Качественное содержание дорог в зимний период является важнейшей задачей дорожных служб. Наиболее трудоемкой и сложной является уборка наледи и уплотненного снега в прибордюрных зонах. Постепенное зарастание данной зоны снежно-ледовой массой приводит к постепенному смещению проезжей полосы каждого направления движения к осевой линии улицы. В результате снижается скорость движения транспорта в потоке и снижается безопасность проезда транспортных средств.
Для очистки и уборки дорожного покрытия в прибордюрных зонах наиболее эффективно используются механические фрезы с клиновыми режущими органами [1,3,4]. Торцевая дисковая фреза оборудуется резцами, подвешенными на упругих подвесах, которые закрепляются по периметру вращающегося диска. Предложено в качестве подвеса резцов использовать отрезок стального каната. В силу упругости каната, резец с подвесом при взаимодействии с наледью может совершать упругие колебательные движения. Величина упругой деформации каната будет определяться в первую очередь геометрической формой резца.
Цель работы
Определить влияние формы резца фрезы на энергию упругой деформации каната и установление углов закручивания, соответствующих пластической деформации при скручивании.
Экспериментальная часть
Аналитическим методом определены углы поворота отрезков стального каната, соответствующие пластической деформации и максимальные нормальные напряжения, возникающие при изгибе каната.
Результаты и их обсуждение
При неравномерной нагрузке от сопротивления наледи резанию в зависимости от формы клина резца и способа его крепления к подвесу возможно возникновение в подвесе вращающего усилия, приводящего к повороту резца относительно вектора движения при резании.
Следует рассмотреть вариант расположения острия резца на оси y (рисунок 1) и вариант смещения острия резца на расстояние, равное половине его ширины к правой кромке по ходу движения резца (рисунок 2).
Рис. 1. Схема резца с расположением острия на оси y
Рис.2. Схема резца со смещением острия на расстояние, равное половине его ширины к правой кромке по ходу движения резца
По первому варианту в динамической системе действуют сила трения Fтр и сила сопротивления среды резанию Fр.
Обладая плечом e относительно оси каната z, вектор силы трения создает крутящий момент относительно оси каната Мк равный:
(1)
где f –коэффициент трения, равный для трения стали по льду 0,027 [5];
е – расстояние от оси каната до вектора 
.
Исходя из условий жесткости, полный угол закручивания каната будет равен:
(2)
где G – модуль сдвига материала каната;
Jp – полярный момент инерции поперечного сечения каната;
lп– длина проволоки каната.
(3)
где di–диаметр проволоки каната.
При жесткой заделке подвеса резца на диске торцевой фрезы и защемлении клина в слое наледи в канате возникают изгибающие моменты mR в соответствии со схемой, представленной на рисунке 3.
Рис.3. Схема жесткой заделки повеса резца на диске торцевой фрезы с защемлением клина в слое наледи
Изменение изгибающего момента вдоль оси z проволоки от реактивного момента mR и реактивной силы Ri:
(4)
(5)
где Ri – линейная реакция i-го элемента каната от усилия резания резца.
Интегрирование данного уравнения позволяет определить величину изменения угла поворота поперечного сечения каната, которая представляет собой параболу с центром симметрии вдоль оси движения резца:
(6)
где Jx– осевой момент инерции поперечного сечения каната;
Е – модуль упругости каната.
Уравнение параболической кривой перемещения оси упругого элемента торцевой фрезы имеет вид:
(7)
Тогда:
(8)
Считая Δmax равным длине дуги εr, находим, что
(9)
Резец, закрепленный на гибком подвесе, в случае защемления с более твердым участком срезаемой наледи будет отклоняться на большее расстояние от вертикального положения. В нем могут возникать при этом растягивающие и скручивающие усилия. В результате гибкий подвес может аккумулировать часть энергии, расходуемой на преодоление возросшего сопротивления вращению диска фрезы. Аккумулированная энергия возвращается позднее и расходуется на перемещение срезанной наледи.
Потенциальная энергия упругой деформации скручивания каната, реализуемая при перемешивании срезаемой массы, равна:
(10)
где m – количество типоразмеров;
j – номер данного типоразмера.
Потенциальная энергия упругой деформации изгиба одной проволочки i – го слоя равна:
(11)
Для каната одинарной свивки типа ТК с числом проволок в слое (1+6+12) = 19 по ГОСТ 3063-80[2]:dk = 19 мм, d1 = 4 мм, di = 3.8 мм.
Угол закручивания круглого сечения ε равен:
(12)
и обратно пропорционален четвертой степени диаметра:
(13)
Следовательно, скручивающий момент равен:
(14)
Отсюда для каждого из слоев каната:
С учетом значений Мкi величина угла закручивания равна:
(15)
При использовании резца со смещенным острием клина на расстояние, равное половине его ширины, к правой по ходу движения стороне резца. При этом клин резца имеет скос к радиусу диска на угол β. В этом случае при резании в подвесе возникает закручивающее усилие.
Полная энергия упругой деформации каната (U) для кручения и изгиба равна:
(16)
где b – ширина резца.
Из равенства угол закручивания равен:
(17)
Меньшее значение корня соответствует реальному углу поворота сечения.
При колебании сопротивления резанию наледи в пределах 8 ÷ 30 кН/м угол закручивания каната меняется в пределах 12 ÷ 25 градусов.
Без учета потерь на трение в проволоках каната и его нагрев при длине подвеса резца 200 мм, ширине резца 60 мм и числе резцов, одновременно участвующих в резке, равном 10, аккумулируемый запас энергии составляет 2,1 ÷ 4,9 кВт.
Заключение
Анализом усилий закручивания торсионов подвески клиновых резцов при резке наледи с дорожного покрытия показано протекание колебательных кручений каната и резца в пределах 12 ÷ 25 градусов.
Рецензенты:
Луконин В.П., д.т.н., профессор, генеральный директор НИИ Полимеров им. А.А. Каргина, г. Дзержинск.
Сажин С.Г., д.т.н., профессор, генеральный директор ООО НТЦ «АСТ», г. Дзержинск.
Библиографическая ссылка
Шурашов А.Д., Кулепов В.Ф., Горшков А.С., Малыгин А.Л., Никандров И.С. УПРУГАЯ ДЕФОРМАЦИЯ ПОДВЕСОВ КЛИНОВЫХ РЕЗЦОВ ТОРЦЕВОЙ ФРЕЗЫ ПРИ РЕЗАНИИ НАЛЕДИ ДОРОЖНОГО ПОКРЫТИЯ // Современные проблемы науки и образования. – 2014. – № 5. ;URL: https://science-education.ru/ru/article/view?id=14836 (дата обращения: 16.04.2024).