Биомеханические моделирования в землеройной технике

 

Густов Ю.И. (МГСУ, г. Москва, РФ)

Шукуров Р.У. (ТАДИ, г. Ташкент, Узбекистан)

Воронина И.В. (МГСУ, г. Москва, РФ)

 

High efficiency of biomechanical modeling of the digging device of natural rodents with reference to working body of digging machines is shown

 

Порядка 80% отказов строительных машин вызывается износом, что ставит проблему их защиты от изнашивания в число наиболее актуальных. Особо интенсивному абразивному изнашиванию подвержены рабочие органы землеройной техники (зубья ковшей экскаваторов и погрузчиков, наконечники рыхлителей, ножи грейдеров бульдозеров и дорожных фрез, буры буровых машин и др.).

Повышение абразивной износостойкости режущих элементов рабочих органов землеройных машин может быть обеспечено различными конструктивно- технологическими методами.

К числу оригинальных подходов в решении проблемы абразивного изнашивания можно отнести новый метод биомеханического моделирования, основанного на воспроизведении формы и геометрии резцов роюще-жевательного аппарата природных землероев.

В результате длительной эволюции живая природа создала высокоэффективные землероющие системы, по степени совершенства превосходящие лучшие образцы современной землеройной техники. Несмотря на значительные отличия принципов построения живых объектов и землеройных механизмов, видится реальная возможность использования в искусственных технических объектах эволюционно - природных достижений.

С целью выбора рациональной формы режущих элементов применительно к рабочим органам землеройных машин были проведены экологические и биомеханические исследования работы естественных землероев фауны Средней Азии. Были выбраны представители природных грызунов, воспроизводящие различные типы рытья грунта: вклинивающее - крот Talipidal; выковыривающее - выдра Lutra; боронящее - кабан Sus Seroa; когтевой - цокор Myospalax; резцовый - слепушонок EloBius Talpinus; когтерезцовый - полевка Miergotinal.

Эффективность рыхления и экскавации грунта грызунами оценивали по отношению их массы к массе грунта, выброшенной из грунтового хода, по аналогии с удельной материалоемкостью землеройных машин. Наблюдения проводили в полевых и лабораторных условиях, помещая грызунов в застекленные ящики. Через фиксированное время определяли массу разрытого грунта, длину ходов и способ рытья.

В результате исследований установили, что наиболее совершенен роющий резцовый аппарат слепушонка обыкновенного. На этом основании в качестве биомеханического объекта выбрали пары верхних резцов при 50 - кратном увеличении. Эталоном для сравнения служили клиновидные зубья.

В процессе лабораторного резания модельного грунта (шамотный кирпич) методом тензометрирование установили, что сила сопротивления резанию для клиновидного резца составила 62...65, для резца типа «выдра» -25...29, для резца типа «слепушонок» - 16…18 Н. Таким образом, замена клиновидных зубьев криволинейными типа «слепушонок» приводит к снижению сопротивления резанию в 3,4...4 раза. При этом необходимая прочность криволинейного резца обеспечивается при массе в 1,9 раза меньшей, чем у клиновидного.

Последующие испытания эталонных клиновидных и опытах криволинейных зубьев в грунтовых условиях, близких к экслуатационным (грунт 2-й категории, влажность 18%, плотность С=8 ударов плотномера ДОРНИИ, каменистые включения до 80 мм), показали снижение сопротивления копанию в 1,6...2,8 раза при замене клиновидных на криволинейные зубья. Меньшие значения сил сопротивления резанию при использовании резцов типа «слепушонок» можно объяснить их специфической формой и геометрией. Так, криволинейная режущая кромка с эллипсоидным поперечным сечением обеспечивает большее давление на грунт (меньшее сопротивление врезанию), непрерывное вкалывание и косое резание грунта. Передняя и задняя грани за счет криволинейности смещают частицы грунта в сторону уменьшения поперечной толщины грунтовой стружки, вытесняя из рабочей зоны крупные абразивные частицы, камни, примеси и др., либо вдавливая их в менее плотные слои грунта. Вертикальная боковая грань выполняет роль рассекателя грунта и способствует устойчивости процесса резания.

Резание грунта    криволинейным зубом приводит к повышению производительности на 16...21%. Это объясняется большими значениями отношения    критической    глубины   резания    к    ширине    зуба.    Для биологического прототипа это отношение при углах резания 38...75° составляет 5.. .7, а для клиновидного зуба 2,5.. .4.

Важной особенностью механических свойств резцов биологического прототипа является различные микротвердости передней и задней поверхности. Последняя имеет меньшую микротвердость и потому в грунте изнашивается быстрее передней поверхности. Благодаря этому реализуется эффект самозатачивание зуба, столь необходимого для природных грызунов.

Технологически самозатачивание зубьев обеспечивали наплавкой слоев твердых и износостойких сплавов на переднюю поверхность зубьев, изготовленных из нормализованной стали 40. Результаты износных испытаний наплавленных зубьев приведены в табл. 1.

 

Таблица 1 - Износостойкость клиновидных и криволинейных резцов

марка электрода	Твердость наплавки, HRC	Относительная износостойкость		Коэффициент формы
		Клиновидный резец	Криволинейный резец
Т-590	55...57	1,0	1,0	1,13
КБХ-45	57...59	1,61	1,9	1,16
ХР-19	56...58	1,15	1,29	1,18
ЭНУ-2	56...58	1,12	1,27	1,12
Х-5	60...63	1,78	2,07	1,13
ЦС-2	50...52	0,59	0,68	1,15

 

Установили, что отношение массового износа монометаллических (ненаплавленных) клиновидных и криволинейных зубьев (коэффициент формы) из стали 40 составляет 1,3. Значения коэффициента формы биметаллических (наплавленных) зубьев изменяются в пределах 1,12...1,18. При этом наибольшую абразивную износостойкость показали резцы с наплавкой электродами марки Х-5. Относительно эталонной наплавки электродами Т-590 наплавка электродами Х-5 повышает износостойкость клиновидных резцов на 78 и криволинейных резцов на 107%. Следовательно, относительная износостойкость криволинейных резцов с наплавкой Х-5 превосходит износостойкость клиновидных резцов из стали 40 в 3 раза при сохранении первоначального угла заострения благодаря самозатачиванию.

Промышленные испытания опытных зубьев проводили на рыхлители ДП -15 на тяжелых суглинках плотностью 15-25 ударов плотномера ДОРНИИ.  Передние грани зубьев, изготовленных из стали 35ГЛ, наплавляли электродами Т-590 (промышленный вариант) и Х-5. Результаты испытаний представлены в табл.2.

 

Таблица 2 - Износ (мм) зубьев наконечников рыхлителя

Клиновидная форма		Криволинейная форма		Относительная износостойкость
Передняя грань	Задняя грань	Передняя грань	Задняя грань	Передняя грань	Задняя грань
2,05	11,40	1,35	9,20	1,52	1,24
1,40	8,20	0,90	6,25	1,56	1,31
1,25	7,95	0,85	6,20	1,47	1,28
1,20	7,35	0,80	5,65	1,50	1,30

 

Установили, что износостойкость задней поверхности криволинейного зуба на 25...30% выше, чем у клиновидного зуба. Износостойкость передней грани за счет наплавки электродами Х-5 и криволинейной формы повысилась в 1,5-1,6 раза.

Общий вывод: биомеханическое моделирование роюще-жевательного аппарата природных землероев применительно к режущим элементам рабочих органов   землеройных   машин   представляется   перспективным триботехническим направлением.