Введение к работе
Актуальность работы
При зимнем содержании дорог и аэродромов особенно трудоемкими являются мероприятия по предотвращению и устранению снежно-ледяных и гололедных образований, которые в настоящее время выполняются химико-механическим, тепловым и комбинированным методами, а на автодорогах и фрикционным методом. Использование механического способа разрушения прочных снежно-ледяных и гололедных образований ограничено в силу конструктивной неприспособленности рабочих органов существующих спецмашин к данному виду работ.
Расширение области применения механического способа разрушения гололедных и снежно-ледяных образований возможно путем модернизации существующих и создания новых рабочих органов к специальным машинам без увеличения их мощности, в частности за счет установки перспективного режущего инструмента в виде дисковых резцов.
Отсутствие исследований по разрушению гололедных и снежно-ледяных образований таким инструментом затрудняет проведение расчетов при проектировании новых и совершенствовании существующих конструкций рабочих органов спецмашин, при которых актуальной задачей является определение усилия резания в зависимости от геометрических параметров дискового режущего инструмента и параметров среза. Это предполагает проведение экспериментальных исследований, направленных на определение рациональных геометрических параметров дисковых резцов, разработку схем их размещения на существующих и новых рабочих органах спецмашин, обеспечивающих разрушение снежно-ледяных и гололедных образований при минимальных энергозатратах.
Целью работы является обоснование рациональных, с позиции минимизации энергозатрат, параметров дискового режущего инструмента и конструкции сменного рабочего органа для разрушения прочных снежно-ледяных и гололедных образований, оснащенного дисковыми резцами.
Идея работы заключается в применении дискового режущего инструмента в сменных рабочих органах для разрушения снежно-ледяных и гололедных образований, а также размещении режущего инструмента на рабочем органе по схеме, обеспечивающей разрушение с минимальной энергоемкостью.
Задачи исследования:
1. Обосновать перспективность оснащения машин, предназначенных для очистки дорожных и аэродромных покрытий от снежно-ледяных и гололедных образований, рабочими органами с режущим инструментом в виде заостренных дисковых резцов.
Экспериментально исследовать влияние геометрических параметров дискового режущего инструмента, глубины и ширины резания, физико-механических свойств льда на усилия, возникающие на резце при разрушении льда резанием.
Разработать математическую модель процесса резания льда дисковым инструментом и аналитически определить усилие резания при полублокированном резании с учетом геометрических параметров инструмента, глубины и ширины резания, а также физико-механических свойств льда.
Разработать методику расчета параметров дискового режущего инструмента для разрушения прочных снежно-ледяных и гололедных образований и конструкцию оснащенного этим инструментом сменного рабочего органа отвального типа.
Методы исследований:
При решении поставленных задач применен комплексный подход, включающий: научный анализ и обобщение опыта создания рабочих органов спецмашин для разрушения снежно-ледяных и гололедных образований различным режущим инструментом; экспериментальные лабораторные исследования процесса резания льда полноразмерными дисковыми резцами с различными геометрическими параметрами, с применением современных технических средств измерения и обработки результатов эксперимента; математическое моделирование процесса разрушения льда дисковыми резцами.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
1. Снижение энергоемкости процесса разрушения прочных снежно-
ледяных и гололедных образований рабочими органами спецмашин, достига
ется установкой на них режущего инструмента в виде заостренных дисковых
резцов.
Оснащение рабочего органа отвального типа дисковым режущим инструментом с радиусом режущей кромки R = 0,1 м, углом заострения д = 30, установленным под углом к обрабатываемой поверхности у = 3 - 5 по схеме, обеспечивающей взаимное перекрытие рабочих зон смежных резцов, обеспечивает снижение энергоемкости процесса разрушения снежно-ледяных образований прочностью осж = 1,8^2,3 МПа в 2,3 раза.
Математическая модель процесса резания льда, учитывающая геометрические параметры дискового инструмента, глубину и ширину резания, и физико-механические свойства льда, позволяет аналитически определить усилие резания при полублокированном резании и установить параметры инструмента, обеспечивающие минимальную энергоемкость разрушения снежно-ледяных образований.
Достоверность научных положений обеспечивается достаточным объемом проведенных исследований и подтверждается сходимостью теоре-
тических и экспериментальных данных, полученных с помощью современных методов исследований.
Научная новизна работы:
Экспериментально установлены закономерности изменения энергоемкости процесса разрушения прочных снежно-ледяных образований при полублокированном резании дисковым режущим инструментом, в зависимости от геометрических параметров инструмента, глубины и ширины резания, а также физико-механических свойств льда, позволяющие определить рациональные параметры инструмента, обеспечивающие минимальную энергоемкость процесса.
Установлено, что оснащение рабочего органа отвального типа дисковым режущим инструментом с радиусом режущей кромки R = 0,1 м и углом заострения д = 30, установленным на этом рабочем органе под углом у =3 - 5 к обрабатываемой поверхности по схеме, обеспечивающей взаимное перекрытие рабочих зон смежных резцов, позволяет снизить энергоемкость процесса разрушения снежно-ледяных образований прочностью о'еж = 1,8+2,3 МПа в 2,3 раза.
Теоретически с использованием разработанной математической модели процесса резания льда дисковым инструментом установлены закономерности изменения усилий на его режущей кромке при блокированном и полублокированном резании льда в зависимости от геометрических параметров инструмента, глубины и ширины резания, а также физико-механических свойств льда, которые позволяют рассчитать инструмент, обеспечивающий минимальную энергоемкость разрушения льда.
Личный вклад автора состоит: в разработке методики и проведении экспериментальных исследований процесса резания льда дисковым режущим инструментом с различными геометрическими параметрами; в обработке и анализе результатов эксперимента; в разработке математической модели и методики расчета усилий резания дисковым инструментом с целью обеспечения минимальной энергоемкости процесса; в разработке конструкции рабочего органа отвального типа, оснащенного дисковым режущим инструментом.
Практическая ценность работы:
Разработана методика расчета усилий возникающих на дисковом резце при резании льда, позволяющая на стадии проектирования, с учетом физико-механических свойств льда и параметров среза, определять рациональные геометрические параметры режущего инструмента, обеспечивающие минимальную энергоемкость процесса.
Результаты работы используются в ООО «Аэропорт Емельянове» (г. Красноярск) и Красноярском филиале ГП «Краевая дорожно-эксплуата-ционная организация» при модернизации машин для разрушения ледяных
покрытий, а также в учебном процессе Института нефти и газа Сибирского федерального университета, что способствует более глубокому изучению студентами механизмов взаимодействия рабочих органов спецмашин с разрушаемой средой.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы представлены на Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодежь и наука: начало XXI века» (г. Красноярск, 2007), на V Всероссийской научно-технической конференции «Политранспортные системы» (г. Красноярск, 2007), на международной научно-технической конференции «Проблемы эксплуатации и обслуживания транспортно-технологи-ческих машин» (г. Тюмень, 2007), на VII и VIII Всероссийских научно-технических конференциях с международным участием «Механики - XXI веку» (г. Братск, 2008, 2009), а также на заседаниях кафедры Топливообеспечения и горючесмазочных материалов Института нефти и газа Сибирского федерального университета в 2009-2010 гг.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ, из них 2 в журнале, рекомендованном ВАК. Получены два патента на изобретение.
Объем и структура диссертации. Диссертация изложена на 186 страницах и состоит из введения, шести глав, заключения, библиографического списка из 121 наименования, приложения, содержит 73 рисунка и 30 таблиц.
