ipolytechiPolytech JournaliPolytech Journal2782-40042782-6341Irkutsk National Research Technical University10.21285/1814-3520-2023-1-48-60ipolytech-677Research ArticleМАШИНОСТРОЕНИЕMECHANICAL ENGINEERINGИсследование напряжений и деформаций зубьев ковшей землеройных машинStudies of stress and strain in bucket teeth of earth-moving machinesОсиповА. Г.OsipovA. G.

Осипов Артур Геннадьевич, к.т.н., доцент, доцент кафедры конструирования и стандартизации в машиностроении

664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83, Россия

Artur G. Osipov, Cand. Sci. (Eng.), Associate Professor, Associate Professor of the Department of Design and Standardization in Mechanical Engineering

83 Lermontov St., Irkutsk 664074, Russian Federation

arthur.osipov@rambler.ruВасечкинУ. А.VasechkinU. A.

Васечкин Ульян Александрович, студент

664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83, Россия

Ulyan A. Vasechkin, Student

83 Lermontov St., Irkutsk 664074, Russian Federation

ulyan.vase4kin@ya.ruИркутский национальный исследовательский технический университетРоссияIrkutsk National Research Technical UniversityRussian Federation2023070420232714860Copyright © Осипов А.Г., Васечкин У.А., 20232023Осипов А.Г., Васечкин У.А.Osipov A.G., Vasechkin U.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://ipolytech.elpub.ru/jour/article/view/677

Целью представленной работы является анализ существующих конструкций зубьев ковшей землеройных машин и научно обоснованный выбор оптимальной конструкции. Объектом исследований явились 6 моделей конструкций зубьев землеройных машин, выполненных из легированной марганцевой стали марки 110Г13Л. Построение моделей зубьев осуществлялось с помощью компьютерной программы КОМПАС-3D. Расчет продольных упругих внутренних напряжений и определение упругих деформаций в моделях зубьев проводился с использованием программного продукта COMSOL Multiphysics. Рассчитаны продольные упругие внутренние напряжения и определены упругие деформации моделей зубьев при приложенной к ним нагрузке на мягких грунтах 9 кН, а на скальных – 90 кН. Установлены оптимальные конструкции зубьев для грунтов различной категории твердости. На основании полученных результатов исследований выявлено, что на мягких грунтах оптимальным сочетанием эффективности и прочности обладает зуб-рыхлитель, а также комбинированный криволинейный зуб с дополнительным зубом-рыхлителем. Показано, что если принять упругую деформацию стандартного зуба на мягких породах за 100%, то деформация зуба-рыхлителя, в зависимости от исходного состояния, составляет 30–35%, а комбинированного криволинейного зуба с дополнительным зубом-рыхлителем – 32–35%. Установлено, что на твердых грунтах наилучшим сочетанием эффективности и прочности обладает комбинированный криволинейный зуб с дополнительным зубом-рыхлителем, а также обычный криволинейный зуб. Так, если принять упругую деформацию стандартного зуба на твердых породах за 100%, то деформация комбинированного криволинейного зуба с дополнительным зубом-рыхлителем в зависимости от исходного состояния составляет 18–20%, а криволинейного зуба – 42–45%. Научно обоснована целесообразность применения на землеройных машинах ковшей с комбинированными зубьями оптимальной конструкции. В дальнейшем планируется исследовать различные конструкции ковшей землеройных машин и определить оптимальную, позволяющую целесообразно применять ее на грунтах разной категории твердости.

This paper aims to analyze the existing designs of bucket teeth in earth-moving machines with the purpose of selecting an optimal design in a scientifically grounded manner. The research objects included six design models of teeth of earth-moving machines made of alloyed manganese steel 110G13L. Teeth models were built using the KOMPAS-3D software. Lateral elastic internal stresses and elastic strains in the teeth models were determined using the COMSOL Multiphysics software. Lateral elastic internal stresses and elastic strains were calculated for the applied load of 9 kN in soft soil and 90 kN in rocky soil. Optimal teeth designs were determined for soils of various hardness. In soft soils, a ripper tooth and a combined curved tooth with an extra ripper tooth showed the optimum combination of efficiency and strength. Thus, provided that the elastic strain of a standard tooth in soft soils equals 100% and depending on the initial state, a ripper tooth and a combined curved tooth with an extra ripper tooth showed the strain values of 30–50% and 32–35%, respectively. In hard soils, a combined curved tooth with an extra ripper tooth and a regular curved tooth showed the optimum combination of efficiency and strength. Thus, provided that the elastic strain of a standard tooth in hard soil equals 100% and depending on the initial state, a combined curved tooth with an extra ripper tooth and a curved tooth showed the strain values of 18–20% and 42–45%, respectively. The feasibility of using buckets with combined teeth of optimal design in earth-moving machines was scientifically substantiated. Future research will investigate various bucket designs of earth-moving machines to find their optimal modifications for soils of various hardness.

землеройные машинырабочие органы с ковшамизубья ковшейзуб оптимальной конструкциинапряжения и деформацииearth-moving machinesworking bodies with bucketsbucket teethoptimal design toothstresses and deformationsReferencesПотехин В.М. Землеройная машина, виды и типы // СМИ «Вторая индустриализация России» [Электронный ресурс]. URL: https://xn--80aaafltebbc3auk2aepkhr3ewjpa.xn--p1ai/zemleroynaya-mashina-vidyi-i-tipyi/ (02.05.2022).Potekhin V.M. Earthmoving machines, designs and types. SMI “Vtoraya industrializaciya Rossii”. Аvailable from: https://xn--80aaafltebbc3auk2aepkhr3ewjpa.xn--p1ai/zemleroynaya-mashina-vidyi-i-tipyi/ [Accessed 2nd May 2022]. (In Russ.).Shehadeh A., Alshboul O., Tatari O., Alzubaidi M.A., ElSayed Salama A.H. Selection of heavy machinery for earthwork activities: a multi-objective optimization approach using a genetic algorithm // Alexandria Engineering Journal. 2022. Vol. 61. Iss. 10. P. 7555–7569. https://doi.org/10.1016/j.aej.2022.01.010.Shehadeh A., Alshboul O., Tatari O., Alzubaidi M.A., El-Sayed Salama A.H. Selection of heavy machinery for earth-work activities: a multi-objective optimization approach us-ing a genetic algorithm. Alexandria Engineering Journal. 2022;61(10):7555-7569. https://doi.org/10.1016/j.aej.2022.01.010.Valtonen K., Keltamäki K., Kuokkala V.-T. High-stress abrasion of wear resistant steels in the cutting edges of loader buckets // Tribology International. 2018. Vol. 119. P. 707–720. https://doi.org/10.1016/j.triboint.2017.12.013.Valtonen K., Keltamäki K., Kuokkala V.-T. High-stress abrasion of wear resistant steels in the cutting edges of loader buckets. Tribology International. 2018;119:707-720. https://doi.org/10.1016/j.triboint.2017.12.013.Bošnjak S.M., Arsić M.A., Gnjatović N.B., Milenović I.L.J., Arsić D.M. Failure of the bucket wheel excavator buckets // Engineering Failure Analysis. 2018. Vol. 84. P. 247–261. https://doi.org/10.1016/j.engfailanal.2017.11.017.Bošnjak S.M., Arsić M.A., Gnjatović N.B., Milenović I.L.J., Arsić D.M. Failure of the bucket wheel excavator buckets. Engineering Failure Analysis. 2018;84:247-261. https://doi.org/10.1016/j.engfailanal.2017.11.017.Mohajeri M.J., Bergh A.J., Jovanova J., Schott D.L. Systematic design optimization of grabs considering bulk cargo variability // Advanced Powder Technology. 2021. Vol. 32. Iss. 5. P. 1723–1734. https://doi.org/10.1016/j.apt.2021.03.027.Mohajeri M.J., Bergh A.J., Jovanova J., Schott D.L. Sys-tematic design optimization of grabs considering bulk cargo variability. Advanced Powder Technology. 2021;32(5): 1723-1734.Guevara J., Arevalo-Ramirez T., Yandun F., Torres-Torriti M., Cheein F.A. Point cloud-based estimation of effective payload volume for earthmoving loaders // Automation in Construction. 2020. Vol. 117. P. 103207. https://doi.org/10.1016/j.autcon.2020.103207.https://doi.org/10.1016/j.apt.2021.03.027.Mal B.C. Chapter 1 - Pond construction machinery // Aquacultural Facilities and Equipment. 2021. P. 1–22. https://doi.org/10.1016/B978-0-323-85691-1.00007-6.Guevara J., Arevalo-Ramirez T., Yandun F., Torres-Tor-riti M., Cheein F.A. Point cloud-based estimation of effec-tive payload volume for earthmoving loaders. Automation in Construction. 2020;117:103207. https://doi.org/10.1016/j.autcon.2020.103207.Botyan E., Pushkarev A. Improving the methodology of choosing machinery models for the formation of an excavator and vehicle fleet during the modernization of a mining transport system, with account for the Arctic specifics // Transportation Research Procedia. 2021. Vol. 57. P. 106–112. https://doi.org/10.1016/j.trpro.2021.09.031.Mal B.C. Chapter 1 - Pond construction machinery. Aq-uacultural Facilities and Equipment. 2021;1-22. https://doi.org/10.1016/B978-0-323-85691-1.00007-6.Keleş A., Yildirim M. Improvement of mechanical properties by means of titanium alloying to steel teeth used in the excavator // Engineering Science and Technology, an International Journal. 2020. Vol. 23. Iss. 5. P. 1208–1213. https://doi.org/10.1016/j.jestch.2019.12.003.Botyan E., Pushkarev A. Improving the methodology of choosing machinery models for the formation of an exca-vator and vehicle fleet during the modernization of a mining transport system, with account for the Arctic specifics. Transportation Research Procedia. 2021;57:106-112. https://doi.org/10.1016/j.trpro.2021.09.031.Li Xinggao, Yuan Dajun, Jiang Xingqi, Wang Fei. Damages and wear of tungsten carbide-tipped rippers of tunneling machines used to cutting large diameter reinforced concrete piles // Engineering Failure Analysis. 2021. Vol. 127. P. 105533. https://doi.org/10.1016/j.engfailanal.2021.105533.Keleş A., Yildirim M. Improvement of mechanical proper-ties by means of titanium alloying to steel teeth used in the excavator. Engineering Science and Technology, an Inter-national Journal. 2020;23(5):1208-1213. https://doi.org/10.1016/j.jestch.2019.12.003.Liu Yi, Dai Feng. A review of experimental and theoretical research on the deformation and failure behavior of rocks subjected to cyclic loading // Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering. 2021. Vol. 13. Iss. 5. P. 1203–1230. https://doi.org/10.1016/j.jrmge.2021.03.012.Li Xinggao, Yuan Dajun, Jiang Xingqi, Wang Fei. Damages and wear of tungsten carbide-tipped rippers of tunneling machines used to cutting large diameter reinforced concrete piles. Engineering Failure Analysis. 2021;127:105533. https://doi.org/10.1016/j.eng-failanal.2021.105533.Mishra A.K., Aryal B. Operational maintenance analysis of actively utilized road construction equipments // Materials Today: Proceedings. 2021. Vol. 57. P. 256–264. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2021.01.051.Liu Yi, Dai Feng. A review of experimental and theoret-ical research on the deformation and failure behavior of rocks subjected to cyclic loading. Journal of Rock Mechan-ics and Geotechnical Engineering. 2021;13(5):1203-1230. https://doi.org/10.1016/j.jrmge.2021.03.012.Дэлэг Д., Ванчинжав С., Пурэвдорж Н. Исследование самозатачивания зуба ковша экскаватора // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2008. Iss. S1. С. 402–416.Mishra A.K., Aryal B. Operational maintenance analysis of actively utilized road construction equipments. In: Mate-rials Today: Proceedings. 2021;57:256-264. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2021.01.051.Armstrong M., Lagos T., Emery X., Homem-de-Mello T., Lagos G., Sauré D. Adaptive open-pit mining planning under geological uncertainty // Resources Policy. 2021. Vol. 72. P. 102086. https://doi.org/10.1016/j.resourpol.2021.102086.Deleg D., Vanchinzhav S., Purevdorzh N. Study of ex-cavator bucket tooth self-sharpening. Gornyj infor-macionno-analiticheskij byulleten' = Mining informational and analytical bulletin. 2008;S1:402-416. (In Russ.).Кадыров С.М., Шукуров Р.У., Ишунин А.К. Численный метод расчета долговечности режущих органов землеройных машин // Узбекский журнал нефти и газа. 2000. № 3. С. 43–48.Armstrong M., Lagos T., Emery X., Homem-de-Mello T., Lagos G., Sauré D. Adaptive open-pit mining planning under geological uncertainty. Resources Policy. 2021;72:102086. https://doi.org/10.1016/j.resour-pol.2021.102086.Шукуров Р.У. Биомеханическое моделирование в создании режущих органов землеройных машин // Строительные и дорожные машины. 2001. № 3. С. 37–39.Kadyrov S.M., Shukurov R.U., Ishunin A.K. Numerical method to calculate earth-moving machine cutting body du-rability. Uzbekskij zhurnal nefti i gaza. 2000;3:43-48. (In Russ.).Густов Ю.И. Шукуров Р.У. Биомеханическое моделирование в строительной технике // Строительные материалы и оборудование технологии ХХI века. 2007. № 12. С. 46–47.Shukurov R.U. Biomechanical modeling for earth-mov-ing machine cutting body design. Stroitel'nye i dorozhnye mashiny. 2001;3:37-39. (In Russ.).Густов Ю.И., Шукуров Р.У., Воронина Ю.В. Биомеханическое моделирование в землеройной техники // Новые материалы и технологии в машиностроении. 2008. № 7. С. 16–19.Gustov Yu.I. Shukurov R.U. Biomechanical modeling of construction equipment. Stoitel'nye materialy i oborudo-vanie tekhnologii HHI veka. 2007;12:46-47. (In Russ.).Таджиходжаева М.Р., Шермухамедов А.А. Экскаватор с адаптирующимися зубьями ковша при разработке каменистых грунтов // Подъемно-транспортные, строительные, дорожные, путевые машины и робототехнические комплексы: сб. докл. XXIII Московской Междунар. межвузовской науч.-техн. конф. студентов, магистрантов, аспирантов и молодых ученых (г. Москва, 4 апреля 2019 г.). М.: МИСИ – МГСУ, 2019. С. 412–416.Gustov Y.I., Shukurov R.U., Voronina Y.V. Biomechan-ical modeling of earthmoving equipment. Novye materialy i tekhnologii v mashinostroenii. 2008;7:16-19. (In Russ.).Бочаров B.C., Козбагаров P.A. Адаптация бульдозерного оборудования к изменению грунтовых условий // Особенности проектирования строительства и эксплуатации автомобильных дорог в Восточно-Сибирском регионе: матер. Междунар. науч.-техн. конф. (г. Иркутск, 23 мая 1998 г.). Иркутск: ИрГТУ, 1998. С. 221–225.Tadzhihodzhaeva M.R., Shermuhamedov A.A. Exca-vator with adaptable bucket teeth in stony soil develop-ment. In: Pod"emno-transportnye, stroitel'nye, dorozhnye, putevye mashiny i robototekhnicheskie kompleksy: sbornik dokladov XXIII Moskovskoj Mezhdunarodnoj mezhvu-zovskoj nauchno-tekhnicheskoj konferencii studentov, magistrantov, aspirantov i molodyh uchenyh = Lifting and transport, construction, road, track machines and robotic complexes. Collected reports of the 23d Moscow Interna-tional Inter-University Scientific and Technical Conference of students, undergraduates, postgraduates and young sci-entists. 4 April 2019, Moscow. Moscow: MISI – Moscow State University of Civil Engineering; 2019, р. 412-416. (In Russ.).Bocharov B.C., Kozbagarov P.A. Bulldozer equipment adjustment to changes in soil conditions. Osobennosti proektirovaniya stroitel'stva i ekspluatacii avtomobil'nyh dorog v Vostochno-Sibirskom regione: materialy Mezhdu-narodnoj nauchno-tekhnicheskoj konferencii = Design fea-tures of highway construction and operation in the East Si-berian region: materials of the International scientific and technical conference. 23 May 1998, Irkutsk, Irkutsk: Irkutsk National Research Technical University; 1998, р. 221-225. (In Russ.).Bocharov B.C., Kozbagarov P.A. Bulldozer equipment adjustment to changes in soil conditions. Osobennosti proektirovaniya stroitel'stva i ekspluatacii avtomobil'nyh dorog v Vostochno-Sibirskom regione: materialy Mezhdu-narodnoj nauchno-tekhnicheskoj konferencii = Design fea-tures of highway construction and operation in the East Si-berian region: materials of the International scientific and technical conference. 23 May 1998, Irkutsk, Irkutsk: Irkutsk National Research Technical University; 1998, р. 221-225. (In Russ.).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.