Перспективы применения пьезокерамических излучателей на ковшах экскаваторов для борьбы с налипанием грунтов

При работе на влажных грунтах (особенно при минусовой температуре) происходит намерзание и налипание грунта на рабочие органы, что существенно снижает производительность экскаваторов [1-10]. Это снижение – результат уменьшения полезной емкости ковшей за счет неполной выгрузки, роста сопротивления при копании в результате налипания влажного грунта к ковшу, увеличения сопротивления входа в ковш, роста простоев экскаваторов ввиду необходимости очистки ковшей. Также возрастают энергетические потери из-за роста сил трения, и ухудшается качество выполняемых работ. Доля силы трения при копании и планировке достигает 30-70% от общего сопротивления копанию, а производительность снижается в 1,2- 2 раза [1, 2].

Интенсивность и характер налипания грунта на ковши экскаваторов (прямая лопата) вместимостью 4 м3 в производственных условиях исследовались НИИОГРом [11]. По результатам исследований построены планограммы распределения налипшей породы в ковше, с помощью которых определялись наиболее подверженные налипанию участки его поверхности (рис. 1.) Указанные исследования проведены на

экскаваторах, эксплуатировавшихся в различных климатических условиях разрезов Урала и Сибири. Экскавируемые породы были представлены суглинками и глинами с примесью песчаников и аргиллитов влажностью 19-22%, алевролитами с примесью суглинков влажностью 14-15%. Изучение полученных данных показало, что налипание породы на ковш начинается после 3-5 циклов, а по окончании погрузки локомотивосо-става вместимостью 220-320 м3 (что соответствует 50-60 циклам) остаток породы достигает 6-9% вместимости ковша. Наибольшему налипанию подвержена поверхность оснований зубьев, а также передней стенки ковша независимо от его геометрических размеров. Максимум оставшейся породы (слой толщиной до 25-30 см) сосредотачивается в центре передней стенки ковша и по линии сопряжения ее с боковыми стенками (рис. 1). Днище ковша является механически подвижной деталью конструкции и налипанию практически не подвергается. Незначительное налипание наблюдалось и на внутренней поверхности задней стенки. Исходя из планограммы, делаем вывод, что грунт налипает неравномерно по всей поверхности ковша, и существуют области, наиболее подверженные налипанию. Именно в эти области необходимо устанавливать противоадгезионную защиту.

Известно, что наиболее эффективны для борьбы с адгезией грунта комбинированные методы [12-21], к которым относится применение пьезокерамических преобразователей. Пьезо- керамические преобразователи (актюаторы) обладают эффектом теплового и вибрационного воздействия и должны быть размещены в местах наибольшего проявления адгезионных сил. Их действие основано на явлении обратного пьезоэлектрического эффекта.

Рис. 1. Планограмма распределения грунта, налипшего на ковш экскаватора с оборудованием прямой лопаты вместимостью 4 м³ (цифрами обозначена толщина налипшего слоя, см)

Пьезоэлектрический эффект может наблюдаться в кристаллах, не имеющих центра симметрии. Если элементарная ячейка кристаллической решетки такова, что «центр тяжести» положительных ионов не совпадает с центром тяжести отрицательных зарядов, то создается постоянный «диполь», и ячейка становится электрически асимметричной. Пьезоэлектрический эффект может наблюдаться и при отсутствии исходного диполя решетки, поскольку диполь может появиться вследствие поляризации под действием внешнего электрического поля или механической нагрузки. Так ведут себя кристаллы кварца. Макроскопическая поляризация появляется, если диполи ориентированы преимущественно в одном направлении. Внешняя механическая нагрузка изменяет поляризацию диполей, и на поверхности кристалла появляются электрические заряды. Это называют прямым пьезоэлектрическим эффектом.

Таблица 1. Основные физико-механические характеристики пьезокерамических материалов

Рис. 2. Схематическое изображение обратного пьезоэлектрического эффекта

Наоборот, приложение к кристаллу внешнего электрического поля деформирует диполи, в результате чего появляется деформация кристалла, которая изменяет его размеры. Это явление называют обратным пьезоэлектрическим эффектом (рис. 2).

Важным классом пьезоэлектриков являются сегнетоэлектрики. Примером сегнетоэлектрика, сыгравшего важную роль в изучении этого явления, является титанат бария (ВаТiO3). Этот кристалл имеет структуру перовскита. При высоких температурах он имеет симметричную кубическую структуру. Атомы кислорода находятся в вершинах пирамиды, в центре которой находится атом Ti. Когда температура снижается до 120°С (температуры Кюри), симметрия кристалла понижается и решетка становится тетрагональной. В результате перехода элементарная ячейка становится вытянутой вдоль одной из осей, и положительно и отрицательно заряженные ионы смещаются в противоположных направлениях. Смещение ионов противоположного знака вызывает появление электрического диполя. Основные физико-механические характеристики пьезокерамических материалов приведены в табл. 1.

При работе пьезокерамические преобразователи нагреваются, что в сочетании с высокочастотной вибрацией дает на выходе комбинированное воздействие (термоакустическое). Конструкции пакетных пьезокерамических преобразователей, наиболее подходящих для использования их на рабочих органах строительнодорожных машин, приведены на рис. 3 [23]. Преобразователь включает две керамических пластины 1 , верхнюю накладку 2 из дюралюминия Д16Т, нижнюю накладку 4 из стали 45 и прокладки 3 высотой 0,2-0,3 мм из фольги. Центральный болт 5 проходит в отверстия в пьезокерамических пластинах и накладках.

Рис. 3. Конструкции пакетных преобразователей с центральным болтом на частоту 18 и 44 кГц

Пример технического решения устройства с применением пакетных пьезокерамических преобразователей, установленных на ковше экскаватора прямая лопата, показан на рис. 4. В конструкции использованы низкочастотные пьезокерамические преобразователи 1 (ПП1-01/18), размещенные в выфрезерованных отверстиях передней стенки 2 ковша и закрепленные на ней центральным болтом 3. Кроме продольных колебаний пакета, передающихся центральному болту 3, происходит его нагрев в результате разогрева пьезокерамики. Таким образом, поверхность центрального болта Ø50 мм является одновременно источником теплового и колебательного воздействия, что значительно снижает адгезию грунта на внутреннюю поверхность передней стенки ковша. Количество пакетных излучателей (например, типа ПП1-01/18, резонансная частота 18 кГц, мощность одного пакета – 0,25 кВт) для ковша экскаватора вместимостью 4 м3 составляет 24 единицы. Преимуществом использования пьезокерамических преобразователей является их компактность и равномерность размещения по поверхности ковша, чем, к примеру, применение известных в настоящее время устройств для обогрева ковша или вибрационного воздействия. Преобразователи размещены в основных местах налипания грунта (см. рис. 1, 4), что дает наибольший эффект в борьбе с адгезией. Суммарные затраты мощности при комбинированном термоакустическом воздействии определяются следующим выражением [23]:

N = N -К +N + N тав ТИ ти в + Ис + 1V сдв , где NТИ – суммарная мощность термоакустических излучателей, кВт; NИС – мощность источника (генератора) ультразвуковых колебаний, кВт; KВ – коэффициент, учитывающий эффективное время работы элементов; NСДВ – мощность, затрачиваемая на сдвиг, кВт.

Результаты расчетов удельной энергоемкости процесса сдвига грунта по металлической поверхности при смерзании от температуры в плоскости сдвига представлены в виде графиков зависимостей NУД = f(T) на рис. 5. Из графика видно, что при температуре ниже минус 150С удельная энергоемкость процесса сдвига при термоакустическом воздействии в 2-2,5 раза меньше удельной энергоемкости без внешнего воздействия.

Рис. 4. Ковш экскаватора с пакетными пьезокерамическими преобразователями

Рис. 5. Зависимость удельной энергоемкости процесса сдвига грунта по металлической поверхности от температуры в плоскости сдвига: 1 – без внешнего воздействия; 2 – при термоакустическом воздействии (F=21,8МГц; A=0,005 мм; Т=20°C; t_ВОЗ Д =15 с)

Выводы: удельная энергоемкость сдвига при термоакустическом воздействии в 2-2,5 раза меньше, а техническая производительность экскаватора с пакетными пьезокерамическими преобразователями для снижения налипания грунтов при работе на связных грунтах при отрицательной температуре на 20-40% больше, чем у экскаваторов, не оснащенных подобным устройством. Экономический эффект от внедрения данных устройств обусловлен увеличением производительности экскаваторов, поэтому целесообразно применение пьезокерамических преобразователей для снижения адгезии грунтов к рабочим органам экскаваторов.