CC BY
73
УДК 621. 878
ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНІ ДОСЛІДЖЕННЯ ПРОЦЕСІВ ВЗАЄМОДІЇ РОБОЧИХ ОРГАНІВ ЗЕМЛЕРИЙНО-ТРАНСПОРТНИХ МАШИН ІЗ ҐРУНТОМ
В.Ф. Демішкан, професор, к.т.н., ХНАДУ
Анотація. Розглянуто результати досліджень процесів взаємодії робочих органів землерийно-транспортних машин із ґрунтом. Показано, що дослідження цих процесів дають можливість визначити вид руйнування, особливості процесів руйнування зсувом і відривом.
Ключові слова: землерийно-транспортні машини, робочі органи, взаємодія з ґрунтом, експеримент, види руйнування, зсув, відрив.
Вступ
Відповідно до завдань підсистеми аналітичних досліджень і розрахунків необхідно вивчити процес взаємодії робочих органів землерийно-транспортних машин (ЗТМ) із ґрунтом експериментальними методами, перевірити отримані аналітичні залежності [1]. При цьому експериментальні дослідження розділяються на два етапи: перший - дослідження загальних закономірностей процесу руйнування ґрунту робочими органами ЗТМ, встановлення відповідності аналітичних моделей реальному процесу різання; другий -вивчення процесів взаємодії натурних машин із ґрунтом, вплив конструктивних параметрів машини у ґрунтових умовах на формування робочих опорів [2].
Аналіз стану досліджень
Перший етап експериментальних досліджень здійснювався, головним чином, на моделях робочих органів ЗТМ у ґрунтовому каналі й у польових умовах. Ціль першого етапу полягала: у визначенні характеру руйнування за зміни параметрів копання, фізико-механіч-них властивостей ґрунту, виявленні критичних параметрів процесу, за яких змінюється вид руйнування; у вивченні характеру процесів, що відбуваються під поверхнями затуплення; у визначенні відповідних зусиль при різноманітних
формах і розташуванні цих поверхонь; у порівнянні результатів теоретичних досліджень з експериментальними даними для перевірки правильності прийнятих у теоретичній частині припущень і оцінки достовірності отриманих аналітичних залежностей [3, 4].
Мета і постановка задачі
Виходячи з показаних цілей, було поставлено такі задачі експериментальних досліджень: вивчення впливу на вид
руйнування параметрів різання і величини привантаження від призми волочіння і стружки, що рухається; вивчення впливу на вид руйнування фізико-механічних властивостей ґрунту (зчеплення, кутів внутрішнього і зовнішнього тертя); одержання експериментальних значень, величини критичного кута різання, за яких змінюється характер руйнування; вивчення характеру напруженого стану в масиві ґрунту перед ножем; установлення характеру зміни величин зусиль різання за зміни параметрів різання і властивостей ґрунту; визначення виду процесу, що відбувається під площадкою затуплення, за зміни ширини площадки кута затуплення і фізико-механічних властивостей ґрунту;
установлення критичного значення кута затуплення, за якого ущільнення ґрунту у дно прорізу переходить у зсув.
Експериментальні дослідження
Для виконання поставлених задач досліди здійснювалися як із натурними зразками машин, так і з моделями робочих органів і елементарних ножів. Спочатку проводилося візуальне вивчення процесу копання ґрунту бульдозерами, автогрейдерами, скреперами, визначався вид руйнування ґрунту, проводилися фото- і кінозйомки процесу.
Потім здійснювалися лабораторно-польові дослідження процесу різання (копання) моделями робочих органів бульдозерів і скреперів елементарними ножами. Досліди проводилися у ґрунтовому каналі, а також у польових умовах за допомогою спеціального стенда і динамометричних візків. На цьому етапі було виконано основну частину експериментальних досліджень у широкому діапазоні зміни параметрів процесу копання і фізико-механічних властивостей ґрунту. Польові експериментальні дослідження процесу різання проводилися з натурними машинами на полігоні ХНАДУ в різноманітних ґрунтових умовах.
Ґрунт, на якому проводилися експерименти у ґрунтовому каналі, був обраний з огляду на такі міркування. Найбільш поширеними на території України є лісовидні, суглинні і глинисті ґрунти. Тому як основний вид ґрунту в каналі було взято польовий чорноземний суглинок, що у природному заляганні віднесений до ґрунтів II - III категорії важкості розробки.
Результати досліджень
Експерименти, проведені у ґрунтовому каналі й у польових умовах, підтвердили теоретичну частину роботи і показали прийнятність допущень, взятих для розв’язання поставленої задачі. Основні результати експериментального дослідження полягають в наступному.
1. Руйнування ґрунту при різанні широкими ножами (в умовах плоскої задачі, тобто з
дотриманням умови — і 7) відбуваються як h
зсувом, так і відривом. Вид руйнування визначається, в першу чергу, величиною кута різання робочого органа машини і фізико-механічними властивостями ґрунту, з яких найбільший вплив на характер руйнування
справляють кути зовнішнього і внутрішнього тертя.
2. Перехід від одного виду руйнування до іншого характеризується для даних ґрунтових умов і глибини різання визначеною величиною кута різання -
критичним кутом різання а° кр (див. рис. 13). Практично внаслідок варіації властивостей ґрунту слід говорити про критичну зону кутів різання, що для ґрунтів, застосованих в експериментальних дослідженнях (чорнозем, лес, глина), становить відповідно 40° - 53°, 30° - 47°, 40° - 51°. Отримані значення критичних кутів різання відповідають умовам «чистого різання», тобто без утворення призм волочіння значних розмірів і без довантажень на ґрунт від опору наповненню робочого органа. У випадку додаткових довантажень на ґрунт від призми волочіння і стружки, що заповнює робочий орган, величина цих кутів зменшується на 8 - 10 за значень вертикального довантаження порядку 0,02 - 0,025 МПа.
На величину критичних кутів різання впливає, в першу чергу, величина кута внутрішнього тертя ґрунту. Так, зі зміною кута внутрішнього тертя лесу від 31° до 19°, за зміни вологості від 16,5 % до 23 % нижня межа критичної зони кутів різання змінювалась з 35° до 30°. Зміна глибини різання впливає на величину критичного кута різання менше. У межах глибин різання ЗТМ від 5 до 20 см зміна критичного кута різання становить
12 - 16 %.
Критичне значення кута різання зменшується зі збільшенням кута зовнішнього тертя ґрунту на величину зміни кута тертя ґрунту об ніж. Зі зменшенням кута зовнішнього тертя опрацюванням поверхні ножа, подачею на поверхню масляної або повітряної плівки критичне значення кута різання зростало.
50 40 30 20 10
О ю 20 ЗО р°
Рис. 1. Залежність критичного кута різання а ° кр від кута тертя р: 1, 2, 3, 4 -зчеплення відповідно 0,025; 0,05; 0,1; 0,2
0 0.05 ОДО 0.15 С, МПа
Рис. 2. Залежність критичного кута різання а ° кр від зчеплення С: 1, 2, 3, 4 - кути тертя 5 = р відповідно 30°; 20°; 10°; 0°
50 40 ЗО 20 10
0.01 0.02 0.03 0,04 дх
Рис. 3. Залежність критичного кута різання а ° кр від привантаження С = 0,1 МПа,
р=5=20°
Зменшення критичного значення кута різання зі збільшенням кута внутрішнього тертя можна пояснити так. Напрямок площин зсуву у ґрунті та співвідношення між величиною напруг, що зрушують, і міцністю
ґрунту залежить, у першу чергу, від кута внутрішнього тертя і зчеплення ґрунту. Зі збільшенням кута внутрішнього тертя зменшується кут нахилу площадок зсуву пропорційно кутові тертя, компоненти діючих на площадці зсуву нормальні і дотичні складові напруги змінюються пропорційно складній тригонометричній
функції від кута у.
Міцність ґрунту на зсув С +0 п Чtgp також є функцією кута У (Р) . Зі збільшенням кута тертя збільшення напруг, що зрушують (дотичні напруги у площині зсуву),
випереджає зростання міцності ґрунту
(пропорційний нормальній складовій напрузі у площині зсуву), внаслідок чого руйнуючі напруги зменшуються. Після досягнення кутом тертя деякого значення відбувається вирівнювання приросту руйнуючих і міцносних якостей (мінімум на кривій зміни критичних значень кутів різання у функції кута тертя). Далі збільшення міцності перевищує зростання руйнуючої напруги, і значення критичного кута збільшується.
Зменшення критичного значення кута різання зі збільшенням кута зовнішнього тертя пояснюється тим, що при цьому зменшується вертикальна складова зусилля,
із котрим ніж діє на ґрунт, внаслідок відхилення рівнодіючої від нормалі до передньої грані ножа на кут тертя. При цьому зменшуються напруги, що розтягують, у зоні леза ножа, і руйнування відривом відбувається, в основному, за рахунок сил Пуассона, тобто в цьому випадку руйнування відривом потребує великих витрат енергії, в порівнянні з руйнуванням зсувом, і, відповідно до умови мінімальної витрати енергії, ґрунт руйнується зсувом, починаючи з менших значень кута різання.
3. Розподіл напруг перед ножем задовільно описується експоненційними залежностями. Величину коефіцієнта розподілу напруг визначено за допомогою трикомпонентної установки, практично збігається зі значенням, отриманим при безпосередньому вимірі тисків на ніж. Хоча градієнт напруг є функцією глибини різання, добуток Ь Чh знаходиться у межах застосовуваних у практиці глибин різання при роботі ЗТМ, близько до постійної величини, рівної 2,5. Більш точне визначення величини Ь Чh
показує, що для кутів різання, менших за критичне значення, величина Ь Чh є близькою до 2, а для кутів різання, більших за критичне значення, близькою до 3.
4. Як показують експериментальні дані, в
—
межах співвідношення ^ і 7...9, тобто в
умовах плоскої задачі залежність зусилля різання від глибини практично є лінійною. Це означає, що явища, які відбуваються у бічних розширеннях прорізу, складають незначну частину загального зусилля різання (у гіршому випадку 5 Є 7%, в основному -2 Є 4%).
5. При різанні ґрунту затупленим ножем поверхня затуплення діє на прошарок ґрунту дна прорізу як штамп.
Внаслідок порівняно малої ширини затуплення і великого контактного тиску під площадкою затуплення утворюється зона підвищеного тиску (ядро ущільнення). За малих кутів нахилу площадки затуплення до горизонталі ґрунт ущільнюється у дно прорізу. Після проходження затупленого ножа проріз має глянцеву поверхню з розірваннями ґрунту - тріщинами, спрямованими всередину масиву. Утворення цих тріщин пояснюється наявністю значних горизонтальних розтягуючих напруг, що розривають масив, а у випадку ослаблених міжагрегатних зв’язків виривають агрегат із дна прорізу. Якщо розрізати масив у площині різання, ясно видно ущільнену зону дна прорізу.
Висновки
Руйнування ґрунту при різанні його широкими ножами відбувається як зсувом, так і відривом, залежно від глибини, кута різання і властивостей ґрунту, в першу чергу від зчеплення С і кутів внутрішнього р і зовнішнього тертя 5. При затупленні ножів величина опору збільшується в основному за рахунок вдавлення ґрунту під ніж, під площадку затуплення. Для зменшення втрат сил на цю деформацію рекомендується застосовувати ножі високої зносостійкості, двошарові леза (самозаточні ножі), зменшувати терміни заміни ножів.
Література
1. Демішкан В.Ф., Нічке В.В. Підвищення
якості землерийно-транспортних машин удосконаленням робочого процесу. -Харків: ХНАДУ, 2007. - 272 с.
2. Канарчук В.Е. Основы надежности машин.
- К.: Наук. думка, 1982.
3. Пронников А.С. Надежность машин. - М.:
Машиностроение, 1977.
4. Хазов Б.Ф., Дидусев Б.А. Справочник по
расчету надежности машин на стадии проектирования. - М.: Машиностроение, 1986.
Рецензент: В.В. Нічке, професор, д.т.н.,
ХНАДУ.
Стаття надійшла до редакції 16 квітня 2008 р.
