Основы расчета плужных снегоочистителей

Эффективность работы отвала как режущего и транспортирующего рабочего оборудования определяется углами установки отвала в пространстве по отношению к обрабатываемой поверхности, размерами и формой отвала. Оптимальные углы установки отвала и бокового крыла: угол захвата α, угол резания γ, угол зарезания β определяются на основании экспериментальных и аналитических зависимостей по аналогии с теорией резания грунтов ножом автогрейдера.
Величина угла захвата а зависит от физико-механических свойств снега и колеблется в пределах 35—45°. Практически угол захвата, если позволяют тяговые качества автомобиля, составляет 50—60°.
Угол резания оказывает существенное влияние на сопротивление резанию и практически его величина колеблется в пределах 35—40°. Оптимальными углами резания следует считать углы 25—30°.
Величина угла зарезания β определяется принятой технологией работы и тяговыми возможностями автомобиля или трактора.
Отвалы переднего плуга не имеют угла зарезания, и нижняя кромка ножей лежит в плоскости, параллельной поверхности покрытия.
Боковое крыло снегоочистителей имеет различные установки угла зарезания, что необходимо для срезания откосов валов снега при последнем проходе снегоочистителя.
На автомобильных снегоочистителях, работающих на больших скоростях, форма отвала должна быть подобрана таким образом, чтобы снег при движении по поверхности отвала испытывал меньшее сопротивление и приобретал на отвале достаточную скорость, обеспечивающую максимальную дальность отбрасывания снега в сторону. Поверхность отвала в нижней части представляет плоскость, установленную под углом резания к горизонту. Верхняя часть отвала выполняется в форме изогнутой поверхности. Изгиб в верхней части отвала не позволяет снегу пересыпаться через его верхнюю кромку. Такая поверхность отвала мало деформирует снег и, следовательно, более рациональна с точки зрения расхода мощности на резание, Переход на изогнутую поверхность делают на половине общей высоты отвала с радиусом закругления, практически не превышающим 500—600 мм. Для отвалов с цилиндрической поверхностью постоянной кривизны, которые эффективны только при низких рабочих скоростях, радиус поверхности в первом приближении может быть определен по формуле

где H — наибольшая высота отвала в передней части в м;
γmin — наименьший угол резания в град.
Для отвалов сложной кривизны по этой формуле может быть определена кривизна верхней части отвала. При этом значение H равно высоте только изогнутой части отвала. Величина нижней плоской части отвала в этом случае определяется конструктивно. Поверхность отвала, образуемая кривой с несколькими радиусами кривизны, наиболее рациональна. Отвалы такой формы сложны в изготовлении. Высота передней части отвала должна быть на 15—20% больше толщины убираемого снежного покрова; у существующих моделей она равна 600—950 мм. Высота задней части отвала автомобильного снегоочистителя в 1,5—4 раза превышает высоту отвала в передней части. Высота задней части отвала тракторных снегоочистителей, как более тихоходных, выше передней на 30—40%. Снегоочистители, предназначенные только для сдвигания снега, имеют отвалы одинаковой высоты 0,5—1 м по всей длине. Выбранная высота отвала не должна препятствовать наблюдению за работой плуга из кабины водителя.
Длина отвала выбирается в соответствии с тяговой характеристикой тягача, так чтобы при данной глубине снежного покрова и минимальном угле захвата а ширина захвата превышала ширину тягача. Зная ширину тягача, можно определить длину отвала по формуле

где В — ширина тягача в м;
α — угол захвата в град.
Эффективность работы плужных снегоочистителей по удалению с дорожного покрытия уплотненного и обледеневшего снега толщиной 15—20 см зависит от формы лезвия ножа и возрастает при оборудовании отвала зубчатым ножом. Зубчатый нож способствует более интенсивному врезанию плуга в снег. При работе с отвалом, оснащенным зубчатым ножом, угол резания не должен превышать 35—45°, а угол захвата должен быть равен 50—60°. Ножи изготовляют из стали 70Г и 65Г или из полосовой стали Ст. 5 с наплавкой режущих кромок зубьев износостойким сплавом или чугуном.
Процесс работы снегоочистителя связан с преодолением сопротивлений, возникающих главным образом при взаимодействии рабочего органа с убираемым снежным покровом. Определение сил сопротивления позволяет выявить соответствие тяговых качеств автомобиля или трактора заданным условиям работы.

В процессе работы плужный снегоочиститель преодолевает следующие сопротивления: сопротивление W1 передвижению снегоочистителя, сопротивление W2 вырезанию снега, сопротивление W3 перемещению массы снега вдоль по отвалу, сопротивление W4 перемещению массы снега вверх по отвалу, сопротивление W5 отбрасыванию снега при скоростной очистке.
Сопротивление передвижению плужного снегоочистителя составляется из сопротивления движению автомобиля или трактора и сопротивления движению навесного оборудования — переднего и боковых отвалов:

где G1 — вес автомобиля или трактора в кг;
G2 — вес плужного оборудования в кг;
f — коэффициент сопротивления движению (перекатыванию) ходового оборудования автомобиля или трактора;
μ1 — коэффициент трения опорной лыжи отвала по снегу;
i — уклон дороги, по которой перемещается снегоочиститель. Сопротивление снега отбрасыванию — усилие, затрачиваемое на сообщение снегу кинетической энергии, определяется при скорости v снегоочистителя выше 25 км/час:

где k1 — коэффициент пропорциональности в кгсек2/м1, k1 = 0,5/2,5;
В — ширина захвата снегоочистителя в м;
h — глубина снежного покрова в м.
Остальные составляющие определяются общими методами, рассмотренными в теории работы ножевых машин (автогрейдера, бульдозера). Определив сумму сопротивлений ΣW, проверяют, достаточна ли величина тягового усилия тягача для их преодоления, и проверяют величину тягового усилия по сцеплению.
Кроме того, на основании известных зависимостей должны быть проверены продольная и поперечная устойчивость снегоочистителя.
Устойчивое положение самого навесного плуга, который в плотном снегу может быть вытолкнут вверх, должно быть обеспечено соответствующим расположением точек крепления толкающих балок рамы снегоочистителя. Точку крепления задних концов толкающих балок стараются разместить выше точки крепления передних. Вес плужной системы определяется из уравнения моментов относительно точки крепления задних концов толкающей рамы. При этом следует считать, что на лезвие ножа действует вертикальная реакция снега, равная силе P2 и направленная в обратную сторону.
Расчет отвала, основной плужной рамы, узлов крепления отвала и механизмов управления ведут по максимальным усилиям, возникающим при работе.

Расчетная схема сил, действующих на снегоочиститель, представлена на фиг. 274. Обычно при конструктивном расчете за максимальное усилие принимают наибольшее тяговое усилие автомобиля или трактора, на котором смонтировано оборудование снегоочистителя, умноженное на коэффициент динамичности kд = 1,5/2.
При расчете отвала нагрузка считается распределенной равномерно по всей длине отвала (фиг. 275). Расчетная величина нагрузки равна

где T — максимальное тяговое усилие в кг;
L — длина отвала в м;
kд — коэффициент динамичности.
Производительность плужных снегоочистителей определяется шириной расчищаемой полосы и скоростью движения снегоочистителя:

где В — ширина захвата снегоочистителя в м;
а — величина перекрытия при последующих проходах в м;
v — скорость движения машины в м/сек;
h — высота расчищаемого слоя в м.