Разрушение грунта при резании

Резание представляет собой периодический сдвиг грунта лобовой поверхностью ножа (рисунок 2.1).

При продвижении ножа из положения I в положение IV происходит ряд малых промежуточных сдвигов, а в положении IV формируется площадка скольжения ОВ нового большого сдвига. Под большим сдвигом понимается такой сдвиг, при котором площадка скольжения выходит на дневную поверхность массива, в противном случае сдвиг считается малым.

Предпосылки для обоснования механизма разрушение грунта, изображенного на рисунке 2.1, вытекают из анализа физической картины разрушения и соответствующих теоретических положений.

Так, экспериментальные исследования, проведенные авторами на установке Ю.А. Ветрова, у которой боковая стенка была выполнена из стекла, позволили наблюдать за процессом формирования площадок сдвига в грунте при лобовом и косом резании и выявить его особенности, подтверждающие теоретические положения.

Анализ накопленного материала, с учетом результатов исследований других авторов, позволил сформулировать основные закономерности разрушения грунта ножом следующим образом.

По мере продвижения ножа из положения I в положение II (рисунок 2.1, б) его нижняя часть B₂R₂ формирует зону A₂R₂B₂. Эта зона при надвигании ножа на массив грунта подвержена значительным деформациям, и структурные связи между частицами грунта в ней могут быть нарушены в некотором объеме и на соответствующей площадке скольжения A₂B₂ уже при ее формировании, задолго до положения ножа II. Такая зона во многих исследованиях описывается как ядро уплотнения.

Вместе с тем разрушение грунта по площадке L’₂A₁A₂B₂ произойдет только после того, как касательные напряжения достигнут предельных значений на всей ее длине. Следовательно, решающим фактором начала первой фазы разрушения грунта является формирование зоны L₂’R₂A₁, находящейся в пассивном напряжённом состоянии, которое будет предельным в момент разрушения.

а)

б)

в)

Рисунок 2.1­Разрушение грунта при резании: а)­ при большом сдвиге (общая схема); б)­ при первом малом сдвиге; в)­ при последующем малом сдвиге.

При этом граничные условия на гранях массива определимы. Так, давление на грань площадки O₁R₂ определяется из условий перемещения призмы грунта, находящейся на ноже. А давление, действующее со стороны ножа на площадку B₂R₂, зависит от величины его продвижения.

Вследствие этого становится возможным использовать положение теории пассивного давления грунта на подпорные стенки для описания начала процесса разрушения грунта при первом малом сдвиге.

После появления площадки скольжения L₂’A₁A₂B₂ давление, действующее на нее, изменится вследствие вытеснения при дальнейшем перемещении ножа отделенной от массива призмы грунта L’₂R₂B₂.

Установлено, что площадка L’₂A₁A₂B₂ имеет наименьшую устойчивость, когда силы трения направлены к ее вершине, а угол отклонения d приведенного давления q, действующего на нее, равен углу внутреннего трения r, что более подробно рассмотрено в разделе 2.2. Условие d=r выполняется только при предельном напряженном состоянии, т.е. непосредственно в момент сдвига. При этом следует иметь ввиду, что наибольшее давление будет испытывать участок L’₂A₁, расположенный под большим углом, а зона разрушения при d=r занимает узкий слой вдоль этой площадки.

Следовательно, непосредственно в момент появления первичной площадки скольжения L’₂A₁A₂B₂ возможно разрушение грунта в узком слое, примыкающем к наиболее нагруженному ее участку L’₂A₁. Этот процесс непрерывно возобновляется в некотором объеме, примыкающем к наиболее крутым, и поэтому испытывающим наибольшее давление участкам линии скольжения. Разрушение грунта напоминает как бы его “течение“, продолжающееся до формирования устойчивой площадки сдвига L₂B₂.

Таким образом, переходной процесс последовательного разрушения грунта после формирования первоначальной площадки скольжения L’₂A₁A₂B₂, будет продолжаться до тех пор, пока сдвиг не произойдет под углом ₁, обеспечивающем устойчивость массива грунта от дальнейшего разрушения. При этом будет наблюдаться значительное спрямление площадки скольжения за счет перераспределения давлений при разной крутизне ее участков. Следовательно, вновь сформированную площадку скольжения L₂B₂ можно считать прямолинейной.

При дальнейшем продвижении ножа снова происходит малый сдвиг (положение ножа III на рисунке 2.1, в). Такой случай является основным и встречается наиболее часто, при этом его описание значительно сложнее, так как необходимо рассматривать массив O₁L₂CB₃, состоящей из трех граней. Непосредственно в момент первичного сдвига грунта по площадке L’₃AC₁C₂B₃ снова наступает процесс ”течения“ грунта, заканчивающийся образованием устойчивой площадки сдвига L ₃B₃, расположенной под углом y₂. При этом необходимо учесть, что зона “течения” может проходить как через область грунта с нарушенной структурой (отрезок C₁B₃), так и непосредственно в массиве грунта с ненарушенной структурой (отрезок L₃C₁).

Особенностью разрушения грунта при промежуточном сдвиге является и то, что в первичной области разрушения L’₃L₂CB₃C₂C₁A возможно существование зон с непредельным напряженным состоянием грунта.

Такие явления наблюдались рядом исследователей и могут быть объяснены следующим.

Точка L₂ разделяет два откоса O₁L₂ и L₂C разными граничными условиями на их поверхностях. Если рассматривать эти откосы по отдельности, то, в общем, откос L₂C выдерживает большее давление, чем откос O₁L₂, так как имеет больший угол y₁ наклона его поверхности. Поэтому в случае, когда возможная огибающая линий скольжения L’₃AC₁C₂B₃ выходила бы на поверхность откоса L₂C, со стороны ножа B₃C должно действовать большее разрушающее давление, чем в случае, когда эта огибающая выходит на поверхность откоса O₁L₂, менее устойчивую. Следовательно, возникновение малого сдвига наиболее вероятно сразу после выхода огибающей линии скольжения L’₃AC₁C₂B₃ на поверхность откоса O₁L₂ слева от точки стыка L₂.

В итоге структурные связи будут нарушены в зоне C₂CB₃, примыкающей к ножу, и зоне L’₃L₂A, примыкающей к откосу O₁L₂, и в узком слое вдоль огибающей линии скольжения на площадке AC₁C₂. Большинство объема зоны AL₂ CC₁, примыкающей к грани L₂ C, будет находиться в непредельном состоянии.

Рассмотрим разрушение грунта при положении ножа IY, когда формируется новый большой сдвиг (рисунок 2.1, а).

Для того чтобы проверить возможность первичного сдвига, необходимо рассматривать все варианты разрушения грунта, которое может произойти вследствие:

- давления грунта по двум площадкам O₁L₃ и L₃N при удерживающей поверхности ОО₁;

- давления грунта по площадке L₃N при ломаной удерживающей поверхности, состоящей из двух граней ОО₁ и О₁L₃;

- совместного давления грунта по площадке L₃N и ножа по площадке NB при удерживающей поверхности О₁L₃;

- давления ножа по площадке NB при ломаной удерживающей поверхности, состоящей из двух О₁L₃ и L₃N или трех ОО₁, О₁L₃ и L₃N граней;

- совместного давления грунта по площадке L₃N и ножа по площадке NB при ломаной удерживающей поверхности, состоящей из двух граней ОО₁ и О₁L₃.

Непосредственно в момент первичного сдвига грунта по площадке скольжения LMB снова наступает процесс «течения» грунта до появления устойчивой площадки ОВ нового большого сдвига, расположенной под углом ψ к горизонту.

Таким образом, процесс разрушения грунта состоит из двух фаз:

- разрушения массива ненарушенной структуры при внедрении ножа;

- вытеснения отделенной призмы грунта вдоль поверхности ножа, при котором изменяются граничные условия на образовавшейся площадке сдвига, вследствие чего может произойти ее переформирование.

Необходимо отметить, что вторая фаза разрушения может начаться при незаконченной первой фазе, т.е., две фазы разрушения грунта могут протекать одновременно. Это будет зависеть в основном от типа грунта и его свойств.

Подобные явления экспериментально наблюдались Г. Тыро и К. Тыльманом и докладывались на XI международной конференции по механизации земляных и строительных горных работ, состоявшейся в 1982 г. в Будапеште, а выводы о необходимости учета двух расчетных фаз при резании грунта были сформулированы уже в работе.

Аналогичные результаты получены авторами на установке Ю.А. Ветрова (рисунок 2.2.). На рисунке зафиксирован переход от первой фазы разрушения грунта ко второй, заканчивающейся формированием новой площадки большого сдвига. Первичная площадка скольжения 1 выходит на площадку скольжения 2 предыдущего большого сдвига, и при последующем незначительном перемещении ножа сразу же наступает вторая фаза разрушения, при которой образуется площадка скольжения 3 нового большого сдвига.

Следует иметь в виду, что оценить взаимодействие рабочего оборудования с перемещаемым по нему отделенным от массива потоком грунта можно на основе анализа процесса при большом сдвиге, не рассматривая малых сдвигов. Ведь именно при большом сдвиге формируются размеры грунтового потока, а, следовательно, и все основные факторы, характеризующие это взаимодействие.

Таким образом, в зависимости от поставленной цели, необходимо рассматривать расчетные задачи двух типов:

- для оптимизации параметров рабочего оборудования и исследования его взаимодействия с грунтом достаточно рассмотреть разрушение грунта при большом сдвиге;

- для оценки металлоконструкции рабочего оборудования по параметрам надежности и долговечности и исследования амплитудно-частотной характеристики нагрузок, действующих на него, необходимо рассматривать последовательное разрушение грунта при больших и малых сдвигах.

Рисунок 2.2­Формирование площадок скольжения: 1,2,3­ площадки скольжения

o 3 Рабочий процесс резания

o для машин с плоским рабочим органом

o Лобовое резание

o

Расчетная схема лобового резания грунта изображена на рисунке 3.1. Введем некоторые ограничения, принятые при разработке теоретических положений:

- рассматривается процесс резания с элементной или ступенчатой стружкой, т. е. при разрушении грунта за счет сдвига;

- рассматривается установившийся процесс резания, при котором объем призмы грунта ОВКD, находящейся на ноже, и толщина срезаемой стружки будут постоянными;

- влияние затупления режущей кромки не учитывается;

- рассматривается резание при малой скорости, при которой ее влиянием можно пренебречь;

- принимается, что после сдвига грунта по какой-то площадке, на ней действует остаточное удельное сцепление с_о, равное

с_о=k_сs_n ,

где s_n – нормальное давление на площадку сдвига; k_c – экспериментальный коэффициент пропорциональности.

На необходимость учета остаточного сцепления указывается многими авторами, например. Что касается скорости резания, то рядом авторов отмечено некоторое увеличение сопротивления резанию при увеличении скорости. Однако при низких скоростях (до 1,25 м/с по /116/, до 2 м/с по /26, 50/) ее влияние не существенно и его можно не учитывать. В этом случае, при высоких концентрациях и низких скоростях сдвига частицы грунта находятся в тесном контакте, напряжения не зависят от скорости, и имеет место механизм возникновения напряжений за счет сухого кулоновского трения. При больших скоростях механизм разрушения грунта будет иным, что требует иных методов исследований.

Рисунок 3.1­Схема процесса резания: а)­ расчетная схема при большом сдвиге; б)­ схема сил, действующих на площадку сдвига.

Исходными геометрическими данными, характеризующими нож и условия его работы, будут являться угол резания a, длина ножа l_BK, толщина стружки h, ширина ножа B, угол большого сдвига ψ (на данном этапе неизвестный).

Будем считать так же известными с учетом отмеченного выше коэффициента пропорциональности k_c следующие физико-механические свойства грунта:

- угол внутреннего трения ρ;

- угол внешнего трения ω;

- удельное сцепление грунта ненарушенной структуры с и нарушенной структуры с_р;

- плотность грунта в призме, перемещаемой по поверхности ножа r^r;

- коэффициент бокового давления ξ.