Разработка бульдозерного оборудования повышенной накопительной способности. Бульдозер ДЗ-35 на базе трактора 15 тягового класса – Т-180

где: - коэффициент, определяющий приращение сопротивления на 1° увеличения угла резания ( = 0,07).

Снижение величины угла трения грунта по ножу вызывает смещение величины P_в/P_г в сторону больших углов резания. В работе экспериментальным путём определены закономерности изменения средней силы и энергоёмкости резания в зависимости от глубины резания, ширины среза и угла резания. При изменении угла резания от 20 до 90 средняя сила резания - ускоренно возрастает.

Коэффициент энергоёмкости является функцией, возрастающей по мере увеличения угла резания от наименьших практических значений до наибольших. При _р 80 коэффициент энергоёмкости приближается к единицы, что свидетельствует о фактическом прекращении колебаний силы резания. Рекомендуется оптимальный угол резания 35 - 40

Снижение величины угла тремя грунте по ножу вызывает смешение величины P_в/Р_г в сторону больших углов резания.

В работе экспериментальным путем определены закономерности изменения среднее силы и энергоемкости резания в зависимости от глубины резания, ширимы среза и угла резания. При изменении угла резания от 20° до 90° средняя сила резания - ускоренно возрастает и для исследованных грунтов области минимума не имеет.

Коэффициент энергоемкости (отношение  средних сил резания к среднемаксимальным) является функцией, возрастающей по мере увеличения угла резания от наименьших практических значении до наибольших. При  >80° коэффициент энергоемкости приближается к единице, что свидетельствует о фактическом прекращении колебаний силы резания. Рекомендован оптимальный угол резания 35° - 40°.

Н.Л.Жихарев в своих работах  исследовал характер протекания процесса взаимодействия неповоротного отвала бульдозера с грунтом на различных этапах резаная.

Основные  выводы Н.Л.Жихарева, проведшего экспериментальную  работу на физических моделях по изучении влияния угла резани, следующее: при  копании глинистого, связного грунта вертикальная сила сопротивления копанию всегда стремится заглубить отвал (эта величина растет о увеличением угла резания), при копании супесчаного, рыхлого грунта вертикальная сила при  < 60° направлена сверху вниз, а при > 60° - наоборот.

Зависимости усилия копания от угла резания при  копании связного грунта (С = 3-5; =15,5 – 18,5 %) глубиной 6,2 – 6,8мм и рыхлого грунта (С = 1, =4 – 6 %) близки к прямой. Влияние угла резания на удельную силу копания, представляющую собой отношение горизонтальной составляющей усилия копания P_i к массе призмы волочения М_пр.

В работе указано, что в конце процессе копания призма грунта перед отвалом будет тем больше, чей меньше сопротивление продвижению срезанного грунта в эту призму. Рекомендован отвал упрощенного профиля с углом резания 30° и углом наклона 15°, что позволяет снижать энергоемкость процесса копания связных грунтов на 25 – 30 %.

Экспериментальные исследования, проведенные  А.А. Яркиным на восьми отвалах различной  формы профиля при одной и  той же длине, позволили сделать  ряд выводов. Параметры профиля  отвальной поверхности существенно  влияют на процесс копания грунта, причем в большой степени при разработке грунтов с нарушенной структурой (разрыхленных), разным значениям глубины резания соответствует свой оптимальный профиль отвала. На процесс формирования и движения стружки по отвальной поверхности наибольшее влияние оказывают углы опрокидывания и наклона отвала, а так же кривизны отвальной поверхности, длина нижней прямой части отвальной поверхности, изменения кривизны по высоте и угол резания влияют на процесс копания. Для бульдозера общего назначения в средних грунтовых условиях рекомендованы основные параметры профиля неповоротного отвала: угол резания =35⁰, угол опрокидывания 70-75°, угол наклона 75⁰, угол установки козырька отвала 90-100°, радиус кривизны отвальной поверхности в нижней части отвала – 0,8 от его высоты, в верхней - 1,1.

Экспериментально установлено  значительное влияние угла резания на процесс копания грунта, его энергоёмкость, а также необходимое вертикальное давление на режущей кромке отвала при внедрении в грунт. Высказано предположение, что изменение углов резания в процессе копания обеспечивает более эффективную работу отвала. Угол наклона результирующих сил сопротивления копанию грунта изменяется на уплотненных грунтах от 15 до 21° вниз от горизонтали, на разрыхленных - от 0 до 6° вниз и вверх от горизонтали. Расстояние от режущей кромка ножа отвала до точки приложения результирующей  сил сопротивления на отвале при копании уплотненного грунта равно 0,17, а разрыхленного - 0,27 от высоты отвала без козырька. Наиболее удобным параметром для регулирования угла наклона равнодействующей сопротивления копанию является угол резания.

Рассмотрение процесса копания  грунта позволило З.В. Ничке выявить, что разрушение грунта при работе землеройно-транспортных машин происходит как за счет деформации сдвига, так  и за счет отрыва. Вид разрушения определяется в первую очередь величиной угла резания. Переход от одного вида резания к другому характеризуется критическим углом резания, величина которого уменьшается с увеличением углов внутреннего и внешнего трения и ростом пригрузки и увеличивается с повышением связности грунта и сцепления.

Углы резания до критических  значений обеспечивают менее энергоёмкий  вид разрушения, приводят к большей  стабильности процесса, уменьшения резких колебаний глубины, «клевков».

В.И.Баловнев используя методы и  уравнения теории предельного равновесия, вывел ряд уравнений для определения coпротивления резанию грунтов.

В качестве расчетной предложена формула  для определения горизонтальной составляющей сопротивления копания  плоского ножа:

(1.7)

где: В - длина отвала; h- глубина резания; - объемная масса грунта с нарушенной структурой; - объёмная масса грунта с ненарушенной структурой; Н – высота призмы волочения, равна высоте отвала; С - сцепление грунта с нарушенной структурой; K - коэффициент, зависящий от угла сдвига и угла резания, определяемый аналитическим путем.

Первые сравнительные  исследования показали, что у отвалов  с переменным углом резания в  процессе копания повышается производительность при разработке связных грунтов на 15%, а для отвалов с гибкой отвальной поверхностью – 10%…15 % .Снижение тягового усилия у обоих отвалов составит 25%.

1.4 Характеристики среды взаимодействия.

Грунт - это поверхностный слой земли, образованный в результате выветривания горных пород.

По происхождению, состоянию  и механической прочности фунты  делятся на скальные, полускальные, крупнообломочные, песчаные и глинистые.

Основными параметрами  характеризующие состояние грунта являются его физико-механические свойства, а именно: гранулометрический состав, плотность, пористость, влажность, разрыхляемость, сжимаемость, прочность, сопротивление трению, абразивность, липкость, скорость распространения деформационных волн.

Плотность ρ (кг/м³)- отношение массы грунта к его объему.

Пористость - отношение  объема пор ко всему объему грунта.

Влажность - отношение  массы воды, заключенной в порах  грунта, к массе твердых частиц грунта.

Разрыхляемость - способность   грунта увеличиваться   в   объеме   в   процессе его разработки, и определяется коэффициентом:

К_Р=V_P/V,                                                   (1.8)

где: V_р - объем разрыхленного грунта в процессе разработки,

V - объем грунта в естественном его состоянии.

Сжимаемость - способность под воздействием внешних нагрузок изменять свое строение на более компактное. Определяется модулем деформации.

Прочность - способность  сопротивляться сжатию, сдвигу и разрыву.

Абразивность - свойство грунтов с частицами большей  твердости изнашивать рабочие органы, элементы ходовых устройств землеройных машин.

Липкость - свойство грунтов  прилипать к рабочим поверхностям элементов машин, взаимодействующих  с ним.

Скорость распространения  деформационных волн - определяет сопротивление  динамическому разрушению.

Грунты разделяются  па категории в зависимости от трудности их разработки, т.е. плотности  и наименованию.

Существует несколько видов классификаций грунтов, но наиболее распространенным является классификация, предложенная Л.П. Зелениным, основанная на использовании плотномера ДорНИИ.

Главная практическая цель изучения процесса резания грунтов  — отыскать способы наименее энергоёмкого и наиболее производительного отделения  грунтов от массива.

Во время резания  грунтов с существенной анизотропией, особенно слоистых по направлению резания, при малых величинах угла резания инструмента, стружка отделяется обычно путём отрыва. Вместе с тем, в обычных для землеройных машин условиях процесса резания грунтов, в большинстве случаев образуется элементная стружка. Элементы стружки принимают в сечении закономерную форму,  включая четко выраженную площадку смятия передней гранью ножа и остроугольное сопряжение поверхности отделения с их верхней поверхностью.

Преобладание у грунтов  стружкоотделения свидетельствует о том, что деформации и напряжения, которые ему соответствуют, наиболее характерны.

Но наряду с преобладанием  у грунтов элементного стружкообразования зафиксированы также ступенчатые  и сливные стружки.

Стружка надлома или  отрыва (второе название наиболее близко условиям резания грунтов) образуется в виде несвязных  между собой кусков материала неправильной формы. Резец отделяет эти куски главным образом отрывом, оставляя после себя неровную поверхность.

Рис. 1.2. Разновидности резания с отделением стружки:

а - прямоугольное плоским клином; б - косоугольное плоским клином;                       в - прямоугольное плоским клином с режущей кромкой, очерченной по ломаной линии; г - то же, но по выпуклой кривой; д, е - двух- и трёхгранным клином; ж, з, к - косое резание криволинейным клином; и - прямоугольное резание криволинейным клином; л - блокированное резание; м - резание с одной поверхностью бокового среза; н - резание с двумя поверхностями бокового среза; о - полусвободное резание; п - свободное резание.

Элементная стружка  также состоит из отдельных кусков материала. Но их форма более закономерна. Со стороны резца они ограничены плоскостью, образовавшейся от смятия материала.

Ступенчатую стружку  можно рассматривать как видоизменение  элементной. Отличие заключается лишь в том, что последовательные элементы стружки после отделения от массива соединяются вновь. В результате этого стружка получает гладкую поверхность со стороны резца и ступенчатую снаружи.

Наконец, сливная стружка  отличается формой сплошной ленты, гладкой со стороны резца и шероховатой, но почти без существенных неровностей на внешней поверхности.

Рис. 1.3. Виды   стружек   при   резании   грунтов:

а - сливная;  б - ступенчатая;   в - элементная;  г- отрыва.

1.5 Анализ процесса взаимодействия с грунтом режущего элемента

Повышение производительности и эффективности работы бульдозера возможно за счет придания ножевой  системе РО таких геометрических параметров, при которых усилие резания  грунта будет min, а траектория перемещения срезаемой стружки грунта и ее компоновка будет способствовать увеличению призмы волочения, т.е. затрачивать минимальное усилие на перемещение грунта по отвалу и уменьшить потерю грунта в боковые валики.

Создание РО бульдозера преследующего данную цель возможно, однако необходимо провести анализ теории резания и поведения грунта в процессе его разработки, учитывая при этом характеристики и свойства грунта.

Общая сила сопротивление  грунта разрушению воздействуют на грунт  неодинаково. Так по боковым ребрам ножа действуют два усилия, в нижней части – усилие срезу:

Р _бок.ср. =р_бок.ср. (1 – к_бок) h,                                              (1.9)

а в боковых расширениях  прорези – усилие отрыва [15]:

Р _бок. =р_бок к²_бок ctgφ h².                                                  (1.10)

Здесь р_бок.ср. и р_бок – удельная сила разрушению, соответственно боковыми ребрами ножа и в боковых расширениях прорези;

к_бк – коэффициент глубины расширяющейся части прорези:

к_бок= ,                                                                           (1.11)

где h – полная глубина;

h₁ – глубина расширяющейся части прорези.

Для землеройно-транспортных машин, со стандартными углами резания α_р, значения к_бок находится в пределах 0,7…0,95, но при увеличении угла α_р до 75° составляющая коэффициента прогрессивно возрастает, приблизительно удваиваясь по сравнению с обычными значениями.

Известно, также, что рост параметров боковых расширений прорези  зависит от ширины  среза  и  глубины  резания. Поэтому   глубина  расширяющихся боковых поверхностей, при одинаковых параметрах ширины ножа и угла резания, возрастает до определенного значения глубины резания - критической глубины резания h_кр=2,5…4В, при достижении и переходе за которую, рост боковых расширений прорези прекращается. Одновременно нарушается пропорциональность между глубиной и расширяющейся частью прорези, коэффициент к_бок, сохранявший до этого свою величину, начинает уменьшаться. Основная причина явления критической глубины резания заключается в сжимаемости грунтов под нагрузкой.

Таким образом, для каждой ширины среза имеется своя критическая  глубина резания, начиная с которой  возникают изменения в соотношении  полной глубины прорези с глубиной и шириной ее расширяющихся частей.

Природу основания боковых  расширений прорези можно охарактеризовать как образование вследствии полидисперсного строения и пористости грунта под действием нагрузок разрушающих их структурную связь, влияющих на относительное перемещение частиц, заполнение пор между ними, а также способствующих вытеснению воды и газовой фазы вещества из напряженной зоны массива в менее напряженную, что приводит к деформации, возрастание которой, сопровождается увеличением давления на поверхности контакта, до тех пор, пока не будет утрачена устойчивость грунтового массива, и он не будет разрушен.