ANALIZA ODDZIA£YWANIA UK£ADU ZÊBÓW W PROCESIE SKRAWANIA GRUNTU

50 E

N

5/2001 Jan MACIEJEWSKI

Andrzej JARZÊBOWSKI

ANALIZA ODDZIA£YWANIA UK£ADU ZÊBÓW W PROCESIE SKRAWANIA GRUNTU

ANALYSIS OF TEETH INTERACTION IN THE SOIL DIGGING PROCESS

W pracy przedstawiono program badañ eksperymentalnych weryfikuj¹cy oddzia³ywanie uk³adu zêbów w trakcie procesu urabiania oœrodka spoistego. Badania pozwoli³y na okreœlenie interakcji pomiêdzy elementami roboczymi, jak i pomiêdzy narzêdziami a œcianami bocznymi kana³u. Przedyskutowano wystêpowanie strefy p³askiego stanu odkszta³cenia dla na- rzêdzi o ró¿nych szerokoœciach oraz wp³yw oporów tarcia w trakcie procesu skrawania gruntu.

In the paper, an experimental verification of correctness of the common assumption that the plane strain conditions occur in the tests performed in soil bins is presented. An experimental program was executed basing on the soil cutting problem, with the application of vertical rigid walls of various widths as the working tools. It turned out that in the case of the tool width equal to the width of the soil bin, the soil cutting problems may be treated as the plane strain processes. The influence of the friction phenomena on the side walls of the bin was estimated. For the tools for which no interaction with the side walls of the bin was observed, the zone of the plane strain deformation occurred in the central part of the tools.

1. Badania eksperymentalne

Badania eksperymentalne przeprowadzono na stanowisku bada- nia procesów skrawania gruntów [1, 2] (Rys.1) z zastosowaniem spe- cjalnego osprzêtu, umo¿liwiaj¹cego okreœlenie oddzia³ywañ œcian bocznych w procesie naporu narzêdzi maszyn roboczych, jak rów- nie¿ wp³ywu tworzenia siê brzegowych mechanizmów przestrzen- nych (zmienna szerokoœæ narzêdzia, ró¿na konfiguracja jego usta- wienia wzglêdem kana³u ziemnego). Osprzêt sk³ada³ siê z szeregu niezale¿nych zêbów (1) o szerokoœci 65 mm, które mo¿na by³o mon- towaæ w dowolnej konfiguracji wzglêdem kana³u ziemnego. Testo- wane modele narzêdzi porusza³y siê za poœrednictwem trzech si³ow- ników hydraulicznych (4), których ruch sterowany by³ komputerowo przy pomocy zaworów elektromagnetycznych oraz pompy hydrau- licznej. Pomiar si³ realizowany by³ poprzez czujniki tensometryczne (2) umieszczone na sztywnej ramie (3).

Wykorzystuj¹c w pe³ni zautomatyzowane stanowisko badawcze przeprowadzono szeroki program badañ doœwiadczalnych procesu na- poru narzêdzi o ró¿nej szerokoœci. Wykorzystano w nich oœrodek spo- isty, bêd¹cy mieszanin¹ cementu (35% - 50%), betonitu (20%), piasku (18%) i bia³ej wazeliny (12%), o nastêpuj¹cych parametrach: k¹t tarcia wewnêtrznego - φ=24°, spójnoœæ- c=20 kPa, γ=18.4 kN/m³, odpowia- daj¹cych parametrom gliny. Oœrodek przygotowywany by³ w kanale (2mx1.2mx0.6m) posiadaj¹cym przeŸroczyste szklane œciany umo¿li- wiaj¹ce obserwacjê ruchu oœrodka oraz jego fotograficzn¹ rejestracjê.

W procesie naporu narzêdzi w kszta³cie pionowych zêbów o ró¿nej szerokoœci materia³ deformowa³ siê w postaci ruchu sztywnych obsza- rów wzd³u¿ linii poœlizgów (wyraŸnie widoczne pêkniêcia), wzd³u¿

których nastêpowa³a zmiana jego w³asnoœci (pocz¹tkowa spójnoœæ materia³u c zmniejsza³a siê do pewnej wartoœci resztkowej bliskiej c_r=0).

Eksperymenty wykonywane by³y w dwóch grupach:

1)testy z zêbami umieszczonymi centralnie wzglêdem kana³u (me- chanizm przestrzenny) o szerokoœciach 65 mm, 130 mm, 195 mm, 260 mm, 325 mm i 390 mm (Rys.1b),

2)testy z zêbami umieszczonymi przy œcianach bocznych kana³u (mechanizm przestrzenny + tarcia o boczne œciany) o szeroko-

œciach 130 mm, 260 mm, 390 mm i p³askiej œciany (Rys.1c).

Wszystkie eksperymenty przeprowadzone by³y dla jednakowych warunków pocz¹tkowych, tj. dla poziomego naziomu i g³êbokoœci skrawania h=100 mm. Narzêdzia porusza³y siê prostoliniowym ru- chem poziomym na odcinku 400 mm.

W trakcie trwania eksperymentu mierzono wartoœci si³ na narzê- dziach w funkcji przemieszczenia, a tak¿e wykonywano dokumenta- cjê fotograficzn¹.

Na rysunkach 2a i 2b przedstawiono przyk³adowe przebiegi war- toœci si³ odpowiednio dla testów z zêbami umieszczonymi centralnie jak i symetrycznie. Wynika z nich, ¿e si³a pozioma narasta³a w trak- cie procesu w sposób niestabilny. Moment spadku si³y odpowiada³ momentom tworzenia siê nowych mechanizmów deformacji oœrod- ka. Mechanizm ten zosta³ dok³adnie przebadany i opisany w pracach [1-4].

a)

b)

w

h

s

w

h w 2

2

c)

3 4

1

2 Fx

Fy

Rys. 1. Schemat programu badañ; a) schemat stanowiska, b) uk³ad zêbów umieszczony centralnie, c) uk³ad zêbów umieszczony przy œcianach bocznych

NAUKA I TECHNIKA

51 E

N

5/2001

2. Analiza wyników badañ

Porównuj¹c przebiegi testów z zêbami umieszczonymi central- nie wzglêdem kana³u mo¿emy nale¿y zwróciæ uwagê na nastêpuj¹ce spostrze¿enia:

1)przed w¹skim zêbem (65 mm) tworzy³ siê skomplikowany, trój- wymiarowy obszar deformacji, przedstawiony schematycznie na Rys. 3a w widoku z góry kana³u,

2)pocz¹wszy od szerokoœci 130 mm w strefie centralnej tworzy³ siê jednorodny stan deformacji (p.s.o.), który rozszerza³ siê liniowo wraz ze wzrostem narzêdzia (obszar DCGF na rys.3b). Obserwo- wany obszar by³ wê¿szy ni¿ szerokoœæ narzêdzia.

3)mechanizm przestrzenny tworz¹cy siê po obu bokach narzêdzia ulega³ nieznacznym zmianom dla szerokoœci 65, 130 i 195 mm, zaœ dla szerokoœci wiêkszych by³ jednakowy.

Analiza przebiegu eksperymentów z zêbami umieszczonymi sy- metrycznie wykaza³a, ¿e:

1)stan deformacji w strefie kontaktu oœrodka ze œcian¹ by³ jednako- wy niezale¿nie od szerokoœci narzêdzia tj.: dla szerokoœci 130, 260, 390 i 600 mm (p³aska œciana),

2)w strefie przy œcianach tworzy³ siê jednorodny stan deformacji (p.s.o.), który rozszerza³ siê wraz ze wzrostem narzêdzia (obszary ABFE i HIJK na rys. 4a),

3)dla szerokoœci 130 i 260 mm nie wystêpowa³o wzajemne oddzia-

³ywanie stref mechanizmów przestrzennych dla zêbów z lewej i prawej strony kana³u, zaœ dla szerokoœci 390 mm strefy te zaczy- na³y siê przenikaæ (rys.4b).

Do analizy procesu naporu narzêdziami o ró¿nej szerokoœci przy- jêto dwa kryteria: wartoœæ si³y naporu P_x w momencie pierwszego maksimum oraz wartoœæ pracy si³y naporu P_x na przemieszczeniu 50 mm. Wartoœci si³ naporu oraz prac si³ naporu na przemieszczeniu 50 mm przedstawiono odpowiednio na Rys. 5 i 6 dla ró¿nych szerokoœci narzêdzi. Wyniki testów dla narzêdzi umieszczonych centralnie ozna-

czono kwadratami, zaœ dla narzêdzi umieszczonych na brzegach ka- na³u zaznaczono kropkami. Wynik dla testu naporu p³askiej œciany o szerokoœci równej szerokoœci kana³u zaznaczono grubym x-em.

Porównuj¹c testy z zêbami umieszczonymi symetrycznie i cen- tralnie dla szerokoœci 130 i 260 mm mo¿emy stwierdziæ, ¿e zakresy stref p.s.o. i mechanizmów przestrzennych by³y jednakowe dla obu grup testów, zaœ wartoœæ si³y poziomej oraz wartoœæ pracy tej si³y by³y wiêksze dla testów z zêbami umieszczonymi symetrycznie.

Wyznaczaj¹c ró¿nicê pomiêdzy odpowiednimi testami otrzymamy wartoœæ sk³adowej si³y tarcia oraz wartoœæ pracy tarcia oœrodka o szybê dla testów symetrycznych (oznaczone na rys. 5 i 6 trójk¹tem). Do dalszej analizy przyjêto, ¿e wartoœci te nie zale¿¹ od szerokoœci na- rzêdzi (linia pozioma kropkowana na rys. 5 i 6).

Poniewa¿ przed narzêdziami umieszczonych centralnie o szero- koœciach 65 i 130 mm tworzy³y siê trójwymiarowe obszary deforma- cji, które nie ulega³y ju¿ zmianie dla narzêdzi szerszych, a jedynie rozdzielone by³y obszarami o jednorodnym stanie deformacji, przy- jêto, ¿e sk³adowa si³y (i pracy) konieczna do wygenerowania obsza- rów trójwymiarowych stabilizowa³a siê dla szerokoœci narzêdzi wiêk- szych od 130 mm (linia gruba ci¹g³a i przerywana na rys.5 i 6).

Bazuj¹c na powy¿szych dwóch wynikach wyznaczyæ mo¿na udzia³ si³y poziomej przypadaj¹cy na jednostkê szerokoœci strefy p.s.o.

(wspó³czynnik nachylonej prostej grubej i przerywanej na rys. 5 i 6) dla narzêdzi o szerokoœci mniejszej od szerokoœci kana³u, a tak¿e dla narzêdzia o pe³nej szerokoœci (wspó³czynnik linii cienkiej przerywa- nej). Ró¿nica nachylenia tych linii, mniejsza od 8% w przypadku naszych testów, potwierdza poprawnoœæ za³o¿enia wystêpowania p³a- skiego stanu odkszta³cenia w testach przeprowadzanych w kana³ach ziemnych dla narzêdzi o szerokoœci równej szerokoœci kana³u.

Fx [N] w=600 mm

(sztywna p³yta)

w=130 mm w=260 mm w=390 mm w=325 mm

w=65 mm w=195 mm

przemieszczenie [mm]

Fx [N] w=600 mm

(sztywna p³yta)

w=130 mm w=260 mm w= 390 mm

przemieszczenie [mm]

a) b)

Rys. 2. Przebieg si³y poziomej F_x dla testów z zêbami umieszczony- mi a) centralnie wzglêdem kana³u ; b) symetrycznie przy œcia- nach kana³u

a) b)

A B

A B

D C E

F G

H

P P

Rys. 3. Deformacja oœrodka dla uk³adu zêbów umieszczonych cen- tralnie

a ) b )

A B C

D F E

G I

K J L

H

P/2 P/2

Rys. 4. Deformacja oœrodka dla uk³adu zêbów umieszczonych syme- trycznie wzglêdem kana³u

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800

0 100 200 300 400 500 600

Fx [N]

szerokoœæ narzêdzia [mm]

Si³a generuj¹ca przestrzenny mechanizm zniszczenia

Sk³adowa si³y generuj¹cej p³aski stan odkszta³cenia

przestrzenny mechanizm zniszczenia

przestrzenny i p³aski stan odkszta³cenia Sk³adowa si³y tarcia

Rys. 5. Sk³adowe si³ urabiania

NAUKA I TECHNIKA

52 E

N

5/2001

3. Podsumowanie

Przeprowadzone badania eksperymentalne wykaza³y, ¿e dla oœrodka spoistego przebieg procesu skrawania ma charakter niesta- teczny, niezale¿nie od szerokoœci narzêdzia. Wystêpuj¹ charaktery- styczne efekty oscylacji si³ i skokowe zmiany mechanizmów defor- macji. Porównuj¹c badania dla narzêdzi o ró¿nej szerokoœci mo¿na wyci¹gn¹æ nastêpuj¹ce wnioski:

Rys. 6. Sk³adowe pracy si³ urabiania 0

10 20 30 40 50 60 70 80

0 100 200 300 400 500 600

szerokoœæ narzêdzia [mm]

W⁵⁰ [Nm]

sk³adowa pracy si³ tarcia

Praca generowania

p³askiego stanu odkszta³cenia Praca generowania

przestrzennego mechanizmu

1)Strefa p³askiego stanu odkszta³cenia generuje siê w centralnej czê-

œci narzêdzi, których szerokoœæ jest wystarczaj¹co du¿a (dla przed- stawionych eksperymentów szerokoœæ by³a > 130 mm dla g³êbo- koœci skrawania 100 mm).

2)Ddla narzêdzi centralnie po³o¿onych przy szerokoœci 320 mm praca generowania p³askiego stanu odkszta³cenia stanowi³a 50% ca³- kowitej pracy si³ urabiania. Obliczaj¹c udzia³ pracy generowania p³askiego stanu odkszta³cenia dla narzêdzia o szerokoœci 1000 mm (10 razy wiêkszej od g³êbokoœci skrawania) wyniesie on 80%

ca³kowitej pracy si³ urabiania.

3)Praca generowania mechanizmu przestrzennego zwi¹zana jest z szerokoœci¹ narzêdzia, przy czym od pewnej szerokoœci ma war- toœæ sta³¹.

4)Badania doœwiadczalne przy u¿yciu narzêdzi o szerokoœci równej szerokoœci kana³u mog¹ byæ traktowane jako badania przeprowa- dzone w p³askim stanie odkszta³cenia. Oddzia³ywanie ze œciana- mi bocznymi nie wp³ywa na mechanizm deformacji, zaœ praca si³ tarcia stanowi oko³o 10% pracy si³ urabiania (dla przedstawio- nych testów).

5)Wykonuj¹c badania eksperymentalne w kana³ach laboratoryjnych nale¿y tak dobieraæ szerokoœæ narzêdzi aby unikaæ ich interakcji ze œcianami bocznymi. Dla przyk³adu, przy proporcji g³êbokoœci skrawania do szerokoœci kana³u 1/6 oddzia³ywanie œcian bocznych obserwowano dla narzêdzi o szerokoœci przekraczaj¹cej 50 % sze- rokoœci kana³u.

4. Literatura

[1] Jarzêbowski A., Maciejewski J., Szyba D., Tr¹mpczyñski W.: On the energetically most efficient trajectories for heavy machine shoving process, Engineering Transactions, Vol. 43, 1-2, 1995, p 169-182.

[2] Jarzêbowski A., Maciejewski J., Szyba D., Tr¹mpczyñski W.: The optimization of heavy machines tools filling process and tools shapes (modelling test results), Symposium ISARC 1995, Automation and Robotics in Construction XII, E.Budny, A.McCrea, K.Szymañski (Editors), 1995 ImBiGS. p 159- 166.

[3] Mróz Z., Maciejewski J.: Post-critical response of soils and shear band evolution, Chambon, Derues, Vardoulakis (eds.): Localisation and bifurcation theory for soils and rocks, Proceedings of the third international workshop, Grenoble (Aussois), France, 6-9 September 1993, p 19-32, Balkema 1994.

[4] Jarzêbowski A., Maciejewski J., Szyba D., Tr¹mpczyñski W.: Experimental and theoretical analysis of a cohesive soil shoving process (the optimisation of the process), Proceedings, 6th European ISTVS Conference, 28-30.09.1994 (Wieden, Austria).

**********

Pracê wykonano w ramach Projektu Badawczego KBN nr 8 T07C 029 20 p.t.: "Analiza procesów urabiania gruntu przy uwzglêdnieniu efektów zu¿ycia narzêdzi i ich kszta³tów".

**********