Общее сопротивление внедрению состоит из следующих основных элементов:
сопротивления на передней горизонтальной кромке ковша; сопротивления на передних кромках двух боковых вертикальных стенок ковша;
трения на внутренней поверхности днища ковша; трения на боковых стенках ковша; трения между днищем ковша и основанием штабеля; сопротивления на задней стенке ковша, возникающего при глубоком внедрении вследствие пассивного отпора штабеля.

Опыты, проведенные Динглингером и позднее Зелениным, показали, что при перемещении в уплотненном сыпучем теле вертикальной прямоугольной незаточенной пластины перед ее торцевой плоскостью, перпендикулярной направлению скорости, образуется уплотненное ядро сыпучей массы. Это ядро движется вместе с пластиной и раздвигает остальную сыпучую массу. Возникающие при этом внутренние силы трения являются одной из причин образования значительных сил сопротивления движению.

При движении заточенной пластины-ножа перед ее жалом образуется аналогичное ядро, но меньших размеров.

Появление малого уплотненного ядра перед жалом объясняется тем, что отдельные зерна песка, сжатые остальной его массой и в значительной мере лишенные этим подвижности, не сразу отодвигаются в сторону и не разрезаются жалом, а движутся впереди, как бы затупляя его.
Ядро перед жалом тем больше, чем крупнее зерно сыпучей массы и чем более затуплено жало.

В практических условиях передняя режущая заточенная кромка ковша почти всегда несколько затуплена, вследствие чего размеры уплотненного ядра перед жалом могут быть значительны.

Другой составляющей общего сопротивления на ноже является трение между его заточенной гранью и сыпучей массой.

Общее сопротивление, отнесенное к единице длины ножа, двигающегося указанным образом в сыпучей массе, очевидно, должно зависеть от коэффициента трения, толщины ножа, угла его заточки и давления сыпучей массы.

Если нож движется в штабеле с наклонной поверхностью откоса, то сопротивление пропорционально глубине горизонтального погружения ножа.

При движении ножа в массе, состоящей из отдельных кусков,, наблюдается большая зона внутренних перемещений, распространяющаяся в сторону движения. Сопротивление перемещению здесь обусловлено главным образом отпором массы при проталкивании и выворачивании отдельных кусков, расположенных перед ножом и вблизи его, и зависит от коэффициентов трения,, давления в кусковой массе и в меньшей мере — от толщины ножа и его заточки.

Описанные явления мы наблюдали в опытах с перемещением горизонтального ножа в ящике со стеклянной стенкой, заполненном сыпучей или кусковой массой с окрашенными слоями.

Для определения примерного значения сил сопротивления при движении горизонтального ножа в сыпучей массе и влияющих на это сопротивление факторов нами проводились опыты с внедрением пластин разной толщины и с разной заточкой передней кромки в песок, уголь различной крупности и щебень, расположенные в ящике и на площадке свободной кучей с поверхностью естественного откоса. Самопишущий динамометр фиксировал значения сопротивлений в зависимости от глубины внедрения.

Опыты позволили установить следующее:
1. При внедрении на уровне площадки достаточно длинного горизонтального ножа в свеженасыпанный штабель сыпучей массы с правильной поверхностью наклонного откоса сопротивление внедрению примерно пропорционально глубине погружения ножа.
При очень большой глубине внедрения эта пропорциональность заметно нарушается: сопротивление растет медленнее, чем глубина внедрения. Этот период начинается тем ранее, чем тоньше нож.
2. Сопротивление внедрению ножа в мелкозернистую сыпучую массу тем менее, чем тоньше нож и чем меньше угол его заточки. Для различных материалов закон этого влияния различен.

Приближенно можно считать это сопротивление пропорциональным В* ; где 5 — толщина ножа; 2 = 0,3 -г 0,6-— показатель степени.

При увеличении угла односторонней заточки ножа с 15 до 45° сопротивление на песке возрастает примерно в 1,3 раза, а на мелком угле — примерно в 1,7 раза.

При изменении угла заточки от 25 до 90° и внедрении ножа в песок и уголь сопротивление возрастает в 1,6—2,5 раза (большее значение относится к ножам большей толщины и при внедрении в уголь).

3. При неоднородной сыпучей массе, содержащей крупные куски, и при однородном кусковом материале (сортированный щебень и сортированный уголь) влияние толщины ножа и угла его заточки на сопротивление при внедрении менее значительно.

Влияние затупления исследовано лишь для ножа толщиной б=1 см при угле заточки а = 25°. Заточенная часть этого ножа была срезана на 1/3, считая от передней срезанной кромки. Установлено, что подобное «затупление» ножа дает дополнительное увеличение сопротивления в среднем: при работе с песком — на 15% и при работе с мелким углем — на 25%. При кусковом материале (уголь, щебень) влияние этого фактора незначительно.

Физическая природа этого дополнительного сопротивления такова же, как и сопротивления при «угле заточки» ножа а=90\ , и обусловлена появлением большого уплотненного ядра сыпучей массы перед тупым лезвием ножа.

Для определения сопротивлений на передних кромках двух боковых стенок ковша и трения на стенки нами проводились опыты с внедрением в сыпучую и кусковую массу вертикальных ножей различного профиля и стальных листов.

Вертикальные листы имели следующие углы наклона передних кромок к горизонту: 15, 45 и 90° (рис. 65).

Внедрение листов в сыпучую массу производилось способом,, аналогичным показанному на рис. 66.

В результате этих опытов установлено:
1. Сопротивление при внедрении вертикальных ножей в песок и мелкий уголь зависит от толщины ножа, угла его заточки и, главным образом, от высоты его погружения. Удельное сопротивление в нижней точке ножа, измеряемое в кг/см, примерно на 30—40% меньше, чем для аналогичного горизонтального ножа при той же глубине погружения.
2. Сопротивление движению вертикальных ножей в кусковой массе достигает очень больших значений и во много раз превышает сопротивление на горизонтальных ножах аналогичного профиля. если последние перемещаются на уровне основания штабеля.
3. Сопротивление движению вертикального листа в сыпучей массе в значительной мере зависит от угла наклона к горизонту его передней кромки. При уменьшении угла наклона сопротивление уменьшается.

Особое значение угол наклона передней кромки имеет при движении листов в кусковой массе.

В наших опытах перемещение листа в кусковой массе вертикальной кромкой вперед требовало очень больших усилий и во многих случаях было практически невозможно. При угле наклона кромки в 45° сопротивление уменьшалось и при угле в 15° достигало малых значений.

Рис. 65. Вертикальные листы с различным углом наклона передней режущей кромки

Рис. 66. Стальной лист без зубьев и с зубьями перед внедрением в песок

Если крупный кусок (средняя часть его) оказывался перед вертикальной кромкой листа, то он вдавливался в штабель или разрезался, что и приводило к большим сопротивлениям продвижению листа. Если же передняя кромка листа была наклонена назад под малым углом к горизонту, крупный кусок легко выдавливался вверх, и сопротивление соответственно уменьшалось.

Можно считать, что для ковшей отечественных автопогрузчиков и тракторных лопат с углом наклона передних кромок боковых стенок порядка 50—75° сопротивление на этих кромках при работе на мелком угле и песке составляет около 10—20% от сопротивления на горизонтальной кромке ковша, не имеющей зубцов.

При работе на кусковых грузах сопротивление на передних кромках боковых стенок имеет большее значение.

Сопротивление от трения между сыпучей массой и верхней поверхностью днища ковша определится как произведение давления груза, лежащего на днище, на коэффициент трения. Очевидно это сопротивление пропорционально квадрату глубины внедрения.

Сила трения на нижней поверхности днища ковша зависит от того, в какой мере последний опирается на основание штабеля. Если ковш при внедрении опирается на грунт, то сила трения равна реакции грунта, умноженной на коэффициент трения. Если горизонтальный или слегка наклоненный вперед ковш находится полностью в подвешенном состоянии, то сила трения на нижней его поверхности близка к пулю.

Силу трения на боковых стенках ковша можно приблизитель но определить, исходя из значения активного давления сыпучей массы на эти стенки.

Расчеты, произведенные для ковшей отечественных погрузчиков, показали, что силы трения на боковых стенках составляют не более 10% от трения на верхней поверхности днища ковша.

Для изучения величины и закона изменения силы суммарного сопротивления на днище ковша и его передней кромке нами производилось внедрение стальных горизонтальных листов различной толщины при ширине 0,35 м в сыпучую массу, расположенную в ящике. Лист укреплялся на стальной рамке, которая за пределами ящика соединялась с самопишущим динамометром и канатом электрической лебедки.

Для сравнения производилось также внедрение одного из таких листов с укрепленными на нем зубьями, по форме и размерам точно соответствующим зубьям автопогрузчика типа «4000М» Львовского завода (см. рис. 66).

На рис. 67 показаны кривые, записанные динамометром для двух случаев: при внедрении в песок листа с передней кромко? толщиной 22 мм без зубьев (нижняя кривая) и при внедрении этого же листа с зубьями. Вдоль горизонтальной оси этой диаграммы в масштабе отложена глубина погружения передней кромки листа, а по вертикальной оси записано чистое сопротивление внедрению (за вычетом сопротивления, обусловленного весом движущихся частей и трением на рамке).

Кривые имеют параболический характер.

Из сравнения этих кривых видно, что наличие зубьев увеличивает сопротивление внедрению листа на 25—40%. Увеличение сопротивления наблюдалось и во время внедрения в кусковую массу. При внедрении в сортированный антрацит крупностью 100—150 мм сопротивление возрастало на 15—35%.

Увеличение сопротивлений при внедрении ковшей с зубьями подтверждается также опытами,, проведенными нами с тракторной лопатой ЦИНС-1 и автопогрузчиком марки «4001» при работе их на рядовом угле: после снятия зубьев глубина внедрения ковша в штабель заметно увеличилась.
После снятия зубьев с ковша вследствие уменьшения зазора между передней кромкой его и складской площадкой ковш стал более чисто подбирать груз с площадки, что позволило освободить одного рабочего, специально занятого на зачистке площадки перед погрузчиком. Таким образом выявилось еще одно преимущество ковшей без зубьев.

Рост сопротивления при наличии зубьев на ковше погрузчика напорного действия объясняется тем, что они как бы увеличивают в отдельных местах толщину передней кромки и глубину погружения этой ее части в штабель (на величину длины зубьев). Увеличиваются также общая поверхность и объем относительного сдвига и возникающие при этом силы внутреннего трения. С этой точки зрения установку зубьев на ковшах тракторных лопат и автопогрузчиков следует считать вредной. Зубья на передней кромке ковша облегчают его действие лишь в случаях, когда материал смерзается, и при экскавационных работах. Однако для таких тяжелых работ следует применять машины с более мощными зачерпывающими органами.

Рис. 67. Кривые сопротивлений при внедрении в песок стального листа без зубьев (нижняя) и с зубьями (верхняя)

Установку зубьев на ковшах погрузчиков часто оправдывают,, указывая на аналогию с ковшами экскаваторов. Эта аналогия неверна. В экскаваторах заполнение ковша происходит в результате снятия верхнего слоя сыпучей и кусковой массы или относительно тонкой и длинной стружки с основного массива плотного тела. Наличие зубьев обеспечивает в последнем случае получение значительных сосредоточенных усилий, действующих на грунт, что, возможно, облегчает процесс резания или скалывания стружки.

В одноковшовых погрузчиках заполнение ковша носит совершенно иной характер: в период внедрения происходит не резание стружки, а глубокое проникновение днища ковша в неподвижную сыпучую массу. При подъеме ковша вся масса груза, лежащего на днище, отрывается от остальной его массы в штабеле. В этот период преодолеваются силы сцепления и внутреннего трения в массе груза, вес ковша с грузом и силы трения на боковых стенках ковша. Очевидно, что зубья не могут уменьшить этих сил сопротивления.

Распространено мнение, что положительное влияние зубьев выражается также и в том, что они способствуют уменьшению износа передней кромки ковша.

Однако с явлением износа следует бороться другими, более рациональными путями, например установкой переднего съемного ножа из твердой стали, наплавкой твердых сплавов на передней кромке ножа, как это принято в дорожных землеройных машинах и т. д.

Для определения закона изменения сопротивлений при внедрении ковша погрузчика в штабель значительный интерес представляют также опыты В. Н. Хиневича с внедрением описанных выше стальных листов и модели ковша автопогрузчика, выполненной в масштабе 1 : 2,5 натуральной величины, в естественный штабель угля и песка. Стальной лист или модель ковша укреплялись на специальной каретке и напорным усилием специального электропривода внедрялись на уровне земли в штабель сыпучего материала. Глубина внедрения и сопротивление определялись методом осциллографирования.

На рис. 68, а приведена осциллограмма, полученная при внедрении стального листа толщиной 22 мм и шириной 0,35 м с передней кромкой, заточенной под углом 35°. Вдоль горизонтальной оси фиксировалась глубина внедрения, вдоль вертикальной — сопротивление. Внедрение производилось в песок. На рис. 68,6 изображена одна из осциллограмм, полученная при внедрении модели ковша в штабель песка.

Эти осциллограммы, подобно кривым, приведенным на рис. 67, также имеют параболический характер.

Приведенные результаты экспериментов дали возможность найти аналитическое выражение для определения сопротивления при горизонтальном погружении ковша в штабель сыпучего материала.

В погрузчиках, имеющих жесткую связь ковша с корпусом машины (рис. 14, 55 и др.), точное определение силы D встречает большие трудности.

Это уравнение справедливо для ковшей с развитой горизонтальной заборной частью днища. Внедрение этих ковшей обычно происходит без значительного упора задней стенки в откос штабеля.

При глубоком внедрении мелких ковшей (см. рис. 40) задняя стенка обычно упирается в штабель, в результате чего возникает сила пассивного отпора, часто достигающая очень больших значений и ограничивающая дальнейшее внедрение, а следовательно, и заполнение ковша.

Для выяснения характера возникающих при этом внутренних перемещений в сыпучей массе нами был проделан следующий опыт: длинный и достаточно широкий стальной лист, имитирующий заднюю стенку ковша, устанавливался наклонно в ящике со стеклянной стенкой (рис. 69). В ящик засыпался сухой просеянный песок, отдельные слои которого окрашивались в черный цвет. Поверхности песка придавалась форма правильной плоскости, наклоненной к горизонту под углом естественного откоса.

Рис. 69. Сдвиг слоев сыпучей массы в результате горизонтального смещения наклонной стенки, имитирующей заднюю стенку ковша

Далее при помощи ручного ворота и нижней тяговой струны лист смещался поступательно гоа 3 см вглубь штабеля. Наблюдавшийся при этом резко обозначенный сдвиг слоев ясно определил характер внутренних перемещений песка.

Наблюдение процессов смещения песка при ряде подобных опытов позволяет сделать следующие основные выводы: – поверхностью сдвига является криволинейная поверхность с весьма незначительной кривизной, вогнутая в сторону наклонной стенки; – углы наклона к горизонту поверхностей сдвига, при неизменном угле наклона подвижной стенки и определенной сыпучей массе, остаются постоянными при всех последующих сдвигах стенки; – при напорном движении стенки впереди нее наблюдается некоторое уплотнение и лишь после того, как это уплотнение достигает определенной величины, происходит сдвиг слоев; – вследствие пластического уплотнения сыпучей массы нижние слои «призмы» сдвига смещаются вверх несколько более, чем верхние слои, а в отдельных случаях — при незначительном смещении листа — смещаются только нижние слои.

Эти выводы и особенно ярко выраженное явление сдвига сыпучей массы, наблюдаемое перед движущейся наклонной стенкой, дают возможность вполне обоснованно подойти к определению сопротивления от пассивного отпора

Воспользуемся при этом известным методом механики сыпучих тел, согласно которому момент сдвига призмы рассматривается как случай ее предельного равновесия перед смещением под влиянием стенки. Явлением уплотнения сыпучей массы будем пренебрегать, а поверхность сдвига, вследствие ее малой кривизны, будем считать плоскостью.

В обычных условиях внедрения в штабель задней стенки ковша (рис. 70) верхняя поверхность «призмы» сдвига имеет неправильную форму АС. В предельный момент равновесия на эту «призму» ABC действуют следующие силы: G — вес призмы; Еп — реакция задней стенки АВ с учетом сил трения; Q — реакция неподвижной части штабеля на плоскости сдвига с учетом сил трения.