РОЗДІЛ 2
ТЕОРЕТИЧНІ ДОСЛІДЖЕННЯ ПРОЦЕСУ ГЛИБИННОГО РОЗПУШЕННЯ ҐРУНТУ САМООБЕРТОВОЮ ФРЕЗОЮ
Основною метою викладених теоретичних досліджень є розробка математичних моделей для інженерного розрахунку при проектуванні глибинного розпушувача із самообертовими фрезами.
Крім того в розділі передбачається: обґрунтувати параметри самообертової фрези, дослідити вплив основних факторів на параметри розпушувача.
2.1. Особливості процесу розпушення ґрунту глибинним розпушувачем із самообертовою фрезою
На основі аналізу конструкцій робочих органів розпушувачів та процесу глибинного розпушення [1, 14, 16, 20, 25, 28, 30, 39, 49, 51, 54, 58, 60, 70, 86, 89, 92, 141, 145] пропонується конструкція глибинного розпушувача (рис. 2.1.), новизна якого підтверджена патентом UA. 36133. C2. 15.07.03 (додаток В ).
Він включає щілиноріз 1, з товщиною h*, шириною lб, кутом загострення робочої грані ?, глибиною обробітку Н і робочий орган якого складається із дренера 2 діаметром d до якого кріпиться, з можливістю обертання, самообертова фреза 3, тіло обертання якої дає діаметр D. Сама фреза складається із циліндричного тіла до якого жорстко кріпляться руйнівні елементи, товщина яких k, кількість z. Кожен руйнівний елемент виконано у вигляді гвинтової поверхні, крок якої збільшується в напрямку, протилежному до напрямку руху, на величину, що визначається кутом між дотичними в початковій і кінцевій точках розвертки поверхні. Причому останній, не перевищує кута ковзання частинок ґрунту по поверхні, а її довжина є частиною кроку решітки профілів по зовнішньому діаметру тіла, що приходиться на зміну кроку, а її відношення до повного кроку,
Рис.2.1. Глибинний розпушувач із самообертовими фрезами:
1 - ніж щілиноріза; 2 - дренер; 3 - самообертова фреза
в найбільш поширених ґрунтах становить 0,25...0,3 [29, 55, 60, 77]. Крім того ніж щілиноріза, дренер і самообертову фрезу виконано за розмірами при яких добуток різниці площі перерізу тіла обертання розпушувача Sоб (рис 2.2)
Рис. 2.2. Переріз тіла обертання фрези з проекціями на нього щілиноріза та дренера:
Sпр - площа проекцій ножа щілиноріза та дренера;
Sоб - площа перерізу ґрунту в межах тіла обертання фрези
та проекції на неї ножа і дренера Sоб з коефіцієнтом об'ємного розпушення kр рівний площі перерізу тіла обертання розпушувача Sоб, тобто:
. (2.1)
В якості вихідних передумов наведених досліджень покладено:
1. Ґрунт - однорідне ізотропне середовище, яке характеризується зчепленням, внутрішнім та зовнішнім тертям, щільністю та вологістю.
2. Тіло сколу розглядається як тверде тіло у вигляді складного об'ємного фрагменту сегмента циліндра.
3. Впливом швидкості різання та силою тяжіння ґрунту на опір переміщенню розпушувача нехтуємо (швидкість різання не перевищує 2м/с).
4. Закон розподілу нормального тиску по площині руйнівного елемента прийнято лінійний зі зменшенням в сторону осі обертання фрези та в сторону, протилежну напрямку руху останньої до нуля, а точка прикладання сили сколювання ґрунту лежить на відстані 1/3 ширини сколювальної поверхні руйнівного елемента з боку вільного кінця і 1/3 проекції розгортки напрямної лінії прикладання сили сколювання на напрямок руху елемента.
Таким чином, змінюючи геометричні параметри ножа щілиноріза, дренера і самообертової фрези є можливість отримувати на виході із фрези ґрунт з певним, заданим на початку виготовлення фрези, коефіцієнтом об'ємного розпушення kр.
Принцип дії глибинного розпушувача полягає в наступному. При поступальному русі ножем щілиноріза 1 і дренером 2 в ґрунті утворюється порожнина. За дренером рухається самообертова фреза 3, яка під дією тиску з боку зустрічного потоку ґрунту обертається. При цьому ґрунт, який знаходиться в межах тіла обертання фрези поділяється на сегментні потоки і на сколювальній частині руйнівного елемента подрібнюється та укладається в об'єм порожнини.
Окремим випадком є виконання робочого органа розпушувача з можливістю подачі в зону глибинного розпушення рідкого меліоранта (меліоративного чулка) і дане обладнання призначене для збільшення навколодренної площі.
Рис.2.3. Глибинний розпушувач з конструкцією, що передбачає внесення в зону розпушення ґрунту рідкого меліоранта
Такий глибинний розпушувач (рис 2.3.) складається із щілиноріза 1 до якого жорстко приєднано дренер 2. Співвісно з дренером кріпиться самообертова фреза 3. Рідкий меліорант транспортується через трубку 4, що розташована на ножі, до порожнини всередині самообертової фрези.
Прокладання протиерозійної системи ведеться з похилом, що не повинен перевищувати 0,02 м [53, 60, 94, 111].
Швидкість поступального руху робочого органа і, відповідно швидкість розробки ґрунту, не повинна перевищувати 2 м/с.
Розпушення ґрунту ведеться в ґрунтах І...ІІІ категорії на території України, (на глибині 0,5 - 1,5 м. від денної поверхні) де найбільш поширеними є [12, 56, 60, 103] суглинисті, глинисті та супіщані ґрунти з числом ударів щільноміра Суд = 5...15. Інтервал по їх природній вологості знаходиться в межах 10...15 % для супісків, 15...25 % для суглинків, 25...35 % для глини. Відповідно для наведених ґрунтів коефіцієнт консистенції буде становити: для супіску - 0,3<Вк<0,2; для суглинку - 0,2<Вк<0,4; для глини 0<Вк<0,5 [2, 7, 11, 12, 33, 41, 49, 60, 77, 94, 101, 133]. Ґрунти на об'єктах, що підлягають глибинному розпушенню часто змінюються за глибиною і по площі.
Характеристики основних типів ґрунту, що відносяться по важкості розробки до ІІ...ІІІ категорії, наведено в таблиці 2.1.
Таблиця 2.1
Основні фізико - механічні властивості ґрунтів, які відносяться по трудності розробки до ІІ - ІІІ категорій (визначені згідно методики [Ошибка! Ошибка связи.])
Основні показники ґрунтівТип ґрунтуТвердий супісокНапів-твердий суглинокТвердий суглинокТуго-пластична глинаНапів-тверда глинаПриродна вологість, ?%10...1417...2010...1428...3523...28Коефіцієнт консистенції, Вк
Вк<00<Вк<0,25Вк<00,25<Вк<00<