В настоящее время в строительстве используется большое количество машин, которые выполняют различные земляные работы. Объёмы строительства и усложнение конструкций возводимых сооружений постоянно растет, это вызывает заинтересованность и необходимость в таких машинах. Достаточно большое количество компаний занимаются производством данных машин, как в России так и за рубежом. Одной из таких землеройно-транспортных машин является автогрейдер. В России автогрейдеры производились на 3 крупнейших заводах. Каждый завод выпускал свой тип автогрейдера и его модификации. Автогрейдеры легкого типа выпускались на заводе «Брянский арсенал», среднего типа – в Орле на ПО «Дормашина», и тяжелого типа – в Челябинске на ПО «Завод им. Колющенко». В настоящее время автогрейдеры выпускают преимущественно только в Челябинске.
Передовыми предприятиями по производству автогрейдеров за рубежом являются Caterpillar, John Deere, Komatsu, Fiat-Allis, Frisch, Aveling Borford, Mitsubishi, Bolinder, Hall-Nord [4].
Для многих зарубежных моделей характерным является присутствие различного сменного и дополнительного рабочего оборудования [13]. Но, несмотря на отличительные характеристики данных машин, их устройство и назначение являются одинаковыми.
Автогрейдер является одной из самых массовых землеройно-транспортных машин. Его применяют для выполнения различных работ, а именно: работы по планированию, профилированию и возведению земляного полотна. Высокие требования к точности соблюдения геометрических параметров земляных сооружений является неизменной задачей. Но автогрейдеры, создаваемые у нас и за рубежом, имеют систему стабилизации рабочего органа, но она не имеет устройства индикации, позволяющей оценить точность соблюдения геометрических параметров дорожного полотна. Поэтому совершенствование автогрейдеров позволит повысить их качество и технико-экономические показатели.
На сегодняшний день в связи с ростом объемов разработки грунта наблюдается тенденция увеличения типоразмеров рабочего оборудования и агрегатов, поэтому конструктивные погрешности влияют на сопротивление копанию сильнее, чем при малых размерах рабочего оборудования. Уменьшение энергоемкости – основная задача для создания эффективных землеройных машин. Из этого следует, что себестоимость разработки грунта будет снижаться. Снижение энергоемкости связано с усовершенствованием рабочих органов землеройных машин, которое возможно осуществить на базе научных исследований процесса взаимодействия рабочего органа с грунтом [5].
Большой акцент делается на развитие конструкций основного рабочего органа автогрейдера – отвала. От различного типа выполняемых операций у отвала изменяются его параметры. Использование тяговой мощности автогрейдера также связано с характеристиками отвала. От размеров, формы и расположения отвала в пространстве зависят рабочие сопротивления, поэтому параметры отвала необходимо согласовывать с характеристиками двигателя и трансмиссии. Таким образом, задача по совершенствованию конструкции рабочего органа автогрейдера с целью повышения производительности путем реализации ресурсов машины по тяговой мощности является актуальной [10].
Рассматриваются предложения по следующим направлениям: универсализации отвала как рабочего органа, изменение формы отвала, а также трансформация рабочего органа от вида работ и назначения.
Основные направления модификации отвала – увеличение объема разрабатываемого грунта, уменьшение сопротивления, практичность и универсальность для выполнения различных операций.
Основными задачами грейдерного отвала являются операции резания и перемещения грунта. Разработан целый ряд требований к параметрам отвала, в частности углы зарезания, опрокидывания, задний угол, высота и радиус профиля отвала. Эти требования необходимо учитывать, т.к.разрабатываемый грунт имеет различные свойства и характеристики.
Разработка грейдерного отвала, который подходит для различных видов производственных операций, заключается в том, что условия работы и величины нагрузок сильно изменяются в различных режимах. В зависимости от этих факторов снижается производительность. В частности, длина отвала рассчитывается для зарезания грунта, которое является наиболее тяжелой операцией. При этом длина отвала ограничена величиной рабочих сопротивлений и максимальной тяговой мощностью машины [10].
Разработку отвала, который повысит производительность, необходимо проводить с учетом переменных рабочих сопротивлений, различных грунтовых условий, анализа характеристик двигателя и трансмиссии. [10].
Количество проходов по перемещению грунта и скорость машины являются основными параметрами, которые оказывают существенное влияние на производительность автогрейдера при переменной длине отвала. С увеличением длины отвала количество проходов, необходимых автогрейдеру для перемещения грунта будет сокращаться. Скорость автогрейдера при этом уменьшается. Из этого можно сделать вывод, что необходимо подобрать такие параметры, чтобы производительность была близка к максимальному значению. Мощность двигателя при этом необходимо использовать максимально. Из этого следует, что помимо всего прочего нужно знать, каким образом изменение длины отвала влияет на различные параметры и процессы в различных грунтовых условиях.
Поэтому, проведенные исследования можно разделить на три группы. Первая включает в себя исследования, направленные на получение теоретических зависимостей между длиной отвала, переменной силой сопротивления перемещению грунта, действительной скоростью движения автогрейдера и тяговой мощностью.
Целью данного исследования является определение запаса тяговой мощности, за счет которого можно увеличивать длину отвала и повышать производительность. Вторая группа исследований – поиск подходящей длины отвала, которая обеспечит максимальную производительность в различных грунтовых условиях, параметров рабочего процесса, двигателя и трансмиссии машины. Третья группа исследований – это проектирование, реализация на практике и испытание модификации рабочего органа, который позволит повысить производительность автогрейдера при перемещении грунта [10].
Многие ученые занимались исследованием работы отвалов. Одними из первых были профессор А.И. Анохин и И.М. Эвентов. Они изучали вопросы, которые касались оптимальной формы рабочей поверхности отвала и угла захвата. И.М. Эвентов экспериментально определил наиболее предпочтительную форму профиля грейдерного отвала. Рациональной формой отвала была форма, при которой грунт меньше деформировался и быстрее перемещался в сторону. За рубежом в области изучения работы отвалов известными трудами являются работы немецких ученых Г. Дресса и Г. Кюна. Они изучали отвалы неповоротных бульдозеров.
Экспериментальные исследования И.В. Шатова, так же как и работы А.И. Анохина и И.М. Эвентова, Н.В. Орнатского основаны на аналогии плоского щита и грейдера. Профессор В.П.Горячкин, на основании теоретического анализа процесса резания косым клином пришел к выводу, что перемещение косопоставленного клина требует меньше усилий, чем простого клина, если учитывать трение, появляющееся на опорной поверхности.
Существенный вклад сделан И.А. Недорезовым, проводившим исследования на трех отвалах с разными углами резания. Он выявлял оптимальную форму профиля отвала и влияние кривизны отвала на сопротивление копанию. Выбор рациональной формы отвала неразрывно связан с углом установки отвала. По данным исследований И.А. Недорезова с уменьшением угла захвата удельное сопротивление грунта копанию уменьшается [5].
Изучение влияния угла резания на величину усилия резания проводилось многими учеными. Полученные ими результаты сходятся только в одном: с увеличением угла резания усилие резания возрастает. В количественном отношении результаты сильно различаются. Также выявлено, что влияние угла резания на удельное сопротивление копанию больше, чем угла захвата. Установлено, что с увеличением наклона отвала вперед, а также с возрастанием угла резания сопротивление перемещению призмы волочения увеличивается, а сама призма волочения уплотняется и стружка вырезаемого грунта, поднимаясь по отвалу, преодолевает большее сопротивление, чем в случае меньшего угла наклона отвала и более рыхлого грунта в призме волочения. Сопротивление перемещению призмы волочения зависит не только от объема грунта в призме, но и от того, каким образом этот объем перемещается впереди отвала [5].
На автогрейдерные отвалы устанавливаются криволинейные ножи, которые имеют определенную кривизну. Однако исследовался сам профиль отвала, а при аналитическом определении сил копания отвалом кривизной нижнего ножа пренебрегают, считая его плоским [5].
Профессор В.И. Баловнев отмечал, что кривизной отвала можно пренебречь при соотношении радиуса кривизны отвала к высоте 0,9-1,1. Для отвалов автогрейдеров это соотношение составляет 0,6-0,8, т.е. не достигает того предела, когда кривизной можно пренебречь [5].
Анализ работ по изучению процесса взаимодействия отвальных рабочих органов с грунтом показывает, что этой проблеме уделяется большое внимание, что свидетельствует об ее актуальности и важности.
Настоящая выпускная квалификационная работа посвящена изучению отвала автогрейдера переменной длины, позволяющему увеличить производительность и снизить количество проходов в режиме перемещения грунта.
На основе анализа, можно сделать вывод, что установка на край отвала автогрейдера удлинителя с нижним режущим ножом – простое решение превратить отвал в рабочее оборудование для перемещения грунта. С помощью гидроцилиндров меняется длина отвала. Поэтому, предпочтение отдается секционным отвалам, которые состоят из центральной и двух боковых секций. Японская фирма Mitsubishi запатентовала такое изобретение. Оно выглядит следующим образом: трехсекционный отвал состоит из центрального основного отвала и двух боковых секций, которые выдвигаются параллельно основному отвалу по горизонтальным направляющим. Боковые секции расположены перед лобовым листом основного отвала, имеют такую же высоту и профиль, как и основного отвала, а также участвуют в процессе резания грунта при минимальной длине отвала [10].
Японская фирма Komatsu использовала схожее изобретение. Примером таких конструкций служат регулируемые отвалы автогрейдеров GD-300A-1, GD-405A-1 и GD-505A-2. Отвал имеет телескопическое устройство и коробчатое сечение основной секции. Во втянутом состоянии боковые секции находятся позади основного отвала, а гидроцилиндры – внутри центральной секции. Коробчатое сечение обеспечивает прочность всего рабочего органа. Но у всех этих конструкций есть основной недостаток: повышенное сопротивление при одновременном резании грунта ножами основного отвала и боковых секций, а также уменьшение заднего угла ножа отвала [10].
Было предложено еще одно техническое решение, в котором боковые секции при задвижении поднимаются по винтовым направляющим относительно основного отвала. При этом задний угол сохраняется, а ножи боковых секций не мешают резанию грунта основным отвалом. Но и у этого изобретения имеется недостаток. Боковые секции имеют меньшую высоту и двигаются концентрично лобовому листу отвала, и за счет этого сохраняется угол опрокидывания основного отвала. Но может произойти пересыпание грунта через верх боковых секций, которое связано с увеличением угла опрокидывания основного отвала.
В США был запатентован регулируемый отвал для выполнения различных поперечных профилей (вогнутого, треугольного, параболического). Он состоит из нескольких шарнирно-сочлененных частей. С помощью специальных направляющих и винтовых устройств и приспособлений может изменяться расположение этих частей отвала между собой. Также запатентовано навесное устройство к отвалу автогрейдера. Оно позволяет эффективно производить при строительстве черных дорог смешивание материалов на месте. Состоит устройство из дисковых ножей. Ножи закреплены на балке, которая монтируется на отвале с помощью двух захватов с винтовыми зажимами. С помощью болтов с зубчатыми планками фиксируется положение дисковых ножей.
В Швеции запатентован телескопический отвал, состоящий из нескольких коротких отвалов. Телескопическим выдвижением одного или нескольких таких коротких отвалов можно варьировать длину отвала в целом. Еще одним устройством, запатентованным в Швеции, является дополнительный отвал, который крепится в задней части автогрейдера. Он предназначен для профилирования и разравнивания материалов и грунта по ширине дороги. Регулируется такой отвал гидроцилиндром и шарнирно-рычажной системой.
Также в США был запатентован профиль-отвал. К его концам монтируются две боковые стенки, передние верхние углы которых соединены горизонтальной балкой. С помощью регулировочного винта и скобы балка крепится к поворотному кругу автогрейдера. Между нижними передними углами боковых стенок установлен узкий передний нож. В процессе резания лишний грунт срезается и скапливается между боковыми стенками, а нож отвала заполняет грунтом углубления и окончательно профилирует поверхность. Рабочая скорость автогрейдера составляет порядка 15…17 км/ч [13].
Анализ этих изобретений показывает, что в таких конструкциях желательно совмещать преимущества и устранять недостатки.
С помощью обзора научных работ и литературных источников можно сделать вывод, что наиболее целесообразным способом увеличения производительности автогрейдера в режиме перемещения грунта является изменение длины отвала, которое позволяет использовать запас тяговой мощности максимально. Также сокращается количество проходов, необходимых для поперечного перемещения валиков грунта и затраченное на эту операцию время.
В данный момент объем строительства дорог увеличивается. Однако огромное количество землеройно-транспортных машин выработали свой ресурс полностью либо являются очень изношенными, что непосредственно влияет на производительность труда. На данный момент одной из главных проблем в строительном производстве - низкая производительность землеройно-транспортных машин или их нерациональное использование по мощностным ресурсам. В связи с этим многие машины не соответствуют высоким требованиям по обеспечению качества технологических операций (профилирование, планирование и т.д.). Но существует несколько путей решения этой проблемы. Одним из таких решений является внедрения и применения новых технологий, основанных на совершенствовании имеющихся рабочих органов, которые смогут позволить увеличить производительность машины.
Именно такой землеройно-транспортной машиной является автогрейдер. Эта машина универсальна, поэтому процесс управления автогрейдера и его рабочим органом (отвалом) является сложной операцией, требующей больших навыков и умений оператора. При этом очень часто требования к точности профиля земляного полотна не выполняются с первого раза, что приводит к увеличению числа проходов, а, следовательно, – к снижению производительности автогрейдера.
На данный момент наиболее распространенным способом увеличения производительности автогрейдера является модернизация рабочего органа, в частности – увеличение длины отвала с помощью дополнительных секций.
Следовательно, повышение производительности путем совершенствования конструкции рабочего органа (отвала) автогрейдера является актуальной научно-технической задачей.
Цель данной дипломной работы: увеличение производительности автогрейдера путем рационализации длины отвала с помощью дополнительных боковых секций с целью соблюдения высоких требований к точности профиля дорожного основания при планировочных работах.
Объект исследования: рабочий процесс планирования земляного полотна автогрейдером ДЗ-98.
Предмет исследования: зависимость производительности и усилий от длины отвала и тягового ресурса в режиме перемещения грунта.
Задачи исследования:
• Разработка конструкции рабочего органа;
• Техническое обоснование длины рабочего органа;
• Исследование и оценка факторов, влияющих на процесс планирования дорожного основания;
• Выводы по работе.
Весь текст будет доступен после покупки
