Proces urabiania gruntów

K

N

Z

O

F

U

W

Ośrodek

Narzędzie

O – parametry ośrodka
N – parametry narzędzia
W – parametry warstwy urabianej
K – parametry kinematyczne
Z – zakłócenia
Fu – opory urabiania

Opis procesu urabiania gruntów

Parametry opisujące dowolny proces urabiania
1) charakter ruchu narzędzia :

a) translacyjny

Vs =Vt ; np. spycharki, równiarki

b) złożony (translacyjny +obrotowy) ; np. ładowarki,

2) kształt toru skrawania :

a) ograniczony, krzywoliniowy

a) ograniczony, krzywoliniowy
b) nieograniczony

3) kształt narzędzia
4) kształt powierzchni gruntu urabianego
5) struktura i parametry gruntu oraz parametry

oddziaływania narzędzia na grunt .

Urabianie gruntów

W zależności od tych parametrów

przebieg procesu może mieć
charakter:

1) stały lub cyklicznie ustalony -kształt

urobku i siła nie ulega zmianie, bądź
też jest cyklicznie zmienna. Tego typu
charakter procesu występuje między
innymi w pracy zrywaka, równiarki
oraz narzędzi rolniczych.

2) samopodobny (konfigurację ośrodka

można opisać porzez skalarny

2) samopodobny (konfigurację ośrodka

można opisać porzez skalarny
parametr wielkości)

3) zmienny.

Analiza procesów urabiania

Analizując dotychczasowe osiągnięcia w zakresie

współpracy narzędzia z ośrodkiem, możemy wyróżnić
następujące metody analizy tego procesu:

1)

metody przybliżone i badania techniczne

2) metody nośności granicznej

a) metody ścisłe (metoda charakterystyk)
b) metody przybliżone

b) metody przybliżone

3) metody opisu ruchu narzędzia i ewolucji procesu urabiania

a) analiza przyrostowa –zmienna konfiguracja
b) mechanizmy samopodobne
c) metody numeryczne

– metoda elementów skończonych (FEM)
– metoda elementów dyskretnych (DEM)
– inne metody numeryczne (metody hybrydowe, elementów

brzegowych….)

Metody przybliżone i badania techniczne

Główną ideą określenia oporów urabiania jest stwierdzenie,
że całkowite opory urabiania maszyny są superpozycją
różnych oporów, które możemy podzielić na :

1) opór skrawania (opór wynikający z oddzielenia urobku od

calizny)

2) opór przesuwania (związany z przesunięciem zwału ziemnego

po podłożu)

po podłożu)

3) opór napełniania (związany z napełnianiem pojemników

roboczych)

4) opór krojenia (związany z wykonaniem szczelin wzdłużnych)
5) opór czerpania (przy określaniu oporów ładowarki)

GRUNTY

Opór (siły) urabiania gruntów

F

U

= F

U

(O, N, W, K) + e (Z)

F

U

= F

s

+ F

t

+ F

p

+ F

n

+ F

H

F

U

= F

s

+ F

t

+ F

p

+ F

n

+ F

H

F

s

- opór skrawania

F

t

- opór tarcia

F

p

- opór przemieszczania

F

n

– opór napełniania

F

H

– opór podnoszenia

GRUNTY – FORMY URABIANIA

a) wykruszanie,
b) skrawanie,
c) zrywanie,
d) kopanie,

e) spychanie,
f) zgarnianie,
g) nabieranie,
h) nagarnianie

Opory skrawania na bazie badań doświadczalnych

Metody eksperymentalne prowadzą do wyznaczenia

przybliżonych wzorów, w których parametry ujęte są w
postaci tabelarycznej. Do najczęściej stosowanych
metod należy zaliczyć metody: Dombrowskiego,
Wetrowa oraz Zelenina,(omówione szczegółowo w
opracowaniu Tyry).

Stosunkowo duże zastosowanie znalazła metoda

Stosunkowo duże zastosowanie znalazła metoda

Dombrowskiego, w której opór skrawania określony jest
równaniem:

W

F K

s

= ⋅

gdzie F jest przekrojem powierzchni skrawania, zaś K jednostkowym oporem
skrawania. Badania eksperymentalne przeprowadzone przy użyciu wielu typów
maszyn pozwoliły na ustalenie wartości parametru K.

Opory skrawania na bazie badań doświadczalnych

Jednostkowe opory skrawania dla gruntów i skał pokruszonych

Metoda Wetrowa

Metoda Wetrowa uwzględnia przestrzenny mechanizm procesu skrawania
oraz wpływ kąta skrawania na wartość oporu.

Opór skrawania wyraża równanie:

(

)

bh

m

W

W

W

c

sc

ps

r

sc

s

=

+

=

=

=

)

45

(

)

45

(

α

α

ξ

φ

sc

=

)

45

(

α

gdzie jest oporem skrawania płaszczyzną czołową dla narzędzi o kącie
skrawania

α=45°, m

c

- jednostkowy opór skrawania dla danego gruntu, b -

szerokość narzędzia, h - głębokość skrawania,

φ

r

- współczynnik uwzględniający

kąt skrawania,

ξ

ps-

współczynnik przestrzenności procesu uwzględniający

stosunek głębokości do szerokości.

metoda Zelenina

Za punkt wyjścia metody Zelenina został przyjęty parametr zwięzłości
gruntu C uwzględniający między innymi wpływ wilgotności . Wartość
oporu skrawania określona jest równaniem:

(

)

(

)(

)

k

b

Ch

b

h

C

W

W

s

s

⋅

+

⋅

+

=

=

α

α

0075

.

0

1

6

.

2

1

10

,

,

,

35

.

1

gdzie h - głębokość skrawania, b - szerokość skrawania, a - kąt skrawania, k -
współczynnik uwzględniający stosunek h/b.

opory skrawania (odspajania)

Wpływ wilgotności na współczynnik
oporu skrawania , (parametru
zwięzłości gruntu –Wetrow)

opory skrawania

opory skrawania

opory odspajania – (koparki wielonaczyniowe)

opory odspajania – (koparki wielonaczyniowe)

l

s

K

l

W

⋅

=

K

l

- jednostkowy liniowy opór odspajania

l – długość obwodu odspajanej od calizny warstwy

dla małych maszyn

opory odspajania – (koparki wielonaczyniowe)

K

l

- jednostkowy

liniowy opór
odspajania

opory odspajania – (koparki wielonaczyniowe)

opory odspajania – wpływ wymiarów

0

,

0

,

0

>

,

)

(

=

=

=

F

F

G

ij

ij

ij

λ

λ

∂σ

σ

∂

λ

ε

ɺ

ɺ

ɺ

ɺ

Niestowarzyszone i współosiowe

prawo płynięcia

Zmodyfikowany model Coulomba z
osłabieniem

c

0

c

r

S

to

tr

n

n

0

r

F

F

S

ϕ

ϕ

τ

σ

n

σ

*

R

0

σ

P

-c ctg

ϕ

(

)

*

dla

,

*

0

0

u

u

u

u

c

c

c

c

r

<

−

−

=

[

]

*

*

2

2

2

0

dla

dla

0

tan

n

n

n

n

n

n

n

n

R

c

F

σ

σ

σ

σ

τ

σ

σ

ϕ

σ

τ

≤

≥







=

−

+

−

=

−

=

c,St

c

0

, St

0

Prawo osłabienia

Analiza przyrostowa bazująca na kinematycznie dopuszczanych polach prędkości

20

(

)

*

dla

,

*

dla

,

*

0

0

u

u

c

c

u

u

u

c

c

c

c

r

r

≥

=

<

−

−

=

c

r

, St

r

u*

u

Prawo osłabienia
materiału

Etapy analizy przyrostowej:

Proces urabiania dzielony jest na małe przyrosty przemieszczenia narzędzia.

W każdym przyroście określane są:

1) W oparciu o kinematycznie dopuszczalny mechanizm zniszczenia

wyznaczany jest optymalny mechanizm zniszczenia (metoda równowagi
pola sił)

2) Wyznaczana jest optymalna kinematyka powierzchni nieciągłości
3) Z hodografu prędkości i kinematyki powierzchni nieciągłości prędkości

wyznaczana jest nowa konfiguracja ośrodka

Analiza przyrostowa przy zastosowaniu prostych modeli kinematyki ruchu

O

A

B

C

D

k

P

1

2

Q

Q

1

2

C

C

1

R

R

R

2

C

3

3

δ

ψ

ψ

ψ

k

k

3

2

1

Analiza przyrostowa przy zastosowaniu prostych modeli kinematyki

ruchu

P [N]

objętość urobionego ośrodka V[m ]

3

i.

Oscylacyjny przebieg sił naporu przy monotonicznym ruchu narzędzia

ii. Ewolucja mechanizmów deformacji i ich skokowe zmiany z generacją

powierzchni ścięcia

iii. Główny typ powierzchni nieciągłości – materialna powierzchnia nieciągłości;

dostosowująca powierzchnia nieciągłości – porusza sie ruchem złożonym
(translacja + obrót) dostosowując sie do ruchu powierzchni materialnych

C

C

B'

C'

D

V

V

V

V

V

V

1

2

2

0

1

0

a)

b)

D

D'

E

P

P

x

B

4000

6000

8000

Fx [N]

Urabianie gruntów: uwzględnienie rozluźnienia i osłabienia ośrodka

23

O

A

B

O'

A

B'

A'

V

V

1

V

1

V

2

0

V

V

21

V

10

0

O

0

100

200

300

400

0

2000

displacement [mm]

Kolejne etapy deformacji ośrodka przy poziomym naporze sztywnej ściany

6000

8000

Fx [N]

displacement

displacement [m]

switching points

P

x

[N]

O

A

B

C

O'

A

C

B'

C'

A'

D

V

V

V

V

V

V

1

1

V

1

V

2

0

V

V

21

V

10

2

2

0

0

1

0

a)

b)

O

D

D'

E

P

P

x

B

Napór ścianki – badania doświadczalne i symulacja w oparciu o analizę przyrostową

24

0

100

200

300

400

0

2000

4000

displacement [mm]

γ

α

α

β

ξ

V V

V

V

P

/2

2

1

n

1

21

2

V

2

V

21

V

1

V

n

V

0

V

0

O

A

B

L

M

C

D

E

c

o

= 20000 [N/m

2

]

S

to

= 5000

[N/m

2

]

c

r

=

5000 [N/m

2

]

S

tr

= 1250

[N/m

2

]

φ

=

23

[deg]

γ

= 18000 [N/m

3

]

δ

= 15

[deg]

s

o

= 0.01

[m]

2ξ = 60

[deg]

O'

C

C' D'

D

A

A'

B'

B

L

M

Zagłębianie klina

s[m]

P[N]

penetration

switching points

x

y

O(x

w

, y

w

)

A

B

P

V

0

N

ββββ

Z

l

u

l

g

l

z

l

n

O(x

w

, y

w

)

K

B

P

V

0

N

ββββ

l

p

l

g

S

V

0

V

1

V

w

V

p

V

pw

V

1

V

0

V

w

V

pw

V

p

W

l

pw

l

pw

l

w

ρρρρ

w

Modelowanie procesu urabiania narzędziami o krzywoliniowym zarysie

Kinematyczna ocena nośności granicznej

Z

p

Warunki brzegowe

Mechanizm zniszczenia i hodograf prędkości.

Mechanizm zniszczenia w procesie naporu narzędzi na spoisty ośrodek gruntowy,
a) napór lemiesza, b) napełnianie łyżki ładowarki

•

Combined DEM-FEM modeling – different
methods are treated as complementary ones
(taking advantage of strong sides of each

J. Rojek , IPPT PAN, Warsaw

3D Simulation of rock cutting processes

Metody hybrydowe DEM/FEM – modelowanie skrawania skał

(taking advantage of strong sides of each
method, avoiding disadvantages)

•

DEM and FEM used in different subdomains of
the same body – DEM employed in a part
where we have discontinuous material failure,
the FEM is used in the rest of the domain

•

DEM and FEM used in disjoint domains −
different models used for different materials

•

Expected advantages of combined modeling:

– better representation of physical

phenomena

– improving numerical efficiency

Model of rock cutting with wear evaluation

J. Rojek , IPPT PAN, Warsaw

Symulacja skrawania skał

Porównanie numerycznych i
doświadczalnych sił oporu w trakcie
urabiania

Symulacja urabiania skał nożem dyskowym

Model urabiania skały za pomocą noża

dyskowego

Pogłebiarka

Głowica skrawająca pogłębiarki

J. Rojek , IPPT PAN, Warsaw

DEM/FEM smulacja pracy zęba pogłębiarki

Hybrid DEM/FEM model – equivalent Huber-Mises stresses

3D symulacja zużycia zębów koparki

15°

Symulacje numeryczne procesów interakcji

maszyny z ośrodkiem gruntowym

-metody MES
-metody DEM (metoda elementów dyskretnych)
-metody MFM (mesh free method)
-metody analityczne

DEM-Rocks3D

TD

MFM

(metoda bezsiatkowa)

Mustafa Alsaleh, Soil – Machine Interaction: Simulation and Testing, 2011, S. Bonelli et
al. (eds.), Advances in Bifurcation and Degradation in Geomaterials, Springer Series in
Geomechanics and Geoengineering 11, Caterpillar Inc.;

MES-Abaqus

DEM-Rocks3D

TD

Symulacje numeryczne procesów interakcji

maszyny z ośrodkiem gruntowym

Mustafa Alsaleh, Soil – Machine Interaction: Simulation and Testing, 2011, S. Bonelli et
al. (eds.), Advances in Bifurcation and Degradation in Geomaterials, Springer Series in
Geomechanics and Geoengineering 11, Caterpillar Inc.;

GRUNTY – mobilność

a) koło na podłożu sztywnym
b) koło na podłożu

podatnym

c) gąsienica – niekończąca się droga
d) układy kroczące

GRUNTY – mobilność

Walec wibracyjny – nietypowe rozwiązania
zagęszczanie skarp
firma :

Sakai Heavy Industries, Ltd

GRUNTY – mobilność

INNE ROZWIĄZANIA

GRUNTY – mobilność

INNE ROZWIĄZANIA

GRUNTY – mobilność

KOŁO

-800

-600

-400

-200

0

200

400

600

800

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

towed

s=5

s=20

Drawbar-pull
Fx [N]

traveling distance d [mm]

d

1

d

2

Siła uciągu w funkcji poślizgu dla kolejnych przejazdów walca

F weight of cylinder

Zmiany siły uciągu dla różnych poślizgów

41

-600

-300

0

300

600

900

1200

1500

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

50

1

2

3

4

5

10

sleep s [%]

Fx [N]

Steel cylinder

-600

-300

0

300

600

900

1200

1500

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

50

1

2

3

4

5

10

sleep s [%]

Fx [N]

Rubber- coated cylinder

Siła uciągu w funkcji poślizgu dla kolejnych przejazdów walca

poślizg

r

V

r

s

ω

ω

0

−

=

F

R

F

x

y

ω,Μ

weight of cylinder

drawbar pull

V

0

∆y

h

1

h

0

ρ

0

ρ

1

Interakcja koła z podłożem

P

u

=P

j

-P

f

GRUNTY – mobilność

GRUNTY – mobilność

koło ciągnione
(wleczone)

koło napędzane
Fu=0

koło napędzane
Pu>0 (siła uciągu)

Naprężenia styczne pod kołem

Zależność naprężeń
stycznych od odkształceń
poziomych j i nacisków
jednostkowych

σ

L.Jakliński, Mechanika układu
pojazd teren, OWPW 2006

Oszacowanie siły jazdy

Bekker

Janosi-Hanamoto

Współpraca koła z ośrodkiem sypkim – symulacje numeryczne MES

J.P. Hambleton, A. Drescher / Journal of Terramechanics 46 (2009) 35–47

GRUNTY – mobilność

GĄSIENICA

GRUNTY – mobilność

GĄSIENICA

Zestaw gąsienicowy

Zestaw gąsienicowy

-gąsienica

-rolki jezdne i podtrzymujące

-koło napinające z mechanizmem napinania

-koło napędowe z układem napędowym

GRUNTY – mobilność

Rozkład nacisków pod gąsienicą na podłożu odkształcalnym; a) wąska gąsienica,
b) szeroka gąsienica

Gąsienica

siła jazdy

Schemat obliczeniowy mechanizmu gąsienicowego

Przykładowe
obliczenia siły jazdy
według

Janosi-Hanamoto

Gąsienica

T

j

T

R

T

R

T

V

V

V

V

V

V

V

i

=

−

=

−

=

1

poślizg

v

T

=ω·r

v

T

- prędkość teoretyczna maszyny

v

R

- prędkość rzeczywista











 −

=

−

K

j

e

1

max

τ

τ

Naprężenia
styczne

j - przemieszczenie członu ścinającego

δ

σ

τ

tan

max

n

a

c +

=

Maksymalne naprężenia styczne

δ

σ

τ

tan

max

n

a

c +

=

Maksymalne naprężenia styczne
δ –kąt tarcia zewnętrznego
c

a

- spójność adhezyjna (przylegania

gruntu do narzędzia

Siła jazdy

δ

tan

2

max

G

BLc

P

a

j

+

=

Maksymalna siła jazdy

Gąsienica – maksymalna siła uciągu

δ

tan

2

max

G

BLc

P

a

j

+

=

Maksymalna siła jazdy

φ

tan

2

max

G

BLc

P

j

+

=

Wpływ ostróg –

c zamiast c

a

φ zamiast δ

Uwzględnienie wysokości ostróg

Spójność

Kąt tarcia wewnętrznego

Wong

Bekker

GRUNTY – mobilność

Jak realizować skręt maszyny