1

Proces urabiania gruntów

O – parametry ośrodka
N – parametry narzędzia
W – parametry warstwy urabianej
K – parametry kinematyczne
Z - zakłócenia

K

N

Z

O

F

U

W

Ośrodek

Narzędzie

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
b) nieograniczony

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

oddziaływania narzędzia na grunt .

2

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
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

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….)

3

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)

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

s

- opór skrawania

F

t

- opór tarcia

F

p

- opór przemieszczania

F

n

– opór napełniania

F

H

– opór podnoszenia

4

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

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.

5

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

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.

6

metoda Zelenina

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

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

(

)

(

)(

)

k

b

Ch

b

h

C

W

W

s

s

⋅

+

⋅

+

=

=

α

α

0075

.

0

1

6

.

2

1

10

,

,

,

35

.

1

opory skrawania (odspajania)

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

7

opory skrawania

opory skrawania

8

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

9

opory odspajania – (koparki wielonaczyniowe)

K

l

- jednostkowy

liniowy opór
odspajania

opory odspajania – (koparki wielonaczyniowe)

10

opory odspajania – wpływ wymiarów

20

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

,

*

dla

,

*

0

0

u

u

c

c

u

u

u

u

c

c

c

c

r

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

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 bazująca na kinematycznie dopuszczanych polach prędkości

11

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

12

23

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

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

0

100

200

300

400

0

2000

4000

6000

8000

displacement [mm]

Fx [N]

Kolejne etapy deformacji ośrodka przy poziomym naporze sztywnej ściany

Urabianie gruntów: uwzględnienie rozluźnienia i osłabienia ośrodka

24

Analiza przyrostowa

P

s displacement

a

b

c

d

S

a

S

b

S

c

S

d

switching points

V

1

V

2

V

21

V

10

V

0

V

0

V

21

V

2

V

10

V

1

V

0

P

x

O

B

C

D

A

O

A

B

D

C

O

A

A'

O'

D

D'

B'

E

B

C

C'

E E'

major shear band

adjusting shear band

switching point

V

1

V

2

V

21

V

10

V

0

V

21

V

2

V

10

V

1

V

0

V

1

V

2

V

21

V

10

V

0

inactive shear bands

active shear bands

b

a

b

a

b

a

P

P

P

P

or

P

P

∆

>

∆

=

>

,

13

25

0

100

200

300

400

0

2000

4000

6000

8000

displacement [mm]

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

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

s[m]

P[N]

penetration

switching points

Zagłębianie klina

14

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

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
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

J. Rojek , IPPT PAN, Warsaw

3D Simulation of rock cutting processes

Model of rock cutting with wear evaluation

Combined DEM/FEM model of rock cutting
problem

15

Model of rock cutting with wear evaluation

Symulacja skrawania skał

a)

b)

Analiza zużycia noża urabiającego

J. Rojek , IPPT PAN, Warsaw

Model of rock cutting with wear evaluation

Symulacja skrawania skał

Porównanie numerycznych i
doświadczalnych sił oporu w trakcie
urabiania

16

Model urabiania skały za pomocą noża

dyskowego

Symulacja urabiania skał nożem dyskowym

Głowica skrawająca pogłębiarki

Pogłebiarka

17

J. Rojek , IPPT PAN, Warsaw

Hybrid DEM/FEM model – equivalent Huber-Mises stresses

DEM/FEM simulation of dredging

Model of rock cutting with wear evaluation

•

Discrete element model of rock material

•

Tools discretized with spherical discrete
elements

•

Tool considered rigid

•

Particles on the surface interact with
rock/soil particles leading to rock
fracture

•

Wear evaluated on the tool surface

•

Thermal effects (heat generation due to
friction, heat conduction, thermal
softening of the tool surface) taken into
account

•

Particles removed from the surface
when the accumulated wear exceeds
the particle diameter (change of a tool
shape due to wear)

34

18

15°

3D symulacja zużycia zębów koparki

GRUNTY – mobilność

a) koło na podłożu sztywnym
b) koło na podłożu

podatnym

c) gąsienica – niekończąca się droga
d) układy kroczące

19

GRUNTY – mobilność

Walec wibracyjny

20

GRUNTY – mobilność

INNE ROZWIĄZANIA

GRUNTY – mobilność

INNE ROZWIĄZANIA

21

GRUNTY – mobilność

KOŁO

42

-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

-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

Zmiany siły uciągu dla różnych poślizgów

22

Interakcja koła z podłożem

P

u

=P

j

-P

f

GRUNTY – mobilność

23

GRUNTY – mobilność

koło ciągnione
(wleczone)

koło napędzane
Fu=0

koło napędzane
Pu>0 (siła uciągu)

Naprężenia styczne pod kołem

L.Jakliński, Mechanika układu
pojazd teren, OWPW 2006

Zależność naprężeń
stycznych od odkształceń
poziomych j i nacisków
jednostkowych

σ

24

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

25

GRUNTY – mobilność

GĄSIENICA

GRUNTY – mobilność

GĄSIENICA

26

Influence of track shoe’s shape and arrangement on track-type tractor working ability

Laboratory stand

The investigation of the influence of irregular shape

of grousers on particular tractive forces both active

(thrust, drawbar pull) and passive (turning resistance).

The investigation of the influence of shoe bolt’s dimensional

changes on theirs self-cleaning ability during motion

The investigation of the influence of chopper type grousers

and relief hole on particular tractive forces both active

(thrust, drawbar pull) and passive (turning resistance).

The investigation of the influence of diagonal location

of working attachment in relation to track undercarriage

position, on ground reference plane (GRP) stability.

M.Poncyliusz , Warsaw University of Technology
The Faculty of Automotive and Construction
Machinery Engineering

GRUNTY – mobilność

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

27

Gąsienica

siła jazdy

Przykładowe
obliczenia siły jazdy
według

Janosi-Hanamoto

Schemat obliczeniowy mechanizmu gąsienicowego

GRUNTY – mobilność

Jak realizować skręt maszyny