УДК 624.132
, ,
ПРИБОР ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ УСИЛИЙ В ПРОЦЕССЕ РЕЗАНИЯ
Описаны разработанные измерительный комплекс и конструкция прибора, позволяющие с помощью тензометрических датчиков воспринимать составляющие усилия резания, возникающие при разработке уплотненного снега рабочими органами дорожных машин, исключая их взаимное влияние друг на друга, и реализовывать цифровую запись составляющих.
Ключевые слова: измерительный комплекс, усилия резания, модель отвала, тензометрические датчики, цифровая запись.
Для снегоочистки дорожных покрытий наиболее широко применяют снегоуборочные машины, оснащенные отвалами, как наиболее универсальные, простые в применении и техническом обслуживании. Для эффективного использования снегоуборочных машин необходимо знать оптимальные параметры углов резания и установки отвала, обеспечивающие резание уплотненного снега с наименьшими усилиями. В последние годы особый интерес представляют вопросы совершенствования рабочего оборудования, выбора рациональных параметров установки отвальных рабочих органов, обеспечивающих минимальную удельную энергоемкость процесса разрушения уплотненного снега. Литературный анализ показал, что имеющихся данных недостаточно для определения оптимальных параметров установки отвала снегоуборочной машины, необходимы дальнейшие теоретические и экспериментальные исследования для установления закономерностей формирования усилий резания уплотненного снега на отвале с учетом угла захвата, угла резания, глубины резания и его физико-механических свойств.
Определение оптимальных параметров установки отвала на реальных снегоуборочных машинах технически сложно и экономически затратно. Для исследования процесса резания уплотненного снега был создан измерительный комплекс (ИК), позволяющий проводить экспериментальные исследования по разрушению уплотненного снега с использованием моделей рабочих органов дорожных машин, устанавливать закономерности формирования горизонтальной, боковой и вертикальной составляющих усилия резания в зависимости от физико-механических свойств уплотненного снега, параметров среза, углов резания и захвата отвала, включающий следующие компоненты: персональный компьютер-ноутбук с программным обеспечением; крейт L-Card с аналого-цифровыми преобразователями (АЦП); усилитель сигнала тензодатчиков УТ1-10; специально разработанный измерительный прибор (тензометрическая головка, полумостовая схема подключения).
Схема измерительного прибора, установленного на направляющих специального лабораторного стенда, представлена на рис. 1. Перед работой прибор устанавливался между ползунами 1, расположенными на направляющих 5 лабораторного стенда, в нижней части ползуны 1 соединялись между собой шпильками 8 и гайками 9. Прибор содержит раму 2, шарнирно соединенную с П-образным упругим консольным элементом 22, на которой жестко установлены кронштейны 19 и 4, основание 11, шарнирно связанное с П-образным упругим консольным элементом 22, на котором жестко закреплен держас моделью рабочего органа отвального типа 14. Тензозвено снабжено горизонтальными тягами с установленными на них проволочными тензодатчиками сопротивления ФКПА 20 – 200 (согласно схемам, предложенным в работах [1; 2]), регистрирующими составляющие усилия резания.
Тяга 17, регистрирующая горизонтальную составляющую, шарнирно закреплена одним концом с помощью пальца 18 в кронштейнах 19 рамы 2, соединенной посредством болтов 21 и гаек 25 с ползунами 1, а другим концом при помощи второго пальца 18 соединена с основанием 11. Тяга 15, регистрирующая боковую составляющую усилия резания, установлена перпендикулярно продольной оси стенда, шарнирно закреплена одним концом с помощью пальца 16 в кронштейне 24, жестко соединенным с поверхностью ползуна 1 болтами 21 и гайками 25, а другим концом с помощью другого пальца 16 соединена с основанием 11.
Рис. 1. Схематичное изображение прибора для измерения усилий в процессе резания: 1 – ползун; 2 – рама; 3 – втулки; 4, 10, 19, 24 – кронштейн; 5 – направляющие; 6, 12, 21 – болт; 7 – пластина; 8 – шпилька; 9, 25 – гайка; 11 – основание; 13 – держатель; 14 – модель отвала; 15 – тяга, регистрирующая боковую составляющую; 16, 18, 23 – палец; 17 – тяга, регистрирующая горизонтальную составляющую; 20 – тяга, регистрирующая вертикальную составляющую; 22 – П–образный упругий консольный элемент
Тяга 20, регистрирующая вертикальную составляющую усилия резания, установлена вдоль продольной оси стенда в кронштейнах 4 рамы 2. На тяге 20 расположены втулки 3, на шаровые головки тяги 20 установлен с возможностью вращательного движения П-образный упругий консольный элемент 22, выполненный с взаимно перпендикулярными отверстиями, который с помощью пальца 23, находящегося в нижней его части, шарнирно соединен с основанием 11 через установленные на нем проушины 10. На основании 11 с помощью болтов 12 жестко закреплен держас моделью отвала 14. Для фиксации тяги 20 в заданном положении предусмотрена пластина 7, закрепленная с помощью болтов 6 на кронштейне 4. Тарировка тяг проводилась на специально изготовленной раме непосредственно на тензометрической головке при помощи динамометра растяжения ДПУ–500, винтового приспособления и информационно-измерительного комплекса. Полученные тарировочные данные обрабатывались в программе Microsoft Excel. На основании результатов обработки построены тарировочные графики и определены тарировочные коэффициенты для каждой составляющей усилия резания.
Эксперименты проводились на образцах снега, вырезанных из снежного наката плотностью ρс = 400 – 500 кг/м3, на специальном стенде, на ползунах которого монтировалась тензометрическая головка с закрепленной моделью отвала автогрейдера, выполненной в масштабе 1:10. Исследования проводились при температуре окружающей среды от -5 до -12 оС, так как при данной температуре наиболее вероятно образование снежного наката на дорожном покрытии. Опыты проводились при угле захвата модели отвала δ = 90о, углах резания α = 15, 30, 45, 60, 75, 90о и толщине срезаемой стружки снега h = 10, 20, 30, 40 мм. На рис. 2 приведены полученные после обработки экспериментальных значений зависимости горизонтальной составляющей усилия резания от угла и глубины резания.
а) б)
Рис. 2. Зависимость горизонтальной составляющей усилия резания от угла и глубины
резания уплотненного снега моделью отвала: а – снег плотностью 400–450 кг/м3;
б – снег плотностью 450–500 кг/м3
Анализируя данные графиков (рис. 2), можно отметить, что величина горизонтальной составляющей с увеличением угла резания изменяется полиномиально. Для всех исследуемых плотностей снега характерно равномерное, плавное уменьшение значений горизонтальной составляющей с увеличением угла резания от 15 до 45о. При увеличении угла резания с 45–50 до 90о наблюдается увеличение усилий резания. Минимальные значения горизонтальной составляющей усилия резания получены при угле резания α = 45–50о.
а) б)
Рис. 3. Зависимость вертикальной составляющей усилия резания от угла и глубины
резания уплотненного снега моделью отвала: а – снег плотностью 400–450 кг/м3;
б – снег плотностью 450–500 кг/м3
Оптимальные значения вертикальной составляющей усилия резания (рис. 3) получены при угле резания α = 45о. На рис. 4 приведены зависимости энергоемкости процесса резания уплотненного снега от угла и глубины резания при угле установки модели рабочего органа отвального типа δ = 90о.
а) б)
Рис. 4. Зависимость энергоемкости процесса резания от угла и глубины
резания уплотненного снега моделью отвала: а – снег плотностью 400–450 кг/м3;
б – снег плотностью 450–500 кг/м3
Анализ полученных зависимостей (рис. 4) показал, что минимальная удельная энергоемкость процесса резания уплотненного снега рабочим органом отвального типа будет обеспечена при угле резания α = 45–55о во всем рассматриваемом диапазоне значений глубины резания, т. е. при тех же условиях, при которых были получены минимальные значения горизонтальной составляющей усилия резания.
Полученные значения усилий резания уплотненных снежных образований и их зависимости от углов и глубины резания могут быть использованы при проектировании отвальных рабочих органов и расчете энергоемкости снегоочистительных машин. Установка угла резания 45о, обеспечивающая наименьшие усилия резания уплотненного снега, может быть рекомендована для применения дорожно-эксплуатационным организациям при выполнении работ по снегоочистке дорожных покрытий, что позволит повысить производительность снегоуборочной техники, оснащенной отвальными рабочими органами, без увеличения мощности базовой машины, снизит расход топлива и в целом экономические расходы на содержание дорожных покрытий в зимний период.
Конструкция прибора позволяет, используя тензометрические датчики, воспринимать усилия каждой составляющей в отдельности, исключить их взаимное влияние друг на друга, реализовывать цифровую запись составляющих усилия резания при различных параметрах среза и физико-механических свойствах разрабатываемых материалов. Прибор позволяет проводить лабораторные исследования по резанию уплотненных снежных образований и определить оптимальные параметры углов резания и установки рабочих органов отвального типа, обеспечивающие повышение производительности снегоуборочных машин и эффективности зимнего содержания дорожных покрытий.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Аржаев, полупроводниковых тензорезисторов для исследования строительных и дорожных машин / [и др.]// Строительные и дорожные машины. – 1974. – №8. – С. 17–19.
2. Зеленин, практикум по резанию грунтов: учеб. пособие для студентов инж.-строит. и автомоб.-дорож. вузов /, , . –М.: Высш. шк., 1969. – 310 с.
Материал поступил в редколлегию 14.11.12.
