Развитие научных основ взаимодействия контактной поверхности рабочих органов землеройных машин с мерзлыми грунтами. (29.06.2009)

Автор: Кузнецова Виктория Николаевна

Несмотря на быстрое развитие различных методов разработки мерзлых грунтов в настоящее время наиболее эффективен механический способ их разрушения, выполняемый при помощи статических и динамических средств механизации. Сравнительный анализ методов разработки мёрзлых грунтов показывает, что этим способом выполняется более 75 % объема работ. Так как сопротивление мерзлых грунтов разрушению в процессе скола изменяется весьма значительно в малые промежутки времени, то в отличие от немерзлых грунтов термин статического разрушения к мерзлым грунтам можно применять весьма условно. Амплитуда изменения силы резания мерзлых грунтов составляет в среднем 0,7 среднемаксимальной величины. Такие колебания силы обусловливают и динамические воздействия на рабочее оборудование, и динамичность самого процесса разрушения грунта.

Анализ применения статического разрушения мерзлых грунтов показывает его частое использование для разработки пластично-мерзлых грунтов, тогда как при помощи метода динамического разрушения разрабатываются твердомерзлые грунты. Выбор метода разрушения определяется величиной энергоемкости процесса разработки мерзлого грунта.

Исследования показали, что величина энергоемкости разработки мерзлых грунтов землеройными машинами зависит не только от физико-механических свойств грунтов, но и от конструкции рабочих органов, применяемых для выполнения работ. Доминирующая величина суммарной силы сопротивления грунта разработке приходится на лобовые поверхности режущих рабочих органов землеройных машин, к которым относятся наконечники зубьев рыхлителей и зубья ковшей экскаваторов. Поэтому для уменьшения величины сил сопротивлений разработке грунтов большое значение имеет выбор оптимальной конфигурации рабочих органов, параметров их режущих кромок. Широкое использование землеройных машин на разнообразных типах мерзлых и талых грунтов вызывает необходимость изготовления наконечников зубьев рыхлителей и зубьев ковшей экскаваторов различной конфигурации. При этом в основном учитывается практический опыт разработки грунта.

Разработка мёрзлых грунтов существенным образом зависит не только от начальных параметров рабочих органов, но также и от изменения их в процессе разработки грунта. Как показывают исследования, эффективность разработки резко падает из-за затупления рабочих органов в результате абразивного износа. В некоторых случаях рабочие органы изнашиваются до предельных значений за 2-4 смены эксплуатации. Снижение скорости изнашивания рабочих органов позволит значительно повысить производительность землеройных машин и эффективность их работы. Повышенная эффективность как интегральный показатель процесса разработки грунта рабочими органами землеройных машин характеризуется не только их высокой износостойкостью, но должна учитывать энергоэффективность разработки мерзлых грунтов.

Следовательно, назрела необходимость в разработке методологии определения оптимальных геометрических параметров и конфигурации рабочих органов землеройных машин, в частности их рабочих поверхностей, участвующих непосредственно в разрушении мерзлых грунтов. Данная методология должна учитывать пространственность и динамичность процесса разработки мерзлых грунтов, их физико-механические свойства и режимы разработки.

Данные исследования выполнены в рамках гранта Президента РФ по теме «Обоснование конструкции и параметров рабочих органов землеройных машин для разработки мерзлых грунтов» в 2007 - 2008 г.г., а также аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы на 2006 – 2008 г.г». Это еще раз подчеркивает актуальность работы.

Научная проблема состоит в необходимости разработки теории пространственного взаимодействия рабочих органов землеройный машин с мерзлым грунтом, имеющей практический выход на определение основных параметров рабочих органов.

Гипотеза: оптимизация параметров пространственных форм рабочих органов землеройных машин, взаимодействующих с мерзлыми грунтами, приводит к минимизации энергоемкости процесса разработки грунтов.

Основная идея работы заключается в установлении и обосновании методами вариационного исчисления параметров оптимальных пространственных форм рабочих органов землеройных машин для разработки мерзлых грунтов.

Цель исследования: создание методологии определения оптимальных параметров рабочих органов землеройных машин для повышения эффективности разработки мерзлых грунтов.

Объект исследования: рабочие органы землеройных машин, взаимодействующие с мерзлым грунтом.

Предмет исследования: выявление закономерностей изменения величин, характеризующих процесс взаимодействия рабочих органов землеройных машин с мерзлым грунтом.

Для достижения цели в работе поставлены и решены следующие задачи исследования:

- математическое описание реологической модели мерзлых грунтов;

- построение обобщенной математической модели динамических процессов для интерпретации пространственного взаимодействия рабочих органов землеройных машин с мерзлым грунтом;

- экспериментальное определение зависимостей, численных значений коэффициентов, входящих в математическую модель, и установления границ ее адекватности;

- разработка методологии обоснования и определения оптимальных параметров рабочих органов землеройных машин повышенной эффективности путем снижения энергоемкости процесса разработки мерзлого грунта;

- практическое внедрение теоретически полученных результатов по созданию рабочих органов землеройных машин повышенной эффективности.

Научная новизна работы представлена:

- математическим описанием реологической модели мерзлого грунта как пластически сжимаемой среды;

- получением закономерностей сжимаемости мерзлых грунтов в зависимости от температуры грунта и сжимающего давления;

- разработкой обобщенной математической модели динамических процессов пространственного взаимодействия рабочих органов землеройных машин с грунтом;

- разработкой методологии обоснования и определения оптимальных параметров рабочих органов землеройных машин повышенной эффективности.

Достоверность научных положений обеспечена:

- методологической базой исследования, основанной на фундаментальных теориях;

- применением математического анализа в качестве основного инструмента исследования;

- практической и экспериментальной проверкой адекватности теоретических исследований.

Практическая ценность заключается в следующем:

- возможность использования теоретических разработок обобщенной математической модели взаимодействия рабочих органов с грунтом для получения оптимальных параметров рабочих органов землеройных машин;

- применение разработанной методологии обоснования и определения оптимальных параметров рабочих органов землеройных машин повышенной эффективности на предприятиях транспортного и строительного машиностроения;

- использование разработок и результатов исследований при реализации и коммерциализации инновационных проектов, в учебном процессе по специальностям 190603 (03) «Сервис транспортных и технологических машин и оборудования (строительные, дорожные и коммунальные машины)», 190603 (04) «Сервис транспортных и технологических машин и оборудования (нефтегазодобыча)», 190205 «Подъемно-транспортные, строительные, дорожные машины и оборудование», направлениям подготовки бакалавриата 190000 «Транспортные средства» и магистратуры 190100.68 «Наземные транспортные системы».

Научные положения и результаты, выносимые на защиту:

- математическое описание реологической модели мерзлого грунта как пластически сжимаемой среды;

- закономерности изменения величины сжимаемости мерзлых грунтов;

- обобщенная математическая модель динамических процессов пространственного взаимодействия рабочих органов землеройных машин с мерзлым грунтом;

- методология обоснования и определения оптимальных параметров рабочих органов землеройных машин повышенной эффективности.

Реализация результатов исследований осуществлена в виде передачи научно-технических разработок, рекомендаций, программных продуктов для ЭВМ, которые использованы в ОАО «Стройтрансгаз» (г. Новый Уренгой), ГП «Северавтодор» (г. Нефтеюганск), Конструкторском Бюро Транспортного машиностроения, Мостовом ремонто-строительном управлении, Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии (СибАДИ) (г. Омск), при выполнении научно-исследовательских работ.

Материалы работы используются в лекционных курсах, дипломном и курсовом проектировании студентов Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии (СибАДИ).

Апробация работы. Основные научные положения и результаты теоретических и экспериментальных исследований докладывались, обсуждались и получили положительную оценку на Международной научно-практической конференции «Технологии ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологической оснастки» (г. Санкт-Петербург), научно-производственном семинаре ОАО «Стройтрансгаз» (г. Новый Уренгой), Всероссийских научно-практических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых «Развитие дорожно-транспортного комплекса и строительной инфраструктуры на основе рационального природопользования», Международной научно-технической конференции «Автомобильные дороги Сибири», Международном конгрессе «Машины, технологии и процессы в строительстве», посвященном 45-летию факультета «Транспортные и технологические машины» СибАДИ, международном форуме «Инновации года», международном форуме «Омская марка», международном форуме «Омскполитех», научно-технических конференциях СибАДИ, научных семинарах факультета «Транспортные и технологические машины» СибАДИ. Опытные образцы наконечников зубьев рыхлителей были представлены на международных выставках «Стройпрогресс-

98», «Стройпрогресс-99», «Стройпрогресс-2000», «Инновации года», техническом салоне «Омскполитех» (г. Омск).


загрузка...