МЕХАНИЧЕСКОЕ РАЗРУШЕНИЕ ГРУНТОВ ПРИ ГИДРОМЕХАНИЗАЦИИ
Один из основных видов разработки грунта методами гидромеханизации — разработка грунта в условиях подводного забоя.
Подводные забои, как правило, разрабатывают землесосными снарядами. Гидромониторная разработка в таких условиях оказывается нецелесообразной и неэффективной. Гидравлические струи применяют для разрушения грунта под водой только как вспомогательные средства при землесосной разработке, если используются всасывающие наконечники с гидравлическим рыхлением грунта (см. рис. 35). В этом случае струи рыхлят грунт и подгоняют его к устью всасывающей трубы.
Как уже указывалось выше, водная среда значительно снижает динамический эффект гидравлических струй. При разработке затопленных водой грунтов землесосными снарядами характерными являются следующие обстоятельства (исследования С. П. Огородникова) :
грунт в определенной степени насыщен водой, и по этой причине связи между частицами грунта ослаблены;
при подводной разработке орудие разрушения (фреза) окружено водой, т. е. более плотной средой, чем воздух при надводной разработке сухого грунта. По этой причине при движении орудия под водой возникают значительные силы гидродинамического сопротивления, на преодоление которых требуется затрата дополнительной энергии. Поэтому при малой скорости перемещения или вращения разрушающего грунт орудия благоприятный эффект снижения связности превалирует, затем при увеличении скорости положительный и отрицательный эффекты оказываются сопоставимыми, а при дальнейшем увеличении скорости гидродинамические потери начинают доминировать и подводная разработка грунта может оказаться экономически неэффективной по сравнению с разработкой грунта при открытом забое (незатопленном) о Что касается самого механизма резания сухого или насыщенного влагой грунта, то процесс по своей физической сущности остается тем же и математическое описание этого процесса, безусловно, общее, разница только в физических константах, характеризующих грунт и учитываемых при описании процесса разрушения, и в том, что орудие разрушения (резания) будет иметь некоторые конструктивные отличия.
Под усилием резания при подводной разработке грунта понимается усилие, создаваемое на режущем орудии для преодоления силы трения и сопротивления грунта деформации.
Таким образом, усилие резания по величине определяется физическими свойствами грунта, формой и размерами режущего элемента. Под усилием фрезерования при подводной разработке грунта понимают совокупность усилий резания грунта и гидродинамического сопротивления водной среды, в которой действует фреза. Сюда же добавляется усилие, необходимое для отвала грунта кожами фрезы. Следовательно, усилие фрезерования зависит от свойств разрабатываемого грунта и окружающей фрезу среды.
В приведенном определении имеется в виду усилие, создаваемое всем режущим орудием. Более конкретным является представление об удельном усилии резания (что адекватно удельному сопротивлению резанию), под которым следует понимать усилие, приходящееся на единицу площади срезаемого пласта грунта (поверхности среза).
Определение удельного сопротивления резанию. Величина удельного сопротивления резанию может быть определена по формуле
Большинство землеройных машин (экскаваторы, скреперы, бульдозеры) работают по принципу лобового резания, при котором режущая кромка располагается перпендикулярно (или под некоторым углом) поступательному движению режущего рабочего органа.
Резание грунта ножами вращающейся и перемещающейся поступательно при папиль- онировании землесосного снаряда фрезы является более сложным.
Основным профилем режущего органа является клин. Если буквой N обозначить нормальное давление на переднюю грань клина, а Етр — силу трения, возникающую на этой грани, то можем получить выражение для тангенциальной и нормальной составляющих
Под усилием резания в практике обычно принимают тангенциальную составляющую Р от силы давления, воспринимаемой верхней (передней) гранью клина.
Следует заметить, что острый клин остается острым в течение сравнительно недолгого времени его работы. Острие затупляется и принимает криволинейную форму, близкую к окружности (рис. 40, а) или параболе (рис. 40, б).
Величина усилия резания для клина с затупленной режущей кромкой будет равна: тангенциальная составляющая
Сила нормального давления на передней грани клина зависит от ширины резания 6 толщины снимаемой стружки А, удьного сопротивления грунта сдвигу и от угла на клона площадки скалывания окружная скорость вращения фрезы, м/мин; z—число ножей фрезы; t—координатный угол, под которым определяется (переменная) толщина стружки.
Величина t берется в пределах угла охвата фрезы грунтом, и именно для этого значения t по формуле (76) будет найдена толщина стружки.
Определение гидродинамического сопротивления среды. Фреза со всеми ее ножами и креплениями вращается и папильонирует в водной среде. Ввиду сложности самого движения фрезы, сложности ее формы и неизбежного пересечения ножами пространства, занятого не только чистой водой, но и взвешенными в ней| частичками грунта, можно говорить только о приближенном значении искомой силы гидррдинамического сопротивления.
Силу гидродинамического сопротивления среды вращению и перемещению в ней фрезы определяют по формуле
Определение толщины стружки. Для определения jтолщины стружки грунта, срезаемой ножом фрезы, рекомендуется формула
При вращении фрезы и ее перемещении за счет папильонирования скорость относительного перемещения точек на ножах фрезы равна:
Скорость набегающего потока при этом на фрезу здесь не учитывается.
Для определения усилия резания и фрезерования требуется знание (или умение находить) большого числа постоянных коэффициентов, в частности грунтовых характеристик и некоторых меняющихся в процессе работы фрезы величин. В подобных случаях найденные опытным путем зависимости могут оказаться не менее точными, но более удобными для применения, поскольку входящие в эти эмпирические формулы величины могуг содержать в себе параметры, интегрально охватывающие большое число трудно определяемых по отдельности факторов.
Сотрудниками лаборатории гидромеханизации Калининского политехнического института предложен следующий метод расчета усилия подводного фрезерования грунта.
Для одиночного затупленного ножа усилие фрезерования связного грунта
Суммарное усилие на фрезерование следует определять в следующей последовательности: для различных углов t в пределах охвата фрезы грунтом по формуле (76) определяют соответствующие значения толщины стружки h, а по формуле (79) величины усилий фрезерования на один нож. Строят график последовательно для всех ножей фрезы; суммированием находят максимальное усилие фрезерования на фрезу в целом.
При расчетах подводного фрезерования грунта заданными (известными) величинами обычно являются: вид грунта, а следовательно, все его необходимые характеристики; тип и размеры фрезы; статический угол резания а; число ножей фрезы толщина затупленной режущей кромки t угол охвата фрезы грунтом Q (принимается Q=180°); частота вращения фрезы (18—25 об/мин); скорость папильонирования (10—16 см/с); производительность снаряда по грунту.
Для расчета усилия резания находится максимальное значение Fcум. Выражение, заключенное в квадратных скобках в формуле (83), исследуется на экстремум, определяются значения координатных углов t t2,..., t соответствующие максимуму функции, затем эти значения подставляются в формулу (83) и вычисляется Fmax.
По данным исследований, выполненных в лаборатории гидромеханизации Калининского политехнического института С. П. Огородниковым, рекомендуется принимать:
угол резания для условий разработки связных грунтов фрезами землесосных снарядов;
угол заточки профиля для разработки связных грунтов в пределах 15—25°, для несвязных грунтов 20—30°.
Задний угол режущего профиля, определяемый упругими свойствами грунта в подрезцовом слое, для условий подводной разработки глинистых грунтов песчаных грунтов 7—9°.