CC BY
63
МЕХАНИКА
УДК 629.12.037.4.001.5
А. Б. Филяков, Б. М. Славин, В. И. Шабанов, А. А. Халявкин
АНАЛИЗ СИЛ СОПРОТИВЛЕНИЯ РЕЗАНИЮ УПЛОТНЕННОГО РЯДОВОГО НАСЫПНОГО ГРУЗА ПЛОСКИМ НОЖОМ
Существующие методы расчета сопротивлений резанию кусковых насыпных грузов не учитывают их гранулометрический состав и углы резания. Экспериментальные исследования для кусковых грузов проводились только при углах внедрения ножей а = 0° и 90° [1, 2]. Это не позволяет вести с достаточной точностью расчет ковшовых, скребковых и плужковых рабочих органов. Нами было проведено экспериментальное исследование процесса резания уплотненного рядового насыпного груза плоским ножом с целью получить расчетные зависимости сопротивлению резания при различных глубине, размерах куска груза и угле внедрения [3].
Экспериментальное исследование проводили на стенде кафедры «Подъемнотранспортные машины, производственная логистика и механика машин» Астраханского государственного технического университета, предназначенном для исследования процесса резания насыпного груза. Исследование сопротивлений резанию плоским ножом (рис. 1) проводили при его внедрении в уплотненный рядовой глинозем (температура 22 °С, влажность Ж = 1,5 %). Грунтовый канал размерами 6,8 х 1,8 х 1,4 м был заполнен рядовым глиноземом, который состоял из различных фракций. При необходимости определенные фракции отсортировывались и укладывались на определенном участке внедрения рабочего органа - плоского тензометриче-ского ножа. Нож был длиной 0,6 м и не имел заднего угла резания. Для того чтобы снимать стружку материала постоянной толщины, проекции всех исследуемых ножей на вертикальную ось принимали равными h = 0,1 м. Программа эксперимента включала в себя исследование сопротивления внедрению ножа с углом резания а = 30°, 45°, 60° и 90° при глубине резания 0,05; 0,1; 0,15 и 0,2 м. Исследуемый груз предварительно искусственно уплотнялся динамическим воздействием до плотности, соответствующей приблизительно плотности его транспортировки в вагоне. Каждый вид эксперимента проводился в десятикратной повторности и подвергался статистической обработке.
Рис. 1. Расчетная схема внедрения ножа в насыпной кусковой груз: а - угол резания;
Р - угол клина; Р - сила сопротивления резанию; N - сила вертикального давления ножа; N - отпор груза; Fтр - сила трения на поверхности ножа; а - высота точки касания ножа от основания куска
На основании результатов экспериментов были получены эмпирические формулы для расчета сопротивления резанию рядового глинозема в зависимости от глубины резания:
/ввп 182-9498. ВЕСТНИК АГТУ. 2008. № 2 (43)
- при оптимальном угле резания а = 30е
Р =
к -1,578
0,228к + 0,884
- при а = 45(
Р =
к - 0,780
0,192к - 0,784
(1)
(2)
где к - глубина резания, м; Р, Н/м.
Из анализа этих формул видно, что с увеличением толщины срезаемой стружки сопротивление резанию, строго говоря, увеличивается, но интенсивность увеличения с ростом глубины резания несколько уменьшается. Поэтому с энергетической точки зрения процесс зачерпывания (заполнения ковша) целесообразно вести стружкой большой толщины - 0,2-0,3 м.
Полученные формулы имеют хорошую сходимость с результатами экспериментов (наибольшая погрешность не превышает 2,5 %), и поэтому их можно использовать при практических расчетах.
На рис. 2 представлена после статистической обработки зависимость удельного сопротивления резанию от угла наклона режущей кромки к(а) при толщине срезаемой стружки к = 0,1 м на глубине ктах = 0,2 м (кривая 1). Полученные значения сопротивления резанию Р = Да) дали несколько неожиданную картину: с увеличением угла резания с 30° до 50° заметно интенсивное увеличение удельного сопротивления.
Р, кгс
Рис. 2. Зависимость усилия резания Р и усилия отпора N от угла резания при толщине срезаемой стружки 0,1 м: кривая 1 - Р(а); кривая 2 - Щ(а)
При дальнейшем увеличении угла наклона ножа интенсивность увеличения сопротивления несколько снижается, а при а = 70°-90° остается практически постоянной.
Кривая 1 имеет три характерных участка. На первом участке сопротивление резанию определяется по формуле
Р х Рсв + О • ^(а+У0)
(3)
где Рсв - сопротивление резанию передней кромки ножа; О - вес тела скольжения; 70 - угол внешнего трения (в нашем случае - глинозема о сталь).
Условно процесс резания может быть рассмотрен как процесс резания материала на кромке и движение тела скольжения весом О по наклонной плоскости. С увеличением а возрастают значения первого и второго члена уравнения, в результате происходит прогрессирующее увеличение Р. При определенном значении а (45°-50°) нарушается условие возможного движения по наклонной плоскости. В этот момент меняется физическая картина процесса резания: движение груза будет происходить не по ножу, а по плоскости скольжения, что будет соответствовать второму этапу внедрения до угла резания а = 72°. Это начинает происходить при выполнении неравенства а + у0 > т + ф, где т - угол наклона плоскости скольжения тела скольжения; ф - угол внутреннего трения.
При углах резания от 72° до 90° происходит стабилизация сопротивления резанию, т. к. при дальнейшем увеличении угла резания угол скольжения т (тела скольжения) практически не изменяется, а следовательно, не меняются условия внедрения ножа в кусковой груз. Это будет соответствовать третьему характерному участку изменения усилия резания Р(а).
Анализ кривой 2 (рис. 2), описывающей характер изменения вертикальной составляющей N сопротивления резанию, показывает, что наибольшего значения N достигает при исследуемых глубинах при углах наклона ножа а = 55°-70°. Рост сопротивления N с увеличением а на участке от 30° до 70° объясняется улучшением условий заклинивания кусков между ножевой кромкой и массивом груза (см. рис. 1). При небольших углах резания а ножу с меньшим усилием приходится срезать верхнюю часть заклинившего куска или подниматься по наклонной плоскости, образованной куском, с углом р. С увеличением угла наклона ножа ухудшаются условия чистого резания (разрушения куска), поэтому сопротивление резанию возрастает. Увеличивается при этом и сила реакции от движения ножа по наклонной плоскости N. При углах наклона ножа а = 60°-90° происходит врезание ножевой кромки в наклонную плоскость куска. В этом случае условия чистого резания еще более ухудшаются, поэтому заклинивший кусок груза или вминается в груз, или (если усилие N оказывается недостаточным) сдвигается вместе с ножом по направлению движения. Это движение с ножом может продолжаться до конца процесса внедрения или до того момента, когда под действием выворачивающего момента кусок вывернется и проскочит между надвигающимся ножом и массивом груза. Именно для больших углов наклона ножа характерна трапецеидальная выемка груза, остающаяся после прохождения ножа, которая значительно больше профиля, оставляемого контуром ножа при движении. При углах наклона ножа а = 70°-90° чистое резание на режущей кромке ножа практически исчезает (из-за того, что требуются слишком большие усилия), поэтому попавший под режущую кромку кусок груза или вдавливается под нож или протаскивается впереди ножа, увеличивая при этом теоретический режущий контур.
При расчете сопротивлений резанию необходимо учитывать и величину отпора, которая при углах резания а 30°-90° незначительно превышает усилие резания, а в диапазоне а = 50°-70° в полтора раза может превышать усилие резания Р.
Полученные результаты необходимо учитывать при силовом расчете ковшей, отвалов, скребков и других рабочих органов.
СПИСОК ЛИТЕРА ТУРЫ
1. Зеленин А. Н. Физические основы теории резания грунтов. - М.: Изд-во АН СССР, 1959. - 371 с.
2. Зенков Р. Л. Механика насыпных грузов. - М.: Машгиз, 1964. - 341 с.
3. Филяков А. Б., Сабанцев В. А. Определение усилия резания слежавшихся кусковых грузов // Совершенствование технологии производства полуфабрикатов, бумаги и картона: Сб. тр. - Л.: НШСБ. -1979. - С. 61-65.
Статья поступила в редакцию 20.12.2006
ANALYSIS OF RESISTANCE FORCES TO CUTTING OF COMPACTED ORDINARY BULK CARGO WITH A FLAT KNIFE
A. B. Filyakov, B. M. Slavin, V. I. Shabanov, A. A. Khalyavkin
The experimental analysis of cutting of compacted ordinary bulk cargo with a flat knife (with the strain measurement and filming methods) at different angles of cutting and embedding is given. The physical picture of cutting and design formulas of determination of cutting resistance at different angles of cutting and thickness of cuttings are received. The results of the research can be used in designing the transshipping engine elements.
Key words: cutting process, bulk cargo, resistance to cutting, tensometric
knife.
