Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса. цель и задачи исследования 7
1.1 Особенности разработки мерзлых грунтов рыхлителями 7
1.2 Закономерности изнашивания наконечников 13
1.3 Анализ существующих теорий рыхления грунтов 20
1.4 Анализ, обоснование и выбор критериев эффективности 32
1.5 Выводы, цель и задачи исследования 36
2 Методика выполнения исследований 38
2.1 Методика теоретических исследований 38
2.2 Методика экспериментальных исследований 41
2.3 Описание экспериментальной установки 43
3. Экспериментально-теоретические исследования эксплуатации рыхлительных агрегатов с биметаллическими наконечниками 48
3.1 Определение силы сопротивления рыхлению мерзлых грунтов биметаллическими наконечниками 48
3.2. Экспериментальное определение значений коэффициентов внешнего трения материала износостойкой пластины 57
3.3 Исследования влияния технологических параметров процесса рыхления на производительность рыхлительного агрегата 58
3.4 Исследования влияния температуры мерзлых грунтов на производительность рыхлительного агрегата 72
3.5 Оценка адекватности теоретических исследований рабочего процесса рыхлительного агрегата 89
3.6 Выводы по главе 91
4 Реализация результатов исследований и оценка их эффективности 93
4.1 Рекомендации по использованию биметаллических наконечников при рыхлении мерзлых грунтов 93
4.2 Технико-экономическая эффективность использования биметаллических наконечников 104
Основные результаты и выводы 109
Литература
- Закономерности изнашивания наконечников
- Методика экспериментальных исследований
- Экспериментальное определение значений коэффициентов внешнего трения материала износостойкой пластины
- Технико-экономическая эффективность использования биметаллических наконечников
Введение к работе
Актуальность работы. Более 90 % территории России занято грунтами вечномёрзлыми либо грунтами сезонного промерзания. Большая часть земляных работ, выполняемых при строительстве, связана с разработкой таких грунтов, ежегодный объем которых составляет до 15-20 % от общего объёма.
Обустройство нефтегазовых месторождений на территории Западной Сибири и строительство нефтегазопроводов ведётся в основном в зимнее время ввиду высокой заболоченности местности. Рост объемов строительства в районах Севера с особой остротой выдвигает задачи повышения темпов разработки мёрзлых грунтов механическим способом. Одним из основных видов машин, осуществляющих разработку прочных грунтов являются рыхлители на базе гусеничных тракторов, рабочий процесс которых характеризуется наименьшей энергоемкостью процесса разрушения грунта, по сравнению с другими методами. Однако, как показала практика разработки мерзлых грунтов при равных энергетических затратах, можно получить различные производительности рыхлителей. Эффективность эксплуатации рыхлитель-ных агрегатов в значительной степени определяется степенью затупления рабочего органа рыхлителя и технологическими параметрами процесса рыхления (глубина и ширина рыхления, рабочая скорость машины). В настоящее время широкое применение получили рыхлители с биметаллическими наконечниками, которые позволяют эффективно осуществлять разрушение мерзлых грунтов благодаря эффекту самозатачивания. Тем не менее, обоснованное использование технологических параметров рыхления способствует повышению производительности машины и снижению энергозатрат.
В связи с этим, тема диссертационного исследования, посвященная повышению эффективности использования рыхлителей оснащенных биметаллическими наконечниками, является актуальной.
Цель работы: оптимизация технологических параметров рыхления мерзлых грунтов биметаллическими наконечниками.
5 Объект исследования: процесс рыхления мерзлых грунтов.
Предмет исследования: закономерности влияния технологических параметров рыхления на производительность рыхлительных агрегатов.
Задачи исследования. Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи: исследован процесс износа биметаллических наконечников и его влияние на величину сопротивления рыхлению мерзлых грунтов; разработан математический аппарат определения сопротивления рыхлению мерзлых грунтов биметаллическими наконечниками; исследовано влияние технологических параметров на эффективность процесса рыхления мерзлых грунтов; разработана методика обоснования рациональных технологических параметров рыхления мерзлых грунтов.
Методика исследований носит комплексный характер, содержит как теоретические, так и экспериментальные исследования.
Задачами теоретических исследований являлось выявление основных закономерностей, связывающих технологические параметры рыхления мерзлых грунтов и производительность рыхлительных агрегатов.
Задачей экспериментальных исследований являлось определение коэффициентов внешнего трения высокохромистого чугуна ИЧ 300Х12Г5 для грунтов различного гранулометрического состава, подтверждение адекватности математического аппарата определения сопротивления рыхлению мерзлых грунтов биметаллическими наконечниками. При экспериментальных исследованиях использовался метод пассивного эксперимента.
Научная новизна заключается: в разработке математического аппарата определения сопротивления рыхлению мерзлых грунтов биметаллическими наконечниками; в определении коэффициентов внешнего трения высокохромистого чугуна ИЧ 300Х12Г5 для грунтов различного гранулометрического состава; в разработке алгоритма оптимизации технологических параметров рыхления мерзлых грунтов биметаллическими наконечниками. Практическая ценность работы состоит: в разработке рекомендаций по рыхлению мерзлых грунтов различного гранулометрического состава и температуры биметаллическими наконечниками различной ширины; в разработке методики обоснования рациональных технологических параметров рыхления мерзлых грунтов для различных грунтовых условий и типов наконечников.
Реализация работы. В филиала №2 ОАО «Стройтрансгаз» г. Новый Уренгой принята к внедрению методика обоснования рациональных технологических параметров рыхления мерзлых грунтов биметаллическими наконечниками.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались и получили одобрение на: Международной научно-технической конференции "Проблемы создания и эксплуатации автомобилей, специальных и технологических машин в условиях Сибири и крайнего севера" (г.Омск, 24-25 сентября 2003 г.), Международной научно-технической конференции "Дорожно-транспортный комплекс как основа рационального природопользования" (г.Омск, 23-25 ноября 2004 г.), на научно-технических семинарах и заседаниях кафедры ЭДМ СибАДИ (2005 - 2007 г.г.).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 10 печатных работ, в том числе получено 3 патента на полезные модели.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных результатов и выводов, списка литературы и приложений. Общий объем диссертации составляет 152 страницы, в том числе 120 страниц основного текста 14 таблиц, 64 рисунка, список литературы из 105 наименований и приложений на 33 страницах.
Закономерности изнашивания наконечников
Наконечники рабочих органов землеройных машин подвергаются абразивному изнашиванию минеральными частицами грунта.
Изнашивание - процесс постепенного изменения размеров инструмента при трении о разрушаемую среду, проявляющийся в отделении материала с поверхности трения. Износ - результат изнашивания, оцениваемый по изменению размеров и формы инструмента. Износ наконечника проявляется в изменении геометрических параметров его рабочей части. Наконечник изнашивается, главным образом, по задней и боковым граням, в результате чего появляются поверхности, соединяющие соответственно переднюю грань с задней и боковыми. Передняя грань изнашивается незначительно.
В продольном сечении наконечника профиль поверхности износа задней грани в пределах армирующего элемента, а также рабочей части инструмента при его изготовлении из однородного материала можно представить в виде кривой линии, выпуклой в направлении плоскости резания (рис. 1.4). Сопряжение передней грани поверхностью износа происходит по радиусу г. На песчаных однородных грунтах профиль практически прямолинеен. При резании глинистых грунтов кривизна профиля более заметна, но и в этом
случае его можно характеризовать углом наклона Р к поверхности резания. При разрушении крупнообломочных грунтов профиль износа более сложен, и его можно условно разделить на три зоны/30, 77/: выкрашивания и скруглення режущей кромки I, с отрицательным углом II и зону перехода к задней грани III (рис. 1.4, б). Характер профиля износа задней грани инструмента практически не зависит от кинематики взаимодействия с разрушаемым массивом. Его геометрические параметры остаются стабильными на любой стадии износа, и изнашивание материала происходит с одинаковой интенсивностью в любой точке поверхности износа.
При резании однородных мерзлых грунтов, независимо от их гранулометрического состава, г =0,18... 0,25 мм для пластин их твердосплавных материалов. При разрушении грунтов с включениями радиус скруглення г больше указанных значений в 2...3 раза.
Угол профиля Р зависит от свойств инструментальных материалов и разрабатываемых грунтов. При резании крупнообломочных грунтов, незави симо от их состава, угол Р изменяется в относительно узких пределах и став-ляет 7...90 /30/. Переходная зона, где угол профиля близок к 0, незначительна по размерам и составляет у твердосплавных пластин 0,1...0,2 мм.
Чем выше уровень нагрузок, возникающих при взаимодействии режущей кромки с обломками прочных пород в грунте, тем больше значение параметра Асп (рис. 1.4, б). Поэтому Асп возрастает с увеличением прочности сцепления включений с грунтом, их размера и содержания до определенного предела.
Между геометрическими характеристиками износа существует взаимосвязь. Проекция ширины поверхности износа на плоскость резания А и интенсивность изнашивания по ширине ід могут быть определены в зависимости от износа по высоте h„ (рис. 1.4, а) и интенсивности изнашивания ih по нормали к плоскости резания по формулам: A=h„.Cr, (1.1) ід=іь-Сг. (1.2) Коэффициент Сг, отражающий влияние геометрических параметров на рассматриваемые характеристики изнашивания, находится из выражения Cr=l/(tgy+tgP)-l/(ctg0+tg(3) (1.3) Угол Р профиля поверхности износа при резании мерзлых и талых грунтов связан с их гранулометрическим составом: (рис. 1.5), но не зависит от режимов и параметров среза, конструкции инструмента, температуры и влажности грунтов в пределах, характерных для природных условий.
Угол р резцов из различных материалов резко меняет свое значение при твердости материалов, близкой к твердости кварца (табл. 1.1), наиболее распространенного минерала, содержащегося в грунтах. В данной области происходит резкое изменение интенсивности изнашивания и свойств материалов, от которых зависит угол профиля.
При резании определенного типа грунта инструментом из конкретного материала площадка износа однозначно ориентируется относительно плос кости резания. Если ее искусственно сформировать под углом, отличным от естественного угла профиля, изменяется характер взаимодействия этой поверхности с массивом. Экспериментально выявлено, что при превышении естественного угла профиля площадки износа задней грани, грунтдвижется вместе с ней, и образующееся при этом уплотненное «ядро» с нарушенными льдоцементными связями воздействует на массив как продолжение резца.
Методика экспериментальных исследований
Принятый в настоящей работе комплексный метод исследований предполагает такой этап работы как проведение экспериментальных исследований, основной задачей которого является получение показателей взаимодействия наконечника рабочего органа с грунтовыми частицами.
Общепринято различать два метода проведения эксперимента: активный и пассивный /65/.
Пассивный эксперимент предусматривает измерение только выбранных показателей в результате наблюдения за объектом без искусственного вмешательства в функционирование. Пассивный эксперимент, по существу, является наблюдением, которое сопровождается инструментальным измерением выбранных переменных состояния объекта исследования.
Активный эксперимент связан с выбором специальных воздействий и контролирует вход и выход исследуемой системы. Входными могут быть единичные ступенчатые воздействия на элементы ходового оборудования рых-лительного агрегата. Выходными характеристиками могут служить переходные процессы, снимаемы аппаратурой /27/.
Важным условием проведения экспериментальных исследований является обеспечение достоверности экспериментальной информации с требуемой доверительной вероятностью рд. В настоящей работе достаточной считалась доверительная вероятность рд = 0,95 /2, 27/.
Точность результатов исследования обеспечивалась количеством повторных измерений. Полагая, что распределение измеряемых в ходе выполнения экспериментов величин нормальных и тангенциальных сопротивлений подчиняются нормальному закону, число повторных измерений определялось по формуле 121\
А где z - квантиль нормального распределения; v - коэффициент вариации величины, для которой определяется количество повторных измерений; А -допустимая погрешность в определении искомой величины.
На основании предварительных экспериментов значение коэффициентов вариации при определении сопротивлений не превышает 0,15. При допустимой погрешности эксперимента 0,14 и доверительной вероятности 0,95 квантиль нормального распределения равен 1,82. Тогда необходимое число экспериментов составит:
Таким образом, для достижения точности результатов эксперимента в пределах 14% необходимо выполнить 3-4 повторных наблюдения. С помощью известных зависимостей определялись основные статистические характеристики контролируемых величин. Среднее арифметическое (математическое ожидание) т: п ІУі т = —, (2.2) п где у - значение определяемой величины; п - порядковый номер испытаний. Среднеквадратичное отклонение отдельного испытания определялось по формуле: Е(Уі-т)2 A=f п_, (23) Простая ошибка определялась по формуле: п І(Уі-т) г ЛА = 1=?, п = АдР» (2-4) уп(п -1) V тс где уі и уср - значение определяемого параметра, полученное при n-ом испытании и среднее арифметическое значение всех параметров соответственно. Среднее квадратическое отклонение аср от среднеарифметического характеризует окончательную точность результатов измерений а: «Л (2.5) m Для оценки относительной ошибки определяется коэффициент вариации V: а v=—. (2.6) m Границы доверительного интервала определились выражением: Уист=Уср±и- 5 (2-7) где 1Л- коэффициент Стьюдента. Полученный результат выбраковывался, если вычисленное значение ід было больше табличного.
Для определения коэффициентов сопротивления перемещению площадок износа ц, угла площадки износа пластины Р и угла внешнего трения грунта f о материал износостойкой пластины была разработана и изготовлена экспериментальная установка (рис. 2.2,2.3).
Модели мерзлого грунта в виде закрепленных грунтовых частиц различного размера в цилиндрической форме (рис. 2.4) помещаются в специальное гнездо для образцов, расположенное на нагрузочной траверсе (рис. 2.6).
Образец грунта таким образом прижимается к телу трения, выполненного в виде цилиндрической обечайки, закрепленной на вращающемся барабане (рис. 2.5). Обечайка изготовлена из того же материала, что и износостойкая пластина наконечника рабочего органа (высокохромистый чугун РІЧ 300X12Г5).
Экспериментальное определение значений коэффициентов внешнего трения материала износостойкой пластины
Определение величины коэффициента ц. сопряжено с определением значения угла внешнего трения грунта о материал износостойкой пластины наконечника, так как угол площадки износа пластины р является функцией коэффициентов внутреннего и внешнего трения.
По сути, коэффициент \х является комплексным показателем, так как учитывает не только тип грунта, но и материал инструмента, которым происходит разработка грунта. Угол площадки износа пластины предлагается вычислять по формуле: Pmjf-V + f-P + ff-(f-S+ - P-)9 (3.15) К 2p.(f+\) У J где f- коэффициент внешнего трения грунта о материал наконечника, р- коэффициент внутреннего трения грунта.
Коэффициент внешнего трения грунта о материал пластины наконечника будет изменяться в широких пределах, что обусловлено физическими процессами взаимодействия в зоне контакта, и зависит от размера кварцевых включений грунта, твердости и износостойкости материала пластины.
Таким образом, для определения сопротивлений рыхления рабочим органом с биметаллическим наконечником необходимо иметь следующие данные: - геометрические параметры наконечника; - характеристика разрабатываемого грунта; - параметры процесса взаимодействия износостойкой пластины наконечника с грунтом.
Исследования, проведенные в СибАДИ на кафедре «Эксплуатации дорожных машин» /48/ показывают на высокую эффективность использования высокохромистых чугунов в качестве износостойкого элемента. Они обеспечивают высокую износостойкость, хорошо соединяются с корпусом наконечника и имеют невысокую стоимость по сравнению с вольфрамокобальтовыми сплавами.
Для определения силы резания биметаллическими наконечниками с пластинами из высокохромистого чугуна необходимо значения коэффициентов внешнего трения материала износостойкой пластины для грунтов различного гранулометрического состава.
В ходе проведенной серии экспериментов были определены коэффициенты внешнего трения чугуна ИЧ 300Х12Г5 для трех типов моделей грунта с различным гранулометрическим составом.
Средний размер грунтовых частиц d для модели грунта выбирался на основании данных о гранулометрическом составе грунтов /51/.
Для каждого типа образца грунта проводилось 4 замера. В ходе каждого замера измерялось нормальное давление на образец и тангенциальное сопротивление, возникающее в зоне контакта образца с барабаном. По полученным данным были определены средние значения коэффициента трения (рис 3.7).
При расчете сил сопротивления рыхлению следует принимать значения коэффициентов внешнего трения грунтов по высокохромистым чугунам: для суглинков f=0,19...0,21; для супесей f=0,24...0,26; для песков =0,27...0,29.
Анализ полученных результатов показывает, что коэффициент трения зависит от гранулометрического состава грунта. Его значения возрастают практически прямопропорционально среднему размеру грунтовых частиц. Это связано, очевидно, с фрикционными свойствами промежуточных прослоек, образующихся в зонах контакта /46/. С увеличением среднего размера грунтовых частиц увеличивается доля кварцевых частиц в грунте. Это приводит к преобладанию микрорезания в зоне контакта над пластическим и упругим оттеснением и возрастанием сил фрикционного взаимодействия.
При рыхлении мерзлых грунтов возникают значительные сопротивления рыхлению, для преодоление которых необходимы высокие тяговые каче 59
ства тягача. Разработка мерзлых грунтов рыхлительными агрегатами характеризуется тремя основными технологическими параметрами: глубина, ширина рыхления и скорость движения тягача. Увеличение глубины или ширины рыхления приводит к возрастанию сопротивления рыхления мерзлого грунта и, следовательно, снижению скорости движения рыхлительного агрегата вплоть до полного буксования движителя.
Технико-экономическая эффективность использования биметаллических наконечников
Полученные зависимости позволяют быстро и точно определить значения рациональных технологические параметры рыхления мерзлого грунта при любой ширине рыхления и температуре.
Процесс оптимизации технологических параметров рыхления различных типов мерзлых грунтов биметаллическими наконечниками, используемый в настоящей работе, схематично изображен в виде алгоритма на рис. 4.9.
Разработанные рекомендации позволяют обоснованно применять технологические параметры при разработке мерзлых грунтов биметаллическими наконечниками, максимально использовать тягово-сцепные качества применяемого тягача, повысить производительность рыхлительного агрегата и снизить энергозатраты на производство работ.
Разработанные рекомендации по использованию биметаллических наконечников при рыхлении мерзлых грунтов позволяют повысить производительность рыхлительного агрегата.
Анализ технико-экономической эффективности применения биметаллических наконечников проводился по стандартной методике, основанной на определении удельных приведенных затрат. При этом проводилось сравнение биметаллического и незащищенного наконечника при рыхлении мерзлого грунта при одинаковых технологических параметрах - глубине и ширине рыхления.
Определение годовых затрат на наконечники. Цена литого наконечника для зуба рыхлителя составляет Ці= 840 руб. Стоимость изготовления рассматриваемого биметаллического наконечника по данным ССРЗ г.Омска составит Lfe=2820 руб. Годовых затрат на наконечники рассчитаем по формуле: К=Ц.2сшУТ; (4.17) где zCMr - число смен в году; Т- срок службы наконечника, маш.смен. Ki= 840-210/2 =88200 руб. К2 = 2820-210/5 =118440 руб.
Определение эксплуатационной производительности. Сметная сменная производительность для базисного Псмі и нового Псм2 вариантов рассчитана по часовой эксплуатационной производительности, рассчитанной в главе 3. ПСм = Пэ.1см.кэ, (4.18) где tCM - время работы машины в смену, час; кэ - коэффициент перехода от эксплуатационной к сменной производительности.
Часовые эксплуатационные производительности при рыхлении мерзлой супеси при температуре минус 15 С шириной рыхления 15 см и глубиной 52 см (выбранная глубина рыхления соответствует пиковому значению производительности при рыхлении биметаллическим наконечником) равны: ПЭ1 = 120 м3/час; Пэ2 = 220 м3/час. Тогда: Псмі = 120 8 0,75 = 720 м3/маш.смену; Псм2 = 220 8 0,75 = 1320 м3/маш.смену. Годовая эксплуатационная производительность: 11эг — 1-1см " 2смг« к " -- ) Пэг1 = 720 -210 = 151200 м3; Пэг2= 1320 -210 = 277200 м3. Определение удельных капитальных вложений. Удельные капитальные вложения Куд на единицу разрыхленного грунта определяются по расчетно-балансовой стоимости рыхлительного агрегата и его годовой производительности: КУД = К/ПЭГ; (4.20) КУД1 = 88200 / 151200 = 0,583 руб/м3; КУД2 = 118440 / 277200 = 0,427 руб/м3. Определение себестоимости машино-смены.
Себестоимость машино-смены Ссм определяется с учетом нормативов затрат, в соответствии с действующими прейскурантами, применительно к средним условиям использования рыхлительного агрегата. При этом учиты 106 ваются годовые затраты С , включающие амортизационные отчисления за год на полное восстановление и капитальный ремонт, текущие эксплуатационные расходы, складывающиеся из заработной платы Соп персонала, обслуживающего машину, стоимости горюче-смазочных и обтирочных материалов Сгсм, затрат на техническое обслуживание и текущий ремонт Сф, сменных затрат на износ и ремонт оснастки С0Си.
Амортизационные отчисления Сам на полное восстановление и капитальный ремонт, приходящиеся на одну машино-смену, определяются по расчетно-балансовой стоимости и нормам амортизационных отчислений: CaM = (A/zCMr)-l,l, (4.22) где А -амортизационные отчисления. A = S-a, (4.23) где а - общая норма амортизационных отчислений; S - расчетно-балансовая стоимость, руб. Расчетно-балансовая стоимость определяется по формуле: S = JVk6, (4.24) где Цм - оптово-отпускная стоимость рыхлительного агрегата, руб; кб -коэффициент перехода от оптовой цены к расчетно-балансовой стоимости с учетом доставки. S = 1616000-1,1 = 1777600 руб. Самі = Сам2 = ((1777600 0,158) / 210) 1,1 = 1471,2 руб/маш.смену; Сменные затраты на обслуживающий персонал Соп принимаются в соответствии с численностью и квалификацией персонала, с учетом косвенных расходов и премиальных надбавок, часовая тарифная ставка, в соответствии с ETC принимается равной 3 = 45,5 руб. Соп1=С0п2= Зтч tCM 1,25 1,125 = 511,8 руб/маш.смену. Сменные затраты на ГСМ и обтирочные материалы, с учетом косвенных расходов, определяются по формуле:
Похожие диссертации на Повышение эффективности эксплуатации рыхлительных агрегатов при разработке мерзлых грунтов биметаллическими наконечниками
