Scientific journal

Modern high technologies

ISSN 1812-7320

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 0,940

В практике производства работ широкое применение получил метод уплотнения насыпных оснований слоями ограниченной толщины (послойное уплотнение) [2]. Поэтому необходимо правильно подобрать соотношения параметров и режимов работы навесного пневмошинного оборудования, которые зависят от физико-механических свойств грунта и его состояния, определяемый коэффициентом уплотнения Ку. Поставленная задача решается путем определения геометрических параметров (размеров) пневмошин с использованием разработанных моделей взаимодействия рабочих органов с различными видами грунтов [3, 4].

Предлагаемая методика включает в себя расчет основных параметров пневмошин, осуществляемый в последовательности, представленной в виде взаимосвязанных этапов.

Этап 1. Тяговый расчет рабочего оборудования базовых машин.

Сопротивление качению пневмошин Wf обусловливается главным образом деформацией грунта и по своему удельному значению является наибольшим:

Wf = f1 G, (1)

где G – максимальный вес оборудования; f1 – максимальное значение коэффициента сопротивления качению вальцов катка при первом проходе по рыхлому грунту

(2)

где T – сила тяги, кг; D – диаметр колеса, м; n – число кулачков; b, a – соответственно ширина и длина опорной поверхности кулачка, м; h – высота кулачка, м; c – коэффициент деформации грунта, кгс/см2 (с = 0,1…1,0 – для очень рыхлого грунта; с = 0,1…1,0 – для рыхлого грунта).

Сопротивление движению на уклон определяется:

Wh = i G, (3)

где i – уклон в долях единицы (imax = 0,1); G – вес катка, кг.

При работе катка общее сопротивление движению составит:

(4)

При трогании на рыхлом грунте и предельном подъеме, кроме перечисленных сопротивлений, будет возникать сопротивление Wj преодолению сил инерции

(5)

где x – коэффициент учета вращающихся масс; υ – скорость движения, км/ч; t – время, с; g – ускорение силы тяжести, м/с2.

Полагая, что оборудование движется равноускоренно, получим:

(6)

где t – время разгона, принимаемое равным t = 2-3 с.

С учетом преодоления сил инерции общее сопротивление движению:

(7)

Для навесного оборудования необходимо располагать тяговой характеристикой рукояти экскаватора, управляемой гидроцилиндром. По ней необходимо определить силу тяги, соответствующую максимальной тяговой мощности:

С учетом сил инерции оборудования необходимо соблюдение условия

Эксплуатационная производительность определяется:

(8)

где L – длина уплотняемого участка, м; В – ширина укатываемой полосы, м; А – величина перекрытия, принимаемая равной А = 0,2 м; υ – рабочая скорость катка, м/ч; Hр – толщина слоя грунта в плотном теле (материале), м; t = 0,02 ч – время, затрачиваемое на разворот экскаватора в конце участка; n – необходимое число проходов катка;Кв = 0,80-0,85 – коэффициент использования рабочего времени.

Этап 2. Расчет навесного грунтоуплотнительного оборудования.

Проектирование навесного пневмоколесного оборудования на базе типовых пневмошин с расчетом элементов гидропривода производим согласно разработанной методике [5], используя схему взаимодействия грунта с пневмошиной и исходные данные табл. 1 (размеры колеса Ф-10А, диаметр Dk и ширина обода B).

Таблица 1

Основные параметры пневмошинного оборудования

Допускаемая нагрузка Rmax на колесо определяется по формуле [1]:

Rmax = 2aB[qср], (9)

Приняв деформацию пневмошины δ = λDk, где [λ] = 0,025, получим:

мм.

Распределение удельной нагрузки на шину будет происходить по эллиптической кривой. Из равенства площадей прямоугольника Fп = 2aqср и полуэллипса Fэ = 0,5πaqmax определим:

МПа.

Определим ширину обода колеса B = 0,3∙1220 = 366 мм. После подстановки полученных значений a и B в формулу (9), получим: Rmax = 2 ∙ 18,79 ∙ 3,66 ∙ 1,18 = 1615 кг.

Приняв с допущением D1 = Dk из теории контактных напряжений, определим параметры a и b:

мм.

При этом возникающее давление на поверхности пятна контакта определяется по следующей зависимости:

МПа.

Решая совместно вышеприведенные уравнения, получим qmax ≤ [qmax]. Значение давления [qmax] находится в пределах от 1,56 до 2,8 МПа и зависит от качества резинотехнических изделий.

Проведенные расчеты показали допустимость применения выбранной пневматической шины, хотя допускается перегрузка колес до 70 % и выше. Однако перегрузка колес транспортных машин на 20–80 % против нормы приводит к снижению пробега соответственно на 30–70 %. При уплотнении грунтов обратных засыпок применяются пневмошины низкого давления. В области контакта одновременно деформируются колесо и поверхность покрытия. Тогда площадь пятна контакта составит:

F = (4,0…4,8) ∙ (λ0 – 0,03) ∙ B2 = = 4,0 ∙ 0,297 ∙ 36,62 = 1591,3 см2,

где B = 0,2-0,3 – коэффициент усадки шины, показывающий, что чем больше усадка шины, тем лучше амортизируют колеса, меньше деформация грунта и удельное давление на него.

Динамическая нагрузка на колесо в шинах низкого давления на 15 % больше статической и в 2,5 раза меньше, чем в шинах высокого давления. Нагрузка на колесо с пневматическими шинами низкого давления определяется по зависимости [4]:

Rmax = q ∙ F = i ∙ p ∙ F = 1,2 ∙ 4 ∙ 1591,3 ∙ 9,8 = = 7638,2 кг = 74854,4 Н.

Деформацию шины находим из выражения:

δ = λ ∙ Dk = 0,04 ∙ 122 = 4,88 см.

Тогда сопротивление укатыванию будет:

Н.

При укатывании грунта выгодно иметь большее давление p. При качении колеса по мягкому грунту сопротивление укатыванию Wk зависит от объемной деформации, определяемой коэффициентом qо [1]. При этом коэффициент объемной деформации qо устанавливается в зависимости от типа грунтов (грунты обратных засыпок и укатанные грунты). Таким образом, сопротивление укатыванию будет зависеть от нагрузки, деформации и жесткости пневмошины.

Общее сопротивление укатыванию W∑ при установившемся движении можно определить, используя зависимость вида:

кг = 7065,8 Н.

Этап 3. Расчет гидрооборудования базовой машины.

Определение энергозатрат процесса уплотнения, численное значение которых выражено зависимостью:

Дж.

где Wk – сопротивление укатыванию процесса уплотнения грунта одной пневмошиной; L – длина пути колеса; n – количество колес.

Механизм поворота колеса (рис. 1) состоит из рукояти гидроцилиндра, коромысла и ведомого звена – колеса.

а б

Рис. 1. Схемы грунтоуплотнительных устройств: а – навешиваемых на ковш; б – пневмошинного, смонтированного на рукояти экскаватора

Не располагая исчерпывающими результатами исследований оптимальных отношений кинематических звеньев механизма, для расчета назначим их по подобию с существующими экскаваторными конструкциями: длина коромысла – 1200 мм; длина большего плеча коромысла – 900 мм, длина малого плеча коромысла – 300 мм.

Расчетным режимом для выбора гидроцилиндра привода колес следует считать уплотнение грунта при имеющихся длинах стрелы и рукояти на экскаваторе марки ЭО-4225, при котором предполагается наибольшее его нагружение. В этом режиме активной силой на штоке гидроцилиндра преодолеваются сопротивление грунта уплотнению, а также внутренние сопротивления в шарнирах механизма.

Сопротивление грунта уплотнению зависит от формы исходной поверхности обратной засыпки, которая может быть плоской, выгнутой и с уклоном. В первом приближении предположим эту поверхность плоской. При этом за одну операцию уплотнения грунта поворотом колеса относительно шарнира его колесо переместится и повернется на угол β = 300, который определяет ход поршня гидроцилиндра. При этом максимальная толщина уплотнения составляет h = 100 мм.

Тогда рабочий объем для гидроцилиндра рукояти можно определить по формуле:

л.

Произведём выбор гидроцилиндра по его основным параметрам, используя данные табл. 2.

Таблица 2

Параметры гидроцилиндров при номинальном давлении 25 МПа

Выбранный по рабочему объему гидроцилиндр (D = 125 мм) привода поворота пневмоколес следует проверить на возможность преодоления максимального сопротивления грунта уплотнению, которое по аналогии с вычислением работы A∑ определим как

кН.

Усилие на штоке должно быть достаточным для преодоления максимального сопротивления уплотнению грунта. Максимально рабочее давление Рpmax в гидроцилиндре

МПа.

Гидроцилиндр удовлетворяет условиям проверки, если выполняется условие

Ppmax ≤ 0,9 Pнmax,

где Pнmax – максимальное давление, развиваемое насосом, МПа.

Как и ранее, здесь коэффициентом 0,9 учтены потери давления в гидролиниях.

Максимальное усилие Pmax, кН, на штоке гидроцилиндра (без внутренних потерь) составит:

кН,

где Ррmax – максимальное рабочее давление жидкости в гидроцилиндре, равное давлению настройки клапана вторичной защиты, МПа; D – диаметр гидроцилиндра, м.

Проверяем преодоление максимального сопротивления Wmax усилием на гидроцилиндре колеса: 89,5 кН ≥ 7,3 кН.

После выполненной проверки принимаем гидроцилиндр управления поворотом пневмоколес с рабочим объемом, равным Wгц = 6,7 л.

Механизм поворота пневмошинных колес должен обеспечить угол поворота до 60°, при котором достигается необходимая для уплотнения грунтов траектория колес и исключается их опрокидывание в различных положениях стрелы и рукояти.

Для получения оптимального угла поворота колес используем механизм с качающимся гидроцилиндром [1], управляющим возвратно-поступательным движением коромысла с пневмоколесами уплотнения грунта. При этом будем считать заданными: радиус шарнира коромысла, расстояние на рукояти между шарнирами коромысла, отношение угла его поворота к углу поворота кривошипа γ/α = 1,5.

Далее определяем угол поворота кривошипа: α = 60/1,5 = 40°.

Максимальную продолжительность технологической операции уплотнения tmax определяем по эмпирической зависимости:

c.

где l – длина прохода пневмошины, принимаемая равной l = 0,8 м.

Тогда расчетную мощность первичного двигателя Nдв, необходимую для осуществления процесса уплотнения, определяем по формуле:

кВт,

где Kн – коэффициент использования мощности насосной установки в процессе уплотнения; А – энергоемкость процесса уплотнения в расчетном грунте, отнесенная к единице прохода пневмошины, кДж/м; ηn ηро – суммарный КПД привода и рабочего оборудования.

Этап 4. Расчет производительности уплотнения грунта.

Часовая эксплуатационная производительность уплотнения грунта навесным оборудованием на пневматических шинах определяется по формуле:

м3/ч,

где Bу – ширина уплотняемой полосы, м; b – ширина перекрытия смежных полос, м (b = 0); xср – средняя рабочая скорость экскаватора при уплотнении грунта, км/ч; H – толщина уплотняемого слоя грунта, м (Н = 0,10–0,15 м); Kв – коэффициент использования внутрисменного времени; n – необходимое число проходов катка по одному следу (n = 4–6).

На основе расчетов по данным рекомендациям сформированы технические предложения навесного сменного грунтоуплотняющего оборудования [3], конструктивные элементы которого, как результат инвариантного проектирования с применением САПР КОМПАС-3D, представлены на рис. 2 и 3.

Выводы

1. Производительность разработанных навесных грунтоуплотняющих средств в стесненных условиях должна быть не ниже производительности отряда землеройно-транспортных машин. При этом пробный слой (толщина слоя не должна превышать 20…30 см) необходимо уплотнять последовательными проходами и после каждого отбирать пробы, на основании которых определяется требуемая плотность грунта.

2. На основании полученного эффекта, сформулированы практические рекомендации и технические предложения по уплотнению грунтов обратных засыпок в стесненных условиях навесным сменным грунтоуплотняющим оборудованием гидравлических экскаваторов или погрузчиков на базе спаренных шипованных и нешипованных пневматических шин (основная длина полосы уплотнения) и вибротрамбовками (на концевых участках полосы уплотнения).

Рис. 2. Уплотнение грунта гладкой поверхностью навесными пневмошинами

Рис. 3. Уплотнение грунтов обратных засыпок навесными вибротрамбовками