Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса исследования изнашивания рееущих элементов зшлеройшх машин 9
1.1. Современные представления о механизме изнашивания металлов при взаимодействии с абразивом 9
1.2. Сроки службы режущих элементов землеройных машин 12
1.3. Факторы, влияющие на изнашивающую способность грунтов 16
1.4. Стенды для исследования процесса изнашивания материалов при взаимодействии с абразивной массой 32
1.5. Выводы, цель и задачи исследования 39
2. Исследование грунтовых условий эксплуатации земле ройных машин КЖН-Казахстанского экономического района 43
2.1. Выбор региона исследования грунтовых условий эксплуатации землеройных машин 43
2.2. Природно-экономическая характеристика Южно-Казахстанского экономического района 47
2.3. Грунтовые условия эксплуатации землеройной техники Ккно-Казахстанского экономического района 53
2.4. Выводы. 66
3. Разработка методики и экспериментальной установки для исследования изнашивающей способности грунтов 68
3.1. Методика исследования изнашивающей способности грунтов 68
3.2. Создание лабораторно-полевой установки 72
3.3. Аппаратура и методика проведения экспериментов 84
3.4. Условия подобия и физического моделирования процесса изнашивания режущих элементов 96
3.5. Обработка экспериментальных данных 101
3.6. Выводы 103
4. Экспериментальные исследования процесса изнашива ния рееущйх элементов земяеройнбх машин 105
4.1. Влияние физико-механических свойств на интенсивность изнашивания режущих элементов по данным экспериментов 105
4.2. Влияние режимов резания грунтов на интенсивность изнашивания по данным экспериментов .. 112
4.3. Экспериментальное измерение давления на нижней грани ножа 121
4.4. Выводы 126
5. Теоретические исслтэдования и практический метод расчета интенсивности изнашивания реещйх элементов землеройных маше l28
5.1. Теоретические исследования факторов, влияющих на интенсивность изнашивания режущих элементов при взаимодействии с грунтом 128
5.2. Выбор метода расчета давления грунтов на изнашиваемую поверхность режущих элементов 133
5.3. Установление зависимости интенсивности изнашивания режущих элементов землеройных машин от главных факторов 137
5.4. Экспериментальная проверка разработанной методики расчета интенсивности изнашивания режущих элементов землеройных машин 150
5.5. Оценка изнашивающей способности грунтоы и методика расчета поправочных коэффициентов к нормам расхода режущих элементов землеройных машин 158
5.6. Выводы 174
6. Расчет ожидаемого экономического эффекта от вищребия результатов исследований в КЖНО-Казахстанском
экономическом районе 176
Заключение 163
Литература 186
Приложение 199
- Стенды для исследования процесса изнашивания материалов при взаимодействии с абразивной массой
- Природно-экономическая характеристика Южно-Казахстанского экономического района
- Условия подобия и физического моделирования процесса изнашивания режущих элементов
- Влияние режимов резания грунтов на интенсивность изнашивания по данным экспериментов
Стенды для исследования процесса изнашивания материалов при взаимодействии с абразивной массой
В настоящее время можно считать общепризнанным, что для получения при лабораторном и стендовом испытаниях такой же оценки изнашивающей способности абразива и износостойкости материалов как и при службе в эксплуатации условия трения должны быть по возможности идентичны. Первоначальными представителями этого направления являются В.Ф.Лоренц, М.М.Хрущов с сотрудниками и многие их последователи.
Различные способы и установки для испытания материалов на изнашивание широко освещены в работах А.К.Зайцева / 52 /, В.Д. Кузнецова / 75 /, М.М.Хрущова, М.А.Бабичева / 140 / и других авторов.
Первую классификацию методов исследования абразивного изнашивания предложил В.Ф.Лоренц / 84 /. В ней он рассматривал два вида взаимодействия изнашиваемых материалов с абразивом: с фиксированными и свободными частицами. Воздействие с фиксированными частицами абразива происходит при изнашивании материалов монолитным абразивом или абразивной поверхностью. Взаимодействие со свободными абразивными частицами возможно при изнашивании в абразивной массе под действием абразивной струи или абразивной прослойки. Позднее в данную классификацию был включен также единичный абразив / 78 /.
М.М.Хрущов и М.А.Бабичев / 140 / предложили следующую классификацию способов исследования изнашивания материалов: при трении о закрепленные абразивные частицы; при трении об абразивную прослойку; при трении в абразивной массе; ударно-абразивное изнашивание; в струе абразивных частиц; в газовом потоке, увлекающем абразивные частицы; в потоке жидкости, увлекающем абразивные частицы. В.П.Ларионов и В.А.Ковальчук / 78 /, рассматривая вышеприведенную классификацию, отмечают, что не следует выделять особые виды изнашивания по характеру той среды, в которой изнашивается материал. Указывают, что для построения классификации способов исследования изнашивания необходимо выяснить функциональное назначение самого способа, т.е. установить для исследования какой системы (по компонентности) он предназначен. Следующее условие - выяснить направление, величину и скорость приложения нагрузки, а также закрепленность абразивных частиц, т.е. факторы, определяющие интенсивность изнашивания". Авторы, рассматривая трехкомлонентную систему абразив-среда-материал, классифицируют способы испытаний по характеру закрепленности абразивных частиц: закрепленный абразив; полузакрепленный абразив; свободный, незакрепленный абразив. Данная классификация методов и видов испытаний предусматривает, что в зависимости от направления взаимодействия абразива знашиваемым материалом под действием нагрузки возможны трение, трение с ударом и удар.
По данной классификации можно выбирать необходимый метод и вид испытания на абразивное изнашивание, моделирующий процесс взаимодействия режущих элементов землеройных машин с грунтом. Испытания необходимо проводить в абразивной массе, характер взаимодействия - трение с ударом. Для реализации выбранного метода испытания существуют множество установок различного конструктивного исполнения.
Одна из первых установок для изнашивания материалов в абразивной массе, как было нами отмечено, предложена В.Ф.Лоренцом / 84 / и названа им "способ гильзы". В этой установке (рис.1.8,а) изнашивалась цилиндрическая поверхность образца диаметром 25 мм и высотой 10 мм при трении о кварцевый песок, уплотненный грузом через специальный диск.
Основной недостаток данной схемы заключается в контактировании одних и тех же абразивных частиц с изнашиваемой поверхностью. Этот недостаток устранен в установке (рис.1.8,б), который был использован в исследованиях К.Веллингера и Х.Уэтца / 151, 152 / путем эксцентричного размещения образца по отношению к оси цилиндрического .сосуда, При испытании образец может вращаться со.скоростью 300...3000 об/мин, а цилиндрический сосуд - 8 об/мин.
Некоторое соответствие "способу гильзы" имеет установка М.М. Севернева / 112 / (рис.1,8,в), которая кроме невозобНовляемости, имеет еще один существенный недостаток - различную линейную скорость взаимодействия образца с грунтом в разных точках изнашиваемой поверхности. Но размещение гильзы с опорной плитой на упорный подшипник дает возможность регистрировать силу трения в процессе изнашивания образца.
Близка к "способу гильзы" также установка, использованная в своих исследованиях Д.В.Конвиссаровым / 65 /, схема которой приведена на рис.1.8»г. Данная конструкция установки широкого распространения не получила из-за конструктивной сложности одновременного вращения трех образцов и придания.им равномерного возвратно-поступательного .движения (вверх-вниз).
Природно-экономическая характеристика Южно-Казахстанского экономического района
Территория Казахстана по своеобразию экономических и природных условий, по признакам территориально-хозяйственного единства подразделяется на 5 внутриреспубликанских экономических районов: Западно-Казахстанский, Южно-Казахстанский, Центрально-Казахстанский, Северо-Казахстанский и Восточно-Казахстанский.
Южно-Казахстанский экономический район охватывает южную часть территории республики, в него входят Алма-Атинская, Талды-Курганская, Джамбулская, Чимкентская и Кзыл-Ординская области. Территория данного района составляет 71262 тыс.км2 и разделена на 57 административных районов, имеет 25 городов и 46 поселков городского типа.
Территория района занимает пустынную зону и горные районы республики. Протяженность с севера на юг 700 км, а с запада на восток 2000 км. В связи с обширностью занимаемой территории природные условия Южного Казахстана сложны и разнообразны. Если северные части являются самыми засушливыми районами республики (песчаные пустыни), то южные части занимают горные отроги с умеренным влажным климатом. Подавляющая часть территории -равнина с песчаными каменистыми пустынями, 4/5 части территории приходится на долю Кызылкума, Приаральского Каракума, Муюнкума и занимающих Илийский бассейн Таукума, песков Сарыесик - Аты-рау расположенной на севере Джамбулской и Чимкентской областей и глинистой Бетбак-Дала. Южные части Талды-Курганской, Алма-Атинской, Джамбулской и Чимкентской областей окружают отроги Тянь-Шаня: Заилийский, Джунгарский, Таласский Алатау, хребты Кетмень, Угам. Склоны гор выше 3500 м покрыты ледниками и вечными снегами / 59 /.
Для изучения природно-климатических особенностей были взяты данные из работ /118,119/: о среднемесячной температуре воздуха на поверхности земли и грунта по глубине, количестве осадков по месяцам и за год, глубине промерзания грунтов по месяцам и в период наибольшего промерзания для отдельных пунктов Южно-Казахстанского экономического района, которые приведены в приложении I (табл.П 1.1...П.1.3). На основе обработки и анализа приведенных данных оценены природно-климатические условия эксплуатации землеройных машин в вышеуказанном районе.
В большей части района климат резко континентальный. Равнинная, пустынная северная часть засушливая, с частыми сильными ветрами. Снежный покров незначительный и недолго сохраняется.
Средняя температура января в Талды-Кургане - П,5С, в Кзыл-Орде - 9,3С, в Алма-Ате - 8,0, в Джамбуле - 4,6С, Чимкенте - 3,0. Лето жаркое засушливое. Средняя температура июля в Чимкенте 26,3, в Кзыл-Орде - 25,7, в Джамбуле - 23,8, в Алма-Ате 22,3, Талды-Кургане 21,8С. Среднее годовое количество осадков на северо-западе района составляет 100...200 мм, в центральной части Чимкентской области 200 мм, в южной части 480 мм, в Джамбуле 300...350 мм, Талды-Кургане - 450 мм, на склонах горной окрестности 800...1100 мм. В течение года осадки выпадают неравномерно, на юго-восточной предгорной части района большее количество осадков выпадает в теплое время (рис. 2.3), а в остальной части территории района - в холодное время (рис.2.4).
Несмотря на короткие зимы (3...5 месяцев), глубина промерзания грунтов в отдельных районах достигает 0,6...0,9 м, например, с.Ассы Алма-Атинская область, п.Казалинск Кзыл-Ординская область (рис.2.5). Это объясняется очень малым и неустойчивым снежным покровом. Как известно, прочностные и абразивные свойства мерзлых грунтов зависят от их температуры / 49 /, поэтому были изучены закономерности изменения температуры грунта по глубине их промерзания. Характерные кривые изменения температуры грунта по глубине в период наибольшего их промерзания для некоторых пунктов приведены на рис.2,6. Путем обработки и анализа данных по изменениям температур воздуха на поверхности земли и грунта на глубине до 3 м в течение года получены усредненные наиболее вероятные значения продолжительности мерзлого состояния грунта и среднемаксимальной глубины их промерзания в течение года для областей Южно-Казахстанского экономического района, которые сведены в табл.2.1.
Условия подобия и физического моделирования процесса изнашивания режущих элементов
При экспериментальном исследовании процессов взаимодействия режущих элементов землеройных машин с грунтом на экспериментальной установке были использованы основные положения теории приближенного физического моделирования этих процессов /6,13/. С этой целью были составлены критерии подобия. Из анализа результатов исследовании следует, что интенсивность изнашивания металлов при взаимодействии с различными грунтами характеризуется системой параметров (см.гл.1): (3.1) удельная массовая интенсивность изнашивания }) - удельное давление, МПа; о - скорость резания, м/с; 2 - путь трения, м; ft - глубина резания, м; - линейный размер рабочего органа, м; ьі - угол резания, град.; Т - сопротивление грунта сдвигу, кН/м ; (L - средний размер частиц грунта, м; У- плотность грунта, кг/м3; Но, /-/м - твердость абразива и изнашиваемого материала; j0 - угол внутреннего трения грунта, град. Используя теорию размерности и подобия, составим критерии подобия. В качестве базисных параметров приняты: , о] Y. Размерность любой величины в механической системе может быть выражена через основные единицы измерения Эксперименты по изнашиванию ножей различного масштаба проводились при резании суглинка, размеры частиц которого не более 2 мм. Принимая максимальный линейный размер минеральной фракции равной Z мм, определяем наименьшую допустимую ширину образца ножа D =31 мм. Таким образом, принятые масштабы уменьшения образцов Kfi = 7 и 1\2.- II удовлетворяют условию (3.6). При уменьшении толщины образцов ножей в вышеуказанном масштабе не удовлетворяются условия их прочности.
В связи с этим толщина образцов & выполнены в масштабе Кд IAJ / . По Конструктивным соображениям масштаб уменьшения длины стружки был принят: KL сКе . Геометрические параметры и результаты испытания натурных ножей и моделей приведены в табл.3.2. По результатам экспериментальных испытаний на изнашивание образцов ножей разного масштаба определяем показатель степени в формуле (3.5) следующим образом. Условно примем за удельный износ ножа натурной машины J0H износ первой модели J0Mi , где JoMl " Удельный износ ножа второй модели; Кещ- масштаб линейного уменьшения второй модели по отношению к первой и равен для нашего случая Подставив численные значения из табл.3.2 в формулу (3.8) определяем показатель степени Л : Таким образом, результаты экспериментов показывают, что опредедяющий критерий подобия является постоянной для разных масштабов моделей: Из теории / 6 / известно, что необходимым и достаточным условием подобия двух систем является равенство любых двух соответствующих критериев подобия этих систем. В рассматриваемой системе соблюдается равенство семи критериев, поэтому можно заключить, что данные системы подобны. Таким образом, на разработанной экспериментальной установке можно воспроизводить процесс изнашивания ножей бульдозеров без изменения прочностных свойств грунтов, использовав образцы ножей меньшего размера (см.рис.3.6). Переходные зависимости от модели к натуре имеют следующий вид: При определении параметров экспериментальных зависимостей применялись известные методы математической статистики /46,90/. Определение необходимого числа опытов производилось также статистическим путем, исходя из величины характерного для данного процесса коэффициента вариации О и допустимого отклонения в процентах. Коэффициент вариации определялся по формуле: где Q - среднее квадратическое отклонение, (стандарт); Ї - средняя арифметическая; где ji - отклонение отдельных результатов от средних, ft-число опытов.
Влияние режимов резания грунтов на интенсивность изнашивания по данным экспериментов
Эксперименты по определению зависимости интенсивности изнашивания от удельного давления проводились при трении образцов о суглинистый грунт естественного сложения (см.табл.4.2) и с нарушенной структурой такого же механического состава.
При проведении этих экспериментов был использован дополнительный узел крепления испытуемых образцов ножей к диску установки, который позволяет изменением величины сжатия пружин регулировать давление изнашиваемых образцов на грунт (см.п.3.2).
Результаты экспериментов на изнашивание образцов трением о грунт при различных давлениях в табл.4.4 и изображены графически на рис.4.5.
По приведенным графикам видно, что зависимости интенсивного изнашивания образцов от удельного давления для грунтов естественного сложения и с нарушенной структурой отличаются. При изнашивании образцов трением о грунт естественного сложения (см. рис.4.5, график I). Зависимость интенсивного изнашивания образцов от давления имеет два характерных участка: прямолинейный и криволинейный, который можно описать следующими уравнениями: А при истирании ог грунт такого же механического состава с нарушенной естественной структурой (см.рис.4.5. график 2) зависимость интенсивности изнашивания удовлетворительно описывается уравнением:
Сложный характер зависимости интенсивности изнашивания от давления на грунтах естественного залегания можно объяснить, по-видимому, разным характером процесса изнашивания образцов при различных давлениях. При малых значениях удельного давления изнашиваемый образец взаимодействует с грунтовыми частицами еще зафиксированными в массиве. Поэтому они взаимодействуют на изнашиваемую поверхность как резцы, перемещающиеся поступательно, при этом наблюдается прямопропорциональная зависимость интенсивности изнашивания от удельного давления. По мере дальнейшего повышения контактного удельного давления увеличиваются деформации и напряжения в грунте, жесткие необратимые структурные связи между грунтовыми частицами нарзппаются, грунтовые частицы приобретают подвижность, в результате чего их перемещение вдоль изнашиваемой поверхности ножа все в большей степени приобретает характер перекатывания. Поэтому происходит изменение характера зависимости интенсивности изнашивания от удельного давления. Этим можно объяснить расхождение результатов, полученных разными исследователями по изучению влияния удельного давления на интенсивность изнашивания металлов (см.п.I.3.5).
Таким образом, повышение удельного давления приводит к увеличению интенсивности изнашивания металлов (стали 65Г), а степень ее увеличения при этом зависит.от физико-механических свойств грунтов (степени закрепленности абразивных частиц в массиве грунта). Из анализа работ по изучению влияния скорости резания на интенсивность изнашивания выявлено, что имеются крайне противоречивые данные (см.п.1.3.6). В связи с этим было обращено внимание экспериментальному исследованию этого вопроса /58,132/.
Эксперименты по изучению влияния скорости взаимодействия на интенсивность изнашивания образцов проводились при резании суглинистого грунта естественного залегания, физико-механические свойства которого приведены (см.табл.4.2). При этом изменялся угол резания оС в пределах 7,5...60 с интервалом 7,5 (схема взаимодействия образцов ножей с грунтом изображены на рис.4.6).
Результаты экспериментальных данных приведены в табл.4.6 и изображены графически на рис.4.7. возрастает, а при oi = 22,5...60 - снижается. Такие связи между скоростью резания, углом резания и интенсивностью изнашивания образцов обусловлены, по-видимому, различием характера изменения давления грунта на нижнюю грань изнашиваемого образца в зависимости от скорости резания при различных углах резания. Грунт при взаимодействии с образцом подвергается упругой и пластической деформации, а давление грунта на нижнюю грань в условиях положительного и малых отрицательных значениях заднего угла, что имеет место при о 22,5, определяется упругими свойствами грунта; с повышением скорости резания восстановление упругой деформации запаздывает, это приводит к снижению удельного давления на нижнюю грань образца и, следовательно, к уменьшению интенсивности его изнашивания. При больших значениях отрицательного угла, что имеет место при U 15, происходит смятие грунта нижней гранью образца, поэтому с увеличением скорости возрастает давление на нижнюю грань образца, что приводит к повышению интенсивности его изнашивания.
Попытки найти в интервале 15 22,5 значение , обеспечивающее независимую от скорости резания Г интенсивность изнашивания образцов, не дали положительных результатов. Тогда, разместив на диске четыре образца под углом cL =22,5, подвергли их длительной обработке при J =1,2 м/с. Измерения рабочей части образцов показали, что после прохождения образцами путь трения 18...20 тыс.м на ней образуется устойчивая площадка износа с отрицательным задним утлом Jfes-IO0 (см.рис.4.6,в). Приработанные образцы подвергли изнашиванию на пути трения 210 м при той же скорости, при которой они прирабатывались, т.е. при %" =1,2 м/с. Аналогичные эксперименты были проведены и с другими партиями образцов при = 2...8 м/с с предварительной при работкой образцов при тех же скоростях резания,соответственно, при которых они испытывались на интенсивность изнашивания. Результаты испытания, представленные на рис.4.7, кривой 7, показывают, что интенсивность изнашивания приработанных образцов не зависит от скорости резания грунта.
Как известно /39,117/, форма изношенной режущей кромки зависит от типа разрабатываемых грунтов. Поэтому можно предположить, что характер изменения интенсивности изнашивания от скорости резания 1? других типов грунта будет аналогичным, но геометрические параметры образцов, при которых обеспечивается независимая от скорости резания If интенсивность изнашивания образцов будут различны.
