Сопротивление копанию зависит от углов, которые образуются рабочими органами машин с поверхностью грунта. При этом различают: угол резания S, угол заострения (J и задний угол а (рис. 4). От правильного выбора этих углов и особенно угла резания зависит эффективность работы землеройных машин. Численные значения этих углов выбираются применительно к каждому виду землеройных машин. Прямые ножи (рис. 5, а) характеризуются еще центральным углом со, углом опрокидывания чр и углом установки его в плане <р (рис. 5, б), который еще называется углом захвата или углом атаки.

Рис. 4. Рабочие органы землеройных машин: а — зуб; б — отвал с режущим ножом; в —дисковый нож; г — ковш экскаватора с зубьями и сплошной полукруглой режущей кромкой; д — ковш скрепера; е — рабочий орган землеройной машины с роторным рыхлителем

Кроме углов, рабочие органы машин характеризуются еще следующими параметрами:
прямые ножи — длиной L, шириной В и радиусом кривизны г; дисковые ножи — диаметром D и радиусом кривизны г; ковши — емкостью q, шириной В, высотой Я и длиной L; зубья — шириной и длиной, а также расстояниями между ними.

Рис. 5. Углы прямого ножа-отвала

Принято различать процессы чистого резания и процессы копания. отличие от первых последние включают в себя не только отделение стружки грунта от основного массива, но и перемещение грунта вдоль или впереди отвала или в ковше.

Работу режущих частей рабочих органов землеройно-транспортных машин можно уподобить процессу отделения стружки грунта при помощи клина (рис. 6). Под действием горизонтальной силы Рх перед клином вначале происходит сжатие пласта грунта, а затем, когда напряжение в этом пласте превысит предел прочности, под некоторым углом к горизонту г^ происходит скол грунта. Поверхность скола соответствует плоскости действия наибольших касательных напряжений, и характеризующий ее угол oj?! определяется не только углом резания б, но и видом грунта и его состоянием, т. е. его плотностью и влажностью.

В зависимости от свойств грунта форма вырезанной стружки может быть разной. При влажных связных грунтах сколов не происходит и стружка от основного массива отделяется в виде слитного пласта (рис. 7, а).

Рис. 6. Работа клина

Рис. 7. Формы стружек грунта

При сухих связных грунтах пласт раскалывается на куски неправильной формы, ввиду чего дно борозды получается неровным (рис. 7, б). Стружка, подобная изображенной на рис. 6, образуется при связных грунтах, влажность которых мала или несколько ниже оптимальной. При несвязных грунтах первоначальная их структура разрушается и грунт скапливается перед клином (рис. 7, в).

Рис. 8. Силы, действующие на клин

В общем виде на клин действуют (рис. 8): касательная сила Рх, под воздействием которой происходит его перемещение суммарная реакция грунта R, вес пласта грунта Q и силы трения — от движения пласта грунта по клину Ft и клина по дну борозды F г. Суммарная реакция грунта R складывается из сопротивления грунта сжатию и отделению стружки от основного массива. При проектировании машин необходимо правильно выбрать мощность двигателя, что возможно сделать только если известна горизонтальная сила Pj. При известных величине и направлении суммарной реакции грунта R решение такой задачи не вызывает затруднений. Однако как величина этой реакции, так и ее направление зависят от многих факторов: угла резания, угла заострения, степени затупления режущей кромки, толщины стружки, а также от вида и состояния грунта. Учесть эти факторы не представляется возможным, тем более, что в процессе отделения стружки как величина реакции,так и ее направление не остаются стабильными. Вместе с тем по абсолютной величине эта реакция намного превышает все другие виды сопротивления, и потому ошибка в ее определении существенно влияет на результат расчета. Эти трудности заставляют при определении сопротивлений грунта резанию привлекать опытные данные.

Под резанием понимается отделение стружки от массива. Связанное с этим процессом сопротивление называется сопротивлением грунта резанию. Когда говорят о копании грунта, то рассматривают не только отделение стружки от массива, но и ее движение по рабочему органу. При этом иногда учитывают также и те сопротивления, которые связаны с наполнением ковшей. Поэтому сопротивление копанию всегда выше сопротивления резанию.

При дальнейшем рассмотрении конкретных землеройно-транспортных машин в зависимости от того, на какие элементы расчленяется рабочий процесс, будут рассматриваться сопротивления как резанию, так и копанию.

Многочисленные опыты показали, что удельное сопротивление ко^ панию находится в зависимости от вида и состояния грунта, геометрии режущего органа, величины сечения, формы и соотношения между размерами стружки. На него оказывают также влияние скорость резания, наличие и расстановка на режущей кромке зубьев, а также траектория Движения рабочего органа и, в частности, ковшей.

Удельное сопротивление резанию и копанию повышается по мере увеличения содержания в грунте глинистых частиц и понижения влажности. Определенные опытным путем значения удельного сопротивления копанию обычно даются применительно к различным категориям грунта.

Многочисленными опытами А. Н. Зелениным установлена прямая пропорциональность между удельным сопротивлением копанию и числом ударов так называемого динамического плотномера (ударника ДОРНИИ). Поэтому, если для данного рабочего органа знать удельное сопротивление копанию на каком-то грунте, то, испытав динамическим плотномером другой грунт, можно найти для последнего численное значение удельного сопротивления копанию.

Динамический плотномер представляет собой стальной стержень с площадью сечения в 1 см2. На расстоянии 10 см от того его конца, который устанавливается на поверхности грунта, имеется бурт, о который ударяют гирей весом 2,5 кг, падающей с высоты 400 мм. Эта гиря движется по верхней части стержня, как по направляющей. Испытание состоит в определении того числа ударов, которое необходимо для погружения стержня в грунт на глубину 10 см. За характеристику грунта принимается необходимое для такого погружения число ударов.

Удельное сопротивление грунта копанию возрастает с увеличением угла резания 6. При этом до б = 30-^35° оно растет медленно, а затем быстро. Однако при чрезмерном снижении угла резания увеличивается необходимый для подъема грунта на определенную высоту путь, что ведет к росту непроизводительных потерь. Поэтому оптимальные углы резания, как правило, находятся в пределах 6 = 25-н35°. Во избежание трения нижней грани клина о поверхность грунта задний угол а выбирают равным 5—8°. Образующийся при этом угол заострения f> обычно удовлетворяет условиям прочности.

Д. И. Федоровым было исследовано влияние формы режущей кромки. Сравнение работы прямых, криволинейных с зубьями и криволинейных без зубьев режущих кромок выявило преимущества последних. Оказалось, что при некоторых условиях лучшие результаты дают режущие кромки, которые как в поперечном сечении, так и в плане очерчены по дуге. При этом, по мере приближения к ковшу, целесообразно постепенно увеличивать радиус дуги, что создает благоприятные условия для движения грунта. При таких очертаниях режущей кромки действующее усилие передается на небольшой участок средней ее части, что обеспечивает высокое удельное давление, т. е. давление на 1 см длины кромки, и сама форма ножа обеспечивает быстрое врезание его в грунт.

При одном и том же грунте и геометрии режущего органа удельное сопротивление копанию снижается с ростом сечения стружки даже в том случае, если форма и соотношения между размерами ее сечения остаются постоянными. Так, по данным Н. Г. Домбровского, увеличение емкости ковша одноковшового экскаватора с 0,15 до 15 м3 снижает удельное сопротивление копанию на 25—30%. Опытами, проведенными в Ленинградском филиале ВНИИ Стройдормаша с грейдер-элеваторами, установлено, что увеличение сечения стружки в 3 раза снижает удельное сопротивление грунта копанию на 30—40%.

На удельное сопротивление грунта копанию оказывает также влияние форма стружки. Различают три формы стружек: блокированную, когда грунт вырезается по трем плоскостям, полублокированную, где грунт вырезается по двум плоскостям, и деблокированную, где грунт вырезается практически по одной плоскости (рис.9). А. Н. Зелениным установлено, что наибольшее удельное сопротивление имеет место в случае блокированной формы, а наименьшее — при деблокированной форме. Полублокированная стружка занимает промежуточное положение.

Опытами также установлено, что при одном и том же сечении стружки удельное сопротивление копанию зависит от отношения ширины стружки Ь к ее толщине (глубине резания) h (рис. 9). С увеличением этого отношения удельное сопротивление копанию снижается.

Ранее уже отмечалось, что зависимость предела прочности грунта от скорости изменения напряженного состояния характеризуется логарифмической кривой. Поэтому влияние скорости на удельное сопротивление грунта копанию особенно сказывается при малых ее значениях. При тех скоростях изменения напряженного состояния, которые соответствуют обычно применяемым скоростям резания (0,5—2,0 м/сек), влияние скорости сказывается уже значительно слабее. Так, при росте этих скоростей до 6—10 м!сек, т. е. в 3—5 раз, удельное сопротивление резанию в среднем повышается на 30—40%.

Режущие кромки в некоторых случаях, как, например, на ковшах экскаваторов, снабжаются зубьями. Выдвинутые вперед зубья должны разрушать, а следовательно, и разрыхлять грунт и тем самым облегчать врезание в него режущей кромки ковша. В плотных связных грунтах острые зубья снижают общее сопротивление копанию сравнительно незначительно — на 6—15%. Они предохраняют режущую кромку от износа, но вместе с тем затрудняют поступление грунта в ковш при горизонтальных и слабо наклонных траекториях его движения. В малосвязных грунтах зубья всегда увеличивают сопротивление копанию. При широкой расстановке зубьев сильно изнашивается режущая кромка, а узкая расстановка ввиду увеличения общей ширины зубьев повышает сопротивление копанию. Поэтому Н. Г. Домбровский рекомендует расстояние между зубьями выбирать равными 1,2—1,3 ширины зуба. Ширина зуба выбирается из соображений прочности с таким расчетом, чтобы нагрузка на 1 см его режущей кромки не превосходила 700 кг.

Рис. 9. Формы стружек: а — блокированная; полублокированная; з — деблокированная

На удельное сопротивление копанию оказывает влияние траектория движения ковшей, поэтому удельные сопротивления при прямых и обратных лопатах отличаются от удельного сопротивления при драглайне.

На удельное сопротивление грунта копанию большое влияние оказывает износ режущей кромки. Сопротивление вдавливанию в грунт какой-либо площадки, и в том числе режущей кромки, пропорционально их площади. Поэтому по мере износа возрастает и сопротивление копанию. Кроме того, износ, т. е. затупление режущей кромки, приводит к такому резкому увеличению той составляющей сопротивления копанию, которая перпендикулярна к направлению его, что приводит к выталкиванию ковша из грунта. Так, наблюдения Ю. А. Ветрова показали, что износ зубьев может привести к увеличению этой составляющей в 8 раз. Для того чтобы снизить вредное действие износа, при проектировании рабочих органов надо стремиться к уменьшению толщин режущих кромок и к повышению их износоустойчивости. Для этой цели следует рекомендовать режущие кромки рабочих органов землеройных машин изготовлять из высокопрочных и износоустойчивых материалов или же применять наплавку их твердыми сплавами. Следует обеспечивать также их самозатачивание при износе.

Итак, на удельное сопротивление резанию оказывают влияние различные факторы. Поэтому формулу (1.17) нельзя рассматривать как универсальную, т. е. пригодную для расчетов горизонтальных составляющих усилий копания во всех случаях только по площади вырезаемой стружки и подобранному по грунту удельному сопротивлению копанию. Однако несмотря на это, формула может быть с успехом использована для практических расчетов, если при определении значения удельного сопротивления копанию для каждого вида машин привлекать опытные данные. Поэтому в дальнейшем, при рассмотрении каждого вида рабочего оборудования землеройных и землеройно-транспортных машин, на основании имеющихся опытных данных, в зависимости от вида грунта, будут приводиться свои значения удельного сопротивления копанию. Пользуясь этими значениями, можно тяговые расчеты производить с достаточной
точностью.

Рис. 10. Схема косого клина

Если прямой клин повернуть вокруг вертикальной оси так, чтобы его лезвие составило острый угол с направлением движения, то получится косой трехгранный клин (рис. 10). Этот клин можно рассматривать как состоящий из трех простых клиньев. При движении в направлении оси X клин, расположенный в плоскости ZOX с углом наклона б’, поднимает пласт, а клин, расположенный в плоскости YOZ с углом наклона 0, поворачивает пласт; вместе с тем клин, расположенный в плоскости XOY с углом захвата ср, подрезает пласт и отодвигает его в сторону.

Теоретическим путем В. П. Горяч-киным показано, что для перемещения косого клина требуются меньшие усилия, чем для клина простого. Этот вывод получил экспериментальное подтверждение. Оказалось, что удельное сопротивление копанию зависит от угла захвата ср. Минимальное сопротивление соответствует углу захвата около 20°. Изменяя угол захвата, можно достигнуть снижения этого сопротивления на 20—25°.

Рис. 11. Профили отвала

Копание грунта косо установленными отвалами нашло широкое распространение. Этот принцип осуществлен при работе автогрейдеров и универсальных бульдозеров.

При копании грунта прямым отвалом (угол захвата ср = 90°) режущая кромка ножа подрезает пласт грунта, который в виде стружки продвигается вверх по отвалу. В верхней части отвала стружка разрушается и грунт, падая вниз, образует так называемую призму волочения. Величина подъема стружки определяется как ее прочностью, так и профилем отвала. При несвязных и малосвязных сухих грунтах разрушение стружки начинается сразу же по ее отделении от массива. При перемещении стружки по ножу и отвалу можно выделить три зоны: формирование стружки, движение ее по отвалу и разрушение.

Здесь при повышении скорости движения грунта в сторону призма волочения уменьшается. На рис. 11 изображены профили отвалов: с постоянным радиусом кривизны (рис. 11, а) и с профилем, образуемым сопряжением части дуги окружности с прямой (рис. 11, б и в). Опытным путем установлено, что лучшее перемещение грунта в стороны имеет место при профиле, показанном на рис. 11, а, а худшее — при профиле, изображенном на рис. 11,s. Поэтому там, где перемещение грунта в стороны является одним из основных элементов рабочего процесса, примером чему служат автогрейдеры, отвалы следует изготовлять с постоянным радиусом кривизны. Машины, предназначенные в основном для продольного перемещения грунта, например неуниверсальные бульдозеры,снабжаются отвалами с переменным радиусом кривизны и обычно такими, где дуга окружности сопряжена с прямой.

Рис. 12. Силы, действующие на отвал

Для определения мощности двигателя необходимо знать те сопротивления, которые испытывает отвал при выполнении им процесса копания и перемещения грунта. Обычно при расчетах общее сопротивление принято разделять на элементы. В наиболее общем случае — при косо поставленном отвале — можно выделить следующие элементы общего сопротивления W: резанию W1, перемещению грунта вверх по отвалу ЦР3; перемещению призмы грунта перед отвалом W3; перемещению грунта в сторону Wt.

Врезание в грунт ковшевых рабочих органов производится при поступательном движении последних. Ковш при этом наклонен таким образом, что его днище с поверхностью грунта образует некоторый угол (рис. 13). В результате при угле копания б вырезается стружка грунта толщиной h и шириной, равной длине установленных на ковше ножей. Ковши скреперов обычно снабжаются передними заслонками, которые при копании несколько приподнимаются, и поэтому вырезанная стружка грунта поступает в зазор, образуемый нижней кромкой заслонки и ножом ковша (рис. 13). Движение стружки грунта по днищу ковша производится за счет передаваемого ковшу тягового усилия. Правильное скольжение стружки по днищу происходит до тех пор, пока это усилие не превзойдет предела прочности стружки на продольное сжатие. После этого стружка разрушается и перед ковшом образуется призма волочения. В дальнейшем ход наполнения ковша изменяется.

Прочность стружки зависит от рода и состояния грунта, поэтому от этих же факторов будет зависеть и та длина пройденного стружкой пути, при котором еще не происходит ее разрушения. При связных грунтах, влажность которых равна или менее предела прочности, разрушение стружки, как правило, происходит уже после достижения ею задней стенки ковша. При несвязных грунтах (особенно сухих) стружка разрушается гораздо раньше. Разное поведение грунтов в самом начале заполнения ковша определяет и те различия процесса, которые имеют место в дальнейшем. Поэтому характер процесса наполнения ковша и, в частности, та форма, которую стремится грунт занять в ковше, зависят от вида грунта.

Рис. 13. Схема врезания в грунт ковша

Несмотря на различия, заполнение ковша разными грунтами характеризуется некоторыми общими чертами. Проходя в зазор, образуемый ножом и заслонкой, грунт выклинивается вверх. Такое выклинивание происходит по образующимся в массе грунта поверхностям скольжения, которые расположены с некоторым наклоном к вертикали. На поверхности грунта происходит фонтанирование, в результате чего образуются гребни, которые смещаются назад.

Степень наполнения ковша, а также те усилия, которые для этого требуются, зависят от физико-механических свойств грунта, а также от формы ковша. Так как невозможно применительно к каждому виду грунта иметь свой ковш, то при проектировании следует ориентироваться на их работу в каких-то средних грунтовых условиях. Исследования показали, что на возникающие при наполнении ковша сопротивления наиболее существенное влияние оказывает высота наполнения Я. Для снижения сопротивлений эта высота должна быть увязана с толщиной стружки. Эти сопротивления зависят также от длины ковша L, его ширины В, ширины резания, высоты задней стенки и от объема передней заслонки.

Рис. 14. Схема рабочих органов землеройно-фрезерной машины

На рис. 14 дана схема рабочего органа землеройно-фрезерной машины; здесь расположенная впереди фреза разрыхляет грунт и подает его на подгребающий нож, с которого он поступает на транспортер и далее на выдающий транспортер, который расположен перпендикулярно к продольной оси машины. Предварительное разрыхление грунта фрезой существенно снижает общее сопротивление, что создает значительную экономию энергии и повышает производительность машины.

Для снижения сопротивления грунта копанию в опытном порядке применяется вибрация. Этот метод снижения сопротивлений чаще всего применяется на ковшах, снабженных зубьями. При помощи специального механизма зубья приводятся в состояние колебательных движений с частотой 1500—2000 в минуту. Вибрация зубьев передается грунту. Ввиду тиксотропных превращений грунтов сопротивление перемещению зубьев снижается и тем больше, чем более интенсивно проходят эти превращения. Проведенные исследования показывают, что эффективность вибрации больше всего проявляется в случае связных грунтов влажностью выше предела пластичности. Здесь вибрация может снизить сопротивление копанию на 20—30%. При влажности грунта, близкой к пределу пластичности, оно снижается на 10—15%. При более сухих грунтах вибрация становится неэффективной. Установлено, что эффективность выше при колебаниях, осуществляемых в направлениях, перпендикулярных движению зубьев, чем при колебаниях, совершаемых в направлении их движения.

Ведется также исследовательская работа, направленная на разработку грунтов методов обрушения. В этом случае пласт грунта подкапывается снизу, в результате чего он разрушается и под действием силы тяжести попадает на транспортер или какой-либо иной перемещающий его рабочий орган. В результате достигается значительная экономия в затрачиваемой работе и создается непрерывность в разработке грунта, что ведет к значительному повышению производительности.

Определение тех усилий, которые развиваются при взаимодействии рабочих органов землеройных машин с грунтом, производится не только в целях выбора мощности двигателя или тягача, но и для расчета отдельных узлов и деталей машины на прочность.

Применение статического расчета при проектировании узлов машин в ряде случаев уже является недостаточным. Поэтому необходимо проведение дополнительных расчетов, учитывающих динамические нагрузки, которые зависят от тяговых качеств машины и режима ее работы. Пользуясь полученными на основании анализа работы машин расчетными положениями и современной теорией прочности, конструктор должен выбирать наиболее выгодную форму детали, с учетом фактического распределения в ней напряжений. При проектировании основным является вопрос выбора расчетных положений машины и определение тех расчетных нагрузок, которые воспринимаются ее отдельными узлами. Однако определение тех действительных нагрузок, которые воспринимаются отдельными элементами машины в процессе ее работы, часто связано с большими трудностями.

Усилия, действующие на узлы и элементы машины, могут быть разделены на три категории: нормальные, случайные и аварийные.

Нормальными являются такие усилия, которые имеют место при обычных условиях эксплуатации. По этим усилиям должны производиться расчеты машины на долговечность.

Случайные усилия представляют собой совокупность самого неблагоприятного сочетания одновременно действующих нагрузок и служат основой для расчета элементов машины на прочность.

Аварийными нагрузками следует считать такие нагрузки, которые возможны только при некоторых исключительных обстоятельствах. При их действии может произойти поломка конструкции. Эти нагрузки принимаются во внимание при проектировании различного рода предохранительных устройств.

Таким образом, расчет элементов машин на прочность производится по случайным нагрузкам. Эти нагрузки представляют собой совокупность различных активных сил, действующих на рабочий орган машины. Узлы и детали машины должны воспринимать эти нагрузки без возникновения в них пластических деформаций.

Определение случайных нагрузок производится при таких положениях машины и, в частности, ее рабочего органа, при которых в рассматриваемых узлах возникают наибольшие напряжения. Эти положения называются расчетными. Выбор расчетных положений должен производиться на основании анализа общей схемы действующих сил и характера изменения их в процессе работы машины.

При расчете на прочность к проектируемому узлу или к элементу конструкции машины прикладываются усилия, соответствующие принятым расчетным положениям, и определяются те напряжения, которые возникают в опасных сечениях. Эти напряжения сравниваются с допускаемыми.

Случайные нагрузки могут быть статическими и динамическими. Динамические нагрузки, как правило, возникают при неустановившемся движении машины (при разгоне, торможении, ударах рабочего органа о препятствие и т. п.). Нагрузки, возникающие при взаимодействии рабочих органов машин с обрабатываемой ими средой, например землеройных машин с грунтом, часто носят динамический характер.

При неустановившемся движении возникают силы инерции. Если причиной замедления движения машины является возрастание сопротивления на рабочем органе, то силы инерции будут направлены в сторону движения и на рабочий орган будут действовать дополнительные усилия, равные инерционным силам, но имеющие противоположное направление. В этих случаях силы сопротивления копанию грунта будут больше тех, которые имеют место при установившемся процессе.

Если при установившемся движении нагрузки зависят в основном от веса машины и навесного оборудования, крутящего момента двигателя и т. п. и могут быть определены сравнительно легко, то динамические нагрузки обычно зависят от большого числа факторов и потому определение их обычно затруднено. К таким факторам относятся величины и соотношения движущихся масс, упругость элементов, величины зазоров, характер привода и т. п. Определение этих нагрузок производится как на основании анализа работы рассматриваемого узла или элемента машины, так и в результате опытных данных.