Копание и резание грунтов

Копание — совокупность процессов отделения грунта от массива, включающих резание грунта, перемещение его по рабочему органу и впереди последнего, а в отдельных случаях и перемещение внутри рабочего органа (в частности, в ковшах экскаваторов).

Резание — процесс отделения грунта от массива при помощи режущей части рабочего органа, обычно имеющей вид клина.

Одно из них — движение, при котором отделяется стружка1, другое (оно может быть названо движением подачи) — при котором изменяется толщина стружки.

Скорость движения подачи обычно в несколько раз меньше скорости главного движения. Соотношение скоростей этих движений в известной мере определяет траекторию рабочего органа.

Рис. 50. Геометрия рабочего органа

В землеройно-транспортных машинах режущий орган (нож) предварительно внедряется в грунт до определенной глубины, а затем, двигаясь в нужном направлении, срезает стружку заданной толщины.

Как правило, внедрение в грунт происходит в результате одновременного перемещения ножа вглубь и вперед.

Механику отделения грунта от массива в процессе резания можно представить так.

Термином «стружка» пользуются при обработке металлов, он не всегда отражает физическую сущность процессов, происходящих при резании грунтов, однако удобен при расчетах сил сопротивления грунта резанию и копанию, наполнения ковша и производительности землеройных машин. Поэтому применяется условно.

Указанный способ моделирования процесса резания был впервые предложен М. И. Гальпериным и В. Д. Абезгаузом.

У передней грани формируется уплотненное ядро (рис. 52), которое, двигаясь перед режущей частью рабочего органа, внедряется в массив и отделяет стружку. Размеры ядра в процессе резания непрерывно изменяются, а само ядро периодически обновляется.

При углах резания, меньших 30°, у большинства грунтов ядро не образуется. В этом случае стружка отделяется под воздействием передней грани рабочего органа.

Рис. 51. Внедрение штампа у одной открытой стенки

Грунт отделяется от массива в результате сдвига или отрыва. Характер этого отделения зависит от физико-механических свойств грунта, геометрии рабочего органа и режимов работы.

Определение отдельных параметров процесса резания и копания грунта, усилий, наивыгоднейших режимов, геометрии рабочего органа из-за сложности процесса и одновременного влияния многих факторов пока еще не получило аналитического решения. В основном усилия и режимы подбираются на основе экспериментальных данных.

Рис. 53. Удельное сопротивление резанию при разработке

До определенных значений с по мере его увеличения второй фактор оказывает большее влияние и, следовательно, величина kp уменьшается. После увеличения с сверх определенных значений большее влияние оказывает всестороннее сжатие и сопротивление kp увеличивается. Это продолжается, пока значение с не достигнет величины си после чего значения kp стабилизируются.

С увеличением Ь величина kv уменьшается и после определенных значений Ь она также стабилизируется.

При полусвободном и свободном резании удельное сопротивление с увеличением с при постоянном b уменьшается и после определенных значений с тоже стабилизируется.

Величина kp в значительной степени зависит от физико-механических свойств грунта и в большей степени от его прочности на одноосное сжатие. Последняя зависит от влажности, объемного веса, пластичности, связности грунта и других параметров. Так как прочность на одноосное сжатие многих талых грунтов мала и трудно поддается измерению, а для некоторых грунтов, например для песков, ее вообще нельзя измерить, то трудность разработки характеризуют категорией грунта.

Рис. 54. Ударник конструкции ДорНИИ

Под действием удара стержень внедряется в грунт. В зависимости от физико-механических свойств грунта для внедрения стержня на глубину 0,1 м требуется различное число ударов: например, в просеянный песок влажностью 9,2 требуется всего один удар, а в легкий суглинок вл а леностью 10,6% — 12 ударов. Величина kp зависит также от геометрии режущей части рабочего органа. Опыты показывают, что для большинства грунтов оптимальное значение угла резания б должно быть 20—30°. При меньших углах б лезвие получается очень тонким. С увеличением этого угла удельное сопротивление резанию возрастает. Задний угол а должен быть не меньше 7°, особенно для экскаваторов и бурильных машин, при работе которых в результате сложного перемещения рабочего органа угол а фактически уменьшается. При а = 7-М0° не всегда можно достигнуть, чтобы угол резания составлял 20—30°, так как в этом случае угол заострения р не превышает 25°, а при такой величине угла заострения прочность режущей части рабочего органа недостаточна. Поэтому угол р делают больше 25°, тогда при а — 7—10° угол резания получается очень часто больше 20—30°.

С увеличением угла б на каждые 10° удельное сопротивление резанию возрастает примерно на 10—12%. Поэтому, если прочность режущей части достаточна, то следует работать на углах, близких к оптимальным значениям.

2. Сила сопротивления внедрению режущего лезвия рабочего органа в грунт Р п (в направлении, нормальном к траектории), т. е. сила подачи.

Как правило, режущая часть рабочего органа быстро затупляется и на ней образуется так называемая площадка затупления. Профиле площадки затупления может совпадать или не совпадать с траекторией движения режущего лезвия. На форму профиля влияют физико-механические свойства грунта и режимы работы.

Рис. 55. Виды затупления режущего лезвия

На рис. 55 показан различный характер затупления режущего лезвия и возникающие при этом силы.

Если траектория движения совпадает с профилем площадки затупления и радиус закругления незначителен, то можно считать, что сопротивление Рп возникает только при отжиме рабочего органа от поверхности грунта (рис. 55.а) в результате упругого последействия.

Если траектория движения совпадает с профилем площадки затупления и при этом на режущей кромке образовался радиус закругления, определяющий площадку затупления, то появляются дополнительные силы, отжимающие рабочий орган в процессе резания.

Если профиль траектории не совпадает с профилем площадки затупления, то выступающая за траекторию часть (рис. 55, в) внедряется в грунт. Сила Р„ при этом определяется сопротивлением внедрению выступающей части в грунт.

Рис. 56. Изменение усилий при вдавливании плоского штампа в мерзлый песок в условиях всестороннего сжатия

.