Качественное содержание дорог в зимний период является важнейшей задачей дорожных служб. Наиболее трудоемкой и сложной является уборка наледи и уплотненного снега в прибордюрных зонах. Постепенное зарастание данной зоны снежно-ледовой массой приводит к постепенному смещению проезжей полосы каждого направления движения к осевой линии улицы. В результате снижается скорость движения транспорта в потоке и снижается безопасность проезда транспортных средств.
Для очистки и уборки дорожного покрытия в прибордюрных зонах наиболее эффективно используются механические фрезы с клиновыми режущими органами [1,3,4]. Торцевая дисковая фреза оборудуется резцами, подвешенными на упругих подвесах, которые закрепляются по периметру вращающегося диска. Предложено в качестве подвеса резцов использовать отрезок стального каната. В силу упругости каната, резец с подвесом при взаимодействии с наледью может совершать упругие колебательные движения. Величина упругой деформации каната будет определяться в первую очередь геометрической формой резца.
Цель работы
Определить влияние формы резца фрезы на энергию упругой деформации каната и установление углов закручивания, соответствующих пластической деформации при скручивании.
Экспериментальная часть
Аналитическим методом определены углы поворота отрезков стального каната, соответствующие пластической деформации и максимальные нормальные напряжения, возникающие при изгибе каната.
Результаты и их обсуждение
При неравномерной нагрузке от сопротивления наледи резанию в зависимости от формы клина резца и способа его крепления к подвесу возможно возникновение в подвесе вращающего усилия, приводящего к повороту резца относительно вектора движения при резании.
Следует рассмотреть вариант расположения острия резца на оси y (рисунок 1) и вариант смещения острия резца на расстояние, равное половине его ширины к правой кромке по ходу движения резца (рисунок 2).
Рис. 1. Схема резца с расположением острия на оси y
Рис.2. Схема резца со смещением острия на расстояние, равное половине его ширины к правой кромке по ходу движения резца
По первому варианту в динамической системе действуют сила трения Fтр и сила сопротивления среды резанию Fр.
Обладая плечом e относительно оси каната z, вектор силы трения создает крутящий момент относительно оси каната Мк равный:
(1)
где f –коэффициент трения, равный для трения стали по льду 0,027 [5];
е – расстояние от оси каната до вектора 
.
Исходя из условий жесткости, полный угол закручивания каната будет равен:
(2)
где G – модуль сдвига материала каната;
Jp – полярный момент инерции поперечного сечения каната;
lп– длина проволоки каната.
(3)
где di–диаметр проволоки каната.
При жесткой заделке подвеса резца на диске торцевой фрезы и защемлении клина в слое наледи в канате возникают изгибающие моменты mR в соответствии со схемой, представленной на рисунке 3.
Рис.3. Схема жесткой заделки повеса резца на диске торцевой фрезы с защемлением клина в слое наледи
Изменение изгибающего момента вдоль оси z проволоки от реактивного момента mR и реактивной силы Ri:
(4)
(5)
где Ri – линейная реакция i-го элемента каната от усилия резания резца.
Интегрирование данного уравнения позволяет определить величину изменения угла поворота поперечного сечения каната, которая представляет собой параболу с центром симметрии вдоль оси движения резца:
(6)
где Jx– осевой момент инерции поперечного сечения каната;
Е – модуль упругости каната.
Уравнение параболической кривой перемещения оси упругого элемента торцевой фрезы имеет вид:
(7)
Тогда:
(8)
Считая Δmax равным длине дуги εr, находим, что
(9)
Резец, закрепленный на гибком подвесе, в случае защемления с более твердым участком срезаемой наледи будет отклоняться на большее расстояние от вертикального положения. В нем могут возникать при этом растягивающие и скручивающие усилия. В результате гибкий подвес может аккумулировать часть энергии, расходуемой на преодоление возросшего сопротивления вращению диска фрезы. Аккумулированная энергия возвращается позднее и расходуется на перемещение срезанной наледи.
Потенциальная энергия упругой деформации скручивания каната, реализуемая при перемешивании срезаемой массы, равна:
(10)
где m – количество типоразмеров;
j – номер данного типоразмера.
Потенциальная энергия упругой деформации изгиба одной проволочки i – го слоя равна:
(11)
Для каната одинарной свивки типа ТК с числом проволок в слое (1+6+12) = 19 по ГОСТ 3063-80[2]:dk = 19 мм, d1 = 4 мм, di = 3.8 мм.
Угол закручивания круглого сечения ε равен:
(12)
и обратно пропорционален четвертой степени диаметра:
(13)
Следовательно, скручивающий момент равен:
(14)
Отсюда для каждого из слоев каната:
С учетом значений Мкi величина угла закручивания равна:
(15)
При использовании резца со смещенным острием клина на расстояние, равное половине его ширины, к правой по ходу движения стороне резца. При этом клин резца имеет скос к радиусу диска на угол β. В этом случае при резании в подвесе возникает закручивающее усилие.
Полная энергия упругой деформации каната (U) для кручения и изгиба равна:
(16)
где b – ширина резца.
Из равенства угол закручивания равен:
(17)
Меньшее значение корня соответствует реальному углу поворота сечения.
При колебании сопротивления резанию наледи в пределах 8 ÷ 30 кН/м угол закручивания каната меняется в пределах 12 ÷ 25 градусов.
Без учета потерь на трение в проволоках каната и его нагрев при длине подвеса резца 200 мм, ширине резца 60 мм и числе резцов, одновременно участвующих в резке, равном 10, аккумулируемый запас энергии составляет 2,1 ÷ 4,9 кВт.
Заключение
Анализом усилий закручивания торсионов подвески клиновых резцов при резке наледи с дорожного покрытия показано протекание колебательных кручений каната и резца в пределах 12 ÷ 25 градусов.
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.