DISK EXECUTIVE BODY OF ROAD MACHINE

ДИСКОВЫЙ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЙ ОРГАН ДОРОЖНОЙ МАШИНЫ

Научная статья

Ганжа В.А.¹*, Сатышев А.С.², Карелин Е.Н.³, Ганжа А.В.⁴

^{1, 2} Сибирский федеральный университет, Институт нефти и газа, Красноярск, Россия;

³ Сибирская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России, Железногорск, Россия;

⁴ Красноярский государственный медицинский университет имени профессора В.Ф. Войно-Ясенецкого Министерства здравоохранения Российской Федерации, Красноярск, Россия

* Корреспондирующий автор (vladimirganzha[at]yandex.ru)

Аннотация

В статье приводится описание конструкции исполнительного органа дорожной машины, оснащенного дисковыми ножами, предназначенного для эффективного разрушения прочных снежно-ледяных отложений на дорожных покрытиях. Излагается порядок работы такого оборудования и описание полезного технического эффекта, ожидаемого от использования предложенных технических решений на практике.

Ключевые слова: снежно-ледяные отложения, дисковый нож, исполнительный орган, уборочные машины, дорожные покрытия.

DISK EXECUTIVE BODY OF ROAD MACHINE

Research Article

Ganzha V.A. ¹*, Satyshev A.S.², Karelin E.N.³, Ganzha A.V.⁴

^{1, 2} Siberian Federal University, Institute of Oil and Gas, Krasnoyarsk, Russia;

² Siberian Fire and Rescue Academy of the State Fire Service of the Ministry of Emergencies of Russia,

Zheleznogorsk, Russia;

³ Krasnoyarsk State Medical University named after Prof. V.F. Voino-Yasenetsky, Ministry of Health of the Russian Federation, Krasnoyarsk, Russia

*Corresponding author (vladimirganzha[at]yandex.ru)

Abstract

The paper describes the design of the executive body of a road machine, equipped with circular knives, intended for the effective destruction of durable snow-ice deposits on the road surfaces. The operating procedure of such equipment and the description of the beneficial technical effect expected from the use of the proposed technical solutions in practice are also described in detail in this work.

Keywords: snow-ice deposits, circular knife, executive body, sweepers, road surfaces.

Введение

Одним из способов повышения эффективности рабочих органов дорожных машин, их адаптации к различным условиям эксплуатации является групповое оснащение такого оборудования одиночным режущим инструментом в соответствии со схемами размещения, обеспечивающими разрушение разрабатываемой прочной среды с минимальной энергоемкостью процесса при высокой производительности рабочих органов [1].

Одиночный режущий инструмент, которым преимущественно оснащаются рабочие органы машин, взаимодействующих с различными средами при их механическом разрушении это зубья, резцы, дисковый инструмент различной геометрической формы [2], [3].

Главная идея комплекса работ, по модернизации существующего и разработке нового высокоэффективного оборудования для разрушения прочных снежно-ледяных отложений (СЛО) на дорожных покрытиях, в течение ряда лет проводимого авторами, заключается в групповом использовании в конструкциях такого оборудования дисковых ножей с односторонней заточкой [4], [5].

В работе [5] приводятся основные результаты, проведенных авторами, широкомасштабных лабораторных и теоретических исследований процесса взаимодействия дисковых ножей с прочными снежно-ледяными отложениями при их механическом разрушении. Цель исследований ‒ обоснование рациональных, по условию минимума энергетических затрат, геометрических параметров режущих дисков. Основные условия экспериментальных исследований: плотность разрушаемых СЛО ρ=0,75 г/см³; предел прочности разрушаемой среды на сжатие σ_сж=1,8÷2,3 МПа; глубина резания (из условия максимально допустимой толщины слоя разрабатываемой среды для автогрейдеров, оснащенных системами автоматического управлении отвалом) h = 60 мм; шаг резания (толщина срезаемой стружки материала) t = 10; 20; 30; 40 мм; угол заострения режущих дисков δ = 15°; 30°; 45°; 60°; скорость резания V = 0,5 м/с.

Исследованиями установлено, что минимум силовых и энергетических затрат при изменяющихся условиях испытаний стабильно обеспечивается использованием дисковых ножей с углом заострения δ = 30° диаметром D = 0,2 м.

В этой же работе приведены результаты сравнительного расчета силы сопротивления СЛО резанию стандартным отвалом автогрейдера и отвальным рабочим органом, оснащенным дисковыми ножами, с учетом условий, описанных выше, при равной длине отвалов L=3,7 м с углом установки отвалов в плане β=40 град.

На основании результатов силового расчета произведен и расчет удельной энергоемкости процессов разрушения прочных СЛО сравниваемыми рабочими органами. Результаты расчетов свидетельствуют о существенном (в 2,3 раза) снижении энергоемкости процесса разрушения прочных СЛО рабочим органом предложенной конструкции по сравнению со стандартным отвалом автогрейдера.

Это свидетельствует о целесообразности и перспективности использования дискового режущего инструмента в рабочих органах машин для разрушения и удаления снежно-ледяных отложений с поверхности автомобильных дорог, а также об актуальности задач разработки и создания такого оборудования.

Цель работы

Целью данной работы является разработка схемы пространственного группового размещения дисковых ножей в конструкции нового рабочего органа, обеспечивающей механическое разрушение прочных снежно-ледяных образований с меньшей энергоемкостью процесса по сравнению, например, с основным отвалом автогрейдера.

Основная часть

Концептуальная схема пространственного группового размещения дисковых ножей в конструкции нового рабочего органа для разрушения снежно-ледяного наката на дорожных покрытиях представлена на рисунке 1.

Все элементы конструкции размещаются на раме 1. Каждый из дисковых ножей 10 установлен с возможностью свободного вращения вокруг собственной оси на нижнем конце качающегося рычага 7, верхний конец которого шарнирно прикреплен к раме 1.

Дисковые ножи 14 и 15 установлены на одном комбинированном переднем качающемся рычаге 16. Ход качающихся рычагов 7 и 16 ограничен гидроцилиндрами 8 со штоками 9.

Все дисковые ножи имеют форму усеченного конуса. Дисковые ножи 10 размещены на исполнительном органе бо́льшим основанием конуса наружу с углом α относительно главной оси конструкции. Дисковые ножи 14 и 15 по сравнению с дисковыми ножами 10 имеют меньший угол заострения. Бо́льшими основаниями эти ножи обращены друг к другу и размещены на исполнительном органе под углом β с минимальным расстоянием h между рабочими кромками.

 

Рис. 1 ‒ Дисковый исполнительный орган: а – вид сбоку; б – вид сверху, с изображением границ поля разрушенного снежно-ледяного массива

 

Пространственным размещением всех дисковых ножей образуется в плане клин, симметричный относительно главной оси конструкции. Два рояльных колеса 17 установлены на раме 1 сзади.

Установка исполнительного органа на базовую машину осуществляется посредством вертикального кронштейна 5, U – образного элемента 4, стопора 6, гидроцилиндров 2 (2 шт.) и 3 (2 шт.). Этими же гидроцилиндрами осуществляется перевод исполнительного органа в рабочее положение из транспортного положения, т.е. его установка на очищаемое покрытие.

Регулировка глубины резания обеспечивается за счет изменения положения рамы 1 относительно несущих элементов базовой машины – вверх или вниз. Применительно к передней части рамы 1 эта операция выполняется гидроцилиндрами 3 при предварительно извлеченном стопоре 6 из отверстий вертикального кронштейна 5 и U – образного элемента 4. Обратная установка стопора 6 на место осуществляется в положении, когда между рабочими кромками дисковых ножей 14 и 15 и очищаемым покрытием образуется определенный зазор, а отверстия в U – образном элементе 4 совмещаются с одним из ближайших отверстий в вертикальном кронштейне 5.

Перемещение задней части рамы 1 вверх или вниз для обеспечения зазора между рабочими кромками дисковых ножей 10 и очищаемым покрытием осуществляется регулировочными механизмами рояльных колес 17.

По завершении регулировки глубины резания базовая машина начинает движение вперед вдоль трассы очищаемой дороги. Все дисковые ножи погружаются в снежно-ледяной покров и разрушают его. Пара дисковых ножей 14 и 15 работает в блокированном режиме и, врезаясь в сплошной массив, образует в нем борозду с фрагментами разрушения.

Установкой этих ножей с углом β обеспечивается уменьшение площади поверхностей бо́льших оснований инструмента, контактирующих с разрушаемой средой и, как следствие снижение потерь энергии на трение. Это относится и к каждому из дисковых ножей 10, установленных под углом α к продольной оси исполнительного органа.

Следующей за ножами 14 и 15 первой симметричной относительно продольной оси исполнительного органа парой дисковых ножей 10, осуществляется резание уже частично разрушенного массива, сопровождающееся сдвигом продуктов разрушения в сторону сформированной ранее борозды. Таким образом, реализуется полублокированный режим резания, менее энергоемкий, нежели блокированный. В полублокированном режиме работает и каждая последующая симметричная пара дисковых ножей, разрушающая массив, частично разрушенный предыдущей парой инструментов.

Количество симметричных пар дисковых ножей 10 может изменяться в зависимости от мощности и конструкции базовой машины, несущей исполнительный орган. При этом изменится и ширина его захвата.

Конструкцией предлагаемого исполнительного органа предусмотрена возможность копирования рабочим инструментом рельефа очищаемой поверхности. То есть, при встрече любого из дисковых ножей с препятствием, прочность которого выше предела прочности разрушаемого снежно-ледяного наката, ножи вместе с соответствующими качающимися рычагами 7 и (или) 16 поднимаются, преодолевая давление, создаваемое гидроаккумулятором гидравлической системы исполнительного органа [7], и перекатившись по поверхности препятствия, возвращаются в исходное положение. Этим предотвращается поломка инструмента.

Возможностью свободного вращения дисковых ножей на соответствующих осях обеспечивается разрушение прочного снежно-ледяного наката с меньшими затратами энергии при равномерном износе рабочих кромок инструмента.

Регулировкой глубины погружения дисковых ножей в разрабатываемый массив сводится к минимуму возможность контакта рабочей кромки инструмента с очищаемым покрытием и возможность его повреждения.

В авторской работе [6] приведены результаты сравнительного расчета силы сопротивления прочных СЛО резанию основным стандартным отвалом автогрейдера ГС-25 и силы сопротивления этой же среды резанию рабочим органом, оснащенным дисковыми ножами, размещенными в его конструкции в соответствии с предложенной схемой (см. рисунок 1). К расчету приняты те же основные условия, что и для отвального рабочего органа, оснащенного дисковыми ножами, описанные выше в разделе «Введение».

При данных условиях расчетная ширина захвата отвала составила B = 2,378 м, расчетное значение силы сопротивления разрушаемой среды резанию стандартным отвалом автогрейдера составило W₁ =21,4 кН.

При ширине рабочей зоны разрабатываемого оборудования (см. рисунок 1), равной указанному значению ширины захвата, необходимое количество дисковых резцов размещаемых на рабочем органе по предлагаемой схеме составило n = 24 шт. (12 пар). Суммарное расчетное значение силы сопротивления прочных СЛО резанию рабочим органом, оснащенным дисковыми ножами составило W₁¹=9,19 кН.

С учетом результатов силового расчета произведен расчет удельной энергоемкости процесса разрушения прочных СЛО сравниваемыми рабочими органами. Для стандартного отвала автогрейдера значение этого показателя составило Е₁ = 0,041 кВт ч/м³, для дискового исполнительного органа Е₁¹ = 0,017 кВт ч/м³, т.е. ниже в 2,4 раза.

Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет повысить эффективность процесса механического разрушения прочных снежно-ледяных отложений на дорожных покрытиях за счет снижения удельной энергоемкости операций, выполняемых дисковым исполнительным органом по сравнению с удельной энергоемкостью этих же операций, выполняемых автогрейдером при использовании штатного основного отвала.

Конструкция данного рабочего органа для удаления снежно-ледяного наката с поверхности дорог и аэродромов, защищена патентом на изобретение № 2487970 [7].

Заключение

Использованием разработанной, в соответствии с целью работы, схемы пространственного группового размещения дисковых ножей в конструкции предлагаемого рабочего органа, обеспечивается механическое разрушение прочных снежно-ледяных отложений на дорожных покрытиях со значениями удельной энергоемкости процесса в 2,4 раза меньшими по сравнению со значениями этого параметра применительно к стандартному основному отвалу автогрейдера: от значения Е₁ = 0,041 кВт ч/м³ до Е₁¹ = 0,017 кВт ч/м³.

Это способствует повышению эффективности процесса механического разрушения прочных снежно-ледяных отложений на очищаемых покрытиях, снижению расхода химически активных противогололедных материалов (ПГМ) при зимнем содержании автодорог, сокращению затрат на приобретение спецтехники для распределения ПГМ, строительство и содержание складских помещений для их хранения.

Конфликт интересов	Conflict of Interest
Не указан	None declared

Список литературы / References

1. Баловнев В.И. Дорожно-строительные машины с рабочими органами интенсифицирующего действия / В.И. Баловнев. – М.: Машиностроение, 1981. – 223 с.
2. Союнов А. С. Обоснование параметров дисковых рабочих органов почвообрабатывающих орудий: автореф. дис. … канд. техн. наук. Омск, 2011. – 19 с.
3. Кузнецова В. Н. Разработка мерзлых грунтов землеройными машинами. / В. Н. Кузнецова, А.М. Завьялов. – Омск: Изд-во «Апельсин», 2011. – 224 с.
4. Патент 2396389 РФ. Рабочий орган для удаления снежно-ледяного наката с поверхности дорог и аэродромов / Р. Б. Желукевич, В. А. Ганжа, Ю. Н. Безбородов. Опубл. 10.08.2010. Бюл. № 22.
5. Ганжа В. А. Разрушение снежно-ледяных образований механическим способом : монография / В. А. Ганжа, В.И. Верещагин. – Красноярск : Сиб. федер. ун-т, изд. второе, испр. и доп., 2018. – 202 с.
6. Ганжа В.А. Система методов измерительного контроля силовых параметров снегоочистительного оборудования с дисковым инструментом : автореф. дис. … д - ра техн. наук / В.А. Ганжа; Сиб. федер. ун-т. – Красноярск, 2019. – 44 с.
7. Патент 2487970 РФ. Рабочий орган для удаления снежно-ледяного наката с поверхности дорог и аэродромов / В.А. Ганжа, Ю.Н. Безбородов; Н.Н. Малышева, П.В. Ковалевич. Опубл. 20.07.2013. Бюл. №1.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Balovnev V.I. Dorozhno-stroitel'nye mashiny s rabochimi organami intensificirujushhego dejstvija [Road-building machines with working bodies of intensifying action] / V.I. Balovnev. - M.: Mechanical Engineering, 1981. - 223 p.
2. Soyunov A. S. Obosnovanie parametrov diskovyh rabochih organov pochvoobrabatyvajushhih orudij: avtoref. dis. … kand. tehn. nauk [Substantiation of parameters of disk working bodies of tillage tools: abstract of the dissertation of the candidate of technical sciences]. Omsk, 2011.19 p.
3. Kuznetsova V.N. Razrabotka merzlyh gruntov zemlerojnymi mashinami [Development of frozen soils by earth-moving machinery] / V.N. Kuznetsova, A.M. Zavyalov – Omsk: Publishing house "Orange", 2011. - 224 p.
4. Patent 2396389 RF. Rabochij organ dlja udalenija snezhno-ledjanogo nakata s poverhnosti dorog i ajerodromov [Patent 2396389 Russian Federation. The working body for removing snow-ice roll from the surface of roads and airfields] / R. B. Zhelukevich, V. A. Ganzha, Yu. N. Bezborodov. Published on August 10, 2010. Bulletin No. 22.
5. Ganzha, V. A. Razrushenie snezhno-ledjanyh obrazovanij mehanicheskim sposobom [The destruction of snow-ice formations by mechanical means: monograph] / V. A. Ganzha, V.I. Vereshchagin. - Krasnoyarsk: Sib. Feder. un-t, second edition, revised and supplemented, 2018 .-- 202 p.
6. Ganzha V.A. Sistema metodov izmeritel'nogo kontrolja silovyh parametrov snegoochistitel'nogo oborudovanija s diskovym instrumentom : avtoref. dis. … d - ra tehn. nauk [The system of methods for measuring control of power parameters of snow removal equipment with a disk tool: abstract of the dissertation of the doctor of technical sciences] / V.A. Ganzha Siberian Federal University. - Krasnoyarsk, 2019 .- 44 p.
7. Patent 2487970 RF. Rabochij organ dlja udalenija snezhno-ledjanogo nakata s poverhnosti dorog i ajerodromov [Patent 2487970. Russian Federation. Working body for removing snow-ice roll from the surface of roads and airfields] / V.A. Ganzha, Yu.N. Bezborodov; N.N. Malysheva, P.V. Kovalevich. Published July 20, 2013. Bulletin No. 1.