РОЗДІЛ 2
Теоретичне обґрунтування робочого органа
ярусного глибокорозпушувача
Теоретичні передумови до обґрунтування ґрунторозпушувальної поверхні
Обґрунтування моделі ґрунтового середовища
Врахувати всі процеси, які протікають в ґрунті при розпушенні, практично
неможливо, тому необхідно обмежитися невеликою кількістю показників стану
ґрунту, які достатньо повно характеризують його стан.
Взаємодію робочого органа з ґрунтом зводять переважно до взаємодії твердого
недеформованого тіла з трьохфазним середовищем: твердим, рідким і газоподібним
[140]. Мінеральні частинки вважаються твердою фазою.
При взаємодії ґрунту з робочими органами проявляються пружні, в’язкі та
пластичні властивості [77, 131]. Пріоритет виду властивостей залежить від
швидкості навантаження та часу релаксації (tрел»0,17-0,18 с) [131]. Реологічні
дослідження ґрунтів проводили П.М.Василенко, А.С.Кушнарьов, Д.Д.Прокопенко,
В.І.Кузьмін, Д.І.Золотаревська, В.І.Калінін, А.В.Баунов, В.Н.Сиротюк,
В.Н.Савіних польські вчені Z.Grosba, A.Pukos, угорські S.Gyцrgy [77]. Питання
моделювання напруженого стану розглянуті в роботах А.Г.Назарова,
Г.І.Покровського, Г.Н.Кузнєцова, різання ґрунту в роботах А.Н.Зеленіна,
В.І.Баловнєва, Ю.А.Ветрова, Д.І.Федорова, А.В.Гусева, В.Г.Волобоева, зарубіжних
вчених: Г.Мерфі, Д.Шурінг. В залежності від співвідношення пружних, в’язких та
пластичних властивостей при малих швидкостях деформації різні ґрунти ведуть
себе по різному. Вважається, що при одноразовому та короткочасному навантаженні
ґрунти різного стану можуть вести себе однаково [140].
В залежності від умов навантаження ґрунтове середовище розглядають як
пружно-пластичне [131], сипуче [20], в’язко-пружне [58, 131], в’язко-пластичне
[77], пластичне та майже суцільне середовище, систему зв’язаних частинок [31].
Пружний, в’язко-пружний, пастичний стан ґрунту розглядали Я.Г.Цимбал,
В.І.Виноградов, А.С.Кушнарьов, I.V.Perumpral, I.B.Zielendahl, W.H.Perloff,
I.Joshida, G.E.Coleman, R.N.Vond, E.A.Fattah, O.Kitani, M.Ichikawa, T.Isa
[77].
Різні моделі ґрунту можна звести до одної найбільш розповсюдженої моделі
суцільного середовища. Основною перевагою при цьому є можливість розгляду
напружень і деформацій нескінченно малих елементів об’єму тіла з переходом до
напружено-деформованого стану всього тіла.
Багато відомих вчених, зокрема таких як: В.П.Горячкін [41], Г.Н.Синєоков [111],
А.С.Кушнарьов та ін, вважають що ґрунт відноситься до складного, але звичайного
фізичного тіла, якому властиві закони деформації ідеального тіла.
При обробці об’єму ґрунту розміри якого в усіх напрямках перевищують 50 мм,
його можна моделювати як суцільне квазіоднофазне середовище [75]. В цих же
умовах, прийнятною є модель ґрунту, яка зведена до тіла Шведова-Бінгама, за
якою поведінка ґрунту, під дією на нього робочого органу, до руйнування
макроструктури, представляється як пружна, потім як пружно-в’язко-пластична, до
досягнення границі пластичності, а після границі пластичності – як пластична
[13].
При розгляді відриву блока ґрунту, що сколюється, в основному модель ґрунту
представляють у вигляді суцільного пружного середовища (Е.Д.Афонін). Така ж
схема розглядається при згині та крученні консольної балки Ю.В.Луканіним.
Відомі твердження що, дослідження згину ґрунтової скиби, можна розглядати як
згин ґрунтової балки з використанням положень опору матеріалів [54]. При цьому
необхідно врахувати двомірність ґрунтового середовища та циклічний характер
подрібнення ґрунту [20], з поступовим руйнуванням більших агрегатів
призматичної форми [40] на менші.
В теорії руйнування ґрунтів найбільш важливим питанням є встановлення
залежності напружень від деформації.
При згині ґрунтового шару у верхніх шарах виникають напруження стиску, а в
нижніх – розтягу, при чому, внаслідок різного опору ґрунту деформаціям розтягу
і стиску, ґрунтовий об’єм з напруженнями розтягу переважає і може становити до
82% всього об’єму [36]. Руйнуючі напруження розтягу є значно меншими відносно
руйнуючих напружень стиску, зсуву чи згину, а за даними Д.І.Золотаревської, при
малих значеннях напружень, вони (напруження) є приблизно пропорційними
деформаціям [58].
З іншої сторони для ґрунтів широко використовується степенева залежність
напружень та деформацій [58]:
у=с·ем;
де с, м – емпіричні коефіцієнти, при чому для розпушених ґрунтів м>1, для
щільних м<1, звідки можна зробити припущення, що для ґрунтів середньої
щільності м>1, що призведе до пропорційного виду наведеної залежності у(е).
З в’язкопружної моделі Кельвіна [58]:
де t – час; Е – модуль пружності середовища; м – коефіцієнт в’язкості.
Залежність у(е) є пропорційною при сталій швидкості деформації (dе/dt=const).
Згідно наведених тверджень, при постійній швидкості деформації ґрунту,
залежність напружень та деформації є пропорційною.
В вузькому діапазоні зміни швидкості деформації, її вплив на напруження
руйнування розривом можна виразити лінійною залежністю s =s0(1+КрелVд) [140]
(Крел – коефіцієнт, який враховує релаксаційні властивості ґрунту, Крел=0,25
[140]; s0 – напруження в ґрунті від дії руйнуючих зусиль за 1 с).
При розпушенні ґрунту потрібно скоректувати лише його макроструктуру без
руйнування структурних ґрунтоагрегатів, тому розробка потенційно
малоенергоємного глибокорозпушувача повинна базуватися на основі пружних
властивостей ґрунту з пропорційною залежністю між напруженнями та деформацією
розтягу. При цьому необхідною умовою є сталість швидкості деформації розтягу
нижніх волокон ґрунтової скиби при її згині. Ґрунтова скиба розглядається як
однорідне за щільністю, суцільне середовище утворене сукупністю
- Київ+380960830922