ДОРОЖНЫЕ МАШИНЫ (Часть 1)

Лабораторные испытания показали, что коэффициент бокового давления можно рассматривать как относительно постоянную характеристику грунта.

Коэффициент бокового давления ξ связан с коэффициентом бокового расширения грунта

μ3.

Эта зависимость выглядит следующим образом:

Значения коэффициентов бокового давления ξ и коэффициентов бокового расширения μ3 (по Г. К. Клейну) для типичных грунтов приведены в табл. 8.

Коэффициент бокового давления увеличивается с возрастанием коэффициента трения насыпного грунта о стенки ковша.

В предельном случае, когда коэффициент трения о стенки равен коэффициенту внутреннего трения μ1 = μ2, коэффициент бокового давления

Г. И. Покровский, пользуясь методами статистической механики, установил связь между коэффициентом бокового давления сыпучего тела ξ, углом его внутреннего трения φ2, величиной сцепления С и давлением σz, испытываемым сыпучим телом. Эта связь выражается формулой

Модуль деформации грунта аналогичен модулю упругости однородных тел (металла и др.), однако между ними имеются и существенные различия, которые заключаются в следующем:

1) модуль деформации грунта определяется по общей деформации (обратимой и необратимой);

2) модуль деформации одного и того же грунта изменяется при колебании влажности и плотности грунта;

32

3) поскольку деформация грунтов имеет нелинейный характер, модуль деформации может характеризовать грунт в малых интервалах напряжений.

Несмотря на указанные выше условности, считают, что кривая сопротивления грунта вдавливанию штампа при определении модуля деформации 'является основной характеристикой прочности грунта при расчетах толщины дорожных одежд.

где

α — поправочный коэффициент, учитывающий форму и жесткость штампа (обычно α = 1,25);

σ — напряжение по поверхности грунта под штампом в кГ/см2; D — диаметр штампа в см;

λ — осадка в см.

Ниже приведены расчетные значения модуля деформации для различных грунтов в

кГ/см2:

Сопротивление грунта вдавливанию определяется коэффициентом сопротивления смятию р0 — нагрузкой на 1 см2, под действием которой опорная поверхность погружается на 1 см. Допускаемой нагрузкой рд считается такая, которая вызывает погружение не более чем на 6—12 см. Величина эта несколько меняется в зависимости от размеров опорных частей, но это изменение меньше степени точности определения указанного коэффициента.

Значения р0 и рд приведены в табл. 9.

33

Сопротивление грунта резанию обычно характеризуется удельным сопротивлением чистого резания (к в кГ/м2), т.е. усилием, отнесенным к единице площади поперечного сечения вырезаемого пласта грунта.

Величина k меняется в больших пределах, так как зависит от режима работы, параметров рабочего органа и следующих параметров грунта: объемного веса, углов внутреннего и внешнего трения, удельной силы сцепления. Перечисленные параметры грунта в основном определяются его гранулометрическим составом, влажностью, плотностью и температурой.

А. Н. Зеленин предложил оценивать принадлежность грунта к той или иной категории по числу ударов Суд ударника ДорНИИ (рис. 10). Груз 2,5 кГ падает с высоты 400 мм и ударяется о буртик наконечника, производя за один удар работу, равную 1 кГ·м. Наконечник сделан в виде

цилиндрического стержня высотой (длиной) 100 мм с площадью поперечного сечения, равной 1

см2.

Число ударов Су, необходимое для погружения наконечника в грунт, равно 1 — 30 для немерзлых грунтов и 30 — 360 для мерзлых суглинистых и глинистых грунтов в диапазоне температур от —1 до —15° (табл. 10).

§ 12. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О МЕРЗЛЫХ ГРУНТАХ

Мерзлыми грунтами называют грунты, имеющие отрицательную температуру, в которых хотя бы часть содержащейся воды превратилась в лед, цементирующий частицы грунта.

Мерзлые грунты представляют собой многокомпонентную систему, состоящую из твердой фазы (скелета грунта и льда), жидкой (незамерзающей воды) и газообразной (паров и газов). Они отличаются высокой механической прочностью и абразивностью, что в основном и определяет сложность их разработки в строительстве.

Механическая прочность мерзлого грунта обычно характеризуется временными сопротивлениями сжатию, разрыву и сдвигу. Для основных категорий мерзлых грунтов эти данные приведены в табл. 11 и 12.

Как видно из этих таблиц, временные сопротивления грунта сжатию, разрыву и сдвигу увеличиваются с понижением температуры.

Временное сопротивление мерзлого грунта сжатию изменяется в зависимости от влажности, при этом максимум соответствует полному заполнению пустот грунта водой. При дальнейшем повышении влажности сопротивление сжатию уменьшается.

Характер деформации мерзлого грунта определяется в основном скоростью приложения и величиной внешней нагрузки, а также физическим состоянием грунта. При этом могут быть как упругие, так и пластические деформации. Упругие деформации мерзлого грунта характеризуются модулем упругости и коэффициентом Пуассона. По данным Н. А. Цытовича, модуль упругости увеличивается с понижением температуры и с повышением крупности фракций

37

вырезанного пласта грунта, в среднем ε ≈ 0,1k; v — скорость движения плуга в м/сек.

Первый член формулы (5) учитывает силу трения плуга в борозде и составляет около 41 % всего сопротивления; второй член учитывает силу сопротивления резанию и составляет приблизительно 56%; третий член учитывает усилие, затрачиваемое на отбрасывание пласта в сторону и составляет около 3%.

Формула В. П. Горячкина, справедливая для плугов, у которых площадь сечения стружки грунта Fгр = const, а ширина ее b ≈ 1,5h, дает неприемлемые результаты для землеройных машин вследствие резкого различия конструкции рабочих органов и отличия свойств грунтов от свойств почвы.

При тяговых расчетах землеройных машин для определения сил сопротивления резанию пользуются вторым членом формулы В. П, Горячкина, принимая, однако, значения удельного сопротивления резанию /с, отличные от рекомендованных им.

Значения k определяются опытным путем для каждого типа рабочего органа и для различных видов грунта.

А. Н. Зеленин установил, что силы сопротивления резанию зависят не только от грунтовых условий и площади поперечного сечения стружки, но и от соотношения между шириной и глубиной резания (при F = const), угла резания, формы и расположения зубьев, участия в процессе резания боковых стенок ковша и ряда других факторов.

Для расчета силы сопротивления резанию Wp, касательной к траектории движения ножа (или равной ей по величине и противоположной по направлению касательной силы резания Рр

—силы, с которой нож действует на грунт), А. Н. Зеленин предложил следующие уравнения:

1)для элементарных профилей (боковые стенки ковшей, отдельные зубья и пр.)

μ — коэффициент, учитывающий наличие открытых боковых стенок; z — коэффициент, учитывающий влияние зубьев.

Коэффициент μ определяется по графику (рис. 14), где кривая 1 для μ = 1 соответствует резанию в блокированных условиях (первый рез), кривая 2 — для полублокированного резания (одна открытая стенка реза) и кривая 3 характеризует свободное резание при двух открытых

38

стенках (рис. 15, а). Величина z зависит от размеров ковша:

Из этих данных следует, что постановка зубьев на прямоугольных ковшах шириной 0,6— 0,75 м приводит к снижению сопротивления резанию до 25%. С увеличением длины режущей кромки коэффициент z увеличивается и для больших ковшей емкостью 5 м3 и более (l ≥1,8 м) постановка зубьев становится малоцелесообразной.

Задний угол резания а должен быть не менее 5—7°. При уменьшении угла а до 0° реакция грунта может возрасти более чем на 10%. Угол заострения зуба (β из условий прочности обычно принимают равным 25°. Тогда минимальный угол резания δ = 30 ÷ 32°.

1,5% на каждый градус увеличения угла резания.

Формулы (7) и (8) соответствуют затуплению режущих кромок с г = 3мм.

Зависимость силы сопротивления резанию Wp и величины Су от влажности ω грунтов показана на рис. 16.

указывает Ю. А. Ветров, являются, помимо размеров среза (ширина и толщина), пространственность

взаимодействия режущего инструмента с грунтом, его затупление или износ и углы резания (в первую очередь угол, образуемый траекторией и передней гранью режущего клина).

39

Пространственность процесса проявляется в разрушении грунта в пределах трапецеидальной прорези, имеющей ширину, значи тельяо превосходящую ширину ножа при блокированном резании (рис. 17).

Важная особенность взаимодействия ножа с грунтом заключается в разном удельном сопротивлении резанию в различных частях прорези.

Такого рода закономерности процесса сохраняются в определенных пределах отношения между толщиной и шириной среза.

В этих пределах сила резания, касательная к траектории ножа, оказывается линейной функцией ширины среза и ускоренно возрастающей функцией толщины среза (рис. 18).

Затупление или износ режущего инструмента увеличивают сопротивление грунтов резанию. Допускаемый на практике износ вызывает увеличение этого сопротивления резанию ножами и ковшами со сплошной режущей кромкой на 90—200%, а экскаваторными ковшами с зубьями — на 60—100%.

Дополнительная сила сопротивления резанию от площадок износа и затуплений возрастает с увеличением толщины среза и не равна нулю при нулевой глубине резания (рис.

19).

40

На силу сопротивления резанию значительно влияет угол резания. Увеличение угла резания от 40 до 60° удваивает лобовые сопротивления ножу. С другой стороны, чрезмерное уменьшение угла резания (меньше 30°) может сопровождаться ростом сопротивления грунта (особенно при резании вдоль напластований). Поэтому с учетом всех требований оптимальные значения угла резания оказываются в пределах от 30 до 37—40°.

Сила блокированного резания простым острым ножом Рр— Wp рассматривается как сила,

площади лобовой части и ширине среза и зависящей от угла резания и крепости грунта; 2) силы разрушения в боковых расширениях прорези Рбок, пропорциональной площади

их сечения, зависящей от крепости грунта и практически не зависящей от угла резания и ширины среза;

3) силы бокового среза Рбок.ср, пропорциональной толщине среза, зависящей от крепости грунта и практически не зависящей от ширины среза, а также угла резания.

Сила блокированного резания простым острым ножом