sibadiНаучный рецензируемый журнал "Вестник СибАДИ"The Russian Automobile and Highway Industry Journal2071-72962658-5626The Siberian State Automobile and Highway University10.26518/2071-7296-2019-6-642-657sibadi-980Research ArticleТРАНСПОРТНОЕ, ГОРНОЕ И СТРОИТЕЛЬНОЕ МАШИНОСТРОЕНИЕTRANSPORT, MINING AND BUILDING MACHINERY ENGINEERINGАНАЛИЗ ЦИКЛИЧЕСКОГО РЕЗАНИЯ ГРУНТАANALYSIS OF THE CYCLICAL GROUND CUTTINGНиколаевВ. А.NikolayevV. A.

Николаев Владимир Анатольевич – д-р техн. наук, проф. кафедры «Строительные и дорожные машины» 

г. Ярославль, Московский пр., 88

Vladimir A. Nikolaev – Dr. of Sci. (Engineering), Professor of the Construction and Road Machines’ Department

Yaroslavl, 88, Moskovsky Ave.

Nikolaev53@inbox.ruФГОУ ВО Ярославский технический университетРоссияYaroslavl Technical UniversityRussian Federation201930122019166642657Copyright © Николаев В.А., 20192019Николаев В.А.Nikolayev V.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vestnik.sibadi.org/jour/article/view/980Введение

Введение. Для циклического резания грунта при формировании подстилающего слоя и откосов автодорог нужны роторные рыхлители, поэтому общей целью исследования является теоретическое обоснование конструктивных и режимных параметров роторного рыхлителя. Используя синтезный метод, можно получить лишь ориентировочные результаты. Для более точного расчёта параметров резания грунта необходимо произвести анализ взаимодействия рабочих органов с грунтом.

Методика исследования

Методика исследования. На основании намеченных путей уменьшения затрат энергии на циклическое резание грунта рабочим органом разработана методика расчёта: силы резания грунта носком рабочего органа; силы, необходимой для первичного сдвига грунта передней поверхностью рабочего органа; суммарной силы смещения грунта активным рабочим органом; силы трения боковых поверхностей рабочего органа о грунт в процессе оборота ротора.

Результаты

Результаты. Используя разработанную методику определения параметров циклического резания грунта, вычислены их конкретные значения в процессе оборота ротора, исходя из принятых исходных данных. На основе расчётов построены и аппроксимированы графики зависимостей параметров резания грунта от угла поворота ротора. В частности, получены зависимости: силы, необходимой для сдвига грунта активным рабочим органом; массы смещаемого грунта; ускорения смещаемого грунта; силы, необходимой для придания ускорения смещаемому грунту; силы воздействия грунта на боковую поверхность смещаемого грунтового клина; силы трения смещаемого активным рабочим органом грунтового клина о массив грунта; суммарной силы смещения грунта активным рабочим органом от угла поворота ротора при движении агрегата на различных передачах II диапазона трактора ХТЗ-17221.

Заключение

Заключение. На основе анализа взаимодействия рабочих органов с грунтом разработана методика расчёта сил, возникающих при резании грунта, и вычислены их конкретные значения. Зная эти силы и точки их приложений, несложно определить необходимый вращающий момент и мощность привода ротора, если все рабочие органы осуществляют зажатое резание.

Автор прочитал и одобрил окончательный вариант рукописи. Прозрачность финансовой деятельности: автор не имеет финансовой заинтересованности в представленных материалах или методах. Конфликт интересов отсутствует.

Introduction

Introduction. Rotary rippers are needed for cyclical cutting of the ground when the underlying layer and slopes of the roads are formed. Therefore, the general purpose of the research is the theoretical justification of the design and mode of rotary ripper’s parameters. Using the synthesis method, researches get only indicative results. In order to calculate the parameters of ground cutting, it is necessary to analyze the interaction of working bodies with the ground.

Materials and methods

Materials and methods. Based on the planned ways to reduce the cost of energy for cyclical cutting of the ground, the author developed the calculation method of the working body: the force of cutting the ground with the toe of the working body; the force necessary for the primary shift of the ground by the front surface of the working body; the total force of ground displacement by an active working body; the friction of the side surfaces of the working body on the ground during the rotation.

Results

Results. The author calculated the specific values in the process of rotation by using the developed method of determining the parameters of the cyclic ground cutting and basing on the accepted data. Moreover, the author constructed and approximated the graphs’ dependencies of ground cutting parameters of the rotor angle. In particular, there were dependencies: the force required to shift the ground by an active working body, the mass of the displaced ground, the acceleration of the displaced ground, the force needed to accelerate the displaced soil, the force of the ground’s impact on the side surface of the displaced ground wedge, the friction force displaced by the active working body of the ground wedge on the array of soil, the total force of the displacement of the ground by the active working body from the angle of the rotor when moving the unit at various transmissions II range of tractor HTP-17221.

Discussion and conclusions. The method of calculating the forces of the ground cutting and calculating their specific values helps to determine the required rotational moment and power of the rotor drive.

The author has read and approved the final manuscript. Financial transparency: the author has no financial interest in the presented materials or methods. There is no conflict of interest.

подстилающий слой автодорогроторный рыхлительциклическое резание грунтазажатое резание грунтаактивный рабочий органанализ взаимодействия с грунтомсила резания носкомпервичный сдвиг грунтасмещение грунтатрение о грунтunderlying layer of roadsrotary rippercyclical cutting of the groundclamped cutting of the groundactive working bodyground interaction analysiscutting tool forceprimary shift of the groundground displacementground frictionReferencesЖук А.Ф. Теоретическое обоснование рациональной технологической схемы и параметров ротационного плуга // Сборник научных трудов «Теория и расчёт почвообрабатывающих машин». Т 120. М.: Машиностроение, 1989. С. 145–153.Zhuk A.F. Teoreticheskoe obosnovanie racional’noj tehnologicheskoj shemy i parametrov rotacionnogo pluga [Theoretical substantiation of rational technological scheme and parameters of rotary plow]. Sbornik nauchnyh trudov «Teorija i raschjot pochvoobrabatyva jushhih mashin. T 120. Moscow, Mashinostroenie, 1989. P 145–153 (in Russian).Попов Г.Ф. Рабочие органы фрез // Материалы НТС ВИСХОМ. Вып. 27. ОНТИ ВИСХОМ, М.: 1970. С. 490–497.Popov G.F. Rabochie organy frez [Working bodies of the cutters]. Moscow, Materialy NTS VISHOM. 27. ONTI VISHOM, 1970. P. 490–497 (in Russian).Карасёв Г.Н. Определение силы резания грунта с учётом упругих деформаций при разрушении // Строительные и дорожные машины. 2008. №4. С. 36– 42.Karasyev G.N. Opredelenie sily rezanija grunta s uchjotom uprugih deformacij pri razrushenii [Definition of the cutting force of soil considering elastic deformation at fracture]. Stroitel’nye i dorozhnye mashiny. 2008; 4: 36–42 (in Russian).Карнаухов А.И., Орловский С.Н. Определение затрат удельной энергии на процесс резания лесных почв торцевыми фрезами // Строительные и дорожные машины. 2010. №1. С. 20–22.Karnaukhov A.I. Orlovskiy S.N. Opredelenie zatrat udel’noj jenergii na process rezanija lesnyh pochv torcevymi frezami [Costing of specific energy on the cutting process of forest soils end mills]. Stroitel’nye i dorozhnye mashiny. 2010; 1: 20–22 (in Russian).Кравец И.М. Определение критической глубины резания при комбинированном резании грунтов гидрофрезой // Строительные и дорожные машины. 2010. №5. С. 47–49.Kravets I.M. Determinirovannaja matematicheskaja model’ vremennogo raspredelenija tjagovogo usilija dlja mnogorezcovyh rabochih organov zemlerojnyh mashin [Determine critical cutting depth while soils’ combined cutting]. Opredelenie kriticheskoj glubiny rezanija pri kombinirovannom rezanii gruntov gidrofrezoj. Stroitel’nye i dorozhnye mashiny. 2010; 5: 47–49 (in Russian).Кириллов Ф.Ф. Детерминированная математическая модель временного распределения тягового усилия для многорезцовых рабочих органов землеройных машин // Строительные и дорожные машины. 2010. №11. С. 44–48.Kirillov F.F. [Deterministic mathematical model of the temporal distribution of traction for working bodies of earthmoving machines]. Stroitel’nye i dorozhnye mashiny. 2010; 11: 44–48 (in Russian).Берестов Е.И. Влияние трения грунта по поверхности ножа на сопротивление резанию // Строительные и дорожные машины. 2010. №11. С. 34–38.Berestov E.I. Vlijanie trenija grunta po poverhnosti nozha na soprotivlenie rezaniju [Influence of friction of soil on the surface of the knife cutting resistance]. Stroitel’nye i dorozhnye mashiny. 2010; 11: 34–38 (in Russian).Вершинин А.В., Зубов В.С., Тюльнев А.М. Повышение эффективности дискофрезерных рабочих механизмов для разработки мёрзлых грунтов // Строительные и дорожные машины. 2012. №8. С. 42–44.Vershinin A.V., Subov V.S., Tyulnev A.M. Stroitel’nye i dorozhnye mashiny [Improving the efficienc of the working mechanisms for the development of frozen soil]. Stroitel’nye i dorozhnye mashiny. 2012; 8: 42–44 (in Russian).Баловнев В.И., Нгуен З.Ш. Определение сопротивлений при разработке грунтов рыхлителем по интегральному показателю прочности // Строительные и дорожные машины. 2005. №3. С. 38–40.Balovnev V.I., Nguen Z.SH. Opredelenie soprotivlenij pri razrabotke gruntov ryhlitelem po integral’nomu pokazatelju prochnosti [Identification of resistances when designing primers. Ripper by a combined indicator of strength]. Stroitel’nye i dorozhnye mashiny. 2005; 3: 38–40 (in Russian).Ryabets N., Kurzhner F. Weakening of frozen soils by means of ultra-high frequency energy // Cold Regions Science and Technology. 2003. Vol. 36. P. 115–128.Ryabets N., Kurzhner F. Weakening of frozen soils by means of ultra-high frequency energy. Cold Regions Science and Technology. 2003; 36: 115–128.Liu X., Liu P. Experimental research on the compressive fracture toughness of wing fracture of frozen soil // Cold Regions Science and Technology. 2011. Vol. 65. P. 421–428.Liu X., Liu P. Experimental research on the compressive fracture toughness of wing fracture of frozen soil. Cold Regions Science and Technology. 2011; 65: 421–428.Talalay P.G. Subglacial till and Bedrock drilling // Cold Regions Science and Technology. 2013. Vol. 86. P. 142–166.Talalay P.G. Subglacial till and Bedrock drilling. Cold Regions Science and Technology. 2013; 86: 142- 166.Sun X. ACT-timely experimental study on mesoscopic damage development of frozen soil under triaxial shearing // Rock and Soil Mechanics. 2005. №8. P. 150– 163.Sun X. ACT-timely experimental study on meso-scopic damage development of frozen soil under triaxial shearing. Rock and Soil Mechanics. 2005; 8: 150–163.Li Q. Development of Frozen Soil Model // Advances in Earth Science. 2006. №12. P. 96–103.Li Q. Development of Frozen Soil Model. Advances in Earth Science. 2006; 12: 96–103.Atkinson J. The Mechanics of Soils and Foundations. CRC. Press. 2007. 448 p.Atkinson J. The Mechanics of Soils and Foundations. CRC. Press. 2007. 448 p.Баловнев В.И., Данилов Р.Г., Улитич О.Ю. Исследование управляемых ножевых систем землеройно-транспортных машин // Строительные и дорожные машины. 2017. №2. С. 12–15.Balovnev V.I., Danilov R.G., Ulitich O.YU. Issledovanie upravlyaemyh nozhevyh sistem zemlerojno-transportnyh mashin [Study of guided knife systems of ground-moving vehicles]. Stroitel’nye i dorozhnye mashiny. 2017; 2: 12–15 (in Russian).Нилов В.А., Фёдоров Е.В. Разработка грунта скрепером в условиях свободного резания // Строительные и дорожные машины. 2016. №2. С. 7–10.Nilov V.A., Fyodorov E.V. Razrabotka grunta skreperom v usloviyah svobodnogo rezaniya [Ground development with a scraper in free cutting conditions]. Stroitel’nye i dorozhnye mashiny. 2016; 2: 7-10. (in Russian)Чмиль В.П. Насосно-аккумулятивный привод рыхлителя с автоматическим выбором угла резания // Строительные и дорожные машины. 2016. №11. С. 18–20.CHmil’ V.P. Nasosno-akkumulyativnyj privod ryhlitelya s avtomaticheskim vyborom ugla rezaniya [Pump-accumulating ripper drive with automatic cutting angle selection]. Stroitel’nye i dorozhnye mashiny. 2016; 11: 18–20 (in Russian).Кабашев Р.А., Тургумбаев С.Д. Экспериментальные исследования процесса копания грунтов роторно-дисковыми рабочими органами под гидростатическим давлением // Вестник СибАДИ. 2016. №4. С. 23–28.Kabashev R.A., Turgumbaev S.D. Eksperimental’nye issledovaniya processa kopaniya gruntov rotorno-diskovymi rabochimi organami pod gidrostaticheskim davleniem [Experimental studies of the process of digging soils by rotary-disk working organs under hydrostatic pressure]. Vestnik SibADI. 2016; 4: 23–28 (in Russian).Сёмкин Д.С. О влиянии скорости рабочего органа на силу сопротивления резанию грунта // Вестник СибАДИ. 2017. №1. С. 37–43.Syomkin D.S. O vliyanii skorosti rabochego organa na silu soprotivleniya rezaniyu grunta [On the impact of the speed of the working body on the force of resistance to ground cutting]. Vestnik SibADI. 2017; 1: 37-43 (in Russian).Константинов Ю.В. Методика расчёта сопротивления и момента сопротивления резанию почвы прямым пластинчатым ножом фрезы // Тракторы и сельхозмашины. 2019. №5. С. 31–39.Konstantinov YU.V. Metodika raschyota soprotivleniya i momenta soprotivleniya rezaniyu pochvy pryamym plastinchatym nozhom frezy [The method of calculating resistance and the moment of resistance to soil cutting with a straight plate cutter knife]. Traktory i sel’hozmashiny. 2019; 5: 31–39 (in Russian).Сыромятников Ю.Н., Храмов И.С., Войнаш С.А. Гибкий элемент в составе рабочих органов роторной почвообрабатывающей рыхлительно-сепарирующей машины // Тракторы и сельхозмашины. 2018. №5. С. 32–39.Syromyatnikov YU.N., Hramov I.S., Vojnash S.A. Gibkij element v sostave rabochih organov rotornoj pochvoobrabatyvayushchej ryhlitel’no-separiruyushchej mashiny [Flexible element in the working organs of the rotary soil processing loosening and separating machine]. Traktory i sel’hozmashiny. 2018; 5: 32–39 (in Russian).Пархоменко Г.Г., Пархоменко С.Г. Силовой анализ механизмов перемещения рабочих органов почвообрабатывающих машин по заданной траектории // Тракторы и сельхозмашины. 2018. №1. С. 47– 54.Parhomenko G.G., Parhomenko S.G. Silovoj analiz mekhanizmov peremeshcheniya rabochih organov pochvoobrabatyvayushchih mashin po zadannoj traektorii [Power analysis of the mechanisms of movement of working bodies of soil processing machines on a given trajectory]. Traktory i sel’hozmashiny. 2018; 1: 47–54 (in Russian).Драняев С.Б., Чаткин М.Н., Корявин С.М. Моделирование работы винтового Г-образного ножа почвообрабатывающей фрезы // Тракторы и сельхозмашины. 2017. №7. С. 13–19.Dranyaev S.B., CHatkin M.N., Koryavin S.M. Modelirovanie raboty vintovogo G-obraznogo nozha pochvoobrabatyvayushchej frezy [Simulation of the work of a screw G-shaped knife soil cutter]. Traktory i sel’hozmashiny. 2017; 7: 13–19 (in Russian).Николаев В.А. Машины для обработки почвы. Теория и расчёт. Ярославль: Изд-во ФГБОУ ВПО ЯГСХА, 2014. 358 с.Nikolaev V.A. Mashiny dlya obrabotki pochvy. Teoriya i raschyot [Soil processing machines. Theory and calculation]. YAroslavl’: Izd-vo FGBOU VPO YAGSKHA, 2014: 358 (in Russian).Николаев В.А. Ориентировочный расчёт мощности циклического резания грунта // Вестник СибАДИ, 2019. №3. С. 228–240.Nikolaev V.A. Orientirovochnyj raschyot moshchnosti ciklicheskogo rezaniya grunta [Estimated calculation of the power of cyclical cutting of the ground]. The Russian Automobile and Highway Industry Journal. 2019; 3: 228–240 (in Russian).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.