Обоснование выбора параметров землеройных машин для строительства траншейных фундаментов – часть 2

Геология      Постоянная ссылка | Все категории

, (3)

где а – параметр, характеризующий условно-постоянную часть приведенных затрат на объем работ; b – величина, определяющая изменение приведенных затрат в зависимости от стоимостного выражения скорости проходки; с – параметр, характеризующий влияние удельной энергоемкости на приведенные затраты; V – скорость проходки; N – реализуемая мощность; Е – удельная энергоемкость процесса проходки траншеи.

На этапе оптимизации проектируемых РО (проектируемые РО являются частью множества гипотетических), для которых затруднительно определить капиталовложения в базовую машину, критерий «приведенные затраты» снижается до части себестоимости, не зависящей от капиталовложений.

. (4)

Параметры а1, b1, с1 имеют тот же смысл, что и характеристики а, b, с, с той лишь разницей, что соотносят значения скорости проходки и реализуемой мощности с себестоимостью выполнения землеройных работ, а не с приведенными затратами.

Параметры а, b, с отображают в ЭММ эксплуатационные, финансовые и трудовые величины. Наличие в зависимостях (3) и (4) затрат мощности и скорости проходки позволило учесть конструктивные параметры, режим работы землеройных машин и категорию грунта с приведенными затратами.

Применение ЭММ при определении параметров РОЗМ позволило сравнить технологические процессы с технологическими процессами, а не машину с машиной, и определить взаимосвязь между основными параметрами системы РОЗМ – ТП.

Задача установления оптимальной технологической схемы согласно ЭММ и разработанному графу решается в следующей последовательности:

- определяются оптимальные значения скорости и мощности для гипотетических рабочих органов;

- вычисляются приведенные затраты для землеройных машин;

- определяется оптимальная технологическая схема процесса строительства траншейных фундаментов по сумме приведенных затрат на каждую операцию;

- определяются варианты с минимальной трудоемкостью, среди них с минимальным сроком строительства и с максимальным экономическим эффектом.

Если требование заказчика не удовлетворяется по необходимому критерию оптимальности, то необходимо произвести перерасчет, вернуться к определению приведенных затрат для землеройных машин.

Недостатком проведенного анализа технологических схем устройства траншейных фундаментов явилось отсутствие в графе гипотетических конструкций РО и, следовательно, гипотетических технологических схем строительства. Исходя из того, что РОЗМ является ведущим звеном процесса и определяет всю последующую технологию производства работ, необходимо установление возможных конструкций РО.

В связи с этим в третьей главе была разработана морфология РОЗМ, предназначенных для устройства траншей, позволившая выявить гипотетические конструкции РО.

При анализе законов движения РО учитывались способ воздействия РО на грунт; способ транспортирования; среда, в которой функционирует РО; связи разрушающей и транспортирующей частей РО; число разрушающих элементов РО; траектория движения РО.

Траектория движения РО траншейной машины в значительной степени определяет ее нагруженность. По полученному кинематическому анализу определены основные траектории движения РОЗМ для строительства траншейных фундаментов. Поступательного движения – пять, вращательного движения – 18. Любой РО может быть описан матрицей поступательного движения, например струг, или совокупностью матриц поступательного и вращательного движения. Далее траектории движения были разделены, в зависимости от количеств элементарных движений. В первую группу были включены траектории с одним поступательным движением, во вторую – с одним поступательным и одним вращательным движением, в третью – с одним поступательным и двумя вращательными движениями РО.

Сформулированы следующие условия, характеризующие существование РОЗМ:

– РО может состоять из нескольких элементов, имеющих одинаковую возможную траекторию движения, или из 2К (К – количество исполнительных элементов РО) элементов с симметричным вращением;

– основную функцию – разработку траншеи – выполняет РО, состоящий из одного или нескольких однотипных исполнительных элементов. Вспомогательную функцию, например, бурение лидирующей скважины, может осуществлять РО иного конструктивного исполнения;

– в одном РО все элементы должны быть одного принципа действия, в противном случае он должен рассматриваться как совокупность разных инструментов;

– РО функционируют в среде тиксотропного глинистого раствора или воздуха;

– каждый РО состоит из разрушающего и транспортирующего модулей, причем их соединение может быть жесткосочлененным (единое исполнение) и независимым (раздельное исполнение);

– траектория движения транспортируемого грунта должна быть наиболее эффективной – вертикально вверх;

– машина может работать циклично, непрерывно и позиционно;

– связь РО с базовой машиной может быть гибкой или жесткой.

Для описания сочетаний основных признаков разработана форма, предусматривающая описание множества возможных РО. Каждая ячейка соответствует определенному признаку существования РО:

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

(5)

Первые четыре позиции матрицы предназначены для характеристики возможной траектории движения РО. Для механического и гидромеханического РО в первых двух ячейках проставляется номер траектории движения, соответственно для поступательного движения с первой по пятую траекторию, для вращательного с первой по 18. В третьей ячейке проставляется количество элементарных движений в траектории, в четвертой ячейке – группа, к которой относится траектория движения по характеру нагружения.

В пятой ячейке проставляется количество исполнительных элементов РО, которое может быть равным 1, 2, 4, 6, 8 симметричным элементам.

Далее в ячейках обозначают следующие параметры:

– ячейка 6 – механическое (М), струйное (С) и гидромеханическое (Г) разрушение грунта;

– ячейка 7 – среда функционирования РО – воздух (В) или раствор (Р);

– ячейка 8 – независимое (Н) или жесткое (Ж) соединение разрушающих и транспортирующих модулей;

– ячейка 9 – способ транспортирования: механический – ковшом (К), винтом (B), шнеком (Ш), элеватором (Э); гидравлический (Г) и пневматический (П);

– ячейка 10 – непрерывная (Н) или цикличная (Ц) работа машины, оснащенной конкретным рабочим органом;

– ячейка 11 – гибкая (Г) и жесткая (Ж) навеска РО на базовую машину.

Например:

4

18

2

2

1

М

В

Ж

Э

Н

Ж

(6)

По приведенной матрице возможно проектирование РО при одном поступательном и одном вращательном движении. В зависимости от характера нагружения машина относится ко второй группе. При механическом разрушении грунта и одноэлементарном рабочем органе в виде бура, среда функционирования – воздух. РО жестко соединен с транспортером. Транспортирование может осуществляться элеватором при непрерывном режиме работы.

Проведенный морфологический анализ параметров РО машин, применяемых при строительстве траншейных фундаментов, определяет множество конструкций гипотетических машин.

Количество возможных вариантов согласно матрице (5) составляет 4320 РО.

Предложенная морфология в совокупности с определенными зависимостями нагруженности инструмента позволила описать траекторию движения РО и установить основные показатели назначения, необходимые для предпроектного проектирования.

В четвертой главе представлено исследование разработанной математической модели оптимизации показателей назначения землеройных машин.

Общий вид функций приведенных затрат и себестоимости (3) и (4) остается неизменным. Установление минимума функции приведенных затрат производилось методом множителей Лагранжа. Этот метод позволяет анализировать функцию двух аргументов и применяется, если между переменными величинами целевой функции формально установлена взаимосвязь.

Для первой группы машин зависимость между мощностью и скоростью проходки линейная и оптимума не существует. Были разработаны математические модели движения рабочих органов для второй и третьей групп машин.

Ко второй группе машин относятся бурильные, фрезерные, баровые машины, имеющие одно вращательное и поступательное движение. Схема сил, действующих на рабочий орган, представлена на рисунке 1.

Взаимосвязь двух переменных скорости проходки и мощности определяется в зависимости от параметров процесса. Нами было получено уравнение связи, в котором мощность выражена через скорость проходки.

Мощность связана с параметрами процесса зависимостью:

, (7)

где Q – усилие подачи на резец, Н; М – момент от силы резания, Н/м; ω – угловая скорость вращения, с-1.

Раскрывая значения крутящего момента и усилия подачи через выражения удельных сил сопротивления подачи и вращения долота, получили:

, (8)

где h – толщина срезаемой стружки, м; R радиус вращения РО, м; А­ – удельная сила подачи РО, зависящая от физико-механических свойств грунта и конструкции РО и определяющая величину усилия подачи, необходимого для вдавливания резца в забой на величину h, Н/м; В – удельная сила резания грунта, зависящая от физико-механических свойств грунта и определяющая величину усилия (или момента), необходимого для среза грунта толщиной h, Н/м.

При преобразовании уравнения (7) мы воспользовались зависимостью, связывающую угловую скорость, толщину срезаемой стружки и скорость подачи:

.

Рисунок 1 – Схема сил, действующих на РО землеройной машины,

относящейся ко второй группе машин

Уравнение связи представили в виде:

, m=2πRB, . (9)

Составив вспомогательную функцию Лагранжа и, введя в нее множитель Лагранжа λ, получили:

. (10)

Определили частные производные по N, V, λ и приравняли их к нулю:

. (11)

Решение системы трех уравнений позволило определить экстремальные значения скорости подачи РО и реализуемой мощности:

, (12)

. (13)

В результате решения системы уравнений получены координаты условно-стационарной точки.

При существовании минимума в условно-стационарной точке выполняется неравенство:

. (14)

Таким образом, целевая функция при аргументах N и V, определяемых из уравнений (12) и (13), минимальна.

При анализе функции себестоимости (4) в зависимости (12) и (13) вместо значений а, b, с были подставлены а1, b1, с1 и минимальная целевая функция определилась координатами:

, (15)

. (16)

В случае третьей группы машин в уравнениях (7-10) были учтены абсолютная скорость подачи и абсолютная скорость вращательного движения рабочего органа:

. (17)

На рисунке 2 представлена схема сил, действующих на РО землеройной машины, относящейся к третьей группе.

При транспортировании грунта винтовым рабочим органом возникают дополнительные нагружения на забой. Эти нагружения обусловлены весом грунта на транспортере и силой трения перемещаемого грунта о забой. Возрастание усилия подачи и момента от сил сопротивления определяются по зависимостям

(18)

где Qд – дополнительное усилие подачи, Н; kQ – коэффициент усилия подачи; р – вес грунта на 1 метр длины транспортера; z – глубина проходки, м; Мд – момент от сил сопротивления грунта перемещению винтовым транспортером, Н/м; d – коэффициент нагружения, учитывающий трение транспортируемого грунта о стенки скважины.

Рисунок 2 – Схема сил, действующих на РО землеройной машины,

относящейся к третьей группе машин

Дополнительное усилие подачи не оказывает значительного влияния на режим работы, так как значение его в сравнении с весом РО незначительно. Однако дополнительный момент сравним с моментом сопротивления от сил резания грунта, который должен быть учтен при определении оптимальных значений параметров приведенных затрат и себестоимости.

Для составления математической модели воспользовались уравнением, полученным при анализе математической модели движения винтового рабочего органа:

, (19)

где С – коэффициент взаимосвязи, С=А/В; т – масса рабочего органа, кг.

Уравнение получено из условия минимизации удельной энергоемкости процесса в общем случае:

, (20)

где и – величина, зависящая от физико-механических свойств грунта, геометрических параметров машин и массы грунта на транспортере; k – показатель степени, характеризующий количество переменных факторов, влияющих на скорость проходки траншей V и мощность машины N, k=3 (см. зависимость 19);

.

Следовательно, уравнение Лагранжа с учетом зависимости (20):

, (21)

Определив первые производные из выражения (21),

. (22)

и в результате решения системы трех уравнений получили зависимость:

. (23)

Из выражения (19) следует:

. (24)

Подставив выражения (23) и (24) в (20), получили выражение для определения мощности машины.

. (25)

Исследование математической модели позволило выявить зависимость соотношения экономических показателей процесса проходки скважин и основных параметров машин: мощности и скорости проходки.

Экспериментальные исследования (глава 5) проводились на полноразмерном стенде СПУ-1 (рисунок 3, а) и установке БУК-600 (рисунок 3, б).

Схема стенда представлена на рисунке 4. Стенд СПУ-1 включает в себя колонну 7, смонтированную на платформе 12 и закрепленную в вертикальном положении раскосами. На колонне установлена каретка с двигателем 6 и редуктором 5. Каретка имеет возможность перемещения при выдвижении штоков гидроцилиндров 9. Выходной вал редуктора оканчивается шарнирной муфтой 8, в которой крепятся испытываемые рабочие органы 10. На платформе располагается маслостанция 11 для привода двигателя. При проведении серии экспериментов, не требующих изменения числа оборотов, двигатель заменялся асинхронным электродвигателем, что делалось для приближения условий бурения и работе реальных машин.

Геология      Постоянная ссылка | Все категории
Мы в соцсетях:




Архивы pandia.ru
Алфавит: АБВГДЕЗИКЛМНОПРСТУФЦЧШЭ Я

Новости и разделы


Авто
История · Термины
Бытовая техника
Климатическая · Кухонная
Бизнес и финансы
Инвестиции · Недвижимость
Все для дома и дачи
Дача, сад, огород · Интерьер · Кулинария
Дети
Беременность · Прочие материалы
Животные и растения
Компьютеры
Интернет · IP-телефония · Webmasters
Красота и здоровье
Народные рецепты
Новости и события
Общество · Политика · Финансы
Образование и науки
Право · Математика · Экономика
Техника и технологии
Авиация · Военное дело · Металлургия
Производство и промышленность
Cвязь · Машиностроение · Транспорт
Страны мира
Азия · Америка · Африка · Европа
Религия и духовные практики
Секты · Сонники
Словари и справочники
Бизнес · БСЕ · Этимологические · Языковые
Строительство и ремонт
Материалы · Ремонт · Сантехника