5.3 Копание рабочим органом ковшового типа

В общем случае за площадки скольжения в ковше будем принимать площадки OD’ и ВК’ (рисунок 5.2), ограничивающие толщину входящего потока грунта. Силы, действующие на поверхностях остальных возможных площадок скольжения, внутри рассматриваемых призм грунта будут внутренними для соответствующих объёмов грунта и не влиять на расчёты.

Особенностью копания ковшом является отсутствие жёсткой направляющей поверхности для перемещаемого потока грунта за исключением подножевой плиты, длина которой ограничена.

Поэтому следует рассматривать процесс копания при различной степени заполнения ковша скрепера грунтом. Общепринято рассматривать три стадии процесса копания  движение грунта по днищу, движение грунта по грунту и движение грунта сквозь грунт в ковше. Несмотря на общность процессов, каждая такая стадия требует учёта особенностей, присущих ей.

Так, в начальной стадии срезанный грунт поднимается только по подножевой плите, после чего подъём грунта прекращается и грунт движется по днищу. В этом случае рабочее оборудование можно представить как плоский рабочий орган.

Для промежуточной стадии характерным является то, что функции рабочего органа начинает выполнять грунт, находящийся в задней части ковша. В нём образуется площадка скольжения, выполняющая функции отвала либо плоского рабочего органа.

В заключительной стадии, помимо призмы волочения, будет оказывать влияние и заслонка скрепера.

Кроме этого, при копании грунта ковшовым рабочим органом появляется новое сопротивление, не встречавшееся ранее  сопротивление от трения перемещаемого потока грунта о боковые стенки ковша.

Принципиальные расчетные схемы для разных стадий, определяющие методику расчета, изображены на рисунке 5.2.

В начальной стадии (рисунок 5.2, а) рассматривается движение грунта по днищу, определяются неизвестные силы R_KN, R_KK’, N, R_max и E_max, а также давление на площадку сдвига q_max. В результате становится возможным найти угол сдвига, после чего рассматривается равновесие призмы OBKD после сдвига (условия равновесия остальных призм грунта не изменятся), из которого определяются силы R_min и E_min.

Дополнительно учитывается трение грунта о боковые стенки ковша

(5.35)

где q_ср - среднее давление от силы сопротивления наполнению;

S_бок - площадь боковой поверхности потока грунта, движущегося в ковше, соприкасающаяся со стенкой ковша;

ξ - коэффициент бокового давления.

В итоге для начальной стадии будем иметь:

(5.36)

где α_д - угол наклона днища ковша.

Используя значения R_max и R_min, становится возможным получить амплитуду колебаний составляющих сопротивления копанию.

Для промежуточной стадии рассматривается движение грунта по грунту. Общие принципы методики расчета сохраняются, но при этом необходимо учесть, что за окончательное расчетное положение площадки скольжения KK’ в ковше скрепера принимается положение, обеспечивающее минимальные значения сопротивления наполнению с учетом ограничений, накладываемых задней стенкой.

Для этой стадии

(5.37)

В заключительной стадии процесса копания рассматривается движение грунта сквозь грунт в ковше. При отсутствии грунта в заслонке остаются в силе уравнения (5.37). В противном случае учитывается воздействие грунта на заслонку:

(5.38)

где G_Z - вес призмы AA’M’;

β - угол наклона заслонки.

Для этой фазы:

(5.39)

Таким образом, получены аналитические зависимости для расчета параметров процесса копания на всех стадиях заполнения ковша грунтом. Сама методика расчета не имеет принципиальных различий по сравнению с методиками расчета плоского и отвального рабочих органов.

а - начальная и промежуточная стадии копания; б - заключительная стадия копания.

Рисунок 5.2 - Схема копания ковшовым рабочим органом.

Полученные расчетные зависимости охватывают реальные случаи нагружения плоских, отвальных и ковшовых рабочих органов, учитывают особенности копания, присущие этим типам рабочих органов, позволяют рассчитывать не только силовые, но и геометрические параметры, характеризующие этот процесс.

Изложенные теоретические основы служат фундаментом для создания аналитического аппарата для расчета копания грунта типовыми рабочими органами землеройно-транспортных машин. При этом обеспечивается определение как геометрических, так и силовых параметров, характеризующих процесс копания, с учетом конструктивных особенностей рабочего органа, его размеров, физико-механических свойств грунта и параметров, характеризующих режим работы.