Исследования величины угла сдвига

Угол сдвига является одним из важнейших факторов, характеризующих силовое взаимодействие ножа с грунтом и формирующих величину перемещаемого грунтового потока. По сути дела определение угла сдвига является ключевым моментом при создании методики расчета сопротивлений резанию и копанию грунта.

Экспериментальное определение угла сдвига при копании связано со значительными трудностями, прежде всего из-за того, что процесс разрушения грунта, как правило, скрыт от глаз исследователя призмой волочения. Однако такие исследования проведены применительно к скреперу А.М. Щемелевым. Им получены результаты (рисунок 1.2), показывающие, что по мере заполнения ковша угол сдвига уменьшается, причем наиболее интенсивное уменьшение наблюдается в начальной стадии процесса копания. Физико-механические свойства грунта так же влияют на величину угла сдвига. Так, при одном и том же коэффициенте наполнения с повышением числа ударов С ударника ДорНИИ угол сдвига увеличивается.

Уменьшение угла сдвига при копании отмечается и В.И. Баловневым. Им сказано, что “это позволяет рассматривать подсистему “ковш-грунт” как автоматически настраиваемую на определение возрастающих по мере заполнения ковша грунтом сопротивлений”.

Рисунок 1.3 – Изменение угла сдвига при копании скрепером.

Ряд авторов в своих исследованиях определяют угол сдвига по формуле, полученной И.А. Зворыкиным применительно к процессу резания металлов.

И.Г. Иванищев предлагает определять величину угла сдвига по формуле:

где a - угол резания; m - угол трения грунта о нож.

Эта формула получена при допущении, что поверхность сдвига совпадает с поверхностью наибольших касательных напряжений и пригодна для расчетов на грунтах с жестким скелетом. При выводе этой формулы не рассматривались напряжения, действующие по нормали к поверхности сдвига, что ограничивает ее применение.

В большинстве работ, например, величина угла сдвига определяется по формуле:

Это объясняется тем, что такое значение угла наклона площадок скольжения в зоне разрушения грунта дает классическая теория пассивного давления грунта на подпорные стенки.

Рассмотренные методы аналитического определения угла сдвига имеют существенный недостаток. Угол сдвига, вычисленный по этим формулам, является постоянной величиной для данных условий и не зависит, например, от массы грунта, перемещаемой по рабочему органу, от удельного сцепления грунта и т.д. А это противоречит экспериментальным исследованиям.

В некоторых работах для определения угла сдвига используется условие минимальной энергоемкости процесса резания. Этот метод, хотя и учитывает влияние таких параметров, как угол резания и углы внешнего и внутреннего трения, не выясняет самого механизма разрушения грунта при резании.

К.А. Артемьев отмечает, что сдвиг стружки вызывается в основном не давлением ножа на вырезаемую стружку, а давлением грунта в ковше или комбинированным давлением того и другого. Им разработан графоаналитический способ определения величины угла сдвига. К.А. Артемьев делает вывод, что сопротивление наполнению ковша скрепера может быть заменено сопротивлением стружки сдвигу, если известен расчетный угол сдвига.

В.Г. Белокрылов уточнил механику взаимодействия ножа скрепера с грунтом. Процесс разрушения грунта рассматривался им как процесс периодических сдвигов элементов стружки. Причем малые сдвиги происходят под давлением ножа, а большие – под совместным давлением ножа и грунта или под давлением грунта.

Трудоемкость определения угла сдвига графическим способом ограничивает использование таких методов расчета. Поэтому в ряде работ принимается допущение, что изменение угла сдвига при копании грунта скрепером пропорционально изменению объема грунта в ковше, а начальное и конечное значения угла сдвига определяются по методу К.А. Артемьева.

Из зарубежных исследователей наиболее полное описание процесса резания изложили G. Tyro и G. Vogel.

Авторы рассматривают процесс резания как процесс, состоящий из двух фаз:

- отделение разрабатываемого грунта;

- вытеснение разрабатываемого грунта вдоль ножа или в другом направлении.

Ими отмечается, что для анализа процесса вытеснения грунта требуется знать положение площади сдвига. Однако и в этой работе, как и во всех предыдущих, положение площадки сдвига определяется без учета изменения граничных условий и возможности появления новых зон деформации грунта при перемещении ножа. Хотя в более поздних исследованиях G. Tyro, что отмечено Ю.А. Ветровым, экспериментально установлено, что при надвигании подпорной стенки на грунт появляется область, в которой грунт деформируется и после появления площадки сдвига.

Резание грунта и теория пассивного давления грунта на подпорные стенки имеют много общего. В обоих случаях рассматривается предельное состояние грунта. Поэтому идея использовать зависимости теории механики грунтов для процессов резания и определения положений площадок сдвига появилась уже в конце 20-х годов.

Широкое использование этих зависимостей, стало возможным после создания общей теории расчета предельных состояний грунта В.В. Соколовским. Ему удалось, используя метод вывода уравнений характеристик, предложенный С.А. Христиановичем, создать общий метод расчета предельного состояния грунтов. Этот метод позволяет решать основные задачи для весомой сыпучей среды, когда линии скольжения криволинейны, и решение не имеют простой замкнутой формы.

Графический метод интегрирования уравнений В.В. Соколовского разработал С.С. Голушкевич. Этот метод широко использовался в расчетных схемах К.А. Артемьева и в работах ученых школы СибАДИ.

Расчетные схемы теории пассивного давления грунта на подпорные стенки позволяют получить положение площадки сдвига – огибающей линии скольжения, а, следовательно, и величину угла сдвига применительно к подпорной стенке.

Вместе с тем прямое использование расчетных схем и уравнений давления грунта на подпорные стенки для расчета послойного резания и копания грунта не является достаточно обоснованным. В механике грунтов рассматриваются подпорные стенки при нормальном давлении, действующем на горизонтальную засыпку, взаимодействующие с грунтом ненарушенной структуры, что не соответствует условиям протекания процессов резания и копания грунта. При этом расчет пассивного давления грунта на подпорные стенки заканчивается на стадии начального предельного состояния грунта.

Вопросы возможного дальнейшего разрушения грунта при резании, которое может произойти вследствие изменения граничных условий при вытеснении отделенного от массива элемента стружки, в научно-технической литературе не освещались.