Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор состояния вопроса 9
1.1. Анализ методов разработки мерзлых грунтов 9
1.2. Проблемы, возникающие при разработке мерзлых грунтов землеройными машинами
1.3. Пути повышения эффективности работы наконечников зубьев; рыхлителей
1.4. Общая характеристика мерзлых грунтов подвергающихся разработке рыхлителями
1.5. Характеристика процесса взаимодействия наконечника зуба рыхлителя с грунтом
1.6. Исследование сопротивления мерзлых грунтов различным видам деформаций
Выводы по главе 50
2. Теоретические исследования процесса взаимодействия разноуровневой поверхности рабочего органа с мерзлым грунтом . 51
2.1. Влияние конструкции наконечника зуба рыхлителя на процесс хрупкого разрушения грунта.
2.1.1. Исследование напряженного состояния мерзлого грунта при взаимодействии с наконечником зуба рыхлителя ..
2.1.2. Основные типы перемещения трещин 55
2.2. Математическая модель процесса взаимодействия мерзлого грунта с разноуровневой поверхности наконечника.
Выводы по главе 66
3. Адаптация математической модели взаимодействия мерзлого грунта с наконечником рыхлителя к реальным условиям 67
3.1. Экспериментальные исследования сопротивления мерзлых грунтов сжатию, растяжению и сдвигу при воздействии на них различных профилей рабочего органа 67
3.2. Исследование влияния параметров наконечника рыхлителя на сопротивление мерзлого грунта разрушению при рыхлении
3.3. Энергоемкость процесса рыхления. 82
Выводы по главе 86
4. Исследование процесса изнашивания наконечника зуба рыхлителя при разрушении мерзлых грунтов
4.1. Схема хрупкого разрушения мерзлого грунта 88
4.2. Параметры абразивной поверхности грунта 92
4.3. Величина и характер износа 99
4.4. Экспериментальное определение характера взаимодействия кварцевых частиц с материалом рабочего органа.
4.4.1. Выбор типа грунта. Разработка модели мёрзлого грунта 106
4.4.2. Описание лабораторной установки 107
4.4.3. Порядок проведения и результаты испытаний 108
4.5. Экспериментальное определение зон наконечника зуба рыхлителя подвергаемых максимальному изнашиванию
4.5.1. Параметры и методика экспериментальных исследований 110
4.5.2. Массовый износ наконечника рыхлителя 113
4.5.3. Линейный износ по рабочим плоскостям наконечника 116
4.5.4. Линейный износ наконечника по задней поверхности и боковым граням
4.6. Исследование влияния износа на составляющие усилия рыхления 121
Выводы по главе 125
5. Практическое использование результатов выполненых исследований
5.1. Основные направления повышения эффективности работы наконечника зуба рыхлителя
5.2. Методика определения параметров наконечника зуба рыхлителя повышенной эффективности 127
5.2.1. Обоснование выбора материала для защиты (армирования) передней поверхности наконечника.
5.2.2. Обоснование схемы расстановки армирующих элементов и их формы. 130
5.2.3. Определение геометрических параметров износостойких резцов 132
5.3. Исследование влияния конструктивных изменений экспериментального наконечника на параметры рыхления. 133
5.4. Экономическая эффективность использования наконечника 138
Выводы по главе 140
Основные результаты и выводы 141
Список использованной литературы 143
Приложения 158
- Общая характеристика мерзлых грунтов подвергающихся разработке рыхлителями
- Исследование напряженного состояния мерзлого грунта при взаимодействии с наконечником зуба рыхлителя
- Исследование влияния параметров наконечника рыхлителя на сопротивление мерзлого грунта разрушению при рыхлении
- Экспериментальное определение зон наконечника зуба рыхлителя подвергаемых максимальному изнашиванию
Введение к работе
Актуальность темы. Развитие Северных территорий Западной Сибири, обустройство их, введение в эксплуатацию новых нефтяных и газовых месторождений требует колоссальных объемов строительных работ, в том числе и земляных. Специфика проведения земляных работ на Севере связана с разработкой вечномерзлых и сезонномерзлых грунтов.
Одним из эффективных и наиболее распространенных способов разработки мерзлых грунтов является предварительное рыхление их мощными статическими рыхлителями. Энергоемкость процесса разработки мерзлых грунтов во многом определяется формой и параметрами рабочих органов рыхлителей. Так как мерзлые грунты являются эффективным абразивным материалом, работа рыхлителя сопровождается изнашиванием рабочего органа, в результате чего происходит изменение формы и параметров рабочих органов. Это приводит к существенному изменению характеристик процесса рыхления мерзлого грунта: снижается производительность, растет энергоемкость процесса, увеличивается расход топлива.
Наиболее изнашиваемым элементом рабочего органа рыхлителя является наконечник зуба. Ресурс наконечника рыхлителя не превышает 40...50 часов работы, после чего происходит излом режущей части наконечника и в контакт с грунтом вступает незащищенная часть зуба рыхлителя. Частая замена наконечника, вызванная его малым ресурсом, и других элементов рабочего органа приводит к вынужденным простоям комплекса техники. Все эти факторы снижают эффективность использования рыхлителей.
Учитывая объем разрабатываемого рыхлителями мерзлого грунта на территории Западной Сибири и по всей России, вопрос модернизации существующих и создания более эффективных конструкций рабочих органов рыхлителя для снижения энергоемкости и увеличения их срока службы, является актуальной задачей, а ее решение даст существенный экономический эффект.
Объект исследований - конструктивно-технологическая система «наконечник зуба рыхлителя - мерзлый грунт».
Предмет исследований - закономерности процесса взаимодействия наконечника зуба рыхлителя с мерзлым грунтом.
Целью данной работы является повышение эффективности использования рыхлителей при разработке мерзлых грунтов.
Задачи исследований:
Выявление особенностей влияния физико-механических характеристик мерзлых грунтов на характер их разрушения при резании.
Разработка математической модели процесса разрушения мерзлого грунта наконечником зуба рыхлителя с разноуровневой поверхностью.
Разработка методики определения основных параметров наконечника зуба рыхлителя повышенной эффективности.
4. Практическая реализация теоретически полученных результатов по созданию наконечника зуба рыхлителя повышенной эффективности.
Достоверность научных положений, изложенных в работе, подтверждается экспериментальными исследованиями в лабораторных и полевых условиях, с использованием современного оборудования и необходимым объемом экспериментальных данных, а так же результатами испытания и внедрения опытных образцов наконечников зубьев рыхлителей на строительных площадках Крайнего Севера (г. Новый Уренгой).
Научная новизна:
Разработана математическая модель процесса взаимодействия наконечника зуба рыхлителя с грунтом с учетом его конфигурации и физико-механических свойств мерзлого грунта.
Выявлена закономерность предельного значения отношения глубины внедрения частицы мерзлого грунта в тело рабочего органа к радиусу ее закругления в зависимости от условия контактной прочности частицы и контактной твердости материла наконечника зуба рыхлителя.
Разработана методика определения параметров наконечника зуба рыхлителя повышенной эффективности.
Практическая ценность заключается в следующем:
Использование методики определения параметров рабочих органов землеройных машин повышенной эффективности на отраслевых предприятиях;
Применение результатов исследований в учебном процессе по специальностям и направлениям подготовки кадров высшей квалификации.
Получена величина прогнозного ресурса работы наконечника в зависимости от изменения геометрических параметров наконечника в процессе изнашивания.
Получены формулы для расчета силы сопротивления и энергоемкости процесса рыхления мерзлого грунта в зависимости от прочностных характеристик грунта и изменения параметров наконечника вследствие изнашивания.
Личный вклад автора заключается в формулировании общей идеи работы, её цели и задач, в выполнении теоретических и экспериментальных исследований, анализе и обработке результатов, а также внедрении в производство разработанной конструкции наконечника повышенной эффективности.
На защиту выносятся: Установление влияния конфигурации и параметров наконечников зубьев рыхлителей на процесс взаимодействия с мерзлым грунтом.
Методика определения параметров наконечника зуба рыхлителя повышенной эффективности.
Апробация работы. Основные результаты доложены, обсуждены и одобрены на научно-практических конференциях: III, IV, V научно-
практических конференциях молодых ученых и аспирантов ТюмГАСА (2003, 2004 гг.), научном семинаре (Тюмень, ТНГУ, 2004 г.), на Всероссийской научно-технической конференции «Роль механики в создании эффективных материалов, конструкций и машин XXI века» (Омск, 2006 г), заседаниях кафедры «Эксплуатация дорожных машин», научно-технических семинарах факультета «Транспортные и технологические машины» (СибАДИ г. Омск), 6 Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых 2009г. (СибАДИ, г. Омск), Международном конгрессе «Креативные подходы в образовательной, научной и производственной деятельности», 2010 г. (СибАДИ, г. Омск).
Реализация результатов работы. По предложенной методике разработан, изготовлен на производственной базе и испытан на площадках строительства филиала №2 ОАО «Стройтрансгаз» г. Новый Уренгой наконечник зуба рыхлителя, а так же рекомендован к внедрению в производство. Новизна конструкции наконечника подтверждена патентом РФ на изобретение.
Публикации. Основное содержание диссертационной работы опубликовано в девяти статьях (из них две в журналах, рекомендованных перечнем ВАК РФ). По теме исследований получен патент на изобретение.
Структура и объем работы диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы (151 наименование) и приложений на 10 листах. Объем диссертации составляет 168 страниц (в том числе 15 таблиц, 67 иллюстраций).
Общая характеристика мерзлых грунтов подвергающихся разработке рыхлителями
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, подлежащих, разработке в зимний- период, от промерзания может выполняться следующими способами.[128]: -предварительной механической обработкой поверхности грунтов; -покрытием поверхности теплоизоляционными материалами; „-глубоким рыхлением грунта; -специальными мероприятиями. 2. Тепловое оттаивание мёрзлых грунтов. Большинство мёрзлых грунтов снижают свою-прочность до значений? соответствующих талым грунтам, при повышении температуры до О С. Значительная энергоёмкость и стоимость данного метода делает возможным его применение только в исключительных случаях [128]: -при ограниченных объёмах работ; -при производстве аварийных и ремонтных работ; -при невозможности использования буро-взрывного способа или механических средств рыхления из-за стеснённых условий, близкого расположения зданий, наличия подземных коммуникаций и др. 3. Механизированная разработка мёрзлых грунтов. Механизированная разработка мёрзлых фунтов 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, диско-фрезерные 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 [43]. _ 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 фунта на поверхность близлежащих участков. Основным способом разрушения мёрзлого грунта является механическое рыхление. В производственных условиях для предварительного рыхления мёрзлых 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 мёрзлого грунта с образованием множества трещин в массиве, достаточных для последующей экскавации грунта. Машины с забиваемым рабочим органом и с падающим, перемещаемым по направляющим, осуществляют рыхление мёрзлого грунта крупным сколом. Благодаря перемещению рабочего органа по образующейся лидирующей трещине разрушение мёрзлого грунта крупным сколом существенно эффективнее объёмного разрушения [128]. При ограниченных объёмах земляных работ разрыхляют мёрзлый 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.). 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 чел ч/м3. Не смотря на многообразие методов разработки мерзлых фунтов рыхлением самое широкое распространение получил метод разработки грунта с помощью навесных рыхлителей, так как является наименее трудоёмким (0,02 - 0,04 чел ч/м ) и имеющим малую энергоёмкость (0,8 -1,2 кВт ч/ м ). Для послойного рыхления мёрзлых 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 0,6-1,0 м.
Исследование напряженного состояния мерзлого грунта при взаимодействии с наконечником зуба рыхлителя
Износ режущих рабочих органов землеройных машин является давно известной и. широко исследуемой проблемой, на многие вопросы которой до настоящего времени так и не даны ответы.
Особенно износ влияет на рабочие органы и детали строительных машин, работающих в грунте, тем более мерзлом (рыхлители, бульдозеры, буровые установки и др.). Износ деталей машин широко исследовался (особенно рабочих органов, участвующих в резании металлов) благодаря трудам И.В. Крагельского, М.М. Хрущева, М.М Тененбаума и др. и в настоящее время оказался наиболее из) чен в их работах [75, 76, 133, 138]
Для деталей, работающих в условиях абразивного изнашивания, И:В. Крагельским установлены зависимости, имеющие большое практическое значение [75].
Твердость поверхностных слоев в большинстве случаев уже давно оценивается как показатель износостойкости, однако значение его, при разных видах изнашивания и для различных материалов нельзя считать окончательно установленными; Менее изученным оказался вопрос износа рабочих органов, разрушающих мерзлые грунты и горные породы. Наибольшее влияние на интенсивность изнашивания в этих средах оказывает количество и характер абразивных частиц. Рассмотрим более подробно влияние абразивных свойств мерзлых грунтов на интенсивность изнашивания рабочего органа.
В первом приближении . можно считать, что интенсивность изнашивания сталей прямо пропорционально микротвердости частиц, но в некоторых случаях наблюдаются значительные отклонения, связанные с различной износостойкостью горных пород и мерзлых грунтов.
Абразивные свойства многих грунтов и пород определяются средней абразивностью минералов, входящих в состав данных грунтов. Однако при трении стали о мерзлый грунт возникает шероховатость, связанная с различной износостойкостью минералов входящих в состав грунта, что способствует увеличению износа стали, главным образом при большой твердости и износостойкости минералов. На малоабразивных грунтах (глинистых) износ прямо пропорционален нагрузке, а на более абразивных, он растет быстрее, чем увеличивается нагрузка, особенно при наличии кварцевых частиц.
Трактовка процесса изнашивания, предложенная И.В Крагельским, дает возможность количественно оценить роль микрорельефа поверхности. Шероховатость и волнистость поверхности приводит к уменьшению в сотни раз фактической площади касания контактирующих частиц. Приведенные рассуждения находят подтверждение в реальных условиях работы рабочих органов.
Детали рабочих органов строительных машин (зубья экскаваторных ковшей, наконечники рыхлителей, резцы буровых установок и т. д.) подвержены интенсивному абразивному изнашиванию (скорость от 5 до 400 мкм/ч) [18].
В процессе эксплуатации землеройных и землеройно-транспортных машин наблюдаются следующие явления: частицы срезаемого грунта скользят по передней грани режущего элемента, а последний, в свою очередь, скользит задней гранью по обрабатываемой поверхности грунта. Это скольжение сопровождается определенным давлением грунта на режущий элемент. Изнашивание последнего происходит в результате царапания или смятия его рабочей поверхности абразивными частицами, находящимися в грунте. У экскаваторов весьма интенсивно происходит изнашивание зубьев ковшей экскаваторов [18]. Так, например, зубья ковшей роторных экскаваторов заменяют через 50.. .60 час работы.
Данные Ю.А. Ветрова [18] свидетельствуют, что вследствие изнашивания происходит значительное (до 60%) уменьшение рабочей части зуба экскаватора, а также затупление их кромок. На задней грани зуба образуется площадка изнашивания и происходит увеличение углов заострения и резания, а также закругление режущих кромок. Подобное, по нашим наблюдениям, происходит и с наконечниками зубьев навесных рыхлителей [58].
В результате изнашивания рабочих органов землеройных машин резко меняется характер их взаимодействия с грунтом и значительно возрастает время, необходимое для выполнения- рабочих операций. Так исследования Ю.А. Ветрова показывают, что сопротивление грунта резанию увеличивается в 1,5 раза, что вызывает снижение производительности машины. По данным К.П. Чудакова, при работе экскаватора с ковшом драглайна, имеющим изношенные на 30% зубья, путь набора грунта и затраты времени увеличиваются в 3 раза по сравнению с ковшом, имеющим новые зубья.
Аналогичные явления характерны и для рабочих органов землеройно-транспортных машин. С торца на ноже образуется площадка износа, изменяющая угол заострения, уменьшается высота ножа и уменьшается его затылочный (или задний) угол — все это увеличивает сопротивление трения на площадке изнашивания [126].
Исследование процесса изнашивания ножей отвалов мощных бульдозеров [13] показали, что наибольший износ имеет место на их задней грани. Через 8... 12 час интенсивной работы первоначальная форма их режущей кромки значительно изменяется, и на ней появляется большая площадка изнашивания.
Удельное сопротивление резанию возрастает по мере увеличения износа на всех глубинах резания.
Срок службы ножей бульдозера определяется, главным образом, их износом по ширине и составляет от 200 до 350 час. Величина износа ножей за это время достигает 40—50 мм при работе на суглинистых грунтах. Анализ статистического материала показывает, что скорость изнашивания средних ножей отвала бульдозера по ширине примерно одинакова. Более высокая скорость изнашивания наблюдается в начальный период эксплуатации.
Особенно характерным является износ рабочих органов рыхлителей при работе, как на скальных, так и на мерзлых грунтах. Наиболее уязвимым к износу является наконечник рыхлителя. Срок его службы не превышает 45...55 час работы. Износу подвергаются и передние накладки зуба рыхлителя и сам зуб. Сроки их службы составляют 350...400 и 4000...4500 час. работы соответственно.
Исследование влияния параметров наконечника рыхлителя на сопротивление мерзлого грунта разрушению при рыхлении
Суждения о явлениях, которые происходят в грунте, составлялись на основании визуальных или тем или иным способом фиксированных наблюдений над перемещением частиц грунта.
Вблизи поверхности наконечника зуба рыхлителя частицы грунта под влиянием трения его о поверхность продолжают деформироваться на определенном расстоянии, тем самым формируется контактный слой. Степень деформации в контактном слое неодинакова по его толщине, но она во много раз превышает среднюю деформацию в зоне разрушения. Данные явления ярко проявляются для пластического характера разрушения и практически отсутствуют при хрупком разрушении, хотя нельзя с полной уверенностью утверждать, что они отсутствуют полностью. Сравнительно малые размеры контактной пластической области при хрупком разрушении затрудняют определение ее границ. Толщина и длина контактной пластической области зависит от большого числа факторов, изменяясь в широких пределах.
При разрушении хрупкой грунтовой среды незначительная пластическая область локализована около режущей кромки и отделена от дневной поверхности грунта упругой зоной.
Наличие упругой зоны при нагружении хрупко разрушаемого тела и незначительность пластических деформаций в зоне контакта дает основание, с достаточно хорошим приближением, рассматривать задачу о взаимодействии жесткого тела (резца рабочего органа) с грунтом, как статическую задачу о контакте двух тел. Это классический подход всех ученых, создававших теории прочности. На основе опыта и наблюдений вводится гипотеза о преимущественном влиянии того или другого фактора на разрушение материала. В зависимости от сочетания отдельных факторов создавались различные теории прочности. Известно, что плоское напряженное состояние приводится к случаю растяжения-сжатия. При любых деформациях мерзлых грунтов эти напряжения также являются определяющими и с увеличением хрупкости мерзлого грунта проявляются в большей степени.
Разрушение твердого тела почти всегда происходит вследствие развития в нем некоторых поверхностей разрыва смещений. Развитие поверхностей разрыва начинается с несовершенства структуры материала. Это обычно рассматривается в виде начальных дефектов и начальных трещин. Исходя из этого, теория предельного состояния и теория хрупких трещин составляют основу современной механики разрушения.
При анализе процесса резания правомерность и целесообразность применения методов теории упругости зависят от тех конкретных задач, которые ставятся при исследовании, и в первую очередь для решения задачи о распределении контактных давлений на поверхности рабочего органа. Исследование около контактной зоны методами теории упругости в качестве первого приближения вполне оправдано.
Этим самым решается первая стадия процесса, определяются напряжения в теле, находящемся на пределе разрушения, но еще не потерявшего своей структурной сплошности. Для перехода ко второй стадии необходимо решить задачу непосредственного протекания процесса хрупкого разрушения.
Хрупкое разрушение представляет собой процесс возникновения, развития трещин и превращения их в след разрушения под действием внешней нагрузки.
Образование трещин, являющихся результатом действия растягивающих напряжений, происходит в местах, где напряженное состояние превысит некоторый предел прочности. Так как фактическая прочность отдельных участков материала (грунта) имеет различную величину, то можно выделить участки, имеющие более высокие и более низкие величины предела прочности по отношению к некоторой средней величине. Это приводит, задолго до достижения среднего значения предела прочности, к образованию трещин на некоторых участках перед рабочим органом. Накопление трещин и их соединение приводит к разрушению. На образование трещин и их развитие оказывает влияние внутреннее напряженное состояние грунта, образующееся, например, при переходе грунта в мерзлое состояние, а также неоднородность расположения свободного льда и дефекты структуры. Поле напряжения, вызванное нагрузкой в грунте, взаимодействуя с полем напряжений, вызванным факторами, выше перечисленными, создает местные концентрации напряжения, приводящие к трещинам разрыва или сдвига. Появление начальных микротрещин ведет к дальнейшему . нарушению структуры, а-соединение микротрещин приводит к появлению видимых трещин (макротрещин) и в последующем к быстрому (лавинообразному) разрушению.
Анализ внутреннего строения ряда грунтов, особенно мерзлых, позволяет наметить предварительную классификацию- возможных дефектов и их роли при нагружении, как концентраторов напряжения (таблица 1.6).
Как видно из имеющихся характеристик горных пород и грунтов невозможно подобрать показатели, объективно отражающие влияние дефектов грунтов. Этот вопрос до настоящего времени не рассматривался и требует дальнейшей всесторонней проработки. Однако учитывать влияние дефектов в процессе описания разрушения того или иного конкретного грунта возможно. Внутренние дефекты изменяют картину напряженного состояния в грунте при действии на него активной нагрузки. Действительный характер распределения напряжений может значительно отличаться от теоретического. Характерным для картины распределения напряжений является концентрация напряжений вблизи дефекта. Увеличение напряжений может достигать 400% [142]. Как известно, теоретические коэффициенты концентраций напряжений определяются методами теории упругости, основываясь на предположении о совершенной однородности и идеальной упругости материала, т.е. не отражают собой природы последнего.
Экспериментальное определение зон наконечника зуба рыхлителя подвергаемых максимальному изнашиванию
Не требует значительных доказательств- вопрос важности и сложности изучения явлений износа и, не претендуя на какие-то значительные отличия от общепринятых взглядов на явления и процессы, протекающие при износе активно взаимодействующего органа с грунтом, рассмотрим их с несколько других позиций. Рассмотрим эти процессы несколько дифференцированно, в зависимости от характера разрушения. Анализ исследований [66, 78] показывает, что в основном внимание было обращено на выявление зависимостей износостойкости от режима работы, формы инструмента, материала инструмента.
Не могли не обращать на себя внимания факты различного износа инструмента в различных средах, что фиксировалось многими исследователями [28, 75], но связать эти явления с различиями в характере поведения грунтов при разрушении попыток не делалось. Однако, базируясь на явлениях, происходящих при разрушении мерзлого грунта [108 109], можно сказать, что в зависимости от характера разрушения износ должен происходить с различной интенсивностью.
Задачей дальнейшего рассмотрения является исследование интенсивности износа для- хрупкого характера разрушения, то есть попытка путем исследований контактных явлений на рабочем органе раскрыть природу его износа и дать рекомендации по его снижению.
Грунты, отнесенные к классу хрупко разрушаемых [54] имеют одну особенность, обусловливающую характер контакта с режущим органом, а именно наличие цементирующих связей между отдельными частицами грунта. Цементирующие связи различны по величине и зависят от вещества, играющего роль цемента и внешних факторов. Так, например, для мерзлого грунта в качестве цементирующих связей выступает лед, имеющий различную силу смерзания с частицами грунта. В дальнейшем качественный и количественный анализ влияния хрупкости при резании на износ будет производиться только на основе рассмотрения мерзлых грунтов.
Для других грунтов, имеющих свои цементационные связи, нам представляется возможным использовать ту же самую методику.
Основной особенностью хрупкого характера разрушения является появление трещин перед рабочим органом. Трещины во льду начинают появляться при напряжениях в 2...3 раза меньших предела прочности грунта [54]. Чем ниже температура мерзлого грунта и больше скорость приложения нагрузки, тем сильнее проявляются хрупкие свойства „мерзлого грунта. Следовательно, можно считать, что перед режущим рабочим органом систематически образуются опережающие трещины в процессе его движения. Поверхность такой трещины в таком материале как мерзлый грунт, имеющий композиционную структуру, обладает естественной шероховатостью, которая зависит, в основном, от гранулометрического состава, текстуры мерзлого грунта и схемы образования трещины.
При определенном состоянии грунта (— С, СО ) хрупко разрушаются связи между зернами, обнажая новые абразивные поверхности зерен, которые при этом сами не разрушаются (рис4.1а) или разрушаются как связи между зернами, так и сами зерна с образованием режущих граней (рис. 4.16).
При этом происходит обнажение как новых абразивных зерен, так и образование новых абразивных граней. Разумеется, невозможно наблюдать какой-либо закономерности в расположении абразивных частиц и в частоте образования новых абразивных граней.
Поскольку количество вновь образующихся режущих зерен на единице площади трещины зависит от многих случайных факторов, то согласно теореме Ляпунова предположим, что количество абразивных частиц в грунте равномерно распределено по объему, тогда теоретически возможное число контактов для мелкозернистого песка на 1 см будет колебаться от 27500 до 2500; для среднезернистого - от 2500 до 250; крупнозернистого - от 250 до 25. Поскольку коэффициент неравномерности зависит от многих случайных факторов, то согласно предельной теории Ляпунова его распределение должно быть близким к нормальному.
Геометрические свойства поверхности оцениваются микротопографическим показателем - комплексным критерием
Как было показано выше, поверхность трещины состоит из частиц- зерен, находящихся на различном расстоянии от линии траектории режущего органа. Вследствие этого они по различному действуют на движущийся рабочий орган. Часть режущих кромок частиц, выходящих за траекторию движения (рис. 4.2, частицы 1) осуществляют абразивный износ (снятие микростружки). Другие частицы, расположенные выше линии раздела, входя в контакт с рабочим органом, производят его пластическое оттеснение (рис. 4.2, частицы 2) или происходит трение частиц об рабочую поверхность с различной силой (частицы 3). Часть частиц (частицы 4) вступают в действие после износа или разрушения предыдущих частиц или при их оттеснении вглубь грунта. Характер воздействия абразивных частиц на металл рабочего органа зависит от геометрии частиц и глубины их внедрения в поверхность режущего органа. При этом имеет значение и показатель поверхности рабочего органа, который определяется качеством поверхностных слоев - совокупностью геометрических свойств поверхности, механических и физико-химических свойств поверхностных слоев.
