автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.06, диссертация на тему:Научно-техническая основа и разработка конструкции высокопроизводительной универсальной целерезной машины

УРАЛЬСКИЙ ГОНШ ИНСТИТУТ

На правах рукописи БЕЛ.ОВ Павел Алексеевич

КАУЧНОЛЕШЧЗСКАЯ ОСНОВА К РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ

В^СОКОП?а133ЭЛИ.ТБа>НОЯ УНИВЕРСАЛЬНОЙ Ц£12Р23Н0й ШшШа '

Специальность СБ.05.06 - "Горные машины*1

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

г. .Екатеринбург - 1993 г.

?Г6 од

п / ЦОл ^

Работа выполнена в Нижегородском государственном техническом уш вереитете и Уральском горком институте

паущшй руководитель - доктор технических наук,

профессор Носырев Б.А.

Официальные оппоненты - доктор технических наук

Зимин А.-И.

- кандидат технически наук Конисаров А. II.

Бегущее предприятие - Д/'О

г. Екатеринбург

оадиа состоится "2Ь" НО 1593 г, з 40 час.

ка заседания специализированного совета Д 063.03.01 при Уральском горном институте.

620219, ГСП-125, г. Екатеринбург, ул. Куйбьшева, 30.

С диссертацией ыоано ознакомиться в библиотеке Уральского горного института.

Автореферат разослан " д^та^Л 1993 г.

Учений секретарь специализированного совета кандидат технических наук Црокофьев Е.З.

Поди, к печ. 1?.Сб.93.-Формам бОх&^/К. Еукага оберт. Печать ..■фсегная. Уч.-иэд.л. 1,0. Тираа 100 экз. Заказ 238. Бесплатно.

Лаборатория офсетной печати полиграфической базц НГТУ. ;Й3022, Н.Нозгород, пр.Гагаранз, I.

ОБЦШ ШАХГЕРЧСШк РАБОШ

Актуальность работы. Перспективное планирование экономики и прогнозирование развития отдельные отраслей промшленностл невозможно без постоянного пополнения государственного фонда разведанных структур на минеральное сырье, нефть и газ.

Институтом геофизики СО ЛИ совместно с Сибирской геофизической экспедицией (С/БГЭ) был разработан новый истод, при котором источником сейсмических волн являются две за сыпанные разрыхлеиллм грунтом узкие параллельные третей (цели), разделенные нетронутым целиком грунта барьером и заряженные удлинении® дмнейньм! зарядами взрывчатого вещества.

Практическая-реализация этого метода логргбовала создания новой высокопроизводительной землеройной техники для обеспечения всего цикла эемлятх и укладочных работ.

Комплексное решегае обеих задач - как обеспечение высокой производительности, так и конструктивных решений для выполнения полного технологического цикла укладки линейных зарядов - возможно при интенсификации процесса разрушения мерзлого грунта (ОТ) рабочими органами (РО) землеройных машин (ЗУ.).

Одним из перспективных и неисследованных способов интенсификации процесса разрушения Ж является изучение процессов передачи тепла в зоне контакта резца рабочего органа ЗМ с грунтом (околорезцовой зоне).

Цель паботк. Яовызение производительности ЗМ путем изменения процессов передачи тепла в околорезцовой зоне.

. Идея работы заключается в исследовании ачиякия процессов передачи тепла и фазовых превращений в зоне контакта резца с мерзлым грунтом на усилие резания и производительность землеройной мв-иины.

Научные положения, разработанные автором и новизна:

- выявлены процессы образования к передачи тепла в зоне контакта резца с грунтом и их влияние на увеличение производительно-' сти ЗИ;

- установлены закономерности передачи тепла в околорезцовой зоне в зависимости от вида и категории грунта,.уелозпй служащей среды, материала резца, скорости резания;

- найдены рациональные температурные режимы розцов К) ЗМ и зависимости от температура грунтов, типа грунтов, условий окружающей среды, материала резца;

- разработана инженерная методика определения рациональных конструктивных параметров РО ЗМ с регулированием процессов теплопередачи в околорезцовой зоне;

-. разработаны способы регулирования процесса теплопередачи в околорезцовой зоне (активный - подвод тепла к резцу к пассивный -теплоизоляция резца от РО).

■ Достоверность полученных результатов обеспечивалась:

- применением при теоретических к окспериментальных исследованиях обоснованны;« допущений;

- проверка!?, результатов теоретических исследований в полевых условиях на натурной З.М с эдектроподогревом резцов ¿¡УЛЗ-100 УГЭР;

- применением средстЕ измерения к регистрами, проаедших соответствующую метрологическую проверку и аттестацию.

ибцая методика проведения исследований. Теоретические исследования выполнена на основе закона сохранения энергии и методов теоретической механики, теплофизики, теории резания грунта, конечных разностей.

Экспериментальное исследования проведены з лабораторных условиях на специально созданном оборудовании (некоторые части которого гощсцекы авторскими свидетельствами), ь натурных условиях на специальных установках и опытных образцах 311 (МУЛЗ-100, ЫУ'ЛЗ-ЮОМ, 11УЛЗ-Ю0 УГЭР). Использованы методы злектротензометрии, физического моделирования, плакирования экспериментов и математической статистики при обработке результатов экспериментов.

Значение тзаботы. Научное значение работы состой:

- & разработке к обосновании теплофиэмческого подхода к процессу разрушения МГ резцом 311; ~

- установлении зависимости мевду силой резания и процессом .передачи тепла в околорезиовой зоне, ее теоретическом списании и

экспериментаяьком подтверждении;

- создании инженерной методики расчета и обоснования основ-к-.сс конструктивных параметров ЗМ с регулированием процесса передачи тепла в околорезцовой зоне.

Практическое значение работы заключается в разработке и внедрении методики расчета рациональных конструктивных параметров ЗМ • с регулированием процесса передачи тепла в околорезцовой зоне;

определении оптимальных эксплуатационных режимов резания ИГ таки- ми Зш; рациональном выборе параметров РО дискофрезерных и диско— цепных ЗМ; применении способов и устройстве интенсификации процесса резания МГ 3!4 при укладке линейных зарядов барьерных источников взрывов для разведки полезных ископаемых.

- 'ь ' . -4. _.....

Реализация выводов и рекомендаций работ». Результаты исследований использованы при создании новых образцов зеылеройкьх машин при проектировании к изготовлении опытных образцов дискофре-зерных землеройных машин ИУЛЗ-ЮОМ; ЬУЛЗ-IOO УП?Р; при проектировании названных дкскофрезеркых малик получены а. с. № 610954; 753Л9; 744402; 1Ш340; 1242875; 1320325 и др. Ка сшгнок заьоде СО Дь Рж' изготовлена лгртия машин ¡û'Jo-JOO" и !£У.ЕЗ-130Л. Дри эксплуатации этих каган в шлевьс: условиях геофизических варткР экономический эффект от одной матнны составил около ¿00 тыс.рублей (по ценам до 1^85 года).

Реализация рабгти. Результаты работы использовались пру. проектировании к изготовлении опытных партий зеьшеройныг. мааин м/ЛЬ-1002, ШЗ-IQO УГ.?? и ряда других.

Апробация забочу, ¡¿атсри&яы диссертационной работы доканчивались и получили положительную оценку: на научно-технических конференциях "¡¡гучно-техническке и социально-экономические проблемы механизации производства и сокращения ручного тр^да" (Тшень -1ЭЫ г. ), ".Проблемы применения ледовых сооружений на Тшенском Севере" (Тюмень - 1382 г.), первой республиканской научно-технической конференции "Ороблеьи освоения Западно-Сибирского топливно-энергетического комплекса" (Уфа - IS82 г.), еторой Всесоюзной конференции по автоматизации зеуляккх работ в строительстве (Киев - 1985 г.), научно-технической конференции "Повышение эффективности использования, испытаний, эксплуатации автомобилей и строительно-дорожных машин" (Горький - 1986 г.), второй Всесоюзной конференции "Нефть и газ Западной Сибири" (Тюмень - 1У62 г.), Всесоюзной научно-технической конференции "Повышение надежности и экологических показателей двигателей" (Горький - 1290 г.), региональной научно-технической конференции "Модификация поверхностей конструкционных материалов с целью повышения износостойкости и долговечности деталей ыеаин" (Благовещенск - I&90 г.).

На двух тематических выставка?; ВДКХ СССР к един а награждена золотой, зеребрякой и бронзовой метелями. Она экспонировалась не Международной ярмарке в Дольше в г. Познани е 1&с£> г. и в Болгарии - в I9cfc г.

публикации. Во теме диссертации опубликовано 12 печатные работ , получено 6 авторских свидетельств.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы кз 142 наименований, со-

держит 205 страниц, в том числе 10о страниц маданописного текста, 96 рисунков и 3 таблицы.

С0ДЕРКАЙ12 РАБ01Н

Во введении дана характеристика актуальности темы, новизна и практическая полезность работы, ее реализация, апробация и структура.

Яепеак глада включает обзор работ в области теории резания грунта, конструкций ЗМ и анализа этих теорий и конструктивных решений с точки зрения применимости к описанию и практическому использованию процесса образования и передачи тепла з зоне контакта резиа РО с грунтом.

Ьаучные основу теории резания заложены и разработаны: З.Д. Абезгаузом, К.А.Артемьевым, И.Й.Айзенштейном, И.Г.Басовым, Д.И. толковым, В.Д.Гальпериныы, Б.Г.Домброаеккм, й.А.Кедорезовым, А.а. Николаевым, В.Д.Телушкиным, Ы.Н.Ровинским, В.К.Рудневым, Д.й.Зе-доровым, А.М.Холодовым, Г.А.Шлойдо и многими другими видными учеными стран содружества.

Однако исследованием теплофизических процессов в грунте и особенно при разработке их РО ЗМ занимался небольшой круг исследователей. Среди них следует особо вьделить С.С.Кутателадзе, И.Н. Еотякова, А.Г.Колесникова, И.К.Растегаева, Б.Г.Хазика и др.

Анализом известных работ установлено, что недостаточно исследованы вопросы интенсификации разрушения мерзлых грунтов за счет подогрева резцов; ватарм резервом повышения производительности ЗМ является интенсификация процесса разрушения мерзлого грунта за счет изменения процессов теплопередачи в околорезцовой зоне; в проведенных к настоящему времени исследованиях не рассматривается и не учитывается тепло, выделяющееся в процессе разрушения мерзлого 'грунта, и его Елшшие на процесс разрушения последнего, что ведет к увеличеншо энергозатрат, либо к снижении производительности.

В соответствии с поставленной' цельв и проведенным анализом состояния вопроса были, определены следующие основные задачи данной работы:

- установление физической картины процесса теплопередачи в зоне контакта резца с грунтом;

- нахождение закономерности передачи тепла в околорезцовой зоне и количественная оценка этого процесса в зависимости от вида а категории грунта, условий окружающей среды, материала резца;

- определение рациональных температурных режимов резцов рабочих органов эекшеройньгс калин в зависимости ст теыпературы окружающей среды, грунта, материала резца;

- разработка математической модели .пространственного и временного разделения полей температур в окслорезцовой зоне;

- исследование блинник конструктивных параметров к обоснование путей ш видения производительности ЗМ;

- экспериментальная проверка теоретических разработок; методик расчетов, методов и средств повышения производительности ЗМ;

- практическая реализация результатов исследований при создании нозъз: и совершенствовании существуют конструкций ЗМ.

5о второй главе показана физическая природа процессов, про-исходядих при взаимодействии резца с КГ, сформулированы и обоснованы применяете допущения, поставлена и решена задача по определению пространственного и временного распределения температуры в разру!се::см объеме грунта, установлена функциональная зависимость усилил на реоце от температуры последнего и температур! МГ, получено суммарное усилие на Pj '¿'Л, качественно описано влияние температурного ренина резцов 3hi на кх износ, найдена суммарная мощность Ъ:1 при работе на &Г, и показано влияние передачи тепла в системе ''peseii-.-ir" на потребную мощность ЗМ.

Физическая природа мзхаккко-теплозого энергообразования в системе "рсэец-МГ4 такова. Год воздействием механического усилия резца з зоне его понт акта с /¿Г по выдается температура плавления льда от высоки?: удедънъэс дя£ле;;ий частиц грунта на линзы льда. Лри достижении определенного предела лед переходит из твердого состояния в жидкое С фазовый переход-)» В данный момент на короткий промежуток времени пропадает цементирующая способность льда. КГ на мгновение превращается в талкй. Этого вполне достаточно, чтобы его вытеснить из занимаемого объема. Обычно тепло фазового перехода уходит бесследно из-за сложившейся традиция конструирования К1. Процесс фазового перехода в реальных условиях не наб-лвдаем из-за его быстротечности. Для уменьшения сопротивления резанио необходимо резец либо подогревать, либо теплоизолировать от корпуса рабочего органа для предотвращения ухода тепла из ргз-us. Процесс уменьшения сопротивления резание из-за увеличения поступавшего в грунт тепла кыеет предел. При определенной температуре грунт перестает "разрушаться" и начинает "течь" (выдавливаться) по передней поверхности резца. Температура, при которой начинается "течение" (экструзия) грунта, в этом случае зависит

от размера частиц скелета грунта. У мелкодисперсных грунтов она низе, у крупнодисперсных - вьге.

При проведении исследований приняты и обоснованы следующие допущения: теплофизический процесс разрушения грунта рассматриваем в системе "резец-МГ" и считаем кзазистационаркым; считаем, что разрушение структуры мерзлого грунта происходит только из-за повышения его температуры; фазовые превращения, наступающие а грунте, вызываатся • воздействием резца (механическая энергия - тепловая онергия); разруыение грунта идет последовательно, объемами, изменяющимися от 0 при входе резца до максимума на выходе; процессы, происходявде а объеме отделяемого грунта, протекают но времени, соответствующем рабочему циклу; теплоемкость и температуропроводность в мерзлых и талых зонах грунта остается постоянной; тепловые потери одинаковы или постоянны, а на поверхности резца поддерживается постоянная температура; грунт однороден и изотропен; считаем, что льдистость грунта остается постоянной при некотором среднем ее значении; все перераспределение удельной энергии за время взаимодействия "резец-ЙГ" происходит в непосредственной близости от поверхности контакта.

Для количественной оценки влияния на' усилие резания процессов передачи: тепла в системе "резец-МГ" были составлены расчетные . зависимости и построены математические модели определения пространственного и временного изменения температуры в отделяемом объеме грунта. Поставленная задача решалась в два этапа: на первом этапе отыскивалось количество тепла с, , необходимое для фазового перехода в разрушаемом объеме, было составлено уравнение теплопроводности с конечной скоростью распространения теплового воздействия:

(I)

где X - кооффициент теплопро годности среды (Дк/м^ град К); "ЕТ, £"г -- текущее время и время релаксации тепловых волн;

1: - температура (К); - удельный тепловой поток (Зт/м^).

Ери этом считалось, что' температура резца за один проход изменяется незначительно (2...з°С) и градиент температуры резца возможно заменить его средним значением.

Суммарное количество тепла, переданное в резец за время взаимодействия, определялось поме интегрирования уравнения (I) при начальном условии о (о-) =* Ог

где - геометрические параметры резца линейные, ы;

tg/i^ua.n - температура воздуха, грунта к фазового перехода К' о т а - коэффициент температура дрова дностк, it. с :

а - spevji взаимодействия, с.

Ь.а втором этапе рассчитано пространственное распределение температур внутри отделяемого объема iff1 и за его пределами в функции времени. С этой целью решено нестандартное уравнение теплопроводности е твердом теле (грунте), разбитом на конечные элементы -прямоугольные пареллепипеды (рис. I):

L т ^ Эх ' 7 - --ЗХ -Э^* ' (3)

где. t = t(z,t:); Q/оДг)', j^X^.r) ; L = L - мгновен-

ные значения теьшературы, уделы-гых количеств теплоты, плотности к энтальпии среды, соответственно.

Дифференциальное уравнение в чг.стнкк прэггззодшх (3) как функция 4-х перемекшэе решалось методом конечных разностей по циклической расчетной схеме последовательно для каждой из внутренних товдк разбиения рассматриваемого расчетного поля при следуюп: гх на-чалымх и гра1.лч:2,х условиях: t-(Jl,q)-t«, . Теплоемкость грунта, окруааацего разрушаемый объем. AV.._ , бесконечна, тая как бесконечно мало по сравнению с окруашдим пространством. tfz'seOjl^COastojl'^/x V^- область пространства, теплообмен еМ с воздухом отсутствует, ^(r"^^cjTacLtft",Г)-о где г"ср ;

. £ - поверхность разрушаемого объема грунта, находящегося в контакте с воздухом. <j,(i"\z)-t = ^о=0.(дУг)"<- .. .. x'"eV ■, C'^v &- общее количество энергии, выделившееся в разрушаемом объеме. Методика расчета была реализована на ЭВй серии 20 на алгоритмическом языке ФОРТРАН.

Ка рис. 2 приведена некоторые результаты математического моделирования процессов теплопередачи в системе "резец-МТ" ш приведенным зависимостям. ¿слученные результаты пространственного и временного измерения температуры в iff делают возможные количественное определение глубины прогрева МГ л влияния процесса передачи тепла б системе "резец-Ш"1" на усилие резания.

Усилие на резце Р0 ЗМ при взаимодействии с iff1 бг^ло определено

на основе закона сохранения энергии. При этом предполагала, что суммарная энергия разрушенного грунта с учетом только фазового перехода от воздействия усилия резца 2ЭГ равна суммарной энергии резцов (Дк), которую они передают грунту_гЭр (Дж), т.е.

1эг=гэР-,

($)

ЕЭгЧМ^оЛ^Пг. ;

= (б)

Составлящие уравнений (4) и (5) расшифровываются: .0 - количество резцов, участвующих в разрушении объема грунта; Пг - производительность в секунду; _ - энергия усилия резца.Эц--Рд£51ПоС •_ _ э'- энергия, идущая на трение резца о грунт: Э^-РаЦ; - энергия массы резца Э'а- потери энергии в окружающую среду и корпус фрезы -условно не учитываются на данном этапе работы. ПодстаБив в уравнение (4) и (5) составляющие и решив их относительно усилия Р,(н) получим уравнение (6):

, --------,. (6)

где п.Х ,ЛС ._.- гористость, влажность, льдистость грунта в долях единицы;_В_- ширина траншеи, ы; ^п - скорость подачи, м С-*; _Н - глубина траншеи, м; ^ - объемный вес грунта, кгм-3V- ^ -теплота плавления льда, Да: . 2Л р - число линий резания;

___2Р.Л - число резцов в линии резания; _а<р - частота вращения

фрезы, 6 - ширина резца, м;_. Ь. - глубина резания, . радиус затупления резца, м; , ср - теплоемкость материала резца, ,Дд град~^„ . Ар_- теплопроводность материала резца, Вт м град1 .Яс - плотность материала резца, кгм~3-г tr - температура грунта,К _ температура резца, К; - время контакта резца с объемом грунта_АУ на пути_л£ . , с; . - путь резца при разрушении объема _дУ_ , м; и, - угол'резания;____£ - коэффициент трения;1 -

' коэффициент блокировки. Усилие на единичном резце при разрушении объема грунта дУ„(см. рис. I) запишем:

ГЖ

Рис. I. Топограмма к решению задачи о птхзтаивании грунта под усилием резца.

'ис. 2. График изменения температуры грунта под воздействием резца: I - изменение температуры грунта енутри разрушаемого объема; U - изменение температуры грунта вокруг отделяемого объема на расстоянии не более 0,002 м; Iii - температура грунта за пределом 2 мм вокруг разрушаемого объема. tr =-10 С; о, = 10 ьт/м; et = IM 10-« .м/с; у- = 1700 кг/и* .

Д

Обозначим б уравнении i?): _

n-^y-cWeJUcuoaV . Ц_zbbfeinrfi-Zz,l] \/срДр РоЗГ*

йояучкх уравнение в общем виде типа Р-= А-» B^t

Тькии образом, усилие резания прямолинейно зависит от разницы теьлкратур грунта. к резца ¿t .

Численное описание влияния процессов передачи тепла в системе "т^зеп-иС" на усилие резания позволило определить: мощность, KCt&T на привод фрезы для резания мерзлого грунта

N«P = R®ti3|.PL=o>5R<pu5pmax--£p.9 , Сь)

где. Rcp.tcJ - расчетный радиус у. утлоьая скорость фреза;.Рте»«. -усилие на выходяаем из забоя резие при встречном вращении или, ка: борот, на входящем з забой резце при попутной вращении. определяй! ■ Ргпсгр; рормуле (7); 2р.я - -число резцов находящееся в забое в непосредственном контакте с грунтом, и найти суммарную шгкость для выполнения всего цикла операции ЗЫ.

Анализ величин переданного тепла в систоле " гезец-МГ", процессов его пространственного и временного распределения в МГ позволил качеетгешо списать влияете тешературкого режима резца на его ланоо ь процессе работы. При болызой глубине прогрева грэдулк грунта "тонут" в пластичном грунте и не оказывают сопротивление Vе-. цу. ?еззц изнашивается незначительно. Если гранулы не "тонут", а "оседают" - износ нормальный. Гранулы неподвижны - износ максимальный.

В третьей главе приведены результаты экспериментальных исследований влияния процесса образования и перзлачи тепла в системе npe3e;;-iir' на усилие резания ¡¿Г единичным резцом. Для этого были получены и обработаны опытные данные по различным механическим и тепловым режимам резания МГ резцами ЗМ, установлены щл ш+иональныг и количественные связи механических и тепловых параметров РО с физико-механическими и тедлофизическими свойствами КГ, проведены сопоставления усилий резания "холодными" у. "горячими" резцами в широком диапазоне температур.

Экспериментальные исследования проводились на специально разработанном и созданном стенде, который позволил работать с еди-кгчьууч резцами 3«! з pesnne строгания, фрезерования по принципу неподвижный резец - подвижный грунт и с натурными рабочими органами - дисковыми фреза;,:!!, барами и т.д. по принципу подвижный ?0 -

Рис. 3. Универсальный резцедержатель. I -.тензометшческая балка; 2 - зилка; 3 - барабан резцедержатель; 4 -"нагреватель; о - линейка выравнивания резцов.

подвижный грунт. Приводом слп/&кла силовая гидростанция на безе трактора Т-100 с тремя гидронасосами: один - 210.25 и два - НЛР-63/200 - к двумя генераторами. Универсальный резцедержатель РУ-1 Срис. 3) позволил раздельно регистрировать составляющие усилия р< занкя. Изготовлен специальный резец Р5 с пятью датчиками температуры, вкоктированкъвж б тело резца, и электрической спиралью для нагрева Срис. 4). Для наблюдения, измерения и регистрации исследуемых проыессоь применялись: фольговые тенэодатчикк ФКИА-Е~ЮОТ] и ¿К?Ь-50, полупроводниковые терлорезисторы С1Ъ-14, ртутные терм< метры, весы аналитические типа " V/ '' (Больаа), метр, секундомер, манометр типа МТЛСО-100-042, 12-какальный токосъемник Т-12, тари-ровочкый динамометр сжатия Д00-1, авометр АЬО-5, 12-кзнельный ус! литель ТУД-12, 12-каналъкый магнитоэлектрический осциллограф К12-22, измеритель температуры йТ-а, комплект радиопередастцей измерительной аппаратура усилил на резце, потенииометркческий автоматический электронный измеритель температура КСГз-4 и груэопороневой манометр 1.1Г1-600, химический реагент - ураган (формула ^¿[Я¿(/^¿О-для визуальгой регистрации момента фазовых превращений (меняет цвет с оранжевого - МГ на светло-желтый - талий грунт).

Ьа этом отаг.е экспериментальных исследований замерялись и ре гистрировглись следующие параметры система "резсц-ЛаГ": механические - касательная и нормальная состаЕлдвцке усилия резания, крутя виЙ момент на фрезе, скорость резшиа, давление масла в гидросистеме (усилие подачи), частота вращения ходового винта (скорость подачи); геометрические - ширина, глубина, длина, угол и режим ре заккк; тепловые - температура ЫГ к резца, сила тока и напряжение нагрева резца; физико-механические - удельный вес, структура, про ностъ к влажность грунта. Цри планировании объ-гмоЕ эксперимента к обработке его результатов применялись стандартные процедуры многопараметрической оптимизации и статистической обработки данных.

Ь результате совместного анализа расчетно-теоретических и экспериментальных исследований на стенде были получены следувщие результаты: при резании МГ резцами ЗЫ б нем прэтекают фазовые превращения лед-вода-лед, а сам грунт проходит стадии мерзлый грунт - талый грунт - мерзлый грунт. Ь некоторых диапазонах температуры МГ (~3...0°С) и скорости резания (0,3...1,0 ь1/с) процесс фазовкс превращений в.Ж1 «окно наблюдать визуально по изменению цвета индикатора - уранина. Значения усилия на резце, найденные расчетко-теоретическим путем по формуле (6) или (7) к определенные экспериментально на стенде, отличается на величину не более

4

■М1

3

2

I ч1 -} т— 2.^-10'«.

I VI

V. Л

Г' N ч > X. |

—-

3 к 1 .

4» л 4 А*'

2оо-

ноо-

-20

2о АО 60 Юг>

/1 г.

. ✓

-

Зо* «о* <5*

УГЛЫ

Рис. 5. Зависимость силы резания:

а - от толщины стружки при равенстве температуры оезца и

мерзлого грунта (песок, блокированное резание", 6 =• 20 мм, = 4а*, Л<- = 0,1Э, Ор =Ч),33 м/с); б - скорости резания (песок, блокированное резание, Л = 45°

25 мм, *е=0,16, И=.1оым, +г = -12°С); „ з - температуры резца ( И = 15 мм, 6 = 25 мм, оС = 45°С, = 0,12); ! г - угла резания (песок, блокированное резание4 & = 25 мм, 0,14, 1гр = -10 С, 20 мм, 0,33 м/с); --- расчетные, - экспериментальные значения.

О

1Ъ%. С ростом температуры резца зависимость усилия на нем от тол-пины стружки "имеет более пологий" характер (рис. 5а). В реальных диапазонах температур резца к КГ и скоростей резания усилие на резце можно в рамках проводишь исследований считать не зависящем от скорости резания (рис. об). С увеличением температурь- резце усилие на кем уменьшается Срис. об). Зто явление набладается до определенных значений температуры, после которых усилие резания начинает расти. Чем вьше температура резиь, тек бслкпе усилие резания. последнее объясняется экструзией грунта по передней поверхности резца. За один метр пути резец нагревается за счет энергии фазовых превращений на 3...6°С. ста величина зависит от физико-ме-хаккческкх и теплофизическкх свойств МГ и резца. Максимум силы резания при увеличении температуры резца смещается в сторону большой влажности. С ростом температуры резца становится более пологим рост зависимости усилия на резце от угла резания (рис. 5г). Теплообмен передней поверхности резца с МГ зависит от Скорости резания. С увеличением скорости резания значительно нагревается лигь, средняя часть передней поверхности резца, края же нагреваются меньше (рис. 6) и отдеег тепло. Црименекие подогрева резца поззоляет поддерживать температуру по его ширине постоянной (ем. рис. 6), что способствует более равномерному износу резца.

Б четвертой главе приведены результаты экспериментальны;: исследований влияния образования и передачи тепла е системе "резец-А1Г' ка процесс резания МГ ЗМ. Исследования.проводились на диско-цепной Зй ШДЗ-ЮОУГЭР. Регистрировались к определялись величины усилия на резне и крутящего момента на приводном валу РО.

Б результате проведенных экспериментальных исследований уста-нотлено: введение подогрева резцов увеличивает производительность ЗИ »ьУДЗ-ЮОУГЭ? е среднем ка 25...30^ с 150...160 м/ч - без подогрева до 250...2£0 к/ч - с подогрезэк; увеличение температуры резца снижает величину необходимого крутящего момента ка валу РО Срис. 7).

Ь пятой главе приведена инженерная методика расчета параметров ЗЬ. с полог-ревом резцов.

методика основана на проведенных расчетио-теоретических к ьксперкментальных исследованиях и позволяет определить в инженерной практике производительность Зк с подогревом резцов к влияние на нее параметров 3!с к МГ. Исходными данными являются: мощностные к весовые параметры базовой машины, геометрические параметры прорезаемой щели и РО, физико-механические и теплофизические свойства

Е

8 G

4

Z 0

Рис. 6. Распседе^оние t=f,= 7o r.oo и о лотаро

3 у

ч\ \\ У /1 V / / !

W i \ ■■Фч1- / 1 Nj / iiJK it \

/; ! ! Т^А

1

кие темперагусы г.о дирине резпа. Песок Wt - 0,1; ; 'п.,- о ум; <S> = 25 ш; I и с - полублокирозак-ированнсе резание при UV - 0,23 м/с, 3 - олоки-■nosaiiHoe резание холодный резец % = -а'С, ¡ГР = 3,2 м/с, 4 - блокированное "сезание, горячий 'сезец +4" о, скорость резания 1Г? = 3,2 м/с. ' •

^o

Я

! /

у

ip=0C / У г /

' s

го г? Им*

«тс,

7. Зависимость крутящего момента от температуры резца пои разной толщине стружки: К = 0,1; V = -15*С; I- = 0025 = 1/с; Э+= 1,65 м; Н = О^сЬ м; ' э = и,1о м. несок. ело ¡дарованное резание.

КГ к окружающей средн.

На конкретном примере (базовая машина - трактор Г-100, РО -дисковая фреза) показано, что нагрев резцов увеличивает производительность ЗИ на 20...30% в зависимости от условий работы.

ЗАКЛЮЧЕН И Е

1. Доставлена к решена задача увеличения производительности землеройных малин путем изменения процессов теплопередачи в около-резпоьой зоне активным (электропэдогреьом резцов) к пассивны!! (теп лоизоллыией резцов от рабочего органа) способами. На натурных образца.-. землеройных: махин установлено, что указанные способы увелк-чпгазт производительность мазин на Щ1.

2. Ь результате расчетно-теоретическкх и экспериментальных исследований списана физическая картина процессов теплопередачи к фазовых превращений, происходящих под воздействием усилия резца ъ оксдорезиовой зо.-.е мерзлого грунта. Ъддвикута гипотеза о характере разрушения мерзлого грунта под резцом землеройной малины, которое наступает после фазового переходе льда в воду и исчезновения цементирующего характера ледяных линз в результате давления резца на мерзлый грунт. Гипотеза подтверждена на основании-Епзуальных наблюдений за П0Е0де;шем индикатора фазового перехода льда в воду (ураника) б процессе резания мерзлого грунта.

3. Разработана математическая модель пространственного и временного изменения температуры б околорезцовой зоне, позволяющая на стадии проектирования установить глубину прогрева мерзлого грунта и определить влияние процесса передачи тепла в околорезцовой зоне на усилие резания.

4. Описана качественная картина влияния температурного режима резца на его износ г процессе работы. Экспериментально установлено, что минимальный износ резца наблюдается при прогреве грунта на глубину, в 2...3 раза больпув среднего размера гранул грунта.

5. До результатам теоретических и экспериментальных исследований установлены закономерности изменения усилия резания в зависимости от теплофкзических к физико-механических параметров системы "резец-мерзлый грунт" (температуры, теплопроводности, теплоемкости резпа и мерзлого грунта, удельного Ееса, влажности и физической природы мерзлого грунта); характер к закономерности теплопередачи е системе "резец-мерзлый грунт"; определено, что за один метр пути резец землеройной малины нагревается на 3...6°С.

' 6. Установлены и внедрены при работе на опытных образцах зем-

ройных мадшн рациональные температурные ратшмы нагрева оезцов ï работы на мерзлых грунтах для средней полосы России - 40...с0оС т Сибири и Крайнего Севера в зонах многолетнемерзлых и вечко-рзлых грунтов - I0C...Î2û°C. Для получения наибольшего эффекта подогрева температура резцов должна регулироваться в процесса 5оты э диапазоне 2û...2Q°C.

7. До результатам практической эксплуатации землеройных ма-

1 доказано, что применение разработанных способов изменения пропсов теплопередачи з околорезцовой зоне (активного и пассивного) гличивает экономическую эффективность проведения землеройных ра-г при укладке линейных зарядов и линейно про тязккх устройств (:са-ш и т.п.) на 40...602.

8. Теоретические разработки, методик! расчетов, результаты :периментальнкх исследований, технические предложения, прахтиче-ie рекомендации повкпения производительности землеройных мзеин эдрены при создании новых и совершенствовании судестзувцих кон-рунций.

Основные изложения диссертации опубликованы а работах:

I» Белов Œ.А., Алатин С.Д. Некоторые вопросы теорта резания рзлого грунта и льда // Проблемы нефти и газа Тюмени.- Екп. 49.-лень, I9ÖI__С. 64-67.

2. Белов Д.А. Интенсификация процесса фрезерования мерзлого гнта с помощью электроподогрева резца // Научно-технические я со-зльно-экономяческие проблемы механизации производства и сокразе-î ручного труда: Тез.докд.научн.-практ.кона.- Тюмень, 1981.- С. -34.

3» Белов Д.А. Теплофизическиё ссноеы разрупеьшя мерзлых грун-з и льда // Проблемы применения ледовых сооружений на Тюменском зере: Тез. докл. научно-? акн. совец.- Тюмень, 1962.- С. 19-20.

4. Николаев А. 5., Белов ¡LA. Теплофизика разрушения мерзлых штов // Проблемы освоения Западно-Сибирского топливно-энергети-:кого комплекса:. Тез.докл. I Республ.научко-техн.кокв.- Уфа, Î2.- С. 26-27.

5. Белов П.А., Жданов СЛ., Лебедев H.A. и др. Подготовка л::-îhhx источников поперечных волн дискофрезешыми устройствами // ¡логия, Геофизика.- Новосибирск, 1Эс2.- £ 9.- С. 95-100.

6. Николаев А.2., Белов Д.А., Алатин С.Д. Стенд для исследо-'ля процесса резаная мерзлого грунта и льда // Строительство и ситект.ура.- Новосибирск, 1962.- 2? 7.- С. 122-125.

7. Белов П. А. Землеройная малика iü'-O-IOOií // Строительные а дзрожные малжны.- М., 1964.- № 12.- Q. 14-15,

8. Исмагилов P.M., Белов П.А., Куляаов А.П. Разработка траншей Е мерзлых грунтах термоыеханическим щелерезом // Строительство предприятий нефтяной к газовой промышленности: Экспресс-информация / ИнфсрмнефтегазстроК.- Li., I9S4.- Í? 6.- С. 6-9.

5. Белов H.A. Интенсификация разруоекия мерзлого грунта рабе чнкн органами роторного типа // й Ьсесвзн.конф. по механизации к автоматизации земляных работ б строительстве.- Киев, 19Ш.-С. 10.

IG. Б°лоб ILA. Кашина ди с ко фрез ерн ая : Буклет международной ярмарки б Познани, ШР, 19Е£.

11. Белов H.A., Белова H.H. Влияние пористости мерзлых грунтов на усилие резания // Ловьаение эффективности проектирования, испытаний, эксплуатации автомобилей и строительно-дорожных машин: les.докл.научнэ-техк.ганф.- Горький, 1968.- С. 64.

12. Белов ILA. Рациональное конструирование режущих узлоЕ зс леройных малин // Модификация поверхностей конструкционных матер* ло б с цельв повышения износостойкости к долговечности деталей машин: 1ез.докл.региональн.научно-техн.конф.-Благовещенск, 1990.- С

13. A.c. 753299. Рабочий орган для образования щелей во льда и мерзлом грунте // А.й1.Николаев, П.А.Белов.-Заявлено 21.05.77,

» 249Ь524/23-С3. Оцубл. в Ш £ 29, 1900; Ш £ 02 F 5/30.

14. A.c. 854216. Способ подготовки траншейного источника cei смических волн // С.М.йданов, К.А.Лебедев, П.А.Белов и др.- Заяв-

лено I3.II.7S, * 2840247/18-25; Опубл. в Ei № 34, 1981.- 1£Кй © О:

15. A.c. Ш1858. Рабочий орган землеройкой малины для нарезания щелей // А.Ш.Николаев, ILA.Белов. - Заявлено 04.11.7., J? 2541770/29-03; Опубл. в Eli, £ 47, 1961. Mm £ 02 F 5/0g.

I£. A.c. 1242875. Укладчик линейных зарядов // IL А. Белов, £.Е.Колотшшн.-Заявлено 22.01.85 £ 3846978/24-25; Опубл. б Ш »2i ISÖ6; Ш G Ol V VIS.

17. A.c. 1320339. Рабочий орган для разработки мерзлых грунтов // Д.А.Белов, Б.Е.Колотилкн.-Заявлено 26.03.со № 3947174/2303; Опубл. в В! ¥ 24, 1Э87; №i Е 02 F 3-24; УХ.

IS. A.c. 1645323. Рабочее оборудование землеройной малины /у Б.л.Белов, Б.В.Бирюков, А.Ю.Еуров.-Заявлено 17.10.БЗ, $ 4494234/

40-41.

V VI3.

СБ, Опубс в Ы » 16, 19Э1; Ш& S 02 F 5/OS.