СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОПРОТИВЛЕНИЯ РЕЗАНИЮ СНЕЖНО-ЛЕДЯНЫХ ОБРАЗОВАНИЙ И МЕРЗЛЫХ ГРУНТОВ
METHOD FOR DETERMINING CUTTING RESISTANCE OF SNOW-ICE FORMATIONS AND FROZEN SOILS

Изобретение относится к технологии измерений, в частности к определению сопротивления резанию снежно-ледяных образований и мерзлых грунтов срезающим устройством, таким как отвал, резец, зуб, и может быть использовано для определения оптимальных параметров установки срезающего устройства и технологического процесса резания.
Известен метод определения усилий при резании снега рабочим органом отвального типа, осуществляемый с использованием тензозвена, регистрирующего горизонтальную, боковую и вертикальную составляющие усилия резания, на котором закреплена модель отвала автогрейдера. Тензозвено установлено на направляющих стенда, обеспечивающего перемещение тензозвена относительно образца снега, при этом образец неподвижен, а стенд расположен в неотапливаемом контейнере. Исследования проводятся без изменений условий окружающей среды с использованием естественного материала. В частности из снежного наката, находящегося на дорожном покрытии, вырезается образец, поверхность образца выравнивается, определяется плотность снега отношением веса вырезанного снега к внутреннему объему цилиндра, также регистрируется температура окружающего воздуха, и определяется прочность образца. Затем образец с помощью упоров фиксируется на столе стенда с возможностью задания толщины срезаемого слоя, которая обеспечивается поднятием образца над столом стенда с помощью тарированных пластин по отношению к срезающему устройству. Далее задаются параметры срезающего устройства и технологического процесса резания. Угол установки срезающего устройства задается 30°. Задаваемые углы резания составляют: 15°, 30°, 45°, 60°, а толщина срезаемой стружки составляет 10, 20, 30, 40 (мм) при каждом угле резания. Скорость перемещения тензозвена по направляющим стенда постоянная, соответствующая скорости резания 0,51 м/с. С помощью программы PowerGraph регистрируются горизонтальная, вертикальная и боковая составляющие сопротивления резанию в виде осциллограмм с показаниями от каждого тензометрического датчика тензозвена. При выходе тензозвена из контакта с образцом, отключается его перемещение, а зарегистрированные данные сохраняются на ПК, тензозвено вручную перемещается в исходное положение, снова задается угол установки, угол резания и толщина срезаемого слоя. Обработка данных проводится при помощи программного обеспечения PowerGraph и Microsoft Office Excel. На основании полученных данных строятся графические зависимости составляющих сопротивления резанию от угла резания и глубины резания с целью нахождения пригодных для практического применения функциональных связей между силовыми характеристиками и геометрическими параметрами установки грейдерного отвала. (Определение усилий при резании снега рабочим органом отвального типа / Лысянников А.В., Желукевич Р.Б., Кайзер Ю.Ф. // Вестник. КузГТУ, 2012, №2. С. 95-98).
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ проведения измерений составляющих сопротивления снега резанию, принятый в качестве прототипа, осуществляемый в соответствии с планом полного факторного эксперимента. При этом эксперимент проводится в естественных условиях на специально спроектированном и изготовленном стенде «грунтовый канал», установленном на открытой площадке полигона. Стенд «грунтовый канал» представляет собой пространство, ограниченное горизонтально расположенными направляющими, по которым перемещается с помощью лебедки ходовая тележка с прикрепленной к ней навесной рамой, промежуточной рамой и плугом. Рабочее пространство «грунтового канала» перед каждым этапом эксперимента заполняется снегом, при необходимости уплотняется. Верхняя поверхность снега выравнивается, определяется плотность снега отношением веса вырезанного снега с помощью металлического цилиндра к внутреннему объему цилиндра. Также измеряются температура снега и температура окружающего воздуха. Плуг устанавливается под необходимым углом установки в «плане» (90°) и задаваемым углом резания (35°, 45°, 55°). С помощью винтовых опор стенда задается необходимая толщина срезаемой стружки снега. Скорость перемещения ходовой тележки постоянная, соответствующая скорости резания 0,065 м/с. С помощью программы PowerGraph регистрируются горизонтальная, вертикальная и боковая составляющие сопротивления резанию в виде осциллограмм с показаниями от каждого тензометрического звена. При приближении ходовой тележки к концу канала лебедка отключается, зарегистрированные данные сохраняются на ПК. Далее ходовая тележка перемещается в начало канала, снег заполняется заново для проведения следующего этапа эксперимента. Обработка данных проводится при помощи программного обеспечения PowerGraph и Microsoft Office Excel. При этом компьютерные осциллограммы обрабатываются по пиковым и средним значениям в момент скола снега. На основании полученных данных строят круги Мора для соответствующих предельно-напряженных состояний с целью обоснования оптимальных режимов резания снега (Закиров М.Ф. диссертация канд. техн. наук. Обоснование параметров процесса резания снега плужным рабочим органом малогабаритного снегоочистителя, Москва 2012 г., прототип).
Общим недостатком аналога и прототипа является низкая их эффективность, обусловленная ограничением возможностей способа и недостаточной информативностью, в связи с получением только оценки зависимости усилия резания от плотности снега, углов резания и глубины резания при постоянных значениях скорости перемещения (резания) и угле установки, а также при фактической температуре, измеряемой в момент проведения эксперимента.
Технической проблемой является повышение информативности способа определения составляющих сопротивления резанию снежно-ледяных образований и мерзлых грунтов и определение оптимальных параметров: углов резания и установки срезающего устройства, скорости резания, радиуса закругления режущей кромки срезающего устройства и толщины срезаемого слоя, в зависимости от плотности и прочности образца и температуры окружающего воздуха.
Для решения технической проблемы и достижения технического результата предложен способ определения сопротивления резанию снежно-ледяных образований и мерзлых грунтов, включающий проведение измерений горизонтальной, вертикальной и боковой составляющих сопротивления резанию образцов из естественной среды в соответствии с планом факторного исследования и с использованием стендового оборудования со срезающим устройством и тензозвеном с тензометрическими датчиками, фиксирующими составляющие сопротивления резанию образцов с выровненной поверхностью разной плотности при разных углах резания и разной толщине среза при каждом угле резания, регистрацию и обработку составляющих сопротивления резанию проводят с помощью программного обеспечения, а по построенным на основании полученных данных графическим зависимостям определяют оптимальные параметры процесса резания. Новым является то, что измерения проводят в морозильной камере с возможностью сохранения постоянной температуры и обеспечения широкого диапазона температур для приближения к возможным естественным условиям. Подготовленные образцы выдерживают в морозильной камере до начала измерений для стабилизации температуры образца. Для измерений используют два стенда, один из которых, снабженный срезающим устройством и тензозвеном с тензодатчиками, находится в статическом положении, а второй стенд обеспечивает перемещение жестко закрепленного на нем образца навстречу срезающему устройству для их взаимодействия и осуществления процесса срезания.
Согласно изобретению, процесс срезания проводят по блокированной и полублокированной схемам резания.
Согласно изобретению, определяют физико-механические параметры каждого образца: прочность, плотность и температуру.
Согласно изобретению, срезающее устройство устанавливают под различными углами установки от 0° до 90° и углами резания от 0° до 90°, задают различные значения толщины срезаемого слоя, задают различные значения скорости перемещения (резания) образца.
Согласно изобретению, производят фото и видео фиксацию для изучения природы процесса на основе анализа видео и фотографий продуктов разрушения.
Г
Б
В
окр. возд.
Согласно изобретению, на основании полученных компьютерных данных строятся трехмерные графические зависимости горизонтальной F, боковой F, вертикальной F составляющих сопротивления резанию от угла резания срезающего устройства α и от угла установки срезающего устройства β, при этом радиус закругления лезвия срезающего устройства r = const, толщина срезаемого слоя h = const, скорость перемещения (резания) образца V = const, прочность образца Т = const, плотность образца ρ = const, температура окружающего воздуха t = const. По графическим зависимостям определяют влияние угла резания срезающего устройства и угла установки срезающего устройства на значения составляющих сопротивления резанию.
Г
Б
В
окр. возд.
Согласно изобретению, на основании полученных компьютерных данных строятся трехмерные графические зависимости горизонтальной F, боковой F, вертикальной F составляющих сопротивления резанию от угла резания срезающего устройства α и толщины h срезаемой стружки, при этом угол установки срезающего устройства β = const, радиус закругления лезвия срезающего устройства r = const, скорость перемещения (резания) образца V = const, прочность образца Т = const, плотность образца ρ = const, температура окружающего воздуха t = const. По графическим зависимостям определяют влияние угла резания срезающего устройства и толщины срезаемого слоя на значения составляющих сопротивления резанию.
окр. возд.
Согласно изобретению, дополнительно проводят измерения составляющих сопротивления резанию в зависимости от изменения или плотности снежно-ледяных образований, или прочности снежно-ледяных образований, или температуры t окружающего воздуха, или скорости перемещения (резания) образца V, или радиуса закругления лезвия срезающего устройства r.
Г
Б
В
окр. возд.
Согласно изобретению, на основании полученных данных строятся двухмерные графические зависимости горизонтальной F, боковой F, вертикальной F составляющих сопротивления резанию от плотности образцов снежно-ледяных образований, от прочности образцов снежно-ледяных образований, от температуры t окружающего воздуха, от скорости перемещения (резания) образца V, от радиуса закругления лезвия срезающего устройства r, по каждой из которых определяют влияние соответствующего параметра на значения составляющих сопротивления резанию.
окр. возд.
При определении влияния плотности снежно-ледяных образований радиус закругления лезвия срезающего устройства r = const, угол резания срезающего устройства α = const, угол установки срезающего устройства β = const, толщина срезаемого слоя h = const, скорость перемещения (резания) образца V = const, прочность образца Т = const, температура окружающего воздуха t = const.
окр. возд.
При определении влияния прочности снежно-ледяных образований радиус закругления лезвия срезающего устройства r = const, угол резания срезающего устройства α = const, угол установки срезающего устройства β = const, толщина срезаемого слоя h = const, скорость перемещения (резания) образца V = const, плотность образца ρ = const, температура окружающего воздуха t = const.
окр. возд.
При определении влияния температуры t окружающего воздуха радиус закругления лезвия срезающего устройства r = const, угол резания срезающего устройства α = const, угол установки срезающего устройства β = const, толщина срезаемого слоя h = const, скорость перемещения (резания) образца V = const, прочность образца Т = const, плотность образца ρ = const.
окр. возд.
При определении влияния скорости перемещения (резания) образца V радиус закругления лезвия срезающего устройства r = const, угол резания срезающего устройства α = const, угол установки срезающего устройства β = const, толщина срезаемого слоя h = const, прочности образца Т = const, плотность образца ρ = const, температура окружающего воздуха t = const. Из исследований, проведенных по резанию грунта, известно, что сила сопротивления резанию увеличивается с увеличением скорости перемещения (резания) срезающего устройства.
окр. возд.
При определении влияния радиуса закругления лезвия срезающего устройства r угол резания срезающего устройства α = const, угол установки срезающего устройства β = const, толщина срезаемого слоя h = const, прочность образца Т = const, плотность образца ρ = const, скорость перемещения (резания) образца V = const, температура окружающего воздуха t = const.
Г
Б
В
Для пояснения способа представлены трехмерные графические зависимости составляющих сопротивление резания (горизонтальная F, боковая F, вертикальная F) от углов установки срезающего устройства и углов резания, а также зависимости составляющих сопротивление резания от углов резания и толщины срезаемого слоя при блокированном способе резания, где:
3
окр. возд.
фиг. 1 - трехмерная зависимость горизонтальной составляющей усилия резания от угла установки β срезающего устройства и угла резания α, при толщине срезаемого слоя h = 40 мм, скорости перемещения (резания) образца V = 0,51 м/с, радиусе закругления лезвия срезающего устройства r = 0°, плотности образца ρ = 400 кг/м, прочности образца Т = 1230 кПа, температуре окружающего воздуха t = -5°С;
3
окр. возд.
фиг. 2 - трехмерная зависимость боковой составляющей усилия резания от угла установки β срезающего устройства и угла резания α, при толщине срезаемого слоя h = 40 мм, скорости перемещения (резания) образца V = 0,51 м/с, радиусе закругления лезвия срезающего устройства r = 0°, плотности образца ρ = 400 кг/м, прочности образца Т = 1230 кПа, температуре окружающего воздуха t = -5°С;
3
окр. возд.
фиг. 3 - трехмерная зависимость вертикальной составляющей усилия резания от угла установки β срезающего устройства и угла резания α, при толщине срезаемого слоя h = 40 мм, скорости перемещения (резания) образца V = 0,51 м/с, радиусе закругления лезвия срезающего устройства r = 0°, плотности образца ρ = 400 кг/м, прочности образца Т = 1230 кПа, температуре окружающего воздуха t = -5°С;
3
окр. возд.
фиг. 4 - трехмерная зависимость горизонтальной составляющей усилия резания от угла резания α срезающего устройства и толщины срезаемого слоя h, при угле установки β = 45°, скорости перемещения (резания) образца V = 0,51 м/с, радиусе закругления лезвия срезающего устройства r = 0°, плотности образца ρ = 400 кг/м, прочности образца Т = 1230 кПа, температуре окружающего воздуха t = -5°С;
3
окр. возд.
фиг. 5 - трехмерная зависимость боковой составляющей усилия резания от угла резания α срезающего устройства и толщины срезаемого слоя h, при угле установки β = 45°, скорости перемещения (резания) образца V = 0,51 м/с, радиусе закругления лезвия срезающего устройства r = 0°, плотности образца ρ = 400 кг/м, прочности образца Т = 1230 кПа, температуре окружающего воздуха t = -5°С;
3
окр. возд.
фиг. 6 - трехмерная зависимость вертикальной составляющей усилия резания от угла резания α срезающего устройства и толщины срезаемого слоя h, при угле установки β = 45°, скорости перемещения (резания) образца V = 0,51 м/с, радиусе закругления лезвия срезающего устройства r = 0°, плотности образца ρ = 400 кг/м, прочности образца Т = 1230 кПа, температуре окружающего воздуха t = -5°С.
Способ определения сопротивления резанию снежно-ледяных образований и мерзлых грунтов осуществляется следующим образом.
Предварительно осуществляется вырезание образцов из естественной среды, в качестве которых могут быть: снежно-ледяные образования, находящиеся на дорожном покрытии, природный лед из водоема, мерзлый грунт.
Образец помещается в морозильную камеру, в которой установлено стендовое оборудование.
В морозильной камере выставляется требуемая для исследования температура.
Подготовленные образцы выдерживаются в морозильной камере в течении 48 ч, с целью стабилизации температуры образца.
Пред проведением эксперимента определяется плотность образца и его твердость с использованием твердомера.
Температура в морозильной камере принимается за температуру окружающего воздуха
На стационарно установленный стенд для измерения сопротивлений резанию закрепляется срезающее устройство, устанавливаются необходимые угол установки и угол резания срезающего устройства.
Образец закрепляется на столе второго стенда, обеспечивающего перемещение образца в направлении срезающего устройства.
С помощью поднятия стола стенда выставляется необходимая толщина срезаемой стружки.
С помощью перемещения стола стенда вправо, влево выбирается схема резания (блокированная, полублокированная).
На стенде, осуществляющем перемещение образца, задается необходимая скорость перемещения (резания) образца.
Запускается программа «LGraph2» в режиме регистрации данных.
В процессе резания образца регистрируются горизонтальная, вертикальная и боковая составляющие сопротивления образца резанию в виде осциллограмм с показаниями от каждой тензометрической балки стационарного стенда.
По окончанию процесса резания стенд, осуществляющий перемещение образца, отключается, зарегистрированные данные сохраняются на ПК.
На следующем этапе измерений сопротивления резанию снова задаются необходимые угол установки срезающего устройства, угол резания, толщина срезаемой стружки и скорость перемещения, процесс резания повторяется.
Обработка данных проводится при помощи программного обеспечения PowerGraph и Matlab. Компьютерные осциллограммы обрабатываются по пиковым и средним значениям в момент скола материала образца.
На основании полученных данных строят указанные графические зависимости, по которым определяют влияние параметров на значения составляющих сопротивления резанию.
При этом повышается точность определения оптимальных углов установки срезающего устройства и углов резания, скорости (резания) перемещения срезающего устройства, толщины срезаемого слоя с учетом прочности образца, плотности образца и температуры окружающего воздуха, обеспечивающих повышение эффективности и снижение энергоемкости процесса резания.
Техническим результатом изобретения является повышение информативности способа определения сопротивления резанию снежно-ледяных образований и мерзлых грунтов за счет большего объема данных и определение оптимальных параметров установки срезающего устройства и параметров процесса резания, обеспечивающих минимальные значения составляющих сопротивления резанию.
Способ позволяет также повысить точность определения составляющих сопротивления резанию снежно-ледяных образований и мерзлых грунтов за счет устранения погрешности из-за перемещения тензозвена.
Полученные данные могут быть использованы в автоматических системах управления рабочими органами строительно-дорожных машин.