CC BY
28
УДК 624.132
РАБОЧИЙ ОРГАН С РЕЖУЩИМИ ДИСКОВЫМИ РЕЗЦАМИ
Р.Б. Желукевич, Н.В. Иванова, Ю.Ф. Кайзер, А.В. Егоров, А.В. Лысянников
Освещается проблема дальнейшего совершенствования оборудования при строительстве автозимников на стадии подготовки основания, эксплуатации полотна снежно-ледовых образований и повышения качества работ при его наращивании. Для ликвидации колейности и подготовки полотна зимника при увеличении толщины покрытия перед очередным наращиванием, разработан рабочий орган с дисковым инструментом, предназначенный для установки в посадочное место рабочего органа автогрейдера тяжелого типа. Преимущества предложенной конструкции рабочего органа состоят в том, что схема расстановки дисковых резцов обеспечивает резание близкое к полублокированному и позволяет уменьшить крутящий момент привода вращения за счет установки дискового инструмента.
Ключевые слова: рабочий орган, дисковый резец, угол резания, снежно-ледовое образование.
Рост грузоперевозок, добыча нефти, газа и полезных ископаемых -залог экономического и социального роста государства. Важной составляющей этого роста является эффективная транспортная инфраструктура с использованием технологического и автомобильного транспорта.
Основная доля добываемых ископаемых находится в труднодоступных регионах Севера и Сибири, которые характеризуются суровыми природно-климатическими условиями, заболоченностью и зонами вечной мерзлоты, где проблема дорог стоит очень остро. Неразвитая сеть автодорог северных территорий значительно осложняют доставку грузов в данные районы. Возведение дорог с асфальтобетонным покрытием (капитального типа) отстает от разведки и обустройства нефтегазоконденсатных месторождений, а зачастую, их строительство и обслуживание экономически не оправданы из-за малой интенсивности использования и сезонности производства работ.
В настоящее время практически весь объем грузоперевозок осуществляется в зимний период по временным зимним дорогам - автозимникам, причиной этому служит невозможность строительства дорог капитального типа из-за сильной заболоченности и обводненности грунтов в период положительных температур окружающего воздуха [1].
Возведение и эксплуатация автозимников даже с учетом развития науки и техники выполняются в настоящее время с использованием зачастую морально устаревшей техники, когда режущие инструменты быстро изнашиваются и требуют замены. Это влияет на снижение производительности, качества строительства и обслуживания автозимников.
136
При строительстве автозимников наблюдается большое разнообразие оборудования и машин, применяемых для их возведения и обслуживания.
Покрытие автозимников выполняют из снега, льда и мерзлого грунта. Использование таких материалов в зимний период снижает затраты на строительство дорог за счет отрицательных температур как благоприятного фактора для получения дорожного покрытия, но в тот же момент использование такого материала сильно подвержено влиянию погодных условий. Образование гололеда и глубокой колеи сказывается на безопасности движения.
Глубокое сезонное промерзание, вечная мерзлота и высокая плотность льда с твердыми включениями приводят к увеличению нагрузок на рабочее оборудование и в особенности на режущий инструмент, который в таких условиях быстро выходит из строя. Трудоемкость работ вследствие повышенной механической прочности грунта и льда увеличивается, также усложняется технология разработки грунта и уменьшается производительность машин.
Поэтому при активном развитии северных территорий и росте объемов земляных и дорожных работ, а также при недостаточном финансировании на приобретение новой техники обуславливается актуальность работ по совершенствованию существующих и созданию новых машин с многофункциональными рабочими органами для разработки снежно-ледовых образований с целью повышения эффективности их разрушения без увеличения мощности базовой машины, а также сокращения эксплуатационных затрат и снижения трудоемкости процессов.
В настоящее время 80 % общего объема мерзлой породы и наледей разрабатывается механическим способом рыхлителями на базе мощных тракторов с использованием рабочего органа в виде зубьев. Рыхлители применяются как навесные агрегаты на тракторах, а также как сменные узлы к дополнительному рабочему оборудованию автогрейдеров. Рыхление такими машинами осуществляется одним или несколькими зубьями, смонтированными на кронштейнах дополнительных рабочих органов. Во время работы на зуб действуют различные силы (рис. 1).
Со временем при воздействии этих сил на наконечник зуба эффективность рыхления резко падает из-за изнашивания режущей кромки наконечников зубьев. Частицы мерзлого грунта и твердые включения в грунте подвергают рабочие поверхности наконечников абразивному изнашиванию, что приводит к изменению основных параметров наконечника -изменяются рабочая длина, угол заострения, площадь контакта с грунтом.
Рис. 1. Схема взаимодействия зуба режущего инструмента с грунтом
На изнашивание наконечников влияют такие факторы, как:
- механические свойства грунтов;
- материал наконечника;
- скорость движения;
- характер изменения нагрузок;
- угол резания.
Использование для строительства и эксплуатации автозимников изношенного инструмента энергозатратно, требует частой замены рабочего инструмента, что значительно усложняет работу машин в труднодоступных регионах страны.
Повысить эффективность разрушения грунта и снежно-ледовых образований без увеличения мощности базовой машины, сократить расходы на замену рабочих элементов возможно за счет установки на рабочие органы принципиально нового режущего инструмента в виде дисковых резцов.
Разработки принципиально новых рабочих органов с режущим инструментом в виде дисковых резцов широко применяются в горных машинах. Область применения такого инструмента в рабочих органах строительных и дорожных машин: разрушение мерзлых грунтов и грунтов с включениями, скалывание льда и уплотненного снега при строительстве и эксплуатации зимних дорог, а также очистка асфальтобетонных дорожных покрытий от наледей и наката.
Преимущество данного инструмента состоит в следующем. Происходит уменьшение пути трения благодаря тому, что каждая точка режущей кромки при перекатывании диска по прямолинейной траектории забоя погружается в пласт грунта или льда по циклоиде только на глубину резания, это позволяет заменить трение скольжения режущей кромки зуба трением качения (диск перекатывается вдоль забоя), что повышает долговечность инструмента. Кроме того, установка такого инструмента обусловливает снижение динамических нагрузок на рабочий инструмент при встрече с твердыми включениями, так как контакт режущей кромки с ними в первоначальный момент точечный, а скорость уменьшается по мере погружения каждой точки режущей кромки в массив, следовательно, и нагрузка на режущий инструмент будет возрастать медленно [2].
138
Так как динамические нагрузки и путь трения уменьшаются, долговечность такого инструмента повышается, возникает возможность увеличения скорости резания, что влечет за собой значительное повышение производительности.
Пример использования дискового инструмента представлен на рис. 2. Существенным преимуществом данной конструкции рыхлителя с дисковыми резцами является то, что она позволяет приблизить режущие кромки дисков на минимальное расстояние к основанию борозды. Косые клинья, заглубляясь в боковые стенки борозды, частично разрушают их, а дисковые резцы, перекатываясь и погружаясь в стенки, разрушают мерзлый грунт отрывом у основания борозды, увеличивая ее поперечное сечение.
Рис. 2. Общий вид рыхлителя с дисковым инструментом: 1 - стойка; 2 - наконечник; 3 - корпус; 4 - дисковый резец; 5 - ось; 6 - клин; 7 - палец; 8 - узел регулировки угла резания; 9 - кронштейн
Рыхление мерзлых грунтов рыхлителем с дисковыми резцами можно разделить на три основные зоны разрушения: зону наконечника Рн, зону косых клиньев Ркх и зону дисковых резцов Рдг:
!Рр = Рн + 2(Ркх + Рдг). (1)
Суммарная сила сопротивления рыхлению на наконечнике зуба Рн
[2]:
Рн = Рп + Рб + Рг + Руб + Ри, (2)
где Рп - сила сопротивления на передней грани, кН; Рб - сила сопротивления в боковых прорезях грунта, кН; Рг - сила сопротивления от веса поднимаемого разрыхлённого грунта, кН; Руб - сила сопротивления от уплотнения в боковые стенки грунта, кН; Ри - сила сопротивления от наличия площадки износа на наконечнике, кН,
Ркх = 2(ЛС0Бу + Лц^ту) = Р^СОБу + ^туУсОБХ, (3)
139
Известия ТулГУ. Технические науки. 2017. Вып. 7
2
где Р - давление на грани клина, кН/м ; 53 - площадь боковой поверхности усеченного клина, м ; у - угол между нормальной силой N к боковой поверхности клина и осью Х, град; - коэффициент трения грунта по металлу; х - угол установки уширителя, град
Рдг = Р51[(^1сов5 + вт5)(1 + /1)вт(а1/2)+(сов5 - вт5)]/совх, где 51 - контактирующая поверхность конусного диска с мерзлым грунтом, м2; 5 - угол заострения дискового резца, град; /1 - коэффициент трения в подшипнике; а1 - угол отклонения равнодействующей горизонтальной и вертикальной сил резания, проходящей через центр тяжести боковой поверхности усеченного конуса, контактирующей с мерзлым грунтом, град.
Анализ тягово-динамических характеристик рыхлительного агрегата на грунтах VI категории прочности (С = 130 ед. по плотномеру ДорНИИ на поверхности) показал, что при работе рыхлителя с дисковым инструментом (рис. 2), установленным под углом 9°, тяговая мощность увеличилась на 18 %, тяговое усилие и коэффициент использования сцепного веса - на 17 %, коэффициент буксования уменьшился на 11 %, производительность увеличилась на 31 %, а энергоемкость снизилась на 8 % по сравнению с рыхлителем без дисковых резцов.
Для ликвидации колейности и подготовки полотна зимника при увеличении толщины покрытия перед очередным наращиванием разработан рабочий орган с дисковым инструментом (рис. 3), предназначенный для установки в посадочное место рабочего органа автогрейдера тяжелого типа.
Рабочий орган состоит из диска 1, вала 2, дисковых резцов 3, установленных по периметру диска и зубьев 4.
Дисковые резцы расположены по периметру ротора и служат для разрушения льда, а зубья - для удаления разрушенного льда из забоя. Привод вращения ротора осуществляется от гидромотора через цилиндрический планетарный редуктор, выходной вал которого соединен с валом ротора. Разрушенный лед под действием инерционных сил отбрасывается в открытую зону противоположную забою.
Преимущества предложенной конструкции рабочего органа состоят в том, что схема расстановки дисковых резцов обеспечивает резание близкое к полублокированному и позволяет уменьшить крутящий момент привода вращения за счет установки дискового инструмента.
С целью снижения энергоемкости процесса для рабочего органа выбран односкосый резец с минимальным углом заострения 30о [2].
Диаметр дискового резца выбран минимальным из условия обеспечения заданной глубины резания, необходимого диаметра оси и размеров кронштейна, в котором закреплена ось. Диаметр оси и размеры кронштейна определены из расчета нагрузок, возникающих в процессе резания льда максимальной прочности с заданными параметрами среза.
Диаметр рабочего органа выбран из условия обеспечения заданной ширины резания по габаритам рабочего органа, а количество дисков - из возможности размещения их на рабочем органе по предложенной схеме.
Рис. 3. Навесное оборудование с рабочим инструментом в виде режущих дисков: 1 - диск; 2 - вал; 3 - дисковый резец; 4 - зубья
Аналитические и экономические исследования базового варианта (отвала автогрейдера) и нового навесного оборудования показали, что несмотря на сравнительно одинаковые эксплуатационные затраты на базовую и новую технику, повышение производительности последней позволяет значительно экономить эксплуатационные затраты, ускорить процесс удаления снежно-ледовых образований и повысить качество поверхности перед очередным наращиванием и уплотнением.
141
Список литературы
1. Мерданов Ш.М. Научные основы создания комплексов машин для строительства временных зимних дорог в районах Севера и Сибири: дис. ... д-ра техн. наук. Тюмень, 2010. 327 с.
2. Желукевич Р.Б. Теория и практика создания рабочих органов строительных и дорожных машин с дисковыми резцами: дис. ... д-ра техн. наук. 2013. 364 с.
Желукевич Рышард Борисович, д-р техн. наук, проф., kaiserl70174@mail.ru, Россия, Красноярск, Сибирский федеральный университет, Институт нефти и газа,
Иванова Наталья Вячеславовна, асп., lacrimosa-nat@,mail.ru, Россия, Красноярск, Сибирский федеральный университет, Институт нефти и газа,
Кайзер Юрий Филиппович, канд. техн. наук, доц., kaiserl70174@mail.ru, Россия, Красноярск, Сибирский федеральный университет, Институт нефти и газа,
Егоров Алексей Васильевич д-р техн. наук, проф., aleksej egorov@bk.ru, Россия, Йошкар-Ола, Марийский государственный университет,
Лысянников Алексей Васильевич, канд. техн. наук, доц., lysyanni-kov.alek@,mail.ru, Россия, Красноярск, Сибирский федеральный университет, Институт нефти и газа
WORKING ON CUTTING WITH DISC CUTTERS
R.B. Zhelykevich, N. V. Ivanova, Y.F. Kaiser, A. V. Egorov, A. V. Lysyannikov
The article highlights the problem of further improvement of equipment in the construction of the winter road in preparation of the base, the operation of the cloth of snow-ice formations and improve the quality of the work when it is build. To eliminate a rut and prepare the canvas of a winter road by increasing the thickness of the coating before the next capacity-building developed by the working body with the disk tool, designed for installation in a seat of the working body of the grader heavy type. The advantages of the proposed design of the working body consists in that the circuit arrangement of disk cutters allows cutting close to Polubarinova and allows to reduce the torque of rotation due to the installation of the disk tool.
Key words: the working body, disc cutter, cutting angle, a snow-ice formation.
Zhelykevich Richard Borisovich, doctor of technical sciences, professor, kaiserl 70174@mail.ru, Russia, Krasnoyarsk, Siberian Federal University, Institute of Oil and Gas,
Ivanova Natalya Vyacheslavovna, postgraduate, lacrimosa-nat@,mail. ru, Russia, Krasnoyarsk, Siberian Federal University, Institute of Oil and Gas,
Kaiser Yury Filippovich, candidate of technical sciences, docent, kais-er170174@,mail.ru, Russia, Krasnoyarsk, Siberian Federal University, Institute of Oil and Gas,
Egorov Alexey Vasilyevich, doctor of technical sciences, professor, alek-sej egorovahk.ru, Russia, Ioshkar-Ola, Mari State University,
Lysyannikov Alexey Vasilyevich, candidate of technical sciences, docent, lysyanni-kov. alekamail. ru, Russia, Krasnoyarsk, Siberian Federal University, Institute of Oil and Gas
УДК 539. 374
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА ПРИ СТАТИСТИЧЕСКОМ
МОДЕЛИРОВАНИИ ПРОЦЕССОВ, ПРЕДСТАВЛЕННЫХ ДЕТЕРМИНИРОВАННЫМИ МОДЕЛЯМИ
Г.В. Панфилов, А.В. Черняев, В. А. Сухонин, М.В. Корнюшина
Обоснованы цели проверок статистических гипотез при моделировании процессов ОМД, представленных детерминированными моделями, и задачи проверочного натурного многофакторного планируемого эксперимента.
Ключевые слова: детерминированная и вероятностная системы уравнений, статистическое моделирование, планируемый многофакторный эксперимент.
Методика статистического моделирования процессов, представленных детерминированными моделями, изложена в работе [1]. В ряде случаев целью исследования может служить не столько замена исходной математической системы дифференциальных и алгебраических уравнений (детерминированной модели) изучаемого процесса статистически обоснованными уравнениями регрессии (гораздо более компактной и удобной для практического использования вероятностной моделью), сколько проверка качества и уточнение указанной детерминированной модели.
Важное значение при этом имеет понимание сущности проверки статистических гипотез на различных этапах анализа, в частности, таких, как оценка значимости коэффициентов регрессии различных факторов и эффектов их взаимодействия, и проверка адекватности полученных моделей. Так, при построении вероятностной модели исследуемого процесса с учетом «плавающих» контрольных факторов, проверка значимости коэффициентов регрессии, приводящая к выявлению некоторых незначимых коэффициентов, является смешанной оценкой, поскольку не позволяет однозначно указать причину их незначимости. Эта причина может заключаться в сути самой детерминированной системы уравнений, а может быть лишь следствием того, что при данном вероятностном моделировании субъективно принят слишком сложный аппроксимирующий полином (завышенного порядка). Причинами неадекватности полученной вероятно-
143
