Научные основы проектирования рабочего оборудования для разрушения уплотнённого снега на автомобильных дорогах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.05.04, доктор технических наук Воскресенский, Геннадий Гаврилович

• Воскресенский, Геннадий Гаврилович
• доктор технических наук
• 2011

Оглавление диссертации доктор технических наук Воскресенский, Геннадий Гаврилович

ВВЕДЕНИЕ

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1. Влияние зимней скользкости на безопасность движения транспорта

1.2. Виды зимней скользкости

1.3. Условия образования различных видов зимней скользкости

1.4. Способы борьбы с зимней скользкостью

1.5. Образование снега

1.6. Формирование снежного покрова на покрытиях автомобильных дорог

1.7. Загрязнение уплотненного снега на покрытиях автомобильных дорог

1.8. Образование гололеда на покрытиях автомобильных дорог в течение суток

1.9. Механические свойства снега

1.10. Оборудование для разрушения снежно-ледяных образований

1.11. Современное оборудование, применяемое для очистки дорожных покрытий от уплотненного снега и льда

1.12. Методологические основы создания рабочего оборудования для разрушения уплотненого снега

1.13. Цель и задачи исследований

2. РАЗРУШЕНИЕ УПЛОТНЕННОГО СНЕГА НА ПОКРЫТИЯХ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ МЕХАНИЧЕСКИМ СПОСОБОМ

2.1. Результаты экспериментальных исследований процесса резания уплотненного снега

2.2. Исследование формы тел скольжения

2.2.1. Влияние параметров процесса резания уплотненного снега на продольный угол скола

2.2.2. Влияние параметров процесса резания уплотненного снега на поперечный угол скола

2.3. Влияние параметров резания на глубину внедрения режущей кромки в слой уплотненного снега

2.4. Энергетическая оценка силы резания уплотненного снега

2.5. Энергоемкость процесса резания уплотненного снега

2.6. Разрушение уплотненного снега при внедрении режущего инструмента

Выводы по главе

3. ВИБРОРЕЗАНИЕ УПЛОТНЕННОГО СНЕГА

3.1. Механизм вибрационного резания с колебаниями, определяемыми тригонометрическими функциями

3.2. Выбор параметров процесса виброрезания с гидропульсатором шестеренного типа

3.3. Исследование процесса виброрезания наклонным рабочим органом

Выводы по главе

4. УПРУГИЕ ЭЛЕМЕНТЫ ВИБРАЦИОННЫХ УСТРОЙСТВ И РАБОЧИХ ОРГАНОВ ДЛЯ РАЗРУШЕНИЯ УПЛОТНЕННОГО СНЕГА

4.1. Новые конструкции рабочего оборудования для разрушения уплотненного снега

4.2. Статически определимые упругие системы рабочего оборудования

4.3. Статически неопределимые упругие системы

4.4. Гидравлические вибровозбудители колебаний

4.5. Пульсаторные вибровозбудители насосного типа

4.6. Золотниковые вибровозбудители

4.7. Влияние упругих характеристик на КПД гидросистемы

4.8. Экспериментальные исследования упругих характеристик гидросистемы

Выводы по главе

5. ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК СКАЛЫ ВАТЕ ЛЕЙ УПЛОТНЕННОГО СНЕГА

5.1. Исследование собственных колебаний одномассвого виброскалы-вателя

5.1.1. Исследование статических характеристик гидропривода скалывателя уплотненного снега

5.1.2. Динамические характеристики одномассового скалывателя уплотненного снега с гидроимпульсом шестеренного типа

5.1.3. Исследование одномасового виброскалывателя с вертикальными колебаниями

5.2. Исследование многомассовых скалывателей с вертикальными колебаниями рабочего органа

5.2.1. Исследование колебаний двухмассового виброскалывателя уплотненного снега и льда

5.2.2. Исследование трехмассвого скалывателя с вертикальными колебаниями

5.2.3. Исследование видроскалывателя с кинематическим возбуждением колебаний

5.3. Влияние неровностей поверхности автомобильной дороги на переходные процессы виброскалывателя

5.4. Исследование колебательных режимов гидропривода скалывателя уплотеннног снега

Выводы по главе

6. МЕТОДИКА ВЫБОРА ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ РАЗРУШЕНИЯ УПЛОТНЕННОГО СНЕГА

6.1. Выбор параметров виброскалывателя уплотненного снега с вертикальными колебаниями ножа

6.2. Методика выбора параметров виброскалывателя уплотненного снега с горизонтальными колебаниями ножа

6.3. Экспериментальные исследования опытных образцов оборудования для разрушения уплотненного снега

Выводы по главе

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОБЫ ПО РАБОТЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Научные основы проектирования рабочего оборудования для разрушения уплотнённого снега на автомобильных дорогах»

Поиск путей повышения эффективности и производительности снегоуборочных машин остается до настоящего времени актуальной проблемой. Для решения этой проблемы специалистами многих стран по зимнему содержанию автомобильных дорог, транспортных сооружений проведены значительные исследования, которые представлены в материалах 1-го и 2-го Международных симпозиумов по борьбе со снегом и гололедом в г. Ганновере (штат Нью-Гэмпшир; США) в 1970, 1978 гг.

В большинстве работ наибольшее внимание уделено опыту применения, поиску новых химических реагентов и норм их распределения. Поскольку отрицательное влияние применяемых для борьбы со снегом и гололедом химических реагентов на окружающую среду довольно велико, то представляет интерес разработка эффективных способов механического разрушения уплотненного снега на основе высокочастотных импульсных воздействий.

Актуальность работы. В экономике Дальнего Востока роль автомобильных дорог, которые являются фундаментом социально-экономического развития, особенно велика. Для некоторых районов это единственный вид сообщений, позволяющий обеспечить жизнедеятельность населения. Эти положения можно распространить и на другие регионы России. Повышение качества зимнего содержания автомобильных дорог, тротуаров, остановок общественного транспорта позволяет увеличить производительность автотранспорта, объём перевозок, уменьшить износ автомобилей и шин, утомляемость водителей, снизить расход горюче-смазочных материалов, сократить потери от дорожно-транспортных происшествий. Наибольшие затраты по зимнему содержанию городских дорог приходятся на удаление свежевыпавшего и уплотнённого снега. Недостаточное количество снегоуборочной техники и высокая интенсивность снегопадов являются основными причинами образования уплотнённого снега на автомобильной дороге.

Традиционные способы разрушения уплотнённого снега с использованием химических реагентов не соответствуют требованиям, предъявляемым к современным технологиям содержания автомобильных дорог. Учитывая, что отрицательное влияние применяемых для борьбы со снегом и гололёдом химических реагентов на окружающую среду и транспорт довольно велико, представляет интерес разработка эффективных способов механического разрушения уплотнённого снега на основе высокочастотных импульсных воздействий. Контуры механики разрушения уплотнённого снега только намечаются. Изучение процесса разрушения уплотнённого снега связано с большим кругом теоретических и экспериментальных исследований.

Технический прогресс в области создания машин для разработки горных пород и мерзлых грунтов в нашей стране и за рубежом направлен на повышение эффективности воздействия инструмента на разрушаемую среду путём активизации рабочих органов.

Проведённые экспериментальные исследования нескольких типов рабочего оборудования с упругими элементами в виде листовых рессор показали перспективность их использования для создания новой техники совместно с гидроимпульсными системами. Применение упругих элементов даёт возможность сформировать более высокий уровень деформаций и напряжений в зоне контакта лезвия с уплотнённым снегом и повысить эффективность его разрушения.

Целью работы является повышение эффективности зимнего содержания автомобильных дорог, установление закономерностей разрушения уплотнённого снега статическим и импульсным воздействием ножа, исследование режимов движения рабочих органов и разработка научных основ проектирования рабочего оборудования и инженерного расчёта.

Указанная цель определила следующие задачи исследования:

1. Анализ направлений развития современного рабочего оборудования и способов разрушения уплотнённого снега на покрытиях автомобильных дорог.

2. Экспериментальное исследование процессов разрушения уплотнённого снега и установление закономерностей изменения сил сопротивления от параметров рабочего органа и снега.

3. Обоснование параметров рабочего оборудования с минимальной энергоёмкостью процесса разрушения уплотнённого снега.

4. Исследование высокочастотного взаимодействия ножевых рабочих органов со снегом с учётом амплитуды и частоты колебаний ножа и поступательной скорости движения базовой машины.

5. Определение деформационных характеристик рабочих органов с упругими элементами.

6. Разработка математических моделей и исследование динамических характеристик виброскалывателей уплотнённого снега.

7. Разработка инженерной методики проектирования навесного оборудования для разрушения уплотнённого снега.

8. Создание и экспериментальное исследование опытных образцов рабочего оборудования для разрушения уплотнённого снега.

Методы исследования

Для достижения поставленных задач применялись следующие методы: комплексный метод, включающий аналитический обзор и обобщение известного опыта; экспериментальные исследования процесса разрушения уплотнённого снега; теоретические разработки с использованием методов механики; математическое моделирование рабочих процессов динамических систем с целью установления рациональных соотношений параметров рабочего оборудования; экспериментальные исследования опытных образцов в лабораторных условиях и непосредственно на автомобильной дороге.

Научная новизна

1. Разработана методология создания рабочего оборудования с высокочастотным импульсным воздействием лезвий ножей на уплотнённый снег.

2. Получены результаты экспериментальных исследований процесса резания уплотнённого снега, которые представлены регрессионными уравнениями сил сопротивления резанию, углов продольного и поперечного скола частиц срезаемого снега, минимальной глубины внедрения режущего инструмента, при которой происходит скол частицы снега, зависящий от параметров ножа, ширины ножа, глубины резания, температуры и плотности снега.

3. Впервые разработана методика расстановки зубьев на ноже по критерию минимальной энергоёмкости процесса резания и обеспечения качества очистки поверхности покрытия автомобильной дороги.

4. Представлены результаты экспериментальных исследований усилий вертикального внедрения режущего инструмента и плоского прямоугольного штампа в зависимости от угла заострения, ширины, толщины ножа, температуры и плотности снега, глубины внедрения.

5. Изучен процесс импульсного взаимодействия режущей кромки со средой, получивший название «виброрезание», определены траектории движения режущей кромки с различными формами возбуждения колебаний, время и скорость взаимодействия режущей кромки со средой, разработана методика определения амплитуды колебаний режущей кромки с учётом частоты колебаний, скорости поступательного движения базовой машины и минимальной глубины внедрения режущей кромки, которая обеспечивает скол частицы уплотнённого снега.

6. Получены результаты теоретических и экспериментальных исследований перемещений лезвия ножа под действием сил гидротолкателя рабочего оборудования с упругими элементами.

7. Представлена методика определения коэффициента полезного действия гидроимпульсных систем с учётом упругости гидросистемы, объёма рабочей жидкости в напорных магистралях, параметров гидропульсатора и гидротолкателя.

8. Разработаны математические модели движения рабочих органов одно- и многомассовых динамических систем, приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований переходных процессов и изменения положения режущей кромки и давления в гидросистеме, а также амплитудно-частотных характеристик.

9. Предложена методика проектирования рабочего оборудования для разрушения уплотнённого снега.

Ю.Приведены результаты экспериментальных исследований опытных образцов рабочего оборудования.

Практическая значимость

1. На основе теоретических и экспериментальных исследований создано несколько новых типов рабочего оборудования с вертикальными, наклонными и горизонтальными колебаниями режущей кромки.

2. Внедрение результатов исследований даёт возможность проектным организациям определять расчётные нагрузки на рабочем оборудовании, параметры гидроимпульсных систем, оценивать энергоёмкость процессов разрушения и мощность гидропривода.

3. Разработанные математические модели динамических систем рабочего оборудования позволяют установить рациональные соотношения параметров упругих элементов, инерционных масс для широкого частотного диапазона импульсного воздействия рабочих органов.

4. Установлены механизмы импульсного воздействия режущей кромки на уплотнённый снег с учётом скорости поступательного движения базовой машины.

5. Разработанная методика проектирования рабочего оборудования применяется в учебном процессе при изучении дисциплины «Дорожные машины», а также при выполнении выпускных квалификационных работ.

Личный вклад автора состоит в формировании цели и общей идеи работы, в выполнении экспериментальных и теоретических исследований, анализе и обобщении результатов, разработке методики проектирования рабочего оборудования для разрушения уплотнённого снега.

Реализация работы. Рекомендации по проектированию и изготовлению рабочего оборудования приняты заводом «Амурдормаш» в Амурской области, результаты работы используются при разработке математических моделей деформирования вязкоупругого слоя снега, лежащего на жестком основании, внешними динамическими нагрузками в лаборатории «Механика деформируемого твёрдого тела» Института машиноведения ДВО РАН и в лаборатории «Механика сплошных сред» АмГПГУ г. Комсомольска-на Амуре. Изготовлены несколько опытных образцов виброскалывателей уплотненного снега.

Достоверность научных положений, рекомендаций и выводов, изложенных в работе, подтверждается экспериментальными исследованиями опытных образцов в лабораторных и производственных условиях.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на конференциях: научно-технических конференциях ХПИ, ХГТУ, ТОГУ (1980 - 2009г. г.), СибАДИ (1987, 1989 г. г.), международных научно-технических конференциях «Интерстроймех - 2005» (г. Тюмень), «Качество Инновации. Наука. Образование» (г. Омск, 2005 г.), «Проблемы механики современных машин» (г.Улан-Удэ, 2006 г.), «Современные проблемы проектирования и эксплуатации транспортных и технологических систем» (г. Санкт-Петербург, 2006 г.), «Интерстроймех - 2006» (г. Москва), «Интерстрой-мех - 2007» (г. Самара), «Интерстроймех - 2008» (г. Владимир), «Автомобильный транспорт Дальнего Востока» (Хабаровск, 2008 г.), «Политранспортные системы» (г. Новосибирск, 2009 г.), «Интерстроймех - 2009» (г. Бишкек), «Современные технологии, машины и материалы для зимнего содержания автомобильных дорог» (г. Могилёв, 2010 г.), Втором Всероссийском Дорожном Конгрессе (г. Москва, 2010г.). Опытные образцы были представлены на межрегиональных торгово-промышленных выставках в 2002, 2003 г. г. (г. Хабаровск).

Публикации. По теме диссертации опубликованы 1 монография, 29 статьи, в том числе 9 статей в изданиях, рекомендованных ВАК, получено 13 авторских свидетельств СССР и патентов РФ.

Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, библиографического списка, приложений, содержит 301 страницу текста, в том числе 192 рисунка, 30 таблиц. Список литературы включает 122 наименования, приложение изложено на 24 страницах.

Заключение диссертации по теме «Дорожные, строительные и подъемно-транспортные машины», Воскресенский, Геннадий Гаврилович

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

В результате выполненных исследований получены научно-обоснованные технические решения, внедрение которых вносит значительный вклад в развитие экономики страны, заключающийся в создании новых машин, обеспечивающих повышение безопасности движения транспорта и пешеходов на автомобильных дорогах. Основные научные и практические результаты, полученные в процессе теоретических и экспериментальных исследований, состоят в следующем:

1. Установлена зависимость силы сопротивления резанию уплотнённого снега от параметров режущего инструмента, глубины резания, температуры и плотности снега.

2. Форма скалываемых частиц уплотнённого снега, образовавшихся в процессе резания, характеризуется глубиной резания, продольным и поперечным углами скола. Поверхность скола начинается от режущей кромки и определяется шириной ножа, углом резания, поперечным и продольным углами скола.

3. В процессе экспериментов установлено, что для отделения частицы уплотнённого снега от массива необходима минимальная глубина проникновения ножа в снег, которая формирует такое напряженно-деформированное состояние около режущей кромки, которое обеспечивает разрушение снега.

4 Получена зависимость энергоёмкости процесса резания уплотнённого снега от параметров ножа и поверхности скола; установлено, что наименьшая энергоёмкость достигается для ножей с зубьями с минимальной шириной и углами резания.

5. Энергетическая оценка силы резания уплотнённого снега по гипотезе академика П.А.Ребиндера показала, что работа разрушения определяется работой на образование поверхности скола и на формирование объёма внедрения режущей кромки в уплотнённый снег. Основная составляющая силы сопротивления резанию определяется деформируемым объёмом внедрения режущей кромки в уплотнённый снег.

6. Для обеспечения качественной очистки поверхности автомобильной дороги установлена зависимость рациональной расстановки зубьев на ноже.

7. Установлено, что усилия вертикального внедрения острой режущей кромки ножей и прямоугольного штампа определяется параметрами снега, углом заострения, шириной и толщиной лезвия. Процесс внедрения режущей кромки характеризуется практически линейным ростом усилий в зависимости от глубины, а затем наблюдается стабилизация сил сопротивления внедрению.

8. Теоретически обоснован и экспериментально подтвержден критерий, определяющий границу статического и вибрационного резания в зависимости от минимальной глубины внедрения режущей кромки, которая обеспечивает скол частицы уплотнённого снега, амплитуды и частоты колебаний ножа и поступательной скорости базовой машины.

9. Изучены деформационные характеристики рабочих органов и оборудования с упругими элементами. Получены аналитические зависимости перемещения режущей кромки от усилий гидротолкателей.

10. Установлена зависимость коэффициента полезного действия (КПД) импульсного гидропривода с учётом упругости гидросистемы, параметров гидропульсатора и гидротолкателя. В процессе нагнетания рабочей жидкости, энергия, расходуемая на деформацию гидросистемы, безвозвратно теряется при переключении магистралей с гидротолкателями со сливной линией. Снижение КПД может достичь значений 0,1.0,2 в зависимости от частоты колебаний, давления, модуля упругости гидросистемы, объёма рабочей жидкости в нагнетательных магистралях.

11. Разработаны математические модели движения рабочих органов одно-и многомассовых динамических систем, определены частотные диапазоны перемещений режущей кромки и давлений собственных и вынужденных колебаний, экспериментальными исследованиями подтверждена адекватность математических моделей. Установлено, что активные нагрузки оказывают основное влияние на уровень давлений в гидросистеме, а перемещения режущей кромки изменяются в меньшей степени.

12. Решена задача определения динамических характеристик процесса копирования рабочим оборудованием неровностей на автомобильных дорогах типа «люк» и тригонометрических функций. Установлено, что процесс копирования неровностей происходит с сохранением среднего уровня перемещений и колебаний давления в гидросистеме.

13. Разработана методика проектирования рабочего оборудования с минимальной энергоёмкостью процесса разрушения уплотнённого снега.

14. Экспериментальная проверка работы опытных образцов показала эффективность импульсного разрушения уплотнённого снега на автомобильных дорогах.

Экономический эффект определяется годовой экономией от снижения эксплуатационных завтрат за счет повышения производительности разрушения уплотненного снега.

Список литературы диссертационного исследования доктор технических наук Воскресенский, Геннадий Гаврилович, 2011 год

1. Алимов О.Д., Дворников Л.Б. Бурильные машины. М.: Машиностроение, 1976.-295с.

2. Андронов A.A., Витт A.A., Хайкин С.Э., Теория колебаний, М.: Физматгиз, 1959-726 с.

3. Артемьев К.А. Основы теории копания грунта скреперами. Свердловск: Урало-Сибирское отделение машгиза. 1963. — 128 с.

4. Бабаков И.М., Теория колебаний. 2-е изд. М. Наука, 1968. 559 с.

5. Баладинский В. Л. определение энергоемкости процесса резания грунтов повышенной крепости вибрирующим рабочим органом. В кн. Горные, строительные и дорожные машины (Межвед. Республ. научно-техн. сборник), №1, Изд-во «Технша» 1965. с. 38-43.

6. Баранов Л.И., Глатман Л.Б. Контактная прочность горных пород. М.: Недра, 1966.-255с.

7. Барон Л.И., Глатман Л.Б., Губенков Е.К. Разрушение горных пород проходческими комбайнами. М.: Наука, 1968.-216с.

8. Бауман В.А., Быховский И.И. Вибрационные машины и процессы в строительстве, М.: Высшая школа, 1977.-255с.

9. Бидерман В.Л. Прикладная теория механических колебаний. Учебное пособие для вузов. М.: Высшая школа, 1972.-416с.

10. Блохин B.C. Теория процесса разрушения горных пород при бурении скважин. Днепропетровск, ДИСИ, 1979. 186 с.

11. Борьба с зимней скользкостью на автомобильных дорогах./ Бялобжеский Г.В., Дербенева М.М., Мазепова В.И., Рудаков Л.М. М.: Транспорт, 1975. -112 с.

12. Варсанофьев В.Д., Кузнецов О.В. Гидравлические вибраторы Л. Машиностроение (Ленинград, отделение), 1979 — 144 с.

13. Ветров Ю.А. Резание грунтов землеройными машинами. М.: Машиностроение, 1971.-360 с.

14. Вибрации в технике: Справочник. В 6-ти т. /Ред. совет: В.Н. Челомей (пред). -М.: Машиностроение, 1978-Т.1 . Колебания линейных систем /Под редакцией В.В. Болотина. 1978.-352с.

15. Вибрации в технике: Справочник. В 6-ти т. /Ред. совет: В.Н. Челомей (пред.). -М.: Машиностроение, 1981,- Т.4. Вибрационные процессы и машины./ Под редакцией Э.Э. Лавендела. 1981 .-509с.

16. Вибрации в технике: Справочник. В 6-ти т. / Ред. совет: В.Н. Челомей (пред.). -М.: Машиностроение, 1981-Т.5. Измерения и испытания. Под редакцией М.Д. Генкина 1981. -496с.18.19,20.21,22,23,24,25,26