Сетевое издание

Современные проблемы науки и образования

ISSN 2070-7428

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 1,006

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

            Результаты и их обсуждение

            Полученные результаты приведены в таблице 2.

Таблица 2

Матрица ПФЭ и значения функции

 

            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.