Экскаватор траншейный цепной с баровым рабочим оборудованием

3 Основные физико-механические свойства грунтов

 

По физико-механическим свойствам  грунты различают в зависимости от признаков петрографии и условий залегания, физического состояния, содержащейся в них воды и механических свойств.

К признакам петрографии относятся  минеральный состав, структура и текстура грунтов. Признаки физического состояния включают гранулометрический состав, пористость, влажность, температуру, теплопроводность, а также разрыхляемость при разработке и уплотняемость грунтов при укладке после разработки. К признакам, зависящим от количества и состояния содержащейся в грунте воды, относятся пластичность, размокаемость, набухаемость, водопроницаемость, липкость. Признаками механических свойств грунтов являются сцепление, сопротивление сжатию, растяжению, сдвигу, резанию, копанию, внешнему и внутреннему трению, абразивность, несущая способность.

Пористость — свойство грунтов, заключающееся в неплотном  прилегании друг к другу их частиц вследствие неправильности формы и неодинаковых размеров. Поры (промежутки между частицами) снижают механическую прочность и повышают деформативность грунтов. Поры разных грунтов неодинаковы по величине и форме

Влажность  измеряется отношением массы воды в грунте к массе высушенного грунта.

Плотность   грунтов зависит от плотности минералов, из которых состоят грунтовые частицы, а также их пористости и влажности. Плотность наиболее распространенных минералов, образующих грунты, составляет (2...4)·10³кг/м³. Плотность грунтов благодаря их пористости меньше плотности слагающих их минералов, хотя вода в порах частично сглаживает этот разрыв. Плотность грунтового скелета обычно равна (2...2,5)·10³ кг/м³, а плотность грунтов - (1,3...2,3)·10³ кг/м³.

Увеличению крепости и трудности  разработки грунтов обычно соответствует увеличение их плотности.

Сопротивления сдвигу и сжатию, сцепление и внутреннее трение грунтов — это свойства, наиболее влияющие на сопротивление грунтов механическому воздействию. На их характеристиках основываются расчетные методы механики грунтов, в которых принимается, что сдвиг в грунте происходит, если сдвигающие силы в нем превосходят силы внутреннего трения и сцепления.

Сопротивление грунта внешнему трению рабочих органов машин относится к числу наиболее существенных факторов рабочего процесса машин для земляных работ. Коэффициентом и углом внешнего трения грунта по конструкционным материалам шин определяются соотношение между ортогональными составляющими сил резания и копания грунтов, усилия для перемещения машин ми грунтовому массиву, условия устойчивости машин.

Абразивность — свойство грунтов с частицами большой твердости так воздействовать на детали рабочих органов, некоторых портных узлов и ходового оборудования машин, что они подвергаются износу, их форма и размеры значительно изменяются

Разрыхляемость - свойство грунтов, заключающееся в превращении их при разработке из массива в кусковой или сыпучий материал с объемом пустот и пор значительно большим, чем до разработки. Соответственно уменьшается плотность грунтов после разработки по сравнению с плотностью в массиве.

Разрыхляемоеть грунтов зависит  от их свойств и условий залегания, конструкции режущей части машины и характера земляных работ.

Примерзаемость — свойство грунтов присоединяться к поверхностям деталей и конструкций машин при температуре замерзания. Процесс примерзания проходит обычно в два этапа: вначале разрабатываемый незамерзший грунт прилипает к детали или конструкции, затем прилипший  грунт замерзает.

Липкость - свойство грунтов присоединятся к поверхностям детелей машин при положительной температуре.

Сопротивление   резанию - способность грунтов сопротивляться механическому воздействию, вызывающему определенную совокупность напряжений сжатия, растяжения и сдвига, преодоление которых завершается разрушением грунта и отделением от массива его кусков или слоя.

Рисунок – Характер зависимости  липкости грунта от влажности (А - интервал влажности грунта, при которой липкость наибольшая)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таблица - Категории и  способы разработки грунтов

Категория грунтов	Виды грунтов	Плотность, кг/м3	Способ разработки
I	Песок, супесь, растительный грунт, торф	600...1600	Ручной, машинами
II	Легкий суглинок, лёсс, гравий, песок  со щебнем, супесь со строй мусором	1600... 1900	Ручной, машинами
III	Жирная глина, тяжелый суглинок, гравий крупный, растительная земля с корнями, суглинок со щебнем или галькой	1750... 1900	Ручной, машинами
IV	Тяжелая глина, жирная глина со щебнем, сланцевая глина	1900...2000	Ручной, машинами
V-VII	Плотный отвердевший лесс, дресва, меловые  породы, сланцы, туф, известняк и ракушечник	1200...2800	Ручной, взрывным способом
VIII-XI	Граниты, известняки, песчаники, базальты, диабазы, конгломерат с галькой	2200...3000	Взрывным способом

4 Расчетная часть

4.1 Определение основных параметров

Длина бара определяется следующей  зависимостью:

,

где H_щ – глубина прорезаемой щели, м; H_щ = 1,5 м;

H_п – минимальная высота приводного вала режущей цепи над уровнем грунта, м. Это значение принимаем как у аналога. Тогда H_п = 0,725 м;

β – угол наклона бара к вертикали, град.; β = 30°.

Тогда

м.

Ширина реза

,

где B_щ – ширина прорезаемой щели, м; B_щ = 0,1 м;

n_л – число линий резания.

Число линий резания найдем по теории подобия:

,

где n_л.пр, n_л.ан – число линий резания, соответственно, проектируемой машины и аналога; n_л.ан = 9;

B_щ.пр, B_щ.ан – ширина прорезаемой щели, соответственно, проектируемой машины и аналога, м; B_щ.ан = 0,14м.

Отсюда

.

Т.к. на большинстве машин применяют  семи- и девятилинейные цепи [3, с. 194], то принимаем n_л = n_л.пр = 7. С учетом этого

м.

Толщина реза (стружки) определяется выражением:

,

где S_ср – средняя величина сечения среза, м², S_ср = 0,0002…0,00035 м² [13, с. 166].

м.

Аналог имеет при длине бара L_б.ан = 2 м длину цепи L_ц.ан = 5,244 м.

Тогда в нашем случае длина цепи составит

м.

Шаг цепи составляет t_ц = 0,076 мм. Тогда количество кулачков в цепи

.

Принимаем z_к = 89. Уточним длину цепи:

м.

На практике бесковшовые цепные траншеекопатели проектируются  с использованием нескольких схем расстановки резцов на исполнительном органе. Наибольшее распространение получила схема – симметричная «елочка» (рисунок 3) [15, с. 12].

Рисунок 3 – Схема расстановки зубков баровой цепи

 

Определим количество режущих зубков на одной линии резания z_л.

Как видно из рисунка 3, на каждой линии  резания зубок устанавливается  через 3 кулачка на 4. Тогда

.

Скорость резания (цепи) аналога  составляет 2,5 – 3,5 м/с. Для разрабатываемой машины принимаем это значение таким же, т.е.

м/с.

Тогда рабочая скорость передвижения машины

м/ч.

Массу машины рассчитаем следующим  образом. Т.к. и проектируемая машина и аналог имеют одинаковое шасси, а также снабжены одним и тем же бульдозерным отвалом, то их массы будут различаться только за счет массы барового рабочего органа (вместе с трансмиссией и крепежными деталями и механизмами управления).

Таким образом, масса барового рабочего органа аналога составит:

,

где M – масса машины, кг; M = 6500 кг;

m_б.от – масса бульдозерного отвала, кг; m_б.от = 700 кг;

m_ш – масса шасси, кг. Т.к. шасси – МТЗ-82.1, то m_ш = 3700 кг.

Тогда масса барового рабочего оборудования аналога

кг.

По теории подобия определим  массу бара проектируемой машины

кг.

Из формулы (2.11) общая масса проектируемой  машины составит

кг.

Баланс мощностей

Мощность двигателя баровой  машины должна быть больше суммы мощностей, затрачиваемых на привод рабочего органа, привод ходового устройства, на заглубление и подъем рабочего органа, преодоление подъемов и уклонов [3].

4.2.1 Расчет затрат мощности на привод рабочего оборудования

Для начала определим теоретическую  производительность баровой машины по формуле:

,

где F_щ – площадь поперечного сечения щели, м²;

м2.

Тогда теоретическая производительность

м³/ч.

Затраты мощности на привод рабочего органа складываются из затрат на разработку грунта, на подъем грунта до точки разгрузки  и разгон грунта, на сопротивление трению грунта о грунт.

Следующая формула учитывает все  эти составляющие:

,

где K – удельное сопротивление резанию, МПа; K = 7 МПа для грунтов VII категории [10, табл. 2.19];

ρ – плотность грунта, кг/м³. Для грунта VII категории ρ = 2400 кг/м³ [9, табл. 1.16];

H_р – высота подъема грунта от поверхности земли до уровня разгрузки, м. Т.к. разгрузка грунта может происходить в любой точке между поверхностью земли и наивысшей точкой цепи, принимаем H_р = H_п = 0,725 м.

ρ_в – угол внутреннего трения грунта, град. Для грунта VII категории ρ_в = 40° [9, табл. 1.16];

η_ц – КПД цепного рабочего органа; η_ц = 0,7 [9, табл. 1.16];

α – угол наклона траектории режущей  кромки резца.

.
Отсюда    .

кВт.

4.2.2 Расчет затрат мощности на привод ходового устройства

Мощность, затрачиваемая на передвижение машины, определяется по формуле:

,

где W_к – горизонтальная составляющая сопротивления резанию, кН;

W_т – сопротивление трения грунта о грунт забоя, кН;

W_пер – сопротивление передвижению машины, кН;

v_р.п – скорость рабочего передвижения машины, м/ч; v_р.п = 91,3 м/ч;

η_х – КПД колесного ходового устройства; η_х = 0,85.

Горизонтальная составляющая сопротивления  резанию равна

кН.

Сопротивление трению грунта о грунт  забоя равно

кН.

 

Сопротивление передвижению машины определяется по формуле:

,

где f – коэффициент сопротивления передвижению. Для колесного хода и грунта VII категории f = 0,11 [9, табл. 1.16];