Введение к работе
Актуальность темы исследования. Дальнейшее освоение Севера и районов, прилегающих к Байкало-Амурской магистрали, повлечет за собой увеличение объемов разработки мерзлых грунтов. Обустройство нефтяных и газовых месторождений на территории Сибири требует строительства транспортных магистралей, кабельных сетей, бурения скважин, рыхления мерзлых грунтов. Ввиду заболоченности местности прокладка трубопроводов в районы Дальнего Востока и Китай с особой остротой ставит проблему повышения темпов разработки мерзлых грунтов и снежно-ледяных образований механическим способом в зимнее время.
Вечная мерзлота, глубокое сезонное промерзание, большой процент каменистых включений в грунте ведут к повышенным нагрузкам на рабочее оборудование и в первую очередь на режущий инструмент, который в таких условиях быстро выходит из строя.
Основным фактором, влияющим на износостойкость режущего инструмента, является прочность грунта, обусловленная свойствами минеральных частиц, влажностью, температурой, текстурой, наличием воздуха, льда и незамерзшей воды. Лед цементирует все частицы, а за счет внешних воздействий структура льда и количество жидкой фазы изменяются. Это приводит к изменению прочности мерзлого грунта.
Кроме наличия льда внутри грунта наружные поверхности строительных объектов и покрытия дорог испытывают воздействие снегопадов, ветрового переноса, перепадов температур и уплотнения снега колесами транспортных средств. Уплотненные снежно-ледяные образования на дорогах вызывают повышение скользкости, уменьшение коэффициента сцепления, а это влияет не только на безопасность движения, но и на скорость движения транспортных средств и, как следствие, на уровень выбросов вредных веществ в атмосферу.
Мероприятия по предотвращению, разрушению и уборке снежно-ледяных и гололедных образований трудоемки, повышают эксплуатационные затраты на содержание техники и оказывают вредное воздействие на окружающую среду
Режущему инструменту, схемам его расстановки на рабочих органах и режимам резания посвящено много исследований. Рекомендуемые авторами углы резания у зубьев экскаваторов для нарезания узких траншей и бурильных машин завышены в два раза. Это приводит к росту усилия резания без увеличения объема разрушаемого грунта. При существующих конструкциях режущего инструмента уменьшение пути трения его режущей кромки - нереальная задача, поскольку каждая точка ее трется о забой от начала заглубления до выхода из него. При этом неизбежно интенсивное изнашивание режущей кромки.
Высокие темпы роста объемов земляных работ в зимнее время, при нехватке средств на приобретение новой техники, обусловливают актуальность работ по совершенствованию существующих и созданию новых рабочих органов для разработки мерзлых грунтов и снежно-ледяных образований (мерзлые грунты и снежно-ледяные образования далее будем называть твердыми средами) с целью повышения эффективности их разрушения без увеличения мощности базовой машины. Это может быть осуществлено за счет установки на рабочие органы принципиально нового режущего инструмента в виде дисковых резцов.
Преимущество этого инструмента состоит в следующем. Он дает возможность на порядок уменьшить путь трения, так как каждая точка режущей кромки при перекатывании диска по прямолинейному забою погружается в массив грунта по циклоиде только на величину глубины резания, и позволяет заменить трение скольжения режущей кромки зубом трением качения (диск перекатывается вдоль забоя), что повышает долговечность инструмента. Кроме того, установка такого инструмента обусловливает снижение динамических нагрузок на рабочий орган при встрече с включениями, так как контакт режущей кромки с ними в первоначальный момент точечный, а скорость уменьшается по мере погружения точки режущей кромки в массив, следовательно, и нагрузка на режущий инструмент будет возрастать медленно.
Поскольку динамические нагрузки и путь трения уменьшаются, долговечность такого инструмента повышается, возникает возможность увеличения скорости резания, что влечет за собой значительное повышение производительности.
Степень разработанности темы. Степень разработанности и рекомендации, выявленные в процессе анализа исследований, выполненных авторами Л. И. Бароном, Л. Б. Глатманом, С. Л. Загорским, М. Г. Крапивиным и др., по разрушению горных пород дисковым инструментом не могут быть использованы для разрушения мерзлых грунтов и льда, из-за различия в свойствах горных пород, рекомендуемых параметров дискового инструмента и величин среза при разрушении таких сред.
Имеющиеся исследования ударного разрушения мерзлого грунта дисковыми резцами с отрывом от массива уплотненного между дисками грунта не дают теоретических методов расчета усилий, возникающих на дисковом инструменте при изменении параметров инструмента, ширины, глубины резания и свойств разрушаемой среды.
Существующие теории резания мерзлых грунтов и льда традиционным зубом не могут быть применены к расчету сопротивлений, возникающих на дисковом резце, из-за различия в геометрии, профиле борозды после прохода инструмента, появления нового параметра (диаметра диска) и отсутствия ширины среза при блокированном резании.
Разработка твердых сред рабочими органами с дисковым инструментом, как научная область недостаточно изучена, что затрудняет проведение расчетов, проектирование, совершенствование действующих и создание новых конструкций рабочих органов. Таким образом, теоретические и экспериментальные исследования разрушения твердых сред, разработка методики расчета усилий, возникающих на рабочих органах с дисковыми резцами, и внедрение в производство новых и усовершенствованных рабочих органов с данным инструментом являются актуальной научной проблемой.
Цель работы. Развитие теории разработки твердых сред рабочими органами с дисковым инструментом и экспериментальное подтверждение значения усилий, возникающих на одиночном дисковом резце, и создание на этой основе рабочих органов с таким инструментом, повышающих эффективность разработки твердых сред строительными и дорожными машинами.
Задачи исследований. Выполнить анализ существующих схем взаимодействия зубьев и дисковых резцов с мерзлым грунтом, необходимых для определения усилий, возникающих на традиционном инструменте.
Обосновать перспективность оснащения рабочих органов машин дисковым инструментом, предназначенным для разработки мерзлых грунтов и очистки дорожных покрытий от снежно-ледяных образований.
Разработать методики проведения лабораторных, стендовых и натурных исследований нагруженности отвалов автогрейдеров, буровых, диско-фрезерных рабочих органов, рыхлителей с дисковыми уширителями и выполнить экспериментальные исследования разрушения ими твердых сред различной прочности.
Разработать новые технические решения использования дискового инструмента в рабочих органах для разрушения твердых сред и математические модели взаимодействия одиночного конусного дискового резца с разрушаемой твердой средой и на их основе создать рабочие органы с таким инструментом.
Разработать конструкции оборудования и стенды для проведения исследований, позволяющих выявить влияние параметров дискового инструмента и значений величин среза на составляющие усилия резания в реальных природно-климатических условиях при разрушении твердых сред.
Исследовать нагруженность экспериментальных буровых рабочих органов на стенде с использованием тензометрии и провести опытную проверку их на реальных машинах в условиях строительного производства.
Исследовать нагруженность рыхлителей с использованием тензометрии и дискового уширителя при разрушении мерзлых грунтов на базовых машинах тягового класса 250 кН.
Определить показатели тягово-сцепных характеристик бульдозерно-рыхлительного агрегата с дисковым уширителем и без него в мерзлых грунтах различной категории прочности.
Выполнить анализ проведенных исследований, выявить закономерности влияния геометрических параметров инструмента, величин среза и свойств твердых сред на силовые и энергетические показатели процесса их разрушения.
Разработать методику расчета усилий, возникающих на дисковом режущем инструменте для разрушения твердых сред, и конструкции сменных рабочих органов, оснащенных таким инструментом.
Объектом исследования является взаимодействие одиночного дискового резца и рабочих органов с таким инструментом с твердыми средами при их разрушении.
Предметом исследования являются закономерности изменения силовых характеристик, возникающих в процессе разрушения твердых сред в зависимости от изменения геометрии одиночного дискового резца, параметров среза, свойств среды и нагрузочных характеристик рабочих органов с таким инструментом.
Основная идея работы: создание рабочих органов с дисковым инструментом обеспечивает повышение производительности и снижение энергоемкости процессов разработки мерзлых грунтов и льда.
Научная новизна работы заключается:
в разработке математических моделей расчета составляющих усилия резания на предложенные оригинальные технические решения рабочих органов с дисковым инструментом для разрушения твердых сред, новизна которых подтверждена патентами и авторскими свидетельствами;
в проведенных теоретических исследованиях по определению усилий, возникающих на дисковом инструменте при разрушении твердых сред, и осуществлении экспериментальной проверки полученных результатов с использованием разработанных технических решений рабочих органов с дисковыми резцами и разработанной методики их расчета;
во впервые исследованном механизме процесса разрушения мерзлых грунтов дисковым инструментом на роторных рабочих органах при нарезании узких траншей, бурении и рыхлении мерзлых грунтов различной категории прочности уширительным оборудованием с дисковым инструментом, закрепленным на стойке рыхлителя;
в установлении закономерностей влияния прочностных характеристик мерзлых грунтов на изменение усилий в буровых рабочих органах и уширителях к рыхлителям с дисковыми резцами, обеспечивающих повышение производительности и снижение энергоемкости процесса.
Теоретическая и практическая значимость работы. Полученные результаты используются при проектировании рабочих органов с дисковым инструментом для определения оптимальных параметров с целью совершенствования существующих и создания новых рабочих органов с дисковым инструментом.
Создано рабочее оборудование в виде уширителей к рыхлителям, буровым, роторным рабочим органам и отвалам автогрейдеров с дисковыми резцами для рыхления, бурения, нарезания узких траншей в мерзлых грунтах и разрушения снежно-ледяных образований отвалами автогрейдеров с таким инструментом, обеспечивающие повышение производительности машин при снижении энергоемкости.
Разработанные математические модели и методика расчета усилий, возникающих на одиночном дисковом резце, позволяют определять расчетные нагрузки на рабочем оборудовании в зависимости от параметров инструмента, величины среза и свойств среды, а также энергоемкость процессов разрушения и мощность привода.
Данная методика используется проектными организациями при создании нового бурового, бульдозерно-рыхлительного и диско-фрезерного навесного оборудования, а также применяется в учебном процессе и при выполнении выпускных квалификационных работ в Институте нефти и газа Сибирского федерального университета. Два учебных пособия по тематике диссертационной работы, изданные диссертантом в соавторстве, используются более чем 50 вузами профильного УМО в учебном процессе по курируемым УМО специальностям.
Методология и методы исследования. Методология исследования основана на использовании аналитических моделей взаимодействия одиночного дискового резца с твердыми средами, учитывающих силы трения среды о контактную поверхность инструмента и зоны трения внутри среды, с учетом допущений, гипотез и физической сущности процесса разрушения таких сред.
Для решения поставленных задач были использованы следующие методы исследования:
аналитический - при исследовании взаимодействия конусных дисковых резцов с твердыми средами в процессе их резания;
экспериментальный - при стендовых и натурных исследованиях рабочих органов с применением тензометрии. Применялись стандартные приборы и специальные разработанные стенды и приспособления;
вероятностно-статистический - при обработке результатов стендовых и натурных исследований с использованием стандартного программного обеспечения Mathcad 14, MATLAB, Microsoft Office Excel и Power Graph.
Положения, выносимые на защиту:
- математические модели взаимодействия дискового резца с разрушаемой средой
и методика расчета усилий резания одиночным дисковым резцом и экспериментально
подтвержденные усилия, возникающие на рабочих органах с таким инструментом при разрушении твердых сред, учитывающие геометрические параметры дискового инструмента, ширину и глубину резания, физико-механические свойства сред, позволяющие определить усилия резания при блокированном и полублокированном резании и установить оптимальные параметры оборудования, обеспечивающего минимальную энергоемкость процесса;
результаты экспериментальных исследований составляющих усилий резания в зависимости от диаметра, угла заострения дискового резца, параметров среза и свойств разрушаемой среды;
результаты натурных исследований по разрушению мерзлых грунтов и определению нагрузочных характеристик на рабочих органах землеройных машин. Зависимости между основными параметрами рабочих органов и их нагрузочными характеристиками, позволяющие оценить нагрузки и энергозатраты на усилия резания в зависимости от параметров среза рабочими органами с таким инструментом при бурении скважин, разработке мерзлых грунтов рыхлителем с уширителями, удалении прочных снежно-ледяных отложений с проезжей части дорог и подъездных путей.
Степень достоверности и апробация результатов, полученных диссертантом, подтверждается экспериментально, а также обеспечивается комплексным характером использования современных средств и методов научных исследований в области разрушения твердых сред механическим способом, необходимым объемом экспериментальных исследований; адекватностью результатов теоретических и экспериментально полученных результатов исследований (погрешность не превышает 20 %); непротиворечивостью исследованиям других авторов; использованием регистрирующего и испытательного оборудования, позволяющего с достаточной точностью осуществлять измерения требуемых параметров; обоснованностью показателей, характеризующих процесс разрушения твердых сред.
Основные результаты работы докладывались на 24 научных семинарах, научно-практических и научно-технических конференциях с международным участием: научных конференциях (Москва, 1976; Красноярск, 1977, 1981, 1990; Омск, СибАДИ, 1979-1983, 2011); всероссийских и международных научно-практических конференциях (Красноярск, 2007; Новосибирск, 2009; Тюмень, 2010; Новокузнецк, 2011; Иркутск, 2011); международных научно-технических конференциях (Тюмень, 2007, 2008, 2011; Братск, 2009, Могилев, 2011, Одесса, 2012).
Результаты работы внедрены в ОАО «Строймеханизация» (г. Иркутск), ООО «Аэропорт Емельянове» (г. Красноярск) и Красноярском филиале ГП «Краевая дорожно-эксплуатационная организация» при эксплуатации дорог в зимнее время, а также используются в учебном процессе Института нефти и газа Сибирского федерального университета. Результаты диссертационной работы, реализованные в учебных изданиях, используются в учебном процессе более чем 50 вузами страны.
Публикации. По теме диссертации опубликованы: 1 монография, 41 статья, в том числе 14 статей в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 2 учебных пособия с грифом УМО, получено 17 авторских свидетельств и патентов РФ.
Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, библиографического списка, приложений, содержит 364 страниц текста, в том числе 136 рисунков, 31 таблица. Список литературы включает 298 наименований, объем приложений 48 страниц.
