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
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) złoŜony (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 zaleŜności od tych parametrów
przebieg procesu moŜe mieć
charakter:
1) stały lub cyklicznie ustalony -kształt
urobku i siła nie ulega zmianie, bądź
teŜ jest cyklicznie zmienna. Tego typu
charakter procesu występuje między
innymi w pracy zrywaka, równiarki
oraz narzędzi rolniczych.
2) samopodobny (konfigurację ośrodka
moŜna opisać porzez skalarny
2) samopodobny (konfigurację ośrodka
moŜna opisać porzez skalarny
parametr wielkości)
3) zmienny.
Analiza procesów urabiania
Analizując dotychczasowe osiągnięcia w zakresie
współpracy narzędzia z ośrodkiem, moŜemy wyróŜnić
następujące metody analizy tego procesu:
1)
metody przybliŜone i badania techniczne
2) metody nośności granicznej
a) metody ścisłe (metoda charakterystyk)
b) metody przybliŜone
b) metody przybliŜone
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 przybliŜone i badania techniczne
Główną ideą określenia oporów urabiania jest stwierdzenie,
Ŝe całkowite opory urabiania maszyny są superpozycją
róŜnych oporów, które moŜemy podzielić na :
1) opór skrawania (opór wynikający z oddzielenia urobku od
calizny)
2) opór przesuwania (związany z przesunięciem zwału ziemnego
po podłoŜu)
po podłoŜu)
3) opór napełniania (związany z napełnianiem pojemników
roboczych)
4) opór krojenia (związany z wykonaniem szczelin wzdłuŜnych)
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
przybliŜonych wzorów, w których parametry ujęte są w
postaci tabelarycznej. Do najczęściej stosowanych
metod naleŜy zaliczyć metody: Dombrowskiego,
Wetrowa oraz Zelenina,(omówione szczegółowo w
opracowaniu Tyry).
Stosunkowo duŜe zastosowanie znalazła metoda
Stosunkowo duŜe 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 uŜyciu 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 wyraŜa 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 kaŜdym 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 złoŜonym
(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 łyŜki 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 noŜem dyskowym
Model urabiania skały za pomocą noŜa
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 zuŜycia 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 podłoŜu sztywnym
b) koło na podłoŜu
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 róŜnych 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 podłoŜem
P
u
=P
j
-P
f
GRUNTY – mobilność
GRUNTY – mobilność
koło ciągnione
(wleczone)
koło napędzane
Fu=0
koło napędzane
Pu>0 (siła uciągu)
NapręŜenia styczne pod kołem
ZaleŜność napręŜeń
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 podłoŜu 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
NapręŜenia
styczne
j - przemieszczenie członu ścinającego
δ
σ
τ
tan
max
n
a
c +
=
Maksymalne napręŜenia styczne
δ
σ
τ
tan
max
n
a
c +
=
Maksymalne napręŜenia 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