Одно из основных условий рационального применения резания грунтов с отделением стружки заключается в сохранении (или небольших изменениях) определенного геометрического положения рабочего инструмента относительно поверхности грунтового массива и относительно небольшой рабочей скорости (до 2—3 м/с).

В технологическом отношении, под резанием грунтов подразумевается процесс отделения от грунтового массива кусков или слоев (стружек) инструментом клинообразной формы. В физическом понимании — это один из способов механического разрушения грунтов.

Наибольшее распространение имеет способ прямоугольного резания грунтов с отделением стружки, при котором грани режущего клина образуют с направлением резания в профиле углы больше я/2, но меньше я, а в плане режущая кромка составляет прямой угол с направлением резания. В отдельных случаях по технологическим требованиям к машине целесообразнее применять косоугольное резание с отделением стружки, когда режущие кромки образуют в плане острый угол с направлением резания (рис. 4).

Рис. 5. Разновидности резания грунтов с отделением стружки:
а — прямоугольное плоским клином; б — косоугольное плоским клином; е — прямоуголь» ное плоским клином с режущей кромкой, очерченной по ломаной линии; г — то же, по выпуклой кривой; д, е — двугранным и трехгранным ножами; ж, з, к косое криволинейным ножом; а — прямоугольное криволинейным ножом; л — блокированное прямоугольное; м — прямоугольное, с одной поверхностью.бокового среза; к — то же, с двумя поверхностями бокового среза; о — прямоугольное полусвободное; л — свободное прямоугольное.

Угол между передней гранью ножа и поверхностью среза называется углом резания (б), а угол между задней гранью ножа и поверхностью среза —.задним углом резания.

В зависимости от положения режущего инструмента в грунтовом массиве основными разновидностями процесса резания (рис 5) являются блокированное и полусвободное.

Сопротивление грунтов резанию зависит, в первую очередь, от их крепости. Но значительное влияние на сопротивление резанию и вообще на эффективность машины оказывают геометрические условия процесса: ширина и толщина среза, угол резания, степень затупления и износа режущего инструмента, взаимное расположение и ориентация режущего инструмента.

Рис. 6. Схема поперечного сечения прорези (справа показаны контуры прорези для ряда грунтов):
i> — ширина среза; ft — толщина среза (глубина резания); ft, глубина расширяющейся части прорези; *расш — расширение прорези; у — угол наклона боковой поверхности прорези.

Одна из наиболее существенных особенностей процесса резания грунтов заключается в пространственности взаимодействия с ними режущего инструмента. Она проявляется в образовании прорези характерного трапециевидного сечения во время блокированного резания, в разных по величине и природе сопротивлениях грунта разрушению в различных зонах грунтового массива перед ножом и в неодинаковых зависимостях силы резания от ширины и толщины среза.

В процессе блокированного резания грунт разрушается в пределах прорези, ширина которой на поверхности массива больше ширины ножа (рис. 6). На некоторой глубине hlt которая меньше глубины резания, прорезь расширяется; ее боковые поверхности образуют некоторый угол у с поверхностью массива.

Зависимость силы резания от ширины среза имеет характер линейной функции (рис. 7, а). Зависимость силы резания от толщины среза (глубины резания) — ускоренно возрастающая функция (рис. 7, б). Различие этих зависимостей отображает различие в величине и природе сопротивлений грунта в разных частях зоны разрушения перед ножом.

Рис. 7. Силовые зависимости процесса блокированного резания грунтов:
а — зависимость силы резания от ширины среза; 6 — то же, от глубины резания.

Рис. 8. Зависимость энергоемкости блокированного резания грунтов от глубины резания.

Грунт разрушается в результате развития в нем сложного напряженного состояния, причем процесс разрушения грунта перед лобовой гранью ножа, в боковых расширениях прорези и возле боковых ребер ножа у дна прорези протекает по-разному.

Сопротивление грунта разрушению в боковых расширениях прорези, отнесенное к единице площади их сечений, в 2—4 раза меньше, чем сопротивление перед лобовой гранью ножа, отнесенное к единице площади сечения среза.

Такого рода закономерности процесса сохраняются до некоторого предела соотношения между толщиной и шириной среза, соответствующего критической глубине резания, после чего зависимость силы резания.от толщины среза становится линейной, а зависимость от ширины среза приобретает сложный характер. Это происходит потому, что после достижения критической глубины резания прекращается рост боковых расширений прорези. Дальнейшее увеличение глубины резания сопровождается образованием грунтового нароста на нижней части ножа, которым грунт оттесняется в стороны от образующейся прорези.

Критической глубине резания соответствует наименьшая энергоемкость резания — величина, измеряемая отношением энергии, израсходованной на резание, к объему грунта, отделившемуся от массива {рис. 8). Опыты показали, что для большинства грунтов при обычных углах один из основных способов управления им: режущей части землеройной машины следует придавать такие форму и размеры, чтобы большая часть грунта разрушалась так, как в боковых расширениях прорези, т. е, чтобы площадь поперечного сечения среза перед лобовой гранью ножа была минимальной.

Рис. 9. Характер зависимости дополнительной силы резания, расходуемой на преодоление сопротивлений площадке износа, от глубины резания.

В процессе резания грунтов большое влияние на сопротивление грунта оказывает затупление и износ режущего инструмента. Затупление и площадка износа — наиболее характерные изменения формы ножей и зубьев в процессе резания грунтов. Площадка, или криволинейная поверхность, износа по задней грани режущего клина образуется обычно под отрицательным углом к траектории резания, величина которого достигает 7—10°. Затупление режущего инструмента от встречи с твердыми включениями в грунт характеризуется радиусом окружности, описывающей затупленную часть ножа или зуба в. профиле.

Дополнительные сопротивления грунта, вызываемые площадкой износа или затуплением ножа либо зуба, могут даже преобладать в сопротивлении резанию. Допускаемый на практике износ режущего-инструмента может вызвать увеличение силы резания ножами или ковшами со сплошной режущей кромкой на 90—220%, а ковшами с зубьями — на 60—100%, и следовательно, повышение затрат энергии по сравнению с условиями резания острыми ножами или зубьями. Площадка износа вызывает сопротивление даже при нулевой глубине резания.

Опыты показали, что влияние износа и затупления можно учитывать, определяя дополнительные силы резания для преодоления сопротивлений площадке износа или затуплению. Эти силы зависят от толщины среза. Касательная к траектории сила (Рпл.изн) замедленно возрастает с увеличением толщины среза h и не равна нулю при нулевой глубине резания (Р0) (рис. 9). Поэтому, накладываясь на силу для преодоления основных сопротивлений ножу, она вызывает большое увеличение суммарной силы резания и существенно изменяет нормальную силу резания. Вместе с тем затупление или износ режущего инструмента так влияет на удельную силу и энергоемкость резания, что делает их убывающей функцией толщины среза.

Значительная зависимость сопротивления резанию от износа и затупления вызывает необходимость придавать режущему инструменту такие размеры, чтобы длина режущих кромок была минимальной в допускаемых пределах. В расчетах при определении нагрузки на землеройные машины следует обязательно предусматривать износ режущей части машины, а при конструировании — повышение износостойкости режущего инструмента. При эксплуатации нельзя допускать чрезмерного износа и затупления режущего инструмента, необходимо своевременно его восстанавливать или заменять.

Рис. 10. ння при стружки:
а — сливной; в — элементной

Существенная особенность процесса резания грунтов заключается также в колебаниях сопротивления резанию. Даже при неизменных размерах среза и постоянном угле резания сопротивление резанию изменяется соответственно характеру образования стружки (рис. 10).
ступенчатой; отрыва.

Сопротивление грунта резанию достигает наибольшего значения перед отделением элемента стружки, после чего падает до минимума. Амплитуда таких колебаний неодинакова у разных грунтов. Она возрастает с увеличением хрупкости грунта, достигая 0,8—0,9 максимального значения для замерзших глинистых и полускальных грунтов. Для незамерзших глинистых грунтов естественной влажности она составляет 0,2—0,5 максимальной величины.

Вследствие колебания сил сопротивления резанию расчет рабочего оборудования на прочность ведут по максимальным значениям сил сопротивления, а расчет работы и мощности — по средним.

Особенностью процесса резания грунтов является также вариация сил сопротивления. Даже при одинаковых положениях ножа силы сопротивления резанию оказываются неодинаковыми, колеблясь вокруг некоторой средней величины. Вариация сопротивлений происходит из-за непостоянства прочностных свойств грунтов. Исследования показали, что коэффициент вариации сопротивления резанию для большинства глинистых грунтов равен 0,15—0,3. В связи со значительной величиной вариации ее необходимо учитывать в расчетах нагрузок на машины, используя соответствующие методы теории вероятностей.
Исследования показали, что силы резания значительно зависят от угла резания. Увеличение угла резания от 40 до 60°, как и чрезмерное уменьшение его (менее 30°), сопровождается ростом сопротивления грунта. Поэтому с учетом требований к прочности и износостойкости режущего инструмента, а также обеспечения достаточной величины заднего угла резания оптимальные углы резания равны 30—40°.