Машины для земляных работ. Грунт, как рабочая среда

Рабочие органы земле­ройных и землеройно-транспортных машин подразделяются на рабочие органы, которые только отделяют грунт от массива (зубья рыхлителей, фрезы), и рабочие органы, которые отделяют грунт от массива, одновре­менно захватывают его и транспортируют. При этом одни рабочие органы транс­портируют грунт, перемещая его по поверхности массива (ножи бульдозеров, грейде­ров), а другие накапливают и переносят грунт в специ­альных емкостях (ковши экскаваторов, скреперов).

Рис.2.1. Основные виды рабочих органов

а) – отвал бульдозера; б) – ковш экскаватора; в) – ковш погрузчика; г) – ковш скрепера; д) – зубья рыхлителя; е) – цепной ковшовый орган; ж) – роторное колесо.

Общая схема процесса разработки грунта представ­лена на Рис. 2.2.

Рис.2.2. Схема процесса разработки грунтов

Изучение процесса разработки грунта состоит из анализа свойств грунтов, особенно тех его характеристик, которые непосредственно влияют на разработку параметров рабочего органа, процесса взаимодействия рабочего органа с грун¬том.
Песчано-глинистые грунты разделяются на виды в зависимости от процентного содержания частиц мельче 0,005 мм:

Характеристики рабочих органов и условия их работы.

Конструкция рабочих органов зависит от вида выполняемых работ. Независимо от вида рабочего органа все они отделяют грунт от массива режущей частью (лезвием, режущей кромкой), обычно имеющей вид клина (Рис. 2.3).

Рис.2.3. Схема режущей части рабочего органа

Клин характеризуется углом заос­трения β и шириной В, Угол заострения β определяется прочностью клина, а ширина В — технологическими условиями работы. Для отделения стружки грунта от массива клину сообщается два движения по направлению ОХ, называемое главным движением и характеризуемое скоростью резания U_Р, другое по ОУ — движе­ние подачи, характеризуемое скоростью подачи (внедрения) U_П (рис. 2.4).

Условия разрушения грунта и возникающие усилия за­висят от положения клина относительно направления главного дви­жения. Это положение определяется углом резания δ между перед­ней гранью и касательной к поверхности среза (см. рис. 1.10). Угол δ имеет существенное значение в процессе резания. Его увеличение от 40 до 60°, а также уменьшение (менее 30°) повышает сопротивле­ние грунта резанию (копанию).

Рис.2.4. Схема движения режущей части клина при отделении стружки

Задний угол α — угол между задней гранью клина и касатель­ной к поверхности среза, так же как и угол δ, является углом уста­новки, причем

В процессе работы углы δ и α меняются в зависимости от соот­ношения скоростей резания и подачи, которыми определяется фак­тическая траектория движения (см. рис. 2.4).

Угол наклона траектории к поверхности среза

В этом случае фактическое значение заднего угла

Режимы работы должны быть такими, чтобы всегда α > 0 или α₀ > γ, или .

Например, если для экскаватора скорость , а  , то угол  и, следовательно, исходное значение заднего угла α₀ > 5°.

В процессе копания (резания) режущая кромка органа изна­шивается. Характер износа зависит от абразивных свойств грунта, материала рабочего органа, времени и режимов работы. Износ ха­рактеризуется площадкой износа (рис. 2.4, а) или затуплени­ем радиусом (рис. 2.4, б). Чаще эти виды износа появляются одновременно (рис. 2.4, в).

Рис.2.4. Виды износа режущей кромки

а) – с площадкой износа; б) – с затуплением радиусом; в) – с комбинированным износом.

Площадка износа в общем случае на­клонена к траектории движения под переменным углом δ₁ несмот­ря на то, что углы резания δ и задний угол α при износе остаются неизменными. Силовые и энергетические параметры при затупле­нии резко меняются.

Способы резания

В зависимости от положения рабочего органа в грунте разли­чают способы резания (копания): блокированное (рис. 2.5, а), полусвободное (рис. 2.5, б) и свободное (рис. 2.5, в). Наименее трудоемким является свободное резание, однако на практике оно почти не встречается. Самым энергоемким является блокирован­ное резание, поэтому технологию процесса разработки грунта сле­дует по возможности, осуществлять полусвободным резанием.

Рис.2.5. Основные способы резания

а) – блокированное; б) – полусвободное; в) – свободное.

Виды стружкообразования

В зависимости от состояния и характеристики грунта различа­ют следующие виды отделяемой стружки: сливная, ступенчатая, элементная и отрывная (рис. 2.6). Сливная стружка, как правило, образуется у влажных пластичных глинистых грунтов. У грунтов со значительным сцеплением — элементная. Стружкообразование состоит из отдельных элементов, называемых телами скольжения, которые перемещаются друг относительно друга по линиям скольжения. Линии скольжения характеризуются углом ψ, который бли­зок по значению к углу внутреннего трения φ. Для очень пластич­ных грунтов (рис. 2.6, а) тела скольжения не образуются. Харак­тер образования стружки оказывает существенное влияние на формирование призмы волочения (бульдозеры, скреперы), на запол­нение ковшей (экскаваторы, погрузчики, скреперы).

Рис.2.6. Виды стружкообразования

а) - сливная;  б) - ступенчатая; в) - элементная; г) – стружка отрыва.

Условия резания характеризуются профилем реза, который об­разуется после прохода рабочего органа (рис. 2.7). В зависимо­сти от свойств грунта и соотношения между В и с величины с₁ и γ могут иметь разные значения. Наиболее существенное влияние форма профиля оказывает в случае, если с₁=(0,8...0,85)* с, а γ = 35°… 45°.

Рис.2.7. Форма сечения реза

Выше были рассмотрены условия работы клина, когда его пе­редняя кромка перпендикулярна направлению главного движения. Опытами установлено, что поворот режущей кромки относительно направления главного движения на угол, отличающийся от 90°, изменяет характер процесса отделения грунтов от массива. При этом грунт, отделяясь от массива, одновременно перемещается в сторону. Такое резание называется косым. Энергоемкость раз­рушения в этом случае уменьшается в 1.2...1.3 раза по сравнению с прямым резанием.

Литература:

Конспект лекций по курсу «Машины для земляных работ» для студентов специальности 7.090214 “Подъемно-транспортные, строительные, дорожные, мелиоративные машины и оборудование” (ПТМ) / Лавшонок А.В. – Донецк: ДонНТУ, 2004. – 100 с.