Технические науки/2. Механика

д.т.н. Кадыров А.С., к.т.н. Бестембек Е.С.

Карагандинский государственный технический университет

Особенности фрезерования грунтов рабочими органами землеройных машин

В Республике Казахстан выполняются огромные объемы земляных работ. Это касается как горнодобывающей промышленности, так и строительства. Разработка грунтов и горных пород является основной операцией технологического процесса строительства фундаментов. При этом, по ресурсоемкости, эта операция превосходит другие.

Некоторые землеройные машины, например фрезерные и бурильные, имеют рабочие органы (далее РО) небольшого диаметра, работают глубоко от поверхности грунта, в среде глинистого раствора или воды. Эти условия работы характерны для строительства подземных сооружений способом «стена в грунте» и устройстве буронабивных свай. Как показывает практика, известные положения теории резания не позволяют рассчитать, с достаточной степенью, точности режим и нагружение этих машин.

В связи с этим проблема определения сил сопротивления резанию машин работающих на больших глубинах, в среде жидкости и с малой кривизной движения рабочего органа является актуальной.

Нами рассматриваются фрезерные установки, применяемые при строительстве способом «стена в грунте», при проходке глубоких столбчатых опор, устройстве вентиляционных шахт.

Кинематическое уравнение движения фрезерного РО – циклоида:

, (1)

где z – глубина проходки траншеи;

у – поперечная ось к глубине проходки;

V – скорость подачи РО;

φ_п – угол поворота;

ω - угловая скорость вращения.

Для фрезерных РО линейная скорость резания V_p на два – три порядка превышает скорость подачи, в связи с этим можно считать:

. (2)

Толщина срезаемой стружки прямо пропорциональна скорости подачи и тем меньше, чем больше угловая скорость вращения РО и зависит от угла поворота РО:

, (3)

где h – толщина срезаемой стружки;

h_max – максимальная толщина срезаемой стружки, возникает в нижнем крайнем положении резца фрезы.

Фрезерный РО осуществляет резание в нижней части окружности (рис. 1) и толщина стружки меняется от 0 до h_max, а затем падает от h_max до 0. В работе участвует половина резцов РО.

По формуле центра тяжести плоской фигуры установлено, что, средняя толщина срезаемой стружки h наблюдается при углах поворота φ=58⁰ и у=148⁰.

Перейдем к физическим особенностям разрушения грунта фрезерным РО (в сравнении с прямолинейным резанием).

К особенностям работы фрезерного РО можно отнести:

1. Замкнутый объем призабойной зоны приводит к постоянному давлению разработанного грунта на забой и, следовательно, увеличению нормального напряжения на поверхность скола и к изменению угла скола стружки, что не было учтено в работах Зеленина А.Н., Ветрова Ю.А., Недорезова И.А. и др.

2. При транспортировании разрушенного грунта из замкнутого объема призабойной зоны гидронасосом или эрлифтом возникает эффект изменения давления рабочей жидкости на забой, что меняет угол скола стружки, в сторону уменьшения.

3. Наличие в траншее жидкости увеличивает давление на забой, что также приводит к изменению картины скола стружки грунта.

4. Воздействие воды и глинистого раствора на забой и, следовательно, на процесс разрушения грунта, различно. В зависимости от пористости грунтов жидкость может проникать в разрушаемую среду, изменяя свойства грунта.

5. При воздействии жидкости на забой необходимо учитывать гидростатическое давление, пористость, и проницаемость грунтов, скорость резания, скорость подачи и закон фильтрации грунтов. Это необходимо, так как при фрезеровании глубоких траншей процесс фильтрации воды в грунт происходит одновременно с его разработкой.

6. Кроме гидростатического давления, в результате вращения РО возникает гидродинамическое давление.

7. Разрушение грунта происходит не только резанием. Если вектор результирующей силы разрушения грунта отклоняется от касательной к траектории движения возможен отрыв грунта. При малых значениях толщины стружки h, при которых происходит фрезерование грунтов, возможно просто смятие забоя (рис. 1).

8. Особенностями фрезерования являются непостоянство контакта резца с забоем, переменное направление силы резания по отношению к силе тяжести, возникновение центробежной силы инерции, действующей на элемент срезаемой стружки.

а – возможные зоны смятия грунта; б – зона резания; N_РЗ – сила резания; h_И – толщина стружки смятия.

Рисунок 1 – Зоны смятия и резания грунта в забое

9. Главным отличием фрезерования грунтов от прямолинейного резания, на наш взгляд, является криволинейная траектория движения резцов, причем с очень незначительными радиусами кривизны. При этом физическая картина резания отличается в сравнении с прямолинейным резанием грунта.

10. Коэффициент внешнего трения грунта (трения грунта о сталь) меняется при резании под водой или в глинистом растворе.