Экспериментальные исследования процесса внедрения режущего инструмента в уплотненный снег Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Механика

Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского, 2010, № 4 (1), с. 121-124

УДК 625.768.5

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ВНЕДРЕНИЯ РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА В УПЛОТНЕННЫЙ СНЕГ

© 2010 г. Г.Г. Воскресенский

Тихоокеанский госуниверситет, г. Хабаровск eugene@sdm.khstu.ru

Поступила в редакцию 11.03.2009

Приведены результаты экспериментальных исследований процесса внедрения одиночного резца в уплотненный снег на автомобильной дороге. Установлена зависимость усилий внедрения от параметров резца, глубины внедрения, температуры и плотности снега.

Ключевые слова: уплотненный снег, процесс внедрения резца, ширина ножа, угол заострения ножа, усилие внедрения.

Введение

Разрушение уплотненного снега при вдавливании режущего инструмента происходит, например, в тех случаях, когда устройство для очистки покрытий автомобильных дорог совершает вертикальные колебания или осуществляется внедрение клинообразных рабочих органов, установленных на катках, роликах, гусеничном ходовом оборудовании. Возникающие при этом вертикальные усилия должны превышать силы сопротивления вдавливанию режущего инструмента в уплотненный снег. Теоретических и экспериментальных исследований, относящихся к этой проблеме, нами не установлено. Исследования К.Н. Коржавина, проведенные на чистом речном льду, свободном от трещин, пузырьков, пор и посторонних включений, ставили целью определение прочностных характеристик для процессов взаимодействия льда с опорами мостов, буровых вышек в открытом море, корпусом ледоколов [1].

Ширина внедряемых штампов при вдавливании изменялась от 1.2 до 1.4 см, а размеры образца льда колебались от 7x7x20 см3 до 7x7x30 см3.

Вначале при внедрении на 1-2 мм обнаруживалась пластическая деформация. Затем вдоль границ штампа образуется сетка мелких трещин, и число этих трещин увеличивается по мере возрастания приложенной силы (трещины обычно образуются под углом 20-30° к вертикали). Далее разрушение протекает вдоль двух основных трещин в области наибольшей деформации сдвига. После этой начальной стадии разрушения на верхних кромках образца наблюдались отслаивание и вдавливание льда.

Процесс вдавливания режущего инструмента в уплотненный снег, находящийся на покрытии автомобильной дороги, отличается от экспериментов, проведенных К.Н. Коржавиным. Визуальное наблюдение за процессом внедрения режущего инструмента в уплотненный снег показывает, что движение клинообразного инструмента сопровождается образованием пластической зоны перед режущей кромкой, затем, по мере повышения усилий, появлением трещины перед режущей кромкой, дальнейшим ее раскрытием с прохождением режущей кромки через пластическую зону. Затем этот процесс создания пластической зоны и ее разрушения повторяется, но уже с усилиями более высоких значений.

Экспериментальная часть

С целью установления влияния параметров режущего инструмента на усилия вдавливания в зависимости от глубины внедрения была разработана и изготовлена мобильная экспериментальная установка (рис. 1), которая включает раму 1 с опорой 2, червячную лебедку 3 с канатом 4, образующим двухкратный полиспаст, силовой шток 5 с испытуемым рабочим инструментом 6. Силовой шток 5 установлен в направляющих втулках, расположенных на раме 1, и перемещается вниз вместе с рабочим инструментом 6, а возврат в исходное положение происходит под воздействием пружины 7. Измерение усилий внедрения производилось динамометром 8 с погрешностью ± 0.5 Н и пределом измерений 2500 Н. Неподвижность рамы при проведении опытов обеспечивалась дополнительными пригрузами 9 по 20 кг, общей массой 200 кг.

Рис. 1. Экспериментальная установка по определению усилий вдавливания: 1 - рама; 2 - опора; 3 -червячная лебедка; 4 - канат; 5 - силовой шток; 6 - рабочий инструмент; 7 - пружина; 8 - динамометр; 9 - пригрузы

Перемещение силового штока измерялось индикатором часового типа с погрешностью ± 0.025 мм и предельным ходом силового штока 25 мм.

Для проведения экспериментов установка вывозилась на автомобильную дорогу и снабжалась пригрузами.

Эксперименты проводились при температуре -17...-19°С, плотности снега 570...590 кг/м3, толщине слоя уплотненного снега от 2 до 4 см. Размеры режущего инструмента варьировались по ширине от 1 до 3 см, с односторонним углом заострения а =30о, 45о, 60о. Толщина инструмента составляла 6 мм для всех его видов.

Типичные изменения усилий в зависимости от глубины внедрения представлены на рис. 2.

Процесс внедрения лезвия заостренного инструмента сопровождается ростом усилия вдавливания, затем на глубине 2.3...2.8 мм, в зависимости от ширины лезвия, усилия стабилизируются, в дальнейшем, по мере внедрения лезвия в уплотненный снег, наблюдается увеличение усилий вдавливания до следующего этапа стабильных значений. Можно предположить, что процесс стабилизации усилий вдавливания лезвия в уплотненный снег характеризуется образованием трещины перед лезвием в этот период и дальнейшее продвижение лезвия формирует новую пластич-

ную зону (ядро уплотнения), но с более высокими значениями усилия внедрения.

Процесс вдавливания клинового инструмента исследовался рядом ученых применительно к горным породам, грунтам и почвам [2]. Как и в указанных работах, усилие вдавливания возрастает вначале практически линейно, затем до определенной глубины нелинейно и далее стабилизируется. Различие заключается лишь в глубине погружения, при которой усилие достигает постоянного значения.

Результаты исследований

В процессе обработки результатов экспериментальных исследований была использована программа определения коэффициентов регрессии по методу ортогонального композиционного плана. Усилие вдавливания с учетом полученных коэффициентов можно выразить зависимостью

Рв = 38.75 - 1.71а -15.896 + 307.5к + 0.02а2 +

+1.91Ъ2 - 432.38к2 + 0.23аЪ + (1)

+ 6.47ак + 148Ък (Н),

где а - угол заострения (град.), 30 < а < 60° ; Ъ -ширина лезвия (см), 1 < Ъ < 3 см; к - глубина внедрения (см), 0 < к < 1.5 см.

На рис. 2 пунктирными линиями показаны усилия внедрения, рассчитанные по зависимости (1) с учетом принятых параметров.

Для определения глубины внедрения к, при которой наблюдается стабилизация усилий Рв, найдем производную

дк

— 307.5 - 864.76к + 6.47а +1486 = 0.

(2)

Рв — Р>л

_р_

Р0

У

(Н),

этих условиях, р0 = 570кг/м3; Рв0 - усилие внедрения по зависимости (1); t, р - соответственно текущие значения температуры и плотности снега.

Для решения обратной задачи определения глубины внедрения к от усилий вдавливания при неизменных а выразим (3) в виде

Глубину внедрения к, при которой достигается максимальная силаР, для углов а = 30°,45°,60° можно определить:

к = 0.58 + 0.1716, а = 30о; к = 0.69 + 0.1716, а = 45о;

к = 0.804 + 0.1716, а = 60о Нашими опытами установлено, что на усилие вдавливания режущего инструмента оказывают влияние температура и плотность снега. С целью установления количественных зависимостей усилий вдавливания от параметров режущего инструмента ( а, 6 ), глубины внедрения к, температуры t и плотности снега р были проведены дополнительные эксперименты. Обработка полученных результатов для диапазона

температур от -5°С до -25°С, плотности снега 250...650 кг/м3 позволила установить зависимость Рв (а, 6, к, t, р)

Рв — (ао + А1к + А2к уравнение

£

_Р_

Р0

2

выделим

А -Ат А~\

1— Г \2 ~

Мо Ро I

1 і V Р )

— 0,

(4)

где

4 = 38.75-1.71а-15.896 + 0.02а2 +1.9162 + 0.23а6,

4 = 307.5 + 6.47а +1486; А2 = -432.38 .

Глубина внедрения к определяется решением уравнения (4)

? А к —------------— +

2 Ап

+Ро 4 а2 А2

V]2 - А. (5)

р

А

(3)

где t0 - температура снега при проведении опытов, ^ =-17оС; р0 - плотность снега в

Выводы

В результате проведенных экспериментальных исследований уточнен процесс вдавливания одиночного резца в уплотненный снег, установлена регрессионная зависимость усилий вдавливания с учетом ширины резца, угла заострения, глубины внедрения, температуры и плотности снега. Процесс вдавлива-

и

ния одиночного резца с острой кромкой характеризуется периодическим формированием пластичной зоны, появлением и развитием трещины внутри пластичной зоны и дальнейшим ее разрушением. Глубина вдавливания определяется усилиями вдавливания, параметрами резца, температурой и плотностью снега. Полученные результаты могут быть использованы при проектировании рабочих

органов машин для разрушения уплотненного снега на автомобильных дорогах.

Список литературы

1. Коржавин К.Н. Воздействие льда на инженерные сооружения. Новосибирск: Изд. СО АН СССР, 1962.200 с.

2. Фёдоров Д.И. Рабочие органы землеройных машин. М.: Машиностроение, 1977. 288 с.

EXPERIMENTAL STUDIES OF THE CUTTING TOOL INDENTATION INTO COMPACTED SNOW

G.G. Voskresensky

Experimental results of single cutter indentation into compacted snow on a highway have been presented. The dependence of the indentation force on cutter parameters, indentation depth, snow temperature and density has been found.

Keywords: compacted snow, cutter indentation, width, lip angle, indentation force.