Определение рациональных параметров эксцентричной дорожной фрезы

Приказом Российского дорожного агентства № 231 от 23 мая 2000 г. утверждена «Комплексная целевая программа развития и совершенствования дорожного машиностроения на 2000;2005 гг.», разработанная ГП СоюздорНИИ с участием ГП РосдорНИИ и МАДИ (ТУ). Реализация этой программы призвана повлиять на развитие отечественного рынка дорожной техники и дать основание для разработки новых дорожных технологий и машин. Ее реализация рассчитана не только на период до 2005 г., но и на более длительную перспективу, поскольку в ней подробно проанализированы тенденции развития дорожных технологий и машин, применяемых в развитых странах мира [90, 98].

Одной из важнейших задач дорожной отрасли является обеспечение безопасности и комфорта движения, для чего необходимо обеспечить содержание сети автомобильных дорог, а также улиц городов в нормативном эксплуатационном состоянии. В связи с этим особое значение приобретает развитие технологий и машин для ремонта автомобильных дорог.

Широкое распространение за рубежом получила технология комплексного ремонта дорожных покрытий с применением фрезерования старых изношенных участков. Ведущим рабочим органом в такой технологии является дорожная фреза, которая может использоваться как на разогретом дорожном покрытой, так и на холодном.

Российские дорожники начали осваивать эту технологию более 10 лет назад, с помощью нескольких машин, закупленных у немецких фирм Wirtgen и Vielhaben. В настоящее время в Москве и ряде крупных региональных центров России работают машины для холодного фрезерования, однако говорить о широком распространении данной технологии пока не приходится из-за целого ряда причин. Основными из причин, на наш взгляд является отсутствие эффективных отечественных машин данного назначения, очень высокая стоимость зарубежных фрез и крайняя бедность отечественных подразделений, занятых дорожными работами. Поэтому отбойный молоток или перфоратор до сих пор остаются основными механизированными инструментами при проведении как текущих так и капитальных ремонтов на многих российских автомобильных дорогах и особенно на городских улицах. В результате основными составляющими этого технологического процесса становятся большая трудоёмкость и низкое качество работ.

Большое количество малогабаритных, средних и крупных моделей фрез выпускается многими фирмами и странами. Наиболее крупными производителями такой техники являются фирмы Wirtgen, Caterpillar, Roadtec, CMI, Weber, Vilhaben, Bitelli, Stavostroi, Bartco и ряд других. В России и Беларуси тоже производят подобные машины, а именно холодные планировщики самоходного, прицепного и даже навесного типа (московские «Вирбак» и «Мосгормаш», брянский «Арсенал», минский «Амкодор» и др.). Кроме того, их стоимость из-за использования зарубежных комплектующих также остается высокой для большинства отечественных потребителей. Поэтому направление исследований по созданию фрезерного оборудования нового типа, отвечающего требованиям малой мощности, мобильности и универсальности является актуальным.

Научная новизна работы представлена:

— предложенным новым рабочим органом, не имеющим аналогов в дорожно-строительной области;

— установленными закономерностями и математическими моделями, определяющими качественную картину разрушения рабочей среды эксцентричной фрезой и мощности фрезерования предлагаемым рабочим органом в зависимости от его основных геометрических и режимных параметровустановленным диапазоном оптимальных геометрических и режимных параметров эксцентричной фрезы;

— разработанной методикой инженерного расчета эксцентричной фрезы.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Теоретическая модель процесса фрезерования эксцентричной фрезой, определяющая характер изменения сопротивления фрезерованию материала с заданными прочными свойствами;

2. Закономерности и теоретические зависимости по определению основных параметров предлагаемой эксцентричной фрезы;

3. Оптимальные геометрические и кинематические параметры, установленные в ходе исследований;

4. Методика инженерного расчета эксцентричной фрезы.

Работа выполнена на кафедре «Подъемно-транспортные, строительные и дорожные машины» БИТТУ СГТУ под руководством к.т.н. Карошкина А.А.

Автор выражает чувство глубокой благодарности зав. кафедрой ПСМ БИТТУ д.т.н., проф. Кобзеву А. П., к.т.н. Ромакину Н. Е. за возможность эксплуатации базового оборудования института, а также за оказанную помощь.

Выводы по главе.

1. С увеличением глубины фрезерования должно увеличиваться значение эксцентриситета при соблюдении условия фрезерования материала всеми режущими элементами фрезы. В противном случае может возникнуть эффект «холостой» работы части зубьев с малым радиусом фрезерования. Этот эффект полностью исключается при соблюдении условий, рассмотренных во второй главе работы.

2. При малых значениях эксцентриситета и больших поступательных скоростях рост среднего крутящего момента и мощности фрезерования более интенсивен из-за большого угла контакта с материалом при большей абсолютной скорости режущего элемента, что увеличивает работу на фрезерование материала и как следствие мощность на привод рабочего органа.

3. С ростом величины эксцентриситета е фрезы, происходит снижение среднего крутящего момента и мощности до некоторого оптимального значения по причине уменьшения суммарного угла контакта с фрезеруемым материалом из-за большой разницы между максимальным и минимальным радиусами фрезерования. Однако следует учитывать, что при больших значениях эксцентриситета увеличивается площадь не вырезанного массива в поперечном сечении фрезы.

4. Оптимальные значения, пересчитанных на натурный образец, параметров по глубине фрезерования h и эксцентриситету е составляют: е= 100. 150 мм. при глубине фрезерования соответственно.

W = 200.400 мм.

5. При значениях отношения эксцентриситета и радиуса фрезы по режущим кромкам — < 0,033 и при увеличении поступательной скорости.

КБ фрезы происходит рост среднего момента и мощности привода по причине роста абсолютной скорости режущего элемента и некоторого увеличения пути зуба в массиве. Картина фрезерования в целом напоминает обычную фрезу с постоянным радиусом фрезерования при е = 0.

6. При значениях соотношения эксцентриситета и радиуса фрезы по g режущим кромкам — = ОД 66. 0,3 картина меняется и с ростом.

КБ поступательной скорости происходит снижение среднего момента и мощности привода.

7. Рациональными для получения минимальных значений среднего крутящего момента и мощности привода фрезы рекомендуется, в качестве исходных для расчета, принимать следующие значения конструктивных и режимных параметров эксцентричной фрезы:

— эксцентриситет 100 мм < е < 150 мм;

— максимальная глубина фрезерования 200 мм < hmax < 400 мм;

— поступательная скорость фрезы 0.1 м/с < (/<0.18 м/с;

5. Методика определения основных параметров эксцентричной дорожной фрезы.

5.1. Методика определения основных параметров эксцентричной дорожной фрезы применительно для разработки асфальтобетонных и цементобетонных дорожных покрытий.

В качестве исходных данных для расчета эксцентричной дорожной фрезы используется техническое задание на разработку, которое должно содержать следующие основные параметры:

1. Необходимую ширину фрезерования асфальтобетонного покрытия В.

2. Максимальную глубину фрезерования дефектного покрытия hmax. (см. выводы 4 главы).

3. Предполагаемую производительность дорожной фрезы по фрезерованию асфальтобетонного покрытия.

Разработчик должен определиться со значением следующих параметров:

1. Определить максимальную ширину режущей кромки разрушающего элемента бэ, желательно используя серийно выпускаемые зубья различными фирмами в нашей стране и за рубежом применительно для заданного в техническом задании материала.

2. Задаться удельным сопротивлением резания асфальтобетона к с учетом температуры окружающего воздуха при выполнении работ.

Расчет основных параметров эксцентричной дорожной фрезы состоит из следующих основных этапов:

1. На основании заданной производительности по фрезерованию материала, определяется поступательная скорость движения базовой машины по дефектному покрытию по зависимости.

5.1).

Bh. max где П— производительность фрезы;

В — максимальная ширина фрезерованияhmax — максимальная глубина фрезерования.

2. В зависимости от выбранной схемы привода фрезерного рабочего органа или по анализу существующих конструкций дорожных фрез, принимается значение величины расстояния от оси вращения фрезы до дневной поверхности фрезеруемого материала L.

3. Задается частота вращения фрезерного рабочего органа п. Обычно ее величина не превышает 120 об/мин.

4. Определяется радиус расстановки зубьев относительно общего геометрического центра по зависимости.

900- U2 (5*2).

L + + max V.

L + hmax) 2 п2 где L — расстояние от оси вращения фрезы до дневной поверхности фрезеруемого материалатах — максимальная глубина фрезерования;

U — поступательная скорость движения фрезып — частота вращения фрезы. 5. Определяется эксцентриситет фрезерного рабочего органа (см. выводы 4 главы).

225-U2 (5−3) е =.

6. Определяется максимальный радиус фрезерования и принимается равным радиусу фрезы с постоянным радиусом фрезерования по зависимости.

7. Проводится проверка по значению максимальной абсолютной скорости для режущей кромки, расположенной на максимальном радиусе фрезерования R^ у г" = Ja>2-RL+U2±2-aR^-U-cosa, (5−5) где сср=0° - для получения максимального значения абсолютной скорости режущей кромки фрезы. При этом проверяется условие.

V^.

В случае нарушения условия 5.6, рекомендуется перерасчет с п. З по п. 7, в противном случае возможен ускоренный износ резцов фрезы.

8. Определяется оптимальное число зубьев в поперечном сечении фрезы при наличии условия, что фрезерование всегда ведется только одним зубом в данном сечении и при условии, что радиус традиционной фрезы с постоянным радиусом фрезерования равен Rmax.

8.1. Определяется угол контакта с материалом для фрезы с постоянным радиусом фрезерования h (5.8) ак = arccos (l-max.

8.2. Определяется число зубьев в поперечном сечении фрезы с постоянным радиусом фрезерования и принимается то же количество для фрезы с переменным радиусом фрезерования по зависимости v 360° (5−9) —, шт. «к.

8.3. Величина Z округляется до целого числа зубьев поперечном сечении фрезы Z/n> и рассчитывается угол расположения зубьев относительно оси вращения для эксцентричной фрезы по зависимости.

360° (5Л°) ат = Z пр

9. Определяем радиус расположения зубьев относительно оси вращения фрезы по формуле г" I п2 2 о г" х • e-smaPi. Rf =JRs+e — 2 • RB • e • соs (aPi — arcsm-—).

Rs.

5.11) где угол расположения i — того зуба aPi=(i-)-ar (5−12> i — номер зуба, для которого находим.

10. Определяем угол контакта с фрезеруемым материалом для каждого отдельного зуба &Ki с помощью программы по определению угла контакта и зависимостей, рассмотренных во второй главе. зависимости.

2-Rl-R}-R2.+2-RtR. -cosaT (5.13) arccos—-=—эй, 2 R2 где Rj, Rj — соседние радиусы расположения кромок режущих элементов, между которыми определяется угол расположения относительно геометрического центра установки.

12. Выполняется проверка полученных сх3щ, исходя из условия 5.14.

5.14).

2>зя,= 360е i=i.

13. Для построения развертки фрезы, определяется длина дуги между двумя соседними зубьями для окружности радиусом R6: aw (5Л5).

9 6 180°.

14. Выполняется проверка полученных А/ исходя из условия 5.16 г, (5.16).

15. Для информации можно определить длину развертки фрезы с постоянным радиусом фрезерования.

Ljq=2 тг-R (5−17).

БАЗ шах.

Сопоставление выражений 5.16 и 5.17 косвенно говорит о снижении металлоемкости в процентном отношении.

16. Определяется работа по фрезерованию материала каждым отдельным зубом эксцентричной фрезы по зависимости.

Л/Г (5−18).

4 = +? Квэ • (R, -L).Vr аи ¦ cos у со где для упрощения расчетов можно принять cos у «1;

Д- - работа по фрезерованию материала / — той кромкой режущего элемента эксцентричной фрезы;

— абсолютная скорость кромки режущего элемента, определяется по зависимости.

V — tJo)2 • R? +U2 ±2−0) -R, -U-cosaKi <5Л9) ki — угол контакта с материалом для данной / — той кромки режущего элемента эксцентричной фрезы;

L — расстояние от дневной поверхности фрезеруемого материала до оси вращения фрезык — удельное сопротивление резания для данного фрезеруемого материала.

17. Построение развертки новой эксцентричной фрезы по кромкам режущих элементов (в качестве примера показано построение для восьми зубьев в поперечном сечении):

Рис. 5.1. Развертка новой эксцентричной фрезы по кромкам режущих элементов.

Шаг режущих кромок может принимать следующие значения: 1. t=0;

2. t<0 (с учетом перекрытия режущих элементов);

3. t>0 (учитывается величина разрыхления материала).

18. Определение количества винтовых линий для данной цилиндрической фрезы с шириной фрезерования В по зависимости.

2ОБщ (5−2°).

W = ——, шт.

ZПР.

2общ — общее число зубьев на развертке фрезы (см. рис. 5.1) — Znp — принятое число зубьев.

19. Получение суммарной работы по фрезерованию материала с учетом ширины фрезерования по зависимости.

Z™. (5.21) л.

1=1.

20. Определение мощности на привод эксцентричной дорожной фрезы.

N = —— 60.

21. Уточняется величина расстояния от оси вращения фрезы до дневной поверхности материала L по возможности размещения привода фрезерного рабочего органа в соответствии с выбранной конструктивной схемой.

В случае невозможности размещения привода требуется перерасчет с п. 2 по п. 21 с предварительной корректировкой величины L.

22. Определение ориентировочной высоты остающегося гребня после фрезерования материала по рекомендациям второй главы.

Предполагаемые направления дальнейших исследований.

1. В ходе проведения теоретических и экспериментальных исследований было установлено, что эксцентричная фреза имеет неравномерный угол контакта по отдельным зубьям, что скорее всего приведет к неравномерному износу режущих элементов в процессе фрезерования. Возможно проведение изучения данного явления с целью получения равномерного износа зубьев фрезы.

2. Как видно из математической модели фрезы, рассмотренной во второй главе работы, в процессе фрезерования возникает центробежная сила инерции, которая при достаточно большом эксцентриситете и массе самой фрезы (по частоте вращения пока есть ограничения в связи с повышенным износом резцов при больших абсолютных скоростях резания асфальтобетона) может достигать больших значений и возможно ее использование для разрушения материалов с преобладающими хрупкими свойствами.

3. Возможно проведение исследований, направленных на поиск более оптимальных траекторий движения зубьев, что приведет к снижению энергоемкости процесса фрезерования или получению новых эксплуатационных свойств у рабочего органа вращательного действия.

4. Возможно изучение соотношения высоты остающихся гребней после фрезерования к максимальной глубине фрезерования с целью поиска оптимального значения для увеличения сдвигоустойчивости слоев асфальтобетона или другого материала, применяемого в строительстве и ремонте дорог и аэродромов.