Рисунок 1. Подкопочная машина ПТ-НН1020П
Резание мёрзлого грунта дискофрезерным рабочим органом имеет ряд особенностей, обусловленных физико-механическими свойствами грунта, кинематическими параметрами рабочего процесса и расположения рабочего органа относительно разрабатываемой поверхности в процессе её разрушения. При этом фреза в процессе работы будет подвергнута значительным динамическим нагрузкам, исследования, проведённые в Нижегородском государственном техническом университете [1,4-6], показывают, что во время только одного оборота фрезы, в зависимости от количества резцов и их схемы установки, величина крутящего момента может изменяться в 1,5–2,0 раза (см. рис. 2–4). При этом точка А на графиках соответствует началу взаимодействия нового резца с мёрзлым грунтом. При этом происходит общее увеличение силы резания и, соответственно, крутящего момента от дополнительного резца. Увеличение нагрузки на фрезе в данный момент времени иллюстрирует участок АБ на рисунке 2, когда нагрузка возрастает практически мгновенно. Затем все резцы, находящиеся в забое, начинают резать грунт со всё более большей толщиной стружки, обусловленной тем, что резание происходит по сложной траектории, связывающей между собой вращательное вращение фрезы и поступательное движение подкопочной машины. Заглубление резца под действием подачи машины приводит к линейному росту нагрузки на рабочем органе, который иллюстрируется участок БВ на графике 2. В точке В происходит выход из забоя одного из резцов, в результате чего в забое остаётся на один резец меньше, а нагрузка на фрезе падает пропорционально силе резания верхнего слоя грунта. В дальнейшем оставшиеся резцы, срезая всё более толстую стружку, в результате поворота фрезы будут способствовать линейному увеличению нагрузки, о чём свидетельствует участок ГА на рисунке 2. И наконец, в точке А происходит внедрение в мёрзлый грунт следующего резца, и весь процесс повторяется.
Следует отметить, что важнейшим параметром, характеризующим процесс фрезерования, является величина затрат энергии на осуществление данного процесса. Так как энергозатраты, связанные с разрушением слоя грунта, имеют две составляющие, то существует необходимость параллельного расчёта затрат мощности как на фрезерование мерзлого грунта, так и на усилие подачи. Мощность на фрезерование может быть определена как произведение крутящего момента на скорость вращения фрезы, а мощность на создание тягового усилия – как произведение скорости движения на величину этой силы [4]:
, (1)
Из данного выражения видно, что существующие методы расчёта мощности фрезерования слоя мёрзлого грунта основываются на том, что скорость резания является постоянной величиной. В действительности скорость резания направлена по касательной к траектории движения режущей кромки резца и по величине определяется геометрической суммой окружной скорости вращения фрезы (по режущей кромке резца) ωφ·R и скорости поступательного движения подкопочной машины (скорости подачи) Vп.
Рисунок 2. Изменение крутящего момента на фрезе в процессе фрезерования
мёрзлого грунта
На рис. 3 представлена схема для определения скорости и углов резания в зависимости от угла поворота фрезы φ.
Рисунок 3. Расчетная схема для определения угла и скорости резания
при фрезеровании мерзлого грунта фрезой
По правилу параллелограмма скорость резания будет равна
, (2)
Эта формула показывает, что скорость резания при фрезеровании является
переменной величиной. При φ=0 скорость резания равна арифметической сумме Vп и ωφ·R,
при φ=
она равна 
, а при φ=π – арифметической
разности Vп и ωφ·R.
Таким образом, изменение скорости резания резца в забое будет напрямую зависеть
от взаимного расположения резца и забоя. Продифференцировав уравнение 2 по углу
поворота фрезы, получим зависимость скорости изменения резания от угла поворота
фрезы:
(3)
То есть уравнение 1 примет вид:
(4)
Сравнительный анализ изменения мощности фрезерования показан на рисунке 4.
Рисунок 4. Изменение мощности фрезерования от угла поворота дисковой фрезы.
1 – ранее применяемая зависимость, 2 – разработанная зависимость
Рисунок 5. Относительное изменение расчётной мощности фрезерования от угла поворота дисковой фрезы.
1 – мгновенная, 2 – средняя за оборот
Полученные результаты свидетельствуют о том, что вновь предложенная зависимость позволяет уточнить мгновенную затрачиваемую мощность при фрезеровании мёрзлого грунта на 40 %, а среднюю эффективную мощность фрезерования на 5 %. Кроме того, данная зависимость позволяет рационально расположить фрезу относительно забоя для обеспечения меньших затрат на фрезерование, которые могут быть снижены на 5–10 %.
Рецензенты:Беляков В.В., д.т.н., профессор кафедры «Автомобили и тракторы» ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева», г. Нижний Новгород.
Вахидов У.Ш., д.т.н., заведующий кафедрой «Строительные и дорожные машины» ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева», г. Нижний Новгород.