CC BY
38
Bibliographic list
1. Pugachev, I. N. Traffic organization and safety [Text]: textbook. Handbook for students. the high. textbook. institutions / I. N. Pugachev, acoustic emission Gorev, E.M. oleshchenko. - M: Publishing center «Academy», 2009. - 272a - ISBN 978-5-76954662-4
2. Konoplyanko V. I. Organization and traffic safety [Text]: textbook. for universities/ V. I. Konoplyanko - M: The High. SHK., 2007.- 383 p. -ISBN 978-5-06-005549-8
3. Shmelev, S. A. Voronov V. P., System for determining the location of vehicles [Text] : deposited manuscript № 1127-B2006 06.09.2006
4. Konovalova T. V., Nadiryan S. L., Zaprivoda A. V. Methodology of evaluation of efficiency of traffic safety at the enterprises of the automobile transport. // News of Volgograd state technical University. - 2013. -So 6.№ 10 (113). - P. 69-71.
5. The Russian Federation. The laws. About road safety [Text]: Feder. Law [who adopted 15 November 1995.]
Коновалова Татьяна Вячеславовна -кандидат экономических наук, доцент, заведующая, доцент кафедры Организации перевозок и дорожного движения Кубанский государственный технологический
университет. Направления научных
исследований: организация безопасность движения; общее количество публикаций 87 статья,е-таИ: [email protected]
Надирян София Левоновна - ассистент кафедры «Организации перевозок и дорожного движения» Кубанский государственный технологический университет. Направления научных исследований: транспорт, экономика, логистика, общее количество публикаций 21 сmаmья,e-mail:[email protected]
УДК 004.9:621.871.2
О РАСПРЕДЕЛЕНИИ ДАВЛЕНИЙ ПО ПОВЕРХНОСТИ РАБОЧЕГО ОРГАНА РЫХЛИТЕЛЯ СЛОЖНОЙ ГЕОМЕТРИЧЕСКОЙ ФОРМЫ ПРИ ПРОВЕДЕНИИ ДОРОЖНО-СТРОИТЕЛЬНЫХ РАБОТ
В. Н. Кузнецова
Аннотация. В статье рассматривается вопрос распределения давлений по поверхности рабочего органа рыхлителя клиновидной формы, а также клиновидной формы с ребром жесткости.
Ключевые слова: рыхление мерзлых грунтов, рабочий орган рыхлителя, математическая модель.
Введение
Как показывают многочисленные исследования Горячкина В.П., Зеленина А. Н., Растегаева И. К., Ветрова Ю. А. [1, 2, 3, 4] одним из основных факторов, влияющих на эффективность рыхления грунтов, является форма рабочего органа, конструкции и размеров его режущих кромок. В настоящее время такие известные производители техники как KOMATSU, Hyundai, ESCO, CATERPILLAR и другие применяют наконечники рыхлителей различной формы и параметров.
В то же время на данный момент нет достаточной теоретической базы, которая описывала бы процесс разрушения грунта рабочим органом сложной геометрической формы. Важнейшим шагом к созданию такой теоретической базы является разработка математической модели взаимодействия с грунтом клиновидного рабочего органа, так как большинство сложных форм рыхлителей
может быть получено путем комбинирования клиньев с различными параметрами.
Основная часть
В процессе рыхления статическими рыхлителями происходит отделение грунта от массива и разрыхление до степени, обеспечивающей его дальнейшее транспортирование. После прохода рыхлителя в грунте образуется прорезь трапециевидной формы, в которой выделяют три зоны: зону вдавливания, зону сжатия и зону развала грунта. В работах [79, 166] указывается на то, что геометрия рабочего органа влияет на величину скола грунта и изменение удельного сопротивления резанию в зонах разрушения. Например, известно, что при одинаковых по площади сечениях стружек Fс потребуются меньшие усилия для резания грунта стружкой большей ширины I и меньшей глубины h.
В зонах вдавливания и сжатия происходит блокированное резание грунта. В этих зонах происходит сжатие грунта перед отделением
его от массива и его вдавливание в дно и боковые стенки прорези. Размер зоны вдавливания грунта в процессе рыхления не изменяется, однако, увеличивается по мере изнашивания наконечника.
В зоне сжатия в результате увеличения давления на грунт происходит отделение крупных элементов массива грунта. Для отделения мерзлого грунта от массива необходимо создать в грунте давления, превосходящие по величине предельное значение напряжения сжатия грунта [асж ] ■ В
этом случае необходимо обеспечить высокие прочностные свойства рабочего органа.
После скола крупный элемент перемещается по поверхности рабочего органа вверх и в сторону, а сопротивление рыхлению резко уменьшается. При дальнейшем движении рыхлителя, до образования последующего крупного элемента, от массива откалываются более мелкие элементы грунта. Затем сопротивление вновь достигает наибольшего значения и происходит скалывание следующего крупного элемента грунта.
Выкалывание элементов стружки отражается в динамограммах, на которых видно, что к моменту скола усилие достигает своего максимального значения, а сразу после скалывания - резко уменьшается. Затем усилие возрастает при сжатии следующего элемента стружки. Частота возникновения максимальной нагрузки на рабочий орган рыхлителя зависит от физико-механических свойств грунта, глубины,
скорости рыхления и геометрических параметров рабочего органа.
Таким образом, процесс взаимодействия рабочего органа с грунтом имеет пространственный характер. Следовательно, для более полной картины описания протекания процесса резания грунта, определения величины сопротивления грунта разработке, необходимо рассматривать этот процесс в трехмерном пространстве.
Для математического анализа процессов разрушения грунта рабочим органом клиновидной формы землеройных и землеройно-транспортных машин важной задачей является получение
пространственной эпюры распределения напряжений по поверхности рабочего органа.
За основу приняты полученные зависимости распределения напряжений по длине (1) и ширине (2) рабочего органа, которые описывают распределение напряжений по прямоугольной контактной поверхности [5] (рисунки 1 и 2).
Р(х )=
1 + 2 а 2 • а3 • х • е а}!
Q (у) =
1 + ах у2
(1 • у2)2
(1)
(2)
а1 + 2
где а1, а2, а3 - коэффициенты, зависящие от свойств грунта.
Рис. 1. Раотределение напряжений по длине рабочего органа землеройной машины с прямоугольной контактной поверхностью
землеройной машины с прямоугольной контактной поверхностью
Эпюра распределения напряжений по поверхности прямоугольного рабочего органа имеет вид, показанный на рисунке 3 [5].
Режущая кромка наконечника зуба
Верхняя часть ^ наконечника зуба -0.5 2 I
-1 0
Рис. 3. Эпюра распределения напряжений по поверхности рабочего органа прямоугольной формы
При внедрении клиновидного рабочего органа в грунт и в процессе его разрушения на рабочем органе возникают силы сопротивления, которые будут
характеризовать данный процесс. Клиновидный рабочий орган можно рассматривать как совокупность некоторого количества прямоугольных рабочих органов разной ширины.
Очевидно, что на режущей кромке клиновидного рабочего органа наблюдается максимум функции распределения давления. Поскольку режущая кромка клиновидного рабочего органа имеет сравнительно малые размеры, то давление на боковых гранях режущей кромки (клина) практически сравнимы с давлением на средней линии рабочего органа. В этих же точках функция распределения давления достигает своего максимума.
Для интерпретации взаимодействия клиновидного рабочего органа с грунтом в выражение (2) необходимо введение коэффициентов т и п, которые определяют значение физико-механических свойств разрабатываемого грунта, а также конфигурацию клиновидного рабочего органа.
Рассмотрим взаимодействие
клиновидного рабочего органа в случаях, когда на режущей кромке отсутствует и имеется ребро жесткости.
Функция распределения напряжений по ширине рабочего органа в случае отсутствия ребра жесткости выглядит следующим образом:
ем =
1 + ау
та
г 1+
а
а + 2
у2 /
(3)
Исследования показали, что при разработке супесчаного грунта т = 1, п = 1,2. При этом распределение приобретает вид, показанный на рисунке 4.
Рис. 4. Продольная эпюра распределения напряжений по поверхности клиновидного рабочего органа без ребра жесткости (супесчаный грунт, т = 1, п = 1,2)
2
п
Анализ эпюры показывает, что качественно характер распределения напряжений по ширине рабочего органа схож с распределением напряжении на поверхности прямоугольного рабочего органа. Однако разница напряжений на средней линии рабочего органа и его боковых гранях выражена более ярко. Также наблюдается резкое возрастание в величине напряжения по длине рабочего органа при приближении к режущей кромке.
В случае наличия ребра жесткости меняется как картина взаимодействия рабочего органа с грунтом, так и эпюра распределения напряжений. В данном случае характер распределения напряжений по ширине может быть представлен функцией:
Я(У) =
1 + ау
(1+ "ТУ * У2 ?
а + 2
:(1 -[у])*т*ап. (4)
В этом случае для супесчаного грунта т = 0,03, п = 2. Эпюра распределения напряжений при этом принимает вид, показанный на рисунке 5.
Рис. 5. Продольная эпюра распределения напряжений по поверхности рабочего органа с ребром жесткости (супесчаный грунт, т = 0,03, п = 2)
Анализ эпюры показывает, что на режущей кромке наблюдается максимум функции в точках средней линии и боковых кромках рабочего органа. По мере удаления от режущей кромки величина напряжения снижается. Из-за того, что падение напряжения на оси симметрии рабочего органа значительно резче, чем на боковых кромках, на расстоянии от режущей кромки равном 2/5 длины рабочего органа, наблюдается выравнивание напряжения по сечению рабочего органа. Далее распределение приближается к
распределению для прямоугольного рабочего
органа. На значительном удалении от режущей кромки клиновидного рабочего органа механика разрушения грунта сопоставима с механикой разрушения его прямоугольным рабочим органом, то есть максимумы давления приходятся на боковые кромки инструмента (рисунок 5).
Заключение
Подробный анализ эпюры показывает то, что на разных участках клиновидного рабочего органа распределение давлений зависит от параметров рабочего органа.
На средней линии рабочего органа (при а = 5) распределение давлений приобретает вид, приведенный на рисунке 6. Это обусловлено тем, что на значительном удалении от режущей кромки клиновидного рабочего органа механика разрушения грунта приближается к механике разрушения грунта прямоугольным рабочим органом. То есть, экстремумы функции (4) приходятся на боковые грани рабочего органа. Черными вертикальными линиями на рисунке обозначены границы рабочего органа.
4 0 -о н а л -о а
Рис. 6. Срез эпюры распределения напряжений в верхней части поверхности рабочего органа с ребром жесткости (супесчаный грунт, т = 0,03, п = 2)
При приближении к режущей кромке рабочего органа распределение выглядит несколько иначе (рисунок 7). На средней линии рабочего органа, так же как и на боковых гранях, будет наблюдаться наличие экстремумов функции Q(y). Соотношение величин экстремумов в точках 1 - 3 зависит от ряда показателей и режимов разработки грунта.
Как видно, эпюры распределения напряжений по клиновидному рабочему органу (рисунки 5-7) имеют ряд существенных различий, что требует проведения дополнительных исследований, лабораторных и натурных экспериментов.
Рис. 7. Срез эпюры распределения напряжений на режущей кромке рабочего органа с ребром жесткости (супесчаный грунт, m = 0,03, n = 2)
Библиографический список
1. Горячкин В. П. Собрание сочинений, т. 2. -М.: Колос, 1965. - 460 с.
2. Зеленин А. Н. Разрушение грунтов механическими способами [Текст] / А. Н. Зеленин, М: Машиностроение, 1975 - 376 с.
3. Растегаев И. К. Разработка мерзлых грунтов в северном строительстве / И. К. Растегаев; Отв. ред. Р. М. Каменский; Рос. АН, Сибирское отделение, Институт мерзлотоведения, Новосибирск: Наука: Сибирская изд. фирма, 1992, - 346 с.
4. Ветров Ю. А., Пристайло Ю. П., Станевский В.П. Усовершенствование рабочих органов рыхлителей // Строительные и дорожные машины.
- 1979. - №4. - С. 16-17.
5. Кузнецова В. Н. Диссертация соискание ученой степени доктора технических наук «Развитие научных основ взаимодействия контактной поверхности рабочих органов землеройных машин с мерзлым грунтом» Омск. 2009 г. - 258 с.
6. Завьялов А. М., Кузнецова В. Н., Завьялов М. А., Мещеряков В. А. Математическое моделирование рабочих процессов дорожных и строительных машин: имитационные и адаптивные модели: монография - Омск: СибАДИ
- 2012. - 408 с.
7. Кузнецова В. Н., Завьялов А. М. Оптимизация формы рабочих органов землеройных машин: монография [Текст] / В. Н. Кузнецова, А. М. Завьялов - Омск: издат. «Наука», 2008. - 182с. ISBN 978-598806-081-9.
8. Эдвардс Дж., Пенни А. Дифференциальные уравнения и краевые задачи. Моделирование и вычисление с помощью Mathematica, Maple и MATLAB. М.: Вильямс, 2008. [пер. с англ.] / Джон Эдвардс, Алекс Пенни 1104 с. ISBN 978-5-84591166-7, 0-13-065245-8.
ABOUT PRESSURE ON THE SURFACE OF WORKING BODY OF THE DIFFICULT GEOMETRICAL FORM RIPER
V. N. Kuznetsova
The summary. In the article overviewed questions of distribution of pressure on a surface of working body wedge-shaped riper and wedge-shaped riper with a rigidity edge.
Keywords: loosening of frozen soils, working body of the cultivator, mathematical model.
Bibliographic list
1. Goryachkin V. P. collected works, so-2. - M: Kolos, 1965. - 460 p.
2. Zelenin A. N. The destruction of the soil mechanical methods[Text]/ N.. Zelenin, M: machinebuilding, 1975 - 376 p.
3. Rastegaev I. K. Development of permafrost in the Northern construction / I. K. Rastegaev; Resp. Ed. P. M. Kamensky; Rus. Academy of Sciences, Siberian branch, permafrost Institute, Novosibirsk: Nauka: Siberian publishing house. the firm, 1992, - 346 p.
4. Vetrov Yu. A., Pristailo Y. P., Stanevski V. P. Improvement of working bodies rippers // Construction and road machinery. - 1979. - №4. - P. 16-17.
5. Kuznetsov V. N. Dissertation degree of Doctor of Technical Sciences "Development of scientific bases of interaction of the contact surface of the work of earthmoving equipment with frozen ground" Omsk. 2009 - 258 p.
6. Zav'yalov A. M., Kuznetsov V. N., Zav'yalov M. A. Meshcheryakov V. A. Mathematical modeling workflows and road construction machinery: modeling and adaptive models: Monograph - Omsk SibADI -2012. - 408.
7. Kuznetsov V. N., Zavyalov M. Optimization of the form of working bodies of earth-moving machines : monograph.[Text] / V. Kuznetsov, A. M. Zavialov -Omsk: Izdat. «Nauka», 2008. - 182 p. ISBN 978598806-081-9
8. Edwards DJ., Penny A, Differential equations and boundary value problems. Modeling and calculation using Mathematica, Maple and MATLAB. M: Williams, 2008. [translated from English]/ John Edwards, Alex Penny 1104 P. ISBN 978-5-84591166-7, 0-13-065245-8.
Кузнецова Виктория Николаевна - доктор технических наук, доцент, профессор кафедры «ЭСМиК» Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии (СибАДИ). Основные направления научной деятельности: Оптимизация рабочих органов землеройных и землеройно-транспортных машин. Общее количество опубликованных работ: более 90. Email: [email protected]
