Визначення опору копання ґрунтів одноковшевими екскаваторами

Робочий процес або один цикл роботи одноківшевих екскаваторів складається з ряду послідовно виконаних операцій, основними з яких є: різання (руйнування) ґрунту; заповнення робочого органа зруйнованим ґрунтом; підйом і переміщення (поворот) робочого органа з ґрунтом до місця розвантаження; розвантаження (навантаження в транспорт) ґрунту; повернення робочого органа у вихідне положення. Окремі операції при цьому можна поєднувати: наприклад, різання ґрунту і заповнення робочого органа; підйом і переміщення робочого органа до місця розвантаження; опускання і поворот робочого органа у вихідне положення, що дозволяє зменшити час циклу.

Основні механізми, що забезпечують виконання перелічених операцій, можна назвати виконавчими і до них відносяться механізми підйому, натиску (тяги) і повороту. Для вибору раціональних параметрів цих механізмів, побудови кінематичних схем і обґрунтування параметрів приводів, важливим елементом проектування екскаваторів є визначення величини і характеру навантажень, що діють на робоче обладнання; причому однієї з визначальних технологічних операцій є різання ґрунтів. Під різанням ґрунтом, мається на увазі, процес відділення від ґрунтового масиву шматків або шарів (стружки) інструментом клиноподібної форми.

Для різання (руйнування) ґрунтів в одноківшевих екскаваторах застосовують ріжучий інструмент (робочий орган) у якого частина, що ріже, (руйнує) має форму клина з наступними геометричними параметрами [1, 2, 3]:

– кут різання – кут між передньою гранню клина і поверхнею різання або дотичної до цієї поверхні;

– задній кут – кут між задньою гранню клина і поверхнею різання або дотичної до неї;

– кут загострення – кут між передньою і задньою гранями клина.

Зусилля, що надається різальному інструментові повинне бути більше сумарного опору ґрунту руйнуванню .

З існуючої різноманітності теорій спрямованих на вивчення процесів різання ґрунтів для одноківшевих екскаваторів можна виділити: теорію копання ґрунтів по М.Г. Домбровському, розроблену в МІБІ, по якій сума робочих опорів при копанні ґрунтів названа опором ґрунтів копанню [3, ___]. При визначенні опору ґрунтів копанню розрізняють дотичну і нормальну складового процесу копання ґрунтів. М.Г. Домбровським запропонована формула для визначення складового опору копання щодо рівнобіжної траєкторії інструмента, що ріже, [3]:

,

де – опір тертю від переміщення робочого органа по ґрунті, Н;

– опір різанню, Н;

– опір від переміщення призми волочіння і наповненню ковша, викликаний переміщенням ґрунту в ковші, Н.

Надалі ця формула, стосовно до теорії академіка В.П. Горячкина (копання ґрунту плугом) була пристосована професором М.Г. Домбровським з урахуванням складного процесу копання і прийняла вид [3]:

,

де – коефіцієнт тертя ковша об ґрунт;

– нормальна складова ваги ковша, Н;

– коефіцієнт питомого опору різання ґрунту, Па;

і – ширина і товщина стружки, що зрізується, м;

– коефіцієнт опору наповненню ковша і переміщенню призми волочіння (емпірична величина, залежить від фізико–механічних властивостей ґрунтів);

і – об’єм ковша і призми волочіння, м³;

– коефіцієнт наповнення ковша.

З огляду на результати експериментальних досліджень процесів різання ґрунтів, а також особливість процесів взаємодії інструмента, що ріже, із ґрунтом і часток ґрунту між собою. Н.Г. Домбровським була запропонована формула для визначення опору копанню, що враховує всі три члени приведеної вище формули через дотичну складову [___]:

,

де – коефіцієнт копання (питомий опір копанню), Па;

і – параметри стружки, м.

Нормальну складову силу копання було запропоновано визначити за залежністю:

,

де – коефіцієнт, що залежить від режиму копання, для практичних розрахунків можна приймати .

Для визначення опору копанню по вище приведених формулах авторами [___] була приведена класифікація ґрунтів (див. табл. А1...А6), у яких зазначені значення питомих опорів різанню і копанню ґрунтів для різних робочих органів екскаваторів за різними методиками.

Подальший розвиток теорії різання і копання ґрунтів одержав у роботах ДорНДІ. А.М. Зеленіним була встановлена залежність опору різанню від параметрів інструмента, що ріже, і міцності ґрунту, причому міцність ґрунту було запропоновано визначати за допомогою густиноміра (ударника ДорНДІ), що являє собою стержень із площею поперечного перерізу 1 см² по направляючої якого переміщається вантаж масою 2,5 кг. Вантаж при падінні з висоти 40 см ударяє по нижній шайбі і за рахунок енергії удару стержень занурюється в ґрунт на глибину 10 см. По кількості ударів, необхідних для занурення стержня площею 1 см ² на глибину 10 см судять про міцності ґрунтів, при цьому вважається, що найбільш точні дані отримані для ґрунтів I…IV категорії по БНіП.

А.М. Зеленіним запропонована емпірична залежність опору різання ґрунтів від їхніх фізико–механічних характеристик, що враховані коефіцієнтом , що представляє собою число ударів густиноміра ДорНДІ

,

де – число ударів плотноміра, див. додаток А табл. А7;

і – глибина і ширина різання, м;

– кут різання, град;

– коефіцієнт, що враховує вплив кількості зубців і залежить від геометричних параметрів стружки.

Для практичних розрахунків варто приймати співвідношення , а кут різання °.

Приведеними залежностями з достатньої для практики точністю можна визначити навантаження, що діють на робочі органи і виконавчі механізми одноківшевих екскаваторів.

Подальше поглиблення й удосконалювання теорія різання ґрунтів одержала в роботах Ю.А. Вєтрова і В.Л. Баладінського. На кафедрі «Будівельні і дорожні машини» Київського національного університету будівництва й архітектури під керівництвом члена кореспондента Академії Наук України Ю.А. Вєтрова була розроблена теорія різання ґрунтів [1, 2], у якій враховані наступні фактори: просторова система різання ґрунтів, тобто враховане руйнування ґрунтів бічними ребрами; фізико–механічні характеристики ґрунтів; стан крайки, що ріже, (гостра або затуплена); геометричні параметри стружки. Це дозволило представити залежність опору різання ґрунтів у наступному виді:

,

де – опір ґрунтів «вільному» різанню, Н;

і – опір різанню ґрунтів бічними ребрами і стінками ковша з урахуванням руйнування ґрунтів у бічних розширеннях прорізу, Н;

– опору різанню ґрунтів з урахуванням затуплення крайки, що ріже, Н.

а) схема різання ковшем без зубців; б) різання «тупим» клином

Рисунок 2.2 – Схема різання ґрунтів по Ю.О. Вєтрову

1 – зубці ковша; 2, 3 – зони руйнування ґрунту зубцями; 4 – ріжуча кромка;

5 – бокові стінки ковша; 6 – зона руйнування

Рисунок 2.3 – Схема різання ґрунтів ковшем з зубцями за теорією

Ю.О. Вєтрова

На схемі (рис. 3.2) виділено три основних зони різання: I – зона вільного різання; II – зона різання бічними стінками і руйнування ґрунту в бічних розширеннях; III – зона руйнування ґрунту бічними ребрами.

Відповідно до представленої схеми далі викладена методика визначення опору різання розроблена в КНУБА [...]. При цьому вихідними параметрами являються: продуктивність екскаватора; час циклу; фізико–механічні характеристики ґрунтів; параметри забою, а саме висота копання для прямих лопат приймається рівною висоті натискного валу. У методиці використані позначення авторів [___].

1 Орієнтована місткість ковша (м³) [__]

,

де – продуктивність екскаватора, м³/год;

– час робочого циклу екскаватора, с;

– коефіцієнт розпушення ґрунту;

– коефіцієнт використання екскаватора в часі;

– коефіцієнт наповнення ковша.

2 Уточнена тривалість циклу в залежності від скорегованої продуктивності та ємності ковша, визначається по формулі

.

3 За уточненими та обирають місткість ковша екскаватора (зворотна лопата), тип конкретної машини та її характеристики.

4 Площа поперечного зрізу ґрунту ковшем екскаватора (см²)

,

де – висота (глибина) забою, м.

Для екскаватора з робочим устаткуванням „зворотна лопата” довжина шляху копання береться рівною найбільшій глибині вибою .

5 Товщина зрізаної стружки (см)

,

де – ширина ріжучої кромки ковша, м.

6 Площі лобових частин поперечного перерізу зрізу (см²)

,

де см – ширина зуба;

– глибина різання, см;

– кількість зубів на ріжучій частині ковша.

7 Площі бічних частин поперечного перерізу зрізу (см²)

.

8 Сумарна довжина ліній бічного зрізу ґрунту (см)

,

де – коефіцієнт глибини частини прорізу, що розширюється.

9 Середньо–максимальна дотична складова сили різання гострими зубами (Н)

,

де – питома сила для руйнування ґрунту перед лобовою гранню зуба при куті різання 45⁰, МПа;

– коефіцієнт, що враховує вплив кута різання;

– коефіцієнт, що характеризує відношення питомих сил різання в бічній і лобовій частинах прорізу (для вихідних даних);

– коефіцієнт, що характеризує відношення питомих сил різання бічними ребрами ножа й у лобовій частині прорізу для умов роботи.

10 Середньо–максимальна нормальна складова сили різання гострими зубами (Н)

,

де = 360° – кут різання;

= 18…20° – кут тертя ґрунту по сталі.

Для затуплених робочих органів виникає додаткова сила опору ґрунту (Н):

,

де – коефіцієнт, що враховує затуплення робочих органів і залежить від ширини площі зносу і товщини зрізу ,

для h = 2 см

для h = 5 см

для h = 10 см

для h = 20 см

Проміжні відносини можливо визначити методом інтерполяції;

– довжина зношеної різальної крайки зуба.

11 Середня дотична складова сили різання (Н)

,

де – коефіцієнт енергоємності процесу різання.

12 Середня нормальна складова сили різання (Н)

,

де рад – кут між траєкторією різання і площадкою зносу, .

13 Середня питома дотична сили різання (МПа)

.

14 Коефіцієнт питомої сили різання

,

де – питома сила копання для умовного ґрунту з нульовим опором різання, МПа;

– безрозмірний коефіцієнт.

З достатньою точністю для практичних розрахунків

МПа; .

15 Дотична складова сили копання (Н)

.

16 Нормальна складова сили копання (Н)

,

де – коефіцієнт, що характеризує співвідношення складових повної сили копання ґрунту.

Таким чином, за наведеними методиками можна визначити основні складові навантажень на виконавчі механізми одноківшових екскаваторів.

На основі розрахунків, проведених за даною методикою, та наукових досліджень по визначенню мінімальної енергоємності процесів різання ґрунтів, які проводились в Київському Національному Університеті під керівництвом професорів Ю.А. Вєтрова, В.Л. Баладінського та інших вчених цього університету були визначені основні напрямки удосконалення конструкцій робочих органів землерийних машин і зокрема раціональні параметри і геометричні форми ковшів механічних лопат і драглайнів.