Метод контроля силы сопротивления снежно-ледяных образований резанию дисковым инструментом с различным радиусом закругления режущей кромки тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.13, кандидат наук Сатышев Антон Сергеевич

• Сатышев Антон Сергеевич
• кандидат наук
• 2019

Оглавление диссертации кандидат наук Сатышев Антон Сергеевич

Введение

Глава 1. Состояние проблемы. Цель и задачи исследования

1. 1 Обзор условий формирования снежно-ледяных образований на

покрытиях автомобильных дорог

1.2 Физико-механические свойства снежно-ледяных образований

1.2.1 Прочностные свойства льда

1.2.2 Основные закономерности разрушения льда

1.3 Обзор методов содержания покрытий автомобильных дорог в зимний период

1.4 Методы удаления снежно-ледяных образований с покрытий автомобильных дорог

1.5 Преимущества дискового инструмента

1.6 Обзор влияния радиуса закругления режущей кромки дискового инструмента на силу сопротивления разрушаемой среды резанию

1.7 Анализ методов контроля и средств измерения силы сопротивления разрушаемой среды резанию различными инструментами строительно-дорожных и уборочных машин

1.8 Основные выводы и задачи исследования

Глава 2. Метод контроля силы сопротивления прочных

снежно-ледяных образований резанию дисковым инструментом

2.1 Краткое описание известной аналитической методики расчета силы сопротивления снежно-ледяных образований резанию дисковым инструментом

2.2 Разработка метода контроля силы сопротивления прочных снежно-ледяных образований резанию, учитывающего радиус закругления режущей кромки дискового инструмента и

параметры среза

Стр.

2.3 Введение эмпирического коэффициента влияния радиуса закругления режущей кромки дискового инструмента на силу сопротивления резанию

2.4 Выводы по главе

Глава 3. Разработка программно-аппаратного комплекса

3.1 Измерительная установка для реализации метода контроля силы сопротивления снежно-ледяных образований резанию дисковым инструментом

3.2 Конструкция измерительного преобразователя

3.2.1 Форма и геометрические размеры

3.2.2 Обоснование материала изготовления

3.2.3 Обоснование мест размещения тензорезисторов на

упругом элементе с использованием САПР Solid Works

3.3 Измерительная система

3.3.1 Тензометрический усилитель

3.3.2 Система фиксации измерений

3.4 Комплекс прикладных программ

3.4.1 Отброс грубых ошибок

3.4.2 Цифровая фильтрация переходных процессов резания льда

3.4.3 Усреднение данных повторных опытов

3.4.4 Способ анализа продуктов разрушения

3.5 Выводы по главе

Глава 4. Лабораторные исследования влияния радиуса закругления режущей кромки дискового инструмента на силу сопротивления снежно-ледяных образований резанию

4.1 Условия проведения эксперимента

4.2 Тарирование тензометрического элемента

4.3 Обоснование числа опытов

4.4 Методика проведения экспериментальных исследований

4.5 Результаты лабораторных исследований

4.6 Анализ продуктов разрушения

4.7 Выводы по главе

Стр.

Глава 5. Усовершенствование методики математического расчета

силы сопротивления снежно-ледяных образований резанию дисковым инструментом

5.1 Оценка полученных зависимостей контролируемой величины от радиуса закругления режущей кромки дискового инструмента

5.2 Выводы по главе

Заключение

Список литературы

Приложение А. Тарирование тензометрического звена

Приложение Б. Функции обработки данных эксперимента

Приложение В. Акт внедрения в ГП «КрайДЭО»

Приложение Г. Методика расчета силы сопротивления

снежно-ледяных образований резанию дисковым инструментом с различным радиусом закругления режущей кромки

Приложение Д. Акт внедрения в АО «Таймырская топливная

компания»

Приложение Е.

Акт внедрения в учебный процесс ФГАОУ ВО «Сибирский федеральный университет» ИНиГ

159

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Метод контроля силы сопротивления снежно-ледяных образований резанию дисковым инструментом с различным радиусом закругления режущей кромки»

ВВЕДЕНИЕ

Для выполнения программы «Социально-экономическое развитие Арктической зоны Российской Федерации на период до 2020 года», утвержденной постановлением правительства [1], необходимо реализовать стратегию [2], согласно которой предусмотрена интеграция Арктической зоны с основными районами России посредством:

- освоения и разработки месторождений углеводородов, цветных и драгоценных металлов;

- формирования опорной сети автомобильных дорог и современных транспортно-логистических узлов;

- развития, реконструкции и модернизации аэропортовой сети.

Это повлечет за собой необходимость содержания вновь построенных и реконструированных автомобильных дорог и аэродромов в зимний период. Общая же протяжённость российской сети автомобильных дорог общего пользования оценивается в 1 507 750,7 км, в том числе 53 070,5 км федерального значения, что на 15 % больше в сравнении с 2015 годом [3]. 70 % из них расположено в зонах, где длительность зимнего периода достигает в среднем 220 ^ 240 дней в году.

Содержание дорог различного назначения, аэродромов и вертолетных площадок в Арктической зоне и зонах с холодным климатом с увеличением протяженности, грузонапряжённости и интенсивности движения с каждым годом становится все более трудоемким и ресурсоемким. Наиболее сложным, затратным и ответственным является зимнее содержание автомобильных дорог, аэродромов и вертолетных площадок. Среди основных задач зимнего содержания автомобильных дорог можно выделить механический метод удаления снежно-ледяных образований с помощью отвальных (плужных), щёточных, шне-короторных, фрезерно-роторных и других рабочих органов дорожных машин. Однако, в случае формирования прочных снежно-ледяных образований качественная очистка рабочими органами, перечисленными выше затрудняется или становится невозможной. Это обусловлено их физико-механическими свойствами: плотность р = 0,6 ^ 0,9 /смз; предел прочности на сжатие а = 2,5 ^ 2,8 МПа; толщина слоя к ^ 100 мм; температура исследуемой среды —2 ч—10 °С.

Из всего выше перечисленного можно заключить, что потребуется разработка и внедрение современных высокоэффективных рабочих органов дорожных машин для зимнего содержания, адаптированных к использованию в арктических условиях.

Для повышения эффективности и снижения энергоемкости при удалении прочных снежно-ледяных образований в работах В.А. Ганжи предложено применение дискового инструмента [4-6]. Однако, с применением дискового инструмента встает вопрос создания высокоэффективных рабочих органов, для проектирования которых необходимо заранее знать нагрузочные параметры, величина которых зависит от множества факторов. Например, таких как: скорость резания, геометрические параметры инструмента, температура окружающей среды, степень износа режущей кромки.

Дисковый режущий инструмент получил широкое освещение в области горнодобывающей промышленности, а именно, широко применяется в проходческих комбайнах при разработке горных пород. Существует множество работ таких авторов как Л.И. Барон, А.Н. Зеленин, Г.Г. Воскресенский, и д.р. [7-14], рассматривающих влияние различных факторов на силу сопротивления резанию. Однако, в этих работах рассматривается либо резание грунтов и горных пород, и не уделено внимание прочным снежно-ледяным образованиям и льду (как частному их случаю), либо резание производится не дисковыми инструментами. Для более объективного изучения процесса взаимодействия дискового инструмента с прочными снежно-ледяными образованиями, опираясь на работы Л.И. Барона [7; 8], предлагается контролировать три составляющие силы резания: горизонтальную, боковую и вертикальную. Контроль этих составляющих непосредственно на рабочем органе мало эффективен, так как невозможно изолировать влияние температуры и прочих внешних факторов. В работе В.А. Ганжи [15] рассматривается влияние геометрических параметров на силу сопротивления прочных снежно-ледяных образований резанию. Влияние же степени износа режущей кромки на силу сопротивления прочных снежно-ледяных образований резанию изучено недостаточно. Поэтому поиск новых методов расчета и обоснование рабочих параметров, учитывающих степень износа режущей кромки дискового инструмента является актуальной задачей.

Исследованиями процессов взаимодействия дискового инструмента с горными породами, мерзлыми и не мерзлыми грунтами занимались ученые:

Л.И. Барон, Л.Б. Глатман, С.Л. Загорский, А.Н. Зеленин, Г.Г. Воскресенский, А.П. Куляшов, В.М. Козин, Р.Б. Желукевич и др.

Целью данной работы является усовершенствование существующего аналитического метода контроля силы сопротивления прочных снежно-ледяных образований разрушению дисковым режущим инструментом путем одновременного учета радиуса закругления и параметров среза.

Для достижения данной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Разработать метод контроля силы сопротивления прочных снежно-ледяных образований резанию дисковым инструментом, учитывающий влияние радиуса закругления режущей кромки и параметров среза.

2. Разработать программно-аппаратный комплекс позволяющий регистрировать и обрабатывать данные получаемые в процессе взаимодействия дискового инструмента с прочными снежно-ледяными образованиями.

3. Провести экспериментальные исследования влияния радиуса закругления режущей кромки дискового инструмента и параметров среза на силу сопротивления прочных снежно-ледяных образований резанию.

4. Расширить известную аналитическую методику расчета силы сопротивления прочных снежно-ледяных образований резанию дисковым инструментом путем введения эмпирического коэффициента учета влияния радиуса закругления режущей кромки.

Научная новизна:

1. Разработан метод контроля силы сопротивления прочных снежно-ледяных образований резанию дисковым инструментом, отличающийся тем, что позволяет учитывать радиус закругления режущей кромки и параметры среза.

2. Разработан программно-аппаратный комплекс отличающийся тем, что позволяет производить предварительную обработку экспериментальных данных, их статистический анализ и оценку, а также оценивать природу изучаемого процесса на основе анализа фотографий продуктов разрушения.

3. Получены данные демонстрирующие зависомость составляющих силы сопротивления прочных снежно-ледяных образований резанию от радиуса закругления режущей кромки дискового инструмента и параметров среза, а также статистические данные характеризующие природу изучаемого процесса.

4. Расширена аналитическая методика расчета составляющих силы сопротивления прочных снежно-ледяных образований резанию отличающаяся тем, что

позволяет учитывать влияние радиуса закругления режущей кромки дискового инструмента и параметры среза.

Практическая значимость. На основе теоритических и экспериментальных исследований расширена и внедрена аналитическая методика контроля силы сопротивления прочных снежно-ледяных образований разрушению дисковым режущим инструментом. Также, разработан программно аппаратны комплекс позволяющий производить предварительную обработку экспериментальных данных, их статистический анализ и оценку, а также оценивать природу изучаемого процесса на основе анализа фотографий продуктов разрушения.

Mетодология и методы исследования. Решение поставленных задач осуществлялось с применением тензоэлектрического метода измерения нагрузки. При выполнении работы применялись: поверенные стандартные и специально разработанные автором средства контроля; теория планирования и обработки результатов экспериментальных исследований; методы математической статистики и регрессионного анализа.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Метод контроля силы сопротивления прочных снежно-ледяных образований резанию дисковым инструментом, включающий комплексную оценку влияния радиуса закругления режущей кромки и параметров среза.

2. Расширенная аналитическая методика контроля силы сопротивления прочных снежно-ледяных образований разрушению дисковым режущим инструментом, учитывающая влияние радиуса закругления режущей кромки.

Достоверность полученных результатов подтверждается экспериментально и теоретически, экспериментальные результаты получены с использованием средств контроля прошедших поверку. Теоритические результаты при выполнении работы получены при использовании положений механики разрушения твердых тел, теории упругости, выводы подтверждены экспериментально. Результаты находятся в соответствии с результатами, полученными другими авторами.

Апробация работы. Основные результаты работы представлены на: международной научно-практической конференции (к 85-летию ФГБОУ ВПО «СибАДИ») «Архитектура, строительство, транспорт» (Омск, 2015 г); на XVII международной научно-технической конференции «Измерение, контроль, информатизация» (Барнаул, 2016 г); на XIX международной научно-технической конференции «Измерение, контроль, информатизация» (Барнаул, 2018 г); а также на заседаниях кафедры Топливообеспечения и горючесмазочных материалов

Института нефти и газа Сибирского федерального университета (Красноярск, 2015-2018 гг.)

Личный вклад. Автором лично разработан метод контроля силы сопротивления прочных снежно-ледяных образований резанию дисковым инструментом, учитывающий влияние радиуса закругления режущей кромки и параметров среза и расширена аналитическая методика контроля силы сопротивления прочных снежно-ледяных образований разрушению дисковым режущим инструментом. Проведены исследования, согласно с разработанным методом, их статистическая и математическая обработка. В соавторстве с научным руководителем разработан программно-аппаратный комплекс, автором лично разработанна конструкция тензометрического усилителя и программная часть комплекса для обработки и анализа данных.

Публикации. Основные результаты по теме диссертации изложены в 7 печатных изданиях, 2 из которых изданы в журналах, рекомендованных ВАК, 5 — в сборниках трудов конференций.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и пяти приложений. Полный объём диссертации составляет 159 страниц, включая 43 рисунка и 19 таблиц. Список литературы содержит 84 наименования.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Обзор условий формирования снежно-ледяных образований на покрытиях автомобильных дорог

Основой для формирования снежно-ледяных образований, на покрытии дороги, является снег, попадающий на дорогу двумя способами: в результате естественных осадков и ветрового переноса [13; 16; 17]. Спокойный снегопад или слабая верховая метель (со скоростью ветра до 3 м/с) приводят к образованию равномерных снежных образований от 0,01 до 0,3 м, плотность такого снега составляет 80 ^ 150 кг/мз. Однако, вследствие переноса ветром ранее выпавшего снега возникают значительно более плотные снежные образования. Так, например, при скорости ветра 10 % плотность снежных образований может достигнуть 250 ^ 350 кг/мз.

Плотность снега увеличивается тем быстрее, чем выше его температура. При температуре 0 ч—2 °C плотность снега уже в течении 1 ^ 1,5 часов достигает своей предельной величины. С понижением температуры снега процесс уплотнения проходит медленнее и особенно при температуре ниже -10 °C.

Все виды снежно-ледяных образований, образующихся на дорожном покрытии, по внешним признакам подразделяют на рыхлый снег, снежный накат, стекловидный лед [18; 19].

Рыхлый снег откладывается на дорожном покрытии в виде ровного по толщине слоя. Плотность свежевыпавшего снега может изменяться от 60 до 200 кг/мз). При наличии слоя рыхлого снега на дорожном покрытии коэффициент сцепления шин снижается до 0,2.

Снежный накат представляет собой слой снега, уплотненного колесами транспортных средств, пешеходами или рабочими органами снегоочистительных машин. Он может иметь различную толщину от нескольких миллиметров до нескольких десятков миллиметров и плотность 300 ^ 600 кг/мз. Коэффициент сцепления шин с поверхностью снежного наката составляет от 0,1 до 0,25. Важнейшим его свойством, значительно влияющим на механизацию процесса скалывания, является сравнительно небольшое по величине силы смерзание снега с дорожным покрытием. Благодаря этому, при воздействии сдвигающих усилий рабочих

органов снегоуборочных машин уплотненный снег полностью отделяется от поверхности асфальтобетона в виде монолитных кусков. Однако, с понижением температуры снега величина сил смерзания с асфальтобетоном увеличивается в несколько раз.

Стекловидный лед появляется на покрытии в виде гладкой пленки толщиной 1 ч 3 мм и изредка в виде матовой белой шероховатой корки толщиной до 10 мм и более. Отложения стекловидного льда имеют плотность 700 ч 900 кг/мз, а коэффициент сцепления составляет 0,08 ч 0,15.

Прочные снежно-ледяные образования представляют собой снежный накат, содержащий прослойки стекловидного льда, располагаемые на верхней поверхности слоя в местах интенсивного торможения транспортных средств. Важнейшим свойством прочных снежно-ледяных образований, возникающих на дорожном покрытии, являются значительные силы смерзания с поверхностью асфальто- и цементобетона. Поэтому при механизированной уборке снежно-ледяных образований крайне затруднительно их полное отделение от поверхности дороги.

Появление прочных снежно-ледяные образования наиболее вероятно при температуре воздуха —2 ч—6 °С, относительной влажности воздуха 65 ч 85 % и некачественной уборке снега. Прочные снежно-ледяные образования резко усложняют условия движения пешеходов и являются причиной несчастных случаев и травматизма. Наличие прочных снежно-ледяных образований на дорожном покрытии ведет к увеличению длины тормозного пути автомобиля. Так, тормозной путь при одинаковой начальной скорости движения по чистой дороге почти в 10 раз меньше, чем по дороге, покрытой тающим льдом.

Нормативными документами [18; 20-24] определены достаточно высокие требования к показателям качества различных дорожных покрытий, так как, именно эти показатели оказывают решающее влияние на аварийность и травматизм участников дорожного движения. Для организации работ по борьбе и предотвращению появления прочных снежно-ледяных образований необходимо учитывать погодные условия, предшествующие и сопутствующие появлению прочных снежно-ледяных образований, и тенденцию их изменения.

1.2 Физико-механические свойства снежно-ледяных образований

Снежно-ледяными образованиями называют все твердые фазы воды независимо от их кристаллического или аморфного строения [25]. Снежные и ледяные образования постоянно покрывают от 40 до 50 % всей суши.

С точки зрения зимнего содержания покрытий автомобильных дорог самый трудоемкий процесс — это удаление прочных снежно-ледяных образований. Частным и предельным случаем которых является лед.

В природе лед существует в виде кристаллического тела и может давать разные полиморфные модификации, отличающиеся друг от друга строением пространственной кристалической решетки и физическими свойствами.

Как материал лед обладает некоторыми особенностями, отличающими его от других материалов. Основной особенностью является то, что лед в обычных условиях может находиться при температурах, близких к температуре плавления (0 °С) от которой его чаще всего отделяют лишь несколько градусов. Еще одной особенностью является то, что лед не вступает в химическое взаимодействие с посторонними примесями и не образует с ними твердых растворов. Также стоит отметить сравнительно крупные размеры кристаллов. Поперечный размер которых может достигать нескольких сантиметров, в сравнении с металлами, у которых размер кристаллов составляет доли миллиметров.

1.2.1 Прочностные свойства льда

Результаты определения прочности льда в значительной степени зависят от его строения, температуры, влажности воздуха, условий льдообразования, а также методики и средств выполнения измерений.

В отечественной литературе систематическое обобщение данных российских и зарубежных исследований физико-механических свойств льда сделано Б.П. Вейнбергом [26], А.Н. Комаровским [27] и др. Особенности физико-механических свойств льда подробно рассмотрены и проанализированы также в монографии П.А. Шумского [28]. Обобщенная характеристика механических свойств льда по данным различных авторов приводится в работе В.А. Ганжи [15].

В монографии К.Н. Коржавина, опубликованной в 1962 году, детально рассматриваются механические свойства ледяного покрова и даются рекомендации по определению прочности льда при расчетах ледовых нагрузок, действующих на сооружения [29].

Подробное описание особенностей строения, химического состава, термических и механических свойств ледяного покрова морских и пресноводных водоемов приводится в монографии Б.А. Савельева [30].

Принято рассматривать следующие воздействия внешних сил на лед: растяжение, сжатие, изгиб и срез [25]. Предел прочности льда обычно определяется как величина максимального напряжения в испытуемом образце перед его разрушением. Напряжения, соответствующие моменту разрушения, называются «разрушающими напряжениями» или «временными сопротивлениями». В случаях, когда тело доводится до определенных напряжений, меньше разрушающих, они носят название «допускаемыми».

Прочность льда на сжатие меняется в широких пределах и зависит от структуры льда, ориентировки кристаллов относительно направления сжатия, температуры и других факторов. При этом наблюдается большой разброс значений предела прочности льда при испытании аналогичных по своей структуре образцов в одинаковых условиях. Данные о прочности льда на сжатие приведенные в работе [25], представлены в таблице 1.

Таблица 1 — Предел прочности льда при одностороннем сжатии по данным

различных исследователей

Исследователь Характер льда Температура, (минус) °С Предел прочности, МПа

VI VII Vсж

1 2 3 4 5 6

Василенко Искуств. 10 ^ 18 - - 1,18 ^ 4,9

Речной 12 ^ 17 1.96 3,63 ^ 4,51 -

Бель Искуств. 0 3,63 ^ 5,39 2,45 ^ 5,29 -

Речной 8 ^ 10 - - 3,33 ^ 7,64

Бессонов Речной - 0,98 ^ 2,55 2,84 ^ 5,98 -

Барнс и Маккей Речной 0 1,66 ^ 3,92 1,57 ^ 3,82 -

Сергеев Речной - - - 0,98 ^ 7,35

Бутягин Речной 0 0,49 ^ 1,86 - -

Карташкин Искуств. 3,5 - - 4,70 ^ 4,99

Речной 2 - 3,53 ^ 4,90 -

Продолжение таблицы 1

Пинегин

2 3 4 5 6

Реч., верх. 0 ^ 2 1,76 2,06 -

часть

Реч., сред. 12 ^ 15 2,45 2,84 -

часть

Реч., ниж. 31 ^ 35 2,74 3,72 -

часть

Реч., верх. 3 2,84 3,23 -

часть

Реч., ниж. 3 2,25 2,74 -

часть

Вейнберг

Примечание: а/ — предел прочности льда при сжатии в направлении, перпендикулярном к осям кристаллов; ац — то же, при сжатии в направлении осей кристаллов; асж — то же, когда нет отчетливо выраженной ориентировки кристаллов в испытуемом образце или эта ориентировка неизвестна.

1

Предел прочности льда при сжатии в направлении осей кристаллов а// обычно больше, чем при сжатии в направлении, перпендикулярном осям кристаллов а/.

Прочность льда на растяжение ар зависит в основном от тех же факторов, что и сопротивление на сжатие, только величина предела прочности значительно меньше и колеблется в меньших пределах (таблица 2). Кроме того, на величину предела большое влияние оказывают различные включения и структурные неоднородности, которые могут стать очагом разрушения.

Таблица 2 — Предел прочности льда при растяжении по данным различных исследователей

Исследователь Характер льда Температура, (минус) °С Предел прочности, МПа

1 2 3 4

Орлов Речной 8 ^ 10 0,29- -4,41

Бутягин Речной 0 0,15 - -0,54

Василенко Искуств. 4 ^ 12 1,08 - - 1,86

Речной 15 2,45 - -4,41

Пинегин Реч., верх. часть 0- - 35 0,98- - 1,37

Реч., сред. часть 0- - 35 1,08 - - 1,76

Реч., ниж. часть 0- - 35 0,49- -0,78

Карташкин Искуств. 3- 18 0,98- - 1,76

Речной 3 ^ 8 0,88- - 1,18

Продолжение таблицы 2

1 2 3 4

Трощинский Речной 0 0,70

Вейнберг Реч., верх. часть 6 0,81

Реч., сред. часть 0 1,18

Реч., ниж. часть 0 1,24

Сергеев Реч., верх. часть 0 1,12

Реч., сред. часть 0 0,97

Реч., ниж. часть 0 1,41

Сопротивление льда разрыву при растяжении определяется на лабораторных образцах в форме ледяных пластинок, балок и консолей, полученных в естественных условиях. Прочность на растяжение определяется экспериментами двух типов: ледяные образцы гантелевидной формы растягиваются на испытательной машине до разрушения, либо полые ледяные цилиндры сжимаются по диаметру к центру [31].

Исследованиями доказано, что при растяжении вдоль осей кристаллов значение ор будет примерно в 2,6 раза больше, чем при растяжении в поперечном направлении.

Прочность льда на изгиб определяется путем излома образцов льда или части ледяного покрова. Значения прочности пресноводного льда на изгиб по данным работы [31], приведены в таблице 3.

Таблица 3 — Предел прочности льда при изгибе

Характер льда Условия эксперимента Температура, (минус) °С Предел прочности, МПа

Речной 0 =2 см/ и ^ /мин 0 ^ 6 1,30 ^ 0,83

0 =20 см/ о - ^^ /мин 0 0,92

Излом в воде перпендикуляр- 0 0,36 ^ 2,5

но С-оси

То же, параллельно С-оси 0 1,4 ^ 0,71

Изгиб клавишей в воде 2 ^ 21 0,8 ^ 2,4

Озерный Консоли, нагрузка вниз - 0,42

Балочки размером 8х8х50 см 0 ^ 2 1,79

Образцы размером 4х4х36 см 0,5 0,72

Консоль сечением 40х40 см 7 0,59

Консоли сечением до 0 0,59

65х65 см

Прочность льда на срез изучена значительно меньше, чем при растяжении, сжатии или изгибе. Предел прочности при срезе меньше, чем при растяжении или сжатии. Данные о прочности пресноводного льда на срез по данным работы В.В. Богородского [31] приведены в таблице 4.

Таблица 4 — Предел прочности льда на срез

Характер льда Температура, (минус) °С Предел прочности, МПа

Речной, средний слой ледяного покрова 0 ^ 2 12 ^ 15 0,6 0,9 ^ 1

Речной, нижний слой ледяного покрова 31 ^ 35 1,2 ^ 1,3

Речной, малые образцы 1 ^ 24 0,5 ^ 3,5

Речной, срез перемычек в покрове сечением около 20х20 см, нагрузка параллельно оптической оси 0,5 ^ 9,8 0,25 ^ 0,59

Анализируя прочностные свойства льда, можно сделать вывод о том, что они меняются в достаточно большом диапазоне. Разброс данных подчиняется целому ряду факторов:

- температуре (зависит от географического положения района);

- гидрометеорологическим условиям (определяются общей циркуляцией атмосферы);

- условиям льдообразования;

- структуре льда;

- наличию включений;

- условиям проведения эксперимента.

1.2.2 Основные закономерности разрушения льда

В случае приложения ко льду силы он начинает деформироваться. При этом, в зависимости от различных факторов он ведет себя как упругое, пластическое или хрупкое тело.

Область проявления чисто упругих свойств настолько мала, что практически ее не удается выделить. Обычно при любой величине напряжений на ряду с упругими деформациями наблюдаются пластические деформации.

Хрупкое разрушение льда наблюдается при увеличении в нем напряжений до некоторого предела прочности, также в ряде случаев при действии динамических нагрузок. Значительное влияние на характер деформирования льда оказывает его строение. Поэтому рассмотрим сначала деформирование отдельных кристаллов льда [25].

Деформирование монокристаллов льда. Характер деформации монокристалла зависит от направления сдвигающих усилий относительно базисной плоскости (плоскость, перпендикулярная его оптической оси). Представим структуру кристалла как совокупность многочисленных, очень тонких (« 0,06 мм), прочных, но гибких пластинок. Когда направление сил, вызывающих сдвиг, не совпадает с базисной плоскостью, происходит одновременно изгиб элементарных пластинок и их относительный сдвиг Стоит отметить, что при деформации льда сдвиг наблюдается исключительно по базисным плоскостям.

На рисунке 1. 1 показаны три основных возможных направления сил, вызывающих деформацию льда.

ОО — оптическая ось кристалла; БП — базисная плоскость; ЭП — элементарные пластинки; Р — сдвигающее усилие.

Рисунок 1.1 — Основные направления сдвигающих усилий

В случае (рисунок 1.1а), когда плоскость сдвига совпадает с базисной плоскостью, происходит только трансляция элементарных пластинок, и деформация является пластической. Если сдвигающее усилие действует в направлении главной оси, т.е. направление силы и плоскости сдвига перпендикулярны базисной плоскости (рисунок 1.1б), то элементарные пластинки кристалла изгибаются,

при этом имеют место небольшие относительные сдвиги пластинок по базисным плоскостям. После того, как напряжения в элементарных пластинках достигнут некоторого предела, последние ломаются. В случае (рисунок 1.1в), когда направление сдвигающего усилия совпадает с базисной плоскостью, но плоскость сдвига перпендикулярна к ней, элементарные пластинки допускают только незначительную упругую деформацию. Дальнейшее увеличение напряжения приводит к разрушению кристалла.

Деформирование поликристаллов льда. Поликристаллический лед характеризуется анизотропией механических свойств, при одинаковом направлении оптических осей кристаллов. Величина деформации такого льда зависит от направления действия приложенной силы относительно направления оптических осей большинства кристаллов. Лед, состоящий из беспорядочно ориентированных кристаллов можно считать изотропным телом. К факторам, влияющим на деформацию поликристаллического льда, можно отнести: упругие и пластические деформации отдельных кристаллов; взаимные перемещения монокристаллов; разрушение кристаллов [16; 32].

Исследования физико-механических свойств льда позволяют сделать следующие выводы [33]:

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Сатышев Антон Сергеевич, 2019 год

Список использованных источников

1. Ганжа В. А. Обоснование конструкции и основных параметров дискового режущего инструмента для разрушения снежно-ледяных образований [Текст] : дис. ... канд. тех. наук : 05.05.04 : защищена 17.06.11 : утв. 12.05.11 / Ганжа Владимир Александрович. — Новосибирск : Ин-т горного дела СО РАН, 2011. — 185 с.

2. Зеленин А. Н., Карасев Г. Н., Красильников Л. В. Лабораторный практикум по резанию грунтов : Учебное пособие для студентов инженерно-строительных и автомобильно-дорожных вузов. — М. : Высш. школа, 1969. — 310 с.

3. Куляшов А. П. Современные методы разрушения льда. — 2005.

4. Пат. 2487970 Рос. Федерация, МПК7 E 01 H 5/12. Рабочий орган для удаления снежно-ледяного наката с поверхности дорог и аэродромов [Текст] / В. А. Ганжа [и др.] ; заявитель и патентообладатель ФГАОУВПО «Сибирский федеральный университет». — № 2012109412/13 ; заявл. 10.03.2012 ; опубл. 20.07.2013, Бюл. № 20.

5. Богородский В. В., Гаврило В. П. Лед. Физические свойства. Современные методы гляциологии. — Л : Гидрометеоиздат, 1980. — 384 с.

Приложение А.

Пример расчета силы сопротивления снежно-ледяных образований резанию сменным рабочим органом с дисковым режущим инструментом

Приведем пример расчета силы для рабочего органа описанного в патенте

[4].

1 - рама; 2, 3 - гидроцилиндры; 4 - вилка; 5 - кронштейн; 6 - рычаг; 7 -гидроцилиндр одностороннего действия; 8 - дисковый резец; 9 - рояльное колесо; Ь - ширина очищаемой поверхности; а - угол установки дискового резца

относительно продольной оси рабочего органа Рисунок 3 - Схема сменного рабочего органа для разрушения снежно-ледяных

образований

Примем ширину очищаемой поверхности Ьпов = 3,75 м, количество дисковых резцов работающих по блокированной схеме резания пблок = 2 (см. рис. 3) и рассчитаем требуемое количество дисковых резцов по выражению (3). Шаг резания примем £ = 10 см:

3,75 — 0,02 х 2 п п = --01-+ 2 = 373.

Округлим полученный результат до четного количество в силу конструктивного размещения дискового инструмента на рабочем органе (см. рис. 3) п = 374 шт.

Для расчета величины давления на грани клина из выражения (5) необходимо определить значение величин С0 и К расчету примем следующие значения для пресноводного льда. Предел прочности на растяжение при температуре воздуха от 0°С до —10°С составляет ар = 1,2 МПа. При температуре от 0°С до —2°С, по данным работы [5], предел прочности льда при сжатии в направлении перпендикулярном к осям кристаллов асж = 2,3 МПа.

Подставляя в выражение (6) численные значения напряжений, получаем:

. (1,2 — 2,3 \

= агсэт - = 18,3

\1,2 + 2,3/ '

Величина сцепления льда С0 определяется из выражения (7)

1,2 + 2,3 2

С0 = , + , = 1,75 кН/м2 0 2

Угол зоны радиального сдвига для угла внутреннего трения ^>2 = 18,3° и угла заострения дискового резца 5 = 30° из диаграммы 1 составляет: 0 = 17.2°. Подставляя полученные значения в выражение (5) получаем:

P = 1,75 х cot 18,3o х

g2x 17.2o xtan 18,3° x ( + ^ } _ 1

4

2

= 6,85 кН/м2

Далее рассчитаем значение площади поверхности дискового резца соприкасающейся со льдом во время резания [1]:

S = 0,5х

V0,01 + 0,0036 0,1

x f 0,12 x arceos 004 - 0,04 x ^0,01 - 0,0016^ = 0,0046

Длинна дуги контакта режущей кромки дискового инструмента со льдом при заглублении К = 0,06 м, согласно выражению (12) составляет:

3,14x0,5x0,2 0,5x0,2-0,06 Ь =-—-х агссоБ-—-—-= 0,113 м

180

0,5 0,2

Экспериментальное значение коэффициента неравномерности разрушения для рассматриваемых условий составляет 3,4. Тогда, величина коэффициента параметров разрушения в соответствии с выражение (11) составит:

2x0,113x0,06 _

кПР =---= 2,95

0,0046 '

Значение центра тяжести zc определяется в соответствии с выражением

0,06 x tan 30o x (3,5 x 0,2 - 2 x 0,06)

(14):

Zc =

3 x (2,5 x 0,3 - 0,06)

= 0,015

Значение радиуса R1 определяется в соответствии с выражением (15):

Ri = 0,5 х 0,2 - -0015 = 0,074 1 ' tan 30o

Угол поворота дискового резца а1 определяется из выражения (13):

0,074 — 0,06 -

0,015 tan 30o

а1 = arceos

0,074

= 57,32е

2

Значения составляющих силы сопротивления снежно-ледяных образований резанию дисковым инструментом работающим по блокированной схеме определяются в соответствии с выражениями (8-10):

Рбок. блок = 6,85 х 0,0046 х 2,95 х 3,4 х (cos 30o - 0,065 х sin30o) =

= 0,263

Егор. блок = 6,85 х 0,0046 х 2,95 х 3,4 х (0,065 х cos 30o + sin30o) х

57 32o

х (1 + 0,016) х sin —2--+ 0,263 х 0,065 = 0,102

2

Рверт. блок = 6,85 х 0,0046 х 2,95 х 3,4 х (0,065 х cos 30o + sin30o) х

о

57 32е

х (1 + 0,016) х cos —2— = 0,156

2

Коэффициенты влияния радиуса закругления режущей кромки дискового резца на составляющие силы сопротивления прочных снежно-ледяных образований резанию определяются в соответствии с выражением (19) и таблицей 1 для радиуса закругления режущей кромки R = 0,5 мм:

k (0,0005, 0,01)дбок = 1,138 k (0,0005, 0,01)Дгор = 34,537

k (0,0005, 0,01)Нверт = 0,383

Значения составляющих силы сопротивления снежно-ледяных образований резанию дисковым инструментом работающим по полублокированной схеме определяются в соответствии с выражениями (16-18):

Рок = 1,138 х 6,85 х 2,95 х 0,01 х (cos 30o - 0,065 х sin30o) =

= 0,1917

Ргор = 34,537 х 6,85 х 2,95 х 0,01 х (0,065 х cos 30o + sin30o) х

( . 57,32o 57,32o \

х ( s-— + 0,016 х cos — j + 0,26 х 0,065 =

= 1,9334

Бверт = 0,383 х 6,85 х 2,95 х 0,01 х (0,065 х cos30o + sin30o) х

57 32o

х (1 + 0,016) х cos —2— = 0,0384

2

Рассчитаем силу сопротивления прочных снежно-ледяных образований резанию сменным рабочим органом, оснащенным дисковым режущим инструментом (рис. 3) согласно выражению (4):

Ррез = \/0,1922 + 1,9332 х (374 - 2) + ^0,252 + 0,262 х 2 = 723,336

«УТВЕРЖДАЮ»

Г

Начал ьншеяефтебазы «Песчанка»

опливная

Е.А. Корунец 2019 г.

АКТ ВНЕДРЕНИЯ

результатов научно-исследовательских, опытно-конструкторских и

технологических работ

Настоящим актом подтверждается, что результаты диссертационной работы:

МЕТОД КОНТРОЛЯ СИЛЫ СОПРОТИВЛЕНИЯ СНЕЖНО-ЛЕДЯНЫХ ОБРАЗОВАНИЙ РЕЗАНИЮ ДИСКОВЫМ ИНСТРУМЕНТОМ С РАЗЛИЧНЫМ _РАДИУСОМ ЗАКРУГЛЕНИЯ РЕЖУЩЕЙ КРОМКИ_

выполненной:

(наименование темьг)

САТЫШЕВЫМ АНТОНОМ СЕРЕЕВИЧЕМ.

Кафедра ТОПЛШЮОБЕСПЕЧЕНИЕ И ГОРЮЧЕ-СМАЗОЧНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ИНС ТИТУТА НЕФТИ И ГАЗА СИБИРСКОГО ФЕДЕРАЛЫ ЮГО УНИВЕРСИТЕТА

внедреныв:

(ф и о. исполнителя, наименование кафедры)

НЕФТЕБАЗА «ПЕСЧАНКА»

АО «ТАЙМЫРСКАЯ ТОПЛИВНАЯ КОМПАНИЯ»

Вид внедренных результатов: МЕТОДИКА РАСЧЕТА СИЛЫ СОПРОТИВЛЕНИЯ СНЕЖНО-ЛЕДЯНЫХ ОБРАЗОВАНИЙ РЕЗАНИЮ ДИСКОВЫМ ИНСТРУМЕНТОМ С РАЗЛИЧНЫМ РАДИУСОМ ЗАКРУГЛЕНИЯ РЕЖУЩЕЙ КРОМКИ_

эксплуатация (изделия работы, технологии!, производство (изделия. работы, технологии) и др

I. Характеристика масштаба внедрения ВЫБОР ПАРАМЕТРОВ СМЕННОГО РАБОЧЕГО ОРГАНА. С ДИСКОВБГМ РЕЖУЩИМ ИНСТРУМЕНТОМ. ДЛЯ РАЗРУШЕНИЯ СНЕЖНО-ЛЕДЯНЫХ ОБРАЗОВАНИЙ. ПРИ КОТОРЫХ БУДЕТ ДОСТИГАТЬСЯ УВЕЛИЧЕНИЕ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ И УМЕНЬШЕНИЕ ЭНЕРГОЕМКОСТИ _

2. Форма внедрения

МЕТОДИКА РАСЧЕТА

методика I метод!

л.

Новизна результатов научно-исследовательских работ КАЧЕСТВЕННО НОВЫЕ

(пионерские. принципиально новые, качественно новые, модификация, чодернизания старых разработок»

4. Опытно-промышленная проверка ПОДТВЕРЖДЕНА ПРОТОКОЛАМИ ИСПЫТАНИЙ ВНЕДРЯЕМОЙ МЕТОДИКИ________

5. Внедрены: в промышленное производство

6. Годовой экономический эффект

Ожидаемый ,

ПАРК СПЕЦМАШИН

Фактический_—_

7. Удельная экономическая эффективность внедренных результатов_—_

8. Объем внедрения — что составляет — от объема внедрения, положенного в основу расчета гарантированного экономического эффекта, рассчитанного по окончании НИР

9. Социальный и научно-технический эффект УСОВЕРШЕНСТВОВАНА ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СХЕМА ОЧИСТКИ ДОРОЖНЫХ ПОКРЫТИЙ ОТ СНЕЖНО-ЛЕДЯНЫХ ОБРАЗОВАНИЙ. ОБЕСПЕЧИВАЮЩАЯ БОЛЕЕ ВЫСОКОЕ КАЧЕСТВО РАБОТ_

(охрана окружающей среды, недр, улучшение и оздоровление услови0_трула, специального назначения и т.п.)

Ог исполнителя

Автор разработанногеидетода контроля

Сатышев А.С.

тута нефти и газа :рального университета

Л. А. Кравцова

«УТВЕРЖДАЮ»

Проректор по науке ФГАОУ ВО ирский федеральный

М.И. Гладышев 2019 г.

АКТ ВНЕДРЕНИЯ в учебный процесс Института нефти и газа ФГАОУ ВО «Сибирский федеральный университет» результатов диссертационной работы Сатышева A.C. на тему «Метод контроля силы сопротивлении снежно-ледяных образований резанию дисковым инструментом с различным радиусом закругления режущей кромки»

Результаты диссертационной работы Сатышева A.C. внедрены в учебный процесс Института нефти и газа Сибирского федерального университета на кафедре «Топливообеспечение и горюче-смазочные материалы» и используются при проведении лекционных и практических занятий по дисциплине: «Эксплуатация объектов сервиса технических средств топливообеспечения».

Методическая и экспериментальная работа позволила повысить уровень подготовки специалистов по выпускаемым специальностям, усовершенствовать исследовательскую часть при выполнении курсовых работ.

Зав. кафедрой «Топли вообеспечение и горюче-смазочные материалы» д.т.н., профессор

Ю.Н. Безбородо в