Очистка прибордюрной зоны дорожного полотна является наиболее трудоемкой операцией поддержания необходимого для обеспечения безопасности движения в осенне-зимний период. Наиболее эффективно очистка прибордюрных зон от наледи достигается при использовании оборудования для механического срезания наледи, к которому относятся торцевые фрезы с режущими рабочими органами [1–3]. Предложена новая конструкция торцевой фрезы с клиновыми резцами, закрепленными к торцевой фрезе на гибких подвесах из отрезка стального каната [4].
Цель работы
Разработка математической модели торцевой фрезы с клиновыми резцами для определения основных параметров работы фрезы: требуемая ширина клина резца, угол наклона оси фрезы, производительность и суммарный момент сил сопротивления резанию.
Экспериментальная часть
Торцевая дисковая фреза имеет следующие основные параметры, принятые для определения параметров работы:
Dф- диаметр фрезы по внешним кромкам резцов;
z - число резцов на диске фрезы;
φ - угол расстановки резцов, ;
b - ширина резца;
α - угол заточки резца;
β - угол скоса режущей кромки резца к радиусу расстановки резцов;
lp- длина режущей кромки клина резца.
Условия взаимодействия фрезы с разрабатываемой наледью характеризуются:
h - высотой слоя наледи;
Vp - линейной скоростью резания;
L - скоростью движения льдоуборочной машины или скоростью подачи фрезы на разрабатываемый массив;
γ - углом между касательной в точке расстановки резцов и перпендикуляром к диаметру фронта резки наледи;
∆l - путем перемещения машины за 1 оборот фрезы;
S - толщиной срезаемого слоя наледи по ходу движения;
lT - длинойподвесов крепления клинового резца;
m - число подвесов крепления одного резца.
Разрабатываемая наледь как среда взаимодействия с резцами характеризуется следующими свойствами [5]:
Св- доля воды в песчано-ледяной наледи;
ρ - средняя плотность материала наледи;
ρм - насыпная плотность массы взрыхленного материала наледи.
Скорость движения льдоуборочной машины принимают равной 0,5 ÷ 2 км/час.
Результаты и их обсуждение
Вырезкой образцов кернов наледи в прибордюрной зоне уличного дорожного полотна показано [5], что толщина наледи и снежного наката меняется в пределах 20 ÷ 120 мм. Толщина смерзшегося грязе-ледового слоя, прилежащего к асфальтобетону, равна 15 ÷ 35 мм.
При наклоне оси приводного вала фрезы к очищаемой поверхности на угол δ (рисунок 1) толщина слоя, срезаемого каждым резцом, постепенно возрастает на величину
, при одновременном уменьшении толщины стружки на величину
.
Тогда производительность резки наледи одним резцом (
равна:
(1)
Где S – толщина срезаемого слоя наледи по ходу машины, м;
hx – высота срезаемого слоя наледи по вертикали, м;
ρх – средняя плотность материала срезаемого слоя, 
.
Рисунок 1. Схема резания наледи наклонной фрезой
При вращении диска фрезы на угол dφ
(2)
где dφ – угловой шаг расстановки резцов на диске фрезы (z = 21, φ = 17°8'24'').
При толщине слоя наледи 120 мм и средней плотности слоя
экспериментально определенная производительность резцов меняется при повороте фрезы на угол φ от 0 до 0,12 кг. Средняя производительность резцов равна 0,03 кг. Коэффициент неравномерности нагрузки на резцы (k) равен:
(3)
При увеличении угла наклона диска торцевой фрезы на δ, как видно из рисунка 2, равный 4,2 градуса, коэффициент неравномерности уменьшается до 1,8. При дальнейшем увеличении угла наклона до 6 градусов и более, коэффициент неравномерности нагружения резцов (k) вновь растет. Для δ = 6° он равен 3,2. Это связано с тем, что часть резцов, выходя за дневную поверхность слоя наледи, не несет нагрузку, и работа резания выполняется оставшимися в работе резцами, проходящими срезаемый слой.
Рисунок 2. Влияние угла наклона плоскости резания фрезы (δ) на равномерность нагружения резцов (k) торцевой фрезы
Оптимальное нагружение резцов достигается для фрезы с диаметром диска 800 мм при δ = 4 ÷ 4,5°, а для диска диаметром 1200 мм при δ = 3,5 ÷ 4°. Производительность фрезы за её один оборот составляет:
(4)
Она может быть определена по средней нагрузке:
(5)
Часовая производительность фрезы:
(6)
Необходимая ширина клина резца равна:
(7)
Она обратно пропорциональна числу резцов размещенных на диске фрезы (рисунок 3)
Здесь k1 – коэффициент неравномерности хода машины (
);
k2 – коэффициент неоднородности состава наледи (
).
Рисунок 3. Влияние числа резцов (z) торцевой фрезы на ширину резца (b, см)
Суммарный момент сил сопротивления резанию (
) равен:
(8)
где Mp – момент сил сопротивления резанию наледи;
момент сил трения материала наледи по стали поверхности резцов и их подвесов;
момент сил трения материала по бетону дорожного покрытия;
момент сил внутреннего трения частиц наледи.
В среднем момент сил сопротивления резанию наледи равен:
(9)
где q – удельное сопротивление резанию наледи, 
;
коэффициент трения материала наледи по стали.
(10)
где F – площадь поверхностей резца, участвующих в трении с материалом.
(11)
здесь dT – диаметр троса подвеса резца.
(12)
где hвс – высота взрыхленного слоя материала наледи, м;
ρм – насыпная масса взрыхленного материала наледи, т/м3;
k3 – доля поверхности, очищенной до асфальта; (
);
(13)
где μ – коэффициент внутреннего трения взрыхленного материала.
Производительность по убранной массе наледи:
(14)
где k4 – коэффициент неравномерности высоты наледи, 
.
Работа резания и дробления наледи равна:
(15)
Необходимая мощность на валу фрезы:
(16)
где ω0 – обобщенный коэффициент сопротивления перемещению материала наледи, 
.
Из рисунка 4 видно, что с увеличением высоты слоя срезаемой наледи с 20 до 120 мм, мощность на резание наледи фрезой диаметром 1200 мм возрастает с 7,4 до 14,3 кВт, а мощность на перемещение взрыхленного материала возрастает с 3,8 до 7,7 кВт. При этом производительность по массе убранной наледи возрастает с 169 до 347 т/час.
Производительность (Q): 1 – объемная и 2 – массовая. Мощность на валу фрезы (N): 3 – общая, 4 – мощность, затраченная на резание наледи.
Рисунок 4. Влияние высоты слоя смерзшейся наледи (h) на характеристику льдоуборочной машины с шириной фрезы 1200 мм и скоростью машины 2 км/час.
Заключение
На основании исследований свойств и усилий резания разработана математическая модель дисковой торцевой фрезы для механической очистки прибордюрной зоны от наледи.
Рецензенты:
Луконин В.П., д.т.н., профессор, генеральный директор НИИ Полимеров им. А.А. Каргина, г. Дзержинск.
Сажин С.Г., д.т.н., профессор, генеральный директор ООО НТЦ «АСТ», г. Дзержинск.