ДОРОЖНЫЕ МАШИНЫ (Часть 1)

41

где

рсв, рбок, рбок.ср, рзат(пл.изн) — удельные сопротивления соответственно в лобовой части, боковых расширениях прорези, среза грунта боковыми ребрами ножа и на затупленной режущей кромке ножа;

Fce и Fбок — площади соответствующих зон действия сил,

γ — угол скола, соответственно равный: для песка — 40— 46°, для суглинка — 30°, для тяжелого суглинка — 40°, для глины — 36°, для замерзшей глины и мела — 30°);

Lбоп.ср — длина линии среза на боковых гранях ножа, Lбоп.ср = 2h (1 - kбок);

Lзат{пл.изп) — длина затупленной или изношенной режущей кромки ножа, равная ширине среза b т.е Lзат{пл.изп)= b.

Силы для преодоления лобовых сопротивлений ножу выражаем следующим образом:

mсв — удедьное.слпротивление грунта резанию в лобовой части гтрорези при угле резания δ = 45°, определяется экспериментально или аналитическим способом (табл. 16),

Силы разрушения в боковых расширениях прорези

Рбок рбок kбок2 h2 ctg 2mбок h2 ,

42

где

mбок — коэффициент, характеризующий удельную силу разрушения грунта в боковых частях прорези,

где

mбок.ср — коэффициент, характеризующий удельную силу бокового среза грунта одним из боковых ребер ножа.

Дополнительная сила резания

Ниже приведены значения ηзат /r и ηпл,изн /а по данным опытов для суглинков и глин при

где

ηпр — коэффициент учета пространственности процесса разрушения (табл. 17).

43

Если резание ведется по полусводной схеме, когда расширение прорези образуется только по одну сторону ножа, то второй (2mбок h2) и третий (2mбок.ср h) члены уравнения (11) уменьшаются вдвое.

Удельное сопротивление резанию (удельная сила резания) k для затупленного ножа определяется по формуле

ножом при двух значениях ширины среза (b1 и b2), одинаковой глубине резания и угле резания δ

= 45°.

Тогда тсв определяется по формуле

44

определяется для простого острого ножа по касательной силе резания и углам резания и внешнего трения:

Для затупленных или изношенных ножей необходимо учитывать силу, действующую на площадку износа или затупления. В этом случае нормальная сила получает выражение

δ1 — угол между траекторией резания и площадкой износа или нижней частью поверхности грунтового нароста.

Из формулы (14) следует, что для затупленного или изношенного ножа результирующая нормальная сила может иметь различные величину и направление. Влияние затупленного ножа на изменение касательной и нормальной сил сопротивления резанию и удельного сопротивления резанию показано на рис. 20.

Уравнениями (9) и (10) определяются так называемые средне-максимальные величины силы резания, соответствующие моменту отделения элемента стружки. Эти величины служат основанием для расчета рабочего органа машины на прочность.

Следует отметить, что коэффициенты φр и тсв так же, как и рсв, могут быть определены аналитическим путем по теории предельного равновесия сыпучей среды.

Определение расхода энергии на резание грунта следует основывать на величинах силы резания, средних за все время процесса. Эти величины определяются произведением среднемаксимальных величин для острого режущего инструмента и коэффициента энергоемкости резания.

Коэффициент энергоемкости находится в пределах 0,5—0,6 для замерзших глинистых и хрупких полускальных грунтов и 0,90—0,95 у пластичных глин.

§ 15. ТЕОРИЯ РЕЗАНИЯ ГРУНТОВ, БАЗИРУЮЩАЯСЯ НА ПОНЯТИИ О ПРЕДЕЛЬНОМ РАВНОВЕСИИ СЫПУЧЕЙ СРЕДЫ

Рассмотренные в § 14 теории резания грунтов базируются преимущественно на экспериментальных данных. Ниже дается основанное на понятии о предельном равновесии сыпучей среды теоретическое обоснование процесса резания и копания грунта, позволяющее определить сопротивление резанию при условии, что известны параметры рабочего органа, режим работы и следующие основные параметры грунта: объемный вес, углы внутреннего и внешнего трения и коэффициент сцепления.

Кроме того, представляется возможным проанализировать влияние угла резания, характера затупления рабочего органа и толщины вырезаемой стружки на сопротивление резанию.

Сравнительно просто решается вопрос о нормальной (вертикальной) и касательной (горизонтальной) составляющей сопротивления резанию, а также о соотношениях между ними.

Для анализа процессов резания и копания грунтов использовались работы И. П. Прокофьева, С. С. Голушкевича, В. В. Соколовского, Г. К. Клейна и др.

Сопротивление грунтов резанию можно отождествить с пассивным отпором грунта при надвигании на него подпорной стенки. Решение вопроса о сопротивлении грунта резанию в большинстве случаев возможно получить в аналитической форме. Там, где аналитическое решение в замкнутой форме затруднительно, применяется графо-аналитический метод. Сущность этого метода заключается в том, что направления поверхностей скольжения находятся графическим методом, а окончательное решение дается в аналитической форме. Для

45

отыскания поверхностей скольжения • использовалась система характеристических кругов С. С. Голушкевича.

В процессе резания прямолинейным ножом с острой режущей кромкой на элементарную площадку грани ножа АВ шириной 1 м

(рис. 21) действуют нормальная dN1 и касательная dT1 составляющие давления грунта dE1, равные:

τ1 — касательное напряжение в Т/м2.

Усилие dE1, действующее на площадку ds шириной b, равно

где

Горизонтальная (касательная) составляющая ЕАВ.г давления на всю грань А В определяется по формуле

а вертикальная(нормальная) составляющая ЕАВ.в по формуле

46

Wp EАВ.г ,

а нормальная сила сопротивления резанию (нормальная реакция грунта на нож) Рн — вертикальной составляющей давления грунта:

При отсутствии жесткой связи между рабочим органом и машиной сопротивление резанию определяется по формуле

Из уравнения (15) видно, что влияние угла резания б на горизонтальную составляющую сопротивления резанию грунта прямолинейным ножом с острой режущей кромкой для несвязных грунтов (С = 0) определяется произведением коэффициентов М1 и К1 (табл. 18).

Оптимальными углами резания (рис. 22) в этом случае будут являться следующие углы

(δопш = f (φ2)):

Для грунтов с достаточно большими значениями коэффициентов сцепления (С ≥ 0,1 кГ/см2), когда становится возможным пренебречь влиянием собственного веса вырезаемой стружки грунта, влияние угла резания определяется произведением М1 (К1 — 1) (см. табл. 18), откуда следует, что для связных грунтов с любыми углами внутреннего трения с увеличением угла резания удельное сопротивление резанию возрастает и наоборот (рис. 23).

47

В тех случаях, когда приходится учитывать как коэффициент сцепления (С ≥ 0,1 кГсм2 и не равно 0), так и собственный вес грунта, влияние угла резания определяется выражением

Сопротивление резанию грунта ножом с затупленной кромкой определяется в соответствии со следующей расчетной схемой (рис. 24).

Суммарное касательное сопротивление резанию гранью ABCD равно

ЕАВ.г — касательная горизонтальная составляющая давления грунта на грань АВ,

Нормальная вертикальная составляющая давления грунта на грань АВ

Горизонтальная составляющая давления грунта на вертикальную грань ВС равна

0 90 ;

g2 — равномерно распределенная пригрузка,

50

Вертикальная составляющая давления на грань СD

Полное вертикальное давление на нож Рн в этом случае можно определить (принимая его направленным вниз) по формуле

При резании горизонтальной стружки постоянной толщины эта сила вместе с силой тяжести рабочего органа воспринимается связями, соединяющими рабочий орган с машиной.

Соотношение между нормальной и касательной силами сопротивления резанию определяется по формуле

Поскольку на сопротивление резанию к наиболее существенное влияние оказывает коэффициент сцепления С грунта, то при резании супесей и легких суглинков ножом заводского изготовления, еще не бывшим в употреблении, при угле резания б » 30° можно рекомендовать следующую зависимость:

§ 16. СИЛЫ, ДЕЙСТВУЮЩИЕ НА ПЛОСКИЙ ПРЯМОЙ НОЖ ПРИ РЕЗАНИИ ГРУНТА

Вопрос о силах, действующих на рабочие органы землеройных машин, связан с теорией резания грунтов и представляет большой практический интерес, так как дает возможность конструктору произвести расчеты на прочность и устойчивость хода рабочего органа и самой машины.

Процесс резания рабочими органами можно в большинстве случаев свести к рассмотрению действия на грунт простого или косого клина.

Наиболее интересным является изучение действующих сил при установившемся режиме резания и постоянной толщине стружки, а также во время заглубления и выглубления рабочего органа. Здесь возможны два случая:

1) известны основные параметры грунта, определяющие его прочностные свойства, т. е. углы внутреннего и внешнего трения, сцепление и объемный

вес;

2) известно (или задается) удельное сопротивление резанию.

В первом случае вопрос о силах, действующих на прямой нож с острой или затупленной режущей кромкой, решается с помощью формул (15) - (25).