Землеройные машины являются самыми массовыми машинами, используемыми в мелиоративном и дорожном строительстве. Землеройные машины устроены и действует по принципу резания грунтов [1].

Эксперимент в ходе развития науки выступал мощным средством исследования явлений природы и технических объектов. Но лишь сравнительно недавно он стал предметом исследования. Пристальное внимание ученых и инженеров к тому, как лучше и эффективнее, проводить эксперимент, возникло не случайно, а является следствием достигнутого уровня и масштаба экспериментальных работ на современном этапе развития науки и техники [2].

Цель исследования. Сопротивление резанию грунта устанавливается экспериментальным путем. Это объясняется многообразием грунтовых характеристик и невозможностью их аналитического описания. В связи с этим статья направлена на разработку методики экспериментального установления сил сопротивления фрезерованию грунтов.

Материалы и методы исследования

Землеройные машины устроены и действует по принципу резания грунтов. Исследования процесса резания грунтов образовали уже вполне определенную область науки [1].

Планирование эксперимента – это процедура выбора числа и условий проведения опытов, необходимых и достаточных для решения поставленной задачи с требуемой точностью [2].

Применение планирования эксперимента делает поведение экспериментатора целенаправленным и организованным, существенно способствует повышению производительности его труда и надежности полученных результатов. Важным достоинством метода является его универсальность, пригодность в огромном большинстве областей исследования, интересующих современного человека [3].

Целью исследования является разработка корректного и экономичного плана эксперимента по определению сил сопротивления разрушения грунта фрезерными рабочими органами.

В работе Кадырова А.С. [4] был использовании классический план эксперимента, но функция силы резания не является линейным от всех перечисленных факторов.

В целом результаты эксперимента на стенде CД-1 подтвердили аналитические выводы: коэффициент Kw зависит от радиуса вращения и скорости резания. Однако, диапазон изменения значений коэффициента Kw несколько больший. Это объясняется тем, что в теоретической модели не учтены некоторые факторы [4].

В качестве примера рассмотрим эксперимент по определению удельных сил сопротивления грунта резанию В и давлению А при вращательном движении резца. Эксперимент проводится на стенде СР-1 [4]. Этот стенд позволяет не только менять входные параметры: режим и конструкцию фрезы, но создавать в приямке различные грунтовые условия, то есть эксперимент является модельным, натурным, полноразмерным. Размерность модели имеет значительное влияние на ошибки эксперимента.

Стенд СР-1 состоит из грунтового метки, в которой укладывается целик грунта, привода вращения и тензометрического резца. Привод вращения передает крутящий момент в горизонтальной (бурение) или вертикальный (фрезерование) плоскостях. При взаимодействии тензометрического резца 1 с забоем усилие резание передавалось с него на пружинную пластину с тензометрическим датчиками и преобразовывалось в изгибающее усилие, которое улавливалось тензоусилителем и регистрировалось светолучевым осциллографом.

Экспериментальные исследование на стенде СР-1 выполнялось в три этапа. на первом осуществлялось прямолинейное резание в лотке прямолинейного резания, затем производилось резание при вращении в горизонтальной и вертикальных плоскостях [4].

С целью уменьшения количества экспериментальных факторов применим теорию подобия и установим три параметра.

Параметры для плана эксперимента 23:

– длина фрезы, L;

– диаметр фрезы, D;

– ширина резца, b;

– число резцов, i;

– усилие подачи, Q;

– крутящий момент, M;

– усилия резания, Pрез.

Рис. 1. Стенд СР-1: 1 – резец; 2 – механизма привода вращения; 3, 5 – рама; 4 – механизма подачи грунтового контейнера; 6 – двигатель постоянного тока; 7 – трансмиссия; 8 – грунтовой контейнер

Параметры многофакторного эксперимента 23 являются следующие величины:

1. Коэффициет перекрытия забоя:

,

где i – число резцов; b – ширина резца; L – длина фрезы.

2. Угол резания:

,

где Q – усилие подачи; M – крутящий момент; Pрез – усилия резания; R – радиус фрезы.

3. Диаметр фрезы D

В табл. 1 показаны значения параметров для многофакторного эксперимента 23.Таким образом факторами определяющими процесс явились k, tgδ и D. За функции отклики приняты силы сопротивления резанию вертикальным и горизонтальном направлении. для построения матрицы планирования эксперимента 23 необходимо рассчитать минимальные и максимальные значения параметров.

1. Минимальное и максимальное значение коэффициет перекрытия забоя:

2. Минимальное и максимальное значение угла резания:

,

.

3. Минимальное и максимальное значение угла резания диаметра фрезы:

Dmin=0,1 м,

Dmax=0,5 м.

Матрица планирования составлена с учетом случайного порядка реализации опытов с рандомизации (табл. 2).

Таблица 1

Таблица 2 

Матрица планирования эксперимента 23

Результаты исследования и их обсуждение

В результате экспериментальных исследований на стенде СР-1 были получены зависимости удельных сил (А и В) от коэффициента перекрытия забоя (k), угла резания (tgδ), диаметра фрезы (D).

Графики на рис. 2 и 3 показывают не линейное увеличение удельных сил, зависящие от коэффициента перекрытия забоя (k) и от угла резания (tgδ). Как видно из графиков области между удельными силами не линейны, и это доказывает, что в этой области эксперимент плана 23 будет более точным и экономичным по сравнению с классическим экспериментом.

Рис. 2. Зависимость удельных сил (А и В) от коэффициента перекрытия забоя (k)

Рис. 3. Зависимость удельных сил (А и В) от угла резания (tgδ)

Рис. 4. Зависимость удельных сил (А и В) от диаметра фрезы (D)

Анализируя график на рис. 4, можно сказать, что при увеличении диаметра фрезы (D) удельные силы увеличиваются не линейно, и это доказывает, что в этой области эксперимент плана 23 будет более точным и экономичным по сравнению с классическим экспериментом.

Выводы

Таким образом, построили полный факторный эксперимент 23. Он имеет восемь опытов и включает все возможные комбинации уровней трех факторов.