Теория и практика создания рабочих органов строительных и дорожных машин с дисковыми резцами
На правах рукописи
Желукевич Рышард Борисович ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА СОЗДАНИЯ РАБОЧИХ ОРГАНОВ СТРОИТЕЛЬНЫХ И ДОРОЖНЫХ МАШИН С ДИСКОВЫМИ РЕЗЦАМИ Специальность: 05.05.04 – «Дорожные, строительные и подъемно-транспортные машины»
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук
Красноярск – 2013 2
Работа выполнена в Федеральном государственном автономном образователь ном учреждении высшего профессионального образования «Сибирский федеральный университет» Научный консультант - Безбородов Юрий Николаевич доктор технических наук, доцент
Официальные оппоненты: Воскресенский Геннадий Гаврилович доктор технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Тихоокеанский государственный университет», профессор кафедры «Транспортно-технологические системы в строительстве и горном деле» Червов Владимир Васильевич доктор технических наук, старший научный сотрудник, ФГБУН «Институт горного дела им. Чинакала Сибирско го отделения Российской Академии наук (ИГД СО РАН)», г. Новосибирск, ведущий научный сотрудник лаборатории «Механизация горных работ» Галдин Николай Семенович доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия (СибАДИ)», заведующий кафедрой «Подъ емно-транспортные, тяговые машины и гидропривод» Ведущая организация - ФГБОУ ВПО «Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ)»
Защита состоится 5 июня 2013 г. в 14-00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.250.02 при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия (СибАДИ)» по адресу: 644080, г. Омск, пр. Мира, 5, зал заседаний.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государствен ного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образо вания «Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия (СибАДИ)».
Отзыв на автореферат в двух экземплярах с подписью, заверенной печатью уч реждения, просим направлять в адрес диссертационного совета.
Тел.: (3812) 65-07-66;
факс: (3812) 65-03-23;
e-mail: [email protected].
Автореферат разослан «» _ 2013 г.
Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук Кузнецова Виктория Николаевна
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы исследования. Дальнейшее освоение Севера и районов, прилегающих к Байкало-Амурской магистрали, повлечет за собой увеличение объемов разработки мерзлых грунтов. Обустройство нефтяных и газовых месторождений на территории Сибири требует строительства транспортных магистралей, кабельных се тей, бурения скважин, рыхления мерзлых грунтов. Ввиду заболоченности местности прокладка трубопроводов в районы Дальнего Востока и Китай с особой остротой ста вит проблему повышения темпов разработки мерзлых грунтов и снежно-ледяных обра зований механическим способом в зимнее время.
Вечная мерзлота, глубокое сезонное промерзание, большой процент каменистых включений в грунте ведут к повышенным нагрузкам на рабочее оборудование и в пер вую очередь на режущий инструмент, который в таких условиях быстро выходит из строя.
Основным фактором, влияющим на износостойкость режущего инструмента, яв ляется прочность грунта, обусловленная свойствами минеральных частиц, влажностью, температурой, текстурой, наличием воздуха, льда и незамерзшей воды. Лед цементиру ет все частицы, а за счет внешних воздействий структура льда и количество жидкой фа зы изменяются. Это приводит к изменению прочности мерзлого грунта.
Кроме наличия льда внутри грунта наружные поверхности строительных объек тов и покрытия дорог испытывают воздействие снегопадов, ветрового переноса, пере падов температур и уплотнения снега колесами транспортных средств. Уплотненные снежно-ледяные образования на дорогах вызывают повышение скользкости, уменьше ние коэффициента сцепления, а это влияет не только на безопасность движения, но и на скорость движения транспортных средств и, как следствие, на уровень выбросов вред ных веществ в атмосферу.
Мероприятия по предотвращению, разрушению и уборке снежно-ледяных и го лоледных образований трудоемки, повышают эксплуатационные затраты на содержа ние техники и оказывают вредное воздействие на окружающую среду.
Режущему инструменту, схемам его расстановки на рабочих органах и режимам резания посвящено много исследований. Рекомендуемые авторами углы резания у зубь ев экскаваторов для нарезания узких траншей и бурильных машин завышены в два раза.
Это приводит к росту усилия резания без увеличения объема разрушаемого грунта. При существующих конструкциях режущего инструмента уменьшение пути трения его ре жущей кромки – нереальная задача, поскольку каждая точка ее трется о забой от начала заглубления до выхода из него. При этом неизбежно интенсивное изнашивание режу щей кромки.
Высокие темпы роста объемов земляных работ в зимнее время, при нехватке средств на приобретение новой техники, обусловливают актуальность работ по совер шенствованию существующих и созданию новых рабочих органов для разработки мерзлых грунтов и снежно-ледяных образований (мерзлые грунты и снежно-ледяные образования далее будем называть твердыми средами) с целью повышения эффектив ности их разрушения без увеличения мощности базовой машины. Это может быть осу ществлено за счет установки на рабочие органы принципиально нового режущего инст румента в виде дисковых резцов.
Преимущество этого инструмента состоит в следующем. Он дает возможность на порядок уменьшить путь трения, так как каждая точка режущей кромки при перекаты вании диска по прямолинейному забою погружается в массив грунта по циклоиде толь ко на величину глубины резания, и позволяет заменить трение скольжения режущей кромки зубом трением качения (диск перекатывается вдоль забоя), что повышает долго вечность инструмента. Кроме того, установка такого инструмента обусловливает сни жение динамических нагрузок на рабочий орган при встрече с включениями, так как контакт режущей кромки с ними в первоначальный момент точечный, а скорость уменьшается по мере погружения точки режущей кромки в массив, следовательно, и нагрузка на режущий инструмент будет возрастать медленно.
Поскольку динамические нагрузки и путь трения уменьшаются, долговечность такого инструмента повышается, возникает возможность увеличения скорости резания, что влечет за собой значительное повышение производительности.
Степень разработанности темы. Степень разработанности и рекомендации, выявленные в процессе анализа исследований, выполненных авторами Л. И. Бароном, Л. Б. Глатманом, С. Л. Загорским, М. Г. Крапивиным и др., по разрушению горных по род дисковым инструментом не могут быть использованы для разрушения мерзлых грунтов и льда, из-за различия в свойствах горных пород, рекомендуемых параметров дискового инструмента и величин среза при разрушении таких сред.
Имеющиеся исследования ударного разрушения мерзлого грунта дисковыми рез цами с отрывом от массива уплотненного между дисками грунта не дают теоретических методов расчета усилий, возникающих на дисковом инструменте при изменении пара метров инструмента, ширины, глубины резания и свойств разрушаемой среды.
Существующие теории резания мерзлых грунтов и льда традиционным зубом не могут быть применены к расчету сопротивлений, возникающих на дисковом резце, из за различия в геометрии, профиле борозды после прохода инструмента, появления но вого параметра (диаметра диска) и отсутствия ширины среза при блокированном реза нии.
Разработка твердых сред рабочими органами с дисковым инструментом, как на учная область недостаточно изучена, что затрудняет проведение расчетов, проектирова ние, совершенствование действующих и создание новых конструкций рабочих органов.
Таким образом, теоретические и экспериментальные исследования разрушения твердых сред, разработка методики расчета усилий, возникающих на рабочих органах с диско выми резцами, и внедрение в производство новых и усовершенствованных рабочих ор ганов с данным инструментом являются актуальной научной проблемой.
Цель работы. Развитие теории разработки твердых сред рабочими органами с дисковым инструментом и экспериментальное подтверждение значения усилий, возни кающих на одиночном дисковом резце, и создание на этой основе рабочих органов с та ким инструментом, повышающих эффективность разработки твердых сред строитель ными и дорожными машинами.
Задачи исследований. Выполнить анализ существующих схем взаимодействия зубьев и дисковых резцов с мерзлым грунтом, необходимых для определения усилий, возникающих на традиционном инструменте.
Обосновать перспективность оснащения рабочих органов машин дисковым ин струментом, предназначенным для разработки мерзлых грунтов и очистки дорожных покрытий от снежно-ледяных образований.
Разработать методики проведения лабораторных, стендовых и натурных исследо ваний нагруженности отвалов автогрейдеров, буровых, диско-фрезерных рабочих орга нов, рыхлителей с дисковыми уширителями и выполнить экспериментальные исследо вания разрушения ими твердых сред различной прочности.
Разработать новые технические решения использования дискового инструмента в рабочих органах для разрушения твердых сред и математические модели взаимодейст вия одиночного конусного дискового резца с разрушаемой твердой средой и на их осно ве создать рабочие органы с таким инструментом.
Разработать конструкции оборудования и стенды для проведения исследований, позволяющих выявить влияние параметров дискового инструмента и значений величин среза на составляющие усилия резания в реальных природно-климатических условиях при разрушении твердых сред.
Исследовать нагруженность экспериментальных буровых рабочих органов на стенде с использованием тензометрии и провести опытную проверку их на реальных машинах в условиях строительного производства.
Исследовать нагруженность рыхлителей с использованием тензометрии и диско вого уширителя при разрушении мерзлых грунтов на базовых машинах тягового класса 250 кН.
Определить показатели тягово-сцепных характеристик бульдозерно рыхлительного агрегата с дисковым уширителем и без него в мерзлых грунтах различ ной категории прочности.
Выполнить анализ проведенных исследований, выявить закономерности влияния геометрических параметров инструмента, величин среза и свойств твердых сред на си ловые и энергетические показатели процесса их разрушения.
Разработать методику расчета усилий, возникающих на дисковом режущем инст рументе для разрушения твердых сред, и конструкции сменных рабочих органов, осна щенных таким инструментом.
Объектом исследования является взаимодействие одиночного дискового резца и рабочих органов с таким инструментом с твердыми средами при их разрушении.
Предметом исследования являются закономерности изменения силовых харак теристик, возникающих в процессе разрушения твердых сред в зависимости от измене ния геометрии одиночного дискового резца, параметров среза, свойств среды и нагру зочных характеристик рабочих органов с таким инструментом.
Основная идея работы: создание рабочих органов с дисковым инструментом обеспечивает повышение производительности и снижение энергоемкости процессов раз работки мерзлых грунтов и льда.
Научная новизна работы заключается:
- в разработке математических моделей расчета составляющих усилия резания на предложенные оригинальные технические решения рабочих органов с дисковым инст рументом для разрушения твердых сред, новизна которых подтверждена патентами и авторскими свидетельствами;
- в проведенных теоретических исследованиях по определению усилий, возни кающих на дисковом инструменте при разрушении твердых сред, и осуществлении экс периментальной проверки полученных результатов с использованием разработанных технических решений рабочих органов с дисковыми резцами и разработанной методики их расчета;
- во впервые исследованном механизме процесса разрушения мерзлых грунтов дисковым инструментом на роторных рабочих органах при нарезании узких траншей, бурении и рыхлении мерзлых грунтов различной категории прочности уширительным оборудованием с дисковым инструментом, закрепленным на стойке рыхлителя;
- в установлении закономерностей влияния прочностных характеристик мерзлых грунтов на изменение усилий в буровых рабочих органах и уширителях к рыхлителям с дисковыми резцами, обеспечивающих повышение производительности и снижение энергоемкости процесса.
Теоретическая и практическая значимость работы. Полученные результаты используются при проектировании рабочих органов с дисковым инструментом для оп ределения оптимальных параметров с целью совершенствования существующих и соз дания новых рабочих органов с дисковым инструментом.
Создано рабочее оборудование в виде уширителей к рыхлителям, буровым, ро торным рабочим органам и отвалам автогрейдеров с дисковыми резцами для рыхления, бурения, нарезания узких траншей в мерзлых грунтах и разрушения снежно-ледяных образований отвалами автогрейдеров с таким инструментом, обеспечивающие повыше ние производительности машин при снижении энергоемкости.
Разработанные математические модели и методика расчета усилий, возникающих на одиночном дисковом резце, позволяют определять расчетные нагрузки на рабочем оборудовании в зависимости от параметров инструмента, величины среза и свойств среды, а также энергоемкость процессов разрушения и мощность привода.
Данная методика используется проектными организациями при создании нового бурового, бульдозерно-рыхлительного и диско-фрезерного навесного оборудования, а также применяется в учебном процессе и при выполнении выпускных квалификацион ных работ в Институте нефти и газа Сибирского федерального университета. Два учеб ных пособия по тематике диссертационной работы, изданные диссертантом в соавтор стве, используются более чем 50 вузами профильного УМО в учебном процессе по ку рируемым УМО специальностям.
Методология и методы исследования. Методология исследования основана на использовании аналитических моделей взаимодействия одиночного дискового резца с твердыми средами, учитывающих силы трения среды о контактную поверхность инст румента и зоны трения внутри среды, с учетом допущений, гипотез и физической сущ ности процесса разрушения таких сред.
Для решения поставленных задач были использованы следующие методы иссле дования:
аналитический – при исследовании взаимодействия конусных дисковых резцов с твердыми средами в процессе их резания;
экспериментальный – при стендовых и натурных исследованиях рабочих органов с применением тензометрии. Применялись стандартные приборы и специальные разра ботанные стенды и приспособления;
вероятностно-статистический – при обработке результатов стендовых и натурных исследований с использованием стандартного программного обеспечения Mathcad 14, MATLAB, Miсrosoft Office Excel и Power Graph.
Положения, выносимые на защиту:
- математические модели взаимодействия дискового резца с разрушаемой средой и методика расчета усилий резания одиночным дисковым резцом и экспериментально подтвержденные усилия, возникающие на рабочих органах с таким инструментом при разрушении твердых сред, учитывающие геометрические параметры дискового инст румента, ширину и глубину резания, физико-механические свойства сред, позволяющие определить усилия резания при блокированном и полублокированном резании и уста новить оптимальные параметры оборудования, обеспечивающего минимальную энер гоемкость процесса;
- результаты экспериментальных исследований составляющих усилий резания в зависимости от диаметра, угла заострения дискового резца, параметров среза и свойств разрушаемой среды;
- результаты натурных исследований по разрушению мерзлых грунтов и опреде лению нагрузочных характеристик на рабочих органах землеройных машин. Зависимо сти между основными параметрами рабочих органов и их нагрузочными характеристи ками, позволяющие оценить нагрузки и энергозатраты на усилия резания в зависимости от параметров среза рабочими органами с таким инструментом при бурении скважин, разработке мерзлых грунтов рыхлителем с уширителями, удалении прочных снежно ледяных отложений с проезжей части дорог и подъездных путей.
Степень достоверности и апробация результатов, полученных диссертантом, подтверждается экспериментально, а также обеспечивается комплексным характером использования современных средств и методов научных исследований в области раз рушения твердых сред механическим способом, необходимым объемом эксперимен тальных исследований;
адекватностью результатов теоретических и экспериментально полученных результатов исследований (погрешность не превышает 20 %);
непротиво речивостью исследованиям других авторов;
использованием регистрирующего и испы тательного оборудования, позволяющего с достаточной точностью осуществлять изме рения требуемых параметров;
обоснованностью показателей, характеризующих про цесс разрушения твердых сред.
Основные результаты работы докладывались на 24 научных семинарах, научно практических и научно-технических конференциях с международным участием: науч ных конференциях (Москва, 1976;
Красноярск, 1977, 1981, 1990;
Омск, СибАДИ, 1979– 1983, 2011);
всероссийских и международных научно-практических конференциях (Красноярск, 2007;
Новосибирск, 2009;
Тюмень, 2010;
Новокузнецк, 2011;
Иркутск, 2011);
международных научно-технических конференциях (Тюмень, 2007, 2008, 2011;
Братск, 2009, Могилев, 2011, Одесса, 2012).
Результаты работы внедрены в ОАО «Строймеханизация» (г. Иркутск), ООО «Аэропорт Емельяново» (г. Красноярск) и Красноярском филиале ГП «Краевая дорожно эксплуатационная организация» при эксплуатации дорог в зимнее время, а также исполь зуются в учебном процессе Института нефти и газа Сибирского федерального универси тета. Результаты диссертационной работы, реализованные в учебных изданиях, исполь зуются в учебном процессе более чем 50 вузами страны.
Публикации. По теме диссертации опубликованы: 1 монография, 41 статья, в том числе 14 статей в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 2 учебных пособия с гри фом УМО, получено 17 авторских свидетельств и патентов РФ.
Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из введе ния, 6 глав, заключения, библиографического списка, приложений, содержит 364 стра ниц текста, в том числе 136 рисунков, 31 таблица. Список литературы включает 298 на именований, объем приложений 48 страниц.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении дана общая характеристика работы, обоснована ее актуальность, поставлены цель и задачи исследований, представлены объект, предмет и методы ис следования, сформулированы основные положения, выносимые на защиту, научная но визна и практическая значимость полученных результатов.
Первая глава посвящена анализу мерзлых грунтов и снежно-ледяных образова ний. Рассмотрены их физико-механические свойства, влияние размеров минералогиче ских частиц, влажности, температуры, структуры грунта, льда на прочностные характе ристики. Приведен обзор исследований и анализ известных устройств по разрушению горных пород, мерзлых грунтов и льда режущим инструментом. Обоснована целесооб разность применения дисковых резцов для оснащения рабочих органов строительных и дорожных машин.
Во второй главе представлены разработанные диссертантом основные техниче ские решения конструктивных схем возможного использования дискового инструмента в рабочих органах строительных и дорожных машин для разрушения твердых сред.
Анализ существующих рабочих органов и патентных исследований показал, что дан ный инструмент может быть использован в рабочих органах роторных экскаваторов, рыхлителей, буровых, диско-фрезерных, землеройно-фрезерных машин, сменных рабо чих органах к автогрейдерам и другом оборудовании. Рассмотрены кинематика движе ния точек дискового резца и процесс его взаимодействия с твердыми средами, приведе ны математические модели и теоретические исследования, необходимые для определе ния составляющих усилия резания при блокированной и полублокированной схеме ре зания одиночными дисковыми резцами.
В работах А. Н. Зеленина, Ю. А. Ветрова и др. рассматривается процесс, при ко тором разрушение грунта происходит по площади, ограниченной кривой БВГД (рису нок 1, а), в результате резания и по площади, ограниченной кривой АБДЕ (рисунок 1, а), в результате разрыва для хрупких материалов или вследствие сдвига – для пластич ных.
б а в г Рисунок 1 Схемы взаимодействия режущего инструмента с грунтом: а – зуба;
б, в – дискового резца соответственно типа А и Б при блокированном резании;
г – дискового резца типа А по полублокированной схеме резания Такой процесс разрушения происходит при резании до критической глубины, ха рактеризующейся отношением глубины резания к ширине среза, равной 2–4. Увеличе ние глубины резания больше критического значения влечет за собой образование на нижней части зуба ядра, которым грунт уплотняется в боковые стенки борозды. При этом прекращается рост боковых расширений прорези, резко увеличивается энергоем кость резания.
Большой вклад в исследования резания и рыхления мерзлых и талых грунтов внесли работы В. Д. Абезгауза, И. Я. Айзенштока, К. А. Артемьева, О. Д. Алимова, В. Л.
Баладинского, В. И. Баловнева, Е. И. Берестова, Ю. А. Ветрова, Д. П. Волкова, В. П. Го рячкина, Н. Г. Домбровского, А. М. Завьялова, А. Н. Зеленина, Б. З. Захарчука, И. П. Ке рова, Ф. Ф. Кириллова, Е. М. Кудрявцева, И. А. Недорезова, А. Ф. Николаева, И. К. Рас тегаева, В. Д. Телушкина, К. Терцаги, Д. И. Фдорова, Н. Я. Хархуты, Л. А. Хмары, Г. А.
Шлойдо и др.
Авторами получен ряд эмпирических формул для количественного определения сил резания, где используются различные коэффициенты разрушения при рыхлении в разных частях прорези, такие как толщина ядра уплотнения, сопротивление его внедре нию, показатели прочности твердых сред и др.
Эти коэффициенты могут применяться для тех условий разрушения грунтов при рыхлении, в которых они получены, в основном для зуба в форме клина. При измене нии формы режущего инструмента и схемы взаимодействия с грунтом проведение рас четов затруднено, а в некоторых случаях – невозможно. Сказанное относится к такому инструменту, как дисковый резец.
На рисунке 1, б показан резец типа А, на рисунке 1, в – резец типа Б. Эти типы резцов могут быть применены в рабочих органах землеройных и бурильных машин. Во время работы дисковый резец типа Б, перекатываясь вдоль забоя за счет поступательно го движения рабочего органа и вдавливаясь в грунт на некоторую глубину за счет пода чи, сжимает грунт боковыми поверхностями и сдвигает его в стороны. При таком же движении дисковый резец типа А разрушает грунт только одной боковой конусной по верхностью (рисунок 1, б). Со стороны поверхности большего основания конуса раз рушение грунта не происходит.
В случае резания резцом типа А по полублокированной схеме (рисунок 1, г), ко ническая поверхность, взаимодействующая с грунтом, та же, что и при блокированном резании, но усилия резания гораздо меньше, поскольку при такой схеме разрушения от крытыми являются две поверхности грунта. В сторону одной из них происходит скол, и соседние слои грунта не препятствуют ему. Схемы резания, приведенные на рисунке 1, показывают, что у зуба и дискового резца различные схемы взаимодействия с грунтом и поперечные сечения борозды. По этим причинам расчеты, применяемые для зубьев, не могут быть применены к расчету усилий, возникающих на дисковом резце.
В качестве реологической модели мерзлого грунта принята пластически сжимае мая среда. Экспериментальные исследования сжимаемости таких грунтов приведены в работах В. Н. Кузнецовой.
Сопротивление мерзлого грунта резанию дисковым резцом определяется процес сами, обусловленными движением резца с заглублением в твердую среду. В диссерта ции приводится математическая модель этих процессов (рисунок 2).
Движение диска можно описать системой дифференциальных уравнений:
РГ c x РГ H, (1) q РВ c Q РВ, у (2) q J oz Hус Qxc, (3) где Рг, Рв – соответственно горизонтальная и вертикальная составляющие усилия реза ния, кН;
Н, Q – соответственно горизонтальная и вертикальная составляющие реакции грунта, кН;
xc, yc – координаты точки приложения сил H и Q, м;
J oz – момент инерции относительно оси oz, кг·м2;
– угол поворота дискового резца от начала соприкосно вения режущей кромки с грунтом до ее погружения на глубину h, град.
а б Рисунок 2 Схемы взаимодействия дискового резца с грунтом: а – при передвижении диска вдоль оси х;
б – при погружении клина в грунтовый массив в условиях плоской деформации В приведенных выше уравнениях необходимо определить величины Рг, Рв, Q и H в зависимости от грунтовых условий, геометрических параметров дискового резца, сре за и схем резания.
Кинематические исследования показали, что в каждый определенный момент времени погружение дискового резца в грунтовый массив можно рассматривать как внедрение множества клиньев в его основание, а в плоскости, проходящей через любую точку режущей кромки и ось вращения, – как внедрение обыкновенного клина. В усло виях плоской деформации при вдавливании клина в полубесконечный массив величину давления на грани клина Р можно определить по формуле:
e2 tg tg 2 1, (4) P C0ctg где С0 – сцепление грунта, кН/м2;
2 – угол внутреннего трения, град;
– угол зоны ра диального сдвига, рад.
Угол поворота дискового резца (рисунок 2, а) можно определить из выражения = arccos [(R – h)/R]. (5) Чтобы получить нормальное давление на всей поверхности дискового резца, со прикасающейся с грунтом, необходимо знать величину этой поверхности. Для этого из уравнения конуса нужно определить величину боковой поверхности круглого конуса, расположенного между плоскостями Z = z и X = x1 = b (рисунок 3, а).
Для этого поверхностный интеграл S dS преобразован в двойной с перемен ными x и y:
dz dz dxdу, (6) S dS dу dx Y x X 0 R –(R – h) –R б а Рисунок 3 Схемы к расчету боковой поверхности конуса, контактирующей с твердой средой (а) и координат центра тяжести половины сегментной поверхности основания дискового резца (б) dz cx dz cу где.
;
dx a x 2 у 2 dу a x 2 у После подстановки производных получаем а2 с dxdу, (7) S а где dxdy равен площади F сегмента АВСД, ограниченной окружностью:
b R 2 arccos b R 2 b2, (8) F R где b = R – h.
Отсюда a2 c2 b R 2 arccos b R 2 b S (9) a R Площадь боковой конусной поверхности дискового резца, соприкасающейся с грунтом во время резания:
S1 = S/2. (10) Проецируя все силы, действующие на острый дисковый резец типа Б со стороны грунта, на оси координат (рисунок 4), получаем:
Pг 2 PS1 ( 1 cos sin )(1 f1 )sin, (11) Pв 2 PS1 ( 1 cos sin )(1 f1 )cos. (12) Расчетная схема сил, действующих на дисковый резец типа А в процессе блоки рованного резания, приведена на рисунок 5.
Рисунок 4 Расчетная схема сил, действующих на дисковый резец типа Б в процессе блокированного резания При блокированном резании дисковым резцом типа А в разрушении грунта уча ствует только одна боковая поверхность, а трение о грунт осуществляется ею и верти кальной сегментной поверхностью. С учетом этого значения составляющих усилия ре зания дисковым резцом типа А по блокированной схеме резания:
Р1г = РS1(1cos + sin )(1 + f1) sin(1/2) + Р1Б1;
(13) Р1в = РS1(1cos + sin )(1 + f1) cos(1/2);
(14) Р1б = РS1(cos – 1sin ). (15) б a Рисунок 5 Расчетная схема сил, действующих на дисковый резец типа А при блокированном резании Сила трения Т2, действующая со стороны половины сегментной поверхности F/2, кН:
Т2 = 1Р1б/2, (16) где 1 – коэффициент трения сегментной поверхности резца о грунт;
Р1б – боковая со ставляющая усилия резания, кН.
Точки приложения сил трения можно принять в центре тяжести половины сег ментной поверхности, направлены они по касательной к окружности, образованной ра диусом, соединяющим ось вращения дискового резца и центр тяжести этой поверхно сти.
Для определения координат xa и ya центра тяжести половины сегментной поверх ности (рисунки 5 и 6) необходимо знать статические моменты фигуры (рисунок 3, б) относительно координатных осей Ох, Оy.
Момент относительно оси Ох R2 y ( R h) (2 Rh h 2 )3.
Mx ydxdy ydy dx (17) R Момент относительно оси Оy R2 y ( R h) My xdxdy dy xdx h (3R h). (18) R Тогда координаты центра тяжести (xa, ya) фигуры h (3R h) h2 (3R h) My 6, (19) xa R2 3 R 2 arccos R h ( R h) 2 Rh h S2 RhRh 2 Rh h arccos R 2 R (2 Rh h2 )3 (2 Rh h2 ) Mx 2. (20) уa 2 Rh S2 3 R 2 arccos R RhRh ( R h) 2 Rh h 2 Rh h arccos R 2 R где R h =b.
Угол 2 составит 2 = arctg(x/y). (21) Расчетная схема составляющих усилия резания дисковым резцом типа А по по лублокированной схеме резания показана на рисунке 6. Горизонтальная, вертикальная и боковая составляющие усилия резания по этой схеме определялись по формулам Р2г = РLt kп(1 cos + sin )(1 + f1)sin(1/2) + 1Р2Б;
(22) Р2в = РLt kп(1cos + sin )(1 + f1)cos(1/2);
(23) Р2б = РLt kп(cos – 1sin ), (24) где L – длина дуги контакта режущей кромки большего основания конуса дискового резца с грунтом, м;
t – ширина среза, м;
kп – коэффициент параметров.
Коэффициент параметров kп введен в выражения (22)–(24) ввиду непостоянной величины заглубления в грунт каждой точки режущей кромки дискового резца. Вели чина kп зависит от соотношения площади, равной Lh и проекции боковой конусной по верхности, соприкасающейся с грунтом, на вертикальную плоскость.
Разработка математической модели внедрения гладкого твердого клина в полу бесконечный массив среды позволила получить аналитические решения для определе ния составляющих усилий резания при блокированном и полублокированном резании резцами типа А и Б с учетом их геометрических параметров, глубины и ширины реза ния, а также прочностных характеристик твердой среды.
Рисунок 6 Расчетная схема сил, действующих на дисковый резец типа А, при резании по полублокированной схеме В третьей главе изложена методика экспериментальных исследований по опре делению составляющих усилий резания дисковыми резцами твердых сред с помощью тензоизмерительной и регистрирующей аппаратуры, обоснован выбор приборов и обо рудования, а также программного обеспечения для обработки результатов эксперимен тов – PowerGraph.
Геометрические параметры дисковых резцов изменялись: по наружному диамет ру – от 180 до 240 мм с интервалом в 30 мм;
по углу заострения – от 30 до 60° с интер валом в 7,5° для резцов типа А, по углу заострения 2 – от 30 до 90° с интервалом в 15° для резцов типа Б. Ширина t и глубина h резания составляли 40 мм. Интервал измене ния этих величин составлял 10 мм. При этом соблюдалось условие t h. Скорость реза ния – 0,5 м/с.
Образцы мерзлого грунта размером 450400350 мм приготавливались по из вестной методике А. Н. Зеленина: парафин разогревался, в жидком виде заливался в формы и выдерживался в них в течение трех суток.
Процесс резания мерзлого грунта дисковыми резцами экспериментально мало изучен. Достоверность полученных теоретических положений о влиянии геометриче ских параметров дискового резца, прочностных свойств твердых сред, параметров среза на силовые показатели процесса наиболее полно может быть подтверждена лаборатор ным экспериментом. Для проведения лабораторных исследований были спроектирова ны и изготовлены специальные стенды.
Результаты лабораторных исследований по резанию мерзлого грунта необходимы для определения: возможностей его разрушения дисковым резцом;
величин нагрузок, возникающих при этом на режущем инструменте;
профиля борозды, полученной после прохода резца;
влияния параметров среза и геометрических параметров резца на вели чину усилия резания и энергоемкость процесса разрушения;
а также для подтверждения полученных теоретических данных лабораторным экспериментом.
Исследования показали, что при блокированном резании дисковым резцом типа Б диаметр резца существенно не влияет на горизонтальную составляющую усилия реза ния, поэтому его необходимо выбирать минимальным для обеспечения необходимой глубины резания.
Заметное влияние на величину силы Рг оказывает угол заострения дискового рез ца, при увеличении которого от 30 до 90° она возрастает в 3,4–5,2 раза. Указанная зако номерность распространяется и на вертикальную составляющую усилия резания Рв.
При блокированном резании угол заострения дискового резца типа Б необходимо выбирать минимальным, но, учитывая ограничения по толщине режущей кромки, для обеспечения прочности при встрече с включениями этот угол рекомендуется выбирать в пределах 30–45°.
После прохода дискового резца типа А по полублокированной схеме резания от основного массива грунта отделяется стружка в виде периодических сколов серповид ной формы. Налипание на резец в процессе резания отсутствует, грунт отделяется от основного массива в приемлемой для транспортирования форме (для случая удаления его из траншеи или скважины).
Для определения влияния угла заострения дискового резца типа А и параметров среза на составляющие усилия резания Рг и Рв по полублокированной схеме резания на рисунке 7 приведены зависимости Рг = f (), Рв = f (), на рисунке 8 – зависимости Рг = f (h), Рв = f (h) при резании мерзлого грунта (суглинок, w = 25 %, tгр = –10 °С, С = 250– 280 ед. плотномера ДорНИИ) дисковым резцом диаметром = 0,21 м при глубине ре зания 1–3 см и ширине среза t = 1 см.
Минимальное значение составляющих усилий резанию Рг, Рв обеспечивает дис ковый резец с углом заострения = 30°. При h = 4 см с увеличением с 30 до 52,5° ве личина Рг возрастает в 1,6 раза, у зуба с углом резания 45° по сравнению с дисковым резцом с таким же углом заострения – в 2,4 раза.
С увеличением глубины резания при постоянной ширине среза значения гори зонтальной Рг и вертикальной Рв составляющих усилий резания возрастают. Увеличе ние глубины резания с 1 до 4 см при резании дисковым резцом с углом заострения 30° приводит к возрастанию значения Рг в 5 раз, при = 45° – в 4,3 раза, у зуба с углом ре зания 45° – в 5,9 раза.
Рг, кН Рв, кН, град, град а б Рисунок 7 Зависимости усилий резания мерзлого грунта от угла заострения (суглинок, w = 25 %, tгр= – 10 °С, С = 250–280 ед. плотномера ДорНИИ) дисковым резцом типа А ( = 0,21 м, t = 1 см) по полублокированной схеме резания (1, 2, 3 – глубина h соответственно 1, 2, 3 см): а – Рг;
б – Рв Из приведенных зависимостей видно, что увеличение угла заострения выше 45– 52,5° ведет к увеличению составляющих усилия резания. Особенно значительно воз растает вертикальная составляющая. Исходя из этого при проектировании рабочих ор ганов с дисковым инструментом угол заострения не следует назначать более 35°.
Важным параметром среза является площадь его поперечного сечения, от которо го зависит величина Рг, а также энергоемкость процесса. Зависимость горизонтальной составляющей усилия резания при t h от площади поперечного сечения среза показа на на рис. 8, а.
Резание с малой шириной среза и большой глубиной (h = 4t) приводит к более крутому возрастанию Pг. При большой глубине резания, когда ширина среза t прибли жается по величине к h, возрастание Pг более пологое.
Влияние геометрии резца и параметров среза на процесс разрушения дисковым резцом оценивается энергоемкостью процесса. Энергоемкость, кВт·ч/м3, подсчитыва лась по формуле Е = 0,000272Рг/S, (25) где Рг – средняя величина горизонтальной составляющей усилия резания, кН;
S – сред няя площадь поперечного сечения среза, м2.
Для выяснения влияния площади поперечного сечения среза на энергоемкость процесса резания построена зависимость Е = f (F), рис. 8, б.
При малых сечениях среза, когда h t в 3–4 раза, энергоемкость высокая. Она резко уменьшается с увеличением сечения и стабилизируется при площади сечения бо лее 18 см2, что обусловливает целесообразность выбора больших параметров среза (3– см). Резкое возрастание энергоемкости при малых сечениях среза объясняется тем, что большая часть энергии тратится на трение боковой вертикальной сегментной поверхно сти о разрушенный грунт, в то же время сечение среза остается неизменным.
Процесс резания мерзлых грунтов дисковым резцом сопровождается общим скачкообразным увеличением усилий резания резанию.
Е, кВт·ч/м Рг, кН F, см F, см а б Рисунок 8 Зависимость горизонтальной составляющей усилия резания при h t (а) и энергоемкости (б) от площади поперечного сечения среза при резании дисковым резцом типа А (Ф = 0,21 м, = 30°): а: 1 – t = 1 cм;
2 – t = 2 cм;
3 – t = 3 cм (1, 2, 3 – парафин);
4 – t = 1 cм (песок, w = 16,5 %, t = –22 °C);
5 – t = 1 cм, = 45 °С (песок, w = 15,4 %, t = –15 °C);
б (1, 2 – парафин):
1 – t = 2 см;
2 – t = 2 см (зуб, = 45°, = 30°);
3 – t = 1 см (песок, w = 16,5 %, tгр = – 22°);
4 – t = 1 см, = 45° (песок, w = 15,4 %, tгр = – 15°);
5 – зуб, t = 2 см, = 45°, = 30°, h = 1 см (песок, w = 15,4 %, tгр = –15°) Колебания горизонтальной составляющей сил сопротивления грунта резанию не обходимо учитывать при расчете режущего инструмента. Обычно они учитываются ко эффициентом вариации kв, который характеризует относительную степень рассеивания значений силы резания. Лабораторные исследования процесса резания дисковыми рез цами с изменяемыми параметрами среза в разных грунтовых условиях показали, что коэффициент вариации изменяется при резании глинистых грунтов от 0,11 до 0,25, суг линистых – от 0,13 до 0,41 и песчаных – от 0,16 до 0,37. Приведенные значения коэф фициентов вариации близки к таковым для процесса резания мерзлого грунта зубом (при резании зубом коэффициент вариации несколько выше и составляет 0,22–0,48, в грунтах с гравелисто-галечниковыми включениями – 0,4–0,7). Таким образом, экспери ментально подтверждена принципиальная возможность разрушения мерзлого грунта дисковыми резцами и их применение в рабочих органах землеройных машин.
Усилия, возникающие на дисковом резце при разрушении мерзлых грунтов, зави сят от геометрических параметров инструмента, ширины, глубины и схемы резания, прочностных характеристик грунта и др.
Полученные теоретические зависимости усилий резания от параметров среза, учитывающие основные геометрические параметры дискового резца, подтверждены экспериментальными исследованиями, дают хорошую сходимость с ними (погреш ность не превышает 15–20 %) и позволяют определять на стадии проектирования воз никающие на резце нагрузки.
Диаметр дискового резца типа А необходимо выбирать минимальным в зависи мости от заданной глубины резания, угол резания – 30 35°, параметры среза – ширина и глубина – должны быть сопоставимы и составлять для роторных бесковшовых экска ваторов 30–40 мм, для буровых рабочих органов 40–50 мм.
В четвертой главе приведены: математическая модель определения усилий ре зания льда одиночным дисковым резцом, программное обеспечение, методики выпол нения и обработки экспериментальных данных процесса резания льда дисковым режу щим инструментом и анализ результатов исследований.
Целью проведения экспериментальных лабораторных исследований являлось оп ределение рациональных геометрических параметров дискового режущего инструмента и оценка влияния этих параметров, а также физико-механических свойств льда и пара метров среза на силовые показатели и энергоемкость процесса резания льда таким ин струментом.
Исследования процессов взаимодействия рабочих органов ледорезных и снего уборочных машин со льдом и снежно-ледяными образованиями проводятся в Нижего родском ГТУ им. Р. Е. Алексеева учеными А. П. Куляшовым, Ю. И. Молевым, В. А.
Шапкиным, В. Ф. Кулеповым и др. Проблему расчета сил резания льда в ОКБ «РАЛСНЕМГ» Нижегородского технического университета решили с помощью «ударника КИСИ». Показатель прочности льда измеряется при помощи ударника КИ СИ с эталонными параметрами: глубина резания h = 1 см;
угол резания р = 40°;
шири на резца b = 1 cм;
температура льда tл = 0 °С. Для речного и озерного льда среднее зна чение Рэ = 58,4 ± 5,17 Н/см2.
Показатель прочности льда, кПа/м2, на боковой конусной поверхности резца = Рэ(1 + t0), (26) где – температурный коэффициент, учитывающий увеличение силы резания при по нижении температуры льда на каждый градус по сравнению с силой резания при tл = 0 °С;
t0 – температура льда при проведении замеров, °С.
Для определения составляющих усилия резания льда дисковым резцом типа А при разрушении по блокированной и полублокированной схемам за основу приняты формулы по резанию мерзлых грунтов, приведенные в главе ІІ, в которых давление Р на грани клина заменено «эталонной силой». Математическая модель составляющих уси лия резания льда единичным дисковым резцом типа А по блокированной схеме резания (Р1гл – горизонтальной, Р1вл – вертикальной, Р1бл – боковой) имеет вид Р1гл = Рэ(1 + t0) [S1 (1cos + sin )(1 + f1) sin(1/2)]/cos + 1Р1бл;
(27) Р1вл = Рэ(1 + t0) [S1(1cos + sin )(1 + f1)cos(1/2)]/cos ;
(28) Р1бл = Рэ(1 + t0) [S1(cos – 1sin )]/cos, (29) где S1 – площадь боковой конусной поверхности дискового резца, контактирующая со льдом, м2;
1 – коэффициент трения стали по льду;
f1 – коэффициент трения в подшип нике;
– угол заострения дискового резца, град;
– угол наклона основания дискового резца к горизонтальной плоскости, град.
Составляющие усилия резания дисковым резцом типа А по полублокированной схеме резания определялись по формулам Р2гл = Рэ(1 + t0)[Lt kп(1cos + sin )(1 + f1)sin(1/2)]/cos + 1Р2бл;
(30) Р2вл = Рэ(1 + t0)[Lt kп(1cos + sin )(1 + f1)cos(1/2)]/cos ;
(31) Р2бл = Рэ(1 + t0)[Lt kп(cos – 1sin )]/cos, (32) где L – длина дуги контакта режущей кромки большего основания конуса дискового резца со льдом в процессе резания, м;
t – ширина среза, м.
Коэффициент параметров kп введен в выражения (30)–(32) ввиду непостоянной величины заглубления в лед каждой точки режущей кромки дискового резца. Величина kп зависит от параметров разрушения и сtg угла скола льда.
На основании предыдущих исследований для резания льда диаметр дискового резца выбран 0,2 м, величина угла заострения дисковых резцов – 15, 30 и 45°, ширина срезаемой стружки t – 1, 2, 3 и 4 см, глубина h = 0,06 м с соблюдением условия t h.
Испытания проводились при температуре окружающего воздуха от минус 2 до минус 6 °С, при которой наиболее вероятно льдообразование на дорожных и аэродромных по крытиях. Кроме того, при таких температурах в районах Сибири происходит выпадение до 80 % годового объема снега. Измерение температуры производилось ртутным тер мометром ТЛ–4 (ГОСТ 215–73) с ценой деления 0,1 °С и пределами измерения от 30 °С до минус 20 °С.
Скорость резания (скорость движения оси резца) при испытаниях составила 0,51 м/с, что соответствует рекомендованным в работах, выполненных в Нижегород ском техническом университете. Размеры образцов льда: длина – 0,51 м, ширина – 0, м, высота – 0,26 м. Резание осуществлялось по направлению большинства оптических осей кристаллов от дневной поверхности в глубь образца льда.
Для определения прочности снежно-ледяных образований, приготовленных для исследований диссертантом, разработан и изготовлен твердомер (пат. № 2350923).
Прочность уплотненного снега или льда в зависимости от энергии удара и глубины по гружения конуса определялась по формуле = m g H / [ h2 tg2(/2)], (33) где – показатель прочности, кПа;
m – масса штанги с коническим наконечником, кг;
g – ускорение свободного падения, м/с2;
H – высота падения штанги с коническим нако нечником, м;
h – глубина погружения конуса, м;
– угол при вершине конуса, равный 34° 12.
Исследования процесса резания льда проводились на лабораторном стенде.
Принцип работы стенда однотипный с конструкцией, разработанной для резания грунта (пат. № 2429459).
Для автоматической записи, хранения и обработки числовых значений горизон тальной, вертикальной и боковой составляющих усилия резания использовался инфор мационно-измерительный комплекс (ИИК). Основой комплекса является персональный компьютер. Компоненты ИИК: плата аналого-цифрового преобразователя (АЦП) L-154;
программа PowerGraph, предназначенная для регистрации, обработки и хранения ана логовых сигналов, записанных с помощью АЦП;
тензометрический усилитель УТ1-10;
блок тензометрических датчиков, размещенных на тензопреобразователе;
монитор для визуализации и выбора начала и конца обработки сигналов тензодатчиков.
Полученные тарировочные данные обрабатывались в программе Microsoft Excel.
На основании результатов обработки построены тарировочные графики и определены тарировочные коэффициенты для каждой составляющей усилия резания.
Ординаты записи Рг, Рв и Рб составляющих усилия резания при помощи инстру ментов программы PowerGraph копировались в табличный процессор Microsoft Excel.
Полученные числовые массивы данных умножались на соответствующие тарировоч ные коэффициенты. Определены средние значения каждой составляющей для каждого из произведенных наблюдений.
Характер разрушения льда при резании дисковым резцом зависит от геометриче ских параметров резца, величины среза, физико-механических свойств льда, формы кристаллов, направления прилагаемой разрушающей нагрузки относительно преобла дающей ориентации осей кристаллов, составляющих разрушаемый ледяной массив.
Дисковый резец, перекатываясь вдоль образца льда, в месте контакта с ним созда ет напряжения. Когда эти напряжения превысят предельно допустимую величину, про исходит разрушение. Следы скола по форме напоминают траекторию движения точек режущей кромки дискового резца – циклоиду.
На рисунке 9, а приведена зависимость горизонтальной составляющей усилия ре зания от угла заострения дискового резца при полублокированном резании шириной 1, 2, 3, и 4 см.
Анализ графиков показал, что оптимальное значение Рг обеспечивается при ис пользовании дискового резца с углом заострения = 30° во всех рассматриваемых зна чениях ширины резания.
Зависимость вертикальной составляющей Рв усилия резания от угла заострения режущей кромки дискового резца при ширине резания 1, 2, 3, 4 см показана на рисунке 9, б. Величина Рв зависит также от боковой составляющей (на рисунке 9 не показано).
При малой ширине среза составляющая сопротивления резанию боковой конусной по верхности резца меньше, чем сопротивление трения сегментной поверхности, соприка сающейся с вертикальной стенкой поверхности льда. За счет поступательного и враща тельного движения дискового резца направление результирующей составляющей, со прикасающейся сегментной поверхностью со льдом, отклоняется вниз, и происходит затягивание дискового резца в массив льда. С увеличением ширины среза составляю щая сопротивления резанию боковой конусной поверхности увеличивается и верти кальная составляющая усилия резания меняет направление с отрицательного значения на положительное.
По результатам расчета затрат энергии на полублокированное резание льда дис ковым резцом типа А с различными углами заострения при ширине резания t по строены графические зависимости энергоемкости процесса резания от угла заострения диска (рисунке 9, г).
На основании выполненных исследований доказана принципиальная возмож ность разрушения льда дисковым инструментом, статистическая обработка диаграмм экспериментальных исследований разрушения льда позволила получить зависимости составляющих усилия резания и энергоемкости процесса от угла заострения дискового резца с разными параметрами среза.
В результате анализа экспериментальных исследований установлено, что наи меньшая удельная энергоемкость процесса резания льда обеспечивается при угле заост рения = 30° во всм диапазоне изменения значений ширины резания.
Расчет силы сопротивления снежно-ледяных образований резанию стандартным отвалом автогрейдера и отвальным рабочим органом, оснащенным дисковыми резцами, производился при одинаковых параметрах среза, углах резания, длине, установки отва ла и свойствах разрушаемого льда.
Рг, кН Рв, кН –0, –, град 0 15 30 45, град а б Е, кВт ч/м, град г в Рисунок 9 Зависимости горизонтальной составляющей усилия резания (а), вертикальной составляющей (б) и энергоемкости процесса резания (г) от угла заострения дискового резца диаметром 0,2 м при глубине резания h = 6 см;
1, 2, 3, 4 – при ширине t среза соответственно 1, 2, 3, 4 см;
схема рабочего органа отвального типа с дисковым инструментом (в): 1 – рама;
2 – передние кронштейны;
3 – пластина;
4 – укосины;
5 – задние кронштейны;
6 – опорная плита;
7 – режущие диски;
8 – ось резца;
9 – пластина;
10 – кронштейн;
11 – нож;
12 – болт Результаты расчетов свидетельствуют о том, что при разрушении льда с такими свойствами обеспечивается снижение энергоемкости отвальных рабочих органов с дисковым инструментом в 2,3 раза.
Эффективным использование дискового режущего инструмента для разрушения снежно-ледяных и гололедных образований на покрытиях дорог и аэродромов может быть при условии разработки рабочих органов спецмашин с таким инструментом.
На рисунке 9, в представлена конструкция сменного отвального рабочего органа для удаления снежно-ледяного наката с поверхности дорог и аэродромов, оснащенного дисковыми резцами.
По результатам исследований резания льда:
предложена методика расчета усилий, возникающих на дисковом резце, которая позволяет на стадии проектирования с учетом физико-механических свойств льда и па раметров среза определять рациональные геометрические параметры режущего инст румента, обеспечивающие минимальную энергоемкость процесса;
разработана конструкция отвального рабочего органа, оснащенного дисковым режущим инструментом (пат. № 2396389).
В пятой главе обоснована актуальность проблемы разработки мерзлых грунтов, в том числе с включениями, при бурении скважин. Приведен анализ результатов иссле дований по совершенствованию и разработке новых конструкций буровых рабочих ор ганов с дисковыми резцами, а также математическая модель определения составляю щих усилия резания с таким инструментом. Обоснован выбор геометрических пара метров дисковых резцов, представлены конструкции рабочих органов с таким инстру ментом и стенд для проведения исследований буров в натуральную величину. Изложе ны методика и результаты стендовых полигонных исследований процесса бурения скважин в мерзлых грунтах образцами экспериментальных лопастных буров с диско выми резцами и полевых испытаний на серийных бурильных машинах в условиях строительного производства. При проведении полигонных исследований использова лось тензоизмерение исследуемых процессов, полученные результаты экспериментов обрабатывались с применением методов математической статистики и ЭВМ.
Приведены результаты исследований, направленных на повышение производи тельности и снижение энергоемкости процесса бурения скважин диаметром 0,36 м глу биной до 1,0 м в мерзлых грунтах различной категории прочности.
При существующих конструкциях инструмента каждая точка его режущей кром ки взаимодействует с грунтом от начала до окончания бурения. При этом неизбежен из нос режущей кромки, а интенсивность износа даже армированной вставки из твердого сплава составляет 0,024 мм на метр длины продвижения по забою скважины. Уменьше ние длины пути трения режущей кромки обычных резцов вдоль забоя скважины воз можно за счет замены их на дисковые резцы.
Один из вариантов применения такой конструкции буровой головки с дисковым инструментом диаметром 0,36 м (пат. № 2410521) показан на рисунке 10. Она состоит из корпуса, двух дисковых резцов, установленных на осях, и забурника. Лопасти корпу са выдвинуты вперед по ходу вращения буровой головки от режущих кромок дисковых резцов и смещены вверх на 50–60 мм относительно нижней точки режущих кромок дисков. Угол заострения дисковых резцов – 30°, задний угол – 15°, диаметр d выбирался минимальным из условия размещения дисковых резцов симметрично относительно оси вращения буровой штанги:
d (D – Dш)/2, (34) где d – диаметр дискового резца, м;
D – диаметр скважины, м;
Dш – диаметр буровой штанги, м.
Vп в а б Рисунок 10 Схема буровой головки с дисковыми резцами (а), испытания буровой головки диаметром 0,36 м на стенде (б) и на бурильной машине БМ-302 (в) Отличительной особенностью данной конструкции является то, что режущие кромки дисковых резцов расположены на одном уровне в горизонтальной плоскости.
При этом корпус головки воспринимает радиальные нагрузки по линии действия в го ризонтальной плоскости одинаковые по величине и противоположные по знаку. Эти на грузки не вызывают изгиба буровой головки и увода ее от вертикальной оси в процессе бурения скважин. Симметричное расположение дисковых резцов относительно верти кальной оси буровой головки уменьшает ее вибрацию, что положительно сказывается на работе бурильной машины.
В процессе работы при вращении буровой головки вокруг вертикальной оси за бурник, забуриваясь в мерзлый грунт, создает предварительную скважину малого диа метра, а дисковые резцы, перекатываясь по окружности, врезаются режущей кромкой в грунт, который скалывается за счет вращательного движения буровой коронки и подачи.
Составляющие усилия резания Рг, Рв, Рб на дисковом резце:
Рг = Р S1 sin(1/2) (1cos + sin )(1 + f1)/cos cos + Рб 1;
(35) Рв = Р S1 sin(1/2) (1cos + sin )(1 + f1)/cos cos ;
(36) Рб = Р S1 (1cos + sin ) (1 + f1)/cos cos, (37) где Р – давление на грани клина, образованного плоскостью проходящей через ось вра щения дискового резца, кН/м2;
S1 – боковая конусная поверхность дискового резца, контактирующая с грунтом в процессе разрушения, м2;
1 – коэффициент внешнего трения;
f 1 – коэффициент трения в опоре подшипников;
1 – угол отклонения центра тяжести боковой контактной поверхности от вертикали в сторону движения дискового резца, град;
– угол наклона основания дискового резца в сторону вращения оси диско вого резца, град;
– угол наклона основания дискового резца в поперечном направле нии относительно горизонтальной поверхности, град.
Основными критериями эффективности работы буровых органов является произ водительность и энергоемкость процесса бурения скважин. Для определения таких кри териев были разработаны конструкция стенда и буровых головок, программа исследо вания, изготовлены стенд и экспериментальные буровые рабочие органы с дисковым инструментом диаметром 0,36 м, выполнены стендовые и полевые экспериментальные исследования буровых головок в натурных грунтовых условиях. Экспериментальный стенд предназначен для сравнительного исследования буровых рабочих органов диа метром 0,36–0,8 м в талых и мерзлых грунтах.
Объектом исследования являлись разработанные и изготовленные буровые го ловки с дисковым инструментом диаметром 0,36 м. Для сравнения показателей эффек тивности работы буровых головок были использованы рабочие органы диаметром 0, м, серийно изготавливаемые Алапаевским заводом ОАО «Стройдормаш».
Стендовые испытания выполнялись с применением тензоизмерительной и регу лирующей аппаратуры. Выполненные работы показали, что подготовленное оборудова ние позволило проводить исследование реальных буровых органов в натурных услови ях на глубину до 1,5 м.
Для получения достоверных данных при сопоставлении результатов работы экс периментальных и серийных рабочих органов исследования проводились сравнитель ным методом в идентичных грунтовых и метеорологических условиях на одних и тех же режимах работы.
При проведении экспериментов измерялись и регистрировались следующие па раметры: крутящий момент на рабочем органе Мкр, кН·м;
частота вращения рабочего органа n, мин–1;
глубина проходки рабочего органа, Н, м;
осевое усилие Р, кН;
время опыта t, с.
Для каждой пробуренной скважины замерялись плотность по ударнику ДорНИИ, влажность, температура и гранулометрический состав грунта. Производительность бу ровой головки, м 3 /ч:
П = 3600SH, (38) t где S – площадь поперечного сечения скважины, м2;
Н – глубина скважины, м;
t – время бурения скважины, с.
Удельная энергоемкость процесса бурения скважины, кВт·ч/м 3 :
Е= N, (39) S nп где N – мощность, необходимая для вращения буровой штанги, кВт;
N = Мкрn/9,75, (40) где Мкр – крутящий момент на буровой штанге, кН·м;
n – частота вращения буровой штанги, мин–1;
nп – скорость подачи буровой штанги, м/ч.
Полученные в результате стендовых испытаний осциллограммы обрабатывались ординатным методом с применением полуавтоматического преобразователя Ф014. Ис ходная информация вводилась в ПК, и рассчитывались следующие статические харак теристики: математическое ожидание, коэффициент вариации параметров, среднеквад ратичное отклонение и корреляционная функция.
Полученные зависимости скорости и энергоемкости процесса бурения от глуби ны скважины экспериментальной и серийной буровыми головками диаметром 0,36 м при стендовых исследованиях в грунтовых условиях полигона Красноярского Промст ройНИИпроекта приведены на рисунке 11.
У обеих головок механическая скорость бурения с увеличением прочности грунта уменьшается, а глубина скважин возрастает. В грунтах VІІІ категории прочности (С = 290–350 ед. по ударнику ДорНИИ) на глубине скважины 1 м скорость бурения экспери ментальной головкой возросла по сравнению с серийной в 3,1 раза, в грунтах VІ катего рии прочности (С = 105–125 ед.) – 1,4 раза и V категории прочности (С = 40–93 ед.) – в 1,3 раза.
V, м/мин Е, кВт ч/м h, м h, м а б Рисунок 11 – Полученные зависимости бурения скважин диаметром 0,36 м в мерзлых грунтах от глубины скважины: а – скорости: 1, 3, 5 – серийная буровая головка;
2, 4, 6 – экспериментальная буровая головка (С = 350–290;
С = 93–40;
С = 125–105 ед. по ударнику ДорНИИ соответственно);
б – энергоемкости процесса: 1, 4, 6 – серийная буровая головка;
2, 3, 5 – экспериментальная буровая головка (С = 125–105;
С = 93–40;
С = 350–290 ед. по ударнику ДорНИИ) Полученные результаты согласуются с данными ФГУП «СибНИИстройдормаш» (при полигонных исследованиях комплекта серийных буров в грунтах VІІ категории прочности (С = 120–220 ед).
Энергоемкость разрушения грунта VIII категории прочности по классификации А. Н. Зеленина при бурении скважин высокая. Она снижается с уменьшением прочно сти и зависит от режима работы, параметров среза грунта, вида режущего инструмента, типа буровой коронки и многих других факторов. В грунтах IV–V категории прочности энергоемкость разрушения мерзлых грунтов серийным и экспериментальным бурами не превышает 1,08–3,4 кВт·ч/м3.
Испытания в производственных условиях проведены с целью определить воз можные пути увеличения производительности машин при бурении скважин в мерзлых и талых грунтах буровыми головками с дисковым инструментом, проверить его работо способность в грунтах с включениями, отсутствие заклинивания дискового инструмен та в результате налипания грунта. В процессе испытаний замеряли диаметр скважины, глубину и время бурения. Проведен сравнительный анализ результатов испытаний.
Сравнены буровые головки одного диаметра, серийно выпускаемые Алапаевским заво дом, и экспериментальные, с дисковым инструментом. Все испытания проводили на максимальных оборотах двигателя бурильных машин. Во время испытаний и по окон чании их определяли плотность грунта по ударнику ДорНИИ.
Исследования экспериментальной буровой головки диаметром 0,36 м проводили на бурильных машинах БМ-302, БКМ-1/35, МРК-2 ОАО «СУМ-9» в грунтах V–VІІ ка тегории прочности г. Красноярска с целью оценки их работоспособности и производи тельности. Схема буровой головки и фрагмент испытаний ее показан на рисунке 10.
В процессе исследований на строительных площадках было пробурено 94 сква жины глубиной от 0,3 до 3,0 м, в том числе 27 скважин в песчано-гравийных грунтах VІІ категории прочности с включениями. Работа буровой головкой производилась с принятой в практике технологией бурения (циклично), подача бура за цикл – 0,5–0,7 м.
Время бурения складывалось из многих циклов забуривания (набора грунта) и очистки буровой штанги от грунта. При чистом времени бурения 1 мин время, затраченное на холостой ход (подъем, очистка бурового органа и погружение в скважину до начала очередного цикла бурения), – 0,26–0,3 мин. Переезды к очередной скважине и настрой ка на технологическую точку бурения составляли 0,8–0,9 мин. Среднее время, затра ченное на холостой ход, переезды и настройку на точку бурения, составило 1,13 мин.
В результате выполненных исследований доказано:
производительность работы бурильных машин с экспериментальной буровой го ловкой в мерзлых грунтах увеличилась при повышении прочности грунта от 50 до ед. плотномера ДорНИИ от 0,45 до 0,72 м/мин, а с серийной составила 0,43 м/мин;
экспериментальная головка успешно разрабатывает мерзлые и талые грунты раз личного гранулометрического состава и влажности. При этом забиваний буровой го ловки грунтом даже при работе на талых глинистых грунтах высокой влажности не происходило;
установлено снижение энергоемкости процесса бурения на 5–20 % (на суглини стых грунтах прочностью 93–120 ед. по плотномеру ДорНИИ) и амплитуды колебаний крутящего момента на 6–9 %;
экспериментально определен рациональный угол резания 45°, обеспечивающий максимальные скорости бурения. Он в 2 раза меньше угла резания зубьев с твердо сплавной напайкой и, следовательно, уменьшает усилия резания мерзлых грунтов;
получены зависимости изменения мощности привода вращения, крутящего мо мента на буровой штанге, скорости бурения, позволившие определить затраты энергии по глубине погружения буровой головки. Эти зависимости могут быть рекомендованы в качестве критерия режимных параметров при создании рабочих органов и оборудова ния бурильных машин нового поколения для строительного комплекса страны;
поставлена и решена важная задача повышения эффективности разрушения мерзлых грунтов до VIII категории прочности путем создания буровых рабочих органов с дисковым инструментом, обеспечивающим при одинаковой энерговооруженности по вышение производительности в 1,3 раза.
В шестой главе представлен комплекс исследований по рыхлению мерзлых грунтов различной категории прочности бульдозерно-рыхлительными агрегатами тяго вого класса 250 кН в северных, северо-восточных регионах страны и на строительных объектах г. Красноярска, с проведением тензометрии и определением сопротивлений, возникающих на стойке рыхлителя при разрушении мерзлых грунтов.
Наиболее распространенным и эффективным навесным оборудованием для раз работки мерзлых грунтов в промышленном и гражданском строительстве, при обуст ройстве нефтяных и газовых месторождений, выполнении вскрышных работ при от крытой разработке полезных ископаемых являются рыхлители на базе мощных тракто ров тягового класса 250–350 кН и более.
Изменение конструкции рабочих органов рыхлителей с двумя рыхлящими зубья ми, установленными на разном уровне, смещенными по длине и в поперечной плоско сти относительно друг друга, с различными вариантами расположения их на стойке рыхлителей, систем навески, рационального угла рыхления, и даже повышение тягово го класса базовых машин выше 250 кН не могут обеспечить эффективного рыхления пластично-мерзлых грунтов. В результате рыхления в таких грунтах образуется прорезь трапецеидальной формы с прямоугольным сечением в нижней части борозды (рисунок 1, а). Такой процесс разрушения происходит при резании до критической глубины, ха рактеризующейся отношением глубины рыхления к ширине прорези, равном 24. Уве личение глубины рыхления больше критического значения не приводит к увеличению ширины развала и значительному повышению производительности. При этом энерго емкость рыхления грунта значительно возрастает.
Дальнейшее увеличение эффективности процесса рыхления возможно за счет повышения в общей площади поперечного сечения борозды роли трапецеидальной час ти, где разрушение происходит отрывом. С этой целью целесообразно использовать на рабочих органах рыхлителей оборудование в виде уширителей.
На основании патентного поиска и анализа конструктивных решений уширите лей диссертантом (А. с. 866072) разработан рабочий орган с уширителем (рисунок 12).
Существенным преимуществом данной конструкции уширителя является то, что она позволяет приблизить режущие кромки дисков на минимальное расстояние к основа нию борозды. Косые клинья, заглубляясь в боковые стенки борозды, частично разру шают их, а дисковые резцы, перекатываясь по ним, разрушают мерзлый грунт отрывом у основания борозды, увеличивая ее поперечное сечение.
При установке дисковых резцов на уширитель к рыхлителю (рисунок 12, б) диа метр резцов должен обеспечить ширину уширителя, равную 4В (В – ширина наконеч ника рыхлителя), поскольку в этом случае энергоемкость процесса будет минимальной.
Диаметр дискового резца должен быть равен 200–210 мм, угол заострения дисковых резцов и клиньев – 30 – 35.
Рыхление мерзлых грунтов рыхлителем с уширителем можно разделить на три основные зоны разрушения: зона наконечника Рн, зона косых клиньев Ркх и зона диско вых резцов Рдг. Суммарная сила сопротивления рыхлению на наконечнике зуба Рн при ведена в работах Л. А. Хмара.
а б в Рисунок 12 Уширитель с дисковым инструментом: а – в процессе рыхления на стойке рыхлителя Д-9Н;
б – после рыхления на дневной поверхности;
в – общий вид: 1 – стойка;
2 – наконечник;
3 – корпус уширителя;
4 – дисковый резец;
5 – ось;
6 – клин;
7 – палец;
8 – узел регулировки угла резания;
9 – кронштейн Суммарное сопротивление на стойке рыхлителя Рр = Рн + 2(Ркх + Рдг), (41) Ркх = РS3(cos + 1 sin)/cos, (42) где Р – давление на грани клина, кН/м ;
S3 – площадь боковой поверхности усеченного клина, м2;
– угол между нормальной силой N к боковой поверхности клина и осью Х, град;
1 – коэффициент трения грунта по металлу;
– угол установки уширителя, град.
Рдг = РS1 [(1 cos + sin )(1 + f1)sin (1/2) + (cos – 1sin )]/cos, (43) где S1 – контактирующая поверхность конусного диска с мерзлым грунтом, м ;
– угол заострения дискового резца, град;
f1 – коэффициент трения в подшипнике;
1 – угол от клонения равнодействующей горизонтальной и вертикальной сил резания, проходящей через центр тяжести боковой поверхности усеченного конуса, контактирующей с мерз лым грунтом, град.
Для определения эффективности разрушения мерзлых грунтов различной катего рии прочности рыхлителем с уширителем и без него было исследовано влияние угла установки уширителя на следующие показатели: тяговую мощность, тяговый КПД, скорость рыхления, коэффициенты сцепления и буксования, являющиеся основными для тяговой характеристики землеройной машины.
Определена производительность и энергоемкость разрушения таких грунтов бульдозерно-рыхлительным агрегатом ДЗ-94С при нарезании одиночных борозд.
Внедрение рабочего органа рыхлителя в грунт является сложным процессом, за висит от глубины рыхления, прочности грунта, лобовой площади заглубляемого инст румента, угла установки стойки, уширительного оборудования и др.
Эффективность рыхлительного агрегата в значительной степени зависит от тяго вой динамики. В результате испытаний были получены тягово-динамические характе ристики рыхлительного агрегата без уширителя и с уширителем на грунтах разной ка тегории прочности.
На рисунке 13, а представлены показатели зависимости тягово-динамических ха рактеристик рыхлителя от тягового усилия бульдозерно-рыхлительного агрегата с уши рителем, установленным на стойку рыхлителя под углом 9 к горизонтальной плоско сти, и без уширителя на грунтах VІ категории прочности по классификации А. Н. Зеле нина. На рисунке 13, б приведены те же показатели, но с уширителем, установленным на стойку рыхлителя под углом 16°.
Анализ тягово-динамических характеристик агрегата на грунтах VІ категории прочности (С = 130 ед. по плотномеру ДорНИИ) на поверхности показал, что при рабо те рыхлителя с уширителем (рисунке 13, а), установленным под углом 9, тяговая мощ ность увеличилась на 18 %, тяговое усилие и коэффициент использования сцепного ве са – на 17 %, коэффициент буксования уменьшился на 11 %, производительность уве личилась на 31 %, а энергоемкость снизилась на 8 % по сравнению с рыхлителем без уширителя.
Исследование влияния угла установки уширителя на тяговую динамику агрегата на данных грунтах показало, что увеличение этого угла до 16° привело к существенно му изменению тягово-динамических характеристик (рисунке 13, б): максимальные тя говая мощность и тяговый КПД увеличились на 44 %, коэффициент буксования при этой мощности понизился на 10 %, производительность и энергоемкость увеличились на 16 и 23 % соответственно по сравнению с рыхлителем без уширителя.
Анализ исследований сопротивлений рыхлению на грунтах V категории прочно сти (С = 68 ед. по плотномеру ДорНИИ) без уширителя и с уширителем, установлен ным под углом 16°, показал (рисунке 14), что применение уширителя обеспечило уменьшение коэффициента буксования на 14 % при сохранении остальных тягово сцепных показателей неизменными, производительность увеличилась на 42 %, а энер гоемкость процесса уменьшилась на 46 %.
Nт · 100, кВт;
Nт · 100, кВт;
V, м/с;
V, м/с;
;
;
;
;
Рт, кН Рт, кН а б Рисунок 13 – Зависимость тяговой мощности Nт, тягового КПД, коэффициентов буксования, сцепления и скорости V бульдозерно-рыхлительного агрегата при работе рыхлителя:
а – с уширителем, установленным под углом 9°, и без уширителя от сопротивления рыхлению грунта VІ категории прочности: 1 – коэффициент буксования при работе рыхлителем без уширителя;
2 – тяговая мощность с уширителем;
3 – скорость рыхления с уширителем;
4 – скорость рыхления без уширителя;
5 – тяговая мощность без уширителя;
6 – тяговый КПД рыхлителя с уширителем;
7 – тяговый КПД рыхлителя без уширителя;
8 – коэффициент буксования с уширителем;
9 – коэффициент сцепления;
б – с уширителем, установленным под углом 16°, от сопротивления рыхлению грунта Рт: 1 – тяговая мощность;
2 – скорость;
3 – тяговый КПД;
4 – коэффициент сцепления;
5 – коэффициент буксования Nт · 100, кВт;
Nт · 100, кВт;
V, м/с;
V, м/с;
;
;
;
;
Рт, кН Рт, кН а б Рисунок 14 Зависимость тяговой мощности Nт, тягового КПД, коэффициентов сцепления, буксования и скорости V бульдозерно-рыхлительного агрегата от сопротивления рыхлению грунта рыхлителем: а – без уширителя;
б – с уширителем, установленным под углом 16°:
1 – тяговая мощность;
2 – скорость агрегата;
3 – тяговый КПД;
4 – коэффициент сцепления;
5 – коэффициент буксования Результаты исследования использованы при производстве земляных работ, созда нии математических моделей процесса рыхления мерзлых грунтов и автоматизирован ном расчете производительности и энергоемкости.
Заключение Основные результаты, выводы, рекомендации 1. Научная новизна представлена разработанными теоретическими положениями при формировании и реализации новых технических решений в области создания рабо чих органов строительных и дорожных машин с дисковыми резцами.
2. Обоснована перспективность оснащения рабочих органов машин, предназна ченных для разрушения мерзлых грунтов, очистки дорожных и аэродромных покрытий от снежно-ледяных и гололедных образований режущим инструментом в виде заострен ных дисковых резцов.
3. Кинематические исследования разрушения твердых сред поверхностью, образо ванной плоскостью, проходящей через ось вращения резца, показали, что этот процесс в каждый момент времени можно уподобить погружению элементарного клина в полубес конечный массив таких сред. Поверхность скола при полублокированном резании начи нается от режущей кромки дискового резца, имеет серповидную форму и определяется шириной среза, углом резания и углом скола.
4. Разработаны математические модели процесса взаимодействия дискового инст румента с твердыми средами. Полученные аналитические зависимости усилия резания от параметров среза и свойств среды, учитывающие основные геометрические параметры дискового резца, подтверждены экспериментальными исследованиями, дают хорошую сходимость (погрешность не превышает 20 %) и позволяют на стадии проектирования определять усилия, возникающие на рабочих органах с дисковым инструментом, при бу рении скважин, рыхлении мерзлых грунтов и разрушении снежно-ледяных образований.
5. Анализ результатов экспериментальных исследований показал, что наименьшая энергоемкость процесса резания льда обеспечивается при использовании дисковых рез цов с углом заострения = 30° во всм диапазоне изменения значений ширины резания.
Дана оценка влияния геометрических параметров резцов, величин среза, физико механических свойств льда, его кристаллографической формы и ориентации направле ния прилагаемой разрушающей нагрузки относительно преобладающего направления осей кристаллов, составляющих разрушаемый ледяной массив, на силовые показатели процесса резания льда дисковыми резцами и характер его разрушения.
6. Установлены закономерности изменения усилий при блокированном и полубло кированном резании твердых сред в зависимости от физико-механических свойств сре ды, геометрических параметров инструмента и разработаны конструкции рабочих орга нов, оснащенных дисковым инструментом. Подтверждена эффективность разрушения твердых сред этими рабочими органами на серийно выпускаемых машинах с минималь ной энергоемкостью процесса. Новизна конструкторских разработок подтверждена па тентами и авторскими свидетельствами.
7. Разработана методика расчета усилий, возникающих на рабочих органах с дис ковыми резцами при разрушении твердых сред. Она позволяет на стадии проектирования с учетом физико-механических свойств среды и параметров среза определять рациональ ные геометрические параметры оборудования.
8. Получены зависимости изменения крутящего момента на буровой штанге и ско рости бурения от глубины скважины, позволившие определять затраты энергии, по кото рой можно судить о степени совершенства рабочего органа. Поставлена и решена важная проблема повышения эффективности бурения мерзлых грунтов до VIII категории проч ности путем создания сменных буровых рабочих органов с дисковым инструментом, обеспечивающим при одинаковой энерговооруженности повышение скорости бурения в 1,3–1,4 раза при энергоемкости разрушения верхних слоев грунта 1,08–3,4 кВт ч/м 9. Исследована нагруженность рыхлителей с дисковым уширителем, а разработан ные теоретические положения подтверждены экспериментально и опробованы на серий но выпускаемых машинах. Определена тяговая характеристика бульдозерно рыхлительного агрегата. Установка уширителей на стойки рыхлителей улучшает тягово сцепные свойства бульдозерно-рыхлительных агрегатов, максимальный тяговый КПД увеличивается до 44 %, а коэффициент буксования снижается на 10–14 %. Улучшение тя гово-сцепных показателей базовой машины при установке уширителей обеспечило по вышение производительности рыхлителей на 10–42 % и снижение энергоемкости на 8– 46 %.
10. Созданы, испытаны и внедрены конструкции уширителей к рыхлителям стати ческого действия. Данные разработки включены в технологические карты на производст во земляных работ в мерзлых грунтах глубокого промерзания комплексами машин с гу сеничными рыхлителями при возведении промышленных и жилых зданий. Приведенные в работе аналитические решения расчета усилий, возникающих на дисковых резцах при резании мерзлых грунтов, использованы в отраслевой комплексной программе Красно ярским ПромстройНИИпроектом при создании нового бурового, бульдозерно рыхлительного и дискофрезерного оборудования. Это позволило сократить сроки проек тирования, изготовления и испытания опытных образцов вновь созданного оборудования и разработать исходные (технические) требования на создание образцов такого оборудо вания. Оснащение рабочих органов машин дисковыми резцами позволило снизить энер гоемкость механического способа очистки покрытий и расширить область его примене ния, исключить необходимость приобретения дорогостоящей спецтехники, снизить рас ход химически активных антигололедных реагентов и улучшить экологическую обста новку в зонах движения транспортных потоков.
Список работ, опубликованных автором по теме диссертации а) статьи в изданиях, рекомендованных перечнем ВАК РФ 1. Желукевич, Р. Б. Совершенствование конструкций рабочих органов рыхлите лей мерзлого грунта / Р. Б. Желукевич, В. И. Емелин // Строительные и дорожные маши ны. – 2008. – № 12. – С. 43–46.
2. Желукевич, Р. Б. Устройство для определения показателей прочности уплот ненного снежного покрова / Р. Б. Желукевич, Ю. Н. Безбородов, В. А. Ганжа, К. Л. Ов сянников // Строительные и дорожные машины. – 2010. – № 1. – С. 26.
3. Желукевич, Р. Б. Рабочий орган для удаления снежно-ледяного наката с по верхности дорог и аэродромов / Р. Б. Желукевич, В. А. Ганжа, Ю. Н. Безбородов // Строительные и дорожные машины. – 2011. – № 1. – С. 61.
4. Желукевич, Р. Б. Тягово-сцепные показатели разрушения мерзлых грунтов бульдозерно-рыхлительными агрегатами с уширителями / Р. Б. Желукевич, В. И. Еме лин // Строительные и дорожные машины. – 2010. – № 7. – С. 51–54.
5. Исследование процесса резания уплотненного снега / А. В. Лысянников, Р. Б.
Желукевич, Ю. Ф. Кайзер // Вестник Кузбасского государственного технического уни верситета. – 2011. – № 6 (88). – С. 98–100.
6. Определение усилий при резании снега рабочим органом отвального типа / А. В. Лысянников, Р. Б. Желукевич, Ю. Ф. Кайзер // Вестник Кузбасского государст венного технического университета. - 2012. – № 2 (89). – С. 95–98.
7. Результаты исследования процесса удаления уплотненного снега с дорожных покрытий / А. В. Лысянников, Р. Б. Желукевич, Ю. Ф. Кайзер, Ю. Н. Безбородов, Н. Н. Малышева, В. Г. Шрам // Вестник Таджикского технического университета. – 2012. – № 3 (19). – С. 93–95.
8. Желукевич, Р. Б. Стенд для определения прочности уплотненного снежного покрова аэродромов и дорожных покрытий / Р. Б. Желукевич, А. В. Лысянников, Ю. Ф. Кайзер // Вестник Кузбасского государственного технического университета. – 2012. – № 2 (89). – С. 98–100.
9. Рабочий орган для удаления снежно-ледяного наката с дорожных покрытий / А. В. Лысянников, Р. Б. Желукевич, Ю. Ф. Кайзер, Н. Н. Малышева, И. В. Надейкин // Вестник Кузбасского государственного технического университета. – 2012. – № 4 (92). – С. 81–84.