СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОПРОТИВЛЕНИЯ РЕЗАНИЮ СНЕЖНО-ЛЕДЯНЫХ ОБРАЗОВАНИЙ И МЕРЗЛЫХ ГРУНТОВ Российский патент 2023 года по МПК G01L1/22 G01N3/58 

Изобретение относится к технологии измерений, в частности к определению сопротивления резанию снежно-ледяных образований и мерзлых грунтов срезающим устройством, таким как дисковый резец, и может быть использовано для определения оптимальных геометрических параметров срезающего устройства, параметров установки срезающего устройства и процесса резания.

Известен способ проведения измерений составляющих сопротивления снега резанию, осуществляемый в соответствии с планом полного факторного эксперимента. При этом эксперимент проводится в естественных условиях на специально спроектированном и изготовленном стенде «грунтовый канал», установленном на открытой площадке полигона. Стенд «грунтовый канал» представляет собой пространство, ограниченное горизонтально расположенными направляющими, по которым перемещается с помощью лебедки ходовая тележка с прикрепленной к ней навесной рамой, промежуточной рамой и плугом. Рабочее пространство «грунтового канала» перед каждым этапом эксперимента заполняется снегом, при необходимости уплотняется. Верхняя поверхность снега выравнивается, определяется плотность снега отношением веса вырезанного снега с помощью металлического цилиндра к внутреннему объему цилиндра. Также измеряются температура снега и температура окружающего воздуха. Плуг устанавливается под необходимым углом установки в «плане» (90°) и задаваемым углом резания (35°, 45°, 55°). С помощью винтовых опор стенда, задается необходимая толщина срезаемой стружки снега. Скорость перемещения ходовой тележки постоянная, соответствующая скорости резания 0,065 м/с. С помощью программы PowerGraph регистрируются горизонтальная, вертикальная и боковая составляющие сопротивления резанию в виде осциллограмм с показаниями от каждого тензометрического звена. При приближении ходовой тележки к концу канала лебедка отключается, зарегистрированные данные сохраняются на ПК. Далее ходовая тележка перемещается в начало канала, снег заполняется заново для проведения следующего этапа эксперимента. Обработка данных проводится при помощи программного обеспечения PowerGraph и Microsoft Office Excel. При этом компьютерные осциллограммы обрабатываются по пиковым и средним значениям в момент скола снега. На основании полученных данных строят круги Мора для соответствующих предельно-напряженных состояний с целью обоснования оптимальных режимов резания снега (Закиров М.Ф. диссертация канд. техн. наук. Обоснование параметров процесса резания снега плужным рабочим органом малогабаритного снегоочистителя, Москва 2012 г., прототип).

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ определения сопротивления резанию снежно-ледяных образований и мерзлых грунтов, принятый в качестве прототипа, осуществляемый в соответствии с планом полного факторного эксперимента. При этом эксперимент проводится с использованием предварительно вырезанных образцов из естественной среды, в качестве которых могут быть: снежно-ледяные образования, находящиеся на дорожном покрытии, природный лед из водоема, мерзлый грунт. Образец помещается в морозильную камеру, в которой установлено стендовое оборудование. В морозильной камере выставляется требуемая для исследования температура. Подготовленные образцы выдерживаются в морозильной камере в течении 48 ч, с целью стабилизации температуры образца. Перед проведением эксперимента определяется плотность образца и его твердость с использованием твердомера. Температура в морозильной камере принимается за температуру окружающего воздуха. На стационарно установленный стенд для измерения сопротивлений резанию закрепляется срезающее устройство, устанавливаются необходимые угол установки и угол резания срезающего устройства. Образец закрепляется на столе второго стенда, обеспечивающего перемещение образца в направлении срезающего устройства. С помощью поднятия стола стенда выставляется необходимая толщина срезаемой стружки. С помощью перемещения стола стенда вправо, влево выбирается схема резания (блокированная, полублокированная). На стенде, осуществляющем перемещение образца, задается необходимая скорость перемещения (резания) образца. Запускается программа «LGraph2» в режиме регистрации данных. В процессе резания образца регистрируются горизонтальная, вертикальная и боковая составляющие сопротивления образца резанию в виде осциллограмм с показаниями от каждой тензометрической балки стационарного стенда. По окончанию процесса резания стенд, осуществляющий перемещение образца, отключается, зарегистрированные данные сохраняются на ПК. На следующем этапе измерений сопротивления резанию снова задаются необходимые угол установки срезающего устройства, угол резания, толщина срезаемой стружки и скорость перемещения, процесс резания повторяется. Обработка данных проводится при помощи программного обеспечения PowerGraph и Matlab. Компьютерные осциллограммы обрабатываются по пиковым и средним значениям в момент скола материала образца. На основании полученных данных строят указанные графические зависимости, по которым определяют влияние параметров на значения составляющих сопротивления резанию. При этом повышается точность определения оптимальных углов установки срезающего устройства и углов резания, скорости (резания) перемещения срезающего устройства, толщины срезаемого слоя с учетом прочности образца, плотности образца и температуры окружающего воздуха, обеспечивающих повышение эффективности и снижение энергоемкости процесса резания (Патент РФ №2755591 С1, дата приоритета 11.01.2021, дата публикации 17.09.2021, авторы: Лысянников А.А. и др., RU, прототип).

Общим недостатком аналога и прототипа является низкая эффективность, обусловленная, во-первых, ограничением возможностей способа из-за использования в нем срезающего устройства в виде плуга или отвала, во-вторых, недостаточной информативностью, в связи с получением только оценки зависимости усилия резания от плотности (снег), прочности, радиуса закругления режущей кромки срезающего устройства, углов резания, углов установки, глубины резания, скорости резания и температуры окружающего воздуха.

Технической проблемой является повышение информативности способа определения составляющих сопротивления резанию снежно-ледяных образований и мерзлых грунтов при использовании дискового срезающего устройства, и определение оптимальных параметров: пространственного положения (горизонтальное, вертикальное) диска срезающего устройства по отношению к поверхности образца, угла заострения дискового срезающего устройства α, глубины внедрения диска в разрабатываемый массив h, диаметра срезающего устройства d, радиуса закругления режущей кромки срезающего устройства r, заднего угла диска срезающего устройства γ, толщины диска срезающего устройства b, формы поверхности диска срезающего устройства, формы режущей кромки диска срезающего устройства, шага резания t, скорости перемещения (резания) образца V, прочности образца Т, плотности образца, температуры окружающего воздуха t_{окр. возд.}, влажности воздуха ϕ, гранулометрического состава образца.

Для решения технической проблемы и достижения технического результата предложен способ определения сопротивления резанию снежно-ледяных образований и мерзлых грунтов, включающий подготовку образцов из естественной среды или имитирующих ее, при этом образцы выдерживают в морозильной камере до начала измерений для стабилизации их температуры. Проведение измерений горизонтальной, вертикальной и боковой составляющих сопротивления резанию осуществляют в морозильной камере с возможностью сохранения постоянной температуры и обеспечения широкого диапазона температур для приближения к возможным естественным условиям, в соответствии с планом факторного исследования, с использованием двух стендов, один из которых находится в статическом положении, при этом снабжен срезающим устройством и тензозвеном с тензодатчиками, фиксирующими составляющие сопротивления резанию образцов с выровненной поверхностью. Второй стенд обеспечивает перемещение жестко закрепленного на нем образца навстречу срезающему устройству для их взаимодействия и осуществления процесса срезания. Регистрацию и обработку составляющих сопротивления резанию проводят с помощью программного обеспечения, а по построенным на основании полученных данных графическим зависимостям определяют оптимальные параметры процесса резания, причем процесс срезания проводят по блокированной и/или полублокированной схемам резания, кроме того, определяют температуру окружающего воздуха и образца при каждом испытании, а также прочность и плотность образца, проводят фото и видео фиксацию для изучения природы процесса на основе анализа видео и фотографий продуктов разрушения. Новым является то, что в качестве срезающего устройства используют дисковое срезающее устройство, содержащее, по меньшей мере, один диск, а измерения горизонтальной, вертикальной и боковой составляющих сопротивления резанию образцов проводят при изменении скорости резания, шага резания, заднего угла диска срезающего устройства и геометрических параметров диска.

Согласно изобретению, способ осуществляют при вертикальном и горизонтальном расположении диска срезающего устройства по отношению к поверхности образца.

Согласно изобретению, способ осуществляют с образцами разного гранулометрического состава.

Согласно изобретению, способ осуществляют при разной влажности воздуха.

Согласно изобретению, в способе используют диски срезающего устройства с различными геометрическими параметрами, такими как: угол заострения; форма поверхности, форма режущей кромки, радиус закругления режущей кромки, диаметр, толщина срезающего устройства.

Согласно изобретению, на основании полученных компьютерных данных для блокированной и/или полублокированной схем резания, при горизонтальном и/или вертикальном расположении диска срезающего устройства к поверхности образца строят двумерные и/или трехмерные графические зависимости горизонтальной F_Г, боковой F_Б и вертикальной F_В составляющих сопротивления резанию от угла заострения диска срезающего устройства α и глубины внедрения диска в разрабатываемый массив h, при этом диаметр диска срезающего устройства d=const, радиус закругления режущей кромки диска срезающего устройства r=const, задний угол диска срезающего устройства γ=const, толщина диска срезающего устройства b=const, форма поверхности диска срезающего устройства const, форма режущей кромки диска const, шаг резания t=const, скорость резания образца V=const, прочность образца Т=const, плотность образца ρ=const, температура окружающего воздуха t_{окр. возд.}=const, влажность воздуха ϕ=const, гранулометрический состав const, а по графическим зависимостям определяют влияние угла заострения диска срезающего устройства на значения составляющих сопротивления резанию.

Согласно изобретению дополнительно проводят измерения составляющих сопротивления резанию в зависимости от изменения диаметра диска срезающего устройства d, или толщины диска срезающего устройства b или формы поверхности диска срезающего устройства, или радиуса закругления режущей кромки диска r, или заднего угла диска срезающего устройства γ, или формы режущей кромки диска, или шага резания t, скорости перемещения (резания) образца V, прочности образца Т, плотности образца ρ, (для снега), или температуры окружающего воздуха t_{окр. возд.}, или влажности воздуха ϕ, или гранулометрического состава образца.

Согласно изобретению на основании полученных компьютерных данных для блокированной и/или полублокированной схем резания, при горизонтальном и/или вертикальном расположении диска срезающего устройства к поверхности образца строят двумерные и/или трехмерные графические зависимости горизонтальной F_Г, боковой F_Б и вертикальной F_В составляющих сопротивления резанию от диаметра диска срезающего устройства d, радиуса закругления режущей кромки диска r, заднего угла диска срезающего устройства γ, толщины диска срезающего устройства b, формы поверхности диска срезающего устройства, формы режущей кромки диска, шага резания t, скорости перемещения (резания) образца V, прочности образца Т, плотности образца ρ, (для снега), температуры окружающего воздуха t_{окр. возд.}, влажности воздуха ϕ, гранулометрического состава, а по графическим зависимостям определяют влияние каждого из указанных параметров на значения составляющих сопротивления резанию.

При определении влияния угла заострения диска срезающего устройства α, диаметр диска срезающего устройства d=const, глубина внедрения диска в разрабатываемый массив h=const, радиус закругления режущей кромки диска срезающего устройства r=const, задний угол диска срезающего устройства γ=const, толщина диска срезающего устройства b=const, форма поверхности диска срезающего устройства const, форма режущей кромки диска срезающего устройства = const, шаг резания t=const, скорость перемещения (резания) образца V=const, прочность образца Т=const, плотность образца ρ=const, температура окружающего воздуха t_{окр. возд.}=const, влажность воздуха ϕ=const, гранулометрический состав образца const.

При определении влияния глубины внедрения диска в разрабатываемый массив h, угол заострения диска срезающего устройства α=const, диаметр диска срезающего устройства d=const, радиус закругления режущей кромки диска срезающего устройства r=const, задний угол диска срезающего устройства γ=const, толщина диска срезающего устройства b=const, форма поверхности диска срезающего устройства const, форма режущей кромки диска срезающего устройства const, шаг резания t=const, скорость перемещения (резания) образца V=const, прочность образца Т=const, плотность образца ρ=const, температура окружающего воздуха t_{окр. возд.}=const, влажность воздуха ϕ=const, гранулометрический состав const.

При определении влияния диаметра диска срезающего устройства d, угол заострения диска срезающего устройства α=const, глубина внедрения диска в разрабатываемый массив h=const, радиус закругления режущей кромки диска срезающего устройства r=const, задний угол диска срезающего устройства γ=const, толщина диска срезающего устройства b=const, форма поверхности диска срезающего устройства const, форма режущей кромки диска срезающего устройства const, шаг резания t=const, скорость перемещения (резания) образца V=const, прочность образца Т=const, плотность образца ρ=const (для снега), температура окружающего воздуха t_{окр. возд.}=const, влажность воздуха ϕ=const, гранулометрический состав образца const.

При определении влияния радиуса закругления режущей кромки диска срезающего устройства r, угол заострения диска срезающего устройства α=const, глубина внедрения диска в разрабатываемый массив h=const, диаметр диска срезающего устройства d=const, задний угол диска срезающего устройства γ=const, толщина диска срезающего устройства b=const, форма поверхности диска срезающего устройства const, форма режущей кромки диска срезающего устройства const, шаг резания t=const, скорость перемещения (резания) образца V=const, прочность образца Т=const, плотность образца ρ=const (для снега), температура окружающего воздуха t_{окр. возд.}=const, влажность воздуха ϕ=const, гранулометрический состав образца const.

При определении влияния заднего угла диска срезающего устройства γ, угол заострения диска срезающего устройства α=const, глубина внедрения диска в разрабатываемый массив h=const, диаметр диска срезающего устройства d=const, радиус закругления режущей кромки диска срезающего устройства r=const, толщина диска срезающего устройства b=const, форма поверхности диска срезающего устройства const, форма режущей кромки диска срезающего устройства const, шаг резания t=const, скорость перемещения (резания) образца V=const, прочность образца Т=const, плотность образца ρ=const (для снега), температура окружающего воздуха t_{окр. возд.}=const, влажность воздуха ϕ=const, гранулометрический состав образца const.

При определении влияния толщины диска срезающего устройства b, угол заострения диска срезающего устройства α=const, глубина внедрения диска в разрабатываемый массив h=const, диаметр диска срезающего устройства d=const, радиус закругления режущей кромки диска срезающего устройства r=const, задний угол срезающего устройства γ=const, форма поверхности диска срезающего устройства const, форма режущей кромки диска срезающего устройства = const, шаг резания t=const, скорость перемещения (резания) образца V=const, прочность образца Т=const, плотность образца ρ=const, температура окружающего воздуха t_{окр. возд.}=const, влажность воздуха ϕ=const, гранулометрический состав образца const.

При определении влияния формы поверхности диска срезающего устройства, угол заострения диска срезающего устройства α=const, глубина внедрения диска в разрабатываемый массив h=const, диаметр диска срезающего устройства d=const, радиус закругления режущей кромки диска срезающего устройства r=const, задний угол диска срезающего устройства γ=const, толщина диска срезающего устройства b=const, форма режущей кромки диска срезающего устройства const, шаг резания t=const, скорость перемещения (резания) образца V=const, прочность образца Т=const, плотность образца ρ=const, температура окружающего воздуха t_{окр. возд.}=const, влажность воздуха ϕ=const, гранулометрический состав образца const.

При определении влияния формы режущей кромки диска срезающего устройства, угол заострения диска срезающего устройства α=const, глубина внедрения диска в разрабатываемый массив h=const, диаметр диска срезающего устройства d=const, радиус закругления режущей кромки диска срезающего устройства r=const, задний угол диска срезающего устройства γ=const, толщина диска срезающего устройства b=const, форма поверхности диска срезающего устройства const, шаг резания t=const, скорость перемещения (резания) образца V=const, прочность образца Т=const, плотность образца ρ=const (для снега), температура окружающего воздуха t_{окр. возд.}=const, влажность воздуха ϕ=const, гранулометрический состав const.

При определении влияния шага резания t, угол заострения диска срезающего устройства α=const, глубина внедрения диска в разрабатываемый массив h=const, диаметр диска срезающего устройства d=const, радиус закругления режущей кромки диска срезающего устройства r=const, задний угол диска срезающего устройства γ=const, толщина диска срезающего устройства b=const, форма поверхности диска срезающего устройства const, форма режущей кромки диска срезающего устройства const, скорость перемещения (резания) образца V=const, прочность образца Т=const, плотность образца ρ=const (для снега), температура окружающего воздуха t_{окр. возд.}=const, влажность воздуха ϕ=const, гранулометрический состав образца const.

При определении влияния скорости перемещения (резания) образца V, угол заострения диска срезающего устройства α=const, глубина внедрения диска в разрабатываемый массив h=const, диаметр диска срезающего устройства d=const, радиус закругления режущей кромки диска срезающего устройства r=const, задний угол диска срезающего устройства γ=const, толщина диска срезающего устройства b=const, форма поверхности диска срезающего устройства const, форма режущей кромки диска срезающего устройства const, шаг резания t=const, прочность образца Т=const, плотность образца ρ=const (для снега), температура окружающего воздуха t_{окр. возд.}=const, влажность воздуха ϕ=const, гранулометрический состав образца const.

При определении влияния прочности образца Т, угол заострения диска срезающего устройства α=const, глубина внедрения диска в разрабатываемый массив h=const, диаметр диска срезающего устройства d=const, радиус закругления режущей кромки диска срезающего устройства r=const, задний угол диска срезающего устройства γ=const, толщина диска срезающего устройства b=const, форма поверхности диска срезающего устройства const, форма режущей кромки диска срезающего устройства const, шаг резания t=const, скорость перемещения (резания) образца V=const, плотность образца ρ=const (для снега), температура окружающего воздуха t_{окр. возд.}=const, влажность воздуха ρ=const, гранулометрический состав образца const.

При определении влияния температуры окружающего воздуха t_{окр. возд.}, угол заострения диска срезающего устройства α=const, глубина внедрения диска в разрабатываемый массив h=const, диаметр диска срезающего устройства d=const, радиус закругления режущей кромки диска срезающего устройства r=const, задний угол срезающего устройства γ=const, толщина диска срезающего устройства b=const, форма поверхности диска срезающего устройства const, форма режущей кромки диска срезающего устройства const, шаг резания t=const, скорость перемещения (резания) образца V=const, прочность образца Т=const, плотность образца ρ=const (для снега), влажность воздуха ϕ=const, гранулометрический состав образца const.

При определении влияния влажности воздуха ϕ, угол заострения диска срезающего устройства α=const, глубина внедрения диска в разрабатываемый массив h=const, диаметр диска срезающего устройства d=const, радиус закругления режущей кромки диска срезающего устройства r=const, задний угол диска срезающего устройства γ=const, толщина диска срезающего устройства b=const, форма поверхности диска срезающего устройства const, форма режущей кромки диска срезающего устройства const, шаг резания t=const, скорость перемещения (резания) образца V=const, прочность образца Т=const, плотность образца ρ=const (для снега), температура окружающего воздуха t_{окр. возд.}=const, гранулометрический состав образца const.

При определении влияния гранулометрического состава образца, угол заострения диска срезающего устройства α=const, глубина внедрения диска в разрабатываемый массив h=const, диаметр диска срезающего устройства d=const, радиус закругления режущей кромки диска срезающего устройства r=const, задний угол диска срезающего устройства γ=const, толщина диска срезающего устройства b=const, форма поверхности диска срезающего устройства const, форма режущей кромки диска срезающего устройства = const, шаг резания t=const, скорость перемещения (резания) образца V=const, прочность образца Т=const, плотность образца ρ=const (для снега), температура окружающего воздуха t_{окр. возд.}=const, влажность воздуха ϕ=const.

Для пояснения способа представлены двухмерные графические зависимости составляющих сопротивление резания (горизонтальная F_Г, боковая F_Б, вертикальная F_В) от угла заострения диска срезающего устройства α, а также зависимости составляющих сопротивление резания от шага резания, от глубины внедрения диска срезающего устройства, где:

фиг. 1 - зависимость горизонтальной составляющей усилия резания F_Г от угла заострения диска срезающего устройства α, при горизонтальном расположении диска срезающего устройства к поверхности образца льда, полублокированная схема резания, диаметр диска срезающего устройства d=200 мм., глубина внедрения диска срезающего устройства в разрабатываемый массив h=20 мм., радиус закругления режущей кромки диска срезающего устройства r=0°, задний угол срезающего устройства γ=5°, толщина диска срезающего устройства b=20 мм., форма поверхности диска срезающего устройства - усеченный конус, прямой спуск, форма режущей кромки - гладкая, шаг резания t=10, 20, 30 мм., скорость перемещения (резания) образца V=630 мм/мин, прочность образца льда Т=3,25 МПа, плотность образца ρ=0,91 г/см³, температура окружающего воздуха t_{окр. возд.}=-10°, влажность воздуха ϕ=80%,, гранулометрический составе - однородный (без инородных включений).

фиг. 2 - зависимость горизонтальной составляющей усилия резания F_Г от шага резания t, при горизонтальном расположении диска срезающего устройства к поверхности образца льда, полублокированная схема резания, угол заострения диска срезающего устройства α=15, 30, 45, 60°, диаметр диска срезающего устройства d=200 мм., глубина внедрения диска срезающего устройства в разрабатываемый массив h=20 мм., радиус закругления режущей кромки диска срезающего устройства r=0°, задний угол срезающего устройства γ=5°, толщина диска срезающего устройства b=20 мм., форма поверхности диска срезающего устройства - усеченный конус, прямой спуск, форма режущей кромки - гладкая, скорость перемещения (резания) образца V=630 мм/мин, прочность образца льда Т=3,25 МПа, плотность образца ρ=0,91 г/см³, температура окружающего воздуха t_{окр. возд.}=-10°, влажность воздуха ϕ=80%, гранулометрический составе - однородный (без инородных включений).

фиг. 3 - зависимость горизонтальной составляющей усилия резания F_Г от глубины внедрения диска, при горизонтальном расположении диска срезающего устройства к поверхности образца льда, полублокированная схема резания, угол заострения диска срезающего устройства α=15, 30, 45, 60°, диаметр диска срезающего устройства d=200 мм., радиус закругления режущей кромки диска срезающего устройства r=0°, задний угол срезающего устройства γ=5°, толщина диска срезающего устройства b=20 мм., форма поверхности диска срезающего устройства - усеченный конус, прямой спуск, форма режущей кромки - гладкая, скорость перемещения (резания) образца V=630 мм/мин, прочность образца льда Т=3,25 МПа, плотность образца ρ=0,91 г/см³, температура окружающего воздуха t_{окр. возд.}=-10°, влажность воздуха ϕ=80%, гранулометрический составе - однородный (без инородных включений).

фиг. 4 - зависимость боковой составляющей усилия резания F_Б от угла заострения диска срезающего устройства α, при горизонтальном расположении диска срезающего устройства к поверхности образца льда, полублокированная схема резания, диаметр диска срезающего устройства d=200 мм., глубина внедрения диска срезающего устройства в разрабатываемый массив h=20 мм., радиус закругления режущей кромки диска срезающего устройства r=0°, задний угол срезающего устройства γ=5°, толщина диска срезающего устройства b=20 мм., форма поверхности диска срезающего устройства - усеченный конус, прямой спуск, форма режущей кромки - гладкая, шаг резания t=10, 20, 30 мм., скорость перемещения (резания) образца V=630 мм/мин, прочность образца льда Т=3,25 МПа, плотность образца ρ=0,91 г/см³, температура окружающего воздуха t_{окр. возд.}=-10°, влажность воздуха ϕ=80%, гранулометрический составе - однородный (без инородных включений).

фиг. 5 - зависимость боковой составляющей усилия резания F_Б от шага резания t, при горизонтальном расположении диска срезающего устройства к поверхности образца льда, полублокированная схема резания, угол заострения диска срезающего устройства α=15, 30, 45, 60°, диаметр диска срезающего устройства d=200 мм., глубина внедрения диска срезающего устройства в разрабатываемый массив h=20 мм., радиус закругления режущей кромки диска срезающего устройства r=0°, задний угол срезающего устройства γ=5°, толщина диска срезающего устройства b=20 мм., форма поверхности диска срезающего устройства - усеченный конус, прямой спуск, форма режущей кромки - гладкая, скорость перемещения (резания) образца V=630 мм/мин, прочность образца льда Т=3,25 МПа, плотность образца ρ=0,91 г/см³, температура окружающего воздуха t_{окр. возд.}=-10°, влажность воздуха ϕ=80%, гранулометрический составе - однородный (без инородных включений).

фиг. 6 - зависимость боковой составляющей усилия резания F_Б от глубины внедрения диска, при горизонтальном расположении диска срезающего устройства к поверхности образца льда, полублокированная схема резания, угол заострения диска срезающего устройства α=15, 30, 45, 60°, диаметр диска срезающего устройства d=200 мм., радиус закругления режущей кромки диска срезающего устройства r=0°, задний угол срезающего устройства γ=5°, толщина диска срезающего устройства b=20 мм., форма поверхности диска срезающего устройства - усеченный конус, прямой спуск, форма режущей кромки - гладкая, скорость перемещения (резания) образца V=630 мм/мин, прочность образца льда Т=3,25 МПа, плотность образца ρ=0,91 г/см³, температура окружающего воздуха t_{окр возд.}=-10°, влажность воздуха ϕ=80%, гранулометрический составе - однородный (без инородных включений).

фиг. 7 - зависимость вертикальной составляющей усилия резания F_Б от угла заострения диска срезающего устройства αерхности образца льда, полублокированная схема резания, диаметр диска срезающего устройства d=200 мм., глубина внедрения диска срезающего устройства в разрабатываемый массив h=20 мм., радиус закругления режущей кромки диска срезающего устройства r=0°, задний угол срезающего устройства γ=5°, толщина диска срезающего устройства b=20 мм., форма поверхности диска срезающего устройства - усеченный конус, прямой спуск, форма режущей кромки - гладкая, шаг резания t=10, 20, 30 мм., скорость перемещения (резания) образца V=630 мм/мин, прочность образца льда Т=3,25 МПа, плотность образца ρ=0,91 г/см³, температура окружающего воздуха t_{окр. возд.}=-10°, влажность воздуха ϕ=80%, гранулометрический составе - однородный (без инородных включений).

фиг. 8 - зависимость вертикальной составляющей усилия резания F_В от шага резания t, при горизонтальном расположении диска срезающего устройства к поверхности образца льда, полублокированная схема резания, угол заострения диска срезающего устройства α=15, 30, 45, 60°, диаметр диска срезающего устройства d=200 мм., глубина внедрения диска срезающего устройства в разрабатываемый массив h=20 мм., радиус закругления режущей кромки диска срезающего устройства r=0°, задний угол срезающего устройства γ=5°, толщина диска срезающего устройства b=20 мм., форма поверхности диска срезающего устройства - усеченный конус, прямой спуск, форма режущей кромки - гладкая, скорость перемещения (резания) образца V=630 мм/мин, прочность образца льда Т=3,25 МПа, плотность образца ρ=0,91 г/см³, температура окружающего воздуха t_{окр. возд.}=-10°, влажность воздуха ϕ=80%, гранулометрический составе - однородный (без инородных включений).

фиг. 9 - зависимость вертикальной составляющей усилия резания F_В от глубины внедрения диска, при горизонтальном расположении диска срезающего устройства к поверхности образца льда, полублокированная схема резания, угол заострения диска срезающего устройства α=15, 30, 45, 60°, диаметр диска срезающего устройства d=200 мм., радиус закругления режущей кромки диска срезающего устройства r=0°, задний угол срезающего устройства γ=5°, толщина диска срезающего устройства b=20 мм., форма поверхности диска срезающего устройства - усеченный конус, прямой спуск, форма режущей кромки - гладкая, скорость перемещения (резания) образца V=630 мм/мин, прочность образца льда Т=3,25 МПа, плотность образца ρ=0,91 г/см², температура окружающего воздуха t_{окр. возд.}=10°, влажность воздуха ϕ=80%, гранулометрический составе - однородный (без инородных включений).

Способ определения сопротивления резанию снежно-ледяных образований и мерзлых грунтов осуществляется следующим образом.

Предварительно осуществляется вырезание образцов из естественной среды, в качестве которых могут быть: снежные и ледяные образования, находящиеся на дорожном покрытии, природный лед из водоема, мерзлый грунт, а при определении влияния гранулометрического состава образца происходит его приготовление путем смешивания снега с различными включениями (мерзлый грунт, камень, песок).

Также предварительно может быть подготовлен образец снежно-ледяных образований определенного гранулометрического состава, за счет добавления гравия, грунта и т.д.

Образец помещается в морозильную камеру, в которой установлено стендовое оборудование.

В морозильной камере выставляется требуемая для исследования температура.

Подготовленные образцы выдерживаются в морозильной камере в течении 48 ч, с целью стабилизации температуры образца.

Перед проведением эксперимента определяется плотность, твердость с использованием твердомера и температура образца.

Перед проведением эксперимента определяется влажность окружающего воздуха

Перед проведением эксперимента определяется температура в морозильной камере, которая принимается за температуру окружающего воздуха.

При исследовании влияния положения диска срезающего устройства (горизонтально, вертикально) по отношению к поверхности образца, поочередно изменяется положение диска, и эксперимент проводится сериями.

При исследовании влияния схемы резания (блокированная, полублокированная) образца диском срезающего устройства, поочередно изменяется положение диска по отношению к образцу

При исследовании влияния угла заострения диска срезающего устройства α, на стенд поочередно устанавливаются диски с разными углами заострения.

При исследовании влияния диаметра диска срезающего устройства поочередно устанавливаются диски срезающего устройства разного диаметра.

При исследовании влияния глубины внедрения диска в разрабатываемый массив h поочередно устанавливается различная глубина внедрения диска в разрабатываемый массив.

При исследовании влияния радиуса r закругления режущей кромки диска срезающего устройства, поочередно устанавливаются диски срезающего устройства с разным радиусом закругления режущей кромки.

При исследовании влияния заднего угла диска срезающего устройства γ, поочередно диск срезающего устройства устанавливается с разным задним углом.

При исследовании влияния толщины диска срезающего устройства b, поочередно устанавливаются диски срезающего устройства разной толщины.

При исследовании влияния формы поверхности диска срезающего устройства, поочередно устанавливаются диски с различной формой поверхности диска срезающего устройства.

При исследовании влияния формы режущей кромки диска срезающего устройства, поочередно устанавливаются диски с различной формой режущей кромки диска срезающего устройства.

При исследовании влияния шага резания t, поочередно происходит резание с различными значениями шага резания t.

При исследовании влияния скорости перемещения (резания) образца V, поочередно задаются различные скорости перемещения (резания) образца V.

При исследовании влияния прочности образца Т, поочередно для эксперимента используются образцы различной прочности Т.

При исследовании влияния плотности образца ρ, поочередно для эксперимента используются образцы различной плотности ρ.

При исследовании влияния температуры окружающего воздуха t_{окр. возд.}, поочередно при эксперименте задаются различные значения температуры окружающего воздуха.

При исследовании влияния влажности воздуха ϕ, поочередно при эксперименте задаются различные значения влажности воздуха ϕ.

При исследовании влияния гранулометрического состава образца, поочередно при эксперименте используются образцы разного гранулометрического состава.

На стационарно установленный стенд для измерения сопротивлений резанию закрепляется диск срезающего устройства.

Устанавливается необходимый задний угол диска срезающего устройства.

Образец закрепляется на столе второго стенда, обеспечивающего перемещение образца в направлении диска срезающего устройства.

С помощью поднятия стола стенда выставляется необходимый шаг резания и глубина внедрения диска в образец.

С помощью перемещения стола стенда вправо, влево выбирается схема резания (блокированная, полублокированная).

На стенде, осуществляющем перемещение образца, задается необходимая скорость перемещения (резания) образца.

Запускается программа «LGraph2» в режиме регистрации данных.

В процессе резания образца регистрируются горизонтальная, вертикальная и боковая составляющие сопротивления образца резанию в виде осциллограмм с показаниями от каждой тензометрической балки стационарного измерительного стенда.

По окончании процесса резания стенд, осуществляющий перемещение образца, отключается, зарегистрированные данные сохраняются на ПК.

На следующем этапе измерений сопротивления резанию снова определяется плотность, прочность, температура образца, влажность и температура окружающего воздуха, выбирается диск срезающего устройства с необходимым диаметром, с углом заострения, толщиной, радиусом закругления режущей кромки, формой поверхности и режущей кромки, задаются задний угол установки срезающего устройства, глубина внедрения диска в образец, шаг резания, скорость перемещения, процесс резания повторяется.

Обработка данных проводится при помощи программного обеспечения PowerGraph и Matlab. Компьютерные осциллограммы обрабатываются по пиковым и средним значениям в момент скола материала образца.

На основании полученных данных строят указанные графические зависимости, по которым определяют влияние параметров на значения составляющих сопротивления резанию.

При этом повышается точность определения оптимальных геометрических параметров диска срезающего устройства (диаметр d, радиус закругления режущей кромки диска срезающего устройства r, толщина диска срезающего устройства b, форма поверхности диска срезающего устройства, форма режущей кромки диска), угла заострения диска срезающего устройства α, глубины внедрения диска h, заднего угла диска срезающего устройства γ, шага резания t (полублокированная схема), скорости перемещения (резания) образца V, прочности образца Т, плотности образца ρ, температуры окружающего воздуха t_{окр. возд.}, влажности воздуха ϕ, гранулометрического состава, обеспечивающих повышение эффективности и снижение энергоемкости процесса резания.

Техническим результатом изобретения является повышение информативности способа определения сопротивления резанию снежно-ледяных образований и мерзлых грунтов за счет большего объема данных и определение оптимальных геометрических параметров диска срезающего устройства, параметров установки и параметров процесса резания, обеспечивающих минимальные значения составляющих сопротивления резанию.

Полученные данные могут быть использованы в автоматических системах управления рабочими органами строительно-дорожных машин.

Изобретение относится к технологии измерений, в частности к определению сопротивления резанию снежно-ледяных образований и мерзлых грунтов срезающим устройством, таким как дисковый резец, и может быть использовано для определения оптимальных параметров установки срезающего устройства и технологического процесса резания. Способ включает подготовку образцов из естественной среды, которые выдерживают в морозильной камере до начала измерений для стабилизации их температуры. Проведение измерений горизонтальной, вертикальной и боковой составляющих сопротивления резанию осуществляют в морозильной камере с возможностью сохранения постоянной температуры и обеспечения широкого диапазона температур для приближения к возможным естественным условиям, в соответствии с планом факторного исследования, с использованием двух стендов. Один из них измерительный находится в статическом положении, снабжен срезающим устройством и тензодатчиками, фиксирующими составляющие сопротивления резанию образцов с выровненной поверхностью, а второй стенд обеспечивает перемещение жестко закрепленного на нем образца навстречу срезающему устройству для их взаимодействия и осуществления процесса срезания. Регистрацию и обработку составляющих сопротивления резанию проводят с помощью программного обеспечения, а по построенным на основании полученных данных графическим зависимостям определяют оптимальные параметры процесса резания. В качестве срезающего устройства используют дисковое срезающее устройство, содержащее, по меньшей мере, один диск, измерения горизонтальной, вертикальной и боковой составляющих сопротивления резанию образцов проводят при изменении скорости резания, шага резания, заднего угла диска срезающего устройства и геометрических параметров диска. Технический результат заключается в повышение информативности способа определения сопротивления резанию снежно-ледяных образований и мерзлых грунтов за счет большего объема данных и определение оптимальных геометрических параметров диска срезающего устройства, параметров установки и параметров процесса резания, обеспечивающих минимальные значения составляющих сопротивления резанию. 7 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Способ определения сопротивления резанию снежно-ледяных образований и мерзлых грунтов, включающий подготовку образцов из естественной среды или имитирующих ее, при этом образцы выдерживают в морозильной камере до начала измерений для стабилизации их температуры, проведение измерений горизонтальной, вертикальной и боковой составляющих сопротивления резанию осуществляют в морозильной камере с возможностью сохранения постоянной температуры и обеспечения широкого диапазона температур для приближения к возможным естественным условиям, в соответствии с планом факторного исследования, с использованием двух стендов, один из которых находится в статическом положении, при этом снабжен срезающим устройством и тензозвеном с тензодатчиками, фиксирующими составляющие сопротивления резанию образцов с выровненной поверхностью, а второй стенд обеспечивает перемещение жестко закрепленного на нем образца навстречу срезающему устройству для их взаимодействия и осуществления процесса срезания, регистрацию и обработку составляющих сопротивления резанию проводят с помощью программного обеспечения, а по построенным на основании полученных данных графическим зависимостям определяют оптимальные параметры процесса резания, причем процесс срезания проводят по блокированной и/или полублокированной схемам резания, кроме того, определяют температуру окружающего воздуха и образца при каждом испытании, а также прочность и плотность образца, проводят фото и видео фиксацию для изучения природы процесса на основе анализа видео и фотографий продуктов разрушения, отличающийся тем, что в качестве срезающего устройства используют дисковое срезающее устройство, содержащее, по меньшей мере, один диск, а измерения горизонтальной, вертикальной и боковой составляющих сопротивления резанию образцов проводят при изменении скорости резания, шага резания, заднего угла диска срезающего устройства и геометрических параметров диска.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что способ осуществляют при вертикальном и/или горизонтальном расположении диска срезающего устройства по отношению к поверхности образца.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что способ осуществляют с образцами разного гранулометрического состава.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что способ осуществляют при разной влажности воздуха.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в способе используют диски срезающего устройства с различными геометрическими параметрами, такими как: угол заострения; форма поверхности, форма режущей кромки, радиус закругления режущей кромки, диаметр, толщина срезающего устройства.

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что на основании полученных компьютерных данных для блокированной и/или полублокированной схем резания, при горизонтальном и/или вертикальном расположении диска срезающего устройства к поверхности образца строят двумерные и/или трехмерные графические зависимости горизонтальной F_Г, боковой F_Б и вертикальной F_В составляющих сопротивления резанию от угла заострения диска срезающего устройства α и глубины внедрения диска в разрабатываемый массив h, при этом диаметр диска срезающего устройства d=const, радиус закругления режущей кромки диска срезающего устройства r=const, задний угол диска срезающего устройства γ=const, толщина диска срезающего устройства b=const, форма поверхности диска срезающего устройства const, форма режущей кромки диска const, шаг резания t=const, скорость резания образца V=const, прочность образца Т=const, плотность образца ρ=const, температура окружающего воздуха t_{окр. возд.}=const, влажность воздуха ϕ=const, гранулометрический состав const, а по графическим зависимостям определяют влияние угла заострения диска срезающего устройства на значения составляющих сопротивления резанию.

7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что дополнительно проводят измерения составляющих сопротивления резанию в зависимости от изменения диаметра диска срезающего устройства d, или толщины дискового срезающего устройства b, или формы поверхности диска срезающего устройства, или радиуса закругления режущей кромки r, или заднего угла диска срезающего устройства γ, или формы режущей кромки диска, или шага резания t, скорости резания образца V, прочности образца Т, плотности образца ρ, или температуры окружающего воздуха t_{окр. возд.}, или влажности воздуха ϕ, или гранулометрического состава.

8. Способ по п. 7, отличающийся тем, что на основании полученных компьютерных данных для блокированной и/или полублокированной схем резания, при горизонтальном и/или вертикальном расположении дискового срезающего устройства к поверхности образца строят двумерные и/или трехмерные графические зависимости горизонтальной F_Г, боковой F_Б и вертикальной F_В составляющих сопротивления резанию от диаметра диска срезающего устройства d, радиуса закругления режущей кромки r, заднего угла срезающего устройства γ, толщины дискового срезающего устройства b, формы поверхности диска срезающего устройства, формы режущей кромки, шага резания t, скорости резания образца V, прочности образца Т, плотности образца ρ, температуры окружающего воздуха t_{окр. возд.}, влажности воздуха ϕ, гранулометрического состава, а по графическим зависимостям определяют влияние каждого из указанных параметров на значения составляющих сопротивления резанию.