Применяют и комбинированные методы разработки грунтов, например, гидравлический способ может комбинироваться с механическим, механический — со взрывным и т. п.

Первые три способа и первый комбинированный нашли промышленное применение на массовых земляных и горных работах. Остальные способы находятся в стадии экспериментов.

Механический способ разрушения грунтов наиболее распространен, с его помощью осуществляется не менее 85—90% всего объема земляных работ. Это объясняется его универсальностью; он применим почти для всех грунтов, кроме скальных средней крепости и крепких. При этом энергоемкость этого способа в зависимости от размеров и конструкции рабочего органа не превышает 0,05 кВт-ч на 1 м3 мягких грунтов и 0,6 кВт-ч на 1 м3 крепких грунтов.

Различают следующие основные виды рабочих органов землеройных машин: ковш, нож с отвалом, зуб (резец) или ряд зубьев (резцов). Первые два рабочих органа заполняются при работе грунтом, третьи производят только срезание при рыхлении грунта. Часто зубья (резцы) устанавливаются на ковшовые и ножевые рабочие органы, причем рабочей частью является и режущая кромка ковша или ножа.

Практически все механические способы разрушения грунтов производятся рабочим органом, режущая часть (кромка) или зубья которого имеют форму клина.

Кроме этих параметров, большое влияние на сопротивление Движению клина оказывают форма и состояние режущей кромки и зубьев. В зависимости от расположения их на кромке ковша- а также от грунтовых условий встречаются разные формы зубьев. Наиболее распространены зубья лопаточкой формы.

Опыт показал, что в первую очередь изнашиваются боковые части лезвия зуба. Поэтому при криволинейной форме лезвия оно дольше сохраняется острым и изнашивается более равномерно. Зубья такой формы применяют при разработке связных крепких грунтов. Зубья трапециевидной формы применяют при разработке крепких скалывающих и скальных грунтов, где такой зуб дольше сохраняет форму. Зубья копьевидной формы применяют при разработке очень крепких скалывающихся и крепких вязких грунтов.

Рис. 1. Схема клиновидной части рабочего органа и обычное действие на нее внешних сил

Рис. 2. Форма (а) и виды (б) зубьев (резцов)

Угол заострения зуба v по условиям износостойкости и прочности обычно находится в пределах 25—30°, а для очень крепких грунтов 30—35°. Эти значения близки к оптимальным по величине сопротивления копанию. Задний угол 0 в зависимости от формы траектории рабочего органа и рода грунта берется в пределах 5—10°, больше — для упругих и скальных грунтов.

Иногда для сохранения работоспособности зуба в крепких грунтах применяют малый угол заострения (25°) со срезанным концом передней грани и концами лезвия (форма 4 и зуб 6). Зубья 1,5 и 6—8 являются универсальными (1 и 2 — короткие без наконечника, 1 и 5 — вставные без наконечника и с наконечником, 6 и 8 — с наконечниками).

Состояние режущей части исполнительного органа зависит от степени ее затупления и формы, которую она принимает в результате этого.

Движение рабочего органа может быть поступательным, возвратно-поступательным, криволинейным, плоскостным или пространственным.

При этом различают: а) главное движение, обеспечивающее отделение или разрушение части грунта в направлении, совпадающем с прямолинейной траекторией рабочего органа или с касательной при криволинейной траектории, и б) движение подачи, перпендикулярное к главному движению и имеющее целью регулировать толщину срезаемой стружки или объем захватываемой разрушенной породы.

Рис. 3. Стружкообразование:
а — по Н. Г. Домбровскому; б — по Ю. А. Ветрову: 1 — связные пластические грунты; 2 — малосвязные грунты; 3 — крепкие грунты; 4 — «сливная» стружка; 5 — ступенчатая стружка; 6 — элементная стружка; 7 — стружка отрыва

У одноковшовых экскаваторов, скреперов и бульдозеров движение подачи может быть периодическим (при врезании), а затем при регулировании толщины стружки. Оно может производиться на всем протяжении копания, более интенсивно при врезании и с последующим постепенным замедлением вплоть до остановки в конце траектории рабочего органа. У многоковшовых экскаваторов поперечного копания движение подачи производится при установке рабочего органа для снятия новой стружки, а затем при работе подачи уже не включается. Вместо этого у таких экскаваторов при работе происходит либо боковое постоянное движение, либо поворот платформы (у поворотных экскаваторов). Это движение регулирует в данном случае ширину стружки, которая у экскаватора поперечного копания меньше ширины ковша. У экскаваторов продольного копания непрерывное движение подачи осуществляется перемещением всего экскаватора в направлении продольной оси траншеи.

Следует остановиться на некоторых физических явлениях, возникающих при движении клина в грунте. В зависимости от рода и состояния грунта, а также угла резания отделяемая клином стружка имеет различную форму. Разрушенная при резании часть стружки (небольшая в связных грунтах) или вся стружка (в малосвязных грунтах) образует перед клином так называемую призму волочения. Ее величина зависит и от траектории, уменьшаясь с увеличением ее наклона под влиянием силы тяжести, действующей на призму. При сильно наклоненной траектории она сползает в ковш, увеличивая его наполнение, образуя «шапку» .А, при отрыве рабочего органа от забоя.

При горизонтальной траектории в малосвязных мягких сухих грунтах, мерзлых грунтах и взорванной скале объем призмы волочения может доходить до 0,5 q (q — объем рабочего органа), в связных крепких грунтах до (0,15-М),20)?. Эти значения возрастают в 1,5— 2 раза при увеличении толщины стружки в 2 раза против нормальной. При угле наклона траектории 30° объемы призмы волочения уменьшаются под влиянием силы тяжести примерно в 2 раза

и при угле порядка 60° в 3 раза, увеличивая наполнение ковша при ковшовом рабочем органе. При горизонтальной траектории призма волочения может препятствовать заполнению ковша, а по достижении ее предельной для данных условий величины излишек грунта будет уходить в валики, образующиеся сборку рабочего органа, так как в плане призма волочения сильно выступает за его боковые стенки. Это происходит и при одиночном резце (зубе).

Исследования показали, что движение рабочего органа и стружкообразование в большинстве случаев не являются равномерными. Вначале при нажиме передней грани клина происходит уплотнение грунта, образующего перед передней гранью режущего клина ядро. Когда силы давления возрастут до сопротивления грунта сдвигу, происходит скол примерно от лезвия клина под углом вперед и вверх к поверхности грунта, сопровождающийся падением сопротивления. Далее процесс повторяется.

Дальнейшие исследования подтвердили, что разрушенный грунт (стружка) не всегда скользит по передней грани клина. Лабораторными исследованиями И. Ратье еще в 1931 г. было доказано, что внутри призмы волочения на передней грани рабочего органа образуется тело повышенного давления. Аналогичное ядро наблюдали и исследователи резания металлов. В дальнейшем это ядро изучали многие исследователи — Ю. А. Ветров, А. И. Зеленин, И. Я. Айзеншток, В. М. Гетопанов и другие. Анализ их работ позволяет считать, что формирование ядра происходит под действием сил, приложенных к резцу, и сил сопротивления грунта, сил упругопластического деформирования материала и внутреннего трения перед передней поверхностью резца и сил трения уплотненного грунта, образующего ядро, о материал, расположенный впереди, и о переднюю поверхность резца. В процессе движения состав ядра обновляется вследствие отделения его частей до образования скола, после чего оно разрушается полностью и затем цикл повторяется. Из этого следует, что при образовании ядра резание осуществляется не резцом, а ядром со значительным повышением сопротивлений.

Рис. 4. Схема образования призмы, волочения и изменения наполнения рабочего органа в зависимости от наклона траектории рабочего органа

Однако почти все исследователи указывают, что для образования ядра нужны определенные условия грунта, резания, постоянства скорости и состояния самого инструмента. Можно полагать, что в действительных условиях, сопровождающихся значительной динамикой пространственного (вследствие ширины рабочего органа) процесса и неоднородностью грунта, ядро, если и образуется, то только на отдельных участках рабочего органа, быстро исчезает и не может существенно влиять на процессы резания и копания. Многочисленные натурные исследования ни разу не подтвердили возможности замерить действия такого ядра. Поэтому учет его для практических целей не оправдан.

Следует отметить, что чистый процесс резания (без заполнения рабочего органа) может длительно осуществляться только при рабочем органе, выполняющем исключительно функцию отделения грунта (например, у грейдера-элеватора, скребковых, фрезерных машин). Заполнение рабочего органа неизбежно отражается на взаимодействии сил и как качественном, так и количественном изменении характера процесса.

Выбор аналитическим путем наиболее целесообразной конструкции рабочего органа и режимов его работы является сложной, пока еще не решенной задачей. Исследования в этой области велись главным образом экспериментально. Сложным и тоже пока еще не решенным для всех условий вопросом является аналитическое определение функциональной зависимости между энергией, необходимой для разрушения грунта, его физико-механическими свойствами, конструктивными параметрами рабочего органа и режимами работы при различных способах и условиях разрушения грунта. Если учесть чрезвычайно широкое различие физико-механических свойств грунтов и наличие в них Различного рода включений, разработка аналитической теории резания и копания грунтов представляется очень сложной проблемой.

Рис. 5. Схема формирования ядра уплотнения:

Раскрытие теоретических зависимостей резания грунтов неизбежно связано с определением вероятных перегрузок, вызываемых неоднородностью грунта, и встречей рабочим органом включений, что требует в несколько раз увеличить силу, необходимую для движения рабочего органа. В этих условиях предельное фактически необходимое расчетное усилиеч будет, видимо, далеким по величине от найденного аналитическими расчетами. Кроме того, расчетные усилия должны иметь и определенные запасы, необходимые ввиду затупления зубьев, влияние которого для обычного их состояния выражается величиной не менее 20—30% от усилия при работе острыми зубьями. Поэтому практически даже машины определенной группы и назначения должны рассчитываться для предельно тяжелых условий их работы.

Вопросы же использования мощности и усилий, которые могут в отдельных случаях оказаться завышенными, практически , решаются изменением параметров путем установки сменного оборудования машин, изменением их рабочих размеров, емкости рабочего органа и скорости его движения. Естественно, все это не снижает актуальности создания аналитической теории резания грунтов.

Работами исследователей установлено, что для определенных условий (рода материала, рабочего процесса, конструкции и размеров рабочего органа) могут быть относительно быстро установлены предельные значения сил резания и копания, отнесенные к единице площади сечения срезаемой (условной) стружки. При стабильности указанных условий эти силы обладают значительным постоянством пределов, позволяющих устанавливать зависимость усилий от параметров этих условий. Основополагающими в этом направлении исследованиями являются работы акад. В. П. Горячкина.

Первый член формулы составляет около 41% усилия копания, второй — 56% и третий — 3%.

Данные опытов акад. В. П. Горячкина непосредственно применить к машинам для земляных работ нельзя вследствие резкого различия траектории движения, конструкции рабочих органов, площади стружки и отличия свойств грунтов от свойств почвы.

Учитывая отмеченную сложность исследования процессов разрушения грунта, необходимость использования при расчетах только предельных значений сопротивлений, конструктивную отработанность рабочих органов экскавационных машин, а также то, что формула акад. В. П. Горячкина достаточно полно для практических целей отражает сущность процесса, протекающего при копании грунта, нами еще в 1940 г. было предложено определять предельные сопротивления на рабочем органе землеройных машин по совокупности процессов, включающих сопротивление резанию грунта и силы трения при перемещении рабочего органа по грунту, впереди и внутри него и в конце процесса заполнения, когда общее сопротивление является максимальным.

На основании анализа результатов экспериментов, учитывая также обязательность расчета машин по предельным значениям Рои оказалось возможным упростить и эту формулу для машин, У которых сопротивление заполнению рабочего органа не очень велико (например, у экскаваторов или погрузчиков, работающих экскаваторным методом).