Ласкаво просимо

ДонНТУ Портал магістрів

Вступ

Будівництво є одним з найважливіших процесів у розвитку промисловості, бізнесу, житлового господарства країни. Воно здійснюється у всіх секторах економіки, забезпечуючи базу для нарощування виробництва.

В даний час виробництво будівельних робіт, будь то зведення промислових споруд, житлових комплексів, автомобільних доріг, залізниць, мостів, здійснюється максимально механізованим і автоматизованим способом на всіх стадіях будівництва.

Застосування скреперів на підготовчих стадіях виробництва будівельних робіт, що стосуються копання, перевезення та створення насипів ґрунту, значно збільшує ефективність у порівнянні з роботою вручну.

У процесі роботи скрепер взаємодіє з ґрунтом за допомогою робочого органу, яким є ківш з ножовою системою. Різні види конструкції ковшів і ножових систем скрепера в залежності від фізико-механічних властивостей ґрунту забезпечують ту чи іншу продуктивність машини і знос її робочих органів [1,2].

Рис. 1. Анімація робочого циклу скрепера. (Анімація: об'єм - 17 Кб; розмір - 298х151; складається з 4х кадрів; затримка між кадрами - 150 мс; кількість циклів - неcкінченна)

Актуальність

Землерийні машини, машини для земельних робіт застосовуються при зведенні промислових і цивільних будинків, будівництві та ремонті рейкових та безрейкових доріг, прокладанні підземних комунікацій, видобутку корисних копалин. Землерийні машини розробляють ґрунти всіх категорій, в тому числі мерзлі, скельні, заболочені, а також корисні копалини. До основних землерийних машин відносяться землерийно-транспортні машини для розробки та переміщення ґрунту й екскаватори.

Можливо результати роботи можуть бути адаптовані і застосовані не тільки для скреперів, але і для різних землерийно-транспортних машин.

В даний час питаннями збільшення продуктивності, ефективності, зменшення трудомісткості, металоємності, енергоємності робіт скреперів займаються Дніпропетровський інженерно-будівельний інститут, Кіровоградський державний технічний університет та інші технічні інститути країни. Процес різання і копання ґрунту вивчають такі українські вчені, як Хмара Л.А., Богиня Г.А., Карпушин С.А., Анкудінов А.А., Старунський С.В., Соколов І.А., Литвинов А. В., Уріха Є.І. [3, 4]

Основними проблемами, пов'язаними з підвищенням продуктивності скреперів є: опір ґрунту різанню, нерівномірність заповнення ковша у зв'язку з опором переміщення ґрунту, адгезійні процеси [2, 3, 5]. Збільшення продуктивності скреперів безпосередньо пов'язане зі збільшенням ефективності землерийно-транспортних робіт при будь-якому будівництві.

Мета й задачі

Метою науково-дослідної роботи є виявити і запропонувати способи збільшення продуктивності скреперів. Для досягнення даної мети будуть виконані наступні завдання:

• вивчення процесу взаємодії робочих органів скрепера з ґрунтом;
• вивчення та розгляд існуючих конструкцій робочих органів, огляд патентів;
• визначення впливу фізико-механічних властивостей ґрунту на процес різання, копання, завантаження, розвантаження і транспортування;
• визначення основних параметрів, які впливають на адгезійні властивості ґрунту;
• пропозиція способу удосконалення конструкції ковша для збільшення продуктивності на основі проаналізованого матеріалу і зроблених висновків.

Огляд патентів показав, що проблему вивантаження ґрунту з ковша скрепера пропонується вирішувати механічним способом безпосередньо в момент вивантаження. Для цього пропонується використовувати шнеки, подвійні заслінки, гнучке днище й інші рішення для впливу на ґрунт [4]. При цьому значно ускладнюється конструкція, збільшується її металоємність. Ідея даної роботи полягає в тому щоб впливати на ґрунт вже в процесі його транспортування. Для пропозиції принципу дії на ґрунт необхідно розібратися в природі його адгезійних властивостей.

Адгезійні властивості ґрунту

Адгезійні властивості ґрунту проявляються при взаємодії його частинок між собою, а також з робочою поверхнею машин.

Адгезія (від латинського adhaesio - прилипання) - злипання поверхонь двох різнорідних твердих або рідких тіл [2]. Адгезія зумовлена тими ж причинами, що і адсорбція. Кількісно адгезія характеризується питомою роботою, що витрачається на поділ тіл. Ця робота розраховується на одиницю площі дотичних поверхонь [6].

У практичному додатку до процесів виробництва адгезійні властивості ґрунту - це злипання ґрунту і прилипання його до робочих поверхонь обладнання, змерзання та примерзання.

Відмітна особливість транспортування зв'язкового ґрунту - залежність ефективності від пори року і кліматичних умов району розробки. Найбільшою мірою це характерно саме для транспортування дрібнодисперсного вологого ґрунту (зв'язкової породи). Пояснюється це схильністю даного виду до інтенсивних адгезійні процесів (здатність прилипати і примерзати до робочих поверхонь транспортних засобів).

У складних умовах, особливо в осінньо-весняний і зимовий періоди, ефективність транспортування знижується до 50% через інтенсивне прилипання та примерзання ґрунту до робочих поверхонь транспортних засобів. Через це розвантаження ковша скрепера проводиться не повністю. Обсяг не вивантаженого ґрунту іноді досягає 30% корисної місткості ковша (якщо не використовувати примусові способи розвантаження), що призводить до недовикористання його корисної місткості [6].

При взаємодії частинок реального ґрунту між собою або з робочою поверхнею ковша кількісно оцінити сили липкості і злипання набагато складніше, ніж для одиночних часток.

При зіткненні ґрунту з робочою поверхнею транспортного засобу розпочинається процес змочування даної поверхні поровою рідиною. Цей процес відбувається практично миттєво. Одночасно з цим спостерігається процес конденсації рідини в зазорах між мінеральними частинками ґрунту і розглянутої поверхнею [7].

У будь-якому разі контактування реального ґрунту з робочою поверхнею призводить до утворення рідинних манжет між цією поверхнею і мінеральними частинками. У результаті цього взаємодія частинок зв'язкового ґрунту з робочою поверхнею транспортного засобу відбувається через шар рідинних манжет на ділянках змочування. При цьому можливі наступні варіанти змочування:

• окремі мінеральні частки взаємодіють з поверхнею через шар відокремленої рідинної манжети (низька вологість ґрунту);
• кілька мінеральних частинок взаємодіють з твердою поверхнею через шар об'єднаної рідинної манжети (висока вологість ґрунту).

Інших можливих варіантів контактування мінеральних частинок з твердою поверхнею бути не може [6].

Підігрів поверхні контакту ковша з дисперсним зв'язковим ґрунтом

Як говорилося раніше, однією з найбільш значущих проблем будь-яких землерийних машин, у тому числі і скреперів, є налипання ґрунтів на поверхню робочих органів, в результаті чого ускладнюється вивантаження і подальше завантаження ковша. Крім того зменшується фактичний обсяг ковша. В результаті знижується продуктивність машини.

Розрахунки доводять, що підігрів поверхні контакту є ефективним способом випаровування рідинних манжет, що запобігає налипанню ґрунту на стінки та днище ковша. Розрахунки проводилися для частинок радіусом від 5x10^-6 м до 500x10^-6 м при різній температурі [7, 8]. Результати зведені в таблицю 1 і представлені у вигляді графіка на рис. 2

Таблиця 1. Результати розрахунку сили адгезії одиничного контакту дисперсного зв'язкового ґрунту при зміні температури, F_адx10⁶, Н

Радіус часток, Rx106м	Температура, °К (°С)
	293 (20)	313 (40)	333 (60)	353 (80)	373 (100)	393 (120)	413 (140)
5	153,92	88,63	47,96	27,88	17,35	12,58	8,92
10	255,83	136	72,47	43,51	28,27	17,35	11,15
20	367,58	208,34	112,79	65,85	38,69	24,3	16,36
40	537,41	272,67	156,27	87,09	51,6	31,25	25,28
50	594,12	310,23	176,76	97,7	54,58	32,55	24,16
100	840,15	443,45	241,98	145,18	84,36	47,74	33,36
250	1340	733,78	403,41	237,36	161,29	97,66	74,36
500	1862	1024	527,64	363,06	223,35	108,522	92,95

Рис. 2. Графік залежності сили адгезії одиничного контакту від температури для різних радіусів частинок дисперсного зв'язкового ґрунту

З графіка видно, що зі збільшенням температури сила адгезії одиничного контакту знижується в рази. Наприклад, при збільшенні температури з 20 до 120 градусів за Цельсієм сила адгезії частинки радіусом 5x10 ^-6 м зменшилася в 12 разів.

Також помітно, що при досягненні температурою певного значення сила адгезії перестає змінюватися і продовжує залишатися практично незмінною. Така температура - 120-140 градусів за Цельсієм для металевої плоскої поверхні контакту - добре узгоджується з результатами експериментальних досліджень [9].

Реалізація підігріву поверхні контакту

Провести підігрів поверхонь робочого органу скрепера пропонується за допомогою відпрацьованих газів двигуна тягача. При цьому необхідна невелика модифікація конструкції ковша, а саме: необхідно сконструювати систему каналів на зовнішній або внутрішній поверхні стінок ковша для проходження по них вже нагрітих газів та забезпечити зв'язок цієї системи з вихлопною системою тягача скрепера.

Таким чином:

• відпадає необхідність у додаткових енерговитратах, в розробці яких-небудь складних систем з нагрівальними елементами, кабелями і т. д., як, наприклад, при електричному підігріві;
• забезпечується відносна простота конструкції ковша в порівнянні з відомими способами примусового вивантаження і очищення, наприклад, розвантаження за допомогою шнеків, гнучкого стрічкового днища [4];
• досягається пасивне очищення ковша, тобто без яких-небудь додаткових дій (поверхня контакту підігрівається в процесі транспортування ґрунту).

Виходячи з наведених вище переваг слід зазначити, що розробка способу очищення ковша з використанням підігріву поверхні контакту відпрацьованими газами двигуна тягача є перспективним напрямком роботи по збільшенню продуктивності, економічності та ефективності скрепера.

Для реалізації підігріву та розробки конструкції ковша скрепера з системою обігріву необхідно визначити, як залежить температура поверхні контакту від температури вихлопних газів двигуна. Також кінцевий результат залежить від фізичних властивостей газу, геометричних параметрів ковша і системи каналів, температури навколишнього середовища та інших параметрів [7,10].

Для відповіді на це питання складено математичну модель у системі MathCAD, що дозволяє розрахувати кінцеву температуру поверхні контакту, що враховує вплив усіх параметрів і емпіричних коефіцієнтів.

Розрахунок температури стінки труби, що нагрівається відпрацьованими газами двигуна скрепера[10, 11]

Для проведення розрахунків необхідно визначити характер руху рідини всередині труби, для цього розраховується число Рейнольдса: де: – середня швидкість потоку, м/с;
d – діаметр (для круглої труби) або еквівалентний діаметр (для труби довільного перерізу), м;
- кінематичний коефіцієнт в'язкості рідини, м²/с. де: V – секундний об'єм рідини, м³/с;
F – площа поперечного перерізу труби, м².

Число Грасгофа: де: β – коефіцієнт об'ємного розширення середовища, для газу β=1/T;
l – довжина труби, м;
Δt - різниця температур рідини та стінки, град.
g – прискорення вільного падіння.

Характер руху рідини може бути ламінарним, турбулентним і перехідним. Визначити його можна за допомогою числа Рейнольдса. Якщо Re<2x10³, то режим руху ламінарний, при Re>10⁴ режим руху турбулентний. Якщо число Рейнольдса знаходиться між цими значеннями, то режим руху рідини перехідний. Залежно від характеру руху розраховується число Нуссельта за різними емпіричними формулами.

Розрахунок числа Нуссельта для ламінарного руху рідини: де: Pr_ж,Pr_ст – число Прандтля при температурі рідини і при температурі стінки відповідно.

Розрахунок числа Нуссельта для турбулентного руху рідини:

Розрахунок числа Нуссельта для перехідного режиму руху рідини:

Далі розраховується середній коефіцієнт тепловіддачі : де: λ – коефіцієнт теплопровідності рідини, ^Вт/_{(м•град)}.

Розраховується температура стінки після нагріву: де: h_ст – товщина стінки, м;
λ_ст – коефіцієнт теплопровідності стінки, ^Вт/_{(м•град)};
t_ст – початкова температура стінки (температура навколишнього середовища), K.

В даний час ведеться розробка конструкції ковша скрепера з системою обігріву відпрацьованими газами двигуна враховуючи результати проведеної роботи з вивчення процесу підігріву та впливу температури на липкість зв'язкового дисперсного ґрунту. Передбачається, що запропонована конструкція дозволить знизити кількість налиплого ґрунту на стінки та днище ковша скрепера в декілька разів, що в свою чергу призведе до збільшення ефективності процесу розвантаження та підвищенню продуктивності машини.

Результати роботи були представлені на студентській конференції «День науки» в ДонНТУ в 2009 і 2010 роках. У 2010 році робота брала участь у фіналі Всеукраїнського конкурсу студентських наукових робіт в галузі науки «Транспорт» за спеціальністю «Машини для земельних дорожніх та лісотехнічні робіт», за підсумками якого отримала диплом «За оригінальну методику дослідження».

При написанні даного автореферату робота була далека до завершення, тому результати і висновки по роботі можуть значно відрізнятися від інформації в даному авторефераті. Остаточне завершення роботи - грудень 2010 року.

Література

1. Артемьев К.А. Основы теории копания грунта скреперами/ К.А. Артемьев. – М.: Машгиз, 1963. – 128 с.
2. Зеленин А.Н. Машины для земляных работ/ А.Н. Зеленин, В.И. Баловнев, И.П. Керов. – М.: Машиностроение, 1975. – 422 с.
3. Баловнев В.И. Повышение продуктивности машин для землеройных работ/ В.И. Баловнев, Л.А. Хмара. – К.: Будівельник, 1998. – 21 с.
4. Описания изобретений (полезных моделей) патентов Украины №5303 C1, №59669 А, №4920 U, №31977 A, №53997 A.
5. Общие сведения о грунтах: [Електронний ресурс]. - Режим доступу: http://ru.wikipedia.org/wiki/Грунт
6. Гончаров С.А. Перемещение и складирование горной массы/ С.А. Гончаров. – М.: Издательство Московского горного университета, 1996. – 285 с.
7. Гончаров С.А. Влияние температуры на липкость связных пород/ С.А. Гончаров, С.А. Потапов. – Изв. ВУЗов «Горный журнал». – 1976. – с. 74–77.
8. Калачев В.Я. Новая методика изучения липкости глинистых грунтов/ В.Я. Калачевю. - М.: МГУ, 1975. – 89 с.
9. Потапов С.А. Экспериментальное определение адгезионных свойств пород. В кн.: Комплексные исследования физических свойств горных пород/ С.А. Потапов. – М.: 1977. – с. 4, 11–12.
10. Нащокин В.В. Техническая термодинамика и теплопередача. Учебн. Пособие для неэнергетических специальностей вузов/ В.В. Нащекин. – М.: «Высшая школа», 1975. – 496 с.
11. Кукателадзе С.С. Справочник по теплопередаче/ С.С. Кукателадзе, В.М. Боришанский. – М.: «Госэнергоиздат», 1958. – 417 с.

На початок