CC BY
53
УДК 624.132.002.51.001.24
УДОСКОНАЛЕННЯ ПРИНЦИПУ СТВОРЕННЯ ЗЕМЛЕРИЙНО-ЯРУСНИХ
МАШИН
С.В. Кравець, професор, д.т.н., О.П. Лук’янчук, доцент, к.т.н.,
О.В. Косяк, аспірант,
Національний університет водного господарства та природокористування,
м. Рівне
Анотація. Проаналізовано недоліки конструкцій існуючих багатоярусних робочих органів, з точки зору енергоємності процесу, та обґрунтовано напрями оптимізації їх параметрів.
Ключові слова: критична глибина, ярус, робочий орган, ґрунт, енергоємність.
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРИНЦИПА СОЗДАНИЯ ЗЕМЛЕРОЙНО-ЯРУСНЫХ МАШИН
С.В. Кравец, профессор, д.т.н., А.П. Лукьянчук, доцент, к.т.н.,
А.В. Косяк, аспирант,
Национальный университет водного хозяйства и природоиспользования,
г. Ровно
Аннотация. Проанализированы недостатки конструкций существующих многоярусных рабочих органов, с точки зрения энергоемкости процесса, и обоснованы направления оптимизации их параметров.
Ключевые слова: критическая глубина, ярус, рабочий орган, грунт, энергоемкость.
IMPROVING THE CONCEPT DESIGN OF EARTHMOVING-LONGLINE
MACHINES
S. Kravets, Professor, Doctor of Engineering Sciences, O. Lukyanchuk, Associate Professor, Candidate of Engineering Sciences, O. Kosiak, post-graduate, National University of Water Management and Nature Resources Use, Rivne
Abstract. Design shortcomings of existing multi-tier work tools in terms of power intensity have been analysed. Ways to improve their parameters have been substantiated.
Key words: critical depth, tier, tool, soil, power intensity.
Вступ
Безтраншейне укладання підземних комунікацій пасивними землерийними робочими органами (ЗРО) здійснюється до 2 м і більше. Якщо необхідна глибина прокладання є більшою за критичну глибину різання, для усунення закритичної зони ущільнення ґрунту і зниження енергоємності робочого процесу формування щілини необхідно здійснювати багатоярусними ЗРО [1].
Аналіз публікацій
Основним принципом створення землерийно-ярусних машин є забезпечення роботи кожного ріжучого елемента на докритичній глибині, незалежно від загальної глибини розробки ґрунту. У частковому випадку, якщо загальна глибина розробки ґрунту не перевищує двох критичних глибин
Н < ЙКр! + ЙКр2 ( ¿крі, ¿кр2 - критичні глибини
різання відповідно у верхньому і наступних
нижніх ярусах), для усунення закритичної зони ущільнення робочий процес достатньо здійснювати за двоярусною схемою, а якщо
(¿крі + ¿кр2) < Н < ¿крі + (% - 1)Йкр2 , де % - кіль-
кість ярусів, то необхідно застосовувати багатоярусну схему руйнування [1, 2].
Мета і постановка задачі
З метою зменшення енергоємності процесу багатоярусними робочими органами розглянемо такі задачі: проведемо аналіз конструкцій існуючих багатоярусних робочих органів, визначимо їх недоліки, з точки зору енергоємності процесу, визначимо залежність енергоємності процесу від конструкційних параметрів ярусів, обґрунтуємо напрями оптимізації параметрів.
Аналіз конструкцій робочих органів
Класифікаційну блок-схему відомих конструкцій багатоярусних ЗРО наведено на рис. 1.
Визначальною операцією при поярусній розробці є транспортування ґрунту, яке здійснюється із зони різання кожного ярусу в напрямку найменшого опору. Таким напрямком може бути денна поверхня або штучно підготовлена робочим органом порожнина. Залежно від напрямку транспортування багатоярусні ЗРО та їх процеси відомі з транспортуванням ґрунту [3]: 1) на денну поверхню; 2) розміщені вище у яруси; 3) комбінованим; 4) внутрішньо-ярусним.
Аналіз відомих багатоярусних конструкцій ЗРО (рис. 1) і процесів [1] виявив такі їх недоліки: складність і громіздкість деяких конструкцій, великі габарити, незадовільні умови поярусного транспортування ґрунту, негативний технологічний вплив на навколишнє ґрунтове середовище (часткове ущільнення ґрунту у бічні стінки щілини) та інші. Все це призводить до збільшення енергоємності багатоярусних робочих процесів і металомісткості робочого обладнання.
Багатоярусні робочі органи
а) за кількістю стояків
одностоякові
І багаТостоякові |
б) за взаємним розміщенням стояків уздовж фронту
рядним
в) за шириною і глибиною ярусів
І у шахматному порядку
з постійними параметрами
зі змінними параметрами
г) за кількістю ярусів
двоярусні
триярусні
багатоярусні
д) за напрямком транспортування ґрунту
на денну поверхню | | внутрішньоярусне
І
у суміжний верхній ярус
комбіноване
е) за формою ґрунтонаправляючої поверхні
із плоскою
із криволінійною
із клиноподібною
із комбінованою
симетричні
ж) за розміщенням ґрунторозробних органів відносно стояків
| асиметричні
лівосторонні
правосторонні
з
Рис. 1. Класифікаційна блок-схема відомих конструкцій багатоярусних ЗРО
З метою усунення вище вказаних недоліків проведено структурну оптимізацію багатоярусних ЗРО, яка ґрунтується на таких принципах [1, 4, 5, 6]:
1. Поділ різального інструмента на ґрунто-розробні органи і розміщення їх у просторі має здійснюватися таким чином, щоб кожний попередній ґрунторозробний орган створював найсприятливіші умови розробки ґрунту для кожного наступного органа (принцип незалежності роботи попередніх ґрунтороз-робних органів від наступних).
2. Транспортування ґрунту у напрямку звільненого простору має здійснюватися: а) для безвідвальних ЗРО - за умови, що витрата ґрунту, який поступає на ґрунторозробний орган у нижньому ярусі, не перевищує витрат ґрунту, який проходить через вікна у суміжному верхньому ярусі (принцип рівності витрат ґрунту); б) для відвальних ЗРО - за умови, що площа поперечного перерізу зрізу ґрунтового шару ґрунту є не більшою за площу прохідних вікон у кожному ярусі (принцип рівності площ). Транспортування ґрунту може здійснюватися без обертання пластів у фронтальній площині (принцип рівності витрат) і з їх зворотним обертанням на кут п/2 (принцип рівності площ), а також на комбінованому принципі.
Для прокладання підземних комунікацій най-оптимальнішим за структурою є відомий
V
ЗРО, створений на основі принципу незалежності роботи попередніх ґрунторозробних органів від наступних і принципу рівності об’ємних витрат ґрунту у суміжних ярусах. Суть принципів показано на рис. 2 [1].
Процес формування щілини здійснюється ґрунторозробними органами, рознесеними по вертикалі на величину
• tgPTр)z• К < К
(1)
де ^ - висота ^го ярусу; к - його порядковий номер, рахуючи зверху вниз; hZ, h -висота розробки ґрунту у нижньому ярусі та критична глибина різання у ^му; Z, а Ртр -
відповідно кількість ярусів, кути різання ґрунторозробних органів і нахил стояка (несучої рами) до горизонту у напрямку руху (якщо ар = Ртр, ^ ^ - рівномірне розне-
сення).
Така розстановка ґрунторозробних органів на нахиленому у напрямку руху стояку (рамі) виключає можливість перекриття їх проекцій на горизонтальну і фронтальну площини, тим самим забезпечуючи принцип незалежності роботи попередніх органів від наступних і усуваючи додаткові сили тертя шарів ґрунту при їх русі у між'ярусному просторі.
А
а
Рис. 2. Схеми реалізації принципів незалежності роботи ґрунторозробних органів і рівності витрат ґрунту в суміжних ярусах: а - вигляд збоку; б - вигляд за стрілкою А; 1 - схилений (у напрямку руху) стояк; 2 - різальні кромки; 3 - ґрунтонапрямні елементи; 4 - клинопо-
дібний ґрунторозсікач; 5 - прохідні вікна; 6 - бічні стінки щілини
Ширина ярусів В2, В2 ч, В2_ 2 і т.д. є змінною, збільшується від нижнього ярусу до верхнього закономірно. Вибір ширини базується на принципі рівності витрат ґрунту, який подається із нижнього у суміжний верхній ярус. Об’єм ґрунту, який поступає на ґрунторозро-бний орган за одиницю часу у нижньому ярусі, дорівнює добутку площі фронтальної проекції трапеції а2,Ь2,с2,d2 (рис. 2, б), яка утворюється різальними кромками 2 двох суміжних ґрунторозробних органів і бічними стінками щілини 6 (площа поперечного перерізу зрізаного шару ґрунту) на переносну швидкість робочого органу V. Об’єм ґрунту, який проходить за той же час через прохідні вікна 5 у суміжному верхньому ярусі між різальними кромками 2, схиленим стояком 1 і бічними стінками 6 щілини, дорівнює добутку площі а 1Ь Іс1 d1 + а 'Ь с//d// на відносну швидкість ґрунту V,- [1]. Таким чином, принцип 2а для об’ємних витрат ґрунту у суміжних ярусах можна записати у вигляді
гії. Тому існує наукова задача параметричної оптимізації багатоярусного ЗРО, створеного на основі рівності витрат ґрунту у суміжних ярусах, з метою мінімізації тягового зусилля й енерговитрат на робочий процес.
Для дослідження необхідних витрат енергії на ущільнення зруйнованого ґрунту й оптимізації параметрів багатоярусних ЗРО, з метою мінімізації тягового зусилля, замінимо принцип рівності об’ємних витрат (2) на принцип рівності масових витрат ґрунту в суміжних ярусах. Для цього до лівої і правої частин рівності (2) введемо щільності ґрунту до розробки рпр і після його розробки рвх .
Bz + в^ 17
К УРпр =
. ( Bz-1 + Bz-2 _ в ) hz- 1рвх V
Л Z ' • г\ Г
2 sln Ртр
(3)
в2 + в2 _1 7 ^
—----------— п2у <
В2_1 + В2_2 _ в "2_1
(2)
2
sin р
тр
де Н2_1 - висота другого знизу ярусу. Площа прохідних вікон регулюється кутом Ртр нахилу стояка до горизонту у напрямку руху.
Зруйнований ґрунт ковзає по напрямній 3 нижнього ярусу, огинає клиноподібний роз-сікач 4 і через два прохідні вікна 5 транспортується з ущільненням (до природної щільності) у верхній суміжний ярус, звільнений від ґрунту попереднім ґрунторозробним органом. Розробка і транспортування ґрунту в наступних верхніх ярусах здійснюється так само, як у нижньому ярусі.
де рпр, рвх - відповідно природна щільність
ґрунту і щільність зруйнованого ґрунту на вході у прохідні вікна суміжного верхнього ярусу ( Рпр / рвх = ,р - коефіцієнт розпушення ґрунту).
З метою спрощення визначення ширини ярусів і подальших досліджень в основу створення багатоярусних ЗРО покладено умову, що кут нахилу бічних стінок розроблюваної щілини до горизонту по всій висоті, незалежно від ярусу, є постійним (кут у, рис. 2, б), а руйнування і транспортування ґрунту здійснюється за принципом (3).
Котангенс кута нахилу у в нижньому і суміжному верхньому ярусах для рівномірного рознесення ярусів по вертикалі відповідно залежності (1) П, = Нг = П (для ар =Ртр) дорівнює
Суттєвим недоліком описаної конструкції є ущільнення ґрунту після його руйнування у нижньому ярусі до природної щільності у суміжному верхньому ярусі. При ущільненні зруйнованого ґрунту до природної щільності зменшується ширина ярусів (ширина різання), що приводить до логічного зменшення сили різання. Але, з іншого боку, для ущільнення зруйнованого ґрунту до природної щільності необхідні додаткові витрати енер-
с§у =
в__, _в в 2 _в_, , .
z 1 z = z 2 z 1 = const, (4)
2К
2К
звідки
Із рівності (3), з урахуванням (5)
(5)
V
Г
2
V
БІп(а р + у)
маємо
де 0 =
В = 1 + 0 Х В
Вг_2 = 1 Х Вг
(6)
(7)
0 =
Рв
0
3
Рпр ^ Ртр8Іп(ар + ^’
тр
у - кут сколювання ґрунту в поздовжній (профільній) площині [1]
у = %+Ка р,
(8)
де ау, ^ - коефіцієнти інтерполяції, які залежать від фізико-механічних властивостей ґрунтів; ар - кут різання ґрунторозробного
органа.
Тоді
В:_1 Х в_.
ctgY =
0_ 1/3 В„
П(30_ 1)
(9)
(10)
Після проміжних перетворень ширина будь-якого ґрунторозробного ярусу, рахуючи зверху вниз, дорівнює
Вк = Вг + 2П( г _ к )С£у =
Н
1 +
2( г _ к) 30 _ 1
Вг , (11)
де г > —; Н - проектна глибина розроблю-
п
ваної щілини.
Залежність (11) суттєво спрощує подальші дослідження і розрахунки, в порівнянні із системою нерівностей [1], яка унеможливлює оптимізацію параметрів багатоярусних ЗРО класичними методами.
У випадку деформування і стискання ґрунтової стружки у деформуючій камері (регулюється розмірами прохідних вікон) щільність ґрунту на виході прохідних вікон передостаннього ярусу буде збільшуватися на певну величину від рвх до рвих, а швидкість зміниться від Vг до Ув. Тоді параметр 9 у формулах (7)—(11) визначиться за залежністю
• в (12) V 8ІП Ртр Рпр На рис. 3 і 4 наведено графічні залежності, побудовані за отриманими аналітичними залежностями. Показано залежності ширин багатоярусного ЗРО від кількості ярусів і швидкостей розробки та транспортування ґрунту через прохідні вікна у розпушеному (рис. 3) і підпресованому (рис. 4) станах.
Рис. 3. Залежність відношення ширини ярусів багатоярусного ЗРО від щільності ґрунту на виході із прохідних вікон передостаннього ярусу:
в
1) — для Z=5 ;
В2
——
2) — для Z=5, —- для Z=4 ;
В2 В2
3)—- для Z=5 ,В для Z=4, —1- для Z=3 ;
В2 В2 В2
4)В4 для Z=5, В для Z=4, В2 для Z=3 .
ВВВ
Для всіх варіантів багатоярусного ЗРО можна приймати В=В2 тому що у верхньому ярусі формується трапецеїдальна щілина із природними розвалами бічних стінок, об’єм якої дозволяє прийняти об’єм ґрунту у роз-
V
г
пушеному стані, якии зруйновано у суміж-BJ В:
Рис. 4. Залежність відношення ширини ярусів від співвідношення швидкостей транспортування ґрунту через прохідні шкна ( ар = рвих = pПр, Кр=1):
в
1) —1 для 2=5 ;
—г
2) В2 для 2=5, В- для 2=4 ;
ВІ В2
В В В
3) -3 для 2=5 , -2 для 2=4, -1 для 2=3 ;
ВІ В2 В2 ВВВ
4) — для 2=5, — для 2=4, — для 2=3 ВВВ
Висновки
Аналіз графічних залежностей на рис. 3 показує, що ширина ярусів (ширина різання) багатоярусного ЗРО зі збільшенням щільності зруйнованого ґрунту на виході із прохідних вікон деформуючих камер зменшується, тобто сила нарізання ґрунту логічно повинна зменшуватися. З іншої сторони, ущільнення зруйнованого ґрунту багатоярусним ЗРО у процесі транспортування його через деформуючі камери призводить до збільшення енерговитрат на транспортування ґрунту. Тому потрібно дослідити темпи змін питомих опорів багатоярусному різанню і від пе-реформатування, а також ущільнення шарів ґрунту в деформуючих камерах.
Із рис. 4 видно, що розміри прохідних вікон суттєво залежать від співвідношення швидкостей руху ґрунту на вході і виході деформуючої камери. Ширину ярусів можна змен-
ному нижньому ярусі.
шити за рахунок збільшення швидкості руху ґрунту на виході із прохідних вікон, але це призведе до зайвих витрат енергії на прискорення ґрунтових мас. Тому для збереження стабільності робочого процесу раціонально зберегти співвідношення швидкостей на вході і виході із деформуючих камер ( V,. = vв ) у
V V
межах = —^ = 0,7 — 0,8 (для найбільш імо-
V V вірних ґрунтів).
Література
1. Кравець С.В. Ґрунтозахисні та енергозбе-
рігаючі машини. Основи теорії, проектування та створення / С.В. Кравець. -Рівне: РДТУ, 1999. - 277 с.
2. Машини для земляних робіт: навчальний
посібник / Л.А. Хмара, С.В. Кравець, В.В. Нічке та ін. ; за заг. ред. проф. Л.А. Хмари та проф. С.В. Кравця. - Рів-не-Дніпропетровськ-Харків [б.в.], 2010. - 557 с.
3. Баладинский В.Л. Создание многоярусных
грунтозащитных бестраншейных укладчиков подземных коммуникаций /
B.Л. Баладинский, С.В. Кравец // Строит. и дор. машины. - 2000. - №1. - С. 28-33.
4. Кравець С.В. Теорія руйнування робочих
середовищ : навч. посібник / С.В. Кравець. - Рівне : НУВГП, 2008. - 124 с.
5. Кравец С.В. Многоярусное разрушение
массива горных пород: монография /
C.В. Кравец, В.Ф. Ткачук, З.Р. Малан-чук. - Ровно: НУВХП, 2007. - 268 с.
6. Кравец С.В. Машины для бестраншейной
прокладки подземных коммуникаций / С.В. Кравец, Н.Д. Каслин, В.К. Руднев, В.Н. Супонев ; под ред. Руднева В.К. -Х. : Фавор, 2008. - 256 с.
Рецензент: В.І. Мощенок, професор, к.т.н., ХНАДУ.
Стаття надійшла до редакції 2012 р.
11 травня
