Разработка стенда для исследования параметров дорожных фрез с виброприводом

Размещено на http://www.allbest.ru/

38

ВВЕДЕНИЕ

Развитие и функционирование крупного города неизбежно приводит к необходимости удаления снега и борьбы с обледенением дорог. Наибольшую угрозу на автодорогах представляет собой гололед. Гололед возникает в период с ноября по январь и с апреля по март на большей территории Российской Федерации. Это происходит при сочетании относительной влажности воздуха 85-95%, температуры воздуха от (-) 1єС до (-) 6єС, температуры дорожного покрытия менее 0єС. Критической температурой воздуха для появления гололеда является нулевая, а наиболее опасен перепад температур от (-) 2єС до (+) 2єС, так как в этих условиях изменяется тормозной путь и повышается опасность возникновения дорожно-транспортных происшествий. Коммунальным службам в этот период всегда приходиться бороться с гололёдом на дорогах и тротуарах.

Для механизации этого вида работ существуют два вида машин: распределители антигололёдных присадков и механические рыхлители. Недостатком первого способа является его экологическая опасность, но наряду с этим высокая производительность и лучшее очищение поверхности по сравнению со вторым. На сегодняшний день также существуют и используются машины скалывающего типа с виброприводом, которые качественно очищают дорожное покрытие, не причиняя вред экологии.

Такие машины базируются на плоских рамах снабжённых несколькими рядами скалывающих зубьев и вибраторами круговых колебаний. Их основным недостатком является низкая производительность, обусловленная пошаговым сколом. Данного недостатка лишены барабанные фрезы и скалыватели, в которых зуб постоянно контактирует с разрабатываемой средой при любой скорости базовой машины. Таким образом, совмещение достоинств ударного скалывания с круговыми движениями скалывающего зуба фрез позволит более эффективно производить разрушение дорожных наледей и покрытий.

На кафедре проводятся исследования виброраскатывающих снарядов для образования скважин. При экспериментальных исследованиях данных устройств было обнаружено, что требуемый эффект может быть достигнут за счёт использования виброраскатывающего привода цилиндрической среды. Однако теоретических и экспериментальных данных о параметрах таких рабочих органов в существующей литературе не обнаружено.

Поэтому целью настоящего данной работы является разработка стенда позволяющего определить и экспериментально проверить функциональные возможности и рациональные параметры таких рабочих органов. Исследование на стенде предполагается проводить на основе физического моделирования.

Дипломный проект на тему: " Разработка стенда для исследования параметров дорожных фрез с виброприводом" выполнен на кафедре ПСМ БИТТиУ на основании приказа № от 3.03.2008 на дипломное проектирование по БИТТиУ.

1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА

1.1 Анализ существующего оборудования для разрушения наледи и дорожных покрытий

Для механизации работ по удалению наледи на дорогах и тротуарах применяют 2 вида машин:

а) Распределители противогололёдных материалов;

б) Рыхлители механические.

Распределители противогололёдных материалов.

Нанесение противогололедных материалов (ПГМ) является, одним из наиболее эффективных способов борьбы с гололедицей на транспортных магистралях. Системы распределения ПГМ (поваренная соль, песок, зола), смонтированные на тракторах и автомобилях, применяют с 1920 годов. На данный момент используют три типа материалов: инертные (песок и щебень для уменьшения коэффициента скольжения и увеличения сцепных качеств); твердые реагенты (соляные, песчано-соляные гранулированные смеси, кальцинированный хлорид кальция, чешуированный хлорид кальция двух-четырехводный или чешуированный хлорид магния) и жидкие химические реагенты (ацетаты калия и ХКМ - хлорид кальция модифицированный с ингибиторами коррозии).

Среди существующих конструкций рыхлительного оборудования для рыхления, разрушения асфальтобетонных дорожных покрытий и ледяных наростов наиболее известными являются, пожалуй, дорожные машины с прицепным, полуприцепным и навесным дорожным оборудованием.

При ремонте дорог с целью разрушения, разрыхления асфальтобетона и льда применяют:

1.1.1 Рыхлители в виде рамы с рыхлительными зубьями

1 - базовая машина; 2 - навесной рыхлитель.

Рисунок 1.1 - Навесной рыхлитель

Недостатками данного вида оборудования является его малая производительность, необходимость использования гусеничных тракторов большой мощности с большим тяговым усилием.

Для разрушения асфальтовых, бетонных покрытий применяют также пневматические или гидравлические молоты, смонтированные на базе экскаватора. Такое оборудование позволяет разрушать довольно большой толщины и прочности слой асфальтобетона без предварительной подготовки.

Однако недостатком данного оборудования является то, что разрушаемая площадь мала, т.е. данное оборудование имеет низкую производительность. Поэтому данный вид оборудования используется лишь при мелком ремонте дорог, или чаще всего для взлома ограниченного участка.

1.1.2 Бульдозерное оборудование.

1-базовая машина; 2-рама отвала; 3-отвал; 4-гидрооборудование.

Рисунок 1.2 - Схема разрушения покрытия или ледяного нароста бульдозерным оборудованием

Отвал заглубляется и движением вперед, одновременно поднимая вверх отвал, разрушает покрытие или ледяной нарост.

Недостатком данного вида оборудования является невозможность взламывания покрытия достаточной прочности, также возникает проблема удаления и последующей транспортировки с места работы разрушенного материала.

акже данное оборудование не предусмотрено для таких работ, вследствие чего возможен быстрый износ и малая производительность из-за циклического характера работы машины. Поэтому оно применяется при местном характере работ, когда требуется незначительное по размеру разрушения.

1.1.3 Фрезерование покрытий

Существующие фрезерные установки для проведения работ в дорожной отрасли, в основном подразделяются по следующим видам выполняемых работ:

- Машины для стабилизации грунта;

- Машины для фрезерования асфальтобетонных и цементобетонных покрытий при ремонтно-восстановительных мероприятиях;

- Машины для нарезки щелей.

Машины для стабилизации грунта подразделяются на однороторные дорожные фрезы и многороторные однопроходные машины - грунтосмесители.

Однороторные дорожные фрезы осуществляют технологические операции по рыхлению и измельчению грунта, по способу передвижения их подразделяют на: самоходные, навесные и прицепные. К последним могут быть отнесены и полуприцепные фрезы.

В самоходных дорожных фрезах рабочие органы монтируются на шасси, изготовленных специально для этой цели. Навесные дорожные фрезы устанавливают на серийно выпускаемые тягачи (гусеничные или колесные). Прицепные фрезы работают в прицепе за трактором. У полуприцепных фрез раму устанавливают на седле тяговой машины. Привод рабочего органа прицепных и полуприцепных фрез осуществляется преимущественно от собственной силовой установки; известны также прицепные фрезы с приводом ротора от вала отбора мощности тягача. По схеме привода рабочего органа различают фрезы с боковым (односторонним или двухсторонним) и с центральным приводами.



в)

а -- односторонний боковой; б -- двухсторонний боковой;

в -- центральный; 1 -- ротор; 2 -- рама; 3 -- конический редуктор;

4 -- карданный вал; 5 -- боковой редуктор; 6 -- левая половина ротора; 7 -- правая половина ротора.

Рисунок 1.3 - Привод рабочего органа

Дорожные фрезы состоят из следующих основных элементов: базового шасси; рабочего органа; привода рабочего органа; системы дозирования и распределения жидких вяжущих и воды.

Максимальные транспортные скорости самоходных фрез принимают 20-25 км/ч, поэтому часто устанавливают рессоры на переднюю управляемую ось. Рессоры должны быть снабжены блокирующим механизмом для выключения их во время работы. В противном случае возникающие при вращении ротора колебания рамы фрезы приведут к образованию переменной толщины обрабатываемого слоя грунта. Задний мост с шинами низкого давления обычно рессорами не оснащают.

По направлению резания грунта фрезы подразделяют на режущие сверху вниз и на режущие снизу вверх.



а)

б)

а - сверху - вниз; б - снизу - вверх.

Рисунок 1.4 - Схемы резания грунта

Базовыми шасси навесных дорожных фрез служат колесные (преимущественно) и гусеничные тягачи промышленного исполнения, оборудованные ходоуменьшителями.

а)

б)

а -- на колесном шасси; б--на гусеничном шасси.

Рисунок 1.5 - Схемы навесных дорожных фрез

Прицепные дорожные фрезы монтируются на одноосных прицепных тележках. Если прицепная фреза имеет самостоятельный двигатель, то на раме тележки находится площадка оператора с рычагами управления.

а) б)

а -- с приводом от вала отбора мощности трактора;

б -- с приводом от собственного двигателя.

Рисунок 1.6 - Схемы прицепных дорожных фрез

К рабочему органу фрезы относят ротор, кожух, раму ротора и гидросистему подъема рабочего органа.

Ротор, расположенный перпендикулярно к продольной оси машины, представляет собой фрезерный барабан, состоящий в общем виде из вала и лопастей. В поперечном сечении ротора (в каждом ряду), может быть различное число лопастей.

При боковом приводе рабочая часть ротора находится между боковыми кронштейнами рамы и полная ширина обработки грунта соответствует ширине ротора. При этом выступающие части вала ротора устанавливают в опорах кронштейнов его рамы; за ними (с одной или двух сторон) на этот же вал устанавливают шестерни или звездочки бокового редуктора.



1 -- ротор с зубьями; 2 -- левый стакан; 3 -- роликовый подшипник;

4 -- крышка; 5 -- уплотнение; 6 -- рама; 7 -- корпус редуктора;

8 -- шестерня; 9 -- правый стакан.

Рисунок 1.7 - Ротор фрезы с односторонним боковым приводом

При центральном приводе ротор состоит из двух половин (левой и правой), закрепленных на одном валу. Между половинами ротора находится редуктор привода. Опорой ротора с центральным редуктором служит корпус редуктора, который подвешивается на тягах к кронштейнам рамы базового шасси, либо устанавливается на раме базовой машины (Рисунок 1.8).

Наличие центрального редуктора приводит к разрыву в середине обрабатываемой полосы. Поэтому для проработки слоя материала, который расположен под редуктором, применяется двухсторонний специальный плужок (Рисунок 1.9). Преимуществом бокового привода является отсутствие разрыва в ширине обрабатываемой полосы, а следовательно, равномерное (по ширине) качество измельчения и перемешивания материала с вяжущими компонентами. Недостатком этого привода по сравнению с центральным является ограниченная глубина обработки грунта из-за наличия боковых редукторов, препятствующих заглублению.



а

б

а -- с цилиндрическим редуктором; б -- с коническим редуктором.

1 -- ротор; 2 -- редуктор.

Рисунок 1.8 - Ротор фрезы с центральным приводом



1-- лемех; 2 -- отвал; 3 -- стойка.

Рисунок 1.9 - Конструкция плужка

Конструкция ротора с жесткими лопастями состоит из трубчатого вала и приваренных к нему лопастей со сменными режущими ножами. Для защиты такого ротора от поломок при встрече с препятствием необходимо в силовой передаче устанавливать предохранительные устройства.

а)

б)

а -- схема ротора; б -- расположение лопастей на роторе;

1 -- левая цапфа; 2 -- труба; 3 -- лопасть; 4 --режущий нож;

5 -- правая цапфа; 6 -- ступица.

Рисунок 1.10 - Ротор с жесткими лопастями

Ротор с пружинными (упругими) лопастями состоит из трубчатого вала с приваренными к нему скобами, в которые вставляют пружинные лопасти, представляющие собой пакет полос из пружинной стали, скрепленных между собой хомутом. Наружная, загнутая полоса выполняет роль режущей лопатки. При износе загнутой части полоса заменяется целиком. Эти лопасти смягчают удар при встрече с препятствием, но не предохраняют от поломок.

а)

б)

а -- схема ротора; б -- расположение лопастей на роторе.

1 -- левая цапфа; 2 -- труба; 3 -- ступица; 4 -- правая цапфа;

5 -- скоба; 6 -- лопасть; 7 -- подрессорник большой;

8 -- подрессорник малый; 9 -- крепежный хомут; 10 -- накладка;

11 -- клин.

Рисунок 1.11 - Ротор с пружинными лопастями

Ротор с шарнирно подвешенными лопастями состоит из вала, установленных на нем секций, шарнирно подвешенных лопастей и упругих амортизаторов. Передачу крутящего момента, а также соединение секций между собой осуществляют за счет эксцентричных выступов осей лопастей, заходящих в соответствующие отверстия боковых листов соседних секций. Лопасти имеют сменные режущие ножи. Резание грунта такими лопастями осуществляется за счет моментов центробежных сил. При встрече с препятствием лопасть может отклониться, поворачиваясь вокруг своей оси, тем самым предохраняя ротор от перегрузок и поломок. Для смягчения удара при возвращении лопатки из отклоненного положения применяются металлические либо резинометаллические амортизаторы.

а)

б)

а -- схема ротора; б--схема расположения лопастей на роторе.

1--приводной вал; 2--вал; 3 -- втулка; 4 -- шайба; 5 -- кольцо;

6 --вращающийся резцедержатель; 7 --режущая пластина;

8 --поворотная щека; 9 --ось вращения; 10 --отбойник.

Рисунок 1.12 - Ротор с шарнирно подвешенными лопастями

Режущие ножи лопастей изготовляют из полосовой стали или поковки. Для повышения износостойкости сверху на режущую часть наплавляется слой твердого сплава толщиной 5…10 мм. В зависимости от конструктивного исполнения лопастей возможны различные виды крепления ножей. Для роторов с жесткими и шарнирно подвешенными лопастями применяется клиновое и болтовое крепление. В роторах с пружинными лопастями крепление пакета осуществляется при помощи клина.

а -- с помощью болтов; б -- с помощью клина.

1 -- лопасть; 2 -- режущие ножи; 3 -- болт.

Рисунок 1.13 - Крепление режущих ножей у роторов с жесткими и шарнирно подвешенными лопастями

1 -- скоба; 2 -- клин; 3 -- гайка; 4-- шайба; 5--планка; 6--труба;

7--лопасть; 8 --большой подрессорник; 9 -- малый подрессорник;

10--крепежный хомут; 11-- планка; 12-- гайка.

Рисунок 1.14 - Крепление пружинных лопастей ротора

Кожух ротора образует рабочую камеру, в которой происходит измельчение грунта и перемешивание его с вяжущими материалами.

Задняя стенка кожуха обычно соединена с ним шарнирно (на петлях) для обеспечения доступа к ротору, возможности осмотра и замены режущих ножей.

Закрепление задней стенки на определенной высоте позволяет формировать слой обработанного грунта. На рисунке показаны: кожух плавающего типа и кожух, жестко закрепленный относительно оси ротора. Кожух плавающего типа не связан с осью ротора. При любом заглублении ротора в грунт опорные части вала ротора скользят в соответствующих пазах боковых стенок.

а)

б)

а -- плавающего типа; б -- жестко закрепленный.

1 -- кожух; 2 -- лыжа; 3 --задняя стенка.

Рисунок 1.15 - Кожух ротора

При этом кожух, опираясь на грунт лыжами, укрепленными снизу боковых стенок, надежно закрывает рабочую полость ротора. Для предотвращения запрокидывания кожуха при переводе ротора в транспортное положение он прикрепляется тягами к базовой машине. Впереди на некотором расстоянии от поверхности грунта кожух не имеет стенки для обеспечения воможности впрыска жидких вяжущих.

На раме ротора устанавливают щитки, препятствующие высыпанию грунта через боковые пазы кожуха. Кожух, жестко закрепленный на раме рабочего органа, при заглублении или выглублении ротора также перемещается вместе с ним. Для того чтобы предотвратить выбрасывание грунта из-под кожуха при разной глубине обработки, боковые стенки снизу оснащают щитками.

Рама ротора является звеном, связывающим ротор с рамой базового шасси. Шарнирное крепление ее на базовом шасси позволяет производить подъем и опускание рабочего органа. В рабочих органах с центральным приводом рама ротора отсутствует. В нижних кронштейнах рамы устанавливаются опоры ротора. Наличие торцовых крышек позволяет производить быстрый демонтаж ротора. К поперечной балке привариваются две стойки, имеющие сверху также съемные крышки для шарнирной установки рамы на кронштейнах базового шасси. В стойки могут упираться штоки гидроцилиндров подъемной системы. Возможен случай одновременного боковых нижних кронштейнов рамы в качестве корпусов боковых редукторов привода ротора. Установка ротора в опорах рамы должна осуществляться на сферических подшипниках, предотвращающих заклинивание ротора при возможных незначительных изгибах его вала.

Подъем рабочего органа фрезы производится с использованием либо гидросистемы базовой машины, либо автономной гидросистемы подъема ротора. Гидросистема состоит из гидронасосов, распределителей, трубопроводов и гидроцилиндров одностороннего действия, осуществляющих подъем рабочего органа; его опускание (заглубление) происходит только под действием собственного веса. Ограничение опускания ротора достигается с помощью специальных регулируемых упоров, обеспечивающих заданную глубину обработки грунта.

В кинематическую цепь от приводного двигателя до ротора входят промежуточные элементы управления (сцепления, муфты), дополнительные передачи и боковой или центральный редуктор. В некоторых фрезах осуществляется гидростатический привод рабочего органа, который обеспечивает защиту ротора при встрече лопастей с препятствием. Но при этом трудно привести в соответствие обороты ротора с поступательным перемещением фрезы для получения постоянной толщины стружки. Трансмиссия машины должна обеспечивать возможность независимого включения ротора и ходовой части.

1 -- рама; 2 -- крышка вертикальных кронштейнов; 3 -- крышка нижних кронштейнов; 4 -- стакан малый; 5 -- стакан большой.

Рисунок 1.16 - Рама ротора фрезы с боковым приводом

Корпусы редукторов приводов могут изготавливаться как сварными, так и из стального литья. В местах выхода вала редукторы должны иметь надежное уплотнение, препятствующее вытеканию смазки.

Очень большая номенклатура выпускаемых фрез у известной немецкой фирмы "Wirtgen GmbH". В качестве примера рассмотрим фрезу W 1000.

Между задними опорными колесами расположена фреза шириной 1000 мм. Глубина фрезерования составляет 180 мм. Габаритные размеры машины W 1000 - 4345х2400х2525 мм. Длина машины с конвейером достигает 10 615 мм, а высота - 4000 мм. На машине установлен турбодизельный двигатель фирмы "Caterpillar" (США) типа 3116DI-TA мощностью 149 кВт при частоте вращения коленчатого вала 2300 мин^-1. Привод хода гидравлический. Передние колеса ведущие и управляемые, задние - опорные. Подвеска передних колес плавающая. Каждое из задних колес имеет индивидуальную подвеску и индивидуальную регулировку по высоте, выполняемую гидравлическим распределителем. Такая система обеспечивает возможность установки фрезы на различную глубину резания, а также в горизонтальном или наклонном положении.

Рисунок 1.17 - Общий вид фрезерной машины нового поколения моделиW 1000 фирмы "Wirtgen GmbH"

На фрезерном барабане диаметром 508 мм установлены 96 резцов с шагом 15 мм. Привод фрезы механический, фреза выполнена из четырех пар сегментов с быстросъемными резцами.

Гидравлический привод хода позволяет иметь рабочие скорости в диапазоне 0-25 м/мин и транспортные скорости в диапазоне 0-6 км/ч. Рабочая масса машины составляет 16 400 кг. Модель W 1000 является дорожной фрезой среднего размера. Ее используют для обработки как узких, так и магистральных участков дорожного покрытия. Машина способна выполнять фрезерование на закруглениях и стыках благодаря хорошей маневренности.

Рисунок 1.18 - Общий вид фрезы Roadtec RX 20

Дорожная фреза RX 20 является наиболее маневренной однометровой холодной фрезой в мире. Благодаря своей непревзойденной маневренности эта машина, имеющая двигатель мощностью 230 л.с., эффективно выполняет различные работы по срезанию грунта. Она имеет более низкий центр тяжести, чем все другие фрезы, что позволяет ей работать на крутых склонах, например, на гоночных треках с высокими откосами на поворотах. Кроме того, дорожная фреза RX 20 идеально подходит для использования при создании или ремонте подходов к мостам, мостового полотна, откосов бордюров, траншей и перекрестков.

Рисунок 1.19 - Общий вид фрезы Roadtec RX 50В

Дорожная фреза RX 50B - это холодная фреза с двигателем 600 л.с. с оптимальным соотношением мощности, производительности и экономичности. Агрегат может снимать дорожное покрытие с максимальной шириной 2489 мм и на максимальную глубину 305 мм. Специально разработанная система управления тремя гусеницами позволяет иметь рабочий радиус поворота 2,5 м, двигаться при работе с боковым смещением, снимать грунт как при движении вперед, так и назад. Двухступенчатый конвейер имеет ширину 864 мм и может быть повернут для выгрузки на 50 градусов в любую сторону от осевой линии, тем самым облегчая работу в городе.

В России лишь два предприятия: АО "Брянский Арсенал" и АО "Дмитровский экскаваторный завод" - производят отечественные холодные фрезы. Преимущество у этих машин перед зарубежными одно - они значительно дешевле.

Рисунок 1.20 - Общий вид фрезы МДФ

Фреза МДФ предназначена для холодного фрезерования асфальтовых покрытий при их ремонте. Рабочим органом фрезы является фрезерный барабан, на котором крепятся съемные резцы, изготовленные из высоко стойкой стали.

Фрезерует в асфальте прямолинейные и криволинейные полосы шириной 400 мм, глубиной до 65 мм. Базовый тягач - МТЗ-80, МТЗ-82. Привод фрезерного барабана - механический от вала отбора мощности трактора, мощность двигателя 55 кВт.

Фреза ДС-197 предназначена для послойного снятия асфальтобетонных покрытий с автодорог, улиц, площадей при их ремонте, реконструкции. Установка на рабочий орган дополнительной фрезы позволяет вырезать канавки для укладки бордюрного камня.



Рисунок 1.21 - Общий вид фрезы ДС - 197

В силовую установку входит дизельный двигатель Д-260.1, установка насосов, система охлаждения, топливный и гидравлический баки.

Рабочий органом является барабан, оснащенный резцами диаметром 550 мм. Ширина фрезерования изменяется ступенчато от 250 до 1000 мм. Максимальная глубина фрезерования достигает 80 мм при поперечном уклоне барабана 6 градусов. Скорость движения машины рабочая - 0…10,0 м/мин; транспортная - 0…3,9 км/ч; конвейер с максимальной высотой разгрузки - 2790 мм и углом поворота в плане 20 градусов.

На большинстве дорожных фрез используется режущий инструмент как импортного, так и отечественного производства. По качественным параметрам российские производители подобного инструмента входят в число мировых лидеров.

Одной из специализированных компаний поставками на рынок российского твердосплавного инструмента занимается московская фирма "Экспо-МВ". в ассортименте которой присутствуют поворотные резцы нового поколения повышенной стойкости для ремонта дорожных покрытий, фрезерования асфальтов, бетонов и наледи.

Резцы, используемые в дорожных фрезах, имеют различную конструкцию. В качестве примера можно привести резцы компании НТС - сервис .



Для достижения высокой эффективностью и износоустойчивости резцов применяют твердосплавные вставки.

Рисунок 1.23 - Твердосплавные вставки

Также серийно выпускаются резцедержатели для данных серий резцов.

Рисунок 1.24 - Резцедержатели

1.2 Анализ существующих исследований в области создания оборудования для разрушения наледи и дорожного покрытия

Одной из эффективных современных технологий содержания дорог является применение фрез снимающих как старое дефектное покрытие при ремонте дорог, так и удаление наледи в зимнее время. Несмотря на имеющиеся разработки в области фрезерования, конструкция современной дорожной фрезы не далеко ушла от первоначальной схемы ротора с жестким закреплением зуба в резцедержателе.

Эта схема не имеет ни какой интенсификации процесса фрезерования дорожного полотна, что приводит к значительным энергетическим затратам при проведении данного вида работ.

1 -- левая цапфа; 2 -- труба; 3 -- лопасть; 4 --режущий нож;

5 -- правая цапфа; 6 -- втулка.

Рисунок 1.25 - Роторная фреза традиционной конструкции с жесткими лопастями

Учитывая выше сказанное проводятся исследования различных сложных видов движения зуба фрезы при разработке как твердых пород, так и наледи, благодаря которым предполагается получить выигрыш в процессе фрезерования конструктивно легко реализуемым способом.

Интересной является разработка с интенсификацией рабочего процесса.

Рисунок 1.26 - Устройство для рыхления прочных грунтов



Рисунок 1.27 - Дебалансы устройства для рыхления прочных грунтов

Изобретение относится к строительству и может найти применение для послойного рыхления прочных грунтов, а также снятия асфальтобетонных покрытий и наледи при ремонте автомобильных дорог и их содержании.

Устройство для рыхления прочных грунтов содержит раму 1, на которой на опорах вращения установлен вал 2 с закрепленными к нему зубьями 3, привод 4, который соединяется с валом упругой муфтой 5, кронштейн 6, жестко закрепленный на валу с осями 7, на которых в опорах вращения смонтированы зубчатые колеса с дебалансами 8, входящими в зацепление с зубчатым колесом 9, установленным на валу 2 в опорах вращения, привод 10 зубчатого колеса 9 и кожух 11. Для рыхления грунта рама 1 навешивается на базовую машину (трактор, автогрейдер, прицепное устройство) с возможностью обеспечения нужного контакта с разрабатываемым прочным грунтом, включается привод 4 вала 2 и привод 10 зубчатого колеса 9, после чего базовая машина начинает движение. Зубья 3, вращаясь с валом 2, поочередно входят в контакт с разрабатываемой средой. Зубчатое колесо 9 приводит во вращение колеса дебалансы 8, которые создают центробежную силу.

Под действием этой возмущающей силы возникают крутильные колебания вала 2 вместе с закрепленными на нем зубьями 3. Следовательно, в момент взаимодействия зуба с грунтом, который осуществляется основным приводом 4, добавляется момент от крутильных колебаний Т_дин. Так как Т_дин изменяется по гармоническому закону, то зуб при резании совершит гармонические колебания, т.е. вибрирует, в результате чего на ножах снижается его трение о грунт, а режущие кромки взаимодействуют с грунтом в частотно-ударном режиме, в результате чего особенно хрупкие грунты разрушаются значительно легче, чем при статическом разрушении. Упругая муфта 5 служит для предохранения привода 4 от дополнительных динамических нагрузок. Кожух 11 защищает зубчатые колеса от попадания пыли.

Применение изобретения позволяет не только повысить эффективность работы фрез, но и значительно снизить энергоемкость фрезерования прочных грунтов, при этом эффект увеличивается с увеличением хрупкости грунта.

Интересна конструкция с интенсификацией всего рабочего органа вместе с охватывающей рамой.

Рисунок 1.28 - Устройство для послойного рыхления горных пород

Устройство содержит передвижную платформу, которая состоит из рам 1, осей 2 и колес 3. На подвижной платформе монтируются силовое оборудование и пульт управления (не показаны). К внутренним поверхностям рам 1 жестко закреплены вертикальные направляющие 4, между которыми свободно размещен вертикально-выдвижной элемент, который выполнен в виде прямоугольной опорной плиты 5 с отверстиями для ударников 6 частотно-ударных механизмов, в корпусе 7 которых посредством ведомых валов 8 установлены два дебаланса 9. Ударники 6 закреплены к корпусу 7 снизу. Привод частотно-ударных механизмов может осуществляться от базовой машины или дополнительной силовой установки через звездочку 10, редуктор 11, промежуточные звездочки 12 и 13, ведомые звездочки 14 и 15. Все звездочки соединены между собой цепями 16 - 19. Вместо звездочки 12 может быть установлен шкив, а цепь 17 соответственно заменена клиновидным ремнем. Механизм пылеподавления состоит из гидронасоса 20 с системой груб 21.

Рисунок 1.29 - Устройство для послойного рыхления горных пород (вид в плане)

Напорный механизм состоит из маслонасоса 22 с напорным гидроцилиндром 23. Приводы насосов могут быть, например, механические, кинематически связанные с ходовой частью или независимые. Оба частотно-ударных механизма посредством, стоек 24 и свободно надетых на них пружин 25 и 26 закреплены в один ряд сверху опорной плиты 5. В центр плиты 5 свободно введен снабженный упорными планшайбами 27 и 28 и виброгасящей перемычкой в виде пружины 29, шток 30 напорного гидроцилиндра 23, корпус которого посредством растяжек 31 и стоек 32 жестко закреплен к рамам 1 подвижной платформы. Под платформой, параллельно ее оси 2, расположен породоразрушающий инструмент, выполненный в виде полого цилиндра 33, армированного снаружи твердосплавными зубьями 34. Полый цилиндр 33 выполнен длиннее оси 2 и свободно установлен с возможностью вращения в соосных овальных хомутах 35, которые изнутри, по периметру, снабжены шарикоподшипниками 36, а со стороны забоя выполнены разомкнутыми, причем разомкнуты на меньшую величину, чем наружный диаметр полого цилиндра 33.

Устройство работает следующим образом. С началом перемещения по забою платформы с помощью базовой машины опорная плита 5 посредством гидроцилиндра 23 опускается вниз и прижимает рабочий орган к забою, создавая через пружину 29 напорное усилие. При движении рабочий орган 33 прокатывается по забою, вращаясь в хомутах 35. При включении частотно-ударных механизмов последние своими ударниками 6 наносят удары непосредственно по рабочему органу 33, минуя промежуточные детали. Вращающийся рабочий орган 33 передает ударные нагрузки на породу, вызывая ее рыхление. Механизм пылеподавления обеспечивает снижение пылеобразования в зоне работы рабочего органа и его охлаждение. Перевод рабочего органа 33 в транспортное положение осуществляется гидроцилиндром 23, посредством которого обеспечивается подъем опорной плиты 5. Применение изобретения повышает надежность работы устройства путем непосредственного взаимодействия частотно-ударных механизмов с рабочим органом минуя промежуточные детали, и улучшает условия работы.

Известна конструкция рабочего органа с ударно рыхлящим воздействием с вибратором крутильных колебаний.

Рабочий орган состоит из вибратора 1 крутильных колебаний, вибрирующего ротора 2 с бойками 3 и рыхлящих наконечников 4, подвешенных к ротору на шарнирах 5 и пружинной подвеске 6. Привод на вибратор крутильных колебаний осуществляется через ведущий вал 7 солнечного колеса 8. Дебалансы 9 установлены на сателлитах 10, а крутильные колебания одновременно с вращением совершает водило 11, которое жестко связано с ротором через вал 12.

Рисунок 1.30 - Рабочий орган с вибратором крутильных колебаний

Работа описываемого рабочего органа осуществляется следующим образом: ротор 2 вращается по стрелке а и одновременно совершает крутильные колебания вокруг центральной оси. Рыхлящие наконечники 4, связанные с ротором шарнирами 5 и пружинами 13, вращаются вместе с ротором. Когда наконечники не находятся в контакте с грунтом, они занимают положение, показанное на рисунке 1.30. Определенным поджатием пружин 13 между бойком и наконечником обеспечен зазор, исключающий нанесение ударов бойка по наконечнику.

Как только наконечник встречает препятствие (упирается в грунт), он останавливается.

При вращении вибрирующего ротора 2 пружины 13 сжимаются и зазор между бойком и наконечником исчезает. Боек 3 начинает наносить частые удары по наконечнику 4. В случае частых ударов и течение всего времени контакта наконечника с грунтом система вибрирующий ротор - рыхлящий наконечник работает в виброударном режиме.

Как только, с поворотом ротора, данный наконечник вышел из контакта с грунтом, он занимает первоначальное положение - отжимается пружиной 13 от бойка и удары по нему не наносятся. Затем в работу вступает следующий наконечник, и процесс повторяется.

Данная конструкция рабочего органа позволяет просто и эффективно осуществить виброударное рыхление мерзлых и твердых грунтов роторным рабочим органом, свойственным машинам непрерывного действия.

В качестве альтернативы ротору с жестким креплением зубьев на роторе при постоянном радиусе фрезерования предлагается новый рабочий орган, у которого ось вращения ротора не совпадает с его геометрическим центром.

е --эксцентриситет; h₁ и h₂ -- конечные значения глубин фрезерования зубьями, находящимися соответственно в точках А и Б

Рисунок 1.31 - Цилиндрическая фреза со сложным движением зуба

Как видно из рисунка, на котором для упрощения установлено только два зуба в сечении, фреза, находясь в забое и перемещаясь по вектору U вместе с базовой машиной, последовательно производит разрушение материала сначала резцом А на глубину h₁, а затем, повернувшись на угол 180 и переместившись вперед, производит разрушение резцом Б на глубину h₂. При этом общая глубина фрезерования будет составлять h_max= h₁+ h₂. Таким образом, данная фреза позволяет получить выигрыш по сопротивлению разрушения резцом любой формы при фрезеровании материала на полную глубину h_max за счет поэтапного срезания её стружками.

1.3 Анализ существующих стендов для исследования оборудования по разрушению наледи и дорожных покрытий

Рыхление любого вида покрытий можно изучить на приближенных моделях. Для формирования приближённой модели используют анализ реологических моделей различных сред.

Экспериментальные исследования проводятся на стендах физического моделирования рабочих процессов рыхления и фрезерования прочных сред. Резание покрытий осуществляется одиночными режущими элементами натуральной величины. При ремонте асфальтобетонных покрытий путем их восстановления с использованием старого материала непосредственно на месте, разрушению подвергается верхний слой покрытия. Поэтому при моделировании используется мелкозернистый многощебенистый асфальтобетон. Образцы вырубаются из натуральных покрытий.

Стенд физического моделирования процессов резания и фрезерования асфальтобетонных покрытий выполнен на базе строгального станка и горизонтального фрезерного станка, основными элементами которых являются: корпус 1, суппорт 5, тензозвено 4, стол 3, приспособление 2 для крепления образцов асфальтобетонных покрытий. Горизонтальная и вертикальная составляющие сопротивления резанию регистрируются в процессе рыхления традиционными методами.

Для воспроизведения условий, аналогичных условиям взаимодействия режущих элементов с асфальтобетонным покрытием, крепление вырубленных образцов асфальтобетона осуществлялось с надежной фиксацией.

Рисунок 1.32 - Стенд для изучения процесса рыхления покрытий

Экспериментальные исследования по определению рациональных параметров фрезы можно проводить на базе стенда физического моделирования, специально разработанного для подобных исследований. Общая схема стенда показана ниже.

Рисунок 1.33 - Схема стенда физического моделирования процесса фрезерования

Стенд состоит из подвижной платформы 1, которая перемещается на роликах 3 по опорной поверхности стола вдоль жестко закрепленных направляющих 14 с помощью моторредуктора ПР-1М под позицией 13. Барабан 12 с набором цилиндрических поверхностей служит для изменения поступательной скорости движения подвижной платформы. На платформе закреплена поворотная штанга 4 с подшипниковым узлом 7, способная изменять глубину фрезерования. Привод эксцентричной фрезы 5 осуществляется с помощью второго моторредуктора ПР-1М под позицией 2 через цепную передачу 10. На валу 6 приклеены тензодатчики 9, установлены токосъемники 8, связанные с контрольно-измерительной аппаратурой 16. Фрезерование материала ведется в жестко закрепленном на столе контейнере 15.

Конструкция стенда и отдельных его блоков видны на фотографии.

Фотография 1.1 - стенда физического моделирования процесса фрезерования

Регистрация крутящего момента, возникавшего при работе фрезы, осуществляется при помощи комплекта тензометрической аппаратуры, включающей тензоусилитель, осциллограф и стабилизатор электропитания аппаратуры.

1.4 Анализ методов получения критериев подобия при физическом моделировании рабочих процессов

1.4.1 Основное положения теории размерности подобия и моделирования

Для изучения процессов взаимодействия рабочих органов строительных машин с внешними средами на моделях применяют геометрическое (пропорциональность линейных размеров и равенство углов), физическое (подобие кинематических: тождественность направления и пропорциональность скоростей и ускорений и динамических: тождественность направления и пропорциональность сил и напряжений) и физико-математическое моделирование. Физико-математическое моделирование все еще не позволяет получать достаточно достоверные результаты из-за сложности и громоздкости математического описания модели грунта.

Моделирование - есть замена изучения интересующего нас явления в натуре изучением аналогичного явления на модели меньшего или большего масштаба, обычно в специальных лабораторных условиях (грунтовой, гидравлический каналы, аэродинамические трубы и др.).

Основанное на сохранении физической природы изучаемого явления моделирование носит название физического. Научно-методическая основа формирования моделей - теории подобия и размерности. Два явления подобны, если по заданным характеристикам одного можно получить характеристики другого простым пересчетом, который аналогичен переходу от одной системы единиц измерения к другой. При этом выведенные аналитические (экспериментальные, эмпирические) зависимости для модели будут адекватны для натурных образцов.

Исследование процессов взаимодействия со средой рабочих органов строительных машин в значительной степени облегчается, если воспользоваться общей теорией размерности.

Выражение производной единицы измерения через основные называется размерностью. Размерность записывается символически в виде формулы, в которой основные единицы измерения обозначаются: L - длина(м), M - масса(кг), T - время(с). Для обозначения размерности часто используют введенный Максвеллом символ [ ]: сила (Н), напряжение (Н/м²), скорость (м/с), ускорение (м/с²) и т. д., или любая физическая величина, имеет вид степенного одночлена , где о_i, j_i, ч_i - показатели и степени.

Основное значение теории размерности для теоретических и экспериментальных исследований состоит в возможности изучения физических закономерностей в безразмерном виде, инвариантном относительно выбора систем единиц измерения.

Методы установления критериев подобия основаны на трех теоремах подобия (Баловнев, 1981):

1) если два явления (объекта, процесса, системы и др.) подобны, то критерии подобия, определяющие явление, равны;

2) всякое полное уравнение физического явления из п величин, из которых т - величины, обладающие независимыми размерностями (как правило, три основные единицы измерения), может быть представлено в виде критериального уравнения , число членов которого п-т (р -теорема);

3) необходимым и достаточным условием подобия двух явлений (объектов, процессов, систем и т. д.) является пропорциональность сходственных параметров и равенство определяющих критериев подобия.

Критерии подобия двух объектов (индексы н - натура, м - модель) определяются несколькими методами, наибольшее распространение среди которых для строительных машин получили: метод анализа размерностей величин, определяющих процесс, с использованием р -теоремы; метод анализа систем уравнений, тождественно равных при описании подобных явлений; метод приближенного физического моделирования.

1.4.2 Определение критериев подобия с помощью анализа размерности

Любой процесс характеризуется большим числом параметров, взаимовлияющих факторов и условий. Известно, что сопротивление грунта копанию различными рабочими органами зависит от геометрических параметров инструмента, режима работы, физико-механических свойств грунта и др. Ряд параметров между собой имеет установленные функциональные зависимости, поэтому при моделировании контроль за влиянием параметров на процесс может быть сведен к минимуму:

,

где Р - сопротивление грунта резанию, Н; l -- определяющий линейный размер рабочего органа, м; б --угол резания, град.; х - скорость резания, м/с; г_г -- удельный вес грунта, Н/м³; у_сж - сопротивление грунта одноосному сжатию, Н/м²; ц_Г - угол внутреннего трения; град; ц_С - угол внешнего трений, град.; g - ускорение свободного пaдения, м/с²; с - приведенная жесткость грунта и инструмента, Н/м; з - коэффициент вязкого трения, Н с²/м.

В качестве основных единиц системы принимаем l, х, у_сж, размерности которых выразим через основные единицы измерения:

Основные единицы системы должны быть независимыми, и их независимость выявляется определителем системы, составленным из показателей степеней, который должен быть отличен от нуля:

В соответствии с теорией размерности и р-теоремой (вторая теорема подобия) функциональную зависимость представим в виде безразмерных комплексов критериев подобия:

; ; ; ;

; ; ; .

Показатели степеней о_i, j_i, ч_i в безразмерных комплексах определим, выразив их через основные единицы измерения и приравняв к единице:

Равенство будет соблюдаться при условиях: 1-ч₁=0; l-о₁-j₁+ч₁=0; -2+j₁+2ч₁=0, тогда искомые показатели степени будут: ч₁=l, о₁=2, j₁=0.

Полученный безразмерный комплекс будет первым критерием подобия, идентичным для модели и натуры:



Аналогично определяются остальные критерии подобия:

В соответствии с первой теоремой подобия критерии подобия для натуры (оригинала) и модели должны быть равны между собой:

; ; ; ;

; ; ; .

Однако критерии подобия, в которые входят две и более основные единицы измерения, с целью сохранения идентичных значений, требуют изменения входящих параметров. Например, чтобы сохранить при изменении линейного размера рабочего органа l, требуется изменять либо удельный вес грунта г_Г, либо его прочность у_сж. Несоблюдение критериев подобия, имеющих параметры разных размерностей (П₁,П₃, П₆ и др.), нарушает подобие системы.

Из экспериментальных данных известно, что для мерзлых грунтов определяющий критерий подобия П₁ не зависит от масштаба модели. Не изменяя физико-механических свойств среды для натуры и модели: , , , ,имеем переходные зависимости от модели к натуре:

где i_l - масштабный коэффициент;

Несоблюдение ряда критериев подобия показывает ограниченность теории размерности. С помощью одной только теории размерности нельзя определить функциональных соотношений между безразмерными величинами.

1.4.3 Определение критериев подобия с помощью анализа cистем уравнений

Этот метод основан на тождественном равенстве уравнений, описывающих подобные явления. Представляя оригинал и модель в виде материальных точек, взаимодействующих с внешней средой через приведенные жесткости системы, запишем в упрощенном виде дифференциальные уравнения движения оригинала и модели:



где m - масса; х - линейный размер; t - время; с - приведённая жесткость; Р - силовой параметр.

Вследствие подобия явлений величины, их характеризующие выражаются через масштабы подобия:

.

Тогда упрощенное дифференциальное уравнение движения оригинала через параметры модели будет:

Заменяя бесконечно малые величины конечными, опуская знаки дифференцирования, заменяя знаки соотношения между членами выражения на знаки пропорциональности и учитывая, что для тождественности выражения должно быть равенство индикаторов (указателей) подобия;

получаем интегральный аналог:



Безразмерные комплексы, составленные из размерных величин и параметров, являются критериями подобия:

Тогда критериальное уравнение имеет вид:

Для определения параметров системы назначают масштабы подобия с учетом индикаторов подобия. Имея пять масштабов подобия и два индикатора подобия, три масштабных коэффициента назначают из условия эксперимента (например, масштабные коэффициенты по массе i_m времени i_t и линейному размеру i_l, а два других (масштабные коэффициенты по приведенной жесткости i_l и силе i_p) определяют из зависимости:

1.4.4 Приближенное физическое моделирование

Приближенный метод физического моделирования при сокращении вариантов критериев подобия существенно упрощает методику экспериментальных работ с моделями без значительного изменения точности (относительная погрешность лежит в пределах 10…15 %, что не превышает соответствующую погрешность при испытании оригинала в естественных условиях).

Сохраняя пропорциональность линейных размеров натуры и модели и равенство соответствующих углов б_н=б_м для процессов резания, копания, рыхления грунтов рабочими органами машин (системы «грунт - рабочее оборудование» и «рабочее оборудование - движитель - грунт») В. И. Баловнев предложил использовать сокращенный вариант критериев подобия, ограничившись соблюдением моделирования основополагающих физических характеристик процесса.

Приняв в качестве модели внешней среды одну из реологических моделей и определив обобщенный критерий подобия, уравнение состояния записывают в виде:

,

где п - число членов уравнений.

После преобразования можно написать:

,

что представляет сумму коэффициентов влияния соответствующего критерия на обобщенный критерий:

Область доминирования соответствующего критерия определяется коэффициентом k_i. При k_i < 0,15 контроль по критерию П_i можно не осуществлять.

Учитывая, что для лучшего выявления физического смысла критериев подобия их можно умножать, делить друг на друга или на одну и ту же величину, возводить в степень, в качестве доминирующих критериев подобия системы «грунт - рабочее оборудование - движитель - грунт» и соответствующие им индикаторы подобия приняты:



где с_о -- сцепление грунта; С_уд -- число ударов динамического плотномера ДорНИИ; щ - весовая влажность грунта.

Соблюдение критерия П_i при изменении линейного размера требует изменения среды по удельному весу грунта г_Г или прочности с₀, С_уд. При сохранении прочностных свойств грунта можно применять трудоемкое центробежное моделирование, но его реализация сопряжена со значительными материальными затратами.

Сохраняя г_Г.М = г_Г.Н для соблюдения критерия П₁ изменяют прочностные свойства грунта (метод эквивалентных материалов). Эквивалентные материалы для талых и мерзлых грунтов разработаны в МАДИ.

Таблица 1.1

Формулы перехода от параметров модели к параметрам оригинала при приближённом моделировании рабочих процессов землеройных машин

Определяющий параметр	С изменением прочностных свойств среды при	Без изменения прочностных св-в среды
Угол резания и др.
Толщина стружки
Ширина стружки
Высота (ковша, отвала) и др.
Вместимость
Скорость процессов резания и др.
Сопротивление копанию
Силы тяжести
Тяговое усилие
Мощность
Динамическая нагрузка
Примечание. - поправочные коэффициенты, учитывающие искажение подобия при формировании модели по удельному весу грунта, сцеплению, влажности и внутреннему трению.

Так при работе с эквивалентными материалами, так и с материалами без изменения свойств среды (грунта) вводят ограничения по линейному масштабу модели, определяемые:

1) предельно допустимыми минимальными объемами грунта, взаимодействующего с рабочими органами моделей: где d³ - размер фракции грунта;

2) точностью методов измерения:

где l_H - определяющий линейный размер рабочего оборудования; d_max - максимальный размер фракции грунта в натурных условиях; k -- коэффициент, зависящий от характера исследуемого процесса; k =15,4 при перемещении призмы грунта бульдозером; k =7,4 при перемещении призмы грунта в ковше; k =5 при работе рыхлителей; Р_H - усилие, характеризующее рабочий процесс натуры; е - относительная ошибка опыта; е =0,08...0,10; Р_пр.max - предел измерения по рабочей шкале прибора;; k₁ - коэффициент, зависящий от условия записи на осциллографическую бумагу; k₁=2; 4 и 5 при ширине бумаги соответственно 60, 100 и 120 мм; P_MIN - минимальное усилие, замеряемое отклонением луча шлейфа осциллографа при максимальном усилии; k_T.П- класс точности прибора, %; k_T.П =3...5 %; n - показатель степени, зависящий от характера подобия объектов, определяется экспериментально из выражения ; n =2 - мерзлые грунты; n =3 - талые грунты; для предварительных расчетов п определяет методом последовательного приближения:, где; lg -- основание десятичного логарифма.

Исследования, как правило, ограничивают моделями с масштабными коэффициентами i_l и 1,5 i_l.

1.5 Анализ рабочих свойств дорожных наледей

По территории РФ снег составляет в среднем 26--30 % годового количества осадков. Наиболее важными свойствами снега являются плотность сопротивление резанию, углы естественного откоса, внутреннего и внешнего трения, твердость, влажность, коэффициенты сцепления и сопротивления перекатыванию колесного и гусеничного движителей.

Плотность является доминирующим фактором в процессах разработки снега вследствие того, что вес и сила инерции снега составляют наибольшую долю в общем балансе сил его сопротивления разработке. Плотность свежевыпавшего снега, который обычно убирают в процессе патрульной снегоочистки, существенно зависит от температуры воздуха (таблица 1.2).