Модель формирования момента сопротивления на дисковой фрезе машины по добыче кускового формованного торфа Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 622.23.05:622.7 Фомин К.В.

Фомин Константин Владимирович, д. т. н., заведующий кафедрой механизации природообустройства и ремонта машин, Тверского государственного технического университета (ТвГТУ). Тверь, Академическая, 12. fomin_tver@mail.ru

Крылов К.С.

Крылов Константин Станиславович, к. т. н., доцент кафедры механизации природообустройства и ремонта машин ТвГТУ krylovks74@mail.ru

Харламов В.Е.

Харламов Вячеслав Евгеньевич, к. т. н., доцент кафедры «Механизации природообустройства и ремонта машин» ТвГТУ

Морозихина И.К.

Морозихина Ирина Константиновна, к. т. н., доцент кафедры «Механизации природообустройства и ремонта машин» ТГТУ mik.tv@mail.ru

МОДЕЛЬ

ФОРМИРОВАНИЯ МОМЕНТА СОПРОТИВЛЕНИЯ НА ДИСКОВОЙ ФРЕЗЕ МАШИНЫ

ПО ДОБЫЧЕ КУСКОВОГО ФОРМОВАННОГО ТОРФА

Аннотация. Предложена модель формирования момента сопротивления на дисковой фрезе машины по добыче кускового формованного торфа, учитывающая ее конструктивные и кинематические параметры, а также влияние изменения физико-механических характеристик торфа в пределах угла контакта ножа с залежью, связанное с распределением влажности по глубине. Представленный материал служит исходной информацией для расчета спектральной плотности момента сопротивления на рабочем органе и вероятностных характеристик нагрузок в элементах привода и конструкции фрезерующего агрегата.

Ключевые слова: кусковой торф, дисковая фреза, модель нагрузки, момент сопротивления.

Fomin K.V.

Fomin Konstantin V. Dr. Sc., Prof., Head of the Chair of Mechanization of Environmental Engi-neering and Repair of Machines of the Tver State Technical University (TSTU)

Krylov K.S.

Krylov Konstantin.S. PhD., Associate Professor of the Chair of Mechanization of Environmental Engineering and Repair of Machines, TSTU

Harlamov V.E.

Harlamov Vycheslav E., PhD., Associate Professor of the Chair of Mechanization of Environmental Engineering and Repair of Machines, TSTU

Morozikhina I.K.

Morozikhina Irina K., PhD., Associate Professor of the Chair of Mechanization of Environmental Engineering and Repair of Machines, TSTU

THE MODEL OF FORMATION OF THE TORQUE RESISTANCE ON DISK MILLING CUTTER MACHINES FOR THE PRODUCTION OF SODS FROM MILLED PEAT

Annotation. A model is proposed for forming the moment of resistance on a disk mill of a machine for extracting of sod peat, taking into account its structural and kinematic parameters, as well as the effect of changes in the physico-mechanical characteristics of peat within the angle of contact between the knife and the deposit associated with the distribution of moisture in depth. The presented material serves as the initial information for the calculation of the spectral density of the resistance moment on the working body and the probabilistic characteristics of the loads in the drive elements and the design of the milling unit.

Key words: sod peat, disc cutter, load model, moment of resistance.

Прогнозирование надежности машин по добыче кускового формованного торфа на стадии проектирования является актуальной задачей. При этом проблема приобретает исключительное значение в связи с возрастанием мощности двигателя трактора, увеличением производительности агрегата и скоростных параметров машин, приводящим к повышению динамических нагрузок в элементах трансмиссий и несущих конструкций.

Точность ее решения во многом определяется тем, насколько модель нагружения, принимаемая при прочностном расчете элементов конструкции, соответствует действительной.

Нагрузки в элементах привода и конструкции фрезерующего агрегата могут рассматриваться как результат вынужденных колебаний от воздействия сил и моментов внешнего сопротивления [1]. При этом основным источником динамической нагруженности является рабочий орган (фреза).

Изменение профиля поверхности полей добычи, влажности, степени разложения, плотности и прочностных свойств эксплуатируемых торфяных залежей носит случайный характер, что предопределяет случайный характер сил сопротивления на рабочих органах торфяных машин [1].

В настоящее время наибольшее распространение в машинах по добыче кускового торфа получили дисковые фрезы (рис. 1) [2]. При анализе формирования момента сопротивления на рабочем органе необходимо учитывать периодичность взаимодействия режущих элементов с залежью, случайность условий эксплуатации и режимов работы агрегата, таких как физико-механические свойства торфа, скорость вращения фрезы и перемещения агрегата. Так как дисковая фреза имеет одну плоскость резания, для крутящего момента сопротивления можно записать

Мт(г)= ± МТп^-гп-,Рп),

и=-оо

где п - номер импульса нагружения; МТп -функция, описывающая изменения крутящего момента сопротивления на одиночном режущем элементе в пределах угла контакта с залежью; Ьп - момент возникновения п-го импульса нагрузки; Рп - случайные параметры п-го импульса.

В работах [1, 3, 4] разработан общий подход для расчета спектральных плотностей и математических ожиданий сил и моментов

IV

Рис. 1. Взаимодействие рабочего органа с торфяной залежью

Fig. 1. Interaction of working body with a peat deposit

на рабочем органе фрезерующего агрегата при взаимодействии с торфяной залежью на стадии проектирования. Для его использования необходимо знать параметры импульсов нагружения, такие как функция, описывающая форму импульса, возникающего при взаимодействии режущего элемента с торфом в пределах угла контакта с залежью, длительность и период повторности и вероятностные характеристики случайных параметров импульсной последовательности, в виде которой моделируется нагрузка на фрезе.

Функцию, описывающую форму импульса нагружения на режущем элементе при одиночном акте взаимодействия с торфом можно представить в виде

Мп = КфЪскт вЦоу) при ф < ср*;

Mn{t) = 0

ПрИ ф > ф*, (1)

где Яф - радиус фрезы; Ь - ширина ножа; с -подача на один режущий элемент [2]; Юф -угловая скорость вращения рабочего органа; Ф - угол поворота фрезы; фк - угол контакта ножа с залежью [2]

Ф^ = arccos

Rd>-H . с + arcsin-

Д

Ф

2 Д

Ф

где Н - глубина фрезерования; кт - коэффициент резания торфа [5]

ср

ХТ -

tgw О

2,„/ Л

UL

х

v СР

+

ЧтУр 21 \

+-— cos (а - от ),

2-1000 v т>

где хср - среднее значение предельного напряжения сдвига от начала до конца переработки дисковой фрезой в пределах контакта ножа с залежью [5]

!g V =

21gxglg SH

Ig(^) '

где хн = 0Я +си^рг - предельное напряжение сдвига для исходного торфа; 8Н - структурное сцепление исходного торфа [5]

е

я

1,04-103у°'2 S°/6W^52 '

(2)

ои - давление в плоскости сдвига [5];

ст., =

^ -у.-т.)

" 2-1000 cos2 (a-v|/)

(3)

где Ур - скорость резания, м/с; у0 - передний угол режущего элемента; 5Х - удельная условная поверхность торфомассы после фрезерования [6]

SX=SH In

v-ф

+ е

где SH - условная удельная поверхность торфа в залежи [5]

lg^=0,8641g^ + 0,53,

(4)

К - степень разложения торфа; Хф - степень воздействия режущего элемента, определяемая с помощью известных методик [1, 5, 6]; а - коэффициент, зависящий от начальных физико-механических свойств торфа [6]

^в = 5,43• 10"3Бн + 0,385^г +0,8-10"3ут -1,73; (5) Уд - угол сдвига в направлении подачи ¥/=90_РО+ФГ+РГ,

где фт - угол внешнего трения; рт - угол внутреннего трения торфа [5]

Рг =£lg

Wr

пр

WT

(6)

где к = 54,5-7,15 • 10-2 SH при SH > 200 м2/кг; к = 240 - SH при SH < 200 м2/кг; Wnp - полная влаго-

емкость торфа; WT - влагосодержание торфа; WT = wr/(l00-wr), wT - относительная влажность торфа; Pq - угол наклона воздействующей на торф плоскости механического элемента в направлении главной деформации [5]

^Ро = ^Ро cos(a-v)

где a - угол расположения воздействующей плоскости относительно плоскости перпендикулярной направлению подачи; (30 - угол наклона воздействующей на торф плоскости механического элемента в направлении подачи; ф - угол направления главной деформации сдвига относительно направления подачи

\|/ = 90 -

(90-a) + pr +фг

ут - плотность торфа, кг/м3, определяемая на основе таблиц Сидякина с помощью выражения для верхового торфа [7]

1400Д

Ут =

100-wr +R

+ 60-4 R.

(7)

В выражениях (2-7) физико-механические свойства торфа зависят от его влажности, величина которой, в свою очередь определяется расстоянием от поверхности залежи [8].

Рассмотрим влияние изменения влажности залежи в пределах глубины фрезерования на функцию, описывающую форму импульса нагружения на режущем элементе. Для этого воспользуемся известной зависимостью влажности торфа от глубины залегания его от поверхности, которая предложена С.С. Корчу-новым [8]

= 1 + + , (8)

где И - расстояние от поверхности залежи; wn -влажность на поверхности залежи, %; А - постоянный коэффициент, зависящий от физико-механических свойств торфа.

Для определения коэффициента А учтем, что влажность торфа, примерно соответствующая полной влагоемкости wпол, будет на уровне стояния грунтовых вод Нгв.

\2

W

(l-wjAB. 1 + (1 -wn)AHz

- + w

п .

Таким образом А =

Я,

Если уровень стояния грунтовых вод находится в пределах от 30 до 90 см, для определения wп, ™пол можно воспользоваться эмпирическими выражениями [9]:

= ™пол -кН

™ЙОЛ =97-0,33*.

Известно [8], что распределение влажности в торфяной залежи зависит от большого числа факторов и может носить достаточно сложный характер. Оно зависит от неоднородности строения торфяной залежи, ботанического состава, степени разложения торфа и его зольности. Нарушение зависимости (8) наблюдается также и при выпадении осадков. Однако, как отмечается в [8], в условиях погоды, обеспечивающих нормальную добычу и сушку торфа, распределение влажности имеет устойчивый характер и описывается законом (8).

При использовании выражения (8) для оценки влияния изменчивости влажности по глубине фрезерования на функцию, описывающую форму импульса нагружения на режущем элементе, необходимо иметь связь изменения влажности торфа в зависимости от угла поворота рабочего органа. Согласно рис. 1 эта связь может быть записана с учетом

к = Н -Яф{\- сое

Таким образом, изменение относительной влажности в пределах угла контакта ножа с залежью в зависимости от угла поворота фрезы ф = равно

м> —

1 + Л(1-^[я-^(1-со8ау)]

Выражения (1, 2-8) для расчета момента сопротивления на режущем элементе позволяют учитывать не только конструктивные и кинематические параметры фрезы, но и зависимость физико-механических характеристик торфа от положения ножа в пределах контакта с залежью, определяемую распределением влажности по глубине.

Предложенная модель формирования момента сопротивления служит исходной информацией для расчета спектральной плотности момента сопротивления на фрезе [1, 3, 4], вероятностных характеристик нагрузок в элементах привода и конструкции машин для добычи кускового формованного торфа [1012] и решения задач выбора оптимальных параметров и режимов их работы с целью повышения их надежности.

Библиографический список

1. Самсонов Л.Н. Элементы статистической динамики торфяных фрезерующих агрегатов [Текст] / Л.Н. Самсонов, К.В. Фомин. Учебное пособие для вузов. - Тверь: Тверской государственный технический университет, 2005. - 168 с.

2. Солопов С.Г. Торфяные машины и комплексы [Текст] / С.Г. Солопов, Л.О. Горцако-лян, Л.Н. Самсонов, В.В. Цветков. Учебное пособие для вузов. - М.: Недра, 1981. - 416 с.

3. Самсонов Л.Н. Определение вероятностных характеристик момента нагружения на рабочем органе торфяного фрезерующего агрегата [Текст] / Л.Н. Самсонов, К.В. Фомин // Известия высших учебных заведений. Горный журнал. - 2003. - № 3. -С. 106-112.

4. Фомин К.В. Моделирование и анализ момента нагружения на рабочем органе торфяного фрезерующего агрегата [Текст] / К.В. Фомин // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2000. -Т. 2. - С. 222-226.

5. Фомин В.К. Основы технологии производства формованного торфа [Текст] / В.К. Фомин // ЦБНТИ Минтоппром РСФСР. -1989. - 144 с.

6. Фомин В.К. Исследования процесса диспергирования и формования торфа различными механизмами и расчет их основных параметров [Текст]: Дис. ... канд. техн. наук. - Калинин: КПИ, 1965. - 168 с.

7. Антонов В.Я., Копенкин В.Д. Технология и комплексная механизация торфяного производства [Текст]. - М.: Недра, 1983. - 284 с.

8. Корчунов С.С. Исследование физико-механических свойств торфа [Текст]. Сборник статей. Вып. 12. Государственное энергетическое издательство. - М.-Л., 1953. - 235 с.

9. Труды Филиала ВНИИТП, вып 1. Исследование процесса радиационно-конвектив-ной сушки гранулированного и кускового

торфа [Текст] / Л.М. Малков, Н.С. Панкратов. - М.: ГЭИ, 1961. - 174 с.

10. Фомин К.В. Методика анализа динамической нагруженности элементов привода машин по добыче кускового торфа на стадии проектирования [Текст] / К.В. Фомин, Е.Ю. Жигульская, М.Б. Кур-шнир, П.К. Фомин // Труды Инсторфа. -2011. - № 3. - С. 33-38.

11. Фомин К.В. Моделирование и анализ динамических нагрузок в элементах при-

вода торфяного фрезерующего агрегата [Текст] / К.В. Фомин // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2002. -№ 9. - С. 189-191.

12. Фомин К.В. Методика анализа динамических нагрузок в элементах привода торфяного фрезерующего агрегата [Текст] / К.В. Фомин, Л.Н. Самсонов // Вестник Тверского государственного технического университета. - 2002. - № 1. -С. 10-15.