Введение.
Развитие методов расчета сопротивлений
при резании и копании грунта
Современный уровень развития строительства не снижает требований ни к совершенствованию рабочего оборудования землеройной техники, ни к снижению энергоемкости разработки грунтов, ни к совершенствованию теории их рабочих процессов.
Основы теории резания грунта заложены академиком В.П. Горячкиным. Им в 1923 году предложена формула для определения сопротивления копанию плугом
где G – вес плуга; 
– коэффициент трения плуга о грунт; k – удельное сопротивление грунта резанию; h – глубина пахоты; b – ширина захвата; 
коэффициент, учитывающий сопротивление при отбрасывании пласта грунта плугом; 
– скорость движения плуга.
Первый член формулы учитывает трение плуга о почву, второй член учитывает силу сопротивления резанию; третий учитывает усилие, затрачиваемое на отбрасывание пласта в сторону.
И хотя в отношении второго члена формулы самим В.П. Горячкиным было сказано, что “сопротивление деформации пласта в качестве простейшего предположения можно считать пропорциональным площади поперечного сечения пласта”, именно он нашел широкое применение при расчетах сопротивлений грунта резанию, тяговых расчетах землеройных машин и используется вплоть до настоящего времени.
Применительно к процессу копания грунта аналогичный метод расчета сопротивлений предложен Н.Г. Домбровским. Касательное сопротивление копанию грунта ковшом экскаватора рассматривается как сумма трех сил:
где РР - сопротивление грунта резанию; РТ - сопротивление трению рабочего органа о грунт; РП - сопротивление перемещению призмы волочения и движению грунта в ковше.
Для практических расчетов Н.Г. Домбровский предложил определять касательную сопротивления копанию по упрощенной формуле:
При этом удельное сопротивление копанию k1 включает в себя все возникающие сопротивления (сопротивление резанию, трение ковша о забой, сопротивление грунта при его продвижении в ковше и т.д.).
Наиболее значительные работы экспериментального характера для различного вида рабочего оборудования проведены А.Н. Зелениным. Им предложен метод оценки сопротивляемости грунтов резанию по числу ударов плотномера ДорНИИ, являющийся общепринятым и в наши дни.
Для определения суммарного усилия копания А.Н. Зелениным предложен ряд экспериментальных формул, в которых учитывалось влияние основных геометрических параметров рабочего органа, таких, как угол резания, ширина ножа, глубина резания, наличие боковых стенок и зубьев и некоторых других.
Так, для элементарных профилей сопротивление определялось по формуле:
где Су - число ударов плотномера ДорНИИ; h - толщина стружки; S - толщина элементарного профиля; α - угол резания; β - коэффициент, учитывающий влияние угла заострения профиля.
Аналогичные формулы получены А.Н. Зелениным для ковшей без зубьев и с зубьями, для ковшей скреперов и длиннобазовых планировщиков, отвалов бульдозеров.
А.С. Ребров предложил метод расчета, близкий к рассмотренным выше методам. В формулы, полученные им для расчета сопротивления грунта копанию ковшами прямых, обратных лопат и драглайна, вместо числа ударов плотномера ДорНИИ входит удельное сопротивление резанию.
Более совершенным является метод, разработанный Ю.А. Ветровым. Метод основан на ряде экспериментальных коэффициентов и учитывает пространственность разрушения грунта при резании (рисунок 1.1). Сила сопротивления резанию считается зависящей от трех основных геометрических размеров ножа - ширины, глубины и угла резания.
В общем виде она будет равна
где Рср среднее значение силы сопротивления резанию; Рсв сила, затрачиваемая на преодоление лобовых сопротивлений; Рбок сила, затрачиваемая на разрушение грунта в боковых расширениях прорези; Рбок ср сила бокового среза.
Большое внимание уделялось Ю.А. Ветровым исследованию колебаний силы сопротивления резанию при отделении стружки грунта.
|
| Рисунок 1.1 – Разрушение грунта по Ю.А. Ветрову |
Характер и причины возникновения колебаний составляющих сопротивления резанию исследовали и зарубежные авторы. Так, процесс резания как периодический рассматривал W. Sohne. В этом смысле высказывались так же J.R. O’Gallaghan, K.M. Farrelly. В данных работах доказывается связь периодических колебаний горизонтальной составляющей сопротивления резанию с образованием площадок скольжения в грунте.
Рассмотренные методы расчета сопротивления грунтов резанию базируются на экспериментальных данных со всеми вытекающими отсюда ограничениями. Как отмечал К.А. Артемьев “… свойства и состояние грунта очень разнообразны, то естественно, охватить все эти сочетания экспериментальными исследованиями … представляется невозможным. В результате последние фиксируют лишь частные сочетания различных факторов, влияющих на сопротивление резанию, и для каждого нового сочетания этих факторов требуется проводить новые экспериментальные исследования.
Попытку проф. А.Н. Зеленина ввести однозначную характеристику прочностных свойств грунта количеством ударов ударника ДорНИИ нельзя считать исчерпывающей…”.
Вместе с тем рассмотренные работы позволили накопить большой экспериментальный материал, сыграли свою роль в становлении науки о резании и копании грунтов и играют ее и в настоящее время, хотя и не охватывают весь круг вопросов, стоящих перед современным уровнем развития техники.
