авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 |   ...   | 4 | 5 || 7 | 8 |

«Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Сибирская ...»

-- [ Страница 6 ] --

Если пренебречь сопротивлением воздуха, то уравнение движения молота вверх можно записать в виде g t hu 0 t, (7.28) где 0 начальная скорость молота (скорость молота в начале каждого цикла);

t время;

g ускорение свободного падения;

hu высота подъема молота.

Время свободного падения молота определяется по формуле 2hd, (7.29) t g где hd величина пути при свободном падении молота.

Затраты времени при движении молота вверх, определяемые из условия d hu 0, (7.30) dt характеризуются формулой. (7.31) tu g Подставляя полученную формулу в выражение (7.28), получим высоту подъема молота. (7.32) hu 2g Время движения молота вниз при условии, что высота подъема и величина пути падения равны между собой, то есть hu hd, определим, подставив в формулу (7.29) выражение (7.32), как td 0. (7.33) g Тогда период цикла (время, затрачиваемое на подъем и падение молота) найдем по формуле T 0. (7.34) g Из формулы (7.34), с учетом того, что период цикла и частота ударов молота величины взаимно обратные, определим искомую зависимость в виде g 0, (7.35) где частота ударов молота по забивной свае.

Воспользуемся зависимостью между частотой ударов молота и коэффициентом степени уплотняемости грунта:

E b, (7.36) e 2b где E модуль упругости грунта;

валентный коэффициент динамической вязкости;

b коэффициент степени уплотняемости грунта;

e основание натурального логарифма.

Формула (7.35) с учетом формулы (7.36) приобретает вид g e b 2b 0. (7.37) 2 E В результате получаем зависимости частоты ударов и величины начальной скорости молота как функции от физико-механического состояния грунта, находящегося под основанием сваи, характеризуемого коэффициентом степени уплотняемости.

Графическая интерпретация зависимостей (7.36) и (7.37) представлена на рис. 7.5, из которого видно, что с уменьшением частоты ударов растет величина скорости молота в начале каждого цикла.

, с 1 0, м/с 1,2 1 0, 0,6 0, 0, 0 0,91 0,92 0,93 0,94 0,95 0,96 0,97 0, b Рис. 7.5. Зависимости от коэффициента степени уплотняемости грунта:

1 – частоты ударов молота;

2 – величины начальной скорости молота Установив зависимость между величинами подачи топлива и начальной скорости, можно автоматически (дистанционно) управлять процессом погружения забивной сваи, задавая нужный режим погружения.

Введем теперь в качестве показателя энергоэффективности процесса погружения забивных свай величину удельной энергоемкости в виде Э Э уд, (7.38) П где Э энергоемкость процесса (энергия, затраченная на погружение сваи на данную глубину);

П производительность (глубина погружения).

Исследование процесса погружения забивных свай при математической модели процесса позволило установить зависимости величины удельной энергоемкости от числа ударов молота при постоянной и переменной высоте подъема молота, когда изменение высоты подъема подчиняется алгоритму, задаваемому формулами (7.32), (7.35) – (7.37), для различной массы молота (рис. 7.6).

Расчет производился для свай марки С8-30 и двух пар дизельных молотов: штанговых С-268, С-330 и трубчатых С-996А, С-1047А.

Анализ зависимостей, представленных на рис. 7.6, показывает:

наименее энергоемкими являются режимы погружения забивных свай с переменной частотой ударов и соответственно переменной высотой подъема;

дальнейшее увеличение энергоемкости процесса погружения забивных свай по отношению к некоторой потребной её величине не приводит к повышению производительности процесса (число ударов), которая зависит от физико-механических свойства грунта.

3 Э у д 1 0, к Д ж с /м Э у д 1 0, к Д ж с /м 28 22 16 10 Nуд 0 Nуд 0 6 12 18 24 30 36 42 0 6 12 18 24 30 36 а) б) Рис. 7.6. Зависимости величины удельной энергоемкости процесса погружения забивных свай от числа ударов молота:

а – при массе молота m м 2,5 т б – при массе молота m м 1,8 т H 2,0 2,6 м, H 1,5 2,1 м, H 2,6 м (const), H 2,1 м (const), H 2,6 3,2 м H 2,4 3,0 м, H 3,0 м (const) H 3,2 м (const) ;

Проверка на предмет неразрушения сваи в зоне контакта с молотом осуществлялась по формуле k R пр N уд d п.п, (7.39) k m Rп.п где Rп.п статический предел прочности материала (кубиковая прочность);

k d коэффициент динамического упрочнения, показывающий, во сколько раз при однократном нагружении величина динамического предела прочности превосходит статический;

k m коэффициент, характеризующий стойкость материала по отношению к повторным динамическим нагружениям.

Напряжения определяются по формуле 6 m м hd, (7.40) 3 S mм L 1 F Eпр 2 Eb mc где m м вес ударной части молота;

S толщина прокладки в наголовнике;

mc масса сваи;

E пр, Eb модули упругости прокладки и сваи;

L, F длина и площадь поперечного сечения сваи.

По формуле (7.39) определяется предельное число ударов, превышение которого приводит к разрушению забивной сваи, то есть должно выполняться условие пр N уд N уд, (7.41) пр где N уд предельное число ударов молота.

пр N уд 350 250 3 hd, м 1,5 1,7 1,9 2,1 2,3 2,5 2,7 2,9 3, Рис. 7.7. Зависимости высоты падения ударной части молота от числа ударов:1 H 1,5 2,0 м, m м 1,8 т ;

2 H 2,4 3,0 м, m м 1,8 т ;

3 H 2,0 2,6 м, m м 2,5 т ;

4 H 2,6 3,2 м, m м 2,5 т На рис. 7.7 представлен анализ зависимостей предельного числа ударов молота от различных режимов погружения забивных свай для указанных выше марки свай и типа молота. Как видно из рис. 7.7, пр вплотную к предельным значениям N уд приближаются лишь значения числа ударов при реализации режима погружения свай, характеризуемого линией 4, остальные режимы погружения не приводят к разрушению свай.

7.4. Разработка алгоритма проектирования энергоэффективных режимов погружения забивных свай Отыскание энергоэффективных режимов погружения забивных свай, не только минимизирующих энергозатраты и повышающих производительность процесса погружения, но и в значительной мере устраняющих негативные свойства, присущие рассматриваемую способу погружения свай, является актуальной задачей.

Построение алгоритма.

Выберем в качестве целевой функции величину удельной энергоёмкости процесса погружения забивной сваи в грунт. Удельную энергоемкость процесса представим в виде Э, (7.42) Э уд П где Э уд удельная энергоемкость;

Э энергия, затрачиваемая на подъем молота массой m м на высоту h ;

П производительность процесса погружения.

Если реализуется условие (7.43) Э уд min (доставляется минимум целевой функции), то режим погружения забивной сваи считаем энергоэффективным.

Величину энергии Э определим как суммарную потенциальную энергию молота массой mмi, поднятого на высоту h i, n раз:

n Э mмi g h i, (7.44) i где g ускорение свободного падения.

Производительность П будем рассматривать как среднюю скорость погружения забивной сваи на заданную глубину П p, (7.45) где H p, (7.46) t здесь H заданная глубина погружения;

t время процесса погружения;

p средняя скорость процесса.

Подставляя выражения (7.44), (7.45) и (7.46) в формулу (7.42) и преобразуя, получим n Эi Э уд i 1, (7.47) Ht где Э i m м i g h i энергия, затрачиваемая на i -й подъем молота.

При постоянной массе молота m i m – const) формулу (7.47) можно записать в виде mg h t n, (7.48) Э уд H где 1n h hi. (7.49) n i Для удобства анализа формулы (7.48) введем следующую величину:

p (7.50) I эф hn и назовем I эф индексом эффективности погружения.

Формула (7.48) в этом случае примет вид mg. (7.51) Э уд I эф Очевидно, что при выполнении условия (7.43) индекс эффективности I эф стремится к максимуму, то есть I эф max. (7.52) Наложим ограничения на значения величин, входящих в формулы (7.42), (7.48), (7.51).

Для этого найдем оценки величины начальной скорости молота o, начинающего движение вверх. Начальная скорость молота является базовой величиной, задающей характер движения молота вверх и определяющей высоту подъема h i. Поэтому, чтобы оценить величину o, вначале найдем верхнюю оценку величины h i, то есть максимально возможную высоту подъема молота, при которой не произойдет разрушения сваи в зоне контакта с молотом. Для этого воспользуемся формулами, определяющими предельное число ударов молота, превышение которого приводит к разрушению забивной сваи, k d Rп.п пр, (7.53) N уд k m Rп.п где Rп.п статический предел прочности материала (кубиковая прочность);

коэффициент динамического упрочнения, kd показывающий, во сколько раз при однократном нагружении величина динамического предела прочности превосходит статический;

k m коэффициент, характеризующий стойкость материала по отношению к повторным динамическим нагружениям.

Напряжение определятся по формуле mh i g, (7.54) 3 S L m F E 2 E p mp пр где mp масса сваи;

m м масса ударной части молота;

S толщина прокладки в наголовнике;

Eпр и Ep модули упругости прокладки и сваи;

L и F соответственно длина и площадь поперечного сечения сваи.

Теперь решим обратную задачу: задаваясь величиной предельного напряжения, которое определяем исходя из свойств материала забивной сваи, находим верхнюю оценку величины h i. Выражая из формулы (7.53) величину напряжения и подставляя это выражение в формулу (7.54), получим ES L 1 m Rп.п. F, пр (7.55) hi k d N уд k m 2 E c mc 8mg пр где N уд определяется по формуле (7.53) или, обозначая как h пр пр выражение ES L 1 m Rп.п. F, (7.56) пр h пр k d N уд k m 2 E c mc 8mg пр получим h i h пр. (7.57) Учитывая то, что движение молота вверх – равнозамедленное, получим верхнюю оценку начальной скорости, согласно неравенству (7.57), в виде o 2 gh пр. (7.58) Нижняя граница значений величины o определится из условия реализации релаксации напряжений в грунте, возникающих после очередного удара. Для этого необходим интервал времени, которой опять же определяется величиной o. Нижнюю границу начальной скорости молота можно оценить, как g e b 2b o, (7.59) 2 E где E модуль упругости грунта;

валентный коэффициент динамической вязкости;

b коэффициент степени уплотняемости грунта;

e основание натурального логарифма.

Для определения величины начальной скорости молота должны выполняться два необходимых условия энергоэффективности процесса погружения забивной сваи в грунт:

- сохранение целостности сваи в зоне контакта с молотом;

- реализация процесса релаксации напряжений в грунте, возникающих после очередного удара молота.

Эти значения должны принадлежать следующему закрытому числовому интервалу:

g e b 2b o 2 gh пр. (7.60) 2 E Глава 8. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ИЗНАШИВАНИЯ РАБОЧИХ ОРГАНОВ МАШИН ПРИ РАЗРУШЕНИИ МЕРЗЛЫХ ГРУНТОВ Не требует значительных доказательств вопрос важности и сложности изучения явлений износа. Не претендуя на какие-то значительные отличия от общепринятых взглядов на явления и процессы, протекающие при износе активно взаимодействующего органа с грунтом, рассмотрим их с несколько других позиций. Рассмотрим эти процессы несколько дифференцированно, в зависимости от характера разрушения. Анализ исследований [56, 269] показывает, что в основном внимание было обращено на выявление зависимостей износостойкости от режима работы, формы инструмента, материала инструмента.

Не могли не обращать на себя внимания факты различного износа инструмента в различных средах, что фиксировалось многими исследователями [166, 169], но связать эти явления с различиями в характере поведения грунтов при разрушении попыток не делалось.

Однако, базируясь на явлениях, происходящих при разрушении мерзлого грунта [226, 268], можно сказать, что в зависимости от характера разрушения износ должен происходить с различной интенсивностью.

Задачей дальнейшего рассмотрения является исследование интенсивности износа для хрупкого характера разрушения, то есть попытка путем исследований контактных явлений на рабочем органе раскрыть природу его износа и дать рекомендации по его снижению.

8.1. Схема хрупкого разрушения мерзлого грунта Грунты, отнесенные к классу хрупко разрушаемых [159, 192], имеют одну особенность, обусловливающую характер контакта с режущим органом, а именно наличие цементирующих связей между отдельными частицами грунта. Цементирующие связи различны по величине и зависят от вещества, играющего роль цемента и внешних факторов. Так, например, для мерзлого грунта в качестве цементирующих связей выступает лед, имеющий различную силу смерзания с частицами грунта. В дальнейшем качественный и количественный анализ влияния хрупкости при резании на износ будет производиться только на основе рассмотрения мерзлых грунтов.

Для других грунтов, имеющих свои цементационные связи, нам представляется возможным использовать ту же самую методику.

Основной особенностью хрупкого характера разрушения является появление трещин перед рабочим органом. Трещины во льду начинают появляться при напряжениях в 2…3 раза меньших предела прочности грунта. Чем ниже температура мерзлого грунта и больше скорость приложения нагрузки, тем сильнее проявляются хрупкие свойства мерзлого грунта.

Следовательно, можно считать, что перед режущим рабочим органом систематически образуются опережающие трещины в процессе его движения. Поверхность такой трещины в таком материале, как мерзлый грунт, имеющий композиционную структуру, обладает естественной шероховатостью, которая зависит, в основном, от гранулометрического состава, текстуры мерзлого грунта и схемы образования трещины.

При определенном состоянии грунта (– t о, С, ) хрупко разрушаются связи между зернами, обнажая новые абразивные поверхности зерен, которые при этом сами не разрушаются (рис 8.1а) или разрушаются как связи между зернами, так и сами зерна с образованием режущих граней (рис. 8.1, б).

а) б) Рис. 8.1. Схема образования микротрещины перед рабочим органом в мерзлом грунте: а без разрушения минеральных частиц;

б с частичным разрушением частиц При этом происходит обнажение как новых абразивных зерен, так и образование новых абразивных граней. Разумеется, невозможно наблюдать какой-либо закономерности в расположении абразивных частиц и в частоте образования новых абразивных граней.

Поскольку количество вновь образующихся режущих зерен на единице площади трещины зависит от многих случайных факторов, то согласно теореме Ляпунова предположим, что количество абразивных частиц в грунте равномерно распределено по объему, тогда теоретически возможное число контактов для мелкозернистого песка на 1 см2 будет колебаться от 27500 до 2500;

для среднезернистого – от 2500 до 250;

крупнозернистого – от 250 до 25.

Далее свяжем возможность теоретического получения контактов для реального грунта с процентным содержанием в нем частиц реального размера. Так, для грунта, имеющего 10 % среднезернистых и 40 % крупнозернистых частиц число контактов будет лежать в пределах от 350 до 35 на 1 см2. Однако в действительности частицы в объеме распределены неравномерно. Будем оценивать эту неравномерность коэффициентом неравномерности n к 1, (8.1) n где n1 – фактическое число контактов;

n2 – теоретическое число контактов.

Поскольку коэффициент неравномерности зависит от многих случайных факторов, то согласно предельной теории Ляпунова его распределение должно быть близким к нормальному.

Как было показано выше, поверхность трещины состоит из частиц-зерен, находящихся на различном расстоянии от линии траектории режущего органа. Вследствие этого они по различному действуют на движущийся рабочий орган. Часть режущих кромок частиц, выходящих за траекторию движения (рис. 8.2, частицы 1), осуществляют абразивный износ (снятие микростружки).

Рис. 8.2. Характер контакта частиц (зерен) на поверхности трещины с рабочим органом Другие частицы, расположенные выше линии раздела, входя в контакт с рабочим органом, производят его пластическое оттеснение (рис. 8.2, частицы 2) или происходит трение частиц об рабочую поверхность с различной силой (частицы 3). Часть частиц (частицы 4) вступают в действие после износа или разрушения предыдущих частиц или при их оттеснении вглубь грунта. Характер воздействия абразивных частиц на металл рабочего органа зависит от геометрии частиц и глубины их внедрения в поверхность режущего органа. При этом имеет значение и показатель поверхности рабочего органа, который определяется качеством поверхностных слоев – совокупностью геометрических свойств поверхности, механических и физико-химических свойств поверхностных слоев.

Геометрические свойства поверхности оцениваются микротопографическим показателем – комплексным критерием R max, (8.2) rb где Rmax – максимальные выступы поверхностных неровностей;

r – шаг неровностей;

b – коэффициент пропорциональности;

– степенной показатель.

8.2. Параметры абразивной поверхности грунта Наиболее полную зависимость параметров абразивной поверхности мерзлого грунта получим при рассмотрении функции Z F ( x, y ), которая связывает с каждой точкой (х, у) базовой плоскости высоту Z неравномерностей. Однако хаотическое расположение частиц не позволяет точно решить поставленную задачу, и на практике используют методы приближенных и статистических вычислений.

Для оценки исходной поверхности мерзлого песчаного грунта проводим опыты по снятию отпечатков образцов;

их получали, поджимая плоский образец к пакету, составленному из тонких листов фольги, который закрепляли на жестком основании (рис. 8.3).

Рис.8.3. Исследование рельефа поверхности мерзлого грунта методом «пакета»

Если рассматривать каждый слой пакета как определенное сечение на определенной глубине от наиболее выступающих частиц, то на основании анализа отпечатков отдельных слоев пакета можно оценить параметры и рельефы поверхности грунта.

Результаты измерения обрабатывали по известному методу, согласно которому количество частиц на 1 см2 поверхности, увеличенной под микроскопом фотографии слоя пакета, определяли по формуле x n, (8.3) F где х – количество отпечатков на данной площади;

F – площадь.

Вместе с тем зернистая поверхность может иметь максимальное количество частиц, расположенных на единице поверхности, которое выражается зависимостью 10 n0 K 2, (8.4) d где K = (1…0,5) – коэффициент, характеризующий плотность расположения частиц;

d – размер частицы, мм.

Количество частиц n(х), контактирующих с поверхностью рабочего органа при резании, величина переменная, которая зависит от размера частиц, разной высоты их залегания и округляется аналитически.

Эта зависимость выражается показательной функцией n ( x ) n 0 е сh, (8.5) где с – коэффициент, характеризующий глубину залегания частиц в зависимости от их размера;

h – разность высот частиц.

Применяя метод наименьших квадратов, находим коэффициент с:

10 9 d c. (8.6) 10 Количество частиц, измеренное при обработке отпечатков, зависит от размера самих частиц и глубины их залегания (рис. 8.4).

Обозначим коэффициенты K e ch K (x), (8.7) то есть придадим ему значение коэффициента, определяющего фактическое распределение контактов от расчетного.

Рис. 8.4. Зависимость количества частиц от глубины залегания и размера частиц Для аналитического расчета данного коэффициента невозможно получить полного набора достоверных данных. В первом приближении коэффициент К(х) может быть выражен зависимостью с функциональным показателем, характеризующим мерзлый грунт:

h( x ) K ( x) (8.8) n На рисунке 8.5. представлена экспериментальная зависимость расстояния между частицами грунта от глубины их залегания и размера частиц.

Рис. 8.5. Зависимость расстояния между частицами от глубины залегания и размера частиц Из всех видов изнашивания (механическое, молекулярно механическое, коррозионно-механическое, адгезионное) при взаимодействии рабочего органа с мерзлым грунтом наиболее существенным является механическое изнашивание, а именно абразивное. Абразивное изнашивание – это наиболее интенсивное разрушение поверхностного слоя, обусловленное усталостным выкрашиванием, срезанием или смятием микро- и макрообъемов металла. Это разрушение производят отдельные частицы грунта (кварцевые) под действием внешних сил. При их многократном воздействии на режущую поверхность образуются риски и царапины, разрушающие поверхность тела рабочего органа.

Разрушение поверхности происходит также при многократном пластическом деформировании твердыми частицами грунта одних и тех же микро- и макрообъемов металла с их последующим хрупким разрушением.

Нельзя не отметить, сопутствующее изнашиванию рабочего органа, коррозионно-механическое изнашивание – когда твердая поверхность интенсивно коррозирует с последующим удалением данного слоя при меньших внешних нагрузках.

При абразивном износе основным фактором является микрорезание поверхности рабочего органа частицами (кварцевыми) мерзлого грунта, работающими как абразивный шлифовальный элемент.

Анализ стружки, полученной при этой операции, рассмотрение продольных сечений стружки в микроскоп свидетельствует о том, что при абразивном воздействии образуется элементная стружка (при малопластичных материалах).

К специфическим особенностям воздействия частицы (зерна) на металл в первую очередь относятся большие передние отрицательные углы абразивных частиц, чрезвычайно малые (микромалые) толщины среза, и небольшие скорости среза, что является особенностью работы рабочего органа в грунте.

В общем случае деформацию срезаемого слоя можно разбить на две стадии.

На первой стадии срезаемый слой испытывает деформацию в зоне стружкообразования, где деформируется весь срезаемый слой (рис. 8.6).

М Рис. 8.6. Схема стружкообразования при абразивном износе:

1 – металл рабочего органа;

2 – кварцевая частица;

Sz – подача;

az – максимальная толщина среза;

– угол сдвига;

– передний угол Пластическая зона в срезаемом слое ОS z ограничивается линией сдвига OL, вдоль которой происходят первые пластические деформации, линией сдвига ОМ, вдоль которой происходят последние сдвигаемые деформации и линией LМ, которая представляет деформированный участок наружной поверхности среза. Внутри пластической зоны ОS z, представляющей особую зону стружкообразования, последовательно осуществляются нарастающие деформации срезаемого слоя, причем величина деформации, скорость деформации от точки к точке изменяются.

На второй стадии местную деформацию испытывают контактные слои стружки. Эта дополнительная пластическая деформация происходит в том случае, когда на контактных поверхностях удельные силы внешнего трения превосходят силы внутреннего трения поверхности рабочего органа, то есть когда на определенном участке удовлетворяется неравенство p к, где p – касательное напряжение на контактной поверхности;

к – сдвигающее напряжение в контактных слоях металла рабочего органа.

Было установлено [166], что переход от трения к пластическому оттеснению и резанию определяется отношением а a, (8.9) d /2 r где а – глубина внедрения частицы в поверхность рабочего органа, r – радиус закругления частицы грунта.

Таким образом, в зависимости от местоположения режущих кромок частиц относительно поверхности рабочего органа, имеют место три вида воздействия абразивной частицы: микрорезание, пластическое оттеснение, трение. Причем, каждая абразивная частица в процессе воздействия (по времени) может сначала производить только трение, затем пластическое оттеснение и, наконец, осуществлять резание. Такое чередование работы, совершаемое абразивной частицей, связано с Однако абразивное изнашивание может происходить и без микрорезания, а за счет вдавливания частицы путем ее качения по поверхности металла.

Рассмотрим факторы, влияющие на качение кварцевой частицы по металлу (рис. 8.7).

Для решения этой задачи необходимо составить уравнение движения.

Рис. 8.7. Схема качения частицы Силы сопротивления: смятие металла по линии АО – Рсм на величину а;

трение на поверхности – Т.

Рсм f ( P ( x )). (8.10) Площадь смятия 2a Fсм f ( ). (8.11) r Тогда условия качения 2r T f ( P ( x )), (8.12) а условие скольжения 2r r (8.13) T... f ( P ( x)).

3 Как вследствие качения, так и вследствие скольжения на поверхности металла образуются микроборозды без снятия микростружки.

8.3. Величина и характер износа Переход от микрорезания к пластическому оттеснению и a снятию микростружки определяется отношением [166].

r Глубина внедрения а зависит от твердости поверхности рабочего органа и прочности на сжатие минеральной частицы, размера частицы и контактного давления между частицей и рабочим органом.

Общая площадь контакта состоит из пластически деформированных областей fр и упругодеформированных областей fе.

В виду того, что упругодеформированные области не участвуют в износе, то площадь пластически деформированных областей fр в условиях точечного контакта может быть выражена степенной функцией в виде f p AN, (8.14) где А – модуль упругости;

N – нормальная сила на контактной поверхности;

1.

Показатель степени зависит от упрочения и разупрочнения в контактных слоях, то есть прочности контактных слоев. Однако значение его неизвестно, так как до сегодняшнего дня нет достоверных методов определения микропрочности контактных слоев режущего инструментального материала.

Исходя из этого, в первом приближении, согласно закону Кулона, будем считать f p пропорциональной нормальной силе, то есть примем 1.

Выразим нормальную контактную силу, действующую на одну частицу, формулой P( x)2rА N, (8.15) kX где Р(х) – контактные давления на рабочий орган в зоне резания;

r – радиус минеральной частицы;

Х – процентное содержание данных частиц в грунте;

k – коэффициент неравномерности.

Тогда возможное пластическое внедрение данных частиц выразится зависимостью AP ( x) r fp. (8.16) 2 kXN Соответственно глубина внедрения а будет равна NА а. (8.17) P ( x ) 2rkX Постоянная величина А определяется из условия максимального погружения частицы до ее разрушения по формуле f max A p, (8.18) Pкр где Ркр – предельное значение силы Р(х), при котором наступает разрушение частицы.

Постоянная величина А зависит от микротвердости как материала рабочего органа, так и самой частицы. Даже незначительное изменение микротвердости режущей поверхности оказывает существенное влияние на износ.

По физическому характеру процесса взаимодействия частицы с поверхностью рабочего органа величина А обратно пропорциональна твердости этой поверхности НВ.

Следовательно, для любого контактного случая можно построить эпюру глубины пластического внедрения частиц грунта в зависимости от среднего удельного сопротивления резанию и характера распределения контактного давления на режущей части рабочего органа.

Непосредственно на режущей кромке рост глубины внедрения стремится к бесконечности, однако глубина внедрения здесь тоже конечна и определяется прочностными характеристиками минеральных частиц и связями между ними. Значительное влияние на глубину внедрения оказывает количество контактов, приходящихся на единицу площади. С увеличением числа контактов снижается глубина погружения каждой минеральной частицы, то есть глубина абразивного износа.

Наблюдения за процессом износа любого режущего органа показывает, что при наличии в грунте хрупких минеральных частиц и в небольшом количестве на поверхности износа всегда имеются глубокие царапины, и наоборот, при мелкозернистом грунте поверхность имеет гладкий, до некоторой степени отполированный вид.

Как говорилось ранее, глубина погружения минеральной частицы зависит от большого количества факторов. Оценку возможности предельного значения погружения можно произвести, если представить, как и ранее, что частица имеет правильную форму (шаровидную, распределение частиц заданного диаметра на поверхности рабочего органа нормальное).

Оценку необходимо произвести по двум предельным состояниям: из условия прочности частицы на контакте и из условия прочности частицы на сжатие.

Из условия по контактной твердости материала наконечника a 2 P ( x) A. (8.19) kХ r Так как А – это величина обратно пропорциональная напряжению на контакте частицы с рабочим органом, то a максимальная величина отношения получится тогда, когда d P ( x ) будет равно микронапряжение а это возможно при, А условии, что a kХ 1.

2r a Предельное значение отношения запишется выражением r a. (8.20) r kХ Из условия прочности частицы на сжатие приведен расчет по упрощенной схеме без учета некоторого влияния всестороннего сжатия частицы (ввиду его незначительности), а также взяты идеальные условия погружения частицы (по оси симметрии) N сж, (8.21) F где F – сечение частицы по оси симметрии;

сж – предел прочности частицы на сжатие.

2 Р( x) сж, (8.22) kХr Подставляя значение Р(х), получим предельное значение a отношения из условия прочности частицы на сжатие r а A сж. (8.23) 2r Если произвести замену величины а A сж.

, то А (8.24) r 2 Р ( х) к а Это значит, что второе предельное значение отношения d зависит от отношения двух прочностных показателей частицы.

При определенном давлении Р(х) возможно слияние двух а предельных значений отношения, то есть обязательное разрушение r частицы:

kХ сж P ( x ) max. (8.25) 4 к Анализ первого и второго предельных состояний указывает на следующее протекание процесса внедрения частиц. С ростом давления происходит внедрение частицы. При достижении первого предельного состояния начинаются контактные разрушения частицы без нарушения общей цельности. При этом процесс внедрения замедляется, так как часть работы давления расходуется на контактные разрушения. При достижении второго предельного состояния частицы разрушаются полностью и процесс внедрения прекращается.

На данную картину явлений указывают наблюдения многих исследователей, занимающихся резанием и износом режущих органов. В зоне, близко примыкающей к режущей кромке, разрушенных частиц всегда больше, чем в зоне, значительно далее отстоящей от режущей кромки. Следовательно, износ в зоне с большим контактным давлением значительно больше, так как частицы снимают в этом месте максимально возможный слой металла.

Основываясь на вышеприведенных предположениях и полученных зависимостях, можно подойти к аналитическому определению суммарного массового и линейного износа наконечника рыхлителя. Массовый суммарный износ дает общую картину износа по всем плоскостям и площадкам наконечника и может служить критерием выбраковки рабочего органа.

Линейный износ показывает характер и интенсивность износа по отдельным плоскостям рабочего органа, и тем самым решает задачу снижения износа в местах его большей интенсивности при известном пути или времени работы рабочего органа.

Рассмотрим процесс износа микрорезанием при контакте частиц мерзлого грунта с рабочим органом. Каждое зерно снимает микроскопическую стружку металла, имеющую в поперечном сечении размеры сегмента с шириной с, радиусом r и высотой а.

Требуемое количество частиц грунта для снятия слоя металла толщиной а с площадки единичной ширины (в = 0.01 м) будет 3r n треб, (8.26) сkX где с ширина сегмента, м;

Х – процентное содержание данных частиц в грунте;

k – коэффициент неравномерности распределения частиц в грунте.

Длина пути движения рабочего органа l (м), на котором износ будет равен величине а, определяется из условия, что через единичную площадку пройдет nтреб частиц с интенсивностью их распределения kX и выразится формулой:

3rvt l, (8.27) ckX где v – скорость перемещения частиц, находящихся в контакте, м/с;

t – время контакта, с.

Тогда суммарный износ за время t будет t v a a kХ. (8.28) 3 2r 2r Используя выведенные предельные зависимости отношения линейных параметров нагружения частицы к ее размеру от ее прочностных характеристик, возможно подвергнуть исследованию характер изменения износа от прочностных характеристик, то есть перейти от чисто размерного анализа к анализу физическому.

1, vt kХ сж. (8.29) 3 к Данная зависимость показывает, что суммарный износ прямо пропорционален времени и скорости движения рабочего органа в грунте, количеству частиц (гранулометрическому составу мерзлого грунта), диаметру частицы и ее прочностных показателей. Износ резко возрастает при увеличении прочности минеральных частиц грунта и в то же время значительно может быть снижен повышением микротвердости режущего органа.

8.4. Экспериментальное определение характера взаимодействия кварцевых частиц с материалом рабочего органа Для подтверждения адекватности теоретических исследований по определению характера взаимодействия кварцевых частиц с рабочим органом необходимо провести эксперимент. Достаточно большое распространение при испытаниях на износостойкость при абразивном виде изнашивания получили лабораторные испытания на абразивных кругах.

В нашем случае применение абразивного круга недостаточно корректно, так как используемые в абразивных кругах корундовые и карборундовые зерна имеют совершенно отличную от песчаных частиц морфологию. В частности, величина радиуса выступов корундовых и карборундовых частиц значительно отличается от песчаных. Твердость корунда выше, чем твердость песчаных частиц. Гранулометрический состав корундовых и карборундовых частиц в кругах недостаточно жестко регламентирован и не может точно соответствовать гранулометрическому составу песчаных частиц грунта. Поэтому для испытаний на износ необходимо создание пары трения испытуемый материал — мерзлый грунт (или модель мерзлого грунта).

Выбор типа грунта. Разработка модели мёрзлого грунта Базируясь на теоретических исследованиях [166, 232], можно отметить, что наибольшая интенсивность износа соответствует песчаным и супесчаным мёрзлым грунтам с гранулометрическим составом по песку до 1,5 мм. Поэтому для оценки износостойкости выбираем мёрзлый песчаный грунт песок с гранулометрическим составом 0,5;

1,0;

1,5;

мм.

Проведение исследований с мёрзлым грунтом в лабораторных условиях встречает значительные затруднения, связанные с необходимостью поддержания низких температур в рабочей зоне. В то же время многие авторы [17] указывают на возможность моделирования свойств грунта с помощью других материалов.

Моделируемый мёрзлый грунт для лабораторных исследований должен удовлетворять требованиям прочности и соответствовать натурному грунту по абразивным свойствам.

Для моделирования мёрзлого грунта используем цементобетонный круг, выполненный следующим образом.

Песок просеивался на фракции 0,25-0,5 мм;

0,5-1,0 мм;

1,0-1, мм. Из каждой фракции песка и цемента марки изготавливались круги диаметром 250 мм, армируемые металлической сеткой. Соотношение цемента и песка 1:3.

При изготовлении круга его песчаная структура на поверхности круга обнажалась следующим образом: дно формы для изготовления круга смазывалось эмульсией, содержащей замедлитель твердения раствора. После суточной выдержки смеси в форме круг извлекался. Поверхность, на которой находится замедлитель твердения, обрабатывалась волосяной щеткой и водой.

При этом не схватившееся цементное молочко поверхностного слоя смывалось, обнажая песчаную структуру круга. Далее круг пропаривался до окончательного твердения.

Описание лабораторной установки Для лабораторной установки оценки износостойкости базовой машиной была выбрана машина трения ИИ 5018.

Испытания на износ здесь производятся с помощью нагружающего устройства, которое прижимает испытуемый материал 2 к абразивному материалу 1 (к модели мерзлого песчаного грунта). Частота вращения вала данной установки варьируется в пределах 50-750 мин-1. (рис. 8.8, 8.9).

Порядок проведения и результаты испытаний Для испытаний были изготовлены образцы цилиндрической формы диаметром 8 мм и высотой 15 мм из стали наконечника фирмы «Komatsu» и высокоуглеродистой стали У7.

Рис. 8.8. Схема установки Рис. 8.9. Машина трения ИИ 1 – абразивный круг (кварцевый песок);

2 – образец испытуемого материала Образец взвешивался на аналитических весах, затем устанавливался в стакан и прижимался с различным регламентированным давлением к моделям мёрзлых песчаных грунтов.

Давление изменялось через 2 МПа от 1 до 11 МПа. Машина запускалась на частоте 100 мин-1.

Образец устанавливался на круг на расстоянии 10 см от центра вращения (рис. 8.9). После испытаний в течение 60 секунд образец материала промывался в бензине и взвешивался.

Зная массовый износ, плотность материала, длину контакта образца материала с абразивной частицей, а также содержание данных частиц в образце грунта, можно подойти к определению характера износа: микрорезание, упругая или пластическая деформация.

На основании проведенного эксперимента были получены следующие зависимости, показанные на рис. 8.10.

В первом приближении:

а при 0,05 происходит микрорезание, r а при 0,01 0,05 – пластическое оттеснение, r а 0,01 – упругое оттеснение металла, то есть трение при r абразивной частицы о поверхность рабочего органа без снятия стружки.

б) а) Рис. 8.10. Зависимость относительного внедрения от диаметра частицы:

а для сталиУ7;

б для стали «Komatsu»;

1 – теоретическая;

2 – экспериментальная (кварцевый песок);

I – зона микрорезания;

II –зона пластического оттеснения;

III – зона упругого оттеснения 8.5. Экспериментальное определение зон наконечника зуба рыхлителя, подвергаемых максимальному изнашиванию 8.5.1. Параметры и методика экспериментальных исследований При работе мощных навесных рыхлителей в зависимости от состава и физико-механических характеристик разрабатываемого мерзлого грунта, а также от параметров рыхлителя и режимов рыхления наблюдается существенный износ наиболее чувствительного к износу элемента рабочего органа наконечника зуба рыхлителя. Предельный износ наконечника, требующий его замены или ремонта, происходит за 45–50 часов наработки машины. Исследование износа наконечника проводилось на рыхлителе «Komatsu D-355 A-3» в виду их широкого распространения на территории Западной Сибири на мерзлых грунтах со следующими параметрами (табл. 8.1).

Постоянными параметрами процесса были:

– ширина стойки рыхлителя, м, в = 0,115;

вm (1 m ) – глубина рыхления, м, h оп, ср где m – показатель хрупкого разрушения мерзлого грунта, m ;

р Vср – скорость рыхления, Vср = 0,25 м/с.

Таблица 8. Параметры мерзлых грунтов Размер частиц, мм Температура t, Влажность W, Пока затель пылеватых глинистых песчаных % С Вид мерзлого ср о m грунта р 2,5… Песок 0,06–0,22 0,02 0,02 5–15 –16…– мелкозернистый 3…3, Песок 0,6–2,0 0,02 0,02 5–15 –16…– крупнозернистый 2…2, Супесь 50–80 0–50 0–10 15–20 –16…– Измеряемыми параметрами были:

– общий массовый износ наконечника, который измерялся после каждых 10 часов работы рыхлителя до его выбраковки.

Массовый износ наконечника определялся как разница массы нового наконечника Gн = 12,250 кг и массы изношенного наконечника Gизн после каждого 10-часового периода. Тщательная промывка и точность весов давали не более 3 % погрешности измерения.

Линейный износ замерялся как передней, так и задней поверхности наконечника и боковых торцевых поверхностей через каждые 50 мм по оси наконечника от центра отверстия его крепления к стойке. Линейный износ получался из разницы размеров нового и изношенного наконечников после каждой 10-часовой работы рыхлителя. Сопротивление рыхлению определялось в звене между стойкой рыхлителя и рамой – упругой вставкой с пружинным динамометром.

Удельная энергоемкость определялась на начало и конец каждого промежутка времени (10 часов). Для получения достоверных данных (так как наконечники, возможно, отличаются по составу металла) проводилось последовательное повторение опытов для трех стандартных наконечников. Предварительно определялась твердость передней и задней поверхности наконечника НВ прибором «Элит-2Д», измеряющим твердость по скорости отскока бойка от измеряемой поверхности. На рис. 8.11 приведен общий вид прибора.

Рис. 8.11. Твердомер «Элит-2Д»

8.5.2. Массовый износ наконечника рыхлителя Измерение общего массового износа при проведении эксперимента дает общую картину износа в зависимости от времени работы рыхлителя без анализа отдельных ее составляющих по граням (поверхностям) наконечника. При испытании трех наконечников выбраковка для 1-го и 2-го наступила при 48 часах наработки, а для 3-го наконечника – при 45 часах работы. Выбраковка происходила при общей потере веса наконечника в размере 27…28 % от нового и при возрастании усилия рыхления в 1,1…1,3 раза.

На рис. 8.13 представлены размеры нового и выбракованного наконечников, а на рис. 8.12 общий вид нового и изношенного наконечников при наработке 48 часов.

Массовый износ наконечника рыхлителя представлен на графике (рис. 8.14). Анализ данных графиков дает возможность сделать вывод, что имеются несколько периодов абразивного износа, а что износ носит, в основном, абразивный характер свидетельствует рабочая поверхность (передняя), задняя поверхность и боковые поверхности наконечников в процессе износа.

а) б) Рис.8.12. Общий вид нового (а) и изношенного (б) наконечников б) а) Рис. 8.13. Размеры нового (а) и изношенного (б) наконечников Рис. 8.14. Массовый износ наконечника рыхлителя Д-355:

1, 2 – наконечники с НВ = 444 (выбраковка – 48 час);

3 – наконечник с НВ = 415 (выбраковка – 45 час) (грунт – песок мелкозернистый, t = 16… 20 оС, – 5…15%, m = 2,5…3,5) Даже при незначительном увеличении (в 10 раз) поверхности имеют продольные, хорошо выраженные мелкие царапины длиной от 1,5 до 2,5 см.

Первый период износа (0…10 час) носит интенсивный характер, что свидетельствует о приработке поверхностей наконечника, снятие микронеровностей и шероховатости, а также имеющегося частично коррозионного слоя.

Второй период (10…30 час) – это рабочий процесс, износ с меньшей интенсивностью, так как частично поверхность выглажена и произошел незначительный наклеп (НВ данной поверхности равен 440–450).

Третий период (30…50 час) характеризуется резко интенсивным износом, так как поверхностные слои металла наконечника сняты и идет интенсивный износ «сырого» металла, не подвергавшегося термической и другим видам упрочнения. При исследовании массового износа одновременно снимались показатели изменения тягового усилия трактора, работающего на тех же режимах, что и при новом наконечнике.

Из приведенного графика становится ясно влияние износа, то есть изменение угла рыхления и величины контактных площадок на сопротивление рыхлению. Тенденции изменения Роб и массового износа близки по интенсивности и характеру. Исследования показали, что очень важно иметь меньшую интенсивность износа на первой стадии (приработке), это зависит от качества поверхности нового наконечника.

8.5.3. Линейный износ по рабочим плоскостям наконечника Линейный износ по передней поверхности наконечника для исследуемых мерзлых грунтов представлен на рисунке 8.15.

Рис. 8.15. Характер изменения линейного износа по передней поверхности наконечника Рис. 8.16. Зависимость линейного износа передней поверхности наконечника от времени его работы: 1, 2 – экспериментальный и теоретический износ при наработке 48 час;

3, 4 – экспериментальный и теоретический износ при наработке 40 час;

5, 6 – экспериментальный и теоретический износ при наработке 20 час;

7, 8 – экспериментальный и теоретический износ при наработке 10 часов (грунт – песок мелкозернистый, t = 16… 20 оС, – 5…15%, m = 2,5…3,5) Из данной зависимости можно сделать вывод, что интенсивность износа по передней поверхности максимальна в пределах примерно 100 мм от носка наконечника, по остальной поверхности она равномерна. Следовательно, максимальные меры против износа необходимо производить в пределах до 100 мм от режущей кромки.

Линейный износ в зависимости от времени работы наконечника представлен на рис. 8.16.

Сопоставление теоретических и экспериментальных графиков показывает на идентичный характер процесса линейного износа для мерзлого мелкозернистого песчаного грунта. Основной особенностью результатов износа является существенный начальный (0…10 час) и конечный (40…50 час) режим работы рыхлителя, что приводит к рекомендации улучшения поверхности наконечника и дополнительным мерам по снижению износа в конечной стадии.

Следовательно, необходимо разработать рекомендации по постепенному изменению износа по времени эксплуатации, то есть поверхность должна иметь разнопрочный слоистый материал с различной твердостью и износостойкостью.

8.5.4. Линейный износ наконечника по задней поверхности и боковым граням Износ наконечника по задней поверхности специфичен. Он характеризуется не износом по всей поверхности, как у передней, а концентрированно, на площадке, примыкающей к конечной части наконечника и параллельной плоскости движения, что подтверждает аналитическую схему износа по задней поверхности.

На рис. 8.17 представлена конфигурация изношенного наконечника и его графическое изображение по задней поверхности (рис. 8.17, а), а также график износа для данного мерзлого грунта (рис. 8.17, б).

a) Линейный износ, мм 0 50 100 150 200 250 300 Длина, мм б) Рис. 8.17. Износ по задней поверхности наконечника рыхлителя за 50 часов работы: а конфигурация изношенного наконечника, б график линейного износа по задней поверхности (песок мелкозернистый, t = 16… 20о С, = 5…15%, m = 2,5…3,5) Анализируя экспериментальные и теоретические графики износа наконечника по задней поверхности, можем сделать вывод о преимущественном износе его от режущей кромки на расстоянии до 100 мм, то есть только 27,8 % длины наконечника. Этот участок и требует особого подхода к увеличению износоустойчивости, то есть решения вопроса об его усилении, разработки методики усиления на этом участке как верхней грани, так и нижней грани наконечника.

Износ наконечника происходит достаточно интенсивно и по боковым граням. На рис. 8.18 показан линейный износ наконечника по боковым граням на период 48 часов наработки.

Вследствие износа наконечника на нем образуются площадки износа, которые хорошо наблюдаются на режущей кромке. По данным измерений изношенного наконечника за период 48 часов вычислены размеры данных площадок износа.

a) Линейный износ, мм 0 50 100 150 200 250 300 Длина, мм б) Рис. 8.18. Линейный износ по боковым граням наконечника (48 часов работы) (песок мелкозернистый, t = 16… 20о С, = 5…15%, m = 2,5…3,5) Площадки износа по верхней и нижней граням наконечника представлены на рис. 8.19.

Образующиеся площадки износа являются основным фактором увеличения сопротивления рыхлению, увеличения требуемого тягового усилия тракторов, увеличения энергоемкости процесса рыхления.

Рис. 8.19. Режущая кромка при износе и площадки износа типового наконечника (t = 48 час) При износе наконечника, как отмечалось ранее, растут контактные давления на поверхности рабочего органа, а следовательно, и требуемое усилие для разрушения и энергоемкость процесса при неизменных режимах работы и параметрах рыхления (h = сonst, V = соnst).

Таблица 8. Ресурс наконечника при рыхлении грунтов при температуре (16…20)°С Содержание частиц, % Ресурс Грунт наконеч 0,05…0,1 0,1…0,25 0,25…0,5 0,5…1,0, % ника, ч мм мм мм мм Глина 5,7 3 - - 43…49 50… Суглинок 30,9 10,3 2,9 2,2 21…26 48… Супесь 14,8 33,9 26,4 2,6 11…12 47… Песок 0,6 16,2 62,1 19,2 5…15 45… С износом наконечника изменяются углы и другие параметры взаимодействия рабочего органа с грунтом, влияющие на контактные нагрузки, а следовательно, на усилие разрушения. При определении усилия рыхления с учетом износа рабочего органа необходимо знать образующие площади изношенных элементов наконечника.

Анализируя рис. 8.15, 8.17, 8.18, 8.19, можно сделать заключение о существенном росте торцевых площадок, работающих на сжатие грунта, в отличие от заостренных, работающих на расклинивание грунта при хрупком разрушении.

При рыхлении, в отличие от резания, происходит более сложный процесс. Объемное напряженное состояние при воздействии рабочего органа рыхлителя по-другому влияет на процесс изменения формы рабочего органа и усилия разрушения. Объективным показателем для рыхлителя может быть не только сопротивление рыхлению, а в большей степени энергоемкость.

8.6. Исследование влияния износа на составляющие усилия рыхления Общее сопротивление мерзлого грунта рыхлению обычно разлагают на две составляющие – горизонтальную Рг и вертикальную Рв. Для нового наконечника (рис. 8.20) составляющие общего сопротивления рыхлению определяются следующим образом (для рыхлителя «Komatsu D-355A») (8.30) Рг Роб sin 48 0,743Роб ;

Рв Роб cos 48 0,67 Роб. (8.31) Отношение Рг tg 48 1,11. (8.32) Рв Рис. 8.20. Определение составляющего сопротивления рыхлению для нового наконечника (на примере рыхлителя «Komatsu Д-355») Для полностью изношенного наконечника зуба рыхлителя составляющие сопротивления рыхлению определяются в соответствии со схемой (рис. 8.21) Рв Роб cos 49 0,66Роб ;

(8.33) Рг Роб sin 49 0,75 Роб. (8.34) Рв Роб cos 60 0,5Роб ;

(8.35) Рг Роб sin 60 0,87 Роб.

(8.36) Рис. 8.21. Определение составляющего сопротивления рыхлению для изношенного наконечника (Тчас = 45…48) Так как общее сопротивление Роб Роб Роб, (8.37) получим составляющие сопротивления рыхлению равные: для вертикальной составляющей Р Рв 0,66 0, Рв в (8.38) Роб 0,58Роб.

2 Для горизонтальной составляющей Р Рг 0,75 0, Рг г (8.39) Роб 0,81Роб.

2 Отношение Р г к Рв будет равно Рг 0, (8.40) 1,4.

Рв 0, Полученные значения для Р г и Рв приведены в табл. 8.3.

Табл. 8. Данные расчета Pг и Рв Для нового наконечника, кН Для изношенного наконечника, кН tо, С Роб Рг Рв Роб Рг Рв –10 101 75 68 146 118 –13 434 322 291 524 424 –16 988 734 662 1112 901 –20 1701 1264 1140 1859 1505 –26 1823 1354 1221 1991 1613 Анализ изменения составляющих общего сопротивления рыхлению показывает на идентичность тенденции изменения как для нового, так и для изношенного наконечников.


Интерес представляет характер изменения сопротивления рыхлению от времени работы рабочего органа. На рис. 8. приведены теоретические данные по изменению составляющих усилия рыхления Р г и Рв в зависимости от времени работы рыхлителя.

Рис. 8.22. Зависимость горизонтальной и вертикальной составляющих общего сопротивления рыхлению от времени работы рыхлителя (t = 16… 20° С):

1 – горизонтальная составляющая, 2 – вертикальная составляющая Анализ изменения составляющих Р г и Рв от времени работы наконечника показывает, что отношение горизонтальной составляющей к вертикальной на конечном этапе работы наконечника (48 часов) на 27 % больше по сравнению с начальным этапом работы рабочего органа. Это говорит о возрастании, в основном, тягового усилия трактора по сравнению с требуемым усилием на гидроцилиндрах рабочего органа.

Глава 9. ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ 9.1. Разработка и исследование оборудования для очистки лотковой части автомобильных дорог Отсутствие специальных машин, предназначенных для очистки прибордюрных зон, создает проблемы в возможности качественной уборки автомобильных дорог, включающих такие зоны.

Оборудование для очистки лотковой части автодороги, разработанное в СибАДИ (рис. 9.1), монтируется на базовом шасси, на основной раме которого установлены наклонный конвейер и дополнительный редуктор. Зачистное устройство смонтировано на дополнительной раме и состоит из режущего рабочего органа, цилиндрической щетки и шнекового питателя.

Рис. 9.1. Функциональная схема оборудования для очистки лотковой и прибордюрной частей автодорог: 1 – дополнительная рама;

2 – шнековый питатель;

3 – дополнительный редуктор;

4 – наклонный конвейер;

5 – базовое шасси;

6 – цилиндрическая щетка;

7 – режущий рабочий орган Режущий рабочий орган (рис. 9.2) выполнен в виде дисков, жестко закрепленных на валу под углом 110° к плоскости, перпендикулярной этому валу, и противоположно направленных относительно друг друга. К дискам с помощью заклепок крепятся сменные разрушающие инструменты. Между дисками жестко закреплены лопатки, рабочие поверхности которых имеют защитное покрытие, например, из полиуретана.

Рис. 9.2. Режущий рабочий орган:

1 – диски;

2 – лопатка;

3 – вал Оборудование работает следующим образом. Машину располагают в прибордюрной зоне, режущий рабочий орган и цилиндрическую щетку устанавливают вблизи бордюрного камня так, чтобы крайние разрушающие инструменты касались торцовой стороны бордюрного камня.

Базовое шасси движется вдоль бордюрного камня, при этом режущий рабочий орган, вращаясь, разрушает слежавшийся грунт непосредственно в прибордюрной зоне и благодаря наклону дисков сдвигает его в горизонтальном направлении. Лопатками разрыхленный грунт отбрасывается в зону шнекового питателя и перемещается им к наклонному конвейеру. Оставшийся в прибордюрной зоне разрыхленный грунт подчищается цилиндрической щеткой и отбрасывается также в зону шнекового питателя.

Технические данные оборудования, смонтированного на снегоуборочной машине Ширина полосы, очищаемой за один проход, м…………..до 0, Высота удаляемого смета, м………………………………..до 0, Частота вращения щетки/режущего рабочего органа, с-1…………………………………………4,3 / 3, Скорость конвейера, м/с………………………………………....1, Теоретические исследования оборудования, проведенные на стадии разработки проекта, в основном сводились к расчету потребляемой мощности, соответствующей условиям технического задания. При этом учитывалось сопротивление внедрению рабочего органа в грунт, которое согласно теории динамического взаимодействия рабочих органов дорожно-строительных машин со средой определяется как 0 R W 2 d r, rdr, (9.1) R h где 0 arccos1 h R ;

h высота удаляемого смета;

R радиус диска;

r, полярные координаты;

P, t, x cos ;

, x скорость и перемещение частиц среды соответственно;

t время;

P сопротивление перемещению тела в рабочей среде, действующее на элемент его поверхности;

угол наклона диска.

Стендовые и натурные испытания оборудования подтвердили адекватность разработанной математической модели рабочего процесса.

Изготовляется опытная партия сменного оборудования для очистки лотковой и прибордюрной частей автодорог.

Другим конструктивным решением является машина для уборки прибордюрной зоны дорог, позволяющая снизить энергоемкость процесса уборки (рис. 9.3). Машина снабжена расположенной впереди базового шасси дополнительной рамой, которая установлена на раме базового шасси с возможностью подъема и опускания в вертикальной плоскости посредством привода. Привод вращения шнека и рабочего органа выполнен в виде планетарной передачи от приводного колеса.

Передача выполнена таким образом, что вращение рабочего органа противоположно вращению приводного колеса, а вращение шнека совпадает с вращением приводного колеса. При этом транспортер смета установлен с возможностью поворота в вертикальной плоскости, параллельной оси движения машины.

Рабочий орган выполнен в виде радиальных дисков, на внутренних сторонах которых жестко закреплены лопатки с режущими кромками на периферии. Каждая последующая кромка лопаток в поперечном сечении по отношению к предыдущей расположена под углом 45°. Режущие кромки лопаток рабочего органа, расположенные около каждого внутреннего диска, смещены относительно друг друга на угол 22,5°.

Лопатки выполнены в поперечном сечении в виде логарифмической спирали r=r0·еk· так, что начальный радиус r0 каждой первой лопатки равен внутреннему радиусу рабочего органа, а каждой второй лопатки r0' больше внутреннего радиуса рабочего органа, то есть r0'r0.

Машина устанавливается вблизи бордюрного камня таким образом, чтобы шнек и кожух находились выше бордюрного камня. После чего машина продвигается вперед и при вращении приводного колеса и посредством планетарной передачи от приводного колеса вращение передается на рабочий орган и шнек.

Рис. 9.3. Машина для уборки прибордюрной зоны автодорог:

1 – базовой шасси;

2 – рама;

3 – гидроцилиндр;

4 – дополнительная рама;

5 – защитный кожух;

6 – транспортер смета;

7 – шнек;

8 – рабочий орган;

9 – лопатки;

10 – радиальный диск;

11 – приводное колесо;

12 – вал приводного колеса Таким образом, силы сопротивлений резанию и транспортированию грунтового наноса шнеком до транспортера смета преодолеваются исключительно тяговым усилием машины.

Лопатки рабочего органа, вращаясь в противоположном направлении приводному колесу, разрушают режущими кромками грунтовый нанос. Нанос, двигаясь по лопаткам, ссыпается под действием силы тяжести в кожух шнека, который перемещает грунт посредством транспортера смета в тележку. В случае попадания твердых частиц под шнек или столкновения рабочего органа с непреодолимым препятствием поломки не произойдет, так как в этом случае пробуксует приводное колесо.

За счет уменьшения числа приводов и преодоления сопротивлений резанию грунтового наноса только тяговым усилием снижается энергоемкость процесса уборки прибордюрных зон дорог, а также упрощается конструкция и снижается металлоемкость машины.

9.2. Исследование рабочего процесса оборудования для очистки дорожных покрытий от льда и уплотненного снега Качественная очистка дорог от снежно-ледовых образований зависит от технологии и конструкции устройств, предназначенных для очистки автомобильных дорог, тротуаров и дворовых площадок в зимнее время.

Рис. 9.4. Устройство для очистки дорожных покрытий от льда и уплотненного снега Новое оборудование (рис. 9.4) состоит из закрепленной на базовом шасси 14 рамы 5 с вертикальным валом 12, на нижнем конце которого расположен диск 11 с горизонтальными валами 7, с приводом вращения 9 и фрезами 8. На нижней стороне диска между горизонтальными валами с фрезами закреплены очищающие скребки 10 из упругого износостойкого материала (полиуретана), имеющие форму логарифмической спирали. Перед очищающими скребками выполнены сквозные отверстия, на каждом из которых закреплен подчищающий нож. Привод вращения 4 вертикального вала соединен с валом отбора мощности 2 базового шасси карданом 3. Верхняя часть вертикального вала соединена с нижней шаровым шарниром.

Очистка дорожных покрытий от льда осуществляется следующим образом. При помощи гидроцилиндра 1 оборудование вместе с рамой переводят из транспортного положения в рабочее, опуская его до касания фрезами дорожного покрытия. Диск с горизонтальными валами, срезающими лед и уплотненный снег, вращается от вала отбора мощности базового трактора. Разрушенные части льда и уплотненного снега движутся по поверхности очищающих скребков к периферии под действием центробежных сил, а затем по подчищающим наклонным ножам через отверстие поступают на верхнюю часть вращающегося диска и отбрасываются из рабочей зоны.

Шаровой шарнир на вертикальном валу обеспечивает копирование неровностей дорожного покрытия, а при их отсутствии пружина 6, установленная между диском и верхней частью вертикального вала, возвращает диск в исходное положение.

Одновременно с вращением диска возможен поворот рамы в горизонтальной плоскости с помощью гидроцилиндров 13, что позволяет установить оборудование вплотную к бордюру или стене здания, не маневрируя базовой машиной.

Изготовлен и прошел экспериментальные исследования опытный образец оборудования для очистки дорожных покрытий (рис. 9.5) производительностью 200 м3/ч к трактору МТЗ-80. Ширина обрабатываемой полосы 1000 мм, толщина фрезерования 3-8 мм. Для анализа величины проектной мощности разработана математическая модель, базирующаяся на теории динамических взаимодействий.


Суммарная мощность, необходимая для работы оборудования с угловыми скоростями e и r (переносной и относительной) (см.

рис. 9.5), определена по формуле m k N 0,5 10C h n sin i 1 n n 1 0,55S 1 r r Ri e, (9.2) где 0;

1;

2, центральный угол;

k число зубьев, находящихся в зоне разрушения льда;

расстояние между вершинами зубьев;

коэффициент, учитывающий степень блокирования;

S толщина профиля;

h толщина резания;

коэффициент затупления;

i 1, 2,, m число фрез;

С число ударов плотнометра;

КПД механизма;

Ri и r радиусы, определяющие соответственно положение фрезы и ее размер (рис. 9.6).

Рис. 9.5. Оборудование для очистки дорожных покрытий к трактору МТЗ- Рис. 9.6. Расчетная схема рабочего органа Анализ результатов экспериментальных и теоретических исследований на адекватность математической модели показал их сходимость в пределах 8 - 12 %. Испытания подтвердили эффективность применения устройства для очистки дорожных покрытий от льда и уплотненного снега благодаря маневренности оборудования, а также возможности удаления разрушенного льда из рабочей зоны.

Разработанное оборудование целесообразно применять в северных регионах страны, где снежно-ледовые образования имеют значительную толщину.

9.3. Исследование оборудования режущего инструмента подкапывающей машины 9.3.1. Экспериментальные исследования по определению рационального профиля режущего инструмента подкапывающей машины В грунтовом канале СибАДИ на экспериментальной установке были проведены исследования по определению рациональной формы сечения резца подкапывающей машины – линии, которая копирует траекторию свободного движения грунтовой стружки, заранее не обусловленную заданной формой сечения резца. Иначе говоря, рациональная форма сечения резца реализует основной вариационный принцип механики – принцип наименьшего действия.

Для экспериментов был изготовлен специальный режущий инструмент (рис. 9.7), состоящий из пустотелого корпуса 1, приваренного к крепежной пластине 2 под углом 90. Резец устанавливался на ротор в направлении нормали к его поверхности. Пустотелый корпус заполнялся пластилином. Условие свободного нестесненного движения стружки грунта может быть реализовано лишь в том в Рис. 9.7. Экспериментальный резец случае, если плотность пластилина меньше плотности грунта. Для уменьшения плотности пластилина резец разогревался до 40-60С (в зависимости от температуры в лаборатории). В экспериментах применялся суглинок влажностью 12 %, плотностью 1,76 кг/м3 и числом ударов гири ударника ДорНИИ, равном 2-3. Резание грунта осуществлялось с окружной скоростью 5,04 м/с и поступательной скоростью 0,024 м/с на расстояние 0,7 м. При этом резец совершил 40 заходов, в каждом из которых максимальная толщина стружки составляла 0,017 м.

В результате была получена траектория движения грунта (рис.

9.8).

Рис. 9.8. Профиль пластилина после проведения эксперимента: 1 – профиль сечения резца;

2 – пластилин, заполняющий пустотелый корпус резца;

3 – профиль пластилина Стружка грунта после ее отделения от массива движется по криволинейной траектории с постоянно уменьшающимся радиусом (см. рис. 9.8). Эту кривую можно аппроксимировать логарифмической спиралью (рис.

9.10), описываемой уравнением R R0 e k, (9.3) где R – полярный радиус спирали;

R0 – начальный полярный радиус спирали;

k – коэффициент;

– угол, Рис. 9.9. Вид режущего определяющий положение полярно инструмента (показан стрелкой) после эксперимента го радиуса R.

Начальный полярный радиус спирали равен 0,58 м и определяется суммой двух величин: радиусом ротора и высотой режущего инструмента. Следовательно, для построения спирали необходимо определить коэффициент k, при этом k const.

Преобразуя выражение (9.3), получаем уравнение для определения коэффициента k :

ln R ln R. (9.4) k Зависимость длины полярного радиуса кривой профиля пластилина от угла поворота относительно центра ротора была определена графически, по формуле (9.4) были найдены значения коэффициента k (табл. 9.1).

Таблица 9. Изменение значений полярного радиуса R и коэффициента k от угла поворота 0 0,4 1,11 1,84 2,06 2,29 3,04 3,39 3, 580 575,1 570,2 565,5 560,6 555,7 551,1 546,3 541, R k - -1,219 -0,875 -0,792 -0,948 -1,073 -0,965 -1,014 -1, Рис. 9.10. Аппроксимация профиля пластилина:

1 – линия поверхности ротора;

2 – сегмент логарифмической спирали;

3 – линия профиля пластилина после эксперимента Для построения спирали, описывающей рациональный профиль резца, из табл. 9.1 выбрали среднее значение k 0,996. Постоянство k обеспечивает постоянный угол, заключенный между векторами абсолютных скоростей резца p и стружки c грунта в любой точке профиля резца, численно равный углу резания. Из выражения k tg следует, что arctg k. При k 0,996 угол приблизительно равен 45.

Подставляя принятые значения k и R0 в формулу (9.3), получим рациональный профиль резца подкапывающей машины, описываемый сегментом логарифмической спирали (см. рис. 9.10), построенной по уравнению R 580e 0,996. (9.5) Экспериментальным путем получен рациональный профиль режущего инструмента подкапывающей машины, который может быть аппроксимирован сегментом логарифмической спирали, описываемой уравнением (9.5).

9.3.2. Анализ результатов исследований рациональной конфигурации передней поверхности резца подкапывающей машины В результате экспериментальных исследований процесса взаимодействия режущего инструмента рабочего органа подкапывающей машины с грунтом был построен рациональный профиль передней поверхности резца, удовлетворяющий условию наименьшей энергоёмкости рабочего процесса, формируемого применительно к движущейся грунтовой стружке в виде WS min, (9.6) Э уд П где W сопротивление грунта копанию, Н;

S длина пути, пройденного грунтовой стружкой вдоль профиля резца, м ;

П производительность, м 3 с.

В данном параграфе предложен аналитический метод определения рациональной конфигурации передней поверхности резца подкапывающей машины.

Из уравнения (9.6) следует, что удельную энергоёмкость копания грунта при постоянной производительности можно снизить, уменьшая либо возникающие сопротивления, либо длину пути грунтовой стружки.

Рис. 9.11. Схема расположения осей координат:

1 – несущий корпус ротора;

2 – радиус ротора по кромке резца;

3 – резец;

4 – траектория движения резца Рассмотрим процесс заглубления резца в грунт (рис. 9.11).

Траектория его движения образована сложением двух перемещений переносного (перемещение машины) и относительного (вращение ротора) в соответствующих системах координат. Одна из них неподвижная XOY с началом отсчёта в центре ротора, другая подвижная LO Z с началом, расположенным на режущей кромке резца, ось O L направлена по нормали к поверхности ротора. Копание грунта происходит при изменении угла поворота (рис. 9.12) от 0 до 2, при этом координата L прирастает на величину 2 L R cos R sin R, (9.7) где R радиус ротора по кромке резца, мм;

угол поворота ротора, рад с ;

угловая скорость ротора, рад с ;

поступательная скорость подкапывающей машины, мм с.

При определении рациональной конфигурации передней плоскости резца использовался метод вариационного исчисления, при котором в качестве функционала рассматривалось выражение, характеризующее полное сопротивление грунта копанию:

Lmax W psinarctg f z 0 cosarctg f z Bds, (9.8) где arctg f z угол между касательной к образующей проникающего тела (режущей кромке передней плоскости резца) и осью заглубления (см. рис. 9.12);

0 sin 0 (угол внешнего трения p0 18 );

B ширина резца;

ds элементарная площадка поверхности;

p давление грунта на поверхности проникающего органа, вычисляемое по зависимости 0 L 2 LL, (9.9) p 1 b где L f z уравнение образующей передней поверхности режущего инструмента;

b1 0 коэффициент, b1 0,94 (определён экспериментально);

0 и начальное и конечное значения плотности грунта.

Рис. 9.12. Расчетная схема оптимизации передней поверхности резца При этом предполагается, что подынтегральная функция F z, L, L, L в виде выражения (9.8) с учётом формулы (9.9) является непрерывной и дважды дифференцируемой. Кроме того, для существования экстремума этой функции (минимального значения сопротивления грунта копанию) в области её определения она должна удовлетворять условию Эйлера:

F d F 0. (9.10) L dz L После преобразования целевой функции F z, L, L, L с учётом того, что arctg arcsin, а также разложения arccos 2 1 L её составляющих и в ряды Тейлора в 2 1 L 1 L окрестности точки z 0 0 и вычисления производных, определяющих условие (9.10), получим уравнение Эйлера для рассматриваемого случая в виде L bz a 2 L b 0, (9.11) где b l1 0 k1 ;

a l0 0 k 0 ;

L 0 L z ;

k z и l0 ;

l 1 L 1 L 1 L 2 2 1 L z z z0 z L z 0 L z.

k 1 L 1 L 2 z0 z Общее решение уравнения (9.11) имеет вид 2b zb a. (9.12) L C1 C 2 e В результате приравнивания уравнений (9.8) и (9.11) определяем зависимость z f, равную выражению 2 R cos R sin R C 2b a ln C2. (9.13) z R 2 cos 2 R sin R C b C После определения постоянных С1 и С 2 с учётом начальных условий для переменных L и z в момент начала заглубления резца z 0, L 0, при этом L tg (где угол резания, равный 45 ).

Поскольку tg является угловым коэффициентом касательной в точке z0 0, то L 4,963. Уравнение графика функции, описывающей рациональную конфигурацию передней поверхности резца подкапывающей машины, будет представлено в виде 12,325 zp 2 0,115r 2, 482 zpr r 2 1, (9.14) L e p2 где p 1 0 ;

r 1 0.

На рис. 9.13 приведены графики функций, являющиеся образующими для передней поверхности резца: 1 построен по уравнению (9.14), полученному в результате теоретических исследований;

2 построен по уравнению R 580e 0,996, (9.15) полученному в результате экспериментальных исследований;

3 и описывают соответственно образующие профиля стандартного резца и поверхности ротора.

Рис. 9.13. Схема для сравнительного анализа результатов исследований рациональной конфигурации передней поверхности резца Для полученных результатов был проведён сравнительный анализ, основным критерием которого выступало максимальное отклонение графиков функций по оси OZ при l, равном длине горизонтальной проекции стандартного резца, рассчитанное по формуле max абс.отклонение 100%, max отклонение длина гориз.проекции резца где max абс.отклонение разность координат точек графиков функций по оси OZ.

Анализ показал, что максимальное отклонение между первым и вторым графиками составляет менее 15 %.

9.4. Испытания наконечников зубьев рыхлителей и зубьев ковшей экскаваторов в условиях Севера Для оценки адекватности теоретических исследований были проведены производственные испытания наконечников зубьев рыхлителей и зубьев ковшей экскаваторов в районе города Новый Уренгой. Испытания проводились на следующих базовых машинах:

бульдозер-рыхлитель «Komatsu D 355 A-3» и экскаватор «Komatsu PC 400» (рис. 9.14, 9.15).

Рис. 9.14. Рыхлитель «Komatsu D 355 A-3»

Рис. 9.15. Экскаватор «Komatsu PC 400»

9.4.1. Порядок проведения испытаний Испытаниям подвергались 4 наконечника зуба рыхлителя, выполненные из стали 110Г13Л (сталь Гатфильда) с конфигурацией лобовой поверхности прямоугольной формы, 4 наконечника фирмы «KOMATSU», выполненные из материала SHSC-3H (табл. 9.2), экспериментальных наконечников, выполненных из стали 110Г13Л с конфигурацией поверхности криволинейной формы. Для повышения износостойкости 4 из экспериментальных наконечников в зоне повышенного изнашивания (на режущей кромке и выше нее на величину 100 мм) были укреплены износостойкими пластинами, выполненными из высокохромистого чугуна. Пластины закреплялись на корпусе наконечника методом металлургической сварки.

Таблица 9. Химический состав материала коронок фирмы «KOMATSU»

Область Марка Химический состав материала, % Твёрдость слоя, применения стали HRC C Si Mn P S Cr Mo Nb повер. внутр.

С ударн. SHSC-3H 0,30 1,7 0,5 0,03 0,03 4,0 2,0 0,06 50-48 48,5- нагрузкой в высокоабр.

грунте Кроме этого, испытаниям подверглись 4 зуба ковша экскаватора, выполненные из стали 110Г13Л с конфигурацией рабочей поверхности прямоугольной формы, и 4 зуба, выполненные из стали 110Г13Л с конфигурацией поверхности криволинейной формы и укрепленные на режущей кромке износостойкими пластинами.

Рис. 9.16. Экспериментальный наконечник зуба рыхлителя Рис. 9.17. Экспериментальный зуб Рис. 9.18. Зуб рыхлителя ковша экскаватора с наконечником При проведении испытаний фиксировались следующие показатели:

1. Геометрия профиля наконечника и зуба перед началом испытаний (рис. 9.16 - 9.18).

2. Геометрия наконечника и зуба в плане.

3. Изменение размеров наконечника и зуба в плане и в профиль через каждые 2 часа испытаний.

4. Время разработки грунта при скорости перемещения однозубого рыхлителя 0,75 м/с, глубине разработки 0,7 м, расстоянии между продольными резами 0,4 м, длине и ширине разрабатываемого участка 100 и 16 м соответственно.

Испытания проводились на супесчаном грунте со следующими характеристиками:

1. Фракционный состав:

0,005 мм – 6,8 %;

0,005 – 0,05 мм – 52,6 %;

0,05 – 2,0 мм – 40,6 %.

2. Температура грунта – (8 – 12)C.

3. Влажность грунта – 25 %.

4. Прочность по числу ударов ударника ДорНИИ – 215-230.

По результатам замеров изменения геометрии наконечника и зуба в плане и в профиль рассчитывалась величина изнашивания наконечника и зуба в целом и величина их затупления. По результатам замеров времени на разработку участка площадью 1600 м2 рыхлителем, оснащенным немодернизированным и модернизированным наконечниками, определялась удельная энергоемкость процесса разработки грунта.

9.4.2. Анализ результатов испытаний 9.4.2.1. Оценка изменения величины изнашивания и коэффициента затупления Предельная величина износа для всех видов наконечников составляла 5 кг для наконечников зубьев рыхлителей и 3 кг для зубьев ковшей экскаваторов. Величина коэффициента затупления по результатам замеров в соответствии с методикой А. Н. Зеленина составила 1,9…2,1.

Износ коронок во время проведения испытаний ускоренно увеличивался. Наибольшая интенсивность изнашивания была отмечена для коронок прямоугольной формы, выполненных из стали Гатфильда (рис. 9.19). До предельного состояния данные наконечники износились за 15-18 часов работы.

Предельную величину износа модернизированные наконечники без износостойких накладок наработали за 38 часов.

Средняя наработка модернизированных наконечников с износостойкими накладками составила 44 часа;

коронок фирмы «KOMATSU» – 46 часов.

Затупление наконечника по коэффициенту можно охарактеризовать как процесс с убывающей скоростью (рис. 9.20).

Наибольшая интенсивность затупления наблюдалась у наконечника, выполненного из стали 110Г13Л. Здесь процесс протекал с одновременным увеличением площадки износа и радиуса затупления.

Такой же характер затупления наблюдался и у коронки фирмы «КOMATSU».

Предельной величины затупления прямоугольные наконечники из стали Гатфильда достигали через 18 часов, наконечники фирмы «КOMATSU» – через 42 часа, модернизированные наконечники без износостойких накладок – через 38 часов работы, наконечники с износостойкими накладками – через 44 часа (при пр = 1,7).

При этом характер затупления модернизированных наконечников существенно отличается от затупления наконечника фирмы «КOMATSU» и наконечника из стали Гатфильда. Во время испытаний практически не изменялся радиус их затупления. Величина радиуса затупления у модернизированных наконечников без износостойкой пластины увеличивался ускореннее. При работе модернизированного наконечника с износостойкой накладкой наблюдался эффект самозатачивания. Это объясняется изнашиванием наконечника по площадке износа, так как износостойкость корпуса наконечника ниже износостойкости накладки.

Из анализа результатов видно, что по техническим показателям наконечник фирмы «КOMATSU» и модернизированный наконечник с износостойкой накладкой практически не отличаются друг от друга.

Аналогичным испытаниям и замерам подвергались зубья ковшей экскаваторов. Результаты экспериментальных исследований приведены на рис. 9.21, 9.22.

Необходимо отметить, что характер протекания изнашивания поверхности зубьев ковшей экскаваторов схож с динамикой изнашивания наконечников зубьев рыхлителей. При изнашивании зубьев также изменяются основные параметры зуба: его рабочая длина, угол заострения. Предельной величины износа прямоугольные зубья, выполненные из стали Гатфильда, достигали через 28 часов непрерывной работы. Средняя наработка модернизированных зубьев с износостойкими накладками составила 40 часов непрерывной работы.

Рис. 9.19. Динамика изменения величины Рис. 9.20. Динамика изменения величины изнашивания наконечника коэффициента затупления наконечника во время испытаний: 1 – наконечник, во время испытаний: 1 – наконечник, выполненный из стали Гатфильда выполненный из стали Гатфильда с конфигурацией с конфигурацией лобовой поверхности лобовой поверхности прямоугольной формы;

прямоугольной формы;

2 – модернизированный наконечник без 2 – модернизированный наконечник;

износостойкой накладки;

3 – модернизированный наконечник 3 – модернизированный наконечник с износостойкой накладкой;

4 – наконечник фирмы «KOMATSU»

с износостойкой накладкой;

4 – наконечник фирмы «KOMATSU»

Рис. 9.21. Динамика изменения величины Рис. 9.22. Динамика изменения величины износа зуба ковша во время испытаний: коэффициента затупления зуба ковша 1 – зуб ковша из стали Гатфильда во время испытаний: 1 – зуб ковша с конфигурацией из стали Гатфильда лобовой поверхности прямоугольной формы;

с конфигурацией лобовой поверхности 2 –модернизированный зуб ковша прямоугольной формы;

с износостойкой накладкой 2 – модернизированный зуб ковша с износостойкой накладкой Через каждые 2 часа работы при замерах немодернизированных зубьев ковшей были явно выражены площадка износа и радиус затупления, размеры которых увеличивались. Предельной величины затупления прямоугольные зубья из стали Гатфильда достигали через 24 часа непрерывной работы.

Укрепленные износостойкими пластинами зубья имели скорость изнашивания ниже, чем немодернизированные рабочие органы. Износ их протекал в основном по площадке затупления. При этом обеспечивался эффект самозатачивания (см. рис. 9.22).

Предельной величины затупления модернизированные зубья ковша с износостойкими накладками достигали через 42 часа непрерывной работы.

9.4.2.2. Определение удельной энергоемкости процесса разработки мерзлого грунта Повышенная эффективность как интегральный показатель процесса разработки грунта рабочими органами землеройных машин характеризуется не только их высокой износостойкостью, но должен учитывать энергоэффективность рабочих органов.

Износостойкость – это способность рабочих органов землеройных машин противостоять абразивному изнашиванию.

Энергоэффективные рабочие органы землеройных машин обеспечивают минимизацию удельной энергоемкости Эу процесса разработки грунтов, то есть должно выполняться условие Э Э у min, (9.16) П где Э – энергозатраты на разработку грунта;

П – производительность.

Для определения удельной энергоемкости процесса рыхления грунта выполнялся хронометраж работ.

Т ц t p t разв t пер t п / о tдоп, (9.17) где tр – время на разработку грунта;



Pages:     | 1 |   ...   | 4 | 5 || 7 | 8 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.