Учебное пособие 800664

Для определения числа ковшей, в текущий момент осуществляющих отделение грунта от массива, устанавливаем дугу копания φк

где α1 = 19º – угол с горизонталью, проходящей через ось ротора, и радиусом, проведенным через режущую кромку верхнего работающего ковша

Рис. 6.23. Расчетная схема к определению дуги копания и параметров отделяемой стружки

Площадь сечения стружек, срезаемая соответственно первым, вторым и третьим ковшами, будет

180

где hст – текущая высота срезаемой стружки, пропорцональная величине возвышения hi режущей кромки сответствующего ковша над подошвой забоя.

Сопротивление подъему грунта в ковше соответствует текущей силе тяжести грунта в каждом ковше. Величина этой силы пропорциональна

где γ – объемный вес разрыхленного грунта в ковше.

Момент, создаваемый весом грунта в ковше относительно оси ротора, приближенно

где ri – плечо действия веса грунта в i-м ковше относительно оси ротора. Центр тяжести грунта в ковше наиболее просто определяют графически. Полный момент сопротивления вращению ротора

где Рб = (vб/vp)P01 – боковая сила копания на режущей кромке ковшей ротора; Do – диаметр обечайки ротора;

μ ≈ 0,25 – коэффициент трения ковша о грунт;

Fтр – сила трения при движении грунта в ковшах по обечайке ротора.

Многоковшовые траншеекопатели являются неповоротными машинами с нижним продольным копанием. Они движутся вдоль намеченной траектории траншеи. Рабочее обрудование может быть роторным или цепным, смонтированным на специальной раме, и располагается сзади или сбоку машины. Во всех конструкциях грунт из ковшей разгружается за счет свободного падения на короткий отвальный транспортер, выдвигающийся вправо или влево для обеспечения отвала вдоль траншеи. Глубина копания может составлять от 1 до 6 м. Траншеекопатели работают в грунтах с удельным сопротивлением копанию до 2,0 МПа.

181

Эффективная работа траншеекопателя заключается в согласовании скоростей резания (копания) Vp и скорости перемещения машины вдоль траншеи Vx. При любой глубине траншеи Нт должно обеспечиваться наполнение ковшей емкостью qк.

Диаметр ротора Dp ≈ 1,8 Нт траншеекопателя устанавливают в зависимости от глубины траншеи. На диаметр ротора влияет способ его крепления к опорной раме и конструкция привода ротора. При ширине траншеи Вт ширину обечайки ротора принимают Во ≈ Вт - 0,1 м. Ширину ковшей принимают Вк ≈ 0,9 Вт. Высоту ковшей принимают Нк ≈ 0,5Вт. Длину ковша устанавливают в зависимости от их количества на роторе. Количество ковшей на роторе обычно zк = 12 ÷ 18. Длина ковша Lк при этом составит

Геометрические размеры ковшей определяют их объем qк и окончательно уствнавливают в зависимости от объема срезаемой стружки.

Этот объем можно вычислить по формуле

где с1 – максимальная толщина стружки на выходе ковша из забоя; Rр – радиус ротора по зубьям ковша;

φ0 – угол поворота ротора при взаимодействии ковша с грунтом. Техническую производительность роторного траншеекопателя вычисляют

по формуле

где пр– частота вращения ротора (об/мин); кн – коэффициент наполнения ковшей (табл. 6.5); кр – коэффициент разрыхления (табл. 6.5).

Таблица 6.5

Коэффициенты наполнения и разрыхления роторных ковшей

182

Скорость рабочего хода траншеекопателя устанавливают в зависимости от сечения разрабатываемой траншеи

Частота вращения ротора определяет скорость резания грунта. Выбор скорости резания определяет способ разгрузки ковшей. При гравитационной разгрузке ковшей критическую частоту пкр вращения ротора можно вычислить по формуле

где β − угол, при котором начинаетя разгрузка ковшей (рис. 6.24). Обычно, рабочую частоту вращения ротора принимают

а окружная скорость ротора (скорость резания) не превышает 2,5 м/с. Дальность полета частиц грунта Х в горизонтальном направлении

определяется выражением

где Vр – окружная скорость режущей кромки ковша; β – угол начала разгрузки (рис. 6.24).

Рис. 6.24. Схема действия сил на ротор и ковш при его разгрузке

Эта величина является основанием для выбора ширины ленты отвального транспортера.

Каждый ковш при копании участвует в двух движениях - во вращательном вокруг оси ротора и в поступательном перемещении вдоль траншеи.

183

Траектория режущей кромки ковша образует эпициклоиду. Площадь сечения стружки в нормальном сечении к траектори движения ковша (рис. 6.25), определяют по выражению

где φ1 – угол, определяющий текущее полжение режущей кромки ковша относительно горизонтали, проведенной через ось ротора;

b – ширина стружки;

с1 – максимальная толщина стружки (рис. 6.25).

Максимальную толщину срезаемой стружки с1 можно определить из условия перемещения режущей кромки ковша при поступательной скорости экскаватора vэ за время повора ковша на угол φ0

где t = φ0/ω = φ0 / 6 np, c.

Здесь φ0 – угол взаимодействия ковша с грунтом, град; пр – частота вращения ротора, об/мин.

Рис. 6.25. Схема к расчету усилия копания роторного траншеекопателя

На режущую кромку ковша ротора действует касательная сила резания Р01 и ее нормальная составляющая Р02. Текущее усилие копания Рк каждого ковша зависит от площади срезаемой им стружки:

184

достаточной прочностью, устойчивостью, долговечностью. Достигается это путем уплотнения насыпных грунтов специальными машинами. При этом снижается водопроницаемость и набухание грунта.

Грунт представляет собой сложное тело, в состав которого входят твердые частицы, вода и воздух. Твердые частицы составляют скелет грунта. Жидкая и газообразная фазы подвижны в порах грунта. Физико-механическое воздействие на грунт может резко изменить их соотношение и повлиять на прочность и влажность грунта. Соотношение по массе и объему трех компонентов выражается уравнением:

W – массовая доля влаги грунта, %; V – объем воздуха, %;

γ – плотность скелета (твердой фазы) грунта, г/см3; 1 – единица объема грунта (1 см3).

Процесс уплотнения насыпного грунта сопровождается разрушением существующей структуры уплотняемого материала и созданием более устойчивой к механическим и атмосферным воздействиям. Это достигается за счет более плотной укладки измельченных частиц грунта путем вытеснения жидкой и газообразной фаз материала. При уплотнении происходит уменьшение объема грунта и формирование более плотной и прочной

Из этого следует, что степень плотности грунта ρ при плотности твердой фазы грунта γ будет тем выше, чем меньше влажность и объем воздуха в нем. Объем защемленного воздуха должен составлять 4...6 %, что соответствует полному заполнению пор влагой. При таком объеме воздуха и влажности грунт характеризуется минимальной водопроницаемостью, набуханием, морозным пучением, а также максимальным модулем упругости и сопротивлением сдвигу. На рис. 7.1 показана зависимость плотности сухого грунта от его влажности.

186

Рис. 7.1. Зависимость между влажностью W и плотностью ρ сухого грунта

На рис. 7.2 представлены зависимости модуля упругости грунта Ео , коэффициента сцепления С, коэффициента трения φ от влажности грунта. Экстремумы коэффициентов соответствуют оптимальной влажности грунта. Оптимальная влажность некоторых грунтов приведена в табл. 7.1.

Рис. 7.2. Влияние влажности на прочностные характеристики грунтов: φ – трение, С – сцепление, ЕО – модуль упругости

187

Таблица 7.1

Оптимальные значения влажности и максимальной плотности грунтов

Уплотнение грунтов осуществляется давлением рабочего органа машины в виде валка или плиты на материал. Однократное воздействие на материал приводит к остаточным пластическим деформациям с некоторой долей упругих деформаций. Достижение определенной плотности грунта можно осуществить путем многократного воздействия на грунт или увеличением силы давления на грунт. При больших затратах энергии на уплотнение снижается объем защемленного воздуха и воды, что ведет к повышению плотности грунта.

На рис. 7.3. показано влияние уплотняющей энергии и влажности на плотность сухого грунта. При многократном воздействии грунт приходит в стабилизированное состояние, отличающееся постоянством упругой деформации и плотности. При дальнейшем увеличении силы давления на грунт при многократном воздействии возможно увеличение плотности грунта с большим и стабильным модулем упругости. Пределом увеличения силы давления на грунт при уплотнении служит превышение предела прочности грунта. В этом случае возникают деформации сдвига и разрывы уплотненного грунта.

Многократное циклическое воздействие на уплотняемый грунт более эффективно, чем однократное с большим давлением при равенстве времени воздействия на грунт в том и другом случае. При периодическом воздействии в перерывах частично восстанавливается обратимая деформация, которая позволяет частицам грунта переориентироваться. При этом уменьшается их заклинивание и облегчается повторная деформация, что позволяет снизить затраты энергии на уплотнение.

Уплотнение грунтов можно осуществлять несколькими способами:

-статическими нагрузками;

-вибрационным воздействием;

-комбинацией статической нагрузки с вибрацией;

-ударным воздействием (трамбовкой).

Машинами статического действия являются катки в различных вариантах исполнения: прицепные, полуприцепные, самоходные. Рабочим органом таких

188

катков являются тяжелые металлические вальцы. Рабочая поверхность вальцев может быть гладкой, решетчатой, кулачковой. Для уплотнения грунтов используют также колеса с пневматическими шинами. Уплотнение грунтов катками относится к наиболее экономически оправданным способам уплотнения.

Рис. 7.3. Влияние уплотняющей энергии и влажности на плотность сухого грунта: 1 – метод стандартного уплотнения (СССР); 2 – усиленное уплотнение (США); 3 – линии с грунтовыми порами, заполненными капиллярной водой; α – угол, характеризующий изменение оптимальной влажности грунта при увеличении уплотняющей энергии

7.2. Катки с гладкими вальцами

Статическое воздействие катками характеризуется небольшой скоростью увеличения напряженного состояния грунта под действием постоянной или плавно возрастающей нагрузки.

Рабочий процесс уплотнения тяжелыми гладкими вальцами состоит из многократного прокатывания вальцев по уплотняемому грунту.

189