Введение к работе
Актуальность. Большинство внутренних водоемов, рек и прибрежных морских акваторий РФ в течение длительного периода покрываются льдом. С одной стороны, ледяной покров является удобным опорным основанием для гидротехнического строительства, прокладки подводных коммуникаций и пр. С другой - такое его использование невозможно без создания прорезей и майн. Это особенно актуально для регионов с продолжительным периодом существования ледяного покрова - Севера, Сибири и Дальнего Востока. При этом важнейшую роль в технологических операциях, проводимых с ледяного покрова, играют ледорезные машины (ЛРМ). Большое значение для расширения сферы применения таких машин имеет их простота и удобство использования. Сложившееся к 1980 г. направление развития таких машин шло по пути усложнения и глубокой специализации конструкций вследствие чего прогресс в их развитии был надолго заторможен последующей перестройкой экономической структуры промышленности.
Такой подход повышал стоимость ЛРМ и приводил к омертвлению основных средств, так как применение машины по прямому назначению происходило в малом отрезке годового периода, а использование ее в каком-либо другом качестве (тягача, транспортного средства) или оказывалось невозможным, или было сильно затруднено. Сложная конструкция машины приводила к значительным затратам на опытно-конструкторскую работу, технологическую подготовку производства и последующую доводку машины.
Поэтому возникла задача разработки ЛРМ нового типа - на базе серийного трактора с легким прицепным ледорезным агрегатом. Наиболее приемлемым видом рабочего органа для такого агрегата является дискофрезерный (ДФРО). Однако недостатком существующих ДФРО являются большие габариты и масса. Этих недостатков лишена фреза с цевочным зацеплением, позволяющим более полно использовать диаметр фрезы. Однако теоретические и экспериментальные обоснования выбора основных параметров агрегата такого типа, а также расчета его силовых характеристик до настоящего времени отсутствовали. В связи с этим задача обоснования выбора основных конструктивных параметров и определения нагрузочных характеристик дискофрезерных рабочих органов с цевочным зацеплением является актуальной.
Цель работы. «Разработка методики расчета дискофрезерных рабочих органов ледорезных машин и выбор их основных конструктивных параметров».
Объектами исследования являются единичный резец дискофрезерного рабочего органа ледорезной машины и дискофрезерный рабочий орган в целом.
Предметом исследования являются силовые характеристики процесса резания льда единичным резцом и нагрузочные характеристики дискофрезерного рабочего органа ледорезной машины при взаимодействии с ледяным покровом водоемов.
Методы исследования. В эмпирических исследованиях использовались следующие методы: наблюдение, описание, измерение и эксперимент. Экспериментальные исследования проводились с использованием лабораторного стенда и натурных образцов льда, выполнялись полевые эксперименты с натурным образцом ЛРМ. В теоретических исследованиях использовались такие методы как анализ и синтез, гипотетический метод, а также методы теории математического планирования и обработки результатов эксперимента, численные методы математического моделирования, разрабатывались алгоритмы и программы с использованием пакета «Mat Lab-5».
Научную новизну работы составляют: - математическая модель усилия резания льда единичным резцом, отличающаяся
применением единого интегрального показателя, названного «эталонной силой
резания», а также экспериментально обоснованными значениями коэффициентов, учитывающих влияние факторов, определяющих процесс;
экспериментально обоснованная зависимость усилия резания льда единичным резцом при осуществлении резания в условиях переходных видов блокировки резца;
предложенный метод расчета силы резания на единичном резце при срезании стружки сложного сечения;
алгоритм и программа расчета нагрузочных характеристик дискофрезерного рабочего органа ледорезной машины.
Основные положения, выносимые на защиту
Из теоретических разработок - математическая модель усилия резания льда единичным резцом, базирующаяся на значении эталонной силы резания льда; зависимости изменения усилия резания льда при осуществлении переходных видов резания; метод определения силы резания льда при срезании стружки сложного сечения; обобщенные параметры нагрузочных характеристик ДФРО; методика выбора основных конструктивных параметров ДФРО.
Из научно-технических - результаты стендовых экспериментов по резанию натурного ледяного покрова; алгоритм и программа расчета нагрузочных характеристик ДФРО; результаты определения нагрузочных характеристик на натурной машине.
Достоверность результатов. Адекватность полученных эмпирическим путем математических моделей резания льда обеспечена строгим выполнением методов математического планирования эксперимента и регрессионного анализа. Проведенные натурные испытания ледорезной машины, созданной на основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований, подтвердили основные теоретические положения, принятые гипотезы и допущения.
Практическая ценность заключается:
в разработке математической модели резания льда единичным резцом, пригодной для рабочих органов разного типа при срезании стружки разной конфигурации;
в разработке принципиальной схемы алгоритма определения нагрузочных характеристик ДФРО, которую можно использовать в качестве методики и прототипа при составлении аналогичных алгоритмов для рабочих органов других типов;
в получении зависимостей между основными параметрами дискофрезерного рабочего органа и его нагрузочными характеристиками, позволяющих оперативно оценивать нагрузки и энергопотребление для ДФРО различных типоразмеров;
в разработке метода определения геометрических параметров цевочного зацепления с использованием в качестве зубьев колеса резцов дисковой фрезы;
в разработке методического подхода к выбору основных параметров ДФРО, ориентированных на природно-географические и технологические условия региона использования ЛРМ;
в обосновании выбора рациональных режимов работы ЛРМ на начальных этапах заглубления фрезы в лед.
Реализация результатов работы. По результатам проведенных исследований построен, испытан и принят в эксплуатацию образец дискофрезерной машины ФАРКС-140. Конструктивные решения, положенные в его основу, защищены авторскими свидетельствами. По результатам эксплуатации изготовлена серия подобных машин, работающих в различных организациях. Результаты работы внедрены в:
Институте ядерных исследований Российской Академии Наук (ИЯИ РАН);
АО «Северспецподводстрой», г.Надым;
ГУП УНКП, Г.Н.Новгород.
Предложенные методы расчета используются в учебном процессе на кафедре «Строительные и дорожные машины» Нижегородского государственного технического университета.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на всесоюзных, всероссийских, региональных конференциях, в том числе на:
Региональной научно-технической конференции «Повышение эффективности проектирования и испытаний автомобилей» (г. Горький, 1987);
Региональной научно-технической конференции «Повышение эффективности проектирования, испытаний, эксплуатации автомобилей и строительно-дорожных машин» (г. Горький, 1988);
VI научно-технической конференции «Проблемы создания новой техники для освоения шельфа» (г. Горький, 1989);
Научно-технической конференции "Интенсификация рабочих процессов землеройных машин в строительстве" (г. Киев, 1989);
Всесоюзной научно-технической конференции «Повышение надежности и экологических показателей автомобильных двигателей» (г. Горький, 1990);
51-й научно-практической конференции (г. Киев, 1990);
Всесоюзной научно-технической конференции "Новое в подъемно-транспортном машиностроении" (г. Москва, 1991).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 научных работ, получено 3 авторских свидетельства.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы и приложения. Содержит 141 страницу основного компьютерного текста, 137 рисунков, 17 таблиц, библиографию из 143 наименований и приложение на 39 страницах.
