автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.04, диссертация на тему:Теория и практика создания рабочих органов строительных и дорожных машин с дисковыми резцами

На правах рукописи

005^°°'

Желукевич Рышард Борисович

ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА СОЗДАНИЯ РАБОЧИХ ОРГАНОВ СТРОИТЕЛЬНЫХ И ДОРОЖНЫХ МАШИН С ДИСКОВЫМИ РЕЗЦАМИ

Специальность: 05.05.04 - «Дорожные, строительные и подъемно-транспортные машины»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

1 б май тз

Красноярск - 2013

005058180

Работа выполнена в Федеральном государственном автономном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Сибирский федеральный университет»

Научный консультант - Безбородов Юрий Николаевич

доктор технических наук, доцент

Официальные оппоненты: Воскресенский Геннадий Гаврилович

доктор технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Тихоокеанский государственный университет», профессор кафедры «Транспортно-технологические системы в строительстве и горном деле»

Червов Владимир Васильевич

доктор технических наук, старший научный сотрудник, ФГБУН «Институт горного дела им. Чинакала Сибирского отделения Российской Академии наук (ИГД СО РАН)», г. Новосибирск, заведующий лабораторией «Механизация горных работ»

Галдин Николай Семенович

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия (СибАДИ)», заведующий кафедрой «Подъемно-транспортные, тяговые машины и гидропривод»

Ведущая организация - ФГБОУ ВПО «Московский автомобильно-дорожный

государственный технический университет (МАДИ)»

Защита состоится 5 июня 2013 г. в 14-00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.250.02 при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия (СибАДИ)» по адресу: 644080, г. Омск, пр. Мира, 5, зал заседаний.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия (СибАДИ)».

Отзыв на автореферат в двух экземплярах с подписью, заверенной печатью учреждения, просим направлять в адрес диссертационного совета.

Тел.: (3812) 65-07-66; факс: (3812) 65-03-23; e-mail: dissovetsibadi@bk.ru.

Автореферат разослан 9 апреля 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор технических наук р' " Кузнецова Виктория Николаевна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Дальнейшее освоение Севера и районов, прилегающих к Байкало-Амурской магистрали, повлечет за собой увеличение объемов разработки мерзлых фунтов. Обустройство нефтяных и газовых месторождений на территории Сибири требует строительства транспортных магистралей, кабельных сетей, бурения скважин, рыхления мерзлых грунтов. Ввиду заболоченности местности прокладка трубопроводов в районы Дальнего Востока и Китай с особой остротой ставит проблему повышения темпов разработки мерзлых грунтов и снежно-ледяных образований механическим способом в зимнее время.

Вечная мерзлота, глубокое сезонное промерзание, большой процент каменистых включений в грунте ведут к повышенным нагрузкам на рабочее оборудование и в первую очередь на режущий инструмент, который в таких условиях быстро выходит из строя.

Основным фактором, влияющим на износостойкость режущего инструмента, является прочность грунта, обусловленная свойствами минеральных частиц, влажностью, температурой, текстурой, наличием воздуха, льда и незамерзшей воды. Лед цементирует все частицы, а за счет внешних воздействий структура льда и количество жидкой фазы изменяются. Это приводит к изменению прочности мерзлого грунта.

Кроме наличия льда внутри грунта наружные поверхности строительных объектов и покрытия дорог испытывают воздействие снегопадов, ветрового переноса, перепадов температур и уплотнения снега колесами транспортных средств. Уплотненные снежно-ледяные образования на дорогах вызывают повышение скользкости, уменьшение коэффициента сцепления, а это влияет не только на безопасность движения, но и на скорость движения транспортных средств и, как следствие, на уровень выбросов вредных веществ в атмосферу.

Мероприятия по предотвращению, разрушению и уборке снежно-ледяных и гололедных образований трудоемки, повышают эксплуатационные затраты на содержание техники и оказывают вредное воздействие на окружающую среду.

Режущему инструменту, схемам его расстановки на рабочих органах и режимам резания посвящено много исследований. Рекомендуемые авторами углы резания у зубьев экскаваторов доя нарезания узких траншей и бурильных машин завышены в два раза. Это приводит к росту усилия резания без увеличения объема разрушаемого грунта. При существующих конструкциях режущего инструмента уменьшение пути трения его режущей кромки — нереальная задача, поскольку каждая точка ее трется о забой от начала заглубления до выхода из него. При этом неизбежно интенсивное изнашивание режущей кромки.

Высокие темпы роста объемов земляных работ в зимнее время, при нехватке средств на приобретение новой техники, обусловливают актуальность работ по совершенствованию существующих и созданию новых рабочих органов для разработки мерзлых грунтов и снежно-ледяных образований (мерзлые грунты и снежно-ледяные образования далее будем называть твердыми средами) с целью повышения эффективности их разрушения без увеличения мощности базовой машины. Это может быть осуществлено за счет установки на рабочие органы принципиально нового режущего инструмента в виде дисковых резцов.

Преимущество этого инструмента состоит в следующем. Он дает возможность на порядок уменьшить путь трения, так как каждая точка режущей кромки при перекатывании диска по прямолинейному забою погружается в массив грунта по циклоиде только на величину глубины резания, и позволяет заменить трение скольжения режущей кромки зубом трением качения (диск перекатывается вдоль забоя), что повышает долговечность инструмента. Кроме того, установка такого инструмента обусловливает снижение динамических нагрузок на рабочий орган при встрече с включениями, так как контакт режущей кромки с ними в первоначальный момент точечный, а скорость уменьшается по мере погружения точки режущей кромки в массив, следовательно, и нагрузка на режущий инструмент будет возрастать медленно.

Поскольку динамические нагрузки и путь трения уменьшаются, долговечность такого инструмента повышается, возникает возможность увеличения скорости резания, что влечет за собой значительное повышение производительности.

Степень разработанности темы. Степень разработанности и рекомендации, выявленные в процессе анализа исследований, выполненных авторами Л. И. Бароном, Л. Б. Глатманом, С. Л. Загорским, М. Г. Крапивиным и др., по разрушению горных пород дисковым инструментом не могут быть использованы для разрушения мерзлых грунтов и льда, из-за различия в свойствах горных пород, рекомендуемых параметров дискового инструмента и величин среза при разрушении таких сред.

Имеющиеся исследования ударного разрушения мерзлого грунта дисковыми резцами с отрывом от массива уплотненного между дисками грунта не дают теоретических методов расчета усилий, возникающих на дисковом инструменте при изменении параметров инструмента, ширины, глубины резания и свойств разрушаемой среды.

Существующие теории резания мерзлых грунтов и льда традиционным зубом не могут быть применены к расчету сопротивлений, возникающих на дисковом резце, из-за различия в геометрии, профиле борозды после прохода инструмента, появления нового параметра (диаметра диска) и отсутствия ширины среза при блокированном резании.

Разработка твердых сред рабочими органами с дисковым инструментом, как научная область недостаточно изучена, что затрудняет проведение расчетов, проектирование, совершенствование действующих и создание новых конструкций рабочих органов. Таким образом, теоретические и экспериментальные исследования разрушения твердых сред, разработка методики расчета усилий, возникающих на рабочих органах с дисковыми резцами, и внедрение в производство новых и усовершенствованных рабочих органов с данным инструментом являются актуальной научной проблемой.

Цель работы. Развитие теории разработки твердых сред рабочими органами с дисковым инструментом и экспериментальное подтверждение значения усилий, возникающих на одиночном дисковом резце, и создание на этой основе рабочих органов с таким инструментом, повышающих эффективность разработки твердых сред строительными и дорожными машинами.

Задачи исследований. Выполнить анализ существующих схем взаимодействия зубьев и дисковых резцов с мерзлым грунтом, необходимых для определения усилий, возникающих на традиционном инструменте.

Обосновать перспективность оснащения рабочих органов машин дисковым инструментом, предназначенным для разработки мерзлых грунтов и очистки дорожных покрытий от снежно-ледяных образований.

Разработать методики проведения лабораторных, стендовых и натурных исследований нагруженности отвалов автогрейдеров, буровых, диско-фрезерных рабочих органов, рыхлителей с дисковыми упшрителями и выполнить экспериментальные исследования разрушения ими твердых сред различной прочности.

Разработать новые технические решения использования дискового инструмента в рабочих органах для разрушения твердых сред и математические модели взаимодействия одиночного конусного дискового резца с разрушаемой твердой средой и на их основе создать рабочие органы с таким инструментом.

Разработать конструкции оборудования и стенды для проведения исследований, позволяющих выявить влияние параметров дискового инструмента и значений величин среза на составляющие усилия резания в реальных природно-климатических условиях при разрушении твердых сред.

Исследовать нагруженность экспериментальных буровых рабочих органов на стенде с использованием тензометрии и провести опытную проверку их на реальных машинах в условиях строительного производства.

Исследовать нагруженность рыхлителей с использованием тензометрии и дискового уширителя при разрушении мерзлых грунтов на базовых машинах тягового класса 250 кН.

Определить показатели тягово-сцепных характеристик бульдозерно-рыхлительного агрегата с дисковым уширителем и без него в мерзлых грунтах различной категории прочности.

Выполнить анализ проведенных исследований, выявить закономерности влияния геометрических параметров инструмента, величин среза и свойств твердых сред на силовые и энергетические показатели процесса их разрушения.

Разработать методику расчета усилий, возникающих на дисковом режущем инструменте для разрушения твердых сред, и конструкции сменных рабочих органов, оснащенных таким инструментом.

Объеююм исследования является взаимодействие одиночного дискового резца и рабочих органов с таким инструментом с твердыми средами при их разрушении.

Предметом исследования являются закономерности изменения силовых характеристик, возникающих в процессе разрушения твердых сред в зависимости от изменения геометрии одиночного дискового резца, параметров среза, свойств среды и нагрузочных характеристик рабочих органов с таким инструментом.

Основная идея работы: создание рабочих органов с дисковым инструментом обеспечивает повышение производительности и снижение энергоемкости процессов разработки мерзлых грунтов и льда.

Научная новизна работы заключается:

- в разработке математических моделей расчета составляющих усилия резания на предложенные оригинальные технические решения рабочих органов с дисковым инструментом для разрушения твердых сред, новизна которых подтверждена патентами и авторскими свидетельствами;

- в проведенных теоретических исследованиях по определению усилий, возникающих на дисковом инструменте при разрушении твердых сред, и осуществлении экспериментальной проверки полученных результатов с использованием разработанных технических решений рабочих органов с дисковыми резцами и разработанной методики их расчета;

- во впервые исследованном механизме процесса разрушения мерзлых грунтов дисковым инструментом на роторных рабочих органах при нарезании узких траншей, бурении и рыхлении мерзлых грунтов различной категории прочности уширительным оборудованием с дисковым инструментом, закрепленным на стойке рыхлителя;

- в установлении закономерностей влияния прочностных характеристик мерзлых грунтов на изменение усилий в буровых рабочих органах и уширителях к рыхлителям с дисковыми резцами, обеспечивающих повышение производительности и снижение энергоемкости процесса.

Теоретическая и практическая значимость работы. Полученные результаты используются при проектировании рабочих органов с дисковым инструментом для определения оптимальных параметров с целью совершенствования существующих и создания новых рабочих органов с дисковым инструментом.

Создано рабочее оборудование в виде уширителей к рыхлителям, буровым, роторным рабочим органам и отвалам автогрейдеров с дисковыми резцами для рыхления, бурения, нарезания узких траншей в мерзлых фунтах и разрушения снежно-ледяных образований отвалами автофейдеров с таким инструментом, обеспечивающие повышение производительности машин при снижении энергоемкости.

Разработанные математические модели и методика расчета усилий, возникающих на одиночном дисковом резце, позволяют определять расчетные нафузки на рабочем оборудовании в зависимости от параметров инструмента, величины среза и свойств среды, а также энергоемкость процессов разрушения и мощность привода.

Данная методика используется проектными организациями при создании нового бурового, бульдозерно-рыхлительного и диско-фрезерного навесного оборудования, а также применяется в учебном процессе и при выполнении выпускных квалификационных работ в Институте нефти и газа Сибирского федерального университета. Два учебных пособия по тематике диссертационной работы, изданные диссертантом в соавторстве, используются более чем 50 вузами профильного УМО в учебном процессе по курируемым УМО специальностям.

Методология и методы исследования. Методология исследования основана на использовании аналитических моделей взаимодействия одиночного дискового резца с твердыми средами, учитывающих силы трения среды о контактную поверхность инструмента и зоны трения внутри среды, с учетом допущений, гипотез и физической сущности процесса разрушения таких сред.

Для решения поставленных задач были использованы следующие методы исследования:

аналитический — при исследовании взаимодействия конусных дисковых резцов с твердыми средами в процессе их резания;

экспериментальный - при стендовых и натурных исследованиях рабочих органов с применением тензометрии. Применялись стандартные приборы и специальные разработанные стенды и приспособления;

вероятностно-статистический — при обработке результатов стендовых и натурных исследований с использованием стандартного профаммного обеспечения Mathcad 14, MATLAB, Microsoft Office Excel и Power Graph.

Положения, выносимые на защиту:

- математические модели взаимодействия дискового резца с разрушаемой средой и методика расчета усилий резания одиночным дисковым резцом и экспериментально

подтвержденные усилия, возникающие на рабочих органах с таким инструментом при разрушении твердых сред, учитывающие геометрические параметры дискового инструмента, ширину и глубину резания, физико-механические свойства сред, позволяющие определить усилия резания при блокированном и полублокированном резании и установить оптимальные параметры оборудования, обеспечивающего минимальную энергоемкость процесса;

- результаты экспериментальных исследований составляющих усилий резания в зависимости от диаметра, угла заострения дискового резца, параметров среза и свойств разрушаемой среды;

- результаты натурных исследований по разрушению мерзлых грунтов и определению нагрузочных характеристик на рабочих органах землеройных машин. Зависимости между основными параметрами рабочих органов и их нагрузочными характеристиками, позволяющие оценить нагрузки и энергозатраты на усилия резания в зависимости от параметров среза рабочими органами с таким инструментом при бурении скважин, разработке мерзлых грунтов рыхлителем с уширителями, удалении прочных снежно-ледяных отложений с проезжей части дорог и подъездных путей.

Степень достоверности и апробация результатов, полученных диссертантом, подтверждается экспериментально, а также обеспечивается комплексным характером использования современных средств и методов научных исследований в области разрушения твердых сред механическим способом, необходимым объемом экспериментальных исследований; адекватностью результатов теоретических и экспериментально полученных результатов исследований (погрешность не превышает 20 %); непротиворечивостью исследованиям других авторов; использованием регистрирующего и испытательного оборудования, позволяющею с достаточной точностью осуществлять измерения требуемых параметров; обоснованностью показателей, характеризующих процесс разрушения твердых сред.

Основные результаты работы докладывались на 24 научных семинарах, научно-практических и научно-технических конференциях с международным участием: научных конференциях (Москва, 1976; Красноярск, 1977, 1981, 1990; Омск, СибАДИ, 19791983, 2011); всероссийских и международных научно-практических конференциях (Красноярск, 2007; Новосибирск, 2009; Тюмень, 2010; Новокузнецк, 2011; Иркутск, 2011); международных научно-технических конференциях (Тюмень, 2007, 2008, 2011; Братск, 2009, Могилев, 2011, Одесса, 2012).

Результаты работы внедрены в ОАО «Строймеханизация» (г. Иркутск), ООО «Аэропорт Емельянове» (г. Красноярск) и Красноярском филиале ГП «Краевая дорожно-эксплуатационная организация» при эксплуатации дорог в зимнее время, а также используются в учебном процессе Института нефти и газа Сибирского федерального университета. Результаты диссертационной работы, реализованные в учебных изданиях, используются в учебном процессе более чем 50 вузами страны.

Публикации. По теме диссертации опубликованы: 1 монография, 41 статья, в том числе 14 статей в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 2 учебных пособия с грифом УМО, получено 17 авторских свидетельств и патентов РФ.

Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, библиографического списка, приложений, содержит 364 страниц текста, в том числе 136 рисунков, 31 таблица. Список литературы включает 298 наименований, объем приложений 48 страниц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дана общая характеристика работы, обоснована ее актуальность, поставлены цель и задачи исследований, представлены объект, предмет и методы исследования, сформулированы основные положения, выносимые на защиту, научная новизна и практическая значимость полученных результатов.

Первая глава посвящена анализу мерзлых грунтов и снежно-ледяных образований. Рассмотрены их физико-механические свойства, влияние размеров минералогических частиц, влажности, температуры, структуры грунта, льда на прочностные характеристики. Приведен обзор исследований и анализ известных устройств по разрушению горных пород, мерзлых грунтов и льда режущим инструментом. Обоснована целесообразность применения дисковых резцов для оснащения рабочих органов строительных и дорожных машин.

Во второй главе представлены разработанные диссертантом основные технические решения конструктивных схем возможного использования дискового инструмента в рабочих органах строительных и дорожных машин для разрушения твердых сред. Анализ существующих рабочих органов и патентных исследований показал, что данный инструмент может быть использован в рабочих органах роторных экскаваторов, рыхлителей, буровых, диско-фрезерных, землеройно-фрезерных машин, сменных рабочих органах к автотрейдерам и другом оборудовании. Рассмотрены кинематика движения точек дискового резца и процесс его взаимодействия с твердыми средами, приведены математические модели и теоретические исследования, необходимые для определения составляющих усилия резания при блокированной и полублокированной схеме резания одиночными дисковыми резцами.

В работах А. Н. Зеленина, Ю. А. Ветрова и др. рассматривается процесс, при котором разрушение грунта происходит по площади, ограниченной кривой БВГД (рисунок 1, а), в результате резания и по площади, ограниченной кривой АБДЕ (рисунок 1, а), в результате разрыва для хрупких материалов или вследствие сдвига — для пластичных.

v

к

а

б

в

г

Рисунок 1 - Схемы взаимодействия режущего инструмента с грунтом: а — зуба; б, в — дискового резца соответственно типа А и Б при блокированном резании; г — дискового резца типа А по полублокированной схеме резания

Такой процесс разрушения происходит при резании до критической глубины, характеризующейся отношением Шубины резания к ширине среза, равной 2^4. Увеличение глубины резания больше критического значения влечет за собой образование на нижней части зуба ядра, которым грунт уплотняется в боковые стенки борозды. При этом прекращается рост боковых расширений прорези, резко увеличивается энергоемкость резания.

Большой вклад в исследования резания и рыхления мерзлых и талых грунтов внесли работы В. Д. Абезгауза, И. Я. Айзенштока, К. А. Артемьева, О. Д. Алимова, В. Л. Баладинского, В. И. Баловнева, Е. И. Берестова, Ю. А. Ветрова, Д. П. Волкова, В. П. Го-рячкина, Н. Г. Домбровского, А. М. Завьялова, А. Н. Зеленина, Б. 3. Захарчука, И. П. Ке-рова, Ф. Ф. Кириллова, Е. М. Кудрявцева, И. А. Недорезова, А. Ф. Николаева, И. К. Рас-тегаева, В. Д. Телушкина, К. Терцаги, Д. И. Фёдорова, Н. Я. Хархуты, Л. А. Хмары, Г. А. Шлойдо и др.

Авторами получен ряд эмпирических формул для количественного определения сил резания, где используются различные коэффициенты разрушения при рыхлении в разных частях прорези, такие как толщина ядра уплотнения, сопротивление его внедрению, показатели прочности твердых сред и др.

Эти коэффициенты могут применяться для тех условий разрушения грунтов при рыхлении, в которых они получены, в основном для зуба в форме клина. При изменении формы режущего инструмента и схемы взаимодействия с грунтом проведение расчетов затруднено, а в некоторых случаях — невозможно. Сказанное относится к такому инструменту, как дисковый резец.

На рисунке 1, б показан резец типа А, на рисунке 1, в — резец типа Б. Эти типы резцов могут бьггь применены в рабочих органах землеройных и бурильных машин. Во время работы дисковый резец типа Б, перекатываясь вдоль забоя за счет поступательного движения рабочего органа и вдавливаясь в грунт на некоторую глубину за счет подачи, сжимает грунт боковыми поверхностями и сдвигает его в стороны. При таком же движении дисковый резец типа А разрушает грунт только одной боковой конусной поверхностью (рисунок 1, б). Со стороны поверхности большего основания конуса разрушение грунта не происходит.

В случае резания резцом типа А по полублокированной схеме (рисунок 1, г), коническая поверхность, взаимодействующая с грунтом, та же, что и при блокированном резании, но усилия резания гораздо меньше, поскольку при такой схеме разрушения открытыми являются две поверхности грунта. В сторону одной из них происходит скол, и соседние слои грунта не препятствуют ему. Схемы резания, приведенные на рисунке 1, показывают, что у зуба и дискового резца различные схемы взаимодействия с грунтом и поперечные сечения борозды. По этим причинам расчеты, применяемые для зубьев, не могут быть применены к расчету усилий, возникающих на дисковом резце.

В качестве реологической модели мерзлого грунта принята пластически сжимаемая среда. Экспериментальные исследования сжимаемости таких грунтов приведены в работах В. Н. Кузнецовой.

Сопротивление мерзлого грунта резанию дисковым резцом определяется процессами, обусловленными движением резца с заглублением в твердую среду. В диссертации приводится математическая модель этих процессов (рисунок 2).

Движение диска можно описать системой дифференциальных уравнений:

— = Рг~Н,

ч рп

(1) (2)

—Ус=в~РВ>

ч

л, а =Нуе-&е, (3)

где Рг, Рп — соответственно горизонтальная и вертикальная составляющие усилия резания, кН; Н, <2 - соответственно горизонтальная и вертикальная составляющие реакции грунта, кН; Ус - координаты точки приложения сил Яи 0, м; .1п: - момент инерции относительно оси о:, кг-м2; а - угол поворота дискового резца от начала соприкосновения режущей кромки с грунтом до ее погружения на глубину И, град.

Рисунок 2 - Схемы взаимодействия дискового резца с грунтом: а — при передвижении диска вдоль оси х; б—при погружении клина в грунтовый массив в условиях плоской деформации

В приведенных выше уравнениях необходимо определить величины Рг, Р„, 2 и // в зависимости от грунтовых условий, геометрических параметров дискового резца, среза и схем резания.

Кинематические исследования показали, что в каждый определенный момент времени погружение дискового резца в грунтовый массив можно рассматривать как внедрение множества клиньев в его основание, а в плоскости, проходящей через любую точку режущей кромки и ось вращения, - как внедрение обыкновенного клина. В условиях плоской деформации при вдавливании клина в полубесконечный массив величину давления на грани клина Р можно определить по формуле:

Р=С0<*%<.р2

е20Ч№1ё2

Г1Г и

(4)

где С0 — сцепление грунта, кН/м2; ср2 — угол внутреннего трения, град; 0 - угол зоны радиального сдвига, рад.

Угол поворота дискового резца а (рисунок 2, а) можно определить из выражения

а = агссов [(/? - И)/К\. (5)

Чтобы получить нормальное давление на всей поверхности дискового резца, соприкасающейся с грунтом, необходимо знать величину этой поверхности. Для этого из уравнения конуса нужно определить величину боковой поверхности крутого конуса, расположенного между плоскостями : и Х= Х\ = Ь (рисунок 3, а).

Для этого поверхностный интеграл 5 = преобразован в двойной с переменными х и у:

ы

скф>,

(6)

Х" 1

о ! л 1 /

\ -ЧЯ-А) 1 / 1 / ■ /

-Я

Рисунок 3 - Схемы к расчету боковой поверхности конуса, контактирующей с твердой средой (а) и координат центра тяжести половины сегментной поверхности основания дискового резца (б)

сЬ

где —=

сЬ

су

а^х2 +у2 ' Ф> ау]х2+у2 '

После подстановки производных получаем

Л

1а2+ с2

до<му,

где ||с1хс1у равен площади К сегмента АВСД, ограниченной окружностью:

Ь

^ = Я2 агссов--Ьу]я2-Ь2 ,

Я

где Ь = Я — И. Отсюда

Б=-

(7)

(8)

(9)

а V ^

Площадь боковой конусной поверхности дискового резца, соприкасающейся с грунтом во время резания:

5, =5/2. (10)

Проецируя все силы, действующие на острый дисковый резец типа Б со стороны грунта, на оси координат (рисунок 4), получаем:

Рг =2Р51(ц1 соБб + БтбХ^/^Бт-

(П)

Рй =2Р51(ц|соз5 + зт5)(1 + /;)со8^. (12)

Расчетная схема сил, действующих на дисковый резец типа А в процессе блокированного резания, приведена на рисунок 5.

А-А

резец типа Б в процессе блокированного резания

При блокированном резании дисковым резцом типа А в разрушении грунта участвует только одна боковая поверхность, а трение о грунт осуществляется ею и вертикальной сегментной поверхностью. С учетом этого значения составляющих усилия резания дисковым резцом типа А по блокированной схеме резания:

f ir = PS^HiCos 5 + sin 5)(1 +/¡) sin(a,/2) + /J|B|i,; (13)

= Poicos 5 + sin 5)(1 + /,) cos(a,/2); (14)

P\5 = PSi(cos 8 — |iisin 5). (15)

A-A

а б

Рисунок 5 - Расчетная схема сил, действующих на дисковый резец типа А при блокированном резании

Сила трения Т2, действующая со стороны половины сегментной поверхности 2,

кН:

Т2 = Ц1Р1<Д, (16)

где (X) — коэффициент трения сегментной поверхности резца о грунт; Рщ — боковая составляющая усилия резания, кН.

Точки приложения сил трения можно принять в центре тяжести половины сегментной поверхности, направлены они по касательной к окружности, образованной радиусом, соединяющим ось вращения дискового резца и центр тяжести этой поверхности.

Для определения координат ха и уа центра тяжести половины сегментной поверхности (рисунки 5 и 6) необходимо знать статические моменты фигуры П (рисунок 3, б) относительно координатных осей Ох, Оу

Момент относительно оси Ох

-(R-h) ,Jr2-у2 _

Мх = jjydxdy = J ydy J dx = -—y](2Rh - h2)3 . (17)

-R " 3

Момент относительно оси Oy

-(R-h)

= JJjcdxdy = I dy I xdx = —h2(3R — h). (18)

П -R 0 ^

Тогда координаты центра тяжести (ха, уа) фигуры Q

_ Му \h2QR-h)__J_h\3R-h)

(19)

^arooos^-^sllRh^ 3 R2^s^-{R-h)42Rh^

2 R 2 R

y 2 ^^f (20)

^arccos^-^J^^ 3R2 arceos^-2 R 2 R

где R - h=b.

Угол a2 составит

a2 = aictg(xa/ya). (21)

Расчетная схема составляющих усилия резания дисковым резцом типа А по полублокированной схеме резания показана на рисунке 6. Горизонтальная, вертикальная и боковая составляющие усилия резания по этой схеме определялись по формулам

Р2г = PLt ка( ц, cos 5 + sin 5)(1 +/i)sin(ai/2) + щР2ь; (22)

Р2и = PLt ¿„(nicos 5 + sin 5)(1 +/i)cos(ai/2); (23)

P2a = PLt ¿n(cos 5 -//,sin 5), (24)

где L - длина дуги контакта режущей кромки большего основания конуса дискового резца с грунтом, м; t - ширина среза, м; ки — коэффициент параметров.

Коэффициент параметров к„ введен в выражения (22)-(24) ввиду непостоянной величины заглубления в грунт каждой точки режущей кромки дискового резца. Величина к„ зависит от соотношения площади, равной Lh и проекции боковой конусной поверхности, соприкасающейся с грунтом, на вертикальную плоскость.

Разработка математической модели внедрения гладкого твердого клина в полубесконечный массив среды позволила получить аналитические решения для определения составляющих усилий резания при блокированном и полублокированном резании резцами типа А и Б с учетом их геометрических параметров, глубины и ширины резания, а также прочностных характеристик твердой среды.

В третьей главе изложена методика экспериментальных исследований по определению составляющих усилий резания дисковыми резцами твердых сред с помощью тензоизмерительной и регистрирующей аппаратуры, обоснован выбор приборов и оборудования, а также программного обеспечения для обработки результатов экспериментов — РошегСггарЬ.

Геометрические параметры дисковых резцов изменялись: по наружному диаметру - от 180 до 240 мм с интервалом в 30 мм; по углу заострения 5 - от 30 до 60° с интервалом в 7,5° для резцов типа А, по углу заострения 25 - от 30 до 90° с интервалом в 15° для резцов типа Б. Ширина ! и глубина И резания составляли 40 мм. Интервал изменения этих величин составлял 10 мм. При этом соблюдалось условие I < И. Скорость резания—0,5 м/с.

Образцы мерзлого грунта размером 450x400*350 мм приготавливались по известной методике А. Н. Зеленина: парафин разогревался, в жидком виде заливался в формы и выдерживался в них в течение трех суток.

Процесс резания мерзлого грунта дисковыми резцами экспериментально мало изучен. Достоверность полученных теоретических положений о влиянии геометрических параметров дискового резца, прочностных свойств твердых сред, параметров среза на силовые показатели процесса наиболее полно может быть подтверждена лабораторным экспериментом. Для проведения лабораторных исследований были спроектированы и изготовлены специальные стенды.

Результаты лабораторных исследований по резанию мерзлого грунта необходимы для определения: возможностей его разрушения дисковым резцом; величин нагрузок, возникающих при этом на режущем инструменте; профиля борозды, полученной после прохода резца; влияния параметров среза и геометрических параметров резца на величину усилия резания и энергоемкость процесса разрушения; а также для подтверждения полученных теоретических данных лабораторным экспериментом.

А-А

>д

г

Рисунок 6 - Расчетная схема сил, действующих на дисковый резец типа А, при резании по полублокированной схеме

Исследования показали, что при блокированном резании дисковым резцом типа Б диаметр резца существенно не влияет на горизонтальную составляющую усилия резания, поэтому его необходимо выбирать минимальным для обеспечения необходимой глубины резания.

Заметное влияние на величину силы Рг оказывает угол заострения дискового резца, при увеличении которого от 30 до 90° она возрастает в 3,4—5,2 раза. Указанная закономерность распространяется и на вертикальную составляющую усилия резания Рв.

При блокированном резании угол заострения дискового резца типа Б необходимо выбирать минимальным, но, учитывая ограничения по толщине режущей кромки, для обеспечения прочности при встрече с включениями этот угол рекомендуется выбирать в пределах 30-45°.

После прохода дискового резца типа А по полублокированной схеме резания от основного массива грунта отделяется стружка в виде периодических сколов серповидной формы. Налипание на резец в процессе резания отсутствует, грунт отделяется от основного массива в приемлемой для транспортирования форме (для случая удаления его из траншеи или скважины).

Для определения влияния угла заострения дискового резца типа А и параметров среза на составляющие усилия резания Р, и Рп по полублокированной схеме резания на рисунке 7 приведены зависимости Рг =/(5), Ра =/(5), на рисунке 8 — зависимости Рг = /(/г), Рп =/(/;) при резании мерзлого грунта (суглинок, и> = 25 %, = -10 °С, С = 250280 ед. плотномера ДорНИИ) дисковым резцом диаметром 0 = 0,21 м при птубине резания 1-3 см и ширине среза / = 1 см.

Минимальное значение составляющих усилий резанию Р„ Рк обеспечивает дисковый резец с углом заострения 5 = 30°. При /г = 4 см с увеличением 5 с 30 до 52,5° величина Рг возрастает в 1,6 раза, у зуба с углом резания 45° по сравнению с дисковым резцом с таким же углом заострения — в 2,4 раза.

С увеличением глубины резания при постоянной ширине среза значения горизонтальной Рг и вертикальной Ръ составляющих усилий резания возрастают. Увеличение глубины резания с 1 до 4 см при резании дисковым резцом с углом заострения 30° приводит к возрастанию значения Рт в 5 раз, при 5 = 45° — в 4,3 раза, у зуба с углом резания 45° - в 5,9 раза.

Рп кН Рв, кН

2.5 -

2 1.5 1

0.5

0

-! 10--

^ А 5 - -

з 'Л

1...... 0 - -

"""ч! 1..... 0

45

8, град

Рисунок 7 - Зависимости усилий резания мерзлого грунта от угла заострения (суглинок, IV = 25 %, /ф=-10 °С, С = 250-280 ед. плотномера ДорНИИ) дисковым резцом типа А (0 = 0,21 м,<= 1 см) по полублокированной схеме резания (1,2,3 -глубина Л соответственно 1,2, 3 см): а-Рг;б-Рв

Из приведенных зависимостей видно, что увеличение угла заострения выше 4552,5° ведет к увеличению составляющих усилия резания. Особенно значительно возрастает вертикальная составляющая. Исходя из этого при проектировании рабочих органов с дисковым инструментом угол заострения не следует назначать более 35°.

Важным параметром среза является площадь его поперечного сечения, от которого зависит величина Рг, а также энергоемкость процесса. Зависимость горизонтальной составляющей усилия резания при / < А от площади поперечного сечения среза показана на рис. 8, а.

Резание с малой шириной среза и большой глубиной (И = Лг) приводит к более крутому возрастанию Рг. При большой глубине резания, когда ширина среза г приближается по величине к /г, возрастание Рт более пологое.

Влияние геометрии резца и параметров среза на процесс разрушения дисковым резцом оценивается энергоемкостью процесса. Энергоемкость, кВгч/м3, подсчитыва-лась по формуле

Е=0,000272РА (25)

где Рг — средняя величина горизонтальной составляющей усилия резания, кН; 5 - средняя площадь поперечного сечения среза, м".

Для выяснения влияния площади поперечного сечения среза на энергоемкость процесса резания построена зависимость Е=/(Р), рис. 8, б.

При малых сечениях среза, когда И > Г в 3-4 раза, энергоемкость высокая. Она резко уменьшается с увеличением сечения и стабилизируется при площади сечения более 18 см2, что обусловливает целесообразность выбора больших параметров среза (3^ см). Резкое возрастание энергоемкости при малых сечениях среза объясняется тем, что большая часть энергии тратится на трение боковой вертикальной сегментной поверхности о разрушенный грунт, в то же время сечение среза остается неизменным.

Процесс резания мерзлых грунтов дисковым резцом сопровождается общим скачкообразным увеличением усилий резания.

а б

Рисунок 8 - Зависимость горизонтальной составляющей усилия резания при И>1(а) и энергоемкости (б) от площади поперечного сечения среза при резании дисковым резцом типа А (Ф = 0,21 м, 8 = 30°): а: 1-1= 1 см; 2 - / = 2 см; 3 - / = 3 см (1,2,3 - парафин); 4 - / = 1 см (песок, IV = 16,5 %, / = -22 °С); 5 -< = 1 см, 5 = 45 "С (песок, = 15,4 %, / = -15 °С); б (1,2 - парафин): 1 -/ = 2 см; 2 — (= 2 см (зуб, а = 45°, 5 = 30°); 3 -1 = 1 см (песок, IV = 16,5 %, 22°); 4 — С = 1 см, 5 = 45° (песок, № = 15,4 %, /,р = -15°); 5—зуб, ( = 2 см, а = 45°, 5 = 30°, И = 1 см (песок, ш = 15,4 %, гф =-15°)

Колебания составляющих сил сопротивления грунта резанию необходимо учитывать при расчете режущего инструмента. Обычно они учитываются коэффициентом вариации Аз, который характеризует относительную степень рассеивания значений силы резания. Лабораторные исследования процесса резания дисковыми резцами с изменяемыми параметрами среза в разных грунтовых условиях показали, что коэффициент вариации изменяется при резании тинистых грунтов от 0,11 до 0,25, суглинистых - от 0,13 до 0,41 и песчаных - от 0,16 до 0,37. Приведенные значения коэффициентов вариации близки к таковым для процесса резания мерзлого грунта зубом (при резании зубом коэффициент вариации несколько выше и составляет 0,22-0,48, в грунтах с гравелисто-галечниковыми включениями - 0,4-0,7). Таким образом, экспериментально подтверждена принципиальная возможность разрушения мерзлого грунта дисковыми резцами и их применение в рабочих органах землеройных машин.

Усилия, возникающие на дисковом резце при разрушении мерзлых грунтов, зависят от геометрических параметров инструмента, ширины, глубины и схемы резания, прочностных характеристик грунта и др.

Полученные теоретические зависимости усилий резания от параметров среза, учитывающие основные геометрические параметры дискового резца, подтверждены экспериментальными исследованиями, дают хорошую сходимость с ними (погрешность не превышает 15-20 %) и позволяют определять на стадии проектирования возникающие на резце нагрузки.

Диаметр дискового резца типа А необходимо выбирать минимальным в зависимости от заданной глубины резания, угол резания - 30-35°, параметры среза - ширина и глубина — должны быть сопоставимы и составлять для роторных бесковшовых экскаваторов 30-40 мм, для буровых рабочих органов 40-50 мм.

В четвертой главе приведены: математическая модель определения усилий резания льда одиночным дисковым резцом, программа, методики выполнения и обработки экспериментальных данных процесса резания льда дисковым режущим инструментом и анализ результатов исследований.

Целью проведения экспериментальных лабораторных исследований являлось определение рациональных геометрических параметров дискового режущего инструмента и оценка влияния этих параметров, а также физико-механических свойств льда и параметров среза на силовые показатели и энергоемкость процесса резания льда таким инструментом.

Исследования процессов взаимодействия рабочих органов ледорезных и снегоуборочных машин со льдом и снежно-ледяными образованиями проводятся в Нижегородском ГТУ им. Р. Е. Алексеева учеными А. П. Куляшовым, Ю. И. Молевым, В. А. Шапкиным, В. Ф. Кулеповым и др. Проблему расчета сил резания льда в ОКБ «РАЛСНЕМГ» Нижегородского технического университета решили с помощью «ударника КИСИ». Показатель прочности льда измеряется при помощи ударника КИ-СИ с эталонными параметрами: глубина резания к = 1 см; угол резания <Хр = 40°; ширина резца ¿7=1 см; температура льда (л = 0 °С. Для речного и озерного льда среднее значение Р., = 584 ±51,7 кН/м2.

Показатель прочности льда, кН/м", на боковой конусной поверхности резца

Р,=Рэ(1+а/0), (26)

где а — температурный коэффициент, учитывающий увеличение силы резания при понижении температуры льда на каждый градус по сравнению с силой резания при Л, = О °С; t0- температура льда при проведении замеров, °С.

Для определения составляющих усилия резания льда дисковым резцом типа А при разрушении по блокированной и полублокированной схемам за основу приняты формулы по резанию мерзлых грунтов, приведенные в главе II, в которых давление Р на грани клина заменено удельной «эталонной силой». Математическая модель составляющих усилия резания льда единичным дисковым резцом типа А по блокированной схеме резания (Pím - горизонтальной, Р]К1- вертикальной, Р№,- боковой) имеет вид

Рш = РэО- + ato) [Si (Hicos 5 + sin 5X1 +/i) sin(a,/2)]/cos y + ц,Л&,; (27) Pi И = Л(1 + a/o) [S,(n,cos 5 + sin S)(l +_/¡)cos(a,/2)]/cos % (28)

P\бл = Л(1 + а'о) [5,(cos 5 - sin 5)]/cos x, (29)

где S¡ - площадь боковой конусной поверхности дискового резца, контактирующая со льдом, м2; |ii - коэффициент трения стали по льду; f\ - коэффициент трения в подшипнике; 5 - угол заострения дискового резца, град; % — угол наклона основания дискового резца к горизонтальной плоскости, град.

Составляющие усилия резания дисковым резцом типа А по полублокированной

схеме резания определялись по формулам

Ргш = Рэ( 1 + ato)[Lt ¿„((lieos 5 + sin 5)(1 +/i)sin(a,/2)]/cosx+ ЦЛ&,; (30)

ft.л = Л( 1 + at0)[Lt ^(Hicos 5 + sin 5)(1 +/1)cos(a1/2)]/cos x; (31)

P2fa = P{1 + at0)[Lí kn(cos 5 - Hisin 5)]/cos %, (32)

ще L - длина дуги контакта режущей кромки большего основания конуса дискового резца со льдом в процессе резания, м; / -ширина среза, м.

Коэффициент параметров К введен в выражения (30)-{32) ввиду непостоянной величины заглубления в лед каждой точки режущей кромки дискового резца. Величина к„ зависит от параметров разрушения и ctg угла скола льда.

На основании предыдущих исследований для резания льда диаметр дискового резца выбран 0,2 м, величина угла заострения дисковых резцов 5 — 15, 30 и 45°, ширина срезаемой стружки t - 1, 2, 3 и 4 см, глубина h = 0,06 м с соблюдением условия t < И. Испытания проводились при температуре окружающего воздуха от минус 2 до минус 6 °С, при которой наиболее вероятно льдообразование на дорожных и аэродромных покрытиях. Кроме того, при таких температурах в районах Сибири происходит выпадение до 80 % годового объема снега. Измерение температуры производилось ртутным термометром TJI-4 (ГОСТ 215-73) с ценой деления 0,1 °С и пределами измерения от минус 30 °С до плюс 20 °С.

Скорость резания (скорость движения оси резца) при испытаниях составила 0,51 м/с, что соответствует рекомендованным в работах, выполненных в Нижегородском техническом университете. Размеры образцов льда: длина - 0,51 м, ширина - 0,3 м, высота — 0,26 м. Резание осуществлялось по направлению большинства оптических осей кристаллов от дневной поверхности в глубь образца льда.

Для определения прочности снежно-ледяных образований, приготовленных для исследований диссертантом, разработан и изготовлен твердомер (пат. № 2350923). Прочность уплотненного снега или льда в зависимости от энергии удара и глубины погружения конуса определялась по формуле

a = mgll/[nh2 tg2(a/2)], (33)

где а - показатель прочности, кПа; m - масса штанги с коническим наконечником, кг; g — ускорение свободного падения, м/с2; H - высота падения штанги с коническим наконечником, м; h - глубина погружения конуса, м; а - угол при вершине конуса, равный 34° 12'.

Исследования процесса резания льда проводились на лабораторном стенде. Принцип работы стенда однотипный с конструкцией, разработанной для резания грунта (пат. №2429459).

Для автоматической записи, хранения и обработки числовых значений горизонтальной, вертикальной и боковой составляющих усилия резания использовался информационно-измерительный комплекс (ИИК). Основой комплекса является персональный компьютер. Компоненты ИИК: плата аналого-цифрового преобразователя (АЦП) L-154; программа PowerGraph, предназначенная для регистрации, обработки и хранения аналоговых сигналов, записанных с помощью АЦП; тензометрический усилитель УТ1-10; блок тензометрических датчиков, размещенных на тензопреобразователе; монитор для визуализации и выбора начала и конца обработки сигналов тензодатчиков.

Полученные тарировочные данные обрабатывались в программе Microsoft Excel. На основании результатов обработки построены тарировочные графики и определены тарировочные коэффициенты для каждой составляющей усилия резания.

Ординаты записи Рг, Рп и Р6 составляющих усилия резания при помощи инструментов программы PowerGraph копировались в табличный процессор Microsoft Excel. Полученные числовые массивы данных умножались на соответствующие тарировочные коэффициенты. Определены средние значения каждой составляющей для каждого из произведе!шых наблюдений.

Характер разрушения льда при резании дисковым резцом зависит от геометрических параметров резца, величины среза, физико-механических свойств льда, формы кристаллов, направления прилагаемой разрушающей нагрузки относительно преобладающей ориентации осей кристаллов, составляющих разрушаемый ледяной массив.

Дисковый резец, перекатываясь вдоль образца льда, в месте контакта с ним создает напряжения. Когда эти напряжения превысят предельно допустимую величину, происходит разрушение. Следы скола по форме напоминают траекторию движения точек режущей кромки дискового резца - циклоиду.

На рисунке 9, а приведена зависимость горизонтальной составляющей усилия резания от угла заострения дискового резца 5 при полублокированном резании шириной 1,2, 3, и 4 см.

Анализ графиков показал, что оптимальное значение Рг обеспечивается при использовании дискового резца с углом заострения 5 = 30° во всех рассматриваемых значениях ширины резания.

Зависимость вертикальной составляющей Р„ усилия резания от угла заострения 5 режущей кромки дискового резца при ширине резания 1, 2, 3, 4 см показана на рисунке 9, б. Величина Рв зависит также от боковой составляющей (на рисунке 9 не показано). При малой ширине среза составляющая сопротивления резанию боковой конусной поверхности резца меньше, чем сопротивление трения сегментной поверхности, соприкасающейся с вертикальной стенкой поверхности льда. За счет поступательного и вращательного движения дискового резца направление результирующей составляющей, соприкасающейся сегментной поверхностью со льдом, отклоняется вниз, и происходит затягивание дискового резца в массив льда. С увеличением ширины среза составляю-

щая сопротивления резанию боковой конусной поверхности увеличивается и вертикальная составляющая усилия резания меняет направление с отрицательного значения на положительное.

По результатам расчета затрат энергии на полублокированное резание льда дисковым резцом типа А с различными ушами заострения 5 при ширине резания / построены графические зависимости энергоемкости процесса резания от утла заострения диска (рисунке 9, г).

На основании выполненных исследований доказана принципиальная возможность разрушения льда дисковым инструментом, статистическая обработка диаграмм экспериментальных исследований разрушения льда позволила получить зависимости составляющих усилия резания и энергоемкости процесса от угла заострения дискового резца с разными параметрами среза.

В результате анализа экспериментальных исследований установлено, что наименьшая удельная энергоемкость процесса резания льда обеспечивается при угле заострения 5 = 30° во всём диапазоне изменения значений ширины резания.

Расчет силы сопротивления снежно-ледяных образований резанию стандартным отвалом автогрейдера и отвальным рабочим органом, оснащенным дисковыми резцами, производился при одинаковых параметрах среза, углах резания, длине, установки отвала и свойствах разрушаемого льда.

1'г, кН

Р„,кН

6, град

Е, кВт-ч/м3

0.15

5,1рад

5, град

Рисунок 9 - Зависимости горизонтальной составляющей усилия резания (а), вертикальной составляющей (б) и энергоемкости процесса резания (г) от угла заострения дискового резца диаметром 0,2 м при глубине резания к = 6 см; 1,2,3,4 - при ширине / среза соответственно 1,2, 3,4 см; схема рабочего органа отвального типа с дисковым инструментом (в): 1 - рама; 2 - передние кронштейны; 3 - пластина; 4 - укосины; 5 - задние кронштейны; 6 — опорная плита; 7 — режущие диски; 8 — ось резца; 9 — пластина; 10 — кронштейн; 11 - нож; 12 - болт

Результаты расчетов свидетельствуют о том, что при разрушении льда с такими свойствами обеспечивается снижение энергоемкости отвальных рабочих органов с дисковым инструментом в 2,3 раза.

Эффективным использование дискового режущего инструмента для разрушения снежно-ледяных и гололедных образований на покрытиях дорог и аэродромов может быть при условии разработки рабочих органов спецмашин с таким инструментом.

На рисунке 9, в представлена конструкция сменного отвального рабочего органа для удаления снежно-ледяного наката с поверхности дорог и аэродромов, оснащенного дисковыми резцами.

По результатам исследований резания льда:

предложена методика расчета усилий, возникающих на дисковом резце, которая позволяет на стадии проектирования с учетом физико-механических свойств льда и параметров среза определять рациональные геометрические параметры режущего инструмента, обеспечивающие минимальную энергоемкость процесса;

разработана конструкция отвального рабочего органа, оснащенного дисковым режущим инструментом (пат. № 2396389).

В пятой главе обоснована актуальность проблемы разработки мерзлых грунтов, в том числе с включениями, при бурении скважин. Приведен анализ результатов исследований по совершенствованию и разработке новых конструкций буровых рабочих органов с дисковыми резцами, а также математическая модель определения составляющих усилия резания с таким инструментом. Обоснован выбор геометрических параметров дисковых резцов, представлены конструкции рабочих органов с таким инструментом и стенд для проведения исследований буров в натуральную величину. Изложены методика и результаты стендовых полигонных исследований процесса бурения скважин в мерзлых грунтах образцами экспериментальных лопастных буров с дисковыми резцами и полевых испытаний на серийных бурильных машинах в условиях строительного производства. При проведении полигонных исследований использовалось тензоизмерение исследуемых процессов, полученные результаты экспериментов обрабатывались с применением методов математической статистики и ЭВМ.

Приведены результаты исследований, направленных на повышение производительности и снижение энергоемкости процесса бурения скважин диаметром 0,36 м глубиной до 1,0 м в мерзлых грунтах различной категории прочности.

При существующих конструкциях инструмента каждая точка его режущей кромки взаимодействует с грунтом от начала до окончания бурения. При этом неизбежен износ режущей кромки, а интенсивность износа даже армированной вставки из твердого сплава составляет 0,024 мм на метр длины продвижения по забою скважины. Уменьшение длины пути трения режущей кромки обычных резцов вдоль забоя скважины возможно за счет замены их на дисковые резцы.

Один из вариантов применения такой конструкции буровой головки с дисковым инструментом диаметром 0,36 м (пат. № 2410521) показан на рисунке 10. Она состоит из корпуса, двух дисковых резцов, установленных на осях, и забурника. Лопасти корпуса выдвинуты вперед по ходу вращения буровой головки от режущих кромок дисковых резцов и смещены вверх на 50-60 мм относительно нижней точки режущих кромок дисков. Угол заострения дисковых резцов — 30°, задний угол - 15°, диаметр с1 выбирался минимальным из условия размещения дисковых резцов симметрично относительно оси вращения буровой штанги:

с!< (Р-ПЖ (34)

где с? - диаметр дискового резца, м; Б - диаметр скважины, м; - диаметр буровой штанги, м.

Рисунок 10 - Схема буровой головки с дисковыми резцами (а), испытания буровой головки диаметром 0,36 м на стенде (б) и на бурильной машине БМ-302 (в)

Отличительной особенностью данной конструкции является то, что режущие кромки дисковых резцов расположены на одном уровне в горизонтальной плоскости. При этом корпус головки воспринимает радиальные нагрузки по линии действия в горизонтальной плоскости одинаковые по величине и противоположные по знаку. Эти нагрузки не вызывают изгиба буровой головки и увода ее от вертикальной оси в процессе бурения скважин. Симметричное расположение дисковых резцов относительно вертикальной оси буровой головки уменьшает ее вибрацию, что положительно сказывается на работе бурильной машины.

В процессе работы при вращении буровой головки вокруг вертикальной оси забурник, забуриваясь в мерзлый грунт, создает предварительную скважину малого диаметра, а дисковые резцы, перекатываясь по окружности, врезаются режущей кромкой в грунт, который скалывается за счет вращательного движения буровой коронки и подачи.

Составляющие усилия резания Р„ Р„, Р5 на дисковом резце:

Рг = Р ■ s; sin(a,/2) (Hicos 5 + sin 5)(1 +/i)/cos s cos %+ P6 ■ ць (35)

PB = P ■ S¡ sin(a|/2) (laicos S + sin 8)(1 +/i)/cos s cos % (36)

P5 = P ■ S¡ (p-icos 5 + sin 5) (1 + /i)/cos e cos x, (37)

где P - давление на грани клина, образованного плоскостью проходящей через ось вращения дискового резца, кН/м2; S¡ - боковая конусная поверхность дискового резца, контактирующая с грунтом в процессе разрушения, м~; (Xi — коэффициент внешнего трения; /1 - коэффициент трения в опоре подшипников; ai - угол отклонения центра тяжести боковой контактной поверхности от вертикали в сторону движения дискового резца, град; s - угол наклона основания дискового резца в сторону вращения оси дискового резца, град; % — угол наклона основания дискового резца в поперечном направлении относительно горизонтальной поверхности, град.

Основными критериями эффективности работы буровых органов является производительность и энергоемкость процесса бурения скважин. Для определения таких критериев были разработаны конструкция стенда и буровых головок, программа исследо-

вания, изготовлены стенд и экспериментальные буровые рабочие органы с дисковым инструментом диаметром 0,36 м, выполнены стендовые и полевые экспериментальные исследования буровых головок в натурных грунтовых условиях. Экспериментальный стенд предназначен для сравнительного исследования буровых рабочих органов диаметром 0,36-0,8 м в талых и мерзлых грунтах.

Объектом исследования являлись разработанные и изготовленные буровые головки с дисковым инструментом диаметром 0,36 м. Для сравнения показателей эффективности работы буровых головок были использованы рабочие органы диаметром 0,36 м, серийно изготавливаемые Алапаевским заводом ОАО «Стройдормаш».

Стендовые испытания выполнялись с применением тензоизмерительной и регулирующей аппаратуры. Выполненные работы показали, что подготовленное оборудование позволило проводить исследование реальных буровых органов в натурных условиях на глубину до 1,5 м.

Для получения достоверных данных при сопоставлении результатов работы экспериментальных и серийных рабочих органов исследования проводились сравнительным методом в идентичных грунтовых и метеорологических условиях на одних и тех же режимах работы.

При проведении экспериментов измерялись и регистрировались следующие параметры: крутящий момент на рабочем органе МкТ, кН-м; частота вращения рабочего органа п, мин-1; глубина проходки рабочего органа, Н, м; осевое усилие Р, кН; время опыта и с.

Для каждой пробуренной скважины замерялись плотность по ударнику ДорНИИ, влажность, температура и гранулометрический состав грунта. Производительность буровой головки, м' /ч:

П = 36005Я) (38)

г

где 5- площадь поперечного сечения скважины, м~; Н- глубина скважины, м; / - время бурения скважины, с.

Удельная энергоемкость процесса бурения скважины, кВт-ч/м5:

Е=Л-, (39)

где И— мощность, необходимая для вращения буровой штанги, кВт;

# = МфИ/9,75, (40)

где А/кр — крутящий момент на буровой штанге, кН-м; п - частота вращения буровой штанги, мин-1; пп- скорость подачи буровой штанги, м/ч.

Полученные в результате стендовых испытаний осциллограммы обрабатывались ординатным методом с применением полуавтоматического преобразователя ФОМ. Исходная информация вводилась в ПК, и рассчитывались следующие статические характеристики: математическое ожидание, коэффициент вариации параметров, среднеквадратичное отклонение и корреляционная функция.

Полученные зависимости скорости и энергоемкости процесса бурения от глубины скважины экспериментальной и серийной буровыми головками диаметром 0,36 м при стендовых исследованиях в грунтовых условиях полигона Красноярского Промст-ройНИИпроекта приведены на рисунке 11.

У обеих головок механическая скорость бурения с увеличением прочности грунта уменьшается, а глубина скважин возрастает. В грунтах VIII категории прочности (С = 290-350 ед. по ударнику ДорНИИ) на глубине скважины 1 м скорость бурения экспериментальной головкой возросла по сравнению с серийной в 3,1 раза, в грунтах VI категории прочности (С = 105-125 ед.) - 1,4 раза и V категории прочности (С = 40-93 ед.) - в 1,3 раза.

Е, кВтч/м3

h, м

•sí

V

_t

< И, м

Рисунок 11 - Полученные зависимости бурения скважин диаметром 0,36 м в мерзлых фунтах от глубины скважины: а-скорости: 1,3,5-серийная буровая головка; 2,4,6 - экспериментальная буровая головка (С = 350-290; С = 93^Ю; С = 125-105 ед. по ударнику ДорНИИ соответственно); б — энергоемкости процесса: 1,4,6 — серийная буровая головка; 2,3,5 — экспериментальная буровая головка (С = 125-105; С = 93^0; С = 350-290 ед. по ударнику ДорНИИ)

Полученные результаты согласуются с данными ФГУП «СибНИИстройдормаш» (при полигонных исследованиях комплекта серийных буров в грунтах VII категории прочности (С = 120-220 ед).

Энергоемкость разрушения грунта VIII категории прочности по классификации А. Н. Зеленина при бурении скважин высокая. Она снижается с уменьшением прочности и зависит от режима работы, параметров среза грунта, вида режущего инструмента, типа буровой коронки и многих других факторов. В грунтах IV-V категории прочности энергоемкость разрушения мерзлых грунтов серийным и экспериментальным бурами не превышает 1,08-3,4 кВт-ч/м .

Испытания в производственных условиях проведены с целью определить возможные пути увеличения производительности машин при бурении скважин в мерзлых и талых грунтах буровыми головками с дисковым инструментом, проверить его работоспособность в грунтах с включениями, отсутствие заклинивания дискового инструмента в результате налипания грунта. В процессе испытаний замеряли диаметр скважины, глубину и время бурения. Проведен сравнительный анализ результатов испытаний. Сравнены буровые головки одного диаметра, серийно выпускаемые Алапаевским заводом, и экспериментальные, с дисковым инструментом. Все испытания проводили на максимальных оборотах двигателя бурильных машин. Во время испытаний и по окончании их определяли плотность грунта по ударнику ДорНИИ.

Исследования экспериментальной буровой головки диаметром 0,36 м проводили на бурильных машинах БМ-302, БКМ-1/35, МРК-2 ОАО «СУМ-9» в грунтах V-VII категории прочности г. Красноярска с целью оценки их работоспособности и производительности. Схема буровой головки и фрагмент испытаний ее показан на рисунке 10.

В процессе исследований на строительных площадках было пробурено 94 скважины глубиной от 0,3 до 3,0 м, в том числе 27 скважин в песчано-гравийных грунтах VII категории прочности с включениями. Работа буровой головкой производилась с принятой в практике технологией бурения (циклично), подача бура за цикл - 0,5-0,7 м. Время бурения складывалось из многих циклов забуривания (набора грунта) и очистки буровой штанги от грунта. При чистом времени бурения 1 мин время, затраченное на холостой ход (подъем, очистка бурового органа и погружение в скважину до начала очередного цикла бурения), - 0,26-0,3 мин. Переезды к очередной скважине и настройка на технологическую точку бурения составляли 0,8-0,9 мин. Среднее время, затраченное на холостой ход, переезды и настройку на точку бурения, составило 1,13 мин. В результате выполненных исследований доказано:

производительность работы бурильных машин с экспериментальной буровой головкой в мерзлых грунтах увеличилась при повышении прочности грунта от 50 до 90 ед. плотномера ДорНИИ от 0,45 до 0,72 м/мин, а с серийной составила 0,43 м/мин;

экспериментальная головка успешно разрабатывает мерзлые и талые фунты различного фанулометрического состава и влажности. При этом забиваний буровой головки фунтом даже при работе на талых глинистых фунтах высокой влажности не происходило;

установлено снижение энергоемкости процесса бурения на 5-20 % (на суглинистых фунтах прочностью 93-120 ед. по плотномеру ДорНИИ) и амплитуды колебаний крутящего момента на 6-9 %;

экспериментально определен рациональный угол резания 45°, обеспечивающий максимальные скорости бурения. Он в 2 раза меньше угла резания зубьев с твердосплавной напайкой и, следовательно, уменьшает усилия резания мерзлых фунтов;

получены зависимости изменения мощности привода вращения, крутящего момента на буровой штанге, скорости бурения, позволившие определить затраты энергии по глубине пофужения буровой головки. Эти зависимости могут быть рекомендованы в качестве критерия режимных параметров при создании рабочих органов и оборудования бурильных машин нового поколения для строительного комплекса страны;

поставлена и решена важная задача повышения эффективности разрушения мерзлых фунтов до УШ категории прочности путем создания буровых рабочих органов с дисковым инструментом, обеспечивающим при одинаковой энерговооруженности повышение производительности в 1,3 раза.

В шестой главе представлен комплекс исследований по рыхлению мерзлых фунтов различной категории прочности бульдозерно-рыхлительными афегатами тягового класса 250 кН в северных, северо-восточных регионах страны и на строительных объектах г. Красноярска, с проведением тензометрии и определением сопротивлений, возникающих на стойке рыхлителя при разрушении мерзлых фунтов.

Наиболее распространенным и эффективным навесным оборудованием для разработки мерзлых фунтов в промышленном и фажданском сфоительстве, при обустройстве нефтяных и газовых месторождений, выполнении вскрышных работ при открытой разработке полезных ископаемых являются рыхлители на базе мощных тракторов тягового класса 250-350 кН и более.

Изменение конструкции рабочих органов рыхлителей с двумя рыхлящими зубьями, установленными на разном уровне, смещенными по длине и в поперечной плоскости относительно друг друга, с различными вариантами расположения их на стойке рыхлителей, систем навески, рационального угла рыхления, и даже повышение тягово-

го класса базовых машин выше 250 кН не могут обеспечить эффективного рыхления пластично-мерзлых грунтов. В результате рыхления в таких грунтах образуется прорезь трапецеидальной формы с прямоугольным сечением в нижней части борозды (рисунок 1, а). Такой процесс разрушения происходит при резании до критической глубины, характеризующейся отношением глубины рыхления к ширине прорези, равном 2-4. Увеличение глубины рыхления больше критического значения не приводит к увеличению ширины развала и значительному повышению производительности. При этом энергоемкость рыхления грунта значительно возрастает.

Дальнейшее увеличение эффективности процесса рыхления возможно за счет повышения в общей площади поперечного сечения борозды роли трапецеидальной части, где разрушение происходит отрывом. С этой целью целесообразно использовать на рабочих органах рыхлителей оборудование в виде уширителей.

На основании патентного поиска и анализа конструктивных решений уширителей диссертантом (А. с. 866072) разработан рабочий орган с уширителем (рисунок 12). Существенным преимуществом данной конструкции уширителя является то, что она позволяет приблизить режущие кромки дисков на минимальное расстояние к основанию борозды. Косые клинья, заглубляясь в боковые стенки борозды, частично разрушают их, а дисковые резцы, перекатываясь по ним, разрушают мерзлый грунт отрывом у основания борозды, увеличивая ее поперечное сечение.

При установке дисковых резцов на уширитель к рыхлителю (рисунок 12, б) диаметр резцов должен обеспечить ширину уширителя, равную 4В (В - ширина наконечника рыхлителя), поскольку в этом случае энергоемкость процесса будет минимальной. Диаметр дискового резца должен быть равен 200^210 мм, угол заострения дисковых резцов и клиньев — 30 — 35°.

Рыхление мерзлых грунтов рыхлителем с уширителем можно разделить на три основные зоны разрушения: зона наконечника Ри, зона косых клиньев Р^ и зона дисковых резцов Рдг. Суммарная сила сопротивления рыхлению на наконечнике зуба Ри приведена в работах Л. А. Хмара.

3- л

¡И

а б в

Рисунок 12 - Уширитель с дисковым инструментом: а- в процессе рыхления на стойке рыхлителя Д-9Н; б-после рыхления на дневной поверхности; общий вид: 1 -стойка; 2 - наконечник; 3 - корпус уширителя; 4 - дисковый резец; 5 - ось; 6 - клин; 7 - палец; 8 - узел регулировки угла резания; 9 - кронштейн

Суммарное сопротивление на стойке рыхлителя

ЕРР=Р„ + 2(РКХ + РДГ), (41)

Рк = PSi(cos\\r + Hi sinv]/)/cosx, (42)

где P - давление на грани клина, кН/м2; S¡ — площадь боковой поверхности усеченного клина, м2; \|/ - угол между нормальной силой N к боковой поверхности клина и осью X, град; и, - коэффициент трения грунта по металлу; % - угол установки уширителя, град.

Рдг = PS¡ [(pi cos 5 + sin 8)(1 + /i)sin (а,/2) + (cos 5 - pjsin 8)]/cos (43)

где S\ — контактирующая поверхность конусного диска с мерзлым грунтом, м2; 5 — угол заострения дискового резца, град;/[ — коэффициент трения в подшипнике; а, - угол отклонения равнодействующей горизонтальной и вертикальной сил резания, проходящей через центр тяжести боковой поверхности усеченного конуса, контактирующей с мерзлым грунтом, град.

Для определения эффективности разрушения мерзлых грунтов различной категории прочности рыхлителем с уширителем и без него было исследовано влияние угла установки уширителя на следующие показатели: тяговую мощность, тяговый КПД, скорость рыхления, коэффициенты сцепления и буксования, являющиеся основными для тяговой характеристики землеройной машины.

Определена производительность и энергоемкость разрушения таких грунтов бульдозерно-рыхлительным агрегатом ДЗ-94С при нарезании одиночных борозд.

Внедрение рабочего органа рыхлителя в грунт является сложным процессом, зависит от глубины рыхления, прочности грунта, лобовой площади заглубляемого инструмента, угла установки стойки, уширительного оборудования и др.

Эффективность рыхлительного агрегата в значительной степени зависит от тяговой динамики. В результате испытаний были получены тягово-динамические характеристики рыхлительного агрегата без уширителя и с уширителем на грунтах разной категории прочности.

На рисунке 13, а представлены показатели зависимости тягово-динамических характеристик рыхлителя от тягового усилия бульдозерно-рыхлительного агрегата с уширителем, установленным на стойку рыхлителя под углом 9° к горизонтальной плоскости, и без уширителя на грунтах VI категории прочности по классификации А. Н. Зеленина. На рисунке 13, б приведены те же показатели, но с уширителем, установленным на стойку рыхлителя под углом 16°.

Анализ тягово-динамических характеристик агрегата на грунтах VI категории прочности (С = 130 ед. по плотномеру ДорНИИ) на поверхности показал, что при работе рыхлителя с уширителем (рисунке 13, а), установленным под углом 9°, тяговая мощность увеличилась на 18 %, тяговое усилие и коэффициент использования сцепного веса - на 17 %, коэффициент буксования уменьшился на 11 %, производительность увеличилась на 31 %, а энергоемкость снизилась на 8 % по сравнению с рыхлителем без уширителя.

Исследование влияния угла установки уширителя на тяговую динамику агрегата на данных грунтах показало, что увеличение этого угла до 16° привело к существенному изменению тягово-динамических характеристик (рисунке 13, б): максимальные тяговая мощность и тяговый КПД увеличились на 44 %, коэффициент буксования при этой мощности понизился на 10 %, производительность и энергоемкость увеличились на 16 и 23 % соответственно по сравнению с рыхлителем без уширителя.

Анализ исследований сопротивлений рыхлению на грунтах V категории прочности (С = 68 ед. по плотномеру ДорНИИ) без уширителя и с уширителем, установлен-

ным под углом 16°, показал (рисунке 14), что применение уширитсля обеспечило уменьшение коэффициента буксования на 14 % при сохранении остальных тягово-сцепных показателей неизменными, производительность увеличилась на 42 %, а энергоемкость процесса уменьшилась на 46 %.

лгт • 100, кВт; V, м/с;

5;л;Ф

ЛГТ ■ 100, кВт; V, м/с; 8;п;Ф »01

Рисунок 13 — Зависимость тяговой мощности Л^ тягового КПД т|, коэффициентов буксования 5, сцепления <р и скорости Кбульдозерно-рыхлительного агрегата при работе рыхлителя: а - с уширителем, установленным под углом 9°, и без уширителя от сопротивления рыхлению грунта VI категории прочности: 1 - коэффициент буксования при работе рыхлителем без уширителя; 2 - тяговая мощность с уширителем; 3 - скорость рыхления с уширителем; 4 - скорость рыхления без уширителя; 5 - тяговая мощность без уширителя; 6 - тяговый КПД рыхлителя с уширителем; 7 - тяговый КПД рыхлителя без уширителя; 8 - коэффициент буксования с уширителем; 9 - коэффициент сцепления; б- с уширителем, установленным под углом 16°, от сопротивления рыхлению фунта Рт: 1 - тяговая мощность; 2 — скорость;

3 - тяговый КПД; 4 - коэффициент сцепления; 5 - коэффициент буксования

ЛГТ- 100, кВт; V, м/с;

5;т|;<Р

и.

I » 1

г*" \ I

1 ^ \1

I/ —

/¡О

1

ЛГТ • 100, кВт; V, м/с; 5;т1;ср и

Рт, кН

а б

Рисунок 14 - Зависимость тяговой мощности Л^, тягового КПД т|, коэффициентов сцепления ф, буксования 5 и скорости Кбульдозерно-рыхлительного агрегата от сопротивления рыхлению грунта рыхлителем: а - без уширителя; б- с уширителем, установленным под углом 16°: 1 - тяговая мощность; 2 - скорость агрегата; 3 - тяговый КПД; 4 - коэффициент сцепления; 5 - коэффициент буксования

Результаты исследования использованы при производстве земляных работ, создании математических моделей процесса рыхления мерзлых грунтов и автоматизированном расчете производительности и энергоемкости.

Заключение Основные результаты, выводы, рекомендации

1. Научная новизна представлена разработанными теоретическими положениями при формировании и реализации новых технических решений в области создания рабочих органов строительных и дорожных машин с дисковыми резцами.

2. Обоснована перспективность оснащения рабочих органов машин, предназначенных для разрушения мерзлых фунтов, очистки дорожных и аэродромных покрытий от снежно-ледяных и гололедных образований режущим инсфументом в виде заостренных дисковых резцов.

3. Кинематические исследования разрушения твердых сред поверхностью, образованной плоскостью, проходящей через ось вращения резца, показали, что этот процесс в каждый момент времени можно уподобить пофужению элементарного клина в полубесконечный массив таких сред. Поверхность скола при полублокированном резании начинается от режущей кромки дискового резца, имеет серповидную форму и определяется шириной среза, углом резания и углом скола.

4. Разработаны математические модели процесса взаимодействия дискового инструмента с твердыми средами. Полученные аналитические зависимости усилия резания от параметров среза и свойств среды, учитывающие основные геометрические параметры дискового резца, подтверждены экспериментальными исследованиями, дают хорошую сходимость (пофешность не превышает 20 %) и позволяют на стадии проектирования определять усилия, возникающие на рабочих органах с дисковым ишлрументом, при бурении скважин, рыхлении мерзлых фунтов и разрушении снежно-ледяных образований.

5. Анализ результатов экспериментальных исследований показал, что наименьшая энергоемкость процесса резания льда обеспечивается при использовании дисковых резцов с углом заострения 5 = 30° во всём диапазоне изменения значений ширины резания. Дана оценка влияния геометрических параметров резцов, величин среза, физико-механических свойств льда, его кристаллофафической формы и ориентации направления прилагаемой разрушающей нафузки относительно преобладающего направления осей кристаллов, составляющих разрушаемый ледяной массив, на силовые показатели процесса резания льда дисковыми резцами и характер его разрушения.

6. Установлены закономерности изменения усилий при блокированном и полублокированном резании твердых сред в зависимости от физико-механических свойств среда, геометрических параметров инструмента и разработаны конструкции рабочих органов, оснащенных дисковым инструментом. Подтверждена эффективность разрушения твердых сред этими рабочими органами на серийно выпускаемых машинах с минимальной энергоемкостью процесса. Новизна консфукторских разработок подтверждена патентами и авторскими свидетельствами.

7. Разработана методика расчета усилий, возникающих на рабочих органах с дисковыми резцами при разрушении твердых сред. Она позволяет на стадии проектирования

с учетом физико-механических свойств среды и параметров среза определять рациональные геометрические параметры оборудования.

8. Получены зависимости изменения крутящего момента на буровой штанге и скорости бурения от глубины скважины, позволившие определять затраты энергии, по которой можно судить о степени совершенства рабочего органа. Поставлена и решена важная проблема повышения эффективности бурения мерзлых грунтов до VIП категории прочности путем создания сменных буровых рабочих органов с дисковым инструментом, обеспечивающим при одинаковой энерговооруженности повышение скорости бурения в 1,3-1,4 раза при энергоемкости разрушения верхних слоев грунта 1,08-3,4 кВт-ч/м3

9. Исследована нагруженность рыхлителей с дисковым уширителем, а разработанные теоретические положения подтверждены экспериментально и опробованы на серийно выпускаемых машинах. Определена тяговая характеристика бульдозерно-рыхлительного агрегата. Установка уширителей на стойки рыхлителей улучшает тягово-сцепные свойства бульдозерно-рыхлительных агрегатов, максимальный тяговый КПД увеличивается до 44 %, а коэффициент буксования снижается на 10-14 %. Улучшение тя-гово-сцепных показателей базовой машины при установке уширителей обеспечило повышение производительности рыхлителей на 10-42 % и снижение энергоемкости на 8— 46 %.

10. Созданы, испытаны и внедрены конструкции уширителей к рыхлителям статического действия. Данные разработки включены в технологические карты на производство земляных работ в мерзлых фунтах глубокого промерзания комплексами машин с гусеничными рыхлителями при возведении промышленных и жилых зданий. Приведенные в работе аналитические решения расчета усилий, возникающих на дисковых резцах при резании мерзлых грунтов, использованы в отраслевой комплексной программе Красноярским ПромстройНИИпроектом при создании нового бурового, бульдозерно-рыхлительного и дискофрезерного оборудования. Это позволило сократить сроки проектирования, изготовления и испытания опытных образцов вновь созданного оборудования и разработать исходные (технические) требования на создание образцов такого оборудования. Оснащение рабочих органов машин дисковыми резцами позволило снизить энергоемкость механического способа очистки покрытий и расширить область его применения, исключить необходимость приобретения дорогостоящей спецтехники, снизить расход химически активных антишлоледных реагентов и улучшить экологическую обстановку в зонах движения транспортных потоков.

Список работ, опубликованных автором по теме диссертации

а) статьи в изданиях, рекомендованных перечнем ВАК РФ

1.Желукевич, Р. Б. Совершенствование конструкций рабочих органов рыхлителей мерзлого грунта / Р. Б. Желукевич, В. И. Емелин // Строительные и дорожные машины. - 2008. - № 12. - С. 43-46.

2. Желукевич, Р. Б. Устройство для определения показателей прочности уплотненного снежного покрова / Р. Б. Желукевич, Ю. Н. Безбородое, В. А. Ганжа, К. Л. Овсянников // Строительные и дорожные машины. - 2010. - № 1. - С. 26.

3. Желукевич, Р. Б. Рабочий орган для удаления снежно-ледяного наката с поверхности дорог и аэродромов / Р. Б. Желукевич, В. А. Ганжа, Ю. Н. Безбородое // Строительные и дорожные машины, —2011. —№ 1. —С. 61.

4. Желукевич, Р. Б. Тягово-сцепные показатели разрушения мерзлых грунтов бульдозерно-рыхлительными агрегатами с уширителями / Р. Б. Желукевич, В. И. Еме-лин // Строительные и дорожные машины. - 2010. -№ 7. - С. 51-54.

5. Исследование процесса резания уплотненного снега / А. В. Лысянников, Р. Б. Желукевич, Ю. Ф. Кайзер // Вестник Кузбасского государственного технического университета. - 2011. -№ 6 (88). - С. 98-100.

6. Определение усилий при резании снега рабочим органом отвального типа / А. В. Лысянников, Р. Б. Желукевич, Ю. Ф. Кайзер // Вестник Кузбасского государственного технического университета. - 2012. - № 2 (89). - С. 95-98.

7. Результаты исследования процесса удаления уплотненного снега с дорожных покрытий / А. В. Лысянников, Р. Б. Желукевич, Ю. Ф. Кайзер, Ю. Н. Безбородов, Н. Н. Малышева, В. Г. Шрам // Вестник Таджикского технического университета. -2012.-№3 (19).-С. 93-95.

8. Желукевич, Р. Б. Стенд для определения прочности уплотненного снежного покрова аэродромов и дорожных покрытий / Р. Б. Желукевич, А. В. Лысянников, Ю. Ф. Кайзер // Вестник Кузбасского государственного технического университета. -2012. - № 2 (89). - С. 98-100.

9. Рабочий орган для удаления снежно-ледяного наката с дорожных покрытий / А. В. Лысянников, Р. Б. Желукевич, Ю. Ф. Кайзер, Н. Н. Малышева, И. В. Надейкин // Вестник Кузбасского государственного технического университета. - 2012. - № 4 (92). -С. 81-84.

10. Исследование процесса резания уплотненных снежных образований рабочим органом отвального типа / А. В. Лысянников, Р. Б. Желукевич, Ю. Ф. Кайзер, Н. Н. Малышева, И. В. Надейкин // Вестник Кузбасского государственного технического университета. - 2012. - № 4 (92). - С. 84-87.

11. Влияние угла резания отвала на усилия и энергоемкость резания снежного наката / А. В. Лысянников, Р. Б. Желукевич, Ю. Ф. Кайзер [и др.] // Вестник Казанского технологического университета. - Т. 15. - № 12. - Казань : Изд-во Казан, национ. ис-след. технол. ун-та, 2012. - С. 152-156.

12. Определение оптимальных параметров угла резания уплотненного снега рабочим органом отвального типа / А. В. Лысянников, Р. Б. Желукевич, Ю. Ф. Кайзер [и др.] // Известия Самарского научного центра РАН. - Т. 14. - № 1 (2). - Изд-во Самар. наг уч. центра РАН, 2012. - С. 384-387.

13. Желукевич, Р. Б. Тензометрическая головка для регистрации сопротивлений уплотненного снега резанию / Р. Б. Желукевич, А. В. Лысянников, Ю. Ф. Кайзер [и др.] //Вестник Казанского технологического университета. - Т. 15.-№ 12.-Казань : Изд-во Казан, национ. исслед. технол. ун-та, 2012. - С. 146-148.

14. Дисковый режущий инструмент для разрушения снежно-ледяных образований / В. А. Ганжа, Ю. Н. Безбородов, Р. Б. Желукевич, Н. Н. Малышева, П. В. Ковале-вич // Наука и техника в дорожной отрасли. - М. : МАДИ. Изд-во «Дороги», 2012. -№2. -С. 34-37.

б) монография

15. Желукевич, Р. Б. Разработка мерзлых грунтов землеройными машинами с дисковым инструментом : монография / Р. Б. Желукевич. - Красноярск : Сиб. федер. ун-т, 2011.- 196 с.

в) статьи, опубликованные в научно-технических изданиях

16. Желукевич, Р. Б. Особенности разрушения мерзлого грунта дисковыми шарошками / Р. Б. Желукевич // Механизация и организация строительства в районах Восточной Сибири и Крайнего Севера. - Красноярск : Краснояр. ПромстройНИИпроект, 1981.-С. 46-53.

17. Желукевич, Р. Б. Процесс разрушения мерзлого грунта дисковым инструментом / Р. Б. Желукевич // Организация, механизация и экономика строительства в районах Восточной Сибири и Крайнего Севера. - Красноярск : Краснояр. ПромстройНИИпроект, 1982. - С. 36-46.

18. Желукевич, Р. Б. Разработка мерзлого фунта рыхлителем с уширителем / Р. Б. Желукевич // Совершенствование навесного оборудования строительных машин и технологии земляных, свайных работ. — Красноярск : Краснояр. ПромстройНИИпроект, 1984.-С. 31-38.

19. Артемьев, К. А. Исследование кинематики погружения дисковых резцов в грунт / К. А. Артемьев, В. Г. Белокрылов, Р. Б. Желукевич // Совершенствование технологии и механизации земляных и свайных работ. - Красноярск : Краснояр. ПромстройНИИпроект, 1985. С. 27-30.

20. Желукевич, Р. Б. Исследование эффективности применения дискового инструмента на буровых рабочих органах при разработке мерзлых грунтов / Р. Б. Желукевич, А. А. Климов [и др.] // Совершенствование технологии и механизации земляных и свайных работ на основе новых рабочих органов строительных машин. — Красноярск : Краснояр. ПромстройНИИпроект, 1986. - С. 41-53.

21. Артемьев, К. А. Особенности бурения мерзлых грунтов дисковым инструментом / К. А. Артемьев, В. Г. Белокрылов, Р. Б. Желукевич // Технология и механизация земляных работ. Пути повышения надежности строительных машин и эффективности рабочих органов. - Красноярск : Краснояр. ПромстройНИИпроект, 1987. - С. 24-31.

г) материалы конференций

22. Желукевич, Р. Б. Буровая головка с дисковым инструментом / Р. Б. Желукевич, Ю. Ф. Кайзер // Политранспортные системы : материалы V Всеросс. науч.-техн. конф. Ч. 2. - Красноярск: ПИ СФУ, 2007. - С. 224-228.

23. Желукевич, Р. Б. Перспективы разработки дискового инструмента к рабочим органам землеройных машин / Р. Б. Желукевич, Ю. Н. Безбородое, Ю. Ф. Кайзер, В. Л. Тюканов // Новые материалы, неразрушающий контроль и наукоемкие технологии в машиностроении : материалы IV междунар. науч.-техн. конф. - Тюмень, 2008. - С. 100— 104.

24. Желукевич, Р. Б. Экспериментальные исследования резания мерзлых грунтов дисковым инструментом / Р. Б. Желукевич, Ю. Н. Безбородов, Ю. Ф. Кайзер, В. А. Ганжа // Механики XXI веку : материалы VIII Всеросс. науч.-техн. конф. с междунар. участием. - Братск, 2009. - С. 44-46.

25. Желукевич, Р. Б. Роторный бесковшовый рабочий орган с дисковым инструментом / Р. Б. Желукевич, Ю. Н. Безбородов, Ю. Ф. Кайзер, В. Л. Тюканов // Проблемы эксплуатации и обслуживания транспортно-технологических машин : материалы междунар. науч.-техн. конф. - Тюмень, 2009. — С. 127—131.

26. Желукевич, Р. Б. Результаты сравнительных исследований бурового инструмента в мерзлых грунтах / Р. Б. Желукевич, Ю. Н. Безбородов, Ю. Ф. Кайзер // Политранспортные системы : материалы VI Всеросс. науч.-техн. конф., Новосибирск, 21-23 алр. 2009 г. Ч. 2. - Новосибирск: СГУПС, 2009. - С. 329-332.

27. Установка для упрочнения снежного покрова аэродромов и дорожных покрытий / А. В. Лысянников, Р. Б. Желукевич, Ю. Ф. Кайзер, Ю. Н. Безбородов // Новые материалы, неразрушающий контроль и наукоемкие технологии в машиностроении (МКТМ) : материалы V науч.-техн. интернет-конф. с междунар. участием. - Тюмень : ТюмГНГУ, 2010. - С. 146-150.

28. Желукевич, Р. Б. Устройство для определения прочности снежно-ледяных образований / Р. Б. Желукевич, А. В. Лысянников, А. В. Кайзер, В. А. Ганжа // Нефть и газ Западной Сибири : материалы междунар. науч.-техн. конф., посвященной 55-летию Тюмен. гос. нефтегазового ун-та: в 2 ч. Ч 1. - Тюмень: ТюмГНГУ, 2011. - С. 140-144.

29. Ударное устройство для разрушения снежно-ледяных образований на дорожном покрытии / А. В. Лысянников, Р. Б. Желукевич, Ю. Ф. Кайзер, В. А. Ганжа // Перспективы развития и безопасность автотранспортного комплекса : материалы I Междунар. науч.-практ. конф. - Новокузнецк, 2011. - С. 238.

30. Рабочий орган для разрушения и удаления снежно-ледяных образований с поверхности дорог и аэродромов / А. В. Лысянников, Р. Б. Желукевич, Ю. Ф. Кайзер,

B. А. Ганжа // 65-я Всеросс. науч.-техн. конф. ФГБОУ ВПО «СибАДИ» с междунар. участием : в 2 ч. Ч. 1. - Омск : СибАДИ, 2011. - С. 384-388.

31. Желукевич, Р. Б. Комплект навесного оборудования на автогрейдер тяжелого типа / А. В. Лысянников, Р. Б. Желукевич, Ю. Ф. Кайзер, Ю. Н. Безбородов // Интер-строймех-2011 : материалы междунар. науч.-техн. конф. - Могилев : ГУ ВПО «Белорусско-Российский университет», 2011. - С. 128-131.

32. Желукевич, Р. Б. Навесное оборудование отвального типа с дисковым инструментом для удаления снежно-ледяных образований / Р. Б. Желукевич, А. В. Лысянников, А. В. Ганжа, Ю. Ф. Кайзер // Проблемы диагностики и эксплуатации автомобильного транспорта : материалы III Междунар. науч.-практ. конф., Иркутск, 31 мая - 2 июня 2011г.; под общ. ред. А. И. Федотова. - Иркутск : ИрГТУ, 2011. - С. 51-57.

33. Определение сопротивления резанию уплотненных снежных образований /

A. В. Лысянников, Р. Б. Желукевич, Ю. Ф. Кайзер [и др.] // Технологическое оборудование для горной и нефтегазовой промышленности : материалы X Междунар. науч.-техн. конф. Чтения памяти В. Р. Кубачека : в 2 ч. Ч. 1. - Екатеринбург : УГТУ 2012. —

C. 185-189.

34. Повышение эффективности снегоочистки дорожных покрытий / А. В. Лысянников, Р. Б. Желукевич, Ю. Ф. Кайзер [и др.] // Перспективные инновации в науке, образовании, производстве и транспорте - 2012 : сб. науч. тр. 5\УогЫ материалы междунар. науч.-практ. конф., Одесса, 19-30 июня 2012 г. - Вып. 2. - Т. № 7 / под общ. ред. С. В. Куприенко. - Одесса : Изд-во Куприенко, 2012. - С. 24—27.

д) патенты и авторские свидетельства РФ

35. Пат. 2350923 Российская Федерация, МПК й 01 3/42. Твердомер / Р. Б. Желукевич, В. Н. Подвезенный, В. А. Ганжа и др.; опубл. 27.03.2009, Бюл. № 9.

36. Пат. 2429459 Российская Федерация, МПК в 01 М 13/00. Стенд для испытания рабочих органов землеройных машин / В. А. Ганжа, Р. Б. Желукевич, Ю. Н. Безбородов ; опубл. 20.04.2010, Бюл. № 26.

37. Пат. 2396389 Российская Федерация МПК, Е 01 Н 5/12. Рабочий орган для удаления снежно-ледяного наката с поверхности дорог и аэродромов / Р. Б. Желукевич,

B. А. Ганжа, Ю. Н. Безбородов ; опубл. 10.08.2010.

38. Пат. 2410521 Российская Федерация, МПК Е 21 В 10/44. Породоразрушаю-щий инструмент / Р. Б. Желукевич ; опубл. 27.01.2011, Бюл. № 3.

39. Пат. 111149 Российская Федерация, МПК Е 01 Н 5/12. Рабочий орган для удаления снежно-ледяного наката с поверхности дорог и аэродромов / Р. Б. Желукевич, А. В. Лысянников, Ю. Ф. Кайзер [и др.] ; заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО «Сибирский федеральный университет». - № 2011124434/13 ; заявл. 16.06.2011 ; опубл. 10.12.2011, Бюл.№ 34.

40. Пат. 2461809 Российская Федерация, МПК G 01 М 3/58. Стенд для измерения сопротивления грунтов и снежно-ледяных образований резанию / Р. Б. Желукевич, А. В. Лысянников, Ю. Ф. Кайзер [и др.]; опубл. 20.09.2012, Бюл. № 26.

41. Пат. 2463407 Российская Федерация, МПК Е 01 Н 5/12. Устройство для разрушения снежно-ледяных образований наката на дорожных покрытиях / Р. Б. Желукевич, В. А. Ганжа, А. В. Лысянников [и др.]; опубл. 10.08.2010, Бюл. № 28.

42. Пат. 2088505 Российская Федерация, МПК G 01 3/42. Устройство для погрузки сыпучих материалов / И. И. Демченко, М. В. Сорокин, В. И. Зудин, Р. Б. Желукевич; опубл. 1997, Бюл. №24.

43. А. с. 592979 СССР, МПК Е 21 С 21/00. Термомеханическое породоразрушаю-щее устройство / Р. Б. Желукевич, В. А. Ковальчук, А. И. Степанюк [и др.] ; опубл. 15.02.1978, Бюл. №6.

44. А. с. 659744 СССР, МПК Е 21 С 21/00. Термомеханическое породоразрушаю-щее устройство / Р. Б. Желукевич, В. А. Ковальчук, А. И. Степанюк, А. А. Галяс ; опубл. 30.04.1979, Бюл. № 16.

45. А. с. 723099 СССР, МПК Е 21 В 25/00. Кернорватель / Р. Б. Желукевич ; опубл. 25.03.1980, Бюл. №11.

46. А. с. 866072 СССР, МПК Е 02 F 5/30. Рабочий орган рыхлителя / В. И. Еме-лин, Е. Н. Булгаков, Р. Б. Желукевич ; опубл. 23.09.1981, Бюл. № 35.

47. А. с. 909049 СССР, МПК Е 02 F 5/30. Рабочий орган рыхлителя / Р. Б. Желукевич, Е. Н. Булгаков, В. А. Ковальчук [и др.]; опубл. 28.02.1982, Бюл. № 8.

48. А. с. 1036860 СССР, МПК Е 02 F 5/30. Рабочий орган рыхлителя / Р. Б. Желукевич, П. П. Упиров ; опубл. 23.08.1983, Бюл. № 31.

49. А. с. 994629 СССР, МПК Е 02 F 3/18. Рабочий орган землеройной машины / Р. Б. Желукевич, П. П. Упиров, В. А. Ковальчук; опубл. 07.02.1983, Бюл. № 5.

50. А. с. 1514839 СССР, МПК Е 21 В 7/28. Расширитель скважин / Р. Б. Желукевич, В. А. Ковальчук, О. А. Благодатская; опубл. 15.10.1989, Бюл. № 38.

51. А. с. 1583581 СССР, МПК Е 21 В 7/28. Устройство для расширения скважин / Р. Б. Желукевич, В. А. Ковальчук; опубл. 07.08.1990, Бюл. № 29.

52. А. с. 1666677 СССР, МПК Е 21 В 7/28. Расширитель / Р. Б. Желукевич, А. Н. Леоненко, И. П. Салато; опубл. 30.07.1991, Бюл. № 28.

Подписано в печать 03.04.2013. Печать плоская. Формат 60x84/16. Бумага офсетная. Усл. печ. л. 2,12. Тираж 150 экз. Заказ № 1422

Отпечатано полиграфическим центром Библиотечно-издательского комплекса Сибирского федерального университета 660041, г. Красноярск, пр. Свободный, 82а Тел/факс +7 (391) 206-26-67,206-26-19 E-mail: print_sfu@mail.ni

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Сибирский федеральный университет»

На правах рукописи

05201351251

Желукевич Рышард Борисович

ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА СОЗДАНИЯ РАБОЧИХ ОРГАНОВ СТРОИТЕЛЬНЫХ И ДОРОЖНЫХ МАШИН С ДИСКОВЫМИ РЕЗЦАМИ

Специальность: 05.05.04 - «Дорожные, строительные и подъемно-транспортные машины»

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Научный консультант: доктор технических наук, доцент Безбородов Юрий Николаевич

Красноярск - 2012

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение......................................................................................6

Глава 1. ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ МЕРЗЛЫХ ГРУНТОВ И СНЕЖНО-ЛЕДЯНЫХ ОБРАЗОВАНИЙ РАБОЧИМИ ОРГАНАМИ СТРОИТЕЛЬНЫХ И ДОРОЖНЫХ МАШИНАМИ, АНАЛИЗ ИССЛЕДОВАНИЙ ПО РАЗРУШЕНИЮ ТАКИХ СРЕД ДИСКОВЫМ ИНСТРУМЕНТОМ 14

1.1. Актуальность проблемы разработки мерзлых грунтов и снежно-ледяных образований..................................................................14

1.2. Обзор исследований по разрушению горных пород дисковым инструментом.....................................................................................18

1.3. Условия возникновения снежно-ледяных образований на покрытиях дорог и аэродромов..............................................................................26

1.4. Прочностные свойства природных льдов.....................................34

1.5. Анализ режущего инструмента для разрушения мерзлого грунта и обоснование выбора дисковых резцов......................................................47

1.6. Анализ конструкций устройств для разрушения мерзлого грунта с дисковым инструментом........................................................................56

Выводы....................................................................................61

Глава 2. ОСНОВЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КОНТАКТНОЙ ПОВЕРХНОСТИ ДИСКОВЫХ РЕЗЦОВ С ТВЕРДЫМИ СРЕДАМИ................63

2.1. Анализ теорий процесса разработки грунтов.................................63

2.2. Новые технические решения использования дискового инструмента в рабочих органах землеройных машин....................................75

2.3. Кинематические исследования движения точек дискового резца........83

2.4. Математическая модель механического процесса взаимодействия дискового резца с грунтом.....................................................................87

Выводы...................................................................................105

Глава 3. ЛАБОРАТОРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА РЕЗАНИЯ ТВЕРДЫХ СРЕД ДИСКОВЫМИ РЕЗЦАМИ...............................106

3.1. Методика лабораторных исследований процесса резания

твердых сред дисковыми резцами..........................................................106

3.2. Результаты исследований процесса резания твердых сред дисковыми резцами............................................................................116

3.3. Испытания дисковых резцов на рабочих органах бесковшовых роторных экскаваторов........................................................................135

Выводы...................................................................................142

Глава 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА РЕЗАНИЯ ЛЬДА ДИСКОВЫМ ИНСТРУМЕНТОМ...................................144

4.1. Обзор машин и оборудования для образования прорезей в ледяном покрове и разрушения снежно-ледяных образований с поверхности дорожных

и аэродромных покрытий.....................................................................144

4.2. Математическая модель определения усилий резания льда одиночным резцом 156

4.3. Методика проведения исследований по резанию льда дисковыми резцами и обработка полученных результатов...........................................157

4.4. Анализ результатов экспериментальных исследований..................168

4.5. Разработка рабочих органов с дисковым инструментом для разрушения и удаления снежно-ледяных образований с покрытий дорог и аэродромов.......................................................................................178

Выводы...................................................................................186

Глава 5. ИССЛЕДОВАНИЯ И АНАЛИЗ ПРОЦЕССА БУРЕНИЯ СКВАЖИН В МЕРЗЛЫХ ГРУНТАХ БУРОВЫМИ ГОЛОВКАМИ С ДИСКОВЫМ ИНСТРУМЕНТОМ..........................................................187

5.1. Анализ конструкций буровых головок и режущего инструмента

для бурения скважин в мерзлых грунтах..................................................187

5.2. Выбор параметров буровых головок с дисковым инструментом.......199

5.3. Математическая модель определения составляющих усилия резания дисковым резцом в буровых рабочих органах...........................................204

5.4. Аналитическое определение крутящего момента и осевого

усилия на буровой штанге....................................................................208

5.5. Методика экспериментальных стендовых исследований

буровых головок в естественных мерзлых грунтах....................................209

5.6. Результаты сравнительных экспериментальных стендовых исследований буровых рабочих органов и их анализ...................................215

5.7. Натурные исследования буровых рабочих органов с дисковым инструментом в условиях строительного производства...............................229

Выводы...................................................................................232

Глава 6. РЫХЛЕНИЕ МЕРЗЛОГО ГРУНТА В ПОЛЕВЫХ УСЛОВИЯХ ПРИ УСТАНОВКЕ УШИРИТЕЛЕЙ С ДИСКОВЫМ ИНСТРУМЕНТОМ НА СТОЙКИ РЫХЛИТЕЛЕЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТЕНЗОМЕТРИИ ПРИ........................................................................................................................235

6.1. Способы повышения эффективности процесса рыхления мерзлых грунтов............................................................................................235

6.2. Математическая модель рыхления мерзлого грунта рыхлителем

с дисковым уширителем......................................................................248

6.3. Методика тензометрических исследований процесса рыхления мерзлых грунтов рыхлителями с дисковыми уширителями на машинах тягового класса 250 кН........................................................................255

6.4. Экспериментальные исследования тяговой динамики бульдозерно-рыхлительного агрегата ДЗ-94С............................................266

6.5. Анализ результатов исследований по определению производительности и энергоемкости процесса рыхления мерзлых грунтов бульдозерно-рыхлительным агрегатом ДЗ-94С с уширителями.....................279

Выводы...................................................................................283

ЗАКЛЮЧЕНИЕ,основные результаты, выводы, рекомендации......... 284

Список литературы.....................................................................288

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Массивы данных метеоорологических наблюдений по г. Красноярску...............................................................................318

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Методика расчета усилий, возникающих на рабочих органах с дисковыми резцами, при разрушении твердых сред

(льда и мерзлых грунтов).....................................................................321

ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Определение сопротивлений на вспомогательных

элементах систем при бурении скважин...................................................338

ПРИЛОЖЕНИЕ 4. Номенклатура выпускаемых отечественных и зарубежных автогрейдеров и навесное оборудование к автогрейдеру Д3-98А...342

ПРИЛОЖЕНИЕ 5. Разработанное уширительное оборудование и нагруженность рабочих органов в зависимости от типа оборудования и прочности

грунта..............................................................................................344

ПРИЛОЖЕНИЕ 6. Программа по определению сопротивления рыхлению грунта наконечником рыхлителя и акты внедрения.....................354

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. Дальнейшее освоение Севера и районов, прилегающих к Байкало-Амурской магистрали, повлечет за собой увеличение объемов разработки мерзлых грунтов. Обустройство нефтяных и газовых месторождений на территории Сибири требует строительства транспортных магистралей, кабельных сетей, бурения скважин, рыхления мерзлых грунтов. Ввиду заболоченности местности прокладка трубопроводов в районы Дальнего Востока и Китай с особой остротой ставит проблему повышения темпов разработки мерзлых грунтов и снежно-ледяных образований механическим способом в зимнее время.

Вечная мерзлота, глубокое сезонное промерзание, большой процент каменистых включений в грунте ведут к повышенным нагрузкам на рабочее оборудование и в первую очередь на режущий инструмент, который в таких условиях быстро выходит из строя.

Основным фактором, влияющим на износостойкость режущего инструмента, является прочность грунта, обусловленная свойствами минеральных частиц, влажностью, температурой, текстурой, наличием воздуха, льда и незамерзшей воды. Лед цементирует все частицы, а за счет внешних воздействий структура льда и количество жидкой фазы изменяются. Это приводит к изменению прочности мерзлого грунта.

Кроме наличия льда внутри грунта наружные поверхности строительных объектов и покрытия дорог испытывают воздействие снегопадов, ветрового переноса, перепадов температур и уплотнения снега колесами транспортных средств. Уплотненные снежно-ледяные образования на дорогах вызывают повышение скользкости, уменьшение коэффициента сцепления, а это влияет не только на безопасность движения, но и на скорость движения транспортных средств и, как следствие, на уровень выбросов вредных веществ в атмосферу.

Мероприятия по предотвращению, разрушению и уборке снежно-ледяных и гололедных образований трудоемки, повышают эксплуатационные затраты на содержание техники и оказывают вредное воздействие на окружающую среду.

Режущему инструменту, схемам его расстановки на рабочих органах и режимам резания посвящено много исследований. Рекомендуемые авторами углы резания у зубьев экскаваторов для нарезания узких траншей и бурильных машин завышены в два раза. Это приводит к росту усилия резания без увеличения объема разрушаемого грунта. При существующих конструкциях режущего инструмента уменьшение пути трения его режущей кромки - нереальная задача, поскольку каждая точка ее трется о забой от начала заглубления до выхода из него. При этом неизбежно интенсивное изнашивание режущей кромки.

Высокие темпы роста объемов земляных работ в зимнее время при нехватке средств на приобретение новой техники обусловливают актуальность работ по совершенствованию существующих и созданию новых рабочих органов для разработки мерзлых грунтов и снежно-ледяных образований (мерзлые грунты и снежно-ледяные образования далее будем называть твердыми средами) с целью повышения эффективности их разрушения без увеличения мощности базовой машины. Это может быть осуществлено за счет установки на рабочие органы принципиально нового режущего инструмента в виде дисковых резцов.

Преимущество этого инструмента состоит в следующем. Он дает возможность на порядок уменьшить путь трения, так как каждая точка режущей кромки при перекатывании диска по прямолинейному забою погружается в массив грунта по циклоиде только на величину глубины резания, и позволяет заменить трение скольжения режущей кромки зубом трением качения (диск перекатывается вдоль забоя), что повышает долговечность инструмента. Кроме того, установка такого инструмента обусловливает снижение динамических нагрузок на рабочий орган при встрече с включениями, так как контакт режущей кромки с ними в первоначальный момент точечный, а скорость уменьшается по мере погружения точки режущей кромки в массив, следовательно, и нагрузка на режущий инструмент будет возрастать медленно.

Поскольку динамические нагрузки и путь трения уменьшаются, долговечность такого инструмента повышается, возникает возможность увеличения скорости резания, что влечет за собой значительное повышение производительности.

Степень разработанности темы. Степень разработанности и рекомендации, выявленные в процессе анализа исследований, выполненных Л. И. Бароном, Л. Б. Глатманом, С. Л. Загорским, М. Г. Крапивиным и др. по разрушению горных пород дисковым инструментом не могут быть использованы для разрушения мерзлых грунтов и льда, из-за различия их свойств, рекомендуемых параметров дискового инструмента и величин среза при разрушении таких сред.

Имеющиеся исследования ударного разрушения мерзлого грунта дисковыми резцами с отрывом от массива уплотненного между дисками грунта не дают теоретических методов расчета усилий, возникающих на дисковом инструменте при изменении параметров инструмента, ширины, глубины резания и свойств разрушаемой среды.

Существующие теории резания мерзлых грунтов и льда традиционным зубом не могут быть применены к расчету сопротивлений, возникающих на дисковом резце, из-за различия в геометрии, профиле борозды после прохода инструмента, появления нового параметра (диаметра диска) и отсутствия ширины среза при блокированном резании.

Разработка твердых сред рабочими органами с дисковым инструментом как научная область недостаточно изучена, что затрудняет проведение расчетов, проектирование, совершенствование действующих и создание новых конструкций рабочих органов. Таким образом, теоретические и экспериментальные исследования разрушения твердых сред, разработка методики расчета усилий, возникающих на рабочих органах с дисковыми резцами, и внедрение в производство новых и усовершенствованных рабочих органов с данным инструментом являются актуальной научной проблемой.

Цель работы. Развитие теории разработки твердых сред рабочими органами с дисковым инструментом, экспериментальное подтверждение значения усилий, возникающих на одиночном дисковом резце, и создание на этой основе рабочих органов с таким инструментом, повышающих эффективность разработки твердых сред строительными и дорожными машинами.

Задачи исследований. Выполнить анализ существующих схем взаимодействия зубьев и дисковых резцов с мерзлым грунтом, необходимых для определения усилий, возникающих на традиционном инструменте.

Обосновать перспективность оснащения рабочих органов машин дисковым инструментом, предназначенным для разработки мерзлых грунтов и очистки дорожных покрытий от снежно-ледяных образований.

Разработать методики проведения лабораторных, стендовых и натурных исследований нагруженности отвалов автогрейдеров, буровых, диско-фрезерных рабочих органов, рыхлителей с дисковыми уширителями и выполнить экспериментальные исследования разрушения ими твердых сред различной прочности.

Разработать новые технические решения использования дискового инструмента в рабочих органах для разрушения твердых сред и математические модели взаимодействия одиночного конусного дискового резца с разрушаемой твердой средой и на их основе создать рабочие органы с таким инструментом.

Разработать конструкции оборудования и стенды для проведения исследований, позволяющих выявить влияние параметров дискового инструмента и значений величин среза на составляющие усилия резания в реальных природно-климатических условиях при разрушении твердых сред.

Исследовать нагруженность экспериментальных буровых рабочих органов на стенде с использованием тензометрии и провести опытную проверку их на реальных машинах в условиях строительного производства.

Исследовать нагруженность рыхлителей с использованием тензометрии и дискового уширителя при разрушении мерзлых грунтов на базовых машинах тягового класса 250 кН.

Определить показатели тягово-сцепных характеристик бульдозерно-рыхлительного агрегата с дисковым уширителем и без него в мерзлых грунтах различной категории прочности.

Выполнить анализ проведенных исследований, выявить закономерности влияния геометрических параметров инструмента, величин среза и свойств твердых сред на силовые и энергетические показатели процесса их разрушения.

Разработать методику расчета усилий, возникающих на дисковом режущем инструменте для разрушения твердых сред, и конструкции сменных рабочих органов, оснащенных таким инструментом.

Объектом исследования является взаимодействие одиночного дискового резца и рабочих органов с таким инструментом с твердыми средами при их разрушении.

Предметом исследования являются закономерности изменения силовых характеристик, возникающих в процессе разрушения твердых сред в зависимости от изменения геометрии одиночного дискового резца, параметров среза, свойств среды и нагрузочных характеристик рабочих органов с таким инструментом.

Основная идея работы: создание рабочих органов с дисковым инструментом обеспечивающих повышение производительности и снижение энергоемкости процессов разработки мерзлых грунтов и льда.

Научная новизна работы заключается:

в разработке математических моделей расчета составляющих усилия резания на предложенные оригинальные технические решения рабочих органов с дисковым инструментом для разрушения твердых сред, новизна которых подтверждена патентами и авторскими свидетельствами;

в проведенных теоретических исследованиях по определению усилий, возникающих на дисковом инструменте при разрушении твердых сред, и осуществлении экспериментальной проверки полученных результатов с использованием разработанных технических решений рабочих органов с дисковыми резцами и разработанной методики их расчета;

во впервые исследованном механизме процесса разрушения мерзлых грунтов дисковым инструментом на роторных рабочих органах при нарезании узких траншей, бурении и рыхлении мерзлых грунтов различной категории прочности уширительным оборудованием с дисковым инструментом, закрепленным на ст