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
|
№ п/п |
D, м |
L, м |
b, м |
i |
R, м |
|
1 |
0,1 |
0,525 |
0,01 |
8 |
0,05 |
|
2 |
0,2 |
0,6 |
0,02 |
12 |
0,1 |
|
3 |
0,3 |
0,75 |
0,03 |
16 |
0,15 |
|
4 |
0,4 |
0,8 |
0,04 |
20 |
0,2 |
|
5 |
0,5 |
0,825 |
0,05 |
24 |
0,25 |
Таблица 2
Матрица планирования эксперимента 23
|
№ опыта |
Случайный порядок реализации опыта |
Х1 (k) |
Х2 (tgδ) |
Х3 (D) |
Удельные силы, кН |
||||
|
код |
код |
код |
А |
В |
|||||
|
1 |
2. 9 |
- |
0,097 |
- |
30 |
- |
0,1 |
79,7 |
78,0 |
|
2 |
6. 13 |
+ |
2,3 |
- |
30 |
- |
0,1 |
81,2 |
80,1 |
|
3 |
1. 15 |
- |
0,097 |
+ |
75 |
- |
0,1 |
82,4 |
81,2 |
|
4 |
7. 10 |
+ |
2,3 |
+ |
75 |
- |
0,1 |
78,1 |
77,9 |
|
5 |
3. 16 |
- |
0,097 |
- |
30 |
+ |
0,5 |
82,1 |
82,0 |
|
6 |
8. 14 |
+ |
2,3 |
- |
30 |
+ |
0,5 |
79,8 |
78,1 |
|
7 |
4. 12 |
- |
0,097 |
+ |
75 |
+ |
0,5 |
81,0 |
80,9 |
|
8 |
5. 11 |
+ |
2,3 |
+ |
75 |
+ |
0,5 |
81,4 |
81,1 |
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.