ДОРОЖНЫЕ МАШИНЫ (Часть 1)

21

2) выбор масштабных коэффициентов (времени, входных и выходных переменных систем);

3) воспроизведение начальных условий и внешних воздействий. Для примера рассмотрим процесс подготовки к исследованию

на ЭАВМ модели бульдозерного агрегата, движение которого описывается дифференциальным уравнением вида

где

т — масса агрегата;

v — скорость перемещения агрегата; kдемпф — коэффициент демпфирования; РТ — сила тяги, развиваемая агрегатом; Wk — сопротивление копанию бульдозера.

Набор дифференциального уравнения на ЭАВМ можно осуществить, понижая или повышая порядок производной. В первом случае исходное уравнение решается относительно высшей производной и схема для его решения составляется с помощью интегрирующих блоков. Во втором случае исходное уравнение решается относительно низшей производной, схема для его решения собирается из дифференцирующих блоков. Первый вариант предпочтительнее, поскольку интегрирующие схемы более стабильны.

При моделировании на ЭАВМ зависимые переменные представляются напряжением, а независимая переменная — временем.

Между реальными переменными исследуемого процесса и напряжением существует пропорциональность, определяемая масштабом.

Для установки начальных условий используется эталонное напряжение. После отработки модели можно приступить к исследованиям. При этом переменные процессы могут быть записаны светочувствительным осциллографом или сфотографированы с экрана электронного осциллографа.

Порядок дифференциальных уравнений, решаемых на ЭАВМ, определяет выбор типа машины. Распространенная аналоговая машина МН-7 решает уравнения до 6-го порядка, МНБ- 1 — до 9-го порядка. Для решения уравнений до 16-го порядка и выше может быть применена машина высшего класса — МН-М.

При исследовании сложных систем обычно стремятся сначала воспроизвести модель линеаризованной системы, а позднее усложнять ее введением нелинейных зависимостей.

При исследовании землеройных машин перспективно использование физикоматематического моделирования. Оно может быть проведено на стенде, выполненном с соблюдением физического подобия процессов и параметров, с применением электронной ана-

22

лого-вычислительной машины для математического моделирования наиболее сложных элементов процесса. Физико-математическое моделирование процессов, выполняемых землеройными машинами, с успехом применяется во ВНИИСтройдормаше, МАДИ, СибАДИ и других институтах. В подавляющем большинстве случаев процесс взаимодействия рабочего оборудования машины со средой имитируется на физической модели, а-процессы, характеризующие работу двигателя, трансмиссии, ходового оборудования машины, имитируются посредством математического моделирования на ЭВМ.

Принципиальная схема подобного стенда представлена на рис. 7.

§ 8. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ НОВОЙ ТЕХНИКИ

Понятие о новой технике в машиностроении охватывает: выпуск машин перспективного типажа; создание новых и усовершенствование существующих конструкций выпускаемых машин; модернизацию оборудования, уже находящегося в эксплуатации; механизацию и автоматизацию работ и процессов; унификацию и нормализацию типов, узлов и деталей машин.

Внедрение новой техники дает экономический эффект в той или иной форме, снижение себестоимости и трудовых затрат, повышение качества продукции, экономию капитальных вложений, сокращение продолжительности строительства и оздоровление условий труда.

Эффективность новой техники может быть определена только в сравнении с эталоном; в качестве эталона выбирается наиболее экономичная машина из применяемых до внедрения новой техники. Определение экономических результатов внедрения новой техники производится расчетным путем после всестороннего изучения конкретных условий ее будущего применения, ее преимуществ и недостатков.

Расчеты производятся в следующем порядке: выбирается эталон; устанавливается перечень показателей и их величины, соизмеряются показатели эталона и рассматриваемой машины (или мероприятия); устанавливается объем внедрения новой техники и общий размер экономического эффекта; определяется коэффициент эффективности (или срок окупаемости).

Экономическую эффективность внедрения новой техники наиболее наглядно характеризует срок окупаемости капитальных вложений или соответствующий ему коэффициент эффективности дополнительных капитальных вложений.

Определение сроков окупаемости (Ток) или коэффициентов эффективности (Е) дополнительных капитальных вложений производится по формуле

где Кн и Кэ — удельные капитальные вложения по сравниваемым машинам (Кн ~ новой

машины, Кэ — машины, принятой за эталон); Суд.э и Суд.н — себестоимости единицы продукции (Суд.э — эталон, Суд.н — новой

машины).

В дорожном строительстве при оценке эффективности внедрения новой техники принимается нормативный срок окупаемости для новых машин 6 лет, что соответствует значениям коэффициентов эффективности Ен = 0,17 для новых машин.

Если экономический расчет показывает более короткий срок окупаемости новой техники по сравнению с нормативным или более высокое значение коэффициента Е, дополнительные капитальные затраты, связанные с применением новой или модернизированной техники, можно считать экономически обоснованным.

Вместо сопоставления новой и старой машины могут быть сопоставлены показатели двух или нескольких вариантов машин (или комплектов) в целях выбора варианта, дающего наибольшую экономическую эффективность.

Годовой экономический эффект составляет

23

Пгод — годовая производительность новой машины.

В том случае, когда количество машино-смен в году может быть увеличено за счет усовершенствования конструкции, технологии или организации работ или по климатическим условиям, стоимость машино-смен снижается за счет расходов, не зависящих от числа машиносмен в году и называемых поэтому «постоянными». Так, например, при увеличении числа смен в году для автомобилей-самосвалов с 200 до 300 стоимость одной машино-смены снижается на

15-20%.

При определении стоимости проектируемой машины Цн можно пользоваться данными об

проектируемой машины Gн и удельную стоимость Цуд машины, близкой по сложности и объему годового выпуска (по серийности) к проектируемой, можно в первом приближении" определить ее примерную стоимость

После этого может быть в первом приближении определена и стоимость машино-смен проектируемой машины.

Рассмотренные выше удельные показатели могут быть на первом этапе проектирования использованы для сравнения между собой вариантов отдельных машин или комплектов с существующими машинами или комплектами машин. Основные положения методики сравнения технико-экономических показателей комплектов машин заключаются в следующем:

1.Машины должны рассматриваться в сопоставляемых и в наиболее характерных для каждой из них условиях технологии и организации работ.

2.Транспортные и вспомогательные машины, работающие в комплекте с основными землеройными машинами, должны быть взяты в количествах, определяемых производительностью основных машин.

3.Удельная энергоемкость должна быть определена с учетом суммарной мощности всех машин, входящих в комплект; то же относится и к определению удельной металлоемкости.

4.При определении стоимости продукции и экономической эффективности необходимо учитывать суммарную стоимость машино-смен всего комплекта машин, включая стоимость тягачей и вспомогательного оборудования, а также учитывать влияние стоимости эксплуатации

иремонта сравниваемых машин или комплектов.

На каждом этапе проектирования конструктор может влиять на улучшение техникоэкономических показателей будущей машины.

G кГ

Показатель удельной металлоемкости Пэ.см м3всмену должен улучшаться путем выбора

целесообразной компоновочной схемы машины, проведением углубленных прочностных расчетов, выбором рациональной формы металлоемких деталей, исследованием действительных напряжений в элементах конструкции и т. д.

наиболее эффективного рабочего органа машины. Для снижения удельной энергоемкости необходимо выбирать прогрессивную трансмиссию и систему управления, обладающих высокими к.п.д.

улучшить путем повышения скорости рабочих процессов и автоматизации управления.

25

Супесчаные мелкие грунты содержат большое количество пыле-ватых частиц, что делает их неустойчивыми в увлажненном состоянии. Эти грунты малопластичны и при увлажнении легко деформируются.

Пылеватые грунты при увлажнении переходят в состояние плывунов и резко снижают сопротивление нагрузкам. Легко размываются водой, склонны к пучинообразованию.

Суглинистые грунты пластичны, обладают большой связностью в сухом состоянии, но быстро теряют ее при увлажнении.

Тяжелые суглинистые грунты. Свойства связности, пластичности, сжимаемости и низкой водопроницаемости выражены сильнее, чем у суглинистых грунтов.

Глины обладают большой связностью, плотностью и пластичностью. Практически водонепроницаемы.

Глины, суглинки и супеси относятся к группе глинистых грунтов.

§10. ФИЗИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ГРУНТОВ

Вприродных условиях грунты могут иметь различное физическое состояние: песчаные — от плотного до весьма рыхлого, глинистые — от твердого до текучего.

Для оценки грунтов, как среды для земляных работ, необходимо знать их свойства и состояние.

Пористостью грунтов называется объем пор (занятых водой и воздухом), выраженный в

процентах от общего объема грунта:

где

— удельный вес твердых частиц в Г/см3; γг — объемный вес влажного грунта в Г/см3; ω — весовая влажность в %;

26

ε — коэффициент пористости.

Коэффициент пористости — отношение объема пор (занятых водой и воздухом) к объему твердых частиц грунта:

Весовая влажность — отношение веса воды g2 к весу сухого грунта g1:

Грунты считаются сухими, если водой заполнено не более 1/3 объема пор; влажными — при заполнении от 1/3 до 2/3 объема пор и мокрыми — при большем заполнении пор водой.

Объемный вес — отношение веса грунта при естественной влажности g0 к его объему V:

Объемный вес грунтов обычно колеблется в пределах 1,5 — 2,0 Т/м3 в зависимости от минералогического состава, пористости и влажности. Объемный вес оказывает существенное влияние на затрату энергии при подъеме и транспортировании грунта.

Объемный вес скелета грунта

Объемным весом скелета обычно пользуются при определении степени уплотнения грунта.

Наибольшая плотность грунта, полученная методом стандартного уплотнения, называется максимальной стандартной плотностью δmax, а соответствующая ей влажность — оптимальной влажностью ωonm. Оптимальная влажность — это влажность, при которой максимальная плотность грунта может быть достигнута при наименьшей затрате механической работы.

Удельным весом грунта называется отношение веса твердых частиц грунта к объему вытесненной ими жидкости. Удельный вес большинства минералов, входящих в состав грунта, колеблется от 2,4 до 2,8 Т/м3, удельный вес железосодержащих минералов достигает 4 Т/м3, а органических веществ 1,2—1,4 Т/м3.

Пластичностью называют способность грунта под действием внешних сил изменять свою форму без изменения объема. Глинистые грунты находятся в пластичном состоянии в пределах влажностей, характеризующих границу раскатывания и границу текучести. Границей раскатывания (пределом пластичности) ωр называют весовую влажность (в процентах), при которой тесто, изготовленное из грунта и воды и раскатываемое в жгут толщиной 3 мм, начинает крошиться.

Границей (пределом) текучести сот называют весовую влажность теста, изготовленного из грунта и воды, при которой стандартный прибор — «балансирный конус» погружается под действием собственного веса 76 Г за 5 сек на глубину 10 мм. Угол конуса при вершине равен

30°.

Числом пластичности ωn называют разность между границей текучести и границей раскатывания:

n m p .

27

По числу пластичности грунты подразделяются следующим образом:

Консистенция связных грунтов в зависимости от содержания воды может меняться в значительных пределах — от текучей до твердой.

Количественное выражение консистенции глинистых грунтов определяется показателем консистенции

где ωе — естественная влажность грунта.

За рубежом консистенция глинистых грунтов в последнее время определяется по пределу прочности цилиндрического образца Р(кГ/см2) при сжатии его вдоль оси до раздавливания согласно следующим пределам:

Липкость — способность грунта прилипать к различным предметам — свойственна большинству пластичных грунтов при достаточной влажности и малом содержании песка, т. е. для супеси, суглинков и глин. Усилие, затрачиваемое при резании грунта на преодоление налипания грунта на режущий орган (сила налипания), определяется

где

рл — удельное налипание, для глин рл = 700 ÷ 800 кГ/м2 и для суглинков рл = 500 ÷ 700

кПм2',

F — площадь поверхности соприкосновения рабочего органа машины с грунтом в м2. Водопроницаемостью называют способность грунта пропускать воду (дренировать). Водопроницаемость зависит от гранулометрического состава и объема пустот.

§ 11. ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГРУНТОВ

Разрыхляемостью называют способность грунта увеличиваться в объеме при разработке. При разрыхлении уменьшается объемный вес грунта. Коэффициент разрыхления кр характеризует отношение объема разрыхленного грунта к объему, который он занимал в естественном залегании. С течением времени разрыхленный грунт уплотняется, но сохраняет некоторую остаточную разрыхленность.

Средние значения коэффициента разрыхления kр колеблются в пределах 1,08—1,32, а коэффициент остаточного разрыхления — в пределах 1,01—1,09. Большие значения относятся

29

(по данным Н. Н. Маслова) для песчаных грунтов в зависимости от их плотности в табл. 4, для глинистых грунтов — от их консистенции — в табл. 5, для растительных грунтов — от их влажности — в табл. 6. Объемный вес γг принят в водонасыщенном состоянии.

Угол естественного откоса. При отсыпке с некоторой высоты разрыхленный грунт откладывается в виде конуса. Угол у основания конуса называется углом естественного откоса

φ0.

Угол естественного откоса зависит от вида грунта и его влажности и обусловливается углом внутреннего трения φ2 и коэффициентом сцепления С.

На откосе с углом ср0 частица будет в равновесии, если

Gч — вес частицы грунта в кГ/см2;

F — площадь соприкосновения частицы грунта с плоскостью откоса в см2. Устойчивость откоса обеспечена при нарушении сцепления, если

Если разрыхленный грунт лежит на горизонтальной плоскости, совершающей вертикальные колебания, то угол его естественного откоса будет меньше, чем на плоскости, находящейся в состоянии покоя. Этот угол в инженерной практике носит название угла естественного откоса в движении. Данные об углах естественного откоса в покое приведены в табл. 7.

Коэффициент трения грунта о сталь μ1 зависит от вида и состояния грунта, а также от поверхности стали. Величина его колеблется от 0,25 до 1, увеличиваясь при неровной поверхности стали, и зависит от влажности грунта, нормального давления на грунт и характера сложения грунта (нарушенное, ненарушенное).