Лабораторна робота №3

Тема роботи: Вимірювання сил різання ґрунтів

Мета роботи: Ознайомлення з експериментальними методами визначення закономірностей сил різання ґрунтів, поглиблення і закріплення теоретичних знань в цій галузі.Загальні відомості про різання ґрунтів.

Різання ґрунтів - одна з основних операцій в робочому процесі більшості машин для земляних робіт. В технічному розумінні під різанням ґрунтів мається на увазі процес відокремлення від земляного масиву шматків або шарів інструментом клиноподібної форми. У фізичному сенсі це один із способів механічного руйнування ґрунтів.

Опір ґрунту різання залежить від їх міцності і геометричних умов процесу (товщини і ширини зрізу і кута різання), а також ступеня зносу різального інструменту.

Одна з найбільш істотних особливостей процесу різання ґрунтів виявляється в просторовому характері взаємодії з різальним інструментом – утворення трапецієподібного перерізу під час блокованого різання, виникненні різних за величиною і природою опорів ґрунту руйнуванню в різних частинах зони руйнування ґрунтового масиву перед інструментом і в неоднакових залежностях сили різання від ширини і товщини зрізу.

За результатами експериментальних досліджень процесу різання ґрунтів отримують дані для проектування нових і модернізації існуючих машин для земляних робіт.

Лабораторне обладнання

Рис. 1 Динамометричний стенд

Для виконання лабораторної роботи застосовується динамометричний стенд, лабораторні ваги, комплект тензометричної апаратури і вимірювальні інструменти. Як модель ґрунту використовується парафін, який за своїми фізико-механічними властивостями і характером утворення перерізу відповідає щільним глинистим ґрунтом. Динамометричний стенд (рис. 1) складається із рами з жорстко закріпленими напрямними 1, по яким переміщається динамометричний візок 9 за допомогою привода із клинопасової передачі 3 і передачі із гвинта 5 і гайки 6 від електродвигуна 2. На торці гвинта 5 встановлена кулачкова муфта 7, призначена для з’єднання із змінним штурвалом 8 ручного привода гвинта. Для обмеження переміщення динамометричного візка передбачені кінцеві обмежувачі 10.

1- напрямні;

2- електродвигун;

3- клинопасова передача;

4- штурвал зміни глибини різання;

5- гвинт;

6- гайка;

7- муфта;

8- штурвал;

9- динамометричний візок;

10- кінцеві обмежувачі;

11- котки;

12- вертикальні напрямні;

13- гвинт;

14- супорт;

15- горизонтальна тензометрична балка;

16- серга;

17- вертикальна тензометрична балка;

18- хомут;

19- вузол кріплення моделей робочого органа.

20- піддон з ґрунтом.

Динамометричний візок 9- це контурна рама, закріплена на осях котків 11. До рами жорстко приєднані вертикальні напрямні 12, по яким за допомогою гвинта 13 із штурвалом 4 пересувається супорт 14. На супорті закріплені горизонтальна 15 і вертикальна 17 тензометричні балки, до яких за допомогою серги 16 і хомутів 18 підвішений вузол кріплення моделей робочих органів 19. Піддон з ґрунтом 20 закріплюється на рамі стенда.

У візку застосована незалежна підвіска вузла кріплення моделей робочих органів, що дозволяє вимірювати силу опору ґрунту різанню, виключаючи сили опору пересуванню візка по напрямних.

Сили різання визначаються за деформацією тензометричних балок.

Відповідно до схеми сил, що діють на модель робочого органа, дотична складова сили опору ґрунту різанню Rp, що чисельно дорівнює силі різання Р, знаходиться з суми проекцій всіх сил на вісь Х, що збігається з напрямком різання.

Звідси випливає, що Rp дорівнює різниці сил у тягах, які безпосередньо діють на вертикальну тензометричну балку:

Нормальна складова сили опору ґрунту різанню Rн, що чисельно дорівнює нормальній силі різання N, визначається за сумою проекцій всіх сил на вісь Z, нормально до напряму різання:

Звідси тобто силі, що деформує горизонтальну тензометричну балку.

В основу методів вимірювання дотичних опорів ґрунту різанню покладено тензометричний ефект-зміну електричного опору металевого дроту датчиків при його пружній деформації.

Датчики наклеюються на поверхні тензометричної балки за допомогою полімерного клею за спец. Технологією.

Рис. 2 Схема розміщення і з’єднання тензометричних датчиків у вимірювальні мости.

Датчики, що наклеєні на тензометричної балки, з’єднують у мостову схему. На кожну тензометричну балку (рис. 2) наклеєно по чотири датчики, що виконують функції одночасно робочих і компенсаційних. Таке підключення датчиків дозволяє реєструвати тільки різницю напруг на базовій ділянці балки, що розташована між дотичними.

Сторону балансу мостових схем вимірюванню дотичної і нормальної складових сил опору ґрунту різання відповідають рівності:

- опір тензодатчиків;

- сталий опір;

- змінний опір.

Шлейф осцилографа – це магнітоелектричний гальванометр (рис. 3). В рівномірному силовому полі магніту 1 розташований провідник 2, на якому закріплено дзеркало 3. Провідник увімкнутий у вимірювальну діагональ моста. Коли струм походить по провіднику, останній разом із дзеркалом

внаслідок взаємодії струму і магнітного поля повертається навколо вертикальної осі на кут, пропорційній величині струму.

Шлейф закріплений в корпусі, який

заповнений гліцерином для гасіння коливань

провідника. Корпус має отвір в який вбудо-

вана лінза Л1. Світловий промінь від джерела

світла Д проходить через конденсатор К і

лінзу Л1 і Л2 і досягає фотопаперу Ф.

Фотопапір при роботі осцилографа пере-

мотужться на приймальний барабан.

Осцилограф має кілька шлейфів, що

Дозволяє одночасно записувати кілька осцилограм.

Осцилограф оснащений пристроєм із

системи лінз і шестигранника, що обертається,

для візуального спостереження за світловими

променями, а також світло електричним

відмітником часу.

Послідовність виконання роботи

Перед проведенням досліди зрізів виконується тарування тензометричних балок з метою визначення тарувального масштабу. Тарування полягає в ступеневому навантаженні тензометричних балок відомими силами через динамометр з одночасною фіксацією цих сил осцилограм. Вертикальна балка тарується горизонтально прикладеною силою, горизонтальна – вертикально прикладеною силою. У першому випадку навантаження на вузол кріплення моделей робочих органів створюється ходовим гвинтом вручну, у другому – спец. Тарувальним пристроєм у вигляді ходового гвинта з гайкою, закріпленою на рамі стенда.

Для проведення досліду в вузли кріплення моделей робочих органів закріплюється з заданим кутом різання необхідний за програмою ніж, та регулюється його глибина різання. Вмикається двигун касети з фотопапером і відмітник часу, через кілька секунд вмикається двигун привода стенда. Після зупинки стенда зрізана стружка ґрунту збирається і зважується, вимірюється довжина прорізу і висота його вертикальних стінок (через 20…30 мм по всій довжині прорізу).

Обробка експериментальних даних

Тарувальний масштаб визначається методом найменших квадратів:

де, - тарувальне зусилля, кн.; - ордината тарувальної осцилограми, яка відповідає тарувальному зусиллю, мм.

За результатами тарування будуються контрольні тарувальні графіки (рис. 4). Рівномірне розміщення експериментальних точок з обох боків апроксимуючої прямої свідчить про точність роботи апаратури і правильність обчислення тарувального масштабу.

Рис. 4 Приклад контрольного

тарувального графіка.

Розшифровка осцилограм полягає у вимірюванні ординат max і min кривих запису дотичної сили різання і максимумів нормальної сили різання відносно нульової лінії (рис. 5).

Середньо максимальні величини складових сил різання (дотичної Р і нормальної N) обчислюються як добуток середньоарифметичних ординат і відповідно тарувального масштабу. Середнє значення дотичної складової сили різання розраховується: