Исследование напряжений и деформаций зубьев ковшей землеройных машин

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.

1. Потехин 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).

2. 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.

3. 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.

4. 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.

5. 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.

6. 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.

7. 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.

8. 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.

9. 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.

10. 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.

11. 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.

12. 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.

13. Дэлэг Д., Ванчинжав С., Пурэвдорж Н. Исследование самозатачивания зуба ковша экскаватора // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2008. Iss. S1. С. 402–416.

14. 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.

15. 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.

16. Шукуров Р.У. Биомеханическое моделирование в создании режущих органов землеройных машин // Строительные и дорожные машины. 2001. № 3. С. 37–39.

17. Густов Ю.И. Шукуров Р.У. Биомеханическое моделирование в строительной технике // Строительные материалы и оборудование технологии ХХI века. 2007. № 12. С. 46–47.

18. 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.

19. 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.

20. 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.