Компенсирующий комбинированный рабочий орган дорожного катка

Полный текст

Введение.

Для развития машиностроительной и дорожной отраслей необходимо разрабатывать, проектировать и выпускать современную высокопроизводительную технику. Одной из наиболее востребованных машин в транспортном строительстве являются дорожные катки. Эта машина предназначена для уплотнения технологических слоёв автодорог с целью придания прочности и устойчивости всей дорожной конструкции. В настоящее время существует высокая конкуренция среди производителей таких машин. Модели таких производителей, как «HAMM», «BOMAG» (Германия), «DINAPAK» (Швеция), «SAKAI» (Япония) достаточно хорошо зарекомендовали себя на рынке, обладают хорошей надёжностью и высокими эксплуатационными характеристиками, но имеют достаточно высокую стоимость. В ценовом диапазоне лучшие предложения, выдвигают Китайские производители, такие как «XCMG», «Sany», «LiuGong», однако надёжность и эксплуатационные характеристики и у них несколько ниже. В России известны отечественные производители дорожных катков: «Рыбинский завод Дорожных машин» (марка DM) и завод «Раскат» (марка RW) г. Рыбинск, которые по эксплуатационным характеристикам сопоставимы с китайской техникой, но могут конкурировать по цене. Здесь актуальна задача увеличения эксплуатационных характеристик выпускаемой техники до характеристик ведущих зарубежных производителей, с сохранением стоимости отечественной дорожной техники. В условиях высокой конкуренции и программы импортозамещения необходимо обеспечить дорожно-строительные организации отечественными средствами механизации и загрузить мощности наших машиностроительных предприятий.

Основная часть.

По результатам анализа характеристик всей номенклатуры уплотняющей техники, как Российских, так и зарубежных производителей дорожных катков, были выявлены их достоинства и недостатки [1, 2, 3]. Одним из недостатков широко используемых для уплотнения дорожно-строительных материалов вибрационных машин является, то, что в процессе вибрирования энергия вибрационного вальца затрачивается на полезную работу уплотнения только в том полупериоде колебаний, когда вибровалец движется «вниз». Во второй половине периода колеблющийся вибровалец движется «вверх» и не производит полезной работы уплотнения на материал. Таким образом, более половины энергии, затрачиваемой на возбуждение вибрации, тратится вхолостую, что повышает энергозатраты и снижает долю полезной работы вибрационной машины [1, 4].

С точки зрения увеличения доли энергии, затрачиваемой катком на работу по уплотнению материала, необходимо уменьшение «холостой» составляющей части работы по движению вибровальца «вверх». Этот принцип реализован в следующей конструкции [4], вибрационный каток, содержит раму, и рабочий орган, состоящий из двух вальцов основного вибрационного и дополнительного компенсирующего вальца, шарнирно связанных между собой при помощи двуплечего рычага через опорно-поворотное устройство (рис. 1). В процессе уплотнения на том полупериоде колебаний, в течение которого движение вибрационного вальца происходит вверх, посредством двуплечего рычага, через опорно-поворотный узел (рис. 2), усилие передается компенсирующему вальцу, который движется вниз и осуществляет полезное воздействие на уплотняемый материал и компенсирует часть потерянной энергии основного вибровальца.

 

Рисунок 1 – Общий вид дорожного катка

 

Рисунок 2 – Опорно-поворотное устройство

 

Новая конструкция требует предварительного расчёта параметров представленной машины. Динамическая схема катка должна учитывать характер связи его вальцов с рамой. В случае использования специальных элементов и устройств подвески их упругие и вязкие свойства должны быть рассмотрены в комплексе с упруго-вязкими свойствами вальцов и шарнира.

Построение динамической модели дорожной машины должно вестись с учетом описанных выше факторов. Принимая во внимание отсутствие пластических деформаций (износа) элементов катка, подверженных силовым воздействиям, и неизменность их формы и размеров при наличии упругих и вязких свойств, моделирование может вестись в рамках Лагранжева формализма классической механики [6, 7]. Все элементы схемы катка представляются линейными, обладающими упругими и вязкими свойствами, взаимодействующими массивными телами, рассматриваемые в рамках подхода сосредоточенных параметров. Включение сил взаимодействия узлов катка во внешнюю периодическую силу воздействия машины на уплотняемую поверхность, не вызывает трудностей. Моделирование процесса деформирования уплотняемого материала при взаимодействии с уплотнителем должно проводится с учетом взаимодействия узлов катка между собой и реакции уплотняемой поверхности на рабочие органы катка.

Комбинированный рабочий орган, представленной машины, сочетает в себе возможность более эффективного использования энергии колебаний вибрационного вальца с повышением производительности машины.

Схема для моделирования воздействия на опорную поверхность приведена на рисунке 3.

 

Рисунок 3 – Расчетная схема

 

 – расстояние от центра масс основного (вибрационного) вальца до точки закрепления на раме катка;

 – расстояние от центра масс компенсирующего вальца до точки закрепления на раме катка;

 – вертикальное смещение основного (вибрационного) вальца;

 – вертикальное смещение компенсирующего вальца;

 – вертикальное смещение рамы катка за счет движения вальцов

 – сила реакции (сопротивления) активной области грунтовой среды, уплотняемой основным (вибрационным) вальцом;

 – сила реакции (сопротивления) активной области грунтовой среды, уплотняемой компенсирующим (статическим) вальцом;

 – периодическая вынуждающая сила, реализующая динамическое воздействие на грунт со стороны основного (вибрационного) вальца.

Уравнение движение системы строится из соображений, что под действием периодической силы рабочий орган, может совершать вращательное движение вокруг центра масс системы и поступательное движение как единое целое вместе с рамой катка [8, 9, 10].

Найдем уравнение движения из основных уравнений динамики

                                                                 (1)

где – равнодействующая сил, действующих на систему,

 – полный вращательный момент сил, действующих на систему относительно ее центра масс

 – момент инерции системы при вращении относительно центра масс, . Здесь  и , соответственно, расстояния от центра масс системы до основного (вибрационного) и компенсирующего (статического) вальцов.

При условии небольших значений смещений по отношению к радиусам вращения при движении рабочего органа, запишем окончательный вид уравнений движения

        (2)

Решение этого уравнения совместно с уравнениями движения позволяют выявить влияние расстояний центров масс вальцов друг от друга на накопление пластической деформации уплотняемой средой.

 – доля массы рамы катка, приходящегося на ось вальца;  – масса вальца;  – радиус вальца;  – периодическая сила воздействия.

Дальнейшее рассмотрение задачи проводилось численно в среде компьютерной алгебры Maple.

В качестве примера приведем результаты интегрирования системы (2) для разработанного оригинального рабочего органа с параметрами, соответствующими среднему вибрационному грунтовому катку.

;;,   

Участки грунтовой среды, взаимодействующие с вальцами рабочего органа, будем рассматривать как линейные элементы Кельвина-Фойгта с постоянными жесткостями и вязкостями соответственно

,/

Параметры периодического силового воздействия выбирались также в соответствии с рекомендациями и техническими характеристиками средних гладковальцовых вибрационных катков:

, .

Иллюстрацией того, как параметры нового рабочего органа оказывают влияние на амплитуды вынужденных колебаний, могут служить графические зависимости, приведенные на рисунке 4 для смещения центра масс системы, в рабочем режиме вибрационного катка, оснащенного оригинальным рабочим органом расчитанные при различных положениях опорно-поворотного механизма . Амплитуда смещения центра масс системы указывает на величину кинетической энергии, передаваемой раме катка, по сути, определяющей потери и нежелательное воздействие на оператора.

a)

b)

c)

Рисунок 4 – Смещения рамы катка  за время воздействия периодической силы 0,5 с при a) , b) , c) ,d

Видно, что амплитуда этого смещения изменяется, завися от положения опорно-поворотного узла. Дальнейшие численные эксперименты для различных значений параметров катка позволили построить схему определения рациональных параметров перспективного рабочего органа с расчетными величины:

 – расстояние между центрами вальцов;

 – масса основного вальца 1;

 – масса компенсирующего вальца 2;

 – масса рамы, приходящаяся на валец 1;

 – масса рамы, приходящаяся на валец 2;

 – амплитуда периодической силы вальца 1.

 – радиус основного вальца 1;

 – радиус вспомогательного вальца 2;

Таблица 1

Линеаризованная расчетная схема параметров перспективного рабочего органа вибрационного катка

Расчетные формулы для параметров основного вальца (вибрационного)		Расчетные формулы для параметров вспомогательного вальца (компенсирующего)
Параметры расчетной схемы
Для тяжелых катков (18-22 т)	Для средних катков (12-18 т)		Для легких катков (9-12 т)

 

Заключение.

По результатам проведённого в работе динамического анализа были определены особенности конструкции оригинального рабочего органа дорожной машины, позволяющие выявить его рациональные массово-габаритные характеристики. Полученные результаты позволяют в первом приближении рассмотреть конструктивные параметры для создания и производства отечественной высокопроизводительной дорожной техники для устройства автодорог и других транспортных объектов.

Научная работа проводится в рамках гранта Российского научного фонда (РНФ) и Министерство промышленности и научно-технического развития Омской области по теме № 23-29-10010 «Разработка дорожных катков для повышения эффективности транспортного строительства с учетом региональных условий Омской области».

Об авторах

Сергей Валерьевич Савельев

Email: saveliev_sergval@mail.ru

Виталий Викторович Михеев

Омский государственный технический университет

Email: vvm125@mail.ru

кандидат физико-математических наук, доцент

Илья Константинович Потеряев

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Сибирский государственный автомобильно-дорожный университет (СибАДИ)»

Автор, ответственный за переписку.
Email: ilya_poter@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-4350-2495

кандидат технических наук, заведующий кафедрой, кафедра "Эксплуатация нефтегазовой и строительной техники"

Россия

Список литературы

Дополнительные файлы