Введение к работе
Актуальность работы. Зимнее содержание тротуаров и придомовых территорий, составляющих до 80% от общей площади жилого района, остается нерешенной проблемой городов и сельских населенных мест. Если содержание автомобильных дорог обеспечивается снегоочистителями на базе автомобилей и колесных тракторов, то механизированная уборка снега с тротуаров и остановок общественного транспорта практически отсутствует. Это объясняется отсутствием парка малогабаритной снегоуборочной техники, отвечающей технологическим требованиям и организации работ предприятий жилищно-коммунального хозяйства (ЖКХ), и отсутствию исследований в этой области. Анализ параметров немногочисленных образцов малых снегоочистителей отечественного и зарубежного производства, а также – трудоемкости работ показывает, что снижение энергоемкости возможно лишь на основе использования особенностей механических свойств снега – слабым сопротивлением растяжению. Тем более, что образованию растягивающих напряжений способствуют конусообразные уплотненные ядра из сжатого снега, возникающие при движении отвала.
Попытки применения теории предельного состояния сыпучих сред к разрушению машинами не получили должного продолжения, несмотря на известную фундаментальную поправку профессора А.Н. Зеленина в отношении методики построения огибающей предельных кругов Мора для целого ряда анизотропных материалов. Применительно к снегу, такие исследования не проводились.
В работе предложен новый подход к выбору угла резания плужной снегоуборочной машины, основанный на отслеживании вертикальной составляющей усилия резания и сравнении его с требуемым.
Цель работы: снижение энергоемкости процесса резания снега плужным рабочим органом малогабаритного снегоочистителя, путем создания оптимального по энергозатратам предельного напряженного состояния (ПНС) с наличием растягивающих напряжений в призме волочения, идентифицируемого по доле вертикальной составляющей в общем сопротивлении резанию.
Задачи исследования:
проанализировать особенности технологии зимнего содержания тротуаров и остановок общественного транспорта, оказывающие влияние на параметры и конструкцию малогабаритных снегоочистителей;
сформулировать требования к конструкции и определить ограничения на параметры малогабаритных снегоочистителей, пригодных для использования в службах ЖКХ;
определить граничные ПНС, соответствующие представительным видам и состояниям снега;
разработать математическую модель, позволяющую определять параметры ПНС по значениям усилий на отвале;
определить реализуемые при работе малогабаритного плужного снегоочистителя ПНС и построить соответствующие круги Мора;
проанализировать параметры полученных предельных кругов Мора и определить внешние идентификационные показатели оптимального ПНС;
создать базу данных о ПНС снега при соответствующих параметрах резания снега плужным рабочим органом малогабаритного снегоочистителя;
разработать методику применения базы данных о прочности снега для определения оптимального угла резания.
Объект исследования – процесс резания снега плужным рабочим органом малогабаритного снегоочистителя.
Предмет исследования – связь ПНС снежной призмы волочения с параметрами резания снега плужным рабочим органом малогабаритного снегоочистителя.
Научная новизна:
- предложен новый подход к выбору режима резания снега плужным рабочим органом малогабаритного снегоочистителя, позволяющий существенно снизить энергоемкость процесса резания, за счет использования особенностей механических свойств снега, основанный на использовании текущей информации о сопротивлении на рабочем органе;
- получены предельные круги Мора и их огибающие, определено пространство существования реальных ПНС для представительных состояний снега;
- разработана математическая модель процесса резания снега плужным рабочим органом, отличающаяся тем, что угол внутреннего трения рассматривается как мгновенное значение реакции среды на внешнее воздействие в данный момент времени, что позволяет определять не усредненное, а текущее значение оптимального угла резания.
Практическая ценность работы: снижение энергоемкости рабочего процесса малогабаритного снегоочистителя, за счет оптимального угла резания и возможности оптимального управления рабочим органом; создана база данных о ПНС представительных состояниях снега.
Реализация результатов работы:
- опытные образцы малогабаритных снегоочистителей с плужным рабочим органом, спроектированные с применением результатов исследования и созданной базы данных о ПНС снега, применяются в ГУ «Управтодор» г. Ижевск;
- паспорт на объект НОУ-ХАУ «База данных о предельных напряженных состояниях снега» является руководящим материалом малого инновационного предприятия ИжГТУ;
- результаты диссертационного исследования используются в учебном процессе ФГБОУ ВПО «ИжГТУ имени М.Т. Калашникова» при курсовом и дипломном проектировании по специальности 270113 «Механизация и автоматизация строительства», при подготовке бакалавров по направлению 270800 «Строительство» и магистров по программе 270800.68-14 «Комплексная механизация строительства».
На защиту выносятся:
- новый подход к выбору оптимального режима резания снега плужным рабочим органом малогабаритного снегоочистителя, основанный на оптимальном использовании механических свойств снега путем отслеживания и сравнения текущих значений составляющих силы сопротивления на отвале, с координатами точек предельной огибающей кругов Мора;
- результаты экспериментального исследования и предельные круги Мора, определяющие пространство существования ПНС для представительных состояний снега;
- математическая модель процесса резания снега плужным рабочим органом малогабаритного снегоочистителя, отличающаяся тем, что угол внутреннего трения рассматривается как мгновенное значение реакции среды на внешнее воздействие в данный момент времени, что позволяет с помощью созданной базы данных определять не усредненное, а текущее значение оптимального угла резания.
Методы исследований, достоверность и обоснованность результатов. В работе использованы теоретические и экспериментальные методы исследования. Решения задач базируются на экспериментальных данных и известных теоретических положениях сопротивления материалов, теории упругости и пластичности, механики сыпучих сред, математического моделирования и теории подобия. Достоверность научных положений подтверждается корректностью применения апробированного математического аппарата обработки результатов исследования, адекватностью расчетных значений по известным критериям оценки изучаемых процессов, использованием известных положений фундаментальных наук, достаточным объемом экспериментов, проведенных на лабораторном стенде с использованием поверенных приборов и оборудования, согласованностью аналитических расчетов с экспериментальными данными, результатами эксплуатации созданных опытных образцов снегоочистителей.
Апробация работы: Основные положения работы докладывались и получили положительную оценку на научных форумах: МНТК «Материалы, оборудование и ресурсосберегающие технологии» (г. Могилев, Беларусь, БРУ, 2007 г.); МНТК «Интерстроймех» (г. Самара, СГАСУ, 2007 г.; г. Владимир, ВлГУ, 2008 г.; г. Бишкек, Киргизия, КГУСТА, 2009 г.; г. Белгород, БГТУ, 2010 г.; г. Могилев, Беларусь, БРУ, 2011 г.); МНПК «Мехатроника строительных и дорожных машин» (г. Харьков, Украина, ХНАДУ, 2007 г.); МНТК «Стройкомплекс» (г. Ижевск, ИжГТУ, 2008 г., 2010 г.); ВНПК «Проблемы эксплуатации систем транспорта» (г. Тюмень, ТюмГНГУ, 2009 г.); МНПК «Проблемы функционирования систем транспорта» (г. Тюмень, ТюмГНГУ, 2010 г.); ВНПК «Проблемы функционирования систем транспорта» (г. Тюмень, ТюмГНГУ, 2011 г.); на расширенных заседаниях кафедр «Строительные и дорожные машины» ИжГТУ (г. Ижевск, 2011 г., 2012 г.), «Транспортные и технологические системы» ТюмГНГУ (г. Тюмень, 2011 г.), «Дорожно-строительные машины» МАДИ (г. Москва, 2012 г.).
Опытные образцы малогабаритных снегоуборочных машин представлялись на выставках и были отмечены дипломами: инновационный проект «Малая коммунальная машина для содержания внутриквартальных территорий» награжден дипломом 1-ой степени V выставки-сессии инновационных проектов студентов и молодых ученых (г. Ижевск, ИжГТУ, 2007 г.); инновационный проект «Проектирование малогабаритной снегоуборочной техники для жилищно-коммунального хозяйства» награжден дипломом 1-ой степени VII выставки-сессии инновационных проектов студентов и молодых ученых (г. Ижевск, ИжГТУ, 2009 г.); рекомендации по эксплуатации и образцы малогабаритных плужных снегоочистителей, созданные по результатам настоящего исследования, в течение ряда лет используются коммунальными службами ГУ «Управтодор» г. Ижевск.
Публикации. По теме диссертационного исследования опубликовано 20 печатных работ, в том числе 3 работы опубликованы в изданиях, рекомендованных перечнем ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, общих выводов и рекомендаций, списка литературы из 133 наименований, 7 приложений. Общий объем работы составляет 181 страницу, в том числе основной текст составляет 140 страниц, 52 рисунка и 27 таблиц.
