CC BY
1
УДК 629.464.25
ОПРЕДЕЛЕНИЕ УГЛА НАКЛОНА РЕЖУЩЕЙ ПОЛОСЫ ПИТАТЕЛЯ РОТОРНОГО СНЕГООЧИСТИТЕЛЯ
DETERMINING THE ANGLE OF INCLINATION OF THE CUTTING STRIP OF THE FEEDER OF A ROTARY SNOW BLOWER
Алешков Д.С., Корчагин П.А., Летопольский А.Б., Тетерина И.А., Aleshkov D.S., Korchagin P.A., Letopolsky A.B., Teterina I.A.
Сибирский государственный автомобильно-дорожный университет (Омск, Россия) Siberian State Automobile and Highway University (Omsk, Russian Federation)
Аннотация. Статья содержит результаты тео- {
ретических исследований одного из параметров {
геометрического образа вертикальной фрезы пи- {
тателя роторного снегоочистителя - угла наклона {
вертикальной режущей полосы питателя относи- {
тельно радиуса вертикальной фрезы. В работе при- {
сутствуют не только рекомендации о рациональ- {
ных значениях угла наклона режущей полосы пита- {
теля, но и представлены некоторые конкретные {
значения ширины режущей полосы питателя, при {
которых рабочий процесс роторного снегоочисти- {
теля можно считать максимально эффективным. {
Составлена расчетная схема определения угла на- {
клона вертикальной фрезы. В статье приведены {
виды взаимодействия вертикальной режущей поло- {
сы со снежным массивом. Ключевые виды взаимо- {
действия представлены схематично. Получены за- {
висимости угла наклона касательной к траектории {
резания в зависимости от угла поворота относи- {
тельно радиуса фрезы. Сделаны выводы о зависи- {
мости угла наклона режущей полосы от угла пово- {
рота фрезы. Выявлено и представлено несколько {
периодически повторяющихся участков в процессе {
работы роторного снегоочистителя, что говорит {
о наличии закономерностей в этом процессе. Опре- {
делены функциональные зависимости геометриче- {
ских размеров режущей полосы роторного снего- {
очистителя от угла наклона вертикальной режу- {
щей полосы и угла поворота вертикальной фрезы. {
Ключевые слова: роторный снегоочиститель, {
фреза, питатель, снежный массив, коммунальная {
машина {
Í
Дата получения статьи: 20.08.2024 {
Дата принятия к публикации: 05.09.2024 {
Дата публикации: 25.09.2024 {
Í
Сведения об авторах: {
Алешков Денис Сергеевич - доктор техниче- {
ских наук, доцент ФГБОУ ВО «Сибирский государ- {
ственный автомобильно-дорожный университет {
(СибАДИ)», e-mail: [email protected] {
ORCID: https://orcid.org/0000-0003-4204-7221 }
Корчагин Павел Александрович - доктор тех- {
нических наук, профессор ФГБОУ ВО «Сибирский {
Abstract. The article contains the results of theoretical studies of one of the parameters of the geometric image of the feeder cutter of a rotary snow blower - the angle of inclination of the cutting strip of the vertical feeder, relative to the radius of the vertical cutter. The work contains not only recommendations on rational values of the angle of inclination of the feeder cutting strip, but also presents some specific values of the width of the feeder cutting strip, at which the working process of a rotary snow blower can be considered most effective. A calculation scheme for determining the angle of inclination of a vertical cutter has been compiled. The article presents the types of interaction of a vertical cutting strip with a snow massif. Key types of interaction are presented schematically. The dependences of the angle of inclination of the tangent to the cutting path as a function of the angle of rotation relative to the radius of the cutter were obtained. Conclusions are drawn about the dependence of the angle of inclination of the cutting strip on the angle of rotation of the cutter. Several periodically repeating sections during the operation of a rotary snow blower have been identified and presented, which indicates the presence of patterns in this process. The functional dependences of the geometric dimensions of the cutting strip of a rotary snow blower on the angle of inclination of the vertical cutting strip and the angle of rotation of the vertical cutter are determined.
Keywords: rotary snow blower, cutter, feeder, snow massif, utility vehicle
Date of manuscript reception: 20.08.2024
Date of acceptance for publication: 05.09.2024
Date of publication: 25.09.2024
Authors' information:
Denis S. Aleshkov - Doctor of Technical Sciences, Associate Professor, Siberian State Automobile and Highway University (SibADI), e-mail: [email protected]
ORCID: https://orcid.org/0000-0003-4204-7221
Pavel A. Korchagin - Doctor of Technical Sciences, Professor, Siberian State Automobile and Highway
государственный автомобильно-дорожный универ- {
ситет (СибАДИ)», e-mail: korchagin [email protected] {
ORCID: https://orcid.org/0000-001-8936-5679 }
Тетерина Ирина Алексеевна - кандидат тех- {
нических наук, старший научный сотрудник ФГБОУ {
ВО «Сибирский государственный автомобильно- {
дорожный университет (СибАДИ)», {
e-mail: [email protected] {
ORCID: https://orcid.org/0000-0001-8012-8511 }
Летопольский Антон Борисович - кандидат {
технических наук, доцент, заведующий кафедрой {
"Строительная, подъемно-транспортная и нефтега- {
зовая техника" ФГБОУ ВО «Сибирский государст- {
венный автомобильно-дорожный университет (Си- {
бАДИ)», e-mail: [email protected] {
ORCID: https://orcid.org/0000-0001-8012-8511 }
University (SibADI), e-mail: [email protected]
ORCID https://orcid.org/0000-001-8936-5679 Irina A. Teterina - Candidate of Technical Sciences, Senior Researcher, Siberian State Automobile and Highway University (SibADI), e-mail: [email protected]
ORCID: https://orcid.org/0000-0001-8012-8511
Anton B. Letopolsky - Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Head of the Department of "Construction, hoisting and transport and oil and gas equipment", Siberian State Automobile and Highway University (SibADI), )», e-mail: [email protected] ORCID: https://orcid.org/0000-0001-8012-8511
Благодарности
Исследование выполнено при поддержке Российского научного фонда (проект № 23-29-10014, https://rscf.ru/project/23-29-10014/) Acknowledgements The study was supported by the grant of Russian Science Foundation (RSF) (project No. 23-29-10014, https://rscf.ru/project/23-29-10014/)
1. Введение
Одним из множества параметров, которые при большом количестве вариантов представляют собой геометрический образ вертикальной фрезы питателя роторного снегоочистителя, является угол наклона плоскости вертикальной режущей полосы относительно радиуса вертикальной фрезы [1, 2].
Выбор конкретного геометрического образа вертикальной режущей полосы однозначно будет определять множество других конструктивных и технологических параметров, что в результате определит значения, диапазоны и характер изменения критериев эффективности высшего иерархического уровня роторного снегоочистителя в целом [3, 4].
Кроме этого, определение вида функциональных зависимостей геометрических размеров вертикальной режущей полосы и кинематических характеристик вертикальной фрезы роторного снегоочистителя, таких как ширина вертикальной режущей полосы Ьр и угол наклона плоскости вертикальной режущей полосы относительно радиуса вертикальной фрезы позволит сформировать методику проектирования
такого рода рабочего оборудования. Это положительно скажется на дальнейшем производстве и эксплуатации роторных снегоочистителей с вертикальной фрезой
[5, 6].
2. Основная часть
Для установления характера влияния геометрического образа вертикальной фрезы на такие параметры как поступательная скорость роторного снегоочистителя Vпер и угловая скорость вращения вертикальной фрезы роторного снегоочистителя а, необходимо провести анализ кинематики вырезания снежной массы из снежного массива при использовании вертикальной фрезы [7, 8]. При этом принято допущение, что процесс вырезания снежной массы является установившимся [9].
В первую очередь необходимо рассмотреть участок траектории резания (рис. 1), полученный при следующих исходных данных[8, 10]:
- радиус вертикальной фрезы ^=0,175 м;
- поступательная скорость роторного снегоочистителя Vпер= 0,36м/с;
- угловая скорость вращения вертикальной фрезы роторного снегоочистителя а=19 с-1;
о.г
-од
-0,2 0.1 0 ОД 0,2 0.1 X, и 0,5
Рис. 1. Траектория движения точки вертикальной режущей полосы
- радиус кривизны горизонтальной образующей поверхности вертикальной режущей полосы ЯРй=ю;
- радиус кривизны вертикальной образующей поверхности вертикальной режущей полосы ЯРу=ю;
- высота вертикальной режущей полосы ИР= 0,25 м.
В соответствии с расчетной схемой, представленной на рис. 2, рассмотрим участок резания, находящийся в диапазоне углов 2700<ф<3600.
В общем виде возможны следующие варианты взаимодействия вертикальной режущей полосы со снежным массивом и вырезанной снежной массой [11, 12]:
- давление на боковую поверхность вертикальной режущей полосы со стороны снежного массива (рис. 3, а);
- давление на боковую поверхность вертикальной режущей полосы со стороны вырезанной снежной массы (рис. 3, б);
- отсутствие давления на боковую поверхность вертикальной режущей полосы как со стороны снежного массива, так и вырезанной снежной массы [1].
Из рис. 1 и 3 сделан вывод о необходимости изменения углового положения вертикальной режущей полосы для условия
минимизации давления со стороны снежного массива [13, 14].
Изменение угла положения касательной к траектории резания а может быть определено по производной уравнения циклоиды (рис. 1) по временному параметру I [4, 8]:
* = Упер! + Я ■ I) , (1)
у = Я ■ г). (2)
Производная имеет вид [15]:
у(г) Я ■wcos(w■ г)
У(х) =
или
tg( а) =
x(t ) Vnep -R-a-sin(a-1) R -acos(a-t)
. (3)
Vnep - R- a- sin( a -t) R-a-cos(ty)
Vnep - R -a -sm(v)
(4)
где ф - угол поворота вертикальной фрезы, относительно точки О в плоскости ОХУ (рис. 2).
б)
Рис. 3. Траектория вырезания снежной массы из снежного массива вертикальной
режущей полосой фрезы питателя роторного снегоочистителя: а - давление на боковую поверхность со стороны снежного массива; б - давление на боковую поверхность со стороны вырезанной снежной массы
3. Результаты исследования
Угол наклона касательной в каждой точке траектории резания можно определить, используя формулу (4) [15]. На рис. 4 представлена зависимость угла наклона касательной а к траектории резания в зависимости от угла поворота вертикальной фрезы ф.
Рис. 4. Зависимость угла наклона касательной к траектории резания от угла поворота вертикальной фрезы
Из рис. 4 следует вывод о том, что изменения носят практически линейный характер. Линейная интерполяция средствами Microsoft Exel имеет вид [16]:
а =-0,99^ + 362,6 (5)
Квадратичная погрешность составляет R2 = 0,997.
Из уравнения (5) следует, что приращение угла наклона касательной Да к траектории резания носит постоянный характер.
Используя систему уравнений (1), (2) и уравнение (4) или (5), при заданном угле поворота вертикальной фрезы ф0, определены текущие координаты x0 и y0 точки вертикальной режущей полосы и угол наклона касательной а0. Далее задано новое положение угла поворота вертикальной фрезы ф1. Аналогично определены координаты xi и yi точки вертикальной режущей полосы и угол наклона касательной а1. Используя следующее соотношение, определен угол наклона прямой, соединяющей две соседние точки [1, 8]:
tgP-
У - Уо
(6)
В этом случае угол наклона вертикальной режущей полосы к радиусу вертикальной фрезы, проведенному к точке с координатами х0 и у0 исключающий давление на снежный массив в рассматриваемой точке, будет равен (рис. 2) [8, 10]:
¥ = П +Р- (7)
Величина угла у будет зависеть от текущего углового положения вертикальной фрезы [1]. На рис. 5 в качестве примера представлены значения угла у при ширине
вертикальной режущей полосы Ьр, умещающейся в интервалы Дф=100 (рис. 5, а), Дф=200 (рис. 5, б) что соответствует Ьр = 0,03 м.
б)
Рис. 5. Зависимость изменения угла наклона вертикальной режущей полосы от угла поворота вертикальной фрезы: а - Дф=100; б - Дф=200
Проведенные теоретические исследования показали, что увеличение ширины режущей полосы Ьр будет приводить к уменьшению значения угла наклона режущей полосы вертикального питателя у. Очевидно, для того чтобы заведомо исключить давление снежного массива, необходимо выбрать наименьшее значение угла наклона режущей полосы, которое в представленном расчетном случае (рис. 5, а) равно у=78,70. В другом расчетном случае (рис. 5, в) при установке вертикальной режущей полосы шириной Ьр=0,058 м, которая укладывается в Дф=20 , наименьшее значение угла составит у=73,80.
Также теоретические исследования позволили сделать вывод о том, что зависи-
мость угла у от угла ф имеет несколько характерных, периодически повторяющихся, участка у которых [13]:
- участок, охватываемый диапазоном углов 2п;
- два участка с диапазонами углов п.
Кроме этого, в участках с диапазонами
углов п наблюдается асимметрия.
При различной ширине вертикальной режущей полосы Ьр характер изменения угла наклона вертикальной режущей полосы в зависимости от угла поворота вертикальной фрезы представлен на рис. 6.
Из рис. 6 следует, что при прочих равных условиях минимизация давления снежного массива на вертикальную режущую полосу будет наблюдаться при у<900.
Рис. 6. Изменение угла наклона вертикальной режущей полосы в
зависимости от угла поворота вертикальной фрезы за половину оборота фрезы, при значениях Ьр: 1 - 0,02 м; 2 - 0,04 м; 3 - 0,06 м;
4 - 0,08 м
4. Обсуждение и выводы
Продемонстрирован подход к определению угла наклона режущей полосы вертикальной фрезы роторного снегоочистителя у, при котором на большей части траектории движения рабочего органа исключается давление на снежный массив при вырезании снежной массы.
Проведенные исследования подтвердили предположение о том, что при проектировании роторного снегоочистителя угол
наклона режущей полосы питателя необходимо выбирать у<900. Именно при таком условии давление снежного массива на вертикальную режущую полосу будет снижаться и достигать минимальных значений.
Кроме этого, сделан вывод о том, что увеличение ширины режущей полосы вертикальной фрезы питателя роторного снегоочистителя приводит к уменьшению угла наклона режущей полосы относительно оси питателя. Следовательно, ширина режущей полосы не должна превышать 0,04
Список литературы
1. Алешков Д.С., Корчагин П.А., Те-терина И.А. Теоретические исследования движения снежной частицы в вертикальном питателе роторного снегоочистителя // Научно-технический вестник Брянского государственного университета. 2022. № 4. С. 263-274. Б01: 10.22281/2413-9920-202208-04-263-274
2. Угловский И.С., Вдовин С.А., Чащин С.Э., Фоминых Д.Д., Суханов Д.Е. Обзор техники для уборки небольших территорий от снега // Научные перспективы-2021: Сб. ст. Региональной молодежной научно-технич. конф. Н. Новгород, 2021. С. 90-91.
3. Баловнев В.И. Советбеков Б.С. Оптимизация режимов эксплуатации и выбора транспортно-технологических машин методами анализа четвертой координаты рабочего процесса // Вестник КРСУ. 2014. Т.14. №12. С. 145-148.
4. Баловнев В.И. Данилов Р.Г. Снегопогрузчики // Строительные и дорожные машины. 2020. № 1. С. 3-9.
5. Абрамов Л.Н., Кустарев Г.В., Дудкин М.В., Молдаханов Б.А., Андрюхов Н.М. Определение рациональных параметров рабочего органа машины для зимнего содержания дорог // Строительные и дорожные машины. 2021. № 8. С. 18-22.
6. Корчагин П.А., Реброва И.А., Тете-рина И.А. Определение параметров, влияющих на функционирование системы виброзащиты оператора дорожной убо-рочно-подметальной машины // Известия
м. В противном случае при прочих равных заданных условиях, достижение минимизации давления со стороны снежного массива становится невозможно.
Планируется, что дальнейшие исследования будут направлены на определение более точных значений ширины режущей полосы фрезы питателя роторного снегоочистителя, а также степени влияния угла наклона и ширины режущей полосы на эффективность работы вертикальной фрезы роторного снегоочистителя.
î References
î
î 1. Aleshkov D.S., Korchagin P.A., Tete-
î rina I.A. Teoreticheskie issledovaniya
î dvizheniya snezhnoj chasticy v vertikalnom
î pitatele rotornogo snegoochistitelya. Nauchno-
î tehnicheskiy vestnik Bryanskogo
î gosudarstvennogo universiteta. 2022. No. 4. рр.
î 263-274. DOI: 10.22281/2413-9920-2022-08-
î 04-263-27. (In Russian)
î 2. Uglovskij I.S., Vdovin S.A., Chashin
î S.E., Fominyh D.D., Suhanov D.E. Obzor
î tehniki dlya uborki nebolshih territorij ot snega
î Nauchnye perspektivy-2021: Sb. st. Regionalnoj
î molodezhnoj nauchno-tehnicheskoj konferencii.
î N. Novgorod, 2021.рр. 90-91. (In Russian)
î 3. Balovnev V.I., Sovetbekov B.S. Op-
î timizaciya rezhimov ekspluatacii i vybora
î transportno-tehnologicheskih mashin metodami
î analiza chetvertoj koordinaty rabochego
î processa. Vestnik KRSU, 2014, T.14, No. 12,
î рр. 145-148. (In Russian)
î 4. Balovnev V.I., Danilov R.G. Snego-
î pogruzchiki. Stroitel'nye i dorozhnye mashiny,
î 2020, No. 1, рр. 3-9. (In Russian)
î 5. Abramov L.N., Kustarev G.V., Dudkin
î M.V., Moldahanov B.A., Andrjuhov N.M.
î Opredelenie racionalnyh parametrov rabochego
î organa mashiny dlya zimnego soderzhaniya
î dorog. Stroitel'nye i dorozhnye mashiny, 2021,
î no 8, рр. 18-22. (In Russian)
î 6. Korchagin P.A., Rebrova I.A., Teterina
î I.A. Opredelenie parametrov, vliyayushih na
î funkcionirovanie sistemy vibrozashity operatora
î dorozhnoj uborochno-podmetalnoj mashiny.
î Izvestija Tul'skogo gosudarstvennogo
Тульского государственного университета. J
Технические науки. 2016. № 3. С. 249-256. J
7. Teterina I.A. Korchagin P.A., Aleshkov J D.S. Investigation into effects of the utility ma- J chine performance characteristics on the vibra- J tion at the operator's workplace // 12th Interna- J tional Scientific and Technical Conference J "Dynamics of Systems, Mechanisms and Ma- J chines", Dynamics 2018. 2019. С. 8601434. J D01:10.1109/Dynamics.2018.8601434 J
8. Алешков Д.С. Корчагин П.А., Тете- J рина И.А. Математическая модель процес- J са транспортирования снежной массы в J роторе снегоочистителя // Вестник Сибир- J ского государственного автомобильно- J дорожного университета. 2022. Т. 19. № 5 J (87). С. 610-623. DOI: 10.26518/2071-7296- J 2022-19-5-610-623 J
9. Летопольский А.Б. Тетерина И.А., J Корчагин П.А. Ротор проходческого щита // J Вестник машиностроения. 2022. № 2. С. 15- J 18. DOI: 10.36652/0042-4633-2022-5-15-18 J
10. Баловнев В.И., Данилов Р.Г. Ро- J торные снегоочистители // Строительные и J дорожные машины. 2019. № 6. С. 10-20. J
11. Корчагин П.А., Тетерина И.А. Со- J вершенствование системы виброзащиты J оператора коммунальной машины // Дина- J мика систем, механизмов и машин. 2017. J Т. 5. № 1. С. 41-45. J
12. Остапчук А. К. Овсянников В. Е. J Синергетический подход к определению J отклика технологической системы на J внешнее воздействие // Вестник Уральско- J го государственного университета путей J сообщения. 2011. № 3(11). С. 36-41. J
13. Абрамов А.Д., Семенов М.А. По- J вышение эффективности работы снегоубо- J рочной машины типа СМ на основе авто- J матизированного мониторинга // Вестник J Сибирского государственного университе- J та путей сообщения. 2021. № 3 (58). С. 40- J 49. DOI: 10.52170/1815-9265_2021_58_40 J
14. Дудкин М.В., Ким А.И., Молда- J ханов Б.А., Роговский В.В. Определение J усилий на рабочем органе фрезерноротор- J ного снегоочистителя // Труды универси- J тета. 2022. № 2 (87). С. 16-22. J
15. Закиров М.Ф. Оборудование для J уборки снега за барьерными ограждениями J
universiteta. Tehnicheskie nauki, 2016, No. 3, pp. 249-256. (In Russian)
7. Teterina I.A. Korchagin P.A., Aleshkov D.S. Investigation into effects of the utility machine performance characteristics on the vibration at the operator's workplace. 12th International Scientific and Technical Conference "Dynamics of Systems, Mechanisms and Machines", Dynamics - 2018, 2019, P. 8601434. D01:10.1109/Dynamics.2018.8601434 (In Russian)
8. Aleshkov D.S. Korchagin P.A., Teterina I.A. Matematicheskaya model processa transportirovaniya snezhnoj massy v roto-re snegoochistitelya. Vestnik Sibirskogo gosudarstvennogo avtomobil'no-dorozhnogo universiteta, 2022, T. 19, No. 5 (87), pp. 610623. DOI: 10.26518/2071-7296-2022-19-5-610623. (In Russian)
9. Letopol'skij A.B. Teterina I.A., Korchagin P.A. Rotor prohodcheskogo shita. Vestnik mashinostroenija, 2022, No. 2. pp. 1518. DOI: 10.36652/0042-4633-2022-5-15-18 (In Russian)
10. Balovnev, V.I., R.G. Danilov. Rotornye snegoochistiteli. Stroitel'nye i dorozhnye mashiny, 2019, No. 6, pp. 10-20. (In Russian)
11. Korchagin, P.A. Teterina I.A. Sovershenstvovanie sistemy vibrozashity operatora kommunalnoj mashiny. Dinamika sistem, mehanizmov i mashin, 2017, T. 5, No. 1, pp. 41-45. (In Russian)
12. Ostapchuk, A. K., Ovsjannikov V. E. Sinergeticheskij podhod k opredeleniyu otklika tehnologicheskoj sistemy na vneshnee vozdejstvie. Vestnik Ural'skogo gosudarstvennogo universiteta putej soobshhenija, 2011, No. 3(11), pp. 36-41. (In Russian)
13. Abramov, A.D., Semenov M.A. Povyshenie effektivnosti raboty snegouborochnoj mashiny tipa SM na osnove avtomatizirovannogo monitoring. Vestnik Sibirskogo gosudarstvennogo universiteta putej soobshhenija, 2021, No. 3 (58), pp. 40-49. DOI: 10.52170/1815-9265_2021_58_40 (In Russian)
14. Dudkin, M.V., Kim A.I., Moldahanov B.A., Rogovskij V.V. Opredelenie usilij na rabochem organe frezernorotornogo
автомобильных дорог // Транспорт. Транс- $
портные сооружения. Экология. 2022. № 4. $
С. 66-74. $
16. Плотникова В.А., Калёнов К.А., $
Захаров Д.П. Обзор снегоочистителей ро- $
торного типа // Автоматизированное про- $
ектирование в машиностроении. 2022. № $
13. С. 43-47 $
$
$
snegoochistitelya. Trudy universiteta, 2022, no. 2 (87), рр. 16-22. (In Russian)
15. Zakirov, M.F. Oborudovanie dlya uborki snega za barernymi ograzhdeniyami avtomobilnyh dorog. Transport. Transportnye sooruzhenija. Jekologija, 2022, No. 4, рр. 6674. (In Russian)
16. Plotnikova, V.A., Kaljonov K.A., Zaharov D.P. Obzor snegoochistitelej rotornogo tipa. Avtomatizirovannoe proektirovanie v mashinostroenii, 2022, No. 13, рр. 43-47. (In Russian)
