1. РАЗРАБОТКА ГРУНТОВ ЗЕМЛЕРОЙНЫМИ МАШИНАМИ

1.1. Анализ существующих теорий процесса разработки грунтов землеройными машинами

Для разрушения прочных и мерзлых грунтов применяются как специальные рабочие органы, так и обычные. Вследствие повышенной прочности грунта требуется подводить больше энергии к забою или изменять способ воздейств я на грунт.

Основными способами разрушения прочных грунтов являются меха-

пульсе мощности, в сотни и тысячи раз превышающие мощность источника энергии. При этом способе в породе возникает фронт ударной волны, разрушающий ее.

6

Способ ультразвукового или звукового разрушения состоит в передаче колебаний торца инструмента разрушаемой породе непосредственно или через суспензию абразива, подаваемого к зоне разрушения. Во втором случае колеблющиеся зерна абразива внедряются в породу и разрушают ее. При непосредственной передаче колебательной энергии разрушаемой среде в ней возникают упругие волны, которые разупрочняют или разрушают прочный грунт.

В настоящее время доминирует способ механического разрушения

прилагающейобразован я опережающ х трещин.

Способ слабыхразрушен я грунтов при малой скорости приложения силового воздейств я называютАстатическим. Так как сопротивление мерзлых и прочных грунтов разрушению в процессе скола изменяется весьма значительно в малые промежутки времени, то в отличие от немерзлых грунтов этот термин к мерзлым грунтам можно принять чисто условно. Амплитуда изменения силы резания мерзлых и прочных грунтов составляет в среднем 0,7 среднемаксимальной величины. Такие колебания силы обусловливают и динамические воздействия на рабочее оборудование, и динамичность самого процесса разрушения грунта. При разработке таких грунтов преобладающую часть силы копания составляет сопротивление

резанию, тогда как силы, необходимыеДдля преодоления сопротивления перемещению призмы волочения, заполнению ковша и т.п., не играют значительной роли. Нагрузку при статическом разрушении грунтов повышенной прочности нужно прикладывать более сосредоточенную, чем на мягкие грунты: это необходимо для получения на поверхности контак-

та достаточно высокого давления для внедрения рабочего органа в массив

Резанием называется процесс отделения слоев или кусков (стружки) грунтов от массива с целью его разработки. Резание имеет множество раз-

новидностей: это и рыхление, и бурение, и копание, и рубка. Но в любом случае, резание связано с отделением какой-либо части от массива при помощи инструмента клинообразной формы.

7

Основным методом механической разработки грунтов является резание с послойным отделением стружки, так как по сравнению с другими способами требует наименьших энергозатрат. В зависимости от положения режущей кромки инструмента, очертания рабочей поверхности режущего клина и режущей кромки, а также ее положения относительно поверхности массива, числа рабочих и блокированных поверхностей выделены разновидности процесса резания с отделением стружки (табл. 1.1).

клином. Наибольшее же распространение получилИспособ прямоугольного резания клиновидным рабочим органом, имеющего плоскую поверхность

контакта с грунтом. В основе конструирования рабочего оборудования землеройных и землеройно-транспортных машин лежит именно такой способ резания. Большинство из конструкций рабочих органов дорожных, строительных и землеройных машин можно представить в виде клиньев или сочетаний клиньев с различными элементарными профилями. Рабо-

8

чие органы бульдозеров, грейдер-элеваторов и автогрейдеров можно представить в виде клина с отвальной поверхностью, скреперов и экскаваторов – в виде клина с ковшом, который может иметь зубья, рыхлителя – в виде клина со стойкой.

При помощи рабочих органов осуществляется процесс копания грунтов, состоящий из трех основных частей: отделение части грунта от основного массива, перемещений его вдоль или впереди рабочего органа – отвала или ковша и перемещение грунта внутри ковша. Резание как процесс отделен я грунта от массива в чистом виде практически не встречается, так как оно всегда сочетается с формированием стружки из грунта и перемещен ем ее по рабочему органу, подъемом или отодвиганием грун-

где Р – с ла резан я грунта; Р – сила перемещения призмы волочения;

именно на сопротивлениенеобходиморезанию приходится наибольшая часть силы

Рзап – сила заполнен я ковша грунтом (для ковшовых машин).

Как в дно, сопрот вление резанию – не единственное сопротивле-

ние, которое преодолеть при разработке грунта. Тем не менее,

копания грунта.

на достигает 80 – 83% сопротивления копанию. ля ковшей скреперов

преобладающее значение сила резания имеет для грунтов II категории и И

Расчеты составляющих сил копания супесчаного грунта бульдозером при условии продвижения последним полной призмы волочения показали, что 60 – 84% силы копания приходится на преодоление сопротивления резанию грунта.

Таким образом, сила сопротивление резанию грунта имеет преобладающее значение в составе суммарного рабочего сопротивления землеройных машин. Поэтому для более полного понимания процесса копания грунта необходимо уделить внимание более точному определению величин и закономерностей сопротивления грунта резанию. Исследования показали, что силы сопротивления при работе землеройных машин зависят

9

не только от физико-механических свойств грунтов, но и от конструкции и кинематики рабочих органов, применяемых для выполнения работ. Поэтому для уменьшения сил сопротивлений большое значение имеет выбор оптимальной формы рабочих органов, конструкции и размеров их режущих кромок.

уществуют различные теории резания грунтов. Одни из них базируются на основных положениях механики сплошной среды, другие – на теориях упругости и прочности. И первые, и вторые теории используют экспериментальные данные по свойствам грунтов и учитывают параметры

гановНи, удельные показатели грунта и условия его разработки.

ПрименениебАизвестных теорий для исследовательских целей связано с трудностями, возникающими при получении необходимых физикомеханических показателей грунтов, широким диапазоном изменений грунтовых условий, сложностью существующих зависимостей для опре-

Получен е ч сто аналитических зависимостей в области резания грунтов сдерж вается, прежде всего, недостаточной изученностью процесса разрушен я грунтов. одна из теорий упругости, прочности или механики сплошной среды не раскрывает полностью сути процесса разрушения грунтов под действием внешних нагрузок. При получении аналитической зависимости для определения сопротивления грунта резанию

необходимо учесть целый ряд многочисленных факторов, влияющих на его величину. Не всегда возможно определение этих факторов также и аналитическим путем. Зачастую их значения определяются эмпирически.

деления сопротивлений резанию грунтов.

Д Исходя из этого, актуальной является задачаИразработки теории ре-

зания грунтов, определяющей аналитическую взаимосвязь между основными факторами, влияющими на сопротивление рыхлению, и имеющей практический выход на получение основных параметров рабочих органов.

Среди работ по исследованию резания и рыхления мерзлых и немерзлых грунтов можно выделить труды следующих ученых: В.П. Горячкина, Н.Г. Домбровского, А.Д. Далина, А.Н. Зеленина, .Я. Айзенштока, В.Д. Абезгауза, Г.И. Веселова, Ю.А. Ветрова, Д.И. Федорова, К.А. Артемьева, В.И. Баловнева, И.П. Керова, И.А. Недорезова, Е. . Берестова, А.С. Слюсарева, В.Л. Баладинского, А.М. Завьялова [2, 4, 6, 7, 12, 13, 22,

10

24]. Среди зарубежных исследователей основы изучения данного вопроса заложили: В. Зене, Нерло-Нерли, М. Никольс.

К первым работам, касающимся определения общего сопротивления грунтов разработке, можно отнести исследования В.П. Горячкина, который получил формулу для определения общего сопротивления плуга

где G – вес плуга; f – коэффициент трения плуга о почву; K – удельное сопротивлен е резан ю; ab – площадь поперечного сечения пласта; abV2 – сопротивлен е грунта отбросу его плугом в сторону.

ды, силы сопрот влен я деформированию срезаемого пласта почвы и силы сопрот влен я перемещению этого пласта. Первая из составляющих сил не зав с т от глу ны резания, вторая – пропорциональна площади его поперечного сечен я и третья, вызываемая необходимостью преодо-

леть его массы, зависит от скорости резания.

инерцюилу сопрот влен я плугу В.П. Горячкин предложил считать состоящей з трех составляющих: силы сопротивления трению о дно бороз-

Сопрот влен е плуга Pк относилось к единице площади поперечного сечения борозды, по полученному соотношению судили о сопротивлении почвы при ее разра отке. При этом составляющие силы сопротивления почвы имеют различный характер, так как сила трения плуга о дно борозды не зависит от площади ее сечения в отличие от остальных со-

Из зарубежных авторов, заложивших основы процесса лобового резания грунтов, представляют интерес работы Е. инглингера и . Ратье, проводимые в Ганноверском политехническом институте. Результаты их лабораторных исследований, которые проводились в канале с искусственно увлажненным и уплотненным песком, указывают на закономерность протекания процесса резания грунтов элементарными профилями, например, разрезающими ножами. Однако анализ полученных экспериментальных данных не позволяет использовать их для машин естественного размера, работающих при нормальных эксплуатационных условиях.

11

В ходе проведения экспериментов Е. Динглингером было сделано открытие о так называемой критической глубине для разрезающих ножей. Дело в том, что грунтовое тело, отделяемое от массива ножом, увеличивается лишь до некоторой критической глубины. При дальнейшем заглублении ножа в массив зона разрушения грунта не увеличивается. Поэтому можно предположить, что давление по лобовой грани ножа вследствие сжимаемости грунта с увеличением глубины резания возрастает медленнее, чем это необходимо для отделения элемента грунта от массива. Таким образом, деформац уплотнения грунта могут достигать такой величины,

чей среды. ТелобАвыпора, в соответствии с допущением Кулона, рассматривалось И. Ратье как треугольная призма перед лобовой гранью и два конических сектора по окам. Это указывает на попытку И. Ратье в какой-то степени предусмотреть пространственность взаимодействия ножа с грунтом. Сила резания определялась как сумма сил преодоления тяжести тела выпора и сопротивления перемещения его по поверхности ножа и сдвига в грунтовом массиве. Поэтому в расчетной формуле для определения силы резания введены составляющие от сопротивления трения по боковым поверхностям тела выпора и ножа. Эти составляющие вызывались силами активного и пассивного давления грунта Еа и Еп, которые находились из условия плоской задачи. Работы И. Ратье, исключающие применение их результатов в практических целях, доказывали возможность установления закономерностей резания грунтов экспериментальным путем.

Исследования, проводимые ФранциусомДи Штреком, в отличие от И. Ратье, указывают на невозможность применения формул Кулона для расчета подпорных стен при определении сопротивления резанию.

Результаты исследований, проводимых А. . алиным, позволили получить в первом приближении методы и коэффициенты для расчета ро-

Эмпирические зависимости, применяемые для расчёта сил резания грунтов, по структурным признакам можно разделить на несколько групп.

К первой группе можно отнести формулы, выражающие зависимость усилия резания от размеров сечения стружки и удельного сопротивления

12

резанию. Основой для этой группы можно считать формулу Н.Г. Домбровского

где Г – коэффициент сцепления грунта; h – глубина рыхления, м; m1, m2 – коэффициенты, зависящие от угла внутреннего трения, угла резания.

Экспериментальные исследования Н.Г. Домбровского, направленные на определение влияния объема ковшей на усилие копания, позволили получить материал для проектирования экскаваторов и нормирования экска-

сопротивленковша о поверхность за оя.Для практических расчетов Н.Г. Домбровским предложена упрощенная формула В.П. Горячкина, учитывающая рабочее

Н.Г. ДомбровскийбуказывалАна необходимость дальнейшего изучения процессов копания и резания грунтов и впервые высказал мнение о том, что силы резания и копания находятся в зависимости от величины и формы сечения среза. Удельное сопротивление копанию грунта тем выше, чем больше значение гидравлического радиуса – отношение длины режу-

сопротивлен е копан ю с помощью коэффициента удельного сопротивления, значен я которого получены эмпирически:

где k– коэффициент удельного сопротивления, не зависящий от геометрических условий процесса.

щего периметра ковша к площади поперечного сечения среза:

Позднее авторами вводились в формулы эмпирическиеИкоэффициенты, учитывающие влияние физико-механических свойств материала, геометрии инструмента и режимов рыхления.

13

Вторая группа эмпирических формул характерна тем, что сила резания в них выражается через опытные коэффициенты, определяемые в производственных или лабораторных условиях:

где с – предел прочности при всестороннем сжатии; kp, ks – коэффициенты сопротивления резанию, внедрению; ux– длина торцевой площадки износа; о – относительное притупление лезвия.

Либо эта с ла выражается в сравнении с величинами, полученными

на эталонном нструменте:

висимостигде A1 – показатель сопротивляемости резанию; 1 – угол бокового развала борозды рыхленбАя; Scp – среднее сечение среза; kt h – коэффициент обна-

жения забоя, характер зующий изменение удельной энергии резания в заот соотношен я размеров ширины и толщины срезов; k – ко-

эффициент вл ян я угла резания; kот – коэффициент влияния отжима грунта.

В четвёртую группу можно выделить те эмпирические зависимости, авторы которых считают, что процесс разрушения инструментом впереди лежащего слоя состоит из независимых процессов сжатия и среза или сжатия и отрыва отдельных частей материала, составляющих весь разру-

где mсв, mбср, mб – коэффициенты, характеризующиеДудельное сопротивление разрушению грунта в средней части прорези; в боковых её расширениях, вдоль боковых рёбер ножа; n – число блокированныхИсторон среза.

шаемый объём:

Анализ вышеприведённых формул показывает, что структура некоторых формул для определения сил резания неполно отражает физику и механику процесса резания, и размерность входящих в неё коэффициентов иногда является случайной, зависящей от принятой формы аппроксимирующей функции. Некоторые авторы ставят усилия, возникающие на рабочем органе, в зависимость от трудноопределяемых практически параметров (угол скола основного элемента стружки, толщины уплотнённого ядра и др.). Это затрудняет практическое использование предлагаемых методов расчёта. Кроме того, эмпирические коэффициенты обычно опре-

14

деляются для конкретных случаев и не отражают того огромного диапазона условий, который встречается при эксплуатации машин.

Тем не менее, все вышеприведённые формулы включают в себя коэффициенты, учитывающие влияние параметров и их изменения в результате затупления рабочего органа на силу резания.

В работах И.Я. Айзенштока, в которых процесс резания грунта простым ножом с острой кромкой рассмотрен как плоская задача, сопоставлены три формулы для расчета силы резания. Первая из них получена из выражен я с лы пасс вного давления грунта, вторая – из выражения силы пассивного давлен я грунта по способу Кулона. Третья получена И.Я. Айзенштоком преобразован ем формулы И.А. Зворыкина для расчета силы

материала в бАжесткой матрице позволяет определить ряд характеристик, описывающих объемно-напряженное состояние грунта в процессе его деформирования.

как зона разрушения превышает зонуДвнедрения рабочего органа. Разрушение грунта возникает в результате действия так называемых волн на-

Особый интерес вызывают работы В. Л. Баладинского, направленные на исследование процесса динамического разрушения грунта. При увеличении рабочих скоростей изменяется режим разрушения грунта, так

пряжений, которые увеличивают мгновенную прочность среды. В результате уменьшаются величина относительной объемной деформации и энергия разрушения грунта.

Гипотеза разрушения А. Ф. Кичигина основанаИна учете периодического существования раздробленного ядра при резании углей. Ядро формируется из частиц разрушенных (раздробленных) резцом при сдавливании в условиях, близких к всестороннему сжатию. У вершины ядра под действием возникающих в нем нормальных давлений и сил трения, истекающих из ядра раздробления пылевидных частиц, образуется трещина. Затем раскры-

15

ваются трещины, и под действием упругих деформаций массива отрываются крупные элементы. При ударе внедрение пики в массив сопровождается дроблением горной породы, образованием уплотненного ядра и интенсивным истечением составляющего его сыпучего материала через зазор между пикой и массивом. Ядро образуется как при статическом, так и при динамическом нагружении во всех условиях и режимах работы и имеет вершину, вокруг которой концентрируются напряжения и образуются трещины.

Работы К.А. Артемьева посвящены теоретическому обоснованию процесса резан я копания грунтов, позволяющие определить сопротив-

правлен я поверхностей скольжения находятся графическим методом, а

при ется графоаналбт ческ й, сущность которого заключается в том, что на-

окончательное решен е дается в аналитической форме. Для отыскания

женные состояния грунта, при которых некоторое, даже малое, изменение объемных или поверхностных сил приводит к потере равновесия. Такие состояния грунта до разрушения зависят от основных механических постоянных, характеризующих сопротивление сыпучей среды сдвигу. Для равновесия сыпучего тела необходимо, чтобы сдвигающая сила была меньше сил внутреннего трения и сцепления. В состоянии предельного равновесия, то есть в состоянии, непосредственно предшествующем сдвигу, должно удовлетворяться равенство

где μ – коэффициент внутреннего трения; N – равнодействующая нормальных сил; с – сила сцепления, приходящаяся на единицу площади, по которой проходит сдвиг; F – площадь сдвига.

Д T N cF , И(1.11)

Приняв для сыпучего тела гипотезу о сплошности, можно написать условие предельного равновесия сыпучего тела в точке в форме напряжений:

16

СЕсли во всех точках сыпучего тела, образующих некоторую поверхность, наступает состоян е предельного равновесия, то эта поверхность называется поверхностью скольжения. При этом весь объем, ограниченный этой поверхностью отделенный от остальной части сыпучего тела, будет наход ться в состоянии предельного равновесия.

давлением связности.

состояниеразрушен я грунта под действием внедрения в него рабочего органа возн кает сначала за контуром давления на некотором удалении

Особое бАвнимание пространственному взаимодействию рабочих органов с грунтом, их затуплению и износу уделено в работах Ю.А. Ветрова [6]. Исследованиями было доказано различие удельных величин сопро-

На основан г потезы А. И. Спивака и А. Н. Попова предельное

от него, но при этом по контуру давления образуются незначительные кольцевые трещины. Предельное состояние наступает в удаленной зоне, рост которой приводит к соединению трещин, образованию кругового скола и отделению материала. Затем происходит разрушение ядра вдавливания и вынос его из зоны рабочего органа на поверхность.

тивлений резанию грунта в разных частях трапецеидальной прорези, образующейся после прохода машины. В боковых ее расширениях удельное сопротивление грунта по отношению к единице площади в несколько раз

17

где P св – сила для преодоления лобовых сопротивлений ножу; P бок– силы разрушения грунта в боковых расширениях прорези; P бок.ср– силы

бокового среза.

При затуплении рабочего органа к известным силам добавляется сила на затупленной режущей кромке ножа Pзат(пл.изн):

Снаиболее т п чном элементном стружкообразовании сразу же после отде- сопротивленления элемента стружки нож продвигается в массиве, преодолевая постепенно увел ч вающееся сопротивление грунта (рис. 1.1, а). Отделивший-

Ю.А. Ветровым подробно рассмотрена динамика процесса стружко-

образован я пер од чность сил сопротивления грунта резанию. При

ся элемент стружки в это время скользит по передней грани ножа. Сила

мента стружки, падает до наименьшей величины, соответствующей со- ю грунта смятию нижней частью ножа и срезу его боковыми

ребрами.

По мере дальнейшего продвижения ножа постепенно увеличивается

поверхность его контакта с массивом. Одновременно возрастают давление и суммарная сила сопротивления грунта по этой поверхности. После достижения давлением предела сопротивлений грунта в области массива, примыкающей к ножу, происходят отделение промежуточного грунтового тела и соответствующее местноепадение силы сопротивления (рис.1.1,б, в).

я грунта, достигающая максимума в момент отделения эле- бА

Последующее продвижение ножа ведет к вытеснению промежуточного тела под ранее отделившийся элемент стружки и новым увеличениям поверхности контакта ножа с массивом и сил сопротивления. В

Это возрастание продолжается пока предельноеИнапряженное состояние грунта не распространится на всю область массива между его свободной поверхностью и передней гранью ножа. К этому же моменту сила сопротивления грунта вновь достигнет наибольшей величины. Последующее образование поверхности сдвига или скола, идущей от лобовой грани ножа к свободной поверхности массива, завершает цикл. Сила сопротивления грунта вновь падает до минимума, после чего цикл повторяется (рис. 1.1, е). Такой процесс отделения стружки характерен для

18

большинства грунтов. Он видоизменяется в зависимости от вязкости или хрупкости, а также слоистости грунтов.

Повышенная хрупкость (обычно у плотных, полускальных и скальных грунтов) проявляется в увеличении числа промежуточных тел, отделяющихся в интервале элемента стружки. Кроме того, в этих условиях уменьшаются поверхность смятия массива лобовой гранью ножа и толщина элемента стружки; амплитуда колебаний сил сопротивления грунта увеличивается. Последние при отделении элемента стружки уменьшаются иногда почти до нуля. У грунтов с повышенной пластичностью и вязко-

Рис.1.1. Схемы периодичности сил сопротивления грунта и отделения элементов стружки

19

При отделении ступенчатой стружки колебания сил резания сокращаются еще больше; после отделения элемента стружки сила сопротивления грунта уменьшается на 0,2 − 0,3 максимальной величины, а промежуточные грунтовые тела не образуются. В случаях отделения сливной стружки колебаний сил резания, связанных с периодичностью стружкоот-

деления, не наблюдается.

Сниястружкиочередного элемента .

лоистость по направлению движения ножа или другая неоднородность грунта, приводящая к отделению элементов стружки типа отрыва, вносят изменен е в ц кл, заключающееся в продлении области минимума сопротивлен я грунта. Это происходит в то время, когда режущая кромка ножа еще не встречает сопротивления со стороны массива после отделе-

бАа б

а– сливной; б – ступенчатойД; в – элементной; г – отрыва

Всоответствии с изложенным, можно выделитьИчетыре типа колебаний сил сопротивления грунтов (рис. 1.2, а − г): при отделении сливной стружки колебания сил сопротивления грунта практически отсутствуют; при ступенчатой стружке изменения сил сопротивления грунта отличаются пилообразной кривой с амплитудой изменений в пределах 0,2 − 0,3 наибольшего значения; при элементном стружкоотделении, наиболее характерном для резания грунтов, амплитуда колебаний сил сопротивления грунта достигает 0,4 − 0,9 наибольшей величины, причем на восходящих ветвях динамограмм появляются дополнительные скачки, соответствующие отделению промежуточных грунтовых тел; при отделении стружки

20

отрыва на динамограммах появляются интервалы минимума силы сопротивления грунта, соответствующие участкам движения ножа без соприкосновения с грунтом массива; сопротивления появляются только от упора элемента стружки.

Несравнимый вклад в теорию резания грунтов внесли работы А.Н. Зеленина [13]. Его экспериментальные и теоретические исследования в области резания грунтов касались вопросов определения влияния глубины резания на усилие резания, распределения напряжений в разрабатываемой среде, вл ян я параметров рабочих органов землеройных машин и

где r– радиус зaтyпления; a– величина площадкиИизноса.

Результаты лабораторных исследований по резанию мерзлых грунтов подтвердили гипотезу А.Н. Зеленина об общности протекания процесса разрушения мерзлых и немерзлых грунтов и позволили установить закономерности изменения величины сопротивления рыхлению грунта как функцию геометрических параметров рабочих органов.

21

r

Совокупность уравнений, описывающих динамическое состояние рабочей среды, явилась основой для построения иерархической системы математических моделей динамики взаимодействия рабочего оборудования дорожно-строительных машин со средой.

Данная система математических моделей включает три степени

- декомпозиционные модели; - базисные модели; - модели рабочих процессов.

Декомпозиционные модели процессов рассматриваемых взаимодействий представляют собой обобщенные математические модели некоторых элементарных взаимодействий. Базисные Имодели – это объединение математических моделей, описывающих наиболее характерные (базисные) взаимодействия реальных рабочих органов дорожно-строительных машин со средой. Модели рабочих процессов – это интегральные математические модели, интерпретирующие рабочие процессы реальных машин. Эти модели получаются в результате композиции и синтеза моделей низших уровней.

Разработанные основы теории содержат такой аппарат математических моделей, который позволяет значительно раздвинуть область аналитически решаемых вопросов, связанных с динамикой взаимодействия, совершенствовать методы расчета дорожно-строительных машин.

22

Анализ представленных теорий резания грунтов позволяет сделать следующие выводы. Основные положения первых теорий резания грунтов являются анализом результатов экспериментальных исследований по установлению качественных или количественных связей между параметра-

ми рабочих органов, условиями и режимами резания, а также физикомеханических свойств грунтов и сопротивления грунта разработке. Далее Скак результат накопления эмпирических зависимостей возникает необхо-

димость в разработке аналитического подхода к решению задачи описания процесса вза модействия рабочих органов машин с грунтом. Вопрос

решается при помощи спользования основных положений механики сплошнойисреды теор прочности. Но показать данный процесс на

этом этапе возможно л шь с точки зрения статики. И только понимание процесса пространственного взаимодействия рабочих органов машин с грунтом позвол ло оп сывать этот процесс в динамике.

бА1.2. Про лемы разра отки мёрзлых грунтов

Возможность круглогодичного производства работ не только увеличивает производительность существующего парка машин и сокращает их простои, но и спосо ствует сокращению сроков ввода объектов в эксплуатацию, ликвидирует сезонность в различных отраслях строительства, улучшает экономические показатели производственных объектов, уменьшает текучесть кадров. Д

Отдельные виды работ (срезка кустарника, культуротехнические работы, прокладка каналов на неосушенных территориях и другие) обычно выполняются только в зимний период, так как в другое время года недостаточная несущая способность грунтов снижает эффективность работы

1)предохранение грунтов от промерзанияИили уменьшение глубины промерзания сезонно-мёрзлых грунтов (сохранение энергетического и структурного состояния грунта);

2)тепловое оттаивание мёрзлых грунтов (без механического нарушения структуры);

23

3) механическое нарушение структурного состояния рыхлением или без нарушения его сплошности.

Указанные методы могут быть сгруппированы по видам энергии, используемой для нарушения или предотвращения появления цементационных связей (механическая, лучевая, магнитная и др.), либо комбинированные (термомеханическая, электромеханическая и др.).

1. Предохранение грунтов от промерзания. Предохранение грунтов, подлежащих разработке в зимний период, от промерзания может выполняться следующ ми способами:

-предвар тельной механической обработкой поверхности грунтов; -покрыт ем поверхности теплоизоляционными материалами;

как правило, одной машиной – разрушение и экскавация осуществляется

ки, достаточные для разрушения мёрзлого грунта.

-баровые, дискофрезерные и бурильные машины (резание тонкими стружками);

-роторные и цепные траншейные экскаваторы (резание крупным сколом);

-одноковшовые экскаваторы с ковшом активного действия;

24

-средства гидромеханизации с высоконапорными струями (гидромониторы).

Существенными недостатками машин этой группы являются высокая энергоёмкость процесса сплошного резания и повышенный абразивный износ рабочих органов.

Рыхление мёрзлых грунтов. Нарушение цементационных связей мёрзлого грунта путём его рыхления, нарушение структурного состояния получило наибольшее распространение, так как позволяет использовать для последующей экскавации мёрзлого грунта обычные землеройные и

Сможет осуществляться:

землеройно-транспортные машины.

Факторами, сдерж вающими широкое распространение буровзрывного способа рыхлен я мёрзлого грунта, являются сейсмический эффект, отсутств е надёжных спосо ов управления разлётом кусков и значительный вынос минерализованного грунта на поверхность близлежащих уча-

Рыхлен е мёрзлых грунтов является подготовительной операцией и

-с нарушен ем сплошности;

-без нарушен я сплошности.

В производственныхбАусловиях для предварительной разработки грунтов широко применяют машины ударного действия, работающие по принципу падающего рабочего органа или с забиваемым рабочим органом. Машины со свободно падающим рабочим органом осуществляют

Достаточно эффект вным, но трудоёмким является буровзрывной

способ рыхлен я мёрзлого грунта.

стков.

Основным спосо ом разрушения мёрзлого и прочного грунтов явля-

ется механическое рыхление.

объёмное разрушение грунта с образованиемДповышенной трещиноватости массива, достаточной для последующей экскавации грунта. Машины с забиваемым рабочим органом и с падающим, перемещаемым по направляющим, осуществляют рыхление грунта крупным сколом. Благодаря перемещению рабочего органа по образующейся лидирующей трещине раз-

рушение грунта крупным сколом существенно эффективнее объёмного

При ограниченных объёмах земляных работ разрыхляют грунт механизированным инструментом (отбойные молотки, термобуры, взрывной

инструмент и др.), либо применяют высокомобильные малогабаритные рабочие органы на пневмоколёсных тракторах (винтовой мерзлоторыхлитель, подпружиненный клин-молот, машины ударного действия и др.).

25

Для послойного рыхления мёрзлых и прочных грунтов применяют навесные рыхлители статического и динамического действия, землеройнофрезерные машины, вибровальцовые рыхлители. Наибольшей производительностью обладают серийно выпускаемые навесные рыхлители, особенно при работах линейного характера при глубине промерзания мерзлого грунта 0,6 − 1,0 м.

Организации используют многообразные способы разработки мёрзлых и прочных грунтов, ориентируясь преимущественно на имеющиеся в наличии определённые машины и приспособления, нередко не учитывая

26

27

и абразивности мёрзлых грунтов. В то же время указанные машины имеют малую производительность, повышенный износ узлов и деталей и далеко не лучшие технико-экономические показатели: энергоёмкость процесса разработки грунта машинами со свободно падающими рабочими органами составляет 9 – 15 кВт-ч/ м3, трудоёмкость – 0,1–0,2 чел-ч/ м3. Наименее трудоёмким (0,02 – 0,04 чел-ч/м3) и имеющим малую энергоёмкость (0,8 – 1,2 кВт-ч/ м3) среди методов рыхления мёрзлых грунтов является метод разработки грунта с помощью навесных рыхлителей.

К концу 80-х годов ситуация с распределением работ по разработке мёрзлых грунтов несколько изменилась. Из данных [7, 18] следует:

Д следования, эффективность рыхления резко падаетИиз-за затупления нако-

нечников зубьев рыхлителей в результате абразивного износа. Особенно ярко этот фактор проявляется в северных районах Западно-Сибирской низменности. В некоторых случаях коронки изнашиваются до предельных значений за 2 – 4 смены эксплуатации. Снижение скорости изнашивания наконечников позволит значительно повысить производительность статических рыхлителей и эффективность их работы.

Рыхлители применяют как навесные агрегаты на тракторах, так и как сменные рабочие органы к рабочему оборудованию одноковшовых экскаваторов. Рыхление производится одним или несколькими зубьями, установленными на корпусах-кронштейнах. Наконечники зуба имеют, как

28

правило, симметричную конструкцию, обеспечивающую возможность их поворота при изнашивании.

С ризонтальнаяР с. 1.4. Схема сил, действующих на зуб рыхлителя

кальная составляющая веса машины РВ = 0,4G (G – вес машины); сила трения fP (f– коэфф ц ент трения стали о грунт, Р – реакция грунта); госоставляющая тягового усилия РГ = 0,8 N(N – тяговое уси-

лие).

Скорости знаш вания зу ьев рыхлителей, зависящие от многих факторов, как показали на людения, колеблются от 200 до 1000 мкм/ч.

Осмотр 100 коронок различных конструкций позволил установить следующее: коронки зу ьев рыхлителей подвергаются абразивному изна-

шиванию частицами грунта; на поверхностях граней коронок, применяв-

Во время работы на зуб действуют различные силы (рис. 1.4): верти- бА

шихся для разработки скальных грунтовД, отчётливо видны глубокие царапины, канавки, отдельные вмятины и вырывы со следами пластически деформированного металла по краям. При рыхлении мелкодисперсных

грунтов изнашивание происходит более равномерно; на коронках нет глу-

боких царапин, вмятин, изнашивание имеет характер истирания. В про- И

цессе работы изменяются основные параметры коронки: её рабочая длина, угол заострения, площадка износа. Изнашиваются все грани коронки, наибольший износ наблюдается в зоне режущей кромки, он уменьшается по мере удаления от этой кромки.

Нагрузка, действующая на зуб рыхлителя при работе, носит изменяющийся характер. Характер нагружения зуба зависит от особенностей грунтов. Чем больше сопротивление грунта разработке, тем больше нагрузка, частота её изменения и скорость изнашивания.

Авторы [21, 22, 24] отмечают следующие факторы, влияющие на скорость изнашивания:

29

1) механические свойства разрабатываемого грунта. Испытания проводились на строительных объектах Сибири при температуре воздуха 40…–50 °С на различных грунтах. Определено, что скорость изнашивания изменяется пропорционально изменению сопротивления грунта разработке.

2) материал зуба. На скорость изнашивания влияет материал Сзуба, который Рейш А.К. [24] учитывает как коэффициент

износостойкости Кизн.

3) скорость дв жен я зуба. В результате исследований было определено, что с увел чен ем скорости движения повышается и скорость изна-

шиваниязости, что в [24] уч тывается коэффициентом KV.

4) угол установки зуба влияет на удельную энергоёмкость процесса

рыхления. Возможность зменять угол рыхления позволяет получить наилучшие результаты как при заглу лении, так и при установившемся процессе рыхлен я. Возможность увеличения угла рыхления улучшает усло-

тер. Изменение нагрузкиАсоставляет в среднем 5–8 кН, а частота изменения – 4–5 с-1.

Исследования показали, что наДскорость изнашивания влияют давление на зуб и частота его изменения. Это в работе [24] учитывается коэффициентами КРои К ро: при Ро, равном 0;1;2;3 Па, коэффициент КРо соответственно равен 0,6; 0,72; 0,95; 1,05; при Ро, равном 0;1;2;3 с-1, коэффи-

циент К ро соответственно равен 0,6; 0,98; 1,16; 1,34. И 6) температура окружающей среды. Снижение температуры от +20

до –10 ºС приводит к увеличению скорости изнашивания в 1,7– 1,8 раза, а при снижении температур до – 40 °С – в 2–3,5 раза. Влияние температуры окружающей среды следует учитывать коэффициентом Кt20 = (0,05–0,08) tф, где tф – фактическая температура. Увеличение скорости изнашивания за счёт снижения температуры, на наш взгляд, объясняется увеличением прочности грунта.

В работе [24] автор предлагает использовать следующую формулу

30

где А – коэффициент пропорциональности, (МПа) -1; Р – давление на рабочей поверхности зуба, МПа; КРо– коэффициент, учитывающий влияние изменения давления; К ро – коэффициент, учитывающий влияние частоты изменения давления; f – коэффициент трения; s – путь трения зуба за 1 моточас; tp –продолжительность рыхления за 1 моточас; Ку – коэффициент,

учитывающий затупление зуба; К – коэффициент абразивности грунта;

С абр

Кизн – коэффициент износостойкости; Кt20 – коэффициент, учитывающий температуру окружающей среды; КV – коэффициент, учитывающий влияние скорости дв жен я.

Использован е данной формулы для оценки процесса изнашивания

гочисленныерабочего органа крайне затруднительно, так как разброс данных по коэффициентам пр вод т к существенно отличающимся друг от друга резуль-

татам. При разра отке грунтов землеройными и землеройнотранспортными маш нами эффективность их работы существенным образом завис т от состоян я ра очих органов. Оно определяется величиной затуплен я последн х. Как показывают опыт эксплуатации машин и мносследован я, затупление рабочих органов машин приводит к значительному росту сопротивления резанию грунта, увеличению энер-

31

Эта форма характеризуется наряду с а и b радиусами затупления (сбоку – R2, сверху – R1). В момент образования устойчивой формы коронки а = b = 10 – 12 мм, R1 = 35 – 45 мм. В процессе дальнейшего рыхления b и R1 остаются неизменными, наклонная площадка а образует с гори-

– 10мм, з =5 – 10°, R1 = (0,4 – 0,45)В.

3) катастроф ческ й износ с резким увеличением длины наклонной площадки затупления и все более интенсивным укорочением

l: R2 = 4 – 5 мм, l = 50 – 80 мм, з до 15º, b = 10 – 12 мм, а = 15 – 20 мм.

где С – число ударов ударником ДорНИИ; H – глубина рыхления, см; s – ширина рыхления понизу, м; – угол резания, град; – коэффициент, учитывающий степень блокирования; – коэффициент затупления.

Главной причиной потери работоспособности рабочего органа, приводящей к его затуплению, является абразивное изнашивание. Поэтому необходимо достаточно подробно рассмотреть сам процесс абразивного изнашивания рабочих органов.

32

его отделению – микрорезанию (срез материала). Оно осуществляется при однократном цикле трения (нагружения).

При изнашивании технически чистых металлов и сталей в отожжённом состоянии о закреплённые абразивы между объёмным износом V, путём трения S, нагрузкой Р, начальной твёрдостью Т металла и размером а

тактирующ хбАдеталей.

- факторами, связанными со свойствами поверхностных слоёв кон-

Первая группа факторов определяет характер напряжённого состояния в металле поверхностных слоёв и тепловые явления в зоне трения. Вторая группа факторов – среда (жидкая, газообразная и твёрдая) определяет адсорбционные, химические и диффузионные процессы на поверхности трения и в поверхностных слоях, а твёрдая среда может вызвать абразивный вид изнашивания. Факторы третьей группы также существенно влияют на процессы трения и изнашивания, изменяя их качественные и количественные показатели (виды и скорости изнашивания).

Влияние внешних механических воздействий. Основные факторы этой группы: 1) вид трения; 2) значение и характер давления (нагрузки) при трении; 3) скорость относительного перемещения трущихся поверх-

положения:

- нагрузка может существенно влиять на переход одного, более благоприятного вида изнашивания, в другой, менее благоприятный, и, наоборот, вследствие чего её количественное влияние на изнашивание может носить скачкообразный характер;

34

- при одном и том же виде изнашивания количественное влияние нагрузки может существенно различаться в зависимости от условий трения и изнашивания (среды, свойств материала поверхностных слоёв трущихся тел и др.).

точно резко (последняя кривая). Второе положение также подтверждается многочисленными опытными данными, указывающими на то, что широко распространённое мнение о существовании простой прямой пропорциональной зависимости интенсивности изнашивания от нагрузки далеко не всегда находит подтверждение в реальных условиях.

Влияние факторов внешней среды. ПриИвзаимодействии рабочего органа с грунтом рассматривается контакт рабочего органа с твёрдой средой. Согласно выражения (1.21) интенсивность абразивного изнашивания повышается с увеличением крупности абразивного зерна до определённого критического значения акр, после которого интенсивность изнашивания замедляется. Но данное условие справедливо тогда, когда твёрдость абразивных частиц превышает твёрдость поверхности трения рабочего органа, т.е. когда эти частицы действительно являются абразивными. знашивание металла практически начинается при абразивных частицах размером 5мкм, и с увеличением размеров до 100 мкм скорость изнашивания повы-

35

шается. При дальнейшем увеличении размеров абразивных частиц скорость остаётся постоянной.

Влияние факторов, связанных со свойствами поверхностных слоёв трущихся тел (геометрия поверхности, строение поверхностных слоёв, свойства поверхности и поверхностных слоёв, напряжения в поверхностных слоях), зависит от их физико-механических, теплофизиче-

Сских и химических свойств.

Макрорельеф в зоне изнашивания при трении скольжения имеет явно выраженные следы р сок как результата микрорезания или пластического оттеснен я металла. Глубина рисок, их форма, протяжённость, час-

тотаеслиразмещен я, нал ч е вмятин и выкрашивания – все эти характеристики при разл чных в дах абразивного изнашивания зависят от соотно-

шения свойств абраз вной частицы и металла.

Протекан е а раз вного изнашивания находится в прямой связи с твёрдостью поверхностей.

Абраз вное знаш вание металлических поверхностей происходит в случае, твёрдость а разива выше твёрдости металла, по которому этот абраз в в в де твёрдых частиц совершает трение скольжения при определённых скорости относительного перемещения и нагрузке на единичную частицу. Спосо ность частицы внедряться в поверхность изнашивания на первом этапе взаимодействия вызывает поражение её путём образования лунок; на втором – при движении частицы вдоль поверхности

где 0, H0 – относительная износостойкость и твёрдость данной стали в отожжённом состоянии; b – коэффициент, зависящий от состава стали.

Из диаграммы видно, что при соотношении твердостей материала рабочего органа и абразивных частиц грунта, равном 1,3–1,7, скорость изнашивания стабилизируется и не увеличивается.

36

Обычно для этого используются износостойкие зубья, устанавливаемые на режущую кромку ковшей, отвалов, или укрепление самой кромки. Основной задачей дальнейших исследований является межвидовая унификация конструкции рабочих органов ковшей землеройных машин для сокращения числа деталей. Дальнейшим развитием нового решения следует признать применение составных зубьев. Зуб состоит из основания и сменной коронки. Основание зуба

б

Рис. 1.8. Составной зуб:

а – схема установки; – схема замены изношенной головной части зуба и приварки унифицированной детали; 1 – козырек ковша; 2 – корпус зуба; 3 – соединительный палец (шпонка); 4 – коронка зуба;

5 – схема установки и приварки головной части зуба

При деформации или изнашиванииДустановочной части основания можно применять переходные элементы (рис. 1.8, б), привариваемые к подготовленному для сварки торцу основания. Коронка зуба выполнена из хромоникельмолибденовой стали, благодаря чему улучшено качество поверхностей и повышена прочность. При термообработкеИтвердость зуба достигает примерно НВ 500, что значительно повышает его износостойкость. Кроме того, профиль зуба является самозатачивающимся, что обеспечивает достаточно эффективное заглубление даже в случае изнашивания. По данным фирмы "Интертрактор" (ФРГ) и KOMATSU (Япония), такая конструкция позволяет в 4–5 раз уменьшить расход металла. знашивание зубьев и наконечников зубьев зависит не только от нагрузки, но и от характера нагружения. Уменьшить скорость изнашивания можно путем уменьшения нагрузки, частоты и характера ее изменения. В этом смысле интерес представляют работы, направленные на стабилизацию процессов нагружения.

38

Для изнашивания деталей строительных машин, работающих в различных климатических зонах, большое значение имеет способность сохранения пластических свойств. При различных температурах эта способность неодинакова и резко снижается в области отрицательных темпера-

39

При этом пластические свойства у различных сталей с разными способами термообработки различаются.

Ниже показана зависимость скорости изнашивания элементов гусеничного движителя от изменения ударной вязкости материала:

Как видно, износостойкость материалов с поверхностной твёрдостью при снижени температуры существенно снижает свою ударную вязкость. Поэтому спользован е данных материалов в чистом виде для изготовле-

ных матер алов.

Дальнейшие исследования процессаДкопания грунта вскрывают новые положения, позволяющие улучшить технологиюИизготовления и работоспособность. Установлено, что на структуру металла и образование волосяных трещин при литье зуба ковша экскаватора влияет характер концентрации металла. На литых зубьях (сталь 110 Г13Л) в месте наибольшей концентрации металла (место А, рис. 1.11, а) получаются усадочные раковины, что приводит к образованию в этом месте волосяных трещин и поломкам. Изменение профиля рабочих плоскостей зуба позволило перераспределить металл в зубе (зона Б, рис. 1.11, б) и уменьшить объем металла. В результате прекратились поломки и увеличилась износостойкость.

На строительстве БАМа была проверена износостойкость коронок зубьев ковшей обратных лопат, изготовленных из различных материалов.

40

Проводились испытания коронок, изготовленных из сталей 45ХГМ, 120АГ13 3, ХГСНХ и 20ХГСНХ с наплавкой, а также сталей фирмы KATO (Япония). Износостойкость коронок из стали 120АГ13 З при работе в скальных грунтах и коронок из стали 20ХГСНХ при работе в песчаногравелистых грунтах была больше в 1,4 раза износостойкости стальных коронок фирмы KATO, а интенсивность изнашивания снизилась соответственно с 4,17 до 3,33 мм/тыс. м3 и с 5,84 до 3,42 мм/тыс. м3.

При исследовании процесса копания грунта коронкой-зубом рыхлителя было установлено, что энергоемкость процесса уменьшается, если стружку расчлен ть относительно стойки рыхлителя. Для этого на рабо-

повышаетсялив результате применения новых методов обработки металла ножа. В Харьковском автомо ильно-дорожном институте (ХАДИ) предложена новая технолог я изготовления ножей с применением при термообработке обж ма ра очей поверхности ножа прокаткой или ударной об-

уровне в сталь вводят никель, который повышаетИпластичность и ударную вязкость и одновременно снижает порог хладноломкости, что является немаловажнымфакторомприэксплуатациимашинврайонах КрайнегоСевера.

Легированные конструкционные стали, применяемые в различных отраслях машиностроения для сложных условий эксплуатации, используются с заниженным резервом их износостойкости; выбор сталей определённых марок не определяется их износостойкостью, при этом не оптими-

41

зируется их химический состав и не регламентируется перечень применяемых марок сталей. Как износостойкий материал чаще применяют белый чугун, так как серый чугун имеет низкую износостойкость в условиях абразивного изнашивания. Шведская фирма Sandwik разработала новый вид износостойких материалов на основе композиционного материала – карбидочугуна. По данным фирмы, срок службы элементов отвалов автогрейдеров, подвергающихся износу, повышается в этом случае в 5 – 10 раз по сравнению с традиционными легированными сталями.

Известны многоч сленные предложения, связанные с легированием

но широк. Это в свою очередь привело к созданию большого перечня наплавочных сплавов, отличающихся системой легирования, но имеющих

близкие по значению показатели износостойкости в условиях абразивного изнашивания. При анализе химического состава наплавочных сплавов, их

42

твёрдости и износостойкости при абразивном изнашивании нет обоснования применения такого большого перечня наплавочных сплавов.

Спечённые твёрдые сплавы применяют для упрочнения поверхностей деталей машин, работающих в условиях сложного силового нагружения и различных видов изнашивания, главным образом, абразивного. Эти сплавы во многих случаях предназначены не только для защиты от изнашивания, но и для разрушения монолитных горных пород или иного минералогического сырья. Особенность применения этих сплавов состоит в том, что они во мног х случаях, по условиям эксплуатации, способны восприн мать не только большие статические, но и динамические нагруз-

Методики укрепления предлагаются самые различныеИ: наварка, использование термической обработки, методов наклёпа, износостойких накладок. Наиболее перспективными, на наш взгляд, являются использование методов накладок и наварки. Это создаёт более благоприятные условия для ра-

боты материала, находящегося под воздействием абразивных частиц. Глубина внедрения частиц в этом случае несколько меньше, чем при других формах. Использование данного пути не исключает возможности приме-

43

нения новых более износостойких материалов. При использовании составных конструкций удаётся сэкономить материал за счёт смены износившихся частей коронки или зуба. Этот путь весьма ограничен в области применения и для достаточно простых конструкций рабочих органов

44