5 Особенности процесса копания
Рабочее сопротивление землеройно-транспортных машин, работающих в режиме послойной разработки, кроме сопротивления резанию включает в себя сопротивление призмы волочения и сопротивления, возникающие при перемещении грунтового потока по рабочему органу либо внутри рабочего органа. При этом в режиме послойной разработки, когда толщина стружки относительно мала по сравнению с размерами рабочего органа, отделяемый от массива грунт взаимодействует с ножами рабочего органа и поверхность ножа является плоскостью скольжения, формирующей направление движения срезанного грунта. Так принято в расчетных схемах многих авторов.
В таком режиме работают землеройно-транспортные машины, рабочие органы которых можно разделить на типы: плоский, отделяющий грунт от массива и подающий его на транспортер; отвальный, отделяющий грунт от массива и перемещающий его перед собой; ковшовый, отделяющий грунт от массива и заполняющийся им. Типичными представителями машин с такими рабочими органами являются грейдер элеваторы (с плоскими ножами), бульдозеры и скреперы.
Копание грунта землеройно-транспортными машинами отличается от копания землеройными машинами, типичным представителем которых является экскаватор. Рабочий процесс экскаватора имеет свои особенности. Формирование нагрузок на его рабочий орган в большей степени подвержено влиянию случайных величин. Это можно объяснить тем, что у современных экскаваторов при мощном гидрооборудовании возможна реализация разных режимов копания. Иными словами, практическое отсутствие ограничений на толщину стружки позволяет вести процесс копания на режимах, выбираемых исходя из технологических требований, весьма разнообразных, а не возможностей машины. Поэтому и расчет рабочего оборудования экскаваторов ведется исходя из усилий, реализуемых гидроцилиндрами.
При копании грунта экскаватором, особенно обратной лопатой, толщина стружки непрерывно изменяется как вследствие поворота ковша, так и вследствие заглубления ковша при копании гидроцилиндром рукояти. Поэтому копание грунта экскаватором нельзя рассматривать без процесса внедрения ковша в грунт, так как возникающие при этом сопротивления будут оказывать существенное влияние на величину суммарного усилия копания.
Для землеройно-транспортных машин, работающих в режиме послойного копания, расчёт процесса копания становится первостепенной задачей. Из-за ограничения силы тяги тягача (тягача и толкателя при тандемной сцепке машин) условиями сцепления их движителей с грунтом, копание, особенно в заключительной стадии, ведётся при полной реализации тяговых возможностей. Вследствие этого машинист землеройно-транспортной машины не может изменять режим работы в широких пределах.
При этом заглубление рабочего органа осуществляется в начальной стадии, как правило, на максимальную глубину, при которой возможно движение машины. В процессе копания, при увеличении сопротивления грунта, рабочий орган постепенно выглубляется. Учитывая, что при заглублении рабочего органа в начальной стадии практически отсутствует срезанный грунт, а сам процесс кратковременен, исключим его из рассмотрения.
Отличительной особенностью рабочих органов землеройно-транспортных машин является то, что на них устанавливаются самозатачивающиеся ножи. Это достигается специфической термообработкой рабочей поверхности либо ее наплавка. Такие ножи имеют характерный износ режущей кромки. Площадка износа появляется со стороны нижней части ножа. Дополнительные сопротивления, вызванные такой площадкой вследствие трения грунта и его смятия, действуют во время процесса резания непрерывно даже при нулевой толщине стружки и их учет возможен по методике Ю.А.Ветрова. В ряде работ показано, что при наличии затупления на режущей кромке, на ней формируется грунтовой нарост. К.А. Артемьевым установлено, что такой нарост, изменяя геометрию режущей кромки, сводит её к предыдущей схеме с площадкой износа.
Отметим, что в работе Ветрова Ю.А. разработаны критерии предельного износа ножей землеройно-транспортных машин из условия ограничения вертикальной составляющей дополнительного сопротивления, действующего на площадку износа.
Таким образом, вследствие возможности учета дополнительных сопротивлений от площадки износа по известным методикам, влияние затупления режущей кромки не будем учитывать, как и при формировании модели для процесса резания грунта.
Будем рассматривать копание землеройно-транспортными машинами при реальных низких скоростях, когда скорость не оказывает влияние на процесс копания. Рядом авторов отмечено некоторое увеличение сопротивления резанию при увеличении скорости. Однако при низких скоростях (до 1,25 - 2 м/с) ее влияние не существенно и его можно не учитывать. В этом случае при высоких концентрациях и низких скоростях сдвига частицы грунта находятся в тесном контакте, напряжения не зависят от скорости, и имеет место механизм возникновения напряжений за счет сухого кулоновского трения.
При больших скоростях механизм разрушения грунта будет иным, что требует иных методов исследования.
Отметим также, что в грунте нарушенной структуры, находящемся как в призме волочения, так и в ковше, частично восстанавливается сцепление. Хотя его величина является незначительной, однако вследствие больших размеров площадок скольжения, влиянием восстановившегося сцепления уже нельзя пренебречь.
Логично принять допущение, что удельное остаточное сцепление в призме волочения и ковше зависит от высоты грунта либо степени заполнения ковша. Его величину можно определить экспериментально.