Конструкции Дорожн машин 14 12 2013

Рис. 4.4. Общее устройство рабочего оборудования плужного снегоочистителя с цилиндрическим передним отвалом

У некоторых моделей плужных снегоочистителей рабочий орган во время работы опирается на ролики (или лыжи) опорного устройства, регулируемые по высоте и обеспечивающие необходимый зазор между ножом 3 плуга и очищаемым покрытием. Через опорное устройство часть веса рабочего органа передается на покрытие.

Для предотвращения поломки рабочего органа при наезде на непреодолимое препятствие служат различные предохранительные устройства, простейшим из которых является упругое крепление ножей отвала (рис. 4.5).

Рис. 4.5. Крепление ножей отвалов, предотвращающее поломку при наезде на препятствие:

а – ножи из износостойкой резиновой полосы; б – комбинированное оборудование (стальной нож на износостойкой резиновой полосе);

1 – резиновая полоса; 2 – возвратная пружина; 3 – отвал; 4 – опорная лыжа

51

На рис. 4.6 показана схема отвала с подвижными секциями. При наезде на непреодолимое препятствие секция 1 под действием силы, приложенной к ножу 4, будет преодолевая усилие предварительного натяжения возвратной пружины 2, подниматься вверх, одновременно поворачиваясь назад и уменьшая угол резания. Такое движение секции обеспечивается трапецеидальной формой ее подвески. Возвращение в исходное положение обеспечивается возвратной пружиной 2.

Рис. 4.6. Схема отвала с подвижными секциями:

1 –	секция отвала; 2 –	возвратная пружина; 3 – соединительное звено;
4 –	стальной нож; 5 –	резиновая полоса; 6 – опорная лыжа; а – встреча
	с препятствием; б – преодоление препятствия

Плужный снегоочиститель для скоростной очистки дорог от снега предназначен для уборки снега с автомобильных дорог с твердым покрытием вне населенных пунктов. Работа скоростного плуга наиболее эффективна при следующих условиях: удаляемый снег не должен быть уплотнен и прикатан; скорость бокового ветра должна быть не более 10 м/с; скорость движения автомобиля 40...50 км/ч. Скоростной отвал имеет вид конуса переменного профиля (рис 4.7). Угол поворота отвала к оси дороги (угол захвата) ~ 42 град. Угол установки ножа к горизонту (угол резания) ~ 40 град.

Плужное рабочее оборудование для скоростной очистки дорог (рис. 4.7) состоит из плиты 1, рычагов 2, рамки 3, гидроцилиндра 4 и скоростного отвала 5.

52

Рис. 4.7. Рабочее оборудование плужного снегоочистителя для скоростной очистки дорог

Плита снегоочистителя 1 представляет собой прямоугольную рамку, сваренную из профиля, к которой крепятся 4 рычага и гидроцилиндр. Она навешивается на переднюю универсальную плиту автомобиля. Рамка 3 подвешивается через рычаги к плите 1. К рамке спереди крепится скоростной отвал, а сзади – шток гидроцилиндра подъема-опускания. Скоростной отвал (аэродинамического типа) состоит из обечайки в форме усеченного конуса, обвязанной бандажами с рамой для крепления к рамке 3. К нижней части отвала крепятся стальные ножи, опорные лыжи или колеса с механизмом регулировки высоты их установки. Удержание отвала в транспортном положении обеспечивает гидрозамок, установленный на гидроцилиндре 4. Копирование профиля дороги осуществляется за счет опорных лыж или колес и параллелограммной подвески отвала при установке гидроцилиндра в «плавающее» положение.

На эффективность работы снегоочистителей существенное влияние оказывают физико-механические свойства снега, которые зависят от различных природно-климатических и технологических факторов. Наиболее важными свойствами снега являются плотность, сопротивление резанию, углы естественного откоса, внутреннего и внешнего трения, твердость, влажность, коэффициенты сцепления и сопротивления перекатыванию колесного и гусеничного движителей (табл. 4.1, 4.2, 4.3).

53

				Таблица 4.1
	Плотность, твердость и сопротивление резанию снега
			Твердость
		Плотность,	при	Сопротивле-
	Характер снежного покрова		температуре	ние резанию,
		3
		кг/м	–1...–20 ОС,	МПа
			МПа
	Очень рыхлый, свежевыпавший	10...200	0,02	0,001
	Рыхлый, слабоуплотненный,	220...300	0,2...0,6	0,005...0,01
	свежевыпавший обвалованный
	Уплотненный слежавшийся	300...400	0,3...1,5	0,1...0,025
	Старый слежавшийся	480...520	0,4...0,2	0,025...0,08
	Мелкозернистый лавинный,	550...700	0,4...3	0,1...0,5
	уплотненный накат
	Снежно-ледяной накат	700...950	–	1...2,5

Таблица 4.2 Зависимость коэффициента внешнего трения снега fl

от его плотности и температуры

Плотность,	Значения коэффициента
кг/м3	fl при температуре, ° С
	+2...–1	– 4	–16...
			–30
80...120	0,18	0,10	0,14
150...200	0,11	0,08	0,10
250...300	0,09	0,07	0,08
350...400	0,075	0,05	0,06
450	0,056	0,04	0,05
480	0,05	0,03	0,04
520	0,04	0,025	0,03
550	0,03	0,015	0,02

Таблица 4.3 Зависимость коэффициента внутреннего трения снега f2

от его плотности и температуры

Плотность,		Значения
кг/м3	коэффициента f2
	при температуре, ° С
	+2...–1	–1...–6		ниже
				–10
120	0,24	0,29		0,34
200	0,3	0,33		0,36
300	0,35	0,39		0,46
400	0,4	0,44		0,5
500	0,43	0,49		0,53
560	0,45	0,5		0,57

54

Плотность снега является доминирующим фактором в процессах разработки снега вследствие того, что вес и сила инерции снега составляют наибольшую долю в общем балансе сил его сопротивления разработке. Плотность свежевыпавшего снега, который обычно убирают в процессе патрульной снегоочистки, существенно зависит от температуры воздуха.

Твердость снега характеризует его сопротивление внедрению твердого тела – штампа, конуса и др. и измеряется отношением усилия внедрения к площади поверхности давления, МПа (см. табл. 4.1).

Сопротивление резанию характеризует интегральную силу противодействия снега при отделении его от массива широким плоским ножом и образовании сливной пластичной стружки или стружки, состоящей из элементов скола (сдвига) снега.

Сопротивление резанию зависит от объемных сил трения и поверхностных сил сцепления между собой фрагментов снега (см. табл. 4.1).

Влажность снега характеризует относительное содержание жидкой фазы и влияет на сцепление, углы внешнего и внутреннего трения и адгезионные свойства снега, способность прилипания его к поверхностям рабочих органов снегоуборочных машин. В среднем относительная влажность снега составляет 10...12 %, для крупнозернистого снега при температурах, близких к 0 ° С, достигает 20 %, а для свежевыпавшего снега

40...45 %.

Угол δ внешнего трения снега характеризует отношение силы его трения о стальные элементы рабочих органов снегоуборочных машин к нормальным силам, действующим на указанные поверхности. Эквивалентом угла δ является коэффициент внешнего трения fl = tg δ. С увеличением плотности снега угол внешнего трения δ снижается вследствие увеличения площади контакта снежных кристаллов с поверхностью трения при более плотной их упаковке. С повышением температуры угол внешнего трения уменьшается до определенного предела, соответствующего температуре

– 4 ° С, из-за ослабления сил структурного сцепления, а затем вновь начинает возрастать с увеличения адгезии (прилипания и примерзания) к металлической поверхности. Значения коэффициента внешнего трения приведены в табл. 4.2. Угол ρ внутреннего трения характеризует отношение силы трения снега по снегу к нормальной силе, действующей на поверхность трения. Эквивалентом угла ρ является коэффициент внутреннего трения f2 = tg ρ. В отличие от многих других материалов, у которых углы δ и ρ пропорциональны один другому, угол внутреннего трения ρ снега увеличивается с ростом плотности вследствие повышения площади взаимного контакта кристаллов. Увеличение сил структурного сцепления также является причиной роста угла ρ с понижением температуры снега. Значения коэффициента внутреннего трения приведены в табл. 4.3.

Угол естественного откоса снега определяется его способностью к сползанию по наклонной плоскости под действием собственного веса. В

55

лабораторных условиях угол естественного откоса определяют отсыпкой материала с некоторой высоты на горизонтальную плоскость. При этом искомый угол является углом наклона образующей отсыпанного конуса к горизонту. Угол естественного откоса зависит от угла внутреннего трения и сцепления снега. Поэтому для наиболее вероятных условий разработки его можно принимать равным углу внутреннего трения ρ. Коэффициент f сопротивления перекатыванию колесного и гусеничного движителей определяет касательную силу сопротивления движению Рf в зависимости от нормальной нагрузки G на движитель Рf = f G. При движении колеса по дороге, покрытой слоем снега толщиной 2...3 см, f = 0,025...0,03.

Коэффициент сцепления φс представляет собой отношение максимальной касательной силы, развиваемой колесным или гусеничным движителем, к нормальной нагрузке на движитель. Для колесного движителя коэффициент сцепления φс = 0,2...0,35 и при температуре, близкой к 0 ° С, φс = 0,1...0,2; для гусеничного движителя φс = 0,4...0,8.

Тяговая характеристика колесного движителя на снежной поверхности имеет особый вид, отличный от характеристик на грунте и бетоне (рис. 4.8). Максимальная сила тяги на снежной поверхности достигается при буксовании ~ 10 %, а не при полном (100 %) буксовании на грунте и бетоне.

Рис. 4.8. Тяговые характеристики колесного движителя на грунте и снежной поверхности

4.3.ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ

ИКОНСТРУКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ПЛУЖНЫХ СНЕГООЧИСТИТЕЛЕЙ

Ширина полосы, очищаемой плужным снегоочистителем, определяется габаритными размерами, м, базового шасси и принимается равной

56

B = Bn + (0,3K0,4),

где Вn – наибольшее расстояние между внешними поверхностями колес базового шасси, м.

Длина отвала L выбирается с учетом угла его установки в плане α величина которого определяется основной функцией плуга – сгребание снега и направление его в сторону от очищаемой полосы.

Упрощенно принимают, что при сгребании свежевыпавшего неуплотненного снега частицы снега во время движения перед отвалом будут отклоняться от перпендикуляра к поверхности отвала на угол δ = arctg f1 в сторону сдвигания.

Эффективность сдвигания снега отвалом обычно оценивают по коэффициенту эффективности:

η0 = cos (ϕ + δ ),

где φ – угол захвата между направлением скорости движения машины и поверхностью отвала, град.

Оптимизация по значению коэффициента эффективности η0 установки отвала показывает, что η0 приобретает максимальное значение при

φ = 38...43°.

Таким образом, длина отвала, м, должна быть равна

L =	B
		.
	sinϕ

Высота отвала выбирается из условия обеспечения удержания призмы волочения снега перед ним. При малых скоростях движения машины, как это имеет место у тракторных снегоочистителей, снег может несколько раз подниматься по отвалу и осыпаться впереди, пока не сойдет с него. При больших скоростях движения снегоочистителя снег скользит по поверхности отвала в сторону и вверх и, достигнув верхнего заднего конца отвала, со значительной скоростью сходит с него. Наибольшая дальность отбрасывания снега будет, если направление вектора скорости частиц снега в момент схода

сотвала составит 45° к горизонту.

Убольшинства плужных снегоочистителей отвал имеет цилиндрическую форму, но в последнее время для них всё шире применяются отвалы и с конической поверхностью.

Расчет геометрических параметров цилиндрического отвала

При работе плужного снегоочистителя сдвигающего действия перед

цилиндрическим отвалом, установленным под углом захвата φ к направлению движения машины, образуется призма волочения, которая непрерывно пополняется за счет вырезаемой отвалом стружки снега,

57

перемещается вдоль отвала к его заднему концу и образует при сходе с отвала боковой снежный вал (рис. 4.9). Снежный вал в момент схода с отвала имеет треугольное сечение с гипотенузой осыпания, наклоненной к горизонту под углом естественного откоса, примерно равным углу ρ внутреннего трения снега, и высотой, равной высоте призмы волочения Нпр.

Рис. 4.9. Схема взаимодействия со снегом цилиндрического отвала

В установившемся режиме работы площадь поперечного сечения этого бокового вала равна площади, вырезаемой отвалом стружки снега:

			0,5 H np2 ctg ρ = B h ,
	где h – толщина снежного покрова, м.
	Отсюда высота, м, призмы волочения равна
	H np =		2B h		или H np =
						2B h f	2 .
			ctg ρ

Всоответствии со схемой (рис. 4.9) высота, м, цилиндрического отвала

Ндолжна быть

H > H np + h .

Радиус кривизны, м, цилиндрического отвала находится из неравенства

R ³	H	,
	2 cos α

где α – наименьший угол резания, град.

Угол резания для отвалов плужных снегоочистителей сдвигающего действия принимается равным 45°...60°, а при необходимости сгребания снега его увеличивают до 75°...80°.

При анализе значений основных угловых параметров цилиндрических отвалов было установлено, что крутизна его верхней кромки недостаточна для устранения забрасывания снежной пыли на стекла кабины базовой машины. Это ухудшает эксплуатационные показатели снегоочистителя и

58

обусловливает более широкое применение отвалов конической формы.

Высота передней части таких конических отвалов Нп принимается на 0,3...0,4 м больше максимальной толщины убираемого слоя снега. Высота заднего конца конического отвала Нз принимается больше, чем передней части, и назначается из условия удержания накопившейся там призмы волочения по формуле

H3 > 2 B h f2 + h .

Высота призмы снега, а соответственно высота и радиус кривизны, м, конических отвалов являются величинами переменными, и их значения в i-м сечении будут равны

H np i =		2 Li h f2 sinϕ			,
Ri	=		Hi	.
			2 cos α

Скорость, м/с, перемещения призмы волочения вдоль отвала vnp зависит от скорости машины vm и угла δ внешнего трения снега по металлу и неизменна по его длине:

vnp	= vm	cos (ϕ + δ )	.
		cosδ

При φ = (π/2 – δ) движение снега вдоль отвала прекращается, происходит увеличение призмы волочения с образованием снежных валов по обе стороны отвала.

Уравнивая объем снега, вырезаемый из массива за единицу времени некоторым участком отвала длиной х, и объем, проходящий за это же время через поперечное сечение призмы на длине х, получим текущее значение площади поперечного сечения призмы волочения, а после интегрирования его по длине отвала – объем призмы волочения, м3:

	=	B	2h cosδ
Vnp				.
		2 sinϕ cos (ϕ + δ )

Процесс взаимодействия отвала скоростного плужного снегоочисти-

теля со снегом характеризуется отсутствием призмы волочения снега, а также значительными инерционными силами и зависящими от них силами трения, которые действуют непосредственно в плоскости отвала. Снег вырезается отвалом в виде стружки, которая перемещается вверх по отвалу и одновременно вдоль отвала. Достигнув верхнего края отвала, снег выбрасывается под углом αv = 45° к горизонту и под углом β к направлению движения машины со скоростью vm (рис. 4.10), продолжая полет по

59

баллистической траектории.

Рис. 4.10. Схема взаимодействия со снегом скоростного отвала

Максимальная дальность отбрасывания снега отвалом скоростного снегоочистителя в направлении, перпендикулярном оси движения машины, м:

	lmax	= Kl	vm2	sin 2αv	sin β =	vm2	Kl kd ,
			g			g

где Kl – коэффициент, учитывающий уменьшение дальности отбрасывания вследствие аэродинамического сопротивления, (Kl = 0,5...0,75);

kd = sin 2 αv sin β – коэффициент дальности. Максимальное значение коэффициента kd = 1 при αv = 45° и β = 90°.

Отвал скоростного снегоочистителя, выполненный в виде конической поверхности с переменным по длине отвала радиусом кривизны (рис. 4.11), установлен под острым углом захвата φ = 38°...50° к направлению движения машины и под углом резания α = 35°...40° к горизонтальной поверхности дороги. Угол наклона верхней кромки отвала к горизонтальной поверхности

ε = 65° – φ.

Высоту Нп переднего конца косоустановленного конического отвала принимают примерно на 0,3 м больше, чем номинальную толщину h снежного покрова. Высота заднего конца отвала, м:

= + tg ε H3 HΠ B sinϕ .

60