авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 8 |
-- [ Страница 1 ] --

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Сибирская

государственная автомобильно-дорожной академия

(СибАДИ)»

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

РАБОЧИХ ПРОЦЕССОВ ДОРОЖНЫХ

И СТРОИТЕЛЬНЫХ МАШИН:

ИМИТАЦИОННЫЕ И АДАПТИВНЫЕ

МОДЕЛИ

Монография

СибАДИ 2012 3 УДК 625.76.08 : 621.878 : 519.711 ББК 39.92 : 39.311 З 13 Авторы: Завьялов А.М., Завьялов М.А., Кузнецова В.Н., Мещеряков В.А.

Рецензенты:

заслуженный деятель науки Российской Федерации доктор технических наук, профессор И. А. Недорезов (МГТУ им. Н.Э. Баумана);

член-корреспондент РААСН, доктор технических наук, профессор Д. Э. Абраменков (Новосибирский государственный архитектурно-строительный университет);

доктор физико-математических наук, профессор А. К. Гуц (Омский государственный университет им. Ф.М. Достоевского) З 13 Математическое моделирование рабочих процессов дорожных и строительных машин: имитационные и адаптивные модели: монография / А. М.

Завьялов и др. – Омск: СибАДИ, 2012. - 411 с.

ISBN 978-5-93204-615- Рассмотрены вопросы математического моделирования динамики взаимодействия рабочих органов дорожных и строительных машин с контактной средой, методы интеллектуального управления сложными нелинейными динамическими системами и применение нейросетевых технологий для решения проблем идентификации.

Монография предназначена для сотрудников научных и проектных организаций, может быть использована в учебном процессе по направлениям подготовки специалистов и магистров «Наземные транспортно-технологические комплексы», «Эксплуатация транспортно-технологических машин и комплексов».

Табл. 25. Ил. 198. Библиогр.: 363 назв.

ISBN 978-5-93204-615-9 © ФГБОУ ВПО «СибАДИ», Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Сибирская государственная автомобильно-дорожной академия (СибАДИ)»

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОЧИХ ПРОЦЕССОВ ДОРОЖНЫХ И СТРОИТЕЛЬНЫХ МАШИН:

ИМИТАЦИОННЫЕ И АДАПТИВНЫЕ МОДЕЛИ Монография СибАДИ УДК 625.76.08 : 621.878 : 519. ББК 39.92 : 39. З 13 Авторы: Завьялов А.М., Завьялов М.А., Кузнецова В.Н., Мещеряков В.А.

Рецензенты:

заслуженный деятель науки Российской Федерации доктор технических наук, профессор И. А. Недорезов (МГТУ им. Н.Э. Баумана);

член-корреспондент РААСН, доктор технических наук, профессор Д. Э. Абраменков (Новосибирский государственный архитектурно-строительный университет);

доктор физико-математических наук, профессор А. К. Гуц (Омский государственный университет им. Ф.М. Достоевского) З 13 Математическое моделирование рабочих процессов дорожных и строительных машин: имитационные и адаптивные модели: монография / А. М.

Завьялов и др. – Омск: СибАДИ, 2012. - 411 с.

ISBN 978-5-93204-615- Рассмотрены вопросы математического моделирования динамики взаимодействия рабочих органов дорожных и строительных машин с контактной средой, методы интеллектуального управления сложными нелинейными динамическими системами и применение нейросетевых технологий для решения проблем идентификации.

Монография предназначена для сотрудников научных и проектных организаций, может быть использована в учебном процессе по направлениям подготовки специалистов и магистров «Наземные транспортно-технологические комплексы», «Эксплуатация транспортно-технологических машин и комплексов».

Табл. 25. Ил. 198. Библиогр.: 363 назв.

ISBN 978-5-93204-615-9 © ФГБОУ ВПО «СибАДИ», Оглавление ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………….…….

Глава 1. ОБЩЕЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА………………………….

1.1. Анализ теорий, описывающих процессы взаимодействия со средой рабочих органов дорожно-строительных машин…..…… 1.2. Обзор исследований, учитывающих влияние скорости на рабочие процессы дорожно-строительных машин……………….

1.3. Проблемы разработки мёрзлых и прочных грунтов…………… 1.4. Особенности процесса строительства асфальтобетонных покрытий с позиций термодинамической концепции их жизненного цикла………………………………………………...…...

1.4.1. Процесс строительства дорожного асфальтобетонного покрытия………………………………………………………….

1.4.2. Рациональные технологии строительства……………….. Глава 2. КОНТАКТНАЯ СРЕДА КАК ОБЪЕКТ ВОЗДЕЙСТВИЯ..

2.1. Мерзлые грунты…………………………………………………..

2.2. Аппарат математического моделирования процесса промерзания оттаивания грунтов………………………………...

2.3. Асфальтобетонные покрытия…………………………………… 2.4. Реологическая модель среды. Обоснование выбора реологической модели мерзлого грунта……………………...……...

2.4.1. Определение величины сжимаемости талых грунтов….. 2.4.2. Определение величины сжимаемости мерзлых грунтов.. Глава 3. ОСНОВЫ ТЕОРИИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ РАБОЧИХ ОРГАНОВ СТРОИТЕЛЬНЫХ И ДОРОЖНЫХ МАШИН С КОНТАКТНОЙ СРЕДОЙ………………………………..........................

3.1. Методология изложения…………………………………………. 3.1.1. Взаимодействие рабочих органов с талыми грунтами…. 3.1.2. Взаимодействие рабочих органов с мерзлыми грунтами 3.2. Виды движения среды…………………………………………… 3.2.1. Плоское движение………………………………………… 3.2.2. Цилиндрическое движение………………………………. 3.3. Построение базисных моделей динамики процессов взаимодействия рабочих органов ДСМ с грунтом………………… 3.3.1. Заглубление………………………………………………. 3.3.2. Резание грунта…………………………………………….. 3.3.3. Уплотнение грунтов……………………………………….

3.3.4. Перемещение грунта……………………………………… 3.3.5. Наполнение ковша………………………………………... 3.4. Зависимость вариации энтропии от изменения тепловой и механической энергии........................................................................... Глава 4. ПОСТРОЕНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ПРОЦЕССОВ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ РАБОЧЕГО ОБОРУДОВАНИЯ ДОРОЖНЫХ И СТРОИТЕЛЬНЫХ МАШИН СО СРЕДОЙ……………………………………………………………….

4.1. Копание грунта скрепером………………………………………. 4.2. Копание грунта бульдозером……………………………………. 4.3. Погружение забивных свай……………………………………… 4.4. Резание мерзлого грунта………………………………………… 4.4.1. Установление закономерности распределения давлений по ширине рабочего органа……………………………………...

4.4.2. Определение глобального максимума функции распределения давлений по длине рабочего органа…………...

4.4.3. Установление закономерности распределения давлений по длине рабочего органа………………………………..……… 4.4.4. Получение закономерности распределения давления грунта по поверхности рабочего органа в трехмерном пространстве……………………………………………………...

4.5. Разработка грунта подкапывающей машиной…………………. 4.6. Динамическая модель формирования призмы волочения поворотного отвала землеройно-транспортной машины…………...

Глава 5. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ОПТИМАЛЬНЫХ РЕЖИМОВ УКАТКИ АСФАЛЬТОБЕТОННЫХ СМЕСЕЙ КАТКАМИ СТАТИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ……….………………………………..

Глава 6. ПРИМЕНЕНИЕ АППАРАТА ВАРИАЦИОННОГО ИСЧИСЛЕНИЯ ДЛЯ ОТЫСКАНИЯ ПАРАМЕТРОВ ПРОФИЛЕЙ РАБОЧИХ ОРГАНОВ ДОРОЖНЫХ И СТРОИТЕЛЬНЫХ МАШИН ПРИ РАЗРАБОТКЕ ГРУНТОВ……..

6.1. Определения рационального профиля поперечного сечения рабочего органа отвального типа…………………………………….

6.2. Определение рационального профиля лопаток дискового рабочего органа подметально-уборочной машины………………… 6.3. Зависимость величины угла разгрузки лопаток от геометрических и кинематических параметров рабочего органа подметально-уборочной машины…………………………………….

6.4. Определение и анализ конфигурации оптимальной контактной поверхности рабочего органа землеройной машины для разработки мерзлых грунтов……………………………………..

6.4.1. Определение конфигурации оптимального продольного профиля рабочего органа…………………………………..…….

6.4.2. Аналитическое решение задачи об оптимальной форме продольного профиля лобовой поверхности рабочего органа.. 6.5. Определение и анализ конфигурации оптимальной лобовой поверхности рабочего органа………………………..……………….

6.6. Определение и анализ конфигурации оптимального поперечного сечения лобовой поверхности рабочего органа……...

Глава 7. ОБОСНОВАНИЕ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНЫХ РЕЖИМОВ ПОГРУЖЕНИЯ ЗАБИВНЫХ СВАЙ…………………...........................

7.1. Анализ влияния связности грунта на процесс погружения забивных свай......................................................................................

7.2. Обоснование рационального режима погружения забивных свай…………………………………………………………………… 7.3. Энергоэффективные режимы погружения забивных свай…... 7.4. Разработка алгоритма проектирования энергоэффективных режимов погружения забивных свай………………………………. Глава 8. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ИЗНАШИВАНИЯ РАБОЧИХ ОРГАНОВ МАШИН ПРИ РАЗРУШЕНИИ МЕРЗЛЫХ ГРУНТОВ………………..............................................................................

8.1. Схема хрупкого разрушения мерзлого грунта………………… 8.2. Параметры абразивной поверхности грунта…………………... 8.3. Величина и характер износа……………………………………. 8.4. Экспериментальное определение характера взаимодействия кварцевых частиц с материалом рабочего органа………………….

8.5. Экспериментальное определение зон наконечника зуба рыхлителя, подвергаемых максимальному изнашиванию………...

8.5.1. Параметры и методика экспериментальных исследований……………………………………………………...

8.5.2. Массовый износ наконечника рыхлителя………………... 8.5.3. Линейный износ по рабочим плоскостям наконечника……………………………………………………….

8.5.4. Линейный износ наконечника по задней поверхности и боковым граням………………………………………………… 8.6. Исследование влияния износа на составляющие усилия рыхления……………………………………………………………...

Глава 9. ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ………………………………………………………..

9.1. Разработка и исследование оборудования для очистки лотковой части автомобильных дорог……………………………..

9.2. Исследование рабочего процесса оборудования для очистки дорожных покрытий от льда и уплотненного снега……………. 9.3. Исследование оборудования режущего инструмента подкапывающей машины…………………………………………...

9.3.1. Экспериментальные исследования по определению рационального профиля режущего инструмента подкапывающей машины……………………………………….. 9.3.2. Анализ результатов исследований рациональной конфигурации передней поверхности резца подкапывающей машины …………………………………………………………...

9.4. Испытания наконечников зубьев рыхлителей и зубьев ковшей экскаваторов в условиях Севера…………………………..

9.4.1. Порядок проведения испытаний…………………………. 9.4.2. Анализ результатов испытаний………………………….. 9.4.2.1. Оценка изменения величины изнашивания и коэффициента затупления………………….……………… 9.4.2.2. Определение удельной энергоемкости процесса разработки мерзлого грунта………………………………..

9.5. Конструктивные изменения наконечника повышенной эффективности для разработки мерзлых грунтов и его испытания……………………………………......................................

9.5.1. Обоснование выбора материала для защиты (армирования) передней поверхности наконечника…………… 9.5.2. Обоснование схемы расстановки армирующих элементов и их формы…………………………………………… 9.5.3. Определение геометрических параметров износостойких резцов…………………………………………… 9.5.4. Исследование влияния конструктивных изменений экспериментального наконечника на параметры рыхления…… 9.5.5. Экономическая эффективность использования наконечника……………………………………………………….

9.6. Методика мониторинга функционального состояния дорожного асфальтобетонного покрытия с целью назначения обоснованных сроков и видов ремонтных работ………………….

Глава 10. АДАПТИВНЫЕ НЕЙРОСЕТЕВЫЕ МОДЕЛИ РАБОЧИХ ПРОЦЕССОВ ДОРОЖНЫХ И СТРОИТЕЛЬНЫХ МАШИН…………………………………………………………………… 10.1. Нейросетевая модель рабочего процесса бульдозера……….

10.2. Нейросетевая модель тягового режима автогрейдера……… 10.3. Адаптивная нейро-нечеткая модель рабочего процесса стрелового крана…………………………………………………….. ЗАКЛЮЧЕНИЕ…………………………………………………………… БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК…………………………………. Машины должны работать.

Люди должны думать.

Девиз компании IBM ВВЕДЕНИЕ Результаты исследования и анализа математических моделей рабочих процессов дорожных и строительных машин имеют важнейшее значение при проектировании и создании новых, перспективных образцов машин, являются надежным залогом разработки и реализации эффективных технологий их эксплуатации.

Эволюция теорий, интерпретирующих рабочие процессы дорожных, строительных машин, а также взаимодействия их рабочих органов с контактной средой, начиная от синтеза эмпирических данных до стремлений представить данный процесс в динамике, указывает на необходимость качественно нового подхода в раскрытии сути процесса.

В этой книге, на основе разработанной авторами теории, излагается креативный подход к математическому моделированию как базовых, так и композиционных процессов взаимодействия рабочих органов дорожных и строительных машин с контактной средой. Научная новизна данного подхода заключается, прежде всего, в инсталляции парадигмы построения универсальной реологической модели контактной среды, которая рассматривается как сплошная, однокомпонентная и пластически сжимаемая. Это обстоятельство позволяет исследовать различные виды движения среды (плоское, цилиндрическое и сферическое), а следовательно, и моделировать рассматриваемые процессы взаимодействия в динамике.

Именно возможность математического моделирования динамики взаимодействия рабочих органов дорожных и строительных машин с контактной средой и является принципиальным отличием от предшествующих работ по данной тематике, поскольку даже самые продвинутые из них базируются на статике сыпучих сред. Еще одним принципиальным отличием разработанной теории является возможность представления рассматриваемых процессов в трехмерном пространстве. Это придает исследованиям целостность и законченность.

Моделирование рабочих процессов дорожных и строительных машин, ориентированное на исследование динамики режимов нагружения машин и синтез систем автоматического управления, нуждаетcя в разработке динамических моделей процессов резания грунта и взаимодействия с вырезанным грунтом.

Использование методов интеллектуального управления сложными нелинейными динамическими системами и применение нейросетевых технологий для решения проблем идентификации следует рассматривать как новую ступень в развитии математического моделирования исследуемых процессов. Это позволяет расширить класс автоматизируемых технологических процессов. К таким процессам, безусловно, относятся рабочие процессы рассматриваемых машин.

В монографии наряду с имитационными динамическими моделями рассмотрены адаптивные нейросетевые модели рабочих процессов бульдозера, автогрейдера, а также нейро-нечеткая модель рабочего процесса стрелового крана.

Монография предназначена не только для научных работников, преподавателей, но и для аспирантов, студентов технических вузов.

Авторы надеются на то, что их труд внесет достойный вклад в развитие строительной науки и принесет пользу заинтересованному и вдумчивому читателю.

ГЛАВА 1. ОБЩЕЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА 1.1. Анализ теорий, описывающих процессы взаимодействия со средой рабочих органов дорожно-строительных машин Существующие в настоящее время теории, в которых интерпретируются процессы взаимодействия со средой рабочих органов и оборудования дорожно-строительных машин (ДСМ), можно условно поделить на две основные группы:

1) теории, концептуальные положения которых основаны на результатах экспериментальных исследований, фактах эмпирического характера;

2) теории, базирующиеся на ряде положений статики сыпучих сред, дополненных условием предельного равновесия;

3) теория, основывающаяся на свойствах деформируемой пластически сжимаемой среды, динамика взаимодействий с которой описывается замкнутой системой уравнений.

К первой группе следует отнести работы отечественных ученых В.П. Горячкина, Н.Т. Домбровского, А.Н. Зеленина, А.Д. Далина, И.Д. Айзенштока [3, 73, 78, 85-87, 130, 131], а также зарубежных И.

Ратье, Г. Кюна, Р. Шилда.

Ко второй плеяду таких исследователей, как Ю.А. Ветров, К.А. Артемьев, В.И. Баловнев [8, 17, 18, 47].

Теория, относящаяся к третьей группе [98, 99, 125, 177, 179], создана авторами этой книги и будет подробно рассмотрена ниже. В этой же главе укажем причины, обусловившие необходимость разработки такой теории.

Общим же для теорий первых двух групп является практически полное отсутствие учета свойств деформируемости среды в процессе экскавации, несмотря на то, что рассматриваются сжимаемые среды.

Значение действующих сопротивлений на рабочем органе ДСМ были определены с помощью эмпирических формул и зависимостей, в которых используются только основные параметры и соотношения размеров рабочих органов машин, удельные показатели грунта и условий его разработки. Получение чисто аналитических зависимостей в области резания грунтов сдерживается, прежде всего, недостаточной изученностью процесса разрушения грунтов. Ни одна из теорий упругости, прочности или механики сплошной среды не раскрывает полностью сути процесса разрушения грунтов под действием внешних нагрузок. При получении аналитической зависимости для определения сопротивления грунта резанию необходимо учесть целый ряд многочисленных факторов, влияющих на его величину. Не всегда возможно определение этих факторов также аналитическим путем. Зачастую их значения определяются эмпирически. В ряде случаев вводится лишь коэффициент рыхления.

Фактически среда в отдельных фрагментах её разработки интерпретируется как твердое тело.

В то же время следует отметить тот факт, что большое внимание процессам деформации грунта при резании и копании уделяется в научных трудах Д.И. Федорова, И.А. Недорезова [228 - 230, 317], а также в работах Н.Я. Хархуты [321] при исследовании уплотнения грунтов. Математическое моделирование процессов уплотнения грунтов основывается на ключевых моментах теории пластичности.

Грунты при этом рассматриваются как упруговязкопластические, тем самым подчеркивается наличие как обратимой, так и необратимой частей деформации, а также влияние фактора времени и его производных скорости приложения нагрузки и скорости деформации. При теоретическом описании процессов смешивания по причине незамкнутости системы уравнений в основном принимаются допущения, базирующиеся на экспериментальных данных, между тем имеют место попытки применять для этих целей теории, относящиеся ко второй группе. Этими исследователями на основе эксперимента установлено, что при резании глубоких щелей в зоне упругих и пластических деформаций грунт подвергается сжатию.

Наиболее широкое распространение получила теоретическая проработка процессов резания и копания землеройных машин. Здесь также можно отметить два вышеописанных подхода. Остановимся подробнее на моделях второй группы, основанных на положениях теории предельного состояния.

Существующая теория статики сыпучей среды является разновидностью теории пластичности. Для случая плоского напряженного состояния задача отыскания значений величин напряжений становится статически определяемой и может быть самостоятельно решена без рассмотрения деформируемости среды, если ввести условие предельного состояния. В свою очередь это условие предполагает следующее:

1) напряженные состояния, при которых небольшое изменение объёмных или поверхностных сил ещё не вызывает нарушения равновесия;

2) напряженные состояния, при которых некоторое, даже малое изменение объёмных и поверхностных сил приводит к потере равновесия и разрушению грунта.

Для составления моделей, описывающих процессы взаимодействия органов ДСМ с грунтом, в качестве условия предельного состояния принимают напряженные состояния второго типа. При этом процессы взаимодействия рассматриваются с точки зрения тех положений теории предельного равновесия, которые связаны с определением, главным образом, пассивного давления грунта на подпорные стенки.

Задача о нахождении величины пассивного давления на подпорную стенку, в зависимости от угла наклона последней к вертикали и угла внешнего трения, распадается на три случая.

Различают пологие подпорные стенки, промежуточные и крутые.

Связь между касательным и нормальным напряжениями представляется в виде следующей зависимости:

tg C, (1.1) где касательное напряжение на рассматриваемой площади;

нормальное напряжение;

угол внутреннего трения;

С сцепление грунта.

Иначе говоря, решается при трёх различных граничных условиях замкнутая система уравнений, состоящая из уравнения (1.1), являющегося замыканием системы уравнений, которое в компонентах тензора напряжений можно записать в виде x y o x y, (1.2) sin ;

y x, где o 2C cos ;

(1.3) и двух дифференциальных уравнений равновесия:

x xy g ;

(1.4) x y xy x 0, (1.5) x y где x, y и xy проекции нормального и касательного напряжений на координатные оси;

массовая плотность грунта;

g ускорение свободного падения.

На примере землеройно-транспортных машин (табл. 1.1) можно также показать, что в зависимости от принятых исследователями расчетных схем процессов взаимодействия рабочих органов с грунтом и соответствующих допущений получены различные математические модели в виде формул и алгоритмов для определения сопротивлений резанию и копанию.

Приведенные расчетные схемы и модели отражают различные подходы их авторов к описанию процессов резания и копания. К идеализации тех или иных особенностей этого процесса каждая из этих моделей имеет область рационального применения.

Модели 1, 2 и 6 носят полуэмпирический характер.

Объединяющим для моделей 35 является тот факт, что все они построены в рамках теории предельного равновесия грунта, именно тех её положений, которые связаны с определением давления грунта на подпорные стенки.

Для всех моделей, приведенных в табл. 1.1, общим является то, что области рационального применения этих моделей ограничены сравнительно низкими скоростями, значения которых, как показывает экспериментальная проверка, не превышают 0,40,6 м/с. Для более высоких скоростей эти модели оказываются непригодными, поскольку их погрешность составляет 5070 %. Последнее обстоятельство становится очевидным по двум причинам: во-первых, при высоких скоростях значительно повышается роль динамического фактора процесса взаимодействия, во-вторых, существенно меняются физико-механические параметры рабочей среды, она становится сжимаемой, а деформации необратимыми.

Глубоко проанализированы процессы сжатия грунта при взаимодействии с рабочими органами подъёмно-транспортных машин А.С. Слюсаревым [298]. Им разработана теория уплотнения сыпучего материала в жесткой матрице, позволяющая для любого исследуемого материала указать комплекс характеристик, однозначно определяющих объёмно-напряженное состояние материала в процессе его деформирования.

Детальный анализ процессов взаимодействия рабочего оборудования землеройных машин с грунтом выполнен Е.И.

Берестовым [23]. Однако его методы расчета и теоретические основы моделирования процессов резания и копания основаны на уравнениях пассивного давления грунта на подпорные стенки. То есть подход, предложенный Е.И. Берестовым, также базируется на общих положениях механики Таблица 1. Примеры математических моделей, предложенных для определения сопротивления резанию и копанию грунта Номер модели Вид Форма записи модели Относи Область и автор сопротивления - применения и тельная ограничения погреш ность 1 2 3 4 P p k p bh 1.Н.Г.Домбровский Резание Приближенный расчет.

17-70 Наличие P k k k bh Копание опытных коэффициентов 2. А.Н. Зеленин Резание Уточнённый 1, P p Ch 1 2,6b расчет для 1 0,0075 1 0,03t традиционных рабочих органов.

Наполнение Наличие Р нап R сж F 2bH p tg ковша 17-25 опытных коэффициентов, Призма неизвестных для Рпр V пр р tg волочения рабочих органов нового типа 1,5 м/с 3. Ю.А. Ветров Резание Уточнённый P p mcb bh 2mh 2m ср h расчет для Продолжение табл. 1. 1 2 3 4 Pнап 1 ctg tg A1bh Наполнение рабочих ковша органов.

p sin cos 2 pH 2 Наличие pH 1 sin cos cos h опытных 6- Призма коэффициентов H пр волочения 1,5 м/с sin 3 tg cos Pпр р bA Pk b 2 1 f tM 4. К.А. Артемьев Копание Уточнённый расчет для h 2 традиционных K 4 hq hC ctg hC ctg рабочих 2 органов, для 2C F1 cos 18-50 грунтов при pb С 0,05 МПа;

H y H 3 cos H 3 H 2 2 Р пр Призма 2 1,5 м/с волочения cos 2 cos 2 cos 5. В.И.Баловнев Резание Оценка h Pp 1 ctg tg A1bh C ctg 1 относительной A 2 эффек Pнап 1 ctg t g A1bh Наполнение тивности рабо 4- ковша чих органов H K различного типа p H TP p cos 2 tg h ;

при K 1, Окончание табл. 1. 1 2 3 4 Призма bH np Pnp p cos волочения 6. Д.И. Фёдоров Резание Расчет Pp сж bknnp изн bkGnp ковшовых 2 2 рабочих органов из sin cos сдb с полукруглой 2G LH кромкой.

10- LHS sin cos cos Наполнение Наличие ковша опытных sin bH Pнап bhH коэффициентов 2 1,5 м/с H 7. А.М. Завьялов Резание Для любых W P sin arctg f z 0 cos arctg f z ds скоростей 0 процессов Y* Призма P x 7 - Г *, y sin arctg x y tg 0 cos arctg x y W волочения 2 dy a u dm 1 x y dt грунтов, описывающих предельное состояние сыпучей среды, иначе, статике сыпучей среды.

Приведенный анализ показывает тенденцию развития теорий, посвященных интерпретации процессов взаимодействия со средой рабочих органов строительных и дорожных машин, от моделей, базирующихся на эмпирических сведениях, к математическим моделям и алгоритмам, основанным на статике сыпучей среды и, наконец, постепенный переход к моделям, фрагментарно учитывающим динамические характеристики исследуемых взаимодействий и сжимаемость среды. Логическим следствием такой эволюции явилось создание авторами этой книги теории, описывающей динамическую картину взаимодействий со средой рабочих органов ДСМ, а также разработка на ее основе математических моделей, учитывающих движение и сжимаемость среды и адекватно отражающих физические характеристики рассматриваемого процесса.

1.2. Обзор исследований, учитывающих влияние скорости на рабочие процессы дорожно-строительных машин Приоритет в исследовании влияния скорости на процессы разрушения грунта, среди отечественных исследователей принадлежит В.П. Горячкину. Он рассматривал это влияние в условиях полусвободного резания грунта. Силу сопротивления плугу В.П. Горячкин [73] предложил считать состоящей из трех составляющих: силы сопротивления трению о дно борозды, силы сопротивления деформирования срезаемого пласта почвы и силы сопротивления перемещению этого пласта. Первая из составляющих сил не зависит от глубины резания, вторая пропорциональна площади его поперечного сечения и третья, вызываемая необходимостью преодолеть инерцию его массы, зависит от скорости резания.

Установив, что при увеличении скорости резания плугом от 0,4 до 2,0 м/с сопротивление почвы резанию увеличивается на 12 %, автор считает, что необходимо учитывать влияние скорости резания в тех случаях, когда отбрасываются в стороны значительные массы грунта.

А.Н. Зеленин [130] исследовал изменение усилий резания мерзлых грунтов на повышенных скоростях. В процессе экспериментальных исследований, проводимых на специальном стенде, скорость резания изменялось в интервале от 0,68 до 6,13 м/с.

Резание осуществлялось острыми резцами шириной 10 и 20 мм с углами резания 30;

45;

60;

90 и задним углом 10. Некоторые результаты экспериментов приведены на рис. 1.1. Анализ зависимостей показывает, что: усилие резания возрастает с увеличением скорости по закону, близкому к линейному;

влияние скорости на усилие резания более заметно проявляется с увеличением угла резания, температуры грунта и глубины резания. Усилие резания возрастает в среднем на 5-8 % на каждую единицу увеличения скорости. Исследования А.Н. Зеленина направлены главным образом на определение энергоемкости ударного разрушения мёрзлых грунтов различными рабочими органами.

Результаты лабораторных исследований по резанию мерзлых грунтов подтвердили гипотезу А.Н. Зеленина [130] об общности протекания процесса разрушения мерзлых и немерзлых грунтов и позволили установить закономерности изменения величины Р, кН 3,6 2, 2,0 1, 0,, м/с 1 2 3 4 Рис. 1.1. Влияние скорости резания на сопротивление резанию мерзлых грунтов:

суглинок: влажность = 20 %, температура Т = 4С:

1 при h = 8,2 мм;

2 при h = 20 мм;

3 при h = 28 мм сопротивления рыхлению грунта как функцию геометрических параметров рабочих органов. Вопросы пространственности разрушения и физическая сущность протекающих при этом процессов в работах А.Н. Зеленина не отражены.

Ю.А. Ветров [46, 47], исследуя вопросы влияния скорости на процесс резания грунтов, пришел к выводу, что рост сопротивления грунта при увеличении скорости определяется условиями механики процесса, то есть затратами энергии на сообщение движения вырезанному грунту, и физическими причинами, проявляющимися в изменении свойств грунта под воздействием рабочих органов, движущихся с большой скоростью. Им была предложена формула Fcp sin cos, (1.6) Pkии sin где Fср средняя площадь поперечного среза;

плотность грунта;

угол резания;

угол наклона площадки скольжения;

скорость движения рабочего органа;

Pkии величина усилия на отбрасывание вырезанного грунта.

Ю.А. Ветров высказал предположение, что различие между разностью полной силы резания Р и силы отбрасывания Ротб при данной скорости и силой резания при скорости, близкой к нулю Р0, является доказательством имеющих место физических изменений в грунте.

Р, кН Ротб Рфиз Р= Рис. 1.2. Зависимость силы резания грунта от скорости резания по Ю.А. Ветрову Было установлено, что как полная сила резания, так и часть её, расходуемая на отбрасывание вырезанного грунта, близки к квадратичной функции от скорости резания (рис. 1.2). Эксперименты, проводимые с маятниковой установкой на талой и замершей глине, показали, что в пределах изменения скорости резания от 2,0 до 12 м/с сопротивление грунта резанию существенно возрастает, достигая 5-6 кратного увеличения по сравнению с сопротивлением резанию при скорости, близкой к нулю. Эти закономерности подтвердились в серии опытов на пылеватом суглинке в грунтовом канале ЦНИИС ( = 18%, Суд = 4). Эксперименты проводились при блокированном резании, ширина и глубина резания, соответственно, В = 50 см и h = 10,5 см;

нож острый, угол резания = 43,5;

задний угол = 30.

Наличие физических факторов Ю.А. Ветров объясняет немгновенным деформированием под нагрузкой. Это обусловливает протекание процесса разрушения грунта с некоторой конечной скоростью. При малой скорости резания скорость отделения элементов стружки от массива больше скорости резания, поэтому нож встречает своей верхней частью куски грунта, уже успевшие отделиться от массива. Если скорость резания больше скорости разрушения грунта, то рабочему органу приходится продвигаться через неразрушившуюся среду, преодолевая сопротивления большей величины, чем при малой скорости. Однако модели грунта, адекватно описывающей подмеченные закономерности изменения процесса резания при увеличении скорости, Ю.А. Ветров не предложил.

Ю.А. Ветров, В.Л. Сокович и Я.И. Марчеванский в работе [47] рассматривали вопросы взаимодействия с грунтом на высоких скоростях разрезающего ножа кабелеукладчика. Исследования проводились в полевых условиях на суглинистом грунте с верхним растительным слоем, глубина прорези варьировалась от 40 до 80 см при изменении скорости движения машины в интервале 1-6 м/с.

Испытателями установлено, что сила сопротивления грунта разрезанию существенно увеличивается с возрастанием скорости.

Так, с увеличением скорости с 1,25 до 8 м/с усилие прорезания возрастало на 55 %.

В.Л. Баладинский и Г.С. Фурто [15] исследовали резание грунта вертикальным ножом кабелеукладчика при скоростях 310 м/с. При скоростях, не превышающих 34 м/с, происходит раздвигание частиц грунта и последующее их уплотнение в сторону траншеи.

Сжимаемость грунта различна в зависимости от скорости приложения нагрузки и ускорения. Поэтому следует учитывать не только величины напряжений и деформаций, но и скорость распространения фронта волны, так как преобладают ударные явления. Необходимо установить также связь между и и r осевыми и радиальными напряжениями деформацией и её скоростью. В целом результаты работы согласуются с выводами, полученными другими авторами в отношении влияния скорости на сопротивление грунта разрушению, хотя процесс прорезания щели вертикальным клиновым ножом кабелеукладчика во многом отличен от резания грунта плоским ножом в горизонтальной плоскости (рис. 1.3).

B.Л. Баладинский считает, что динамическим разрушением является процесс, характеризуемый образованием области разрушения не только в зоне контакта рабочего органа со средой, но и вне этой области за счет распространяющихся в среде волн напряжений. Наличие волн напряжений, распространяющихся в грунте при динамическом нагружении и создающих условия динамического разрушения, его научная гипотеза.

r r r0 u h h Рис. 1.3. Схема нагружения рабочего органа Увеличение рабочих скоростей изменяет режим разрушения, при этом зона разрушения превышает зону внедрения рабочего органа, увеличивается мгновенная прочность среды, уменьшается величина относительной объёмной деформации грунта, а следовательно, и энергия разрушения. Основной принцип (эффект) динамического (скоростного) разрушения грунтов и горных пород:

увеличение рабочей скорости приводит к увеличению хрупкости грунтов, предела прочности среды, сопротивления разрушению, снижению величины работы разрушения, а значит, и энергоёмкости процесса и проявлению усталостной прочности среды.

C.П. Соловьев вывел зависимость длины скалываемого участка от параметров резания, физико-механических свойств почвы, скорости процесса и эффекта вибрации деформатора (рис. 1.4).

В.П. Станевский вводит понятие критической скорости, подразумевая под этим скорость резания, соответствующую скорости разрушения грунта. Основываясь на результатах исследований среднемаксимальных сил резания, получена зависимость:

sin cos P m P Fср, (1.7) sin где m коэффициент влияния скорости резания, ;

(1.8) m кp Fср площадь сечения среза.

, м, м/с Рис. 1.4. Характер зависимостей :

1 экспериментальный плоский клин без вибрации;

2 то же, с вибрацией;

3 экспериментальный цилиндрический клин без вибрации;

4 то же, с вибрацией Критическая скорость резания sin o кр, (1.9) sin где о раз скорость разрушения грунта.

При кр коэффициент влияния скорости резания m 2, сила сопротивления резанию становится в два раза больше по сравнению с очень медленным резанием.

В качестве параметра, характеризующего физико-механические свойства грунта, В.П. Станевский предлагает также величину скорости распространения пластических деформаций, связанную со скоростью ре зания следующей зависимостью:

sin, (1.10) д sin где и соответственно скорость и угол резания.

Тогда величина критической скорости будет выражаться через скорости разрушения, деформации и резания:

кр раз. (1.11) д Характер процесса резания будет зависеть от соотношения скоростей разрушения и деформирования. В.П. Станевский делает вывод, что при д раз происходит хрупкое разрушение грунта без остаточных деформаций, предварительно сжатый клином грунт будет в виде сплошной ленты отделяться от массива. В качестве модели грунта В.П. Станевским принята модель однородной изотропной среды. В начале процесса резания, при медленном внедрении в массив, нож создает в нем сложное напряженное состояние, разрушение грунта происходит не только перед клином, но и по сторонам (рис. 1.5) с образованием боковых расширений прорези.

Предполагается, что во время резания грунта угол между линями скольжения и поверхностью массива незначительно отклоняется от угла скола. Под этим же углом наклонены и образующие конических поверхностей к плоскости массива.

Передней частью ножа сжимается находящийся перед ним грунт и в месте контакта развиваются пластические деформации. По мере увеличения поверхности контакта ножа с грунтом возрастают касательные напряжения, и при превышении значений, соответствующих предельному состоянию, происходит сдвиг поверхности скольжения, наибольшей величины пластические формации достигают на поверхности разрушения ST.

B д S L Т h K Рис. 1.5. Схема блокированного резания острым ножом Анализ исследований В.П. Станевского показывает, что, несмотря на значительный прогресс в попытке описать влияние скорости на процесс резания грунта и интересные результаты, автор остается на позициях статики сыпучей среды.

Вопросы разрушения грунта при вертикальном резании исследовались А.С. Парфеновым. Он установил, что при скорости резания, близкой к нулю р 1 м/с, процессы, происходящие при вертикальном резании грунта, по своей физической сущности аналогичны процессам, имеющим место при горизонтальном резании.

Однако по характеру деформаций и величине возникающих сопротивлений эти процессы существенно отличаются.

Энергоемкость разработки грунта скалыванием (вертикальным резанием) в 22,5 раза ниже энергоемкости разработки грунта грейдер-элеватором.

М.И. Эстрин исследовал влияние скорости на сопротивления, возникающие при работе плоских и сферических ножей грейдер элеваторов. В экспериментах использовались плоские ножи с углом резания 30, шириной 1000 и 1600 мм при длине 700 мм и сферические ножи диаметром 900 и 1000 мм с радиусом кривизны сфер 780 и 870 мм и углом установки, изменяемым в пределах от до 74. Резание проводилось от 5 до 10 м при глубине от 120 до мм. Скорость резания изменялась в пределах от 0,076 до 1,7 м/с.

М.И. Эстрин сделал вывод, что для песчаных грунтов удельное сопротивление резанию пропорционально скорости. Между тем на грунты, обладающие сцеплением, влияние скорости незначительно.

На величину удельного сопротивления при изменении скорости влияет вид грунта (песок, супесь, суглинок, глина), а также форма деформатора.

А.Б. Филяков проводил экспериментальные исследования по определению зависимости сопротивлений внедрению рабочих органов в среду от скорости их движения. По его мнению, при внедрении деформатора (ножа) в изотропную среду на него со стороны среды будут действовать сила сопротивления внедрению, возникающая на торце N, и сила трения Fmp, действующая на боковых поверхностях ножа. Неравномерное движение ножа А.Б. Филяков описывает дифференциальным уравнением m N 2 Fmp G, (1.12) x где т, С масса и вес ножа;

линейное ускорение ножа.

x Процесс внедрения ножа исследовался при различных высотах броска от 0 до 25 см, масса ножа варьировалась от 40 до 100 кг через 20 кг. Основные закономерности, установленные А.Б. Филяковым, за ключаются в следующем:

1. Линейный характер зависимости сопротивления среды на начальной стадии внедрения, рост скорости движения.

2. При вхождении ножа в более плотные слои материала происходят сложные сдвиговые деформации материала, вызывающие более значительное сопротивление передвижению ножа, скорость движения уменьшается.

3. При достижении значения максимального сопротивления среды происходит перемещение ножа практически с постоянной скоростью при неизменной нагрузке, то есть возникает явление, напоминающее текучесть.

4. При остановке ножа резко снижается нагрузка, снижение сопровождается совершенно неупругим взаимодействием материала с ножом. А.Д. Далин [78] проводил эксперименты по скоростному фрезованию почв. Результаты исследований, проводимых А.Д. Далиным, позволили получить в первом приближении методы и коэффициенты для расчета ротационных машин. Им было установлено, что в интервале скоростей резания от 9,5 до 11 м/с повышение на 1 м/с ведет к увеличению сопротивления резанию приблизительно на 14 % по отношению к сопротивлению грунта при скорости резания, равной 1,5 м/с. Зависимость сопротивления резанию Р от скорости резания р выражается формулой Р Р1,5 k p, (1.13) где P,5 удельное сопротивление при скорости резания 1,5 м/с;

k коэффициент влияния скорости на сопротивление резанию.

Исследования, проведенные И.3. Багировым [13] на суглинке с плотностью = 1,73 т/м3, влажностью = 19 %, а также на супесчаном грунте с плотностью = 1,53 т/м3, влажностью = 9 % показали, что с увеличением скорости резания р от 0,4 до 5 м/с зона деформирования грунта уменьшается, а интенсивность напряжения в поперечном сечении пласта возрастает, кроме того, поперечная усадка с увеличением скорости уменьшается. В результате масса грунта, проходящая через рабочую поверхность периметра в единицу времени, уменьшается с увеличением скорости. Удельное сопротивление без учета сил инерции грунта не зависит от скорости резания при различной ширине периметра. В целом, результаты исследований И.З. Багирова не противоречат выводам, сделанным в вышерассмотренных ра ботах, однако утверждение о независимости удельного сопротивления резанию от скорости резания сомнительно.

Экспериментальные исследования, проведенные Н.Д.

Устинкиным на специальном стенде с использованием элементарных ножей шириной 250 мм с углами резания 25, 45 (скорость варьировалось от 1 до 10 м/с), показали, что при увеличении скорости резания происходит уменьшение зоны бокового разрушения грунта, площади поперечного сечения срезаемого пласта и изменение очертания прорези, возрастает область деформации отделяемого грунта, увеличивается его дробление. Характер зависимости касательной составляющей сопротивления деформации от скорости резания квазилинейный. Автором были определены опытные коэффициенты влияния скорости на сопротивление деформации и на угол расширения прорези соответственно. Н.Д. Устинкин заключает, что при разработке грунта с углами резания меньше критического (критический угол резания кр определяется как разность углов внутреннего и внешнего трения, кр о ) действие силы инерции срезаемого пласта может быть использовано для выполнения полезной работы подъема грунта по поверхности рабочего органа и заполнения ковша грунтом. Влияние изменения сопротивления деформации грунта на изменение сопротивления резанию при увеличении скорости также существенно. Увеличение сопротивления резанию в результате повышения скорости обусловлено, по мнению автора, увеличением скорости распространения в грунте деформаций.

Общее сопротивление резанию для испытываемого грунта при увеличении скорости возрастает, между тем сопротивление деформации пласта снижается.

Выводы Н.Д. Устинкина:

1. Увеличение сопротивления резанию грунта при увеличении скорости резания является результатом преодоления сил инерции срезаемого пласта и сил, затрачиваемых на деформацию грунта.

2. Касательная (к плоскости резания), составляющая сопротивления от силы инерции, пропорциональна квадрату скорости резания. Большое влияние на эту составляющую оказывает также коэффициент внешнего трения.

3. Сопротивление на деформацию грунта по лобовой поверхности ножа пропорционально скорости резания, а на деформацию грунта по боковым граням ножа (боковые расширения прорези) квадрату скорости. При увеличении скорости увеличиваются работа деформации предразрушения и работа диспергирования грунта. С увеличением скорости распространения в грунте деформаций сопротивление деформации снижается.

Исследования Н.Д. Устинкина, безусловно, позитивны в попытке оценить влияние свойств и состояния грунта на изменение сопротивления резанию при увеличении скорости и учесть раздельное влияние различных по физической природе факторов, однако эта попытка не доведена до конца. Все эти явления скрыты за опытными коэффициентами, и поэтому результаты исследования имеют весьма ограниченное применение, к тому же рассматривалось только горизонтальное резание грунта.

Г.И. Клиопа, исследуя влияние скорости на сопротивление горизонтальному резанию периметром тяжелого суглинка на глубину 10 см, с углами резания 40 и 55 с варьированием скорости от 0,5 до 8 м/с, так описывает процесс резания.

При скорости 0,5... 1 м/с сползающий с ножа пласт грунта образовывал консоль, обламывающуюся при достижении определенного вылета. При движении ножа дальше обламывался следующий кусок пласта, и так образовывалась гребенка из срезанного грунта. По бокам периметра в зоне 5-8 см вбок от вертикальных стенок грунт приподнимался и трескался.

Увеличение скорости резания сопровождалось уменьшением подъёма грунта по бокам и сужением зоны, в которой он испытывает подъём. Трещины исчезали. При скорости 6... 8 м/с периметр окружался как бы «кипящим» грунтом. Подъём грунта по бокам становился почти незаметным, а сходящая с ножа стружка сразу разламывалась на куски.

При резании грунта вертикальным ножом на скорости 0,7...1 м/с по бокам образовывались раковины, а вырезаемый грунт в виде валиков располагался вдоль среза. При скорости 7 м/с раковины исчезали, и позади ножа образовывался «фонтан» из грунта, который ровным слоем укладывался вдоль линий среза. Срез приобретал правильную форму с несколько стянутыми кромками. Режущий нож смещал грунт по направлению своего движения, причем с увеличением скорости это смещение прогрессивно возрастало (рис.

1.6).

Большему углу резания соответствовало более резкое увеличение смещения. Пластическая деформация срезаемого грунта на всех скоростях резания сопровождается разрыхлением, причем большему углу резания сопутствует большее разрыхление. Резание грунта происходит в условиях больших нормальных давлений.

= = Рис. 1.6. Характер изменения величины смещения грунта от скорости резания При = 40 увеличение скорости резания периметром тяжелого пылеватого суглинка с 0,59 до 2,8 м/с сопровождается увеличением усилия резания на 10 %, а увеличение скорости резания суглинка с 1 до 8 м/с на 33 %. Вырезанный при этом грунт перемещается по ножу не под углом резания 40, а под углом 10. При больших скоростях резания речь идет не о подъёме грунта по ножу под определенным углом на данную высоту, а о его метании под данным углом к горизонту.

Из результатов исследований установлено, что коэффициент внешнего трения о в диапазоне исследованных скоростей уменьшается с увеличением скорости резания. Г.И. Клиопа отмечает, что грунты, несмотря на их трехфазовую структуру, в пределах исследуемых скоростей подчиняются такому же закону, как и металлы закону локализации зоны пластической деформации с увеличением скорости резания. Уменьшение деформирования грунта с увеличением скорости резания говорит о необязательной связи между повышением скорости и увеличением усилия на преодоление инерции вырезаемого грунта. Окончательно вопрос о затрате усилий на преодоление инерции грунта при резании на различных скоростях можно будет решать после того, замечает исследователь, как удастся установить границы зоны пластической деформации грунта.

Повышение скорости резания сопровождается увеличением усилия резания. Характер этого увеличения у рабочих органов с различными параметрами различен. Резание суглинка периметром при угле резания 55 и при уличении скорости с 1 до 7 м/с сопровождается ростом усилия на 78 %. Увеличение скорости резания суглинка вертикальным ножом в этом диапазоне скоростей сопровождается ростом на 40 %.

Выводы Г.И. Клиопы:

1. С увеличением скорости резания уменьшается коэффициент линейной усадки стружки грунта.

2. С увеличением скорости резания увеличивается смещение вырезанного грунта.

3. Количественный рост скорости резания приводит к качественным изменениям процесса резания резкому уменьшению зоны пластической деформации.

4. Изменение параметров рабочего органа сильно сказывается на усилии резания.

Работа Г.И. Клиопы является наиболее полной, но и в ней не содержится ответа на вопрос о выборе рациональных скоростей резания грунтов землеройными машинами, нет теоретического обоснования наблюдаемых явлений;

рассмотрено только горизонтальное резание. Однако можно согласиться с автором в том, что увеличение силы резания при увеличении скорости происходит по ряду причин:

а) деформирование грунта;

б) смещение вырезаемого слоя грунта;

в) изменение угла и коэффициента внешнего трения.

Справедливо также и то, что параметры рабочих органов определенным образом сказываются на характере зависимости силы резания от скорости резания грунта.

Сравнительные исследования характера влияния скорости резания на усилие и мощность, затрачиваемые в процессе резания грунта выполнены В.Е. Касьяновым. Он сравнил процессы резания грунта зубом роторного экскаватора (резца) и зубом рыхлителя.

Эксперименты проводились при углах резания равных 45 и 70, скорости резания изменялись в пределах от 0,25 до 12 м/с для зуба роторного траншейного экскаватора и от 0,25 до 8 м/с для зуба рыхлителя.

Получены экспериментальные зависимости силы резания Р р и затрачиваемой мощности N от скорости резания (рис. 1.7).

Из графиков видно, что для зуба роторного траншейного экскаватора, работающего в условиях, достаточно близких к вертикальному резанию, увеличение скорости в диапазоне от 0,25 до 4 м/с приводит к резкому уменьшению усилия резания, а при дальнейшем росте скорости падение усилия замедляется. Расход же мощности с увеличением скорости резания растёт. B.E. Касьянов пришёл к выводу, что при увеличении скорости резания может иметь место как возрастание, так и снижение усилий резания всё зависит от условий процесса.

Рр Рр N N Р р 450 Р р 70 N N 70 Р р N 45 Р 70 N р р р а) б) Рис. 1.7. Зависимости силы резания и мощности от скорости резания:

а для однозубого рыхлителя;

б для зуба роторного траншейного экскаватора Следует отметить, что вопросы изменения пространственного разрушения грунта, деформации грунта, а также вопросы изменения процессов взаимодействия резца с грунтом при увеличении скорости не раскрывались. Хотя в работе и отмечается влияние некоторых параметров состояния грунта на усилие резания.


Вопросы влияния скорости резания на характер пространственного разрушения грунта при вертикальном резании глубоко исследованы в работах, проведенных под руководством В.Г. Белокрылова. Экспериментальные исследования, проведённые на стенде СибАДИ, показали:

1. Разработка грунтов вертикальным резанием (сколом) может являться одним из перспективных направлений в области землеройных машин.

2. При увеличении скорости резания от 1 до 6 м/с пространственность процесса вертикального резания в глинистом грунте уменьшается за счет увеличения угла развала прорези и уменьшения глубины расширяющейся части прорези.

Дальнейшая работа по исследованию влияния скорости на процесс вертикального резания грунта, как считают исследователи, должна быть направлена на расширение диапазона скоростей с исследованием их влияния не только на пространственность процесса, но и на возникающие при этом сопротивления и энергоемкость разрушения грунта при вертикальном резании.

Влияние скорости движения бульдозера на величину интенсивности возрастания сопротивления копанию грунта исследовал А.М. Холодов. Результаты теоретических исследований и экспериментальные данные, полученные для различных грунтов полигона ХАДИ, показали уменьшение интенсивности возрастания сопротивления копанию отвалом от агрегатной скорости бульдозера.

Кроме рассмотренных авторов, вопросы влияния скорости на процесс разрушения грунта рассматривали в своих работах В.И. Баловнев [18], Н.Г. Домбровский [8587], а также ряд зарубежных учёных.

Таким образом, вопросы, связанные с учетом влияния скорости, динамических и кинематических параметров на процессы взаимодействия со средой рабочих органов ДСМ, всегда, вследствие своей важности, были в поле зрения исследователей. Тем большую актуальность они приобретают в данное время, когда всё острее встаёт проблема эффективности применения машин.

1.3. Проблемы разработки мёрзлых и прочных грунтов Возможность круглогодичного производства работ не только увеличивает производительность существующего парка машин и сокращает их простои, но и способствует сокращению сроков ввода объектов в эксплуатацию, ликвидирует сезонность в различных отраслях строительства, улучшает экономические показатели производственных объектов, уменьшает текучесть кадров.

Отдельные виды работ (срезка кустарника, культуротехнические работы, прокладка каналов на неосушенных территориях и другие) обычно выполняются только в зимний период, так как в другое время года недостаточная несущая способность грунтов снижает эффективность работы машин.

Существующие методы разработки мерзлых и прочных и подготовки к разработке грунтов в зимний период используются в зависимости от вида сооружения, природно-климатических условий и экономической обоснованности строительства объекта зимой [17, 22, 211].

Основными методами являются [132, 169, 203]:

1) предохранение грунтов от промерзания или уменьшение глу бины промерзания сезонно-мёрзлых грунтов (сохранение энергети ческого и структурного состояния грунта);

2) тепловое оттаивание мёрзлых грунтов (без механического нарушения структуры);

3) механическое нарушение структурного состояния рыхлением или без нарушения его сплошности.

Указанные методы могут быть сгруппированы по видам энергии, используемой для нарушения или предотвращения появления цементационных связей: механическая, лучевая, магнитная и другие, либо комбинированные: термомеханическая, электромеханическая и другие.

Предохранение грунтов от промерзания. Предохранение грунтов, подлежащих разработке в зимний период, от промерзания может выполняться следующими способами [132]:

- предварительной механической обработкой поверхности грунтов;

- покрытием поверхности теплоизоляционными материалами;

- глубоким рыхлением грунта;

- специальными мероприятиями.

Тепловое оттаивание мёрзлых грунтов. Большинство мёрзлых грунтов снижают свою прочность до значений, соответствующих талым грунтам, при повышении температуры до 00С. Значительная энергоёмкость и стоимость данного метода делает возможным его применение только в исключительных случаях:

- при ограниченных объёмах работ;

- при производстве аварийных и ремонтных работ;

- при невозможности использования буровзрывного способа или механических средств рыхления из-за стеснённых условий, близкого расположения зданий, наличия подземных коммуникаций и др.

Механизированная разработка мёрзлых грунтов.

Механизированная разработка мёрзлых грунтов относится к методу механического нарушения структурного состояния грунта, отличительной особенностью которой является законченность технологического процесса, выполняемого, как правило, одной машиной – разрушение и экскавация осуществляется одним рабочим органом.

Непосредственная разработка мёрзлых грунтов землеройными машинами может осуществляться только при условии что их рабочие органы способны сконцентрировать и реализовать высокие удельные нагрузки, достаточные для разрушения мёрзлого грунта.

Для этого применяют:

- баровые, дискофрезерные и бурильные машины (резание тонкими стружками);

- роторные и цепные траншейные экскаваторы (резание крупным сколом);

- одноковшовые экскаваторы с ковшом активного действия;

- средства гидромеханизации с высоконапорными струями (гидромониторы).

Существенными недостатками машин этой группы являются:

высокая энергоёмкость процесса сплошного резания и повышенный абразивный износ рабочих органов.

Рыхление мёрзлых грунтов. Нарушение цементационных связей мёрзлого грунта путём его рыхления, нарушение структурного состояния получило наибольшее распространение, так как позволяет использовать для последующей экскавации мёрзлого грунта обычные землеройные и землеройно транспортные машины.

Рыхление мёрзлых грунтов является подготовительной операцией и может осуществляться:

- с нарушением сплошности;

- без нарушения сплошности.

Достаточно эффективным, но достаточно трудоёмким является буровзрывной способ рыхления мёрзлого грунта.

Факторами, сдерживающими широкое распространение буровзрывного способа рыхления мёрзлого грунта, являются:

сейсмический эффект, отсутствие надёжных способов управления разлётом кусков и значительный вынос минерализованного грунта на поверхность близлежащих участков.

Основным способом разрушения мёрзлого и прочного грунтов является механическое рыхление.

В производственных условиях для предварительной разработки грунтов широко применяют машины ударного действия, работающие по принципу падающего рабочего органа или с забиваемым рабочим органом.

Машины со свободно падающим рабочим органом осуществляют объёмное разрушение грунта с образованием повышенной трещиноватости массива, достаточной для последующей экскавации грунта. Машины с забиваемым рабочим органом и с падающим, перемещаемым по направляющим, осуществляют рыхление грунта крупным сколом. Благодаря перемещению рабочего органа по образующейся лидирующей трещине разрушение грунта крупным сколом существенно эффективнее объёмного разрушения [132, 212].

При ограниченных объёмах земляных работ разрыхляют грунт механизированным инструментом (отбойные молотки, термобуры, взрывной инструмент и др.) либо применяют высокомобильные малогабаритные рабочие органы на пневмоколёсных тракторах (винтовой мерзлоторыхлитель, подпружиненный клин-молот, машины ударного действия и др.).

Для послойного рыхления мёрзлых и прочных грунтов применяют навесные рыхлители статического и динамического действия, землеройно-фрезерные машины, вибровальцовые рыхлители. Наибольшей производительностью обладают серийно выпускаемые навесные рыхлители, особенно при работах линейного характера при глубине промерзания мерзлого грунта 0,61,0 м.

Организации используют многообразные способы разработки мёрзлых и прочных грунтов, ориентируясь преимущественно на имеющиеся в наличии определённые машины и приспособления, нередко не учитывая эффективности тех или иных способов и физико-механические свойства грунтов.

В каждом отдельном случае наиболее экономичный вариант производства земляных работ можно определить калькуляцией по нескольким способам, приемлемым в заданных конкретных условиях, и сопоставить их.

Однако из практики выполнения этих работ известны способы применения, в которых вышеописанные способы оказываются наиболее целесообразными. Учёт этих данных если и не исключает необходимости в экономическом сравнении вариантов, то значительно облегчает его, ограничивая число сопоставляемых решений.

В табл. 1.2 приведён примерный перечень основных методов разработки мёрзлых грунтов, наиболее целесообразных в зависимости от географического положения объекта (температурной зоны) и вида разрабатываемой выемки [132].

Приведённый перечень может служить только для первоначальной ориентировки, и выбор способа разработки должен уточняться в зависимости от индивидуальных особенностей выемки, подлежащей разработке, и фактической глубины промерзания грунта.

Выбор конкретного оборудования для того или иного способа разработки решается, как правило, в зависимости от наличия парка машин и энергетических ресурсов.

Таблица 1. Оптимальные способы разработки мёрзлых грунтов Темпера Котлованы Траншеи Планировочные выемки турная зона Отнесение времени производства земляных работ на период талого состояния грунта ввиду малой продолжительности периода 1,2 мёрзлого состояния.

Предохранение грунта от промерзания его пропашкой и боронованием Предохранение грунта от промерзания пропашкой, боронованием и снегозадержанием Оттаивание с последующей Рыхление статическими разработкой в талом состоянии. тракторными Нарезка щелей баровой рыхлителями 3 машиной с последующей разработкой экскаватором Рыхление Разработка ударными роторным мерзлоторыхли- экскаватором без телями подготовки Нарезка щелей баровой Отнесение времени машиной с последующей разработкой разработки на период экскаватором талого состояния 4,5 Рыхление Разработка Рыхление тракторными ударным мерзло- роторным статическими экскаватором без рыхлителями торыхлителем.


подготовки Сплошное выбуривание Рыхление Способ послойного оттаивания 6 и район ударным "вне зон" мерзлоторыхлите лем Сплошное Разработка выбуривание. роторным Рыхление экскаватором без отбойными подготовки молотками Анализ выполняемых работ в зимний период в предыдущие годы показывает, что преимущественно использовалось [15, 18, 47, 179]:

-рыхление с помощью свободно падающих клин- и шар-молотов к экскаваторам с ковшом 0,65 м3……………………………………..30-40 % -рыхление взрывом………………………………...30-35 % -рыхление тракторными рыхлителями…………...17 % -резание грунта……………………………………..3-5 % -тепловое оттаивание и предохранение от промерзания…………………………………….1,0-2,0 % -разработка механизированным инструментом…..0,5-1,0 % Таким образом, наибольшее распространение имели рыхлители мёрзлого грунта со свободно падающими грузами. Эти машины обладают широкой универсальностью рабочих органов и возможностью их применения, независимо от объёмов и конструктивных решений земляных сооружений при различной глубине промерзания, механической прочности и абразивности мёрзлых грунтов. В то же время указанные машины имеют малую производительность, повышенный износ узлов и деталей и далеко не лучшие технико-экономические показатели: энергоёмкость процесса разработки грунта машинами со свободно падающими рабочими органами составляет 9 - 15 кВтч/ м3, трудоёмкость – 0,1-0,2 челч/ м3.

Наименее трудоёмким (0,02 - 0,04 челч/м3) и имеющим малую энергоёмкость (0,8 – 1,2 кВтч/ м3) среди методов рыхления мёрзлых грунтов является метод разработки грунта с помощью навесных рыхлителей.

К концу 80-ых годов ситуация с распределением работ по разработке мёрзлых грунтов несколько изменилась. Из данных [13, 25, 48, 169] следует:

-рыхление:…………………………………………..50-70% • статическое…………………………………...70% • динамическое…………………………………30% -рыхление взрывом…………………………………35% -рыхление баровыми и дискофрезерными машинами…………………………………………..5% -предохранение грунтов от промерзания………...1-1,5% -предварительное оттаивание……………………..1% Сравнительный стоимостной анализ методов разработки мёрзлых грунтов показывает, что стоимость предохранения грунтов от промерзания в среднем в 2-3 раза выше стоимости разработки грунтов рыхлителями. Для теплового оттаивания это значение достигает 3…4. Стоимость рыхления мёрзлых грунтов статическими рыхлителями примерно в 2 раза меньше стоимости взрывчатки при буровзрывных работах. Стоимость динамической разработки грунтов выше стоимости разработки рыхлителями в 2-3 раза.

Разработка мёрзлых грунтов статическими рыхлителями существенным образом зависит от состояния рабочих органов. Как показывают исследования, эффективность рыхления резко падает из за затупления наконечников зубьев рыхлителей в результате абразивного износа. Особенно ярко этот фактор проявляется в северных районах Западно-Сибирской низменности. В некоторых случаях коронки изнашиваются до предельных значений за 2-4 смены эксплуатации. Снижение скорости изнашивания наконечников позволит значительно повысить производительность статических рыхлителей и эффективность их работы.

Рыхлители применяют как навесные агрегаты на тракторах, так и как сменные рабочие органы к рабочему оборудованию одноковшовых экскаваторов. Рыхление производится одним или несколькими зубьями, установленными на корпусах-кронштейнах.

Наконечники зуба имеют, как правило, симметричную конструкцию, обеспечивающую возможность их поворота при изнашивании [129, 296].

Рис. 1.8. Схема сил, действующих на зуб рыхлителя Во время работы на зуб действуют различные силы (рис. 1.8):

вертикальная составляющая веса машины РВ = 0,4G (G – вес машины);

сила трения f P (f – коэффициент трения стали о грунт, Р – реакция грунта);

горизонтальная составляющая тягового усилия РГ = 0,8 N (N – тяговое усилие). Скорости изнашивания зубьев рыхлителей, зависящие от многих факторов, как показали наблюдения, колеблются от 200 до 1000 мкм/ч.

Осмотр 100 коронок различных конструкций позволил установить следующее: коронки зубьев рыхлителей подвергаются абразивному изнашиванию частицами грунта;

на поверхностях граней коронок, применявшихся для разработки скальных грунтов, отчётливо видны глубокие царапины, канавки, отдельные вмятины и вырывы со следами пластически деформированного металла по краям. При рыхлении мелкодисперсных грунтов изнашивание происходит более равномерно;

на коронках нет глубоких царапин, вмятин, изнашивание имеет характер истирания. В процессе работы изменяются основные параметры коронки: её рабочая длина, угол заострения, площадка износа. Изнашиваются все грани коронки, наибольший износ наблюдается в зоне режущей кромки, он уменьшается по мере удаления от этой кромки [263].

Нагрузка, действующая на зуб рыхлителя при работе, носит изменяющийся характер. Характер нагружения зуба зависит от особенностей грунтов. Чем больше сопротивление грунта разработке, тем больше нагрузка, частота её изменения и скорость изнашивания.

Авторы [38, 263, 269] отмечают следующие факторы, влияющие на скорость изнашивания:

1. Механические свойства разрабатываемого грунта. Испытания проводились на строительных объектах Сибири при температуре воздуха (40)…(-50)° С на различных грунтах. Определено, что скорость изнашивания изменяется пропорционально изменению сопротивления грунта разработке.

2. Материал зуба. На скорость изнашивания влияет материал зуба, что А.К. Рейшем [269] учитывается коэффициентом износостойкости Кизн.

Скорость движения зуба. В результате исследований было определено, что с увеличением скорости движения повышается и скорость изнашивания, что в [269] учитывается коэффициентом KV.

4. Угол установки зуба влияет на удельную энергоёмкость процесса рыхления. Возможность изменять угол рыхления позволяет получить наилучшие результаты как при заглублении, так и при установившимся процессе рыхления. Возможность увеличения угла рыхления улучшает условия внедрения наконечника и позволяет разрабатывать грунт в непосредственной близости от сооружений и откосов. Используя минимальный угол рыхления на слабых грунтах, можно по мере изнашивания увеличивать его и повышать срок службы коронки зуба рыхлителя.

5. Характер изменения нагрузки. Установлено, что при рыхлении мёрзлых грунтов нагрузка на зуб носит переменный изменяющийся характер. Изменение нагрузки составляет в среднем 5…8 кН, а частота изменения 4…5 с-1.

Исследования показали, что на скорость изнашивания влияют давление на зуб и частота его изменения. Это учитывается коэффициентами КРо и К ро: при Ро, равном 0;

1;

2;

3 Па, коэффициент КРо соответственно равен 0,6;

0,72;

0,95;

1,05;

при Ро, равном 0;

1;

2;

3 с-1, коэффициент Кро соответственно равен 0,6;

0,98;

1,16;

1,34.

6. Температура окружающей среды. Снижение температуры от +20 до – 10 оС приводит к увеличению скорости изнашивания в 1,7… 1,8 раза, а при снижении температур до – 40° С - в 2…3,5 раза.

Влияние температуры окружающей среды следует учитывать коэффициентом Кt20 = (0,05…0,08) tф, где tф – фактическая температура. Увеличение скорости изнашивания за счёт снижения температуры, на наш взгляд, объясняется увеличением прочности грунта.

В работе [269] автор предлагает использовать следующую формулу для расчёта величины износа коронок зубьев рыхлителей:

A P K Po Kpo f s t p K у K абр / K изн K t 20 KV, (1.14) где А – коэффициент пропорциональности, (МПа) -1;

Р – давление на рабочей поверхности зуба, МПа;

КРо – коэффициент, учитывающий влияние изменения давления;

Кро – коэффициент, учитывающий влияние частоты изменения давления;

f – коэффициент трения;

s – путь трения зуба за 1 моточас;

tp – продолжительность рыхления за 1 моточас;

Ку – коэффициент, учитывающий затупление зуба;

Кабр – коэффициент абразивности грунта;

Кизн – коэффициент износостойкости;

Кt20 – коэффициент, учитывающий температуру окружающей среды;

КV – коэффициент, учитывающий влияние скорости движения.

Использование данной формулы для оценки процесса изнашивания рабочего органа крайне затруднительно, так как разброс данных по коэффициентам приводит к существенно отличающимся друг от друга результатам.

При разработке грунтов землеройными и землеройно транспортными машинами эффективность их работы существенным образом зависит от состояния рабочих органов. Оно определяется величиной затупления последних.

Как показывают опыт эксплуатации машин и многочисленные исследования, затупление рабочих органов машин приводит к значительному росту сопротивления резанию грунта, увеличению энергоемкости процесса и снижению ресурса машины.

Механизм протекания процесса затупления рассмотрен в работе [131].

Например, в [262] автор подробным образом рассматривает образование площадки износа и угла затупления рыхлителей. Срок службы коронок автор ограничивает 25%-ным их укорачиванием.

Автор указывает на то, что отличительной особенностью формы коронок, разрабатывающих мёрзлые и вечномерзлые грунты, является формирование наклонной и горизонтальной площадки затупления, имеющих длину a и b (рис. 1.9).

Рис. 1.9. Изменение формы наконечников зубьев рыхлителей, разрабатывающих мёрзлый грунт Через 1,5 - 2 часа рыхления коронка приобретет форму, которую сохраняет практически неизменной до полного износа.

Эта форма характеризуется, наряду с а и b, радиусами затупления (сбоку – R2, сверху – R1). В момент образования устойчивой формы коронки а = b = 10-12 мм, R1 = 35-45 мм. В процессе дальнейшего рыхления b и R1 остаются неизменными, наклонная площадка длиной а образует с горизонталью угол з. С укорочением коронки увеличивается длина наклонной площадки затупления а и уменьшается R2. Далее коронка сужается и более интенсивен износ ее передней и боковых поверхностей.

Наблюдения за изнашиванием коронок показали, что в момент, предшествующий рыхлению грунта, коронка имеет: R2 = 10-12 мм, а = = 0, b = 0 (для литых или штампованных коронок), а у кованных коронок: R2 = 0, а = 10 мм, з = 5-10°. Процесс износа состоит из трёх фаз [81]:

Приработка (в течение 1,5-2,5 ч.) до момента образования устойчивой формы с параметрами: а = b = R2 = 8-12 мм, з = 5-100, R = = (0,4-0,45)В, где В - ширина коронки.

Рыхление грунта в течении 3-4 ч. Коронка имеет устойчивую форму, но все более укорачивается и заостряется: а = b = 8-12 мм, R2 = = 5-10 мм, з =5-100, R1 = (0,4-0,45)В.

Катастрофический износ с резким увеличением длины наклонной площадки затупления и все более интенсивным укорочением l: R2 = 4-5 мм, l = 50-80 мм, з до 150, b = 10-12 мм, а = 15-20 мм.

Принимая во внимание технический критерий ограничения ресурса коронки, предельную величину износа здесь следовало бы ограничить второй фазой. Однако, условия проведения испытаний по установлению длительности фаз могли быть самыми различными и они существенно повлияли на результаты испытаний. Поэтому длительность вышеприведённых фаз находится под большим сомнением.

Для оценки влияния затупления рабочего органа на эффективность работы рыхлителя А.Н. Зелениным, В.И. Баловневым, И.П. Керовым [131] предложено уравнение, учитывающее его влияние на силу рыхления:

90, (1.15) P 10 C H (1 0,55 s ) где С число ударов ударником ДорНИИ;

H – глубина рыхления, см;

s – ширина рыхления понизу, м;

угол резания, град;

коэффициент, учитывающий степень блокирования;

- коэффициент затупления.

Главной причиной потери работоспособности рабочего органа, приводящей к его затуплению, является абразивное изнашивание. Его следует рассматривать как результат взаимодействия материала рабочего органа с твёрдыми минеральными частицами, закреплёнными в грунте.

На наш взгляд, информация об увеличении силы рыхления или силы резания грунта рабочим органом не даёт полного представления о механизме износа и не позволяет разработать эффективные технологии противодействия этому явлению. Поэтому необходимо достаточно подробно рассмотреть сам процесс абразивного изнашивания рабочих органов.

Причинами выхода из строя рабочих органов землеройных машин могут быть поломка, вызванная потерей прочности, или износ.

Анализ ряда ремонтных предприятий показал, что большая часть рабочих органов выбраковывается вследствие их изнашивания (табл. 1.3) [269].

Таблица 1. Количество вышедших из строя деталей экскаваторов Сборочные Деталь Детали, единицы (элемент) всего вышедшие из строя в результате поломки изнашива (деформации) ния Металлоконструкции Стрела 270 30 Рукоять 270 40 Гусеничные 270 30 рамы - Шарниры рабочего Ось 2700 - оборудования Втулка 2700 - Рабочие органы Зуб 1350 - На строительных машинах основным видом изнашивания рабочих органов является абразивный. Глубокими исследованиями его занимались М.М. Хрущов, М.А. Бабичев [166]. Они сформулировали основы теории, согласно которой механизм абразивного изнашивания может быть представлен как царапание множество твёрдых зёрен, из которых большинство оставляет пластически выдавленный след, а меньшая их часть, с соответственно расположенными гранями, снимает стружку.

И.В. Крагельский отмечает, что абразивное изнашивание происходит в трёх случаях: при микрорезании, пластическом деформировании, упругом контакте [166].

Упругое оттеснение материала характеризуется отсутствием остаточных деформаций. Разрушение в зонах фактического касания и отделение частиц материала происходит лишь после многократного повторения нагружения.

Пластическое оттеснение материала характеризуется появлением остаточной (пластической) деформации. Число циклов нагружения, приводящее к разрушению основы, сравнительно мало (малоцикловая усталость). С увеличением нагрузки на единичную поверхность и соответственно с увеличением внедрения наступает момент, когда пластическое оттеснение сменяется образованием «застойной зоны» перед неровностью, материал как бы прилипает к неровности, что приводит при движении к его отделению – микрорезанию (срез материала). Оно осуществляется при однократном цикле трения (нагружения).

При изнашивании технически чистых металлов и сталей в отожжённом состоянии о закреплённые абразивы между объёмным износом V, путём трения S, нагрузкой Р, начальной твёрдостью Т металла и размером а абразивного зерна установлена зависимость [169]:

C PS a, (1.16) V T где С – коэффициент, зависящий от абразивных свойств истирающей поверхности, условий испытаний и способа крепления образца, см-1.

На основе многочисленных исследований изнашивания установлено, что вид изнашивания и его количественные характеристики определяются [56]:

- факторами, обусловленными внешними механическими воздействиями на поверхности трения;

- факторами внешней среды;

- факторами, связанными со свойствами поверхностных слоёв контактирующих деталей.

Первая группа факторов определяет характер напряжённого состояния в металле поверхностных слоёв и тепловые явления в зоне трения. Вторая группа факторов – среда (жидкая, газообразная и твёрдая) определяет адсорбционные, химические и диффузионные процессы на поверхности трения и в поверхностных слоях, а твёрдая среда может вызвать абразивный вид изнашивания. Факторы третьей группы также существенно влияют на процессы трения и изнашивания, изменяя их качественные и количественные показатели (виды и скорости изнашивания).

Влияние внешних механических воздействий. Основные факторы этой группы: 1. вид трения;

2. значение и характер давления (нагрузки) при трении;

3. скорость относительного перемещения трущихся поверхностей.

Влияние вида трения рассмотрено выше.

При оценке влияния нагрузки следует иметь в виду два основных положения:

- нагрузка может существенно влиять на переход одного, более благоприятного вида изнашивания, в другой, менее благоприятный, и, наоборот, вследствие чего её количественное влияние на изнашивание может носить скачкообразный характер;

- при одном и том же виде изнашивания количественное влияние нагрузки может существенно различаться в зависимости от условий трения и изнашивания (среды, свойств материала поверхностных слоёв трущихся тел и др.).

Интенсивность изнашивания, 0, 0, мг/ м 0, 0 0,7 1,4 2,1 2,8 3,5 4,2 4,9 5, Нагрузка, МПа Рис. 1.10. Зависимость интенсивности изнашивания от удельной нагрузки Первое из этих положений иллюстрируют зависимости, показанные на рис. 1.10. При малых значениях удельной нагрузки её изменение в широких пределах (310 раз) не оказывает заметного влияния на интенсивность изнашивания. Но при достижении критических значений, соответствующих переходу от одного вида изнашивания в другой, интенсивность возрастает или скачкообразно (первые две кривые графика), или достаточно резко (последняя кривая). Второе положение также подтверждается многочисленными опытными данными, указывающими на то, что широко распространённое мнение о существовании простой прямой пропорциональной зависимости интенсивности изнашивания от нагрузки далеко не всегда находит подтверждение в реальных условиях.

Влияние факторов внешней среды. При взаимодействии рабочего органа с грунтом рассматривается контакт рабочего органа с твёрдой средой. Согласно выражению (1.16), интенсивность абразивного изнашивания повышается с увеличением крупности абразивного зерна до определённого критического значения акр, после которого интенсивность изнашивания замедляется. Но данное условие справедливо тогда, когда твёрдость абразивных частиц превышает твёрдость поверхности трения рабочего органа, т.е.

когда эти частицы действительно являются абразивными.

Изнашивание металла практически начинается при абразивных частицах размером 5 мкм, и с увеличением размеров до 100 мкм скорость изнашивания повышается. При дальнейшем увеличении размеров абразивных частиц скорость остаётся постоянной.

Влияние факторов, связанных со свойствами поверхностных слоёв трущихся тел (геометрия поверхности, строение поверхностных слоёв, свойства поверхности и поверхностных слоёв, напряжения в поверхностных слоях), зависит от их физико-механических, теплофизических и химических свойств, а также с изменением их по мере протекания процессов трения и изнашивания.

Макрорельеф в зоне изнашивания при трении скольжения имеет явно выраженные следы рисок, как результата микрорезания или пластического оттеснения металла. Глубина рисок, их форма, протяжённость, частота размещения, наличие вмятин и выкрашивания – все эти характеристики при различных видах абразивного изнашивания зависят от соотношения свойств абразивной частицы и металла.

Протекание абразивного изнашивания находится в прямой связи с твёрдостью поверхностей.

Абразивное изнашивание металлических поверхностей происходит в случае, если твёрдость абразива выше твёрдости металла, по которому этот абразив в виде твёрдых частиц совершает трение скольжения при определённых скорости относительного перемещения и нагрузке на единичную частицу.

Способность частицы внедрятся в поверхность изнашивания на первом этапе взаимодействия обусловливает поражение её путём образования лунок;

на втором – при движении частицы вдоль поверхности трения скольжения – путём микрорезания, пластического деформирования, выкрашивания.

Твёрдость определяет возможность развития второго этапа микрорезания при движении частицы по поверхности.



Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 8 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.