Курмашева Б.К.

Карагандинский государственный технический университет

Классификационные признаки морфологической

системы рабочих органов траншейных машин

В настоящее время значительное количество объектов необходимо возводить в стесненных условиях городской застройки, при этом используют подземное пространство сооружения.

Наиболее эффективным, в этом случае, является метод «стена в грунте», позволяющий производить строительство без отрывки котлованов. Фундаменты неглубокого заложения, возможно, устраивать по методу неглубоких траншейных стен (щелевой фундамент). Применим для этих фундаментов общий термин метод «траншейные стены». Метод «стена в грунте» применяется также для строительства противофильтрационных завес (ПФЗ).

Процесс устройства траншейных фундаментов является частью системы структурного процесса строительства. При этом землеройная машина является структурой системы и во многом определяет выходные данные технологического процесса. Функциональные свойства машины как черта, характеризующая исключительно данную конструкцию, задается рабочим органом [1].

Конструкция рабочего органа представляет собой абстракцию, описывающую системой параметров класс некоторого множества машин. Параметры рабочего органа в своей совокупности представляют собой необходимое и достаточное условие для проектирования и изготовления изделия. Таким образом, задача создания рабочих органов траншейных машин сводится к установлению совокупности параметров, характеризующих их конструкцию.

Важной задачей является установление количества вариантов, в том числе и гипотетических, которые необходимо рассматривать при расчете. С целью решения этой задачи составим морфологическую таблицу бурильных и фрезерных машин, применяемых при строительстве траншейных фундаментов. При составлении таблицы отобразим в ее классификаторах перечисленные факторы, формирующие ее конструкцию и режим.

Рассмотрим в виде классификаторов морфологической таблицы следующие характеристики работы машины и ее конструктивные параметры:

1. Траектория движения рабочего органа;

2. Способ разрушения грунта: механический М, гидромеханический Г, струйный С;

3. Среда функционирования: воздух В или раствор Р;

4. Количество разрушающих однотипных элементов рабочего органа;

5. Расположение осей элементов относительно друг-друга по оси: соосное С, параллельное П и одновременно то или другое С+П;

6. Соединение разрушающей части рабочего органа с транспортером: жесткое Ж, независимое Н;

7. Транспортирование разрушенного грунта осуществляется: гидротранспортером Г, шнеком Ш, элеватором Э, ковшом К, винтом В;

8. Технологический режим работы по времени: цикличный Ц и непрерывный Н;

9. Подвеска рабочего органа к базовой машине: гибкая Г и жесткая Ж.

Траектория движения вращательного рабочего органа складывается из переносного по осям ох, оz или в плоскости zox и вращательного относительно движения вокруг вектора скорости переносного движения или в одной плоскости с ним. В первом случае траектория движения соответствует бурильным машинам, а во втором фрезерованию грунта. Переносное движение по оси оу невозможно, так как оно перпендикулярно плоскости траншеи.

На рисунке 1 представлены возможные траектории движения вращательных рабочих органов бурильных и фрезерных машин. Каждая из этих сложных траекторий движения может рассматриваться как относительная, если вектор переносной скорости подачи V рассматривать как радиус-вектор, добавляя угловую скорость ω, ко всей системе рабочего органа.

Рисунок 1 – Траектории движения фрезерных и бурильных рабочих

органов

Введя условные обозначения на номера траектории 1-6 без учета и с учетом индексов соответствующих другим классификаторам получим морфологическую таблицу в следующем виде.

Таблица 1 – Морфологическая таблица конструктивных признаков и режима работы по времени вращательных рабочих органов

Номер траек- тории	Способ разру- шения грунта	Среда функцио- ниро-вания	Число разру- шенных рабочих органов	Распо-ложение разру-шенных эле-ментов	Соедине-ние с транс-портером	Конст-рукции транс-портера	Режим работы по времени	Подвеска рабочего органа к базовой машине
1	2	3	4	5	6	7	8	9
1+1^1	М	В	1	С	Ж	Г	Ц	Ж
2			2	П	Н	Ш	Н	Г
3	Г					Г
3+3^1	С	Р					Н	Г
4+4^1		Р	n	СП		К
5						В
6

Символы 1¹ и 4¹ в первой графе означают возможность траектории с поворотом системы привода рабочих органов вокруг точки О с угловой скоростью ω. Добавления этого движения к другим траекториям не нужно, так как траектории 1+1¹, 2+2¹, 3+3¹, а также 4+4¹, 5+5¹ и 6+6¹ адекватны.

Пересечение квалификационных признаков по каждому из ограниченных множеств классификаторов (таблицы матриц) дает 6912 возможных конструкции вращательных рабочих органов.

Свертывая морфологическую таблицу в матрицу-строку, получим описание конкретного рабочего органа фрезерной или бурильной машины.

Пример матрицы строки имеет вид:

4

М

Р

2

П

Ж

Г

Н

Г

(1)

где 4 - номер траектории по рисунку 1, соответствующий горизонтальному фрезерованию;

М – механический способ разрыхления грунта;

Р – функционирование оборудования происходит в среде глинистого раствора;

2 – число однотипных элементов рабочих органов, в этом случае фрез;

П – последовательное расположение по оси траншеи;

Ж – жесткое соединение с транспортером;

Г – транспортирование грунта гидравлическим транспортером;

Н – режим работы непрерывный;

Г – подвеска рабочего органа гибкая.

Запись в форме 1 соответствует уравнению, выраженному в символах алгебры логики.

4МР21ЖГНГ=1 (2)

Здесь и далее будем применять запись в форме 1, так как она более удобна при программировании, поскольку каждый классификатор может иметь свой номер.

Не все из возможных по матрице вариантов конструкции гипотетических машин, в силу тех или иных объективных причин будут работоспособными. Ниже будут сформулированы и записаны в логических выражениях такие сочетания признаков, наличие которых делает невозможным существование работоспособного оборудования, а также условия, при которых конструкция не имеет смысла или противоречит сущности процесса устройства траншеи. Каждое условие в начале формулируется словесно, а затем записывается в виде логического выражения. Размещение в любой позиции символа Х означает, что выражение справедливо при любых возможных заполнениях этой позиции.

Сформулируем свод условий, исключающих из множества гипотетических машин неприемлемые варианты:

1. Рабочий орган фрезерной или бурильной машины, а также устройства струйной технологии обязательно должен иметь траекторию движения

0

0

=0 (3)

2. При наличии двух возможных симметричных траекторий движения в одном рабочем органе число элементов из условия динамической стабилизации должно быть только четным

2n-1

=0 (4)

3. При гидромеханическом разрушении грунта невозможны механические способы транспортирования

Г

Ш

=0; (5)

Г

Э

=0; (6)

Г

К

=0; (7)

Г

В

=0 (8)

4. Гидромеханический и струйный способы разрушения возможны только в среде тиксотропного глинистого раствора

В

Г

=0 (9)

5. Гидравлическое транспортирование возможно только в жидкой среде

В

Г

=0 (10)

6. Транспортирование шнеком и элеватором невозможно в среде глинистого раствора

Р

Ш

=0; (11)

Р

Э

=0 (12)

7. Фрезерные машины, выполненные жестко (заодно) с ковшом или винтом, невозможны

4,5,6

Ж

К,В

=0 (13)

но при этом

1,2,3

Ж

К,В

=1

8. Бурение грунта с транспортированием его элеватором нерационально

4,5,6

Э

=0 (14)

9. При соосном или параллельном расположении фрез число элементов рабочих органов равно 2 или n, при сооснопараллельном – n транспортирование шнеком или элеватором невозможно в среде глинистого раствора

Р

Ш

=0; (15)

Р

Э

=0; (16)

- фрезерные машины, выполненные жестко (заодно) с ковшом или винтом, невозможны

1,2,3

Ж

К,В

=0 (17)

или то же самое

4,5,6

Ж

К,В

=1

- при соосном или параллельном расположении фрез число элементов рабочего органа равно 2 или n, при сооснопараллельном - n

2,n

С,П

=1; (18)

n

СП

=1 (19)

- расположение по одной оси вращательных бурильных рабочих органов невозможно

4,5,6

С

=0 (20)

- гидромеханические рабочие органы, а также устройство струйной технологии могут быть только непрерывного действия

Г

Ц

=0; (21)

2,n

С,n

=1; (22)

Сn

=1 (23)

Дополнительные условия, запись которых в форме матрицы неудобно, формулируется так: до глубины проходки Z=5 возможно работа в сухой среде, и оборудование, предназначенное для узких щелей глубиной до метра, может выполнено без транспортера.

Предложенная запись характеристик рабочих органов в виде матрицы-строки и морфологический анализ их конструкций позволяет с учетом результатов исследований перейти к разработке инженерной методики бурильных и фрезерных машин, а также патентованию гипотетических конструкций.

Список использованных источников

1.Кадыров А.С. Теория и расчет фрезерных и бурильных машин. Дис. на соискание ученой степени докт. техн. наук, 1989 г.