Научные основы проектирования рабочего оборудования для разрушения уплотнённого снега на автомобильных дорогах (04.04.2011)

Автор: Воскресенский Геннадий Гаврилович

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

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

Методы исследования

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

Научная новизна

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

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

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

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

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

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

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

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

Предложена методика проектирования рабочего оборудования для разрушения уплотнённого снега.

Приведены результаты экспериментальных исследований опытных образцов рабочего оборудования.

Практическая значимость

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

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

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

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

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

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

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

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

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

Вторая глава посвящена изучению закономерностей процессов разрушения уплотнённого снега на покрытиях автомобильных дорог механическим способом, установлению функциональных связей между силовыми характеристиками и параметрами рабочего органа, взаимодействующего со снегом, характеризующимся температурой и плотностью.

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

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

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


загрузка...