CC BY
14
УДК 621.879
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА КОНТАКТНОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ РАБОЧИХ ОРГАНОВ ЗЕМЛЕРОЙНЫХ И ЗЕМЛЕРОЙНО-ТРАНСПОРТНЫХ МАШИН С МЕРЗЛЫМ ГРУНТОМ
В.Н. Кузнецова, И.С. Кузнецов
ФГБОУ ВО «СибАДИ», г. Омск, Россия
АННОТАЦИЯ
Введение. В качестве объекта исследования рассмотрен процесс разработки мерзлых грунтов рабочими органами землеройных и землеройно-транспортных машин. Представлены основные аспекты разработанной математической модели и оригинальной методики исследования процессов пространственного взаимодействия рабочих органов землеройных машин с мерзлым грунтом, позволяющие получить эпюры распределения напряжений по поверхности рабочего органа плоской формы. Обоснован и доказан нелинейный характер распределения напряжений на контактной поверхности рабочего органа при взаимодействии с грунтом. Материалы и методы. Приведены описание и анализ результатов экспериментальных исследований по количественному определению коэффициентов, входящих в математическую модель, и установления границ ее адекватности. Установлены зависимости для определения экспериментальных коэффициентов аналитически.
Результаты. Проведены исследования и анализ их результатов для установления аппроксимирующей зависимости между величиной силы разработки мерзлого грунта и пятном контакта на алюминиевой пластине. Для каждого значения абсциссы (координаты центра тяжести алюминиевой пластины) количественно определены значения суммарной нормальной силы. Показана хорошая сходимость теоретически полученных зависимостей с результатами эксперимента.
Обсуждение и заключение. Проведенные исследования являются основой для методологии обоснования и определения оптимальных параметров рабочих органов землеройных машин повышенной эффективности путем снижения энергоемкости процесса разработки мерзлого грунта.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: рабочий орган, землеройная машина, землеройно-транспортная машина, мерзлый грунт, давление, прочность, напряжение, эпюра.
ВВЕДЕНИЕ
Освоение северных, арктических, дальневосточных регионов является на сегодняшний день одним из приоритетных направлений Российской Федерации. Актуальны задачи разработки и освоения месторождений нефти и газа, горнодобывающих и шельфовых проектов, развития транспортной системы и инфраструктуры. Россия, преобладающая часть территории которой занята вечномёрзлыми грунтами либо грунтами сезонного промерзания [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9], сталкивается с целым рядом проблем при разработке таких грунтов. Необходимо учитывать и тот факт, что земляные работы производятся не только в летнее, но и в зимнее время ввиду смещения сроков строительства или высокой заболоченности местности. Поэтому вопрос разработки
мерзлых и сезонно-промерзающих грунтов является актуальным. Возможность высокоэффективного круглогодичного производства земляных работ существенно увеличит производительность машин и снизит их простои, приведет к сокращению сроков ввода объектов строительства в эксплуатацию, ликвидирует сезонность в различных отраслях строительства, улучшит экономические показатели производственных объектов.
ПОСТАНОВКА И МЕТОД РЕШЕНИЯ ЗАДАЧИ
В процессе разработки мерзлого грунта механическими рабочими органами происходит отделение его от массива и разрыхление до степени, обеспечивающей возможность дальнейшего транспортирования или экскавации.
Разработка торззыо фунтон овяззра с мгажз-срвом фаоторов, Еозое0бТЕнющпб на ороцнзс зх озаимозеноооия с рабоааРЕ органам) тем-лбронаыт г землетзйно-транепзртнбы оашсо [10,11,32 ,13,14,-ЕЕб, 17,0Н,10, 6\\Н ,21,^:2 ,evti-.
Ссптотивлябоаить мёрзлых гррттар ратан оенио рагсочныси ЕстовЕзЕб опрсзрлаеася танине нЕ^мет^ми, ает сгтовотть, насж-емонь, TOTOH^T.pp, лр-тистор^в^:^, махаогсе-ског прочносте- воезнтс нагр^ка, нронсосеь смарзания, нзаотамЕтаЕзя, а татжа озтоеини,
Э40ТТ6ЕЛ0РТИНИ, Т004СфИТЕЛ0РТИНИ, тобнсто-
С4сеиаортини и дтоеини оатаноттани грустсг [ЛТ,Л5,Л63. ЫтЕЕРтас, атс аотстстыо раз асви д-асрти 04артиаас-нотт4ыо етоатсЕ ори опро-доюааыо ор43еияо сНладают сжинаемствью, оатагторизсзщейся гплотгонмсо бен вотнтж-
аос4 .атширеЕсо т сызодоонср сьтс^о^блгсооиоедЕ отгонной. Сжгмаемитоо [яртое) оотетот Еа-сеиат от тги бнсжосмзе зомзнротуоы, вззи-ззнс т азтдоомонельностт оттстоиянагрусвг
-том.
Сагоонот |эа1ЕнаениТ онемо ртистеск 0) уравнеонс зевоси-Е меззонго грогто сам нтис реановгн нм асго поаскоо анатакагзй еоаеяхт сноти оабооегн ..ожеа с плстонстм г3(р11бе1тоат Е^к^1. [Е7,0Нр
эс аэс
— д С — д П д x
дИ :
д x
(1)
еда р, р - РССТЕОТРТЕоааз омстаснто, нгс-Оость и мовлееие ; t- враня.
Рисунок1 -Расчетнаясхемавзаимодействияплоскойконтактной поверхности
рабочегоорганасмерзлым грунтом: 1-грунт;2-рабочийорган Figurel-Thedesignschemeoftheflatcontactsurfaceinteraction ofthe
workingbodywith frozensoil 1 - ground;2 - working element
ЪСр^^иен^ие (1) описывает закон сохранения импзльса в вклюказт в ееся два уревазник: одномер^зк^во движения и нарзтзрызноизи пиои с^ичзсик! книн1азоаоС| сн|э«э,кз1.
Нзкит^оюи^ная с;о(атг^[зляик1Г^!И сил|и| (сопио-тизяения мерзлоге фуния иазср^боиае окр)ззс^-оятгся сан поверхноозныс икзогсзо
N = ЦРо P (x)Q (y)d a ,
(2)
гдел- прощадь кс^о^т^а^ктной рабт-
чего c^p^i^aна; р0 - норн<альнтсо давле-
нил,дтйствующетт на элсментс^ум площадей собовой човрохнло"^и рабоиего от^в^на; Р(хИ, Q(y) - еоросрерисричессие нтрмиртнонныа фунехии, тнивыноющиа аостнтнаонтври ров-арадалания донлания ат птверентсти роатче-го органе т иоocкоаияоXCД р У^.
вСа^'чение Р- ивоеояется пт товнрхноати етн бaлтpт рртрпа о няинaохеоаь 0"с фнзвво-меха-нич!^;тки>с иититтн тaнеоЯотыиивмого влунро и режимов разработки от минимального значе-птт
ния Ро до величины, численно равной мак-анмальному знатнею итв^ттвления груитов вжотию [&сж]:
Рот'е
- Ро^[сёжО
(ЗР
П-е контткссpcбоикro ягоана зсмлзиийной мзшины и моозлыс гдооотим возникаок ожги зыи хлдн кзукоз, к оотором иго
яоитиохин. аpoпеох аетляoгтоaкcиия нефос-
нацис я грунте яиляотст следетиозмнотоснио Cдaосыx нафоиок, ов х екалнчeнао аазжснвя о^^очих трг^кгов сомлоpoИзыx мез еззн, и .се|эедссз^низ оотков! фуниа ДО]. о ттом олохи^е окорх^сио тосени гзоитс, движтщзмcо нсз озн ОХ, завиоитолоки от зромео^и, поэсомо
д x
= 0.
(4)
Aнанlизнчeсмо ai^ioa дотlоиоио нанзсзмгcгъ IKоeпpовспевно долсонзсз xосязаоxLмсro на поверсооотн еcбoтоro зртеза во е1"е ша|тито н влоскостз 'лсн^|сия
Q(y)=■
1 л ay2
a 2 2
(1 +—z y2)2
' a л 2 J 7
(4)
гдо a - ноаХХеееонз, олсодоояомыс ио нз-чзлхных ссолоний.
Ит зюзЧгика функции Q(y4 (рисунок2) видно, тзо боноиыо гсзни сзНотого осгзнз яиояазоя нонеонесззосзмс нзлсяжонис, лоазомо имон-но зд<еое нз1зоадзозоя мзноимзоеноо знзто-ниа ХсН2ции Q(y4. Соодсоз озмозизе, тзо гоо-бал2ныс мзноимом Хоннеии Q(y4 идоое оои X нзходизоя и лоооноози, сзолооожоннос иышо режущей кромни сзНотого осгзнз. В дзннос плоскостг прюисхз^тздит- ги вм^тов стр^ д сc)онеЗ| зосдо кмо нижмяя часто соеотогоор-сена ссcдoлшcoи идавливеикся в гр^и ое0].
Рисунок 2- Видфункции Q(y4 l - половина ширины рабочего органа Ундиге 2 - испсйоз form of the Q (y)l- He width'shalfof the workiig body
Для корректного выбора функции распределения давления ет поверхности рабочего органа в елосктстиХгр неоСходимо сямет-оь. что многие исследователи, в том числе В. В. Соколовский [31], отмечают линейный х-р-к-те° pеcпpeгepрpиятpпpяжрнгй на иядпр|эной свенко hp рабочем органе) ет высоте
P(xH = l+-kE'H' (6)
)Д6 ко кoэффицeРHР, вееиPяvнH Г"н л-тез лнр-ирЕонегс оре ния и елзания; у о объвмноя скл-к pяжелон гствтб, кНим1-.
O1еl-lстo овеынз ов-хы EiDЗД(Oйcтвия нл гГ-тов-" р-Ьочего оргкои и еeнилЕтeиы эгстеримьнг еоньныx ссследтв-хи3, пц:;ив(^1)11е1н-ни1€г беие, д-юо основание ^прер^енн, ыто яяpaктнт лн-юкиснтвгг феткцви РЦ- имеет и^лхи^^ь-.-.^!!-! хао рАМСЛ Г|ЭЫXyЕPC 3> и нпдчринотсх зависо мосно
i)(x)=>>о +Хыц •а3 • х-в'"3-]. (но
где а2, a3 - кноффициенты иеопорцион-ло-ности, з-ввсмщце оы физхко-механических троеное paзотИлеывтeмoгoмcpзно>o фунта и оежимпв ри^хитнио.
Рисунок 3 - Вид функции P(x) Bigure 3 - Bunction formof the P(x)
В этом случае закономерность рлсЕреые-лeнинмявлeния Пы еенcpeыpeтино3oчггЕeее г-н-можно ЕреыстРвитокРк
Р{х,у)=Р*^Ну)=1Щ-^ Q(y )■ (8)
тогы- зависимость (2) преобразуется в сле-гующийвиы:
N = JJ P (x, y )dxdy =
F
==j3"ecX(cx) jJP>(x)-Q2(:y)dbidV: (P)
едо F - омсиадо гсатагтасн осЕОбоасртз pa-Нсаоесстеааа.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЕ И АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТА
Вомзазаа нзмы г тсао гсатагта таНсаоес стеааа н нортмын етуатсн дсртзеаот НЕЗоес нагрзнамоасес таааоазя г нсноат, соосреод-РТЕоаас oтoдшoртЕуюиЕH стдомоазю eEYCTa ст наррзЕа, з тавзрзт ст емоНЕсы бастаНст-гз етуата з эоюры танотодомоазя aaeтутcг на гсатагтасн освотонснтз таНсаоес стеааа. Загснснотнснто танотодомоазя aaeтутгЕ ос гсатагтасн освотонсртз таНсаоес стеааа тон-мотсНасн нашзаы, отодмсжоааая А.Н. Зама-азаын [30], но зноот дснтатсаас осмныи аз тостотЕаоргзо, аз эгроотзноатамоаыо дсгата-томонтв. СмодсЕатомоас, Естазгаот аосНосдз-нснто в уртaнcвмoнЕЕ эоюры танотодомоазя aaeтутcг. Даааыо зннмодсваазя отсводоаы на эгноотзноатамоасН унтаасвго (тзнуасг Т). Крсно этсес, в тотумотато отсводоаасес эгноотзноата Нымз сотодомоаы таааоазя гс-эффЕЕзоатсв, восдяизо в отоднтавмоааую вышо натонатзаонгую нсдомо, з осдтвоЕждо-на адогватаснто тосЕОтзаонгзо зннмодсваазН втазнсдоНнтвзя таНсаоес стеааа н тaттaНaтык ваонынноттмын етуатсн.
На осдвзжасН томожго унтаасвгз (тзнуасг Т) тагтоомяотня эгноотзноатамоаая нсдомо ТаНсаоес стеааа (нсдомо туНа) н встнсжас-нтою зтноаоазя уема ратания. Мсдомо отод-нтавмяот нсНсН нотаммзаонгую гсантЕугЕзю, в гстстсн ос внон дмзао тожоион гтснгз выфрототсваны 5 гааавсг татнотсн Л0иЛ0 нн. В гаждсй гааавго вынвотмоас ос аотыто ствоЕРТЕя, в гстстыо отзгмооаы на эосгнЕд-аын гмон нотаммзаонгзо шатзгз дзаноттсн 5 нн тагзн сНтатсн, атсНы вно саз ааосдзмзно на сдаст утсвао. В гааавгз нсдомз туНа ос-нощаютня нноааыо эмоноаты (амюнзазовыо омартзаы), гстстыо орз отсводоазз эгроотз-
Рисунок б - Экспериментальная установка с мод елью ра блчего нрг ана е/д. 4 - РхлУпгреь1аПпу1у11а4оп д/0clьoЯд)) ЬоОу тоЭп!
Рисдоек 5- Экспенемант-льные алантпо—
с т алновми Fig. Э -ЕхректевЛ p/aiвs with Ьа1^
лоо^па ,о с^к^ноиПктлпо^1>1, с^г^1гр^юоот од о^тьфЛ! шнекпа, л е упеоао - на фунт. Тооал пуснеоар| осттюткя ивди1^аоктери рту копоойктеао грунта та лабосос оргно Оатсункд У). Р лаке-соте моделс т^^|теур^о орунтк оолоонерсе^п^лр г^р^едоо—рооу^к^о оалноас^^о^т^ыт гдт4ч, саходящтпуя с с/^(троРЛУа4 э^^^э^^ечкольт конструкции.
Схeмквneлдкодк скмпeмrкдськдвnаоo нт^Ра ясп ведена до рисунке Я4 ЕОслу pмаsьlдтмеетчдис-шот^е^на^ функцья ОЩут вдоль оси X, тн следует отладить, что от глобатноаш lтавcnуяд
оплсдется в плонкости, дтcпoрoжмвтoй пыша режущрр —од кдд^^гэоор^о дрьaтт (тcРиаов 6). В gтнн0Й4Р0ЛT0Ct0 nддррxoc:^им ндс^тг ^^тм^нртч состоки оль^о^^с^, согда елт нджняя чрcрn лтЭдчeгд рдитеч rдтcРбюaкнвддnуnдрррая п флнт-
Fig.6 -Diagramoftheexperimental tooth's frozensoil
Раеддае кртан из rещxщеа4т I пдр^п мсщсд пчст в еедджение N. За энд вдлдя прмтсяр^ч мордфаттa пс линти 1 т (п ри тндт пepирд фунт во&пеме 'I^X0 0тр^е сжат и его чоуо4) щы cрдeмтячдтcд о 4aпдrдрроав аддмсле н ре^нейфтни дебанеод дpгaнд. дтддi^)^т^ ио чплождпем 1 4 адлджен ие; )У чдрсcрр о^гпна прддла naрлрд4ший ерть. хдрмдвaскл04к, 0Рстлюа04Р мжтчри п чочэт 1/бмдeтнди2дль-шcв,и -ррлтлдте яледтшeнияпкдТтeтлакдс счу тоило.
Нтсее, пдэ^рат4ясштдо те rРXРжо4ст II в тнюджение Щ 4п дтддчрт4т0 М - 3, дтбр-чир ергаа р^р^^лтодчтч лсд итдчтщ— 0ДЯ4ЧT 4п rдтртдяним1- -т 1". Сэна едртеррроч ен ат4тт дтедяшо4ст М - М', лпл чриэт М' 4ттбру00 удалена ОР ДHT44РР еРC0ДX4РДЧТ т с 40Р бу-детед^юдаться 4Tтбруошоо ртсу04т0. Сак-
ддвaттcьяр.в дтилпс 1' т М' с эррдрт4тчтшт
гл
X = Х0 = X тах, у = ± I будоч 4тхрдсч0дт OУРбTУ04—Р шплстшеш ДTДеД0Д0У04ТТ дтсуо-4тР ен дат4д дтбриоор РД0T4T д—хутчоат, едт
котором значение величины нормального давления, действующее на лобовую поверхность рабочего органа и определяемое по формуле (8), максимально.
При передвижении подвижной тележки экспериментальный зуб внедрялся в грунт и шарики вдавливались в алюминиевые пластины, оставляя на последних отпечатки определенного диаметра. По пятну контакта на алюминиевой пластине от шариков необходимо было определить величину силы, возникающей при рыхлении мерзлого грунта по всей длине рабочей поверхности экспериментального зуба. Для этого были замерены диаметры отпечатков шариков на пластинах. Результаты замеров показаны в таблица 1.
Таблица 1
ДИАМЕТРЫ ОТПЕЧАТКОВ НА ПЛАСТИНАХ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ЗУБА
Table 1
DIAMETERS OF PRINTS ON THE EXPERIMENTAL TOOTH'S PLATES
Номер пластины 1 2 3 4 5
Диаметр отпечатка d, мм 0,8 1 2 2 1,25
Проведены исследования для получения аппроксимирующей зависимости между величиной силы рыхления мерзлого грунта и пятном контакта на алюминиевой пластине при помощи лабораторного комплекса ЛКСМ-1К (таблица 2).
Замер диаметров проводился по следующей методике.
Экспериментальные шарики вдавливались в алюминиевые пластины под действием заранее известной величины силы ОЭ, создаваемой вертикальным перемещением траверсы лабораторного комплекса. После этого определялись диаметры отпечатков пятен контактов шариков с пластинами (таблица 2). На одном отпечатке определялись два взаимно перпендикулярных диаметра, обозначенные в таблице 2 соответственно d1 и d2.
Таблица 2
ДИАМЕТРЫ ОТПЕЧАТКОВ НА ПЛАСТИНАХ, ПОЛУЧЕННЫЕ НА ЛАБОРАТОРНОМ КОМПЛЕКСЕ
Table 2
DIAMETERS OF PRINTS ON PLATES OBTAINED ON A LABORATORY COMPLEX
Создаваемая сила внедрения Q^ Н Диаметр отпечатка, мм
d1 d2
150 0,52 0,53
0,61 0,58
0,55 0,52
200 0,63 0,68
0,64 0,71
0,67 0,63
300 0,93 0,98
1,05 1,05
0,97 0,96
500 1,28 1,25
1,32 1,31
1,27 1,29
1,31 1,27
700 1,52 1,49
1,48 1,45
1,53 1,54
1,49 1,51
1000 1,85 1,83
1,84 1,82
1,89 1,88
1,85 1,84
Таблица 3
ЗНАЧЕНИЯ СУММАРНОЙ НОРМАЛЬНОЙ СИЛЫ ПО ДЛИНЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ МОДЕЛИ РАБОЧЕГО ОРГАНА
Table 3
VALUES OF THE TOTAL NORMAL FORCE ALONG THE EXPERIMENTAL MODEL LENGTH OF THE WORKING BODY
X, м 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1
N, Н 764 1 978 6 733 11 508 133 743
Пластина помещалась на покровное стекло микроскопа. При прнведении исследований использовался окулярный вкладыш с нанесённой на него шкалой,аьрорый вставляется в окуляр между линзамр.Таоей окуляр получил название окуляром-мионьметром. Расстояние между делениями шкалы оонляра-микрометра равнялось 0,1 мм. Пьскольку окуляры применялись п комбннеции с оазличными абъекти-вами, для каждогауьеличения цена делания окуляра-микромеора тнрядeбллтеь oтдялннo я пп мощвю абм>eкломмнтpрмрлбя. Пoртедлмй пттаcвaвлсeт яoTёH мeтяллнмeокoл нлacтнм но дм шл^л оп^. На лен нaнeеонo 100 ролений. Pacднтяниe междс яурсмнедв делениомй сяимо 0,СЖ мм, а ок^игая д^динм шилсы о удм. OOъeки-мнмpoмету ^ижен длм снpeдeианит увеличуоия микм)ocкoпо р виlнaлнeния йбсе-лютнlкlм ннвopoсиП с о^ляпшн.
ы peнтйлoтaбе та)c)aíгoнаcп дaoсые эгoня|внн мента и земееовйыла полнена тeфeатноo-нaянявисимoемo измеичоны силы (в. от диаметр е отпoтoнкс лктнepимсoтaллнегя <кеяипо:
Q3=hd2,
(10)
где - кoíпиTс|эляPOнн нpoнраеиoнвлннoуеи Пд1 = М^ед ун-диамeм|н oмoтнaткт шориоя1
Коэффициент Ь1 пропорпионален удельному сопротмнлмнию, окамывоемаму ноаотиной прни [зеядрении экceepoминтaльнoгo шарики. Велиаина Ь1 ввлллcбя пмcимлинoй.
Для какого значения ассцееныыХ(коорци-иаеы енатии тяжастм пласояно>|) екнперимен-иалено определены знааееия симмлрной oмл-маленой милы, дслостЕ^м^юд^1^'П ее рабоаий орган (еаРлицаЗ).
Максимальное знаакаге даолсния гругте на еабочем 0ргане рыхе втелд П^7]:
p = a,
-г max 1
[1 + 2 a2 u3 а-e 0'5]
l(a + 2)2
4(a + l)
(11)
Из графока завысимо-ои pmax = f d оиее-деляются а^гаченгв соэффи^еитм а = 1 для мерзлого пеокв, для кочо|эо)о предел поючче-стина сжал ие -aj |->а[^ен 10 МПа.
С00тветст02Ющиe вдйденнРму fнaиeеию
коэффициента а = 1 велиаины остальных коэффициентов составят: а1 = 1,58 • 105 Па, ав = 63,56, а3 = 1,01.
Анализ полуаенной зависимости показывает, аио горизонтальная составляющая сопротивления рыхденио Рр прямо пропорцио-налена алуРине рыхдения h. Рты согласуется с исследованиями проЛ. А.Н. Зеленина [13].
Pp =a1[l+a2 (l-e )]—-—l■ k (sina+cosa) sina
)(Li ■ [1+0 (l-e-"3 )]■- lky ■ 0+ctga)
(12)
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Исходя из представленных выше зависимостей и с учетом экспериментально полученных значений коэффициентов, входящих в математическую модель, графически были установлены пространственные эпюры распределения напряжений по поверхности рабочих органов землеройных машин при их взаи-модействиисмерзлымгрунтом.
Анализ эпюр показывает, что наибольшие напряжения наблюдаются в зонах глобального максимума, расположенных симметрично относительно продольной плоскости рабочего органа. Эти зоны находятся выше режущей кромки рабочего органа по длине и смещены к крайним точкам профиля лобовой поверхности. Координаты нахождения зон глобального максимума зависят от физико-механических свойств разрабатываемого грунта, условий его разрушения, параметров рабочего органа. Полученная аналитически эпюра распределения напряжений по длине рабочего органа согласуется с регрессионной зависимостью, установленной по результатам эксперимента; погрешностьсоставляет6-8%.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Вялов С.С. Реология мерзлых грунтов: научное издание. М.:Стройиздат, 2000.464 с.
2. Baker D. G., Ruschy D. L. Calculated and Measured Air and Soil Freeze-Thaw Frequencies//American Meteorological Sociaty. 1995.V. 34,no.10.P. 2197-2205.
3. Atkinson J. The Mechanics of Soils and Foundations. CRC Press, 2007. 448 p.
4. Цытович Н.А. Механика мерзлых грунтов: общая и прикладная: учебное пособие. М.: Строительство, 2013. 448 с.
5. Ершов Э.Д. Лабораторные методы исследования мерзлых пород. М.: Изд-во МГУ, 1985. 146 с.
6. Zhu Y. Constitutive Relations of Frozen Soil in Uniaxial Compression // Journal of Glaciology and Geocryology. 1992. №3. P. 216-220.
7. Роман Л.Д. Механика мерзлых грунтов. М.: Наука-Интерпериодика, 2002. 426 с.
8. Li Q. Development of Frozen Soil Model // Advances in Earth Science. 2006. № 12. P. 96 - 103.
9. Sun X. ACT-timely experimental study on meso-scopic structural damage development of frozen soil under triaxial shearing // Rock and Soil Mechanics. 2005. № 8. P. 150 - 163.
10. Баловнев В.И. Моделирование и прогнозирование процессов взаимодействия машин с многофазными средами: взаимодействие рабочих органов строительных, дорожных и коммунальных машин с грунтом и другими материалами. М.: МАДИ, 2000. 61 с.
11. Баловнев В.И., Нгуен З.Ш. Определение сопротивлений при разработке грунтов рыхлителем по интегральному показателю прочности // Строительные и дорожные машины. 2005. № 3. С. 38-40.
12. Ветров Ю.А. Резание грунтов землеройными машинами. М.: Машиностроение, 1971. 357 с.
13. Желукевич Р.Б. Разработка мерзлых грунтов землеройными машинами с дисковым инструментом. - Красноярск: СФУ, 2012. 194 с.
14. Дьяков И.Ф., Ивкин В.С., Жукова Д.В. Некоторые теоретические основы разрушения грунта газоимпульсным рыхлителем // Вестник СГТУ. 2013. Том 2. № 2c (71). С. 242 - 245.
15. Talalay P. G. Subglacial till and bedrock drilling // Cold Regions Science and Technology. 2013 - Vol. 86. P. 142-166.
16. Лещинер В. Б. Совершенствование инструмента для резания мерзлых грунтов. Томск: Изд-во Томского университета, 1991. 210 с.
17. Евдокимов А.Н., Васильев С.И., Жубрин В.Г. Аналитическое определение силы сопротивления внедрению инструмента в мерзлый грунт // Системы. Методы. Технологии. 2011. № 11. С. 115 - 118.
18. 3aBbanoB A.M, 3aBbanoB M.A., Ky3He^Ba B.H. B3a-MMOfleMCTBMe flOpOWHblX U CTpOwTenbHblX MaWUH C KOHTaKT-hom cpeflofi: MOHorpa^wa. omck: KAH, 2011. 370 c.
19. MapTro^eHKO M.r. MawwHbi w o6opygoBaHwe gna pa3pa6oTKM w 6ypeHwa Mep3nbix rpyHTOB ^neKTpoHHbifi pe-cypc]: y^e6Hoe noco6we. CapaTOB: CapaT. roc. TexH. yH-T, 2009. 101 c.
20. PacTeraeB M.K. MexaHUKa w Tenno$M3MKa CTaTw-CTM^ecKoro puxneHwa Be4HOMep3nbix rpyHTOB. KpacHoapcK: M3g-BO KpacHoapcKoro yH-Ta, 1988. 222 c.
21. BonKOB fl.n. MamwHN gna 3eMnaHbix pa6oT. M.: Ma-mwHOCTpoeHwe, 1992. 448 c.
22. Liu X., Liu P. Experimental research on the compressive fracture toughness of wing fracture of frozen soil // Cold Regions Science and Technology. 2011. Vol. 65. P. 421 -428.
23. Ryabets N., Kirzhner F. Weakening of frozen soils by means of ultra-high frequency energy // Cold Regions Science and Technology. 2003. Vol. 36. P. 115 - 128.
24. PyKOBOflCTBO no onpegeneHwro $M3M4ecKiux, Tenno-$M3M4ecKiux w MexaHMHecKwx xapaKTepwcTUK Mep3nux rpyHTOB. M.: CTpoMM3gaT, 1973.194 c.
25. BacwnbeB C.M. BepoaTHOCTHbie $M3MKO-MexaHM-4ecKwe xapaKTepwcTMKM rpyHTOB BocTO4HO-Cw6wpcKoro pe-rwoHa // TpaHcnopTHoe CTpowTenbCTBO. 2013. № 3 (19). C. 28-30.
26. Hegope3OB M.A. Bap^a^^ npoHHOCTM rpyHTOB, pa3-pa6aTNBaeMux b CTpowTenbCTBe // TpaHcnopTHoe CTpow-TenbCTBO. № 8. 2013. C. 29 - 30.
27. Ky3He^Ba B.H. Pa3BMTue Hay^Hux ochob B3awMO-geMCTBMa KOHTaKTHOM noBepxHOCTw pa6o4wx opraHOB 3eM-nepoMHux MawuH c Mep3nuMw rpyHTaMw: flue... g-pa TexH. HayK. Omck, 2009. 259 c.
28. 3aBbanoB A.M., 3aBbanoB M.A., Kyзнeцовa B.H., Me^epaKOB B.A. MaTeMaTM^ecKoe MogenwpoBaHMe pa6o4wx пpоцeссов gopowHbix w CTpowTenbHux MawwH: мммтaцмон-Hbie w aganTwBHNe Mogenw: MOHorpa^wa - omck : Cw6AflM, 2012. 411 c.
29. PaxMaTynnwH X.A., CaroMOHaH A.A., AneKceeB H.A. Bonpocbi flмнaммкм rpyHTOB. M.: Mry, 1964. 124 c.
30. 3eneHwH A.H., EanoBHeB B.M., KepoB M.n. MawwHbi gna 3eMnaHNx pa6oT. M.: MamwHOCTpoeHwe, 1975. 420 c.
31. CoKonoBCKwM B.B. CTaTwKa CNny^eM cpeflbi. M.: Ow3-MaTrw3, 1960. 214 c.
SIMULATION OF THE CONTACT PROCESS INTERACTIONS OF LAND-MOVING AND EARTH-TRANSPORT MACHINES' WORKING BODIES WITH FROZEN SOIL
V.N. Kuznetsova, I.S. Kuznetsov
ABSTRACT
Introduction. The process of developing frozen soils is considered by the working equipment of earth-moving and earth-moving machinery as a research object. The main aspects of the developed mathematical model and the original method for studying the processes of spatial interaction of the excavating machines' working bodies with frozen soil are presented. Moreover, such aspects allow to obtain the stress distribution diagrams over the surface of the working body. The nonlinear character of the stresses' distribution on the contact surface of the working body during the interaction with the soil has been substantiated and proved.
Materials and methods. The description and analysis of the experimental results on the coefficients' quantitative determination, which enter into the mathematical model, and also the boundaries' establishment of their adequacy are given. The dependencies have been established to determine the experimental coefficients analytically.
Results. The investigations and analysis of the results have been carried out to establish an approximating interrelation between the strength of the frozen soil development and the contact spot on the aluminum plate. Therefore, each abscissa value (the gravity center coordinates of the aluminum plate) and the values of the total normal force are quantified. As a result, good convergence of theoretically obtained dependences with experimental results is shown.
Discussion and conclusion. The carried out researches are the basis for the justifying and determining methodology for the working equipment's optimal parameters of earth-moving machines with increased efficiency by reducing the energy intensity of the developing frozen soils' process.
KEYWORDS: working equipment, earthmoving machine, earthmoving-transport machine, frozen soil, pressure, strength, stress, diagram.
REFERENCES
1. Vyalov S.S. Reologiya merzlyih gruntov [Rheology of frozen soils]. Moscow, Stroiizdat, 2000. 464 p.
2. Baker D. G., Ruschy D. L. Calculated and Measured Air and Soil Freeze-Thaw Frequencies. American Meteorological Sociaty, 1995, v 34. no. 10, pp. 2197-2205.
3. Atkinson J. The Mechanics of Soils and Foundations. CRC Press, 2007. 448 p.
4. Tsytovich N.A. Mekhanika merzlyh gruntov: obshchaya iprikladnaya [Mechanics of frozen soils: general and applied]. Moscow, Building, 2013. 448 p.
5. Ershov E.D. Laboratornye metody issledovaniya mer-zlyh porod [Laboratory methods for studying frozen rocks]. Moscow, Publishing House of Moscow State University, 1985. 146 p.
6. Zhu Y. Constitutive Relations of Frozen Soil in Uniaxial Compression. Journal of Glaciology and Geocryology, 1992, no. 3, pp. 216-220.
7. Roman L.D. Mekhanika merzlyh gruntov [Mechanics of frozen soils]. Moscow, Nauka-Interperiodica, 2002. 426 p.
8. Li Q. Development of Frozen Soil Model. Advances in Earth Science, 2006, no. 12, pp. 96-103.
9. Sun X. ACT-timely experimental study on meso-scopic structural damage development of frozen soil under triaxial shearin. Rock and Soil Mechanics, 2005, no. 8, pp. 150-163.
10. Balovnev V.I. Modelirovanie i prognozirovanie pro-cessov vzaimodejstviya mashin s mnogofaznymi sredami: vzaimodejstvie rabochih organov stroitel'nyh, dorozhnyh i kommunal'nyh mashin s gruntom i drugimi materialami [Modeling and forecasting of processes of interaction of machines with multiphase media: interaction of working bodies of construction, road and municipal machines with soil and other materials]. Moscow, MADI, 2000. 61 p.
11. Balovnev V.I., Nguyen Z. Sh. Opredelenie soprotivlenij pri razrabotke gruntov ryhlitelem po integral'nomu pokazate-lyu prochnosti [Determination of resistance in the development of soils by a ripper with an integral index of strength]. Construction and road machines, 2005, no. 3, pp. 38-40.
12. Winds Yu. A. Rezanie gruntov zemlerojnymi mashinami [Soil cutting with digging machines]. Moscow, Mechanical Engineering, 1971. 357 p.
13. Zhelukevich R. B. Razrabotka merzlyh gruntov zemlerojnymi mashinami s diskovym instrumentom [Development of frozen soils with digging machines with a disk tool]. Krasnoyarsk, SFU, 2012. 194 p.
14. D'yakov I.F., Ivkin V.S., Zhukova D.V. Nekotorye te-oreticheskie osnovy razrusheniya grunta gazoimpul'snym ryhlitelem [Some theoretical bases of soil destruction by a gas-impulse ripper]. Vestnik SSTU, 2013, Volume 2, no. 2c (71), pp. 242-245.
15. Talalay P. G. Subglacial till and bedrock drilling. Cold Regions Science and Technology, 2013, vol 86, pp. 142-166.
16. Leschiner V.B. Sovershenstvovanie instrumenta dlya rezaniya merzlyh gruntov [Perfection of a tool for cutting frozen soils]. Tomsk, Publishing house of Tomsk University, 1991. 210 p.
17. Evdokimov A.N., Vasilyev S.I., Zhubrin V.G. Analitich-eskoe opredelenie sily soprotivleniya vnedreniyu instrumenta v merzlyj grunt [Analytical definit on of the force of resistance to the introduction of tools into the frozen ground]. Sistemy. Methods. Technologies, 2011, no. 11, pp. 115-118.
18. Zavyalov A.M., Zavyalov M.A., Kuznetsova V.N. Vzaimodejstvie dorozhnyh i stroitel'nyh mashin s kontaktnoj sredoj [Interaction of road and construction machines with a contact medium]. Omsk, CAS, 2011. 370 p.
19. Martyuchenko I.G. Mashiny i oborudovanie dlya raz-rabotki i bureniya merzlyh gruntov [Machines and equipment for the development and drilling of frozen soils]. Saratov, Sarat. state. tech. University, 2009. 101 p.
20. Rastegaev I.K. Mekhanika i teplofizika statistich-eskogo ryhleniya vechnomerzlyh gruntov [Mechanics and Thermophysics of Statistical Loosening of Permafrost Soils]. Krasnoyarsk, Publishing House of the Krasnoyarsk University, 1988. 222 p.
21. Volkov D.P. Mashiny dlya zemlyanyh rabot [Machines for excavation]. Moscow, Mechanical Engineering, 1992. 448 p.
22. Liu X., Liu P. Experimental research on the compres-sive fracture toughness of the wing fracture of the frozen soil. Cold Regions Science and Technology, 2011, vol. 65, pp. 421428.
23. Ryabets N., Kirzhner F. Weakening of frozen soils by means of ultra-high frequency energy. Cold Regions Science and Technology, 2003, vol. 36, pp. 115-128.
24. Rukovodstvo po opredeleniyu fizicheskih, teplofizich-eskih i mekhanicheskih harakteristik merzlyh gruntov [Manual on the determination of physical, thermophysical and mechanical characteristics of frozen soils]. Moscow, Stroiizdat, 1973. 194 p.
25. Vasiliev S.I. Veroyatnostnye fiziko-mekhanicheskie harakteristiki gruntov Vostochno-Sibirskogo regiona [Probabilistic physical and mechanical characteristics of soils of the East Siberian region]. Transport construction, 2013, no. 3 (19), pp. 28-30.
26. Nedorezov I.A. Variacii prochnosti gruntov, razraba-tyvaemyh v stroitel'stve [Variations in the strength of soils developed in construction]. Transport construction, 2013, no. 8, pp. 29-30.
27. Kuznetsova V.N. Razvitie nauchnyh osnov vzaimodejstviya kontaktnoj poverhnosti rabochih organov zemlerojnyh mashin s merzlymi gruntami [Development of scientific bases of interaction of a contact surface of working bodies of digging machines with frozen soils]. dis Dr. tehn. sciences. Omsk, 2009. 259 p.
28. Zavyalov A.M., Zavyalov M.A., Kuznetsova V.N., Meshcheryakov V.A. Matematicheskoe modelirovanie rabo-chih processov dorozhnyh i stroitel'nyh mashin: imitacionnye i adaptivnye modeli [Mathematical modeling of working processes of road and building machines: simulation and adaptive models]. Omsk, SibADI, 2012. 411 p.
29. Rakhmatullin H.A., Sagomonyan A.Ya., Alekseev N.A. Voprosy dinamiki gruntov [Questions of the dynamics of soils]. Moscow, Moscow State University, 1964. 124 p.
30. Zelenin A.N., Balovnev V.I., Kerov I.P. Mashiny dlya zemlyanyh rabot [Machines for excavation works]. Moscow, Mechanical Engineering, 1975. 420 p.
31. Sokolovsky V.V. Statika sypuchej sredy [Static of the granular medium]. Moscow, Fizmatgiz, 1960. 214 p.
Поступила 16.10.2017, принята к публикации 20.04.2018.
Авторы прочитали и одобрили окончательный вариант рукописи.
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Виктория Николаевна Кузнецова (Омск, Россия) -доктор технических наук, профессор кафедры «Эксплуатация и сервис транспортно-технологических машин и комплексов в строительстве» ФГБОУ ВО «СибАДИ» (644080, г. Омск, пр. Мира, 5 e-mail: dissovetsibadi@bk.ru).
Victoria N. Kuznetsova (Omsk, Russia) - Doctor of Technical Sciences, Professor of the Department"Operation and Service of Transport and Technological Machines and Systems in Construction" of the "SibADI" (644080, Omsk, Russia, 5 Mira Ave., e-mail: dissovetsibadi@bk.ru).
Илья Сергеевич Кузнецов (Омск, Россия) - студент факультета «Нефтегазовая и строительная техника» ФГБОУ ВО «СибАДи» (644080, г. Омск, пр. Мира, 5 e-mail: dissovetsibadi@bk.ru).
Ilya S. Kuznetsov (Omsk, Russia) - student of the faculty "Oil-and-gas and Building Technology" of the "SibADI" (644080, Omsk, Russia, 5 Mira Ave., e-mail: dissovetsibadi@ bk.ru).
ВКЛАД СОАВТОРОВ
Кузнецовой В.Н. заключается в: разработке и апробации математической модели, анализе результатов выполненных теоретических и экспериментальных исследований, формировании заключения, научном руководстве написания статьи.
Кузнецова И.С. заключается в аналитическом обзоре предыдущих исследований, обработке результатов экспериментальных данных, дальнейшем их переложении в программный продукт для оптимизации параметров рабочих органов землеройных машин, формировании библиографического списка.
