Взаимодействие рабочих органов машин с грунтом

Земляные работы сопровождаются деформациями, разрушением и перемещением грунта. Для выполнения этих операций применяют рабочие органы различных типов. От характера их взаимодействия с грунтом зависит эффективность рабочего процесса, поэтому выбор эффективных типов рабочих органов для выполнения заданных технологических операций имеет большое значение.

Способы деформации и разрушения грунта различают в зависимости от среды, действующей на грунт, и способа воздействия. Воздействовать на грунт может твердое тело, жидкость или газ; способ же воздействия может быть механическим или физико-механическим. Поскольку, грунт представляет собой трехфазную упругую систему, причем силы связей между частицами до определенного предела будут тем выше, чем меньше между ними расстояние и чем плотнее грунт. Поэтому деформация сжатия грунта механическим способом до определенного предела упрочняет его, а затем разрушает, как правило, вследствие сдвига по плоскостям максимальных касательных напряжений.

Физико-механические способы разрушения грунта заключаются в непосредственном воздействии на связи между его частицами (например, с помощью электрического тока, химических веществ и др.), вследствие чего снижается сцепление между частицами грунта или внутреннее трение.

При выполнении земляных работ (до 80 - 85% общего объема) наиболее применимо воздействие на грунт твердым телом, которое происходит при работе всех землеройных и грунтоуплотняющих машин. Второе место по объему выполняемых работ (до 10 - 15% общего объема) занимает гидромеханизация, при которой грунт разрушается и транспортируется водой. Способ давления газа на грунт применяют главным образом при выполнении взрывных работ.

Воздействие на грунт твердым телом (инструментом) может быть статическим, динамическим и вибрационным. Под статическим понимают воздействие, происходящее при относительно постоянных скоростях перемещения рабочего органа. При этом не исключаются динамические явления в системе машина – грунт (например, при встрече с трудно преодолимым препятствием).

В случае динамического воздействия величина нагрузки на грунт резко меняется из-за падения скорости перемещения рабочего органа, в результате чего его кинетическая энергия передается грунту.

Вибрационное воздействие инструмента на грунт происходит при знакопеременных скоростях и нагрузках, частота колебаний которых может находиться, в широких пределах: от дозвуковой области (50 - 100 Гц) до ультразвуковой (20 кГц).

Вода и газ воздействуют на грунт динамическим путем, при котором связи между частицами грунта разрушаются вследствие передачи грунту кинетической энергии воздействующей среды. При разработке грунта водой (например, с применением землесосов) струи ее выполняют роль механического рыхлителя.

В последние годы с целью интенсификации рабочих процессов комбинируют различные способы воздействия на грунт. Так, при статическом воздействии на грунт режущего инструмента ему сообщается колебание или к нему подводится струя воздуха, снижающие трение на рабочей поверхности и сопротивление копанию.

Воздействие на грунт твердого тела, применяемого в виде инструмента, характеризуется внедрением рабочего инструмента в грунт и перемещением его внутри массива грунта. Возможны три способа деформации и нарушения внутренних связей грунта:

- погружение в него инструмента движением направленным перпендикулярно поверхности грунта (рис. 2.1, а);

- разрезание его перемещением инструмента вдоль поверхности (рис. 2.1, б);

- срезание пласта грунта (стружки) движением инструмента в плоскости, параллельной поверхности (рис. 2.1, в). Наиболее распространен последний способ.

Для определения требуемых усилий на рабочих органах землеройных машин необходимо знать предельные напряжения, которые нарушают внутренние связи грунта. Для этого обычно применяют теорию наибольших касательных напряжений, в основе которой лежит известное уравнение Кулона: .

Рис. 2.1. Основные виды резания грунтов по Ю. А. Ветрову

 

При погружении инструмента в грунт сопротивлениевдавливанию прямо пропорционально поперечной площади штампа :

где  - удельное сопротивление вдавливанию.

Кроме того, сопротивление грунта вдавливанию зависит от формы поперечного сечения инструмента. Чем больше соотношение между длинной и короткой сторонами сечения, тем меньше сопротивление вдавливанию. Это объясняется тем, что при сравнительно узких вдавливаемых сечениях снижаются боковые нормальные напряжения  и разрушение грунта наступает при более низком значении .

Установлено, что соотношение длин сторон существенно сказывается на сопротивлении вдавливанию; для различных грунтов оно лежит в пределах 3,5 - 6; при дальнейшем уменьшении этого соотношения влияние его снижается.

Разрезание грунта часто используют при работе машин для производства земляных работ; отрывки траншей, для укладки кабелей, линий связи, трубопроводов, рыхления плотных грунтов перед их разработкой, грунт разрезается при применении зубьев на режущих профилях землеройных машин и в ряде других случаев.

Процесс разрезания протекает различно в пластичных и скалывающихся грунтах. Схема процесса разрезания в скалывающихся грунтах типа супесей и суглинков показана на рис. 2.2.

1 - ядро уплотнения; 2 -тела скольжения

Рис. 2.2. Схемаобразования тел скольжения в связном грунте элементарным

профилем по А.Н. Зеленину

При перемещении в грунте ножа перед ним выдвигается вверх по плоскости скольжения клинообразное тело, имеющее в плане форму раковины. Вначале на поверхности образуется тело скольжения, идущее от верхней части ножа; затем отделяются тела скольжения большего размера, идущие от нижних точек ножа. Периодически образующиеся тела скольжения поднимаются вверх и целики грунта принимают характерную ступенчатую структуру. Перед передней гранью ножа аналогично вдавливаемому штампу образуется ядро уплотнения грунта, передвигающееся вместе с ножом. Раковины скола образуются на определенной глубине от поверхности, ниже которой грунт в силу упругости раздвигается в стороны и вниз, не поднимаясь вверх.

Периодические сдвиги тел скольжения вызывают колебания усилия, действующего на нож. В момент скола усилия снижаются, а затем нарастают по мере деформации грунта до образования предельных напряжений сдвига. Диаграмма изменения тягового усилия получает для этого процесса характерный пилообразный вид.

Глубина резания, прикоторой увеличение раковины скола прекращается, называют критической. Постоянство объема раковины скола сохраняется как при вертикальном положении ножа, так и при наклонном. Это явление объясняется сжимаемостью грунтов под нагрузкой. С увеличением глубины резания напряжениясжатия перед движущимся профилем, необходимые для образования раковин скола, увеличиваются и достигают величины, достаточной для сжатия грунта на толщину ножа в боковом направлении. Вследствие этого критическая глубина тем больше, чем шире прорезающий нож. В поверхностной зоне (до критической глубины) грунт разрыхляется, а в глубинной - уплотняется.

Образование ядра уплотнения перед,движущимся профилем является нежелательным, так как при этом происходит трение грунта о грунт, имеющее более высокое значение, чем трение грунта о сталь. Ядро уплотнения имеет параболическое очертание и после его образования перед режущим профилем в дальнейшем грунт деформируется под действием этого ядра. Ядро уплотнения образуется в любом грунте независимо от толщины режущего профиля. При относительно малом расстоянии между двумя параллельно расположенными профилями между ними образуется одно уплотненное ядро и они работают вместе как профиль общей ширины.

Срезание пласта грунта (стружки) является основным элементом процесса копания, при котором грунт отделяется отмассива и перемещается внутрь рабочего органа или перед ним. Срезание стружки является наименее энергоемким способом разработки грунта, поскольку он удаляется в направлении свободной стороны с минимальными затратами энергии на сжатие и уплотнение. Однако процесс срезания стружки в чистом виде практически неосуществим, так как кроме основных режущих элементов у землеройных машин имеются емкости (ковши) с вертикальными стенками или элементы несущих конструкций, которые тоже взаимодействуют с грунтом. Сам режущий элемент в процессе работы первоначально внедряется в грунт, а затем срезает стружку.

Таким образом, реальный процесс разработки грунта включает в себя, как правило, элементы вдавливания, разрезания и срезания стружки при одновременном перемещении грунта по рабочей поверхности инструмента и перед ним, что в совокупности называют копанием. В зависимости от вида инструмента и траектории его движения превалирует тот или иной вид резания.

Рабочие органы землеройных машин различают по виду режущей кромки, способу деформации и перемещения грунта. Режущая кромка может иметь вид прямого клина, косого клина, диска, совкаили периметра. Кроме того, режущие кромки могут иметь зубья для разработки плотных грунтов.

По способу действия рабочие органы различают как пассивные и активные. К первым относят такие, которые при работе не перемещаются по отношению к машине, рабочие же усилия возникают от энергии, подводимой к движителю машины. Рабочие органы активного действия при работе перемещаются по отношению к машине и приводятся в движение двигателем машины непосредственно, минуя движитель.

В последнее время применяют рабочие органы комбинированного действия, которые для выполнения рабочего процесса кроме энергии, сообщаемой движителем, реализуют одновременно энергию, получаемую непосредственно от первичного двигателя машины. Примером этому могут служить: плужно-роторный рабочий орган, сочетающий плужный отвал пассивного действия с ротором активного действия, рыхлитель пассивного действия, к которому дополнительно подводится энергия, вызывающая его вибрацию, корчеватель активного действия, который сочетает напор, создаваемый движителем машины, с активным поворотом корчующих клыков.

По способу перемещения грунта рабочие органы делятся на три группы: отвального типа, ковшового и скребкового. Рабочие органы отвального типа, как правило, имеют режущую кромку в виде прямого или косого клина, сочетающуюся с отвальной поверхностью криволинейного очертания (рабочие органы бульдозеров, автогрейдеров, грейдер-элеваторови др.).

При прямо поставленном отвале срезанный грунт в виде призмы волочения перемещается перед отвалом к месту укладки. При косо поставленном отвале одновременно с поступательным движением машины осуществляется перемещение грунта в сторону относительно отвала.

У рабочих органов ковшового типа имеются рабочие кромки типа прямого клина или совка. Срезанный пласт грунта поступает в ковш и перемещается этим ковшом к месту отсыпки или грузится в транспортные средства. При этом загрузка ковша грунтом может осуществляться снизу, как у ковша скрепера пассивного действияи грейфера активного действия, или спереди, как у ковшей прямых и обратных лопат, драглайнов, многоковшовых экскаваторов. Траектории движения ковшей вовремя заполнения могут быть прямолинейными, как у драглайнаи цепного рабочего органа, или криволинейными, как для одноковшовых экскаваторовили роторных. При криволинейном ротационном движении разгрузка ковшей может осуществляться под действием гравитационныхили инерционныхсил.

Бесковшовые рабочие органы срезают грунт, не перемещая его, а для транспортирования грунта служат специальные средства, как, например, лопатки скребкового цепного рабочего органаили выбросные лопатки ротационного рабочего органа.

Развитие конструкций рабочих органов землеройных машин характеризуется совершенствованием процессов их взаимодействия с грунтом, улучшением условий транспортирования и применением устройств, интенсифицирующих рабочие процессы.

При механическом способе разработки грунта рабочий орган землеройной машины, как правило, представляет собой клин, характеризуемый углом резания, заострения, задним углом и углом в плане (углом захвата).

При резании наиболее распространенных связных грунтов первоначально происходит уплотнение сжимаемого пласта, а затем сдвиг по плоскостям касательных напряжений, расположенных под некоторым углом к горизонту. Деформированный пласт грунта под напором вновь поступающего перемещается по рабочей поверхности клина в ковш или другое приемное устройство.

В пластичных грунтах при достаточно малых углах резания сдвиг не происходит, и грунт перемещается по рабочей поверхности клина в виде слитной стружки.

В сыпучем несвязном грунте перед клином образуется призма волочения, которая способствует перемещению его по рабочей поверхности.

Сложной задачей является выбор оптимальной скорости резания грунта. Обычными для землеройных машин являются скорости резания порядка 0,5 - 2,0 м/с. В этих пределах удельное сопротивление копанию с увеличением скоростей существенно не изменяется, если сохраняются постоянные сечения снимаемых стружек. При увеличении скоростей резания до 6 - 9 м/с (например, на ротационных рабочих органах с инерционным выбросом грунта) энергоемкость процесса копания возрастает на 30 - 50%. Следует, однако, иметь в виду, что с увеличением рабочих скоростей при неизменных геометрических размерах рабочего органа его производительность возрастает прямо пропорционально скорости. Это обеспечивает компактность и малую массу рабочего органа и машины в целом. При выборе рабочих скоростей должны учитываться все эти факторы.

Рабочие органы машин для земляных работ должны удовлетворять следующим требованиям:

- обеспечивать минимальную энергоемкость процесса резания с отделением разрабатываемого грунта от массива без непродуктивных затрат энергии на деформирование неразрабатываемого грунта;

- затраты энергии на перемещение разработанного грунта в емкости (ковши) или к транспортирующим органам для последующего перемещения к месту укладки должны быть минимальными, обеспечивать выполнение заданных технологических операций (движение рабочего органа в стесненных условиях, точность планировки и т.д.);

- должна соблюдаться правильная геометрия процесса резания при задаваемой траектории движения рабочего органа (сочетание рабочих движений и подачи в плоскости резания или перпендикулярной плоскости, сочетание движений поворота рукояти и ковша и т. п.);

- режущие элементы должны обладать прочностью, износостойкостью и самозатачиваться;

- должна обеспечиваться возможность применения быстросъемных сменных изнашивающихся элементов.