Развитие научных основ взаимодействия контактной поверхности рабочих органов землеройных машин с мерзлыми грунтами
На правах рукописи
Кузнецова Виктория Николаевна
РАЗВИТИЕ НАУЧНЫХ ОСНОВ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ
КОНТАКТНОЙ ПОВЕРХНОСТИ РАБОЧИХ ОРГАНОВ
ЗЕМЛЕРОЙНЫХ МАШИН С МЕРЗЛЫМИ ГРУНТАМИ
05.05.04 Дорожные, строительные и подъемно-транспортные машины
А В Т О Р Е Ф Е Р А Т
диссертации на соискание ученой степени
доктора технических наук
ОМСК 2009
Работа выполнена на кафедре «Эксплуатация дорожных машин» ГОУ ВПО Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия (СибАДИ)
Научный консультант доктор технических наук, профессор
Завьялов Александр Михайлович
Сибирская государственная
автомобильно-дорожная академия
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор
Абраменков Эдуард Александрович
Новосибирский государственный архитектурно-строительный
университет (Сибстрин)
доктор технических наук, профессор
Никулин Павел Иванович
Воронежский государственный
архитектурно-строительный
университет
доктор технических наук, профессор
Галдин Николай Семенович
Сибирская государственная
автомобильно-дорожная академия
Ведущая организация: Тюменский государственный
нефтегазовый университет
Защита состоится 8 октября 2009 г. в 14-00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.250.02. при Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии (СибАДИ) по адресу: 644080, г. Омск, проспект Мира, д. 5.
Справки по телефону: (3812) 65-07-66, (3812) 65-27-27
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СибАДИ по адресу: 644080,
г. Омск, проспект Мира, д. 5.
Отзыв в двух экземплярах, заверенный печатью, просим направлять в диссертационный совет академии.
Автореферат разослан августа 2009 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
д.т.н., профессор Иванов В.Н.
Актуальность работы. Строительные работы, проводимые на обширной территории России, производятся в тяжелых климатических и грунтовых условиях. Значительный объем среди различных видов строительных работ занимают земляные работы, связанные с разработкой грунтов. Разнообразие методов разработки грунтов определяется их типом, климатическими условиями и технологией производства работ.
Большая площадь России (более 70 %) занята вечномерзлыми грунтами либо грунтами сезонного промерзания. Приблизительно 25 % от общего объема земляных работ приходится на разработку мерзлых грунтов. Работы промышленного, гражданского и дорожного строительства ведутся не только в летнее, но и в зимнее время. Это может быть связано со сроками строительства или ввиду высокой заболоченности местности. Процесс разработки мерзлых грунтов весьма трудоемок и энергоемок. Следовательно, возникает ряд проблем, разрешение которых позволит существенно увеличить производительность, снизить энергоемкость и себестоимость процесса. Поэтому вопрос разработки мерзлых грунтов является достаточно актуальным.
Несмотря на быстрое развитие различных методов разработки мерзлых грунтов в настоящее время наиболее эффективен механический способ их разрушения, выполняемый при помощи статических и динамических средств механизации. Сравнительный анализ методов разработки мёрзлых грунтов показывает, что этим способом выполняется более 75 % объема работ. Так как сопротивление мерзлых грунтов разрушению в процессе скола изменяется весьма значительно в малые промежутки времени, то в отличие от немерзлых грунтов термин статического разрушения к мерзлым грунтам можно применять весьма условно. Амплитуда изменения силы резания мерзлых грунтов составляет в среднем 0,7 среднемаксимальной величины. Такие колебания силы обусловливают и динамические воздействия на рабочее оборудование, и динамичность самого процесса разрушения грунта.
Анализ применения статического разрушения мерзлых грунтов показывает его частое использование для разработки пластично-мерзлых грунтов, тогда как при помощи метода динамического разрушения разрабатываются твердомерзлые грунты. Выбор метода разрушения определяется величиной энергоемкости процесса разработки мерзлого грунта.
Исследования показали, что величина энергоемкости разработки мерзлых грунтов землеройными машинами зависит не только от физико-механических свойств грунтов, но и от конструкции рабочих органов, применяемых для выполнения работ. Доминирующая величина суммарной силы сопротивления грунта разработке приходится на лобовые поверхности режущих рабочих органов землеройных машин, к которым относятся наконечники зубьев рыхлителей и зубья ковшей экскаваторов. Поэтому для уменьшения величины сил сопротивлений разработке грунтов большое значение имеет выбор оптимальной конфигурации рабочих органов, параметров их режущих кромок. Широкое использование землеройных машин на разнообразных типах мерзлых и талых грунтов вызывает необходимость изготовления наконечников зубьев рыхлителей и зубьев ковшей экскаваторов различной конфигурации. При этом в основном учитывается практический опыт разработки грунта.
Разработка мёрзлых грунтов существенным образом зависит не только от начальных параметров рабочих органов, но также и от изменения их в процессе разработки грунта. Как показывают исследования, эффективность разработки резко падает из-за затупления рабочих органов в результате абразивного износа. В некоторых случаях рабочие органы изнашиваются до предельных значений за 2-4 смены эксплуатации. Снижение скорости изнашивания рабочих органов позволит значительно повысить производительность землеройных машин и эффективность их работы. Повышенная эффективность как интегральный показатель процесса разработки грунта рабочими органами землеройных машин характеризуется не только их высокой износостойкостью, но должна учитывать энергоэффективность разработки мерзлых грунтов.
Следовательно, назрела необходимость в разработке методологии определения оптимальных геометрических параметров и конфигурации рабочих органов землеройных машин, в частности их рабочих поверхностей, участвующих непосредственно в разрушении мерзлых грунтов. Данная методология должна учитывать пространственность и динамичность процесса разработки мерзлых грунтов, их физико-механические свойства и режимы разработки.
Данные исследования выполнены в рамках гранта Президента РФ по теме «Обоснование конструкции и параметров рабочих органов землеройных машин для разработки мерзлых грунтов» в 2007 - 2008 г.г., а также аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы на 2006 – 2008 г.г». Это еще раз подчеркивает актуальность работы.
Научная проблема состоит в необходимости разработки теории пространственного взаимодействия рабочих органов землеройный машин с мерзлым грунтом, имеющей практический выход на определение основных параметров рабочих органов.
Гипотеза: оптимизация параметров пространственных форм рабочих органов землеройных машин, взаимодействующих с мерзлыми грунтами, приводит к минимизации энергоемкости процесса разработки грунтов.
Основная идея работы заключается в установлении и обосновании методами вариационного исчисления параметров оптимальных пространственных форм рабочих органов землеройных машин для разработки мерзлых грунтов.
Цель исследования: создание методологии определения оптимальных параметров рабочих органов землеройных машин для повышения эффективности разработки мерзлых грунтов.
Объект исследования: рабочие органы землеройных машин, взаимодействующие с мерзлым грунтом.
Предмет исследования: выявление закономерностей изменения величин, характеризующих процесс взаимодействия рабочих органов землеройных машин с мерзлым грунтом.
Для достижения цели в работе поставлены и решены следующие задачи исследования:
- математическое описание реологической модели мерзлых грунтов;
- построение обобщенной математической модели динамических процессов для интерпретации пространственного взаимодействия рабочих органов землеройных машин с мерзлым грунтом;
- экспериментальное определение зависимостей, численных значений коэффициентов, входящих в математическую модель, и установления границ ее адекватности;
- разработка методологии обоснования и определения оптимальных параметров рабочих органов землеройных машин повышенной эффективности путем снижения энергоемкости процесса разработки мерзлого грунта;
- практическое внедрение теоретически полученных результатов по созданию рабочих органов землеройных машин повышенной эффективности.
Научная новизна работы представлена:
- математическим описанием реологической модели мерзлого грунта как пластически сжимаемой среды;
- получением закономерностей сжимаемости мерзлых грунтов в зависимости от температуры грунта и сжимающего давления;
- разработкой обобщенной математической модели динамических процессов пространственного взаимодействия рабочих органов землеройных машин с грунтом;
- разработкой методологии обоснования и определения оптимальных параметров рабочих органов землеройных машин повышенной эффективности.
Достоверность научных положений обеспечена:
- методологической базой исследования, основанной на фундаментальных теориях;
- применением математического анализа в качестве основного инструмента исследования;
- практической и экспериментальной проверкой адекватности теоретических исследований.
Практическая ценность заключается в следующем:
- возможность использования теоретических разработок обобщенной математической модели взаимодействия рабочих органов с грунтом для получения оптимальных параметров рабочих органов землеройных машин;
- применение разработанной методологии обоснования и определения оптимальных параметров рабочих органов землеройных машин повышенной эффективности на предприятиях транспортного и строительного машиностроения;
- использование разработок и результатов исследований при реализации и коммерциализации инновационных проектов, в учебном процессе по специальностям 190603 (03) «Сервис транспортных и технологических машин и оборудования (строительные, дорожные и коммунальные машины)», 190603 (04) «Сервис транспортных и технологических машин и оборудования (нефтегазодобыча)», 190205 «Подъемно-транспортные, строительные, дорожные машины и оборудование», направлениям подготовки бакалавриата 190000 «Транспортные средства» и магистратуры 190100.68 «Наземные транспортные системы».
Научные положения и результаты, выносимые на защиту:
- математическое описание реологической модели мерзлого грунта как пластически сжимаемой среды;
- закономерности изменения величины сжимаемости мерзлых грунтов;
- обобщенная математическая модель динамических процессов пространственного взаимодействия рабочих органов землеройных машин с мерзлым грунтом;
- методология обоснования и определения оптимальных параметров рабочих органов землеройных машин повышенной эффективности.
Реализация результатов исследований осуществлена в виде передачи научно-технических разработок, рекомендаций, программных продуктов для ЭВМ, которые использованы в ОАО «Стройтрансгаз» (г. Новый Уренгой), ГП «Северавтодор» (г. Нефтеюганск), Конструкторском Бюро Транспортного машиностроения, Мостовом ремонто-строительном управлении, Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии (СибАДИ) (г. Омск), при выполнении научно-исследовательских работ.
Материалы работы используются в лекционных курсах, дипломном и курсовом проектировании студентов Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии (СибАДИ).
Апробация работы. Основные научные положения и результаты теоретических и экспериментальных исследований докладывались, обсуждались и получили положительную оценку на Международной научно-практической конференции «Технологии ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологической оснастки» (г. Санкт-Петербург), научно-производственном семинаре ОАО «Стройтрансгаз» (г. Новый Уренгой), Всероссийских научно-практических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых «Развитие дорожно-транспортного комплекса и строительной инфраструктуры на основе рационального природопользования», Международной научно-технической конференции «Автомобильные дороги Сибири», Международном конгрессе «Машины, технологии и процессы в строительстве», посвященном 45-летию факультета «Транспортные и технологические машины» СибАДИ, международном форуме «Инновации года», международном форуме «Омская марка», международном форуме «Омскполитех», научно-технических конференциях СибАДИ, научных семинарах факультета «Транспортные и технологические машины» СибАДИ. Опытные образцы наконечников зубьев рыхлителей были представлены на международных выставках «Стройпрогресс-
98», «Стройпрогресс-99», «Стройпрогресс-2000», «Инновации года», техническом салоне «Омскполитех» (г. Омск).
Публикации. По материалам исследования опубликованы: 1 монография, свидетельство на полезную модель, 2 патента на полезную модель, свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ, 33 научных статьи, из них 11 статей в изданиях, рекомендованных Перечнем ВАК РФ: «Строительные и дорожные машины», «Механизация строительства», «Вестник МАДИ (ГТУ)», «Механика композиционных материалов и конструкций (РАН, институт прикладной механики)», «Известия ВУЗов. Строительство».
Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, библиографического списка, приложений. Содержит 259 страниц текста, в том числе 22 таблицы, 80 рисунков. Библиографический список включает 226 наименований.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении охарактеризована актуальность проблемы, охарактеризован подход к ее решению, дан анализ работы по главам.
В первой главе рассмотрено общее состояние вопроса. Проведен анализ существующих теорий процесса резания грунтов землеройными машинами. Рассмотрены основные проблемы разработки мёрзлых грунтов. Приведен анализ факторов, оказывающих влияние на процесс разработки грунтов.
Среди работ по исследованию резания и рыхления мерзлых и немерзлых грунтов можно выделить труды следующих ученых: В.П. Горячкина, Н.Г. Домбровского, А.Д. Далина, А.Н. Зеленина, И.Я. Айзенштока, В.Д. Абезгауза, Г.И. Веселова, Ю.А. Ветрова, Д.И. Федорова, К.А. Артемьева, В.И. Баловнева, И.П. Керова, И.А. Недорезова, Е.И. Берестова, А.С. Слюсарева, В.Л. Баладинского, А.М. Завьялова и других авторов. Среди зарубежных исследователей основы изучения данного вопроса заложили: Е. Динглингер, И. Ратье, В. Зене, М. Никольс.
Большинство авторов сходятся во мнении о том, что величина силы сопротивления при разработке грунтов землеройными машинами зависит не только от физико-механических свойств грунтов, но и от конструкции и кинематики рабочих органов, применяемых для выполнения работ. В основном, подход к решению задачи интерпретации процесса взаимодействия рабочих органов с грунтами решался при помощи использования основных положений механики сплошной среды и теории прочности.
Применение известных теорий для исследовательских целей связано с трудностями, возникающими при получении необходимых физико-механических показателей грунтов, широким диапазоном изменений грунтовых условий, сложностью существующих зависимостей для определения величин сил сопротивлений резанию грунтов.
В большинстве работ указывается на необходимость учета геометрических параметров, конфигурации рабочих органов при расчете величин сил сопротивлений разработки грунтов.
В результате анализа состояния рассматриваемого вопроса были сделаны выводы о том, что возникла необходимость:
- в рассмотрении вопроса разработки мерзлых грунтов с точки зрения пространственного взаимодействия рабочих органов машин с грунтом, что позволит интерпретировать этот процесс в динамике;
- создания методологии определения оптимальных параметров рабочих органов землеройных машин для повышения эффективности разработки мерзлых грунтов.
Определено направление исследования, базирующееся на необходимости математического описания реологической модели мерзлых грунтов, учитывающей их физико-механические свойства и пространственные изменения, происходящие в них при разработке. Формируется проблема исследования, цель и задачи. Приведена общая характеристика диссертационной работы.
Во второй главе излагается теория взаимодействия рабочего органа землеройной машины с мерзлым грунтом в трехмерном пространстве. Изложена методология исследования, предполагающая построение системы, имеющей вход, процесс и выход, и называемая логико-структурной схемой исследования (рис. 1). Для более подробного раскрытия процессов, протекающих при проведении исследования, показана методологическая схема исследования (рис. 2).
Рис.1. Логико-структурная схема исследования
Рис. 2. Методологическая схема исследования
Рассмотрены основные физико-механические свойства мерзлых грунтов. Как доказательство применения однокомпонентной пластически сжимаемой среды в качестве реологической модели пластичномерзлого грунта, в главе приведены экспериментальные исследования его сжимаемости. Здесь же приводится описание разработанной обобщенной математической модели процесса взаимодействия рабочего органа землеройной машины с грунтом в пространстве и в динамике.
Из всех рассмотренных свойств мерзлого грунта особый интерес представляет его сжимаемость. Для исследования сжимаемость различных типов грунтов были проведены лабораторные испытания, порядок проведения и результаты которых подробно рассмотрены в главе.
Для определения сжимаемости были проведены испытания различных типов мерзлых грунтов на лабораторном комплексе ЛКСМ-1К (рис. 3).
Рис. 3. Лабораторный комплекс ЛКСМ-1К
с образцами мерзлого грунта
Были изготовлены металлические цилиндрические формы, куда помещался глинистый, супесчаный и песчаный (песок средней крупности) грунты, влажностью 15 % (таблица 1).
Таблица 1
| Грунт | Содержание песчаных частиц определённой зернистости, % | |||
| 0,05…0,1мм | 0,1…0,25 мм | 0,25…0,5 мм | 0,5…1,0 мм | |
| Глина | 5,7 | 3 | ||
| Супесь | 14,8 | 33,9 | 26,4 | 2,6 |
| Песок средней крупности | 0,6 | 16,2 | 62,1 | 19,2 |
Металлические формы позволяли избежать бокового расширения грунта при действии нагрузки.
Исследовались образцы грунта в интервале температур от -3 до -12 0 С с шагом в 10 С.
Нагружение и деформация исследуемого образца грунта производилась при вертикальном перемещении траверсы лабораторного комплекса. При синхронном вращении ходовых винтов траверса перемещается по вертикали, что приводит сжатию образца. Управляя частотой питания электродвигателя, автомат траверсы обеспечивал стабилизацию скорости траверсы при переменной силовой нагрузке от 0 до 14 кН. Фиксировалось значение перемещения траверсы в зависимость от нагружения.
Под действием нагрузки грунты сжимались и деформировались. В результате этого происходил сдвиг и смещение отдельных минеральных частиц, перемещение их в пределах границ формы. Развивалась деформация уплотнения грунтов.
Сжимаемость грунта определялась как отношение начального значения плотности грунта 
к текущему значению плотности 
при фиксированных значениях нагрузки:
. (1)
В результате экспериментальных исследований получены таблицы значений величины сжимаемости для различных типов грунтов в зависимости от сжимающего давления G и температуры Т мерзлого грунта
, (2)
где Т – температура мерзлого грунта, 0 С; G – сжимающее давление, МПа.
Таблица 2
Значение величины сжимаемости В в зависимости от сжимающего давления G и температуры Т мерзлого грунта (глинистый грунт)
| G, МПа Т, 0 С | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
| -3 | 0,975 | 0,930 | 0,913 | 0,898 | 0,894 |
| -5 | 0,982 | 0,934 | 0,918 | 0,902 | 0,896 |
| -7 | 0,986 | 0,946 | 0,930 | 0,915 | 0,905 |
| -9 | 0,990 | 0,970 | 0,954 | 0,938 | 0,927 |
| -11 | 0,994 | 0,982 | 0,973 | 0,964 | 0,958 |
Таблица 3
Значение величины сжимаемости В в зависимости от сжимающего давления G и температуры Т мерзлого грунта (супесчаный грунт)
| G, МПа Т, 0 С | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
| -3 | 0,952 | 0,848 | 0,809 | 0,778 | 0,775 |
| -5 | 0,954 | 0,849 | 0,825 | 0,810 | 0,800 |
| -7 | 0,956 | 0,868 | 0,837 | 0,820 | 0,818 |
| -9 | 0,970 | 0,875 | 0,862 | 0,840 | 0,838 |
| -11 | 0,979 | 0,930 | 0,889 | 0,879 | 0,870 |
Таблица 4
Значение величины сжимаемости В в зависимости от сжимающего давления G и температуры Т мерзлого грунта (песчаный грунт)
| G,МПа Т, 0 С | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
| -3 | 0,830 | 0,737 | 0,692 | 0,663 | 0,640 |
| -5 | 0,842 | 0,748 | 0,699 | 0,678 | 0,674 |
| -7 | 0,860 | 0,784 | 0,738 | 0,705 | 0,692 |
| -9 | 0,878 | 0,823 | 0,767 | 0,742 | 0,725 |
| -11 | 0,892 | 0,866 | 0,846 | 0,838 | 0,831 |
При анализе вида зависимости (2) следует иметь в виду, что при бесконечном увеличении давления G величина сжимаемости В стремится к некоторой постоянной величине, зависящей от температуры Т, а при отсутствии сжимающего давления будет равна единице.
Эти условия записываются в виде
, (2)
. (3)
Этим уравнениям удовлетворяет регрессионная зависимость вида
, (4)
где A1 (Т), A2 (Т) – неизвестные функции одной переменной.
Поиск значений A1(Т) и A2(Т) был произведен, используя функцию lsgcurvefit программного комплекса MATLAB.
Результаты расчета приведены в таблице 5 – 7.
Таблица 5
Значения функций A1(Т) и A2(Т) (глинистый грунт)
| Т, 0 С | -3 | -5 | -7 | -9 | -11 |
| A1 | 0,2675 | 0,2162 | 0,1707 | 0,0882 | 0,1023 |
| A2 | 0,3044 | 0,2462 | 0,1926 | 0,0982 | 0,1085 |
Таблица 6
Значения функций A1(Т) и A2(Т) (супесчаный грунт)
| Т, 0 С | -3 | -5 | -7 | -9 | -11 |
| A1 | 0,2198 | 0,2948 | 0,2850 | 0,2790 | 0,1707 |
| A2 | 0,2981 | 0,3803 | 0,3606 | 0,3431 | 0,2027 |
Таблица 7
Значения функций A1(Т) и A2(Т) (песчаный грунт)
| Тt, 0 С | -3 | -5 | -7 | -9 | -11 |
| A1 | 0,4863 | 0,5307 | 0,4566 | 0,4166 | 0,8249 |
| A2 | 0,7666 | 0,8066 | 0,6683 | 0,5810 | 1,000 |
Подставляя значения A1(Т) и A2(Т) в уравнение (4) для фиксированного значения Т, построены семейства графиков (рис. 4 а – в). В эти же графики заносим (символами) экспериментально полученные значения величины сжимаемости В.
| а) | б) |
| в) Рис. 4. Кривые сжимаемости B различных типов грунтов в зависимости от величины сжимающего давления G: а) глинистый грунт, б) супесчаный грунт, в) песчаный грунт; 1 – при -3 0 С; 2 – при -5 0 С; 3 – при -7 0 С; 4 – при -9 0 С; 5 – при -11 0 С | |
Как видим, все три графика показывают хорошую сходимость кривых сжимаемости теоретических и экспериментальных исследований.
Зависимости A1(Т) и A2(Т) представлены в виде квадратных парабол:
, (5)
. (6)
Значения коэффициентов A1i и A2i определяются с помощью функции polyfit программного комплекса MATLAB.
Подставив полученные значения коэффициентов A1i и A2i в выражения (5) и (6), получены функциональные зависимости A1(Т) и A2(Т) для следующих типов грунтов:
- глинистый грунт:
, (7)
; (8)
- супесчаный грунт:
, (9)
; (10)
- песчаный грунт:
, (11)
. (12)
| а) | б) |
| в) Рис. 5. Зависимость сжимаемости B различных типов грунтов от температуры Т и величины сжимающего давления G: а) глинистый грунт, б) супесчаный грунт, в) песчаный грунт | |
Получены уравнение регрессии величины сжимаемости для грунтов:
- глинистый грунт:
, (13)
- супесчаный грунт:
, (14)
- песчаный грунт:
. (15)
Полученные функциональные связи позволяют аналитически определять значения величин сжимаемости в зависимости от температуры различных типов мерзлых грунтов и сжимающего давления.
На рисунках 5 а – в представлены графики зависимости величины сжимаемости В различных типов грунтов в зависимости от величины сжимающего давления G и температуры грунта Т.
Сжимаемость грунтов характеризуется резкой их усадкой на начальном этапе нагружения. Это объясняется нарушением цементационных связей льда, выдавливанием пузырьков воздуха и воды, заполнением пустот минеральными частицами грунта. При снижении температуры интенсивность протекания начального этапа усадки падала для всех приведенных видов грунтов. В дальнейшем, усадка грунтов замедлялась, несмотря на возрастание величины внешней нагрузки. На последнем этапе происходила стабилизация в усадке и сжимаемость грунта практически не изменялась.
Для песчаных и супесчаных грунтов деформация уплотнения протекала во времени быстрее, чем для глинистых. Так как глинистые грунты характеризуются большим водонасыщением по сравнению с песчаными и супесчаными, то процесс выдавливания воды из них протекает значительно медленнее.
Для мерзлых грунтов, состоящих из твердых частиц, кристаллов льда, водных и воздушных включений, наличие объемных необратимых деформаций, то есть необратимая сжимаемость и наличие сдвиговых эффектов, существенны.
Сжимаемость в представленной ниже математической модели будет выступать мерой изменения плотности грунта под действием внешней нагрузки (усилия воздействия рабочего органа), что обосновывает выбор реологической модели мерзлого грунта как пластически сжимаемой среды.
Рис. 6. Расчетная схема
1 –грунт; 2 – рабочий орган землеройной машины
Движение частиц грунта в плоскости XOY (рис. 6) будем описывать уравнением
, (16)
где 
- соответственно плотность, скорость и давление грунта; t – время.
Давление грунта на поверхность рабочего органа в произвольной точке
, (17)
где p0 - давление грунта в верхней средней точке рабочего органа землеройной машины; P(x), Q(y) – функции, описывающие закономерности распределения сил по поверхности рабочего органа в плоскостях X0Z и Y0Z.
Установлено, что распределение давления в плоскости Y0Z (по ширине рабочего органа) можно представить в виде:
, (18)
где a – коэффициент, определяемый из начальных условий по методике, представленной в главе 3.
Рис. 7. Вид функции 
l – половина ширины рабочего органа (наконечника зуба рыхлителя)
Закон распределения Q(y) является инвариантой распределение давления по ширине рабочего органа. Количественные характеристики инварианты изменяются в зависимости от значений коэффициента а.
Наличие ярко выраженных симметрично расположенных экстремумов по оси Y обосновано тем, что рассматриваемый процесс разработки грунта протекает в условиях блокированного резания. Грунт испытывает значительные нагрузки на сжатие, в результате которых происходит его деформация. Именно по краям профиля лобовой поверхности рабочего органа происходит отрыв грунта от массива. В данном случае боковые грани рабочего органа являются концентраторами напряжений. Поэтому функция 
достигает своего максимума в крайних точках профиля лобовой поверхности рабочего органа 2 l, то есть когда (рис. 11).
В результате исследований установлено, что функция (функция распределения давлений по длине рабочего органа) (рис. 8) подчиняется следующему закону:
, (19)
где a2, a3 – коэффициенты пропорциональности, зависящие от физико-механических свойств разрабатываемого мерзлого грунта и режимов разработки.
Рис. 8. Функция 
Если рассматривать изменение значения функции 
вдоль оси X, то следует отметить, что ее глобальный максимум находиться в плоскости, расположенной выше режущей кромки рабочего органа (рис. 9). В данной плоскости происходит сдвиг элементов стружки грунта, тогда как нижняя часть рабочего органа продолжает вдавливаться в грунт.
Рис.9. Схема воздействия на грунт рабочего органа рыхлителя
Рабочий орган из положения I перемещается в положение II. За это время происходит скол грунта по линии 1 – 1/. За этот период грунт в объеме 1 K 2 будет сжат и его частицы переместятся в направлении нормали к рабочей грани наконечника рыхлителя. Перейдя из положения 1 в положение 1/, частица грунта прошла наибольший путь. Следовательно, напряжения сжатия в точке 1/ будет наибольшим, и плоскость разрушения пройдет через эту точку.
Далее, продвинувшись из положения II в положение III, на расстояние 2 – 3, рабочий орган переместит все частицы грунта на расстояние 1/ – 1//. Скол произойдет по линии разрушения 2 – 2/, так как точка 2/ наиболее удалена от дневной поверхности и в ней будет наблюдаться наибольшее давление.
Следовательно, в точках 1/ и 2/ будет находиться глобальный максимум распределения давлений по длине рабочего органа рыхлителя.
Итак, в точке с координатами 
, 
наблюдается глобальный максимум функции 
, при котором значение величины нормального давления, действующего на лобовую поверхность рабочего органа 
максимально. Грунт уплотнен настолько, что скорость перемещения частиц массива грунта равна скорости резания.
Значение 
изменяется по поверхности рабочего органа в зависимости от физико-механических свойств разрабатываемого грунта и режимов разработки от минимального значения 
до величины, численно равной максимальному значению сопротивления грунтов сжатию 
:
. (20)
Нормальная составляющая силы сопротивления грунта разработке определяется как
, (21)
где – площадь контактной поверхности рабочего органа.
В результате построена интегральная математическая модель процесса взаимодействия рабочего органа землеройной машины с грунтом в трехмерном пространстве. Впервые аналитически получена зависимость пространственного распределения давлений по лобовой поверхности рабочего органа землеройной машины в процессе взаимодействия с мерзлым грунтом.
В третьей главе приведены результаты и анализ поиска экспериментальных и аналитических зависимостей и показателей, входящих в математическую модель процесса взаимодействия рабочего органа землеройной машины с мерзлым грунтом. В этой же главе, как результат разработанной математической модели, приводится анализ пространственной эпюры напряжений по лобовой поверхности рабочего органа рыхлителя и экскаватора при взаимодействии с мерзлым грунтом.
 Рис. 10. Экспериментальная установка с зубом | Рис. 11. Экспериментальные пластины с шариками |
На подвижной тележке установки закрепляется с возможностью изменения угла резания экспериментальный зуб (рис. 10). Он представляет собой конструкцию, в которой по всей длине режущей кромки выфрезерованы 5 площадок размером 20х20 мм. На каждой площадке высверлено по четыре отверстия в которые помещены шарики (приклеены на эпоксидный клей ЭПО - 40В) таким образом, чтобы все шарики находились на одном уровне. В эти канавки помещаются сменные элементы (алюминиевые пластины), которые при проведении эксперимента с одной стороны опирается на четыре шарика, а с другой на грунт. Таким образом, пластины являются индикаторами усилий, передаваемых на зуб при рыхлении грунта (рис. 11).
В качестве модели мерзлого грунта использовался предварительно замороженный грунт, находящийся в специально изготовленной сварной металлической конструкции. При передвижении подвижной тележки экспериментальный зуб внедрялся в грунт. При этом шарики внедрялись в алюминиевые пластины, оставляя на последних отпечатки определенного диаметра (рис. 12). Необходимо было бы определить суммарное усилие на лобовой поверхности экспериментального зуба, на котором расположены алюминиевые пластины.
Рис. 12. Пластины с отпечатками
Поскольку отсутствуют математические выражения, позволяющие рассчитать усилие внедрения шарика в зависимости от диаметра отпечатка, то дополнительно был поставлен эксперимент для получения аппроксимирующей зависимости между усилием рыхления грунта и пятном контакта на пластине.
Эксперимент был проведен при помощи лабораторного комплекса ЛКСМ-1К. Экспериментальные шарики вдавливались в алюминиевые пластины под действием заранее известного усилия, создаваемого за счет вертикального перемещения траверсы лабораторного комплекса. После этого определялись диаметры пятен контактов шариков с пластинами (таблица 8). На одном отпечатке определялись два взаимно перпендикулярных диаметра, обозначенные в таблице 8 соответственно d1 и d2.
Экспериментальные данные были подвергнуты математической обработке.
Была получена регрессионная зависимость усилия Qэ от диаметра отпечатка экспериментального шарика:
, (22)
где b1 – коэффициент пропорциональности (b1 = 298,45), d – диаметр отпечатка шарика.
В указанном эксперименте были определены усилия, приходящиеся на пластины экспериментального зуба. Используя результаты эксперимента для решения задачи, находим значения нормального усилия на наконечник вычислением двойного интеграла функции:
. (23)
В результате преобразований получим:
, (24)
где 
. (25)
Таблица 8
Диаметры отпечатков на пластинах, полученные на лабораторном комплексе
| Создаваемое усилие Qэ, Н | Диаметр отпечатка, мм | |
| d1 | d2 | |
| 150 | 0,52 | 0,53 |
| 0,61 | 0,58 | |
| 0,55 | 0,52 | |
| 200 | 0,63 | 0,68 |
| 0,64 | 0,71 | |
| 0,67 | 0,63 | |
| 300 | 0,93 | 0,98 |
| 1,05 | 1,05 | |
| 0,97 | 0,96 | |
| 500 | 1,28 | 1,25 |
| 1,32 | 1,31 | |
| 1,27 | 1,29 | |
| 1,31 | 1,27 | |
| 700 | 1,52 | 1,49 |
| 1,48 | 1,45 | |
| 1,53 | 1,54 | |
| 1,49 | 1,51 | |
| 1000 | 1,85 | 1,83 |
| 1,84 | 1,82 | |
| 1,89 | 1,88 | |
| 1,85 | 1,84 | |
Уравнение для определения величины давления в произвольной точке рабочего органа (наконечника) может быть представлено в следующем виде:
(26)
Максимальное значение нормального давления на рабочем органе достигается в точках с координатами 
, 
, (при глобальном максимуме функций). Значение 
находится приравниванием дифференциала функции (19) нулю:
. (27)
Максимальное значение давления грунта на наконечник находим, подставляя значение 
из формулы (27) в выражение (26) с учетом формул (18)-(19):
, (28)
где 
.
Для разрушения мерзлого грунта при его рыхлении необходимо, чтобы значение давления было, по меньшей мере, равным сопротивлению сжатия грунта 
. То есть, можно записать
(29)
где 
- давление на мерзлый грунт, разрушающее его.
Зная предел прочности мерзлого грунта на сжатие (для мерзлого песка = 10 МПа), находим из графика зависимости (рис. 13) значение коэффициента a =1.
Рис. 13. График зависимости 
Соответствующие найденному значению коэффициента a = 1 величины остальных коэффициентов равны: a1 = 1,58 · 10 5 Па, a2 = 63,56, a3 = 1,01.
Эта аппроксимация проведена с помощью встроенной в MATLAB функции lsqcurvefit. При известном значении параметра a lsqcurvefit определяет вектор 
.
Максимальное значение силы разрушения на средней линии наконечника определяется, полагая a = 0:
. (30)
Разделив формулу (29) на выражение (30), получим:
, (31)
где
(32)
Из формулы (31) находим аналитическое выражение для определения значение коэффициента a:
(33)
Значение коэффициента a1 определяем из выражения (30):
. (34)
Исходя из зависимостей, полученных в главе 2 и с учетом экспериментально полученных значений коэффициентов, входящих в математическую модель, графически были построены пространственные эпюры распределения напряжений по поверхности рабочих органов землеройных машин.
| Рис. 14. Пространственная эпюра распределения напряжений по поверхности: а) наконечника зуба рыхлителя при взаимодействии с мерзлым грунтом, б) зуба ковша экскаватора при взаимодействии с мерзлым грунтом | |
На рисунке 14 а, б приведены пространственные эпюры распределения напряжений по поверхности наконечника зуба рыхлителя и зуба ковша экскаватора соответственно при взаимодействии с мерзлым грунтом.
Полученные эпюры, как голографические интерпретации процессов взаимодействия рабочих органов землеройных машин с мерзлым грунтом позволяют проанализировать данный процесс наглядно и всесторонне. Анализ эпюр показывает, что наибольшие напряжения наблюдаются в зонах глобального максимума, расположенных симметрично относительно продольной плоскости рабочего органа. Эти зоны находятся выше режущей кромки рабочего органа по длине и смещены к крайним точкам профиля лобовой поверхности рабочего органа. Координаты нахождения зон глобального максимума зависят от физико-механических свойств разрабатываемого грунта, условий его разработки, параметров рабочего органа. Необходимо стремиться к снижению напряжений именно в этих зонах рабочего органа путем конструктивного его усиления. Полученная аналитически эпюра распределения напряжений по длине рабочего органа рыхлителя согласуется с регрессионной зависимостью, построенной по результатам эксперимента; погрешность составляет 6 – 8%.
В четвертой главе рассмотрена методика определения и анализ конфигурации поперечного сечения контактной поверхности, ее оптимальных геометрических параметров и продольного профиля рабочего органа землеройной машины (рис. 15 – 17). Данные методики предусматривают использование методов вариационного исчисления, в частности, уравнения Эйлера-Лагранжа и аппарата полиномов Лежандра. Критерием оптимизации является минимум величины относительной удельной силы сопротивления грунта разработке как основной составляющей величины энергоемкости процесса разработки мерзлого грунта.
Рис. 15. Методика определения конфигурации оптимального
продольного профиля рабочего органа
Рис. 16. Методика определения конфигурации оптимальной
контактной поверхности рабочего органа
Рис. 17. Методика определения конфигурации оптимального поперечного сечения
контактной поверхности рабочего органа
Исходя из расчетной схемы, представленной на рис. 18, величина суммарной горизонтальной силы, действующая на продольный профиль рабочего органа, может быть найдена из зависимости:
. (35)
Рис. 18. Схема сил для определения оптимального продольного
профиля рабочего органа
Левая часть уравнения (35) представляет собой отношение удельного сопротивления разработке грунта к минимальному нормальному давлению в верхней части рабочего органа 
(относительное удельное сопротивление разработке):
. (36)
Задаем дополнительное ограничение: длина профиля рабочего органа ограничена. Тогда, имеем:
. (37)
Откуда
. (38)
С учетом ограничения (38), оптимальная форма профиля рабочего органа находится из решения уравнения Эйлера-Лагранжа:
, (39)
где
, (40)
где 
- неопределенный множитель Лагранжа.
Уравнение продольного профиля рабочего органа приобретает вид:
. (41)
Рис.19. Зависимость относительного удельного сопротивления
разработке грунта от множителя Лагранжа
Из графика зависимости (рис. 19) видно, что минимальное значение величины относительного удельного сопротивления разработке грунта достигается при 
.
Тогда, уравнение оптимального продольного профиля рабочего органа при примет вид (рис. 19):
. (42)
Выражение (42) описывает прямолинейный продольный профиль рабочего органа, установленный под углом 
к горизонту.
Величина нормальной силы, приходящейся на контактную поверхность рабочего органа, определяется выражением (рис. 20):
. (43)
В формуле (43) положим
, (44)
где di – неизвестный постоянный коэффициент, подлежащий определению; 
- полиномы Лежандра, вычисляемые из выражения
, (45)
где (i) – производная i-го порядка.
Рис.20. Расчетная схема для определения оптимальной контактной
поверхности рабочего органа
Тогда, величина нормальной силы, приходящейся на поверхность рабочего органа N с учетом разложения в ряд по полиномам Лежандра определится из выражения:
,(46)
где 
- коэффициент, учитывающий неравномерность распределения давления по ширине рабочего органа.
Целевая функция представлена в виде:
. (47)
Следовательно, задача поиска оптимального поперечного профиля наконечника сводится к задаче линейного программирования, при решении которой находятся коэффициенты разложения di по полиномам Лежандра.
Совершенно очевидно, что оптимальное решение целевой функции (40) зависит от вида ограничений задачи. Поэтому рассмотрим различные виды ограничений (рис. 21).
| а) | б) | |||
| ||||
Рис. 21. Некоторые решения задачи оптимизации лобовой поверхности рабочего органа: для зуба ковша экскаватора а) из условия минимизации силы сопротивления разработке и с учетом обеспечения прочностной защиты при столкновении с непреодолимым препятствием; для наконечника зуба рыхлителя: б) ограничение ширины режущей кромки, в) ограничение ширины рабочего органа выше режущей кромки, г) из условия минимизации сопротивления рыхлению и с учетом обеспечения прочностной защиты при столкновении с непреодолимым препятствием; д) с учетом обеспечения прочностной защиты рабочего органа при реализации максимального тягового усилия. 1 -профиль рабочего органа с учетом обеспечения прочностной защиты при столкновении с непреодолимым препятствием; 2- оптимальный профиль рабочего органа с учетом ограничения | ||||
С точки зрения обеспечения защиты зуба ковше экскаватора и наконечника зуба рыхлителя от разрушения при разработке мерзлых грунтов и при внезапном столкновении с непреодолимым препятствием оптимальными будут являться поперечные профили, рассчитанные с учетом ограничений и приведенные на рис. 21а - д. Изготовление рабочих органов с профилями, представленными на рис. 21а – г, рекомендуются для мерзлых грунтов с каменистыми включениями. Указанные профили обеспечат минимизацию силы сопротивления разработке грунта, снижение энергоемкости процесса. Недостатком профилей лобовой поверхности (рис. 21б, г, д) является усложнение технологии их изготовления. Рабочий орган с профилем, показанным на рис. 21д, рекомендуется для разработки плотных абразивных грунтов. Прямолинейный профиль рабочего органа (рис. 21 в) удовлетворяет условию прочности и обладает меньшим удельным давлением. Кроме этого, он технологически прост в изготовлении.
Следует отметить, что вопрос об оптимальном профиле контактной поверхности рабочего органа не исчерпан, так как могут существовать другие ограничения для расчета оптимального профиля.
Выражение для расчета поперечного сечения контактной поверхности рабочего органа согласно схеме (рис. 22) имеет вид:
. (48)
Рис. 22. Схема сил, действующих на элементарную поверхность
криволинейного рабочего органа
В выражении (48) от формы криволинейной поверхности зависит лишь последний интеграл
. (49)
Применив к интегралу (49) известную формулу Эйлера, получим
, (50)
где
. (51)
Формула для расчета конфигурации оптимального поперечного сечения контактной поверхности рабочего органа следующая
, (52)
где C – константа.
Задаваясь значениями константы С, определены различные варианты оптимальных поперечных сечений контактной поверхности рабочего органа (рис. 23 а - г). В силу симметричности рабочего органа на рисунках приведены половины поперечных сечений профиля.
 а) при С = 0,1 | б) при С = 0,2 |
| в) при С = 0,5 | г). при С = 0,9 |
Рис. 23. Оптимальная конфигурация поперечного сечения рабочей поверхности при различных значениях С
Рис. 24. Зависимость функционала
от неопределенной константы С
Из графика, представленного на рис. 24 следует, что наименьшее значение функционала 
, а, следовательно, и сопротивления разработке, соответствует постоянной с = 0. Таким образом, геометрия оптимального поперечного сечения лобовой поверхности рабочего органа соответствует прямолинейной конфигурации, то есть, когда z = 0.
Приведенные результаты численного метода решения задачи оптимизации продольного профиля контактной поверхности рабочего органа дают возможность утверждать, что данный профиль должен иметь прямоугольный вид. Наименьшее значение величины энергоемкости процесса разработки мерзлого грунта достигается при прямолинейной конфигурации поперечного сечения контактной поверхности рабочего органа. Значения геометрических параметров контактной поверхности рабочего органа зависят от ряда ограничений, но в целом все рабочие органы должны удовлетворять условиям обеспечения прочностной защиты от разрушения и минимизации величины энергоемкости процесса разработки грунта.
Величина пространственного распределения напряжений, приходящихся на контактную поверхность рабочего органа, определяет различные его конфигурации. Характер распределения напряжений зависит от факторов разработки: типа грунта, его физико-механических свойств, температуры, влажности, максимального тягового усилия трактора, скорости и глубины разработки мерзлого грунта. Представленная методика позволяет получать различные конфигурации оптимальных форм контактных поверхностей рабочих органов в зависимости от вариации факторов разработки с точки зрения минимизации энергоемкости процесса разработки мерзлых грунтов (рис. 25, 26).
| Рис. 25. Конфигурация оптимальной формы рабочего органа рыхлителя для разработки мерзлого песчаного грунта с каменистыми включениями при температуре (-5…-8)0 С, влажностью 8-12 %, при глубине разработки 0,7-0,8 м, максимальном тяговом усилии 300 кН, на первой передаче и скорости 0,69-0,75 м/с. | ||
 | ||
| Рис. 26. Конфигурация оптимальной формы рабочего органа рыхлителя для разработки мерзлого глинистого грунта при температуре (-3…-5)0 С, влажностью 15 - 18 %, при глубине разработки 0,9-1,0 м, при максимальном тяговом усилии 250 кН, на первой передаче и скорости 0,75-0,83 м/с. | ||
Повышенная эффективность процесса разработки мерзлых грунтов должна предусматривать и снижение величины скорости изнашивания рабочих органов землеройных машин. Для обеспечения этого условия необходима дополнительная защита тех областей рабочих органов, которые подвержены повышенному абразивному изнашиванию.
Методология определения оптимальных параметров рабочих органов землеройных машин предусматривает решение задачи повышения эффективности разработки мерзлых грунтов путем минимизации величины энергоемкости процесса разработки грунтов и повышения износостойкости рабочих органов.
В пятой главе рассмотрены результаты практических изысканий и анализ использования полученной математической модели и методик определения оптимальных параметров рабочего органа землеройной машины. Здесь же приведен анализ натурных экспериментальных данных.
Проводились сравнительным испытаниям наконечника зуба рыхлителя прямолинейной конфигурации, выполненного из стали Гатфильда, наконечника фирмы КOMATSU и предлагаемого наконечника криволинейной конфигурации, режущая кромка которого защищена от абразивного износа износостойкой накладкой. Также аналогичным испытаниям подвергались зубья ковшей экскаваторов прямолинейной и криволинейной конфигурации.
При этом характер затупления модернизированных наконечников существенно отличается от затупления наконечника фирмы КOMATSU и наконечника из стали Гатфильда. Во время испытаний практически не изменялся радиус их затупления. Величина радиуса затупления у модернизированных наконечников без износостойкой пластины увеличивался ускореннее. При работе модернизированного наконечника с износостойкой накладкой наблюдался эффект самозатачивания. Это объясняется изнашиванием наконечника по площадке износа, так как износостойкость корпуса наконечника ниже износостойкости накладки. Средняя наработка модернизированных наконечников с износостойкими накладками составила 44 часа; коронок фирмы КOMATSU - 46 часов.
Из анализа результатов видно, что по техническим показателям наконечник фирмы КOMATSU и модернизированный наконечник с износостойкой накладкой практически не отличаются друг от друга.
Необходимо отметить, что характер протекания изнашивания поверхности зубьев ковшей экскаваторов схож с динамикой изнашивания коронок зубьев рыхлителей. При изнашивании зубьев также изменяются основные параметры зуба: его рабочая длина, угол заострения. Предельной величины износа прямоугольные зубья, выполненные из стали Гатфильда, достигали через 28 часов непрерывной работы. Средняя наработка модернизированных зубьев с износостойкими накладками составила 40 часов непрерывной работы.
Повышенная эффективность как интегральный показатель процесса разработки грунта рабочими органами землеройных машин характеризуется не только их высокой износостойкостью, но должен учитывать энергоэффективность рабочих органов. Использование модернизированных рабочих органов землеройных машин позволит снизить удельную энергоемкость процесса разработки мерзлых грунтов за счет возможности увеличения глубины разработки грунта или скорости разработки грунта.
Для определения удельной энергоемкости процесса рыхления грунта выполнялся хронометраж работ.
, (53)
где t р - время на разработку грунта, t разв - время разворота машины, t пер - время переключения передач при одном развороте; tп/о - время подъема/опускания рыхлительного оборудования, t доп – дополнительное время.
С площади экспериментального участка, предназначенного для рыхления, бульдозером предварительно был убран снежный покров. Затем рыхлитель параллельными резами разрабатывал грунт на постоянной глубине 0,7 м. При этом производилось рыхление продольными резами на всю полосу рыхления. Расстояние между продольными резами составляло 0,8 м. Технологическая схема перемещения рыхлителя приведена на рис. 27.
Рис. 27. Технологическая схема разработки грунта рыхлителем.
Анализ экспериментальных данных хронометража рыхлительных работ показывает, что рыхлитель, работавший с модернизированным наконечником, выполнял работу равномерно на всем протяжении длины разработки грунта. Время на разработку 100 м борозды для рыхлителя с модернизированным наконечником составляло в среднем 2 мин. 30 с. Тогда, как для рыхлителя с немодернизированным наконечником оно было равно в среднем 2 мин. 45 с. Остальные составляющие времени цикла работы рыхлителей были одинаковы:
- время разворота – 5 с.,
- время переключения передач при одном развороте – 8 с.,
- время подъема/опускания рыхлительного оборудования – 3 с.
Таким образом, суммарное время на разработку грунта рыхлителя с немодернизированным наконечником составило 65 минут. Суммарное время на разработку грунта рыхлителя с модернизированным наконечником - 58 минут.
Разница во времени указывает на снижение удельных энергозатрат на единицу объема разработки грунта.
Удельная энергоемкость снизилась на 10 – 13 %.
В результате проведенного экономического расчета определены цены модернизированных наконечников зубьев рыхлителей оптимальной конфигурации для разработки мерзлых грунтов различных типов. Средняя цена наконечника составляет 3297 рублей. Доход эксплуатационного предприятия от
внедрения комплекта модернизированных наконечников на месяц работы рыхлителя составит более 70000 рублей (в ценах 2009 г.).
Полученные результаты экспериментальных исследований подтверждают адекватность выполненных теоретических исследований; погрешность составляет 6 - 8 %. Результаты проведенных экспериментальных исследований подтверждают эффективность предложенной пространственной формы по критерию удельной энергоемкости процесса разработки грунтов; удельная энергоемкость снизилась на 10 – 13 %. Снижение удельной энергоемкости обеспечивается уменьшением сопротивления на разработку грунта, что, в свою очередь, приводит к меньшему износу рабочего органа; износ снижается на 18 - 23 %.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ, ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ
- В результате проведенных исследований получены научно обоснованные технические решения, внедрение которых вносит значительный вклад в развитие экономики транспортного и строительного машиностроения, заключающиеся в разработке методологии обоснования и определения оптимальных параметров рабочих органов землеройных машин для разработки мерзлых грунтов. Совокупность результатов теоретических и экспериментальных исследований открывает новые направления дальнейшего совершенствования рабочих органов землеройных машин.
- Анализ и обобщение предыдущих работ показал, что применение решений задачи исследования процессов взаимодействия рабочих органов землеройных машин с мерзлыми грунтами с точки зрения теории прочности и механики сплошной среды без учета ее сжимаемости, равно как и решение этой задачи для плоской системы сил, не позволяют описать данный процесс достаточно адекватно. Системная и комплексная интерпретация процессов взаимодействия рабочих органов землеройных машин с мерзлыми грунтами возможна с позиций динамики и пространственности его протекания.
- Разработана обобщенная математическая модель процесса взаимодействия рабочего органа землеройной машины и мерзлого грунта в трехмерном пространстве с учетом особенностей его физико-механических свойств, параметров и режимов разработки.
- В результате проведенных исследований выявлены закономерности изменения величин, характеризующих процесс взаимодействия рабочего органа землеройной машины с мерзлым грунтом. К ним относятся:
- уравнения регрессии величин сжимаемости для различных типов мерзлых грунтов в зависимости от их температуры и сжимающего давления. Величина сжимаемости различных типов мерзлых грунтов при температуре
от - 3 до - 110 С, влажности 15 % и величине сжимающего давления 0,5 МПа соответствует следующим значениям: песок – 0,95…0,97; суглинок – 0,97…0,99; глина – 0,98…0,99.
- пространственное распределение напряжений, возникающих на контактной поверхности рабочих органов землеройных машин (наконечника зуба рыхлителя и зуба ковша экскаватора) при разработке мерзлых грунтов. Анализ эпюр распределения напряжений позволяет голографически интерпретировать исследуемые процессы. Зона глобального максимума напряжений расположена выше режущей кромки на расстоянии 2/5 относительной длины рабочего органа. Значения напряжений 
в зоне глобального максимума напряжений для различных типов мерзлых грунтов при температуре от - 3 до - 110 С, влажности W следующие: песок (W = 19 %) – 4…12 МПа, супесь (W = 13 %) – 2,5…3 МПа, глина (W = 20 %) – 1,8…3,5 МПа.
5. Разработанные теоретические положения опробованы экспериментально. Экспериментальные исследования позволили подтвердить адекватность математической модели, определить зависимости, численные значения коэффициентов, входящих в математическую модель, и установить границы ее адекватности. Полученная по результатам эксперимента регрессионная зависимость согласуется с аналитически построенной эпюрой распределения напряжений по длине рабочего органа рыхлителя; погрешность составляет 6 – 8%.
6. Впервые разработана методология обоснования и определения методами вариационного исчисления оптимальных параметров рабочих органов землеройных машин повышенной эффективности, заключающейся в снижении удельной энергоемкости процесса разработки мерзлых грунтов с одновременным увеличением износостойкости рабочих органов. Данный подход позволяет получать различные конфигурации оптимальных форм контактных поверхностей рабочих органов в зависимости от вариации факторов разработки мерзлых грунтов: типа грунта, его физико-механических свойств, температуры, влажности, максимального тягового усилия трактора, скорости и глубины разработки.
7. Теоретически обоснованы, экспериментально подтверждены и запатентованы оптимальные значения основных параметров конфигурации рабочих органов землеройных машин, которые должны удовлетворять следующим требованиям:
- продольный профиль контактной поверхности рабочего органа должен иметь прямолинейный вид;
- конфигурации поперечного сечения контактной поверхности рабочего органа должна быть прямоугольной, так как это обеспечит наименьшее значение величины энергоемкости процесса разработки мерзлого грунта;
- необходимым условием для определения значений геометрических параметров контактной поверхности рабочего органа является обеспечение прочностной защиты рабочего органа от разрушения в процессе разработки мерзлого грунта, а также выполнение ряда технологических ограничений.
Полученные результаты экспериментальных исследований подтверждают адекватность выполненных теоретических исследований; погрешность составляет 6 - 8 %.
8. Результаты проведенных натурных экспериментальных исследований подтверждают эффективность предложенных пространственных форм рабочих органов землеройных машин по критерию удельной энергоемкости процесса разработки мерзлых грунтов. Удельная энергоемкость снизилась в среднем на 10 – 13 %. Суммарное время на разработку участка размером 16х100 м продольными резами на глубину 0,7 м мерзлого песчаного грунта при температуре - 90 С рыхлителем с модернизированным наконечником составило 58 минут.
- Снижение удельной энергоемкости обеспечивается уменьшением сопротивления на разработку грунта, что, в свою очередь, приводит к меньшему изнашиванию рабочего органа; скорость изнашивания снижается на 18 - 23 %. Средняя наработка модернизированных наконечников зубьев рыхлителей до предельной величины изнашивания составила 44 часа, для зубьев ковшей экскаваторов – 40 часов. Средняя наработка модернизированных наконечников до предельной величины коэффициента затупления составила 44 часа, для зубьев ковшей экскаваторов – 42 часа. Процесс изнашивания поверхностей модернизированных зубьев ковшей экскаваторов и наконечников зубьев рыхлителей, укрепленных на режущей кромке износостойкой накладкой, подчиняется одной и той же закономерности: на поверхностях образуются площадки изнашивания. При работе таких рабочих органов наблюдается эффект самозатачивания.
- Полученные в результате исследований практические рекомендации внедрены на предприятиях отрасли при создании рабочих органов землеройных машин, осуществляющих разработку мерзлых грунтов. Созданы, испытаны и рекомендованы к внедрению инженерные разработки, новизна которых подтверждена свидетельством на полезную модель, патентами на полезную модель, свидетельством о государственной регистрации программы для ЭВМ.
11. Использование полученных результатов теоретических и экспериментальных исследований позволит повысить эффективность процесса разработки мерзлых грунтов и решить проблему создания эффективных импортозамещающих рабочих органов землеройных машин.
12. В результате проведенного экономического расчета определены цены модернизированных наконечников зубьев рыхлителей оптимальной конфигурации для разработки мерзлых грунтов различных типов. Средняя цена наконечника составляет 3297 рублей. Доход эксплуатационного предприятия от внедрения комплекта модернизированных наконечников на месяц работы рыхлителя составляет более 70000 рублей (в ценах 2008 г.).
Основные положения диссертации отражены в следующих работах:
- Кузнецова В.Н. Теоретические и экспериментальные предпосылки создания эффективных рабочих органов землеройных машин для разработки мерзлых и прочных грунтов // Механизация строительства, 2005. - № 10. - С. 7 – 9.
- Кузнецова В.Н. Об использовании самозатачивающихся наконечников при рыхлении мерзлых грунтов / В.Н. Кузнецова, Р.А. Мартюков // Межвузовский сборник трудов студентов, аспирантов и молодых ученых, 2005. - С. 31-33.
- Кузнецова В.Н. К вопросу определения износостойкости композиционных материалов для изготовления рабочих органов землеройной машины // Механика композиционных материалов и конструкций (РАН, институт прикладной механики), 2005. - № 4, том 11. - С. 509 – 515.
- Кузнецова В.Н. Об основных требованиях к структуре рабочих органов землеройных машин / Н.А. Азюков, В.Н. Кузнецова, Л.Н. Азюкова // Материалы международной научно-технической конференции, посвященной 100-летию со дня рождения д.т.н., проф. К.А. Артемьева, Омск: СибАДИ, 2005 – С. 129 - 131
- Кузнецова В.Н. Экспериментальные исследования нагружения зуба рыхлителя при разработке мерзлых грунтов / В.Н. Кузнецова, Р.А. Мартюков. // Строительные и дорожные машины, 2006. - № 4. - С. 35 - 36.
- Кузнецова В.Н. Определение ресурса коронки зуба рыхлителя // Строительные и дорожные машины, 2006. - № 6. - С. 29 - 31.
- Кузнецова В. Н. Методика определение критерия замены рабочих органов землеройных машин при их затуплении // Известия ВУЗов. Строительство, 2006. - № 1 - С. 79 – 83.
- Кузнецова В. Н. К вопросу об инвестиционной привлекательности проектов и решений / В.Б. Пермяков, А.Н Витушкин, В. Н. Кузнецова // Вестник СибАДИ, 2007. - № 5. - С. 281 - 288.
- Кузнецова В. Н. Аналитический подход к описанию процесса взаимодействия рабочего органа рыхлителя с мерзлым грунтом в трехмерном пространстве / В.Н. Кузнецова, А.М. Завьялов // Вестник СибАДИ, 2008. - выпуск 7. – С. 56-60.
- Кузнецова В.Н. Оптимизация конфигурации рабочих органов землеройных машин как результат решения задачи их взаимодействия с мерзлым грунтом в трехмерном пространстве // Вестник СибАДИ, 2008. - № 7. - С. 56 - 60.
- Кузнецова В.Н. Мерзлый грунт как пластически сжимаемая среда / В.Н. Кузнецова, А.М. Завьялов // Строительные и дорожные машины, 2008. - № 7. - С. 37 - 39.
- Кузнецова В.Н. К вопросу оптимизации рабочей поверхности наконечника зуба рыхлителя при разработке мерзлых грунтов // Межвузовский сборник трудов студентов, аспирантов и молодых ученых, 2008. - С. 34-38.
- Кузнецова В.Н., Завьялов А.М Оптимизация формы рабочих органов землеройных: монография. - Омск, изд-во ОмГПУ, 2008. - 183 с.
- Кузнецова В.Н. Оптимизация поперечного профиля лобовой поверхности наконечника зуба рыхлителя для разработки мерзлых грунтов / А.М. Завьялов, В.Н. Кузнецова // Вестник МАДИ (ГТУ), 2008. - № 4 (15). - С. 17- 23.
- Кузнецова В.Н. Оптимизация формы продольного профиля режущего инструмента землеройной машины для разработки мерзлых грунтов / А.М. Завьялов, В.Н. Кузнецова, С.С. Черняк // Известия ВУЗов. Строительство, 2008. - № 7. - С. 85 - 90.
- Кузнецова В.Н. Решения задачи оптимизации поперечного профиля лобовой поверхности наконечника зуба рыхлителя при заданных ограничениях /А.М. Завьялов, В.Н. Кузнецова // Известия ВУЗов. Строительство, 2008. - № 11-12. - С. 96-103.
- Кузнецова В.Н. Теоретические аспекты описания процесса взаимодействия рабочего органа рыхлителя с мерзлым грунтом в трехмерном пространстве / А.М. Завьялов, В.Н. Кузнецова // Известия ВУЗов. Строительство, 2008. - № 10. - С. 114-120.
- Кузнецова В.Н. Оптимизация поперечного сечения рабочей поверхности наконечника зуба рыхлителя при разработке мерзлых грунтов / В.Н.Кузнецова, А.М. Завьялов // Строительные и дорожные машины, 2009. - № 4. - С. 38 – 40.
- Наконечник зуба рыхлителя: свидетельство на полезную модель № 28135 / Азюков Н.А., Кузнецова В.Н. // Бюллетень изобретений, 2003. - № 7.
- Зуб рыхлителя землеройной машины, оборудованный динамическим гасителем колебаний: патент на полезную модель № 45412 / Кузнецова В.Н., Мартюков Р.А., Рыжих Е.А. // Бюллетень изобретений, 2005. - № 13.
- Наконечник зуба рыхлителя: патент на полезную модель № 49039 / Кузнецова В.Н., Мартюков Р.А. // Бюллетень изобретений, 2005. - № 13.
22. Расчетный модуль «Оптимизация параметров рабочих органов землеройных машин для разработки мерзлых и прочных грунтов»: свидетельство о государственной регистрации программ для ЭВМ № 2009610704 / В.Н. Кузнецова, А.М. Завьялов и др. // Официальный бюллетень «Программы для ЭВМ. Базы данных. Топологии интегральных микросхем», 2009. - № 1.
