2328

Функции энергии Ауд (LВН ) являются кривыми с возрастающей

интенсивностью увеличения энергии от глубины внедрения. Представленные зависимости показали, что увеличение угла

начальной установки ковша o от 7 до 15o приводит к значительному увеличению как горизонтальной силы внедрения W1, так и энергии А процесса внедрения ковша в штабель.

При этом гипотеза предложенного метода расчета такова, что призма материала не просто сминается при упоре в криволинейное днище ковша, а разрыхляется путем создания линии скольжения ОА1

в пределах изменения угла 1 от 1 о до 1= 1max . Угол 1max соответствует максимальной силе тяги погрузчика по условию сцепления. Из графиков (см. рис. 7.20, 7.21) видно, что сила

сопротивления W1, являющаяся результатом взаимодействия ковша со штабелем, является главной из числа действующих сил сопротивления, т.к. ее изменение происходит от малого значения в начале процесса до максимальной силы, осуществляющей остановку погрузчика при упоре ковша в забой. Разные кривые силы сопротивления W1 на рис. 7.20, 7.21 соответствуют различным углам начальной установки передней стенки ковша o к опорной поверхности. При увеличении угла начальной установки передней стенки ковша сопротивления внедрению возрастают. Это явление в теории копания и резания грунтов является известным фактом. Однако для фронтального погрузчика такие зависимости получены впервые и позволяют определить энергию, затрачиваемую на разрыхление грунта.

Графики показывают, что с увеличением угла 1 увеличивается сила сопротивления внедрению ковша в штабель, возрастает также энергия, затрачиваемая на выполнение этой операции, причем важным в данном случае является то, что эти величины поддаются аналитическому вычислению с достаточной точностью. Зависимости W1= f (LВН ) получаются путем вычисления значения силы W1 для разных значений глубины внедрения. При этом энергия, затрачиваемая на этот процесс, равна площади, ограниченной функцией W1 (LВН ) и горизонтальной осью системы координат W1,

LВН . Очевидно, что с увеличением угла скольжения 1 начальной установки днища ковша к горизонту возрастает энергия А, расходуемая на разрыхление объема материала.

Затрата энергии на разрыхление материала может рассматриваться как полезный фактор, т.к. крупные куски грунта плохо укладываются в ковш, снижают коэффициент заполнения ковша и производительность погрузчика. Можно заметить, что энергия, затрачиваемая на внедрение ковша погрузчика ПК-2,

внедрения ковша в пределах W1max =47 68 кН. Для погрузчика ПК-75 энергия внедрения ковша в штабель составляет Ауд = 1,907 2,951

МДж/м3 при соответствующем изменении максимальной силы внедрения в пределах W1=1441 2231 кН. Энергия процесса внедрения большого суперковша примерно в сто раз больше энергии

малого ковша (см. рис. 7.20, 7.21). При этом максимальная сила внедрения большого ковша примерно в 35 раз больше силы внедрения малого ковша.

7.7. Взаимодействие ковша погрузчика со штабелем сыпучего материала

На основе закона Ш. Кулона рассмотрим процесс взаимодействия ковша погрузчика со штабелем сыпучего материала.

Сыпучие материалы при малой влажности обладают незначительным сцеплением. В строительстве используются громадные объемы кусковых сыпучих материалов, которые подвергаются в процессе технологического применения погрузочнотранспортным операциям.

Основными параметрами кусковых сыпучих материалов являются: средний размер куска, коэффициент трения скольжения материала по стальному днищу, коэффициент трения материала по неподвижному материалу, насыпная объемная плотность материала в штабеле и др. Относительная кусковатость материала характеризуется отношением размера (диаметра) куска dcp к ширине

ковша Bo, которая может изменяться в пределах dcp 0,025 0,3 [4].

Bo

Исследования трения скольжения сыпучих материалов по стальной плоской поверхности имеют многовековую историю. Коэффициент трения скольжения материала по стали 1 равен

тангенсу угла скольжения материала 1. Максимальный угол скольжения материалов по стальной поверхности обычно не превышает o 40o [47]. Поэтому коэффициент 1 в реальных условиях изменяется в пределах 1=0,3 0,84.

Наряду с указанными достоверными фактами, в технической литературе имеются противоречия и неясности, которые свидетельствуют о недостаточной изученности некоторых сторон этой проблемы. Современные исследования процесса взаимодействия ковша погрузчика со штабелем сыпучего материала имеют, как правило, эмпирический характер.

Для аналитического исследования процесса взаимодействия ковша погрузчика со штабелем сыпучего материала необходимо

установить пределы изменения коэффициента трения скольжения 2 в плоскости скольжения призмы кускового материала в ковше. Для шлейфа сыпучих материалов необходимо установить соответствие значений коэффициента 2 разным типам кусковых материалов.

Природа сил сцепления грунта хорошо изучена и описана в литературе по резанию и копанию грунтов. Силы сцепления обусловлены слипанием частиц материала, именно эти силы превращают глину и грунт в камнеподобное тело при уменьшении влаги. Таким образом, физическое свойство сцепления присуще материалам, в составе которых имеется соответствующее количество мельчайших частиц, которые при увлажнении превращаются в цементообразное тело, придающее связность более крупным частицам. Таким свойством не обладают: щебень, галька, кусковые полезные ископаемые в горной промышленности и другие материалы. Для слежавшегося сыпучего материала в штабеле силы сцепления могут быть значительными. Такие материалы при разработке черпанием требуют предварительного рыхления.

Процесс взаимодействия ковша с рабочей средой характеризуется изменением параметров в широких пределах, что вполне допускается широкими возможностями метода Ш. Кулона при аналитическом решении задач взаимодействия ковша со штабелем. Кусковые материалы, образующие горку или штабель, превращаются практически в твердые тела, способные воспринимать вертикальные нагрузки. Кусковые материалы, образующие сплошной массив под фундаментами зданий, ответственных сооружений, являются идеальным упругим основанием для сейсмоустойчивых сооружений. Эти примеры показывают, что механические свойства кусковых материалов зависят от условий их практической реализации в соответствующих объемах во взаимодействии каждой отдельной частицы с другими кусками материала.

На первой стадии внедрения передней стенки ковша в сыпучий мелкокусковый материал (рис. 7.22) происходит скольжение срезаемой призмы по плоскости ковша. При этом каких-то новых явлений не возникает при рассмотрении скольжения этой призмы как твердого тела или как системы отдельных кусков материала призмы. Коэффициент трения скольжения 1, по литературным источникам,

изменяется в пределах 1=0,3 0,84. Одновременно на первой стадии внедрения ковша возникает вторая плоскость скольжения в массиве

материала по линии ОВ, расположенной под углом 2 к горизонтальной плоскости. В плоскости скольжения ОВ возникают более сложные физические явления, которые нуждаются в детальном рассмотрении и исследовании. Для ковша погрузчика, взаимодействующего со штабелем кускового материала, эти процессы становятся еще более масштабными (рис. 7.23).

Рис. 7.22

Рис. 7.23

В мелкокусковом штабеле материала плоскость скольжения, проведенная по линии ОВ, является мнимой плоскостью. Реальное скольжение призмы, ограниченной сечением OA1B, не может произойти по линии ОВ, т.к. при этом невозможно перерезать все куски материала, изображенные черной заливкой на рис. 7.22 и 7.23.

В реальных условиях черпания кусковый материал не подвергается разрушению. Однако это не означает, что в этом случае теория Ш. Кулона не работает.

Многие частицы материала в плоскости чертежа расположены над линией ОВ и примыкают к ней, касаясь линии ОВ внешним контуром или пересекая ее частью своего размера. Таких частиц имеется достаточно много в плоскостях, расположенных параллельно чертежу по всей ширине ковша Bo . В других сечениях по ширине пластины, параллельных плоскости чертежа, частицы материала расположены подобным образом в соответствии с законами теории вероятностей. Поэтому при сдвиге объема кускового материала в его толщине возникает активный слой, разделяющий подвижный и неподвижный объемы материала, имеющий толщину dcp . Этот слой

расположен под углом 2 и выполняет функции плоскости скольжения, по Ш. Кулону.

При сдвиге частиц материала, центры тяжести которых приближены к линии ОВ, будут стремиться повернуться относительно своих центров тяжести под плоскостями СК и ЕL, расположенными параллельно плоскости скольжения ОВ. Эти частицы материала формируют кулоновское трение скольжения.

Другие частицы материала, которые примыкают к плоскости ОВ, касаясь ее внешним контуром или частично пересекая, ведут себя как консольные балочки, защемленные в массивах материала или призмы. Поэтому при сдвиге призмы относительно неподвижного материала консольные балочки подвержены деформации изгиба, т.е., будучи защемленные частицами материала, создают касательные сдвиговые сопротивления; после достижения в плоскости ОВ предельных касательной силы и напряжений происходит сдвиг призмы относительно неподвижного материала. Поэтому при сдвигании песчаных грунтов проявляется физическое явление, которое получило название трение зацепления. Аналогичное физическое явление уже было замечено при сдвигании песчаных грунтов в механике грунтов и получило название трение зацепления [70, 76]. Практически это явление характеризуется тем, что коэффициент трения зацепления

зац значительно больше коэффициента трения скольжения 1.

Врезультате рассмотренного явления в массиве материала, содержащего твердые минеральные включения, а также однородные мелкокусковые материалы, при их уплотнении или разрыхлении необходимо учитывать дополнительные явления, связанные с трением зацепления. Согласно теории трения скольжения в механике грунтов углы трения скольжения грунтов по гладким стальным

поверхностям характеризуются углами 26 30о . Предельным значениям этих углов соответствует коэффициент трения скольжения грунта по стали 1=0,577. Коэффициент трения скольжения грунта по

грунту 2 имеет более высокие значения. Предельное значение угла внутреннего трения, по А.Н. Зеленину, соответствует 2 =0,84. Величина этого коэффициента значительно меньше единицы. Это является объяснением необходимости введения в практику расчетов коэффициента трения зацепления зац , который имеет большие

значения: зац 1.

7.8. Аналитическое исследование процесса взаимодействия ковша погрузчика со штабелем сыпучего кускового материала

Математические модели, полученные на основе законов Ш. Кулона, позволили провести исследование процесса внедрения в штабель кускового материала плоской передней стенки ковша.

Горизонтальная сила внедрения передней стенки ковша в штабель определяется по формуле с использованием рис. 7.11, 7.12:

W1 ( 1 cos 1 sin 1)N1 min,

плоской передней стенки ковша в мелкокусковый штабель имеет вид

Первый этап аналитического исследования заключается в установлении зависимости влияния коэффициентов 1, 2 , зац на

удельную силу внедрения Wуд на 1 м ширины ковша qуд W1 .

Bo

На рис. 7.24 представлены зависимости удельной силы внедрения qуд на 1 м ширины ковша от коэффициента трения материала. На

первом участке внедрения ковша в штабель задаем коэффициент 1 в

На рис. 7.25 приведены зависимости удельной энергии Aуд

внедрения ковша в штабель для разных значений коэффициентов трения скольжения :

A Aуд VПР ,

где VПР – объем разрыхляемой призмы грунта при внедрении ковша в штабель, м3.

Кривая на рис. 7.25 соответствует глубине внедрения LВН =1,0 м и аппроксимирована эмпирическим выражением

Aуд (28,268 4 54,138 3 36,386 2 4,0359 ) м .

На рис. 7.26 показана зависимость удельной энергии Aуд от удельной погонной силы на 1 м ширины ковша qуд. Линии на графике соответствуют значениям коэффициентов 1,3; 1,2; 1,1; 1,0. Начало каждой линии соответствует глубине внедрения LВН =0,7 м; конец линии – LВН =1,0 м. Коэффициенты трения , имеющие значения более единицы, являются коэффициентами трения зацепления зац .

Полученные зависимости на рис. 7.24, 7.25, 7.26 позволяют анализировать условия работы погрузчиков типоразмерного ряда, имеющего ковши грузоподъемностью от 2 до 75 т.

7.9. Экспериментальная проверка гипотезы существования трения зацепления

Для доказательства существования явления трения зацепления разработан прибор, с помощью которого проведены натурные эксперименты с мелкокусковыми и однородными материалами.

Известно устройство для определения сцепления грунтов [37], в котором объем грунта, выполненный в виде прямого цилиндра, подвергают осевому сжатию и поперечному сдвигу силой, обеспечивающей срез грунта. Недостатком такого устройства

является его заклинивание при сдвиге подвижной обоймы во время испытания однородных кусковых материалов.

Сущность разработанного устройства состоит в том, что оно позволяет регулировать зазор между подвижной и неподвижной обоймами при помощи кронштейна, закрепленного на поворотной вертикальной штанге, обеспечивающей возможность вертикального перемещения подвижной обоймы в зависимости от средней крупности испытуемых кусков однородного материала.

На рис. 7.27, 7.28 показаны две конструкции приборов, реализующих два разных способа испытания [25].

Испытуемый однородный материал, заполняющий внутренний объем неподвижной цилиндрической обоймы 1 (см. рис. 7.27) и подвижной обоймы 2, подвержен вертикальному осевому сжатию грузами 10. При сдвигании подвижной обоймы 2 относительно неподвижной обоймы 1 при помощи гидроцилиндра 12 через измерительный динамометр 11 на рис. 7.27 возникает одна поверхность сдвига испытуемого материала.