Глава 3. Взаимодействие рабочих органов машин с грунтом

Взаимодействие рабочих органов машин для земляных работ с грунтом при их разработке или уплотнении сопровождается их деформацией, разрушением и перемещением. Поэтому при ана­лизе взаимодействия рабочих органов с грунтом и определении сопротивлений, возникающих при этом, необходимо знать физико-механические свойства грунтов, основные конструктивные осо­бенности рабочих органов, способы их воздействия на грунт.

3.1. ГРУНТЫ КАК РАБОЧАЯ СРЕДА

Грунтами называют поверхностные слои земли, образо­ванные в результате выветривания горных пород. По происхо­ждению, состоянию и механической прочности грунты делятся на скальные, полускальные, крупнообломочные, песчаные и гли­нистые. К скальным грунтам относят сцементированные водо­устойчивые породы с пределом прочности в водонасыщенном состоянии не менее 5 МПа (граниты, песчаники, известняки и т. п.). К полускальным грунтам относят сцементированные горные породы с пределом прочности до 5 МПа (мергели, окаменевшие глины, гипсоносные конгломераты и т. п.)., Крупнообломочные грунты представляют собой куски скальных и полускальных по­род. Песчаные грунты состоят из несцементированных мелких частичек (песчинок), разрушенных горных пород размером 0,05— 2 мм. Глинистые грунты являются также продуктом естественного разрушения и преобразования горных пород, размеры частиц которого в основном менее 0,005 мм.

Машины для земляных работ в строительстве преимуще­ственно разрабатывают песчаные, глинистые, крупнообломочные и полускальные грунты. Скальные грунты предварительно раз­рушают и рыхлят чаще всего взрывом и разрабатывают их затем машинами как крупнообломочные грунты.

Физико-механические свойства грунтов. К основным физико-механическим свойствам грунтов как рабочей среды для машин можно отнести: гранулометрический состав, плотность, пори­стость, влажность, разрыхляемость, сжимаемость (уплотняе-мость), прочность, сопротивление внешнему трению, абразивность,

-. , 29

липкость, температура, скорость распространения волн дефор­мации.

Гранулометрический состав грунта оценивают весовым со­держанием фракций, выраженных в процентах. В зависимости от размера частиц чаще всего принимают следующую классифика­цию грунтов по фракциям: менее 0,005 мм — глинистые; (0,005— 0,05) мм — пылеватые; (0,05—2) мм — песчаные; (2—20) мм — гравийные; (20—200) мм — галечные, щебеночные; более 200 мм — валуны или камни.

По гранулометрическому составу грунтов обычно определяют их наименование. Например, глинами называют грунты, содер­жащие не менее 30% глинистых частиц, суглинками —г от 10 до 30% глинистых частиц, супесью — от 3 до 10% глинистых частиц и песчаных частиц больше, чем пылеватых, песком — с содержанием глинистых частиц менее 3%,

Чем меньше размер частиц грунта, тем больше их удельная поверхность и молекулярные силы их поверхностного взаимодей­ствия. При этом увеличиваются силы контактного взаимодей­ствия частиц с рабочими органами, проявляясь в их липкости и внешнем трении.

Плотность грунта ρ (кг/м³) определяется отношением массы данного образца грунта к его объему и является одним из важных показателей для определения категории при их разработке зем­леройными машинами. Увеличение плотности грунтов, как пра­вило, ведет к увеличению их сопротивлений при разработке ма­шинами.

Пористость грунтов определяется отношением объема пор ко всему объему грунта. Для песчаных и глинистых грунтов она лежит обычно в пределах 15—60%.

Влажность грунтов определяется отношением массы воды, заключенной в порах грунта, к массе твердых частиц грунта. Влажность грунта может изменяться от 1—2% в сухих песках до 200% и более в текучих глинах и иле. Вода в грунте может находиться в нескольких видах: парообразная, твердая (лед), кристаллизованная и химически связанная в составе минералов, гигроскопическая (пленочная) и свободная.

Разрыхляемостью грунта называют ее способность увеличи­ваться в объеме в процессе его разработки. Критерием разрых-ляемости грунта служит коэффициент К_р его разрыхления, определяемый как отношение объема 1/_р разрыхленного грунта в процессе его разработки к объему V грунта в естественном его залегании, т. е. К_р = V_P/V. Разрыхляемость грунтов зависит от их свойств и условий залегания, конструкций режущей части рабочего органа, характера земляных работ. Значения К_р ко­леблются в широких пределах: от К_р = 1,084-1,15 для песков до Кр = 1,45-М,6 для мерзлых грунтов и взорванных скальных пород. Степень разрыхленности грунтов после их укладки в отвал и естестпешюго постепенного их уплотнения или искусственного

(машинного или гидромеханического) уплотнения определяется коэффициентом остаточного разрыхления, значения которого из­меняются от К_{p. о} = 1,02—1,05 для песка и суглинков до К_{p. о} = = 1,2—1,3 для скальных грунтов.

Сжимаемость (уплотняемость) грунтов определяется их спо­собностью под воздействием внешних нагрузок изменять свое строение на более компактное. Модуль деформации грунтов при сжатии не является постоянной величиной. Он возрастает с уве­личением деформации. Однако, учитывая большое разнообразие свойств грунтов и недостаточную степень их изученности, в ряде случаев в первом приближении можно принимать деформацию грунтов как линейную функцию давления. Это позволяет сопро­тивление грунтов вдавливанию характеризовать коэффициентом сопротивления смятию. Под коэффициентом подразумевают на­грузку на единицу поверхности грунтового массива, под действием которого опорная поверхность погружается на 1 см. Коэффициент сопротивления смятию для обычных песчано-глинистых грунтов лежит в пределах 0,02—0,1 МПа. Допускаемую нагрузку опреде­ляют исходя из того, что опорная поверхность не должна погружаться на глубину более 12 см. Модуль деформации сжатию при статическом приложении нагрузки для песчаных грунтов 20—45 МПа, а для глинистых грунтов 7—22 МПа. При динами­ческом приложении нагрузки (вибрации, ударе) модули дефор­мации грунта зависят в основном от скоростей распространения продольных и поперечных волн деформации [2, 3].

Прочность грунтов характеризуется их способностью сопро­тивляться сжатию, сдвигу и разрыву. Разрушение грунта рабо­чими органами машин происходит при развитии в нем сложного напряженного состояния. Прочность и деформируемость опреде­ляется в основном свойствами слагаемых частиц грунтов и связей между этими частицами. Прочность частиц обусловлена внутри-молекулярными силами, а прочность связей между частицами их сцеплением. Силы сцепления и внутреннего трения частиц грунта между собой определяют сопротивление сдвигу. В прак­тических расчетах для связных грунтов часто используют закон Кулона, определяющий, что сопротивление τ сдвигу является линейной функцией нормального напряжения σ сжатия на по­верхности сдвига:

τ = Co + σ tg ρ,

где Co — сцепление грунта, равное предельному сопротивлению сдвига при отсутствии нормальной нагрузки на образце; tg ρ = = μ' — коэффициент внутреннего трения грунта; ρ — угол вну­треннего трения. Величины C₀ и ρ колеблются в различных пределах: для глин и суглинков C₀ = (0,01—0,1) МПа, ρ = = (10—25)⁰; для супесей C₀ = (0,002—0,02) МПа, ρ = (14—28)°; Для песков C₀ = (0,0 0,01) МПа, ρ = (25—35)°.

Сопротивление внешнему трению является одним из суще­ственных факторов в рабочих процессах машины. При расчетах это сопротивление учитывают коэффициентом μ или углом φ внешнего трения грунта по конструкционным материалам эле­ментов машин. Для большинства глинистых и песчаных грунтов при взаимодействии элементов машин с грунтом μ = 0,15—0,55.

Абразивность — свойство грунтов с частицами большой твер­дости изнашивать рабочие органы, элементы ходовых устройств и другие элементы машин для земляных работ. Наибольшей абразивность обладают зерна песка, твердость которых достигает 9000—11 000 МПа, что существенно превышает твердость даже самых лучших закаленных легированных сталей. Поэтому с уве­личением содержания частиц песка в грунте увеличивается его абразивная способность. Кроме того, на абразивность грунтов очень большое влияние оказывает степень закрепленности абра­зивных частиц в грунте [11 ]. Чем больше прочность закрепления абразивных частиц в грунте, тем большей абразивностью и из­нашивающей способностью будут обладать грунты. Например, при замерзании обычных глинистых или песчаных грунтов, у ко­торых твердые частицы в талом состоянии слабо связаны между собой, по мере снижения температуры ниже нуля частицы цемен­тируются льдом и грунт превращается в монолит, с прочным за­креплением твердых абразивных частиц. Поэтому абразивная изнашивающая способность мерзлых грунтов в зависимости от их температуры, влажности и гранулометрического состава может быть в десятки раз выше, чем у тех же грунтов в талом состоянии.

Если не принимать необходимых мер против возможного быстрого абразивного изнашивания рабочих органов, элементов ходовых устройств и других трущихся элементов машин, их показатели надежности, энергоемкости и в целом эффективности могут сильно снижаться. Поэтому вопросам повышения абразив­ной износостойкости рабочих органов и других элементов машин, съемности и возможности быстрой замены изнашивающихся эле­ментов постоянно уделяется большое внимание.

Липкостью называют свойство, присущее, в основном, глини­стым грунтам при определенной влажности прилипать к рабочим поверхностям элементов машин, взаимодействующих с грунтом. Сила прилипания грунта, например, к стали достигает 0,015— 0,025 МПа, что может привести к налипанию на рабочие поверх­ности слоя грунта толщиной до нескольких десятков сантиметров и значительно снизить работоспособность машин. Работа машин для земляных работ при отрицательных температурах может сопровождаться, например, примерзанием налипшего к рабочей поверхности грунта. При этом сила сцепления примерзшего грунта может превосходить в десятки и сотни раз силы сцепления, определяемые липкостью. Вследствие липкости и примерзаемости грунта может существенно снижаться производительность машин и повышаться их энергоемкость.

Температура является важной характеристикой, особенно для мерзлых грунтов, когда лед, цементируя грунт, при температурах

(-15)—(—25) °С в десятки раз увеличивает прочность связей

между ^его твердыми частицами и соответственно его прочностные и абразивные свойства. Прочностные свойства мерзлого грунта возрастают с понижением его температуры и повышением влаж­ности до полного льдонасыщения. Мерзлые грунты имеют наи­меньшие пределы прочности при разрыве и изгибе, поэтому наи­менее энергоемкие способы их разрушения базируются на обес­печении деформаций разрыва и изгиба.

Скорость распространения волн деформации в грунте является одной из основных характеристик, определяющей его сопротивле­ние динамическому разрушению. По скоростям волн дефор­мации определяют динамические модули сжатия и сдвига грунта и соответственно его динамические пределы прочно­сти [2, 3].

Рассмотренные основные физико-механические свойства грун­тов используют для оценки трудности разработки грунтов земле­ройными машинами и обоснования параметров новых машин, работающих в различных грунтовых условиях.

Классификация грунтов по трудности разработки. Грунты, разрабатываемые машинами, разделяют на восемь категорий в за­висимости от трудности их разработки (табл. 3.1). Категории грунтов различают в первую очередь по их наименованию и плот­ности. Распространенной классификацией является классифика­ция грунтов по трудности их разработки, предложенная А. Н. Зе­лениным, основанная на использовании плотномера ДорНИИ. Этот прибор представляет собой цилиндрический стержень сече­нием 1 см², на которой надета гиря массой 2,5 кг. Падая с высоты 0,4 м, гиря ударяет об опорную шайбу на стержне, заставляя его внедряться в грунт. Числом n ударов гири (или соответственно равнозначной работой), необходимым для погружения стержня на глубину 10 см, оценивается крепость грунта и его категория по трудности разработки (см. табл. 3.1).

Оценивая по η категорию грунтов, следует иметь в виду, что наиболее надежно этот метод работает для однородных грунтов До категории IV, у которых при разрушении преобладают пла­стические деформации. Точность такой оценки снижается по мере увеличения хрупкости и неоднородности грунтов. Для оценки категории прочных грунтов (от категории IV и выще) используют также зависимость времени бурения 1 м шпура бу­рильными молотками, которое составляет, например, для грун­тов категории IV 3,5 мин, а для грунтов категории VIII —10,5 мин.

В последнее время проводятся исследования по совершен­ствованию оценки категорий грунтов на основе энергоемкости резания и копания их.

3.1. Характеристика грунтов

Категория грунта — вид грунта	Плот-ность V, кг/м*	Число η ударов плотно­мера ДорНИИ	Коэффи­циент кр разрых­ления	Удельное сопротивление, кПа						Поправоч­ный коэффи­циент Α (Α1), кН2/м2, на толщину стружки для экска­ваторов
				резанию	копанию при работе R1,
				Ri	прямы­ми и обрат­ными лопата­ми	драг­лайнами	многоковшовыми экскаваторами
							поперечного копания		тран­шееко­пате­лями	поперечного сечения	траншейных
							ротор­ными	цеп­ными
I — песок, супесь, мяг­кий суглинок, сред­ней крепости влаж­ный и разрыхлен­ный без включений	1200— 1500	1—4	1,08—1,17	12—65	18—80	30—120	40—130	50—180	70—230	500	110
II — суглинок без вклю­чений, мелкий и средний гравий, мягкая влажная или разрыхленная глина	1400-1900/	5—8	1,1 4— 1,28	58—130	70—180	120— 250	120—250	150— 300	210—400	1000	280
III — крепкий суглинок, глина средней кре­пости влажная или разрыхленная, ар­гиллиты и алевро­литы	1600— 2000	9—16	1,24—1,3	120—200	160—280	220—400	200—380	240—450	380—660	1600	360
IV — крепкий суглинок со щебнем илигаль-	1900— 2200	17—35	1,26—1,37	180—300	220—400	280—490	300—550	370—650	650—800	2600 L	450

кой, крепкая и очень крепкая влажная глина, сланцы, конгломе­раты
V — сланцы, конгломе­раты, отвердевшие глина и лесс, очень крепкие мел, гипс, песчаники, мягкие известняки, скаль­ные и мерзлые по­роды	2200— 2500	36—70	1,3—1,42	280—500	330—650	400—750	520—760	580—850	700-1200	3800	600
VI — ракушечники и конгломераты, крепкие сланцы, известняки, пес­чаники средней крепости, мел, гипс, очень креп­кие опоки и мер­гель	2200— 2600	71—120	1,4—1,45	400—800	450—950	550— 1000	700— 1200	750— 1500	1000— 2200	5000	800
VII — известняки, мерз­лый грунт средней крепости	2300— 2600	135—370	1,4—1,45	1000— 3500	1200— 4000	1400— 4500	1800— 5000	2200— 5500	2000— 6000	8000	1000
VIII — скальные и мерз­лые породы, очень хорошо взорван­ные (куски не бо­лее 1/3 ширины ков­ша)	2500— 2800		1,4—1,6		220—250	230—310

3.2. СПОСОБЫ РАЗРУШЕНИЯ ГРУНТОВ

Разработка грунтов всегда включает в себя в первую очередь их разрушение. Поэтому при создании машин для земля­ных работ всегда нужно стремиться к использованию таких прин­ципов воздействия на грунт, которые обеспечивают минимальную энергоемкость их разрушения.

Способы разрушения грунтов определяются в основном видом энергетического воздействия. В настоящее время в строительстве применяют преимущественно следующие способы разрушения: механический, гидравлический, взрывной.

Механическое разрушение происходит в результате сосредо­точенного контактного силового воздействия рабочего органа на грунт. При этом слои или куски грунта обычно отделяются от массива с помощью клинообразных инструментов, движущихся относительно грунтового массива, т. е. происходит резание грунта.

Механическое разрушение в зависимости от скорости движе­ния рабочего инструмента можно условно разделить на статиче­ское и динамическое. Статическое разрушение обеспечивается обычно рабочим инструментом, имеющим небольшие скорости дви­жения (до 2,0—2,5 м/с), и является наиболее распространенным в этих машинах. Разрушение грунтов, обеспечиваемое вибрацион­ным, ударным и виброударным инструментом, относят к динами­ческому способу. Ударный способ разрушения имеет достаточно широкое распространение при разрыхлении прочных скальных и мерзлых грунтов. Для этого созданы навесные на экскаваторы и тракторы гидравлические, пневматические, механические и ди­зельные молоты, отбойные молотки и т. п. Вибрационные и вибро­ударные способы разрушения грунтов пока еще не получили ши­рокого промышленного применения.

Энергоемкость процессов механического разрушения при раз­работке песчаных и глинистых грунтов в зависимости от их кре­пости, размеров и конструкции рабочих органов составляет 0,05— 0,5 кВт-ч/м³.

Гидравлическое разрушение базируется на использовании энер­гии жидкости — кинетической энергии струи воды, гидравличе­ского удара и т. п. Наиболее широко гидравлическая разработка грунта ведется с использованием напорной струи воды и (или) всасыванием его со дна водоемов. При такой разработке расход энергии на 1 м³ грунта достигает 4 кВт-ч, а расход воды до 50— 60 м³. Несмотря на большую энергоемкость и расход воды ввиду небольшой трудоемкости и ряда других преимуществ, этот спо­соб разрушения грунтов находит достаточно широкое применение в народном хозяйстве.

Взрывной способ обеспечивает разрушение грунтов под высо­ким давлением газов, образующихся при воспламенении взрыв­чатых веществ, которые закладывают в специально пробуренные в грунте скважины (шпуры) или прорезанные узкие щели или

траншеи. Этот способ является одним из наиболее дорогих, но используют его достаточно широко для рыхления крепких скаль­ных грунтов и мерзлых пород, когда невозможно применение других способов.

Кроме указанных основных способов в последнее время начи­нают находить применение также физические, химические и комбинированные способы разрушения грунтов.

К физическим способам разрушения относят воздействие на грунты температурных изменений (прожигание прочных грунтов, оттаивание мерзлых грунтов), токов высокой частоты, ультра­звука, электромагнитной и инфракрасной энергией и др.

Химический способ разрушения заключается в основном в пе­реводе грунта в пластическое (жидкое) состояние и применяется, например, для предохранения упрочнения грунтов при их про­мерзании. Он основан на свойствах различных химических реаген­тов, обладающих пониженной температурой замерзания. Эти реагенты, добавленные к водонасыщенным грунтам, способны предотвращать льдообразование. В качестве реагентов чаще всего используют хлористый натрий и хлористый калий.

Комбинированные способы разрушения грунтов применяют в основном для снижения энергоемкости и повышения эффектив­ности основных способов. К таким способам в первую очередь следует отнести: гидромеханический, термомеханический, термо­пневматический, электрогидравлический, газомеханический, взрывомеханический, взрывогидравлический, электротермический.

Гидромеханический способ разработки грунтов находит ши­рокое применение, например, в землесосных снарядах, где ме­ханическое рыхление прочных грунтов способствует существен­ному снижению энергоемкости рабочего процесса.

Термомеханический и термопневматический способы находят применение в термобурах, предназначаемых для бурения крепких скальных и мерзлых грунтов. При термомеханическом спо­собе разрушение грунта происходит путем прогрева его высоко­температурной газовой струей и дальнейшего разрушения термо­ослабленного слоя грунта режущим инструментом. При термо­пневматическом бурении разрушение и удаление из скважины грунта обеспечивается только высокотемпературной газовой струей. Газовые струи в термобурах образуются при сгорании жидкого топлива и окислителя (кислорода, воздуха и др.). Их тем­пература достигает 1800—2000 °С, а скорость 1400 м/с.

Электрогидравлический способ разрушения грунтов исполь­зует ударную волну, образующуюся в искровом разряде в жид­кости. При этом теплота, образованная в разрядном канале, на­гревая и испаряя близлежащие слои жидкости, образует парога­зовую полость с высоким давлением, которое разрушает грунт.

На этом принципе работают, например, электрогидравличе­ские установки для дробления валунов и негабаритных камней, образующихся при взрывном способе разрушения грунтов.

Газомеханический способ разрушения грунтов обеспечивается, например, путем подачи импульсами газов под давлением в отвер­стия, имеющиеся на рабочем органе землеройной машины (ка­налокопатель, бульдозер). Выходящие через отверстия газы обеспечивают рыхление грунта и уменьшают сопротивление дви­жению рабочего органа [2].

Наиболее распространенным способом разрушения грунтов является механический способ, с помощью которого выполняют до 85% всего объема земляных работ. Достаточно широкое при­менение находят также гидравлический, гидромеханический и взрывной способы.

3.3. РАБОЧИЕ ОРГАНЫ МАШИН ДЛЯ ЗЕМЛЯНЫХ РАБОТ

В машинах рабочие органы (рис. 3.1) предназначены для выполнения основных технологических функций: отделения от массива кусков или слоев (стружки) грунта, захвата отделив­шегося грунта и перемещения его к месту укладки или погрузки, укладки, погрузки, планировки, уплотнения и др. В конструкциях землеройных к землеройно-транспортных машин, рабочий процесс которых состоит из последовательно выполняемых операций (отде­ления грунта от массива, его перемещения и отсыпки), землерой­ные рабочие органы обеспечивают и транспортные операции. Такие рабочие органы (рис. 3.1, б—и) разделяют на ковшовые (экскаваторы, скреперы, погрузчики) и отвальные (бульдозеры, автогрейдеры и др.). Если же назначение рабочего органа ограни­чивается отделением от массива кусков грунта (рыхление), то он может состоять только из рабочего инструмента в виде одного (рис. 3.1, а) или нескольких зубьев.

Ковшовый рабочий орган представляет собой емкость с режу­щей кромкой, оснащенной зубьями (рис. 3.1,6—г, е), выполняе­мыми обычно в виде клина, или без них (рис. 3.1, д, ж, з). Ковши с режущими кромками без зубьев чаще всего применяют для разработки малосвязанных песчаных и супесчаных грунтов, а ковши с зубьями — в основном для разработки суглинков, глин и прочных скальных и мерзлых грунтов.

Следует отметить, что ковши экскаваторов без зубьев со спе­циально выполненной полукруглой, выступающей вперед режу­щей кромкой, разработанные Д. И. Федоровым [32], находят широкое и эффективное применение и при разработке достаточно плотных суглинистых и глинистых грунтов. В режиме разработки грунта ковш перемещается так, что его режущая кромка внед­ряется в грунт, разрыхляя и отделяя его от массива. Разрыхлен­ный грунт поступает в ковш, в котором перемещается далее к месту разгрузки.

Отвальные рабочие органы в нижней части оборудованы ножами (рис. 3.1, и), поэтому их также называют ножевыми. Для разра­ботки прочных грунтов на ножи дополнительно устанавливают

Рис. 3.1. Основные виды рабочих органов машин для земляных работ

зубья. Рабочий процесс отвальных рабочих органов аналогичен описанному выше.

В машинах для бурения грунтов в качестве рабочих органов применяют сплошные и полые сверла, долота, шарошки, коронки, шнеки и др. (см. гл. 21). В машинах для уплотнения грунтов в качестве рабочих органов обычно применяют вальцы разнообраз­ных конструкций, плиты и пневмошины.

Одновременно с соблюдением технологических функций конструкция рабочего органа должна удовлетворять требованиям обеспечения заданной производительности машины в расчетных грунтах как по достаточности его размеров, так и по рабочим усилиям и скоростям. При этом рабочий орган должен обеспечи­вать возможно малую энергоемкость разработки грунта и мате­риалоемкость, необходимую прочность, долговечность и простоту эксплуатации. Высокая абразивность и достаточно быстрое изна­шивание рабочих органов и особенно его режущих элементов Предъявляют к их конструкциям особые требования по повышению их износостойкости. Обычно это обеспечивается: применением для Режущих элементов высококачественных сталей, обладающих при закалке высокой твердостью; периодической наплавкой износо­стойкими сплавами и армированием режущих элементов износо­стойкими вставками из карбидов вольфрама типа ВК15 и т. п.; легкосъемностью и заменяемостью режущих инструмен­тов.

3.4. СОПРОТИВЛЕНИЯ ГРУНТА РЕЗАНИЮ И КОПАНИЮ

Машины для земляных работ, использующие механиче - ский способ разрушения грунтов, работают по принципу их реза­ния. Для большинства машин сопротивления грунтов резанию составляют основную долю сопротивлений, действующих на рабо­чих органах. Кроме сопротивлений резанию, связанных с отделе­нием режущими элементами стружки грунта от массива, на рабо­чих органах большинства землеройных машин возникают допол­нительные сопротивления от трения рабочего органа по грунту, от призмы волочения, образующейся перед ковшом или отвалом, и сопротивления, связанные с процессом продвижения грунта при заполнении, например, ковша грунтом или движения стружки через призму волочения у отвальных машин.

Сумму сопротивлений, возникающих на рабочих органах земле­ройных машин, называют сопротивлением копанию, а силы, преодолевающие их, — силами копания. В целом процесс отделе­ния стружки от массива, движения ее перед рабочим органом и в рабочем органе называют копанием.

Большинство землеройных рабочих органов имеют режущие части (кромки, зубья), выполненные в виде заостренного клина (рис. 3.2), ограниченного передней 1 и задней 3 гранями. Линию 2 пересечения этих граней называют режущей кромкой. Основными параметрами режущего клина служат угол ν заострения, угол δ резания и задний угол θ. Углы δ и θ образуются наклоном клина к направлению его движения, а угол заострения ν = δ — θ. Внед­ряясь в грунт и двигаясь вперед, режущий клин отделяет его часть, называемую стружкой, и оставляет после себя прорезь, идеальная форма и параметры которой показаны на рис. 3.2, б.

В процессе резания грунтов вследствие большого разнообразия свойств и состояния грунтов и сложной природы связей между частицами стружка (рис. 3.3) может быть следующих видов [23]: сливная (а), ступенчатая (б), элементная (в) и отрыва (г).

Рис 3 2 Параметры режущего клина (а) и формы поперечного сечения прорези в грунте при его проходке (б)

На влажных пластичных глинистых грунтах чаще всего обра­зуется сливная стружка, на супесчаных и глинистых грунтах

Рис. 3.3. Виды стружки (а—г) и виды резания грунта (д—и)

нормальной влажности — ступенчатая стружка, на достаточно сухих и прочных — элементная и на прочных хрупких скальных и мерзлых грунтах — стружка отрыва.

В зависимости от положения режущего инструмента в грунто­вом массиве различают следующие разновидности резания: блоки­рованное (рис. 3.3, д), с одной (рис. 3.3, г) и двумя (рис. 3.3, е) поверхностями бокового среза, полублокированное (рис. 3.3, ж) и свободное (рис. 3.3, з).

В процессе блокированного резания грунт разрушается в пре­делах прорези (см. рис. 3.2, б), ширина которой на поверхности существенно больше ширины b ножа на некоторой глубине с₁ (с₁ меньше полной глубины с). Прорезь расширяется и ее боковые поверхности образуют с поверхностью массива определенный угол γ, зависящий от вида грунта и его состояния. Расширение грунтовой прорези в ее верхней части уменьшается по мере увели­чения их пластичности.

При резании грунт разрушается в результате развития в нем сложного напряженного состояния, и этот процесс перед лобовой гранью ножа и по боковым расширениям прорези протекает по-раз­ному. Сопротивление грунта разрушению в боковых расширениях прорези (здесь преобладают деформации отрыва и сдвига), отнесен­ное к единице площади их сечений, в 2—4 раза меньше, чем соот­ветственное удельное лобовое сопротивление по ширине b ножа, где преобладают деформации сжатия и сдвига грунта.

Такие закономерности, как показывает опыт, сохраняются лишь до определенного соотношения между шириной и толщиной среза, соответствующего критической глубине с_кр резания. При с > с_кр (например, форма прорези ABC1D1EF) изменяется в основ­ном только глубина центральной части прорези, а АВ и EF по верхней части практически не изменяются. Критической глубине резания, как правило, соответствует наименьшая энергоемкость резания, что должно учитываться при создании и эксплуатации машин.

Опыты показывают, что большинству грунтов при обычно применяемых углах резания соответствуют определенные крити-

Рис. 3.4. Поперечное сечение грунтовых прорезей при послойной разработке грунтов с расположением режущих элементов (зубьев) по гребням (а) и впади­нам (б), образованным после предыдущей проходки

ческие отношения глубины к ширине среза: с/b = 2—4. Рассмот­ренные особенности взаимодействия ножа с грунтом указывают на необходимость создания у рабочих органов машин таких форм режущих элементов, разрушение грунтов которыми было бы ана­логично их разрушению в боковых гранях прорези. Соответственно часть прорези перед лобовой гранью режущих элементов должна иметь возможно меньшие удельные значения.

Опыты по определению видов резания грунтов с отделением стружки, например, в блокированных (см. рис. 3.3, д), полубло­кированных (см. рис. 3.3, з) и свободных (см. рис. 3.3, и) условиях показывают [32], что сопротивление резанию в блокированных условиях всегда выше, чем в полублокированных, и тем более свободных. Эта разница возрастает по мере увеличения глубины стружки и уменьшения ширины среза. Например, при переходе от резания в блокированных условиях узким режущим инструмен­том (например, зубьями ковшей) к резанию в свободных условиях сопротивления резанию в зависимости от глубины среза могут уменьшаться в 1,5—2,5 раза, а при резании натурными ковшами в 1,2—1,8 раза. Наиболее тяжелые условия резания грунтов наблюдаются при взаимодействии режущего инструмента или всего рабочего органа с грунтом (см. рис. 3.3, ж), что имеет место, например, при работе траншейных экскаваторов, бурении грунтов и т. п.

Результаты этих исследований широко используются при раз­работке конструкций рабочих органов и способов ведения земля­ных работ. Например, в многоковшовых траншейных экскаваторах стремятся обеспечить расстановку зубьев на рабочих органах в таком порядке, чтобы послойное резание грунта производилось по схеме, представленной на рис. 3.4, а, обеспечивающей срезание выступов, полученных после предыдущей проходки. Вследствие возможного свободного развала грунта выступов и уменьшения сопротивлений смятию грунта значительно снижается энерго­емкость резания грунта по сравнению со схемой работы, приведен­ной на рис. 3.4, б. При этом 'увеличивается объем срезаемого грунта.

Исследования угла δ срезания режущего инструмента показы­вают, что при δ > 25—30° сопротивления резанию растут по за­кону, близкому к линейному. Учитывая необходимость обеспече­ния требований к прочности и износостойкости, а также нужного

заднего угла θ резания, наиболее употребительными для земле ройных машин являются углы резания δ = 30—40°.

Большое влияние на сопротивление грунта резанию оказывают изнашивание режущего инструмента рабочих органов и затупление его. При разработке грунта изношенными рабочими органами (рис. 3.5) на поверхности его затупления, форма и размеры кото­рой обычно характеризуются размерами z, у и радиусом r, обра­зуется нарост уплотненного грунта — ядро 1. Это ядро грунта перемещается вместе с рабочим органом, увеличивая радиус затупления, смятия грунта и сопротивление движению рабочего органа. Поверхность износа по задней грани режущего клина, характеризуемая размером у, составляет к траектории резания обычно отрицательный задний угол θ1 который может достигать 7—10°. Поэтому на площадке износа задней грани при движении режущего элемента возникают значительные дополнительные сопротивления на смятие и уплотнение грунта по следу 2 его движения.

Следует отметить, что влияние затупления и образования пло­щадки износа по задней грани может быть весьма велико и преобла­дать в общем сопротивлении резанию. Допускаемый на практике большой износ зубьев и режущих кромок ножей отвалов и ковшей вызывает иногда увеличение сопротивления резанию до 150—200% и ведет к большому повышению энергоемкости копания и снижению производительности машин вследствие увеличения длительности копания и ухудшения наполнения ковшей и призмы волочения у отвальных машин. Поэтому при создании машин необходимо учитывать при определении расчетных сопротивлений износ режу­щих элементов рабочих органов, а при эксплуатации не допускать работу с чрезмерно изношенными рабочими органами. Обычно износ рабочих органов у землеройных машин в зависимости от их размеров допускают в пределах: z= 7—12 мм, у = (3—7) г и r = 3—10 мм.

Снижения затупления зубьев и режущих кромок можно до­биться в определенной мере путем обеспечения их самозатачи­ваемости в процессе изнашивания. Это достигают как выбором кинематики взаимодействия рабочих органов с грунтом, так и путем регулирования интенсивности изнашивания передней и задней граней режущих элементов выбором соответствующих материалов, толщины и площади твердосплавных напла­вок по граням или армиро­ванием передних граней твер­досплавными высокоизносо­стойкими пластинами [11].

Рис. 3.5. Взаимодействие затупленно­го режущего инструмента с грунтом

Особенностью процессов ре­зания грунтов являются также колебания и вариации сопротив-лений резанию, знание которых

Рис. 3 6. Колебания силы резания при стружках:

α — сливной, б — ступенчатой, β — элементной, г — отрыва

необходимо для расчета динамических нагрузок и долговечности машин. Даже при неизменных параметрах срезов и угла резания имеют место колебания сил резания (рис. 3.6) в зависимости от характера образуемых стружек (см. рис. 3.3) [23]. Сопротивление резанию достигает максимума Рmах перед отделением стружки от массива и затем падает до минимума Р_min. Амплитуда этих колеба­ний (Рmах — Ρ min)/2 может достигать у прочных, хрупких полу­скальных мерзлых грунтов до 0,8—0,9 и уменьшается по мере увеличения пластичности грунтов до 0,1—0. В обычных глинистых и суглинистых грунтах естественной влажности она составляет обычно 0,2—0,4. Осредненный период колебаний сопротивления грунта резанию (T_cp на рис. 3 6) зависит от средней длины отделяе­мых элементов стружки Δl_ср при сдвиге (см. рис. 3.3) и скорости ό резания, т. е.

tcp = Δlcp/v. (3.1)

Значение Δl_cp в основном зависит от глубины и угла резания, физико-механических свойств грунтов и условий резания (при-грузка от призмы волочения, сопротивления от наполнения ковша и др ) и может колебаться в достаточно широких пределах. Даже при резании однородных грунтов и неизменных параметрах среза значение Δ/ для отделяемых один за другим элементов стружек может колебаться на 20—40%. Значения Δl_cp через глубину реза­ния с можно оценить как Δl_cp » (0,5—0,9) с.

Для различных землеройных машин периоды колебания сил резания могут лежать в пределах от сотых долей до секунд, что необходимо учитывать при расчете динамических нагрузок машин (см. гл 6).

Вариация сил сопротивления резанию определяется в основном непостоянством прочностных свойств разрабатываемых грунтов.

По опытным данным коэффициенты вариации сопротивления реза­нию, например, для глинистых грунтов лежат в пределах 0,15—0,3, что должно учитываться при вероятностных расчетах машин на долговечность.

3.5. МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОПРОТИВЛЕНИЙ ГРУНТА РЕЗАНИЮ И КОПАНИЮ

Общая схема сил, действующих на рабочий орган, и сил сопротивлений со стороны грунта, приведенных к его режущей кромке, представлены на рис. 3.7. На этой схеме через Ρ и Р0 обозначены соответственно суммарные силы со стороны рабочего органа и силы сопротивления грунта копанию. Через Р₁ Р₂ и ρ01> Р02 обозначены соответственно их касательные и нормальные к направлению движения силы. Одним из наиболее ранних и из­вестных у нас методов определения сопротивлений грунта копанию землеройными машинами является метод Н. Г. Домбровского, по которому основная — касательная составляющая сопротивле­ния грунта копанию

P01 = Рp + Pт + Рпр + Рзап, (3.2)

где Рр, Р_т Ρ _ПP. Pзап — сопротивления грунта соответственно резанию, трению рабочего органа о грунт, передвижению призмы волочения грунта, образующейся перед рабочим органом, заполне­нию рабочего органа грунтом.

Этот способ, предложенный вначале для экскаваторов, был распространен затем и на землеройно-транспортные машины. Суть этого метода в части определения сопротивлений резанию Р_р и трению Р_т базируется на предложенных в двадцатых годах XX в. акад. В. П. Горячкиным зависимостях применительно к взаимодействию с грунтом сельскохозяйственного плуга. При этом сопротивления (кН) резанию в формуле (3.2)

Рр = Ricb, (3.3)

где Ricb — удельное сопротивление грунта резанию, кПа; с и b — толщина и ширина срезаемой стружки, м.

Примерные эксперимен­тальные значения Ri для ковшей одноковшовых экс­каваторов приведены в табл. 3.1.

Сопротивление трению ра­бочего органа о грунт

Р_т = Νμ, (3.4)

Рис. 3 7 Схема силового взаимодействия землеройного рабочего органа с грунтом

где N — нормальное давле­ние со стороны рабочего органа на грунт; μ —

коэффициент трения при движении рабочего органа по грунту.

Сопротивления от перемещения призмы волочения Р_цр и при заполнении Ρ_ЗАП для ковшей экскаваторов Н. Г. Домбровский рекомендовал определять как

Р_пр + Р_зап = (V_ПP + qK_н) ε, (3.5)

где V_пр — объем призмы волочения; q — вместимость ковша; ε — удельное сопротивление от перемещения призмы грунта и при заполнении, зависящее от вида рабочего органа; К_H — коэф­фициент наполнения ковша, К_н = V_rp/q (V_гр — действительный объем грунта в ковше).

Обозначив V_пр/q =q _ПР, формулу (3.5) можно выразить как

Р_ПР + Р_зап = q (Кн + q_ПР) ε. (3.5а)

Максимальные сопротивления Р_{01 mах} копанию бывают обычно к концу копания, когда К_н и V_пр имеют максимальные значе­ния. Если отношение P_o1imax/(cb) обозначить черезR1 — удель­ное сопротивление грунта копанию, то получим

P_o1imax = R1cb. (3-6)

Для различных видов рабочих органов и их конструктивных исполнений значения R₁ для одинаковых грунтов различны. Они существенно больше значений, указанных в табл. 3.1, для ковшей лопат, например, для ковшей драглайнов и скреперов, где больше сопротивления от перемещения призмы волочения и при заполне­нии ковша. Для траншейных экскаваторов значения R₁ сущест­венно возрастают вследствие ухудшения условий блокированного резания за счет стенок траншей (см. рис. 3.3, ж). Для более точ­ного определения Р₀₁ для скреперов и отвальных машин сопротив­ления Р_пр и Р_зап учитываются обычно отдельно (см. гл. 17— 19).

По этому методу нормальную составляющую Р₀₂ сопротивления копанию (см. рис. 3.7) определяют в долях от Р₀₁:

Р02 = ΨP01, (3.7)

где φ — коэффициент, зависящий от однородности и прочности грунта, заднего угла θ резания, степени затупления, размера и формы износа задних граней режущих элементов.

При θ не менее 5—8° для однородных грунтов категории III—IV и режущих периметрах средней затупленности φ « (0,15...0,3). Для более прочных неоднородных полускальных и мерзлых грунтов φ ~ 0,3—0,6.

При работе многоковшовых поворотных экскаваторов и экска­ваторов поперечного копания кроме составляющих Р₀₁ и Р₀₂ сил сопротивления имеет место также боковая составляющая Р₀₃ сопротивления на рабочем органе.

Значения Р₀₃ рекомендуется определять по формуле

Р₀₃ = Ψ1 P01, (3.8)

где Ψ1 зависит от однородности и прочности грунтов, формы режу­щего периметра ковшей и их ориентации относительно забоя, Ψ1 = 0,1—0,3.

Боковая составляющая Р₀₃ может возникать и при работе лопат в неоднородных или плоховзорванных грунтах особенно при работе с заторможенным механизмом поворота или специально при его включении. Предельно возможное максимальное значение Р₀₃ будет определяться при этом крутящим моментом, обеспечиваемым двигателем или тормозом поворотного механизма.

Вследствие значительного колебания величин k_it ψ, ψ1 в зави­симости от формы и конструктивного исполнения режущего периметра, всего рабочего органа и его назначения расчет сопро­тивлений копанию по формулам (3.6)—(3.8) является приближен­ным. Однако вследствие простоты этого способа он находит широ­кое применение особенно при проектировании экскаваторов.

Большой вклад в исследования и совершенствование методов расчета сопротивления грунтов копанию внесли также советские ученые Ю. А. Ветров, А. Н. Зеленин, Д. И. Федоров, К. А. Ар­темьев, И. Я. Айзенштек, А. Д. Далин и др., а также зарубежные — Е. Динглинтер, И. Ратье, Г. Кюн, Ф. Кинаст и др.

Ю. А. Ветров предложил метод расчета сопротивлений Р_р грунта резанию сложными режущими кромками как сумму сопро­тивлений Р_ро резанию каждым из простых острых режущих ножей и дополнительных сопротивлений Р_зат от резания площадками затупления на ножах при их изнашивании [23]:

n η

Рр = Z Ррot + Z Pзатt (3.9)

t=1 t=1

При этом

Р_P0 =Р_сb + Р_бок + Р_бок.ср,

где Р_сbЬ — сопротивление грунта срезу передней гранью (по ширине b, см. рис. 3.2, б); Р_бок — сопротивление грунта от разрушения по боковым расширениям прорези AКВ и ELF (см. рис. 3.2, б); Рбок. ср —сопротивление грунта срезу боковыми ребрами ножа у дна прорези по линиям BC и ED (см. рис. 3.2, б).

Сопротивление резанию от затупления ножей определяется, в основном, исходя из их площадки затупления, толщины стружки и сопротивления грунтов смятию и трению.

Нормальная составляющая сопротивлений резанию для каж­дого ножа

Р_PN =Р_P0 ctg (δ + φ) - Р_эат ctg (θ₁ + μ),

где δ, θ₁ и φ — углы резания, наклона задней грани ножа при износе (см. рис. 3.4) и трения ножа о грунт.

Из выражения (3.9) для Р_р видно, что в зависимости от степени затупления изношенных ножей нормальная сила резания может иметь различные значения и направления. Суммарная нормальная составляющая для сложных режущих кромок определяется так же, как сумма P_{P0 Nt}·

Эта методика, развитая в работах многих учеников Ю. А. Вет­рова и более точно учитывающая влияние основных факторов на сопротивление грунтов резанию и копанию, во многом способст­вовала созданию рациональных конструкций рабочих органов и правильному определению сопротивлений копанию.

А. Н. Зеленин предложил определять касательную составляю­щую (Н) сопротивления резанию для режущих кромок, оснащен­ных зубьями, в виде

Р_р= 10пс^1.35(1 +2,6b)(1 +0,0075δ)z1, (3.10)

где n — число ударов плотномера ДорНИИ (см. табл. 3.1); с — толщина стружки, см; b — ширина стружки, м; δ — угол резания, °; Ζι — коэффициент, учитывающий влияние зубьев на сопротивле­ние резанию.

Д. И. Федоров в результате больших исследований, а также обобщений работ других авторов предложил определять касатель­ную сопротивления резанию в виде [32]

Pр = Pсж + P`сж μ + Рсдв + Pотр + Pизг + Gг ( μ COSδ + Sin δ) COS δ,

(3.11)

где Р_сж — сопротивление грунта сжатию по площадке изнашива­ния лобовой части режущей кромки (режущих элементов); Рсж — сопротивление грунта сжатию на площадке изнашивания нижней грани режущих элементов; μ — коэффициент трения рабочего органа о грунт; δ — угол резания; Р_сдв, Р_отр, Р_изг— сопротивле­ния сдвигу, отрыву и изгибу стружки (пласта) грунта; G_r — вес грунта, находящегося на режущей кромке.

Основные сопротивления в формуле (3.11) определяются через параметры рабочего органа и механические характеристики грун­та — сопротивления грунта одноосному сжатию, разрыву и сдвигу с учетом степени блокирования резания (см. рис. 3.3, д—и) и формы режущей кромки. Показано, что наибольшее влияние на удельное сопротивление грунта резанию Ri оказывает сопротивле­ние грунта одноосному сжатию σ₀.

На основе анализа сопротивлений грунта резанию и копанию Д. И. Федоровым были предложены ковши совкового типа с высту­пающей вперед полукруглой режущей кромкой, снижающие сопротивление копанию в связных грунтах до 20—35%.

Во ВНИИстройдормаше на базе проведенных исследований А. С. Ребровым для одноковшовых экскаваторов предложено каса­тельную составляющую (кН) сопротивления грунта резанию опре­делять как

Рр = Ri bc(0,7 + 0,015δ) + R (zn1а + μyn1α), (3.12)

где Ri — удельное сопротивление грунта резанию острыми зубьями при оптимальной их расстановке и оптимальных углах δ и 0, кПа, определяется через число n ударов плотномера ДорНИИ, Ri = 7n; b — ширина ковша, м; δ — угол резания, °; с — толщина стружки, м; R = 70η — предельная несущая способность грунта, кПа;

z и у — размеры притупления зубьев, м (см. рис. 3.4); п₁ — число зубьев; а — ширина зубьев, м; μ — коэффициент трения ковша о грунт.

При средних значениях μ = 0,5 и у = 4ζ второй член формулы (3.12), учитывающий влияние затупления зубьев, будет равен 3Rz n1 a.

При определении сопротивлений грунта резанию в процессе динамического воздействия на рабочие органы (вибрации, ударе и виброударе) необходимо учитывать возрастание модуля упру­гости и прочностных свойств грунтов с ростом скорости приложе­ния нагрузки. Важной характеристикой здесь становится скорость распространения упругих волн [2, 3].

При оценке сопротивлений грунта резанию и копанию под водой необходимо учитывать влияние на грунт гидростатического давления и изменение поверхностных свойств грунтов [3].