Добро пожаловать

ДонНТУ Портал магистров

Введение

Строительство является одним из важнейших процессов в развитии промышленности, бизнеса, жилищного хозяйства страны. Оно осуществляется во всех секторах экономики, обеспечивая базу для наращивания производства.

В настоящее время производство строительных работ, будь то возведение промышленных сооружений, жилых комплексов, автомобильных, железных дорог, мостов, осуществляется максимально механизированным и автоматизированным способом на всех стадиях строительства.

Применение скреперов на подготовительных стадиях производства строительных работ, касающихся копания, перевозки и создания насыпей грунта, значительно увеличивает эффективность по сравнению с работой вручную.

В процессе работы скрепер взаимодействует с грунтом посредством рабочего органа, которым является ковш с ножевой системой. Различные виды конструкции ковшей и ножевых систем скрепера в зависимости от физико-механических свойств грунта обеспечивают ту или иную производительность машины и износ её рабочих органов [1, 2].

Рис. 1. Анимация рабочего цикла скрепера. (Анимация: объем - 17 Кб; размер - 298х151; состоит из 4х кадров; задержка между кадрами - 150 мс; количество циклов - бесконечно)

Актуальность

Землеройные машины, машины для земляных работ применяются при возведении промышленных и гражданских зданий, строительстве и ремонте рельсовых и безрельсовых дорог, прокладке подземных коммуникаций, добыче полезных ископаемых. Землеройные машины разрабатывают грунты всех категорий, в том числе мёрзлые, скальные, заболоченные, а также залежи полезных ископаемых. К основным землеройным машинам относятся землеройно-транспортные машины для разработки и перемещения грунта и экскаваторы.

Впоследствии, возможно, результаты работы могут быть адаптированы и применены не только для скреперов, но и для различных землеройно-транспортных машин.

В настоящее время вопросами увеличения производительности, эффективности, уменьшения трудоемкости, металлоемкости, энергоемкости работ скреперов занимаются Днепропетровский инженерно-строительный институт, Кировоградский государственный технический университет и другие технические институты страны. Процесс резания и копания грунта изучают такие украинские ученые, как Хмара Л.А., Богиня Г.А., Карпушин С.А., Анкудинов А.А., Старунский С.В., Соколов И.А., Литвинов А.В., Урих Е.И [3, 4]

Основными проблемами, связанными с повышением производительности скреперов являются: сопротивление грунта резанию, неравномерность заполнения ковша в связи с сопротивлением перемещению грунта, адгезионные процессы [2, 3, 5]. Увеличение производительности скреперов напрямую связано с увеличением эффективности землеройно-транспортных работ при любом строительстве.

Цель и задачи

Целью научно-исследовательской работы является выявить и предложить способы увеличения производительности скреперов. Для достижения данной цели будут выполнены следующие задачи:

• изучение процесса взаимодействия рабочих органов скрепера с грунтом;
• изучение и рассмотрение существующих конструкций рабочих органов, обзор патентов;
• определение влияния физико-механических свойств грунта на процесс резания, копания, загрузки, разгрузки и транспортирования;
• определение основных параметров, влияющих на адгезионные свойства грунта;
• предложение способа усовершенствования конструкции ковша для увеличения производительности на основе проанализированного материала и сделанных выводов.

Обзор патентов показал, что проблему выгрузки грунта из ковша скрепера предлагается решать механическим способом непосредственно в момент разгрузки. Для этого предлагается использовать шнеки, двойные заслонки, гибкое днище и другие решения для воздействия на грунт [4]. При этом значительно усложняется конструкция, увеличивается ее металлоемкость. Идея данной работы состоит в том чтобы воздействовать на грунт уже в процессе его транспортирования. Для предложения принципа воздействия на грунт необходимо разобраться в природе его адгезионных (липкостных) свойств.

Адгезионные свойства грунта

Адгезионные свойства грунта проявляются при взаимодействии его частиц между собой, а также с рабочей поверхностью машин.

Адгезия (от латинского adhaesio — прилипание) — слипание поверхностей двух разнородных твердых или жидких тел. Адгезия обусловлена теми же причинами, что и адсорбция. Количественно адгезия характеризуется удельной работой, затрачиваемой на разделение тел. Эта работа рассчитывается на единицу площади соприкасающихся поверхностей [6].

В практическом приложении к процессам производства адгезионные свойства грунта — это слипание грунта и прилипание его к рабочим поверхностям оборудования, смерзание и примерзание.

Отличительная особенность транспортирования связного грунта — зависимость эффективности от времени года и климатических условий района разработки. В наибольшей степени это характерно как раз для транспортирования мелкодисперсного влажного грунта (связные породы). Объясняется это склонностью данного вида к интенсивным адгезионным процессам (способность прилипать и примерзать к рабочим поверхностям транспортных средств).

В сложных условиях, особенно в осенне-весенний и зимний периоды, эффективность транспортирования снижается до 50 % из-за интенсивного прилипания и примерзания грунта к рабочим поверхностям транспортных средств. Из-за этого разгрузка ковша скрепера производится не полностью. Объем не выгрузившегося грунта иногда достигает 30 % полезной вместимости ковша (если не использовать принудительные способы разгрузки), что приводит к недоиспользованию его полезной вместимости [6].

При взаимодействии частиц реального грунта между собой или с рабочей поверхностью ковша количественно оценить силы липкости и слипаемости гораздо сложнее, чем для одиночных частиц.

При соприкосновении грунта с рабочей поверхностью транспортного средства начинается процесс смачивания дайной поверхности поровой жидкостью. Этот процесс происходит практически мгновенно. Одновременно с этим наблюдается процесс конденсации жидкости в зазорах между минеральными частицами грунта и рассматриваемой поверхностью [7].

В любом случае контактирование реального грунта с рабочей поверхностью приводит к образованию жидкостных манжет между этой поверхностью и минеральными частицами. В результате этого взаимодействие частиц связного грунта с рабочей поверхностью транспортного средства происходит через слой жидкостных манжет на участках смачивании. При этом возможны следующие варианты смачивания:

• отдельные минеральные частицы взаимодействуют с поверхностью через слой обособленной жидкостной манжеты (низкая влажность грунта);
• несколько минеральных частиц взаимодействуют с твердой поверхностью через слой объединенной жидкостной манжеты (высокая влажность грунта).

Других возможных вариантов контактирования минеральных частиц с твердой поверхностью быть не может [6].

Подогрев поверхности контакта ковша с дисперсным связным грунтом

Как говорилось ранее, одной из самых значимых проблем любых землеройных машин, в том числе и скреперов, является налипание грунтов на поверхность рабочих органов, в результате чего затрудняется выгрузка и последующая загрузка ковша. Кроме того уменьшается фактический объем ковша. В результате снижается производительность машины.

Расчеты доказывают, что подогрев поверхности контакта является эффективным способом испарения жидкостных манжет, что предотвращает налипание грунта на стенки и днище ковша. Расчеты производились для частиц радиусом от 5x10^-6 м до 500x10^-6 м при различной температуре [7, 8]. Результаты сведены в таблицу 1 и представлены в виде графика на рис. 2

Таблица 1. Результаты расчета силы адгезии единичного контакта дисперсного связного грунта при изменении температуры, F_адx10⁶, Н

Радиус частиц, 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. График зависимости силы адгезии единичного контакта от температуры для различных радиусов частиц дисперсного связного грунта

Из графика видно, что с увеличением температуры сила адгезии единичного контакта снижается в разы. Например, при увеличении температуры с 20 до 120 градусов по Цельсию сила адгезии частицы радиусом 5x10^-6 м уменьшилась в 12 раз.

Также заметно, что при достижении температурой определенного значения сила адгезии перестает изменяться и продолжает оставаться практически неизменной. Такая температура - 120-140 градусов по Цельсию для металлической плоской поверхности контакта - хорошо согласуется с результатами экспериментальных исследований [9].

Реализация подогрева поверхности контакта

Произвести подогрев поверхностей рабочего органа скрепера предлагается при помощи отработавших газов двигателя тягача. При этом необходима небольшая модификация конструкции ковша, а именно: необходимо сконструировать систему каналов на внешней или внутренней поверхности стенок ковша для прохождения по ним уже нагретых газов и обеспечить связь этой системы с выхлопной системой тягача скрепера.

Таким образом:

• отпадает необходимость в дополнительных энергозатратах, в разработке каких-либо сложных систем с нагревательными элементами, кабелями и т. д., как, например, при электрическом подогреве;
• обеспечивается относительная простота конструкции ковша по сравнению с известными способами принудительной выгрузки и очистки, например, разгрузка посредством шнеков, гибкого ленточного днища [4];
• достигается пассивная очистка ковша, т.е. без произведения каких-либо дополнительных действий (поверхность контакта подогревается в процессе транспортирования грунта).

Из приведенных выше преимуществ следует, что разработка способа очистки ковша с использованием подогрева поверхности контакта отработавшими газами двигателя тягача является перспективным направлением работы по увеличению производительности, экономичности и эффективности скрепера.

Для реализации подогрева и разработки конструкции ковша скрепера с системой обогрева необходимо определить, как зависит температура поверхности контакта от температуры выхлопных газов двигателя. Также конечный результат зависит от физических свойств газа, геометрических параметров ковша и системы каналов, температуры окружающей среды и других параметров [7, 10].

Для ответа на этот вопрос составлена математическая модель в системе MathCAD, позволяющая рассчитать конечную температуру поверхности контакта, учитывающая влияние всех параметров и эмпирических коэффициентов.

Расчет температуры стенки трубы, нагреваемой отработавшими газами двигателя скрепера [10, 11]

Для произведения расчетов необходимо определить характер движения жидкости внутри трубы, для этого рассчитывается число Рейнольдса: где: – средняя скорость потока, м/с;
d – диаметр (для круглой трубы) или эквивалентный диаметр (для трубы произвольного сечения), м;
- кинематический коэффициент вязкости жидкости, м²/с. где: V – секундный объем жидкости, м³/с;
F – площадь поперечного сечения трубы, м².

Число Грасгофа: где: β – коэффициент объемного расширения среды, для газа β=1/T;
l – длина трубы, м;
Δt - разность температур жидкости и стенки, град.
g – ускорение свободного падения.

Характер движения жидкости может быть ламинарным, турбулентным и переходным. Определить его можно с помощью числа Рейнольдса. Если Re<2x10³, то режим движения ламинарный, при Re>10⁴ режим движения турбулентный. Если число Рейнольдса находится между этими значениями, то режим движения жидкости переходный. В зависимости от характера движения рассчитывается число Нуссельта по различным эмпирическим формулам.

Расчет числа Нуссельта для ламинарного движения жидкости: где: Pr_ж,Pr_ст – число Прандтля при температуре жидкости и при температуре стенки соответственно.

Расчет числа Нуссельта для турбулентного движения жидкости:

Расчет числа Нуссельта для переходного режима движения жидкости:

Далее рассчитывается средний коэффициент теплоотдачи : где: λ – коэффициент теплопроводности жидкости, ^Вт/_{(м•град)}.

Рассчитывается температура стенки после нагрева: где: h_ст – толщина стенки, м;
λ_ст – коэффициент теплопроводности стенки, ^Вт/_{(м•град)};
t_ст – начальная температура стенки (температура окружающей среды), K.

В настоящее время ведется разработка конструкции ковша скрепера с системой обогрева отработавшими газами двигателя учитывая результаты проведенной работы по изучению процесса подогрева и влияния температуры на липкость связного дисперсного грунта. Предполагается, что предложенная конструкция позволит снизить количество налипшего грунта на стенки и днище ковша скрепера в несколько раз, что в свою очередь приведет к увеличению эффективности процесса разгрузки и повышению производительности машины.

Результаты работы были представлены на студенческой конференции «День науки» в ДонНТУ в 2009 и 2010 году. В 2010 году работа участвовала в финале Всеукраинского конкурса студенческих научных работ в области науки «Транспорт» по специальности «Машины для земельных дорожных и лесотехнических работ», по итогам которого получила диплом «За оригинальную методику исследования».

При написании данного автореферата работа была далека до завершения, поэтому результаты и выводы по работе могут значительно отличаться от информации в данном автореферате. Окончательное завершение работы - декабрь 2010 г.

Литература

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: [Электронный ресурс]. - Режим доступа: 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.

В начало