автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.04, диссертация на тему:Научные основы проектирования рабочего оборудования для разрушения уплотнённого снега на автомобильных дорогах

На правах рукописи

Воскресенский Геннадий Гаврилович

НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ РАБОЧЕГО ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ РАЗРУШЕНИЯ УПЛОТНЁННОГО СНЕГА НА АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГАХ

05.05.04 - дорожные, строительные и подъёмно-транспортные машины

1 2 МАЙ 2011

Автореферат диссертации на соискание учёной степени доктора технических наук

Хабаровск - 2011

4846026

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Тихоокеанский государственный университет».

Научный консультант: доктор технических наук, профессор

Иванченко Сергей Николаевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Абраменков Дмитрий Эдуардович

доктор технических наук, профессор Доронин Владимир Иванович

доктор технических наук, профессор Зедгенизов Виктор Георгиевич

Ведущая организация: ГОУ ВПО «Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия» (СибАДИ), г. Омск

Защита состоится 2 июня 2011 г. в 15°° часов на заседании диссертационного совета Д 212.294.01 при ГОУ ВПО «Тихоокеанский государственный университет» по адресу: 680035, г. Хабаровск, ул. Тихоокеанская 136, ауд. 315 л.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке при ГОУ ВПО «Тихоокеанский государственный университет».

Автореферат разослан «%"/»Опрел?} 2011 г.

Учёный секретарь

диссертационного совета ^—— А. В. Лещинский

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В экономике Дальнего Востока роль автомобильных дорог, которые являются фундаментом социально-экономического развития, особенно велика. Для некоторых районов это единственный вид сообщений, позволяющий обеспечить жизнедеятельность населения. Эти положения можно распространить и на другие регионы России. Повышение качества зимнего содержания автомобильных дорог, тротуаров, остановок общественного транспорта позволяет увеличить производительность автотранспорта, объём перевозок, уменьшить износ автомобилей и шин, утомляемость водителей, снизить расход горючесмазочных материалов, сократить потери от дорожно-транспортных происшествий. Наибольшие затраты по зимнему содержанию городских дорог приходятся на удаление свежевыпавшего и уплотнённого снега. Недостаточное количество снегоуборочной техники и высокая интенсивность снегопадов являются основными причинами образования уплотнённого снега на автомобильной дороге.

Традиционные способы разрушения уплотнённого снега с использованием химических реагентов не соответствуют требованиям, предъявляемым к современным технологиям содержания автомобильных дорог. Учитывая, что отрицательное влияние применяемых для борьбы со снегом и гололёдом химических реагентов на окружающую среду и транспорт довольно велико, представляет интерес разработка эффективных способов механического разрушения уплотнённого снега на основе высокочастотных импульсных воздействий. Контуры механики разрушения уплотнённого снега только намечаются. Изучение процесса разрушения уплотнённого снега связано с большим кругом теоретических и экспериментальных исследований.

Технический прогресс в области создания машин для разработки горных пород и мерзлых грунтов в нашей стране и за рубежом направлен на повышение эффективности воздействия инструмента на разрушаемую среду путём активизации рабочих органов.

Проведённые экспериментальные исследования нескольких типов рабочего оборудования с упругими элементами в виде листовых рессор показали перспективность их использования для создания новой техники совместно с гидроимпульсными системами. Применение упругих элементов даёт возможность сформировать более высокий уровень деформаций и напряжений в зоне контакта лезвия с уплотнённым снегом и повысить эффективность его разрушения.

Целью работы является повышение эффективности зимнего содержания автомобильных дорог, установление закономерностей разрушения уплотнённого снега статическим и импульсным воздействием ножа, исследование режимов движения рабочих органов и разработка научных основ проектирования рабочего оборудования и инженерного расчёта.

Указанная цель определила следующие задачи исследования:

1. Анализ направлений развития современного рабочего оборудования и способов разрушения уплотнённого снега на покрытиях автомобильных дорог.

2. Экспериментальное исследование процессов разрушения уплотнённого снега и установление закономерностей изменения сил сопротивления от параметров рабочего органа и снега.

3. Обоснование параметров рабочего оборудования с минимальной энергоёмкостью процесса разрушения уплотнённого снега.

4. Исследование высокочастотного взаимодействия ножевых рабочих органов со снегом с учётом амплитуды и частоты колебаний ножа и поступательной скорости движения базовой машины.

5. Определение деформационных характеристик рабочих органов с упругими элементами.

6. Разработка математических моделей и исследование динамических характеристик виброскалывателей уплотнённого снега.

7. Разработка инженерной методики проектирования навесного оборудования для разрушения уплотнённого снега.

8. Создание и экспериментальное исследование опытных образцов рабочего оборудования для разрушения уплотнённого снега.

Методы исследования

Для достижения поставленных задач применялись следующие методы: комплексный метод, включающий аналитический обзор и обобщение известного опыта; экспериментальные исследования процесса разрушения уплотнённого снега; теоретические разработки с использованием методов механики; математическое моделирование рабочих процессов динамических систем с целью установления рациональных соотношений параметров рабочего оборудования; экспериментальные исследования опытных образцов в лабораторных условиях и непосредственно на автомобильной дороге.

Научная новизна

1. Разработана методология создания рабочего оборудования с высокочастотным импульсным воздействием лезвий ножей на уплотнённый снег.

2. Получены результаты экспериментальных исследований процесса резания уплотнённого снега, которые представлены регрессионными уравнениями сил сопротивления резанию, углов продольного и поперечного скола частиц срезаемого снега, минимальной глубины внедрения режущего инструмента, при которой происходит скол частицы снега, зависящий от параметров ножа, ширины ножа, глубины резания, температуры и плотности снега.

3. Впервые разработана методика расстановки зубьев на ноже по критерию минимальной энергоёмкости процесса резания и обеспечения качества очистки поверхности покрытия автомобильной дороги.

4. Представлены результаты экспериментальных исследований усилий вертикального внедрения режущего инструмента и плоского прямоугольного штампа в зависимости от угла заострения, ширины, толщины ножа, температуры и плотности снега, глубины внедрения.

5. Изучен процесс импульсного взаимодействия режущей кромки со средой, получивший название «виброрезание», определены траектории движения режущей кромки с различными формами возбуждения колебаний, время и скорость взаимодействия режущей кромки со средой, разработана методика определения амплитуды колебаний режущей кромки с учётом частоты колебаний, скорости поступательного движения базовой машины и минимальной глубины внедрения режущей кромки, которая обеспечивает скол частицы уплотнённого снега.

6. Получены результаты теоретических и экспериментальных исследований перемещений лезвия ножа под действием сил гидротолкателя рабочего оборудования с упругими элементами.

7. Представлена методика определения коэффициента полезного действия гидроимпульсных систем с учётом упругости гидросистемы, объёма рабочей жидкости в напорных магистралях, параметров гидропульсатора и гидротолкателя.

8. Разработаны математические модели движения рабочих органов одно- и многомассовых динамических систем, приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований переходных процессов и изменения положения режущей кромки и давления в гидросистеме, а также амплитудно-частотных характеристик.

9. Предложена методика проектирования рабочего оборудования для разрушения уплотнённого снега.

10. Приведены результаты экспериментальных исследований опытных образцов рабочего оборудования.

Практическая значимость

1. На основе теоретических и экспериментальных исследований создано несколько новых типов рабочего оборудования с вертикальными, наклонными и горизонтальными колебаниями режущей кромки.

2. Внедрение результатов исследований даёт возможность проектным организациям определять расчётные нагрузки на рабочем оборудовании, параметры гидроимпульсных систем, оценивать энергоёмкость процессов разрушения и мощность гидропривода.

3. Разработанные математические модели динамических систем рабочего оборудования позволяют установить рациональные соотношения параметров упругих элементов, инерционных масс для широкого частотного диапазона импульсного воздействия рабочих органов.

4. Установлены механизмы импульсного воздействия режущей кромки на уплотнённый снег с учётом скорости поступательного движения базовой машины.

5. Разработанная методика проектирования рабочего оборудования применяется в учебном процессе при изучении дисциплины «Дорожные машины», а также при выполнении выпускных квалификационных работ.

Личный вклад автора состоит в формировании цели и общей идеи работы, в выполнении экспериментальных и теоретических исследований, анализе и обобщении результатов, разработке методики проектирования рабочего оборудования для разрушения уплотнённого снега.

Реализация работы. Рекомендации по проектированию и изготовлению рабочего оборудования приняты заводом «Амурдормаш» в Амурской области, результаты работы используются при разработке математических моделей деформирования вязкоупругого слоя снега, лежащего на жестком основании, внешними динамическими нагрузками в лаборатории «Механика деформируемого твёрдого тела» Института машиноведения ДВО РАН и в лаборатории «Механика сплошных сред» АмГПГУ г. Комсомольска-на Амуре. Изготовлены несколько опытных образцов виброскалывателей уплотненного снега.

Достоверность научных положений, рекомендаций и выводов, изложенных в работе, подтверждается экспериментальными исследованиями опытных образцов в лабораторных и производственных условиях.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на конференциях: научно-технических конференциях ХПИ, ХГТУ, ТОГУ (1980 - 2009г. г.), СибАДИ (1987, 1989 г. г.), международных научно-технических конференциях «Интерстроймех - 2005» (г. Тюмень), «Качество Инновации. Наука. Образование» (г. Омск, 2005 г.), «Проблемы механики современных машин» (г.Улан-Удэ, 2006 г.), «Современные проблемы проектирования и эксплуатации транспортных и технологических систем» (г. Санкт-Петербург, 2006 г.), «Интерстроймех - 2006» (г. Москва), «Интерстроймех - 2007» (г. Самара), «Интерстроймех - 2008» (г. Владимир), «Автомобильный транспорт Дальнего Востока» (Хабаровск, 2008 г.), «Политранспортные системы» (г. Новосибирск, 2009 г.), «Интерстроймех - 2009» (г. Бишкек), «Современные технологии, машины и материалы для зимнего содержания автомобильных дорог» (г. Могилёв, 2010 г.), Втором Всероссийском Дорожном Конгрессе (г. Москва, 2010г.). Опытные образцы были представлены на межрегиональных торгово-промышленных выставках в 2002, 2003 г. г. (г. Хабаровск).

Публикации. По теме диссертации опубликованы 1 монография, 29 статей, в том числе 9 статей в изданиях, рекомендованных ВАК, получено 13 авторских свидетельств СССР и патентов РФ.

Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, библиографического списка, приложений, содержит 301 страницу текста, в том числе 192 рисунка, 30 таблиц. Список литературы включает 122 наименования, приложение изложено на 24 страницах.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе рассматривается состояние проблемы повышения эффективности процессов разрушения уплотнённого снега на покрытиях автомобильных дорог и тротуаров механическим способом.

Содержание дорог, тротуаров в зимнее время в состоянии, обеспечивающем возможность безопасного движения по ним, является одной из проблем Дальнего Востока, Сибири, Урала и северной части России.

Снег с течением времени в результате движения транспорта и пешеходов уплотняется с гладкой скользкой поверхностью. Буксующие колёса машин образуют на поверхности уплотнённого снега ледяную плёнку. Заносы автомобилей, наезды и аварии - весьма распространённое явление при движении по скользкой обледенелой дороге. На примере статистики дорожно-транспортных происшествий (ДТП) и травматизма пешеходов г. Хабаровска установлены количественные показатели зависимости травматизма участников движения от числа ДТП. Предварительные расчёты потерь от ДТП в зимний период и травматизма пешеходов показывают, что ущерб для страны может составлять до 30...40 млрд. руб. в год. В связи с этим проблема повышения эффективности зимнего содержания дорог приобретает, прежде всего, социальный характер. В работе приведены условия фор-

мирования уплотнённого снега на дорогах, показана его структура и состав, рассмотрены способы борьбы с зимней скользкостью, её изменения в течение суток.

Проблеме зимнего содержания автомобильных дорог посвящены работы А. Н. Зеленина, В. И. Баловнева, Г. Л. Карабана, Н. Н. Карнаухова, Г. Б. Бялобжеско-го, А. К. Дюнина, Л. Н. Рудакова, В. Б. Уткина, В. Ф. Кулепова, А. П. Куляшова, Ю. И. Молева, В. А. Шапкина, А. В. Щепетова, А. Д. Заморского, Е. П. Драневича, К. С. Туроверова, Н. С. Муретова, В. В. Бургсдорфа, Ш. М. Мерданова, Д. В. Полякова и других авторов, которые определили основные направления повышения эффективности зимнего содержания дорог. Механический способ разрушения уплотнённого снега относится к экологически более «чистым», обладает меньшей энергоёмкостью, имеет высокую производительность.

Процесс разрушения уплотнённого снега происходит в результате достижения предельных напряжений сжатия, растяжения и сдвига в зоне контакта режущей кромки со средой. В работе рассмотрено влияние температуры и плотности снега на напряжения сжатия, растяжения и сдвига с использованием результатов исследований М. Меллора и установлено, что с увеличением плотности снега увеличивается отношение напряжений сжатия к напряжениям растяжения и свойства уплотнённого снега становятся близкими к свойствам льда. Исследованиями Ф. Ф. Витмана, Н. П. Шандрикова, Н. А. Цытовича, М. И. Сумгина, С. Р. Пеутона, К. Н. Коржавина, Ф. Н. Птухина и других учёных установлено снижение предела прочности на сжатие при увеличении скоростей деформации и нагружения. Эти данные свидетельствуют о преимуществах импульсного воздействия режущего инструмента по сравнению со статическим резанием.

Механические свойства снега изменяются в зависимости от интенсивности уплотнения, температуры, плотности, загрязнения минеральными частицами. По утверждению М. Меллора «... в инженерной практике не существует другого материала, который обладал бы таким комплексом ставящих в тупик свойств, каким является снег».

Обзор оборудования, выпускаемого отечественной промышленностью, показал, что предприятия не производят технику, рабочие процессы которой характеризуются импульсным воздействием режущей кромки на уплотнённый снег. Сложившаяся ситуация в технической политике предприятий по выпуску снегоуборочной техники может быть объяснена, кроме экономических проблем, отсутствием значительных теоретических и экспериментальных исследований в этом направлении, надёжных и апробированных генераторов импульсных систем, методик проектирования рабочего оборудования.

Повышение производительности и снижение энергоёмкости процесса разрушения уплотненного снега связано с поиском оптимальных режимов воздействия рабочих органов на среду, формированием конструкций вибровозбудителей, с теоретическим обоснованием режимов нагружения системы «среда - рабочий орган -виброимпульсная система». Решение этих задач позволит создать теоретическую базу проектирования новых эффективных машин для разрушения уплотнённого снега на покрытиях автомобильных дорог.

Вторая глава посвящена изучению закономерностей процессов разрушения уплотнённого снега на покрытиях автомобильных дорог механическим способом,

установлению функциональных связей между силовыми характеристиками и параметрами рабочего органа, взаимодействующего со снегом, характеризующимся температурой и плотностью.

Практика проектирования рабочего оборудования для разрушения уплотнённого снега показывает, что имеющихся данных о силах резания недостаточно. Разработка аналитических методов для практических расчетов процессов разрушения уплотнённого снега осложняется тем, что значения предельных прочностных характеристик, как это показано М. Меллором, весьма нестабильны. Большой вклад в теорию разрушения и резания грунтов, снега и льда внесли известные ученые: А. Н. Зеленин, К. А. Артемьев, Ю. А. Ветров, В. И. Баловнев, И. А. Ледорезов, Д. И. Федоров, А. М. Завьялов, В. Н. Кузнецова, С. В. Линьков, А. Ю. Сачук, Р. А. Мартюков, О. Д. Алимов, Л. И. Барон, А. Н. Берон, В. А. Гуськов, Л. Б. Дворников, Г. И. Покровский, М. М. Протодьяконов, М. И. Слободкин, Е. Ф. Эп-штейн, В. М. Гусев, А. Л. Горбунов, В. Ф. Кулепов, А. П. Куляшов, Ю. И. Молев, В. А. Шапкин, А. В. Щепетов и другие авторы.

Анализ литературных источников показал, что пока процессу резания уплотнённого снега на покрытиях автомобильных дорог уделялось недостаточно внимания. Усилия резания, рассчитанные по известным методикам В. М. Гусева, А. Л. Горбунова, В. Ф. Кулепова, имеют значения, существенно отличающиеся друг от друга. Кроме того, неизученными являются параметры скола, формы среза частицы уплотненного снега. Важным фактором, определяющим процесс разрушения, является глубина внедрения резца, при которой происходит отделение частицы снега от массива.

С целью уточнения влияния факторов на усилия резания и параметры скола частицы уплотнённого снега были проведены экспериментальные исследования в натурных условиях при температуре воздуха -17...-21°С. Специально изготовленная установка прицеплялась к гусеничному трактору ДТ-75М и вывозилась непосредственно на участок автомобильной дороги. Плотность снега составила 0,57...0,59 г/см3.

Схема резания уплотненного снега одиночным резцом представлена на рис. 1. В процессе экспериментов установлено, что наблюдается хрупкое разрушение и образуются тела скольжения с боковыми углами скола у и углом продольного скола у/. Форма поперечного среза характеризуется трапецеидальным профилем.

а/ М

Покрытие аВтомоди/ъной дороги

Рис. 1. Схема резания уплотненного снега: а - образование тел скольжения уплотненного снега в продольной плоскости; б - форма поперечного сечения, прорезаемого резцом в слое уплотненного снега

-ГПТТТТТТТТТ

тттг

Задачами экспериментальных исследований являлись установление зависимостей влияния ширины ножа, углов и глубины резания на силы сопротивления резанию, форму тел скольжения и определение минимальной глубины внедрения лезвия ножа для гарантированного скола частицы снега.

Глубина резания h устанавливалась винтовым механизмом в заранее подготовленном уступе, и резец продвигался в направлении слоя уплотнённого снега. В точке О происходил скол тела скольжения под углом , дальнейшее продвижение резца обеспечивало скол под углом ц/ . В процессе эксперимента измерялась глубина внедрения резца /;, при которой образовывался скол уплотнённого снега. Эксперименты проводились одиночными резцами с углами резания 30, 45 , 60, шириной резания Ъ = 1,2,3 см; на глубине резания 0,5; 1,0; 1,5; 2,0; 2,5 см.

Исследованиями процесса резания уплотненного снега установлены следующие отчетливо наблюдаемые закономерные явления:

1. Образование тел скольжения идет на всю глубину резания. Во всех опытах плоскость скольжения у/ берет начало от режущей кромки. В работах А. Н. Зеленина, Ю. А. Ветрова и других авторов плоскость скольжения берет начало несколько выше, чем расположение режущей кромки.

2. С увеличением угла резания а угол продольного скола у/ уменьшается.

3. Скалывание тел скольжения сопровождается резким падением силы резания практически до нуля. Это может быть объяснено тем, что уплотненный снег скалывается по плоскости, образующейся от режущей кромки, когда глубина резания становится равной нулю.

В результате проведенных экспериментальных исследований и обработки результатов экспериментов впервые были получены аналитические зависимости силы сопротивления резанию одиночным резцом, углов поперечного и продольного скола частицы снега, а также установлена минимальная глубина внедрения режущей кромки в снег, при которой происходит отделение частицы снега от массива.

Сила сопротивления резанию уплотнённого снега представлена зависимостью Рр(а, Ь, И) и графиками (рис. 2), Н

Ра = 728,95 - 18,84а - 318,536 - 394,65И + 0,12 а2 + 48,4862 +

(1)

+ 83,18/г2 + 4,27 аЪ + 6,38а/г +14 6bh.

Из графиков Pp(h) следует Рре ,= кк", где величины кип зависят от ширины и угла резания. В работах А. Н. Зеленина коэффициент п определен в диапазоне от 1,1 до 1,56. Учитывая, что уравнение P(a,b,h) содержит коэффициенты при h п = 1 и п = 2, можно утверждать о качественном сходстве процессов резания грунта и уплотнённого снега.

Значительное внимание в работах А. Н. Зеленина, Ю. А. Ветрова, К. А. Артемьева, В. И. Баловнева, Н. Г. Домбровского, Д. И. Федорова и других авторов уделено влиянию соотношения ширины и глубины резания. С целью получения количественных закономерностей влияния одного из факторов (a, b, И) на интенсивность изменения сил резания найдены частные производные Р (а, Ь, h) по одному из параметров (а, Ъ, /г):

дР

рез _

да

= -18,84 + 0,24а + 4,27 Ъ + 6,38А;

дЬ

- = -318,53 + 4,27а + 96,96Ь +146 А;

ЗР

ЗА

■ = -394,65 + 6,38а +1466 + 166,36h.

Р_, н 1200 1000 ООО

Ь»3см

а» 30*

J Ь-2 см

у У f

Ь=1 см

-

р«.Н / Ь=3 см

0=45*

Ь=2 см

✓

Ь>1см

1.5 2.0 2.5 h> СЫ

Р™Н

0.5 1.0 1.5 2.0 2,5 И, СМ

1800 1600 1400 1200 1000

од 0 0,5 1.0 1,5 2.0 2,5 И, С»

Рис. 2. Влияние глубины резания иа силу резания уплотненного снега

Из зависимостей (2) следует, что интенсивность изменения сил резания является функцией как угла резания, так и ширины и глубины резания. Для исключения факторов, не относящихся к ширине и глубине резания, найдены производные по (6) и (А):

д2Р д2Р -~-9в,96 <—=- = 166,36.

562 дк

С учетом температуры I и плотности р силу резания можно представить V

Pp=PpJa,b,h).

Po)

,где t - текущая температура, С; t0 -средняя тем-

пература экспериментов, t0 = -19 С; р0 - средняя плотность уплотненного снега по результатам опытов, р0 = 570 кг/м3; р - текущая плотность уплотнённого снега; Рре/а, b, h) - усилие резания по зависимости (1) при t = -19 °С, ро~ 570 кг/м3.

Исследованиями установлены зависимости формы тел скольжения скалываемого снега от параметров ножа (а, Ь) и глубины резания А:

- угла продольного скола \(/, градус,

V(/ = 30,99 - 0,13а - 2,686 + 7,49А - 0,366г + 0,57А2 + 0,08а6 - ОДаА - 0,1 Ibh; (3)

- угла поперечного скола у, градус,

у = 37,82 + 0,07а - 4,0266 + 14,27А - 0,382>2 - 0,08А2 + 0,05а6; (4)

(5)

- минимальной глубины внедрения режущей кромки, при которой происходит скол частицы уплотнённого снега, см,

/,= 0,5751 - 0,0156а - 0,11036 - 0,16й + 0,0001а2 + 0,0444Ь2 +

+ 0,0429й2 + 0,0013 аЪ + 0,01 ак + 0.06676А.

Исследованиями академика П. А. Ребиндера установлено, что работа разрушения хрупких тел определяется суммой работ на образование поверхности скольжения Р и объема деформации Удеф от внедрения режущей кромки. С учетом полученных результатов экспериментов и гипотезы П. А. Ребиндера работа разрушения составит

А = к1Р + кг-Г^=Рр(а,Ь,Ь)-11/2,

а сила резания, Н с энергетической точки зрения имеет вид

2 №

Уцф Л

(6)

где коэффициенты и к2 характеризуют параметры режущего инструмента и глубину резания; Р = -

' деф ~ „ "'I

площадь поверхности скола частицы снега;

^СОву ^БШ у/

- объем внедрения режущей кромки, при котором происхо-

2 ' tga+tgl/f

дит скол частицы снега; К3 - коэффициент формы скалываемой частицы. Площадь поверхности скола/', см2

F = 2,0139 - 0,034а + 2,5523Ь -11,2532Ь + 0,0011а2 + 0Д54762 +

+ 5,6618й2 - 0,0709а6 + 0,1785а-И + 0,49256/г2. Деформируемый объем от внедрения режущей кромки, см3 Удеф =0,5895-0,0012а + 0,67456-0,6722/г-0,0001а2 + 0.108162 + 0,0875/12 -

- 0,006аЬ + 0,0077аЬ + 0,2509Ыг. Для углов а = 30, 45, 60° методом итераций получены значения и к2:

(7)

(8)

а = 30°: ку =4,64-10"2 а = 45°: кх=2,6Л0'г а = 60°: к, = 2,6 • 10"2

см Н_ см Н_ см

кг =(260 + 120-й)-10~

Н

см

к2 = (-136,5/6+ 308,75-А)-10"

к2 =(-154,9/6 + 359,8 -И)-10"

Я

см Н

(9)

см

Результаты проведенных исследований показали, что гипотеза П. А. Ребиндера о влиянии поверхности скольжения и деформируемого объема на энергию разрушения может быть применима и к расчету сил сопротивления резанию. Сравнение расчетных значений сил сопротивления резанию с полученными коэффициентами к! и к2 и экспериментальных данных свидетельствует об их высокой сходимости, особенно в области к > 1 см.

Установлено, что доля силы сопротивления резанию на формирование деформируемого объема оказывает преобладающее влияние и составляет до 0,8...0,9 силы резания.

Энергия разрушения одиночным резцом А0 =Pp(a,b, h)-l{(a,b, h)/2, Дж, представлена зависимостью

А0 = 5,7328-0,1078а-2,81446-5,7202ft + 0,0005а2 + 0,416262 + ^^

+1,208 lft2 + 0,0202аЪ + 0,0643aft + 1,41066ft.

Из условия обеспечения качества очистки поверхности от уплотненного снега для ножа шириной в 1 м с горизонтальными колебаниями режущей кромки определены рациональные расстояния между зубьями, см

Д6 = 1,9351 - 0,043а + 0,18496 - 0,7405ft + 0,0005а2 - 0,0031б2 -

- 0,6503ft2 + 0,0052ab + 0,0068aft - 0,36586ft.

Число зубьев на ноже шириной 1 м

z = 78,5576 - 0,269а -16,9976 -17,3107ft + 0,002а2 + 0,534262 +

+ 0,0772ft2 + 0,0265а6 - 0,0234aft + 4,8226ft

Энергия разрушения уплотненного снега (Дж) для ножа шириной 1 м Ai = Ao~z представлена полиномом

Ах = -27,757 - 0,78а -13,1886 + 9,882ft + 0,011а2 + 2,94762 +

+ 0,005ft2 + 0,152а6 + 0,609aft +18,3956ft, а энергоемкость процесса резания Е- AJl^-B-h, кДж/м3,

Е = -1453,123 + 25,393а + 451,5066 + 810,733ft - 0,038а -13,11862 -

- 91,497ft2 - 1,658а6 - 7,458aft - 106,9676ft.

Частота колебаний ножа определяется возможностями современных конструкций гидропульсаторов и находится в диапазоне 200...250 рад/с (-2000...2500 кол./мин).

Мощность импульсного привода (кВт) с частотой колебаний а = 250рад/с определяется энергией разрушения N = Aj-co/1000 и рассчитывается

N = -3,222 - 0,0242а - 0,83366 + 0,8735ft + 0,0005а2 + 0Д82862 -

_ (15)

- 0,036ft2 + 0,0122а6 + 0,0485aft + 1,46486ft,

При выборе параметров одиночных режущих инструментов следует выбирать резцы с минимальными углами резания и шириной резания.

В экспериментах, проведенных для процесса вертикального внедрения режущего инструмента с заостренной кромкой установлена сила сопротивления внедрению Ре, с учетом глубины внедрения, Н:

Р; = 38,75 -1,7 la -15,896 + 307,5ft + 0,02a2 +1,9162 +

(16)

+ 432,38ft2 + 0,23a6 + 6,47 ah + 1486ft.

Для прямоугольного штампа толщиной 5 и шириной 6 сила сопротивления внедрению, Н

Р. = 49,2 + 623,855 -197,476 + 744,75ft - 821,57<52 + 48,3762 -

-727,17ft2 +18,75<56 + 875«5й +1556ft.

В этих зависимостях а - градус, b - см, ft - см, 6 - см.

При выборе параметров одиночных режущих инструментов в виде прямоугольных штампов для вертикального внедрения можно рекомендовать резцы с минимальной толщиной 5 и шириной лезвия Ь.

В третьей главе рассмотрены механизмы вибрационного воздействия режущего инструмента на уплотненный снег.

Статическое резание уплотненного снега предполагает поступление энергии (активной силы) от движителя базовой машины. Такая схема силового воздействия на среду общеизвестна и традиционна. При вибрационном резании имеется дополнительный источник колебаний, который позволяет рабочему инструменту совершать регулярные колебания в направлении резания. Таким образом, мощность на рабочем инструменте может быть существенно увеличена с целью создания высоких активных напряжений в зоне контакта рабочего инструмента с разрушаемой средой.

А. Н. Зелениным установлено, что при направлении дополнительных колебаний режущего инструмента, совпадающих с направлением резания грунта при малых скоростях резания, тяговое усилие снижается в 3.. .4 раза по сравнению с усилием резания этого грунта невибрирующим режущим инструментом.

Главным фактором, обусловливающим разрушение хрупких тел и снижение усилий резания, является динамическое воздействие режущего инструмента, соответствующее ударному режиму разрушения с малой величиной энергии удара.

Из теории А. А. Гриффитса следует, что прочность хрупких материалов определяется наличием трещин. Увеличение глубины внедрения лезвия способствует образованию микротрещины, вокруг кончика которой происходит концентрация напряжений и дальнейший рост, заканчивающийся ее раскрытием и отделением частицы хрупкого тела от среды. Таким образом, глубина внедрения является одним из определяющих параметров процесса виброрезания. Недостаточная глубина внедрения не обеспечивает формирование напряженного состояния и разрушение уплотнённого снега не происходит. Обоснованный выбор амплитуды и частоты колебаний ножа, поступательной скорости базовой машины и глубины внедрения рассмотрен на нескольких математических моделях с учетом конструкций источника колебаний.

В процессе виброрезания режущая кромка инструмента совершает колебания с частотой со (рад/с) и амплитудой а в направлении движения базового шасси со скоростью Vm. В зависимости от конструкции источника колебаний дополнительные колебания режущей кромки можно представить в виде x = asmcot или х = а(\ -cos<sv). Координату режущей кромки можно выразить: х = asinmt + Vmt, где t - текущая координата времени.

Пусть колебания режущей кромки начинаются от некоторой начальной точки О. На этом участке действует импульс силы резания Р0, а скорость режущей кромки ножа имеет положительное значение. В точке А скорость режущей кромки равна нулю и происходит ее выход из зоны контакта с разрушающей средой (рис. 3,4).

Обозначим время , за которое режущая кромка проходит расстояние от начальной точки О до точки А - начала выхода режущей кромки из зоны контакта со средой.

Рис. 3. Схема процесса виброрезания с горизонтальными колебаниями ножа

От точки А до точки Е режущая кромка движется в обратном направлении и скорость ее отрицательна по отношению к скорости базового шасси. В точке В режущая кромка вступает в новый контакт с разрушаемой средой. Процесс взаимодействия режущей кромки со снегом длится в течение времени г и заканчивается в точке С. Расстояние, которое проходит режущая кромка, контактирующая со средой, обозначим 1Т. По рассматриваемой схеме режущая кромка многократно и регулярно вступает в контакт с разрушаемой средой или отделяется от нее, в результате образуются сколы частиц среды 1,2,3,..., п.

Скорость перемещения режущей кромки x{t) = acó eos cot + Vm.

Момент времени t¡, при котором режущая кромка начинает отделяться от разрушаемой среды, наступает тогда, когда скорость режущей кромки будет равна нулю. Время í, определяется:

?,=--- arccosí — I. (18)

о со \а®)

Уравнение (18) имеет решение, если Vm < а со.

Время í3 от начала движения режущей кромки до полной остановки можно определить по зависимости

t3 =- + -arccosf-^4. (19)

0 w \асо)

Расстояние Ах выхода режущей кромки из зоны контакта со средой составит Ax = x(t<¡)~ x(t3), (рис. 5).

Как следует из механизма виброрезания, величина Ах должна иметь положительное значение, если Лх = 0; это означает, что в процессе виброрезания режущая кромка не выходит из зоны контакта, а механизм разрушения аналогичен статическому резанию. Время /2 найдено из условия хА = хв и рассчитано по специальной программе.

Время действия импульса силы Р

T = T + tx-t2.

Импульсную силу резания, которая характерна для вибрационного резания, можно разложить в ряд Фурье:

= +-PolW«^]cosM, (20)

1 л V т )

где п - номер разложения в ряду Фурье, п может быть ограничена погрешностью вычислений; Т = 2л/а - период колебаний, с; со - круговая частота колебаний режущей кромки, рад/с; Р0 - сила статического резания.

Из уравнения (20) следует, что с уменьшением времени действия г импульса силы снижается среднее значение усилия Р(<). Безразмерная зависимость времени взаимодействия ножа со снегом

,т(1), сы

(21)

т т т

Путь, пройденный режущей кромкой за период колебаний, 5 = 2Лх + = Ут ■ Т, где 1\ - глубина внедрения режущей кромки, которая обеспечивает скол частицы снега.

На границе статического и вибрационного резания Ах~>0, тогда

0 0.01 (уц Ш (ХМ t, с

p©t

U = VT = V.

2тг Vm

■ = —2п— = 2тшУ, со со а

- Ут

где V = - безразмерный параметр аса

скорости; а - амплитуда колебаний равна:

(22)

2л- V к '

0,01 0.02 0.01 0.04 1, с

Рис. 4. Механизм виброрезания: а - траектория движения режущей кромки; б - скорость движения режущей кромки; в - график импульсов силы резания.

С использованием полученных аналитических и расчетных зависимостей, пот t t

строены графики влияния безразмерного параметра Vmjaco на —, , (рис. 6).

Уравнение (22) является определяющим критерием, обеспечивающим условия виброрезания уплотнённого снега. Для выбора амплитуды колебаний предложена номограмма, исходными данными которой приняты частота колебаний ю, достигнутая современными конструкциями источников импульсной подачи рабочей жидкости, со = 200...250 рад/с, минимальная глубина /; внедрения, обеспечивающая процесс скола частицы снега, а также безразмерный параметр т/Т, характеризующий реальную силу резания в импульсном режиме (20).

Параметр тIT выбирают в диапазоне 0,25...0,35 и по графику находят значение V, определяя амплитуду колебаний при заданной частоте со. Скорость поступательного движения базового шасси можно определить Vm = Vaco.

В работе выполнены исследования механизмов виброрезания с формированием колебаний ножа в функции х = а(1 - cos cot), а также с гидропульсатором шестеренного типа.

X = а(0,5 - 0,405 cos at - 0,045 cos 3cot).

(23)

VT, yr,

t/T 1,00

0,75

0,50

0,25

тЛЧ

0 0,2 0,4 0,6 0,8 Waw

Рис. 5. Зависимость Ax от Vm/aco

0 0,2 0,4 0,6 0,8 Vx'aul

Рис. 6. Влияние скорости Vmjam x i] f2

на параметры

В результате расчетов установлены зависимости параметров времени т, i;, t2 от V, скоростей внедрения режущей кромки в уплотнённый снег, Д*(КГ), которые не имеют существенных отличий от механизма виброрезания для источника колебаний с функцией x = a-sinwi.

В наших конструкциях, как и в изобретениях СибАДИ, МАДИ, Карагандинского политехнического института и других организаций и авторов устройств вибрационного и ударного действия, нож установлен под углом а к направлению движения базового шасси и режущая кромка имеет координату

х = VT ■ t + a(l - cos at) cos a. (24)

Для обеспечения режима виброрезания амплитуда колебаний в таких конструкциях выбирается из условия

a>/,/2^Fcosa. (25)

Экспериментальные исследования опытного образца рабочего оборудования с наклонными колебаниями ножа под углом а = 20° подтвердили эффективность вибрационного воздействия на процесс резания уплотненного снега. Установлено, что с увеличением скорости поступательного движения базового трактора до 5 км/ч (V> 1) нарушается установившийся процесс разрушения уплотненного снега, нож поднимается над разрушаемой средой и скользит по уплотненному снегу. Снижение скорости поступательного движения (V < 1) вновь приводит к заглублению ножа и интенсивному резанию уплотнённого снега. Предложенная методика выбора параметров процесса виброрезания позволит на стадии проектирования создавать эффективные рабочие органы для разрушения уплотнённого снега.

В четвертой главе представлены новые конструкции рабочего оборудования с плоскими упругими элементами, которые обеспечивают установившийся режим колебаний, копирование поверхности движения, а также формируют в зоне контакта режущей кромки с уплотненным снегом повышенный уровень напряженно-деформированного состояния. Установлено, что эффективность разрушения уплот-

ненного снега повышается с увеличением в зоне контакта ножа как нормальных, так и касательных напряжений. Сдвиговые усилия приводят к зарождению зоны растягивающих напряжений и образованию дополнительных трещин. Известны конструкции рабочего оборудования, приводы которых обеспечивают пространственные движения режущей кромки для формирования нормальных и касательных напряжений в зоне контакта. Однако они сложны и недолговечны. Плоские упругие элементы малой толщины при нагружении могут получать такие же перемещения, определяемые видом нагрузки и формой стержня без применения специальных приводов.

Исследованию деформаций плоских упругих элементов посвящены работы Е. П. Попова, С. Д. Пономарева, Л. Е. Андреевой, В. А. Светлицкош и других авторов. Плоские упругие элементы соединяются с режущим инструментом и выполняют роль передаточного звена от силовых агрегатов (гидротолкателей), а также позволяют сравнительно просто изменять упругие характеристики путем удлинения (укорочения) точки их закрепления к неподвижным конструкциям. Новые конструкции навесного рабочего оборудования в виде расчетных схем представлены на рис. 7.

Рис. 7. Оборудование для разрушения уплотнённого снега: а, б, в- с вертикальными колебаниями ножа; г - с наклонными колебаниями ножа; д, е, - с горизонтальными колебаниями ножа; 1 - ножи; 2 - упругие элементы; 3 - гидротолкатели; 4 -инерционная масса; 5 - гидропульсатор

Анализ конструкций рабочих органов и рабочего оборудования с упругими элементами показал, что для исследования динамических характеристик и выбора параметров силовых импульсных вибровозбудителей колебаний важно получить характеристики перемещений, жесткости упругих подвесок, а также нагрузок на лезвиях ножей.

Для определения перемещений лезвия упругого инструмента использован принцип перемещений Максвелла-Мора, который пригоден для определения всех типов перемещений, включая линейные и угловые.

Криволинейный упругий рабочий инструмент по а. с. СССР № 1534133 (рис. 7, а) разработан для повышения эффективности разрушения уплотненного снега на покрытиях автомобильных дорог. Особенностью конструкции рабочего инструмента является его способность при действии вертикальной нагрузки внедряться в материал и одновременно создавать сдвиговые усилия в зоне контакта.

Горизонтальные перемещения лезвия инструмента в точке С найдем

2РК\К + 2Н) с £7

Вертикальная деформация

УС=~Р—■ (27)

Ус 2 Е1

Скорости перемещения точки С в горизонтальном и вертикальном направлениях

У =<1хс =2ЯЦЯ + 2Н)с1Р.у =с1ус ^ яй3 ¿Р * А ЕЗ Ж' у Л 2Ы Л

Соотношение между скоростями деформация составит

Ух _4(Д + 2Я) Гу яй

Использование упругого криволинейного инструмента в несколько раз увеличивает скорость деформации уплотнённого снега в горизонтальном направлении, что способствует повышению эффективности разрушения снежно-ледяных образований.

Жесткости инструмента Сх и Су в горизонтальном и вертикальном направлениях определяются из выражений

Сх =Р/ХС =Е//2Л2(Д + 2#); Су = Р/ус = 2£//яй2.

Обозначим Я/К = у/, тогда горизонтальная сила

Р =Л 2(1 + 2И «9)

(1,5яг + + + 0,33(р)"

Экспериментальные исследования, проведенные непосредственно на автомобильных дорогах показали, что устройства для разрушения уплотнённого снега для значений у/ = 1 имеют производительность в 2,0...2,5 раза выше по сравнению с обычным клином.

Рабочее оборудование с горизонтальными колебаниями ножа представлено расчетной схемой (рис. 8).

Силы сопротивления резанию представлены в виде двух составляющих Т7/

и Л.

.М.

Ю

А ы

Горизонтальные перемещения режущей кромки определены:

' Ю

12 г

И Г м 'г

' К13

ШI 2

яу3+2д(/2+/3)+

пЯ2

тй23+АШъ +

яД2

ю к/

Р2(2 Я + Ъ)

ю

{Ь-^А

Рис. 8. Расчетная схема упругой подвески ножей с горизонтальными колебаниями по а. с. СССР № 1532643

Аналогично с использованием принципа возможных перемещений получены зависимости вертикальных перемещений режущей кромки ув и для точки А - хА, ул и определены коэффициенты упругости Сх, Су, применяемые в исследовании динамических процессов движения ножа виброскалывателя.

Одиночные упругие элементы, как правило, являются статически определимыми. Объединение отдельных упругих элементов в единую конструкцию вызывает появление дополнительных реакций связи, что приводит к необходимости рассмотрения статически неопределимых систем.

Для таких конструкций виброскалывателей уплотнённого снега получены аналитические зависимости деформаций упругой системы и перемещений режущей кромки, а также силовых и упругих характеристик с использованием канонических уравнений по методу сил.

Значительный объём работ по разрушению уплотнённого снега на тротуарах, остановках транспорта, площадках перед зданиями выполняется вручную. В ТОГУ разработано несколько конструкций виброскалывателей уплотнённого снега на базе мотокультиваторов с производительностью до 1500 м2/ч для механизированного разрушения уплотнённого снега (рис. 7, е).

Формирование импульса рабочей жидкости обеспечивается различными гидропульсаторами, которые разделены на несколько типов: с насосами-пульсаторами шестеренного типа, с вращающимся золотником и эксцентриковые.

Новый тип насосного гидропульсатора предложен в пат. РФ № 2162030 (рис. 9, а).

Особенностью гидропульсатора шестерённого типа является вырез в контактирующих зубьях окон 1 с целью сохранения кинематических связей между шестернями 2, 3. При вращении шестерён с полными зубьями происходит всасывание рабочей жидкости и ее нагнетание в рабочую полость гидротолкателя 4. В момент взаимодействия зубьев с окнами полость нагнетания 6 гидротолкателя 4 сообщается с полостью всасывания 7 гидронасоса и под действием ежа-

той пружины 5 шток гидротолкателя 4 перемещается в первоначальное положение, вытесняя рабочую жидкость во всасывающую магистраль. Процесс перетекания рабочей жидкости из нагнетательной магистрали во всасывающую прекращается, когда начинают взаимодействовать обычные зубья и рабочая жидкость вновь начинает нагнетаться в рабочую магистраль гидротолкателя.

Рис. 9. Расчетная схема гидропульсатора а - шестеренного типа; б- с вращающимся

золотником

Импульсный объём подачи рабочей жидкости с учетом линеаризации можно представить

V = q ■ (0,5 - 0,405 cos cot - 0,045 cosЗаЯ), (31)

где q - удельная подача за один оборот гидропульсатора; со - частота вращения вала.

Исследованиями Т. В. Алексеевой, Т. М. Башты, С. Н. Кожевникова, В. Н. Прокофьева, Ю. И. Чупракова и других авторов установлено, что в системах с переменным давлением наблюдается явление упругой деформации рабочей жидкости и трубопроводов, которое отрицательно влияет на работу гидросистемы. Ввиду необратимости потенциальной энергии, расходуемой на сжатие жидкости и трубопроводов, КПД приводов снижается. Это обусловлено тем, что аккумулированная потенциальная энергия в процессе сжатия не может быть использована для совершения полезной работы, а теряется при периодическом сообщении нагнетательной магистрали со сливом.

КПД гидропривода импульсного типа представлен зависимостью

П =

К

(32)

где т]об - объёмный КПД насоса; К0 - объём рабочей жидкости в нагнетательной магистрали; qн- удельная импульсная подача; Е - приведенный модуль упругости; Р„ - номинальное давление; 7?г = 1 - АР!РН - гидравлический КПД, учитывающий АР - потери давления; т]н - механический КПД насоса; г]пр -КПД гидротолкателей.

В зависимости от объёма Ко и приведённого модуля упругости Е снижение КПД может достигать значений 0,1...0,2. Экспериментальными исследованиями установлены зависимости приведённого модуля упругости от давления в гидросистеме.

В пятой главе приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований динамики вибрационного рабочего оборудования. Новые конструкции разделены на одно- и многомассовые с вертикальными и горизонтальными колебаниями ножа (рис. 10,14).

У//.?/?/////,

т

И

q(t)

f.

Рис. 10. Расчетная схема одномассового виброскалывателя снега а - с вертикальными колебаниями ножа; б - с горизонтальными колебаниями ножа Движение одномассового виброскалывателя определено системой уравнений

тх+кх+с-х = p-F 4(t) = F-x + ^p,

(33)

где т - приведённая масса ножа; к - коэффициент вязкого трения; с - жесткость пружины; F - площадь гидротолкателя; Е - модуль упругости гидросистемы; V0 - объём рабочей жидкости в гидросистеме «гидротолкатель - трубопровод - гидропульсатор»; р - давление в гидросистеме; q(t) - объём импульса подаваемой рабочей жидкости; х - обобщенная координата.

Объём импульса подаваемой рабочей жидкости q(t) - определяется конструкцией гидропульсатора и для гидропульсаторов эксцентрикового типа

?(0 = ^(«o-«ocos®0- (34)

Объём подаваемой жидкости q(t) гидропульсатором шестеренного и золотникового типов представлен в виде ряда Фурье

q(t) = qH (ай - a, cos cot - аг cos3cot), (35)

где ад,а;,а2 - коэффициенты ряда Фурье; oj = --- - частота подаваемых импульсов; Г- период колебаний.

Для равномерной импульсной функции коэффициенты ряда Фурье составили а0~ 0,5, aj = 0,405, а2-0,045.

После преобразований получено уравнение

х + 2кх + к20х - А0- A, cos cot - Л2 cos ЗаЯ, (36)

где 2 нЛ-

т I К )т

EF

EF

А =гз0ГГ-=а1Т,--Чо'> А2 = а:

vjn

EF

V0m

Решение (36) найдено методом неопределенных коэффициентов

Давление в гидросистеме

(38)

Стендовые испытания проводились на опытном образце рабочего оборудования, установленного на базовом тракторе ДТ-75М. Измерительный комплекс состоит из канала с потенциометрическим датчиком перемещений на базе системы ADAM 5000/ТСР с модулем аналого-цифрового преобразования ADAM 5017 и канала с тензометрическим датчиком давления, включающим тензостанцию, нормализаторы ADAM 3014, быстродействующий АЦП L-410 фирмы L-Card, вставляемый в слот ISA персонального компьютера. Для управления системой ADAM 5000/ТСР и АЦП L-410, обработки данных разработаны программы, позволяющие выводить результаты измерений на экран монитора в виде графиков, вести протокол измерений, получать твердые копии графиков и протоколов измерений. Обе программы работают под управлением операционной системы MS Windows 98/SE/ME/2000/XP.

Экспериментально установлено, что с увеличением частоты колебаний перемещение гидротолкателей возрастает в 1,34 раза, а давление в 1,9 раза. С учетом максимальных значений перемещений и давления получены амплитудно-частотные характеристики.

Увеличение частоты колебаний вызывает рост инерционных сил и перемещений штока гидротолкателя в гидросистеме. Анализ результатов экспериментов и расчетных значений x(t), p(t), а также амплитудно-частотных характеристик показывает, что разработанная математическая модель достаточно достоверно описывает рабочие процессы движения штоков гидротолкателей, а погрешность экспериментов в сравнении с численными расчетами не превышает 10 % для отдельных частот.

Учитывая адекватность математической модели реальным рабочим процессам, сложность и ограниченные возможности проведения натурных испытаний в условиях автомобильной дороги, исследование динамических характеристик виброскалывателя выполнено на математических моделях.

Математическая модель одномассового виброскалывателя дополнена импульсной силой резания (рис. 11). В процессе экспериментов установлено, что сила резания практически линейно возрастает, а затем, после скола частицы уплотненного снега, снижается до нуля.

Импульсная сила P(t) разложена в ряд Фурье с п = 5 членами разложения

P(t) = P0(b0 - è, • cos cot - b2 cos 3cot - b3 • sin cot-b4 ■ sin 2cot + + ¿5 • sin Scot - b6 • sin Acot + è7 ■ sin 5cot),

где Р0 - максимальная сила резания; Ь, - коэффициенты разложения ряда Фурье: Ь0 = 0,25; Ь, = 0,203; Ь2 = 0,0225; ^=0,318; Ъ4 = 0,159; Ь5 = 0,106; Ь6 = 0,08; Ь7= 0,064.

№

á

A m

/ f

J

/ \ 1

Vl\J \s \ T 3OT\ /2т ,

Рис. 11. Импульсная сила резания уплотнённого снега в виде тригонометрического ряда Фурье

Система уравнений (33) включает силу резания Pp(t) тх + кх + сх = p-F-Pp(t)

(40)

и уравнение объёмов рабочей жидкости q0 (1 - cos cot) = xF + — p.

E

После преобразований уравнение (40) имеет вид

х + 2кх + Я20х = A0-A¡ cos cot + Л2 cos3cot - A3 sin cot + + Л4 sin 2at - A¡ sin 3at + A6 sin 4a>t - A1 sin 5at,

EF

_qaEF P0

qEF P0

(41)

где 2h = k/m\ Я20=(с + -— )/m; A0=^—---Ч0; Л, —A2=^-b2-,

mVn

m

mV0 m

A, ; A4 = ; As = %-b,; A6 = ^b6; A7 = . m m m m m

Давление в гидросистеме

n E „ ч EF , ч P = q—(1 - cos at)--x(t).

Перемещения x(t) определены:

A¡2ha>sin cat

К

A-¡4h со sin cot

(42)

A, sin cot

A20 (A2a -a2)2 + 4h2a2 ((A] -co2)2 + 4/>V).(A2 -со2) (A]-a2)

A¡(Я„ - co2)cos cot

A}2hacos cot

A4(A20 - 4<w2)sin 2cot

(A1,-a1)l+4h2a2 (A0 -a y + 4h со (A¡-4co2)2 +l6h2co2

A44hco eos 2cot A16hcosm3ú)t___A¡(A20 -9cu2)sin3cot

(A20 -4co2)2 + \6h2a2 + (A] -9co2) + 36h2co2 ~ -9co2)2 + 36* V

A,6ha eos 3 at

AfXAl -9co2)eos3at A6(Aj - 16<D2)sin4a>t

(A0 - 9o) ) + 36h со (Al - 9a> ) + 36h а (Ай -16©2)2 + 64h2co2

A6%ha eos 4at

A-, (Al - 25a2) sin 5at

A7\0hacos 5cot

(Al -\6a ) + 64h a (A0 - 25со )2 + I00h2a2 (Л2 - 25ü>2) +100AV

Из амплитудно-частотных характеристик следует, что перемещения штоков гидротолкателей с учетом силы резания незначительно уменьшаются вследствие сжимаемости гидросистемы. Дополнение расчетной схемы силой резания приводит к увеличению давления на всех частотах колебаний.

На частотах до 240 рад/с давление в гидросистеме не превышает 12МПа. Эти результаты расчетов подтверждаются и испытаниями опытного образца, в которых не наблюдались явления остановки движения ножа в процессе резания уплотнённого снега.

Исследование многомассовых вибрационных устройств проводилось на математических моделях. На начальном этапе целью исследований явилось определение частот собственных колебаний при допущении, что силами трения в гидротолкателе можно пренебречь.

Многомассовые вибрационные устройства рассмотрены для двух- и трех-массовых систем. Двухмассовое вибрационное устройство включает две инерционные массы ш, и т2, соединенные упругим элементом с жесткостью С2. Масса т2 подвешена на упругой подвеске с жесткостью С3. Массы т\ и т2 приводятся в колебательное движение гидротолкателем в который подаются импульсы рабочей жидкости. Рабочий орган /и,, взаимодействует со средой, которая оценивается коэффициентом жесткости С, (рис. 12).

Дифференциальные уравнения движения масс тх и т2 имеют вид

ЩУ\ +С\У\-С2{у2-у1) = -рР - т^; (44) т2у2 + С2(у2-у1)+С3у2=рР- m2g.

Перемещения у1 и у2 определяются в зависимости от объёма подаваемого количества рабочей жидкости в гидротолкатель:

?(1-соз ая) = Р{у2-ух)+-±Р, Е

(45)

где q - единичный объем подаваемой рабочей жидкости; т - частота импульсной подачи рабочей жидкости; У0 - объем рабочей жидкости в нагнетательных магистралях.

После преобразований получим систему уравнений У\ + А21>1_ "А.гУ1 = а + а\ собю?; У г ~ %хУ\ + АгУг = Ъ-ЪХ со

777777.

Рис. 12. Расчетная схема двухмас-сового гидровибрационного устройства

(15)

в которой

4=|С,+С2 +

/от, ¡4= С2 +

С2 +

т2;Л22 = С2 +Сг +

ЕР1

К

ЕР1

дЕР дЕР = -8—¡т-;«! =—;

т2Г„ т2К0

2 PF

Для опытного образца получено частотное уравнение и определен диапазон собственных колебаний от 84 рад/с до 302 рад/с, наибольшее влияние на частоту собственных колебаний оказывает соотношение масс т21т1 и жесткость гидросистемы.

Изучение вынужденных колебаний проведено на двухмассовой модели, в которой учтены силы вязкого трения на штоке гидротолкателя (рис. 13).

т>Ау; + к(Ау[ + Ау'2)+С^ + С2(Ди2 +Д=

щ Ду2* + *(Ду\ + Ду;) + С2 (Ду, + Ду2) = р

5(Ду, + Ду,) +—р = - соэ ах),

Я (47)

где q - удельная подача гидропульсатора; У0 -объём гидросистемы; Е - модуль упругости рабочей жидкости; р - давление в гидросистеме; со - частота изменения давления в гидросистеме; к - коэффициент вязкого трения штока о стенку гидротолкателя; Р - площадь гидротолкателя.

Рис. 13. Расчетная схема к определению основных параметров двухмассового виброскалывателя

После преобразований получена система из двух дифференциальных уравнений:

[т\Ау[ + кЛу[ + кЛу'2 + \Аух + Л^Ауг = a-acos cot; \т2Лу2 + кАу[ + к Ay 2 + Ay t + Я^Ау2 = a- a cos cot. где введены следующие обозначения:

(48)

EF

EF

qEF

4 =С, +С2 +——;Я2 = С2 +——;а =

'о "о 'о

Решение системы выполнено матричным методом и получены графики перемещений и давления для частотного диапазона со = 0.. .400 рад/с/

Используя амплитудно-частотные характеристики, назначена оптимальная рабочая частота пульсации давления в гидросистеме. Критерий выбора данной частоты - исключить возникновение явления кавитации в гидросистеме при установившихся колебаниях вибромасс. Определено, что оптимальной частотой будет со = 0,8ар или со = 235 рад/с, где сор -резонанснаячастота. При

выборе значений масс т1кт2,& также жёсткостей С( и С2 необходимо, чтобы амплитуда колебаний массы была в пределах 2.. .3 см, а массы т2 как можно меньшей. Было установлено, что данные условия выполняются при соотношениях т2/т! = 5 и СУ С/ = 0,7.

Увеличение соотношения масс т21гп1 приводит к снижению амплитуды у2 и повышению эффективности разрушения слоя уплотненного снега из-за увеличения амплитуды колебаний у1 лезвия рабочего органа.

Исследование трехмассовой динамической модели показало, что результаты расчетов амплитуд колебаний и давления в гидросистеме незначительно отличаются от расчетов для двухмассовых систем. Для сравнения гидроимпульсного способа возбуждения колебаний с кинематическим способом в виде эксцентрикового вала, установленного между вибромассами, разработана матема-

тическая модель и выполнены численные расчеты. Установлено, что кинематическое возбуждение колебаний снижает частотный диапазон и по нашим расчетам не может быть рекомендовано в проектных работах.

Важное значение для качественной очистки покрытий от уплотнённого снега приобретает требование копирования поверхности.

Исследование влияния неровностей автомобильной дороги на переходные процессы виброскалывателя выполнено на математической модели с добавлением в правой части усилий со стороны поверхности дороги Fy = с -y(t).

Неровности автомобильной дороги представлены в виде периодической функции у(/) = Уа sinlt, где - амплитуда неровности, Я - частота следования неровностей, а также в виде сосредоточенных неровностей типа «люк» инженерных подземных коммуникаций.

Решение математической модели получено методом структурных схем с испльзованием программ Matlab. Результаты расчетов для движения по неровности >(/) показали, что существенного увеличения нагрузок на гидросистему не оказывается. Этот расчет свидетельствует о хорошем копировании поверхности автомобильной дороги.

В шестой главе рассмотрены методика выбора основных параметров оборудования для разрушения уплотнённого снега и результаты испытаний опытных образцов.

Анализ перспективных конструкций и результаты экспериментальных исследований опытных образцов позволяют выделить два типа оборудования: с горизонтальными и вертикальными колебаниями ножей.

Основными параметрами гидровибрационного оборудования для разрушения уплотнённого снега являются: частота и амплитуда колебаний ножей, скорость поступательного движения базовой машины, объём единичного импульса рабочей жидкости, давление в гидросистеме и мощность привода. Экспериментально установлено, что для обеспечения производительности в диапазоне 6000...9000 м2/ч и возможной амплитуды частота колебаний ножей должна быть не менее 200...300 рад/с. Эти значения частоты колебаний достигнуты в опытных образцах, которые были испытаны в реальных условиях.

Амплитуда колебаний является определяющей для оборудования как с горизонтальными, так и с вертикальными колебаниями ножей. В устройствах с горизонтальными колебаниями амплитуда колебаний должна обеспечить проникновение режущей кромки в уплотнённый снег настолько, чтобы создать необходимое поле напряжений для скола частицы снега. Амплитуда колебаний в устройствах с вертикальным направлением движения ножа влияет на глубину его внедрения в уплотнённый снег и определяет возможную толщину разрушаемого слоя.

Скорость поступательного движения базовой машины влияет на характер разрушения уплотнённого снега. С увеличением скорости поступательного движения пропорционально возрастают производительность разрушения уплотненного снега на покрытии автомобильной дороги, силы сопротивления разрушению и снижается качество очистки покрытия.

Результаты испытаний опытных образцов показали, что существуют различия в методиках выбора параметров рабочего оборудования с горизонтальными и вертикальными колебаниями ножа. Оборудование с наклонными колебаниями ножа по характеру воздействия на уплотнённый снег приближается к устройствам с горизонтальными колебаниями ножа.

Алгоритм проектирования рабочего оборудования с горизонтальными колебаниями ножа представлен на рис. 14._

''Ввод исходных двннш

I

Определение параметров працессавиброрезания Ь; Ьу,

1х{а, Ъ{)Ъу, г-АУщ/™У> Ак< г> /'

Р асчет параметров ножа и упругой подвески тп X, СЛ. К1АХЛУ1Ъ.6

Расчет усилий на лезвии ножа игвдротолхателе

РреМПЬ}). Р = пРра.Р„

Уточнение амгаштудыхшебанийпо расчетной схеме упруг ей системы X^, X,

Определение параметров гидросистемы Ыт ,

Динамический расчет амплитуд колебаний и давление расчет модности привода

4 Да

Увеличение

4

Рис. 14. Алгоритм выбора параметров виброблока с горизонтальными колебаниями ножа

При проектировании рабочего оборудования для разрушения уплотнённого снега с горизонтальными колебаниями в качестве исходных данных принимают часовую производительность очистки покрытия автомобильной дороги, толщину разрушаемого слоя, температуру воздуха, близкую к максимальной (-15...-20°С), ширину захвата обрабатываемой поверхности и плотность снега в диапазоне 0,55...0,60 г/см3.

Скорость поступательного движения базовой машины Кт,м/с рассчитывают

Ки=Дт/3600В, (49)

где Пт - техническая производительность, м2/ч; В - ширина захвата, м.

Полученное значение скорости уточняют в соответствии с паспортной скоростью базовой машины. Ширину ножа В) можно назначить из условия п виброблоков по формуле

В, =(В-(и-1)д)/л, где Д - расстояние между виброблоками, Д = 25.. .30 мм.

Ширину лезвия одиночного зуба на ноже Ь, определяют из условия минимальной энергоёмкости, Ь]= 10...15 мм.

Результаты экспериментальных исследований, проведенных нами по определению усилий резания уплотнённого снега, показали, что можно рекомендовать расстояние между зубьями ДЬ, см, по зависимости

Д6 = 1,9351-0,043а + 0,1849Ь, -0,740511 +0,0005а2 - 0,00316,2. (50)

Число зубьев на ноже шириной В[ можно найти

г = А (78,5576 - 0,269а - 16,997Ь, -17,310711 + 0,002а2 + 0,534262 + 1 м (51)

+ 0,0772й2 + 0,0265а6, - 0,0234ак + 4,822.

Определив размеры зуба, рассчитывают минимальную глубину внедрения , см, лезвия зуба по зависимости

/, = 0,5751 - 0,015а + 0,11036, - 0,16к + 0,001а2 + 0,04446* + 0,0429й2 +

+ 0,0013а6, + 0,01а/г + 0,667Ьхк

Амплитуду колебаний а назначают из условия

в >/,/(2*1), (53)

где т - время взаимодействия режущей кромки с уплотнённым снегом; Т - период колебаний; т/Г можно рекомендовать 0,3... 0,5.

Силу резания одиночным зубом, Н, рассчитывают по зависимости Рт, =728,95-18,84а-318,536, + 394.65А + 0,12а2 +48,486,2 +83,18/г2 +

ре з > » I > > ? 1 >

+ 4,2726, + 6,3 8ай + 1466,/г, где здесь и ранее, а - угол резания, градус; - ширина зуба, см; Ь - толщина слоя уплотнённого снега, см.

Суммарное усилие резания, действующее на нож виброблока

Р = (55)

На следующем этапе проектирования необходимо определить размеры и массу ножа и жёсткость упругой подвески. Собственная частота X колебаний динамической системы «нож - упругая подвеска» должна превышать частоту вынужденных колебаний. Из этого условия найдем жёсткость упругой подвески

Л = кг0) = -Щт или с = <о2м, (56)

где къ - коэффициент запаса, к3 =1,1...1,2; с - жесткость упругой подвески ножа, кг/см; т - масса ножа, кг-с2/см; со - частота вынужденных колебаний, рад/с.

В соответствии с расчетной схемой (см. рис. 8) и силами, действующими на ноже виброблока, проектируют рабочее оборудование, определяют геометрические размеры упругих элементов Л, 1Х, 12, /3, 5, 1Х и перемещения точек А, В гидротолкателя и лезвия ножа. Из условия С = Р/хА определяют жёсткость упругих элементов в точке установки гидротолкателя. Необходимо отметить, что для более равномерного нагружения ножа, снижения габаритов можно рекомендовать два упругих элемента подвески ножа. На этом же этапе рассчитывают напряжения изгиба в криволинейной части упругих элементов и точке А взаимодействия гидротолкателей с упругими элементами.

Диаметр штока гидротолкателя <1гт найдем

л = 14Р,(Д + 0/(Д + /,)+2Сд (5?)

т у т[р]я

где Л, 12, и ~ геометрические размеры рабочего органа, см; ш - количество гидротолкателей, [р] - номинальное давление, кг/см2.

Значение объёма единичного импульса рабочей жидкости, подаваемой к гидротолкателям от гидропульсатора, см3/цикл, можно определить

где а - амплитуда колебаний гидротолкателя, см; ¥0 - объем рабочей жидкости в трубопроводах гидросистемы; Е - модуль упругости гидросистемы, Е = 5000 кг/см2.

Адекватность принятых параметров необходимо проверить после решения уравнений динамической системы, результатом которого являются полученные значения перемещения гидротолкателя и давления в гидросистеме, при этом должны быть выполнены условия:

Р< [р\ и(*тах-*тт)/2>Д, (58)

где л:тах, - максимальное и минимальное значения координат точек гидротолкателя.

Если условия (58) не выполняются, тогда увеличивают диаметр гидротолкателя с1т и значения объёма единичного импульса цгп и вновь решают уравнения (40), (48).

Завершающим этапом проектирования является определение мощности привода гидросистемы, кВт

ЛГ = ЗО^^сЯ 0"3/б12я-. (59)

Выбор параметров виброблоков с вертикальными колебаниями ножей имеет общие подходы к определению ширины виброблока В) и зубьев Ь). Глубину внедрения /г1 зубьев в проектном расчете можно принять равной половине толщины слоя разрушаемого снега. Амплитуда колебаний должна быть не менее .

Усилия внедрения Рв1, Н, для одиночного зуба следует определить по зависимости

Р„ =38,75 -1,71а -15,896, +307,5Й + 0,02а2 +1,91&,2 + 432,38/г2 + + 0,23 а\ + 6,47 аЬ +148АД ^

где а - угол заострения, град; Ь - ширина лезвия, см; И - глубина внедрения, см.

Общее усилие внедрения ножа в уплотнённый снег найдем Рв=г-Ре1

Диаметр гидротолкателей, объём единичного импульса рабочей жидкости и мощности находят аналогично рассмотренным для виброблока с горизонтальными колебаниями режущей кромки, а также с учетом решения уравнений динамической системы с вертикальными колебаниями ножа.

В качестве примера приведены результаты расчета параметров оборудования на базе мотокультиватора.

Основные дели планирования и проведения экспериментальных исследований разрушения уплотнённого снега на покрытиях автомобильных дорог были следующие: проверка закономерностей, полученных в результате обобщения теоретических расчетов; установление численных значений коэффициентов упругости рабочих инструментов; проверка работоспособности опытных образцов; определение производительности и возможной толщины слоя снега, которую разрушает оборудование за один проход базовой машины, сравнение качества очистки поверхности от уплотнённого снега различными опытными образцами.

В результате проведенных теоретических исследований были установлены основные параметры рабочего оборудования, а затем изготовлены отдельные виброблоки. Конструкция оборудования для разрушения уплотнённого снега на покрытиях автомобильных дорог предполагает установку четырех таких одиночных блоков применительно к тракторам типа МТЗ-80(82), Т-40 с шириной захвата 2,5...3,0 м. Разделение рабочего оборудования на отдельные виброблоки позволяет снизить массу рабочего инструмента, активные усилия на ножах, что в свою очередь, снижает вероятность разрушения как покрытия, так и искусственных препятствий на дорогах в виде люков водо- и теплоснабжения, телефонных сетей и др.

Объектами экспериментальных исследований были опытные образцы с вертикальными, наклонными к поверхности покрытия и горизонтальными колебаниями рабочих инструментов. В качестве базовой машины для испытания одиночных блоков использовался трактор ДТ-75М.

Опытные образцы с одним и двумя лезвиями (рис. 15) шириной захвата 0,6 м устанавливались поочередно на поперечную балку рамы навесного оборудования и присоединялись к гидропульсатору, приводимому в движение от гидросистемы трактора ДТ-75М. Испытания проводились непосредственно на покрытии автомобильной дороги с толщиной слоя уплотнённого снега 10...150 мм. Плотность снега измерялась специальным прибором, с помощью которого отбиралась проба, проводилось измерение ее объёма и, после таяния снега определялся объём жидкости и ее масса. Измерения проводились в нескольких точках дороги, и определялась средняя плотность, которая составила 0,57.. .0,59 г/см3. Температура воздуха находилась в диапазоне -17...-19 °С. В результате испытаний установлено, что при снижении скорости поступательного движения базового трактора до 2,5 км/ч повышается качество очистки покрытия и

толщина разрушаемого слоя за один проход трактора достигает 30...40 мм при частоте колебаний ножа 2000...2500 кол./мин.

Рис. 15. Навесное оборудование для разрушения уплотненного снега с одним и двумя

лезвиями

Лучшие результаты достигнуты для оборудования с двумя лезвиями. Рациональный шаг между ударами ножей составляет не более 25...30 мм. Увеличение скорости движения базового трактора до значений 5,0...5,4 км/ч снижало качество очистки, и на слоях толщиной 10... 15 мм наблюдались участки неразрушенного слоя уплотнённого снега. Особенно отчетливо это влияние увеличенной скорости проявилось при испытании рабочего оборудования с одним лезвием.

Производительность рабочего процесса разрушения уплотнённого снега в пересчете для полномасштабной машины с четырьмя виброблоками составила 7000...9000 м2/ч за один проход для толщины слоя уплотнённого снега до 30...40 мм. Важным резервом повышения качества очистки и эффективности разрушения уплотнённого снега на покрытиях автомобильных дорог является увеличение частоты колебаний ножа до 3000 кол./мин и при скоростях движения машины 2,5.. .3,0 км/ч.

Экспериментальные исследования опытного образца (рис. 16) с наклонными колебаниями ножа проводились в 2002 - 2004 г, г. в условиях, аналогичных для рабочего оборудования с вертикальными колебаниями.

Рис. 16. Испытания одиночного блока с наклонными колебаниями ножа на слоях снега от

20...30 до 100 мм

В результате испытаний установлено, что представленная конструкция эффективно разрушает уплотнённый снег как на слоях толщиной 20...30 мм, так и на слоях толщиной 100... 150 мм.

Новые конструкции рабочего оборудования, разработанные в Тихоокеанском государственном университете, были переданы для промышленного изготовления на завод ОАО «Амурдормаш» (п. Прогресс Амурской области). Учитывая результаты экспериментальных исследований, были разработаны устройства с увеличеными горизонтальными смещениями ножа (рис. 17).

Рис. 17. Промышленный образец оборудования для разрушения уплотненного снега на базе трактора ЮМЗ-6Л: а - общее устройство; б - установка гидропульсатора с вращающимся золотником.

Производственные испытания, проведенные в 2008 г. заводом ОАО «Амурдормаш», опытных образцов на базе тракторов ЛТЗ-60, МТЗ-80 показали работоспособность предложенных конструкций на слоях уплотнённого снега толщиной до 20...30 мм.

В результате экспериментальных исследований опытных образцов одиночных виброблоков и машины для разрушения уплотненного снега, состоящей из четырех виброблоков, установлено, что теоретические положения, на основании которых разработаны конструкции нового типа оборудования, реально отражают рабочие процессы при разрушении уплотнённого снега методом импульсного силового воздействия. Рабочее оборудование с вертикальными колебаниями ножа наиболее перспективно для разрушения уплотнённого снега малой толщины (до 20...30 мм), а виброскалыватели с наклонными колебаниями ножа предпочтительны в более широком диапазоне толщины уплотнённого снега.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

В результате выполненных исследований получены научно-обоснованные технические решения, внедрение которых вносит значительный вклад в развитие экономики страны, заключающийся в создании новых машин, обеспечивающих повышение безопасности движения транспорта и пешеходов на автомобильных дорогах. Основные научные и практические результаты, по-

лученные в процессе теоретических и экспериментальных исследований, состоят в следующем:

1. Установлена зависимость силы сопротивления резанию уплотнённого снега от параметров режущего инструмента, глубины резания, температуры и плотности снега.

2. Форма скалываемых частиц уплотнённого снега, образовавшихся в процессе резания, характеризуется глубиной резания, продольным и поперечным углами скола. Поверхность скола начинается от режущей кромки и определяется шириной ножа, углом резания, поперечным и продольным углами скола.

3. В процессе экспериментов установлено, что для отделения частицы уплотнённого снега от массива необходима минимальная глубина проникновения ножа в снег, которая формирует такое напряженно-деформированное состояние около режущей кромки, которое обеспечивает разрушение снега.

4. Получена зависимость энергоёмкости процесса резания уплотнённого снега от параметров ножа и поверхности скола; установлено, что наименьшая энергоёмкость достигается для ножей с зубьями с минимальной шириной и углами резания.

5. Энергетическая оценка силы резания уплотнённого снега по гипотезе академика П. А. Ребиндера показала, что работа разрушения определяется работой на образование поверхности скола и на формирование объёма внедрения режущей кромки в уплотнённый снег. Основная составляющая силы сопротивления резанию определяется деформируемым объёмом внедрения режущей кромки в уплотнённый снег.

6. Для обеспечения качественной очистки поверхности автомобильной дороги установлена зависимость рациональной расстановки зубьев на ноже.

7. Установлено, что усилия вертикального внедрения острой режущей кромки ножей и прямоугольного штампа определяются параметрами снега, углом заострения, шириной и толщиной лезвия. Процесс внедрения режущей кромки характеризуется практически линейным ростом усилий в зависимости от глубины, а затем наблюдается стабилизация сил сопротивления внедрению.

8. Теоретически обоснован и экспериментально подтвержден критерий, определяющий границу статического и вибрационного резания в зависимости от минимальной глубины внедрения режущей кромки, которая обеспечивает скол частицы уплотнённого снега, амплитуды и частоты колебаний ножа и поступательной скорости базовой машины.

9. Изучены деформационные характеристики рабочих органов и оборудования с упругими элементами. Получены аналитические зависимости перемещения режущей кромки от усилий гидротолкателей.

10. Установлена зависимость коэффициента полезного действия (КПД) импульсного гидропривода от упругости гидросистемы, параметров гидропульсатора и гидротолкателя. В процессе нагнетания рабочей жидкости энергия, расходуемая на деформацию гидросистемы, безвозвратно теряется при переключении нагнетательных магистралей с гидротолкателями со сливной линией. Снижение КПД может достигать значений 0,1...0,2 в зависимости от частоты

колебаний, давления, модуля упругости гидросистемы, объёма рабочей жидкости в нагнетательных магистралях.

11. Разработаны математические модели движения рабочих органов одно-и многомассовых динамических систем, определены частотные диапазоны перемещений режущей кромки и давлений собственных и вынужденных колебаний, экспериментальными исследованиями подтверждена адекватность математических моделей. Установлено, что основное влияние на уровень давлений в гидросистеме оказывают активные нагрузки, а перемещения режущей кромки изменяются в меньшей степени.

12. Решена задача определения динамических характеристик процесса копирования рабочим оборудованием неровностей на автомобильных дорогах типа «люк» и тригонометрических функций. Установлено, что процесс копирования неровностей происходит с сохранением среднего уровня перемещений и колебаний давления в гидросистеме.

13. Разработана методика проектирования рабочего оборудования с минимальной энергоёмкостью процесса разрушения уплотнённого снега.

14. Экспериментальная проверка работы опытных образцов показала эффективность импульсного разрушения уплотнённого снега на автомобильных дорогах.

15. Расчетная годовая экономия от внедрения оборудования на базе трактора ЮМЗ-6Л по сравнению с машиной К0-705 составляет 277,2 тыс. руб. Механизированная уборка тротуаров повышает производительность труда дворника в 24,6 раза и снижает себестоимость работ в 6,9 раза.

16. Для организации процесса удаления уплотненного снега необходимо применять комплект средств, состоящий из машины для разрушения уплотненного снега, которая является ведущей, автогрейдера и дорожной щетки. Количество машин для разрушения уплотненного снега в соответствии с отраслевым дорожным методическим документом ОДМ 218.5.001-2008 «Рекомендации по защите и очистке автомобильных дорог от снега» рассчитывают для 10 км автомобильных дорог, маш/10 км:

г = Ю000Б0 •»/П3 -Г, где В0 - ширина полосы движения, м; п - число полос движение в обоих направлениях; П, - часовая эксплуатационная производительность машины для разрушения уплотненного снега, м2/ч; Т- время уборки снега с автомобильной дороги, ч.

Основные положения диссертации отражены в следующих работах:

В изданиях рекомендованных экспертным советом ВАК:

1. Воскресенский Г. Г. Выбор параметров виброскалывателя уплотнённого снега / Г. Г. Воскресенский // Наука и техника в дорожной отрасли. - 2009. -№ 3,-С. 38-41.

2. Воскресенский Г. Г. Влияние неровностей поверхности автомобильной дороги на переходные процессы виброскалывателя снега. / Г. Г. Воскресенский // Вестник Иж ГТУ. - 2009. - № 2 (42). - С. 81-84.

3. Воскресенский Г. Г. Исследование процесса резания уплотнённого снега на автодорогах / Г. Г. Воскресенский // Строительные и дорожные машины. -

2009. -№ 12. - С. 45-48.

4. Воскресенский Г. Г. Методика выбора параметров процесса виброрезания уплотнённого снега / Г. Г. Воскресенский // Вестник Московского автомобильно-дорожного института (государственного технического университета). -

2010.-№ 1 (20).-С. 38-42.

5. Воскресенский Г. Г. Динамические характеристики виброскалывателя уплотнённого снега / Г. Г. Воскресенский // Вестник Тихоокеанского государственного университета. - 2010. - № 2 (17). - С. 56-59.

6. Воскресенский Г. Г. Энергетическая оценка силы резания уплотнённого снега на автомобильных дорогах / Г. Г. Воскресенский, А. Г. Воскресенский, Г. М. Вербицкий, Р. А. Эунап И Вестник Московского автомобильно-дорожного института (государственного технического университета). - 2010. — № 4 (23). -С. 42-45.

7. Воскресенский Г. Г. Виброрезание уплотнённого снега / Г. Г. Воскресенский // Строительные и дорожные машины. - 2010. - № 11. - С. 39-42.

8. Воскресенский Г. Г. Экспериментальные исследования процесса внедрения режущего инструмента в уплотненный снег / Г. Г. Воскресенский // Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского. - 2010- № 4. Ч. 1. -С. 121-124.

9. Воскресенский Г. Г. Исследование процесса внедрения прямоугольного штампа в уплотненный снег / Г. Г. Воскресенский // Вестник Тихоокеанского государственного университета. - 2010. - № 4 (19). - С. 69-74.

В других изданиях:

10. Воскресенский Г. Г. Основы механики разрушения уплотнённого снега на автомобильных дорогах / Г. Г. Воскресенский. - Хабаровск : Изд-во Тихоокеан. гос. ун-т, 2008.-250 с.

11. Воскресенский Г. Г. Исследование упругих деформаций инструмента с рукавом высокого давления / Г. Г. Воскресенский // Исследование и испытание строительных машин и оборудования : сб. науч. тр. - Хабаровск : Хабар, политехи. ин-т, 1993. - С. 94-97.

12. Воскресенский Г. Г. Исследование колебаний виброскалывателя / Г. Г. Воскресенский // Строительные и дорожные машины : сб. научных тр. - Хабаровск : Хабар, гос. техн. ун-т, 1996. - С. 82-88.

13. Воскресенский Г. Г. Динамический анализ одномассового скалывателя уплотнённого снега и льда / Г. Г. Воскресенский // Строительные и дорожные машины : сб. науч. тр. - Хабаровск: Хабар, гос. техн. ун-т, 1998. - С. - 17-19.

14. Воскресенский Г. Г. Исследование статических характеристик гидропривода скалывателя уплотнённого снега / Г. Г. Воскресенский // Вопросы совершенствования технологий и оборудования в лесопромышленном комплексе и строительстве : Юбилейный сб. науч. тр. ДВЛТИ - Хабаровск : Хабар, гос. техн. ун-т, 1988. - С. 50-52.

15. Воскресенский Г. Г. Создание и исследование комплекса машин для очистки покрытий автомобильных дорог от уплотнённого снега и льда / Г. Г. Вое-

кресенский // Научное обеспечение технического и социального развития Дальневосточного региона : труды Хабар, гос. техн. ун-та - Хабаровск : Хабар, гос. техн. ун-т, 1998.-С. 175-181.

16. Воскресенский Г.Г. Исследование двухмассового скалывателя уплотнённого снега / Г. Г. Воскресенский, А. В. Есин // Методы решения проблем дорожно-транспортного комплекса г. Хабаровска в условиях переходного периода к рыночной экономике : Материалы науч.-практич. конф. - Хабаровск: Хабар, гос. ун-т., 1999. - С. 62-64.

17. Воскресенский Г. Г. Методологические основы создания комплекта машин для очистки покрытий автомобильных дорог от уплотнённого снега и льда / Г. Г. Воскресенский // Методы решения проблем дорожно-транспортного комплекса г. Хабаровска в условиях переходного периода к рыночной экономике : Материалы науч.-практич. конф. - Хабаровск : Хабар, гос.ун-т., 1999. - С. 4143.

18. Воскресенский Г. Г. Методологические основы создания машин для разрушения уплотнённого снега на покрытии автомобильных дорог / Г. Г. Воскресенский // Интерстроймех - 2005: Труды международной научн.-техн. конф. В 2 ч. / A.A. Серебряников, Ш.М. Мерданов. - Тюмень : ТюмГНТУ, 2005. - Ч. 1. -С. 144-149.

19. Воскресенский Г. Г. Исследование динамических характеристик виброска-лывателя уплотнённого снега / Г. Г. Воскресенский, А. В. Есин // Качество. Инновации. Наука. Образование: Материалы Международной науч.-техн. конф. В 2 ч,- Омск: СибАДИ, 2005. - Ч. 1. - С. 22-25.

20. Воскресенский Г. Г. Исследование динамических характеристик гидровибрационного скалывателя уплотнённого снега / Г. Г. Воскресенский // Современные проблемы проектирования и эксплуатации транспортных и технологических систем: Труды Международной науч.-техн. конф. - СПб : Изд-во Политехи. ун-та, 2006. - С. 62-64.

21. Воскресенский Г. Г. Исследование процесса виброрезания с гидропульсатором шестерённого типа / Г. Г. Воскресенский // Дальний Восток: сб. науч. тр., Отдельный выпуск Горного информац.-аналитич. бюл. - М.: Изд-во «Мир горной книги», 2007. - №0В9. - С. 410-422.

22. Воскресенский Г. Г. Исследование собственных частот двухмассового гидравлического рабочего оборудования / Г. Г. Воскресенский // Дальний Восток: Сб. научных тр. Отдельный выпуск Горного информац.-аналитич. бюл. - М. : Изд-во «Мир горной книги», 2007. - № 0В9. - С. 423-427.

23. Воскресенский Г. Г. Влияние параметров двухмассового гидровибрационного рабочего оборудования на частоту собственных колебаний / Г. Г. Воскресенский // Интерстроймех-2007 : материалы Международной научн.-практич. конф. - Самара: Изд-во Самарск. гос. арх.- строит, ун-та. - 2007. - С. 93-97.

24. Воскресенский Г.Г. Выбор параметров процесса виброрезания ковша активного действия / Г. Г. Воскресенский, А. О.Пак // Механики XXI веку. VI Всероссийская научн-техн. конф. с международным участием: сб. докл. -Братск : ГОУВПО «БрГУ», 2007. - С. 148-152.

25. Воскресенский Г. Г. Выбор параметров виброрезания зубьев-рыхлителей ковша экскаватора / Г. Г. Воскресенский, Г.М. Вербицкий // Горный информац.-аналитич. бюл. - М.: Изд-во «Мир горной книги», 2008. - № 2, - С. 348-352.

26. Воскресенский Г. Г. Исследование параметров инструмента для разрушения уплотнённого снега / Г. Г. Воскресенский // Интерстроймех - 2008 : материалы международной научн.-техн. конф. В 2 т. - Владимир : Изд-во Владимирского гос. ун-та, 2008. - Т. 1. - С. 30-35.

27. Воскресенский Г. Г. Исследование процессов разрушения уплотнённого снега на покрытиях автомобильных дорог / Г. Г. Воскресенский // Автомобильный транспорт Дальнего Востока - 2008: Материалы четвёртой межрегиональной научн.-практич. конф. - Хабаровск : Изд-во Тихоокеан. гос. ун-та, 2008. -С. 184-190.

28. Воскресенский Г. Г. Коэффициент полезного действия гидропривода мобильных машин цикличного действия / Г. Г. Воскресенский // Политранспортные системы Сибири: Материалы VI Всеросс. НТК : в 2-х ч. - Новосибирск : Изд-во СГУПС, 2009.-Ч. 1. - С. 174-179.

29. Воскресенский Г. Г. Выбор параметров навесного оборудования для разрушения уплотнённого снега на автомобильных дорогах / Г. Г. Воскресенский, А. Г. Воскресенский, Г. М. Вербицкий // Интерстроймех - 2009 : Материалы международной научн.-технич. конф. - Бишкек: Изд-во Кыргызского гос. ун-та строительства и архитектуры им. Н. Исанова, 2009. - С. 134-139.

Авторские свидетельства СССР и патенты РФ

30. Устройство для вибропрессования арболита. Пат. 2162030 Российская федерация, МПК7 В 28 В 3/02,1/04. /Воскресенский Г.Г., Лещинский A.B. - № 99108501/03; заявл. 19.04.1999 ; опубл. 20.01.2001, Бюл. №2 -4с.

31. Скалыватель уплотнённого снега и льда с дорожных покрытий. A.c. 907144 СССР МКИ3 Е 01 Н 5/12. / Г. Г. Воскресенский (СССР). - № 2928902/29 - 11; заявл. 14.04.80; опубл. 23.03.82, Бюл. №7-4с.

32. Устройство для очистки дорог от уплотнённого снега и льда. A.c. 1298285 СССР МКИ3 Е 01 Н 5/12. / Г. Г. Воскресенский (СССР). - № 3979841/31 - 11; заявл. 25.11.83 ; опубл. 23.03.87, Бюл. №11 -2с.

33. Устройство для очистки дорог от уплотнённого снега и льда. A.c. 1298287 СССР МКИ3 Е 01 Н 5/12. / Г. Г. Воскресенский (СССР). - № 401545/31 - И; заявл. 25.11.85 ; опубл. 23.03.87, Бюл. №11 -Зс.

34. Гидравлическое устройство ударного действия. A.c. 1305337 СССР МКИ4Е 21 С 3/20. / Г. Г. Воскресенский (СССР). - № 3979533/22 - 03; заявл. 25.11.85 ; опубл. 23.04.87, Бюл. №15-4с.

35. Машина для очистки дорожных покрытий от уплотнённого снега и льда. A.c. 1310474 СССР МКИ4 Е 01 Н 5/12. / Г. Г. Воскресенский (СССР). - № 4016067/31 - 11; заявл. 31.01.86 ; опубл. 15.05.87, Бюл. №18-2с.

36. Скалыватель уплотнённого снега и льда с дорожных покрытий. A.c. 1370176 СССР МКИ4 Е 01 Н 5/12. / Г. Г. Воскресенский (СССР). - № 401721/31 - 11; заявл. 03.02.86 ; опубл. 30.01.88, Бюл. №4-Зс.

37. Скалыватель уплотнённого снега и льда с дорожных покрытий. A.c. 1418388 СССР МКИ4 Е 01 Н 5/12. / Г. Г. Воскресенский (СССР). - № 4193540/31 - 11; заявл. 11.02.87; опубл. 23.08.88, Бюл. №31 -Зс.

38. Скалыватель уплотнённого снега и льда с дорожных покрытий. A.c. 1477812 СССР МКИ4 Е 01 Н 5/12. / Г. Г. Воскресенский (СССР). - № 4306728/31 - 11; заявл. 15.09.87 ; опубл. 07.05.89, Бюл. №17 -4с.

39. Скалыватель уплотнённого снега и льда с дорожных покрытий. A.c. 1527361 СССР МКИ4 Б 01 Н 5/12. / Г. Г. Воскресенский (СССР). - № 44005019/31 - 11; заявл. 08.04.88 ; опубл. 07.12.89, Бюл. №45 - Зс.

40. Скалыватель уплотнённого снега и льда с дорожных покрытий. A.c. 1523620 СССР МКИ4 Е 01 Н 5/12. / Г. Г. Воскресенский, П. Я. Крауиньш (СССР). - № 4385765/31 -11; заявл. 29.02.88 ; опубл. 23.11.89, Бюл. №43 - Зс.

41. Машина для очистки дорожных покрытий от уплотнённого снега и льда. A.c. 1534133 СССР МКИ5 Е 01 Н 5/12. / Г. Г. Воскресенский (СССР). - № 4405901/31 - 11; заявл. 08.04.88 ; опубл. 07.01.90, Бюл. № 1 - 5с.

42. Рабочий орган скалывателя уплотнённого снега и льда с дорожных покрытий. A.c. 1532643 СССР МКИ4 Е 01 Н 5/12. / Г. Г. Воскресенский (СССР). - № 4405020/31 - 11; заявл. 08.04.88 ; опубл. 30.12.89, Бюл. № 48 - Зс.

Воскресенский Геннадий Гаврилович

НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ РАБОЧЕГО ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ РАЗРУШЕНИЯ УПЛОТНЁННОГО СНЕГА НА АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГАХ

Автореферат диссертации на соискание учёной степени доктора технических наук

Подписано в печать 20.01.2011. Формат 60x84 1/16. Бумага писчая. Гарнитура «Тайме». Печать цифровая. Усл. печ. л. 2,3. Тираж 120 экз. Зак. 34.

Отдел оперативной полиграфии Тихоокеанского государственного университета 680035, г. Хабаровск, ул. Тихоокеанская, 136.

ВВЕДЕНИЕ

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1. Влияние зимней скользкости на безопасность движения транспорта

1.2. Виды зимней скользкости

1.3. Условия образования различных видов зимней скользкости

1.4. Способы борьбы с зимней скользкостью

1.5. Образование снега

1.6. Формирование снежного покрова на покрытиях автомобильных дорог

1.7. Загрязнение уплотненного снега на покрытиях автомобильных дорог

1.8. Образование гололеда на покрытиях автомобильных дорог в течение суток

1.9. Механические свойства снега

1.10. Оборудование для разрушения снежно-ледяных образований

1.11. Современное оборудование, применяемое для очистки дорожных покрытий от уплотненного снега и льда

1.12. Методологические основы создания рабочего оборудования для разрушения уплотненого снега

1.13. Цель и задачи исследований

2. РАЗРУШЕНИЕ УПЛОТНЕННОГО СНЕГА НА ПОКРЫТИЯХ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ МЕХАНИЧЕСКИМ СПОСОБОМ

2.1. Результаты экспериментальных исследований процесса резания уплотненного снега

2.2. Исследование формы тел скольжения

2.2.1. Влияние параметров процесса резания уплотненного снега на продольный угол скола

2.2.2. Влияние параметров процесса резания уплотненного снега на поперечный угол скола

2.3. Влияние параметров резания на глубину внедрения режущей кромки в слой уплотненного снега

2.4. Энергетическая оценка силы резания уплотненного снега

2.5. Энергоемкость процесса резания уплотненного снега

2.6. Разрушение уплотненного снега при внедрении режущего инструмента

Выводы по главе

3. ВИБРОРЕЗАНИЕ УПЛОТНЕННОГО СНЕГА

3.1. Механизм вибрационного резания с колебаниями, определяемыми тригонометрическими функциями

3.2. Выбор параметров процесса виброрезания с гидропульсатором шестеренного типа

3.3. Исследование процесса виброрезания наклонным рабочим органом

Выводы по главе

4. УПРУГИЕ ЭЛЕМЕНТЫ ВИБРАЦИОННЫХ УСТРОЙСТВ И РАБОЧИХ ОРГАНОВ ДЛЯ РАЗРУШЕНИЯ УПЛОТНЕННОГО СНЕГА

4.1. Новые конструкции рабочего оборудования для разрушения уплотненного снега

4.2. Статически определимые упругие системы рабочего оборудования

4.3. Статически неопределимые упругие системы

4.4. Гидравлические вибровозбудители колебаний

4.5. Пульсаторные вибровозбудители насосного типа

4.6. Золотниковые вибровозбудители

4.7. Влияние упругих характеристик на КПД гидросистемы

4.8. Экспериментальные исследования упругих характеристик гидросистемы

Выводы по главе

5. ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК СКАЛЫ ВАТЕ ЛЕЙ УПЛОТНЕННОГО СНЕГА

5.1. Исследование собственных колебаний одномассвого виброскалы-вателя

5.1.1. Исследование статических характеристик гидропривода скалывателя уплотненного снега

5.1.2. Динамические характеристики одномассового скалывателя уплотненного снега с гидроимпульсом шестеренного типа

5.1.3. Исследование одномасового виброскалывателя с вертикальными колебаниями

5.2. Исследование многомассовых скалывателей с вертикальными колебаниями рабочего органа

5.2.1. Исследование колебаний двухмассового виброскалывателя уплотненного снега и льда

5.2.2. Исследование трехмассвого скалывателя с вертикальными колебаниями

5.2.3. Исследование видроскалывателя с кинематическим возбуждением колебаний

5.3. Влияние неровностей поверхности автомобильной дороги на переходные процессы виброскалывателя

5.4. Исследование колебательных режимов гидропривода скалывателя уплотеннног снега

Выводы по главе

6. МЕТОДИКА ВЫБОРА ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ РАЗРУШЕНИЯ УПЛОТНЕННОГО СНЕГА

6.1. Выбор параметров виброскалывателя уплотненного снега с вертикальными колебаниями ножа

6.2. Методика выбора параметров виброскалывателя уплотненного снега с горизонтальными колебаниями ножа

6.3. Экспериментальные исследования опытных образцов оборудования для разрушения уплотненного снега

Выводы по главе

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОБЫ ПО РАБОТЕ

Поиск путей повышения эффективности и производительности снегоуборочных машин остается до настоящего времени актуальной проблемой. Для решения этой проблемы специалистами многих стран по зимнему содержанию автомобильных дорог, транспортных сооружений проведены значительные исследования, которые представлены в материалах 1-го и 2-го Международных симпозиумов по борьбе со снегом и гололедом в г. Ганновере (штат Нью-Гэмпшир; США) в 1970, 1978 гг.

В большинстве работ наибольшее внимание уделено опыту применения, поиску новых химических реагентов и норм их распределения. Поскольку отрицательное влияние применяемых для борьбы со снегом и гололедом химических реагентов на окружающую среду довольно велико, то представляет интерес разработка эффективных способов механического разрушения уплотненного снега на основе высокочастотных импульсных воздействий.

Актуальность работы. В экономике Дальнего Востока роль автомобильных дорог, которые являются фундаментом социально-экономического развития, особенно велика. Для некоторых районов это единственный вид сообщений, позволяющий обеспечить жизнедеятельность населения. Эти положения можно распространить и на другие регионы России. Повышение качества зимнего содержания автомобильных дорог, тротуаров, остановок общественного транспорта позволяет увеличить производительность автотранспорта, объём перевозок, уменьшить износ автомобилей и шин, утомляемость водителей, снизить расход горюче-смазочных материалов, сократить потери от дорожно-транспортных происшествий. Наибольшие затраты по зимнему содержанию городских дорог приходятся на удаление свежевыпавшего и уплотнённого снега. Недостаточное количество снегоуборочной техники и высокая интенсивность снегопадов являются основными причинами образования уплотнённого снега на автомобильной дороге.

Традиционные способы разрушения уплотнённого снега с использованием химических реагентов не соответствуют требованиям, предъявляемым к современным технологиям содержания автомобильных дорог. Учитывая, что отрицательное влияние применяемых для борьбы со снегом и гололёдом химических реагентов на окружающую среду и транспорт довольно велико, представляет интерес разработка эффективных способов механического разрушения уплотнённого снега на основе высокочастотных импульсных воздействий. Контуры механики разрушения уплотнённого снега только намечаются. Изучение процесса разрушения уплотнённого снега связано с большим кругом теоретических и экспериментальных исследований.

Технический прогресс в области создания машин для разработки горных пород и мерзлых грунтов в нашей стране и за рубежом направлен на повышение эффективности воздействия инструмента на разрушаемую среду путём активизации рабочих органов.

Проведённые экспериментальные исследования нескольких типов рабочего оборудования с упругими элементами в виде листовых рессор показали перспективность их использования для создания новой техники совместно с гидроимпульсными системами. Применение упругих элементов даёт возможность сформировать более высокий уровень деформаций и напряжений в зоне контакта лезвия с уплотнённым снегом и повысить эффективность его разрушения.

Целью работы является повышение эффективности зимнего содержания автомобильных дорог, установление закономерностей разрушения уплотнённого снега статическим и импульсным воздействием ножа, исследование режимов движения рабочих органов и разработка научных основ проектирования рабочего оборудования и инженерного расчёта.

Указанная цель определила следующие задачи исследования:

1. Анализ направлений развития современного рабочего оборудования и способов разрушения уплотнённого снега на покрытиях автомобильных дорог.

2. Экспериментальное исследование процессов разрушения уплотнённого снега и установление закономерностей изменения сил сопротивления от параметров рабочего органа и снега.

3. Обоснование параметров рабочего оборудования с минимальной энергоёмкостью процесса разрушения уплотнённого снега.

4. Исследование высокочастотного взаимодействия ножевых рабочих органов со снегом с учётом амплитуды и частоты колебаний ножа и поступательной скорости движения базовой машины.

5. Определение деформационных характеристик рабочих органов с упругими элементами.

6. Разработка математических моделей и исследование динамических характеристик виброскалывателей уплотнённого снега.

7. Разработка инженерной методики проектирования навесного оборудования для разрушения уплотнённого снега.

8. Создание и экспериментальное исследование опытных образцов рабочего оборудования для разрушения уплотнённого снега.

Методы исследования

Для достижения поставленных задач применялись следующие методы: комплексный метод, включающий аналитический обзор и обобщение известного опыта; экспериментальные исследования процесса разрушения уплотнённого снега; теоретические разработки с использованием методов механики; математическое моделирование рабочих процессов динамических систем с целью установления рациональных соотношений параметров рабочего оборудования; экспериментальные исследования опытных образцов в лабораторных условиях и непосредственно на автомобильной дороге.

Научная новизна

1. Разработана методология создания рабочего оборудования с высокочастотным импульсным воздействием лезвий ножей на уплотнённый снег.

2. Получены результаты экспериментальных исследований процесса резания уплотнённого снега, которые представлены регрессионными уравнениями сил сопротивления резанию, углов продольного и поперечного скола частиц срезаемого снега, минимальной глубины внедрения режущего инструмента, при которой происходит скол частицы снега, зависящий от параметров ножа, ширины ножа, глубины резания, температуры и плотности снега.

3. Впервые разработана методика расстановки зубьев на ноже по критерию минимальной энергоёмкости процесса резания и обеспечения качества очистки поверхности покрытия автомобильной дороги.

4. Представлены результаты экспериментальных исследований усилий вертикального внедрения режущего инструмента и плоского прямоугольного штампа в зависимости от угла заострения, ширины, толщины ножа, температуры и плотности снега, глубины внедрения.

5. Изучен процесс импульсного взаимодействия режущей кромки со средой, получивший название «виброрезание», определены траектории движения режущей кромки с различными формами возбуждения колебаний, время и скорость взаимодействия режущей кромки со средой, разработана методика определения амплитуды колебаний режущей кромки с учётом частоты колебаний, скорости поступательного движения базовой машины и минимальной глубины внедрения режущей кромки, которая обеспечивает скол частицы уплотнённого снега.

6. Получены результаты теоретических и экспериментальных исследований перемещений лезвия ножа под действием сил гидротолкателя рабочего оборудования с упругими элементами.

7. Представлена методика определения коэффициента полезного действия гидроимпульсных систем с учётом упругости гидросистемы, объёма рабочей жидкости в напорных магистралях, параметров гидропульсатора и гидротолкателя.

8. Разработаны математические модели движения рабочих органов одно- и многомассовых динамических систем, приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований переходных процессов и изменения положения режущей кромки и давления в гидросистеме, а также амплитудно-частотных характеристик.

9. Предложена методика проектирования рабочего оборудования для разрушения уплотнённого снега.

Ю.Приведены результаты экспериментальных исследований опытных образцов рабочего оборудования.

Практическая значимость

1. На основе теоретических и экспериментальных исследований создано несколько новых типов рабочего оборудования с вертикальными, наклонными и горизонтальными колебаниями режущей кромки.

2. Внедрение результатов исследований даёт возможность проектным организациям определять расчётные нагрузки на рабочем оборудовании, параметры гидроимпульсных систем, оценивать энергоёмкость процессов разрушения и мощность гидропривода.

3. Разработанные математические модели динамических систем рабочего оборудования позволяют установить рациональные соотношения параметров упругих элементов, инерционных масс для широкого частотного диапазона импульсного воздействия рабочих органов.

4. Установлены механизмы импульсного воздействия режущей кромки на уплотнённый снег с учётом скорости поступательного движения базовой машины.

5. Разработанная методика проектирования рабочего оборудования применяется в учебном процессе при изучении дисциплины «Дорожные машины», а также при выполнении выпускных квалификационных работ.

Личный вклад автора состоит в формировании цели и общей идеи работы, в выполнении экспериментальных и теоретических исследований, анализе и обобщении результатов, разработке методики проектирования рабочего оборудования для разрушения уплотнённого снега.

Реализация работы. Рекомендации по проектированию и изготовлению рабочего оборудования приняты заводом «Амурдормаш» в Амурской области, результаты работы используются при разработке математических моделей деформирования вязкоупругого слоя снега, лежащего на жестком основании, внешними динамическими нагрузками в лаборатории «Механика деформируемого твёрдого тела» Института машиноведения ДВО РАН и в лаборатории «Механика сплошных сред» АмГПГУ г. Комсомольска-на Амуре. Изготовлены несколько опытных образцов виброскалывателей уплотненного снега.

Достоверность научных положений, рекомендаций и выводов, изложенных в работе, подтверждается экспериментальными исследованиями опытных образцов в лабораторных и производственных условиях.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на конференциях: научно-технических конференциях ХПИ, ХГТУ, ТОГУ (1980 - 2009г. г.), СибАДИ (1987, 1989 г. г.), международных научно-технических конференциях «Интерстроймех - 2005» (г. Тюмень), «Качество Инновации. Наука. Образование» (г. Омск, 2005 г.), «Проблемы механики современных машин» (г.Улан-Удэ, 2006 г.), «Современные проблемы проектирования и эксплуатации транспортных и технологических систем» (г. Санкт-Петербург, 2006 г.), «Интерстроймех - 2006» (г. Москва), «Интерстрой-мех - 2007» (г. Самара), «Интерстроймех - 2008» (г. Владимир), «Автомобильный транспорт Дальнего Востока» (Хабаровск, 2008 г.), «Политранспортные системы» (г. Новосибирск, 2009 г.), «Интерстроймех - 2009» (г. Бишкек), «Современные технологии, машины и материалы для зимнего содержания автомобильных дорог» (г. Могилёв, 2010 г.), Втором Всероссийском Дорожном Конгрессе (г. Москва, 2010г.). Опытные образцы были представлены на межрегиональных торгово-промышленных выставках в 2002, 2003 г. г. (г. Хабаровск).

Публикации. По теме диссертации опубликованы 1 монография, 29 статьи, в том числе 9 статей в изданиях, рекомендованных ВАК, получено 13 авторских свидетельств СССР и патентов РФ.

Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, библиографического списка, приложений, содержит 301 страницу текста, в том числе 192 рисунка, 30 таблиц. Список литературы включает 122 наименования, приложение изложено на 24 страницах.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

В результате выполненных исследований получены научно-обоснованные технические решения, внедрение которых вносит значительный вклад в развитие экономики страны, заключающийся в создании новых машин, обеспечивающих повышение безопасности движения транспорта и пешеходов на автомобильных дорогах. Основные научные и практические результаты, полученные в процессе теоретических и экспериментальных исследований, состоят в следующем:

1. Установлена зависимость силы сопротивления резанию уплотнённого снега от параметров режущего инструмента, глубины резания, температуры и плотности снега.

2. Форма скалываемых частиц уплотнённого снега, образовавшихся в процессе резания, характеризуется глубиной резания, продольным и поперечным углами скола. Поверхность скола начинается от режущей кромки и определяется шириной ножа, углом резания, поперечным и продольным углами скола.

3. В процессе экспериментов установлено, что для отделения частицы уплотнённого снега от массива необходима минимальная глубина проникновения ножа в снег, которая формирует такое напряженно-деформированное состояние около режущей кромки, которое обеспечивает разрушение снега.

4 Получена зависимость энергоёмкости процесса резания уплотнённого снега от параметров ножа и поверхности скола; установлено, что наименьшая энергоёмкость достигается для ножей с зубьями с минимальной шириной и углами резания.

5. Энергетическая оценка силы резания уплотнённого снега по гипотезе академика П.А.Ребиндера показала, что работа разрушения определяется работой на образование поверхности скола и на формирование объёма внедрения режущей кромки в уплотнённый снег. Основная составляющая силы сопротивления резанию определяется деформируемым объёмом внедрения режущей кромки в уплотнённый снег.

6. Для обеспечения качественной очистки поверхности автомобильной дороги установлена зависимость рациональной расстановки зубьев на ноже.

7. Установлено, что усилия вертикального внедрения острой режущей кромки ножей и прямоугольного штампа определяется параметрами снега, углом заострения, шириной и толщиной лезвия. Процесс внедрения режущей кромки характеризуется практически линейным ростом усилий в зависимости от глубины, а затем наблюдается стабилизация сил сопротивления внедрению.

8. Теоретически обоснован и экспериментально подтвержден критерий, определяющий границу статического и вибрационного резания в зависимости от минимальной глубины внедрения режущей кромки, которая обеспечивает скол частицы уплотнённого снега, амплитуды и частоты колебаний ножа и поступательной скорости базовой машины.

9. Изучены деформационные характеристики рабочих органов и оборудования с упругими элементами. Получены аналитические зависимости перемещения режущей кромки от усилий гидротолкателей.

10. Установлена зависимость коэффициента полезного действия (КПД) импульсного гидропривода с учётом упругости гидросистемы, параметров гидропульсатора и гидротолкателя. В процессе нагнетания рабочей жидкости, энергия, расходуемая на деформацию гидросистемы, безвозвратно теряется при переключении магистралей с гидротолкателями со сливной линией. Снижение КПД может достичь значений 0,1.0,2 в зависимости от частоты колебаний, давления, модуля упругости гидросистемы, объёма рабочей жидкости в нагнетательных магистралях.

11. Разработаны математические модели движения рабочих органов одно-и многомассовых динамических систем, определены частотные диапазоны перемещений режущей кромки и давлений собственных и вынужденных колебаний, экспериментальными исследованиями подтверждена адекватность математических моделей. Установлено, что активные нагрузки оказывают основное влияние на уровень давлений в гидросистеме, а перемещения режущей кромки изменяются в меньшей степени.

12. Решена задача определения динамических характеристик процесса копирования рабочим оборудованием неровностей на автомобильных дорогах типа «люк» и тригонометрических функций. Установлено, что процесс копирования неровностей происходит с сохранением среднего уровня перемещений и колебаний давления в гидросистеме.

13. Разработана методика проектирования рабочего оборудования с минимальной энергоёмкостью процесса разрушения уплотнённого снега.

14. Экспериментальная проверка работы опытных образцов показала эффективность импульсного разрушения уплотнённого снега на автомобильных дорогах.

Экономический эффект определяется годовой экономией от снижения эксплуатационных завтрат за счет повышения производительности разрушения уплотненного снега.

1. Алимов О.Д., Дворников Л.Б. Бурильные машины. М.: Машиностроение, 1976.-295с.

2. Андронов A.A., Витт A.A., Хайкин С.Э., Теория колебаний, М.: Физматгиз, 1959-726 с.

3. Артемьев К.А. Основы теории копания грунта скреперами. Свердловск: Урало-Сибирское отделение машгиза. 1963. — 128 с.

4. Бабаков И.М., Теория колебаний. 2-е изд. М. Наука, 1968. 559 с.

5. Баладинский В. Л. определение энергоемкости процесса резания грунтов повышенной крепости вибрирующим рабочим органом. В кн. Горные, строительные и дорожные машины (Межвед. Республ. научно-техн. сборник), №1, Изд-во «Технша» 1965. с. 38-43.

6. Баранов Л.И., Глатман Л.Б. Контактная прочность горных пород. М.: Недра, 1966.-255с.

7. Барон Л.И., Глатман Л.Б., Губенков Е.К. Разрушение горных пород проходческими комбайнами. М.: Наука, 1968.-216с.

8. Бауман В.А., Быховский И.И. Вибрационные машины и процессы в строительстве, М.: Высшая школа, 1977.-255с.

9. Бидерман В.Л. Прикладная теория механических колебаний. Учебное пособие для вузов. М.: Высшая школа, 1972.-416с.

10. Блохин B.C. Теория процесса разрушения горных пород при бурении скважин. Днепропетровск, ДИСИ, 1979. 186 с.

11. Борьба с зимней скользкостью на автомобильных дорогах./ Бялобжеский Г.В., Дербенева М.М., Мазепова В.И., Рудаков Л.М. М.: Транспорт, 1975. -112 с.

12. Варсанофьев В.Д., Кузнецов О.В. Гидравлические вибраторы Л. Машиностроение (Ленинград, отделение), 1979 — 144 с.

13. Ветров Ю.А. Резание грунтов землеройными машинами. М.: Машиностроение, 1971.-360 с.

14. Вибрации в технике: Справочник. В 6-ти т. /Ред. совет: В.Н. Челомей (пред). -М.: Машиностроение, 1978-Т.1 . Колебания линейных систем /Под редакцией В.В. Болотина. 1978.-352с.

15. Вибрации в технике: Справочник. В 6-ти т. /Ред. совет: В.Н. Челомей (пред.). -М.: Машиностроение, 1981,- Т.4. Вибрационные процессы и машины./ Под редакцией Э.Э. Лавендела. 1981 .-509с.

16. Вибрации в технике: Справочник. В 6-ти т. / Ред. совет: В.Н. Челомей (пред.). -М.: Машиностроение, 1981-Т.5. Измерения и испытания. Под редакцией М.Д. Генкина 1981. -496с.18.19,20.21,22,23,24,25,26