Изменение сопротивления движению дренера в зависимости от угла заточки

Влияние угла заточки дренера на величину силы резания было проверено в лабораторных и полевых иследованиях /1,2,3,4,5/. Дренер имел клинообразный угол заточки =15, 20, 25, 30, 40, 60⁰/рис.1./.

Рис. 1. Схема образования уплотненного ядра и смещения грунта в процессе формирования дрен

Работа дренера с клинообразной заточкой рассматриваем как работу ассиметричного клина в сплошной среде. Дренер сжимает перед собой объем грунта, затем грунт скаливается под углом -  и перемещается в междренное пространство в ножевую щель /рис.2./.

Рис. 2. Принципиадьная схема устройства кротовых дрен на переуплотненных почвах

Движение дренера происходит с сплошной среде и направление главных наибольших напряжений -  совпадает с направлением движения дренера. Площадь наибольших касательных напряжений образовывает с этим направлением угол – .

                               = 45⁰ -                                                                 /1/

По плоскости наибольших касательных напряжений происходит сдвиг грунта. Таким образом, грунт, перемещаемый дренером, перемещается относительно дренера под углом  -

Угол скалывания  определяется по известной зависимости

                                        = 90⁰ –                                               /2/

: угол трения о дренер.

Следует отметить, что угол скалывания  изменяется с изменением процесса резанияя ввиду того, что рабочей поверхностью становится поверхность уплотненного ядра, образованная уплотненным ядром. В данном случае угол скалывания , определяется по заввисимости:

                                       = 90⁰ –                                               /3/

            Если угол заточки дренера  - 45⁰ -  , то площадь наибольших касательных напряжений совпадает с рабочей поверхностью дренера. Принимая для минеральных грунтов внутренного трения  = 30-40⁰, то  плоскость наибольших касательных напряжений с направлением плавных напряжений создает угол 25-30⁰, т.е. совпадает с плоскостью заточки дренера.

Ввиду того, что уплотненное ядро при угле заточки дренера 25-60⁰ не всегда может достичь устойчивого состояния, то всегда будет наблюдаться сдвиг объема грунта. Физический смысл этого процесса заключается в том, что коэффициент трения грунта о сталь /tg/ меньше коэффициента трения /внутреннего/ грунта /tg/. Поэтому, когда разница между направлением рабочей поверхности клиновой заточки и плоскостью наибольших касательных напряжений не велика, уплотненный грунт смещается в сторону. Угол уплотненного ядра – определяется по зависимости:

                      = 100⁰ –                                                              /4/

При угле внутренного трения  = 30-40⁰ угол скалывания находятся в пределах 38-45⁰, т.к.

                                   = 90⁰ –  = 90⁰-)                                    /5/

т.е. результаты, полученные расчетным путем очень близким опытным данным. Результаты испытаний дренером при различных углах заточки представлены на рис. 3 и 4.

Рис.3. Зависимость горизонтальной составляющей силы резания от угла заточки дренера

Рис.4. Зависимость вертикальной составляющей силы резания от угла заточки дренера

Данные иссследования показывают /рис.3 и 4/, что силы, действующие на дренер имеют избыточный характер изменения в пределах угла заточки от 40 до 60⁰. При угле заточки =20-26⁰ горизонтальные составляющие силы резания достигает минимального значения, а при угле 45⁰ и более практически становятся постоянными. Установлено, что при данных углах заточки происхолит образование уплотненного ядра. Таким образом, оптимальный угол заточки находятся в пределах меньше угла, при котором начинает образовываться уплотненное ядро и больше угла, при котором из-за увеличения силы трения о поверхность среза повышается значение горизонтальной составляющей силы резания. Исследованиями установлено, что на величину силы резания особое влияние оказывает крепление дренера к ножам кротователя.

Установлено, что шарнирное крепление дренера уменьшает вероятность образования уплотненного ядра в месте крепления. Для определения сил, действующих на дренер, рассмотрим систему сил, приложенных к дренеру /рис.5./.

Рис. 5. Схема сил, действующих на дренер

Общее усилие равно:

                          P= P₁+ P₂+ P₃+P₄                                                         /6/

где: P₁ – сопротивление резанию грунта режущей кромкой;

P₂ - сопротивление сжатию грунта;

P₃  - сопротивление трению грунта о рабочую поверхность заточки;

P₄  - сопротивление трению о цилиндрическую поверхность.

Сопротивление резанию грунта режущей кромкой дренера равно:

                                           Р₁ = 2Р₁ F₁                                                                 /7/

где: Р₁ – удельной сопротивление резанию грунта режущей кромкой дренера;

F₁ – площадь режущей кромки одного дренера;

Сопротивление сжатию грунта:

                                          Р₂ = 2F₂                                                       /8/

где:  – напряжение сжатия при смещении грунта дренером;

F₂ – площадь рабочей поверхности дренера.

Сопротивление трения грунта о рабочую поверхность:

                           Р₃ = 2fР₂                                                                 /9/

где: f – коэффициент трения грунта о стык.

Сопротивление трения грунта о цилиндрическую поверхность:

                                    Р₄ = 2fN                                                          /10/

где: N – нормальное давления грунта на цилиндрическую поверхность дренера. Таким образом,

P= P₁+ P₂+ P₃+P₄  = 2(Р₁ F₁+ F₂+fР₂ + fN)                                   /11/

Для упрощения расчетов принимаем:

Р₁ = const; Р₄ = const; тогда

             P =                    или              P =            /12/

где: N – нормальное давления грунта на рабочую поверхность клина;

 - угол трения клина о грунт.

      P_h= 2  = 2                                            /13/

или

            P_h=                                                               /14/

или после преобразований

           P_h=                                         /15/

Принимая, что напряжения сжатия -  пропорциально максимальной деформации – l, тогда

                                                = k₂ l                                        /16/

где: k₂ – коэффициент сопротивления грунта резанию.

Максимальная деформация имеет направление скалывание грунта –, тогда проекция максимальной деформации равна:

l=                                                                                                 /17/

Подставив в уравнение /17/ значение угла – получим:

                                             = 90⁰ –                                      /18/

l=                                                                                     /19/

Напряжение сжатия будет

 =                                                                                     /20/

Подставив значение - в уравнение /15/, получим

                                                          /21/

Оценка влияния угла заточки на горизонтальную составляющую силы резания в зависимости от образования уплотнительного ядра, именно в пределах изменения угла заточки-  = 30 – 60⁰ показывает, что угол заточки должен быть менее 30⁰. Влияние угла заточки на вертикальную составляющую силы резания по отношению к плоскости среза определим, спроектировав все действующие силы на ось перпендикулярную к продольной плоскости среза рабочего органа.

                                                P_V = 2P₂ cos – P₃ sin                                      /22/

Зависимость /22/ представим в виде:

                                          P_V= cos(                                             /23/

Подставив значение Р₂ в уравнение, получим:

                                  /24/

или

                     /25/

При образовании перед дренером уплотненного ядра, необходимо угол заточки дренера - земенить на угол уплотненного ядра  = 45⁰ -  , а угол трения  грунта о сталь на угол трения  грунта о грунт.

Литература:

1.      Данатаров А. Технология нарезки аэрационного дренажа и эффективность его работы в условиях аридной зоны. Дис. канд. тех. наук. Киев. -1994г. с.100-107.

2.      Данатаров А. Методика проведения нарезки аэрационного дренажа в полевых условиях.  Совершенствование технологии и технических средств в сельскохозяйственном производстве. В сб. научных трудов ТСХИ. 1995г. т.39. вып.4.   –с. 28-31.

3.       Данатаров А. Методика исследования устойчивости аэрационного дренажа. Совершенствование технологии и технических средств в сельскохозяйственном производстве.   В сб. научных трудов ТСХИ. 1995г. т.39. вып.4.   –с. 50-54.

4.       Данатаров А., Сапаров К.Б. Устройство аэрационного дренажа в аридной зоне. Мелиорация и водное хозяйство. Международный научный журнал №2. Москва. 1994г. -с. 24-25.

5.      Данатаров А. Аккумулирующая способность воды аэрационного дренажа в аридной зоне. Международный научно-практический журнал №1. Проблемы освоения пустынь. 1999г. –с.85-89.