Определение рациональных режимов работы цепных траншейных экскаваторов со скребковым рабочим органом

В нашей стране ежегодно выполняются огромные объемы строительных работ по сооружению подземных коммуникаций. В области мелиорации это строительство каналов и устройство дренажных систем, в энергетическом строительстве — сооружение магистральных газои нефтепроводов, промышленном и гражданском — прокладка кабельных линий связи, электроснабжения, водопровода и др. коммуникаций.

Сооружение подземных коммуникаций связано, в первую очередь, с отрывкой траншей различного профиля и протяженности. В настоящее время указанные работы ведутся при помощи траншейных экскаваторов, которые по сравнению с одноковшовыми имеют более высокую производительность и качество отрываемой траншеи. Кроме того, траншейные экскаваторы просты в управлении, легко поддаются автоматизации и менее опасны в природоохранном отношении.

Характерной особенностью траншейных экскаваторов является разветвление силового потока, при котором часть мощности двигателя базовой машины передается рабочему органу, минуя движитель. Наряду с другими факторами указанное разветвление существенным образом влияет на производительность экскаватора. Для траншейных экскаваторов мощность на рабочем органе характеризует величину снижения его тягового сопротивления, а мощность на движителе определяет скорость поступательного перемещения экскаватора. В виду того, что мощность экскаватора ограничена, возникает необходимость ее рационального распределения в зависимости от параметров траншеи, мощности двигателя и тягового класса базовой машины.

Кроме того, траншейные экскаваторы работают в широком диапазоне изменения грунтовых условий. Очевидно, что с изменением прочности разрабатываемых грунтов должно изменятся и распределение мощности между приводом рабочего органа и движителя. Таким образом, встает вопрос о создании траншейного экскаватора, способного адаптироваться к изменяющимся грунтовым условиям.

Выполненные ранее в этой области исследования не позволяют приступить к разработке методики расчета траншейных экскаваторов с учетом меняющегося грунтового фона. Поэтому предлагаемую тему диссертационной работы следует считать актуальной.

Для отрывки узких траншей в грунтах IIII категории применяются цепные траншейные экскаваторы со скребковым рабочим органом, который по сравнению с фрезерно-роторным имеет меньшую массу и габариты. Это позволяет использовать цепные траншейные экскаваторы в стесненных условиях, а также на участках небольшой протяженности, где требуются частые перебазировки машины.

В настоящей работе изложены результаты исследований цепных траншейных экскаваторов со скребковым рабочим органом, способных адаптироваться к изменяющимся грунтовым условиям. Определены рациональные режимы работы в зависимости от ширины отрываемой траншеи, мощности двигателя и тягового класса базовой машины, прочностных свойств разрабатываемых грунтов.

В работе широко используются современные методы научных исследований, включающие системный анализ, физическое и математическое моделирование, статистическую обработку результатов эксперимента.

Научная новизна представлена:

— физической и математической моделями подсистемы «грунт — рабочее оборудование»;

— математической моделью цепного траншейного экскаватора;

— оптимальным значением коэффициента распределения мощности в зависимости от ширины траншеи, мощности двигателя и тягового класса базовой машины, прочностных свойств разрабатываемых грунтов.

Практическая ценность работы заключается в разработанной методике расчета цепных траншейных экскаваторов, способных адаптироваться к изменяющимся грунтовым условиям.

Методы исследований основаны на использовании основных положений системного анализа, математического и физического моделирования рабочего процесса цепного траншейного экскаватора и взаимодействия рабочего органа с грунтовой средой, научных положений теоретической механики, механики грунтов и теории планирования эксперимента.

Методика исследований включает также применение методов имитационного моделирования на ЭВМ и использование вычислительной техники и методов вычислительной математики.

Достоверность научных положений подтверждается методологической базой исследования, основанной на положениях теории резания грунтов, соблюдении основных принципов физического и математического моделирования, идентификацией промежуточных результатов исследований с исследованиями других авторов.

На защиту выносятся следующие основные положения:

— физическая и математическая модели подсистемы «грунт — рабочее оборудование»;

— математическая модель цепного траншейного экскаватора;

— влияние величины коэффициента распределения мощности двигателя базовой машины между приводом рабочего оборудования и движителем на производительность экскаватора и энергоемкость процесса;

— зависимость оптимального значения коэффициента распределения мощности от ширины траншеи, мощности двигателя и тягового класса базовой машины, прочностных свойств разрабатываемых грунтов;

— методика расчета цепных траншейных экскаваторов, способных адаптироваться к изменяющимся грунтовым условиям.

Работа выполнена на кафедре «Строительно-дорожные машины и гидравлические системы» Иркутского государственного технического университета под руководством канд. техн. наук, доц. В. Г. Зедгенизова.

Автор выражает глубокую признательность сотрудникам кафедры и аспирантам за оказанную помощь в работе над диссертацией.

5. ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ И НАПРАВЛЕНИЯ ДАЛЬНЕЙШИХ ИССЛЕДОВАНИЙ.

Результаты выполненных исследований позволили сделать ряд выводов и практических рекомендаций, направленных на повышение эффективности цепных траншейных экскаваторов со скребковым рабочим органом.

1. При изучении рабочего процесса цепных траншейных экскаваторов необходимо использовать современные методы научных исследований, включающие системный анализ, моделирование, статистическую обработку результатов эксперимента.

2. Разработанная математическая модель цепного траншейного экскаватора дает возможность исследовать основные параметры рабочего процесса и определить рациональные режимы работы в зависимости от ширины траншеи, мощности двигателя и тягового класса базовой машины, прочностных свойств разрабатываемых грунтов.

3. Установлено, что для каждой категории грунта существует рациональный режим работы экскаватора, который определяется оптимальным коэффициентом распределения мощности двигателя базовой машины между приводом рабочего органа и движителем, значения которого лежат в пределах: для экскаваторов с рабочим органом шириной 0,4 м тяговый класс 9 кН — 0,053.0,136 тяговый класс 14 кН — 0,081 .0,208 для экскаваторов с рабочим органом шириной 0,27 м тяговый класс 9 кН — 0,076. 0,221 тяговый класс 14 кН — 0,128.0,328.

4. Увеличение выносной способности рабочего органа за счет увеличения высоты резцов и скребков по сравнению с базовым вариантом дает возможность повысить производительность экскаватора на грунтах I и II категории — в 4,3 раза, а на грунтах III категории — в 2,5 раза. Дальнейшее повышение производительности ограничивается тяговым сопротивлением рабочего органа. Совместное увеличение выносной способности и скорости рабочей цепи приводит к повышению производительности экскаватора на грунтах I категории — в 9 раз, II категории — в 4,8 раза, III категории — в 2,9 раза. Дальнейшее повышение производительности ограничивается мощностью двигателя базовой машины.

5. Разработанная методика расчета позволяет на основании требований технологии строительства определить основные параметры цепных траншейных экскаваторов, способных адаптироваться к изменяющимся грунтовым условиям,.

6. Годовой экономический эффект от использования экскаватора на базе трактора МТЗ-80, способного адаптироваться к изменяющимся грунтовым условиям, составляет 620 тыс. руб.

Исходя из вышеизложенного, дальнейшие исследования целесообразно направить на разработку автоматической системы управления рациональным режимом работы и создание цепного траншейного экскаватора, способного адаптироваться к изменяющимся грунтовым условиям.