Метод контроля силы сопротивления снежно-ледяных образований резанию дисковым инструментом с различным радиусом закругления режущей кромки

Для выполнения программы «Социально-экономическое развитие Аркти- ческой зоны Российской Федерации на период до 2020 года», утвержденной постановлением правительства [1], необходимо реализовать стратегию [2], со- гласно которой предусмотрена интеграция Арктической зоны с основными районами России посредством:
– освоения и разработки месторождений углеводородов, цветных и драго- ценных металлов;
– формирования опорной сети автомобильных дорог и современных транспортно-логистических узлов;
– развития, реконструкции и модернизации аэропортовой сети.
Это повлечет за собой необходимость содержания вновь построенных и ре- конструированных автомобильных дорог и аэродромов в зимний период. Общая же протяжённость российской сети автомобильных дорог общего пользования оценивается в 1 507 750,7 км, в том числе 53 070,5 км федерального значения, что на 15 % больше в сравнении с 2015 годом [3]. 70 % из них расположено в зонах, где длительность зимнего периода достигает в среднем 220 ÷ 240 дней в году.
Содержание дорог различного назначения, аэродромов и вертолетных площадок в Арктической зоне и зонах с холодным климатом с увеличением протяженности, грузонапряжённости и интенсивности движения с каждым го- дом становится все более трудоемким и ресурсоемким. Наиболее сложным, затратным и ответственным является зимнее содержание автомобильных дорог, аэродромов и вертолетных площадок. Среди основных задач зимнего содер- жания автомобильных дорог можно выделить механический метод удаления снежно-ледяных образований с помощью отвальных (плужных), щёточных, шне- короторных, фрезерно-роторных и других рабочих органов дорожных машин. Однако, в случае формирования прочных снежно-ледяных образований каче- ственная очистка рабочими органами, перечисленными выше затрудняется или становится невозможной. Это обусловлено их физико-механическими свойства- ми: плотность ρ = 0,6 ÷ 0,9 г/см3 ; предел прочности на сжатие σ = 2,5 ÷ 2,8 МПа; толщина слоя h 100 мм; температура исследуемой среды −2 ÷ −10 ◦С.
6
Из всего выше перечисленного можно заключить, что потребуется разра- ботка и внедрение современных высокоэффективных рабочих органов дорожных машин для зимнего содержания, адаптированных к использованию в арктических условиях.
Для повышения эффективности и снижения энергоемкости при удале- нии прочных снежно-ледяных образований в работах В.А. Ганжи предложено применение дискового инструмента [4–6]. Однако, с применением дискового ин- струмента встает вопрос создания высокоэффективных рабочих органов, для проектирования которых необходимо заранее знать нагрузочные параметры, ве- личина которых зависит от множества факторов. Например, таких как: скорость резания, геометрические параметры инструмента, температура окружающей сре- ды, степень износа режущей кромки.
Дисковый режущий инструмент получил широкое освещение в области горнодобывающей промышленности, а именно, широко применяется в проход- ческих комбайнах при разработке горных пород. Существует множество работ таких авторов как Л.И. Барон, А.Н. Зеленин, Г.Г. Воскресенский, и д.р. [7–14], рассматривающих влияние различных факторов на силу сопротивления резанию. Однако, в этих работах рассматривается либо резание грунтов и горных пород, и не уделено внимание прочным снежно-ледяным образованиям и льду (как част- ному их случаю), либо резание производится не дисковыми инструментами. Для более объективного изучения процесса взаимодействия дискового инструмента с прочными снежно-ледяными образованиями, опираясь на работы Л.И. Барона [7; 8], предлагается контролировать три составляющие силы резания: горизонталь- ную, боковую и вертикальную. Контроль этих составляющих непосредственно на рабочем органе мало эффективен, так как невозможно изолировать влияние тем- пературы и прочих внешних факторов. В работе В.А. Ганжи [15] рассматривается влияние геометрических параметров на силу сопротивления прочных снежно- ледяных образований резанию. Влияние же степени износа режущей кромки на силу сопротивления прочных снежно-ледяных образований резанию изучено недостаточно. Поэтому поиск новых методов расчета и обоснование рабочих па- раметров, учитывающих степень износа режущей кромки дискового инструмента является актуальной задачей.
Исследованиями процессов взаимодействия дискового инструмента с гор- ными породами, мерзлыми и не мерзлыми грунтами занимались ученые:

7
Л.И. Барон, Л.Б. Глатман, С.Л. Загорский, А.Н. Зеленин, Г.Г. Воскресенский, А.П. Куляшов, В.М. Козин, Р.Б. Желукевич и др.
Целью данной работы является усовершенствование существующего ана- литического метода контроля силы сопротивления прочных снежно-ледяных образований разрушению дисковым режущим инструментом путем одновремен- ного учета радиуса закругления и параметров среза.
Для достижения данной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Разработать метод контроля силы сопротивления прочных снежно- ледяных образований резанию дисковым инструментом, учитывающий влияние радиуса закругления режущей кромки и параметров среза.
2. Разработать программно-аппаратный комплекс позволяющий регистри- ровать и обрабатывать данные получаемые в процессе взаимодействия дискового инструмента с прочными снежно-ледяными образованиями.
3. Провести экспериментальные исследования влияния радиуса закруг- ления режущей кромки дискового инструмента и параметров среза на силу сопротивления прочных снежно-ледяных образований резанию.
4. Расширить известную аналитическую методику расчета силы сопротив- ления прочных снежно-ледяных образований резанию дисковым инструментом путем введения эмпирического коэффициента учета влияния радиуса закругле- ния режущей кромки.
Научная новизна:
1. Разработан метод контроля силы сопротивления прочных снежно- ледяных образований резанию дисковым инструментом, отличающийся тем, что позволяет учитывать радиус закругления режущей кромки и параметры среза.
2. Разработан программно-аппаратный комплекс отличающийся тем, что позволяет производить предварительную обработку экспериментальных данных, их статистический анализ и оценку, а также оценивать природу изучаемого про- цесса на основе анализа фотографий продуктов разрушения.
3. Получены данные демонстрирующие зависомость составляющих силы сопротивления прочных снежно-ледяных образований резанию от радиуса за- кругления режущей кромки дискового инструмента и параметров среза, а также статистические данные характеризующие природу изучаемого процесса.
4. Расширена аналитическая методика расчета составляющих силы сопро- тивления прочных снежно-ледяных образований резанию отличающаяся тем, что

8
позволяет учитывать влияние радиуса закругления режущей кромки дискового инструмента и параметры среза.
Практическая значимость. На основе теоритических и эксперименталь- ных исследований расширена и внедрена аналитическая методика контроля силы сопротивления прочных снежно-ледяных образований разрушению дисковым режущим инструментом. Также, разработан программно аппаратны комплекс поз- воляющий производить предварительную обработку экспериментальных данных, их статистический анализ и оценку, а также оценивать природу изучаемого про- цесса на основе анализа фотографий продуктов разрушения.
Mетодология и методы исследования. Решение поставленных задач осу- ществлялось с применением тензоэлектрического метода измерения нагрузки. При выполнении работы применялись: поверенные стандартные и специально разработанные автором средства контроля; теория планирования и обработки ре- зультатов экспериментальных исследований; методы математической статистики и регрессионного анализа.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Метод контроля силы сопротивления прочных снежно-ледяных обра- зований резанию дисковым инструментом, включающий комплексную оценку влияния радиуса закругления режущей кромки и параметров среза.
2. Расширенная аналитическая методика контроля силы сопротивления прочных снежно-ледяных образований разрушению дисковым режущим инстру- ментом, учитывающая влияние радиуса закругления режущей кромки.
Достоверность полученных результатов подтверждается эксперименталь- но и теоретически, экспериментальные результаты получены с использованием средств контроля прошедших поверку. Теоритические результаты при выпол- нении работы получены при использовании положений механики разрушения твердых тел, теории упругости, выводы подтверждены экспериментально. Резуль- таты находятся в соответствии с результатами, полученными другими авторами.
Апробация работы. Основные результаты работы представлены на: международной научно-практической конференции (к 85-летию ФГБОУ ВПО «СибАДИ») «Архитектура, строительство, транспорт» (Омск, 2015 г.); на XVII международной научно-технической конференции «Измерение, контроль, ин- форматизация» (Барнаул, 2016 г.); на XIX международной научно-технической конференции «Измерение, контроль, информатизация» (Барнаул, 2018 г.); а так- же на заседаниях кафедры Топливообеспечения и горючесмазочных материалов

9
Института нефти и газа Сибирского федерального университета (Красноярск, 2015–2018 гг.)
Личный вклад. Автором лично разработан метод контроля силы сопротив- ления прочных снежно-ледяных образований резанию дисковым инструментом, учитывающий влияние радиуса закругления режущей кромки и параметров сре- за и расширена аналитическая методика контроля силы сопротивления прочных снежно-ледяных образований разрушению дисковым режущим инструментом. Проведены исследования, согласно с разработанным методом, их статистическая и математическая обработка. В соавторстве с научным руководителем разрабо- тан программно-аппаратный комплекс, автором лично разработанна конструкция тензометрического усилителя и программная часть комплекса для обработки и анализа данных.
Публикации. Основные результаты по теме диссертации изложены в 7 пе- чатных изданиях, 2 из которых изданы в журналах, рекомендованных ВАК, 5 — в сборниках трудов конференций.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и пяти приложений. Полный объём диссертации составляет 159 страниц, включая 43 рисунка и 19 таблиц. Список литературы содержит 84 на- именования.