Выбор рациональных конструктивных параметров плавающих ледорезных машин
На правах рукописи
МАЛЫГИН АЛЕКСАНДР ЛЬВОВИЧ ВЫБОР РАЦИОНАЛЬНЫХ КОНСТРУКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ПЛАВАЮЩИХ ЛЕДОРЕЗНЫХ МАШИН Специальность 05.05.04 «Дорожные, строительные и подъемно-транспортные машины»
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Нижний Новгород- 2010г.
2
Работа выполнена в Нижегородском государственном техническом универси тете (НГТУ) им. Р.Е.Алексеева на кафедре «Строительные и дорожные машины» и в научно-исследовательской лаборатории «РАЛСНЕМГ».
Научный руководитель доктор технических наук, профессор Кулепов Виктор Федорович Официальные оппоненты доктор технических наук, профессор Слюсарев Анатолий Сидорович кандидат технических наук, Пуртов Андрей Робертович Ведущая организация ООО «Промтех-НН», г. Н.Новгород
Защита состоится «10» ноября 2010г. в 14 часов на заседании на заседании спе циализированного Совета Д 212.165.04 в Нижегородском государственном техниче ском университете по адресу 603600, г. Н. Новгород, ГСП-41,ул. Минина, д. 24 ауд.№
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Нижегородского государствен ного технического университета.
Автореферат размещен на сайте НГТУ им. Р.Е. Алексеева www.nntu.ru.
Автореферат разослан «07» октября 2010г.
Отзыв на автореферат с подписью, заверенной печатью организации, просим на правлять в адрес ученого секретаря диссертационного совета.
Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.165. доктор технических наук, профессор Л.Н. Орлов
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность. Большинство рек, озер, а также прибрежные морские акватории РФ в течение длительного периода покрываются льдом. Ледяной покров является удоб ным опорным основанием для гидротехнического строительства, прокладки подводных коммуникаций и пр. Это позволяет снизить влияние фактора сезонности и снизить за траты на проведение указанных технологических операций, что особенно важно для экономического развития регионов - Севера, Сибири и Дальнего Востока. В обеспече нии технологических операций, связанных с образованием каналов и майн, ледорезные машины (ЛРМ) играют ключевую роль.
Ледорезные машины на протяжении более 50 лет разрабатывались в НИЛ "РАЛС НЕМГ", созданном родоначальником этого вида техники проф. А.Ф. Николаевым. Как показал многолетний опыт эксплуатации подобных машин с точки зрения разнообразия выполняемых операций, надежности, простоты обслуживания наиболее рациональным рабочим органом является дисковая фреза. Однако вплоть до настоящего времени опре деление нагрузочных характеристик на валу фрезы велось на базе эмпирических зави симостей, которые не раскрывали физической сути процесса резания и не могли слу жить основой для разработки полноценных методик расчета.
Другой проблемой эксплуатации ЛРМ являлась опасность пролома льда и свалива ние машины в воду. Для повышения безопасности проведения работ на ледяном покро ве, многие машины создавались на базе плавающего корпуса-понтона. Однако, и они не могли противостоять переворачиванию при внезапном проломе льда и не были приспо соблены для выхода на ледяной покров после их попадания в воду. Кроме того, после прорезания льда, необходима расчистка майн и каналов, что требует тяжелого ручного труда и вызывает необходимость расширения функциональных возможностей ЛРМ.
В связи с изложенным, задача обоснования и разработки конструкции ЛРМ на базе плавающего корпуса- понтона, сочетающей требуемые производственные качества с безопасностью и многофункциональностью, является актуальной.
При этом в разработке должно быть учтено максимальное количество факторов влияния среды функционирования машины. Для этого необходимо создание соответст вующей научно обоснованной методики определения основных конструктивных пара метров ЛРМ.
Цель работы. «Обоснование методики выбора рациональных конструктивных параметров плавающих ледорезных машин».
Задачи исследования. На основании анализа проблем, связанных с темой диссер тации, сформулированы исследовательские задачи, которые необходимо решить для достижения поставленной цели:
1. Провести анализ существующей эмпирической модели силы резания льда и разрабо тать адекватную ей модель, с использованием теории разрушения хрупких тел.
2. Получить аналитические зависимости для расчета нагрузочных характеристик дис кофрезерных рабочих органов.
3. Определить зависимости между массогабаритными параметрами ЛРМ, обеспечи вающими ее безопасную эксплуатацию при внезапном проломе льда и разработать методику расчета буксирного усилия для выхода ЛРМ из майны на ледяной покров.
4. Установить связь между основными параметрами ЛРМ и размерами вырезаемых карт льда, при которых обеспечивается расчистка майны посредством ЛРМ.
5. Проверить посредством модельных экспериментов теоретические зависимости меж ду массогабаритными параметрами ЛРМ, обеспечивающими безопасность и выход из воды на ледяной покров.
6. Провести проверку методики выбора конструктивных параметров плавающих дис кофрезерных ледорезных машин на натурном образце ЛРМ.
Объекты исследования:
эмпирическая модель силы резания льда и ее физическая интерпретация;
дискофрезерный рабочий орган и его нагрузочные характеристики;
несущий корпус- понтон как плавучий объект, плавающая модель ЛРМ;
натурный образец ЛРМ на базе плавающего корпуса- понтона.
Методы исследования. В теоретических исследованиях использовалась теория разрушения хрупких тел, численные методы математического моделирования, разраба тывались алгоритмы и программы с использованием пакета Mat Lab-5, MathCad, Excel.
Экспериментальные исследования проводились с использованием метода модельного эксперимента с применением теории подобия, выполнялись полевые эксперименты с на турным образцом ЛРМ.
Научную новизну работы составляют:
интерпретация существующей эмпирической модели разрушения льда резанием на основе теории разрушения хрупких тел, раскрывающая физическую суть происхо дящих явлений;
аналитические зависимости для определения нагрузочных характеристик дискофре зерного рабочего органа;
зависимости для определения массогабаритных параметров ЛРМ, обеспечивающих безопасность при проломе льда;
методы определения технологических параметров, обеспечивающих расчистку выре заемых майн ото льда с помощью ЛРМ;
результаты модельного исследования поведения ледорезной машины как плавучего объекта.
Основные положения, выносимые на защиту Из теоретических разработок:
- результаты анализа эмпирической модели силы резания льда одиночным резцом и полученные на его основе аналитические зависимости нагрузочных характеристик для дискофрезерного рабочего органа;
- математические модели и методы определения массогабаритных параметров ЛРМ на базе корпуса- понтона, обеспечивающих безопасность при проломе льда, а так же определения буксирного усилия выхода машины из воды на лед;
- методы определения размеров нарезаемых карт льда, для возможности даль нейшей очистки майны ото льда с помощью ЛРМ.
Из научно-технических:
- результаты модельных опытов по определению и проверке безопасного поло жения ЛРМ на льду и в воде, а также усилия буксировки для выхода из майны;
- зависимости для определения массогабаритных характеристик ЛРМ, отвечаю щие условиям безопасности при проломе льда;
-зависимости, определяющие размеры ледяных карт для очистки майн и других операций;
-методические основы компоновки и формирования архитектурно- конструктив ной схемы ЛРМ и ее основных компонентов.
Достоверность результатов. Проведенные натурные испытания ледорезной машины созданной на основе проведенных теоретических и экспериментальных иссле дований подтвердили основные теоретические положения, принятые гипотезы и допу щения.
Практическая ценность Полученные аналитические зависимости расчета нагру зочных характеристик рабочего органа могут служить основой систем автоматизирован ного проектирования ЛРМ. Разработанные методики позволяют, при создании новых образцов ЛРМ, значительно сократить стадию опытно- конструкторской доводки маши ны. Методика определения основных массогабаритных параметров, обеспечивающих безопасность при проломе льда, применима не только для ЛРМ, но и для других транс портно- технологических машин, обладающих плавучестью и работающих на ледяном покрове.
Реализация результатов работы. Результаты теоретических и эксперименталь ных исследований в виде методов расчета конструктивных параметров машин, практи ческих рекомендаций, реализованы - при создании мобильной ледорезной машины для ликвидации аварий на подводных переходах магистральных трубопроводов в зимних условиях ЛФМП-1 (ОАО "АК Транснефть", г. Москва);
- при организации и научно-техническом обеспечении операций технологического комплекса для укладки донных кабельных линий связи между нейтринным телеско пом и береговым центром управления на оз. Байкал (ИЯИ АН РФ, г. Москва);
- при создании ледорезной машины ЛФМ-73 АО «Северстройподводстрой», г. Надым.
Предложенные методы расчета используются в учебном процессе на кафедре «Строительные и дорожные машины» Нижегородского государственного техниче ского университета им. Р.Е.Алексеева.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсужда лись на международных, всесоюзных, всероссийских, региональных конференциях, в том числе на: Научно-технической конференции молодых ученых (г. Горький, 1983);
Региональной конференции "Применение ЭВМ в проектировании и испытании машин и оборудования" (г. Горький, 1983);
Научно-технической региональной конференции "Ак туальные вопросы научно-технического прогресса и внедрения в практику" (г. Горький, 1984);
Научно-техническая конференция "Интенсификация рабочих процессов земле ройных машин в строительстве" (г. Киев, 1989);
6-й Региональной научно-технической конференции "Проблемы создания новой техники для освоения шельфа" (г. Горький, 1989);
Региональной научно-технической конференции (г. Горький, 1990);
Всесоюзной научно-технической конференции "Новое в подъемно-транспортном машиностроении" (г. Москва, 1993);
Межрегиональной научно-технической конференции "Современные задачи техники, технологии, автоматизации, экономики" (г. Н.- Новгород, 1999);
Меж дународной конференции "Проблемы проектирования, испытаний, эксплуатации и мар кетинга автотранспортной техники, двигателей внутреннего сгорания, строительных и дорожных машин, транспортно-технологических комплексов и вездеходов" (Н.- Новго род, 2000);
Всероссийской научно-технической конференции "Транспортно технологические машины " г. Нижний Новгород, 2004;
Х Международной научно технической конференции "Современные тенденции развития транспортного машино строения" (г. Пенза, 2005);
Всероссийской НТК «Современные технологии в корабле строении и энергетическом образовании, науке и производстве», г. Нижний Новгород, 2007.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 научных работ, в том числе в изданиях рекомендованных ВАК РФ, получено 7 авторских свидетельств и патентов РФ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выво дов, списка литературы и двух приложений. Содержит 105 страниц основного компью терного текста, 104 рисунка, 5 таблиц, библиографию из 115 наименований и двух приложений на 63 страницах.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении показано, что задача создания конструкции ЛРМ на базе плавающе го корпуса- понтона актуальна, представлена цель и задачи исследования, положения, выносимые на защиту.
Первая глава посвящена изучению состояния вопроса и обоснованию цели и за дач исследования Рассмотрены существующие достижения в области конструировании ледорезных машин, созданных на протяжении многих лет в ОКБ «РАЛСНЕМГ» (Нижегородский государственный технический университет - НГТУ) под руководством профессора А.Ф.
Николаева. Были разработаны десятки образцов ледорезных машин, некоторые их них выпускались серийно. Особенностям их проектирования и создания посвящены труды ученых Нижегородской научной школы Е.А. Трубиной, П.А. Амангалиева, А.А. Наза ровского, А.П. Куляшова, А.С. Слюсарева, В.Е. Колотилина, Л.С. Левшунова, А.И.
Шкоды, В.Н. Худякова, А.В Янковича, С.Д. Алатина, В.Ф. Кулепова, А.Р.Пуртова, В.В.
Романова, Ю.И. Молева и др.
В результате анализа парка образцов ЛРМ составлена классификация этих машин по основным конструктивным признакам: по типу рабочего органа (РО), движителя, не сущего шасси и др.
Анализ технических задач как существующего, так и потенциально возможного применения ЛРМ показывает, что при всем их многообразии требуется ограниченный набор операций по разрушению льда, для реализации которых необходимы различные типы РО: дисковые и пальцевые фрезы, бар, выявлено, что наиболее универсальным РО является дискофрезерный (ДФРО). Однако, применяемая эмпирическая модель усилия на единичном резце, (В.Ф. Кулепов и В.В. Романов) для определения нагрузочных ха рактеристик РО P РЭ h n 1 (b 1)(1 t л )(1 V р ) 1 р ( р 40) 2, (1) где : b - ширина резца, см;
tл - температура льда, C ;
Vр - скорость резания, м/с;
р n = 0.47;
= 0.865;
= 0.06;
= 0.1;
угол резания, град;
h - глубина резания, см;
p 3.2 10, PЭ 60Н, -эмпирические коэффициенты;
не отражает физической сути процесса резания, что снижает степень ее общности и тре бует дальнейшего развития на основе теории хрупкого разрушения. Также отсутствуют аналитические математические модели нагрузочных характеристик дискофрезерного рабочего органа, непосредственно связывающие исходные и искомые параметры, что затрудняет построение удобной для практики методики расчета.
Проведенный анализ природно-географической среды функционирования ЛРМ на территории РФ показывает, что ледяной покров РФ отличается значительным диапазо ном толщин и представляет серьезную опасность для работы ЛРМ на ледяном покрове.
Кроме этого, вслед за прорезанием льда для получения майн и каналов требуется их расчистка ото льда, эта операция практически не механизирована и сводит на нет увели чение производительности ЛРМ. Поэтому сделан вывод о необходимости обеспечения ЛРМ следующими основными качествами и свойствами:
- не опрокидываться при попадании в воду при случайном или намеренном про ломе льда или сваливании в майну;
- иметь возможность выхода из воды на ледяной покров;
- обладать способностью расчищать вырезанную машиной майну ото льда.
Ни одна из уже созданных ЛРМ в достаточной мере не обладает такими качества ми. Существующая методика проектирования амфибийных машин не позволяет сконст руировать ЛРМ с заданными выше качествами, так как ориентирована на плавный вход машины в воду и плавный выход.
Анализ проблем проектирования ЛРМ позволил сформулировать цель работы и сформулировать исследовательские задачи, которые необходимо решить для достиже ния поставленной цели. Схема взаимосвязи цели и задач, требующих решений для е достижения, показана на рис. 1.
ЦЕЛЬ: Обосновать методику выбора рациональных конструктивных параметров плавающих ледорезных машин ГЛОБАЛЬНАЯ ЗАДАЧА: Обеспечение основных качеств машины ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ БЕЗОПАСНОСТЬ МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНОСТЬ 1. Задачи определения нагрузочных 2. Задачи выбора 3. Задачи определения характеристик параметров машины, размеров майн и карт обеспечивающих ее льда, обеспечивающих функционирование после возможность расчистки Задача Задача получения Задача получения зависимости для получения пролома льда майн средствами машины зависимости усилия подачи РО зависимости | для моментана Р n =f(V n,D ф,h л ) для вертика Задача определе- | | волу РО льного ния зависимости | Эксперементальн | Задача определения M=f(V n,h л ) усилия безопасной ая проверка зависимости | Р в =f(V n,h л ) высоты борта, достоверности на | размеров блоков | исключающей модели машины и льда при очистки | | | | опрокидывание корректировка майны способом | | Н=f(М,L, В,h л ) зависимости выемки блоков Проверка достоверности результатов на | Р букс =Аh л а L б b Задача основе известных данных определения Эксперимента Задача определения | | | тягового усилия льная зависимости площади | | | лебедки для проверка блоков льда при очистки | | | выхода из майны достоверност майны способом | | | на лед Р т =f(М,L, и на модели притапливания | | | машины В,h л ) S/LB= f(h л,М) | | | | | | Конструкторские задачи | | Определение Определение Определение Определение мощности Определение массы мощнос- ти мощности привода прочных раз- привода лебедки, ледорезной машины и её привода движителей, меров опор- габаритов и массы габаритов из условий фрезы, габаритов и массы ных элементов трансмиссии плавания, заданной габаритов и трансмиссии шасси и производительности и массы корпуса трансмиссии безопасности на ледяном покрове ИСПЫТАНИЯ НАТУРНОГО ОБРАЗЦА ЛЕДОРЕЗНОЙ МАШИНЫ Подтверждение теоретических результатов Производительность Выход из майны Расчистка притапливанием Рис.1. Структурная схема связей цели и задач работы.
Во второй главе рассматриваются физические аспекты разрушения льда резани ем. Исходная эмпирическая зависимость (1) представлена в форме:
P (h,V p, b, t, ) P (h) A(V p ) B(b) C (t ) D( ) (2) Физическое обоснование модели резания льда единичным резцом может быть по лучено исходя из структуры е компонентов с различной физической природой. Как следует из известных данных и наблюдений за процессом резания хрупких материалов и структуры эмпирической модели следует выделить две основные составляющие уси P Pразр Pсопр лия резания: (3) где Рразр - составляющая общего усилия, обусловленная непосредственным раз рушением материала;
Рсопр – усилие, которое требуется для преодоления резцом сопро тивления образовавшихся обломков- ледяной стружки, ее трения о поверхность резца и стенки забоя, трения резца о дно забоя Составляющая, Рразр связана с процессом от деления ледяной стружки от массива. По скольку лед является (при высоких скоростях приложения нагрузки) абсолютно хрупким телом, длина трещины l, отделяющей скалы ваемую часть от массива, является критиче ской. В соответствии с теорией Гриффитса 2 Eл Р ( h) ~ h b ~ b h l. (4) Рис. 2. Поэтапное скалывание стружки где hb-пропорционально поверхности скола (b-ширина резца), - поверхностная энер гия, Ел- модуль упругости льда. Таким образом, последний член выражения (4) пред ставляет собой критическое напряжение. Его величина, под названием «эталонная сила резания Р0» была экспериментально получена В.В. Романовым под руководством В.Ф.
Кулепова в опытах по срезанию стружки шириной b=1 см и высотой h=1см. Значение «эталонной силы» у авторов составило 60 Н. В свете предлагаемой интерпретации раз рушения резанием следует полагать = Р0=60Н/см1, Так как l ~h, из (4) следует Р(h)= b 2 h E л,где kl- коэффициент пропорцио kl нальности и тогда Р(h)= P0 b1 h, что хорошо согласуется с эмпирической зависимостью Р(h)= P0 b1 h 0.47. Анализ разрушения льда резанием позволил выявить природу так на зываемого «коэффициента блокированности », который отражает увеличение измель чения ледяной стружки (увеличение площади свободной поверхности) в условиях стес ненного резания.
Сопротивление резанию;
Рсопр учитывается коэффициентом трения kтр, при этом P Pразр (1 kтр ). (5) Как следует из эмпирической модели (1), коэффициент трения зависит от скорости реза нияVp : kтр = Vp.
Сомножитель В(b) в (2) отражает тот факт, что с увеличением ширины забоя стружка относительно более крупная, чем в «эталонных» условиях, так как в узком за бое, как отмечалось в опытах, из-за стесненности происходит вторичное измельчение отколотого льда с увеличением суммарной площади свободной поверхности образую щихся трещин. Этот сомножитель можно, в отличие от (1), представить в безразмерной (b b1 ) B (b) форме, (6) b где b1-ширина резца, при которой производилось определение.
Сомножитель, учитывающий увеличение силы резания при отклонении угла реза ния от оптимального =400 следует полагать D() =1, в силу отсутствия причин, застав ляющих проектировать РО с другими углами установки резцов.
Сомножитель С(t) отражает рост величины критического напряжения Р с пони жением температуры льда. Косвенно это подтверждается известными данными увели чения твердости льда с повышением отрицательной температуры.
Таким образом, в силу представленной интерпретации физического смысла сомножителей в (2) математическая модель усилия резания примет вид:
Р= P0 h A(V p ) B(b) C (t ). (7) На основании схемы взаимодействия ДФРО с ледяным покровом (рис.3) составлены зависимости между силовыми и геометрическими параметрами ДФРО Pn P cos PN sin DфVп ;
Толщина снимаемой стружки h( ) sin Pв P sin PN cos (8) V Z p Rф (cos cos ) t л t B 1 (9) Зависимость температуры от глубины hл i hл Lв Rф Полный угол контакта фрезы со льдом: arccos (10) Rф Dф 2 Lв h Lв Rф arccos ;
arccos л Z-число зубьев;
Dф Rф Усилие на резце, находящемся в положении i P ( i ) Ei F sin i G cos i sin i (11) t R Dф Vn Rф Lв A(V p ) Bi (b) i, F 1 t t в 1, G t в ф.
где Ei P0 hл Vp Z hл Рис. 3. Схема ДФРО Основная нагрузочная характеристика – средний момент на валу ДФРО определяется как сумма работ на отдельных резца совершенная за полный поворот фрезы, отнесенная Z М ср ( Ai ) / 2, к углу поворота (12) i а работа на отдельном резце вычисляется как интеграл:
k 1 k1 k Ai RФ P ( )d Rф Ei F sin d G cos sin d.
(13) Поскольку интегралы не являются табличными, они берутся численно методом Ромбер га посредством пакета MathCAD. Рассматривая (13) как A1 Rф E V1, где V1 F I1 ( hл, Lв, k1 ) G I 2 ( hл, Lв, k1 ) (14) Dф Dф Dф Dф Для случая максимального погружения фрезы в лед Lв/Dф =const= 0.15 и функция V1 близка к линейной (рис. 4), что позволяет аппроксимировать ее выражением:
h V1 (2.05 0.065 t в ) ( л ) (15) Dф Рис. 4. Вид функции V1 Рис. 5. Схема образования стружки В случае, если все резцы широкие b=Bпр =1.9 средний момент выражается так:
Dф V n Z hл M ср 1.9 Rф P0 (1 0.1V p ) [1 0.865( Bпр 1)] (2.05 0.065 t в ) I (16) 2 Dф Vp Z При чередовании узких и широких резцов схема реза усложняется (рис. 5), что учитывается приведенной толщиной стружки h I h (2 b Bпр ). При этом (12) будет иметь два слагаемых- M ср M ср M ср A1 A2 / 2 соответствующих работам мо /2 / уз шир II i1 i ментов на узких и широких резцах. Аналогично (16) получим:
Dф Vn Z hл [1 0.865 (b 1)] M ср Rф P0 (1 0.1 V p ) (2.05 0.065 tв ) II 4 Dф Vp Z (17) (2 Bпр b), 1.9 [1 0.865 ( Bпр 1)] Bпр Для усилий подачи и вертикального усилия, в отличие от момента, необходимо знание их максимальных значений. Усилие подачи также находится как сумма сил на Zp Zp отдельных резцах Pn P i (cosi 0.345 sini ) E n (i ) U (18) i i 1 i где U n ( i ) ( F sin i G cos i sin i ) (cos i 0.345 sin i ) (19) k k k U п ( k )d Fn cos sin d 0.345 sin sin d Так как 0 0 (20) k k G 0.345 cos sin sin d cos 2 sin d 0 также применяется численное интегрирование и результат, близкий к линейной зависи мости, аппроксиммируется выражением U п ( i ) (1.02 0.31 t t в ) Z n (21) i В итоге, максимальное усилие подачи, требуемое для ДФРО с одинаковыми по ширине резцами определяется следующей аналитической зависимостью:
Dф V n (1.02 0.3 t t в ) Z PnI 1.9 P0 (1 0.1 V p ) [1 0.865 ( Bпр 1)] (22).
Vp Z Аналогично моменту определяется максимальное усилие подачи при чередовании узких и широких резцов:
Dф Vn (2 Bпр b) (1 0.865( Bпр 1) (1 0.865(b 1) P II P 1. n Vp Z Bпр (23) (1.02 0.3 t tв ) Z 1 0.1 V p.
4 Z p Максимальное вертикальное усилие, Pв P i (sin i 0.345 cos i ), (24) i также, как в (18) определяется через интеграл функции Uв(i):
Аппроксимируя численные значения интеграла, получим Dф V n Pв 1.9 P0 (1 0.1 V p ) [1 0.865 ( B пр 1)] I Vp Z (25) (1.72 0.80 t t в ) Z.
для ДФРО с одинаковыми (широкими) резцами, и для фрезы с чередованием узких и широких резцов:
Dф Vn (2 Bпр b) (1 0.865( Bпр 1) (1 0.865(b 1) Pв P0 II 1. Vp Z Bпр (26) (1.72 0.80 t t в ) Z (1 0.1 V p ).
Таким образом, получены аналитические зависимости главных нагрузочных харак теристик от основных конструктивных и производственных параметров ДФРО.
Проверка адекватности результатов производилась путем сравнения данных, полу чаемых по этим зависимостям с данными численных расчетов по алгоритму, разрабо танному В.Ф. Кулеповым, В.В. Романовым при участии автора настоящей работы [14].
Достоверность этого способа расчета, представляющего по своей сути вычислительный Рис. 6. Сравнение средних моментов Рис. 7. Сравнение max усилия подачи эксперимент, была подтверждена В.В. Романовым натурным инструментальным экспе риментом с ЛРМ ЛФМ-17. Сопоставление среднего момента на валу, максимального усилия подачи и вертикального усилия, полученных численно с результатами, получен ными с помощью аналитических зависимостей, дано на рис. 6, 7, 8.
Штрих - пунктирными линиями показаны ре зультаты численного расчета, штриховыми по аналитическим зависимостям.
Расхождение результатов по среднему мо менту составляет 1%, по максимальному усилию подачи- 2.4 %, по максимальному вертикальному усилию 6.8%. Это можно объяснить уточнением схемы реза (рис.5).
Рис. 8. Максимальные вертикальные усилия Аналитическая форма зависимостей, в отличие от численного метода, позволяет непосредственно выразить зависимость требуемого параметра от остальных. Мощность на валу дисковой фрезы Nф=Мср Vp/ Rф выражается через основные параметры:
Vn V p (2 Bпр b) [1 0.865 ( Bпр 1)] hл. (27) (1 0.1 V p ) [( 2.05 0.065 t в ) 1 0.865 (b 1)] 1. N ф P0 [ 4 m Bпр Усилие подачи при заданной скорости проходки Vn:
(2 Bпр b) (28) Vn (1 0.865( Bпр 1) (1 0.865(b 1) 1 0.1 V p (1.02 0.018 t в ) Dф.
PnII 1. P m V p Bпр 4 Скорость подачи при заданном Nф 16 N Ф Vp Vn (1 0.1 V p ) ( 2.05 0.065 t в ) P m ( 29) ( 2 Bпр b) [1 0.865 ( B пр 1)] h л [1 0.865 (b 1)] 1. B пр Модуль цевочного зацепления m =Dф/Z= const.
Эти выражения позволяют наглядно пока зать зависимости основных нагрузочных характеристик. Такие зависимости для ЛРМ ЛФМП-1 показаны на рис.9, 10, 11.
Выделенные точки указывают характери стики, принятые при проектировании ма шины.
Толщина льда hл =0.8м.
Рис.9. Мощность от скорости подачи Рис. 10. Усилие подачи от скорости подачи (Nф=20. кВт, tв=-300С) Рис.11.
Скорость проходки от температуры (Nф=20.1кВт) В третьей главе рассматриваются вопросы повышения безопасности на ледяном покрове. Решается задача поведения ЛРМ при внезапном проломе льда или случайном сваливании машины с кромки майны. На рис.12 изображено наиболее опасное положе ние машины, ведущее к ее переворачиванию – когда машина зацепляется одним из ко лес за кромку льда. В качестве критического принято условие, что палуба не должна входить в воду, так как это приводит к дальнейшему опрокидыванию и обледенению механизмов на палубе. С использованием расчетной схемы для этого случая (рис.13) и соответствующих условий равновесия было получено выражение для предельной массы Рис. 12. Опрокидывание машины на кромке Рис. 13. Расчетная схема ЛРМ на кромке майны понтона единичной длины (L=1м) при которой борт погружается на заданную величину:
h 3 6q - tg - ctg 1 tg sin G пр m (30) 3 1 H tg G g где H H / B, Н- высота борта понтона, В- ширина понтона.
Результаты численных расчетов показали, что эта зависимость может быть ап проксимирована формулой, основанной на уравнении плоскости:
F(B,hл)=0.69B-0.17 hл-0.33 (т/м2) (31) Она позволяет выбрать высоту борта при проектировании плавающей машины.
Н mG / F(B,hл) (32) Рассмотрена возможность самостоятельного выхода плавающей ЛРМ из майны на ледяной покров с использованием буксирной тяги. Расчетная схема задачи показана на рисунке 14. Параметры, зависящие от внешних условий- hкл =0.2hл - клиренс, hл- толщи на льда. Параметры понтона – габаритные размеры L, B, H;
н, угол лыжи, G- сила тя жести, D-сила плавучести. Относительные параметры: М – приведенная масса (на 1 м ширины);
ширина понтона - В=1м. Результат расчета: Рбукс- буксировочное усилие ле бедки на 1 м ширины понтона, н, угол лыжи.
Из условия равновесия:
(33) 0;
Р G l Dl букс B G D PX 0 ;
. D= F(,Рбукс, XВ), G=Mg (G D)[sin( н ) f тр cos( н )] Pбукс (34) cos( н ) f тр sin( н ) Из-за значительных трудностей определения угла, соответствующего положе нию равновесия задача решалась численно, методом итерации. Для проектируемой ЛРМ ЛФМП-1 буксирное усилие составляет 20 кН. Кроме этого, в данной главе решаются задачи определения параметров, по зволяющих с помощью ЛРМ выпол нять расчистку майны.
После разработки начальных проре зей для образования майны требуется е очистка, проведение которой воз можно двумя способами (рис.15): раз резания ледяного покрова на отдель ные блоки и эвакуации их на лед, или Рис. 14. Схема сил при выходе ЛРМ из майны притапливание и перемещение движителем ЛРМ вырезанной карты под ледяной покров.
Рис. 15. Способы расчистки майны с помощью ЛРМ Для первого способа, условия равновесия подобны условиям (33), а расчетная схема подобна показанной на рис.14 при условии н =0, аналогично изменяется и выра жение (34) для определения Рбукс. В результате расчетов получены зависимости измене ния буксирного усилия выемки блока в процессе выхода и выделены максимальные значения Рбукс, приходящегося на 1 м ширины вынимаемого блока (рис. 16).
Зависимости, показанные на рис.16, аппрок симированы формулой букс А hл Lб,(Н);
a b P (35) где А=7162;
a=1.645;
b=0.394;
(hл, Lб-м), которая совпадает с данными численного расчета с точностью до 0.1%.
Для второго способа необходимо определе ние соотношения между плавучестью льди ны, плавучестью и массой ЛРМ при котором льдина притапливается ниже нижней по верхности льда.
Рис. 16. Максимальные значения Рбукс Схематично это показано на рис. 17. Ис ходя из силы притапливания РпрLB(T-T2) g, силы плавучести 0.9h Тh л T пр Рл=0.1Sлhлg и условия притапливания hпр=T2+hкл 0.9hл получено соотношение h кл л между массой М, площадью понтона ЛРМ в плане (LB) и максимально возможной Рис. 17. Схема притапливания льдины площадью льдины Sл, которую он сможет притопить (36), определено предельное значение толщины льда при минимальных размерах льдины Sл= LB (37):
10 M M Sл hЛ 1. 7 ;
(36) (37) LB LB hл L B Кроме этого, притапливаемая льдина, нагруженная силой Рпр и силами плавучести q не должна переломиться под машиной. Предельная длина льдины определяется из ус и hл ловия ее прочности на изгиб: Lбл (38) ;
0.075 g Карта льда может выпиливаться для майны с трех сторон и затем полученная «клавиша» обламывается силой тяжести въезжающей на нее машины.
и hл BБЛ Lпр С использованием известной связи (39) 6P В четвертой главе рассматривается реализация теоретических исследований при раз работке конструктивно- компоновочной схемы ЛРМ нового поколения и их эксперимен тальная проверка.
На базе основных зависимостей, определяющих существование машины как пла вающего объекта, а также полученных ранее теоретических зависимостей, методом по следовательных приближений разработана компоновочная схема, включающая как ком поновку механизмов, так и компоновку плавучих объемов понтона, обеспечивающих надлежащую посадку машины при свободном плавании на воде.
Рис. 18. Модель на кромке Рис. 19. Моделирование выхода Перед выходом на рабочее проектирование были проведены модельные экспери ментальные исследования. На основе условий моделирования изготовлена модель ма шины в масштабе 1:10, разработан стенд для проведения опытов.
В результате экспериментальных исследований для самого опасного случая по ложения машины на кромке майны (рис.18) установлено, что из-за отступления реаль ной формы понтона от теоретической, безопасную высоту борта следует принимать на 13% большей, чем это дается теоретической формулой (32).
На основании проведенных опытов экспериментально подтверждена величина безопасной высоты борта, а также определено, что для уменьшения опасности опроки дывания и входа палубы в воду продольная координата (от кормы понтона) центра масс машины должна быть на 10% больше координаты центра тяжести погруженного объема горизонтально расположенного понтона. Экспериментально подтверждена возможность безопасного нахождения на накрененной машине, зависшей на кромке льда, одного че ловека, производящего необходимые манипуляции с тросом и лебедкой для последую щего выхода машины на ледяной покров.
Условие моделирования сил трения в опытах по определению максимального буксирного усилия для выхода машины из майны на ледяной покров (рис.19), выполне но посредством применения фторопластовой облицовки трущихся поверхностей.
Опытным путем подтверждено (рис. 20) совпадение результатов численного определе ния максимального буксировочного усилия выхода машины из майны на лед с помо щью разработанного в 3-й главе алгоритма расчета и вычислительной схемы.
Экспериментально доказано, что буксирное усилие выхода может быть снижено при его приложении не вдоль плоскости симметрии машины, а под углом 10-150 к ней.
На основании опытов получено, что для беспрепятственного выхода машины на ледяной покров носовая торцевая стенка понтона, расположенная выше уровня воды должна иметь наклон 150,, на днище в районе носового скоса по бортам должны быть установлены лыжи, направленные по ка сательной к окружности колес.
В экспериментах также определена наилучшая (по минимизации величины силы) точка е приложения - на днище понтона, в месте перехода наклонной части в горизонтальную. Предложена конструктивная схема реализации тако го приложения посредством проводки Рис. 20. Буксирное усилие выхода буксирного усилия троса через трубу,.-расчетные значения - эксперимент соединяющую палубу с днищем.
В пятой главе приводятся данные натурных испытаний машины (характеристи ки приведены в таблице 1), в которых получено удовлетворительное совпадение произ водительности машины с расчетными значениями (рис.21), что подтвердило правиль ность разработанных математических моделей и алгоритмов расчета нагрузочных ха рактеристик рабочих органов. Натурными испытаниями подтверждена адекватность ре зультатов теоретических и экспериментальных исследований, на основании которых были выбраны размеры и компоновка корпуса- понтона машины. (Рис.22, 23, 24, 25) Таблица 1 Характеристики ЛРМ ЛФМП- ШИРИНА ПРОРЕЗИ ……… ….0.1 м массогабаритные ДЛИНА………………………….…….3.65 м СКОРОСТЬ ПРОРЕЗАНИЯ (0.8м)….620 м/ч ШИРИНА……… …………………….2.28 м СКОРОСТЬ БЕЗ ПРОРЕЗАНИЯ..3 км/ч ВЫСОТА В ТРАНСП. ПОЛОЖЕНИИ…1.89 м ПОТРЕБЛЯЕМАЯ МОЩНОСТЬ (3ф МАССА В СНАРЯЖ. СОСТОЯНИИ...2542 кг 380В)…………………… ……..30 кВт ДОРОЖНЫЙ ПРОСВЕТ……………...0.3 м тяговая лебедка МИНИМАЛЬНАЯ ТОЛЩИНА ЛЬДА0.15-0.2 м ТЯГОВОЕ УСИЛИЕ……………47-30 кН СКОРОСТЬ НАМОТКИ ТРОСА.5.5-8.6 м/с производственно-технологические ТОЛЩИНА ПРОРЕЗАЕМОГО ЛЬДА….0.8 м ДЛИНА ТОРОСА…………… ……..100 м Рис. 21. Сравнение теоретических Значений производительности ЛФМП- с экспериментальными 1- теоретическая зависимость при tв= 170С ;
2 - теоретическая зависимость при tв= -250С ;
- экспериментальные значения Рис. 22. Прорезание льда Рис. 23. Облом клавиши в майне Рис. 24. Выход из майны Рис. 25. Майна, очищенная ото льда В конце главы приводится схема методики выбора рациональных конструктивных параметров ледорезных машин (рис.26).
В приложениях приведены методические основы конструирования плавающих ЛРМ нового поколения, акты внедрения результатов работы.
Рис. 26. Структура методики выбора конструктивных параметров плавающих ледорез ных машин.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ, ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ 1. Впервые предложена интерпретация существующей эмпирической модели раз рушения льда резанием на основе теории разрушения хрупких тел, раскры вающая физическую суть происходящих явлений.
2. Впервые получены аналитические зависимости для определения мощности привода дисковой фрезы, усилия тяги движителя и вертикального усилия, дей ствующего на вал фрезы и движитель.
3. Впервые поставлена и решена задача о предотвращении опрокидывания амфи бийных машин при внезапном проломе льда, на основании чего получены зави симости для определения высоты борта, обеспечивающей безопасность пла вающих машин на ледяном покрове.
4. Впервые разработан численный способ определения буксирного усилия для выхода ЛРМ из майны на ледяной покров с помощью собственной лебедки.
5. Впервые поставлены и решены задачи позволившие использовать плавающие ЛРМ не только для прорезания льда, но и для расчистки выпиленных майн получены зависимости между параметрами ЛРМ и размерами ледяных блоков и карт, которые машина может убирать из майны.
6. Разработана конструкция и изготовлен образец машины ЛФМП-1, в которой реализованы результаты теоретических исследований и модельных экспери ментов. Машина имеет массу 2420 кг, с размерами 2.3х3.6х1.8 м, потребляемая мощность 30 кВт, глубина прорезания льда 0.8 м, ширина щели 0.1 м, скорость проходки – 600 м/ч, средняя тяга буксирной лебедки 20 кН.
7. Натурными испытаниями подтверждено:
- результаты теоретических исследований, на основе которых были выбраны размеры и компоновка корпуса-понтона машины адекватны эксперименталь ным данным;
- подтверждена теоретически обоснованная способность машины образовывать майну, путем облома выпиленной клавиши, очистки майны путем притаплива ния и транспортировки карты льда под поверхность ледяного покрова;
- подтверждена теоретически обоснованная способность выхода машины из майны на ледяной покров с помощью собственной буксирной лебедки;
- получено, что рассчитанное теоретически, буксирное усилие лебедки обеспечи вает выход машины из майны (степень сходимости результатов до 9%);
- теоретическая производительность машины согласуется с производительно стью натурной машины (степень сходимости результатов 14…20%);
- по результатам испытаний машина рекомендована в серийное производство.
8. Проведенные исследования позволили выработать следующие рекомендации:
- При использовании фрез с чередованием узких и широких резцов следует стре миться к уменьшению ширины узкого резца, которая должна назначаться из ус ловия прочности зуба цевочного зацепления.
- Точка приложения буксирного усилия к корпусу плавающей машины для выхо да ее из майны на лед должна находиться на днище корпуса.
- Для снижения буксирного усилия выхода, угол буксирного троса к кромке май ны должен составлять 10-150.
- Для увеличения устойчивого положения на кромке майны и в воде машина в свободном плавании должна иметь дифферент 2-30 на нос.
- Для успешного выхода плавающих машин на лед из майны в носовой части должны устанавливаться лыжи, препятствующие упору движителя (колес, гу сениц) в кромку льда.
9. Результаты теоретических и экспериментальных исследований внедрены: ОАО «АК Транснефть» г. Москва;
Институт ядерных исследований Российской ака демии наук (ИЯИ РАН);
АО «Северспецподводстрой», в учебном процессе на кафедре «Строительные и дорожные машины» Нижегородского государствен ного технического университета им. Р.Е. Алексеева.
Основное содержание работы
опубликовано в работах автора:
А.с. 1125453 СССР, МКИ5 F 25 С 5/02 Ледорезное устройство / Николаев, А.Ф., 1.
Худяков, В.Н., Малыгин, А.Л. (СССР). - № 3424950;
Заявлено 16.04.82;
Опубл.20.11.84, Бюл. № 43.-114 с.
А.с. 1395914 СССР, МКИ4 F 25 С 5/02 Устройство для прорезания щелей во 2.
льду водоемов / Алатин, С.Д., Кулепов, В.Ф., Романов, В.В., Малыгин, А.Л (СССР). – № 4104396;
Заявлено 20.05.86. Опубл. 15.05.88, Бюл. № 18.- 156 с.
А.с. 1548346 СССР, МКИ5 Е 02 F 3/08 5/06 Устройство для прорезания щелей 3.
во льду / Кулепов, В.Ф., Малыгин, А.Л., Романов, В.В. и др.- (СССР). - № 4425271;
Заявлено 18.05.88;
Опубл. 07.03.90, Бюл. № 9. – 137 с.
А.с. 1566177 СССР, МКИ5 F 25 С 5/02 Устройство для прорезания щелей во 4.
льду / Малыгин, А.Л. и др. (СССР).– № 4461870;
Заявлено 18.07.88;
Опубл.
23.05.90. Бюл. № 19. – 182 с.
А.с. 1585632 СССР, МКИ5 F 25 С 5/02 Устройство для прорезания щелей во 5.
льду водоемов / Алатин, С.Д., Кулепов, В.Ф., Малыгин, А.Л. и др. (СССР). - № 4416109;
Заявлено 16.04.88;
Опубл.15.09.90. Бюл. № 30. – 186 с.
А.с. 1620791 СССР, МКИ5 F 25 С 5/02 Устройство для прорезания щелей во 6.
льду /Малыгин,А.Л.и др.(СССР).-№ 4487562;
Заявлено 26.09.88;
Опубл.
15.01.91.Бюл.№ 2.-11с А.с. 1829076 СССР, МКИ5 Н02G1/10 Способ прокладки кабеля со льда водоема.
7.
/ Кулепов, В.Ф., Алатин, С.Д., Малыгин, А.Л., Романов, В.В. и др.- (СССР). - № 4939906;
Заявлено 29.05.91;
Опубл. 23.07.93, Бюл. № 27.
Николаев А.Ф., Худяков В.Н., Малыгин А.Л. Малогабаритная ледорезная уста 8.
новка СЛУ-119 с роторно-винтовым движителем // Строительные и дорожные машины, 1981, № 4, с.21- Худяков В.Н., Малыгин А.Л. О результатах измерения толщины ледяного покро 9.
ва водоемов Горьковской области //Теория и прочность ледокольного корабля.
Сборник статей-Горький ГПИ, 1980.– вып. 2, С.11-14.
Сборнов М.С., Фиалковский С.В, Малыгин А.Л.Романов В.В. Машина ФАРКС 10.
140 для резания льда.// Строительные и дорожные машины, 1989,№ 2, с. 19- Кулепов В.Ф., Фиалковский С.В., Миленин М.Б., Малыгин А.Л. Ледорезная ма 11.
шина с дискофрезерным рабочим органом // Информационный листок Нижего родского ЦНТИ, 1996. № 191-96.
Кулепов В.Ф., Малыгин А.Л., Романов В.В.. Определение нагрузок на диско 12.
фрезерный рабочий орган ледорезной машины. //Транспортно-технологические машины. Материалы Всероссийской научно-технической конференции. Сборник статей - Н. Новгород, НГТУ, 2004.- С.79-82.
Кулепов В.Ф., Двойченко Ю.А., Малыгин А.Л.. Обеспечение надежности и безо 13.
пасности ЛРМ в сложных условиях эксплуатации. //Транспортно технологические машины. Материалы Всероссийской научно-технической кон ференции. Сборник статей - Н. Новгород, НГТУ, 2004.- С.83-87.
14. Кулепов, В.Ф., Малыгин, А.Л., Романов, В.В.. Определение нагрузок на рабочие органы ледорезных машин на основе численной реализации математической мо дели. //Труды НГТУ – Т.45.- Н. Новгород. 2004. С.105-109.
15. Кулепов, В.Ф., Двойченко, Ю.А., Малыгин, А.Л. Обеспечение безопасности и по вышение функциональных возможностей ледорезных машин.// Современные технологии в кораблестроении и энергетическом образовании, науке и производ стве: Материалы Всероссийской научно-техн. конференции. Н. Новгород, 2006.
С.136-141.
16. Кулепов, В.Ф. Плавающие ледорезные машины для работы на ледяном покрове рек и прибережных морских акваториях арктического шельфа. / В.Ф. Кулепов, Ю.А. Двойченко, А.Л. Малыгин //Тр. ЦНИИ им.акад. А.Н.Крылова. 2007.
Вып.34(318), с. 171-190.
Подписано в печать..10. Формат 60 1/16. Бумага офсетная.
Печать офсетная. Уч.-изд. Л.1,0 Тираж 100 экз. Заказ Нижегородский государственный технически университет имени Р.Е. Алексеева Типография НГТУ, 603600, Нижний Новгород, ул. Минина,