Расчет высоты забоя экскаватора типа

“прямая лопата”

Анализ производительности экскаватора показывает, что она зависит от высоты забоя. При малой высоте производительность уменьшается за счет недонаполнения ковша грунтом или по причине потерь времени на осуществление повторного черпания грунта. При очень большой высоте забоя затрудняется резание грунта на верхних отметках. Таким образом, явно существует задача оптимизации высоты забоя.

В данном случае, в качестве цели оптимизации возьмем достижение максимальной степени наполнения ковша грунтом.

Рассматривая схему резания грунта, представленную на рис. 3, оптимальную высоту забоя определяем по выражению:

, (7)

где Qзахв – объем грунта в плотном состоянии, захваченного ковшом;

δ_x – толщина стружки грунта вдоль оси X (0,1-0,2 м);

b_к - ширина ковша (в_{к= );}

η_захв - КПД захвата грунта при наполнении ковша с учетом потерь в

боковые валики и пересыпания через край ковша (0,9-0,95).

Рис.3

Объем захваченного ковшом грунта

Q_захв=q η_{в ,} (8)

где q-геометрическая емкость ковша;

К_Н и К_р-коэффициенты соответственно заполнения ковша и

разрыхления грунта;

η_в - КПД выгрузки грунта из ковша, учитывающий снижение

геометрической емкости за счет налипания грунта (0,9-1,0).

Здесь важно отметить, что срезанный, (но не захваченный ковшом) грунт падает вниз и скапливается у подошвы забоя. Этот грунт подбирается при последующих черпаниях.

Наибольшая величина коэффициента наполнения ковша в форме четырехгранной пирамиды (рис.3б)

, (9)

где α_дин - динамический угол откоса (от 45⁰-для сухих сыпучих грунтов, до

60⁰-для связных);

h_k- высота ковша.

Для грунта в ковше коэффициент разрыхления определяется выражением:

К_р= , (9а)

где γ_ест (ρ_ест) и γ_р (ρ_р) - удельные веса (плотности) грунта соответственно в

естественном и рыхлом состоянии;

V_k и Q_k - объем грунта в ковше, приведенный соответственно к

рыхлому и естественному состоянию.

При этом

Q_k=q . (9б)

Разрыхление грунта при резании и заполнении ковша определяется сложными законами разрушения и деформации материалов. В дисперсных материалах типа грунтов при сдвиговых деформациях разрыхление определяется явлениями контракции и дилатансии. Но главный вклад в общее рыхление грунта дадут макроразрыхления, т. е нарушения сплошности стружки грунта в виде трещин разрыва, а также образование полостей в грунте при укладке его в ковш, вследствие различного рода арочных эффектов (рис. 3в).

В первом приближении можно записать

, (10) (4.20)

где К_р1 -коэффициент разрыхления при резании грунта;

К_р2-то же, при укладке грунта в ковш.

Отметим, что такие технологические параметры как толщина стружки, коэффициент разрыхления, КПД захвата грунта не остаются постоянными в процессе резания. Качественная картина их изменения по пути S резания представлена кривыми на (рис. 3г).

Коэффициент разрыхления будет меняться и дальше по всей технологической цепи переработки грунта, начиная от разработки его в карьере и кончая процессами слеживания (спекания) его в течение всего периода эксплуатации насыпи.

Характер изменения коэффициента разрыхления во времени Т при проведении операции резания Т_р, транспортирования Т_тр, разравнивания Т_разр и уплотнения Т_уп представлен на рис. 4.

Тразр

Рис.4

И эта динамика коэффициента разрыхления, по-видимому, должна учитываться при проектировании технологических процессов обработки грунтовых материалов.

Приложение 2

Булатов Г.Я.

Расчет оптимальной толщины слоя при уплотнении грунта

В параграфе 9.2 «Сущность уплотнения и влияние различных факторов» дан общий подход к определению оптимальных параметров уплотнения грунтов, включая толщину слоя. Обычно она назначается по аналогам. Затем ее уточняют на опытном полигоне на реальных грунтах и фактических машинах.

На предварительной стадии проектирования оптимальную толщину слоя грунта можно определить расчетом, основные принципы которого изложены ниже.

За оптимальную толщину слоя принимаем ту, при которой получим максимум производительности уплотнения грунта.

Понятно, что имеется оптимальная толщина уплотненного слоя , при которой производительность всего процесса возведения насыпи будет максимальной.

Для решения задачи предлагаем воспользоваться обобщенной производительностью возведения насыпи в следующем виде

П^э_н=П^э_упл*К_в.пер, м³ /ч, (1)

где П_эупл - эксплутационная производительность грунтоуплотняющей

машины на карте уплотнения (рассмотрена в параграфе 9.2);

Кв.пер - дополнительный коэффициент использования рабочего времени

уплотнения, учитывающий переходы грунтоуплотняющих

машин с одной карты на другую.

В свою очередь запишем

, (1а)

где T_кар - расчетный период (цикл) обработки одной карты, например,

отсыпки грунта (обычно принимается кратным длительности

рабочей смены:1/8; 1/4;1/2;1;2;3 и т.д.);

t_пер - время перехода грунтоуплотняющих машин с одной карты на

другую;

W_к - площадь одной карты в плане;

h_сл - толщина уплотненного слоя грунта;

Jн - интенсивность поступления грунта на карту отсыпки.

Из выражения (1а) видно, что уменьшение толщины слоя по сравнению с оптимальной приводит к уменьшению объема грунта, обрабатываемого на одной карте. Это, в свою очередь, требует большей частоты переходов машин с одной карты на другую и, соответственно, большего общего времени на их осуществление, снижая тем самым дополнительный коэффициент использования рабочего времени и эксплутационную производительность возведения насыпи.

Завышение же толщины слоя приводит к увеличению числа проходов грунтоуплотняющей машины по одному следу. Это увеличивает продолжительность рабочего цикла уплотнения и, соответственно, снижает техническую и эксплуатационную производительности уплотнения.

Зависимость производительности возведения насыпи от толщины слоя представлена на рисунке.

Здесь hкр- критическая толщина слоя грунта, для уплотнения которого необходимо бесконечное число ходок по одному следу, и hопт - оптимальная толщина слоя, соответствующая максимуму производительности отсыпки.

Однако, для расчета производительности операции уплотнения грунтового слоя некоторой толщины (hсл) нужно поставить ёей в соответствие определенное число (n) проходов катка по одному следу.

Для построения графика такой связи воспользуемся компрессионными кривыми остаточной деформации, которые можно получить на основании серии стандартных лабораторных испытаний компрессионных свойств грунтов при многократных воздействиях.

В качестве критерия достаточности уплотнения грунта принимаем расчетное условие

, (2)

которое соответствует задаваемым условиям

, или , (2а)

где и - коэффициент остаточной (после снятия уплотняющей нагрузки) пористости и его требуемая величина в насыпи; и - удельный вес сухого грунта и его требуемая величина в насыпи после уплотнения, - то же, плотность грунта; - то же, сжимающее вертикальное напряжение, создаваемое катком.

При этом имеют место зависимости

и , (2б)

где - удельный вес твердых частиц грунта, и - объемы пор и твердых частиц в грунте.

Задаваясь числом нагружений грунта n, будем получать по графикам компрессионных кривых требуемые величины сжимающих напряжений в грунте .

Напряжение сжатия на глубине Z от поверхности грунта в соответствии с простейшей моделью распределения напряжений представим в виде

, (3)

где - - вес вальца катка; - ширина зоны контакта вальца с грунтом вдоль хода; - угол рассеивания напряжений ( ); - удельный вес грунта в насыпи ; степень концентрации напряжений (в первом приближении – 2-4);.

По результатам вычислений построим график зависимости напряжений от глубины грунта.

По этому графику при условии определяем толщину уплотненного слоя .

Разумеется, здесь можно использовать более точный (одновременно существенно более сложный) вид модели распределения напряжений в грунте, что, однако, не изменит существа общей методики расчета.

Ширина зоны контакта по формуле Беляева-Герца

, (4)

где - линейная (погонная) нагрузка на валец; - диаметр вальца; - модуль деформации грунта (5-50 МПа).

При использовании модели Фусса-Винклера ширину зоны контакта можно определить через площадь и глубину вдавливания вальца в грунт.

Здесь, по аналогии с погружением тела в жидкость, вес вальца можем представить как водоизмещение

, (5)

где - длина вальца; - площадь сегмента, погруженного в грунт; - коэффициент жесткости постели (3-9 ).

Ориентировочно

. (5а)

Площадь сегмента

, (6)

где и - соответственно диаметр вальца и половина центрального угла его контакта с грунтом.

Глубина погружения вальца в грунт

.

При этом

или . (6б)

43