Строительные машины и основы автоматизации

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ РАБОЧИХ ОРГАНОВ МАШИН С ГРУНТОМ

На процесс взаимодействия рабочего органа землеройной маши­ны с грунтом существенное влияние оказывают физико-механиче­ские свойства грунта, конструкция, геометрические параметры и ре­жимы работы рабочего органа.

Рабочие органы землеройных машин, отделяющие грунт от мас­сива механическим способом, могут быть выполнены в виде: зуба на стойке (рис. 4.1, а) для рыхления разрабатываемой среды, ковша оп­ределенной вместимости со сплошной режущей кромкой (рис. 4.1, д, ж, з) или оснащенной зубьями (рис. 4.1, б, в, г, ё), отвала (рис. 4.1, и), снабженного в нижней части режущими ножами. Рабо­чие органы в виде ковшей называют ковшовыми, в виде отвала с но-

жами — отвальными или ножевыми. Рабочий процесс землеройных машин с ковшовыми и ножевыми рабочими органами состоит из последовательно выполняемых операций отделения грунта от мас­сива, его перемещения (транспортирования) и отсыпки. Рабочие ор­ганы отделяют грунт от массива резанием и копанием. Р е з а - ние — процесс отделения грунта от массива режущей частью рабо­чего органа. Копание — это совокупность процессов, включаю­щих резание грунта, перемещение срезанного грунта по рабочему органу и впереди его в виде призмы волочения, а у некоторых ма­шин и перемещение грунта внутри рабочего органа. Сопротивление грунта копанию в 1,5...2,8 раза больше, чем сопротивление грунта резанию.

Физико-механические свойства грунтов характеризуются: гранулометрическим составом — процентным содержанием по массе частиц различной крупности;

плотностью — отношением массы к единице объема (для боль­шинства грунтов — 1,5...2 т/м3);

пористостью — отношением объема пор к общему объему грун­та (в %);

влажностью — количеством воды, содержащейся в порах грунта (в %);

связностью — способностью грунта сопротивляться разделению на отдельные частицы под действием внешних нагрузок;

разрыхляемостью — свойством разрабатываемого грунта увели­чиваться в объеме при постоянстве собственной массы, которая вы­ражается коэффициентом разрыхления Кр, равным отношению объ­емов грунта в разрыхленном и естественном состояниях (*Р = 1Д...1,4);

углом естественного откоса — углом у основания конуса, кото­рый образуется при отсыпании разрыхленного грунта с некоторой высоты;

пластичностью — способностью грунта деформироваться под действием внешних сил и сохранять полученную форму после сня­тия нагрузки;

сжимаемостью — свойством грунтов уменьшаться в объеме под действием внешней нагрузки;

прочностью — способностью грунта сопротивляться разруше­нию под действием внешних нагрузок;

сопротивлением сдвигу — сцеплением частиц грунта между со­бой;

коэффициентами трения грунта о сталь (0,55...0,65) и грунта по грунту (0,3...0,5);

абразивностью — способностью грунта (породы) интенсивно из­нашивать (истирать) взаимодействующие с ним рабочие органы ма­шин;

липкостью — способностью грунта прилипать к поверхности ра­бочих органов.

Различают грунты нескальные (песок, супесь, суглинок, глина и т. п.), разборно-скальные (сцементированные глины — аргаллиты, гипс, мел, известняки и др.) и скальные (плотные известняки, доло­мит, мрамор, песчаник и др.). Грунты, имеющие положительную температуру, называют немерзлыми (талыми), отрицательную — мерзлыми, если они содержат лед, и морозными (охлажденными), ес­ли лед в их составе отсутствует. Наличие льда в мерзлых грунтах су­щественно повышает их прочность и затрудняет работу землерой­ных машин. Нескальные немерзлые грунты разрабатывают обычными землеройными средствами, скально-разборные и мерз­лые грунты с небольшой глубиной промерзания перед разработкой предварительно разрыхляют механическим способом. Скальные и мерзлые грунты с большой глубиной промерзания предварительно разрыхляют взрывным способом.

В некоторых случаях мерзлые грунты разрабатывают специаль­но предназначенными для этих целей землеройными машинами. Для оценки трудности разработки нескальных мерзлых и немерз­лых грунтов обычно пользуются предложенной А. Н. Зелениным классификацией грунтов, разбитых на восемь категорий по числу ударов (числу С) динамического плотномера (ударника) ДорНИИ. Категория грунта определяется числом ударов, которые необходи­мы для погружения в грунт на глубину 10 см цилиндрического стержня плотномера площадью 1 см2 под действием груза весом 25 Н, падающего с высоты 0,4 м и производящего за каждый удар работу в 10 Дж. Классификация грунтов по числу С приведена ниже:

При отделении грунта от массива механическим способом рабо­чему органу землеройной машины сообщаются обычно два движе­ния — вдоль (главное движение) и поперек (движение подачи) сре­заемой стружки грунта (рис. 4.2), которые могут выполняться раздельно или одновременно.

Режущая часть (кромка) рабочего органа, имеющая обычно форму клина, характеризуется следующими геометрическими пара­

метрами (рис. 4.2, я); дли­ной режущей кромки Ь, уг­лом заострения р, задним углом а, передним углом у, углом резания 5 = (3 + а и толщиной стружки к. Эф­фективность процесса реза­ния обеспечивается при оп­тимальных углах резания и рациональной геометрии режущего инструмента. Оп­тимальные значения угла резания 5 составляют 30...32° для легких грунтов и 40...43° для тяже­лых; угла заострения р == 25...27° для легких и 32...35° для тяжелых грунтов. Задний угол принимают равным не менее 6...8°. Ножевые рабочие органы землеройных машин характеризуются также дли­ной 5, высотой Н и радиусом кривизны г отвала, ковшовые — вме­стимостью <і, шириной В, высотой Н и длиной L ковша.

На взаимодействующий с грунтом рабочий орган (рис. 4.2, б) действует сила сопротивления его движению в грунте Fo, расклады­ваемая на две составляющие — касательную Foi и нормальную Foi к траектории движения рабочего органа. Силу Foi (кН) можно пред­ставить в виде

Fo і — Fp + FT + F[і. в, (4-1)

где FP — сопрот ивление грунта резанию, кН; FT — сопротивление тре­ния рабочего органа о грунт, кН; Fn в — сопротивление перемещению призмы волочения и грунта в рабочем органе, кН.

Сопротивление грунта резанию представляет собой сопротивле­ние внедрению передней грани рабочего органа в грунт в направле­нии главного движения.

Величина Fp зависит от поперечного сечения срезаемой стружки, физико-механических свойств грунта и геометрии режущей части рабочего органа:

Fp = kpbh, (4.2)

где кР — удельное сопротивление грунта резанию, кПа; b и h — шири­на и толщина стружки, м.

Отношение величины Foi к поперечному сечению стружки представляет собой удельное сопротивление грунта копанию кК - Foil(bh). Значения кР, кК выбирают по табл. 4.1 и 4.2, в кото­рые сведены данные, полученные экспериментальным путем для

различных категорий грунтов, и видов рабочих органов. Значения удельных сопротивлений резанию и копанию растут с увеличением

прочности грунта. Нормальная составляющая сопротивления ко­панию Fni, представляющая собой сопротивление внедрению режу­щей части рабочего органа в грунт в направлении, перпендикуляр­ном касательной составляющей Fo, определяется из соотношения F02 - \1F0], где \i - 0,2...0,6 — коэффициент, зависящий от физи­ко-механических свойств грунта и затупления режущей кромки. Более высокие значения ц/ соответствуют большему затуплению режущей части. Равнодействующая усилий Foi и Foi, направленная под определенным углом к траектории движения режущего орга­на: Fo = V^m+^02-