Сетевое издание
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,006

ПОДВЕСКА РАБОЧЕГО ОРГАНА СНЕГОУБОРОЧНОЙ МАШИНЫ. МЕТОДИКА ВЫБОРА РАЦИОНАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ

Вахидов У.Ш. 1 Кошелев Ю.В. 1 Молев Ю.И. 1 Шапкин В.А. 1
1 ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е.Алексеева»
Рассматриваются вопросы повышения эффективности работы снегоуборочной техники, оснащённой плужными рабочими органами. Авторами предлагается давать энергетическую оценку эффективности работы плужного рабочего органа снегоуборочной машины, оборудованного подвеской с различными конструктивными параметрами. Полученные зависимости между величиной колебания рабочего органа и силой трения, действующей на нижней грани отвала, позволяют оценить как затраты на перемещение снега с поверхности дороги, так и максимальную высоту оставшегося снега или его общий объём, оставшийся не убранным на дороге. Рассматривается частная задача определения эффективности – отношение силы сопротивления перемещения отвала к максимальной высоте снега, оставшегося на поверхности дороги после прохода снегоуборочной машины. Впервые представлены расчётные зависимости данного параметра для различных конструкций подвески рабочих органов. Приведён расчёт, по результатам которого определены условия рационального применения того или иного типа подвески рабочего органа.
толщина слоя снега
величина колебаний
сила сопротивления движению
подвеска
плужный снегоочиститель
1. Желукевич Р.Б., Подвезенный В.Н. Машины и агрегаты для содержания аэродромов: Учеб. пособие. – Красноярск: ИПЦ КТУ, 2003. – 294 с.
2. Куляшов А.П., Молев Ю.И., Шапкин В.А. Зимнее содержание дорог: Учеб. пособие. – Нижний Новгород: НГТУ, 2007. – 353 с.
3. Пути повышения степени очистки снежных накатов на поверхности дорог / А.П. Куляшов [и др.] // Строительные и дорожные машины. – 2007. – № 3. – С. 44–46.
4. Моделирование процессов взаимодействия со средой рабочих органов дорожно-строительных машин / В.И. Баловнев [и др.]. – М.: Высш. шк., 1981. – 335 с.
5. Суворов, Ю.Б. Судебная дорожно-транспортная экспертиза: Учеб. пособие. – М.: Экзамен, 2003. – 208 с.

Проблема зимнего содержания автомобильных дорог на территории Российской Федерации является весьма актуальной, так как 80% из них расположено в зонах, где длительность зимнего периода превышает 140 дней в году [2]. Под воздействием неблагоприятных погодно-климатических факторов, а именно в результате наличия на проезжей части дороги льда или снега, в данный период изменяются транспортно-эксплуатационные показатели дороги, уменьшаются пропускная способность и скорость, возрастает аварийность.

Снежный покров на автомагистралях образуется в результате снегопереноса, затем в результате прикатывания выпадающего снега колесами автомобилей, если не обеспечена его своевременная уборка за пределы проезжей части или посыпка противогололедным составом, происходит образование снежного наката. Плотность снежного наката может достигать 500 кг/м3. Величина коэффициента сцепления колеса с покрытием при снежном накате колеблется от 0,15 до 0,30 [5]. Плотность же рыхлого снега на проезжей части автомагистралей при снегопадах и снегопереносе во время метелей составляет 100–300 кг/м3 [4]. Рыхлый снег удаляют снегоуборочными машинами. При этом энергоёмкость удаления уплотнённого снега на порядок выше, чем рыхлого, поэтому своевременное удаление свежевыпавшего снега позволяет резко повысить эффективность снегоуборки в целом.

Для уборки снега с поверхности дороги в зависимости от толщины и состояния слоя снега (рыхлый, свежевыпавший, мало- и среднеуплотненный, сильноуплотненный – слежавшийся и обледеневший) применяют рабочие органы различного типа и размера.

Для очистки поверхности покрытия и обочин от слоя свежевыпавшего и малоуплотненного движением снега толщиной до 10 см используют поворотные в плане отвалы малой кривизны, которые устанавливают на передней подвеске комбинированной дорожной машины (КДМ), базирующейся на автошасси, универсальном пневмоколесном тягаче. Отвал оснащается стальным или резиновым ножом. Последний более долговечен и оказывает меньшее динамическое воздействие на выступы покрытия. В дополнение к отвалу используют поворотную в плане щетку с капроновым или металлическим (проволочным) ворсом. Для уборки с поверхности покрытия и обочин слоя среднеуплотненного снега толщиной 10–30 см применяют пневмоколесные универсальные бульдозеры и автогрейдеры, но наиболее целесообразно применять КДМ на трехосных автошасси со скошенными (специальной формы) отвалами, предназначенными для скоростной (до 40–60 км/ч) очистки дорог от снега с отбросом его в сторону на расстояние 4–8 м. Ножи таких отвалов – стальные. На этих машинах на правой боковой подвеске устанавливают такой же скошенный боковой отвал, увеличивающий ширину снегоочистки. Трехосное шасси обеспечивает большую продольную устойчивость машины [1]. Для уборки с поверхности дорог сильноуплотненного слоя снега, а также снежных валов большой высоты (до 2 м) необходимо применять шнекороторные или фрезерно-роторные снегоочистители на автошасси, пневмотракторах или специальных пневмоколесных шасси. Удаление наледи при помощи плужного рабочего органа является неэффективным [1]. Таким образом, можно сделать вывод о том, что применение плужных отвалов на снегоуборочной технике на базе колёсных машин является эффективным при удалении снега толщиной от 0,1 до 0,3 м. При меньшей толщине снежного покрова удаление получается неэффективным в связи с тем, что уровень колебания рабочих органов может превышать общую толщину снежного покрова, а при большей толщине в связи со значительной величиной силы сопротивления происходит потеря управляемости транспортным средством.

Одним из путей совершенствования процесса удаления снега с поверхности дороги является выбор рациональных параметров подвески рабочего органа. Можно выделить три основные разновидности подвески отвала: гибкую – когда отвал прижимается к очищаемой поверхности при помощи собственного веса, жёсткую, когда отвал представляет собой поверхность, жёстко связанную с конструкцией машины, и колебания которого в целом повторяют колебания базового шасси, и подвеску, когда отвал прижимается к поверхности дороги за счёт вывешивания передних колёс. Общий вид данных способов установки отвала показан на рис. 1.

а  б

в 

Рис. 1. Разновидности подвески отвала: а – гибкая; б – жёсткая; в – с вывешиванием передних колёс

Для данных случаев относительный объём удалённого снега в зависимости от типа отвала может быть проиллюстрирован гистограммой, представленной на рис. 2.

Так как каждый тип подвески характеризуется своей величиной силы трения нижней кромки поверхности отвала по очищаемой поверхности, которая в свою очередь является определяющей в силе сопротивления движения машины (объём удаляемого снега и скорость его уборки, также влияющие на энергоёмкость удаления снега, определяются технологическими, а не конструктивными требованиями к процессу снегоочистки), то для определения рациональных параметров подвески наиболее информативно будет сравнение именно зависимостей относительного объёма удаляемого снега от величины силы трения. В графическом виде данная зависимость показана на рис. 3. Полученные данные свидетельствуют о том, что при отсутствии контакта отвала с очищаемой поверхностью удаление снега не происходит. При этом, когда происходит вывешивание передних колёс, и на отвал начинает действовать прижимная сила, равная массе машины, приходящейся на передние колёса, то качество снегоочистки становится близко к 100% (при реальной снегоочистке имеются не только продольные, но и поперечные неровности поверхности дороги, убрать снег из которых, ввиду прямолинейности нижней кромки отвала, не представляется возможным).

Рис. 2. Гистограмма относительного объёма удалённого снега от снега от типа подвески отвала: 0 – без отвала; а – гибкая; б – жёсткая; в – с вывешиванием передних колёс

Рис. 3. Зависимость изменения относительного объёма удалённого снега от силы трения между отвалом и очищаемой поверхностью: 1 – для снегоуборщиков, с массой на переднюю ось 1000 кг, 2 – для снегоуборщиков, с массой на переднюю ось 1500 кг

Таким образом, исходя из вышесказанного, можно сформулировать цель научного исследования – выбор рациональных параметров подвески рабочего органа снегоуборочных машин, обеспечивающих удаление снега с поверхности автомобильных дорог. Рассмотрим простейшую расчётную схему рабочего органа, показанную на рис. 4.

Рис. 4. Схема сил на отвал, шарнирно закреплённый на снегоуборочной машине

Из представленной схемы видно, что не вся масса рабочего органа участвует в прижатии рабочего органа к очищаемой поверхности. Действительную величину прижатия можно определить, составив уравнение моментов вокруг упряжного шарнира:

, (1)

где a1 – угол наклона отвала относительно упряжного шарнира, равный . Знак ± показывает разницу в характере движения отвала при расположении упряжного шарнира до и после режущей кромки. Изменение усилия прижатия DN/NY можно определить, спроектировав все силы на вертикальную ось: DN+NY = GPO, тогда уравнение (1) может быть записано в следующем виде:

(2)

С учётом того, что NУ = GPO(g+z//), дифференциальное уравнение движения рабочего органа примет вид [3]:

. (3)

или: . (4)

Для оценки колебания габаритных точек снегоуборочных машин в рассматриваемых условиях при движении со скоростью 25 км/ч может быть предложено следующее аппроксимационное выражение:

(5)

С учётом усилия резания полученное уравнение примет вид:

(6)

Следует отметить, что представленное уравнение справедливо только для случая движения, когда снегоуборочная машина полностью использует своё тяговое усилие. Для случаев, когда следует рассматривать равномерное движение снегоуборочной машины, сила тяги, развиваемая последней, должна составлять среднее значение сил сопротивления на рабочем органе: . Исходя из этого уравнение (6) примет вид:

, (7)

где А – амплитуда колебаний очищаемой поверхности.

При этом перемещение рабочего органа относительно очищаемой поверхности определится из уравнения

(8)

Решение указанных уравнений показано на рис. 5. Из рисунка видно, что качество очистки дороги зависит в первую очередь от перемещения рабочего органа вниз относительно очищаемой поверхности.

а  

б

Рис. 5. Зависимость перемещения рабочего органа относительно очищаемой поверхности при движении со скоростью 1 м/с: а – при перемещении отвала вниз; б – при перемещении отвала вверх; 1 – профиль очищаемой поверхности, 2 – траектория перемещения отвала массой 100 кг; 3 – остаточная толщина снега на дороге

Сила сопротивления перетеканию жидкости может быть найдена из уравнения:

, (9)

где D – диаметр поршня; d – диаметр штока. Так как разница в напорной и сливной магистралях превышает величину 20 МПа, то уравнение (2) примет следующий вид:

, (10)

а сила, действующая на рабочий орган при горизонтальном расположении гидроцилиндра, примет вид:

. (11)

При негоризонтальном положении гидроцилиндра указанное уравнение примет вид:

, (12)

где d – величина диаметрального зазора в соединении шток – корпус гидроцилиндра; u – динамическая вязкость масла; nШ – скорость перемещения штока гидроцилиндра, рк – среднее удельное давление в гидросистеме; Ra – параметр шероховатости рассматриваемой поверхности; НВ – её твёрдость; t0 – сопротивление сдвигу; W – коэффициент упрочнения молекулярной связи.

С учётом того, что суммарное усилие прижатия рабочего органа к очищаемой поверхности в данном случае будет определяться как сумма двух сил: веса рабочего органа и усилия прижатия отвала гидравлической системой, а также того, что между горизонтальным перемещением гидроцилиндра х и вертикальным перемещением рабочего органа zPO имеется строгое геометрическое соотношение вида , уравнение (7) примет вид:

×

× (13)

А с учётом того, что угол b меняется при колебаниях рабочего органа по закону , уравнение (13) примет следующий вид:

×

× (14)

Решение данного уравнения и сравнение полученных результатов показано на рис. 6.

Рис. 6. Влияние усилия прижатия рабочего органа гидравлической системой на качество очистки дороги: 1 – очищаемая поверхность; 2 – траектория движения рабочего органа без гидравлического прижатия; 3 – траектория движения рабочего органа с гидравлическим прижатием

Полученные данные однозначно свидетельствуют о том, что рабочий орган с гидравлическим прижатием, отличительной особенностью которого является наличие сопротивления перемещению от скорости изменения положения, обеспечивает значительно более качественную очистку поверхности дороги, чем рабочий орган, использующий в качестве прижатия только свой вес. Полученные данные свидетельствуют, что при одинаковом качестве очистки предлагаемая конструкция рабочего органа способна уменьшить величину усилия трения между рабочим органом и очищаемой поверхности в 2–3 раза.

Рецензенты:

Беляков В.В. д.т.н., профессор кафедры «Автомобили и тракторы» «Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е.Алексеева», г. Н. Новгород.

Слюсарев А.С. д.т.н., профессор кафедры «Прикладной механики и подъемно-транспортных машин», «Волжская государственная академия водного транспорта», г. Н. Новгород.


Библиографическая ссылка

Вахидов У.Ш., Кошелев Ю.В., Молев Ю.И., Шапкин В.А. ПОДВЕСКА РАБОЧЕГО ОРГАНА СНЕГОУБОРОЧНОЙ МАШИНЫ. МЕТОДИКА ВЫБОРА РАЦИОНАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ // Современные проблемы науки и образования. – 2014. – № 1. ;
URL: https://science-education.ru/ru/article/view?id=12152 (дата обращения: 19.03.2024).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1,674