CC BY
15
РАЗДЕЛ 2 МОДЕЛИ, СИСТЕМЫ, МЕХАНИЗМЫ
В ТЕХНИКЕ
УДК 621.879.41
ПРОЦЕСС ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ФРЕЗЕРНЫХ РАБОЧИХ ОРГАНОВ, ОБОРУДОВАННЫХ НОЖАМИ КРИВОЛИНЕЙНОЙ
ФОРМЫ, С ГРУНТОМ ОРОСИТЕЛЬНЫХ КАНАЛОВ ПРИ ПРОВЕДЕНИИ ЭКСПЛУАТАЦИОННО-РЕМОНТНЫХ РАБОТ
Ф. К. Абдразаков, А. В. Поваров
THE PROCESS OF INTERACTION OF MILLING WORKERS,
EQUIPPED WITH KNIVES CURVED SHAPE, WITH SOIL DURING IRRIGATION CANALS OPERATIONAL
AND REPAIR WORK
F. K. Abdrazakov, A. V. Povarov
Аннотация. Актуальность и цели. Разработка грунта донных отложений и наносов при ремонте оросительных каналов является энергоемким процессом, требующим его всестороннего изучения. Материалы и методы. В целях оптимизации процесса рассмотрено взаимодействие усовершенствованных фрезерных ножей криволинейной формы с наносами и их последующее удаление криволинейными лопатками. Результаты. Проведены теоретические исследования и представлена зависимость энергоемкости процесса от свойств разрабатываемого грунта, геометрических, кинематических и эксплуатационных параметров работы мелиоративной машины. Выводы. Применение фрезерных рабочих органов мелиоративных машин с усовершенствованными ножами и лопатками криволинейной формы позволит снизить себестоимость ремонтных работ на каналах и повысить производительность техники.
Ключевые слова: наносы оросительных каналов, криволинейные ножи фрезы, мелиоративные машины, блокированное и полублокированное резание грунта, сила резания грунта ножами, поступательная скорость машины, мощность на резание грунта, энергоемкость разработки грунта, производительность работы фрезы, лопатки криволинейной формы, призма волочения грунта, центр масс.
Abstract. Background. Development of soil sediments and sediments in the repair of irrigation canals is an energy-intensive process that requires its comprehensive examination. Materials and methods. In order to optimize the process shows the interaction of advanced milling cutters curved sediment and subsequent removal of the curved blades. Results. Theoretical research and the dependence of the energy intensity of the process of the developed properties of soil, geometry, kinematics and operating parameters of the reclamation machinery. Conclusions. The use of milling workers of reclamation machines with improved blades and vanes curved shape will reduce the cost of repair work on the channels and improve the performance of equipment.
Key words: sediment irrigation canals, curved knives, cutters, reclamation machines, block and halfblocked digging, digging force knives, the forward speed of the machine, cutting power to the ground, the energy intensity of excavation, milling performance, productivity cutters, curved blades, drawing prism of soil, the center of mass.
Удаление отложений и наносов из русла оросительных каналов фрезерными рабочими органами мелиоративных машин является актуальным направлением исследований, поскольку значительная часть эксплуатируемых оросительных каналов Саратовской области имеют донные отложения и повышенную фильтрацию воды (рис. 1). Реконструкция заиленных и заброшенных оросительных каналов повысит их эффективность и повлияет на увеличение объемов продукции с орошаемых земель [1].
Рис. 1. Оросительные каналы с наносами и донными отложениями
Процесс взаимодействия фрезерных ножей и удаляемого грунта энергоемок и требует детального изучения. Рассмотрим рабочий процесс взаимодействия криволинейных ножей фрезы с грунтом наносов. Сопротивление резанию в большей степени зависит от геометрических условий процесса взаимодействия ножей фрезы с грунтом. Поэтому в условиях блокированного и полублокированного резания необходимо стремиться к снижению сопротивления резанию за счет совершенствования геометрических параметров ножей, обеспечивающих постоянство угла скольжения.
Сделаем анализ характера разрушения грунта криволинейными ножами, обеспечивающими постоянство угла скольжения. Взаимодействие между собой ножей разной линии резания происходит при двух последовательных срезах, при этом ножи второй линии осуществляют свободное резание, снижая тем самым общее сопротивление резанию.
Очевидно, что увеличение количества резов приведет к потере совмещения зон разрушения грунта и росту блокированного резания.
Для нормального протекания процесса резания грунта ножами фрезы их число 2общ. можно определить по следующей формуле:
7 = общ
Афр 7 н
I
где Хфр - длина фрезы, м; /р - расстояние между соседними резами, м; 7н - число ножей в плоскости перпендикулярной оси фрезы.
Учитывая, что толщина срезаемой стружки грунта определяется по выражению:
5 =
стр 60«фр7Н '
после преобразований будем иметь:
7 общ
Афр^фр7 н
2,67 -10"2 ,ирс1§ф.
(2)
тр
где ир - рабочая скорость мелиоративной машины, м/ч; щр - частота вращения фрезы, мин-1; фтр - угол внутреннего трения грунта, град.
Анализируя данную формулу, легко заметить, что 7общ помимо длины фрезы в значительной степени зависит от Пфр и ир.
Очевидно, что в зависимости от изменения площади разрабатываемого сечения наносов в канале будет изменяться и ир, следовательно, должно подвергнуться изменению и 7общ при условии, что Пфр остается неизменной. Отсюда можно сделать вывод, что расчет 7общ необходимо проводить с учетом средней рабочей скорости мелиоративной машины для конкретных условий работы.
Рассмотрим силы, действующие на криволинейный нож фрезы.
Нож при повороте фрезы на угол &ул находится под воздействием элементарной силы резания dP (рис. 2), которая раскладывается на касательную dРК и нормальную dРN = £^РК составляющие, где £0 - коэффициент, учитывающий тип фрезы.
Рис. 2. Усилия, действующие на криволинейный нож фрезы
При вырезании из массива ножом фрезы стружки грунта элементарной толщины 8стрг- касательная составляющая усилия резания ножа на бесконечно малом участке длиной й1, соответствующем элементарному углу поворота йа, будет равна, Н:
йРК=кЬАтрь (3)
где к - коэффициент сопротивления резанию, МПа; Ьн - ширина ножа, м.
Фрезы, как правило, работают на малых толщинах стружки < 0,03 м, поэтому коэффициент сопротивления резанию (МПа) можно принять, согласно [2], в следующей зависимости от толщины стружки:
Ж
к - —, (4)
стр
где Ж = 0,12Суд - постоянная величина, зависящая от физико-механических свойств разрабатываемого грунта; е - степенной показатель, характеризующий тип грунта.
Очевидно, что переменное значение толщины стружки в (4) определяется выражением:
Учитывая коэффициент снижения ксн = 0,7-0,8 усилия резания ножом с постоянным углом скольжения, после преобразования получим касательную составляющую усилия резания одним ножом:
РК = 0,12Суд8стр 0,6Ьнксн8стр.8т0,6а7. (5)
Перейдем к определению работы резания грунта ножом фрезы.
Элементарная работа силы резания ножа, а точнее касательной ее составляющей, на участке Ш, соответствующем углу поворота фрезы dаi:
йАр = йРкй1. (6)
Значение й1 определим из условия, что проекция скорости ^окр режущей кромки ножа на оси координат Х и У равны соответственно:
Х = Чжр сое а ~-ор,
У = ^окр ^ а,. (7)
Поэтому можем записать:
й'1 / • 2 • 2 ¡2 2
—= Vх + у = у^окр+^р - 2^окр^рсо» а . (8)
С учетом радиуса Лфр фрезы:
Кфрйа' и л - Кфр
Ж—1 и й1 -■
окр окр
^ + - 2^окр^рсо» ай а. (9)
Поскольку поступательная скорость ир мелиоративной машины значительно меньше окружной скорости иокр используемых на ней фрезерных рабочих органов, то можно принять й1 = Лфрйа/ [3].
Тогда работа (кДж) силы резания ножа за один оборот фрезы равна:
\0,6
Ар = 103 • 0,12Суд
60Пфр7н у
и.
60Пфр7н у
х (0,9акон - 0,18т2акон).
Принимая во внимание условия работы фрезы при очистке каналов, а также общее число ножей 2общ, выражение для определения работы на резание грунта фрезой после несложных преобразований, примет вид:
Ар =
уд^ ' ир''фр^н / ир"н
_ уд
1,2 п
(11)
фр
где «н ='
^общ
- число ножевых секций.
Мощность, в кВт, на резание грунта ножами фрезы Кр.фр. определим из выражения
N
р.Фр.
Ар}
фр
60
После подстановки (11) в (12) и преобразования получим:
N
рфр.
ПфрСуд (з,4я^фр^р )0,6(7 н^окр )0,4 К«нк
60 • 1,2 • А
(12)
(13)
фр
Применение фрезы с ножами криволинейной формы планируется на базе каналоочистителя МР-16 (рис. 3), позволяющего обрабатывать каналы
глубиной до 3 м.
Рис. 3. Каналоочиститель МР-16
Расчет производительности фрезы с учетом скорости движения машины МР-16 и разрабатываемой площади сечения без учета специфики фрезы и особенностей ее работы дает погрешность до 10 %. Поэтому предлагается определять производительность фрезы с криволинейными ножами, учитывая объем непосредственно срезаемой стружки и частоту вращения
н
Пфр. - 605Стр6нДфр^общ«фр, (14)
где Ьн - ширина ножа фрезы, м.
Принимая во внимание, что 5 =---, после преобразований по-
60«фЛ
лучим:
Пфр. - ^рЬнДфрПн. (15)
Энергоемкость в кВт-ч/м3, разработки грунта фрезой определим, используя формулу
_ Nр Ефр =
Пфр
или
Е Суд (3,4^фр>Рр )0,6(2н ц )0,4 Ьн Пн ксн (16)
Ефр =-727-• (16)
/27фр
Таким образом, прослеживается зависимость энергоемкости процесса от физико-механических свойств разрабатываемого грунта наносов, геометрических, кинематических параметров криволинейных ножей и фрезы в целом, а также от эксплуатационных параметров мелиоративной машины.
Необходимым условием эффективной работы транспортирующих лопаток рабочих органов мелиоративных машин при очистке каналов от наносов является создание определенно-направленного транспортного потока грунта от фрезы к транспортирующему узлу.
Необходимо обеспечивать непрерывное скольжение грунта вдоль поверхности лопатки и его сход в нужный момент.
Поэтому необходимо применять лопатки, отогнутые под определенным углом фл, создающие условия непрерывного скольжения перемещаемого грунта и снижающие сопротивление.
Величина угла захвата фл оказывает существенное влияние на интенсивность схода грунта с лопатки и образование непрерывного грунтового потока.
Полное сопротивление (Н), возникающее при работе лопаток, будет иметь вид [2]:
Рл - (Рпр + Рин + Рпер^л, (17)
где Рпр - сила сопротивления от трения призмы волочения о дно канала, Н; Рин - сила инерции грунта, Н; Рпер - сопротивление перемещению призмы волочения вдоль лопатки, Н; 2Л - число лопаток рабочего органа.
Сила Рпр приложена к центру масс призмы и направлена в сторону, противоположную вектору абсолютной скорости движения призмы волочения грунта
Рпр - «пр^ф^и^л + уг). (18)
В результате получим:
р — 1ПАР тр со» ¥ гтр 5'П(Ф л + ¥ г ) пр 2»1пфл С08(фл + ¥ Г)
Сила инерции грунта -
Рин = 1п^ТрРГр^2окр»1П2фл / 2g. (20)
Сопротивление перемещению призмы волочения вдоль лопатки Рпер определяется нормальной к лопатке составляющей N сил Рпр и Рин. Пассивным давлением от веса призмы на поверхность лопатки пренебрегаем [3]. Тогда нормальная к лопатке составляющая БК сил инерции и трения равна:
/АрРгр^кр Фл , ^грР^Р ¥г
г-^ —--1--. (21)
2 g 2»1П фл со»(фл + ¥ г )
Сопротивление (Н) перемещению призмы вдоль лопатки с учетом БК
равно:
Рпер = ГЛ^¥гСо8фд. (22)
л«фр Ял
Величина 1п = 0,5/лсо»фл, а иокр — —30—. С учетом этого в результате преобразований получим:
р — ФгрРгр со5 ¥ Г tgфтр (g 51п(фл + ¥ г ) + со5 фл 51П ¥ г +
л _
^л.фр — ^^, (24)
,78 • со»( фл + ¥ г )
+ 1лАгрРгр (лпфр^л 30-1)2(1 + флtg¥Г) (23)
8,13g "
Мощность (кВт) на работу лопаток рабочего органа определим следующим образом:
М дЮ, 1000
где Мл - необходимый крутящий момент на лопатках, Н-м; Юфр - угловая скорость рабочего органа, с-1.
Возникающий крутящий момент на лопатках:
Мл = Рл-Тр-Хл. (25)
Крутящий момент найдем, учитывая, что сила Рл приложена на расстоянии 31от от края лопатки [3] следующим образом:
М — ( ФгрР гр со5 ¥ Г ^фтр (g 51п(фл + ¥ г ) + со5 фл 51П ¥ г ) +
л — ( 8,78 • со»( фл + ¥ г )
+ ААрРгр(^пфрДл)2(1 + флtg¥г))0 81 „ Х (26)
+-8ГTзg-)0,8фрХ л, (26)
где Агр - толщина слоя грунта до его перемещения лопаткой, м.
После преобразований получим:
N = ( 1^грРгр cos ¥ Г (g ^п(фл + ¥ Г) + cos Фл sin ¥ Г) +
л фр " ( 8,78cos(Фл +¥Г) +
+ 1АрРгр (Л"фрДл) (1 + СОЭ^¥г) ) Z л'фр
8,13^ ) 37,04 -1000' ( )
Энергоемкость в кВт-ч/м3 работы лопаток найдем по формуле
Е = ( ФгрРгр с°5 ¥ Г ^фтр (£ ^п(фл + ¥ Г) + с°5 фл ^п ¥ Г) +
лфр " ( 8,78о°8(фл + ¥Г)
, 1Лрр!р (™фрДл)2(1 + С°в фл *ё¥ Г \ (28) +--)-5-' (28)
8,13£ 37,04 -103 Ьн Ьфр 2п
Таким образом, величина энергоемкости транспортирования грунта лопатками криволинейной формы зависит от геометрических и кинематических параметров лопаток и рабочего органа в целом. Большое влияние на значение энергоемкости оказывают физико-механические свойства перемещаемого грунта.
Следует отметить, что применение на практике фрезерных рабочих органов с ножами и лопатками криволинейной формы позволит выполнить работы по реконструкции каналов с наименьшими затратами в установленные сроки, повысить объемы и качество получаемой продукции с орошаемого поля.
Список литературы
1. Абдразаков, Ф. К. Как повысить эффективность оросительных каналов / Ф. К. Абдразаков, А. В. Поваров // Мелиорация и водное хозяйство. - М., 2014. -№ 4. - С. 19-22.
2. Абдразаков, Ф. К. Технологии и технические средства для проведения эксплуатационно-ремонтных работ на оросительных каналах : моногр. / Ф. К. Абдразаков, В. С Егоров, Р. Н Бахтиев. - Саратов : ФГОУ ВПО «Саратовский ГАУ», 2008. - 151 с.
3. Абдразаков, Ф. К. Эффективные технологии и машины для очистки оросительных каналов от кустарника / Ф. К. Абдразаков, Д. А. Соловьев // Строительные и дорожные машины. - 1999. - № 12. - С. 32-33.
Абдразаков Фярид Кинжаевич
доктор технических наук, профессор, кафедра строительства и теплогазоснабжения, Саратовский государственный аграрный университет им. Н. И. Вавилова E-mail: povarov-av2012@yandex.ru
Поваров Андрей Владимирович
кандидат технических наук, доцент, кафедра строительства и теплогазоснабжения, Саратовский государственный аграрный университет им. Н. И. Вавилова E-mail: povarov-av2012@yandex.ru
Abdrazakov Fyarid Kinzhaevich doctor of technical sciences, professor, sub-department of construction and heat, Saratov State Agrarian University named after of N. I. Vavilov
Povarov Andrey Vladimirovich
candidate of technical sciences, associate professor,
sub-department of construction and heat, Saratov State Agrarian University named after of N. I. Vavilov
УДК 621.879.41 Абдразаков, Ф. К.
Процесс взаимодействия фрезерных рабочих органов, оборудованных ножами криволинейной формы, с грунтом оросительных каналов при проведении эксплуатационно-ремонтных работ / Ф. К. Абдразаков, А. В. Поваров // Модели, системы, сети в экономике, технике, природе и обществе. - 2015. - № 4 (16). - С. 111-119.
