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) złoŜony (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 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
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
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 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)
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
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
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
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.
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 wyraŜa 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 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 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 złoŜonym
(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 łyŜki 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 zuŜycia noŜa 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 noŜa
dyskowego
Symulacja urabiania skał noŜem 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 zuŜycia zębów koparki
GRUNTY – mobilność
a) koło na podłoŜu sztywnym
b) koło na podłoŜu
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 róŜnych poślizgów
22
Interakcja koła z podłoŜem
P
u
=P
j
-P
f
GRUNTY – mobilność
23
GRUNTY – mobilność
koło ciągnione
(wleczone)
koło napędzane
Fu=0
koło napędzane
Pu>0 (siła uciągu)
NapręŜenia styczne pod kołem
L.Jakliński, Mechanika układu
pojazd teren, OWPW 2006
ZaleŜność napręŜeń
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 podłoŜu 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