автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.04, диссертация на тему:Обоснование параметров процесса резания снега плужным рабочим органом малогабаритного снегоочистителя

На правах рукописи

Закиров Марат Фанилевич

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССА РЕЗАНИЯ СНЕГА ПЛУЖНЫМ РАБОЧИМ ОРГАНОМ МАЛОГАБАРИТНОГО СНЕГООЧИСТИТЕЛЯ

Специальность: 05.05.04 - Дорожные, строительные и

подъемно-транспортные машины

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005018767 3 МАП Ш1

Москва-2012

005018767

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Ижевский государственны? технический университет имени М.Т. Калашникова» на кафедр «Строительные и дорожные машины».

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Баранчик Виталий Павлович Официальные оппоненты: Густов Юрий Иванович

доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО «МГСУ», профессор кафедры механического оборудования, деталей машин, технологии металлов

Белоцерковский Григорий Михайлович, кандидат технических наук, доцент, ООО «Экомтех-Трейдинг», генеральный директор Ведущая организация: Институт механики УрО РАН,

г. Ижевск

Защита диссертации состоится «17» мая 2012 г. в «часов н заседании диссертационного совета Д 212.126.02 ВАК РФ пр ФГБОУ ВПО «Московский автомобильно-дорожный государствен ный технический университет (МАДИ)» по адресу: 125319, г. Москв Ленинградский проспект, д.64, ауд.42. Телефон для справок (499) 155-93-24 С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МАДИ. Объявление о защите диссертации и автореферат размещены н официальном сайте Московского автомобильно-дорожного государ ственного технического университета (МАДИ): http://www.madi.ru

Отзывы на автореферат в двух экземплярах с подписью, заверен ной печатью организации, просим направлять в адрес диссертацион ного совета. Копию отзыва просим прислать на e-mail uchsovet@madi.ru

Автореферат разослан апреля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, профессор

Борисюк/

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Зимнее содержание тротуаров и придомовых территорий, составляющих до 80% от общей площади жилого района, остается нерешенной проблемой городов и сельских населенных мест. Если содержание автомобильных дорог обеспечивается снегоочистителями на базе автомобилей и колесных тракторов, то механизированная уборка снега с тротуаров и остановок общественного транспорта практически отсутствует. Это объясняется отсутствием парка малогабаритной снегоуборочной техники, отвечающей технологическим требованиям и организации работ предприятий жилищно-коммунального хозяйства (ЖКХ), и отсутствию исследований в этой области. Анализ параметров немногочисленных образцов малых снегоочистителей отечественного и зарубежного производства, а также -трудоемкости работ показывает, что снижение энергоемкости возможно лишь на основе использования особенностей механических свойств снега - слабым сопротивлением растяжению. Тем более, что образованию растягивающих напряжений способствуют конусообразные уплотненные ядра из сжатого снега, возникающие при движении отвала.

Попытки применения теории предельного состояния сыпучих сред к разрушению машинами не получили должного продолжения, несмотря на известную фундаментальную поправку профессора А.Н. Зеленина в отношении методики построения огибающей предельных кругов Мора для целого ряда анизотропных материалов. Применительно к снегу, такие исследования не проводились.

В работе предложен новый подход к выбору угла резания плужной снегоуборочной машины, основанный на отслеживании вертикальной составляющей усилия резания и сравнении его с требуемым.

Цель работы: снижение энергоемкости процесса резания снега плужным рабочим органом малогабаритного снегоочистителя, путем создания оптимального по энергозатратам предельного напряженного состояния (ПНС) с наличием растягивающих напряжений в призме волочения, идентифицируемого по доле вертикальной составляющей в общем сопротивлении резанию.

Задачи исследования: • проанализировать особенности технологии зимнего содержания тротуаров и остановок общественного транспорта, оказывающие

влияние на параметры и конструкцию малогабаритных снегооч стителей;

• сформулировать требования к конструкции и определить огран чения на параметры малогабаритных снегоочистителей, пригодны для использования в службах ЖКХ;

• определить граничные ПНС, соответствующие представительны видам и состояниям снега;

• ' разработать математическую модель, позволяющую определя

параметры ПНС по значениям усилий на отвале;

• определить реализуемые при работе малогабаритного плужног снегоочистителя ПНС и построить соответствующие круги Мора;:

• проанализировать параметры полученных предельных кругов М ра и определить внешние идентификационные показатели опт мального ПНС;

• создать базу данных о ПНС снега при соответствующих параме pax резания снега плужным рабочим органом малогабаритног снегоочистителя;

• разработать методику применения базы данных о прочности снег для определения оптимального угла резания. 1

Объект исследования - процесс резания снега плужным раб чим органом малогабаритного снегоочистителя.

Предмет исследования - связь ПНС снежной призмы волочени с параметрами резания снега плужным рабочим органом малогаб ритного снегоочистителя.

Научная новизна:

- предложен новый подход к выбору режима резания снега плу> ным рабочим органом малогабаритного снегоочистителя, позволя щий существенно снизить энергоемкость процесса резания, за сче использования особенностей механических свойств снега, основа ный на использовании текущей информации о сопротивлении на р бочем органе;

- получены предельные круги Мора и их огибающие, определен пространство существования реальных ПНС для представительны состояний снега;

- разработана математическая модель процесса резания снег плужным рабочим органом, отличающаяся тем, что угол внутреннег трения рассматривается как мгновенное значение реакции среды н

нешнее воздействие в данный момент времени, что позволяет опре-елять не усредненное, а текущее значение оптимального угла реза-ия.

Практическая ценность работы: снижение энергоемкости ра-очего процесса малогабаритного снегоочистителя, за счет оптималь-ого угла резания и возможности оптимального управления рабочим рганом; создана база данных о ПНС представительных состояниях нега.

Реализация результатов работы:

- опытные образцы малогабаритных снегоочистителей с плуж-ым рабочим органом, спроектированные с применением результатов сследования и созданной базы данных о ПНС снега, применяются в У «Управтодор» г. Ижевск;

- паспорт на объект НОУ-ХАУ «База данных о предельных наряженных состояниях снега» является руководящим материалом ма-ого инновационного предприятия ИжГТУ;

- результаты диссертационного исследования используются в чебном процессе ФГБОУ ВПО «ИжГТУ имени М.Т. Калашникова»

при курсовом и дипломном проектировании по специальности 270113 «Механизация и автоматизация строительства», при подготовке бакалавров по направлению 270800 «Строительство» и магистров по программе 270800.68-14 «Комплексная механизация строительства».

На защиту выносятся:

- новый подход к выбору оптимального режима резания снега плужным рабочим органом малогабаритного снегоочистителя, основанный на оптимальном использовании механических свойств снега путем отслеживания и сравнения текущих значений составляющих силы сопротивления на отвале, с координатами точек предельной огибающей кругов Мора;

- результаты экспериментального исследования и предельные круги Мора, определяющие пространство существования ПНС для представительных состояний снега;

- математическая модель процесса резания снега плужным рабочим органом малогабаритного снегоочистителя, отличающаяся тем, что угол внутреннего трения рассматривается как мгновенное значение реакции среды на внешнее воздействие в данный момент времени, что позволяет с помощью созданной базы данных определять не

усредненное, а текущее значение оптимального угла резания.

Методы исследований, достоверность и обоснованность результатов. В работе использованы теоретические и экспериментальные методы исследования. Решения задач базируются на экспериментальных данных и известных теоретических положениях сопротивления материалов, теории упругости и пластичности, механики сыпучих сред, математического моделирования и теории подобия. Достоверность научных положений подтверждается корректностью применения апробированного математического аппарата обработки результатов исследования, адекватностью расчетных значений по известным критериям оценки изучаемых процессов, использованием известных положений фундаментальных наук, достаточным объемом экспериментов, проведенных на лабораторном стенде с использованием поверенных приборов и оборудования, согласованностью аналитических расчетов с экспериментальными данными, результатами эксплуатации созданных опытных образцов снегоочистителей.

Апробация работы: Основные положения работы докладывались и получили положительную оценку на научных форумах: МНТК «Материалы, оборудование и ресурсосберегающие технологии» (г. Могилев, Беларусь, БРУ, 2007 г.); МНТК «Интерстроймех» (г. Самара, СГАСУ, 2007 г.; г. Владимир, ВлГУ, 2008 г.; г. Бишкек, Киргизия, КГУСТА, 2009 г.; г. Белгород, БГТУ, 2010 г.; г. Могилев, Беларусь, БРУ, 2011 г.); МНПК «Мехатроника строительных и дорожных машин» (г. Харьков, Украина, ХНАДУ, 2007 г.); МНТК «Стройком-плекс» (г. Ижевск, ИжГТУ, 2008 г., 2010 г.); ВНПК «Проблемы эксплуатации систем транспорта» (г. Тюмень, ТюмГНГУ, 2009 г.); МНПК «Проблемы функционирования систем транспорта» (г. Тюмень, ТюмГНГУ, 2010 г.); ВНПК «Проблемы функционирования систем транспорта» (г. Тюмень, ТюмГНГУ, 2011 г.); на расширенных заседаниях кафедр «Строительные и дорожные машины» ИжГТУ (г. Ижевск, 2011 г., 2012 г.), «Транспортные и технологические системы» ТюмГНГУ (г. Тюмень, 2011 г.), «Дорожно-строительные машины» МАДИ (г. Москва, 2012 г.).

Опытные образцы малогабаритных снегоуборочных машин представлялись на выставках и были отмечены дипломами: инновационный проект «Малая коммунальная машина для содержания внутри-квартальных территорий» награжден дипломом 1-ой степени V вы-

ставки-сессии инновационных проектов студентов и молодых ученых (г. Ижевск, ИжГТУ, 2007 г.); инновационный проект «Проектирование малогабаритной снегоуборочной техники для жилищно-коммунального хозяйства» награжден дипломом 1-ой степени VII выставки-сессии инновационных проектов студентов и молодых ученых (г. Ижевск, ИжГТУ, 2009 г.); рекомендации по эксплуатации и образцы малогабаритных плужных снегоочистителей, созданные по результатам настоящего исследования, в течение ряда лет используются коммунальными службами ГУ «Управтодор» г. Ижевск.

Публикации. По теме диссертационного исследования опубликовано 20 печатных работ, в том числе 3 работы опубликованы в изданиях, рекомендованных перечнем ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения,.5 глав, заключения, общих выводов и рекомендаций, списка литературы из 133 наименований, 7 приложений. Общий объем работы составляет 181 страницу, в том числе основной текст составляет 140 страниц, 52 рисунка и 27 таблиц.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы, сформулирована цель и определены задачи исследования, научная новизна и практическая значимость результатов. Дана краткая характеристика рассматриваемых вопросов и подходов к их решению.

Показано, что проблема зимнего содержания тротуаров и остановок общественного транспорта может быть решена путем создания малогабаритных цлужных снегоочистителей массой до 100 кг, развивающих тяговое усилие 200-250 Н, что соответствует предельным возможностям колесного движителя по сцеплению. Для повышения сцепного веса необходимо минимизировать вертикальную составляющую силы сопротивления резанию, которая не только снижает реализуемую силу тяги по сцеплению, но и увеличивает энергоемкость процесса, так как полезную работу совершает лишь горизонтальная составляющая силы сопротивления, уравновешиваемая силой тяги. Задача состоит в создании такого ПНС, реализуемого рабочим органом, при котором, при сохранении величины горизонтальной составляющей, минимальна вертикальная составляющая суммарного сопротивления. Вероятно такое «оптимальное», с позиции разруше-

ния, ПНС может быть реализовано при достаточно большом числ различных углов резания и толщин стружки, и для каждого ПНС мо жет быть построен свой предельный круг Мора. Минимум энерги разрушения соответствует наименьшему из предельных кругов Мора при условии постоянства механических характеристик снега в про цессе деформирования рабочим органом машины. Однако механиче ские характеристики снега сложным образом зависят от температуры которая рекуперативным образом связана с внешним и внутренни трением. Учитывая это обстоятельство, была принята соответствую щая гипотеза.

В первой главе проведен обзор исследований в области проек тирования снегоуборочной техники, технологии зимнего содержани городских территорий, механических свойств снега, теории предель ного состояния сыпучих сред, моделирования процессов взаимодей ствия рабочих органов машин со средой. Исследования по несуще способности, зимнему содержанию автомобильных дорог, проектиро ванию снегоочистителей и механике разрушения анизотропных сред многофазных материалов, снега и льда проводили Баловнев В.И., Бе лоцерковский Г.М., Воскресенский Г.Г., Густов Ю.И., Ермилов А.Б. Иванов А.Н., Карабан Г.Л., Карнаухов H.H., Куляшов А.П., Кустаре Г.В., Мерданов Ш.М., Никулин П.И., Шалман Д.А и другие ученые, работах А.Н. Зеленина, В.И. Баловнева, Е.И. Берестова, Д.П. Волкова A.M. Холодова, А.К. Артемьева и других ученых, установлена каче ственная общность процесса разрушения мерзлых грунтов, снега льда. Механические свойства снега исследовались в основном с пози ции лавиноопасности. Известны исследования механических свойст снега, проведенные в институте мерзлотоведения РАН, лаборатори снежных лавин МГУ, МАДИ, ТюмГНГУ (Тюмень), СибАДИ (Омск) НГТУ (Нижний Новгород). Многочисленные сведения о механиче ских свойствах снега, особенностях деформирования и разрушения оценке параметров уплотнения, обобщены К.Ф. Войтковским. Из за рубежных исследователей известны Д. Грей, Д. Мэйл, М. Мэллор 3. Иосида, Г. Рихтер и другие. В частности, 3. Иосида отмечает нали чие в сжимаемом объеме снега зон упругости и пластичности; прева лирующее влияние угла резания на положение главной площадки возможность резонансов в системе «рабочий орган — снег» роторног снегоочистителя, приводит факт двукратного увеличения сопротив

ления на отвале при высоких скоростях резания. Однако в основе расчетов лежит усредненное значение удельного сопротивления резанию, определяемое экспериментально и нивелирующее физические основы процесса разрушения. В работах МАДИ, ТюмГНГУ, СибАДИ, НГТУ прослеживается тенденция применить для расчета рабочих сопротивлений и параметров рабочих органов теорию предельного напряженного состояния сыпучих сред с использованием комбинированного физико-математического моделирования. Такой подход открывает возможность распространить частные решения на весь спектр рабочих сред, типоразмеров рабочих органов и режимов их взаимодействия со средой. Однако, поскольку снег не имеет длительного предела прочности на растяжение, подходы требуют ввода соответствующих поправок.

Вторая глава посвящена анализу процесса резания снега плужным рабочим органом. Выдвинута рабочая гипотеза, основные положения которой состоят из двух основополагающих тезисов: процесс резания снега отвалом сопровождается непрерывными сколами тел скольжения и скачками составляющих силы сопротивления; внешнее и внутреннее трение снега непрерывно меняется в процессе движения рабочего органа, вследствие влияния температуры, поэтому значения составляющих силы сопротивления резанию, радиусы кругов и углы наклона касательных к кругам Мора, в каждый момент времени и для разных типов напряженных состояний различны.

Углы внешнего и внутреннего трения, согласно принятой гипотезе, изменяются в процессе резания, поэтому меняется и соотношение их составляющих.

Круг 1 (рис. 1) и соответствующее ПНС является оптимальным. Реализовано оно может быть только при определенных значениях угла резания и толщины стружки. Определение их значений и составляет задачу идентификации. Угол резания и толщина стружки теоретически являются управляемыми параметрами процесса резания. Однако технологически единственно возможным управляемым параметром является только угол резания,..так как стружка должна быть срезана за один проход машины, независимо от высоты снежного покрова. Из рисунка 1 следует, что круг 1 (ПНС1), имея минимальный радиус и ог > О и полученный по пиковым экспериментальным значениям Рв и Рг, при соответствующем ср, должен, согласно принятой ги-

потезе, соответствовать минимальной энергоемкости процесса.

напряженного состояния

Третья глава посвящена экспериментальной проверке выдвинутой рабочей гипотезы. Проведено планирование эксперимента, описаны порядок и особенности проведения измерений составляющих силы сопротивления, определены значимые факторы и необходимое количество опытов при доверительной вероятности 0,9. Эксперимент проводился в естественных условиях на специально спроектированном и изготовленном лабораторном стенде «грунтовый канал» (рис. 2). Конструкция стенда позволяет определять горизонтальную, вертикальную и боковую составляющие сопротивления снега при различных условиях резания и физико-механических свойствах снега.

Рис. 2. Лабораторный стенд «грунтовый канал»

r-

11

Показания с тензометрических датчиков снимались при помощи 8-ми канального тензометрического аналого-цифрового преобразователя «Ь-Сагс1» - ЬТК-212, подключенного к ПК, и регистрировались программой PowerGraph.

Рис. 3. Характерный вид исходной осциллограммы

Обработка данных проводилась при помощи программного обеспечения PowerGraph, а также в стандартной среде Microsoft Office

Excel 2007. Компьютерные осциллограммы обрабатывались по пико-I вым и средним значениям (рис. 3). Было обработано примерно 300 парных точек. По парным значениям горизонтальной и вертикальной составляющих усилия резания снега в определенный момент времени (момент скола), т.е. при определенном объеме призмы волочения, по, еле расчетов, выполненных в Mathcad 14 и Excel, были построены около 300 кругов Мора для соответствующих ПНС. Графические построения выполнялись при помощи графического редактора КОМ-ITAC-3D V10.

Четвертая глава посвящена разработке математической модели процесса резания снега плужным рабочим органом малогабаритного снегоочистителя, отражающей энергетические затраты. В соответствии с поставленной целью, математическая модель связывает составляющие внешнего сопротивления на рабочем органе с параметрами ПНС в момент отделения тела скольжения от массива. При разработке математической модели учитывался опыт моделирования резания и копания грунтов. В частности, уменьшение угла сдвига при наполнении ковша скрепера, отмеченное В.И. Баловневым и в работах ученых школы СибАДИ, является следствием увеличения внутреннего трения. Трение всегда связано с температурой, которая для снега являет-

ся доминирующим фактором. Стохастический характер изменения угла внешнего трения <р по времени (рис. 4) свидетельствует о непрерывном изменении физико-механических характеристик снега в процессе взаимодействия с отвалом. ____________________________

а

о.

шч

1Ш

II 1

щ

мм; а=35 град Ь-25 мм; а=45 град «"»»"м Ь=25 мм; а=55 град мм; а=35 град «"•Ь'Ь™ И=50 мм; а=45 град И=50 мм; а=55 град «ШвШстЖ И=70 ММ; Э=35 ГрЭД ИКЮф^ ^=70 ММ; Э=45 ГрЭД Ь=70 мм; а=55 град

11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45

ПС

Рис. 4. Изменение угла внешнего трения (р в процессе установившегося движения рабочего органа (снег у = 400 кг/м )

Поэтому худший случай ПНС соответствует максимальному объ ему призмы волочения. В качестве допущения было принято, что в каждый момент времени сила взаимодействия отклоняется от нормали к площадке сдвига на угол трения.

Расчетная схема сил при резании (рис. 5) включает силу Я, направленную к нормали ножа под углом ср, и силу С давления.

Рис. 5. Схема сил при резании снега

Согласно закону Кулона для сыпучей среды со сцеплением, касательная составляющая силы Е включает силу сцепления, равную силе, которую надо приложить к неподвижному телу скольжения, перед началом его сжатия, в момент, когда а = 0. В настоящее время не существует метода раздельной оценки величин сцепления и трения. Если рассматривать трение как микросдвиги под действием а, то силы сцепления физически схожи с силами трения, и всякое изменение давления сказывается на трении и на сцеплении микрочастиц. Поэтому сила С, действующая вдоль площадки сдвига, состоит из мгновенной силы сцепления Смгн и касательной составляющей силы Е.

Проектируя силы на оси x,z, после преобразования получим уравнения связи составляющих активных сил с реакцией Е и ее угловой координатой р.

(Е • (cosa + sinp • sin(a + р)) + Смгн • sin(a + р) = Рг Í.E • (sina - sinp • cos(a + р)) - Смг„ • cos(a + р) = -Рв + G где: Смгн - мгновенная сила сцепления, СМП! = с0 • Рсдв;

с0 - удельное значение мгновенной силы сцепления, отнесенной

к единице площади сдвига, зависящее от состояния снега. Составляющие силы R находятся по формулам: (Рв = R - cos (а + ср), { PT = R- sin(a + <р) Напряжения на площадке сдвига:

' ' Я-cosp

(2)

* • (3)

, _ Я-БШр у ' , Тф — Со + .77:-

^ т ^сдв

где: Рсдв - площадь сдвига, Рсдв = — .

Радиус- круга Мора вычисляется до формуле: л ;,,, Гг - л/сг2 + г2 - -тг—

31п2тр

к °V»

Сила С давления снега призмы волочения принимается равной:

С = 0,5 • Ь ■ К • I • у, (5)

где: I - путь резания; у - плотность снега.

Уравнения (1-5), являются математической моделью процесса ре-

(4)

зания. Они позволяют определить внутренние усилия, угол внутрен него трения и параметры ПНС по значениям составляющих силы Я Если на вход модели подать пиковые значения усилий на рабочем ор гане, взятые из осциллограммы, то на выходе модели имеем соответ ствующую реакцию среды и точку с координатами, определяемым по формуле (3) на предельном круге Мора. При этом модель, согласн теории подобия, в некотором масштабе отражает реальную зависи мость ПНС от внешнего воздействия при заданных значениях Рв, Рг а, (р, то есть является адекватной.

Принципиальная особенность разработанной математическо модели резания снега состоит в том, что на выходе модели мы полу чаем текущее значение угла внутреннего трения, соответствующе пиковым значениям Рв/Я.

Большие сдвиги соответствуют пиковым значениям Рв/Я и син хронным значениям угла внешнего трения (р. Каждый большой сдви характеризуется своим углом гр сдвига, углом внутреннего трения р напряжениями а, т, по которым были построены около 300 предел ных кругов Мора и их огибающие (рис. 6).

Т, 10 -Па

а, 10 -Па

а=93,бн

0=140.4 н

0=119,6 н

р =-31,4'

Рис. 6. Предельные круги Мора: снег плотностью 400 кг/м3, а =45°, к =50 мм (температура -6...-2°С)

Оптимальные режимы соответствуют минимальным радиуса

кругов Мора, что является подтверждением принятой рабочей гипотезы.

Пятая глава посвящена применению результатов исследования при проектировании и эксплуатации малогабаритных плужных снегоочистителей. Для обоснования оптимальных режимов исследовано влияние давления призмы на сопрот ивление резанию и на параметры ГШС (рис. 7).

с

и

Ш.1

й '/У*!*''' " ''" ■4^'

104

125

146

в, н

166

192

— мм; а=35 град

— И=50 мм; а=45 град ■ И=50 мм; а=55 град

Рис. 7. Влияние давления призмы волочения на радиус предельного круга Мора (снегу = 400 кг/м )

С увеличением давления сила сопротивления резанию и радиус предельного круга Мора растет, наибольшее главное напряжение уменьшается, а внутреннее трение колеблется неопределенным образом. Следует отметить наличие растягивающих напряжений во всех ¡случаях, когда Рв/Я близки к минимуму.

Энергоемкость рабочего процесса в кВт-час/м3 равна:

Э =

д-г

3600-к-Ь-

(6)

где: I - путь резания, м.

При постоянной ширине отвала энергоемкость Э процесса прямо

а

пропорциональна отношению -, которое следует считать критерием

оптимальности режима резания. Остальные показатели процесса р, а1, г, т, тр, Рв/Я - являются косвенными, указывающими лишь бли-

зость к оптимуму. Каждому значению ^ отвечает определенное сочетание косвенных показателей оптимальности. Среди косвенных показателей единственным внешним идентификатором режима является величина Рв/Я. Для оценки диапазона устойчивости оптимального

режима, вычислены величины - и соответствующие им значения Рв/Я, при минимальном и при максимальном давлении в. Затем были определены пределы оптимальных значений (Рв/Ю<^ и оптимального угла резания аор1 . Анализ показал, что минимум Рв/Р не всегд соответствует минимуму Это объясняется тем, что среди влияю

щих на процесс параметров есть такие, влияние которых взаимн противоположно. Таким образом, оптимальные режимы соответству

ют (-) , а идентифицируются по Рв/Р. В таблице 1 приведены зна

чения (-) и идентифицирующие их значения {Рв/Я)орь а также

соответствующие значения энергоемкости, коэффициента сопротив ления резанию к°которые являются оптимальными. Для сравнени приведены номинальные значения принимаемые в настояще

время при проектировании.

Таблица

Энергоемкость и коэффициент сопротивления резанию снега _при оптимальных режимах____

К мм я, н © • кН/м ^орс Э • 10~4, 7 кВт-час/м кт "-рез > кПа 1 норм '^рез кПа

Снег у = 400 кг/м3

25 87,13 3,48 0,53 12,08 4,36

50 147,44 2,95 0,29 10,24 3,69 8

70 224,93 3,21 0,25 11,14 4,02

Снег у = 550 кг/м3

,25 186,85 7,47 0,39 25,94 9,34

50 222,31 4,45 0,39 15,44 5,56 25:

70 378,05 5,40 0,34 18,75 6,75

Из таблицы следует, что возможно ПНС, при котором энергоем

кость снизится в 1,83+2,17 раз для снега у = 400 кг/м3 и в 2,68+4,50 раз для снега у = 550 кг/м3. Такие предельные состояния реализуются при соответствующем, известном из опыта оптимальном угле резания, и идентифицируются по значению (-¿Ч . При работе снегоочистителя значения PB/R непрерывно меняются. Необходимо так изменять угол резания по времени, чтобы текущее значение PB/R было

максимально близко к (—) . Исследование результатов экспериментов показало, что при одном и том же угле резания возможны ПНС, близкие к оптимальным (рис. 8-10).

.«. град

—I — I---Г

I I I

-J__I__

—(— н/ч--1

I I

1---г

I

1---1—1---1

I I I I

1___I__1___I

I

i—I 1—I

а. град

1---Г

_L

И <U 0,2 0,3 . 0.4 (1,5

0,6 0.7

4-12.08-10 4 кОт-ч/м'

РЛ

О 0,1 11.2 0,3 0,4 0.5 0.6 0.7 ■)-25Л410"' кПх-чы'

РЛ

а) б)

Рис. 8. Оптимальные углы резания снега при стружке h =25 мм (а - снег у = 400 кг/м3; б - снег у = 550 кг/м3)

«, град

55 45

1 35

"Г __I-

—( •1

"I---г

I I

.1___I,

I I I I

и-ь

I I I I -|—I* I I J-L

•1---1

I

■1---1

1

Н--1--\---1

г-—I

I

Т---1

О (1.1 0.2 0,3 0.4 11.5 O.ft 0.7 р 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0,6 0.7

Ч-Ш^Д-т^кПг-п/м1 .' ' 1-|5.42|о'кВгч/м'

а) б)

Рис. 9. Оптимальные углы резания снега при стружке h =50 мм (а - снег у = 400 кг/м3; б - снег у = 550 кг/м3)

РЛ

а, град

а. град

PrJR

Ч-П.Ы-ie"4 Klii 'i/M1

а)

»=1S,75-10'' k'Hri/MJ

б)

Рис. 10. Оптимальные углы резания снега при стружке h -70 мм (а - снег у = 400 кг/м3; б - снег у = 550 кг/м3)

На графики нанесены точки, соответствующие минимуму энерг« емкости. При отклонении текущего значения PB/R от Угол Р

зания должен быть изменен в ту или иную сторону, чтобы прибл зиться к Г—) соответственно графику, т.е. ломаные линии на р

сунках 8-10 можно считать законом оптимального управления угле резания по возмущению PB/R. Результаты исследования реализовав в виде опытных образцов малогабаритного плужного и плужн щеточного снегоочистителей (рис. 11, 12), доказавших свою эффе тивность при работах по зимнему содержанию тротуаров и останов? общественного транспорта в г. Ижевске.

Рис. 11. Опытный образец малогабаритного плужного снегоочистителя МКМ-100

а) б)

Рис. 12. Опытный образец малогабаритного плужно-щеточного снегоочистителя МКМ-200: (а - общий вид; б - сменный рабочий орган)

Для сравнения в таблице 2 представлены технико-экономические показатели опытного образца МКМ-100 и выпускаемого снегоочистителя на базе Нева МБ-2Б.

Результаты соответствуют снегу плотностью 550 кг/м\ высота удаляемого слоя снега 50 мм.

Таблица 2

Технико-экономические показатели малогабаритного снегоочи-

стителя

Показатель Значение

МКМ-100 Нева МБ-2Б

Тип рабочего оборудования плужное плужное

Номинальная мощность двигателя, кВт 4,0 4,4

Масса снегоочистителя, кг 75 108

Ширина очищаемой полосы, м 0,8 1,0

Угол резания снежного плуга, град 35-55 45

Максимальное тяговое усилие, кН

- по двигателю 3,06 3,37

- по сцеплению колес 0,22 0,32

Удельное сопротивление резанию и копа-

нию реализуемое, кПа 5,56 25,0

Мощность, затрачиваемая на резание и 0,25 1,39

копание, кВт

Техническая производительность, м /час 160 50*

Энергоемкость рабочего процесса, кВт-ч/м3хЮ"4 15,4 277,8

*стружка толщиной 50 мм снимается за 4 прохода машины из-за ограничения тяги по сцеплению колес.

Опытные образцы снегоочистителей демонстрировались на Республиканских выставках-сессиях студентов, аспирантов и молодых ученых, проводившихся в 2007, 2009 годах, награждены Дипломами 1 степени. База данных о ПНС снега, в основе которой лежат полученные графические зависимости aopt = f(PB/R), применяется при эксплуатации малогабаритных плужных снегоочистителей в ГУ «Управ-тодор» г. Ижевск.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ, ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

Предложен новый подход к выбору режима резания снега плужным рабочим органом малогабаритного снегоочистителя, позволяющий существенно снизить энергоемкость процесса резания, за счет использования особенностей механических свойств снега и основанный на использовании текущей информации о сопротивлении на рабочем органе.

Из проведенного исследования следуют общие выводы:

1. Особенность технологии зимнего содержания тротуаров и остановок общественного транспорта диктует необходимость применения малогабаритных плужных снегоочистителей массой до 100 кг и тяговым усилием порядка 200 Н.

2. Представительными видами и состояниями снега, определяющими максимальное сопротивление на рабочем органе, можно считать сухой мелкозернистый слежавшийся снег плотностью 400 кг/м3 при температуре -6 ...-10 °С и влажный снег плотностью 550 кг/м3 при температуре -2 ... 0 °С.

3. В процессе резания снега плужным рабочим органом внешнее и внутреннее трение изменяется в десятки раз, поэтому существующие методики, основанные на постоянстве сопротивления резанию, не отражают действительных затрат энергии.

4. Реализуемые плужным рабочим органом ПНС, представленные в виде предельных кругов Мора, позволяют определить оптимальное, при данном угле внутреннего трения, положение площадки сдвига.

5. Положение предельного круга Мора относительно оси касательных напряжений, определяется касательной, проведенной через точку сцепления снега под углом внутреннего трения.

6. Минимум энергоемкости процесса резания снега плужным ра-

бочим органом соответствует наименьшему из предельных кругов Мора, расположенном под их огибающей.

7. Математическая модель процесса разрушения снега плужным рабочим органом позволяет, при данном угле резания, идентифицировать оптимальное ПНС по составляющим усилия на отвале.

8. Предельные круги Мора, построенные по экспериментальным точкам, содержат растягивающие напряжения, чем подтверждаются принятая гипотеза разрушения снега плужным рабочим органом и адекватность математической модели.

9. Минимальные значения относительных вертикальных усилий по углу резания, полученные экспериментально, являются базой данных об оптимальных ПНС и реализующих их углах резания, для данного вида и состояния снега.

10. Использование методики проектирования и базы данных об оптимальных углах резания снега позволяют снизить энергоемкость процесса резания в 1,83-4,5 раза.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих

работах:

В изданиях, рекомендованных перечнем ВАК:

1. Баранчик В.П., Закиров М.Ф. Исследования сопротивления резанию снега малогабаритным плужным снегоочистителем // Механизация строительства. -2009. -№11. - С. 16-18.

2. Баранчик В.П., Закиров М.Ф. Определение сопротивления резанию снега плужным рабочим органом малогабаритного снегоочистителя // Вестник ИжГТУ. - 2009. - №4(44). - С. 33-34.

3. Закиров М.Ф., Баранчик В.П. Новый подход к выбору режимов разрушения снега рабочими органами машин // Интеллектуальные системы в производстве.-2011.-№2(18).- С. 107-110.

В прочих изданиях:

4. Баранчик В.П., Субботина A.C., Закиров М.Ф. Оборудование и ресурсосберегающие технологии при содержании внутриквартальных городских территорий // Материалы, оборудование и ресурсосберегающие технологии: материалы Междунар. науч.-техн. конф. - Могилев: Бел.-Рос. ун-т, 2007. - Ч. 2. - С. 5-6.

5. Субботина A.C., Закиров М.Ф., Баранчик В.П. Малая комму-

нальная машина для содержания внутриквартальных территорий / Сборник тезисов докладов выставки-сессии инновационных проектов заявленных в программу «УМНИК». - Ижевск: Изд-во «Ассоциаци «Научная книга», 2007. - С. 127-130.

6. Закиров М.Ф., Субботина A.C., Баранчик В.П. Требования i оборудованию для зимнего содержания тротуаров и дворовых терри торий /У Интерстроймех - 2007: материалы Междунар. науч.-техн конф. - Самара: Самарск. гос. арх.-строит. ун-т, 2007. - С. 242-245.

7. Баранчик В.П., Васильев В.А., Закиров М.Ф., Субботина А. Применение гибридного привода на самоходных машинах // Вестни ХНАДУ. - 2007. - Вып. 38. - С. 187-189.

8. Закиров М.Ф., Баранчик В.П. Применение системы трехмерно го твердотельного моделирования КОМПАС-30 V8 при расчете ме ханических передач СДМ // Проблемы и достижения строительно комплекса: тр. Междунар. науч.-техн. конф. «Стройкомплекс - 2008>

- Ижевск: Изд-во ИжГТУ, 2008. - С. 132-134.

9. Закиров М.Ф., Субботина A.C., Баранчик В.П. Экспериме тальная установка для исследования сопротивлений на рабочих орг нах малых коммунальных машин // Проблемы и достижения стро тельного комплекса: тр. Междунар. науч.-техн. конф. «Стройко плекс - 2008». - Ижевск: Изд-во ИжГТУ, 2008. - С. 134-137.

10. Баранчик В.П., Субботина A.C., Закиров М.Ф. Определени сопротивления снега резанию с применением теории подобия // И терстроймех - 2008: материалы Междунар. науч.-техн. конф. - Вл димир: Владимирск. гос. ун-т, 2008. - Т. 1. - С. 265-268.

11. Баранчик В.П., Васильев В.А., Закиров М.Ф. Экспериментал ное исследование процесса резания снега отвальным рабочим орг ном // Интерстроймех - 2009: материалы Междунар. науч.-техн. кон

- Бишкек: КГУСТА, 2009. - С. 110-112.

12. Баранчик В.П., Закиров М.Ф. Напряженно-деформированно состояние снега при взаимодействии с отвальным рабочим органом Интерстроймех - 2009: материалы Междунар. науч.-техн. конф. Бишкек: КГУСТА, 2009. - С. 105-106.

13 .Закиров М.Ф. Исследование предельного напряженного с стояния снега // Проблемы эксплуатации систем транспорта: матери лы Всерос. науч.-практ. конф. - Тюмень: ТюмГНГУ, 2009. - С. 9 101.

14. Баранчик В.П., Якимович Б.А., Закиров М.Ф. Эффективное управление и автоматизация процесса разрушения среды, непрерывно изменяющей свои физико-механические характеристики (на примере снега) // Проблемы и достижения строительного комплекса: тр. Меж-дунар. науч.-техн. конф. «Стройкомплекс - 2010». - Ижевск: Изд-во ИжГТУ, 2010. - С. 119-124.

15. Васильев В.А., Кузнецов Н.П., Закиров М.Ф. Формирование комплекта измерительного оборудования для экспериментальных исследований строительных машин // Проблемы и достижения строительного комплекса: тр. Междунар. науч.-техн. конф. «Стройкомплекс - 2010». - Ижевск: Изд-во ИжГТУ, 2010. - С. 142-144.

16. Закиров М.Ф., Баранчик В.П., Первушин Г.Н., Рубцов А.М. Особенности создания оборудования для разработки снега и льда // Проблемы и достижения строительного комплекса: тр. Междунар. на-уч.-техн. конф. «Стройкомплекс - 2010». - Ижевск: Изд-во ИжГТУ, 2010.-С. 172-174.

17. Закиров М.Ф., Васильев В.А., Баранчик В.Л., Плеханов Ф.И. Методика проведения эксперимента по определению сопротивления резанию снега на стенде «грунтовый канал» // Проблемы и достижения строительного комплекса: тр. Междунар. науч.-техн. конф. «Стройкомплекс - 2010». - Ижевск: Изд-во ИжГТУ, 2010. - С. 174177.

18. Закиров М.Ф., Баранчик В.П. Оптимальное управление и автоматизация процесса резания снега плужным снегоочистителем // Интерстроймех - 2010: материалы Междунар. науч.-техн. конф. -Белгород: БГТУ, 2010.-Т.1.-С.168-171.

19. Закиров М.Ф. Особенности зимнего содержания придомовых территорий // Проблемы функционирования систем транспорта: материалы Междунар. науч.-практ. конф. - Тюмень: ТюмГНГУ, 2010. - С. 121-122.

20. Закиров М.Ф., Баранчик В.П. Оптимальные параметры процесса резания снега плужным снегоочистителем // Интерстроймех -2011: материалы Междунар. науч.-техн. конф. - Могилев: Белорус.-Рос. ун-т, 2011.-С. 86-89.

В авторской редакции Подписано в печать 13.04.12 . Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 139 . Отпечатано в типографии Издательства ИжГТУ имени М.Т. Калашникова 426069, г. Ижевск, ул. Студенческая, 7.

- 61 12-5/2438 --

МИНОБРНАУКИ РОССИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Ижевский государственный технический университет имени М.Т. Калашникова»

На правах рукописи /¿и***!

Закиров Марат Фанилевич

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССА РЕЗАНИЯ СНЕГА ПЛУЖНЫМ РАБОЧИМ ОРГАНОМ МАЛОГАБАРИТНОГО СНЕГООЧИСТИТЕЛЯ

Специальность: 05.05.04 - Дорожные, строительные и

подъемно-транспортные машины

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор В.П. Баранчик

Ижевск - 2012

ОГЛАВЛЕНИЕ

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ..............................................5

ВВЕДЕНИЕ................................................................................................................6

ГЛАВА 1. РАЗРУШЕНИЕ СНЕГА РАБОЧИМИ ОРГАНАМИ МАШИН....... 13

1.1. Особенности технологии снегоуборки и зимнего содержания тротуаров и городских внутриквартальных территорий.................... 13

1.2. Анализ и классификация плужных снегоочистителей......................... 18

1.3. Физико-механические свойства снега и льда, определяющие сопротивление на рабочем органе...........................................................32

1.4. Деформирование и разрушение снега.....................................................43

1.4.1. Современные представления о разрушении материалов........ 43

1.4.2. Резание снега, льда, грунта и горных пород............................. 46

1.4.2.1. Резание снега....................................................................47

1.4.2.2. Резание льда......................................................................51

1.4.2.3. Резание грунта..................................................................53

1.4.2.4. Резание горных пород.....................................................59

1.4.3. Реологические модели процесса резания материалов............. 61

1.4.4. Затраты энергии на деформирование и разрушение снега рабочим органом машины............................................................70

1.5. Выводы по главе.................................... ....................................................72

ГЛАВА 2. АНАЛИЗ ПРОЦЕССА РЕЗАНИЯ И КОПАНИЯ СНЕГА

ПЛУЖНЫМ РАБОЧИМ ОРГАНОМ МАШИНЫ.............................. 75

2.1. Рабочая гипотеза механики разрушения снежного массива плужным рабочим органом.............................. .........................................75

2.2. Взаимосвязь напряженно-деформированного состояния

в точке объема призмы волочения с параметрами процесса резания и составляющими вектора сопротивления среды................................. 78

2.3. Идентификация предельного напряженного состояния среды

по огибающей предельных кругов Мора............................................... 85

2.4. Выводы по главе........................................................................................87

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА

РЕЗАНИЯ СНЕГА..................................................................................89

3.1. Цель и методология эксперимента..........................................................89

3.2. Конструкция экспериментального стенда..............................................90

3.3. Измерительная аппаратура.......................................................................93

3.4. Определение минимального необходимого числа опытов................ 101

3.5. Методика проведения экспериментальных исследований.................103

3.6. Планирование и обработка результатов...............................................108

3.7. Проверка выдвинутой рабочей гипотезы............................................. 110

3.8. Выводы по главе......................................................................................113

ГЛАВА 4. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПРОЦЕССА

ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ СО СНЕГОМ ПЛУЖНОГО

РАБОЧЕГО ОРГАНА МАШИНЫ......................................................115

4.1. Определение исходных данных для разработки математической модели процесса......................................................................................115

4.2. Связь внешних и внутренних усилий, приложенных

к телу скольжения...................................................................................118

4.3. Определение оптимального режима резания...................................... 122

4.4. Выводы по главе......................................................................................127

ГЛАВА 5. ПРИМЕНЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ

ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ СНЕГООЧИСТИТЕЛЯ.............................128

5.1. Влияние давления призмы волочения на предельное напряженное состояние в точке.............................................................128

5.2. Оптимальные режимы резания снега....................................................131

5.3. Реализация результатов исследования..................................................135

5.4. Выводы по главе......................................................................................138

ЗАКЛЮЧЕНИЕ, ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ............................. 139

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.......................................................................................141

ПРИЛОЖЕНИЯ.......................................................................................................153

Приложение 1..................................................................................................153

Приложение 2..................................................................................................168

Приложение 3..................................................................................................169

Приложение 4..................................................................................................170

Приложение 5..................................................................................................173

Приложение 6..................................................................................................174

Приложение 7..................................................................................................175

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

Ь - длина ножа;

с0 - удельная сила сцепления частиц среды;

- коэффициент внешнего трения; /2 - коэффициент внутреннего трения; к - толщина стружки; Н — высота отвала;

Рв - вертикальная составляющая силы Я; Рт - горизонтальная составляющая силы Я; г - радиус круга Мора; И - сила сопротивления резанию; а - угол резания; у — плотность материала; р - угол внутреннего трения; о - нормальное напряжение; т - касательное напряжение;

ср - угол внешнего трения снега о поверхность рабочего органа; тр - угол сдвига;

АЦП - аналого-цифровой преобразователь; ЖКХ - жилищно-коммунальное хозяйство; ЖФ - жилищный фонд;

НДС - напряженно-деформированное состояние; ПНС - предельное напряженное состояние.

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Зимнее содержание тротуаров и придомовых территорий, составляющих до 80% от общей площади жилого района, остается нерешенной проблемой городов и сельских населенных мест. Если содержание автомобильных дорог обеспечивается снегоочистителями на базе автомобилей и колесных тракторов, то механизированная уборка снега с тротуаров и остановок общественного транспорта практически отсутствует. Это объясняется отсутствием парка малогабаритной снегоуборочной техники, отвечающей технологическим требованиям и организации работ предприятий жилищно-коммунального хозяйства (ЖКХ), и отсутствию исследований в этой области. Анализ параметров немногочисленных образцов малых снегоочистителей отечественного и зарубежного производства, а также - трудоемкости работ показывает, что номинальная мощность двигателя, отнесенная к единице ширины отвала, и затраты энергии на 1 м3 убираемого снега у них в 1,5 - 2 раза больше, чем у «стандартных» снегоочистителей на базе автомобилей, при значительно меньшей скорости машины. Повышенная энергоемкость связана с тем, что «патрульная» уборка тротуаров не производится, и резать приходится уплотненный снег. Кроме того, работа у бордюров и посадочных площадок требует повышенной точности движений отвала, при ограниченном сцепном весе машины. Малогабаритные плужные снегоочистители массой до 100 кг развивают тяговое усилие 200-250 Н, что соответствует предельным возможностям колесного движителя по сцеплению. Для повышения сцепного веса необходимо минимизировать вертикальную составляющую силы сопротивления резанию, которая не только снижает реализуемую силу тяги по сцеплению, но и увеличивает энергоемкость процесса, так как полезную работу совершает лишь горизонтальная составляющая силы сопротивления, уравновешиваемая силой тяги.

Таким образом, энергосберегающая технология снегоуборки тротуаров и остановок общественного транспорта усиливает необходимость снижения со-

противления резания на рабочем органе. Это возможно лишь на основе использования особенностей механических свойств снега, заключающихся в слабом сопротивлении этого материала действию растягивающих напряжений. Тем более, что их образованию способствуют конусообразные уплотненные ядра из сжатого снега, возникающие при движении отвала.

Проектирование снегоуборочных машин уже много лет производится на основе усредненных значений удельного сопротивления резанию. Это объясняется недостатком знаний о закономерностях изменения механических свойств снега, происходящих под действием давления со стороны рабочего органа и со стороны ранее разрушенного материала. Попытки применения теории предельного состояния сыпучих сред к разрушению машинами, не получили должного продолжения, несмотря на известную фундаментальную поправку профессора А.Н. Зеленина в отношении методики построения огибающей предельных кругов Мора для целого ряда анизотропных материалов. Применительно к снегу, такие исследования не проводились.

В работе предложен новый подход к выбору угла резания плужной снегоуборочной машины, основанный на отслеживании вертикальной составляющей усилия резания и сравнении его с требуемым.

Цель работы. Снижение энергоемкости процесса резания снега плужным рабочим органом малогабаритного снегоочистителя, путем создания оптимального по энергозатратам предельного напряженного состояния (ПНС) с наличием растягивающих напряжений в призме волочения, идентифицируемого по доле вертикальной составляющей в общем сопротивлении резанию.

Задачи исследования:

- проанализировать особенности технологии зимнего содержания тротуаров и остановок общественного транспорта, оказывающие влияние на параметры и конструкцию малогабаритных снегоочистителей;

- сформулировать требования к конструкции и определить ограничения на параметры малогабаритных снегоочистителей, пригодных для использования в

службах ЖКХ;

- определить граничные ПНС, соответствующие представительным видам и состояниям снега;

- разработать математическую модель, позволяющую определять параметры ПНС по значениям усилий на отвале;

- определить реализуемые при работе малогабаритного плужного снегоочистителя ПНС и построить соответствующие круги Мора;

- проанализировать параметры полученных предельных кругов Мора и определить внешние идентификационные показатели оптимального ПНС;

- создать базу данных о ПНС снега при соответствующих параметрах резания снега плужным рабочим органом малогабаритного снегоочистителя;

- разработать методику применения базы данных о прочности снега для определения оптимального угла резания.

Объект исследования - процесс резания снега плужным рабочим органом малогабаритного снегоочистителя.

Предмет исследования - связь ПНС снежной призмы волочения с параметрами резания снега плужным рабочим органом малогабаритного снегоочистителя.

Методика исследований. В работе использованы теоретические и экспериментальные методы исследования. Решения задач базируются на экспериментальных данных и известных теоретических положениях сопротивления материалов, теории упругости и пластичности, механики сыпучих сред, математического моделирования и теории подобия.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- предложен новый подход к выбору режима резания снега плужным рабочим органом малогабаритного снегоочистителя, позволяющий существенно снизить энергоемкость процесса резания, за счет использования особенностей механических свойств снега, основанный на использовании текущей информации о сопротивлении на рабочем органе;

- получены предельные круги Мора и их огибающие, определено пространство существования реальных ПНС для представительных состояний снега;

- разработана математическая модель процесса резания снега плужным рабочим органом, отличающаяся тем, что угол внутреннего трения рассматривается как мгновенное значение реакции среды на внешнее воздействие в данный момент времени, что позволяет определять не усредненное, а текущее значение оптимального угла резания.

Достоверность результатов, подтверждается корректностью применения апробированного математического аппарата обработки результатов исследования, адекватностью расчетных значений по известным критериям оценки изучаемых процессов, использованием известных положений фундаментальных наук, достаточным объемом экспериментов, проведенных на лабораторном стенде с использованием поверенных приборов и оборудования, согласованностью аналитических расчетов с экспериментальными данными, результатами эксплуатации созданных опытных образцов снегоочистителей.

Практическая полезность работы:

- снижение энергоемкости рабочего процесса малогабаритного снегоочистителя, за счет оптимального угла резания и возможности оптимального управления рабочим органом;

- создана база данных о ПНС представительных состояниях снега.

Реализация результатов работы:

- опытные образцы малогабаритных снегоочистителей с плужным рабочим органом, спроектированные с применением результатов исследования и созданной базы данных о ПНС снега, применяются в ГУ «Управтодор» г. Ижевск;

- паспорт на объект НОУ-ХАУ «База данных о предельных напряженных состояниях снега» является руководящим материалом малого инновационного предприятия ФГБОУ ВПО «ИжГТУ имени М.Т. Калашникова»;

- результаты диссертационного исследования используются в учебном

процессе ФГБОУ ВПО «ИжГТУ имени М.Т. Калашникова» при курсовом и дипломном проектировании по специальности 270113 «Механизация и автоматизация строительства», при подготовке бакалавров по направлению 270800 «Строительство» и магистров по программе 270800.68-14 «Комплексная механизация строительства».

На защиту выносятся:

- новый подход к выбору оптимального режима резания снега плужным рабочим органом малогабаритного снегоочистителя, основанный на оптимальном использовании механических свойств снега путем отслеживания и сравнения текущих значений составляющих силы сопротивления на отвале, с координатами точек предельной огибающей кругов Мора;

- результаты экспериментального исследования и предельные круги Мора, определяющие пространство существования ПНС для представительных состояний снега;

- математическая модель процесса резания снега плужным рабочим органом малогабаритного снегоочистителя, отличающаяся тем, что угол внутреннего трения рассматривается как мгновенное значение реакции среды на внешнее воздействие в данный момент времени, что позволяет с помощью созданной базы данных определять не усредненное, а текущее значение оптимального угла резания.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались и получили положительную оценку на научных форумах: Международная научно-техническая конференция «Материалы, оборудование и ресурсосберегающие технологии» (БРУ, Могилев, 19-20 апреля 2007 г.); Международных научно-технических конференциях «Интерстроймех - 2007» (СГАСУ, Самара, 11-14 сентября 2007 г.), «Интерстроймех - 2008» (ВлГУ, Владимир, 16-19 сентября 2008 г.), «Интерстроймех - 2009» (КГУСТА, Бишкек, 15-17 сентября 2009 г.), «Интерстроймех - 2010» (БГТУ, Белгород, 5-8 октября 2010 г.), «Интерстроймех - 2011» (БРУ, Могилев, 5-7 октября 2011 г.); Международная научно-

практическая конференция «Мехатроника строительных и дорожных машин» (ХНАДУ, Харьков, 24 - 26 октября 2007 г.); Международных научно-технических конференциях «Стройкомплекс - 2008» (ИжГТУ, Ижевск, 15-17 января 2008 г.), «Стройкомплекс - 2010» (ИжГТУ, Ижевск, 13-15 января

2010 г.); Всероссийская научно-практическая конференция «Проблемы эксплуатации систем транспорта» (ТюмГНГУ, Тюмень, 5 ноября 2009 г.); Международная научно-практическая конференция «Проблемы функционирования систем транспорта» (ТюмГНГУ, Тюмень, 18 ноября 2010 г.); Всероссийская научно-практическая конференция «Проблемы функционирования систем транспорта» (ТюмГНГУ, Тюмень, 11 ноября 2011 г.); на расширенных заседаниях кафедр «Строительные и дорожные машины» ИжГТУ (Ижевск, 25 марта

2011 г., 27 февраля 2012 г.), «Транспортные и технологические системы» ТюмГНГУ (Тюмень, 14 апреля 2011 г.), «Дорожно-строительные машины» МАДИ (Москва, 10 апреля 2012 г.).

Опытные образцы малогабаритных снегоуборочных машин представлялись на выставках и были отмечены дипломами: инновационный проект «Малая коммунальная машина для содержания внутриквартальных территорий» награжден дипломом 1-ой степени V выставки-сессии инновационных проектов студентов и молодых ученых (ИжГТУ, Ижевск, 18-20 апреля 2007 г.); инновационный проект «Проектирование малогабаритной снегоуборочной техники для жилищно-коммунального хозяйства» награжден дипломом 1-ой степени VII выставки-сессии инновационных проектов студентов и молодых ученых (ИжГТУ, Ижевск, 22 - 23 апреля 2009 г.).

Рекомендации по эксплуатации и образцы малогабаритных плужных снегоочистителей, созданные по результатам настоящего исследования, в течение ряда лет используются коммунальными службами ГУ «Управтодор» г. Ижевск.

Публикации работы. По теме диссертационного исследования опубликовано 20 печатных работ, в том числе 3 работы опубликованы в изданиях, рекомендованных перечнем ВАК.

Структ�