Влияние угла резания отвала на усилия и энергоемкость резания снежного наката

А. В. Лысянников, Р. Б. Желукевич, Ю. Ф. Кайзер,

Н. Н. Малышева, И. В. Надейкин

ВЛИЯНИЕ УГЛА РЕЗАНИЯ ОТВАЛА НА УСИЛИЯ И ЭНЕРГОЕМКОСТЬ РЕЗАНИЯ СНЕЖНОГО НАКАТА

Ключевые слова: уплотненные снежные образования, модель отвала, усилие резания, угол установки, угол резания.

Представлены результаты исследований влияния угла резания отвала снегоуборочной машины на усилия резания уплотненных снежных образований. Определены оптимальные параметры угла резания, выявлены зависимости усилия резания от физико-механических свойств снега, углов и глубины резания. Полученные результаты могут быть использованы при проектировании отвалов и расчете энергоемкости снегоуборочных машин, а геометрические параметры установки угла резания, показывающие наименьшие усилия резания могут быть рекомендованы для применения дорожно-эксплуатационными организациями при содержании дорог в зимний период.

Key words: compacted snow, the model of the dump, the force of the cutting, installation angle, cutting angle.

The results of studying the influence of the angle of the cutting blade on the cutting force of compacted snow and power consumption of the process. Identified the optimum parameters of the cutting angles, cutting force identified depending on the physico-mechanical properties of snow, angles and depth of cut. The results obtained can be used in the design of the blade, the calculation of energy snowblower technician, the geometric parameters of the installation angle of the cutting, showing the lowest cutting forces can be recommended for the use of road-operating agencies in the content of the coating of roads in the winter.

Введение

Дорожно-эксплуатационные службы в зимний период должны поддерживать автомобильные дороги в состоянии, обеспечивающем движение автомобилей с установленными скоростями и уровнем безопасности движения. Снежные отложения, образующиеся на дорожном полотне, могут вызвать снижение скорости автомобилей или полную остановку движения. Действующие нормы зимнего содержания дорог зависят от интенсивности движения автотранспорта и категории дороги. На покрытии дорог высших категорий (перроны, рулежные и взлетно-посадочные полосы аэропортов) не допускается наличие снега, снежного наката, льда, валов вдоль обочин. Требования к дорогам более низкой категории менее жесткие: они всегда должны быть очищены от снега и на их поверхность нанесены противогололедные

реагенты. Борьба с зимней скользкостью на автомобильных дорогах в зависимости от состояния покрытия и погодно-климатических условий ведется двумя способами: профилактическим, который

проводится с целью предупреждения образования снежного наката или гололеда; ликвидационным, который проводится в случае уже образовавшегося наката для его ликвидации дорожноэксплуатационной службой [1-2].

Очистка дорожных покрытий от снежного наката включает в себя две технологические операции: разрушение наката и транспортировка его фрагментов. Для зимнего содержания тротуаров, дорог и аэродромов зимой, очистки от снега и наледи наиболее широко используется плужная (боковой, передний, скоростной отвалы, задний скребок) снегоуборочная техника в силу своей универсальности и простоты конструкции. Основным процессом, определяющим

производительность очистки, является процесс резания, то есть отделение от дорожного покрытия фрагментов снежного наката рабочим органом снегоуборочной машины. Критерием рационального использования плужной снегоуборочной техники является повышение эффективности резания снежного наката отвалом с одновременным снижением энергоемкости.

Анализ ранее выполненных исследований в области повышения эффективности плужных снегоочистителей показывает, что данные работы были направлены на совершенствование формы отвалов снегоуборочных машин и явно недостаточное внимание уделялось определению оптимальных параметров углов резания и установки отвалов. Исследованием резания снега занимались такие ученые как А. Л. Горбунов, И. С. Вайсберг, Г. Г. Воскресенский, А. П. Куляшов, Ю. И. Молев.

Цель работы

Целью настоящей работы является определение пригодных для практического применения функциональных связей между силовыми характеристиками процесса резания снежного наката, физико-механическими свойствами наката и параметрами установки отвала автогрейдера.

Экспериментальные исследования

Исследования процесса резания снежного наката проводились на лабораторном стенде для испытания режущих инструментов и моделей рабочих органов землеройных и дорожных машин, на образцах, вырезанных из снежного наката плотностью рс = 400 - 500 кг/м3 при температуре воздуха от минус 5 до минус 8 оС, так как в таких условиях по данным многолетних наблюдений в районах Сибири происходит выпадение 70 - 80 % годового объема снега [3].

6 -

'1 •і

\ /

\ / / 3

\ / / /

\ / / 2

\ ✓

\ N 1

ч.

Глубина 2с резания, мм. 10-

Р. , кН

♦6 60

90 «, град.

Угол резания ОС, град.

Р..КІ1

\

\

\ 4

. \ /

\ \ / 3

\ \ /

\ V Г-- у 2

\ \ \ N. ** 1

ч

30 46

60 75

90 град.

90 105

Умы рсмншиСХ, і ра і.

б

Рис. 1 - Зависимость горизонтальной составляющей усилия резания от угла и глубины резания снежного наката: а - накат плотностью 400-450 кг/м3; б - накат плотностью 450-500 кг/м3; при глубине резания 1,2,3, 4 - соответственно 10, 20, 30, 40 мм

На направляющих стенда монтировалось

специально изготовленное измерительное

устройство позволяющее регистрировать

составляющие усилия резания (горизонтальная, боковая, вертикальная) с закрепленной моделью отвала автогрейдера, изготовленной в масштабе 1:10. Эксперименты проводились при угле установки отвала д = 60о, углах резания а = 15, 30, 45, 60, 75, 90о и глубине резания h = 10, 20, 30, 40 мм. На стенд устанавливался подготовленный образец снега, поверхность которого

предварительно выравнивалась, после чего

совершался рез при заданном угле резания.

На основе статистически обработанных

экспериментальных данных построены зависимости горизонтальной составляющей усилия резания от угла и глубины резания (рис. 1).

Анализ зависимостей горизонтальной составляющей усилия резания от угла и глубины резания представляет особый интерес, так как значения горизонтальной составляющей определяют величину удельной энергоемкости процесса резания. Анализируя данные зависимости,

установлено, что значения горизонтальной составляющей с увеличением угла резания изменяются по полиноминальному уравнению третьей степени. Для исследуемых плотностей снега

характерно равномерное уменьшение значений горизонтальной составляющей до значений угла резания а = 45-50°.

На рис. 2 приведены полученные

зависимости вертикальной составляющей усилия резания от угла и глубины резания.

В результате анализа данных зависимостей, установлено, что величина вертикальной составляющей с увеличением угла резания изменяется полиноминально. Наименьшее значение вертикальной составляющей усилия резания для исследуемых плотностей снега наблюдается при угле резания а = 45-50о. На основе статистически обработанных данных произведен расчет удельной энергоемкости и построены графические зависимости энергоемкости от угла и глубины резания

Анализ полученных зависимостей показал, что наименьшая удельная энергоемкость процесса обеспечивается при резании снежного наката моделью отвала автогрейдера при угле резания а = 45-50о, на всем диапазоне изменяющихся значений глубины резания h = 10, 20, 30, 40 мм, т. е. при тех же условиях, при которых были получены минимальные значения горизонтальной

составляющей усилия резания.

а

Рис. 2 -наката: 1, 2, 3, 4

Рис. 3 наката: 1, 2, 3, 4

Р.. к11

град.

б

> I 0.1 ргшши и . I ри.1.

Зависимость вертикальной составляющей усилия резания от угла и глубины резания снежного а - накат плотностью 400-450 кг/м3; б - накат плотностью 450-500 кг/м3; при глубине резания

- соответственно 10, 20, 30, 40 мм

Е. кВт*ч/м1

00*

\ 1

ч

0 02 V -

ч "

\ / / •»

ч V > У

001 ч

-

о 16 30 45 60 75 90 „

П. I рал.

а

Е. кВт*н/«* ’

б

- Зависимость удельной энергоемкости процесса резания от угла и глубины резания снежного а - накат плотностью 400-450 кг/м3; б - накат плотностью 450-500 кг/м3; при глубине резания

- соответственно 10, 20, 30, 40 мм

Энергоемкость Е. кВтч/м

Глубина рсшння И. мм

Уи».| рсшння (£. град.

)нсргосм кость Е. кВ 14 м '

Глубина рсшння И. мм

>ю.1 рсшння и . I ра I.

Вывод

Полученные значения горизонтальной составляющей усилия резания и их зависимость от углов резания и физико-механических свойств уплотненных снежных образований могут быть применены для отвалов, находящихся в эксплуатации, при расчете энергоемкости и проектировании новых снегоочистительных машин. Установлено, что при угле установки отвала 60о наименьшие усилия резания обеспечиваются при угле резания а = 45-50° Данные углы можно рекомендовать для применения дорожноэксплуатационными организациями при

выполнении работ по снегоочистке дорожных

покрытий, что позволит повысить эффективность разрушения уплотненных снежных образований снегоуборочным отвалом.

Литература

1. Васильев А. П., Сиденко В. М. Эксплуатация автомобильных дорог и организация дорожного движения: Учебник для вузов/ Под ред. А. П. Васильева.

- М.: Транспорт, 1990.- з04с.

2 Куляшов А. П. Зимнее содержание дорог/ А. П. Куляшов, Ю. И. Молев, В. А. Шапкин. - Н. Новгород, НГТУ, 2007. - 318с.

3. Мерданов Ш. М. Научные основы создания комплексов машин для строительства временных зимних дорог в районах сибири. автореф. дисс. на соиск. уч. степ. док-ра тех. наук: (05.05.04). - Тюмень, 2010. - 33 с.

© А. В. Лысянников - асп. каф. авиационных горюче-смазочных материалов Сибирского федер. ун-та, lysyannikov.alek@mail.ru; Р. Б. Желукевич - канд. техн. наук, проф. той же кафедры; Ю. Ф. Кайзер - канд. техн. наук, доц., зав. каф. авиационных горюче-смазочных материалов Сибирского федер. ун-та; Н. Н. Малышева - канд. техн. наук, доц. каф. топливного обеспечения и горюче-смазочных материалов Сибирского федер. ун-та, Nataly.NM@mail.ru; И. В. Надейкин -канд. техн. наук, доц. той же кафедры, ivan_777_kray@mail.ru.