Проектирование техники путём моделирования природных прототипов

В процессе продолжительной эксплуатации рабочее оборудование землеройных машин испытывает усиленное абразивное изнашивание. В зависимости от твердости разрабатываемых грунтов, конфигурации, размера и характера сцепления зерен породы ресурс зубьев ковшей экскаваторов расходуется в течение нескольких суток, а режущие поверхности рабочих органов бульдозеров и автогрейдеров стачиваются примерно за 250 часов.
Затупление режущих кромок вследствие повышенного изнашивания на площади износа в 10 мм и более приводит к возрастанию энергоёмкости разработки грунта более чем на 60%, производительность строительной машины падает на 40%, при этом перерасход топлива доходит до 30%, увеличивается время разработки грунта.
Поэтому для комплексных решений в области износостойкости режущих кромок рабочих органов землеройных машин предъявляются следующие требования:

1.    режущие и прочностные характеристики рабочего оборудования должны соответствовать категории разрабатываемых грунтов;
2.    при проектировании режущих кромок необходимо минимизировать динамические нагрузки и энергоёмкость процесса разработки грунта путём упрощения конструктивной формы изнашиваемого элемента;
3.    деталь, подвергающаяся усиленному изнашиванию, должна легко заменяться на месте и поддаваться ремонту в заводских условиях.

Для выполнения требований к режущим элементам российскими разработчиками была предложена принципиально новая конструкция зуба с криволинейной режущей частью, что позволяет ему самозатачиваться при проведении земляных работ. Увеличена надежность и долговечность зуба. Это достигается за счёт того, что его рабочая поверхность в каждом её продольном сечении образована расходящимися от режущей кромки к хвостовой части дугообразными передней и задней линиями. Поперечные сечения профиля по мере продвижения к хвостовой части зуба изменяют свои сечения с эллиптической формы на режущей кромке - на усеченную эллиптическую форму сечения хвостовой части зуба.
Прототипом конструкции стал результат компьютерного моделирования зубов у роющих млекопитающих. Данное исследование дало возможность спроектировать криволинейный зуб, который по сравнению с классическим клиновидным аналогом, имеет конструктивную износостойкость выше на 30%. Далее была проведена наплавка твёрдых сплавов специальными электродами, что привело к повышению износостойкости зубьев и наконечников рыхлителей в 1,5 раза по сравнению с элементами, изготовленными из обыкновенной стали для отливок. Применение наплавки твёрдых сплавов электродами на зубьях карьерных экскаваторов также повысило их износостойкость в 1,25 раза.
Особенностью новой конструкции зуба криволинейной формы, является нарушение плоскостности поперечных сечений, благодаря чему ударная жесткость зуба плавно увеличивается от режущей кромки к его хвостовой части, что снижает динамические нагрузки и увеличивает износостойкость.

Данный способ проектирования рабочих органов позволяет повысить в целом ресурс землеройной спецтехники и снизить эксплуатационные расходы.