Influence of cutter tool wear on the efficiency of the road milling machine

Full Text

Введение

                Качественный ремонт асфальтобетонного покрытия автомобильных дорог требует применения различного оборудования. Для удаления поврежденной поверхности асфальтобетонного покрытия используются дорожные фрезы. Режущие элементы дорожно-фрезерного оборудования подвержены износу, развитие которого протекает не равномерно и зависит не только от расположения режущего элемента на фрезерном барабане. Преждевременный износ, который, как правило, вызван неправильной установкой режущих элементов на барабане, налипанием асфальтобетона из-за несвоевременной очистки, не правильным выбором режущих элементов, недостаточной подачей воды системой орошения фрезерного барабана, заклиниванием оси режущего элемента в державке фрезы [1],  проявляется по-разному на всем комплекте режущих элементов, расположенных по всей ширине фрезерного барабана. Поэтому, своевременная оценка степени износа режущего элемента может гарантировать бесперебойное и эффективное проведение работ по удалению изношенных дорожных покрытий.

       В результате неправильного и, как следствие, преждевременного износа проявляются потеря производительности, повышаются нагрузки на фрезерный барабан, падает эффективность оборудования в целом. Появление таких неисправностей неизбежно в результате эксплуатации фрезерного оборудования, однако, на этапе проектирования и создания новых машин необходимо учитывать увеличение нагрузок на режущих элементах в процессе фрезерования. И тут возникает вопрос: как силы сопротивления резанию будут изменяться с проявлением различных видов преждевременного износа режущего элемента дорожной фрезы?

       Вопросом изнашивания режущих элементов дорожных фрез, а также определением других основных параметров занимались многие ученые и инженеры. Благодаря этому накоплен значительный опыт, позволяющий качественно и количественно описать различные показатели рабочего процесса фрезерования асфальтобетона с учетом износа режущих элементов.

       Так в работе С. П. Осипова [2], авторы представляют ряд выражений и замечаний, которые являются основой алгоритма оценки долговечности вращающихся режущих элементов с износостойкими вставками сложной формы. По исходным данным (форма износостойкой вставки; предельное значение линейного параметра износа; угол между линией резания и осью вращения резца; радиус дорожной фрезы; глубина разрабатываемой траншеи) имеется возможность определить долговечность вращающегося режущего элемента с дальнейшим сравнением результатов и выявлением более благоприятной формы резца. К сожалению, авторы не дают сведений об изменении нагрузок на режущих элементах, возникающих на рабочем оборудовании дорожной фрезы в процессе взаимодействия изношенных режущих элементов с асфальтобетонным покрытием. Следовательно, предусмотреть требуемый запас прочности и мощности проектируемого фрезерного оборудования еще на этапе проектирования не возможно. Скорее всего, такая задача автором и не ставилась. Отметим, что, представленные результаты позволяют описать процесс износа режущего элемента, что в свою очередь уточняет эксплуатационные свойства дорожно-фрезерного оборудования.

       Еще в одной работе С. П. Осипова [3] была предложена методика оценки экономической эффективности своевременной замены режущих элементов. Исследователи, в данной работе попытались доказать существование оптимального времени эксплуатации одного комплекта режущих элементов. Однако, поскольку работа не опирается на реальные значения сил сопротивления резанию, невозможно определить дополнительные затраты энергии. Судить об эффективности своевременной замены изношенных режущих элементов по данной методике не корректно. Отметим также, что в работе не было рассмотрено случаев с преждевременным износом режущих элементов дорожно-фрезерного оборудования, поэтому данный вопрос раскрыт не до конца. Тем не менее, полученные данные являются хороший базой для продолжения исследований в этой области.

       Работа [4] отражает результаты полевых экспериментальных исследований, позволяющих статистически определить и оценить динамику износа режущего элемента двух разных производителей. Результат, достигнутый исследователями, показывает, что длинна режущего элемента, диаметр твердосплавного наконечника и диаметр стального корпуса резца уменьшается пропорционально площади отфрезерованной поверхности асфальтобетонного покрытия. Для более полного отображения результатов исследования не хватает данных о влиянии таких параметров как, подача и скорость вращения рабочего оборудования. Полученные результаты исследований можно использовать для подбора подходящих режущих элементов дорожной фрезы в зависимости от интенсивности их износа.

       Результаты натурного эксперимента по фрезерованию асфальтобетонного покрытия автомобильных дорог отображены в работе [5]. Авторы провели экспериментальные исследования на четырех разных площадках. На каждой изменялись три параметра дорожно-фрезерного оборудования – подача, глубина фрезерования и частота вращения фрезерного барабана. Остальные параметры - тип покрытия, тип фрезерного барабана, тип машины - оставались неизменными. Результаты показывают, что при большей глубине фрезерования, увеличении подачи фрезерного оборудования приводит к образованию более крупной фракции асфальтобетона, а также при небольшой частоте или малой глубине фрезерования размер фракции не зависит от скорости перемещения. Однако, в данной работе, было бы интересно выявить закономерности износа режущего элемента дорожной фрезы при различных режимах работы дорожно-фрезерного оборудования.

       Результатом работы Peng-yu M. [6] стало определение основных параметров дорожных фрез, влияющих на потребление энергии при холодном фрезеровании асфальтобетонной поверхности.

       В своей работе Pirnaev S [7], получил математическую зависимость влияния геометрических размеров резца на интенсивность износа режущего элемента дорожно-фрезерного оборудования.

       Энергоэффективность дорожно-фрезерной машины показанная в работе Wang X. [8]. исследуется путем постановки полевого эксперимента. Основываясь на полученных результатах, выдвинуто предложение использовать модель, которая позволяет адаптировать параметры привода под используемые режимы работы фрезерной машины. Отмечается  значительное повышение коэффициента использования мощности привода и увеличению коэффициента полезного действия.

            В статье [9], приведена усовершенствованная технология фрезерования трещин в асфальтобетонных покрытиях. Исследователю удалось выявить факторы, возникающие в процессе фрезерования асфальтобетонов подверженному температурному воздействию.

       Целью большинства работ является оценка эксплуатационных показателей фрезерных машин. Однако, представленные результаты не позволяют производить параметрические расчеты указанных машин классическими методами. Не смотря на высокую значимость, в представленных работах не получены значения нагрузок, действующих на режущие элементы дорожно-фрезерного оборудования, при фрезеровании асфальтобетонного покрытия.

       В последующих разделах будет рассмотрена методика проведения экспериментальных исследований, а также полученные результаты.

Цель ИССЛЕДОВАНИЙ

            Целью данного исследования является экспериментальное определение сил сопротивления резанию асфальтобетона в зависимости от вида износа режущего элемента и глубины фрезерования. Выявление наиболее неблагоприятных видов износа режущих элементов и получение зависимостей для прогнозирования изменения нагрузок на рабочем органе. Исследование направленно на решение основных задач проектирования новых образцов дорожных фрез с учетом возможных изменений нагрузок на рабочем органе.

мАТЕРИАЛЫ И Методы

       Изучение рабочего процесса фрезерования асфальтобетонного покрытия дорожной фрезой логично начинать с изучения взаимовлияния отдельного режущего элемента дорожной фрезы с асфальтобетоном. Поэтому, для проведения экспериментальных исследований выбран маятниковый стенд, который по принципу действия схож с маятниковым копром [10] для определения ударной вязкости металла, а также с копром для определение сил возникающих в процессе фрезерования торфяной залежи [11].

Маятниковый стенд (рис. 1) имеет опоры 1, которые жёстко закреплены на фундаменте с помощью дополнительных растяжек 2. На опоры в подшипниках качения установлен маятниковый рычаг 3. Лимб 4 служит для фиксации угла отклонения маятника и максимального угла отклонения после удара. На дополнительном регулируемом рычаге 5 размещается площадка под разные типы режущих элементов. Изменение угла входа режущего элемента в асфальтобетон осуществляется за счет системы рычагов 6. На рычаге 5 находится площадка 7 для крепления режущего элемента 8.

Рис. 1. Стенд маятникового типа: а – рама; б – резцедержатель. 1 -  стойка, 2 – растяжка, 3 – рычаг, 4 – лимб, 5 – регулируемый рычаг, 6 –система рычагов, 7 – установочная площадка, 8 – резец. Составлено авторами.

Принцип работы стенда основан на теореме об изменении кинетической энергии. Согласно этой теореме, изменение кинетической энергии механической системы при её перемещении равно сумме работ всех сил, на соответствующих перемещениях точек приложения этих сил (1).

$К-{К}_0=\sum А$

где К – кинетическая энергия, начала процесса резания, Дж;                                                                             

К₀ – кинетическая энергия в момент выхода резца из зоны резания, Дж;                                                             

А – робота всех сил, Дж.

Определим среднее значение горизонтальной составляющей силы сопротивления резания (2) по измеренной длине пути.

$F_{ср}=А/S$

где S – путь пройденный режущим элементом, мм.

            При моделировании процессов фрезерования и динамического разрушения асфальтобетона стенд маятникового типа лучше всего подходит для определения энергетических и силовых характеристик процесса резания отдельныи режущими элементами.

            В качестве исходных данных для проведения экспериментального исследования был выбран следующий ряд параметров: в качестве фрезеруемого материала выбран асфальтобетон марки А16нн [12]; температура образцов асфальтобетона составляет 22°С; начальная скорость резания принята равной 4 м/с для каждого опыта и соответствует нормальному рабочему режиму многих существующих дорожных фрез; режущие элементы были отсортированы по виду износа (рис.2).

Рис. 2. Разноизношенные режущие элементы дорожной фрезы, используемые для проведения эксперимента: а – чрезмерный износ, б – неравномерный износ корпуса резца и наконечника, в – резец с деформированной шайбой и фиксирующей втулкой, г – правильный износ, д – режущий элемент модели А8/20.  Составлено авторами.

А именно чрезмерный износ (рис. 2а), неравномерный износ корпуса резца и наконечника (рис. 2б), деформация шайбы и фиксирующей втулки (рис. 2в), правильный износ (рис. 2г), классификация которых указана заводом производителем [1].

Сравнение полученных результатов было проведено по новому режущему элементу модели А8/20 (рис. 2д) с диаметром твердосплавного наконечника 8 мм производства ОАО «Кировоградский завод твердых сплавов» г. Кировоград, Российская Федерация.

            На основе исходных данных было проведено экспериментальное исследование, по результатам которого удалось построить зависимость силы сопротивления резанию от вида износа режущего элемента и толщины срезаемой стружки, а также получить некоторые выводы.

Результаты

                В ходе проведения исследования определены значения нагрузок, действующих на единичный режущий элемент дорожной фрезы. Полученные результаты, отображены на графике зависимости сил сопротивления резанию от толщины срезаемой стружки и вида износа режущего элемента (рис.3) и получены уравнения регрессии (табл.1).

            Таблица 1. Результаты исследования. Составлено авторами.

Рис. 3. График зависимости сил сопротивления резанию (F) от вида износа режущего элемента и толщины срезаемой стружки (h) асфальтобетона марки А16нн: ● –чрезмерный износ режущего элемента; ■ – неравномерный износ корпуса резца и наконечника режущего элемента; ♦ - режущий элемент с деформируемой шайбой и фиксирующей втулкой; ▲ – правильный износ режущего элемента;  - новый режущий элемент. Составлено авторами.

Обсуждение

            Отметим несколько важных выводов, которые вытекают из результатов проделанной работы.

1. Исследования показали, что энергоемкость процесса фрезерования изношенными режущими элементами дорожно-фрезерного оборудования существенно возрастает. Так, сила сопротивления резанию асфальтобетона марки А16нн в сравнении с новым режущим элементом увеличивается в 3-3.5 раза при фрезеровании чрезмерно изношенными режущими элементами, при правильном износе режущего элемента сила сопротивления резанию возрастает в 1.5-2 раза. Такие последствия следует ожидать и для режущих элементах других производителей. Поэтому режущие элементы с такими видами износа требуется менять в первую очередь.
2. Исходя из полученных результатов и наблюдений в процессе проведения исследования, можно предположить, что неравномерный износ корпуса режущего элемента и наконечника благоприятно влияет на действующие на него нагрузки, однако объем отфрезерованного материала значительно меньше. Это, в свою очередь, существенно отражается на производительности и качестве отфрезерованной поверхности.
3. Результаты, полученные в ходе проведения исследования, позволяют прогнозировать нагрузки на рабочем оборудовании дорожной фрезы при её работе с изношенными режущими элементами, а также прогнозировать энергоемкость процесса фрезерования и производительность машины.   
               Ранее, проводились исследования взаимодействия изношенных режущих элементов дорожной фрезы с асфальтобетоном, результаты которых отражены в работе [13], в которой был проведен сравнительный анализ сил сопротивления резанию в зависимости от износа режущего элемента. Прежде, сравнение было произведено лишь по правильному износу режущего элемента. Испытуемые режущие элементы, были разделены по проценту износа, который определялся разностью масс нового режущего элемента с изношенным. К сожалению, полученных данных было недостаточно для полного раскрытия вопроса определения нагрузок на рабочее оборудование дорожной фрезы при работе с изношенными режущими элементами. Поэтому, было принято решение о дополнительных исследованиях в этой области, результаты которых отображены в этой работе и являются сильно расширенным продолжением предыдущей работы.               Также, как и неоднократно доказано предыдущими исследованиями [14], значение силы сопротивления резанию, в зависимости от глубины фрезерования, возрастают нелинейно и имеют затухающий характер. Эти данные дают возможность предположить о возможности оптимизации конструкции фрезерного барабана и оборудования в целом для снижения энергоемкости фрезерования.                               

  В качестве примера, можно привести работу Hu Y.B [15], в которой отражено геометрическое моделирование работы дорожно-фрезерного оборудования. В работе показано несоответствие полученных результатов с колебательно изменяющимися значениями суммарной толщины срезаемой стружки от возникающей мгновенной нагрузки на рабочем оборудовании фрезерной машины, что в свою очередь, подтверждает нелинейность изменения сил сопротивления резанию с увеличением толщины срезаемой стружки. 

Заключение

            Проведенные исследования позволили нам определить зависимости сил сопротивления резанию в зависимости от вида износа режущего элемента и глубины фрезерования. Вместе с тем, можно сделать вывод, что на практике необходимо задавать дополнительные запасы прочности при конструировании элементов фрезерного барабана с учетом неправильного износа режущего элемента. Так же, следует обращать внимание на правильность установки режущих элементов в державку фрезы в процессе эксплуатации и на качество используемых режущих элементов.

         Методика расчета параметров фрезерных машин должна учитывать влияние вида и степени износа режущих элементов на силы сопротивления резанию в процессе эксплуатации машины. Решение этой необходимой задачи требует дополнительных исследований.

About the authors

Leonid M Shamakhov

Author for correspondence.
Email: leonid.shamakhov@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0001-7559-282X
SPIN-code: 9115-7950

Postgraduate student, Assistant of the Department of Construction and Road Machinery

Denis V Furmanov

Email: denis_furmanov@mail.ru
SPIN-code: 6237-2284

Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of the Department of Construction and Road Machinery

References

Supplementary files