CC BY
76
Вісник ПДАБА
умовах формування ринкових відносин. Зб. наук. праць. - К.: КНУБА, - Вип. 22. - 2010. -С. 51 - 59.
5. Інноваційні концептуальні та формально-аналітичні інструменти обґрунтування, підготовки та впровадження будівельних інвестиційних проектів: Моногр. / В. О. Поколенко, С. А. Ушацький, Г. В. Лагутін, О. А. Тугай, Н. О. Борисова, О. С. Рубцова // За наук. ред. В. О. Поколенка. - К.: Вид-во Європ. ун-ту, 2008. - 208 с.
6. Лагутін Г. В. Організація будівельних освітньо-інжинірингових груп: автореф. дис. ... д-ра техн. наук: 05.23.08 / Лагутін Геннадій Володимирович; Одес. держ. акад. буд-ва і архіт. -Одеса, 2009. - 44 с.
7. Методика забезпечення платоспроможності інвестора, ліквідності активів проектів та їх соціальної ефективності на багатокритеріальній основі / В. О. Поколенко, Г. В. Лагутін, А. В. Шпаков та ін.. // Зб. наук. пр. «Комунальне господарство міст». - Харків: ХНАМГ, 2007. -Вип.78. - С. 70 - 78.
8. Теоретичні основи, методологія та практика ухвалення управлінських рішень у будівництві / В. О. Поколенко, О. А. Тугай, Г. В. Лагутін та ін. // Шляхи підвищення ефективності будівництва в умовах формування ринкових відносин. - К.: КНУБА, 2008. -Вип.18. - С. 71 - 89.
9. Тугай О. А. Система адаптації організації будівництва до євростандартів: автореф. дис... д-ра техн. наук: 05.23.08 / Тугай Олексій Анатолійович; Харк. держ. техн. ун-т буд-ва та архіт. -Х., 2008. - 33 с.
УДК 621.878.2:62-11
ОГЛЯД ТА ПРОПОЗИЦІЇ КОНСТРУКЦІЙ АКТИВНОГО РОБОЧОГО
ОБЛАДНАННЯ ЗЕМЛЕРИЙНО-ТРАНСПОРТНИХ МАШИН БЕЗПЕРЕРВНОЇ ДІЇ
О. І. Голубченко, к. т. н., доц., М. Е. Хожило, асп.
Ключові слова: землерийно-транспортна машина безперервної дії, активне робоче обладнання, ріжучі елементи, руйнування ґрунту, робочий орган різально-кидального типу.
Постановка проблеми. Внутрішні потреби та географічне розташування України сприяють розвитку дорожнього будівництва, будівництва та реконструкції трубопровідних магістралей, прокладанню меліоративних каналів. Зазначені види будівельних робіт характеризуються протяжністю та значними обсягами земляних робіт. У зв’язку з цим особливо актуальним є питання зниження енерговитрат і підвищення продуктивності виконання земляних робіт [3].
Більша частина парку землерийно-транспортних машин для виконання земляних робіт у зазначених видах будівництва містить бульдозери, скрепери, автогрейдери, які є машинами циклічної дії і мають відповідно робочі та холості операції циклу, що знижують продуктивність роботи машини.
Аналіз публікацій. Підвищити ефективність виконання земляних робіт дозволяють землерийно-транспортні машини безперервної дії, наприклад у вигляді грейдер-елеваторів, стругів-кидачів та багатоковшевих екскаваторів. У серійних конструкціях таких машин руйнування ґрунту та переміщення його на зовнішній транспортувальний пристрій здійснюється за рахунок тягового зусилля базової машини. У зв’язку з цим ефективність робочого процесу залежить від коефіцієнта зчеплення ходового обладнання з ґрунтовою поверхнею та ваги базової машини. Тому для збільшення площі поперечного перерізу зрізуваного ґрунту потрібно збільшувати вагу базової машини та її потужність, яка переважно не використовується стовідсотково на копання ґрунту через буксування ходового обладнання
[4].
Найбільш прогресивний шлях підвищення ефективності роботи землерийно-транспортних машин безперервної дії полягає у впровадженні на них активного робочого обладнання, у якому швидкість руху ріжучих елементів та транспортувальних пристроїв значно перевищує швидкість руху базової машини, а також застосування різних видів інтенсифікаторів, наприклад, із використанням вібрації, газоповітряного змащування, вибухових імпульсів тощо
[і; 5].
Активне робоче обладнання дозволяє скоротити кількість послідовних проходів, збільшити
48
№ 6 - 7 червень - липень 2011
ширину копання ґрунту, зменшити величину перекрить та підвищити точність робіт. Робочий процес при використанні цього обладнання може здійснюватися машинами, які мають більшу енергонасиченість при меншій вазі [2]. При впровадженні активного робочого обладнання землерийно-транспортних машин безперервної дії виникає ряд питань щодо забезпечення високої транспортувальної здатності обладнання, вибору найбільш вигідних схем руйнування ґрунту та навішування робочих органів, розробки ефективних конструктивних рішень, для переміщення ґрунту із зони різання на зовнішній транспортувальний пристрій. Таким чином, потрібно систематизувати існуючі технічні рішення активного робочого обладнання землерийно-транспортних машин безперервної дії, виділити основні класифікаційні ознаки та відповідні до них варіанти конструктивних рішень, виконати аналіз робочих процесів і запропонувати ефективні технічні рішення робочого обладнання.
Мета статті. Провести огляд та класифікувати технічні рішення активного робочого обладнання землерийно-транспортних машин безперервної дії. Подати пропозиції ефективних конструкцій активного робочого обладнання.
Виклад основного матеріалу. Робочий процес землерийно-транспортної машини безперервної дії з активним робочим органом складається з одночасно виконуваних операцій. Першою операцією є руйнування ґрунту різальною частиною робочого обладнання. Друга операція полягає у локальному транспортуванні ґрунту в зоні його руйнування з метою подачі на зовнішній транспортувальний пристрій, третя - це зовнішнє транспортування.
На підставі інформації з науково-технічних джерел, патентів та авторських свідоцтв різних країн, що стосується конструкцій активного робочого обладнання землерийно-транспортних машин безперервної дії, розроблена його класифікація (рис. 1), яка враховує особливості виконання перших двох операцій, а саме: руйнування ґрунту та його переміщення і завантаження на зовнішній транспортувальний пристрій. В основу класифікації покладені такі фактори: конструкція, форма та місце розташування різальних елементів, напрям
транспортування ґрунту в зоні його руйнування, конструкція, форма та місце розташування транспортувального пристрою.
Але попри вказані переваги, конструкції мають значний недолік - відсутність ефективного завантаження на зовнішній транспортувальний пристрій.
Як відомо, у сучасних землерийно-транспортних машинах безперервної дії як різальні органи використовують системи з прямолінійних, криволінійних, дискових ножів, а також системи із зубцями, різцями та комбіновані системи [2].
До недоліків прямолінійних ножів слід віднести обмеження обсягу накопичуваного ґрунту перед ножем, втрати у бічні сторони, збільшений опір різання ґрунту. Переваги полягають у простоті конструкції, отриманні рівної ґрунтової поверхні після копання. Криволінійні ножі дозволяють зменшити енергоємність процесу різання ґрунту та мають поліпшену напрямну здатність для зрізаного ґрунту. Дискові ножі незадовільно сполучаються з конвеєром, що призводить до втрат ґрунту, особливо сипкого, а також до зайвих витрат енергії на привід конвеєра у разі заклинювання стружки між його нижнім кінцем та поверхнею диска. Зубці та різці, на відміну від інших конструкцій, встановлюються на обертальних валах, барабанах, кожухах. Переваги застосування таких конструкцій полягають у можливості зниження енергоємності за рахунок раціональної системи різання, яка дає змогу руйнувати ґрунт у режимі вільного та напівблокованого різання. Крім того, слід відзначити, що спільним недоліком конструкцій суцільних та дискових ножів є складність та неефективність переміщення ґрунту від різальних елементів до транспортувального пристрою.
Це дає підстави стверджувати, що загальним недоліком копання ґрунту вищеозначеними робочими органами є залежність сили копання ґрунту з боку робочих органів від тягових властивостей землерийно-транспортних машин.
Так, при зниженні коефіцієнта зчеплення знижується тягове зусилля машини і відповідно площа поперечного перерізу зрізуваного ґрунту. У цьому випадку за умови сталої потужності силового обладнання залишається нереалізована потужність. Тому для підвищення ефективності процесу роботи машини доцільно використовувати надлишкову потужність для приводу активного робочого органа для руйнування ґрунту та його транспортування.
До недоліків конструкцій цієї групи активних робочих органів землерийно-транспортних машин безперервної дії можна віднести те, що ґрунт подається до транспортувального шнека під напірною дією зрізаного ґрунту і при цьому виникає додаткова сила тертя ґрунту по ґрунту і по суцільному ножу. Недоліком також є неможливість зміни параметрів процесу різання
49
Вісник ПДАБА
ґрунту.
Рис. 1. Класифікація активного робочого обладнання землерийно-транспортних машин
безперервної дії
Група конструкцій, у яких різальні елементи виконані у вигляді зубів, вирізняється зниженою енергоємністю процесу розробки ґрунту, простотою конструкції та можливістю зміни глибини, ширини копання та швидкою заміною різальних елементів. Спільним недоліком таких конструкцій робочого органа є підвищена матеріалоємність через велику кількість різальних елементів, що мають малу ширину різання. До недоліків конструкцій цієї групи можна віднести і те, що робочі поверхні різальних елементів не мають бічних обмежувачів, що призводить до втрат ґрунту при підйомі. Така конструкція має низьку ефективність розробки зв’язних та пластичних ґрунтів через неможливість захоплення і транспортування значних порцій ґрунту.
На відміну від згаданих конструкцій, особливої уваги заслуговують конструкції, у яких різальні елементи виконані у вигляді різців. Активні робочі органи, які належать до цієї групи, мають на меті розробку ґрунтів вище IV категорії та швидку зміну різців.
Сутність комбінованої конструкції різальних елементів полягає у тому, що зниження енергоємності процесу різання ґрунту досягається за рахунок поєднання блокованого різання зубами з вільним різанням ножем шнека в одному активному робочому органі. Ширина вільного різання ґрунту перевищує ширину блокованого різання.
50
№ 6 - 7 червень - липень 2011
Але недоліком цієї конструкції є низька надійність зубів при розробці ґрунтів із твердими включеннями.
Наступним фактором для порівняльного аналізу конструкцій активних робочих органів землерийно-транспортних машин безперервної дії обрано місце розташування різальних елементів. Конструкції, у яких різальні елементи розташовуються на транспортувальному пристрої, відрізняються своєю надійністю та простотою виконання, що дозволяє розробляти ґрунти з твердими включеннями, а також ґрунти III-IV категорії. Крім того неможливість зміни напряму транспортування ґрунту призводить до обмеження функціональних можливостей, що є недоліком.
Для підвищення продуктивності та зниження енергоємності при розробці різних типів ґрунтів були виконані конструкції робочих органів, у яких різальні елементи розташовані на зовнішньому кожусі. Але використання цих конструкцій не набуло розвитку через те, що робочий орган має складну конструкцію і відповідно знижену надійність роботи та потребує використання спеціальної базової машини, а також не дозволяє розробляти вологі та липкі ґрунти.
З метою підвищення продуктивності та зниження енергоємності процесу різання була винайдена конструкція активного робочого органа, у якому різальні елементи розташовуються на приводному валу. У такій конструкції має місце деблоковане різання за рахунок того, що різці прорізують дві щілини перед кожним ножем-скребком на відстані, яка дорівнює ширині різальної кромки ножа-скребка. До переваг цієї конструкції слід віднести можливість швидкої заміни ріжучих елементів. Проте головним її недоліком є втрата часу та ручної праці на переобладнання.
Наступним кроком у здійсненні порівняльного аналізу конструкцій активних робочих органів землерийно-транспортних безперервної дії була їх класифікація за напрямом транспортування у зоні руйнування ґрунту.
Встановлено, що найбільшого поширення набули конструкції активних робочих органів, у яких транспортування у зоні руйнування відбувається у радіальному напрямі. У таких конструкціях переваги полягають у простоті виконання робочого органа та відсутності втрат зрізаного ґрунту за рахунок того, що транспортування в зоні руйнування ґрунту здійснюється ковшами, а зовнішнє - шнеком у захисному кожусі. Але неможливість зміни глибини та ширини копання постає суттєвим недоліком наведеної конструкції.
Подальшого розвитку дістали конструкції, у яких напрям транспортування у зоні руйнування ґрунту осьовий двобічний у зустрічних напрямах. Особливість такої конструкції полягає у тому, що в осьовому напрямі шнеки мають змінний діаметр. Таке виконання підвищує ефективність транспортування ґрунту в зоні його руйнування тому, що його обсяг збільшується в осьовому напрямі. Змінний діаметр дозволяє отримати постійне значення коефіцієнта заповнення гвинтового транспортувального пристрою, а також здійснити підойм ґрунту у центральній частині на достатню висоту для його завантаження на поперечний транспортер. Серед недоліків зазначеної конструкції слід відзначити, зокрема, такі: значна металоємність, обмежена видимість оператора, зуби шнеків установлені на значній відстані один від одного, що потребує участі у різанні ґрунту зовнішніх кромок гвинтових лопатей шнеків. Крім того, в цій конструкції кут різання ґрунту лопатями не відповідає раціональному куту різання.
У конструкціях робочих органів, які належать до групи комбінованих за напрямом транспортування в зоні руйнування, основною метою є зниження опору переміщення ґрунту за рахунок послідовно розташованих фрезерного, фрезерно-транспортувального та транспортувального робочих органів, які забезпечують рух по колу ґрунту, що зрізується, з мінімальними витратами енергії, рівномірний його розподіл по поверхні планування з усуванням залишків ґрунту.
За типом транспортувального пристрою можна виділити наступні конструкції. Гвинтова поверхня характеризується збільшеною енергоємністю процесу транспортування ґрунту тому, що процес транспортування ґрунту супроводжується тертям ґрунту по ґрунту та по гвинтовій поверхні. Лопаті та ковші мають на меті транспортування ґрунту у зовнішню машину або на транспортер порціями. До того ж використання подібних робочих органів унеможливлює роботу на липких та вологих ґрунтах.
Однак з метою поліпшення ефективності радіального завантаження зрізаного ґрунту були запропоновані робочі органи з комбінованим транспортувальним пристроєм. Переміщення
51
Вісник ПДАБА
ґрунту з порожнин на зовнішній транспортер відбувається за рахунок дії відцентрових сил, що, у свою чергу, не потребує встановлення додаткового пристрою для транспортування. Проте використання таких конструкцій обмежене на липких та вологих ґрунтах. Також вони мають незначний об’єм порожнини для накопичування ґрунту, що знижує продуктивність землерийної машини безперервної дії.
За місцем розташування транспортувального пристрою слід виділити конструкції, у яких ковші містяться на роторі. Конструкції такого типу дозволяють підвищити частоту обертання ротора завдяки примусовому розвантаженню ковшів і тим самим підвищити продуктивність землерийно-транспортної машини безперервної дії. Однак механізм керування гнучким днищем має складну конструкцію і відповідно низьку надійність у роботі.
Наступним фактором у аналізі конструкцій активних робочих органів землерийно-транспортних машин безперервної дії є конструкція транспортувального пристрою.
Традиційною вважається пряма конструкція такого пристрою. Всі конструкції цієї групи мають вагомий спільний недолік - налипання зрізаного ґрунту на транспортувальну поверхню і високий коефіцієнт тертя ґрунту по ґрунту та ґрунту по транспортувальній поверхні.
На відміну від прямої форми, жолобчаста конструкція робочого органа землерийної машини безперервної дії дозволяє створити більш рівномірний розподіл навантажень на робочий орган, знизити динамічні навантаження при роботі та збільшити продуктивність транспортування розробленого ґрунту. До недоліку цієї конструкції слід віднести низьку ефективність розробки вологих та пластичних ґрунтів.
За способом виготовлення конструкції поділяються на: суцільнометалеві, гнучкі та стрічкові. Суцільнометалева конструкція відрізняється від інших тим, що вона має гарну планувальну здатність та відсутність втрат у бічні сторони за рахунок того, що диски встановлені під кутом відносно траєкторії пересування землерийно-транспортної машини. Недоліки цієї конструкції полягають в обмеженні умов застосування, а саме для руйнування скельних, напівскельних та міцних ґрунтів, підвищеній енергоємності процесу різання і транспортування.
Гнучка конструкція вирізняється, з-поміж іншого, простотою та зниженою матеріалоємністю, а також неможливістю налипання ґрунту на гвинтову поверхню, утворену гнучкими струнами. Але, попри вказані переваги, значним її недоліком постає неможливість роботи у складних ґрунтових умовах, таких як неоднорідні ґрунти, ґрунти з каменистими включеннями. У цих умовах можливе пошкодження струн.
Стрічкова конструкція має ефективну систему різання грунту, особливість якої полягає у тому, що спочатку ґрунт руйнується різальними лапами в умовах блокованого різання із залишками незрізаного ґрунту між лапами. Потім цей ґрунт в умовах вільного різання зрізується відвалом з мінімальною енергоємністю, залишаючи рівну поверхню. Однак система транспортування має суттєвий недолік, який полягає у тому, що між поверхнею відвала і шнековою стрічкою створюється значний просвіт. Це призводить до втрат ґрунту у призму волочіння перед відвалом. Розміри цієї призми визначаються різницею зовнішнього діаметра різальних лап та діаметром стрічки. Вона створює додатковий опір пересуванню робочого обладнання.
На підставі проведеного порівняльного аналізу конструкцій активних робочих органів землерийно-транспортних машин безперервної дії ми пропонуємо конструкцію робочого органа різально-кидального типу. В них відбувається одночасне руйнування ґрунту та його переміщення на зовнішній транспортувальний пристрій за рахунок кидання.
Технічна реалізація цього способу розробки ґрунту наведена на рисунку 2 [6]. Запропонована конструкція складається з основної рами 1, фрезерного робочого органа 2 з приводом 3, гідроциліндрів керування 4, розвантажувального транспортера 5 та корпуса 6. У свою чергу, фрезерний робочий орган 2 різально-кидального типу виконано у вигляді змонтованих на приводному валу 7 симетрично розташованих відносно повздовжньої осі машини гвинтових поверхонь 8, 9 з протилежними напрямами навивання, при цьому краї гвинтових поверхонь виконані у вигляді різальних ножів 10.
52
№ 6 - 7 червень - липень 2011
Рис.2. Активний робочий орган землерийно-транспортної машини безперервної дії:
а) поперечний переріз; б) вигляд зверху
Землерийно-транспортна машина безперервної дії працює таким чином. Після початку руху базового трактора та вмикання приводу 3 обертання різально-кидального робочого органа 2 відбувається його опускання гідроциліндрами 4 на глибину. Різання ґрунту відбувається ножами 10. Під час різання грунт притискується до гвинтових поверхонь 8 та 9 за рахунок сил опору різання ґрунту. Завдяки цьому при обертанні робочого органа між ним та ґрунтом виникають сили тертя. Частота обертання робочого органа має значення, достатнє для того, щоб ґрунт отримав імпульс від сил тертя, необхідний для його кидання на стрічковий конвеєр
5.
Наступна конструкція (рис. 3) також задовольняє умову одночасного руйнування ґрунту та його переміщення на зовнішній транспортувальний орган [7]. Робочий орган землерийної машини безперервної дії складається із зубів 1, які змонтовані уздовж вала 2 по гвинтовій лінії, кронштейна 3 для кріплення зубів 1 до приводного вала 2, у свою чергу зуби 1 оснащені різальними ножами, що мають пласку центральну частину 4, закріплену до різальної частини зуба 1, та похилі бічні частини 5, тильні сторони яких з’єднані гнучкими елементами 6 у вигляді ланцюгів із кронштейнами 3 для кріплення зубів 1 до приводного вала 2. При обертально-поступальному русі робочого органа різальні ножі зрізують ґрунт. Руйнування ґрунту здійснюється центральною частиною 4, різального зуба 1 а похилі бічні частини 5 здійснюють забір зруйнованого ґрунту з бічних частин перерізу. Об’єм зрізуваного ґрунту накопичується в порожнині, обмеженій гнучкими елементами 6 та передньою поверхнею зуба 1.
53
Вісник ПДАБА
Рис.3. Робочий орган землерийно-транспортної машини безперервної дії
різально-кидального типу
Розвантаження відбувається за рахунок кидання ґрунту, коли складова сили тяжіння, направлена уздовж зуба 1, дорівнює відцентровій силі, яка діє на ґрунт. Збільшення частоти обертання приводного вала робочого органа підвищує продуктивність розробки ґрунту та дальність транспортування.
Висновки. 1. Найпрогресивніший шлях підвищення ефективності роботи землерийно-транспортної машини безперервної дії полягає у впровадженні на них активного робочого обладнання, яке дозволяє підвищити швидкість руху базової машини та відповідно продуктивність робочого процесу, реалізувати стовідсоткову потужність силового обладнання незалежно від ґрунтових умов, скоротити кількість послідовних проходів при виконанні земляних робіт, забезпечити найсприятливіші умови для використання засобів автоматизації.
2. Робочий процес при використанні активного робочого обладнання може виконуватися машинами, які мають значну потужність при малій вазі.
3. Робочий процес землерийно-транспортних машин безперервної дії з активним робочим обладнанням складається з таких трьох операцій: руйнування ґрунту, транспортування ґрунту від різальної частини до зовнішнього транспортувального пристрою і безпосередньо зовнішнє транспортування.
4. На підставі аналізу встановлено, що найбільше на ефективність розробки ґрунту активним робочим обладнанням впливає засіб транспортування ґрунту від зони руйнування до зовнішнього транспортувального пристрою. Встановлена та класифікована велика кількість технічних рішень для здійснення цієї операції.
5. Найбільш перспективними є конструкції активного робочого обладнання землерийно-транспортних машин безперервної дії, в яких переміщення ґрунту від зони руйнування на зовнішній транспортувальний пристрій відбувається за рахунок кидання. Розгін ґрунту та завдання напрямку кидання здійснюється безпосередньо різальним пристроєм. Такий засіб не потребує застосування додаткових конструктивних елементів між різальною частиною та зовнішнім транспортером, що знижує матеріалоємність машини та енергоємність робочого процесу у цілому.
ВИКОРИСТАНІ ДЖЕРЕЛА
1. Баловнев В. И. Интенсификация разработки грунтов в дорожном строительстве / В. И. Баловнев, Л. А. Хмара. - М. : Транспорт, 1993. - 383 с.
2. Голубченко О. І. Розробка робочого обладнання землерийно-транспортної машини безперервної дії / О. І. Голубченко, М. Е. Хожило // Сб. науч. тр.: Интенсификация рабочих процессов строительных и дорожных машин; Вып. 51. Дн-ск : ПГАСА, 2009. - С. 110 - 113.
3. Демішкан В. Ф. Створення землерийно-транспортних машин за умовами вимог
54
№ 6 - 7 червень - липень 2011
сучасної техніки / В. Ф. Демішкан // Сб. науч. тр.: Автомобільний транспорт; Вып. 23 -Харьков: ХНАДУ, 2008. - С. 10 - 14.
4. Кузин Э. Н. Строительные машины: Справочник, Т.1: Машины для строительных, промышленных, гражданских сооружений и дорог / Э. Н. Кузин. - М. : Транспорт, 1991. -432 с.
5. Хмара Л. А. Анализ тенденций развития и перспектив развития в Украине подъемнотранспортных, дорожно-строительных и землеройных машин /Л. А. Хмара // Сб. науч. тр.: Строительство. Материаловедение. Машиностроение; Вып. 46 - Дн-ск : ПГАСА, 2008.- С. 5 -8.
6. Патент 46899 України, МПК Е 02 F 5/00. Землерийно-транспортна машина безперервної дії / О. І. Голубченко, М. Е. Хожило, Г. К. Фоменко; заявник та власник О. І. Голубченко, М. Е. Хожило, Г. К. Фоменко № u200907318 ; заявлено 13.07.2009 ; опубл. 11.01.2010, Бюл. №1.
7. Патент 48487 України, МПК Е 02 F 5/00. Робочий орган землерийної машини безперервної дії / Л. А. Хмара, О. І. Голубченко, М. Е. Хожило; заявник та власник Придніпровська державна академія будівництва та архітектури. - № u200908122 ; заявлено 03.08.2009 ; опубл. 25.03.2010, Бюл. № 6.
55
