, что изменение вращения роторов в направлении друг к другу позволит создать дополнительную силу отталкивания резцов от массива разрабатываемого грунта.

4. Разработан, изготовлен и прошел успешные испытания при разработке грунта суглинистого типа II категории, влажностью 19 %, рабочий орган подкапывающей машины повышенной эффективности, новизна которого подтверждена патентами на полезную модель. Для рабочего органа конического типа высотой 700 мм, нижним диаметром 1300 мм, верхним диаметром 650 мм, углом образующей конуса 720, повышение производительности обеспечивается за счет снижения удельной энергоемкости разработки грунта. Удельная энергоемкость снижается на 7-9 %, производительность по сравнению с рабочим органом цилиндрической формы увеличивается на 18-21 %.

5. Годовой доход эксплуатационного предприятия при использовании модернизированной подкапывающей машины с коническими рабочими органами составит более 300000 рублей (в ценах 2011 г.).

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Киселева Л.Н. Влияние параметров стружки подкапывающей машины на тяговый расчет [Текст] / Л.Н. Киселева // Межвузовский сборник трудов молодых ученых, аспирантов и студентов. Вып. №7. – - Омск: Изд-во СибАДИ, 2010 – 261 с. - С.

246-250.

2.Киселева Л.Н. Рациональное расположение резцов на поверхности ротора подкапывающей машины [Текст] / Л.Н. Киселева, Ю.А. Федотенко // Материалы V Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов, молодых ученых «Развитие дорожно-транспортного комплекса и строительной инфраструктуры на основе рационального природопользования». - Омск: Изд-во СибАДИ, 2010 – 331 с.

- С. 80-82.

3.Киселева Л.Н. Экспериментальные исследования процесса разработки грунта подкапывающей машиной [Текст] / Л.Н. Киселева // Омский научный вестник - Омск:

Изд-во ОмГТУ, 2010 №3 (93) – 270 с. – С 256 – 258.

4. Киселева Л.Н. Математическое описание процесса взаимодействия рабочих органов подкапывающей машины с разрабатываемым грунтом [Текст] / Л.Н.

Киселева, Ю.А. Федотенко // Омский научный вестник - Омск: Изд-во ОмГТУ, 2010 – 270 с. – С 267 – 270.

5. Киселева Л.Н. Основные принципы математического моделирования процесса взаимодействия рабочего органа подкапывающей машины с разрабатываемым грунтом [Текст] / Л.Н. Киселева, В.Н. Кузнецова // Вестник СибАДИВыпуск № 2) - Омск: Изд-во СибАДИ, 2011. – с 5- 9.

6. Киселева Л.Н. Определение сопротивления перемещению резцов подкапывающей машины при разработке грунта [Текст] / Л.Н. Киселева // Материалы VI Всероссийской научно- практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. Омск: СибАДИ, 2011.- 360 с. – С. 106 – 108.

7. Киселева Л.Н. Повышение эффективности работы подкапывающей машины путем совершенствования ее параметров [Текст] / Л.Н. Киселева, В.Н.

Кузнецова // Известия Орел ГТУ - Орел: Изд-во ОрелГТУ, 2011 №3 (93) – 270 с. – С – 258.

8. Машина для удаления грунта из-под магистрального трубопровода. Патент на полезную модель № 64312 (заявка № 2006146418) / Л.Н. Киселева, Ю.А.

Федотенко // Патент на полезную модель № 64312 от 27 июня 2007 (Бюл. изобр. № 18, 2007).

9. Машина для удаления грунта из-под магистрального трубопровода. Патент на полезную модель № 93126 (заявка № 2009137839) / Л.Н. Киселева, Ю.А.

Федотенко, Д.В. Лазутина // Патент на полезную модель № 93126 от 20 апреля (Бюл. изобр. №11, 2010).

_ Отпечатано в подразделении оперативной полиграфии УМУ ФГБОУ ВПО «СибАДИ»