Методика и средства контроля нагрузочных параметров рабочих органов отвального типа снегоуборочных машин
На правах рукописи
Лысянников Алексей Васильевич МЕТОДИКА И СРЕДСТВА КОНТРОЛЯ НАГРУЗОЧНЫХ ПАРАМЕТРОВ РАБОЧИХ ОРГАНОВ ОТВАЛЬНОГО ТИПА СНЕГОУБОРОЧНЫХ МАШИН Специальность 05.11.13 – Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Томск – 2013
Работа выполнена в Федеральном государственном автономном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Сибирский федеральный университет» Научный руководитель – Желукевич Рышард Борисович кандидат технических наук, доцент
Официальные оппоненты: Капранов Борис Иванович доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский Томский политехнический университет», профессор кафедры физических методов и приборов контроля качества Тимонин Владимир Владимирович кандидат технических наук, научный сотрудник ФГБУН «Институт горного дела им. Н. А. Чинакала Сибирского отделения РАН» (ИГД СО РАН)
Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Тихоокеанский государствен ный университет» (ТОГУ), г. Хабаровск
Защита диссертации состоится « 11 » июня 2013 г. в 15.00 часов на заседа нии диссертационного совета Д 212.269.09 при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении ВПО «Национальный исследователь ский Томский политехнический университет» по адресу: Россия, 634028, г.
Томск, ул. Савиных, 7, ауд. 215.
С диссертационной работой можно ознакомиться в научно-технической библиотеке Федерального государственного бюджетного образовательного уч реждения высшего профессионального образования «Национальный исследова тельский Томский политехнический университет» по адресу: 634034, г. Томск, ул. Белинского, 55.
Автореферат разослан «»2013 г.
Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.269.09, к.т.н., доцент Винокуров Б. Б.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Согласно Программе Правительства Российской Федерации, «Транспортная стратегия Российской Федерации на период до 2030 года», утвержденной 22 ноября 2008 года (№ 1734-р), протяженность авто мобильных дорог общего пользования в России к 2030 году должна удвоиться и достичь более 1,35 млн. километров, количество аэродромов гражданской авиа ции должно возрасти с 315 до 500. Увеличение протяженности дорожных покры тий предполагает увеличение объемов работ по очистке их от снега. Для снего очистки широко используются снегоуборочные машины, оснащенные рабочими органами отвального типа, в силу их универсальности, простоты конструкции, технического обслуживания, мобильности и относительно низкой стоимости.
Сложный характер физико-механических свойств уплотненных снежных образований, находящихся на дорожном покрытии, зависит от их структуры, частоты снегопадов, температуры и влажности окружающего воздуха, интенсив ности и скорости движения транспорта, диктует необходимость современного подхода к уточнению оптимальных параметров углов резания и установки рабо чих органов отвального типа, так как параметры используемые в настоящее вре мя приводят к повышенным затратам энергии, которые можно сократить. Высо кие темпы роста объемов работ по очистке дорожных покрытий от снега (ввиду увеличения протяженности дорог) и требования сокращения сроков их уборки обуславливают актуальность работ по снижению энергоемкости разрушения уп лотненных снежных образований, улучшению качества очистки покрытий, со вершенствованию технологии снегоочистки, повышению производительности без увеличения мощности базовой машины и эффективности использования сне гоуборочной техники, что может быть осуществлено за счет применения новых методик и средств контроля нагрузочных параметров, позволяющих определить оптимальные углы резания и установки рабочих органов отвального типа.
Степень разработанности темы. Степень разработанности и рекоменда ции, выявленные в процессе анализа работ, посвященных исследованиям нагру зочных параметров рабочих органов отвального типа, взаимодействия рабочего оборудования с уплотненными снежными образованиями не отражают особен ности процесса резания, фактические затраты энергии и отсутствуют методики контроля нагрузочных параметров, возникающих при взаимодействии рабочих органов с разрабатываемым массивом. Используемые средства контроля нагру зочных параметров имеют ряд недостатков, наиболее значимым из которых яв ляется взаимное влияние составляющих усилие резания (горизонтальной, боко вой, вертикальной) друг на друга, в результате чего снижается точность измере ний. Таким образом, теоретические и экспериментальные исследования взаимо действия рабочего органа отвального типа с уплотненными снежными образова ниями, изучение влияния физико-механических свойств снежных образований, углов резания и установки рабочего органа на составляющие усилия резания и энергоемкость, разработка средств, методик контроля и расчета нагрузочных па раметров рабочих органов являются актуальными, поскольку позволят опреде лить оптимальные параметры установки рабочего оборудования.
Цель работы. Повышение эффективности использования снегоуборочной техники за счет внедрения методики и средств контроля нагрузочных параметров рабочих органов отвального типа.
Задачи исследований:
1. Разработать методики контроля нагрузочных параметров, возникающих при взаимодействии моделей рабочих органов отвального типа с уплотненными снежными образованиями и проведения экспериментальных исследований.
2. Разработать средство контроля нагрузочных параметров возникающих при взаимодействии моделей рабочих органов отвального типа с уплотненными снежными образованиями.
3. На основе разработанных методики и средств контроля оценить влияние физико-механических свойств уплотненных снежных образований, углов реза ния и установки рабочего органа отвального типа и глубины резания на энерго емкость и обосновать оптимальные параметры среза.
4. Разработать математические модели взаимодействия рабочего органа отвального типа с разрушаемыми уплотненными снежными образованиями, ме тодику расчета усилий резания и практические рекомендации по выбору опти мальных параметров среза.
Объект исследования – взаимодействие рабочего органа отвального типа с уплотненными снежными образованиями.
Предмет исследований – нагрузочные параметры, возникающие при взаимодействии рабочего органа отвального типа с уплотненными снежными образованиями.
Научная новизна работы заключается:
1. Разработана методика контроля нагрузочных параметров возникающих при взаимодействии модели рабочего органа отвального типа с уплотненными снежными образованиями, позволяющая определять оптимальные параметры уг лов резания и установки рабочего органа, обеспечивающие резание снежных об разований с минимальной энергоемкостью.
2. Получены зависимости составляющих усилие резания от углов установ ки рабочего органа отвального типа, углов и глубины резания, и физико механических свойств уплотненных снежных образований, позволяющие коли чественно оценить влияние этих параметров на составляющие усилие резания.
3. Разработаны математические модели процесса взаимодействия рабочего органа отвального типа с уплотненными снежными образованиями, позволяю щие моделировать изменение нагрузочных параметров, производительности и скорости снегоочистки дорожных покрытий.
4. Разработана методика расчета усилий, возникающих при взаимодейст вии рабочего органа отвального типа с уплотненными снежными образованиями, позволяющая повысить эффективность использования снегоуборочной техники.
Теоретическая и практическая значимость работы. Разработанные ма тематические модели, средства и методики контроля и расчета нагрузочных па раметров позволяют определять расчетные нагрузки, возникающие на рабочих органах отвального типа в зависимости от параметров глубины, ширины, угла резания и установки рабочего оборудования и физико-механических свойств снежных образований, а также энергоемкость процесса.
Полученные результаты, разработанная методика расчета усилий резания и практические рекомендации по выбору оптимальных параметров углов резания и установки используются при проектировании рабочих органов отвального типа и дорожно-эксплуатационными организациями при выполнении работ по очистке дорожных покрытий от снега с целью повышения эффективности использования снегоуборочной техники, а также применяются в учебном процессе в Института нефти и газа Сибирского федерального университета.
Методология и методы исследований. Для решения поставленных задач использовался комплексный подход, включающий анализ существующего опыта в области разрушения мерзлых грунтов, снежных и снежно-ледяных образований различным режущим инструментом, элементы механики процесса резания раз личных материалов и методы математического моделирования. Эксперимен тальные исследования основаны на теории планирования эксперимента, исполь зовании стандартных и специально разработанных запатентованных стендов и приборов, и обработке экспериментальных данных с помощью пакетов приклад ных программ Mathcad 14, MATLAB, Power Graph, MS Excel.
Положения, выносимые на защиту:
• методика контроля нагрузочных параметров, возникающих при взаимо действии модели рабочего органа отвального типа с уплотненными снежными образованиями;
• средство контроля нагрузочных параметров, возникающих при взаимо действии модели рабочего органа отвального типа с уплотненными снежными образованиями;
• результаты экспериментальных исследований процесса резания уплот ненных снежных образований;
• регрессионная, аналитическая и непараметрическая математические модели взаимодействия рабочего органа отвального типа с уплотненными снеж ными образованиями;
• методика расчета усилий, возникающих при взаимодействии рабочего органа отвального типа с уплотненными снежными образованиями;
• практические рекомендации по выбору оптимальных параметров углов резания и установки рабочего органа отвального типа для дорожно эксплуатационных организаций.
Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность науч ных положений, выводов и рекомендаций, полученных автором, обеспечивается необходимым объемом экспериментальных исследований, удовлетворительной сходимостью теоретических и экспериментально полученных зависимостей, ис пользованием оборудования и средств измерений утвержденного типа, прошед ших поверку, позволивших с приемлемой точностью осуществлять измерения требуемых параметров, обработкой полученных результатов с применением ЭВМ, пакетов стандартных программ и методов математической и статистиче ской обработки данных.
Основные научные положения и результаты теоретических и эксперимен тальных исследований представлены на VI Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодежь и наука» (Красноярск, 2010), на III Международной научно-практической конференции «Проблемы диагностики и эксплуатации автомобильного транспорта» (Иркутск, 2011), на Международной научно-технической конференции «Нефть и газ Запад ной Сибири», посвященной 55-летию Тюменского государственного нефтегазо вого университета (Тюмень, 2011), на Международной научно-технической кон ференции «Интерстроймех-2011», (Могилев, 2011), на III научной конференции молодых ученых «Актуальные проблемы науки и техники» (Уфа, 2011), на Меж дународной научно-практической конференции «Перспективы развития и безо пасность автотранспортного комплекса» (Новокузнецк, 2011), на Всероссийской 65-й научно-технической конференции ФГБОУ ВПО СибАДИ с международным участием (Омск, 2011), на IV Всероссийской научно-практической конференции СамНЦ РАН «Актуальные проблемы машиностроения» (Сама ра, 2012), на Международной научно-практической конференции «Перспектив ные инновации в науке, образовании, производстве и транспорте 2012» (Одесса, 2012), на Х Международной научно-технической конференции Чтения памяти В.
Р. Кубачека «Технологическое оборудование для горной и нефтегазовой про мышленности» (Екатеринбург, 2012).
Автор признан победителем и отмечен дипломами 1-й и 2-й степени в сле дующих конкурсах: Всероссийский конкурс научно-исследовательских работ студентов и аспирантов в области технических наук (Санкт-Петербург, 2012);
Всероссийский конкурс «Наукоемкие инновационные проекты молодых ученых» (Санкт-Петербург, 2012).
Реализация и внедрение результатов работы. На разработанное средство контроля нагрузочных параметров получен патент Российской Федерации. Ре зультаты диссертационной работы внедрены в ООО «Аэропорт Емельяново» (г. Красноярск) и в учебный процесс Института нефти и газа Сибирского феде рального университета, при подготовке инженеров специальностей 190204.65 «Средства аэродромно-технического обеспечения полетов авиации» и 190110.65 «Транспортные средства специального назначения». Все результаты практического применения диссертационных исследований подтверждаются со ответствующими актами.
Публикации. Основные результаты исследований отражены в 32 научных работах, из них 12 в журналах, рекомендованных ВАК. Получены патенты на изо бретение № 2463407, № 2461809 и патент на полезную модель № 111149.
Структура и объем диссертационной работы. Диссертация изложена на 174 страницах, состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 141 наименования, семи приложений объемом 30 страниц, содержит 58 рисунков и 61 таблицу.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность работы, сформулирована ее цель, представлены объект и предмет исследования, методы исследования, отмечены научная новизна и основные положения, выносимые на защиту, указана практи ческая ценность полученных результатов.
В первой главе дан обзор условий формирования снежного наката на до рожных покрытиях, рассмотрены способы борьбы со снежно-ледяными образо ваниями, приведен анализ нормативных документов по эксплуатационному со держанию покрытий дорог и аэродромов, плужных снегоочистителей, навесного снегоуборочного оборудования, современного состояния исследований в области изучения физико-механических свойств и механической разработки снежного массива, средств и методик контроля нагрузочных параметров рабочих органов дорожных машин.
Наличие на дорожных покрытиях снежных образований снижает коэффици ент сцепления, что оказывает негативное воздействие на безопасность взлетно посадочных операций воздушных судов, скорость движения транспортных пото ков, аварийность на дорогах и травматизм участников дорожного движения. Со держание дорожных покрытий в зимнее время в состоянии, обеспечивающем возможность безопасного движения по ним, является одной из главных проблем для дорожно-эксплуатационных организаций Сибири и северных регионов Рос сии. Большой вклад в теорию разрушения и резания грунтов, снега и льда, а так же в решение вопроса содержания автомобильных дорог в зимний период внесли известные ученые: В. Д. Абезгауз, К. А. Артемьев, И. Я. Айзеншток, В. И. Ба ловнев, Г. Б. Бялобжеский, Ю. А. Ветров, Г. Г. Воскресенский, А. Л. Горбунов, В. М. Гусев, Н. Г. Домбровский, А. Д. Заморский, А. М. Завьялов, А. Н. Зеленин, Г. Л. Карабан, Н. Н. Карнаухова, Г. Кюн, В. Ф. Кулепов, А. П. Куляшов, Ю. И. Молев, Ш. М. Мерданов, И. А. Недорезов, И. Ратье, Д. А. Шалман, Р. Т. Шилд и др., определившие основные направления повышения эффективно сти зимнего содержания дорожных покрытий.
При содержании покрытий дорог и аэродромов в зимнее время широко применяются химико-механический, тепловой, и (на автомобильных дорогах) фрикционный способы борьбы со снежными и гололедными образованиями. Не достатками данных методов являются высокая стоимость их реализации и нега тивное воздействие на окружающую среду. Механический способ с использова нием рабочего органа отвального типа является наиболее экономичным, техноло гически простым в применении, экологически более чистым и высоко произво дительным. Критерием рационального использования рабочего органа отвально го типа, является повышение эффективности резания уплотненных снежных об разований, без увеличения мощности базовой машины, с одновременным сниже нием энергоемкости процесса и увеличением производительности либо с сохра нением ее величины. Достижение данного критерия может быть осуществлено путем использования оптимальных параметров углов резания и установки рабо чих органов отвального типа обеспечивающих резание уплотненных снежных об разований с минимальной энергоемкостью.
В настоящее время на основе теоретических и экспериментальных иссле дований широко применяются математические модели взаимодействия рабочих органов с разрушаемым массивом. Недостатками математических моделей явля ются: описание процессов с точки зрения квазистатических зависимостей, а не дифференциальных уравнений движения;
применение значительного количества эмпирических коэффициентов, связь которых с реальными процессами, проте кающими при взаимодействии рабочего органа с разрушаемым массивом, очень условна;
отсутствие методики выбора параметров, обеспечивающих повышение эффективности снегоочистки. Указанные недостатки моделей требуют устране ния для определения оптимальных параметров углов резания и установки рабо чих органов отвального типа.
Анализ литературных источников показал, что работ, направленных на изучение процесса резания уплотненных снежных образований недостаточно. Не существует единой оценки влияния физико-механических свойств уплотненных снежных образований, параметров углов резания и установки рабочего органа отвального типа на энергоемкость процесса. Отсутствует методика расчета на грузочных параметров возникающих при взаимодействии рабочих органов от вального типа с разрабатываемым массивом, что делает затруднительным прове дение расчетов при разработке новых и рациональном использовании сущест вующих конструкций рабочих органов. Используемые средства контроля нагру зочных параметров имеют ряд недостатков наиболее значимым, из которых яв ляется взаимное влияние составляющих усилия резания друг на друга, в резуль тате чего снижается точность измерений. Отсутствуют рекомендации для до рожно-эксплуатационных организаций по выбору оптимальных параметров ус тановки рабочего органа. Перечисленные факты доказывают актуальность ис следований в этой области. В связи с этим сформулированы цель и задачи дис сертационной работы.
Во второй главе представлено средство и методика контроля нагрузочных параметров возникающих при взаимодействии модели рабочего органа отваль ного типа с уплотненными снежными образованиями и алгоритм методики вы бора оптимальных параметров углов резания и установки рабочего органа. Схема методики контроля нагрузочных параметров возникающих при взаимодействии модели рабочего органа отвального типа с уплотненными снежными образова ниями представлена на рисунке 1. Исследования процесса резания уплотненных снежных образований моделью рабочего органа отвального типа проводились на специальном лабораторном стенде рисунок 2. В качестве режущего инструмента при проведении экспериментальных исследований использовалась модель отвала автогрейдера ГС 10.06, шириной 25 см, изготовленная в масштабе 1:10 рисунок 3, т. к. автогрейдер является наиболее распространенным видом техники в РФ, применяемым для уборки уплотненных снежных образований (плотность до 800 кг/м3) с дорожных покрытий. Системы автоматического управления основным отвалом применяемые на автогрейдерах позволяют обес печивать расположение отвала в пространстве под различными углами, по отно шению к поверхности разрабатываемого массива.
Рисунок 1 – Схема методики контроля нагрузочных параметров возникающих при взаимодей ствии модели рабочего органа отвального типа с уплотненными снежными образованиями вид с боку вид сверху Рисунок 2 – Схема лабораторного стенда для исследования процесса резания уплотненных снежных образований: 1 –рама;
2 – кнопочная станция;
3 – направляющие;
4 – упоры;
5 – не сущая плита;
6 – модель рабочего органа;
7 – образец из снега;
8 – демпферы;
9 – конечный выключатель;
10, 11 – звездочки тяговой цепи;
12 – шина;
13 – тензометрическая головка;
14 – захват;
15 – тяговая цепь привода;
16 – электрический двигатель;
17 – цепь;
18 – редуктор;
19 – приводная звездочка Для определения нагрузочных параметров возникающих при взаимодейст вии модели рабочего органа отвального типа с разрабатываемым массивом, на основе проведенных исследований в предметной области разработана специальная тензометриче ская головка рисунок 4 (патент РФ № 2461809), в конструкции которой предусмотрены три гори зонтальные тяги с наклеенными тензодатчиками сопротивления ФКПА 20 – 200. Каждая тяга ре гистрирует только одну составляющую усилия Рисунок 3 – Модель отвала авто резания (горизонтальную, вертикальную, боко грейдера ГС 10. вую), данная конструкция тензометрической головки исключает взаимное влия ние составляющих друг на друга, в результате чего повышается точность изме рений.
Рисунок 4 – Схематичное изображение тензометрической головки: 1 – ползун;
2 – рама;
3 – втулка;
4, 10 – проушины;
5 – направляющие;
6, 12, 21 – болт;
9, 25, 26 – гайка;
7 – пласти на;
8 – шпилька;
11 – основание;
13 – держатель;
14 – модель рабочего органа отвального типа;
15 – тяга регистрирующая боковую составляющую;
16, 18 – палец;
17 – тяга регистрирующая горизонтальную составляющую;
19, 24 – кронштейны;
20 – тяга регистрирующая вертикаль ную составляющую;
22 – П–образный консольный элемент;
23 – палец Для автоматической записи, хранения и обработки значений, составляю щих усилия резания уплотненных снежных образований использовался специ ально разработанный информационно-измерительный комплекс (ИИК), структурная схема которого представ лена на рисунке 5. Компонентами ИИК являются: блок тензометрических датчиков, размещенных на тягах тен зометрической головки, тензометрический усилитель УТ1-10, плата аналого-цифрового преобразователя (АЦП) L-154, ПК Pentium 3 с частотой процессора 550 МГц, программное обеспечение Power Graph и MS Excel. Максимальная относительная погрешность изме рений составила не более 2 %. Для соблюдения темпе ратурных условий эксперимента, лабораторный стенд для исследования процесса резания уплотненных снеж ных образований располагался в помещении, с отрица Рисунок 5 – Структурная тельной температурой воздуха. Вся измерительная ап схема информационно паратура находилась в помещении с температурой воз измерительного духа около 20 °С.
комплекса Для проведения исследований на лабораторном стенде использовались образцы снега плотностью 400–450 кг/м3 и 450–500 кг/м3, вырезанные из снежного наката, находившегося на поверхности автомобильной дороги. Эксперименты проводились при изменении угла установки (угол меж ду режущей кромкой ножа отвала и направлением движения) модели рабочего органа отвального типа (90, 60, 45, 30о), угла резания (угол между касательной к поверхности ножа отвала, проведенной через режущую кромку, и плоскостью срезания разрабатываемого массива) (15, 30, 45, 60, 75, 90о) и глубины резания h (10, 20, 30, 40 мм), при температуре окружающего воздуха от минус 5 до минус 10 °С, так как при данной температуре наиболее вероятно образование снежного наката на дорожных покрытиях. Измерение температуры окружающе го воздуха проводилось ртутным термометром ТЛ–4 с ценой деления 0,1 оС и пределами измерения от минус 30 до плюс 20 °С.
Скорость резания (скорость движения отвала) при испытаниях составила 0,51 м/с (1,84 км/ч). В данной работе это условие можно считать достаточным, так как Л. К. Соколов в своих исследованиях установил, что изменение скорости резания мерзлых грунтов зубьями землеройных машин от 0,5 до 1,5 м/с (1,8–5,4 км/ч) не влечет существенного увеличения значений составляющих уси лия резания. В реальных условиях такие скорости резания обеспечиваются авто грейдером при движении на первой и второй передачах.
Приведен анализ точности измерений, методики определения необходимо го числа опытов и проведения полного факторного эксперимента, представлена обработка результатов, установлено, что процесс разрушения снежных образова ний определяется: глубиной h и углом резания и углом установки рабочего органа отвального типа. С целью получения надежности экспериментальных ре зультатов в соответствии с приведенной методикой определено количество экс периментов равное 4. Обработка данных проводилась с применением программ ного обеспечения Power Graph и Microsoft Excel. Ординаты записи, соответст вующие величинам горизонтальной РГ, боковой РБ и вертикальной РВ состав ляющих усилий резания, копировались из диаграмм программы Power Graph в табличный процессор Microsoft Excel, где умножались на соответствующие та рировочные коэффициенты для получения значений составляющих усилия реза ния в килоньютонах (кН). В результате статистической обработки найдены сред ние значения составляющих усилий резания, средняя квадратическая ошибка ре зультатов каждого измерения, средняя относительная погрешность, доверитель ный интервал, среднее квадратическое отклонение, коэффициент корреляции и получено уравнение регрессии.
Разработанная методика и средство контроля нагрузочных параметров, по зволяют определить оптимальные значения углов резания и установки рабочего органа, обеспечивающие повышение эффективности использования снегоубо рочной техники.
В третьей главе представлены графические зависимости горизонтальной, боковой и вертикальной составляющих усилия резания от углов установки рабо чего органа, углов и глубины резания и физико-механических свойств уплотнен ных снежных образований построенные на основе статистически обработанных результатов исследований, предусмотренных программой эксперимента. На ри сунках 6 – 9 приведены зависимости горизонтальной составляющей усилия реза ния уплотненных снежных образований от угла резания и глубины резания h при углах установки рабочего органа отвального типа = 90–30о.
а б Рисунок 6 – Зависимость горизонтальной составляющей усилия резания от угла () и глубины (h) резания уплотненных снежных образований моделью рабочего органа отвального типа при угле установки 90°: а – снег плотностью 400–450 кг/м3;
б – снег плотностью 450–500 кг/м3;
1, 2, 3, 4 – глубина резания соответственно 10, 20, 30, 40 мм.
а б Рисунок 7 – Зависимость горизонтальной составляющей усилия резания от угла () и глубины (h) резания уплотненных снежных образований моделью рабочего органа отвального типа при угле установки 60°;
(усл. обозн. см. рисунок 6) а б Рисунок 8 – Зависимость горизонтальной составляющей усилия резания от угла () и глубины (h) резания уплотненных снежных образований моделью рабочего органа отвального типа при угле установки 45°;
(усл. обозн. см. рисунок 6) а б Рисунок 9 – Зависимость горизонтальной составляющей усилия резания от угла () и глубины (h) резания уплотненных снежных образований моделью рабочего органа отвального типа при угле установки 30°;
(усл. обозн. см. рисунок 6) Анализ полученных зависимостей показал, что наименьшие значения гори зонтальной составляющей усилия резания обеспечиваются при угле установки рабочего органа отвального типа = 45–30о и угле резания =45–55°. При угле установки = 45° уплотненные снежные образования легче срезаются, быстрее скользят по отвалу, а при угле установки меньше 40о происходит уменьшение ширины захвата, возникает опасность бокового заноса и увода снегоуборочной машины в сторону. Таким образом, установку рабочих органов отвального типа под углом = 45° и углом резания = 45–55° можно рекомендовать к примене нию дорожно-эксплуатационным организациям. При данном угле установки обеспечивается перекрытие ширины базовой машины на 0,2–0,3 м. Зависимости боковой и вертикальной составляющих усилия резания от угла и глубины реза ния при угле установки рабочего органа отвального типа = 45° приведены на рисунках 10–11. Выполнен расчет энергоемкости (кВтч/м3) резания уплотнен ных снежных образований моделью рабочего органа отвального типа по форму ле:
Р E = 0,000272 Г, (1) S где РГ – значение горизонтальной составляющей усилия резания, кН;
S – пло щадь среза, м2.
На основе проведенного расчета построены графические зависимости энергоемкости процесса резания от угла и глубины резания при угле установки = 45° (рисунок 12).
а б Рисунок 10 – Зависимость боковой составляющей усилия резания от угла () и глубины (h) ре зания уплотненных снежных образований моделью рабочего органа отвального типа при угле установки 45°;
(усл. обозн. см. рисунок 6) а б Рисунок 11 – Зависимость вертикальной составляющей усилия резания от угла () и глубины (h) резания уплотненных снежных образований моделью рабочего органа отвального типа при угле установки 45°;
(усл. обозн. см. рисунок 6) а б Рисунок 12 – Зависимость энергоемкости процесса резания от угла () и глубины (h) резания уплотненных снежных образований моделью рабочего органа отвального типа при угле уста новки 45о;
(усл. обозн. см. рисунок 6) Анализ полученных зависимостей показал, что наименьшая удельная энер гоемкость резания уплотненных снежных образований рабочим органом отваль ного типа обеспечивается при угле резания = 45–55о во всем диапазоне значе ний глубины резания h (10, 20, 30 и 40 мм), т. е. при тех же условиях, при кото рых были получены минимальные значения горизонтальной составляющей уси лия резания.
В четвертой главе на основе использования метода математического пла нирования многоуровневого полного факторного эксперимента ПФЭ 33 с тремя факторами в трех уровнях варьирования, получены регрессионные зависимости, связывающие параметры среза (угол установки, угол резания, глубина реза ния h) и составляющие усилия резания, наглядно показывающие количественный вклад каждого из рассматриваемых факторов.
Регрессионные уравнения зависимости составляющих усилий резания от параметров среза при резании уплотненных снежных образований плотностью 450–500 кг/м3 имеют следующий вид:
РГ = 0,2367 – 0,00237 + 0,00163 + 0,00668h;
(2) РБ = – 0,008 + 0,0021 + 0.001 + 0,001215h;
(3) РВ = – 0,0258 + 0,0013 + 0,00263 +0,004h;
(4) Проведена оценка адекватности (пригодности) полученных выражений по критерию Фишера и проверка на воспроизводимость результатов по критерию Кохрена. Расхождение данных, полученных экспериментальным путем, от дан ных, полученных по регрессионным уравнениям, составила от 15 до 20 %.
Уравнения регрессии, полученные на основе матрицы плана эксперимента, позволяют эффективно исследовать и определять силовые характеристики про цесса резания уплотненных снежных образований Разработана аналитическая математическая модель взаимодействия рабо чего органа отвального типа с уплотненными снежными образованиями, позво ляющая рассчитывать значения горизонтальной составляющей усилий резания с учетом ширины, глубины, углов резания и установки рабочего органа, а также физико-механических свойств разрабатываемого массива.
Рабочий орган в каждый определенный момент времени при взаимодейст вии с уплотненными снежными образованиями рассматривался как обыкновен ный клин. В условиях плоской деформации при вдавливании клина в полубеско нечный массив, величину давления на грани клина получим из уравнения Р. Т.
Шилда.
, (5) – сцепление снега, кН/м2;
где – угол внутреннего трения, град;
– угол зоны радиального сдвига, рад.
При этом приняты следующие граничные условия: клин – абсолютно же сткий, среда однородная, пластические деформации сопровождаются появлени ем напряжений, которые подчиняются теории предельного состояния, по линиям скольжения касательные напряжения имеют одинаковые значения, зависящие от нормальных. Расчетная схема сил, действующих на рабочий орган отвального типа в процессе резания, показана на рисунке 13.
Рисунок 13 – Расчетная схема сил, действующих на рабочий орган отвального типа в процессе резания уплотненных снежных образований На подвижную часть объема призмы волочения действуют результирую щие силы: R1 со стороны рабочего органа отвального типа от сил нормального давления N1 = Р и трения F1;
со стороны разрабатываемого массива R2 от сил N и F2, которые уравновешиваются ее весом G. Силы трения описываются сле дующими выражениями:
F1 = N1 tg 1, (6) F2 =N2 tg 2, (7) где 1, 2– углы внешнего и внутреннего трения, град;
N2 – сила нормального давления со стороны разрабатываемого массива;
N2 = G/cos ;
(8) где G – вес призмы волочения, кг;
– угол скола, град;
;
(9) где b – ширина отвала, м;
1 – внешнего трения, град;
h – глубина резания, м;
– плотность снежных образований, кг/м3;
– угол резания, град;
Результирующие силы R1, R2 (рисунок 13) определяются следующими вы ражениями:
(10) (11) Значение горизонтальной составляющей усилия резания определяется че рез проецирование результирующих сил R1 и R2 на ось Х и нахождением суммы полученных проекций, умноженной на sin угла установки рабочего органа:
RX1 = РГ1 = R1sin;
(12) RX2 = РГ2 = R2sin;
(13) РГ = РГ1 + РГ2 = (R1sin + R2sin) sin. (14) Уравнение (14) позволяет определить значение горизонтальной состав ляющей усилия резания уплотненных снежных образований рабочим органом отвального типа с учетом углов резания и установки рабочего органа, глубины и ширины резания, а также физико-механических свойств уплотненных снежных образований.
С целью получения наибольшей сходимости результатов экспериментов и результатов полученных с помощью математической модели, была разработана непараметрическая математическая модель в среде MATLAB. При разработке модели использовался непараметрический метод статистической обработки дан ных, в основе которого лежат оценки, предложенные Розенблаттом и обобщен ные Парзеном. Проведена оценка достоверности математической модели путем сравнения значений составляющих усилия резания, полученных при математиче ском моделировании и экспериментальных исследованиях. Расхождение расчет ных и экспериментальных значений горизонтальной составляющей усилия реза ния составило не более 9 %, боковой составляющей не более 4 %, вертикальной не более 10 %.
Разработана методика расчета усилий резания уплотненных снежных обра зований рабочим органом отвального типа, включающая следующие основные этапы: определение плотности снежных образований с помощью пружинного плотномера;
определение прочности снежных образований с помощью твердо мера либо с помощью приведенных в литературе графиков зависимости прочно сти от плотности;
определение значений углов внешнего 1 и внутреннего трения снежных образований графическим методом в соответствии с теорией Мора. Значения углов внешнего 1 и внутреннего 2 трения отражают влияние физико-механических свойств снежных образований на величину усилия реза ния.
По разработанной методике на основе математической аналитической мо дели произведен расчет горизонтальной составляющей усилия резания уплот ненных снежных образований плотностью 400–450 кг/м3 моделью рабочего ор гана отвального типа шириной 0,25 м при угле установки = 90о, угле резания = 45о и глубине резания h (0,01 – 0,04 м.). Определены отклонения Р (%) рас четных значений горизонтальной составляющей усилия резания от эксперимен тальных. Сходимость расчетных и экспериментальных значений горизонтальной составляющей усилия резания достаточно высока (таблица 1), погрешность не превышает 14 %.
Таблица 1 – Сходимость расчетных и экспериментальных значений горизонтальной со ставляющей усилия резания Глубина резания h, м. РГ Расч, кН. РГ Эксп, кН Р % 0,01 0,164 0,18 8, 0,02 0,3 0,26 13, 0,03 0,35 0,31 11, 0,04 0,49 0,44 10, По разработанной методике на основе математической непараметрической модели рассчитаны значения горизонтальной, боковой и вертикальной состав ляющих усилия резания уплотненных снежных образований плотностью 400–450 кг/м3 моделью рабочего органа отвального типа шириной 0,25 м при уг ле установки = 45о, углах резания = 15–90о и глубине резания h (0,03;
0,04 м.).
Произведен расчет отклонений Р (%) расчетных значений составляющих уси лия резания от экспериментальных. Построены графические зависимости рас четных и экспериментальных значений горизонтальной, боковой и вертикальной составляющих усилия резания от угла и глубины резания (рисунок 14).
а б в Рисунок 14 – Зависимости составляющих усилий резания от угла () и глубины (h) резания уп лотненных снежных образований моделью рабочего органа отвального типа при угле установ ки 45о: а – горизонтальная составляющая;
б – боковая составляющая;
в – вертикальная состав ляющая: 1, 2 – кривые значений полученных экспериментально для глубины резания 30 и 40 мм;
3, 4 – кривые расчетных значений для глубины резания 30 и 40 мм.
Как следует из приведенных зависимостей, расчетные и эксперименталь ные значения горизонтальной, боковой и вертикальной составляющих усилия ре зания имеют удовлетворительную сходимость, погрешность не превышает 10%.
Разработаны регрессионная, аналитическая и непараметрическая матема тические модели взаимодействия рабочего органа отвального типа с уплотнен ными снежными образованиями, позволяющие осуществить прогноз изменения нагрузочных параметров, производительности и скорости снегоочистки дорож ных покрытий. Разработана методика расчета усилий, возникающих при взаимо действии рабочего органа отвального типа с уплотненными снежными образова ниями, позволяющая повысить эффективность использования снегоуборочной техники оснащенной рабочими органами отвального типа.
Заключение Основные результаты, выводы, рекомендации 1. Разработана методика контроля нагрузочных параметров возникающих при взаимодействии рабочего органа отвального типа с уплотненными снежны ми образованиями и алгоритм выбора оптимальных параметров, позволяющие определить оптимальные параметры углов резания и установки рабочего органа.
2. Разработано средство контроля, позволяющее совместно с информаци онно-измерительным комплексом с высокой точностью (повторяемость резуль татов испытаний 88%) определять нагрузочные параметры, возникающие на мо делях рабочих органов отвального типа при взаимодействии с разрабатываемым массивом.
3. Установлена зависимость составляющих усилие резания и энергоемко сти процесса резания уплотнённых снежных образований от параметров углов установки рабочего органа, углов и глубины резания и плотности снега.
4. Разработаны регрессионная, аналитическая и непараметрическая мате матические модели взаимодействия рабочего органа отвального типа с уплот ненными снежными образованиями учитывающие физико-механические свойст ва снега, параметры углов установки рабочего органа, углов, глубины и ширины резания. Расхождение расчетных значений составляющих усилие резания и по лученных экспериментально не превышает 20 %.
5. Разработана методика расчета нагрузочных параметров возникающих на рабочем органе отвального типа при взаимодействии с уплотненными снежными образованиями позволяющая с учетом физико-механических свойств разрабаты ваемого массива, определять оптимальные параметры углов резания и установки, обеспечивающие повышение эффективности использования снегоуборочной техники. Расхождение значений составляющих усилие резания, рассчитанных в соответствии с методикой от значений, полученных экспериментально не пре вышает 14 %.
6. Для обеспечения повышения эффективности использования снегоубо рочной техники и качественной очистки покрытий автомобильных дорог опре делены оптимальные параметры установки рабочего органа отвального типа: ус тановлено, что при угле установки 45о и углах резания 45–55о, обеспечивается наименьшая энергоёмкость 0,01–0,022 кВт·ч/м3, также при углах резания 45–55о наблюдаются наименьшие значения энергоемкости при всех рассматриваемых вариантах углов установки, на всем диапазоне величин глубины резания (10, 20, 30, 40 мм). При угле установки рабочего органа 45о обеспечивается оптимальное сочетание составляющих усилие резания и ширины перекрытия колеи автогрей дера на 0,2–0,3 м., а также снижение усилий резания на 45–50% по сравнению с углами установки 60–90о.
7. Результаты диссертационной работы внедрены в ООО «Аэропорт Емельяново» (г. Красноярск) и в учебный процесс Института нефти и газа Си бирского федерального университета.
Список работ, опубликованных автором по теме диссертации а) статьи в изданиях, рекомендованных перечнем ВАК РФ 1. Лысянников, А. В. Исследование процесса резания уплотненного снега / А. В Лысянников, Р. Б. Желукевич, Ю. Ф. Кайзер // Вестник Кузбасского госу дарственного технического университета. – 2011. – № 6 – С. 98–101.
2. Лысянников, А. В. Тензометрическая головка для регистрации сопро тивлений уплотненного снега резанию / А. В. Лысянников, Р. Б. Желукевич, Ю. Ф. Кайзер, Ю. Н. Безбородов, Н. Н. Малышева, И. В. Надейкин // Вестник Ка занского технологического университета: Т. 15. № 12. – Казань: Изд-во Казан.
национ. исслед. технол. ун-та, 2012. С. 146–148.
3. Лысянников, А. В. Влияние угла резания отвала на усилия и энергоем кость резания снежного наката / А. В. Лысянников, Р. Б. Желукевич, Ю. Ф. Кайзер, Н. Н. Малышева, И. В. Надейкин // Вестник Казанского техноло гического университета: Т. 15. № 12. – Казань: Изд-во Казан. национ. исслед.
технол. ун-та, 2012. С. 152–156.
4. Лысянников, А. В. Определение оптимальных параметров угла резания уплотненного снега рабочим органом отвального типа / А. В. Лысянников, Р. Б. Желукевич, Ю. Ф. Кайзер, Ю. Н. Безбородов, Н. Н. Малышева, И. В. Надей кин // Научный журнал «Известия Самарского научного центра Российской ака демии наук» – 2012. – № 2 – С. 384–387.
5. Лысянников, А. В. Определение усилий при резании снега рабочим ор ганом отвального типа / А. В. Лысянников, Р. Б. Желукевич, Ю. Ф. Кайзер // Вестник Кузбасского государственного технического университета. – 2012. – № 2 – С. 95–98.
6. Желукевич Р. Б. Стенд для исследования прочности уплотненного снеж ного покрова аэродромов и дорожных покрытий / Р. Б. Желукевич, А. В. Лысян ников, Ю. Ф. Кайзер // Вестник Кузбасского государственного технического университета. – 2012. – № 2 – С. 98–100.
7. Лысянников, А. В. Рабочий орган для удаления снежно-ледяного нака та с дорожных покрытий / А. В. Лысянников, Р. Б. Желукевич, Ю. Ф. Кайзер, Н. Н. Малышева, И. В. Надейкин // Вестник Кузбасского государственного тех нического университета. – 2012. – № 4 – С. 81–83.
8. Лысянников, А. В. Исследование процесса резания уплотненных снеж ных образований рабочим органом отвального типа / А. В. Лысянников, Р. Б. Желукевич, Ю. Ф. Кайзер, Н. Н. Малышева, И. В. Надейкин // Вестник Куз басского государственного технического университета.–2012. – № 4– С. 84–87.
9. Лысянников, А. В. Результаты исследования процесса удаления уплот ненного снега с дорожных покрытий / А. В. Лысянников, Р. Б. Желукевич, Ю. Ф. Кайзер, Ю. Н. Безбородов, Н. Н. Малышева, В. Г. Шрам // Вестник Тад жикского технического университета. – 2012. – № 3 (19) – С. 93– 10. Лысянников, А. В. Измерительное устройство для исследования рабо чих органов дорожных машин / Р. Б. Желукевич, А. В. Лысянников, Ю. Ф. Кайзер, Ю. Н. Безбородов, Н. Н. Малышева // Вестник Красноярского Го сударственного Аграрного Университета. – 2013. – № 1 – С. 107–109.
11. Лысянников, А. В. Влияние параметров отвального рабочего органа на энергоемкость процесса резания уплотненных снежных образований / А. В. Лы сянников // Вестник Красноярского Государственного Аграрного Университета.
– 2013. – № 1 – С. 114–117.
12. Лысянников, А. В. Прибор для измерения усилий в процессе резания / А. В. Лысянников, Р. Б. Желукевич, Ю. Ф. Кайзер // Вестник Брянского государст венного университета. – 2013. – № 1 (37) – С. 91–94.
б) патенты 13. Пат. № 111149 Российская Федерация, МПК Е01Н 5/12 Рабочий орган для удаления снежно-ледяного наката с поверхности дорог и аэродромов / Р. Б. Желукевич, А. В. Лысянников, Ю. Ф. Кайзер, Ю. Н. Безбородов, Е. К. Фоми чев;
заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО «Сибирский федеральный универ ситет». – № 2011124434/13;
заявл. 16.06.2011;
опубл. 10.12.2011, Бюл. № 34.
14. Пат. № 2461809 Российская Федерация, МПК G01N3/58 Стенд для изме рения сопротивления грунтов и снежно-ледяных образований резанию / Р. Б. Желу кевич, А. В. Лысянников, Ю. Ф. Кайзер, В. А. Ганжа;
заявитель и патентооблада тель ФГОУ ВПО «Сибирский федеральный университет». – № 2011119793/28;
заявл. 17.05.2011;
опубл. 20.09.2012, Бюл. № 26.
15. Пат. № 2463407 Российская Федерация, МПК E01H5/12 / Устройство для разрушения снежно-ледяных образований на дорожных покрытиях / Р. Б. Желуке вич, В. А. Ганжа, А. В. Лысянников, Ю. Ф. Кайзер, Ю. Н. Безбородов;
заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО «Сибирский федеральный университет». – № 2011114706/13;
заявл. 14.04.2011;
опубл. 10.10.2012, Бюл. № 28.
в) материалы конференций 16. Лысянников, А. В. Определение оптимальных параметров установки отвала снегоуборочной машины с использованием тензометрической головки / А. В. Лысянников, Р. Б. Желукевич // Материалы Всероссийского конкурса на учно исследовательских работ студентов и аспирантов в области технических наук: материалы работ победителей и лауреатов конкурса. – СПб.: Изд-во Поли техн. Ун-та, 2012. С. 166– 17. Лысянников, А. В. Повышение эффективности снегоочистки дорож ных покрытий за счет использования комплекта навесного оборудования / А. В. Лысянников, Р. Б. Желукевич // Материалы работ победителей и лауреатов Всероссийского конкурса «Наукоемкие инновационные проекты молодых уче ных». – СПб.: Изд-во Политехн. Ун-та, 2012. – С. 166– Подписано в печать 2013 Формат 60х84/ Усл. печ. л. 2,12. Тираж 120 экз. Заказ № _ Отпечатано полиграфическим центром Библиотечно-издательского комплекса Сибирского федерального университета 660041, г. Красноярск, пр. Свободный, 82а Тел/факс (391) 206-26-58, 206-26- E-mail: [email protected];
http://lib.sfu-kras.ru