Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Обзор литературного материала и постановка задач исследования 8
1.1. Анализ теорий, описывающих процессы механического взаимодействия
со средой рабочих органов дорожно-строительных машин 8
1.2. История изучения вопроса в области резания мерзлых грунтов 10
1.3. Физико-механические свойства мерзлых грунтов 21
1.4. Обзор способов разработки мерзлых грунтов 27
1.5. Обзор исследований, учитывающих влияние скорости на рабочие процессы дорожно-строительных машин .32
Выводы по главе 1 40
ГЛАВА 2. Исследование процессов взаимодействия дискофрезерного рабочего органа с мёрзлым грунтом 42
2.1. Особенности работы дискофрезерного рабочего органа при удалении
мрзлого грунта из-под трубопровода 47
2.2. Моделирование величины усилия резания на единичном резце .50
2.3. Моделирование разрушения грунта подкопочной машиной при
применении схемы ступенчатого забоя 62
2.4. Моделирование геометрических параметров забоя .63
2.5. Общие положения математической модели взаимодействия рабочего органа дискофрезерной подкопочной машины с мрзлым грунтом .69
2.6. Влияние неравномерности скорости резания мерзлого грунта
подкопочной машиной на энергоемкость его разрушения .73
Выводы по главе 2 75
ГЛАВА 3. Методика определения рациональных параметров фрезерования мерзлого грунта рабочим органом подкопочной машины .77
3.1. Общая методика выбора рациональных параметров 77
3.2. Определение рационального положения рабочего органа в забое 78
3.3. Рациональные скорости резания .79
3.4. Определение рационального диаметра фрезы . 83
3.5. Выбор рационального количества резцов на фрезе 88
Выводы по главе 3 94
ГЛАВА 4. Экспериментальное исследование взаимосвязи параметров и режимов резания мерзлого грунта рабочим органом подкопочной машины . 95
4.1. Цель экспериментального исследования .95
4.2. Объект экспериментального исследования 96
4.3. Методика проведения испытаний .103
4.3.1. Программа испытаний 103
4.3.2. Место проведения испытаний .104
4.3.3. Порядок проведения экспериментов .105
4.4. Методика планирования и обработка результатов экспериментов .107
4.5. Результаты реализации расчта по планированию проведения
ортогонального композиционного плана Хартли 114
4.6. Оценка адекватности строгой математической модели взаимодействия рабочего органа подкопочной машины с мерзлым грунтом .117
4.7. Методика определения сил сопротивления вращению рабочего органа подкопочной машины .124
4.8. Результаты экспериментального исследования 127
Выводы по главе 4 128
tr class="lib r2" td Заключение .130
Рекомендации по выбору рациональных параметров фрезерного рабочего органа подкопочной машины 132
Библиографический список
- История изучения вопроса в области резания мерзлых грунтов
- Моделирование величины усилия резания на единичном резце
- Определение рационального диаметра фрезы .
- Объект экспериментального исследования
Введение к работе
Актуальность проблемы. На территории России пролегает большое количество магистральных и промышленных трубопроводов, общая длина которых составляет более 250 тысяч километров, а грузооборот- более двух триллионов тонно- километров, что составляет около трети грузооборота Российской Федерации.
Из общей длины трубопроводов около 50% трубопроводов было построено в 1960-1980 годах. Учитывая, что нормативный срок службы трубопровода в настоящее время находится в пределах от 20 до 30 лет, следует ожидать возрастания объема предстоящих неотложных ремонтных работ по поддержанию транспортной системы в работоспособном состоянии. Несмотря на то, что в последние годы получил распространение способ ремонта с полным заменом труб, из-за своей себестоимости объёмы таких работ не превышают 10%. А так как большинство трубопроводов уложено в земляной толще, то следует сделать вывод о том, что работы по техническому обслуживанию трубопроводов будут сопровождаться большим количеством земляных работ. То есть именно земляные работы будут являться определяющими при оценке себестоимости ремонта участка трубопровода,
Тип грунтов и температура окружающей среды оказывают существенное влияние на выбор времени года для проведения ремонтных работ. На слабонесущих грунтах в летний период проведение каких-либо ремонтных работ невозможно без предварительной подготовки местности для работы техники из-за того, что машины теряют устойчивость. Следовательно, на таких грунтах целесообразнее все работы проводить в зимний период, когда грунт промерзнет.
Поэтому исследование процессов взаимодействия рабочих органов машин, предназначенных для удаления мерзлого грунта из-под трубопровода, а также изучение физико-механических свойств разрабатываемого материала, с целью совершенствования конструкций рассматриваемых машин, является актуальной научной задачей.
Цель исследований. Разработка методики выбора рациональных конструктивных параметров и режимов работы рабочего органа машины, предназначенной для удаления мерзлого грунта из-под трубопроводов.
Объект исследования. В качестве объекта исследования был выбран рабочий орган подкопочной машины ПТ-НН1020П, выполненный в виде двух фрез, расположенных симметрично относительно вертикальной оси машины и вращающихся во взаимно противоположные направления.
Общая методология исследований. В теоретической части работы применены методы математической статистики, спектрального анализа, методы нелинейного программирования и математического моделирования на ЭВМ. Экспериментальные исследования проведены в натурных условиях на рабочих органах машины. Кроме того, определялись физико-механические свойства типовых рабочих сред. Результаты экспериментальных исследований обрабатывались с помощью персонального компьютера. Теоретические исследования производились при помощи стандартных пакетов программ для ПК, таких как MathCAD, MATLAB, EXCEL.
Научная новизна:
1. Разработана математическая модель взаимодействия рабочего органа подкопочной машины, которая имеет ряд отличий от ранее применяемой математической модели:
фрезерование мерзлого грунта происходит ступенчатым забоем резцами, установленные на разных диаметрах фрезы;
при данном способе резания возникает неучтённая в других моделях колебания сила резания, обусловленная разницей в скоростях резания различных резцов, а также применением резцов разной ширины, величина которой может составлять до 100% общей силы данного способа резания.
-
Предложена новая технология резания грунта, обеспечивающая минимальную энергоёмкость резания за счёт применения различных схем резания резцами, установленными на одной дисковой фрезе.
-
Предложена методика выбора рациональных конструктивных параметров рабочего органа, отличающаяся тем, что в ней осуществляется проверка на определение максимально-допустимой величины колебаний скорости вращения фрез, обусловленных как различной шириной резцов, так и установкой их на разных диаметрах.
Основные положения, выносимые на защиту:
разработка методики выбора рациональных конструктивных параметров рабочего органа машины, предназначенной для удаления грунта из-под трубопроводов;
математическая модель резания мерзлого грунта рабочим органом подкопочной машины;
результаты экспериментальных исследований, направленных на обоснование выбора параметров рабочего органа.
Достоверность результатов. Проведенный комплекс экспериментальных исследований на серийных машинах, принимающих непосредственное участие в содержании и ремонте трубопроводов, подтвердил основные теоретические положения, методы и средства повышения эффективности работы машин путём совершенствования конструкции их рабочих органов.
Практическая ценность. Заключается в реализации разработанной методики и программы при проектировании, создании, модернизации и использовании машин фрезерного типа, предназначенных для разрушения мерзлого грунта под трубопроводом.
Реализация работы. Результаты исследования внедрены в ООО «Промтех-НН» и использованы при модернизации существующей подкопочной машины ПТ-НН1020, а также при разработке перспективных проектно-конструкторских решений для создания новых образцов подкопочных машин; внедрены в ООО «Машиностроительный инжиниринговый центр» при разработке конструкций специальных машин.
Методики, алгоритмы и комплекс программ для ЭВМ используются в учебном процессе на кафедре «Строительные и дорожные машины» НГТУ, им. Р.Е. Алексеева, г. Н.Новгород, а также в научно-исследовательской лаборатории специальных строительных и дорожных машин (НИЛ ССДМ НГТУ, им. Р.Е. Алексеева, Г.Н.Новгород).
Апробация работы. Отдельные результаты и основные положения докладывались на IV Международной молодежной научно-технической конференции «Будущее технической науки»- НГТУ.- Н.Новгород, 2005г., на III Межвузовской научно-практической конференции преподавателей вузов, ученых, специалистов, аспирантов, студентов Н. Новгород, ВГИПУ 2006, на II Международной научно-практической
конференции, посвященной 35-летию кафедры «Строительные и дорожные машины». Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева Н.Новгород, 2008г., на III Международной научно-практической конференции, посвященной 40-летию кафедры «Строительные и дорожные машины», Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева П.Новгород, 2012г., на 79 Международной научно-практической конференции, посвященной 95-летию Нижегородского государственного технического университета им. Р.Е. Алексеева «Безопасность транспортных средств в эксплуатации» 2012г., на 12 Международной молодёжной научно-технической конференции - Н.Новгород: НГТУ им. Р.Е. Алексеева, 2013г., на Международной научно-технической конференции «ИНЕРСТОЙМЕХ-2015»- г. Казань: КГАСУ, 2015г.
Публикации. По теме диссертации опубликованы 15 научных работ: 3 статьи в журналах, входящих в Перечень российских рецензируемых журналов рекомендованных ВАК РФ; 4 статьи - в журналах, не входящих в данный перечень; 8 тезисов научных докладов. Объём принадлежащий автору опубликованного материала составляет 2,2 п.л.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемой литературы из 132 наименований и трех приложений. Диссертация содержит 142 страниц основного машинописного текста, включая 83 рисунка, 14 таблиц, 111 формул и приложения на 14 страницах.
История изучения вопроса в области резания мерзлых грунтов
Данными исследованиями было установлено, что механические способы разрушения мерзлых грунтов ударной нагрузкой и резанием являются наиболее прогрессивными, т.к. менее энергоемки и более надежны. Так при сплошной разработке массива мерзлого грунта резанием энергоемкость в среднем в 5 - 15 раз ниже, чем при прогреве грунта. При разработке мерзлого грунта ударной нагрузкой (работа 1 удара 1000-3000 кгм) энергоемкость разрушения грунта в 15 раз ниже, чем при резании и в 200 раз ниже, чем при отогреве грунта [13,56].
Исследованиями в области разработки мерзлых грунтов занимались и занимаются многие другие советские ученые: Н.Г. Домбровский, М.И. Гальперин, В.Д. Абезгауз, Ю.А. Ветров, А.Ф. Николаев, О.Д. Алимов. П.З. Петухов, Д.И. Федоров и кандидаты технических наук М.И. Ровинский, В.П. Баландин, А.А. Кисленко, Г.М. Веселов, А.И. Федулов, И.В. Родионов, Д.А. Лозовой. М.А. Гурин, Б.Н. Киселев, Н.Г. Басов, И.А. Недорезов, Н.С. Шкуренко и другие. Значительные работы проведены отдельными специалистами, изобретателями и новаторами А.И. Сергеевым, С.Х. Вартановым, А.М. Столяровым, A.М. Калягиным, П.О. Осиповым и другими.
В области исследований процессов разработки мерзлых грунтов и создания машин для их разработки работал ряд научно-исследовательских организаций, учебных институтов, промышленных предприятий и строительных организаций: ВНИИЗеммаш, ВНИИСтройдормаш (В.П. Баландин- исследование и создание машин для разработки мерзлых грунтов крупным сколом ударными нагрузками, М.И. Ровинский исследование и создание рыхлителей мерзлых грунтов и скальных пород на базе мощных тягачей), Горьковский политехнический институт (А.Ф. Николаев, А.П. Куляшов, А.А. Назаровский, В.Ф. Кулепов- работы по созданию и дальнейшему совершенствованию машин фрезерного типа для проходки траншей и щелей в мерзлых грунтах, ВНИИЗеммаш, Киевский инженерно-строительный институт (работы Ю.А. Ветрова и А.А. Кисленко).
Широких и направленных исследований в области разработки мерзлых грунтов ведется далеко еще недостаточно. Это в значительной степени объясняется теми трудностями, с которыми приходится встречаться при проведении исследований в этой области, а именно: большой прочностью и сопротивляемостью мерзлого грунта разработке, его абразивными свойствами, необходимостью проведения трудоемких исследований в тяжелых климатических и метеорологических условиях при очень низких температурах, отсутствием возможности круглый год проводить экспериментальные исследования в естественных полевых условиях.
Развитие машин для земляных работ в вечномерзлых грунтах шло по пути использования опыта строительства в талых грунтах и применения методов оттаивания грунта паром, солнечной радиацией, бурения горными машинами.
Большой вклад в теорию резания и разрушения талых грунтов, разработку методов расчета усилий и конструирования рабочих органов машин для земляных работ (отвалов бульдозеров, ковшей экскаваторов и скреперов и др.) внесли проф. Н. Г. Домбровский, А. Н. Зеленин, Ю. А. Ветров, Д. И. Федоров, К. А. Артемьев, В. И. Баловнев и др.
Проф. Н. Г. Домбровский на основе целенаправленных исследований различных грунтов получил широко применяемую в расчетах формулу для определения сопротивлений грунта копанию и резанию через удельные сопротивления (на единицу площади) копанию и резанию для ковшовых рабочих органов.
Проф. А. Н. Зеленин обосновал пропорциональность сопротивлений резанию работе внедрения в грунт, за эталон которой принял показания динамического плотномера конструкции ДорНИИ. На основании обширного экспериментального материала (для всех видов талых грунтов) получены зависимости для определения сопротивления грунтов резанию в зависимости от глубины и ширины, угла резания, наличия зубьев, степени блокирования и затупления сначала элементарных профилей, затем периметров и наконец рабочих органов типа ковша и отвала.
Метод расчета сопротивлений с учетом пространственности процесса резания талых прочных грунтов разработал проф. Ю. А. Ветров. Он учел особенности и трапециевидную форму одиночной прорези и комбинации прорезей.
Зависимости, разработанные проф. Ю. А. Ветровым для отвалов бульдозеров, скреперов и других машин, учитывают их затупление.
Проф. Д. И. Федоров обосновал закономерности изменения силы резания талых грунтов различными рабочими органами и разработал конструкции экскаваторных ковшей без зубьев (совкового типа, с козырьком, полукруглого очертания).
Проф. К. А. Артемьев создал теорию расчета сопротивлений талых грунтов резанию плоскими ножами и ножами с криволинейной режущей кромкой, положенных в основу методики расчета скреперов.
Аналитический метод расчета сопротивлений талых грунтов резанию, основанный на закономерностях статики сыпучей среды, разработал проф. В. И. Баловнев.
Планомерное изучение свойств вечномерзлых грунтов как материала, подлежащего разработке в строительных целях, началось с середины 70-х годов XIX века. Для вечномерзлых грунтов в поверхностных слоях, подвергающихся разработке, характерным является твердомерзлое состояние, отличающееся не сжимаемостью при действии нагрузок и хрупким разрушением.
Для сезонно-мерзлых грунтов в основном характерно пластично-мерзлое состояние вследствие незначительных отрицательных температур и большего количества незамерзшей влаги, поэтому они обладают значительной сжимаемостью при действии нагрузок и вязкими свойствами.
На глубине до 30м, т. е. там, где осуществляются земляные работы, влажность вечномерзлых грунтов, как правило, соответствует полной влагоемкости или несколько превышает ее ( п). При этом на глубине, превышающей на 1-1,5м подошву сезонно-талого слоя грунта, отмечено увеличенное льдонасыщение, а иногда и слой сегретационного льда толщиной 20-50 см. Сезонно-талый слой в зимнее время года имеет влажность, как правило, соответствующую полной влагоемкости грунтов. В отличие от вечномерзлых грунтов влажность талых грунтов соответствует их естественной влагоемкости е п. Наиболее распространенные супесчано-суглинистые вечномерзлые грунты имеют следующую влажность в условиях естественного залегания: супеси 15—30%, суглинки 30—50%. К основным принципам механики мерзлых грунтов проф. Н. А. Цытович относит динамическое равновесие незамерзшей влаги и льда, нестабильность свойств, релаксацию напряжений и ползучесть при длительном воздействии нагрузок, а также миграцию влаги при промерзании.
Для процессов механической разработки вечномерзлых грунтов существенны два принципа: равновесное состояние воды и льда и нестабильность механических свойств, так как нагрузки, разрушающие грунт, действуют практически мгновенно. В соответствии с принципом равновесного состояния воды и льда при любой отрицательной температуре в грунте содержится некоторое количество незамерзшей воды, оказывающей существенное влияние на его прочностные показатели. Нестабильность свойств вечномерзлых грунтов вызвана анизотропией свойств льда.
Проф. С. С. Вялов выделяет следующие внутренние структурные связи в грунтах: первичное сцепление, определяемое силами межмолекулярного притяжения, зависящими от химико-минералогического состава частиц грунта и расстояния между ними; структурное сцепление, возникающее в результате физико-химических процессов при формировании грунта; сцепление вследствие цементации, сил смерзания между кристаллами льда и минеральными частицами и их агрегатами.
Для талых грунтов характерно первичное и структурное сцепление, а для мерзлых грунтов — сцепление вследствие цементации. Причем, чем ниже температура, тем больше это сцепление. Вечномерзлые песчаные (раздельнозернистые) грунты имеют небольшие силы сцепления между частицами твердой фазы. При их разрушении деформации сжатия значительны вследствие уплотнения грунта, а прочность определяется главным образом силами трения, возникающими между поверхностями соприкосновения частиц, и сопротивлением частиц изменению их взаимного положения.
Вечномерзлые глинистые грунты имеют более мелкий фракционный состав, чем песчаные. Разрушение этих грунтов начинается с разрыва цементирующих связей, далее нарушаются силы молекулярного притяжения между частицами твердой фазы при их взаимном перемещении и уплотнении, что приводит к возникновению сил внутреннего трения.
Вечномерзлые глинистые грунты разрушаются как хрупкие или пластичные среды, а прочность их определяется температурой, влажностью и гранулометрическим составом.
Н. А. Цытович считает, что увеличение прочности мерзлых грунтов с понижением температуры определяется изменением фазового состава воды: чем ниже отрицательная температура, тем меньше в грунте незамерзшей воды и больше его прочность. И. Н. Вотяков полагает, что, кроме фазового состава воды, увеличение прочности мерзлого грунта определяется структурными преобразованиями частично гидратированного минерального скелета грунта и льда-цемента при понижении температуры. При этом происходят два процесса: рыхлые коагуляционные структуры, имеющие небольшую прочность сцепления, переходят в более плотные кристаллизационно-конденсационные структуры повышенной прочности внутриагрегатного и межагрегатного сцепления; при понижении температуры вязкость льда увеличивается, следовательно, возрастает прочность грунта. При этом в сезонно-мерзлых грунтах естественной влажности (в талом состоянии), имеющих относительно невысокие отрицательные температуры (до —10С), ограниченные областью основных фазовых переходов воды в лед, преобладают внутренние структурные преобразования гидратированного минерального скелета.
Моделирование величины усилия резания на единичном резце
Установив, что при увеличении скорости резания плугом от 0,4 до 2,0 м/с сопротивление почвы резанию увеличивается на 12%, автор считает, что необходимо учитывать влияние скорости резания в тех случаях, когда отбрасываются в стороны значительные массы грунта.
А. Н. Зеленин [56,57] исследовал изменение усилий резания мерзлых грунтов на повышенных скоростях. В процессе экспериментальных исследований, проводимых на специальном стенде, скорость резания изменялось в интервале от 0,68 до 6,13м/с. Резание осуществлялось острыми резцами шириной 10 и 20мм с углами резания 30; 45; 60; 90 и задним углом 10". Некоторые результаты экспериментов приведены на рисунке 1.14. Анализ зависимостей показывает, что усилие резания возрастает с увеличением скорости, но по закону близкому к линейному. Влияние скорости на усилие резания более заметно проявляется с увеличением угла резания, температуры грунта и глубины резания. Усилие резания возрастает в среднем на 5-8% на каждую единицу увеличения скорости. Исследования А. Н. Зеленина направлены главным образом на определение энергомкости ударного разрушения мрзлых грунтов различными рабочими органами. Вопросы пространственного разрушения и физическая сущность протекающих при этом процессов в работах А.Н. Зеленина не отражены.
Ю.А. Ветров [23 - 26], исследуя вопросы влияния скорости на процесс резания грунтов, пришел к выводу, что рост сопротивления грунта резанию, при увеличении скорости, обусловлен условиями механики процесса, то есть затратами энергии на сообщение движения вырезанному грунту и физическими причинами, проявляющимися в изменении свойств грунта под воздействием рабочих органов, движущихся с большой скоростью. Им была предложена формула: где Sc - средняя площадь поперечного среза; р- плотность грунта; 5- угол резания; в- угол наклона площадки скольжения; и- скорость движения рабочего органа; Ркин- величина усилия на отбрасывание вырезанного грунта.
Ю. А. Ветров высказал предположение, что различие между разностью полной силы резания и силы отбрасывания при определнной скорости, и силой резания при скорости близкой к нулю является доказательством имеющих место физических изменений в грунте. Было установлено, что как полная сила резания, так и е часть, расходуемая на отбрасывание вырезанного грунта близки к квадратичной функции от скорости резания (рисунок 1.15).
Эксперименты, проводимые с маятниковой установкой на талой и замерзшей глине, показали, что в пределах изменения скорости резания от 2,0 до 12м/с сопротивление грунта резанию существенно возрастает, достигая 5-6 кратного увеличения по сравнению с сопротивлением резанию при скорости близкой к нулю. Рисунок 1.14 Влияние скорости резания на сопротивление резанию мерзлых грунтов; суглинок, влажность 20 %, температура t = - 40 С: 1 - при h = 8,2 мм; 2 - при h = 20 мм; 3 - при h = 28 мм.
Наличие физических факторов Ю. А. Ветров [26] объясняет не мгновенным деформированием под нагрузкой. Это обусловливает протекание процесса разрушения грунта с некоторой конечной скоростью. При малой скорости резания скорость отделения элементов стружки от массива больше скорости резания, поэтому нож встречает своей верхней частью куски грунта, уже успевшие отделиться от массива. Если скорость резания больше скорости разрушения грунта, то рабочему органу приходиться продвигаться через не разрушившуюся среду, преодолевая сопротивления большей величины, чем при малой скорости. Однако модели грунта, адекватно описывающей подмеченные закономерности изменения процесса резания при увеличении скорости, Ю. А. Ветров не предложил.
Ю.А. Ветров, В. Л. Сокович, и Я. И. Марчеванский в работе [23] рассматривали вопросы взаимодействия с грунтом на высоких скоростях разрезающего ножа кабелеукладчика. Исследования проводились в полевых условиях на суглинистом грунте с верхним растительным слоем, глубина прорези варьировалась от 40 до 80см при изменении скорости движения машины в интервале 1-6м/с. Испытателями установлено, что сила сопротивления грунта разрезанию существенно увеличивается с возрастанием скорости. Так с увеличением скорости с 1,25м/с до 6м/с усилие про-резания подрастало на 55 %.
Увеличение рабочих скоростей изменяет режим разрушения, при этом зона разрушения превышает зону внедрения рабочего органа, увеличивается мгновенная прочность среды, уменьшается величина относительной объмной деформации грунта, а следовательно, и энергия разрушения. Основной принцип (эффект) динамического (скоростного) разрушения грунтов и горных пород: увеличение рабочей скорости приводит к увеличению хрупкости грунтов, предела прочности среды, сопротивления разрушению, снижению величины работы разрушения, а значит, и энергомкости процесса, и проявлению усталостной прочности среды.
А. Б. Филяков [119] проводил экспериментальные исследования по определению зависимости сопротивлений внедрению рабочих органов в среду от скорости их движения. По его мнению, при внедрении деформатора (ножа) в изотропную среду на него со стороны среды будет действовать сила сопротивления внедрению, возникающая на торце и силы трения, действующие на боковых поверхностях ножа. Неравномерное движение ножа А. Б. Филяков описывает дифференциальным уравнением: mx + N + 2FTP = G, где, m и G- масса и вес ножа; х - линейное ускорение ножа. Процесс внедрения ножа исследовался при различных глубинах резания (от 0 до 25см), масса ножа варьировалась от 40 до 100кг через 20кг. Основные закономерности установленные Л. Б. Филяковым заключаются в следующем:
Характер процесса резания будет зависеть от соотношения скоростей разрушений и деформирования. В. П. Станевский делает вывод [33], что при УД УКР происходит хрупкое разрушение грунта без остаточных деформаций, предварительно сжатый клином грунт будет в виде сплошной ленты отделяться от массива. В качестве модели грунта В.П. Станевским принята модель однородной изотропной среды. В начале процесса резания, при медленном внедрении в массив, нож создает в нем сложное напряженное состояние, разрушение грунта происходит не только перед клином, но и по сторонам (рисунок 1.16) с образованием боковых расширений прорези. Предполагается, что во время резания грунта угол между линиями скольжения и поверхностью массива, незначительно отклоняется от угла скола 6. Под этим же углом наклонены и образующие конических поверхностей к плоскости массива Рисунок 1.16 Схема блокированного резания острым ножом
Передней частью ножа сжимается находящейся перед ним грунт и в месте контакта развиваются пластические деформации. По мере увеличения поверхности контакта ножа с грунтом возрастает касательные напряжения, и при превышении соответствующих предельному состоянию, происходит сдвиг поверхности скольжения, наибольшей величины пластические деформации достигают на поверхности разрушения ST.
Анализ исследований В. П. Станевского показывает, что, несмотря на значительный прогресс в попытке описать влияние скорости на процесс резания грунта и интересные результаты, автор остается на позициях статики сыпучей среды. Однако следует отметить, что характер разрушения мерзлого грунта рабочим органом ближе всего подходит к математической модели В.П. Станевского.
Вопросы влияния скорости резания на характер пространственного разрушения грунта при вертикальном резании глубоко исследованы в работах, проведенных под руководством В. Г. Белокрылова [13]. Экспериментальные исследования, проведенные на стенде СибАДИ, в частности показали, что:
1. Разработка грунтов вертикальным резанием (сколом) может являться одним из перспективных направлений в области землеройных машин.
2. При увеличении скорости резания от 1 до 6м/с пространственность процесса вертикального резания в глинистом грунте уменьшается за счет увеличения угла развала прорези и уменьшения глубины расширяющейся части прорези.
Дальнейшая работа по исследованию влияния скорости на процесс вертикального резания грунта, как считают исследователи, должна быть направлена на расширение диапазона скоростей с исследованием их влияние не только на пространственность процесса, но и на возникающие при этом сопротивления и энергоемкость разрушения грунта при вертикальном резании [13].
Определение рационального диаметра фрезы .
Когда на фрезе чередовать узкие и широкие резцы сила сопротивления широкому резцу подчиняется законам щелевого резания, а узкого– переходного. В случае приближения ширины обоих типов резцов к одному типоразмеру нагрузки на узких резцах приближаются к нагрузкам, соответствующим щелевому резанию, а при значительных различиях– к блокированному. На рисунке 2.12 показаны расчты изменения энергомкости разрушения мерзлого грунта фрезами с различными способами установки резцов. Из рисунка 2.12 видно, что если применять фрезы с узкими резцами по краям разрабатываемой прорези, а широкими резцами разрабатывать середину забоя. То энергомкость процесса разрушения мерзлого грунта может быть снижена в 2-3 раза. При этом ширина крайних резцов ограничивается только условиями устойчивости резца. Для обеспечения указанного процесса необходимо, чтобы режущие кромки разных резцов устанавливались на фрезе на разных диаметрах: узкие боковые– на большим диаметре, а широкие средние на меньшем. При этом разница в диаметрах должна соответствовать величине подачи фрезы, за угол поворота, равному углу установки резцов.
В случае, когда величина подачи будет больше установленного расстояния между режущими кромками центральный резец начнт осуществлять не свободное резание, а переходное от свободного к блокированному, а боковые резцы– от щелевого к блокированному в угле. Когда же величина подачи будет меньше указанного расстояния, эффективность фрезерования снизится за счт увеличения поверхностей среза ледяного массива широкими центральными резцами.
Зависимость изменения энергомкости процесса разрушения мерзлого грунта, специальной фрезой от точности соблюдения величины подачи показано на рисунке 2.13.
Из рисунка 2.13 видно, что скорость вращения фрезы для случая установки резцов на одном диаметре не влияет на энергомкость процесса резания. При установке резцов по схеме № 3 (рисунок 2.12) расстояние между диаметрами установки резцов должно соответствовать расстоянию, проходимому технологическим средством на минимальной технологической скорости, за время необходимое фрезе, для поворота на угол установки зубьев. Для схемы установки зубьев № 4 (рисунок 2.12) определяющей является максимальная технологическая скорость. Рисунок 2.12 Изменение энергомкости разрушения мерзлого грунта от способа установки резцов: 1– фреза с последовательно установленными резцами одинаковой ширины; 2– фреза, у которой первый резец осуществляет щелевое резание, а второй– полублокированное в угле; 3– фреза с резцами, установленными по схеме 2 с дополнительным центральным резцом, удаляющим целик способом свободного резания; 4– фреза с центральным резцом, производящим щелевое резание и двумя боковыми, режущими мрзлый грунт способом полублокированным в угле Рисунок 2.13 Зависимость изменения энергомкости процесса разрушения мерзлого грунта от изменения величины подачи на 1 зуб и вылета резца (номера схем установки резцов соответствуют рисунку 2.12; в 4 схеме использованы резцы одинаковой ширины) 2.3. Моделирование разрушения грунта подкопочной машиной при применении схемы ступенчатого забоя
В настоящее время, наиболее распространнной схемой разрушения мрзлого грунта является его разработка методом сплошного забоя, как это показано на рисунке 2.14 а и б. При этом повышение эффективности резания обеспечивается за счт формирования забоя с минимум боковых площадок скола грунта, образующихся слева и справа от забоя при его фрезеровании.
Согласно рисунка 2.12 таким способом (рисунок 2.14 а и б) можно повысить эффективность фрезерования на 20% вне зависимости от скорости разработки грунта. Следующим развитием данной теории является схема, предложенная И.А. Гасениным (рисунок 2.14 в) [33] , который предложил оставлять часть грунта не разрабатываемой, чтобы данный объм разрушался под действием сил тяжести, боковых составляющих резания и прочих побочных сил резания.
В этом случае отрыв части перемычки от грунтового массива происходит ступенчато. Угол поворота фрезы, при котором происходит процесс врезания резца в грунт, находится в пределах от 4 до 10 градусов и зависит от типа грунта.
Сопротивление мерзлого грунта разрыву в 5-7 раз меньше сопротивления сжатию, вследствие чего, энергоемкость разрушения перемычки грунта между фрезами за счет изгибающих усилий уменьшается на данном участке в несколько раз, что дает общее повышение эффективности разработки мерзлого грунта на 10-12%.
Однако, при синхронизации скоростей движения машины и при применении резцов, расположенных на разных радиусах вращения фрезы можно добиться снижения энергомкости разрушения грунта в 2-3 раза (рисунок 2.12). Для этого необходимо, что бы сначала резцами прорезались две узкие боковые щели, а затем широким резцом удалялась средняя часть. При этом удаление средней части будет происходить с меньшей скоростью и с большей подачей в условиях свободного резания, как это показано на рисунке 2.15.
Следует отметить, что предлагаемая схема может быть реализована только в условиях строгой синхронизации скорости движения машины и скорости вращения фрезы. При этом каждой скорости движения машины должна соответствовать фреза со строго определнными геометрическими параметрами. То есть предлагать такую конструкцию для обычных машин для разработки льда и мрзлого грунта не целесообразно. При этом для машин по ремонту и содержанию трубопроводов, где скорости движения являются постоянными, такая схема резания грунта наоборот является наиболее рациональной.
Режущие кромки резцов рабочих органов подкопочных машин, при работе описывают сложную траекторию, являющуюся сочетанием вращательного движения вокруг оси фрезы и поступательного движения со скоростью подачи. Траектория каждого резца представляет собой удлиненную циклоиду (трохоиду), параметрическое уравнение которой в принятых координатах (рисунок 2.16) выражается в следующем виде: X=R (l-cos(p); (2.32) Y=r (p+R sin(p, (2.33) где г- радиус производящего круга, катящегося без скольжения по прямой АВ, R- расстояние от оси вращения фрезы до режущей кромки резца, или радиус фрезы, ф- угол поворота производящего круга, отсчитываемый от положения, в котором точка М совпадает с начальной точкой А.
Объект экспериментального исследования
С уменьшением толщины забоя, разрабатываемого подкопочной машиной, будет происходить и уменьшение силы резания, что позволит ещ снизить энергомкость разработки мерзлого грунта.
Отсутствие прямопропорциональной зависимости между скоростью движения и толщиной разрабатываемого грунта объясняется двумя факторами. Во-первых, отсутствием прямого соотношения между скоростью резания и величиной необходимого тягового усилия. И, во-вторых, изменением положения входа резца в забой в зависимости от соотношения диаметра фрезы и толщины мрзлого грунта. Вопрос о выборе рационального диаметра фрезы будет рассмотрен в дальнейшем. На данном же этапе можно констатировать следующий факт: рациональными скоростями резания являются такие, которые обеспечивают максимальную скорость движения машины в сочетании с минимальными скоростями вращения дисковой фрезы. 3.4. Определение рационального диаметра фрезы
Диаметр фрезы является одним из определяющих параметров при формировании нагрузок при резании мрзлого грунта. От него зависит величина крутящего момента, скорость вращения рабочего органа, величина и направления нагрузок, действующих на резцы. При этом изменение диаметра фрезы будет одновременно приводить как к процессам, позитивно влияющим на снижение энергомкости процесса фрезерования, так и к негативным процессам. Поэтому задачами данного исследования является установить какие из перечисленных процессах и при каких условиях являются доминирующими.
Рассмотрим сначала позитивные процессы. С увеличением диаметра фрезы, как это было показано в предыдущем пункте, улучшаются геометрические характеристики входа резца в забой. В результате чего появилась возможность снизить скорость вращения фрезы, характер изменения которой показан на рисунке 3.7.
Таким образом, используя полученные зависимости между изменением скорости резания и мощностью, затраченной на фрезерования, показанной на рисунке 3.5 мы можем получить зависимость между энергомкостью процесса фрезерования и диаметром фрезы. Учитывая что затраты мощности на фрезерование связаны со скоростью резания прямопропорциональной зависимостью, то их характер будет аналогичен зависимости, показанной на рисунке 3.5, только с изменнными коэффициентами.
Процесс повышения энергомкости фрезерования, в случае увеличения диаметра фрезы, связан с изменением ширины прорезаемой щели, между шириной которой и затратами мощности существует взаимосвязь, показанная на рисунке 3.8.
Отсутствие прямой пропорциональности у этой зависимости связано с дополнительным ростом энергозатрат на разрушение боковых поверхностей траншеи непосредственно режущей кромкой резца, путм скола. Так как поверхность скола не имеет прямой зависимости от ширины траншеи, то и суммарная зависимость будет иметь параболический вид.
Специфика работы дисковой фрезы состоит в том, что такой параметр как ширина траншеи в задании на проектирование не нормируется. Толщина резца определяется способностью рабочего органа не деформироваться под действием возникающих нагрузок. Значительные геометрические размеры фрезы и проводимые расчты позволяют сделать вывод о том, что у не имеется огромный запас прочности от изгибающих, крутящих и сжимающих сил. Единственный возможный вариант выхода из строя диска фрезы является потеря им устойчивости.
Так как величина крутящего момента является функцией от диаметра, то возможно построение зависимости диаметра вала фрезы от е диаметра. Е вид показан на рисунке 3.10.
Наличие на графике ступенек объясняется тем, что величина диаметра вала является дискретной величиной, шаг изменения которой равняется 5мм. С учтом вышеизложенного, а также, принимая во внимание геометрические размеры подшипников, устанавливаемые на данные валы, с учтом нагрузки, действующей на них со стороны рабочего органа, получим зависимость ширины траншеи от диаметра фрезы, которая показана на рисунке 3.11. Рисунок 3.10 Зависимость диаметров фрезы и е вала
Следует отметить, что величина скорости резания также зависит и от толщины прорезаемой щели. Поэтому поставленная задача не может быть решена на основании нахождения функционального минимума при исследовании зависимости только двух переменных, так как большинство исследуемых параметров находятся между собой в постоянной явной и неявной взаимосвязи, для определения оптимизированных параметров необходимо определить безусловный минимум целевой функции.
Зависимость минимально возможной ширины прорезаемой траншеи от диаметра фрезы Для решения поставленной задачи был использован градиентный метод оптимизации Девидсона-Флетчера-Пауэла [33,96]. Согласно этому методу выбор начальной точки производится с учтом экспериментальных данных об оптимальных конструктивных параметров фрезы. При этом мы избежим неверных значений оптимизированных параметров, так как целевая функция не является унимодальной. В случае спорных значений оптимизируемых параметров можно выбрать несколько начальных точек и провести исследование каждой из них.
После определения нового направления поиска, производится одномерный поиск и продолжается итерационный процесс, подробное описание которого дано в [33]. В качестве целевой функции для оптимизации конструктивных параметров фрез нами было выбрано следующее уравнение: