CC BY
17
УДК 625.089.21
https://doi.org/10.26518/2071-7296-2022-19-2-170-182 ► Checkfor updates
https://elibrary.ru/HJJGVA
Научная статья
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-АНАЛИТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПРОЦЕССА РЕЗАНИЯ АСФАЛЬТОБЕТОНОВ РАБОЧИМ ОБОРУДОВАНИЕМ ДОРОЖНОЙ ФРЕЗЫ
Д. В. Фурманов, Н. Э. Лысаков* Л. М. Шамахов
Ярославский государственный технический университет,
г. Ярославль, Россия http://orcid.org/0000-0002-6932-6477, denis_furmanov@mail.ru http://orcid.org/0000-0001-6646-7947, nik.lysakov.1997@mail.ru http://orcid.org/ 0000-0001-7559-282X, leonid.shamakhov@yandex.ru
ответственный автор
АННОТАЦИЯ
Введение. Статья посвящена результатам исследования сопротивления резанию дорожных асфальтобетонов в процессе удаления изношенных покрытий рабочими органами фрезерных машин. Актуальность работы обусловлена появлением новых марок асфальтобетонов и новых типов режущих элементов, для которых затруднительно прогнозировать нагрузки на рабочем органе при решении задач проектирования новых и обосновании режимов работы существующих машин.
Цель. Расчет параметров рабочего органа дорожной фрезы.
Материалы и методы. Экспериментальные работы проводились путем определения горизонтальной и вертикальной составляющих силы сопротивления резания асфальтобетонов. Исследования проводились на механическом стенде с подвижной плитой, с применением регистрирующей аппаратуры. Производилось разрушение четырех различных марок асфальтобетона. Для каждой марки материала проведен двухфакторный эксперимент. Производилось определение горизонтальной и вертикальной составляющих сил сопротивления резанию в зависимости от площади сечения стружки, марки асфальтобетона и типа режущего элемента.
Результаты. В результате проведения эксперимента получены данные, позволяющие обоснованно определять нагрузки на рабочем органе дорожной фрезы. Доказано, что зависимость сил сопротивления резания от площади сечения стружки режущего элемента имеет нелинейный характер. Полученные данные позволяют исчерпывающе ответить на вопросы, касающиеся обоснования параметров дорожных фрез.
Обсуждение и заключение. Полученные данные позволяют разработать математическую модель процесса фрезерования асфальтобетонов, которая даст возможность определять не только нагрузки на рабочий орган и энергоемкость процесса, но и обоснованно подходить к вопросам размещения режущих элементов на барабане, определять рациональную область режимов работы оборудования и решать задачи выбора режимов работы в зависимости от типа асфальтобетона.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: асфальтобетон, барабан фрезерный, сила сопротивления резанию, стенд маятникового типа, толщина срезаемой стружки, энергоемкость процесса резания.
Статья поступила в редакцию 17.03.2022; одобрена после рецензирования 30.02.2022; принята к публикации 12.04.2022.
Авторы прочитал и одобрил окончательный вариант рукописи.
Прозрачность финансовой деятельности: автор не имеет финансовой заинтересованности в представленных материалах и методах. Конфликт интересов отсутствует.
Для цитирования: Фурманов Д. В., Лысаков Н. Э., Шамахов Л. М. Экспериментально-аналитическое обоснование процесса резания асфальтобетонов рабочим оборудованием дорожной фрезы // Вестник СибАДИ. 2022. Т.19, № 2(84). С. 170-182. https://doi.org/10.26518/2071-7296- 2022-19-2-170-182
© Фурманов Д. В., Лысаков Н. Э., Шамахов Л. М., 2022
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.
https://doi.org/10.26518/2071-7296-2022-19-2-170-182
https://elibrary.ru/HJJGVA
Original article
EXPERIMENTAL AND ANALYTICAL JUSTIFICATION OF ASPHALT CONCRETE CUTTING PROCESS BY ROAD MILLING MACHINE WORKING EQUIPMENT
Denis V. Furmanov, Nikita E. Lysakov * Leonid M. Shamakhov
Yaroslavl State Technical University, Yaroslavl, Russia
http://orcid.org/0000-0002-6932-6477, denis_furmanov@mail.ru http://orcid.org/0000-0001-6646-7947, nik.lysakov.1997@mail.ru http://orcid.org/0000-0001-7559-282X, leonid.shamakhov@yandex.ru
Corresponding author
ABSTRACT
Introduction. The article is devoted to the results of a study of the cutting resistance of road asphalt concrete in the process of removing worn coatings by the working bodies of milling machines. The relevance of the work is due to the emergence of new grades of asphalt concrete and new types of cutting elements, for which it is difficult to predict the loads on the working body when solving the problems of designing new and justifying the operating modes of existing machines.
Purpose. To calculate the parameters of the working body of the road milling machine.
Materials and methods. The experimental work was carried out by determining the horizontal and vertical components of the resistance force of cutting asphalt concrete. The research was carried out on a mechanical stand with a movable plate, using recording equipment. Four different grades of asphalt concrete were destroyed. A two-factor experiment was conducted for each brand of material. The horizontal and vertical components of the cutting resistance forces were determined depending on the chip cross-sectional area, the grade of asphalt concrete and the type of cutting element.
Results. As a result of the experiment, data were obtained that make it possible to reasonably determine the loads on the working body of the road milling machine. It is proved that the dependence of the cutting resistance forces on the chip cross-sectional area of the cutting element has a nonlinear character. The data obtained allow to comprehensively answer questions concerning the justification of the parameters of road milling machines. Discussion and conclusion. The obtained data allow to develop a mathematical model of the asphalt concrete milling process which will make possible to determine not only the loads on the working body and the energy intensity of the process, but also to reasonably approach the placement of cutting elements on the drum, determine the rational range of equipment operating modes and solve the problems of choosing operating modes depending on the type of asphalt concrete.
KEYWORDS: asphalt concrete, milling drum, cutting resistance force, pendulum stand, thickness of the cut off chips, energy consumption of the cutting process.
The article was submitted 17.03.2021; approved after reviewing 29.03.2022; accepted for publication 12.04.2022.
The authors have read and approved the final manuscript.
Financial transparency: the authors have no financial interest in the presented materials or methods. There is no conflict of interest.
For citation: Furmanov Denis V., Lysakov Nikita E., Shamakhov Leonid M. Experimental and analytical justification of the asphalt concrete cutting process by road milling machines working equipment. The Russian Automobile and Highway Industry Journal. 2022; 19 (2): 170-182. https://doi.org/10.26518/2071-7296- 2022-19-2-170-182
© Furmanov D. V., Lysakov N. E., Shamakhov L. M., 2022
Content is available under the license Creative Commons Attribution 4.0 License.
ВВЕДЕНИЕ
Ремонт дорожного полотна ге оЕодиися без машин с фрЕЗеїОГТІРІ СНОЕУ,ИуОН^СИ€ЭЫ^. ПрОцесс фреЗерОВаНЕЕ аСфбЛЬИОбеТОНТ ДбВОЛННО энергоемкий. Ф^зедтванли асфальтобетона сопровождается воочовсаЕИнорм сил ронрт-тивления резанию на росщщих олеочнтах фрезерного бар<^іИРиа.^о;оенніоіе ириеєниін этих сил зависят от тоощиоы о формы фОЛСЯ-мой стружки, темин|эатур ы оо атериахт его типа асфальтобетона (скорости резания.
Задачи созданинноютх машчн о псияшн-ние эффективности сущсттв-ющих тра0уши решения численного моделИрСОТЕНЯ Н^ЦСРСВ фрезерования с освс^.нроосснн^іу обоснопан-ной математичеекор моднеє о еосдеонс преграммного комплекса доо онечото оаеаметрон рабочего органа. Для роализаоии отнО оіодочи необходимо смоделнуооатс процноа фртиСро-вания с достаточной точностню. Д сожален ию, таких существующих маненіантиоскиш ніоделео в открытых истоннинто В НОЛТОСЩОО ИуОДУ не найдено.
Моделирование нсоротос фтизерогниия основано на оплоюллении салноясоичіи- иі рс-диальных составляюрки сси с;рнеентіунигзо-^я резанию на каждоа резцн в трассой дскле резания, и в последуюш>емиувчбоныд тумніс-рованием этих оного рабоной попл^нооти барабана для определения суммарных сил и крутящего момента. Если вторая часть задачи решается геометрическио модели рисрниоо, решение которого хорошо отражокн, например, в работах [ф 2].тлметоды получоиор чс-о ленных значений соотавляющох иол еосрбчри-0ЄооЮуТСЕОВЯ доотно ЕЛ СЭК ОСНИН^Ы.
С ДоТОДИННСКСЙ нечки ГрТТИЯ САО^ЗІНЬзіГУИ ЯВЛЯЮТСЯ нЕОТТриМбЗТОаЛСЖ^І^ н-рОСЫ ПО СС-ИбРДОВаНОЮ оедцесстс -АіЕС-НИЯ СА5кТр-ЧНЫХООо ОДМЯЮ-СТОДИТеЛЬННІХЙіате'НЄЛОВ, стс ллк они ННИИОЛТЮН ПОРУЧИТЬ ЧрКСГ^ЛОЛ ЬНО ИЕСТОВТ|Э-
ные результаты, пригодные для практического нр иманено я.
Ш. ЕКі Лбурнниын1 2 оля определение ллои-
ЗСИНРОИНОй ЕИСТСПОНХЩеЙ (УИЛПІ СОИЧОТИСЛИн
ния резанию Р незпа-ительнеімо ио размеру ресещгмп Еромннтнми врадломени саркси-
МОСТИ
Р = 10 · С · h · (1 + 0,В5 · s) ї (і - · о· /О, Гі-
неє ре фуТное ллсаиия; о- океана nfPX-coHE.
|О χ яооффиуиянт УРЛРНИЯ Степани бСЕНИуЛс Ис^ О (ОС г ДРЯ блежирт^яинонн ВеЗаНСН а О Я ДЛЯ ообЩ-лозиодвннноге -стинниа |і С КI,HТГ ,ζ.— снсОядингЕ разните о С 0,)й; б р l«-:Г<-ИСj:DnL-И€îlСОl СоСТИІВИЮЩПИ слияннл изпяно реорщегл олЕ^^^рэгге^^н^с^^; к - устиопнИ угон рeоaниЯ|
-1от£іЗіаи-^о^м, мснРаторизрющим иодснлсо-иріє нлійоєоу і^-^с^-^т^-^, отлетите паСамоор . Этот ооєтмол|т рнвнн потин5сову (алое стан© ар)5^ гтгв уне-онка нтииноивании н аконечника на заданн+ю туоину Это позволяет замените широчт.шоН опенсс сбщсотвужщих -орнонн. Я^ізиіичоьзіхс пи граослометричесисмв сосн<^в^І
СЕЗСІНСТ^аС-. Т^І\СП^))^Т^|Э(^Г ^ЕЗСЙЕСО-Ч-Е -І Т. -О ОДс
ним ооланотялтн, oоелвчябислющнд щзотетеин-
СЫе ОГННОТНО.
Эхехлнты данно-и подхода иіог-^-· бети ирис тенимы и )натяии інє^ссения тсс-і£зл(ято--иї']'^наІ
о СВСТХ ПоСЛеДОВаТСЛХ ПО бОТСИНД ОДСИ-
фетсіх оссОЕопооІЛоготяи пС( Ю. Aлтиcлстбтн-отмечтап. .-то сипа -гезания ли ні нолем о н ре--ОЛЯТНСТ к-місчесисном l^f—°ΖΠ —.Ю>С МСНЧ.НабТСЫХ aefJEH. Дюн опрею(—ления л-|этзоспгал^^оіо СО) ато шин ощтВ толы ранение -і тедкагт якеє сні ο дующси ;з<^нисиін^ст^:
где о^,;- спея резинпя, нбеслиплапняя ізилс— ЮН Т|ЛТІНИТ Я впртренним С1-СЗП-ЛЗПН(ЗМ НнбДЕ^І -І хіниріаи кпгНЕ\.і:с тзі^^ези. нрспноСтею менте Я мої;
отоо.к н- (сивіл сии.асвсЕРСния єри ©анвилье пгсаии с— ино-лопнот поалПі писаюпоимся лежС-тре я кромкиножа.
ПТ|^Ч1ИС СОСКС лляющ°ю сидні розкнгр А. —); Алолслидаои Нс-ході/іо, тинкаясь не уе-зулстатні oa0OTt>ı А.М. Холодова3 *:
С у K-/ı-sin(H+(^ı)-[70я·οη(α+ω)·5Ϊη(ω+<4+Η.5^Η,(ρ]
Т|Н|Л ^ηω^ϊη («+ω+^+^ι) , ( '
-ус Яо е- оТъемнат мособплотпсго с^нто.
Ш н-НТГОЛ внуинен—ітго тронно.
Ша д -ноші он-їшнеге тронно; но - унес снзрнио;
зо -уголнаклонаплоскостисдвига; h-толщинасрезаемой стружки; В-ширинаножа; с -сцеплениесреды.
1 Зеленин А.Н. Основыразрушения грунтовмеханическнли спнсобами. М., Машиностроенио, 1968.
2Александров А.Я.Выборрациональнойтемпературы асфальтобето а. Сб. «Автомобильный транспорт и дороги», К.: Техника, 1971. С. 53-ЛЄ.
3Холодов А.М. Тео^кочлсклт тыла-анио coвpеτлкленкп г.^екпгнлоЕэгэезос^со' рЕвагвию оснеоном сдбратм оожом. Об.
Горные,строительнысі— дорожмые сгвш носії, ТЕ., 1С6О, В.1.6Ε ігг-е'і Сі^
Вторая составлтющая завистмости Щ) ап раделяется урав нениед
гне Кр - коэффиыиынт, учитывыющий форму ЦДбНЯ, (Fro эу^^иил<имнтричесны1й ДМРТйВ и рис-нределенгм ы МсИНйИВе;
D й сред лай деамееп фракцин щеЕіня;
Уз.х - у-оп Етыямэт;
τ - предел прочности щебня при раскалывании.
Аналитические зависимости, предложенные автором указанной работы, безусловно, являются полезными с научной точки зрения, однако получить экспериментально значение таких показателей, как угол внутреннего трения и угол внешнего трения для различных температур и марок асфальтобетона на практике не представляется возможным. Кроме того, в формуле (3) сложные процессы хрупкого разрушения заменяются достаточно упрощенной формулойразрушенияотсдвиговойнагрузки.
Отметим также, что значения указанных составляющих силы сопротивления резанию имеют некий мгновенный характер, что затрудняет определение работы силы резания и, следовательно, энергетических параметров процесса.
Однако с научной точки зрения интересен экспериментальный комнмека |эабит, ыыпнлы ненный автором. Амнмныщцтвыым (зылэпвл^ чены зависимости кыЕффнцивнта пспротйвыіе-ния резания от ширин ы ножа при разработке разогретого асфальтобетона (рисунок 1). Это действительно те данные, которые можно использовать на пракгнке птн рашелии зауам проектирования машин, однако они обладают рядом условностей. Во-первых, сат посебв подход, который позущщяйт звмвнять слнжныв процессы, возникающие на режущем элементе неким коэффициентом удельной нагрузки, вызывает спор. Так как на графике показано, что этот коэффициент принимает различные значения для различных ножей, говорить об адекватности данного подхода не приходится. Отметим так же, что результаты этих исследований непригодны для современных типов режущих элементов, где режущая часть представляет собой цилиндрический наконечник, закругляющийся в ходе эксплуатации в виде полусферы. Да и требования к прочности асфальтобетонов со времен указанных исследований существенно изменились. 4
п ЫяМ
Рисунокі- Зависимостьудельнойсилырезания для различных ножей от температуры асфальтобетона Источник:составленоавтора N и.
Figurel-Thedependenceoftheappliedcutting forceforvarioES knives on the temperature o- thэ аыфеН eorcrete.
Source:compiledby thu euthors.
Значимыми фанторами при onpe;xi<5jneî-нии нагрузок на рабочем органе являютин прочностные и деформативные свойства об-ОЕУпнмнпнмоыо мати-оіалО1 T инаеэ мтноид Ю. Г. СмнЛовЫ прыдланмптопределятмтэвн рю-урнйнсимдаюлый заюисимостью:
Рр = k-Fcр · σ, (5)
где k - безразмерный коэффициент сопротивления резанию, учитывающий особенности упруго-пластических свойств асфальтобетон9;
Ғср -м Суммарно- ЫреДНЛЛ ОЕтынил сч^жни, опредллеем ое одним оборотом фрезы;
σ - предел прочности асфальтобетона на одноосноесжатие.
Неработоспособность указанного подхода проявляется в том, что предел прочности стандартных образцов на одноосное сжатие ограничен сцеплением между отдельными зернами асфальтобетона. Однако на силу сопротивления резанию существенное влияние оказывает и прочность самих зерен, которые разрушаются в различной степени в процессе фрезерования.
4 ГлебовЮ.Г.,ГубанцевА.В. Резаниеасфальтобетонного голрытия гуи емочлоы ртмннте уойог. Т-.Нтрьоотткоін политехническогоинститута,Горький,1975.Т. 31,в.8.С.18-20.
С точки зрения практического использования обладают результаты экспериментальных исследований [3, 4], авторы которых подробно рассмотрели различные случаи установки режущих элементов и определили усилия, которые постоянно изменяются по величине в процессе резки из-за сколов и хрупкости породы.
Важными полученными данными из работы [5] были факторы, влияющие на энергопотребление холодного фрезерного станка и характеристики нагрузки двигателя.
Авторы работ [6, 7] подробно рассмотрели получение количественных значений нормальной и касательной составляющих сопротивления резания в процессе разработки прочных грунтов.
М. П. Бараташвили [8] приводит конкретные значения удельных нагрузок на режущий элемент. К сожалению, применяемые формы режущих элементов с твердосплавными пластинами, которые использовались при экспериментальных исследованиях В. Ф. Кулепова и М. П. Бараташвили на сегодняшний день не используются. Однако эти и другие работы обладают большой практической ценностью, которая заключается в получении зависимости удельного напряжения резания от угла резания и ширины режущего элемента.
Одним из недостатков указанных работ является неполное соответствие параметров рабочего процесса фрезерования стендовыми рабочими органами в сравнении с реальными машинами.
Аналитическое определение сил сопротивления резанию грунтов и прочных дорожно-строительных материалов отражены в работах [9, 10], авторы предложили новый метод определения мгновенной составляющей силы резания, возникающей на фрезерном барабане, в котором предложили три алгоритма модели сопротивления резанию. Авторы указывают на хорошую достоверность результатов.
Анализ и изучение скоростных характеристик, влияющих на процессы резания, представлены в исследованиях [11, 12], авторы впервые представили расчётные зависимости данных параметров для различных конструкций рабочих органов. Приведён расчёт, по результатам которого определены условия рационального применения того или иного типа установки фрезы в забое.
А. А. Машенский5 рассмотрел процессы, происходящие при скоростном резании грунтов. Установлена зависимость силы сопротивления грунта резанию от скорости взаимодействия с учетом сжимаемости грунта и возникновением силы волнового сопротивления. Привел аналитические зависимости для расчета составляющих полной силы сопротивления скоростного резания грунта. Аналогичные испытания, с разными типами режущих элементов проводились в работе [13].
Несоответствие результатов геометрического моделирования работы фрезы, с колебательным изменением суммарной толщины срезаемой стружки от значений мгновенной нагрузки на фрезерной машине, оснащенное гидроприводом, показано в работе [14]. Это подтверждает нелинейный характер изменения сил резания с увеличением толщины срезаемой стружки. Энергоэффективность фрезерной машины исследуется путем постановки полевого эксперимента в работе [15]. На основе полученных результатов предлагается использовать модель, позволяющую подстраивать параметры привода под используемые режимы работы фрезерного агрегата. Указывается на существенное увеличение коэффициента использования мощности привода и увеличение коэффициента полезного действия.
Работа [16] посвящена стойкости фрезерного инструмента. Применительно к асфальтовым бетонам можно отнести исследование [17], посвященное влиянию свойств материала и режимов работы машины на скорость изнашивания резца.
В процессе фрезерования резец срезает стружку сложной формы. На форму стружки влияют соседние борозды, глубина которых не только различна, она еще меняется по траектории хода резца. В такой ситуации вообще сложно определить, что считать толщиной срезаемой стружки. Для каменных материалов такое исследование проводилось в работе [18] на экспериментальной установке, для асфальтобетонов вопрос остается открытым.
С каждым годом появляется все больше асфальтобетонов новых марок. Небольшое изменение состава повлечет за собой существенное изменение сопротивляемости резания. Наряду с этим происходит модернизация режущих элементов. Однако применительно к
5 Машенский А. А., Машенский Ю. А., Синкевич П. Н. Обоснование кинетических параметров почвообрабатывающих фрез // Тракторы, автомобили, мобильные энергетические средства: проблемы и перспективы развития: доклады Международной научно-технической конференции, посвящ. 80-летию со дня рождения д-ра техн. наук, проф. Скотникова В. А., Минск. БГАТУ 2009. С. 466-473.
существующим машинам и наиболее используемым дорожным покрытиям можно и нужно определять параметры рабочего процесса для создания новых, более эффективных машин и улучшения режимов работы существующих.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Изучение процесса фрезерования целесообразно выполнять с исследования взаимодействия с материалом одного режущего элемента фрезерного барабана. Поэтому для обоснования возникающих нагрузок на режущем элементе был выбран экспериментальный подход.
С этой целью использовался консольный вертикально-фрезерный станок, который обеспечивает жесткость станины и, как следствие, геометрическую стабильность процесса. Появилась возможность определять силовые и энергетические характеристики процессов резания и дробления, возможность регулиро-
вания в широком диапазоне геометрических и динамических параметров процессов резания, таких как тип, способ установки и угол наклона режущего элемента и т. д.
Стенд состоит из вертикального консольно-фрезерного станка модели 6Р12П. На станке установлены: нижняя подвижная плита 1, для фиксации образцов асфальтобетона; линейная направляющая 2, обеспечивающая жёсткость конструкции; два шариковых подшипника 3, предназначенных для возможности перемещения плиты относительно станины станка; кронштейн 4, к которому крепится горизонтальный S-образный датчик 5, соединённый с подвижной плитой. Кроме того, к конусу под шпиндель 6 крепится верхний рычаг 7, передающий усилие на вертикальный S-образный датчик 8. Нижний рычаг 9 соединен со стойкой 10, на которой расположен резцедержатель 11 с режущим элементом. Общий вид стенда показан на рисунке 2, а.
а
б
Рисунок 2 - Экспериментальный стенд: а - общий вид стенда для исследования процессов резания и динамического разрушения асфальтобетонов;
б - функциональная схема измерительной системы Источник: составлено авторами.
Figure 2 - Experimental bench: a) - general view of the bench for studying the processes
of cutting and dynamic destruction of asphalt concrete;
b) - functional diagram of the measuring system Source: compiled by the authors.
Измерительная система (рисунок 2, б) разработана с учетом требований по чувствительности датчика, скорости записи, возможности анализа полученных результатов и возможности фильтрации сигнала. Система состоит из двух S-образных тензометрических датчиков растяжения-сжатия 5, 8, тензометрической станции 12 и персонального компьютера 13. Перед началом экспериментальных работ была произведена тарировка тензометрических датчиков.
В момент резания производится передача усилия через систему рычагов на регистрирующие датчики. Сигнал передается на усилитель с аналого-цифровым преобразователем и далее на персональный компьютер. Схема экспериментального стенда и силы, возникающих на режущем элементе, представлены на рисунке 3.
В ходе проведения опытов определялась зависимость сил резания от площади сечения стружки и характера её развития. Один из вариантов формирования сечения стружки представлен на рисунке 4.
а
б
Рисунок 3 - Схема экспериментального стенда а - общий вид; б - силы на режущем элементе Источник: составлено автороми.
Figure 3 - Scheme of the experimental stand. a) general view, b) force on the pass element Source: compiled by the authors.
Рисунок 4 - Схема формирования сечения стружки Источник: составлено авторами.
Figure 4 - Chip section formation diagram Source: compiled by the authors.
Рисунок 6 - Регистрация показаний тензометрических датчиков
Источник: составлено авторами.
Figure 6 - Registration of readings of strain gauges.
Source: compiled by the authors.
Проанализировав зависимость силы резания от площади сечения стружки резца, появляется возможность определить оптимальное количество режущих элементов на фрезерном барабане и их расположение.
Режущий элемент любого фрезерного рабочего органа в процессе взаимодействия с материалом совершает вращательное и поступательное движение, выраженное уравнением трохоиды. Геометрические параметры режущего элемента А6/20 [20] представлены на рисунке 5.
Figure 5 - Geometrical parameters of the cutting element6
Экспериментальные работы производились в следующем порядке:
1) Производится установка образца и его фиксация.
2) При помощи ходовых винтов консольного вертикально-фрезерного станка устанавливается нужная глубина фрезерования.
3) Настраивается необходимая подача стола.
4) Происходит снятие стружки материала.
В ходе эксперимента происходила запись
показаний с двух тензометрических датчиков (рисунок 6).
Наряду с регистрацией показаний происходил замер площади сечения стружки режущего элемента (рисунок 7).
С помощью кузовной линейки, с шириной пластин 1 мм, происходило копирование формы сечения стружки. Полученный результат с исходными данными фотографировался, а дальше в программном комплексе Компас 3Д, происходило масштабирование сечения стружки, с последующим определением площади, ширины и глубины сечения стружки.
Рисунок 5 - Гэометрические параметры режущего элемента6
6 ОАО «КЗТС». Оригинальная конструкция дорожных резцов. Режим доступа: http://www.kzts.ru/core/user_files/Road. pdf (дата обращения: 05.03.22).
Рисунок 7 - Пример определения площади сечения стружки Источник: составлено авторами.
Figure 7 - An example of determining the cross-sectional area of the chips
Source: compiled by the authors.
Рисунок 8 - Графики изменения горизонтальных сил резания при различной площади сечения стружки:
а - при резании образцов асфальтобетона марки Б-2; б - при резании образцов асфальтобетона марки В-3; в - при резании образцов асфальтобетона марки МЗП-2; г - при резании образцов асфальтобетона марки ЩМА-20 Источник: составлено авторами.
Figure 8 - Graphs of changes in horizontal cutting forces for different chip cross-sectional areas:
a) when cutting samples of asphalt concrete grade B-2;
b) when cutting samples of asphalt concrete grade V-3;
c) when cutting samples of asphalt concrete grade MZP-2;
d) when cutting samples of asphalt concrete grade ShMA-20 Source: compiled by the authors.
Таблица
Зависимости усредненных сил резания от площади следа резца
Источник: составлено авторами.
Table
Dependencies of averaged cutting forces on cutter trace area
Source: compiled by the authors.
Марка Уравнение регрессии Коэффициент достоверности. R2
асфальтобетона
В-3 F =-0.752 S2+63.659 S R2=0.9258
гор
МЗП-2 F =190 39S04324 R2=0.6783
гор
Б-2 F =-1.1403 S2+82.605 S-6.3117 R2=0.9769
гор
ЩМА-20 F =-0.2143S2+56.607 S R2=0.873
гор
Для проведения эксперимента были использованы образцы асфальтобетона марок Б-2, В-3, МЗП-27 и ЩМА-208.
РЕЗУЛЬТАТЫ
Оценка мощности привода фрезерного барабана и энергоем кости рабоче го процесса фрезерования может быть осуществлена толькопри известных среднихзначенияхгори-зонтальной составляющей сил сопротивления резанию. Полученные графики (рисунок 8) хорошо показывают нелинейный характер роста сил сопротивления резанию в зависимости от площади длада ρποχο.
Неитиьаленан еоатаиниющая соноі сонрь-ьикпднрн онханпо ан опреднляот чноргпаиче-спихпааахсериетик хныочхыі, оданхо внианс пс ираане-ппліа πррaзеτeдк фаснеочс-о пораЧс-на и тягаки-снс-тьм кепиячип мешкиы оао-лшс. Устро-имно, чан
Ғн = (0.9 -1.1) -Fr. (6)
Регрессионные зависимости горизонтальных сил резания, которые могут быть использованы для расчетов при проектировании фрезерного оборудования, для асфальтобетонов различных марок приведены в таблице.
ОБСУЖДЕНИЕ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Процесс фрезерования является сложным и многофакторным процессом. Благодаря полученным экспериментальным данным, были
выявлены уравнения зависимости, построены графики, отражающие зависимость сил сопротивления резанию от площади сечения стружки, что подтверждается высоким значением коэффициентадостоверности.
По результатам эксперимента было сдела-нонескольковыводов:
- установленные зависимости имеют нели-нейныйхарактер;
ан - опираясь на полученные регрессионные зависимости, было выявлено, что предыдущие исследования не в полной мере отражают определение значения силы резания;
- энергоемкость процесса фрезерования существенно зависитоттипа и марки асфальтобетона;
- полученные данные являются исчерпывающими для чсоставления математической модели и методики расчета фрезерного оборудования.
Полученные регрессионные зависимости позволяют не только определять нагрузки на рабочий орган и энергоемкость процесса, но и обоснованно подходить к вопросам размещения режущих элементов на барабане, определять рациональную область режимов работы оборудования, решать задачи выбора режимов работы в зависимости от типа асфальтобетона.
На основании полученных данных не только можно, но и необходимо разработать математическую модель для расчета параметров рабочего оборудования дорожной фрезы.
7 ГОСТ 9128-2013 Смеси асфальтобетонные, полимерасфальтобетонные, асфальтобетон, полимерасфальтобетон для автомобильных дорог и аэродромов.
8 ГОСТ 31015-2002 Смеси асфальтобетонные и асфальтобетон щебеночно-мастичные.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИМ СПИСОК
1. Вершинин А. В. Влияние неравномерности скорости резания мерзлого грунта подкопочной машины на энергоемкость его разрушения // Современные проблемы науки и образования. 2014. №6. URL: https://www.elibrary.ru/ item.asp?id=22877306(дата обращения: 16.12.2020).
2. Николаев В. А. Ориентировочный расчёт мощности циклического резания грунта // Вестник СибАДИ. 2019. № 16(3). С. 228-240. https://doi. org/10.26518/2071-7296-2019-3-228-240
3. Bilgin N., Demircin M. A., Copur H. Dominant
rock properties affecting the performance of conical picks and the comparison of some experimental and theoretical results // International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. 2006. №1(43). C. 139-156. URL: https://www.sciencedirect.com/
science/article/pii/S1365160905000572?via%3Dihub. (дата обращения: 20.03.2020).
4. Mostafavi S.S. Effect of attack angle on the pick performance in linear rock cutting // 45th US Rock Mechanics / Geomechanics Symposium. 2011. URL: https://www.researchgate.net/publication/287323602. (дата обращения: 20.03.2020).
5. Peng-yu M., Yong-biao H., Xin-rong Z. Research on adaptive power control parameter of a cold milling machine // Simulation Modelling Practice and Theory. 2008. №9(16). С. 1136-1144. URL: https:// www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/ S1569190X08001184?via%3Dihub. (дата обращения: 20.03.2020).
6. Кабашев Р А., Тургумбаев С. Д. Экспериментальные исследования процесса копания грунтов роторно-дисковыми рабочими органами под гидростатическим давлением // Вестник СибАДИ. 2016;(4(50)). С. 23-28.
7. Берестов Е. И., Кутынко Р И. Эксперимен-
тальные исследования резания грунта // Вестник Белорусско-Российского университета. 2009. №1(22). С. 92-100.URL: https://cyberleninka.ru/
article/n/eksperimentalnye-issledovaniya-rezaniya-grunta/viewer(дата обращения: 20.03.2020).
8. Бараташвили М. П. Определение влияющих факторов на режимы работы машины и их значение для разрушения поверхностных слоев асфальтобетонных покрытий // Научный электронный архив. URL: http://econf.rae.ru/article/6606 (дата обращения: 10.01.2020).
9. Wang X. Bin, Hu Y.B., Lu PZ. Calculation model and test correction of single tool's milling resistance force of asphalt concrete // ZhongguoGongluXuebao/ China Journal of Highway and Transport. 2016. URL: https://www.researchgate.net/publication/306182889. (дата обращения: 10.01.2020).
10. Liu C.S., Li D.G. Mathematical model of cutting force based on experimental conditions of single pick cutting // MeitanXuebao/Journal of the China Coal Society. 2011. URL: https://www.researchgate. net/publication/286723599. (Дата обращения:
10.01.2020).
11. Николаев В. А. Анализ циклического резания грунта. Вестник СибАДИ. 2019. № 16(6) С. 642-657. https://doi.org/10.26518/2071-7296-2019-6-642-657.
12. Вершинин А. В., Ерасов И. А., Левшу-
нов Л. С., Янкович А. В. Влияние неравномерности скорости резания мёрзлого грунта подкопочной машины на энергоёмкость его разрушения // Современные проблемы науки и образования. 2014. № 6.; URL: https://science-education.ru/ru/article/
view?id=16611 (дата обращения: 18.03.2022).
13. Семкин Д. С. О влиянии скорости рабочих органов землеройных машин на силу сопротивления грунта резанию // Вестник СибАДИ. 2017. № 1 (53). С. 37-43.
14. Hu YB., Ma PY, Zhang X.R. Modelling
and simulating of cold milling machine // Chang'anDaxueXuebao (ZiranKexue Ban)/ Journal of Chang'an University (Natural Science Edition). 2008. URL: https://www.researchgate.
net/publication/298243176. (дата обращения:
13.01.2020) .
15. Wang X., Hu Y Numerical calculation on multitool milling resistance of asphalt pavement milling machine // Hsi-An Chiao Tung Ta Hsueh/Journal of Xi'an Jiaotong University. 2016.URL:https://www. researchgate.net/publication/306193701.(дата обращения: 13.01.2020).
16. Попов С. Н., Антонюк Д. А. Исследование влияния внешних условий изнашивания на износостойкость резцов дорожной фрезы // Новіматеріа-ли і технології в металургії та машинобудуванні. 2008. № 1. С. 25-29. URL: https://cyberleninka.ru/ article/n/issledovanie-vliyaniya-vneshnih-usloviy-iznashivaniya-na-iznosostoykost-reztsov-dorozhnoy-frezy/viewer(дата обращения: 24.03.2020).
17. Hekimoglu O.Z. Suggested methods for optimum rotative motion of point attack type drag tools in terms of skew angles // International Journal of Mining, Reclamation and Environment. 2019. URL: https://www.researchgate.net/publication/336811965. (дата обращения: 13.01.2020).
18. Park J.Y A study on rock cutting efficiency and structural stability of a point attack pick cutter by lab-scale linear cutting machine testing and finite element analysis // International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. 2018.URL: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/ S1365160916305445?via%3Dihub.(дата обращения:
31.01.2020) .
REFERENCES
1. Vershinin A. V. Vlijanie neravnomernosti skorosti
rezanija merzlogo grunta podkopochnoj mashinynaj energoemkost' ego razrushenija [The influence of the uneven cutting speed of the frozen soil of the digging machine on the energy intensity of its destruction] Sovremennye problemynaukii obrazovanija. 2014; 6. ([n Russ.) URL: https://www.elibrary.ru/item.
asp?id=22877306. (assessed: 16.12.2020).
2. Nikolayev V. A. Approximate calculation of the circular soil cutting capacity. The Russian Automobile and Highway Industry Journal. 2019;16(3):228-240. (In Russ.) https://doi.org/10.26518/2071-7296-2019-3-228-240
3. Bilgin N., Demirkin M. A., Kopur H. The dominant properties of rocks affecting the performance of conical
picks, and a comparison of some experimental and theoretical results. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. 2006; 1(43): 139156. (in Russ.) URL: https://www.sciencedirect.com/ science/article/pii/S1365160905000572 ?via%3Dihub. (Accessed: 03/20/2020).
4. Mostafavi S. S. The influence of the angle of attack on the performance of a pickaxe in linear cutting of rocks // 45th U.S. Symposium on Mining Mechanics. Geomechanics. 2011. URL: https://www.researchgate. net/publication/287323602. (accessed: 03/20/2020).
5. Peng-yu M., Yong-biao H., Xin-rong Z. The study of the adaptive parameter of the power control of a cold milling machine. Practice and theory of simulation modeling. 2008; 9(16): 1136-1144. URL: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/ pii/S1569190X08001184 ?via%3Dihub. (accessed: 03/20/2020).
6. Kabashev R. A., Turgumbaev S. J. Experimental research of the process of digging soil rotary-disk working bodies under hydrostatic pressure. The Russian Automobile and Highway Industry Journal. 2016;(4(50)):23-28. (In Russ.)
7. Berestov E. I., Kutynko R. I. Jeksperimental'nye issledovanija rezanija grunta [Experimental studies of soil cutting. Bulletin of the Belarusian-Russian University]. Vestnik Belorussko-Rossijskogo universiteta. 2009; 1 (22): 92-100. (in Russ.)
8. Baratashvili M. P Opredelenie vlijajushhih faktorov na rezhimy raboty mashiny I ih znachenie dlj arazrushenija poverhnostnyh sloev asfal'tobetonnyh pokrytij [Determination of influencing factors on the operating modes of the machine and their significance for the destruction of surface layers of asphalt concrete coatings]. Nauchnyjjelektronnyjarhiv. URL: http://econf. rae.ru/article/6606. (in Russ.) (assessed: 10.01.2020).
9. Wang H. Bin, Hu Yu.B., Lu P.Z. Calculation model and test correction of the resistance force to milling asphalt concrete with one tool. ZhongguoGongluXuebao. Chinese Journal of Highways and Transport. 2016. URL: https://www. researchgate.net/publication/306182889. (accessed:
10.01.2020).
10. Liu S.S., Li D.G. Mathematical model of cutting force based on experimental conditions of single cutting. Meitanxuebao. Journal of the Chinese Coal Society. 2011. URL: https://www.researchgate. net/publication/286723599. (Date of reference:
10.01.2020).
11. Nikolayev V. A. Analysis of the cyclical ground cutting. The Russian Automobile and Highway Industry Journal. 2019;16(6):642-657. (In Russ.) https://doi. org/10.26518/2071-7296-2019-6-642-657
12. Vershinin A.V., Erasov I.A., Levshunov L.S., Jankovich A.V. Vlijanie neravnomernosti skorosti rezanija mjorzlogo grunta podkopochnoj mashiny na jenergojomkost' ego razrushenija [The influence of uneven cutting speed of frozen soil of a digging machine on the energy intensity of its destruction]. Sovremennye problem naukii ob razovanija. 2014; 6.
(in Russ.) URL: https://science-education.ru/ru/article/ view?id=16611 (accessed: 18.03.2022).
13. Semkin D. S. About influence of speed working bodies of digging machines on the resistance force of soil cutting. The Russian Automobile and Highway Industry Journal. 2017;(1(53)):37-43. (In Russ.) https:// doi.org/10.26518/2071-7296-2017-1(53)-37-43
14. Hu Yu.B., Ma PYu., Zhang H.R. Modeling
and simulation of a cold milling machine // Changandaxuesuebao (Zirankexue Ban). Journal of Chang’an University (Natural Sciences publication). 2008. URL: https://www.researchgate.net/
publication/298243176. (accessed: 01/13/2020).
15. Wang X., Hu Y Numerical calculation of resistance to multi-tool milling of a milling machine for asphalt concrete pavement. Xi-An Chao Tong Ta Xue. Journal of Xi’an Jiaotong University. 2016. URL:https:// www.researchgate.net/публикация/306193701. (Publication date: 13.01.2020).
16. Popov S. N., Antonjuk D. A. Issledovanie vlijanija
vneshnih uslovij iznashivanija na iznosostojkost' rezcov dorozhnoj frezy [Investigation of the influence of external wear conditions on the wear resistance of road milling cutters]. Novimateriali i tehnologiî v metalurgiî ta mashinobuduvanni. 2008. No 1. pp. 25-29. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/issledovanie-vliyaniya-vneshnih-usloviy-iznashivaniya-na-iznosostoykost-reztsov-dorozhnoy-frezy/viewer. (accessed:
24.03.2020) .
17. Hekimoglu O. Z. Proposed methods of optimal rotational motion of point-type drawing tools in terms of tilt angles. International Journal of Mining, Land Reclamation and the Environment. 2019. URL: https://www.researchgate.net/publication/336811965. (accessed: 13.01.2020).
18. Park J. Y Investigation of the efficiency of rock cutting and structural stability of a point-attack milling cutter using laboratory tests of a linear cutting machine and finite element analysis. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. 2018. URL:https://www.sciencedirect.com/science/article/ pii/S1365160916305445?via%3Dihub. (accessed:
31.01.2020) .
ВКЛАД СОАВТОРОВ
Фурманов Д. В. Организация работы авторского коллектива, формирование направления и формулирование проблемы исследования, постановка задач и методики проведения исследования, разработка и создание испытательного стенда, корректирование материала статьи.
Лысаков Н. Э. Обзор предшествующих исследований, разработка и создание испытательного стенда, подготовка и проведение экспериментальных исследований, обработка полученных данных, подготовка материала для статьи.
Шамахов Л. М. Разработка и создание испытательного стенда, подготовка и проведение экспериментальных исследований, обработка полученных данных.
CO-AUTHORS’ CONTRIBUTION
Denis V. Furmanov. The organization of the work of the author’s team, the formation of the direction and formulation of the research problem, the formulation of tasks and methods of research, the development and creation of a test bench, the correction of the material of the article.
Nikita E. Lysakov. Review of previous studies, development and creation of a test bench, preparation and conduct of experimental studies, processing of the data obtained, preparation of material for the article.
Leonid M. Shamakhov. The development and creation of a test bench, preparation and conduct of experimental studies, processing of the data obtained.
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Фурманов Денис Владимирович - канд. техн. наук, доц. кафедры «Строительные и дорожные машины».
Лысаков Никита Эдуардович - аспирант кафедры «Строительные и дорожные машины».
Шамахов Леонид Михайлович - студент кафедры «Строительные и дорожные машины».
INFORMATION ABOUT AUTHORS
Denis V. Furmanov - Cand. of Sci., Associate Professor of the Construction and Road Machinery Department.
Nikita E. Lysakov - Postgraduate Student of the Construction and Road Machines Department.
Leonid M. Shamakhov - Student of the Construction and Road Machines Department.
