ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЗАТРАТ ЭНЕРГИИ НА ПЕРЕМЕЩЕНИЕ ЛЕЗВИЯ НОЖА БУЛЬДОЗЕРА В НАЧАЛЕ ПРОХОДА Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

МАШИНОСТРОЕНИЕ / MECHANICAL ENGINEERING © в. а. Николаев, 2023

УДК 625.08 2.5.11 Наземные транспортно-технологические

средства и комплексы (технические науки)

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЗАТРАТ ЭНЕРГИИ НА ПЕРЕМЕЩЕНИЕ ЛЕЗВИЯ НОЖА БУЛЬДОЗЕРА В НАЧАЛЕ ПРОХОДА

В. А. Николаев

Ярославский технический университет, Ярославль, Россия

DETERMINATION OF ENERGY CONSUMPTION FOR MOVING THE BULLDOZER KNIFE AT THE BEGINNING OF THE PASSAGE

Vladimir A. Nikolayev

Yaroslavl Technical University, Yaroslavl, Russia

Аннотация. Для удаления камней, кустов, деревьев с полосы отвода будущей дороги целесообразно использовать агрегаты с бульдозерным оборудованием. Хотя теоретические основы разработки грунта весьма подробно рассмотрены, основываясь на них, сложно выявить и сопоставить частные затраты энергии воздействия на грунт элементов технических средств. Не зная величины частных затрат энергии при работе каждого элемента рабочего органа, осмысленно его совершенствовать не представляется возможным. Целью предлагаемого теоретического исследования является подробный анализ взаимодействия с грунтом лезвия ножа существующего бульдозерного отвала для последующего совершенствования бульдозерного оборудования, объект исследования - процесс взаимодействия с грунтом лезвия ножа. В предлагаемой схеме резание грунта осуществляется с микросдвигами. В зависимости от свойств грунта и скорости агрегата в грунте будет преобладать деформация псевдосдвига, объемного сжатия, смятия. Для определения силы, необходимой для смятия, сжатия и псевдосдвига грунта в наклонной поверхности, используем условный обобщенный предел прочности грун-

Abstract. To remove stones, bushes, trees from the right-of-way of the future road it is advisable to use machines with bulldozer equipment. Theoretical basis for excavation has been considered in detail, however, based on it, it is difficult to identify and compare the partial energy costs of the impact on the ground by the elements of equipment. Without knowing the value of partial energy consumption during the operation of each element of the work tool, it is impossible to improve it in a reasonable way. The purpose of the proposed theoretical study is a detailed analysis of the interaction of the soil and the knife of the bulldozer blade for the subsequent improvement of bulldozer equipment. The object of the study is the process of interaction between the soil and the knife.

In the proposed scheme, soil cutting is carried out with micro-shiftings. Depending on soil properties and machine velocity, deformations of pseudo-displacement, volume compression, crumpling will predominate in the soil. To determine the force required for crumpling, compression and pseudo-displacement of the soil in a sloping surface, we use the conditional generalized limit of soil crumpling strength. After determining, the force required for pseudo-displacement the soil in a sloping surface,

90 DOI 10.31660/2782-232X-2023-4-90-103 Архитектура, строительство, транспорт

2023. № 4 (106). С. 90-103

та на смятие. Определив силу, необходимую для псевдосдвига грунта в наклонной поверхности, определяем затраты энергии на первичное смятие и псевдосдвиг одного кубического метра грунта. Затем определяем усилие первичного сдвига грунта краем ножа бульдозера и соответствующие затраты энергии. Вычисляем общие затраты энергии, мощность на перемещение лезвия ножа бульдозера.

На основе разработанной методики определены затраты энергии: на первичное смятие и псевдосдвиг одного кубического метра грунта, на сдвиг грунта в продольно-вертикальной плоскости краем ножа, общие затраты энергии, мощность на перемещение лезвия ножа бульдозера при различном его заглублении. Построены и аппроксимированы соответствующие зависимости. Расчет затрат энергии на перемещение лезвия ножа бульдозера позволит в дальнейшем определить общие затраты энергии с целью модернизации бульдозерного оборудования, направленной на уменьшение этих затрат.

we identify the energy consumption for the initial crumpling and pseudo-displacement of one cubic meter of soil. Then we determine the primary shear strength of the soil by edge of the bulldozer knife and the corresponding energy consumption; calculate the total energy costs and power to move the bulldozer knife.

Based on the developed methodology, has been determined the energy consumption for primary crumpling and pseudo-displacement of one cubic meter of soil, for shifting the soil in the longitudinal-vertical plane by the knife edge, the total energy consumption, power to move the knife of the bulldozer blade at different depths.The corresponding functions are constructed and approximated. Calculation of energy consumption for moving the bulldozer knife will allow to determine the total energy consumption in order to upgrade the bulldozer equipment for reducing the costs in the future.

Ключевые слова: бульдозерное оборудование, нож бульдозера, резание грунта, анализ процесса резания, затраты энергии на псевдосдвиг, затраты энергии на сдвиг краем ножа, общие затраты энергии

Key words: bulldozer equipment, bulldozer knife, soil cutting, cutting process analysis, energy consumption for pseudo-displacement, energy consumption for shifting with knife edge, total energy costs

Для цитирования: Николаев, В. А. Определение затрат энергии на перемещение лезвия ножа бульдозера в начале прохода / В. А. Николаев. - 001 10.31660/2782-232Х-2023-4-90-103. - Текст : непосредственный // Архитектура, строительство, транспорт. - 2023. - № 4 (106). - С. 90-103.

For citation: Nikolayev, V. A. (2023). Determination of energy consumption for moving the bulldozer knife at the beginning of the passage. Architecture, Construction, Transport, (4(106)), pp. 90-103. (In Russian). DOI 10.31660/2782-232X-2023-4-90-103.

►-

Введение

Для удаления камней, кустов, деревьев с полосы отвода будущей дороги, обнажения подстилающего слоя используют агрегаты с бульдозерным оборудованием. Существующие агрегаты малопроизводительны, поэтому часто они ограничивают темп строительства. Для разработки грунта, перемещения призмы волочения необ-

ходимы большие затраты энергии. В связи этим существует необходимость совершенствования бульдозерного оборудования.

Теоретические основы разработки грунта весьма подробно рассмотрены. Сформулированы общие подходы к проблеме [1, 2], в частности исследовано влияние на затраты энергии трения грунта о нож [3, 4]. В. И. Баловнев [5, 6] оценивает

взаимодействие рабочих органов с грунтом по интегральному показателю прочности. Кроме этого, рассмотрено влияние скорости рабочего органа на силу сопротивления резанию грунта при свободном резании [7, 8], взаимодействие с грунтом рабочих органов землеройных машин непрерывного действия [9], в том числе с активными рабочими органами [10, 11]. Однако в исследованиях резания грунта авторы применяют преимущественно синтезный метод, рассматривая рабочий орган в целом. Недостаток этого метода заключен в сложности оценки частных затрат энергии при работе каждого элемента рабочего органа. Чтобы выявить и сопоставить частные затраты энергии воздействия на грунт элементов технических средств, следует применить анализный метод. Целью предлагаемого теоретического исследования является подробный анализ взаимодействия с грунтом лезвия ножа существующего бульдозерного оборудования [12, 13] для его последующего совершенствования.

Лезвие ножа совершает [14] (рис. 1а):

• смятие, объемное сжатие и псевдосдвиг грунта по наклонной поверхности, след которой в продольно-вертикальном сечении АН;

• сдвиг грунта в условной плоскости АВСН краем ножа;

• создание щели в массиве грунта с одного края прохода ножа при полузажатом резании или по краям прохода при зажатом резании;

• подъем края массива грунта с одного края прохода ножа при полузажатом резании или по краям прохода при зажатом резании;

• преодоление силы инерции разрабатываемого грунта;

• преодоление силы трения грунта о лезвие. Во-первых, явный сдвиг грунта в наклонной

плоскости, след которой в продольно-вертикальном сечении АН, маловероятен в связи с большой длиной следа поверхности сдвига. Поэтому назовем это явление псевдосдвигом. Во-вторых, в сравнении с затратами энергии на смятие, объемное сжатие и псевдосдвиг грунта в плоскости, след которой в продольно-вертикальном

сечении АН, а также сдвиг грунта краем ножа в условной плоскости АВСН остальные затраты энергии незначительны. Их вычисление весьма трудоемко. Поэтому целесообразно рассчитать затраты энергии на смятие, объемное сжатие и псевдосдвиг грунта, сдвиг грунта краем ножа, а прочие затраты энергии: на создание щели в массиве грунта с одного края прохода ножа, подъем края массива грунта, преодоление силы инерции разрабатываемого грунта, преодоление силы трения грунта о лезвие, - учесть поправочным коэффициентом ^+=1.1.

Объект и методы исследования

Объектом исследования является процесс взаимодействия с грунтом лезвия ножа. Общие затраты энергии на этот процесс включают частные затраты энергии.

Затраты энергии на смятие, объемное сжатие и псевдосдвиг грунта по наклонной поверхности, след которой в продольно-вертикальном сечении АН (рис. 1а)

В предлагаемой схеме резание грунта осуществляется с микросдвигами. Между микросдвигами грунт неподвижен на лезвии. В момент микросдвига грунт резко перемещается по лезвию на расстояние микросдвига. Накопленный в грунте от воздействия лезвия ножа упругий потенциал реализуется через смятие, объемное сжатие и псевдосдвиг грунта [9, 10]. В зависимости от свойств грунта и скорости агрегата будет преобладать в грунте деформация сдвига, объемного сжатия, смятия. Применение условного обобщенного предела прочности овшусл на смятие удобно для расчетов, так как в расчетной схеме можно выявить поверхность смятия. Выявить поликриволинейную поверхность псевдосдвига грунта значительно сложнее. Еще сложнее выявить области объемного сжатия грунта от воздействия лезвия ножа бульдозера. Поэтому для определения силы, необходимой для смятия, сжатия и псевдосдвига грунта в наклонной поверхности, след которой в продольно-вертикальном сечении АН, используем условный обобщенный предел прочности грунта на смятие:

F = a S .

с смусл с

Площадь смятия грунта:

S=BI

мед '

(2)

где В - ширина захвата бульдозера; 1мсВ - расстояние микросдвига.

Условный обобщенный предел прочности грунта на смятие не является постоянным при различном заглублении ножа. С одной стороны, учитывая влияние псевдосдвига грунта, он зависит от длины 1сВ следа АН в продольно-вертикальном сечении (рис. 1а). Чем больше длина следа АН в продольно-вертикальном сечении, тем больше

(1) предел прочности грунта на смятие. Для суглинков примем допущение: условный обобщенный предел прочности грунта на смятие овшусл пря-моропорционален длине следа плоскости псевдосдвига. При разработке других типов грунтов изменение условного обобщенного предела прочности грунта на смятие по мере заглубления ножа следует принять другим, основываясь на экспериментальных данных. Из опытных данных примем начальный предел прочности грунта на смятие емнач' когда нож бульдозера заглублен на 50 мм. Тогда условный обобщенный предел прочности грунта на смятие при i глубине хода ножа:

L

в в

см1усл смначусл t

сд-50

(3)

А-В

Ft яги л

Рис. 1. Псевдосдвиг пласта грунта от воздействия лезвия ножа бульдозера: а) схема сил, приложенных к участку псевдосдвига; b) схема определения силы воздействия смещаемого участка на участок псевдосдвига; c) схема определения силы сопротивления Q массива грунта перемещению лезвия ножа; d) схема определения силы тяги Fig. 1. Pseudo-displacement of the soil layer after impact of the bulldozer knife: a) scheme of forces applied to the pseudo-displacement section; b) scheme for determining the strength of the influence of the displaced section on the section of pseudo-displacement; c) scheme for determining the force of resistance Q of the soil body to the movement of the knife blade; d) scheme for determining the traction force

где 1сд_50 - длина следа АН в продольно-вертикальном сечении (рис. 1а) при глубине хода ножа а = 0.05 м;

1сд. - длина следа АН в продольно-вертикальном сечении при / глубине хода ножа бульдозера.

С другой стороны, следует учесть влияние объемного сжатия грунта. Приложим силы, вызывающие объемное сжатие, по направлению, параллельному передней поверхности лезвия ножа (рис. 1а). На участок АВСН первичного псевдосдвига сверху действует распределенная нагрузка, вызванная действием проекций совокупности сил [13]: смещения грунта Гсм, тяжести смещаемого грунта 6см, противодействия инерции грунта Г.. Сила ускорения смещаемого грунта Гу увеличивает объемное сжатие грунта на участке АВСН. Сложив эти силы (рис. 1Ь), определим сосредоточенную силу воздействия пласта Опл, которой заменим распределенную нагрузку. Перенесем в соответствующем масштабе силу Опл на рис. 1а. Направление этой силы параллельно поверхности ножа, а точка К ее приложения расположена на следе центра масс смещаемого грунта. Сложив ее с силой преодоления трения грунта Гт п о поверхность ножа и нижней части отвала, приложенной к точке В, получим суммарную силу воздействия грунта Т на участок АВСН первичного псевдосдвига со стороны участка ВСОЕ смещаемого грунта.

Точку £ приложения силы Т определим из пропорции (рис. 1):

I _ I Опл 'Т 'пл у •

где ко сж - коэффициент учета объемного сжатия пласта грунта.

. _ Т

(6)

кООК=1 + у

Горизонтальная сила:

^+г0Р=^+с°5</>в, (7)

где угол фв=14° получен из рис. 1а.

Затраты энергии на первичное смятие и псевдосдвиг одного кубического метра грунта по поверхности сдвига, след которой в продольно-вертикальном сечении АН:

исдАН ~ 'с+гор

(8)

где 5 - путь агрегата, необходимый для разработки одного кубического метра грунта.

Затраты энергии на сдвиг грунта в продольно-вертикальной плоскости АВСН краем ножа (рис. 1а)

Так как сдвиг пласта состоит из периодических микросдвигов, при вычислении затрат энергии на сдвиг грунта следует сделать поправку на коэффициент микросдвигов кмсд ~ 1.5 [9]. Коэффициент микросдвигов учитывает затраты энергии на накопление в грунте упругого потенциала. Проявления этой энергии визуально ничем не выражаются, так как энергия рассеивается в грунте, то есть происходит ее диссипация.

Усилие первичного сдвига грунта краем ножа бульдозера:

(4)

Р -к тв 5

мед сд едкн'

(9)

Определив силу Гс, необходимую для псевдосдвига грунта в наклонной поверхности, след которой в продольно-вертикальном сечении АН, по формуле (1), учитывающей длину следа псевдосдвига грунта, и сопоставив ее с силой Т, определим степень влияния объемного сжатия на силу, необходимую для смятия, сжатия и псевдосдвига грунта по наклонной поверхности АН. Предположим, сила, необходимая для смятия, сжатия и псевдосдвига грунта по наклонной поверхности АН:

с =к р

с+ осж с '

(5)

где Бсд к н - площадь сдвига грунта кромкой ножа, г®а - предел прочности грунта на сдвиг. Горизонтальная сила:

(10)

где угол фв = 14 получен из рис. 1а. Затраты энергии на первичный сдвиг грунта краем ножа объемом один кубический метр в плоскости АВСН:

исдАВСН =^сдгор5' (11)

где 5 - путь агрегата, необходимый для разработки одного кубического метра грунта.

Общие затраты энергии, мощность, сила тяги

Общие затраты энергии, необходимой для первичного смятия, псевдосдвига и сдвига одного кубического метра грунта лезвием бульдозера:

и!сд = {исдАН + исдАВСн)' (12)

N

сд

5

Г = —.

и приложения горизонтальной силы Ог противодействия массива грунта перемещению лезвия ножа вычислим из условия равновесия моментов относительно точки А:

о, '

(16)

где кд+ - поправочный коэффициент учета прочих затрат энергии: на создание щели в массиве грунта с одного края прохода ножа, подъем края массива грунта, преодоление силы инерции разрабатываемого грунта, преодоление силы трения грунта о лезвие ножа.

Мощность, затрачиваемая трактором на резание грунта ножом:

(13)

где время т, необходимое для разработки одного кубического метра грунта бульдозером, определяется делением пути 5, необходимого для разработки одного кубического метра грунта, на скорость агрегата

(14)

На рис. 1а силу Г+, необходимую для смятия, сжатия и псевдосдвига грунта, направим по следу псевдосдвига АН. Силу первичного сдвига грунта Гакраем ножа бульдозера направим параллельно следу псевдосдвига АН из точки ], делящей проекцию лезвия ножа АВ пополам. Эти силы в совокупности с силой Т вызывают распределенную нагрузку д противодействия массива грунта перемещению лезвия ножа, которую приведем к сосредоточенной силе Ог гр. Сложив на рис. 1с силы Г+, и Т, получим силу Ог . Силу тяги трактора Г для осуществления первич-

1 1 тяги л гр т у 1 1

ного смятия, псевдосдвига и сдвига грунта лезвием ножа бульдозера получим сложением сил Гс+ и Гсд (рис. и проецированием на горизонталь. Полученные из построений силы О , Г ,

у 1 г гр тяги л гр

Гл вгр следует увеличить, умножив на поправочный коэффициент учета прочих затрат энергии ксд+:

^тягил' ^лв ~ (^ггр' ^тягилгр ' ^легр )' (15)

где (О , Г , Г ) - значения соответствуют г гр тяги л гр л в гр '

щих сил, полученные графическим путем. Точку

где всд - сила тяжести участка грунта, площадь сечения которого в продольно-вертикальной плоскости АВСН:

6*=9РВ5АЮГ (17)

Сила сопротивления О массива грунта перемещению лезвия ножа направлена не горизонтально, а отклонена на угол в (рис. 1с). Вертикальная сила воздействия лезвия на грунт Гл в гр направлена вверх (рис. 1Ь). Равная ей сила воздействия грунта на лезвие направлена вниз.

Результаты

Для расчета примем следующие исходные данные. Грунт - суглинки плотностью р=1600кг/м3. Движение агрегата со скоростью уа = 1 м/с. Ширина отвала В = 2.5 м. Примем начальный условный предел прочности грунта на смятие с учетом напряжений псевдосдвига овмначусл = 0.6 МПа при заглублении ножа а = 50 мм; предел прочности грунта на первичный сдвиг лезвием ножа бульдозера при полузажатом резании т%=0.8МПа. Расстояние микросдвига 18 мм. Коэффициент микросдвигов кмсд = 1.5. Поправочный коэффициент учета прочих затрат энергии ксд+ = 1.1. Глубина разработки грунта а = 0.05 мм.

Затраты энергии на смятие, объемное сжатие и псевдосдвиг грунта по наклонной поверхности, след которой в продольно-вертикальном сечении АН

Площадь смятия пласта грунта ножом бульдозера на расстоянии микросдвига (2):

5С = 2 500 18 = 45 ООО (мм2).

Сила, необходимая для смятия с учетом псевдосдвига грунта в наклонной поверхности, след которой в продольно-вертикальном сечении АН (1):

= 0.6 ■ 45 ООО = 27 ООО (Н).

Сложив силы смещения грунта (рис. 1Ь), тяжести смещаемого грунта всм, противодействия ножа инерции грунта Г, ускорения смещаемого грунта Гу, определим сосредоточенную силу воздействия смещаемого пласта Опл [10] на пласт грунта, подвергающийся псевдосдвигу. Сосредоточенной силой Опл заменим распределенную нагрузку. Перенесем в соответствующем масштабе силу Опл на рис. 1а, направив ее на след луча ОК, параллельного передней поверхности ножа и проходящего через центр масс участка смещаемого грунта. Сила Опл = 1 336 Н. Сложив силу Опл с силой Гтп = 1 033 Н [10] преодоления трения грунта о поверхность ножа и нижнюю часть отвала, получим суммарную силу воздействия грунта Т на участок АВСН первичного псевдосдвига со стороны участка ВСОЕ смещения грунта:

Т = 1336 + 1 033 = 2369 (Н).

Из рис. 1а плечо силы О : I = 50 мм. Точку £

пл пл

приложения силы Т определим из пропорции (4):

1т = 50-1^36- = 28(мм).

т 2369

Коэффициент учета объемного сжатия пласта грунта (6):

, , 2369 , ЛОО

к0Сж = 1 +-= 1.088.

27000

Сила, необходимая для смятия, сжатия и псевдосдвига грунта по наклонной поверхности АН (5):

Гс+ = 1.088 ■ 27 ООО = 29 369 (Н).

Горизонтальная сила (7):

Гс+гор = 29 369 • С0514° = 28 497 (Н).

Путь бульдозера, необходимый для разработки одного кубического метра грунта:

V 1 о/ , 5 =-=-= 8 (м).

В-а 2.5 0.05

Затраты энергии на первичный сдвиг грунта объемом один кубический метр в поверхности сдвига, наклоненной к горизонтали под углом (8):

исдАН =28497-8 = 227 969 (Дж / м3).

Затраты энергии на сдвиг грунта в продольно-вертикальной плоскости АВСН краем ножа

Площадь сечения БАВСН сдвига грунта правой или левой кромкой ножа возьмем из рис. 1а. Если

заглубление ножа 50 мм, площадь поверхности сдвига грунта кромкой ножа Scgкн = 2 882 мм2. Предел прочности грунта на первичный сдвиг лезвием ножа бульдозера при полузажатом резании rfa = 0.8МПа. Коэффициент микросдвигов кмсд = 1.5. Усилие первичного сдвига грунта в продольно-вертикальной поверхности сдвига краем ножа (9):

Fa = 1.5 0.8 -2 882 = 3 458 (Н).

Горизонтальная сила (10):

Fcdiop =3458- cos 14° = 3 355 (Н).

Путь, необходимый для разработки одного кубического метра грунта, s = 8 м. Затраты энергии на первичный сдвиг грунта в продольно-вертикальной поверхности (11):

сбАвен =3355-8 = 26 845(Дж /м3).

Общие затраты энергии, мощность, сила тяги

Поправочный коэффициент учета прочих затрат энергии, кроме энергии на первичный сдвиг грунта, ксд+ = 1.1. Общие затраты энергии, необходимой для первичного смятия, псевдосдвига, объемного сжатия и сдвига одного кубического метра грунта лезвием бульдозера (12):

и1сд = 1.1 (227 969 + 26 845) = 280 296 (Дж/м3).

Время, необходимое для разработки одного кубического метра грунта бульдозером (14):

T = J = 8(C).

Мощность, затрачиваемая трактором на резание грунта лезвием ножа (13):

Ncd = 28°^96 = 35037(Вт)« 35 (кВт).

8

Силу Гс+, необходимую для смятия, сжатия и псевдосдвига грунта, направим по следу псевдосдвига АН (рис. 1а). Силу Гсд первичного сдвига грунта краем ножа бульдозера направим параллельно следу псевдосдвига АН из точки ], делящей проекцию лезвия ножа АВ пополам. Сложив эти силы и силу Т, графическим путем получим горизонтальную силу сопротивления массива грунта Оггр = 33 374 Н (рис. 1с). Поправочный коэффициент ксд+ = 1.1. Горизонтальная сила (15):

Q =1.1-33374 = 36 711 (H).

Gc3 =9.8 -1600 ■ 2.5 -3458- W6 = 113 (H).

Силу тяги трактора Гтягилгр (рис. для осуществления первичного смятия, псевдосдвига и сдвига грунта лезвием ножа бульдозера получим графическим сложением сил Р + и Га и проецированием на горизонталь: Г = 31 832 Н.

^ 1 1 тяги л гр

С учетом поправочного коэффициента (15): ^тягил =1-1-31 832 = 35015 (Н).

Вертикальная сила воздействия лезвия на грунт: Гл в гр = 7 908 Н. Получена графическим путем. С учетом поправочного коэффициента (15):

Из рис. 1а плечи сил относительно точки А: 1Т = 28 мм; 1Г = 7.7 мм; 1а = 82 мм. Точку и приложения горизонтальной силы противодействия массива грунта 0г перемещению лезвия ножа вычислим из условия равновесия моментов относительно точки А (16):

2369 ■28 + 3458■ 7.7 +133 • 82 36711

= 3.1 (мм).

Сила сопротивления массива грунта Q перемещению лезвия ножа будет направлена не горизонтально (рис. 1а), а отклонена на угол в = 10.3°.

Выполнив аналогичные построения и расчеты, определим параметры при различном заглублении ножа. Они даны в таблицах 1-6.

Таблица 1 Table 1

Суммарная сила воздействия грунта T на участок АВСН первичного псевдосдвига со стороны участка BCDE смещения грунта и ее плечо относительно точки А Total force T of ground effect on the АВСН section of primary pseudo-displacement from the side of the BCDE section of ground displacement and its shoulder relative to the point A

^=1.1-7 908 = 8 699 (И).

Сила тяжести подвергающегося псевдосдвигу участка грунта, площадь сечения которого в продольно-вертикальной плоскости АВСН (17):

Глубина, а, м Сила воздействия смещаемого пласта, Qn¡, Н Сила трения пласта о поверхность ножа и нижней части отвала, Ртг, Н Суммарная сила воздействия на псевдосдвигаемый участок грунта, Т, Н Плечо 1пл, мм Плечо 1Т силы T, мм

0.05 1 336 1 033 2 369 50 28

0.1 2 950 2 646 5 596 122 64

0.15 6 806 6 128 12 934 182 96

0.2 12 252 12 020 24 272 248 125

0.25 19 500 19 200 38 700 317 160

0.3 27 820 27 331 55 151 381 192

Таблица 2 Table 2

Затраты энергии на смятие, объемное сжатие и псевдосдвиг грунта ножом Energy costs for crumpling, volume compression and pseudo-displacement of soil with a knife

Глубина, а, м Напряжение в грунте, Н/мм2 Сила смятия и псевдосдвига, Н Сила воздействия смещаемого грунта, Н Коэффициент учета объемного сжатия Сила, необходимая для смятия, сжатия и псевдосдвига, Н Путь бульдозера, необходимый для разработки одного кубического метра грунта, $, м Объемные затраты энергии на смятие, сжатие и псевдо-сдвиг грунта, Дж/м3

0.05 0.6 27 000 2 369 1.088 29 369 8 227 969

0.1 1.2 54 000 5 596 1.104 59 596 4 209 580

0.15 1.797 80 870 12 934 1.16 93 804 2.67 209 243

0.2 2.397 107870 24 272 1.225 132142 2 209 327

0.25 2.997 134 870 38 700 1.287 173570 1.6 209 378

0.3 3.597 161 870 55 151 1.34 217 021 1.33 209 412

Таблица 3 Table 3

Затраты энергии на сдвиг грунта краем ножа Energy costs for soil displacement by the knife edge

Глубина а, м Напряжение сдвига грунта, МПа Площадь сдвига грунта краем ножа, мм2 Коэффициент микросдвигов Сила, необходимая для сдвига грунта, Н Путь бульдозера, необходимый для разработки одного кубического метра грунта, $, м Объемные затраты энергии, Дж/м3

0.05 0.8 2 882 0.5 3 458 8 26 845

0.1 0.8 6 293 0.5 7 552 4 29 309

0.15 0.8 9 590 0.5 11 508 2.67 29 776

0.2 0.8 12 924 0.5 15 509 2 30 096

0.25 0.8 16 271 0.5 19 525 1.6 30 312

0.3 0.8 19 618 0.5 23 542 1.33 30 456

Таблица 4 Table 4

Мощность, затрачиваемая на резание грунта ножом бульдозера Power used to cut the soil with the bulldozer knife

Глубина а, м Коэффициент сд+ Общие затраты энергии на резание одного кубического метра грунта, Дж/м3 Время разработки одного кубического метра грунта, с Мощность, затрачиваемая на резание грунта ножом, Вт Мощность, кВт

0.05 1.1 280 296 8 35 037 35

0.1 1.1 262 778 4 65 694 65.7

0.15 1.1 262 921 2.67 98 595 98.6

0.2 1.1 263 365 2 131 683 131.7

0.25 1.1 263 659 1.6 164 787 164.8

0.3 1.1 263 854 1.33 197 891 197.9

Таблица 5 Table 5

Силы воздействия лезвия ножа на грунт и сила противодействия массива грунта перемещению лезвия ножа Forces of the knife edge impact on the soil and the force of the soil mass counteracting the movement of the knife edge

Глубина а, м Сила Q Н ^г гр Сила тяги, кН Вертикальная сила, Н Коэффициент сд+ Сила Q, Н Сила тяги, кН Вертикальная сила, Н

0.05 33 374 31.8 7 908 1.1 36 711 35.0 8 699

0.1 68 731 65 16 187 1.1 75 604 71.5 17 806

0.15 110470 102 25 509 1.1 121 517 112.4 28 060

0.2 158739 143 35 660 1.1 174 613 157.4 39 226

0.25 212 142 187 46 848 1.1 233 356 206.1 51 533

0.3 268 816 233 58 316 1.1 295 698 256.7 64 148

Таблица 6 Table 6

Сила сдвига грунта лезвием ножа и отклонение силы Q от горизонтали Force of soil displacement by the knife edge and deviation of force Q from horizontal

Глубина а, м Плечо силы мм Сила F* Н сд, Плечо силы мм Сила ** Н Сила Q . Н г гр Плечо силы мм Сила тяги, Н Косинус угла отклонения силы Q от горизонтали Угол отклонения силы Q от горизонтали

0.05 7.7 3 458 82 113 33 374 3.1 31 832 0.954 10.3

0.1 7.7 7 552 183 247 68 731 6.7 65 011 0.946 9.8

0.15 7.7 11 508 282 376 110470 13 102 220 0.925 8.1

0.2 7.7 15 509 385 507 158739 21 143120 0.902 6.2

0.25 7.7 19 525 482 638 212 142 31 187 340 0.883 4.6

0.3 7.7 23 542 769 769 268 816 42 233 334 0.868 3.4

Для вычисления предела прочности грунта на смятие с учетом напряжений псевдосдвига при другом заглублении ножа бульдозера следует использовать формулу (3).

Зависимости параметров от заглубления ножа даны на рис. 2-9. Результаты аппроксимации представлены на графиках.

Зависимости силы смятия грунта лезвием с учетом его псевдосдвига, силы тяжести грунта,

Я га" 120000

га m looooo

0.05 0.1 0.15

Глубина хода ножа, м

0.05 0.1 0.15 0.2 0.25

Глубина хода ножа, м -«- Воздействие смещаемого грунта и силы его трения -"- Воздействие смещаемого грунта

— Степенная

(Воздействие смещаемого грунта и силы его трения)

— Полиноминальная

(Воздействие смещаемого грунта и силы его трения)

подверженного смятию, объемному сжатию и псевдосдвигу лезвием ножа, силы сдвига грунта краем лезвия ножа, мощности на смятие, объемное сжатие и псевдосдвиг грунта лезвием ножа, мощности, необходимой для сдвига грунта краем лезвия ножа в начале прохода бульдозера, от заглубления ножа имеют линейный вид. Эти параметры монотонно возрастают по мере заглубления ножа.

Рис. 2. Зависимость силы смятия грунта лезвием с учетом его псевдосдвига в начале прохода бульдозера от заглубления ножа Fig. 2. Dependence of soil crumpling force by the knife on the knife depth, taking into accountpseudo-displasemant of the soil at the beginning of the bulldozer passage

Рис. 3. Зависимость силы воздействия смещаемого грунта на смятие, объемное сжатие и псевдосдвиг грунта лезвием ножа в начале прохода бульдозера от заглубления ножа

Fig. 3. Dependence between the knife depth and the force of the displaced soil impact on crumpling, volume compression and pseudo-displacement of the soil by the knife edge at the beginning of the bulldozer passage

U 1= о

0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3

Глубина хода ножа, м

Рис. 4. Зависимость силы тяжести грунта, подверженного смятию, объемному сжатию и псевдосдвигу лезвием ножа в начале прохода бульдозера от заглубления ножа Fig. 4. Dependence between the knife depth and the gravity force of the soil affected by crumpling, volume compression and pseudo-displacement by the knife at the beginning of the bulldozer passage

Глубина хода ножа, м

Рис. 5. Зависимость силы смятия с учетом псевдосдвига и объемного сжатия грунта лезвием ножа в начале прохода бульдозера от заглубления ножа

Fig. 5. Dependence of soil crumpling force on the knife depth taking into account pseudo-displacement and volume compression of the soil by the knife at the beginning of the bulldozer passage

180

0.05 0.1 0.15 0,2 0.25 0.3

Глубина хода ножа, м

Рис. 6. Зависимость мощности на смятие, объемное сжатие и псевдосдвиг грунта лезвием ножа в начале прохода бульдозера от заглубления ножа Fig. 6. Dependence between the knife depth and power for crumpling, volume compression and pseudo-displacement of soil by the knife at the beginning of the bulldozer passage

Глубина хода ножа, м

Рис. 7. Зависимость силы сдвига грунта краем лезвия ножа в начале прохода бульдозера от заглубления ножа

Fig. 7. Dependence of soil displacement force by the knife edge at the beginning of the bulldozer passage on the knife depth

3" s

° Ц о - ----

S и 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3

Глубина хода ножа, м

Рис. 8. Зависимость мощности, необходимой для сдвига грунта краем лезвия ножа в начале прохода бульдозера, от заглубления ножа Fig. 8. Dependence between the power required to displace the soil by the knife edge at the beginning of the bulldozer passage and the knife depth

-*- Сила сопротивления массива грунта -■- Сила тяги

— Полиномиальная (Сила сопротивления массива грунта)

— Полиноминальная (Сила тяги)

Рис. 9. Зависимость силы тяги и силы сопротивления грунта перемещению лезвия ножа в начале прохода бульдозера от заглубления ножа Fig. 9. Dependence between tractive power and soil resistance to knife edge movement at the beginning of the bulldozer passage and knife depth

Зависимость силы воздействия смещаемого грунта на смятие, объемное сжатие и псевдосдвиг грунта лезвием ножа в начале прохода бульдозера от заглубления ножа (рис. 3) имеет более сложный вид. В частности, зависимость воздействия смещаемого грунта и силы его трения можно аппроксимировать с высокой точностью как полиномом третьей степени, так и степенной функцией. Зависимость силы тяги и силы сопротивления грунта перемещению лезвия ножа в начале прохода бульдозера от заглубления ножа можно аппроксимировать с высокой точностью полиномом второй степени. Эти параметры также монотонно возрастают по мере заглубления ножа.

Выводы

1. Зависимости мощности на смятие, объемное сжатие и псевдосдвиг грунта лезвием ножа и мощности, необходимой для сдвига грунта

краем лезвия ножа в начале прохода бульдозера от заглубления ножа имеют линейный вид. Мощность, затрачиваемая на перемещение лезвия ножа бульдозера, очень велика, существенно увеличивается по мере заглубления ножа. Зависимости силы тяги и силы сопротивления грунта перемещению лезвия ножа в начале прохода бульдозера от заглубления ножа близки к линейным. 2. Средние затраты энергии на резание ножом бульдозера одного кубического метра грунта очень велики: и1сдср =266145 Дж / м3. Выявление затрат энергии на перемещение лезвия ножа бульдозера позволит в дальнейшем определить общие затраты энергии с целью модернизации бульдозерного оборудования, направленной на уменьшение этих затрат [15].

Полученные в ходе исследования зависимости необходимы для сопоставления параметров,

полученных из взаимодеиствия лезвия ножа с грунтом, существующего и усовершенствованного [15] бульдозерного оборудования. Статья обладает научноИ новизной, так как в литературных источниках полного анализа взаимодействия бульдозерного оборудования с грунтом нет,

встречаются лишь частные попытки. Приведенные результаты могут иметь практическое значение как для анализа работы технических средств, так и для усовершенствования бульдозерного оборудования с целью осуществления рабочего процесса с меньшими затратами энергии.

Библиографический список

1. Зыков, Б. И. Теория рабочих процессов строительных машин / Б. И. Зыков. - Ярославль : Издательство ЯГТУ, 2003. - 114 с. - Текст : непосредственный.

2. Карасев, Г. Н. Определение силы резания грунта с учетом упругих деформаций при разрушении / Г. Н. Ка-расев. - Текст : электронный // Строительные дорожные машины и техника : сайт. - 2010. - 05 января. - URL: https://sdm.str-t.ru/publics/51/ (дата обращения: 11.10.2023).

3. Кириллов, Ф. Ф. Детерминированная математическая модель временного распределения тягового усилия для многорезцовых рабочих органов землеройных машин / Ф. Ф. Кириллов. - Текст : непосредственный // Строительные и дорожные машины. - 2010. - № 11. - С. 44-48.

4. Влияние трения грунта по поверхности ножа на сопротивление резанию / Е. И. Берестов, А. П. Смоляр,

A. Х. Афхами Алишах, Э. Х. Джалилванд. - Текст : непосредственный // Строительные и дорожные машины. -2010. - № 11. - С. 34-38.

5. Баловнев, В. И. Определение сопротивлений при разработке грунтов рыхлителем по интегральному показателю прочности / В. И. Баловнев, З. Ш. Нгуен. - Текст : непосредственный // Строительные и дорожные машины. - 2005. - № 3. - С. 38-40.

6. Баловнев, В. И. Исследование управляемых ножевых систем землеройно-транспортных машин / В. И. Баловнев, Р. Г. Данилов, О. Ю. Улитич. - Текст : непосредственный // Строительные и дорожные машины. -2017. - № 2. - С. 12-15.

7. Нилов, В. А. Разработка грунта скрепером в условиях свободного резания / В. А. Нилов, Е. В. Федоров. -Текст : непосредственный // Строительные и дорожные машины. - 2016. - № 2. - С. 7-10.

8. Семкин, Д. С. О влиянии скорости рабочих органов землеройных машин на силу сопротивления грунта резанию / Д. С. Семкин. - Текст : непосредственный // Вестник Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии. - 2017. - № 1 (53). - С. 37-43.

9. Исследования рабочих органов землеройных машин непрерывного действия : обзор / З. Е. Гарбузов, Г. А. Матушев, Г. Б. Нарет, Л. Н. Смирнов ; Под общ. ред. канд. техн. наук З. Е. Гарбузова. - Москва : [б. и.], 1966. - 89 с.

10. Константинов, Ю. В. Методика расчета сопротивления и момента сопротивления резанию почвы прямым пластинчатым ножом фрезы / Ю. В. Константинов. - DOI 10.31992/0321-4443-2019-5-31-39. - Текст : непосредственный // Тракторы и сельхозмашины. - 2019. - № 5. - С. 31-39.

11. Пархоменко, Г. Г. Силовой анализ механизмов перемещения рабочих органов почвообрабатывающих машин по заданной траектории / Г. Г. Пархоменко, С. Г. Пархоменко. - Текст : непосредственный // Тракторы и сельхозмашины. - 2018. - № 1. - С. 47-54.

12. Николаев, В. А. Машины для обработки почвы. Теория и расчет / В. А. Николаев. - Ярославль : Ярославская ГСХА, 2014. - 358 с. - ISBN 978-5-98914-132-6. - Текст непосредственный.

13. Николаев, В. А. Резание грунта пассивными рабочими органами. Теория и расчет / В. А. Николаев. - Ярославль : Издательство ЯГТУ, 2022. - 388 с. - Текст непосредственный.

14. Николаев, В. А. Взаимодействие с грунтом ножа и нижней части отвала бульдозера в начале прохода /

B. А. Николаев. - DOI 10.26518/2071-7296-2022-19-3-330-342. - Текст : непосредственный // Вестник Сибирского государственного автомобильно-дорожного университета. - 2022. - Т. 19, № 3 (85). - С. 330-342.

15. Патент № 2770854 C1 Российская Федерация, МПК E02F 3/76. Оборудование бульдозера : № 2021130731 : заявл. 20.10.2021 : опубл. 22.04.2022 / В. А. Николаев ; заявитель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Ярославский государственный технический университет» (ФГБОУВО «ЯГТУ»). Текст : непосредственный.

References

1. Zykov, B. I. (2003). Teoriya rabochikh protsessov stroitel'nykh mashin. Yaroslavl, YSTU Publ., 114 p. (In Russian).

2. Karasev, G. N. (2010). Opredelenie sily rezaniya grunta s uchetom uprugikh deformatsiy pri razrushenii. Available at: https://sdm.str-t.ru/publics/51/ (accessed 11.10.2023). (In Russian).

3. Kirillov, F. F. (2010). Determinirovannaya matematicheskaya model' vremennogo raspredeleniya tyagovogo usiliya dlya mnogoreztsovykh rabochikh organov zemleroynykh mashin. Construction and road building machinery, (11), pp. 44-48. (In Russian).

4. Berestov, E. I., Smolyar, A. P., Afkhami Alishakh, A. Kh., & Dzhalilvand, E. Kh. (2010). Vliyanie treniya grunta po poverkhnosti nozha na soprotivlenie rezaniyu. Construction and road building machinery, (11), pp. 34-38. (In Russian).

5. Balovnev, V. I., & Nguen, Z. Sh. (2005). Opredelenie soprotivleniy pri razrabotke gruntov rykhlitelem po integral'nomu pokazatelyu prochnosti. Construction and road building machinery, (3), pp. 38-40. (In Russian).

6. Balovnev, V. I., Danilov, R. G., & Ulitich, O. Yu. (2017). The study of controlled knife systems earth-moving machines. Construction and road building machinery, (2), pp. 12-15. (In Russian).

7. Nilov, V. A., & Fedorov, E. V. (2016). Excavation by scraper in conditionsfree cutting. Construction and road building machinery, (2), pp. 7-10. (In Russian).

8. Semkin, D. S. (2017). About influence of speed working bodies of digging machines on the resistance force of soil cutting. The Russian automobile and highway industry journal, (1(53)), pp. 37-43. (In Russian).

9. Garbuzov, Z. E., Matushev, G. A., Naret, G. B., & Smirnov, L. N. (1966). Issledovaniya rabochikh organov zemleroynykh mashin nepreryvnogo deystviya : obzor. Moscow, 89 p.

10. Konstantinov, Yu. V. (2019). Methods of calculating the resistance and the moment of resistance to cutting the soil with a straight blade knife cutters. Traktory i sel'khozmashiny, (5), pp. 31-39. (In Russian). DOI 10.31992/03214443-2019-5-31-39.

11. Parkhomenko, G. G., & Parkhomenko, S. G. (2018). Force analysis of the mechanisms of tillage machines working elements following a specified path. Traktory i sel'khozmashiny, (1), pp. 47-54. (In Russian).

12. Nikolaev, V. A. (2014). Mashiny dlya obrabotki pochvy. Teoriya i raschet. Yaroslavl, Yaroslavskaya GSKhA Publ., 358 p. (In Russian). ISBN 978-5-98914-132-6.

13. Nikolaev, V. A. (2022). Yaroslavskaya GSKhARezanie grunta passivnymi rabochimi organami. Teoriya i raschet. Yaroslavl, YSTU Publ., 388 p. (In Russian).

14. Nikolayev, V. A. (2022). Knife and bulldozer bottom blade interaction with soil at the beginning of a pass. The Russian automobile and highway industry journal, 19(3(85)), pp. 330-342. (In Russian). DOI 10.26518/2071-72962022-19-3-330-342.

15. Nikolayev, V. A. Bulldozer equipment. Patent na izobretenie CPC E02F 3/76; E02F 3/7609. No 2021130731. Applied: 20.10.2021. Published: 22.04.2022. (In Russian).

Сведения об авторе

Николаев Владимир Анатольевич, д-р техн. наук, профессор кафедры строительных и дорожных машин, Ярославский технический университет, e-mail: Nikolaev53@inbox.ru. ORCID 0000-0001-7503-6612

Information about the author

Vladimir A. Nikolaev, D. Sc. in Engineering, Professor at the Department of Construction and Road Machines, Yaroslavl Technical University, e-mail: Nikolaev53@inbox. ru. ORCID 0000-0001-7503-6612

Получена 19 сентября 2023 г., одобрена 20 октября 2023 г., принята к публикации 15 декабря 2023 г. Received 19 September2023, Approved 20 October 2023, Accepted for publication 15 December 2023