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, е), отвала (рис. 4.1, и), снабженного в нижней части режущими ножами. Рабочие органы в виде ковшей называют ковшовыми, в виде отвала с ножами — 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. Резание — 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.

Рис. 4.1. Рабочие органы землеройных машин:

а — зуб рыхлителя; б — ж — экскаваторные ковши прямой и обратной лопат, драглайна, погрузчика, планировщика; з — ковш скрепера; и — отвал бульдозера

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 К _р, равным отношению объемов грунта в разрыхленном и естественном состояниях (К _р = 1,1...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:

Категория немерзлого грунта	I	II	III	IV
Число ударов С	1…4(3)	5…8(6)	9…16(12)	17…35(25)
Категория мерзлого грунта	V	VI	VII	VIII
Число ударов С	35…70(50)	70…140(100)	140…280(200)	280…560(400)

Примечание. В скобках приведены средние значения С для каждой категории грунта.

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 параметрами (рис. 4.2, а); длиной режущей кромки b, углом заострения b, задним углом a, передним углом g, углом резания d = b + a и толщиной стружки h. Эффективность процесса резания обеспечивается при оптимальных углах резания и рациональной геометрии режущего инструмента. Оптимальные значения угла резания d составляют 30...32° для легких грунтов и 40...43° для тяжелых; угла заострения b = 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 В, высотой Н и радиусом кривизны r отвала, ковшовые — вместимостью q, шириной В, высотой Н и длиной L ковша.

Рис. 4.2. Геометрия режущих элементов рабочих органов землеройных машин

На взаимодействующий с грунтом рабочий орган (рис. 4.2, б) действует сила сопротивления его движению в грунте F ₀, раскладываемая на две составляющие — касательную F ₀₁ и нормальную F ₀₂ к траектории движения рабочего органа. Силу F ₀₁ (кН) можно представить в виде

, (4.1)

где F _р — сопротивление грунта резанию, кН; F _т — сопротивление трения рабочего органа о грунт, кН; F _п.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 F _р зависит от поперечного сечения срезаемой стружки, физико-механических свойств грунта и геометрии режущей части рабочего органа:

, (4.2)

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

Отношение величины F ₀₁ к поперечному сечению стружки представляет собой удельное сопротивление грунта копанию k _к = F ₀₁/(bh). Значения k _р, k _к 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 F ₀₂, представляющая собой сопротивление внедрению режущей части рабочего органа в грунт в направлении, перпендикулярном касательной составляющей F ₀₁, определяется из соотношения F ₀₂ = y F ₀₁, где y = 0,2...0,6 — коэффициент, зависящий от физико-механических свойств грунта и затупления режущей кромки. Более высокие значения y соответствуют большему затуплению режущей части. Равнодействующая усилий F ₀₁ и F ₀₂, направленная под определенным углом к траектории движения режущего органа: .

Таблица 4.1. Значения удельных сопротивлений резанию k _р