Badanie procesu urabiania ośrodka gruntowego koparką podsiębierną, Laboratoria z Soil Mechanics and Foundations

Pobierz Badanie procesu urabiania ośrodka gruntowego koparką podsiębierną i więcej Laboratoria w PDF z Soil Mechanics and Foundations tylko na Docsity! Wprowadzenie do ćwiczenia laboratoryjnego: Badanie procesu urabiania ośrodka gruntowego koparką podsiębierną 1. Definicje podstawowe Proces kopania charakteryzuje się przede wszystkim tym, że narzędzie robocze, w formie naczynia skrzyniowego (łyżka, czerpak), prowadzone po torze zwykle krzywoliniowym, odcina swoimi krawędziami (często wyposażonymi w zęby) od calizny (często w postaci skarpy) warstwę gruntu zwaną skibą, która w postaci urobku gromadzi się w jego wnętrzu. Naczyniem koparki można także nabierać, nie przez urabianie warstwowe, urobek sypki składowany w hałdę. Łyżka ustawiona pod dużym kątem przyłożenia może także służyć do równania lub oczyszczania terenu. Koparki ze względu na ilość naczyń można podzielić na koparki jednonaczyniowe i koparki wielonaczyniowe. Z kolei koparki jednonaczyniowe dzieli się na koparki: podsiębierne (rys. 1), przedsiębierne (rys. 2), chwytakowe (rys. 3) i zgarniakowe (rys. 4). Rys. 1. Koparka podsiębierna Rys. 2. Koparka przedsiębierna Rys. 3. Koparka chwytakowa Zadania do wykonania: a) Wyznaczyć teoretyczną objętość urabianego gruntu b) Wyznaczyć gęstość objętościową urabianego gruntu c) Wyznaczyć masę teoretycznie urobionego gruntu d) Porównać teoretyczną masę urobku z masą rzeczywistą – z czego mogą wynikać ewentualne różnice ? Rys. 6. Schemat stanowiska badawczego wraz ze schematycznym przedstawieniem eksperymentu 3. Opory urabiania Modelowy rozkład sił działających na łyżkę w procesie kopania przedstawia rys. 7. W ogólnym przypadku siłę Fk jaką należy przyłożyć do łyżki, aby realizować proces kopania określa zależność: 𝐹𝑘 = 𝐹𝑜 + 𝐹𝑛 + 𝐹𝑡 + 𝐹𝐻 + 𝐹𝐽 (7), w której: Fk – opór kopania, Fo – opór odspajania gruntu, Fn – opór napełniania łyżki urobkiem, Ft – opór tarcia łyżki o grunt (nie dotyczy krawędzi skrawających), FH – opór wynikający ze składowej siły ciężkości urobku zawartego w łyżce, FJ – opór bezwładności nabieranego urobku, który ze względu na małą prędkość odspajania koparkami jednonaczyniowymi jest pomijany w obliczeniach. Do oporu odspajania Fo łyżką koparki wlicza się przede wszystkim opór związany z niszczeniem struktury odspajanej skiby gruntu Foo i opór wcinania się w grunt ostrych krawędzi tnących poziomej i bocznych Fwo oraz opory tarcia gruntu o wewnętrzne i zewnętrzne powierzchnie ostrza skrawającego Ft1 i Ft0. Wymienione składowe oporu odspajania oznaczono na rys. 7a liniami przerywanymi. Dla łyżki z ostrymi krawędziami skrawającymi oraz procesu kopania realizowanego z nominalnym kątem przyłożenia i skrawania (rys. 7a), opór odspajania o kierunku stycznym do toru ruchu łyżki określa się zwykle z zależności: 𝐹𝑜 = 𝐴𝑠 ∙ 𝑘𝐴 (8), w której: As = h·b – przekrój skiby, kA – jednostkowy opór kopania koparką jednonaczyniową odniesiony do powierzchni przekroju poprzecznego odspajanej warstwy (skiby) (tab. 1), h – wysokość skiby, b – szerokość skiby (b≈Bł). Opór napełniania łyżki koparki Fn, na który składają się opory piętrzenia urobku w łyżce, zwłaszcza na tylnej ściance oraz opory tarcia o wewnętrzne ścianki łyżki, a zwłaszcza o dno łyżki, zależy przede wszystkim od zawartości urobku w łyżce i od kąta przebiegu trajektorii kopania skiby (nachylenia skarpy). W przybliżeniu całkowity opór napełniania o kierunku stycznym do toru kopania można wyznaczyć dla koparek podsiębiernych z zależności: 𝑎𝑟𝑐𝑡𝑔 ( 𝑢𝑝 𝑢𝑠 ) ≥ 𝛿𝑛 (11), grunt jest zgniatany całym dnem łyżki, a w wyniku tego występuje maksymalna wartość oddziaływania normalnego i maksymalne opory tarcia. Ze wzrostem stępienia krawędzi łyżki (rys. 7d) wzrasta jej opór wcinania w grunt oraz zewnętrzne oddziaływanie normalne gruntu na łyżkę, a wiec i opór tarcia. Wynika to ze zwiększonej objętości gruntu zgniatanego krawędzią o większym promieniu. Sumę dodatkowych oporów tarcia Ft o kierunku stycznym do toru odspajania określa się zwykle za pomocą współczynników zwiększających wartość podstawowego oporu odspajania gruntu, a mianowicie: 𝐹𝑡 = 𝐹𝑜 ∙ (𝑘𝑝 ∙ 𝑘𝑡 − 1) (12), gdzie: kp  1 – współczynnik uwzględniający przyrost oporu tarcia w wyniku naporowego odspajania, kt = 1.11.2 – współczynnik uwzględniający opór wynikający ze stępienia krawędzi łyżki. Opór podnoszenia FH W koparkach przedsiębiernych i podsiębiernych w czasie pracy łyżka jest obciążona ciężarem zawartego w niej urobku. Jego składowa styczna do toru odspajania dla łyżki zorientowanej pod katem ł wynosi: 𝐹𝐻 = 𝐺𝑢𝜑 ∙ 𝑠𝑖𝑛(𝜑ł) (13), gdzie: ł – kąt jaki tworzy wektor grawitacji z normalną do trajektorii skrawania, Gu - ciężar zgromadzonego w łyżce, w danej chwili urobku. 4. Eksperymentalne określenie oporów urabiania gruntu koparką podsiębierną - przebieg eksperymentu W celu określenia sumarycznych oporów urabiania należy wykorzystać stanowisko badawcze (tzw. symulator koparki), którego schemat zamieszczono na rys. 6. Stanowisko to może realizować zadane trajektorie łyżką roboczą (w tym zadane trajektorie skrawania modelowego gruntu) oraz jednocześnie rejestrować następujące wielkości fizyczne: 4_3 [] – aktualny kąt ustawienia wysięgnika względem nadwozia symulatora koparki, 5_4 [] – aktualny kąt ustawienia ramienia względem wysięgnika, 6_5 [] – aktualny kąt ustawienia narzędzia względem ramienia koparki, 6 składowych obciążenia tj. siły Fx, Fy i Fz oraz momenty Mx, My i Mz w punkcie mocowania łyżki do złącza koparki (patrz rys. 8). Z wykorzystaniem stanowiska badawczego należy wykonać dwa cykle skrawania modelowego gruntu stosując dwa różne kąty przyłożenia oraz taką samą głębokość kopania hk (patrz rys. 6). Zrealizować dwa skrawy otwierające obracając z niewielką stałą prędkością ramię względem wysięgnika. Przed wykonaniem każdego skrawu ustawić z wykorzystaniem układu sterowania stanowiska odpowiednią głębokość skrawania i kąt przyłożenia. Kąt przyłożenia zadawany jest poprzez ustawienie odpowiedniej wartości kąta 6_5 . Pomiędzy kątem przyłożenia a kątem ustawienia narzędzia 6_5 istnieje poprzez wielkość R następująca współzależność: 𝛿𝑛 = 90° − 𝛾 − 𝛽 (14) 𝛾 = 𝑎𝑟𝑐𝑐𝑜𝑠 ( 𝑅2+𝑙6 2−𝑙5 2 2∙𝑅∙𝑙6 ) (15). Kąt  wynika z geometrii narzędzia i dla łyżki wykorzystywanej w czasie pomiarów wynosi 66.97 (patrz rys. 8). Rys. 8. Schemat definiujący, niektóre wielkości wykorzystywane w instrukcji W czasie pomiarów przetwornik obciążeń mierzy, a system rejestruje siły, które są wynikiem urabiania gruntu w sumie z siłami, które są składowymi ciężaru łyżki Q=360 [N]. Dlatego po przeprowadzeniu pomiarów od zmierzonych wartości sił Fx i Fz należy odjąć składowe ciężaru łyżki wykorzystując poniższe zależności: 𝐹𝑥 ′ = 𝐹𝑥 − (𝑄 ∙ 𝑠𝑖𝑛(𝜑6_5 + 𝜑5_4 + 𝜑4_3) + 𝑑𝐹𝑥) (16) 𝐹𝑧 ′ = 𝐹𝑧 − (𝑄 ∙ 𝑐𝑜𝑠(𝜑6_5 + 𝜑5_4 + 𝜑4_3) + 𝑑𝐹𝑧) (17) gdzie: dFx= 34 [N] i dFz=23[N] to tzw. współczynniki przesunięcia zera. Osie układu współrzędnych przetwornika siły nie pokrywają się z kierunkami stycznym i normalnym do trajektorii skrawania gruntu. Stąd wynika konieczność transformacji sił Fx’ i Fz’ do układu obróconego o kąt . W tym celu można skorzystać z poniższych równań: 𝐹𝑥′ ′ = 𝐹𝑧 ′ ∙ 𝑠𝑖𝑛(𝛾) + 𝐹𝑥′ ∙ 𝑐𝑜𝑠(𝛾) (18) 𝐹𝑧′ ′ = 𝐹𝑧 ′ ∙ 𝑐𝑜𝑠(𝛾) − 𝐹𝑥′ ∙ 𝑠𝑖𝑛(𝛾) (19) Zinterpretować otrzymane przebiegi sił Fx’’ i Fz’’. Literatura 1. Kazimierz Pieczonka: Inżynieria maszyn roboczych. Część I. Podstawy urabiania, jazdy, podnoszenia i obrotu. Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2007 r. 2. Praca zbiorowa pod redakcją Jana Szlagowskiego: Automatyzacja pracy maszyn roboczych. Metodyka i zastosowania. WKiŁ, Warszawa 2010 r.