В стесненных условиях городского строительства, коммунальных работ и при ремонте дорог имеется потребность в легких мобильных машинах [1-3].
Для разрушения прочных грунтов высокой эффективностью обладают малогабаритные землерезные машины, создающие большие усилия на зуб фрезы [1]. При соударении фрезы с прочным грунтом (мерзлые грунты и твердые покрытия) возникают большие силы, которые можно использовать для создания интенсивных воздействий на грунт для его разрушения.
На рис. 1 показана принципиальная схема опытной установки.
Рис. 1. Принципиальная схема опытной установки
Импульсная фреза включает маятниковую раму 1 с фрезой 2, привод 3 вращения фрезы. Маятниковая рама связана с ходовой частью 4 шарниром 5.
Другая опора маятниковой рамы 1 фрезы осуществляется упругим элементом 6, связанным с кривошипом 7, имеющим привод 8 для создания вынужденных колебаний маятниковой рамы. Кожух 9 служит защитой от разлетающихся частиц грунта. Привод фрезы осуществляется посредством упругого элемента 10 (например, ременной передачей).
Исследование влияния ударов на колебания фрезы является одной из задач создания эффективной машины ударного действия [4-6].
Ударную обобщенную силу
выразим через δ – функцию Дирака [4]
, (1)
В общем случае дифференциальное уравнение малых колебаний рамы фрезы с учетом ударных воздействий будет иметь вид:
, (2)
где 
.
Ниже рассмотрим частный случай малых колебаний при 
и 
.
Схема колебаний импульсной фрезы представлена стержнем весом G1 прикрепленного шарниром О. На конце стержня длиной l прикреплен груз (фреза) весом G. Стержень с фрезой удерживается в горизонтальном положении вертикальной пружиной жесткостью с на расстоянии а от шарнира О. На груз (фрезу) действует вертикальный ударный импульс 
в некоторый момент времени 
(рис. 2 а).
Из выражений кинетической энергии Т и потенциальной энергии П устанавливаем коэффициенты инерции и жесткости, соответствующие обобщенной координате φ
,
где 
- осевой момент инерции стержня фрезы.
Частота свободных колебаний
.
Уравнение движения рамы фрезы будет иметь вид
, (3)
где 
- единичная функция.
Если до приложения импульса рычаг фрезы находился в покое, значение постоянных 
. Тогда из (3) получаем
, (4)
Величина 
- согласно формуле (2) равна 
, где 
- импульс обобщенной ударной силы.
Поскольку за обобщенную координату в данном случае принят угол поворота φ, то представляет момент ударного импульса относительно оси вращения
.
С учетом этого находим
или 
.
Тогда выражение (4) принимает вид
, (5)
Если импульс приложен в начальный момент движения (при 
), то
. (6)
Максимальное значение угла отклонения рычага фрезы
.
График колебаний изображен на рис. 2 (б). Если к рычагу фрезы в течение некоторого времени прикладываются несколько ударных импульсов, действующих через равные промежутки времени (случай периодических ударов), то если удары следуют через 
,
где 
,
то уравнение движения рычага фрезы будет
. (7)
Колебания будут прерывистыми, то есть будут возникать и исчезать через каждые полпериода. График таких колебаний представлен на рис. 2 (в). Если удары следуют через 
, то уравнение движения будет выглядеть так
. (8)
В этом случае после каждого импульса амплитуда колебаний будет увеличиваться на величину 
, то есть неограниченно расти по закону арифметической прогрессии. График таких колебаний изображен на рис. 2 (г). Здесь мы встречаемся с явлением, аналогичным явлению резонанса.
На рис. 3 и рис. 4 показана опытная установка импульсной фрезы.
Рис. 3. Рабочий орган
Рис. 4. Опытная установка в работе
Отдельные параметры установки:
|
электродвигатель асинхронный частота вращения фрезы диаметр фрезы по режущим кромкам зубков ширина прорезаемой щели масса фрезы масса установки |
|
3 кВт 1000 об/мин 480 мм 30 мм 15 кг 100 кг |
При разработке прочных грунтов требуется развивать не только высокие динамические импульсы, но и предотвращать существенное затупление рабочего органа. Поэтому ударные машины выгодно отличаются от других типов машин.
В этом случае по поверхности грунта наносится серия ударов, в результате чего образуется сеть трещин, снижающих прочность массива и позволяющих производить его разработку.
Такие условия существенно снижают удельный износ рабочего инструмента и позволяют эффективно разрушать прочные грунты.
При ударном воздействии фрезы на грунт удары следуют систематически, например, через почти равные промежутки времени 
(рис. 5).
Время отличия импульсов от нуля и есть время удара. При ударном воздействии фрезы прочный грунт разрушается крупным сколом, уменьшаются затраты энергии на вдавливание фрезы и трение, что позволит создать эффективную машину для стесненных условий работы. Таким образом, малогабаритная импульсная фреза может выполнять свою технологическую функцию по разрушению прочного грунта при минимуме энергетических затрат.
Рецензенты:
Носенко А.С., д.т.н., профессор заведующий кафедрой «Сервис транспортных и технологических машин», Шахтинского института (филиала) Южно-Российского государственного политехнического университета (НПИ) им. М.И. Платова), г. Шахты;
Евстратов В.А., д.т.н., профессор, заведующий кафедрой «Машины и оборудование предприятий стройиндустрии» Шахтинского института (филиала) Южно-Российского государственного политехнического университета (НПИ) им. М.И. Платова), г. Шахты.
Библиографическая ссылка
Болтовский В.А., Байбара С.Н., Дикий Р.В. МИНИМАШИНА ДЛЯ РАЗРУШЕНИЯ ПРОЧНЫХ ГРУНТОВ // Современные проблемы науки и образования. – 2014. – № 6. ;URL: https://science-education.ru/ru/article/view?id=16975 (дата обращения: 23.04.2024).