ДОРОЖНЫЕ МАШИНЫ (Часть 1)

61

сопротивление копанию. При работе в малосвязных грунтах зубья увеличивают сопротивление копанию.

Нормальная длина зуба определяется по формуле (рис. 34)

Расстояние а не должно быть больше 40—50% толщины стружки.

Ширина зуба b1 выбирается минимальной по условиям прочности так, чтобы нагрузка на 1 см длины его кромки не превосходила 700 кГ, что отвечает расстоянию между зубьями,

где

b — ширина ковша в см;

h — толщина стружки в см;

k и k' — среднее удельное сопротивление грунта резанию в кГ/см2 и средняя предельная несущая способность грунта в кГ/см2, приводимые в табл. 21 для грунтов различных категорий;

п — число зубьев у ковша; а — ширина зуба в см;

z и у — проекции линии износа зубьев (см. рис. 27) на вертикальную и горизонтальную оси в см;

μ1 — коэффициент трения стали о грунт, μ1 = tg φ1. В формуле (34) учтено трение на задней грани зубьев.

§ 18. КОСОЕ РЕЗАНИЕ И КОПАНИЕ ГРУНТА

По принципу косого клина устроены рабочие органы грейдера, поворотного бульдозера, грейдер-элеватора. В данном случае процесс резания сопровождается перемещением грунта вдоль рабочего органа. Теория работы косого и прямого клина разработана акад. В. П. Горячкиным.

Косой трехгранный клин (рис. 35), который получается пересечением трех взаимно перпендикулярных осей координат наклонной плоскостью, можно рассматривать как клин, состоящий из трех простых клиньев, выполняющих следующие функции.

63

Таким образом, уменьшая угол захвата, по данным И. А. Недорезова, можно снизить k на 20—30% по сравнению с лобовым резанием.

Исследования, проведенные Д. И. Федоровым с ковшами драглайна, производящими косое резание благодаря режущей кромке, выпуклой в плане и изогнутой по радиусу в поперечном сечении, показали снижение усилия резания грунта в 1,2—1,3 раза.

Аналитическое определение сопротивления резанию грунта Wp ножом с криволинейной острой режущей кромкой делается при следующих допущениях:

угол резания δ остается постоянным по всей поверхности ножа; режущая кромка очерчена по параболе; основными параметрами,

определяющими очертание ножа, являются ширина резания 2b1 = b и толщина вырезаемой стружки h (рис. 37).

По аналогии с предыдущими случаями суммирование усилий проводим по осям Z и Y. При резании горизонтальной стружки постоянной толщины (h = const), когда

вертикальная реакция Рн и вес ножа через связи передаются на ходовую часть машины, сила сопротивления резанию Wp равна

Вертикальная реакция грунта на нож Рн (вертикальная составляющая сопротивления резанию) равна

Соотношение между вертикальной и горизонтальной составляющими сопротивления резанию X для рассматриваемого случая определяется по формуле

Ковши с полукруглой выступающей режущей кромкой (ковш Д. И. Федорова), имея сравнительно тонкую режущую кромку, не требуют установки зубьев даже при работе на

64

плотных грунтах.

Их применение при благоприятных условиях может снизить сопротивление копанию в 1,4—1,5 раза по сравнению с ковшами обычной конструкции.

Ю. А. Ветров в тех же целях предлагает для одноковшовых экскаваторов режущую кромку, выступающую вперед треугольником с общим зубом в его вершине, а для роторных экскаваторов с двумя зубьями.

При копании грунта косо поставленным отвалом (автогрейдеры, поворотные бульдозеры) большое значение имеет скорость перемещения грунта в сторону, повышение которой ведет к

Из этого следует, что поворотные отвалы автогрейдеров и бульдозеров желательно изготовлять с постоянным радиусом кривизны, а поперечные отвалы неуниверсальных бульдозеров — с переменным радиусом кривизны при большей кривизне внизу, как обладающие наибольшей накапливающей способностью.

Полученные из опытов закономерности изменения суммарного сопротивления копанию отвалами с профилями, изображенными на рис. 38, а и б, в пересчете на удельное, т. е. отнесенное к единице площади сечения стружки, графически показаны на рис. 39.

Максимальный эффект достигается при угле резания порядка 40°. Оптимальный угол захвата φonm при постоянном угле резания, но при разных формах отвала, изменяется незначительно и зависит от удельного сопротивления резанию.

На рис. 40 построены зависимости изменения оптимального угла захвата φопт от величины k1 полученные И. А. Недорезовым.

Так как автогрейдеры эксплуатируются на грунтах с удельным сопротивлением копанию до 2,5 кГ/см2, можно считать, что угол φonm колеблется в диапазоне 28—38°.

Энергетически наиболее выгодно вырезать грунт с одновременным перемещением его при φonm ≈ 35° независимо от характера грунта.

При перемещении грунта в сторону косо поставленным отвалом без вырезания существует свой оптимальный угол захвата φonm.

Величина этого угла, которая обозначает предел установки ножа и ниже которого вовсе не рекомендуется работать, может быть найдена по формуле

65

где т — коэффициент, зависящий от характера грунта,

§ 19. ВЛИЯНИЕ СКОРОСТИ ДВИЖЕНИЯ РАБОЧЕГО ОРГАНА НА СОПРОТИВЛЕНИЕ РЕЗАНИЮ И КОПАНИЮ ГРУНТА

Вопрос о влиянии скорости рабочего органа на возникающие сопротивления остается еще недостаточно изученным. Вместе с тем считается общепризнанным, что сопротивление резанию с увеличением скорости резания должно возрастать: во-первых, из-за необходимости расходовать энергию на отбрасывание вырезаемого грунта и, во-вторых, за счет тою, что при быстром нарастании внешней нагрузки деформации в грунте отстают от задаваемых нагрузок, происходит уменьшение величин деформаций, т. е. будет наблюдаться как бы повышение временного сопротивления грунта.

Как показывают опыты, увеличение сопротивления грунта резанию от действия физических факторов соизмеримо и даже превосходит увеличение от затрат энергии на сообщение движения отбрасываемому грунту.

Опыты, проведенные в 1956 г. А. И. Сургучевым, показали, что удельное сопротивление грунта резанию возрастает с увеличением скорости резания и угла резания δ.

66

Для практического определения влияния скорости на силу резания Ю. А. Ветровым предложена формула

где

Рр — сила резания при скорости рабочего органа, близкой к нулю;

Ркин — дополнительная сила резания для сообщения движения отбрасываемым кускам грунта:

F — площадь среза;

γг — объемный вес грунта; v — скорость резания;

δ — угол резания; θ — угол между траекторией ножа и направлением движения отбрасываемых кусков

грунта;

g — ускорение свободного падения.

Н. Г. Домбровский считает, что увеличение скорости от 1 до 7 м/сек при δ = 40° вызывает

67

рост сопротивления резанию на 28%, а при δ = 55° — на 78%. Он полагает, что при δ = 22 ÷ 35° и рациональной форме режущей кромки ковша увеличение сопротивления грунта при скорости резания 5—6 м/сек будет не более 10-15%.

На рис. 41 показано влияние скорости рабочего органа на сопротивление резанию и копанию по данным различных исследователей. Влияние вибрирования на сопротивление копанию еще недостаточно изучено. При определенных соотношениях параметров виброударного действия следует ожидать снижения сопротивления копанию не только в малосвязных грунтах, где этот эффект может быть наиболее существенным, но и в тяжелых скальных и мерзлых грунтах. Применение виброударного действия в вязких глинистых грунтах будет, видимо, малоэффективным.

§ 20. РЕЗАНИЕ МЕРЗЛЫХ ГРУНТОВ

Наибольшее применение в практике строительства имеет механический способ разрушения мерзлых грунтов. Им разрабатывается свыше 75% мерзлоты.

Определяющими показателями при непрерывном процессе разрушения мерзлых грунтов являются: для резания — удельное сопротивление резанию k WFp кГ/см2; для ударного

разрушения — удельная энергоемкость Е квт·ч/м3 (или кГ·м/м3), т. е. количество энергии, идущей на разрушение (отделение от массива) 1 м3 грунта.

Усредненная энергоемкость разрушения 1 м3 мерзлого грунта методом резания (ширина резца 3 см, угол резания 90°) составляет 1,5·106 кГ·м/м3, или 4—6 квт·ч/м3.

Теоретическому и экспериментальному исследованию рабочих органов для резания мерзлых грунтов посвящены работы А. Н. Зеленина, Ю. А. Ветрова, М. И. Гальперина, В. Д. Абезгауза, А. Ф. Николаева и др.

А. Н. Зеленин предлагает разделять мерзлые грунты (супеси, суглинки и глины) на следующие четыре категории по их сопротивляемости резанию:

Наиболее часто встречаются грунты #первых трех категорий — с V по VII и редко VIII категории.

Исследования показали, что на величину усилия резания влияет характер резания, прочность разрабатываемого грунта, размеры стружки и угол резания рабочего органа.

Сила сопротивления резанию мерзлых грунтов Wp элементарными режущими профилями (шириной 1—10 см) может быть определена по формуле А. Н. Зеленина

где

Су — число ударов ударника ДорНИИ с площадью штампа 1 см2; h — глубина резания в см;

b — ширина резания в см;

δ — угол резания рабочего органа в град;

μ — коэффициент, учитывающий характер разработки грунта: для свободного резания μ = 0,5 ÷ 0,55; для полусвободного резания μ = 0,7 ÷ 0,75; для несвободного резания μ = 1,0.

Уменьшение угла резания понижает удельные усилия резания по сравнению с усилием при δ = 90°: при δ = 60° — на 27%, при δ = 45° — на 35%, при δ = 30° — на 45%.

Задний угол резания, исключающий трение задней грани резца о грунт, должен составлять 5—10°. Передняя (рабочая) грань резца выполняется плоской; А. Ф. Николаев рекомендует принимать следующие углы в град для резцов:

68

Ниже приводится шкала сопротивляемости мерзлых грунтов резанию, предложенная А. Н. Зелениным (табл. 23).

Работа одного удара, соосность ударения и угол наклона симметричного клина к горизонту являются основными факторами, определяющими энергоемкость процесса разрушения.

Принцип разрушения мерзлого грунта падающими шар-бабами заключается в объемном разрушении грунта ударными нагрузками.

Показатели различных способов разработки мерзлых грунтов приведены в табл. 24.

69

Г Л А В А IV

ДВИГАТЕЛИ И ТРАНСМИССИИ МАШИН ДЛЯ ЗЕМЛЯНЫХ РАБОТ

§21. ДВИГАТЕЛИ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Внастоящее время на подавляющем большинстве машин для земляных работ преимущественное распространение получили двигатели внутреннего сгорания. Электрические двигатели иногда устанавливают на одноковшовых строительных экскаваторах и на землеройно-транспортных машинах с дизель-электрическим приводом.

Режимы нагрузки двигателей машин для земляных работ являются неустановившимися и носят переменный характер. Колебание нагрузки происходит непрерывно в течение всего периода рабочего цикла.

Наибольшее значение имеет колебание нагрузки на коленчатом валу двигателей одноковшовых экскаваторов скреперов и бульдозеров. У двигателей автогрейдеров колебание нагрузки несколько меньше.

Двигатель грейдер-элеватора работает при нагрузках, близких к постоянным, хотя их колебания имеют место.

При работе двигателя на неустановившихся режимах нагрузки снижается его мощность, ухудшается топливная экономичность и сокращается срок службы.

Исследования работы двигателей на машинах для земляных работ показывают, что наиболее пригодны четырехтактные двигатели, снабженные всережимными регуляторами.

На таких машинах применяются главным образом автомобильные и тракторные дизели. Автомобильные дизели хорошо приспособлены к переменным режимам работы, но не могут

длительное время работать на режиме максимальной мощности. При установке их на машинах для земляных работ из-за тяжелых условий работы рекомендуется дефорсировать их по мощности на 40—50%. При соблюдении этого условия моторесурс дизеля остается примерно таким же, как и при установке его на автомобиле.

Тракторные дизели могут длительное время работать на режиме максимальной мощности и при неустановившейся нагрузке. Однако они имеют больший вес и хуже приспосабливаются к переменной нагрузке.

К двигателям строительных и дорожных машин предъявляются следующие основные требования:

1. Двигатели должны быть оборудованы всережимными регуляторами.

2. Степень неравномерности центробежного регулятора должна составлять 0,08—0,10.

3. Из-за возможных перегрузок двигателя коэффициент приспособляемости должен быть не менее 1,15.

4. Номинальная частота вращения коленчатого вала дизеля должна составлять 1500—

2500 об/мин.

5. Долговечность (срок службы до капитального ремонта) автотракторных дизелей при установке на строительные и дорожные машины должна составлять не менее 3000—3500 ч, что соответствует 4000 ч работы на тракторах и автомобилях.

6. Запуск дизеля должен осуществляться электростартером или пусковым двигателем с электростартерным запуском последнего.

7. Двигатели должны быть рассчитаны на работу при продольном наклоне до 35° и поперечном наклоне до 15°.

При подборе двигателей к машинам для земляных работ необходимо принимать во внимание следующие рекомендации:

1. Двигатели к машинам для земляных работ должны подбираться с учетом режимов и условий эксплуатации.

2. Двигатель должен быть подобран таким образом, чтобы большую часть времени цикла он работал на регуляторной ветви характеристики. Переход на безрегуляторную ветвь допускается только при преодолении временно возросших сопротивлений и должен быть по возможности непродолжительным.

70

3.При подборе двигателя необходимо учитывать неустановившийся характер нагрузки, имея в виду, что при неустановившейся нагрузке выходные мощностные показатели и наилучшая топливная экономичность могут быть получены при загрузке двигателя меньше номинального крутящего момента.

4.Для дизеля, работающего на переменных режимах, величина оптимальной загрузки составляет 78% номинального крутящего момента.

5.При использовании абсолютных непрозрачных гидродинамических трансформаторов, которые обеспечивают работу двигателей на постоянном режиме, гидротрансформатор необходимо подбирать так, чтобы двигатель работал на номинальном режиме.

Следует также отметить, что неустановившаяся нагрузка не оказывает существенного влияния на внешнюю характеристику гидродинамического трансформатора.

§ 22. ХАРАКТЕРИСТИКА ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

На рис. 42 приведена скоростная характеристика дизеля с регуляторной ветвью (регуляторная характеристика).

Основными зависимостями этой характеристики являются Ме = Ме (пе) и Ge = Ge (ne), замеряемые при проведении стендовых испытаний, а производными — Ne = Ne (ne) и ge = ge (ne). Здесь Ме — крутящий момент двигателя; пе — частота вращения коленчатого вала; Ge — часовой расход топлива двигателем; Nе — мощность двигателя; ge — удельный расход топлива двигателем. Как известно,

Характерными точками регуляторной характеристики дизеля будут следующие:

Возможность преодоления двигателем повышенных сопротивлений вращению коленчатого вала оценивается коэффициентом запаса крутящего момента со, который определяется с помощью следующей зависимости:

или коэффициентом приспособляемости двигателя %, представляющим собой отношение