Николаев Владимир Анатольевич – д-р техн. наук, проф. кафедры «Строительные и дорожные машины»
г. Ярославль
Vladimir A. Nikolaev, Dr. of Sci., Professor of the Construction and Road Machines Department
Yaroslavl
Введение. При проектировании агрегата для формирования подстилающего слоя возникла проблема выбора рабочих органов, предназначенных для предварительного рыхления поверхностного слоя грунта, насыщенного корнями растений, с целью последующего обнажения подстилающего слоя строящейся автомобильной дороги. При выборе рабочих органов технических средств следует учитывать многие факторы. Однако решающим показателем являются затраты энергии на единицу объёма обрабатываемого материала. Хотя теоретические основы резания грунта весьма подробно рассмотрены, но, основываясь на них, сложно выявить и сопоставить затраты энергии на единицу объёма разрабатываемого грунта. Варианты определения действующих сил и затрат энергии на резание грунта дисками, изложенные различными авторами, предполагают решение весьма громоздких зависимостей. Они основаны на синтезном подходе к решению проблемы. Не отвергая синтезный подход, сделан анализ взаимодействия дисков с грунтом. Вычисление затрат энергии дискового рыхлителя осуществлено на основе выявленных ранее значений его геометрических, кинематических и динамических параметров. Методика исследования. На основе конструктивной компоновки дискового рыхлителя определено расстояние и время перемещения дискового рыхлителя для разработки грунта объёмом один кубический метр. Для анализа диск разделён на элементы: кромку лезвия, фаску лезвия и боковые поверхности диска. Разработана методика определения затрат энергии: на отделение пласта грунта от его массива, разделение пласта на фрагменты, преодоление напора грунта на фаску диска, ускорение грунта фаской лезвия диска, преодоление трения между грунтом и фаской лезвия диска, преодоление трения между грунтом и боковой поверхностью диска. Разработана схема условных сил воздействия фаски лезвия диска на грунт для определения условной нормальной реакции фаски лезвия диска и схема сил для определения нормальной реакции боковой поверхности диска на воздействие грунта. Затраты энергии на резание корней кромкой лезвия диска можно определить только путём экспериментов.Результаты. На основе разработанной методики определены затраты энергии: на отделение пласта грунта от его массива, разделение пласта на фрагменты, преодоление напора грунта на фаску диска, ускорение грунта фаской лезвия диска, преодоление трения между грунтом и фаской лезвия диска, преодоление трения между грунтом и боковой поверхностью диска. Из схемы условных сил воздействия фаски лезвия диска на грунт определена условная нормальная реакция фаски лезвия диска. Из другой схемы сил выявлена нормальная реакция боковой поверхности диска на воздействие грунта. Суммарные объёмные затраты энергии на резание грунта дисками получены путём сложения выявленных частных затрат энергии.Заключение. На основании проведённых теоретических исследований вычислены объёмные затраты энергии на резание грунта дисками. К ним необходимо добавить затраты энергии: на резание корней кромками лезвий дисков и на перемещение дискового рыхлителя. В структуре известных затрат энергии преобладает энергия на преодоление трения между грунтом и боковой поверхностью диска. Так как затраты энергии на резание грунта дисками весьма велики, в агрегате для формирования подстилающего слоя их применение нецелесообразно. Это не исключает применение дисковых рыхлителей для других целей.
Introduction. When designing a unit for the formation of the underlying layer, the problem arose of choosing working bodies designed for preliminary loosening of the surface layer of soil saturated with plant roots, with the aim of subsequent exposure of the underlying layer of the road under construction. When choosing the working bodies of technical means, many factors should be taken into account. However, the decisive indicator is the energy consumption per unit volume of the material being processed. Although the theoretical foundations of cutting soil are considered in great detail, but based on them it is difficult to identify and compare energy costs per unit volume of the developed soil. Options for determining the active forces and energy costs for cutting soil with disks, outlined by various authors, suggest the solution of very cumbersome dependencies. They are based on a synthesis approach to solving the problem. Without rejecting the synthesis approach, an analysis of the interaction of disks with the soil is made. Calculation of energy costs of disk ripper is carried out on the basis of previously identified values of its geometric, kinematic and dynamic parameters.The method of research. Based on the structural layout of the disc ripper, the distance and time of movement of the disc ripper for the development of soil with a volume of one cubic meter was determined. For analysis, the disc is divided into elements: the edge of the blade, the chamfer of the blade and the side surfaces of the disc. A method for determining energy costs has been developed: for separating the soil layer from its array, dividing the layer into fragments, overcoming the soil pressure on the chamfer of the disk, accelerating the soil with a chamfer of the disc blade, overcoming friction between the soil and the chamfer of the disc blade, overcoming friction between the soil and the side surface of the disk. A scheme of conditional forces of influence of a chamfer of a blade of a disk on a ground for determination of conditional normal reaction of a chamfer of a blade of a disk and scheme of forces from determination of normal reaction of a lateral surface of a disk on influence of a ground is developed. The energy costs of cutting the roots with the edge of the blade of the disc can only be determined by experiments.Results. On the basis of the developed methodology, energy costs have been determined: for separating the soil layer from its array, dividing the layer into fragments, overcoming the ground pressure on the chamfer of the disk, accelerating the soil with the chamfer of the blade of the disk, overcoming friction between the soil and the chamfer of the blade of the disk, overcoming friction between the soil and the side surface of the disk. From the scheme of the conditional forces of the impact of the chamfer of the blade of the disk on the ground, the conditional normal reaction of the chamfer of the blade of the disc is determined. From another scheme of forces, the normal reaction of the lateral surface of the disc to the effects of the soil was revealed. The total volumetric energy costs for cutting soil with disks are obtained by adding the identified partial energy costs.Conclusion. On the basis of the theoretical studies carried out, the volumetric energy costs for cutting the soil with disks have been calculated. To these it is necessary to add energy costs: for cutting the roots with the edges of the blades of the disks and for moving the disc ripper. The structure of known energy expenditure is dominated by the energy to overcome friction between the soil and the side surface of the disk. Since the energy costs for cutting soil with disks are very high, it is impractical to use them in the unit for the formation of the underlying layer. This does not exclude the use of disc rippers for other purposes.
The authors declare that there are no conflicts of interest present.