Исследование процесса резания грунта
Цель работы
Целью работы является определение экспериментальным методом коэффициента сопротивления грунта резанию.
Теоретическая часть
Резанием грунта называется процесс механического отделения определенного объема грунта от массива при помощи рабочего органа клинообразной формы. Этот процесс сопровождается деформацией формы грунта за счет сжатия, сдвига и отрыва вырезаемой стружки, сопровождаемой преодолением сил сцепления грунта и сил трения грунта о грунт и грунта о металл.
Впервые теоретически сопротивление грунта резанию определил акад. Горячкин В. П. Формула акад. В.П. Горячкина была получена для резания грунта сельскохозяйственным плугом и имеет следующий вид:
где Gпл – вес плуга, Н;
f – коэффициент трения грунта о металл;
b – ширина вырезаемой стружки, см;
h – толщина вырезаемой стружки грунта, см;
F – площадь вырезаемой стружки, см2.
Применительно к рабочим органам землеройных машин из этой формулы начали использовать только ее часть, касающуюся сопротивления резанию.
С помощью второго члена формулы можно определить силу трения плуга о грунт, а третий учитывает деформацию переворачиваемого пласта грунта.
В настоящее время на практике силы резания грунта определяются с использованием формулы академика В.П. Горячкина, согласно которой сопротивление резанию пропорционально площади сечения разрабатываемого слоя грунта.
(2.1)
где Рр – сопротивление резанию, Н;
К – удельное сопротивление грунта резанию, определяемое экспериментальным путем, Н/см2;
F – площадь вырезаемой стружки, см2.
Ввиду того, что сопротивление резанию в ряде случаев затруднительно отделить от других сопротивлений, возникающих на рабочем органе при разработке грунта, например, трение грунта о рабочий орган и т.п., зависимость (2.1) иногда используют для суммарного определения всех указанных сопротивлений и силу Рр называют сопротивлением копанию. В этих случаях коэффициент К носит название удельного сопротивления копанию. Для каждого типа рабочих органов он определяется отдельно.
В настоящее время для большинства типов рабочих органов землеройных машин разработаны методы определения усилий, возникающих на рабочем органе каждого типа (для отвала, ковша).
Сопротивление грунтов резанию зависит от физико-механических свойств грунта, а также от формы и размеров рабочих органов землеройных машин. Формула (2.1) не учитывает влияние геометрической формы рабочих органов на сопротивление грунта резанию.
Основными физико-механическими показателями, определяющими свойства грунтов в отношении сопротивления их резанию, является сцепление грунта, внутреннее и внешнее трение, которое зависит главным образом от гранулометрического состава, плотности, влажности и особенности структуры грунта.
Влияние гранулометрического состава на сопротивление резанию объясняется различной ролью песчаных и глинистых частиц в грунте. Сопротивление резанию возрастает с увеличением процентного содержания в грунте глинистых частиц из-за увеличения сцепления глинистого грунта.
Плотность грунта существенно влияет на сопротивление резанию. Для одного и того же типа грунта при прочих равных условиях сопротивление резанию увеличивается с увеличением плотности, иногда в несколько раз. Сопротивление резанию зависит также от влажности и в большей степени у глинистых, чем у песчаных грунтов. В узких пределах влажности увеличение количества связанной воды приводит к возрастанию сопротивления резанию. Повышение влажности первоначально вызывает снижение сопротивления до тех пор, пока не начинается прилипание грунта к рабочим органам.
Удельное сопротивление грунта резанию возрастает с увеличением глубины резания. Это происходит вследствие того, что в зоне боковой части ножа грунт разрушается в боковых расширениях прорези. Чем глубже толщина вырезаемой стружки, тем больший объем разрушаемого грунта в боковом расширении прорези. Чаще всего этот грунт не забирается рабочим органом, хотя энергия на разрушение этого грунта расходуется. Этот грунт может попадать в рабочий орган, если используются так называемые полукруглые ножи. Они используются, главным образом, на экскаваторах. При разрушении грунта узким рабочим органом с большой толщиной стружки сопротивление резанию возрастает.
Рисунок 2.1 – Резание грунта с одинаковой площадью F1 = F2, но с разной толщиной стружки
Сопротивление грунта резанию, а значит, коэффициент сопротивления резанию зависят от угла резания, уменьшаясь с уменьшением этого угла. Влияние этого угла на удельное сопротивление резанию особенно существенно при углах резания более 30˚ и достигает 1-2% при увеличении угла резания на 1˚. Чтобы устранить трение нижней грани ножа о грунт производят заточку ножа так, чтобы задний угол δ был равен 5-7˚. Угол заострения θ исходя из условия прочности и износостойкости ножа принимают не менее 25-30˚, а угол резания ножа у различных рабочих органов принимают равным 30-60˚.
Рисунок 2.2 – Схема ножа землеройной машины
Резание грунта с углом захвата α = 90˚ в направлении движения машины принято называть лобовым резанием, а при угле захвата, отличающимся от 90˚ - косым. Считается, что косое резание является менее энергоемким процессом, чем лобовое. Однако следует иметь ввиду, что с уменьшением угла захвата возрастают боковые составляющие сопротивления резанию, которые могут привести к потере курсовой устойчивости машины.
Процесс резания грунта, как правило, носит ярко выраженный динамический характер. Разрушение грунта происходит по поверхностям скола. Угол скола ψ (рисунок 2.4) приблизительно для процесса резания можно определить по формуле ψ ≈ 45- φ /2, где φ – угол внутреннего трения грунта. При перемещении грунта по поверхности или внутри поверхности рабочего органа в зоне скола грунта возникает пригрузка σ, которая ведет к уменьшению угла скола. Например, при работе скрепера угол скола меняется от 35˚ до 10-12˚. Осциллограмма процесса резания имеет при этом следующий вид (рисунок 2.3).
Рисунок 2.3 – Осциллограмма процесса резания грунта
Динамическая составляющая ΔРД может быть определена по формуле
(2.2)
где 
- длина поверхности скола, см, 
;
b – ширина поверхности скола, при плоских ножах принимается равной ширине рабочего органа, см
С – коэффициент сцепления грунта, Н/см2.
Для оценки динамики рабочего процесса необходимо знать площадь скола Fск, его длину и угол скола ψ. Замерить их экспериментально затруднительно. Предполагая, что у прямолинейных ножей скол грунта происходит одновременно по всей ширине ножа, в формулу (2.2) подставим значение
(2.3)
откуда угол скола определяется из формулы
(2.4)
или
(2.5)
Значение 
получаем из осциллограммы записи рабочего процесса резания грунта (рисунок 2.3), а b и h замеряем при помощи рулетки. Коэффициент сцепления грунта С определяем при помощи сдвигового прибора.
Рисунок 2.4 – Схема скола грунта перед рабочим органом
Снижение динамики рабочего процесса машин может быть достигнуто или снижением пригрузки σ в зоне скола (у скреперов применение элеваторной или шнековой загрузки) или за счет обеспечения неоднородности скола грунта по ширине рабочего органа. С этой целью применяют ступенчатые у скреперов или полукруглые ножи у экскаваторов. Динамический характер резания грунта приводит к снижению надежности машины. Поэтому целесообразно при проектировании машин производить демпфирование динамических нагрузок с установкой демпфирующего устройства возможно ближе к месту возникновения динамических нагрузок или использовать ножи, которые проводят к уменьшению динамики рабочего процесса.
Порядок выполнения работы по определению коэффициента удельного сопротивления резанию
Работа выполняется в следующем порядке.
1. Приготовить грунт требуемой категории, его увлажнение и уплотнение произвести при помощи площадочного вибратора.
2. Проконтролировать качество уплотнения при помощи модели ударника ДорНИИ. Плотность грунта должна быть одинакова по всей длине резания грунта ножом.
3. Установить исследуемый нож на тензометрическую тележку таким образом, чтобы толщина вырезаемой стружки по ширине была одинаковой.
4. Произвести тарировку тензометрической тележки.
5. Произвести резание грунта на участке 1-2 м с записью сопротивления грунта резанию, толщины и ширины вырезаемой стружки.
6. Произвести расшифровку осциллограммы записи сопротивления грунта резанию.
7. Определить коэффициент сопротивления грунта резанию по среднему значению силы Рр сопротивления грунта резанию
где Рр – сопротивление грунта резанию, Н;
b – ширина ножа, см;
h – толщина стружки, см.
Полученные результаты сравниваются с табличными значениями удельного сопротивления грунта резанию.
Таблица 2.1 – Значение удельного сопротивления грунта резанию
| Категория грунта | Тип грунта | Удельное сопротивление грунта резанию 
|
| I | песок, супесь, суглинок мягкий | 1…4 |
| II | суглинок, гравий мелкий, глина легкая | 3…9 |
| III | суглинок плотный, глина средней крепости | 5…15 |
| IV | суглинок крепкий, глина крепкая | 8…20 |
8. Произвести оценку динамики процесса резания грунта, для чего на осциллограмме оценить ΔРД, то есть крупные сколы грунта, затем найти математические ожидания ΔРД путем обработки осциллограммы. По формуле (2.5) определить угол скола грунта и сопоставить его с теоретическим значением.
9. Путем применения ступенчатых ножей произвести резание грунта с той же площадью вырезаемой стружки и оценить значение коэффициента сопротивления резанию по сравнению с плоскими ножами. Затем оценить динамику рабочего процесса для ступенчатых ножей и объяснить причину изменения динамики процесса резания грунта.
Содержание отчета
В отчете приводятся результаты замеров и расчетов, определяется категория грунта.
Определяется динамическая составляющая сопротивления грунта резанию по формуле
Определяется угол скола грунта при резании по формуле
откуда 
где - длина поверхности скола, , см;
b – ширина рабочего органа, см;
С – коэффициент сцепления грунта (берется по результатам работы по определению физико-механических свойств грунта), Н/см2.