Основные параметры дреноукладчика, их выбор и расчет

Анализ теоретических и экспериментальных работ по резанию грунтов многих исследователей, а также экспериментальных данных, полученных о распределении по глубине нормального контактного давления грунта на лобовые режущие кромки и боковые поверхности рабочего органа показывает, что с наименьшей энергоемкостью грунт разрушается из-за деформаций сдвига, скола или отрыва при открытой поверхности массива. Эти деформации являются основными, если ширина прорези превышает ее глубину или соизмерима с ней. С ростом глубины прорези при постоянной ее ширине преобладающей деформацией, из-за которой разрушается грунт, становится упругопластическое сжатие. Энергоемкость сжатия в 1,5-2,5 раза выше, чем энергоемкость сдвига или скола. Начиная с определенной глубины, называемой обычно критической, влияние открытой поверхности массива на напряженное состояние грунта полностью исчезает и образование прорези происходит только за счет вдавливания грунта в ее стенки и дно. Таким образом, соотношение ширины рабочего органа к глубине прорезаемой щели определяет преимущественный вид деформации, из-за которой образуется щель, а следовательно, и энергоемкость процесса прорезания щели в грунте. При постоянном значении уменьшение или увеличение угла резания ведет соответственно к увеличению или уменьшению критической глубины.

Исходя из этих положении, при разработке конструкции рабочего органа бестраншейного дреноукладчика БДМ-301А была поставлена цель свести к минимуму размер зоны уплотнения. Такое решение хорошо согласуется также с основным технологическим требованием к рабочему органу дреноукладочной машины - обеспечить минимальное нарушение естественной структуры грунтов придренной зоны (в данном случае максимальное уменьшение деформации сжатия грунта за счет исключения зоны уплотнения).

На основе анализа результатов предшествующих, а также проведенных теоретических и экспериментальных исследований установлено, что процесс глубокого резания грунта вертикальным ножом может быть охарактеризован следующими положениями.

В однородном и изотропном грунте по глубине прорезаемой щели вместо выделяемых в настоящее время двух зон резания практически существует три зоны, отличающихся по характеру деформации грунта лобовой (режущей) кромкой рабочего органа.

В нижней зоне грунт под воздействием режущей кромки подвергается постоянному упругопластическому сжатию и вытесняется в дно и стенки щели. Это зона уплотнения. По данным исследований, удельное контактное давление на лобовую поверхность здесь не зависит от ширины, угла заострения и угла резания рабочего органа (при ширине режущей кромки более 50 мм), остается практически постоянным по глубине резания и абсолютной величине пропорционально сопротивляемости грунта разрушению. Наименьшее контактное давление и, следовательно, сопротивление резанию могут быть достигнуты в этой зоне при вертикальном положении режущей кромки (угол резания 90°) и придании ей заостренной формы (угол заострения 45-60°).

В средней зоне грунт подвергается периодическому сжатию. Здесь начинает сказываться влияние открытой поверхности, давление ножа на грунт не уравновешено по всем направлениям. После сжатия определенного объема грунта происходят потеря устойчивости и отрыв его от материка. Эту зону можно назвать переходной, так как в ней качественно изменяются условия резания грунта: от сплошной грунтовой среды к грунтовому полупространству. Нормальное контактное давление на нож здесь в значительной степени снижается особенно в момент отрыва очередного объема грунта. Границы этой зоны несколько смещаются по глубине, так как сдвиг или скол чередуются здесь с периодическим сжатием грунта. Наименьшее сопротивление резанию в этой зоне может иметь режущая кромка с углом резания 30-36° и углом заострения 180°.

В зоне, непосредственно примыкающей к поверхности, режущая поверхность рабочего органа взаимодействует с грунтом уже нарушенного сложения, здесь происходит дробление, сдвиг и выпирание в сторону открытой поверхности массива грунта, оторванного от материка в переходной зоне. Давление на нож здесь продолжает снижаться, однако с меньшей интенсивностью, чем в переходной зоне, и становится равным нулю на поверхности.

При резании перед лобовой поверхностью ножа образуется уплотненное ядро, устойчивость которого зависит от угла резания и угла заострения. При угле заострения меньшем, чем угол внутреннего трения грунта, уплотненное ядро отсутствует при любых углах резания. В зоне уплотнения при наличии ядра грунт вытесняется в стенки щели, при отсутствии ядра он движется частично в сторону открытой поверхности, частично уплотняется в стенки щели. Форма ядра зависит от упругопластических свойств грунта, его сцепления и сил внутреннего и внешнего трения. Поверхность ядра в поперечном сечении может быть очерчена по окружности, по эллиптической или параболической кривой или двумя прямыми линиями. Основываясь на рекомендациях механики грунтов, можно принять упрощенную форму ядра в виде треугольника, на грани которого действует постоянное по величине равномерно-распределенное давление.

Четкой границы между описанными зонами, как правило, не наблюдается. Изменение ширины рабочего органа, углов резания и заострения режущей кромки приводит к изменению в соотношении размеров зон, а следовательно, и энергоемкости прорезания щели. Так, увеличение ширины рабочего органа или уменьшение угла заострения режущей кромки и угла резания при постоянной глубине резания ведет к уменьшению по глубине размера и полному исчезновению зоны уплотнения. Размеры переходной зоны при этом также уменьшаются, но она не исчезает при любом увеличении ширины рабочего органа.

Уменьшение глубины резания при постоянных ширине и углах резания и заострения приводит сначала к уменьшению, а затем к полному исчезновению зоны уплотнения при дальнейшем уменьшении размера переходной зоны, а также зоны сдвига. При этом уменьшается не только глубина зоны сдвига, но и размеры конуса выпирания грунта впереди и по бокам рабочего органа. Исследования показывают, что минимальную энергоемкость имеет рабочий орган с максимально возможной без образования зоны уплотнения глубиной резания.