Scientific journal
Modern problems of science and education
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,813

CUTTING THE FROZEN SOIL-ICE MASS OF WEDGE CUTTER

Gorshkov A.S. 1 Kulepov V.F. 1 Shurashov A.D. 1 Nikandrov I.S. 1
1 Dzerzhinsky Polytechnic Institute of Nizhny Novgorod State Technical University
Экспериментально определено влияние параметров резания на удельное сопротивление массы смерзшейся песчано-водяной смеси резанию клиновым резцом.Изучено влияние угла заточки клина резца, угла скоса режущей кромки лезвия резца и скорости резания. Реализован план центрального ортогонального композиционного планирования. Получено уравнение регрессионной зависимости сопротивления резанию от действующих факторов. Дано уравнение определения энергозатрат на резание смерзшейся грунтово-ледяной массы. Максимальная величина среднего сопротивления резанию с увеличением угла скоса режущей кромки с 2,5 до 27,5 градусов снижается с 315 Н/см до 106 Н/см для углов заточки клина 35÷45 градусов и скорости резания 10÷12 м/с. Энергозатраты на резание смерзшейся грунтово-ледяной массы при очистке поверхности дорожного полотна равны 1,2 кВт/м2. Оптимальное значение угла заточки резца для фрезы с диаметром диска 800 мм равно 35÷45 градусов, угол скоса режущей кромки 15÷20 градусов и скорость резания 10÷11 м/с.
Experimentally determined the effect of cutting parameters on the resistivity of the mass of frozen sand and water mixture to the cutting wedge cutter.We studied the effect of the sharpening angle of the wedge cutter, bevel angle of the cutting edges of the cutter blades and cutting speed.Implemented a plan orthogonal central composite planning. An equation is obtained of the regression dependence of the resistance to cutting of operating factors. Are given the equation determining the energy consumption for cutting the frozen soil and ice mass. The maximum value of secondary resistance to cutting by increasing the angle of bevel of the cutting edge from 2.5 to 27.5 degrees decreased from 315 N/cm to 106 N/cm for angles of sharpening wedge cutter 35÷45 degrees and cutting speed 10÷12 m/s. The energy consumption for cutting frozen soil and ice mass when cleaning the surface of the pavement is 1.2 kW/m2. The optimal value for angle of sharpening cutter for milling cutter with diameter disk 800 mm is 35 ÷ 45 degrees, the bevel angle of cutting edge 15 ÷ 20 degrees and cutting speed of 10 ÷ 11 m/s.
cutting resistance
cutting
frozen
soil-ice mass
sand-water mixture
Очистка поверхности дорожного полотна от смерзшейся грязе-водяной массы является сложной технической задачей в комплексе работ по содержанию городских дорог. Наиболее эффективно данная задача решается путем механического удаления смерзшейся массы. Для этого предложено [2,5] использовать торцевую фрезу с клиновыми резцами, закрепленными на вращающемся диске на упругих подвесах из отрезка стального каната.

В связи со спецификой состава и свойств смерзшейся песчано-водяной смеси [1] исследование резания её клиновыми резцами является актуальным.

            Цель работы

Экспериментальное определение влияния параметров резания на удельное сопротивление массы смерзшейся песчано-водяной смеси резанию клиновым резцом, сведения по которому до постановки данной работы в литературных источниках отсутствовали.

Процесс резания снежного наката и смерзшейся грунто-ледяной массы значительно отличается от резания мерзлого грунта, изученного А.Н. Зелениным [3]. Процесс включает внедрение острия клина в массу с формированием уплотненного ядра перед режущей кромкой, в котором образуются опережающие трещины, характерные для упругого разрушения хрупких материалов. Энергия, накопленная в процессе внедрения, расходуется на образование лидирующих трещин и на создание новых поверхностей трещин. 

Экспериментальная часть

            Исходные образцы заготовили замораживанием песчано-водяной смеси с долей воды 20±1% масс в формах из полистирола с ячейками размером  при температуре , соответствующей температуре дорожного покрытия в период последней декады декабря до первой декады января. Для резания использовали резцы шириной 10 мм с углами заточки режущего клина 20÷73 градусов и углами скоса режущей кромки лезвия к горизонтальной поверхности разрезаемого образца 10÷27,5 градусов. Усилия резания фиксировали измерительной системой пресса, развивающего усилие до 5000Н с погрешностью фиксации ± 0,1%. Скорость движения образца меняли в пределах 7,6÷16 см/с регулированием скорости подъема стола крепления образца. Принятая скорость подъема соответствовала угловой скорости резца фрезы от 4 до 8,4 с-1.

            Изучено влияние на сопротивление резанию переменных величин: угла заточки резца (x1), угла скоса режущей кромки (x2), скорости резания (x3), не коррелированные друг с другом, путем реализации плана центрального композиционного планирования эксперимента, включающего 8 опытов ПФЭ23, 6 звездных точек нулевого уровня и точки общего центра плана [4].Условия варьирования факторов воздействия приведены в            таблице 1.

Таблица 1

Значения факторов влияния на сопротивление резанию смерзшейся массы

Величина фактора

, град

()

, град

()

, с-1

(V)

Шаг варьирования фактора

20

10

2

Нулевой уровень

40

15

6

Верхний           +1

Уровень     +1,215

60

73

25

27,5

8

8,4

Нижний             -1

Уровень      -1,215

20

7

5

2,5

4

3,6

            Результаты и их обсуждение

            Полученные результаты приведены в таблице 2.

Таблица 2

Матрица ПФЭ и значения функции

№ опыта

Факторы влияния

Функция

1

-1

-1

-1

132

138

2

+1

-1

-1

196

204

3

-1

+1

-1

115

108

4

+1

+1

-1

224

219

5

-1

-1

+1

89

96

6

+1

-1

+1

240

259

7

-1

+1

+1

132

129

8

+1

+1

+1

74

71

9

-1,215

0

0

92

80

10

+1,215

0

0

316

332

11

0

-1,215

0

120

128

12

0

+1,215

0

136

131

13

0

0

-1,215

286

294

14

0

0

+1,215

93

84

15

0

0

0

107

102

 

            Проверка результатов параллельных опытов по критерию Кохрена показала положительную воспроизводимость.

            После отсеивания малозначащих коэффициентов уравнения полинома получено следующее уравнение регрессионной модели процесса резания смерзшихся образцов клиновым резцом торцевой дисковой фрезы после перехода к физическим переменным:

                       (1)

Дифференцированием по одному из параметров получены уравнения количественной зависимости сопротивления резанию от каждого из изученных факторов:

                                                       (2)

                                                           (3)

                                                            (4)

Для значений параметров  градусов ,  градусов и : ; ; .

С увеличением угла заточки до 40 градусов пропорционально возрастает   величина , тогда, как  и        остаются на прежних уровнях.

Энергетические затраты на резание смерзшейся песчано-водяной смеси на площадь очищаемой поверхности дорожного полотна за один оборот фрезы равны:

                                                     (5)

                                                                   (6)

                                                               (7)

                                                                     (8)

где  скорость движения льдоуборочной машины, м/ч;

ход машины за время одного оборота фрезы, м;

 число оборотов фрезы, мин-1;

 число резцов на диске фрезы;

 расстояние между двумя резцами (модуль), м;

 угол между касательной к точке положения резца и перпендикуляром на диаметр диска, перпендикулярный направлению движения машины, численно равный углу поворота диска.

              (9)

            Регрессионный анализ процесса взаимодействия единичного резца с разрабатываемой средой при постоянном значении угла скоса режущей кромки  градусов показал, что зависимость величины удельного сопротивления резания имеет область пессимума с координатами  градуса, . С увеличением угла скоса режущей кромки лезвия клина ( градусов) область пессимума смещается в сторону меньших значений угла заточки и скорости резания ( градусов, ). При угле скоса резца градусов область максимума сопротивления резания соответствует значениям  градусов и и далее с ростом  практически не меняется.

Максимальная величина среднего удельного сопротивления резанию, как видно из рисунка 1, с увеличением угла скоса от 2,5 до 27,5 градусов понижается с 305 Н/см до 106 Н/см для значений угла заточки 35÷45 градусов и скорости резания 10÷12 м/с.

Рисунок 1. Влияние угла скоса режущей кромки лезвия клинового резца (β, град) на сопротивление резанию (q, Н/см).

            Совместное влияние угла заточки клина резца и угла скоса его режущей кромки, как видно из рисунка 2, носит сложный характер. С увеличением угла заточки клина резца  при отсутствии скоса резца ( градусов) сопротивление среды резанию постепенно понижается и достигает минимума в области  градусов. Однако при углах скоса 20 и более градусов минимум сопротивления резанию достигается уже при углах заточки клина 22÷26 градусов. При дальнейшем увеличении угла заточки сопротивление несколько возрастает (в 1,2÷1,3 раза) до  градусов и далее понижается вновь, достигая вторичного более выраженного минимума при  градусов. С дальнейшим увеличением угла заточки клина резца от 55 до 90 градусов сопротивление резанию растет, достигая максимума при  градусов.

Рисунок 2. Совместное влияние угла заточки клина резца ( и угла скоса его режущей кромки на удельное сопротивление резанию ().

            В соответствии с полученными данными для фрезы диаметром 800 мм можно рекомендовать число оборотов фрезы 60÷65 об/мин, длину резцов 55÷60 мм, угол заточки клина резца 35÷45 градусов и угол скоса режущей кромки 15÷20 градусов.

            Заключение

1.                  Энергозатраты на резание смерзшейся песчано-ледяной массы за один оборот фрезы носят синусоидальный характер. В среднем при толщине срезаемого слоя 140 мм энергозатраты на зачистку поверхности равны 1,2 кВт/м2.

2.                  Оптимальные значения угла заточки резца равен 35÷45 градусов, угла скоса режущей кромки 15÷20 градусов и скорости резания 10÷11 м/с.

Рецензенты:

Луконин В.П., д.т.н., профессор генеральный директор НИИ Полимеров им. А.А. Каргина, г. Дзержинск;

Смирнов А.С., д.т.н., начальник отдела экспериментального исследования взрывных процессов ОАО "ГосНИИмаш им. В.В. Бахирева", г.Дзержинск.