Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Обзор технологий уборки и конструкций машин для зимнего содержания городских дорог и улиц и постановка задач исследования 1. 5
1.1.Технология зимнего содержания городских дорог 1 5
1.2. Обзор конструкций подметально-уборочных машин 2. 2
1.3. Патентный обзор конструкторских решений машин для удаления снежно-ледовых образований .3. 0
1.4. Обзор и анализ исследований по разрушению льда и уплотненного снежного наката при очистке дорожного покрытия 3 9
1.5. Выводы. Цель и задачи исследования .4. 3
ГЛАВА 2. Экспериментальное определение физико-механических свойств грунто-ледовой массы прибордюрных зон улиц .45
2.1. Исследование геометрических параметров и состава ГЛМ 46
2.1.1. Оборудование и методика проведения эксперимента 4. 6
2.1.2. Результаты экспериментальных исследований 48
2.2. Определение насыпной массы ГЛМ 5. 7
2.2.1. Оборудование и методика проведения эксперимента 5. 8
2.2.2. Результаты экспериментальных исследований .5. 8
2.3. Определение угла естественного откоса ГЛМ 6. 0
2.3.1. Оборудование и методика определения угла естественного откоса ГЛМ 60
2.3.2. Результаты экспериментальных исследований 6 1
2.4. Определение сопротивления одноосному сжатию ГЛМ 6. 1
2.4.1. Оборудование и методика проведения эксперимента 6. 2
2.4.2. Результаты экспериментальных исследований 63
2.5. Определение параметров внутреннего и внешнего трения ГЛМ по стали и бетону 64
2.5.1. Оборудование и методика проведения эксперимента 6. 4
2.5.2. Результаты экспериментальных исследований 6. 6
2.6. Выводы по главе 6. 7
ГЛАВА 3. Теоретические и экспериментальные исследования процесса резания глм единичным резцом и разработка модели удельной силы резания 6 9
3.1. Основные геометрические параметры рабочего органа. Формирование нагрузок на режущих элементах 6 9
3.2. Методика проведения экспериментальных исследований резания ГЛМ единичным резцом и построение математической модели удельной силы резания 77
3.3. Анализ результатов экспериментальных исследований 8 1
3.4. Выводы по главе 8 6
ГЛАВА 4. Анализ процесса взаимодействия торцевой фрезы с разрушаемой средой и определение рациональных деформационно-силовых характеристик упругих подвесов 88
4.1. Влияние угла наклона РО на массу вырезаемой ГЛМ и неравномерность нагрузок на резцах 90
4.2. Определение силовых характеристик на РО и эксплуатационных показателей машины .100
4.3. Анализ деформационно-силовых характеристик упругих подвесов резцов на диске торцевой фрезы
4.3.1. Оценка основных геометрических параметров подвеса на основе его изгибной жесткости 109
4.3.2. Определение потенциальной энергии упругой деформации при изгибе и кручении подвеса 116
4.3.3. Оценка возможности наступления пластических деформаций подвеса 122
4.3.4. Оценка возможности стабилизации резцов при двух подвесной системе 1 26
4.3.4.1. Оценка смещений резца при образовании изгибных усилий в подвесах от силы резания .1 26
4.3.4.2. Расчет смещений резца при образовании изгибных усилий в подвесах от реакции дорожного покрытия 132
4.3.4.3. Расчет смещений резца при образовании изгибных усилий в подвесах от совместного усилия силы резания и реакции дорожного покрытия .1 36
4.3.5. Оценка долговечности подвесов при циклических нагрузках 1 38
4.4. Выводы по главе 144
ГЛАВА 5. Обоснование основных конструктивных параметров и определение режимов работы торцевой фрезы 146
5.1. Определение характеристик резания ГЛМ опытным макетом торцевой фрезы 149
5.1.1. Образцы ГЛМ для испытаний 1 49
5.1.2. Конструкция макета РО 1 49
5.1.3. Описание экспериментальной установки .1 50
5.1.4. Измеряемые параметры 1 53
5.1.5. Ход эксперимента 1 54
5.1.6. Результаты экспериментов и их анализ 1 55
5.1.7. Выводы по результатам эксперимента
5.2. Оценка моментов сил сопротивления резанию .161
5.3. Определение рациональных конструктивных параметров натурного РО 162
5.4. Оценка техноэкономической эффективности от реализации мероприятий по зачистке прибордюрных зон улиц от ГЛМ 167
5.5. Выводы по главе 170
Заключение .1 72
Список литературы
- Патентный обзор конструкторских решений машин для удаления снежно-ледовых образований
- Результаты экспериментальных исследований
- Методика проведения экспериментальных исследований резания ГЛМ единичным резцом и построение математической модели удельной силы резания
- Анализ деформационно-силовых характеристик упругих подвесов резцов на диске торцевой фрезы
Введение к работе
Актуальность темы. Россия – одна из стран мира, в которой среднегодовая
температура в зоне хозяйствования ниже . Образование наледи на дорогах России
является естественным состоянием покрытия. Поэтому проблема разрушения и удаления смерзшейся грунто-ледовой массы (далее ГЛМ) с дорожного покрытия – это важная для России задача, требующая эффективного решения.
Образование на дорогах ГЛМ и уплотненного снежного наката, приводящих к сужению проезжей части улиц из-за образования постепенно нарастающих снежных завалов в прибордюрной зоне дорог, приводит к повышению расхода топлива и выбросов в атмосферу автотранспортом. Предотвращение сужения дорог может достигаться при систематическом применении механических способов удаления смерзшейся ГЛМ с дорог. Однако эффективная серийно выпускаемая техника для уборки дорог и механической очистки прибордюрных зон от смерзшейся ГЛМ отсутствует. Недостатком известных решений с применением режущих элементов, разработанных для этой цели, является активное разрушение ими и дорожного покрытия при случайных контактах режущего органа с дорогой, а также повреждение и выворачивание бордюрных камней. По этим причинам исследования по совершенствованию существующих конструкций рабочих органов снего- и льдоуборочных машин (далее ЛУМ) и созданию принципиально новых режущих органов разрушения намерзшей на дороге грязи и уплотненного снега, позволяющих вести очистку прибордюрных зон с сохранением целостности дорожного полотна, являются актуальными.
Целью работы является обоснование основных конструктивных параметров торцевой фрезы для очистки прибордюрных зон дорожного полотна от смерзшейся грунто-ледовой массы и уплотненного снежного наката.
Для достижения поставленной цели следует решить следующие задачи:
-
Опытным путем определить геометрические параметры полосы смерзшейся ГЛМ в прибордюрной зоне дорог. Установить состав ГЛМ и свойства её дроблёной массы.
-
На основе анализа формирования нагрузок на режущих элементах получить зависимость влияния геометрических параметров резца и условий его взаимодействия с ГЛМ на удельную силу резания ГЛМ и льда и получить регрессионную модель удельной силы резания.
-
На основании исследования взаимодействия торцевой фрезы с разрабатываемой средой определить силовые и энергетические характеристики и оценить прочность, жесткость и выносливость упругих элементов подвесов.
-
Обосновать основные конструктивные параметры торцевой фрезы. Проверить работоспособность РО экспериментальным испытанием опытного макета и установить силовые параметры взаимодействия рабочего органа (далее РО) с ГЛМ.
-
Опытным путем оценить влияние проведения мероприятий по очистке прибор-дюрных зон улиц на изменение характеристик транспортных потоков и определить технико-экономическую эффективность очистки данных зон.
Объектом исследования в диссертации является торцевая фреза с резцами, закрепленными на упругих подвесах.
Предметом исследования являются закономерности процесса резания смерзшейся ГЛМ резцом и взаимодействия фрезы с разрушаемой средой.
Методы исследования. В работе использованы методы системного анализа и статистические методы исследования, методы математического планирования экспе-3
римента, экспериментальные исследования с использованием современных технических средств измерения. Состав компонентов смерзшейся ГЛМ с дорожного покрытия определялся с использованием пламенной фотометрии, спектрофотометрии и гравиметрического анализа.
Достоверность результатов и научных положений подтверждена сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований, проведенных на стендах и опытном макете РО. Оценка положения об эффективном влиянии мероприятия по очистке прибордюрных зон ото льда и ГЛМ на динамику транспортных потоков подтверждена экспериментально.
Научная новизна:
-
Впервые установлены данные по составу ГЛМ прибордюрных зон улиц и свойствам её дроблёной массы, отличающиеся долей грунта в ГЛМ и компонентным составом.
-
Получена регрессионная модель удельной силы резания для разрабатываемой среды прибордюрных зон улиц.
-
Впервые получены характеристики изгиба и кручения, определяющие геометрические параметры подвеса, выполненного из отрезка стального каната.
На защиту выносятся:
-
Данные о геометрических параметрах смерзшейся ГЛМ в прибордюрной зоне, составе и свойствах её измельченной массы.
-
Экспериментальные результаты определения усилия сопротивления резанию ГЛМ единичным резцом и проверки данной величины испытанием опытного макета РО.
-
Принципиальная конструкция РО для ЛУМ в виде торцевой фрезы с режущими элементами, закрепленными на упругих подвесах, выполненных из отрезков стального каната, для удаления смерзшейся ГЛМ в прибордюрной зоне дорог, её конструктивные параметры и результаты испытания макета РО.
-
Данные об экологической и экономической целесообразности проведения мероприятий по очистке прибордюрных зон улиц с использованием устройств механического удаления с них смерзшейся ГЛМ и льда.
Практическая значимость. Предложена и разработана принципиальная конструкция торцевой фрезы с упругими элементами из отрезков стального каната, обеспечивающая отклонение резцов при контакте с дорожным покрытием и бордюрным камнем и сохраняющая целостность бордюрных камней. Получены уравнения расчета силовых и энергетических параметров торцевой фрезы, используемой для удаления смерзшейся ГЛМ с прибордюрных зон дорожного полотна.
Опытным путем подтверждена экологическая и экономическая целесообразность проведения мероприятий по очистке прибордюрных зон дорог со стесненным потоком движения транспорта.
Новизна предложенной конструкции торцевой фрезы подтверждена патентом на изобретение РФ.
Результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс подготовки студентов направления «Эксплуатация транспортно-технологических машин и комплексов» в Дзержинском политехническом институте (филиале) Нижегородского государственного технического университета им. Р.Е. Алексеева.
В коммунальное предприятие г. Дзержинска внедрены рекомендации по выбору основных конструктивных параметров и режимов работы рабочего органа комму-
нальной машины, рекомендуемые при проектной разработке макета торцевой фрезы для последующих испытаний.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на международных, всероссийских и региональных конференциях, в том числе на:
– XII ежегодной Международной молодежной научно-технической конференции «Будущее технической науки» г. Н. Новгород, НГТУ им. Р. Е. Алексеева, 2013 г.; – XXI заочной научной конференции Research Journal of International Studies, г. Екатеринбург, 2013 г.;
– X – XIV всероссийских научно-практических конференциях «Молодежь города – город молодежи», г. Нижний Новгород, 2013 – 2015 г.;
– Всероссийской научно-технической конференции для молодых ученых и студентов с международным участием «Инновации технических решений в машиностроении и транспорте» г. Пенза, 2015 г.;
– на заседаниях кафедры «Автоматизация, транспортные и информационные системы» ДПИ НГТУ им. Р. Е. Алексеева.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 научных работ, в том числе 4 работы в цитируемых источниках перечня ВАК РФ, 1 патент на изобретение РФ, 7 статей – в других изданиях.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав и заключения, содержащего основные результаты и выводы. Работа изложена на 187 страницах основного текста и включает 19 таблиц, 103 рисунка, список литературы из 138 наименований с приложениями на 15 страницах.
Патентный обзор конструкторских решений машин для удаления снежно-ледовых образований
Подметально-уборочные машины предназначены для уборки загрязнений и свежего снега с поверхности асфальто- и цементобетонных дорожных покрытий. Они обеспечивают полный цикл уборки, т. е. отделение загрязнений или снега и перемещение их с дорожных покрытий в бункер машины [88]. Цикл уборки современной машиной включает сухое или влажное подметание покрытий, подачу смета в бункер, транспортирование его на места складирования и разгрузку. Подметально-уборочные машины можно разделить на следующие основные группы: – подметальные, сдвигающие загрязнения в сторону от очищаемой полосы; – подметально-уборочные, ведущие механическую очистку покрытия дороги, сбор смета, погрузку в бункер, его транспортирование и выгрузку; – специальные уборочные, подбирающие смет методом всасывания и перемещающие пыль, снег, песок и мелкие предметы с очищаемой полосы в сторону с помощью воздушной, газовой или газо-воздушной струи. Последние применяют в основном при содержании аэродромов [47,129].
Главным рабочим органом подметально-уборочной машины являются щетки [45], образцы которых представлены на рисунке 1.5. а - цилиндрическая, б – лотковая (коническая), в – ленточная. 1 - сплошная навивка ворса, 2 – ворс метелкой, 3 – ворс пучком.
Наиболее распространены цилиндрические щетки (а) с горизонтальной осью вращения и размещением ворса на цилиндрической поверхности. Применяют также лотковые (конические) щетки (б) с углом при вершине до 60. Наименее распространены вследствие малой надежности и эффективности ленточные щетки в виде бесконечной цепи с закрепленными на ней щеточными секциями (в), которые одновременно с отделением смета от дороги транспортируют его в бункер [45].
Торцовые и конические щетки более эффективны при очистке придорожных лотков, отличающихся небольшими поперечными размерами и сложной конфигурацией поверхности.
Цилиндрические щетки используют для очистки больших ровных поверхностей дорог, тротуаров, промплощадок и аэродромных полос. Их устанавливают либо под углом к направлению движения машины между ее осями, либо перпендикулярно - за колесами задней оси.
Лотковые щетки устанавливаются как с одной, так и с обеих сторон машины, наклоняя их так, чтобы ворс, очищая покрытие дороги с внешней стороны машины, отбрасывал смет от края лотка под машину (Рисунок 1.6). Рисунок 1.6 - Торцевая лотковая щетка.
Движение ворса нижнего края щеток может как совпадать с направлением движения машины, так и быть противоположным.
Для отделения загрязнений небольшой части убираемой полосы, захвата всего снега и перемещения его в бункер по трубе пневмотранспортера часто используют отсос воздуха (рисунок 1.8). а - прямое забрасывание смета в бункер; б - механическая двухступенчатая подача смета; в - то же, трехступенчатая, г, д - пневматическое транспортирование смета: 1 -щетка, 2 - бункер для смета, 3 - смет, 4 – конвейер, 5 - шнек 6 – вентилятор, 7 - всасывающий рукав.
В настоящее время промышленность выпускает подметально-уборочные машины КО-326, ПУМ-69, ПУМ-99, ПУМ-1, ПУМ-77. Они отличаются способом перемещения смета из зоны работы щеточных устройств в бункер машины. На машинах КО-326, КО-326-02, КО-326-10 и КО-326-11, выпускаемых в настоящее время, использована система пневматического транспортирования смета в бункер машины из зоны работы щетки. На широко распространенных машинах ПУМ-1, ПУМ-99, ПУМ-77 загрязнения, отделенные щеткой, подают в бункер с помощью механического транспортера. Подметально-уборочная машина КО-326 представлена рисунком 1.9 [15]. Подметально-уборочная машина осуществляет подметание загрязнений, загрузку смета в бункер-мусоросборник, вывоз и самосвальную выгрузку в местах свалки. В состав спецоборудования машины входят: бункер-мусоросборник, стойка для установки и закрепления всасывающего рукава подборщика, водяной насос, автономный вентилятор с приводом, насосы гидросистемы. Подметально-уборочная машина КО-326 имеет следующие рабочие органы: – центральную косоустановленную щетку, предназначенную для подметания проезжей части дороги и систему всасывания смета; – торцовую лотковую щетку, служащую для подметания лотка и подачи смёта в систему всасывания и подачи в бункер; – подборщик, состоящий из всасывающего сопла и установленной за ним подгребающей цилиндрической щеткой.
Лотковая и центральная щетки, вращаясь, формируют вал смёта, который удаляется с дорожной поверхности потоком воздуха во всасывающее сопло и далее по пневмопроводу подается в бункер, где происходит его осаждение. Остатки смета подбрасываются в сопло щеткой подборщика. Задняя крышка бункера фиксируется зажимами, управляемыми из кабины водителя гидроцилиндром. Разгрузка бункера-мусоросборника самосвальная.
Основные технические характеристики подметально-уборочной машины модели КО-326 представлены в таблице 1.2.
Машина ПУМ 69 (рисунок 1.10) применяется при уборке дорог, прилотковых участков и территорий с твердым покрытием, а также для дальнейшей транспортировки собранного мусора к месту его выгрузки. Основные технические характеристики подметально-уборочной машины ПУМ-69 представлены в таблице 1.2. Таблица 1.2. – Основные технические характеристики подметально-уборочных машин модели КО-326 и ПУМ- Технические характеристики:
Подметально-уборочные машины ПУМ-1 на базовом шасси ГАЗ-3307 (Рисунок 1.11) и ПУМ-77.3 на базовом шасси КАМАЗ-43253 (Рисунок 1.12) используются коммунальными службами для выполнения механизированной уборки городских дорог и прилотковых участков. Обе машины осуществляют автоматический забор сметаемого мусора в мусоросборники для их последующей транспортировки к месту свалки. Характеристики подметально-уборочных машин ПУМ-1 и ПУМ-77.3 показаны в таблице 1.3.
Результаты экспериментальных исследований
Как показали анализы пластин нижнего слоя, содержание воды в этих образцах составляет 18 24%, а доля песка ( 74,77 79,53%. Появление в этом слое некоторого количества хлорида натрия 0,9 1,4 % и фосфатов 0,76 1,1 % ( ) связано, очевидно, с использованием на дороге антигололедных средств. Судя по полученным данным, верхний слой ГЛМ на толщине выше 40 мм от поверхности асфальта представляет собой уплотненный снежный накат с удельной плотностью материала . Данная масса не имеет кристаллическую структуру. Не исключено, однако, что при чередовании заморозков и оттепелей в этом верхнем слое возможно попеременное протекание процессов подтаивания снега и кристаллизации льда. В ходе данных процессов возможно образование ГЛМ с более плотной массой.
Средний слой ГЛМ на толщине от 15 до 40 мм от поверхности асфальта представляет собой лед, содержащий вкрапления частиц песка и земли. Доля твердой фазы в нем не превышает 5%, и не будет оказывать существенного влияния на резание льда. Нижний слой на высоту до 15 мм от поверхности асфальта образован преимущественно влажным песком от ветрового наноса и обработки дороги песко соляной смесью. Доля воды в этом слое составляет . Лед занимает межфазные пространства между частицами песка. Поскольку песок имеет достаточно большую плотность, то он постепенно концентрируется в нижней части ГЛМ дороги. Высокая неоднородность состава, структуры и свойств ГЛМ показывает на необходимость проведения детальных исследований по разрушению ГЛМ.
При разработке РО необходимы данные по физико-механическим свойствам уплотненного снежного наката, льда с содержанием примесных компонентов и песка с долей воды 20 и более процентов.
Твердая фаза ГЛМ формируется как песком, приносимым ветровым наносом с пустырей и придорожных газонов, так и поступающим при посыпке проезжей части песко-соляной смесью, то в ГЛМ присутствуют два вида частиц песка, наносного из местных песчаных грунтов и речного песка, применяемого для приготовления антигололедной смеси. Соотношение поступающих масс переменно, что влияет на вариацию значений свойств твердой части ГЛМ.
По данным [105] насыпная масса сухого песка равна , а истинная плотность . Для кварцевого песка они соответственно равны В [120] отмечают некоторую аномалию насыпной массы песка с увеличением доли воды в нем, приходящейся на песок с долей воды . Если сухой песок при имеет насыпную массу равную , то при доле воды в нем 5,5% она равна только , при 8,5% - , при доле воды в смеси 13,9% уже , а при доле воды 18% - . Свойства смерзшегося влажного песка значительно отличаются от свойств несмерзшегося песка с той же влажностью.
Для определения зависимости насыпной массы от доли воды и температуры материала ГЛМ нами проведены экспериментальные исследования. 2.2.1. Оборудование и методика проведения эксперимента
Определение насыпной массы дробленой ГЛМ проводили взвешиванием отмеренного мерником объема ГЛМ на лабораторных весах Shinko Denshi HTR – 220CE (Рисунок 2.11) с точностью ± 0,001 г. Объем мерника составлял 1000 мл.
Данное уравнение пригодно для определения насыпной массы большинства сыпучих материалов, для каждого из которых величина индивидуальна. Рисунок 2.12 – Влияние температуры на насыпную массу материала ГЛМ с долей воды, %: 1 – 5,5; 2 – 11; 3 – 21; 4 – 24. материала ГЛМ скачкообразно понижается, достигая минимума. При дальнейшем понижении температуры насыпная масса материала ГЛМ линейно возрастает. Наличие скачкообразного снижения насыпной массы вблизи точки замерзания воды объясняется вспучиванием массы влажного песка с высвобождением части воды из первоначально усредненной суспензии песка и воды. Образующиеся кристаллики льда изменяют характер взаимодействия частиц песка друг с другом. При дальнейшем понижении температуры взрыхленного материала ГЛМ насыпная масса возрастает вновь. Обработка экспериментальных данных показала, что данный рост может быть описан уравнением: (2.4) где насыпная масса влажного материала ГЛМ при температуре , т/м3; температура массы, ; коэффициент, учитывающий влияние температуры на насыпную массу ГЛМ, равный 0,003 . Максимальная доля воды в ГЛМ составляет . При большей доле воды в смеси с песком, часть воды отслаивается и образует отдельный слой. Как видно из рисунка 2.13 после дробления смерзшихся песка и воды, насыпная масса взрыхленного материала уменьшается и становится меньше, чем для песка с предельной влажностью 24% (линии 5 и 6).
Величина угла естественного откоса зависит от сил трения, возникающих при перемещении частиц сыпучего материала относительно друг друга, и сил сцепления частиц друг с другом. Угол естественного откоса определяют измерением угла конуса материала, образованного при свободном насыпании в одну точку ровной горизонтальной поверхности [105].
Угол естественного откоса дробленой ГЛМ зависит от количества влаги в нем. Он составляет по данным [105] для сухого песка 30 градусов, для песка с долей воды 5,5% – 38 градусов и долей 11% – 49 градусов.
Методика проведения экспериментальных исследований резания ГЛМ единичным резцом и построение математической модели удельной силы резания
Все это налагает определенные требования к устройству РО ЛУМ, предназначенного для очистки полотна прибордюрной зоны улицы: – РО для механического удаления ГЛМ с полотна в прибордюрной зоне не должен вращаться вокруг вала, параллельного поверхности дорожного полотна и (или) оси транспортного средства, образующего транспортный базис ЛУМ; – РО должен располагаться с одной стороны ЛУМ, правее линии касания передних и задних колес базового транспортного средства; – приводной вал РО может быть наклонен в направлении движения, но должен быть в плоскости, перпендикулярной поверхности дорожного полотна, параллельной в направлении движения машины; – РО должен быть устойчивым к вертикальным перемещениям ЛУМ как минимум в пределах половины высоты ГЛМ в прибордюрной зоне; – РО должен обеспечивать удаление ГЛМ на всю её ширину за один проход ЛУМ; – крепление и подвес резцов должны быть настолько жесткими, чтобы гарантированно обеспечить разрушение ГЛМ, но и гибкими, настолько, чтобы при контакте резцов с более твердой поверхностью асфальтобетонного полотна дороги или бордюрного камня отклониться от жесткого контакта и не разрушать их.
Предел прочности асфальтобетона согласно ГОСТ 9128-2009 [37] равен не менее 10-12 МПа при температуре 0 . Прочность бордюрного камня согласно ГОСТ 6665-91 [36] составляет не менее 38,5 МПа. Следовательно, параметры подвесов должны обеспечивать усилие, разрушающее ГЛМ, но в тоже время не превышающие 9 МПа, что достаточно для разрушения ГЛМ.
Поэтому наиболее полно данным требованиям отвечает предложенное нами устройство, представляющее собой торцевую фрезу, вращающуюся на валу, с закрепленными на краях диска посредством гибких упругих подвесов резцами (Рисунок 4.1) [28,32]. Наличие гибких подвесов предохраняет РО ЛУМ от разрушения при ее колебании в вертикальной плоскости и при контакте с поверхностью дороги. Упругость подвесов крепления резцов позволяет сохранить жесткость и работоспособность режущих органов и обеспечивать постоянный контакт фрезы с полотном дороги. – вал фрезы; 2 – диск фрезы; 3 – упругий подвес резца; 4 – резец. Рисунок 4.1. – Торцевая фреза с закрепленными на краях диска посредством гибких
упругих подвесов резцами. В соответствии с принятой конструкцией РО подвесы являются основным элементом, передающим усилие с вала к резцам. Поэтому являются важным определить достаточность принятых размеров подвеса (диаметра, длины) и их количества для обеспечения, как передачи необходимых усилий, так и для поддержания устойчивого положения режущих элементов относительно разрабатываемой среды.
В связи с данными требованиями необходимо оценить: - влияние угла наклона РО на равномерность нагружения резцов; - силовые характеристики на РО и эксплуатационные показатели машины; - влияние нагрузок на деформации подвесов в процессе резания и при контакте с жесткими препятствиями (асфальт, бордюрный камень и др.); - влияние циклических нагрузок на долговечность подвесов. 4.1. Влияние угла наклона РО на массу вырезаемой ГЛМ и неравномерность нагрузок на резцах При взаимодействии фрезы с разрабатываемой средой, фреза и ее каждый резец в совокупности участвуют в сложном движении: в поступательном движении ЛУМ; во вращательном движении фрезы; в хаотичных возвратно-поступательных движениях с переменной амплитудой при колебании машины из-за неровностей дороги. Последними, из-за несущественности, чаще всего пренебрегают. При наклоне приводного вала фрезы на угол , а, следовательно, и наклоне плоскости вращения резцов к очищаемой плоскости дороги на тот же угол , меняется роль резцов в процессе резания ГЛМ [30]. В этом случае первый цикл работы резцов распространяется на все резцы фрезы. Как видно из рисунка 4.2, за счет наклона плоскости резания фрезы в сторону противоположную движению ЛУМ, первый по ходу машины резец срезает верхний слой ГЛМ, представляющий преимущественно снежный накат на высоту ( ). Толщина слоя, срезаемого каждый последующим резцом или предшествующим резцом, постепенно возрастает на величину — . Одновременно снижается толщина стружки вырезаемого сегмента циклоиды на величину равную .
Расстояние между центрами резцов на окружности их расстановки на диске фрезы (модуль) равно: (4.1) Тогда масса материала, вырезанного из массива, за время прохождения резцом пути, равного расстоянию модуля равна: (4.2) где ширина срезаемого слоя ГЛМ, м; высота срезаемой стружки, равная , м; средняя плотность материала срезаемого слоя, кг м . В соответствии со спецификой смерзшейся ГЛМ наиболее плотный слой находится на высоте не более 80 мм от поверхности дорожного покрытия. Более высокий слой переменной толщины, колеблющейся в пределах 0 40 мм, представляет собой уплотненный снежный накат, характеризующийся низкой прочностью.
Анализ деформационно-силовых характеристик упругих подвесов резцов на диске торцевой фрезы
Отсюда видно, что доля усилия резания, приходящаяся на центральную проволоку, равна 0,0638, а на каждую из периферийных – 0,052, соответственно наибольшее усилие приходится на центральную проволоку каната, что говорит нам о том, что именно она первой попадет в зону пластической деформации, поэтому дальнейшие расчеты будем вести относительно нее.
Учитывая, что на центральную проволоку каната приходится , то при напряжениях т , формула (4.46) приобретает вид: Таким образом, при принятых геометрических параметрах подвеса будет гарантирован его упругий режим деформации. Учитывая, что полный угол закручивания каната равен: (4.127) где модуль сдвига; для стали . Скручивающий момент, соответствующий переходу материала наиболее напряженных элементов каната в зону пластической деформации, равен: ред т (4.128) где т предел текучести при сдвиге, 0,7 т, МПа. Поскольку , то: ред т (4.129) При этом условии, значение угла, при котором касательные напряжения достигнут предела текучести, будет равно:
Таким образом, допускаемый скручивающий момент [ ] получается путем деления предельного скручивающего момента ред на коэффициент запаса по пределу текучести т равен: ред (4.131) т где – допускаемое касательное напряжение, МПа. В связи с вышесказанным, угол закручивания, соответствующий допускаемым касательным напряжениям , равен: (4.132) Для принятого каната угол закручивания, соответствующий допускаемым касательным напряжениям , равен: 126 Анализ допускаемого угла закручивания показывает, что для подвеса из каната диаметром 19 мм по ГОСТ 3063-80 при установленных геометрических параметрах подвеса он составляет: (4.133)
Принятые геометрические параметры подвеса гарантируют упругий режим его деформации.
Воздействие внешней нагрузки на резец можно разложить на 2 составляющие: силу резания , направленную параллельно плоскости дорожного полотна и его вертикальную реакцию , направленную перпендикулярно этой плоскости. . Оценка смещений резца при образовании изгибных усилий в подвесах от силы резания Рисунок 4.19 – Исходная система. Закрепление резца на двух подвесах в продольном направлении представляет собой статически неопределимую систему. Замкнутый контур системы описывается следующим образом: "Диск фрезы – передний подвес – резец – задний подвес – диск фрезы". Иными словами наша система представляет собой трижды статически неопределимую раму. Сначала рассмотрим исходную систему, на которую воздействует сила (Рисунок 4.19). Для расчета статически неопределимой системы выбрана основная система, показанная на рисунке 4.20.
Она получена из исходной системы путем освобождения ее от дополнительных связей, после чего система становится статически определимой, а действие отброшенных связей заменяется неизвестными силовыми факторами Х1, Х2, Х3, отражающими: Х1 – неизвестное продольное усилие в резце;
Получается, что мы имеем 6 неизвестных, а степень статической неопределимости в нашем случае равна 3-м, поэтому можем составить три канонических уравнения системы. Нахождение 3-х неизвестных возможно путем раскрытия статической неопределимости методом сил [111].
В дальнейшем представлены 3 единичных состояния и соответствующие им единичные эпюры изгибающих моментов, приведенные на рисунке 4.22.
Схема трех единичных состояний системы и единичные эпюры. Система канонических уравнений метода сил для трижды статически неопределимой системы имеет вид: где единичные коэффициенты канонических уравнений; грузовые коэффициенты канонических уравнений. Первое уравнение зануляет взаимное сближение-удаление в среднем сечении резца (в плоскости симметрии системы).
Второе уравнение зануляет взаимный сдвиг в среднем сечении резца (в плоскости симметрии системы). Третье уравнение зануляет взаимный поворот в среднем сечении резца (в плоскости симметрии системы). Коэффициенты вычисляем по способу Верещагина путем перемножения единичных и грузовых эпюр [111].