ОСОБЕННОСТИ ИЗНАШИВАНИЯ РАБОЧИХ ОРГАНОВ СТРОИТЕЛЬНЫХ И ДОРОЖНЫХ МАШИН
Пилюшина Г.А. (БГИТА, г. Брянск, РФ)
The analysis of processes of wear process of working elements of road and building technics is carried out. The reasons intensifying deterioration of working elements are established by ground working out.
Многообразие рабочих органов дорожных машин, отличающихся характером воздействия на грунт, объясняется, прежде всего, различными физико-механическими свойствами породы, основными минералами которой является кварц, полевой шпат, слюда и другие. Кварц, являющийся основой песков и суглинков имеет твердость 800-1000 кг/мм2, превышающую твердость металла, из которого изготовлены рабочие органы землеройных машин.
Поэтому такие детали рабочих органов, как зубья и передние стенки ковшей, ножи бульдозеров и автогрейдеров, дробящие плиты камнедробильных машин и подвержены интенсивному изнашиванию со скоростью 5- 400 мк/ч.
Большинство землеройных машин устроено и действует по принципу резания грунта и в процессе работы им необходимо преодолевать комплексное сопротивление копанию. При этом на силу резания грунта приходится наибольшая часть силы капания. Так у бульдозеров сила резания составляет порядка 60-85% силы копания, а у экскаваторов она достигает 74%. Таким образом, сопротивление резанию грунта преобладает в составе суммарного рабочего сопротивления землеройных машин особенно в условиях их расчетного рабочего режима.
Процесс резания грунта заключается в следующем: в первый момент осуществляется внедрение клина, затем образуется так называемое ядро уплотнения. При дальнейшем возрастании усилия резания происходит скол крупного куска грунта. В момент отделения куска клин резко освобождается от нагрузки и ударяется о следующий уступ массива грунта. В результате такого процесса образуется своеобразный характер нагружения, осциллограмме которого присуще пики ударной нагрузки и некоторое статическое нагружение. В ряде случаев наблюдается удар с проскальзывание, как при разработке кусковых пород.
Землеройные машины работают с ножами, всегда затупленными до определенной степени. Их форма и размеры изменяются вследствие абразивного воздействия грунтов. Например, ножи автогрейдеров изнашиваются по своей режущей кромке и в зависимости от абразивности разрабатываемых грунтов имеют в среднем долговечность от 80 до 400 часов. Долговечность ножей определяется их износом по ширине, который составляет при угле резания ножа 35° приблизительно 45-55 мм. В этом случае площадка износа ножа достигает значений порядка 17 мм и более. Износ по толщине ножа незначителен, и им обычно пренебрегают. В связи с тем, что с ростом площадки износа ножа наблюдается резкий рост сопротивлений, предельную величину износа ножа автогрейдеров принимают равной 10-12 мм.
Ножи бульдозеров изнашиваются так же, как и ножи автогрейдеров по своей режущей кромке, и имеют износ поверхности в виде царапин и вырывов различной глубины и ориентации, зависящих от характера выполняемой работы. Долговечность ножей бульдозеров при разработке грунтов колеблется в пределах от 240 до 720 часов.
Столь малые сроки использования рабочего органа объясняются значительным увеличением силы резания при работе изношенными ножами. На рисунке 1 показана схема сил, действующих на нож с площадкой износа.
Рисунок 1- Схема сил, действующих на изношенный нож
При продвижении в грунте нож с площадкой износа преодолевает, кроме сопротивлений своей передней грани, сопротивление площадки износа, которая образуется под некоторым отрицательным углом к преобладающей траектории резания. Сопротивления площадки износа слагаются из нормальных и касательных сопротивлений сжатию и снятию грунта. Их результирующая сила отклоняется от нормали к площадке износа ножа на угол трения μ. При этом ее касательная и нормальная к траектории ножа, составляющие RРпл. и RNпл. связаны между собою зависимостью
,
где δ1- угол наклона к площадке износа по отношению к траектории.
Согласно этому равенству, по величине одной из составляющих сил сопротивления грунта, углу трения ножа о грунт и углу резания можно определить вторую составляющую силу, а также результирующую силу дополнительных сопротивлений, среднее давление на площадке износа σпл. и среднее касательное напряжение на ней τпл. Среднее давление на площадку износа имеет вид
,
где а - ширина площадки износа, b - ширина ножа.
При этом эпюра давлений имеет вид выпуклого криволинейного треугольника с наибольшей ординатой в точках площадки износа, наиболее удаленных от режущей кромки.
Вторым видом износа режущего инструмента, оказывающим значительное влияние на сопротивление грунта, является затупление.
Профиль затупления ножа представляет собой кривую, сопрягающуюся с контуром граней. Четкой границы между режущей поверхностью и гранями ножа нет. Истинный профиль режущей поверхности в расчетах заменяется дугой окружности, вписанный в него и сопрягающейся с профилем граней ножа. Степень затупления условно характеризуется радиусом этой окружности, а глубина резания затупленным ножом измеряется от центра окружности затупления.
Особенностью процесса резания затупленным ножом является образование на поверхности затупления грунтового нароста, который дополняет тело ножа и непосредственно участвует в работе резания грунта. Затупление ножей существенно увеличивает силу резания.
Износ ножей вблизи режущей кромки и в удалении от нее имеет неравномерный характер. Вблизи режущей кромки нож своей поверхностью взаимодействует с частицами грунта, еще зафиксированными в массе, которые воздействуют на нож как резцы, что интенсифицирует процесс изнашивания кромки. По мере удаления от режущей кромки увеличиваются напряжения и деформации в грунте, структурные связи между частицами разрушаются, они приобретают подвижность, и их движение вдоль поверхности резца имеет характер перекатывания, что несколько снижает их абразивное воздействие на поверхность резца, хотя давление на грунт возрастает.
Кроме того, на интенсивность изнашивания рабочих органов строительных и дорожных машин существенное влияние оказывают физико-механические свойства разрабатываемого грунта: его сцепление, внутреннее и внешнее трение, а также значения удельного сопротивления резанию грунтов.
Поэтому при разработке методики испытаний материалов рабочих органов строительных и дорожных машин основное внимание следует уделять оценке механизма абразивного изнашивания и анализу существующих методов оценки износостойкости материалов в условиях абразивного и ударно-абразивного изнашивания.