Расчет производительности прицепного скрепе­ра с учетом сил сопротивлений, возникающих в про­цессе копания грунта.

2.1. Исходные данные

Требуется определить техническую и эксплуатационную произ­водительность прицепного скрепера с учетом сил сопротивлений, воз­никающих в процессе копания грунта, при работе скрепера в следую­щих заданных производственных условиях:

- марка прицепного скрепера;

- марка гусеничного трактора-тягача скрепера;

- вид разрабатываемого грунта и его средняя плотность;

- схема работы скрепера;

- дальность транспортирования грунта;

- характер участка набора грунта в ковш скрепера.

2.2 Определение технических характеристик скрепера

По заданной марке прицепного скрепера и трактора-тягача с ис­пользованием справочной литературы /1, 2/ необходимо определить следующие технические характеристики строительных машин, необ­ходимые для выполнения расчетов:

- емкость ковша скрепера;

- ширина резания грунта ножевой кромкой ковша скрепера;

- максимальная глубина резания грунта ножевой кромкой ковша

скрепера;

- максимальная толщина отсыпаемого слоя грунта;

- скорости гусеничного фактора-тягача на различных передачах

коробки скоростей;

- мощность двигателя трактора-тягача;

- масса прицепного скрепера;

- масса трактора-тягача.

2.3. Схема сил сопротивлений, возникающих при на­боре грунта в ковш скрепера

Рабочий процесс скрепера состоит из ряда последовательно по­вторяющихся операций - резание и набор грунта в ковш, транспорти­рование грунта в ковше скрепера к месту его укладки, выгрузка грунта из ковша скрепера и возвращение скрепера к месту очередного набора грунта в ковш.

В начале набора грунта ковш опускается вниз, ножевая режущая кромка ковша врезается в грунт и под действием силы тяги трактора-тягача при его движении снимает стружку (слой) грунта, который постепенно заполняет ковш.

Наибольшее усилие, которое необходимо для перемещения скре­пера во время набора грунта в ковш, определяется по зависимости:

Wi = W1 + W2 + W3 +W4 +W5, кН,

W1 — сопротивление грунта резанию ножевой кромкой ковша;

W2 - сопротивление перемещению небольшой призмы волоче­ния грунта перед ковшом скрепера;

W3 — сопротивление перемещению срезаемого слоя грунта, движущегося по металлу днища и стенкам ковша;

W4 — сопротивление перемещению слоя грунта в ковше, движу­щегося по грунту, который находится в ковше;

Ws — сопротивление передвижению скрепера как транспортного средс тва, которое складывается из сопротивления переме­щению гусеничного трактора-тягача (W5.1) и сопротивле­ния перемещению прицепного скрепера с фунтом в ковше (W5-2)•

На рис. 2 приведена схема сил сопротивлений, возникающих в процессе набора грунта в ковш скрепера.

2.4. Определение величины действующих сил сопро­тивлений

Сопротивление грунта резанию ножевой кромкой ковша во время операции набора грунта в ковш определяется:

Σ W1 = B• h_p К₂ • 10³, кН,

В - ширина срезаемого слоя грунта, м, принимается по техни­ческим характеристикам прицепного скрепера;

h_p - толщина срезаемой стружки грунта, м, принимается в пер­вом приближении в пределах от 0, 1 до 0, 2 м, при этом мень­шие значения принимаются для глинистых и суглинистых грунтов, а большие для песчаных и супесчаных грунтов;

— удельное сопротивление грунта резанию ножевой кромкой ковша скрепера, МПа, принимается в зависимости от вида разрабатываемого грунта по табл. 4/1/.

Величина сопротивления перемещению призмы волочения грун­та перед ковшом скрепера определяется:

W₂ = у • В • h_CK • р_гр -g • (μ + i) 10 ^-3, кН,

у — отношение высоты призмы волочения грунта перед ковшом скрепера к высоте грунта в ковше, принимается у=0, 5...0, 7, при этом большие значения принимаются для песчаных и су­песчаных грунтов, а меньшие для глинистых и суглинистых;

В - ширина срезаемого слоя грунта, м;

h_CK—высота слоя грунта в ковше, м, принимается по табл. 10 /1/;

Ргр — плотность разрабатываемого грунта, кг/м³;

g — ускорение силы тяжести, м/с², (g = 9, 81);

μ — коэффициент трения грунта призмы волочения по грунту по­верхности забоя, принимается в пределах 0, 3...0, 5, при этом большие значения принимаются для песчаных и супесчаных грунтов, а меньшие для глинистых и су глинистых;

i — коэффициент сопротивления движению скрепера при уклоне поверхности пути работы скрепера, (i = tgα, где α - угол наклона пути движения скрепера при работе на участке, если участок: горизон­тальный, то при i = tg0° = 0, т.е. i = 0).

Величина сопротивления от срезаемого слоя грунта, движущего­ся по металлу днища и стенок ковша определяется:

W₃ = В hp • h_CK • Prp • g * 10 ^-3, кН,

Величина сопротивления от внутреннего трения слоя грунта, движущегося по грунту, который уже находится в ковше:

W₄= х • В • h_CK • р_Гр • g • 10 ^-3, кН,

ж — коэффициент, учитывающий влияние вида разрабатываемого скрепером грунта, принимается для глинистых грунтов X = 0, 24...0, 31, для суглинистых фунтов х = 0, 37... 0, 44, для песчаных грунтов и су­песчаных грунтов X = 0.46...0, 50.

Сопротивление передвижению прицепного скрепера как транс­портного средства складывается из сопротивления передвижению трактора-тягача и сопротивления передвижению колесного прицепного скрепера с грунтом в ковше:

W₅ =W _5-1 + W 5-2, кН,

W5-1 — сопротивление передвижению гусеничного трактора тя- гача, кН;

W _5-2 сопротивление передвижению прицепного колесного скрепера с грунтом в ковше, кН.

Сопротивление передвижению гусеничного трактора-тягача оп­ределяется:

W _5-1 = m_тр • g • (f • cosα ± sinα) • 10 ^-3, кН

m_тр — масса трактора-тягача, кг;

f - коэффициент удельного сопротивления движению гусенич­ного трактора-тягача скрепера по плотному грунту, опреде­ляется по табл.5 /1/;

α — угол наклона пути движения трактора-тягача скрепера, град.

Сопротивление передвижению прицепного колесного скрепера с грунтом в ковше определяется:

W_5-2 = [(m_cк • g + v_rp • ρ _гр • g) •(ω ± i)] • 10^-3, kH, (24)

m_CK — масса прицепного скрепера, кг, принимается по техни­ческой характеристике машины;

V_rp — объем грунта в ковше скрепера, м’;

ω - коэффициент удельного сопротивления колес прицепного скрепера качению, принимается для глинистых и суглинис­тых грунтов в пределах 0, 15...0, 20, а для песчаных грунтов в пределах 0, 25...0, 30; i - коэффициент сопротивления движению скрепера при уклоне поверхности пути движения скрепера (i = tgtt).

Объем грунта в ковше скрепера определяется по следующей за­висимости:

Vгр = V_K • К_н, м³

Vк- геометрический объем ковша скрепера по технической ха-

рактеристике машины, м³;

К_н - коэффициент наполнения ковша скрепера рыхлым грунтом, принимается по табл. 8 /1/.

После определения всех величин сил сопротивлений, возни­кающих при наборе грунта в ковш скрепера, необходимо определить сумму всех этих сил сопротивлений:

Σ Wi⁼ W1 + W2 + W3 + W4 + W5, кН,

2.5. Определение оптимальной толщины срезаемой стружки грунта и целесообразности использования тракто­ра-толкача скрепера при наборе грунта в ковш

Для проверки выполнения условия работы скрепера без буксова­ния при наборе грунта в ковш - Т_сц > Т_тяги > Σ Wi необходимо определить тяговое усилие по сцеплению ходовой части гусеничного трактора-тягача со шпорами при движении по плотному грунту и тяго­вое максимальное усилие двигателя трактора на 1 передаче коробки скоростей и сравнить полученные величины со значением £ Wj.

Тяговое усилие гусеничного трактора-тягача по сцеплению ходо­вой части при движении по плотному грунту определяется:

Т_сц= m_тр • g • φ • 10^-3, кН,

m_Tp — масса гусеничного трактора-тягача, кг;

g - ускорение силы тяжести, м/с², (9, 81);

φ — коэффициент сцепления ходовой части гусеничного тракто­ра-тягача со шпорами с поверхностью пути движения по плотному грунту определяется по табл.7 III.

Тяговое усилие трактора на 1 передаче коробки скоростей опре­деляется:

Т_тяги =

N_дв - мощность двигателя трактора-тягача, кВТ;

η - коэффициент полезного действия трансмиссии трактора- -тягача, (Т] = 0, 85);

V₁ - скорость движения трактора-тягача на 1 передаче коробки переключения скоростей, м/с.

После определения величин Т_сц и Т_тяги необходимо прове­рить выполнение условия нормальной работы скрепера при наборе грунта в ковш, а именно:

Т_сц > Т_тяги > Σ Wi

После определения суммарного значения всех сил сопротивлений необходимо проверить цифровое выполнение условия работы скрепера без буксования во время набора грунта в ковш скрепера:

T_сц> T_тяги> Σ Wi

Если условие выполняется, то тогда принятая в первом прибли­жении толщина срезаемого слоя грунта ножевой кромкой ковша скре­пера может быть использована для дальнейших расчетов продолжи­тельности рабочего цикла скрепера и его производительности.

При этом необходимо стремиться уменьшить длину пути набора грунта в ковш скрепера за счет увеличения толщины срезаемой струж­ки грунта, если по неравенству (30) имеется запас тяговых усилий трактора-тягача по сцепному весу и мощности двигателя по отноше­нию к величине IWL

В этом случае необходимо увеличить максимально возможно толщину срезаемой стружки грунта и выполнить пересчет величины W, и W3, в формулы расчета которых входит величина lip. а затем снова проверить выполнение условия неравенства (30), т.е. здесь не­обходимо действовать методом попыток до получения оптимальной толщины срезаемой стружки грунта. При этом, естественно, нельзя допустить превышение толщины срезаемой стружки грунта по отно­шению к максимальной глубине резания грунта, которая дана в техни­ческих характеристиках данной марки прицепного скрепера.

В случае, если условие неравенства (30) не выполняется, то тогда необходимо или уменьшить толщину срезаемой стружки грунта или применить дополнительный трактор-толкач, который будет использо­ваться только во время набора грунта в ковш скрепера.

При необходимости использования трактора-толкача целесооб­разно принимать в этом качестве гусеничный трактор такой же марки, что и трактор-тягач скрепера. В этом случае тяговые усилия при набо­ре грунта в ковш скрепера увеличиваются в 2 раза. Поэтому при ис­пользовании трактора-толкача необходимо так же откорректировать толщину срезаемой стружки грунта до максимально возможной вели­чины за счет увеличения Т_сц и Т_тяги в 2 раза.

2.6. Определение длины пути загрузки и разгрузки ковша скрепера и продолжительности его рабочего цикла

Используя принятую величину толщины срезаемой стружки грунта, длина пути за
грузки ковша скрепера определяется по зависимости:

L_загр =

V_K - геометрическая емкость ковша скрепера, м³;

К_пг - коэффициент потерь грунта, учитывающий потери грунта при образовании призмы волочения и боковых валиков пе­ред ковшом скрепера, принимается в пределах 1, 2... 1, 5;

Кн - коэффициент наполнения ковша скрепера рыхлым грунтом, принимается по табл.8 /1/;

В - ширина срезаемого слоя грунта ножевой кромкой ковша скрепера, м;

h_р - принятая толщина срезаемой стружки грунта, м;

К_нс- коэффициент неравномерности срезаемой стружки грунта, принимается К_нс = 0, 7;

К_р — коэффициент разрыхления грунта в ковше скрепера, прини­мается по табл 9 /1/.

При малых принятых толщинах срезаемой стружки грунта рас­четная длина пути загрузки ковша L_загр может оказаться значитель­ной по величине, что приведет к увеличению продолжительности ра­бочего цикла скрепера и.следовательно, к снижению его производи­тельности.

Ориентировочно для прицепных скреперов, работающих без трактора-толкача, можно принимать рациональную длину пути загруз­ки ковша в зависимости от его объема в следующих пределах:

при объеме ковша –

2, 5...3, 0 м³ L_загр=12...15 м;

6, 0...8, 0 м³ L_загр ⁼15...20 м;

10...12 м³ L_загр ⁼20...25 м;

15... 18 м³ L_загр =30...35 м.

В случае, если расчетная длина пути загрузки ковша значительно превышает вышеназванные пределы, то целесообразно при наборе грунта в ковш скрепера использовать трактор-толкач.

Длина пути разгрузки ковша скрепера определяется:

L_загр =

V_K - геометрическая емкость ковша скрепера, м'¹;

К_н - коэффициент наполнения ковша скрепера, принимается по табл.8 /1/;

В - ширина укладываемого слоя грунта, принимается по техни­ческой характеристике данной марки скрепера и равна ши­рине резания грунта скрепером, м;

h_укл — толщина слоя укладываемого грунта из ковша скрепера, толщина слоя отсыпки грунта скреперами обычно состав­ляет для глинистых и суглинистых грунтов 0, 2...0, 3 м, а для песчаных грунтов -0, 1...0, 15 м.

Продолжительность рабочего цикла скрепера складывается из следующих основных операций:

Т_ц =

L_загр - длина пути загрузки ковша, м;

V_загр - скорость движения скрепера при загрузке ковша, м/с;

L_тр - длина пути транспортирования грунта, м;

V_тр - скорость скрепера при транспортировании грунта, м/с;

L_разг ” длина пути разгрузки ковша, м;

V_разг - скорость движения скрепера при разгрузке ковша, м/с;

L_хол - длина, пути холостого хода порожнего скрепера, м;

V_хол- скорость холостого хода порожнего скрепера, м/с;

n_1- количество поворотов на 1 рабочий цикл скрепера;

Т_пов - время на 1 поворот скрепера, принимается – 15...20с;

n₂ - количество переключений передач при рабочем цикле скрепера;

Т_пп - время на 1 переключение передачи, принимается в преде­лах -4...5с.

Длина пути загрузки (L_3arp) и разгрузки ковша (L_pa3r) скрепера принимаются по расчетным значениям, длина пути транспортирования грунта (L_Tp) дана в задании на проектирование, а длина пути движе­ния холостого порожнего скрепера (L_X0J1) в общем виде принимается равной:

L_хол ⁼ L_тр + L_разг, м,

За один поворот принимается поворот скрепера на 180°, количе­ство поворотов за рабочий цикл зависит от схемы работы скрепера. Количество переключений скоростей коробки передач за 1 рабочий цикл скрепера ориентировочно может быть принято как - 6... 8.

При наборе грунта в ковш скрепера возникают значительные силы сопротивления, поэтому набор фунта производится всегда на 1 скорости коробки передач трактора-тягача при максимальном тяговом усилии.

Для расчета времени полного рабочего цикла скрепера рекомен­дуется принимать следующие значения скоростей движения скрепера, полученные из практического опыта проведения скреперных работ:

V_загр = (0, 65...0, 80) • V₁, м/с,

V₁. паспортная скорость гусеничного трактора-тягача на 1 ско­рости коробки передач, м/с;

V_тр ⁼ (0, 5... /5) • V_max, м/с,

V_max = наибольшая паспортная скорость трактора-тягача, м/с;

V_разг⁼ 0, 75 • V_max м/с,

V_хол ⁼ (0, 75...0, 85) • V_max, м/с.

2.7. Определение технической и сменной эксплуата­ционной производительности скрепера

Техническая производительность скрепера определяется:

а) эллиптическая; б) “восьмеркой”; в) зигзагообразная; г) спиральная.

П_т = м³/час

3600 - время 1 часа работы скрепера в секундах;

V_K - геометрический объем ковша скрепера, м³;

К„ - коэффициент наполнения ковша скрепера, принимается по табл. 8/1/;

Т_ц - время полного рабочего цикла скрепера, с;

К_р _ коэффициент разрыхления грунта в ковше скрепера, при­нимается по табл. 9 /1/.

Эксплуатационная сменная производительность скрепера определяется:

П_т = , м³/смену,

Т_см- время продолжительности 1 смены в часах, принимается

Т_см = 8, 2 часа;

К_в - коэффициент использования рабочего времени скрепера в смену, для прицепных скреперов - К_в = 0, 80.