Calculation of resistance force at firm clay digging with a cylindrical bucket

Abstract

BACKGROUND: The performance of single-bucket hydraulic excavators affects many areas of activity. This parameter of the machine largely depends on the volume of the material being moved. However, the bucket resistance forces do not allow large buckets to be installed on an excavator.

AIM: The paper discusses the design of the bucket which resistance to digging is reduced when it embeds into the ground. This statement has to be verified.

METHODS: For this aim, the process of embedding the bucket into firm dry clay is considered. This kind of soil is the most difficult to be processed. Since there is no viscosity in this soil, the equations of spatial problems of elasticity theory are used to describe the process. A number of assumptions are made, and the system of differential equations describing stresses in the soil is solved.

RESULTS: The result of the solution is the obtained dependence for determining the normal pressure from the soil in the process of its destruction, which helps to determine the overall digging resistance force. The initial parameters of the soil and bucket of the proposed design, developed for the excavator based on the YuMZ tractor, are described. The initial parameters are substituted into the resulting solution.

CONCLUSION: The obtained value of the digging resistance force is significantly lower than the force that the hydraulic drive of an ordinary excavator has to overcome.

Keywords

bucket / excavator / digging resistance / theory of elasticity / working equipment

References

[1] Patent RUS №218368/ 23.05.2023. Byul. №15. Bury`j GG. Kovsh e`kskavatora. (In Russ.) EDN: ELYPHT

[2] Патент РФ 218368 / 23.05.2023 Бюл. №15. Бурый Г.Г. Ковш экскаватора. EDN: ELYPHT

[3] Bury`j GG, Shherbakov VS, Poteryaev IK. Increase Single Bucket Excavator Productivity by Improving Bucket Shape. Vestnik Bryanskogo gosudarstvennogo texnicheskogo universiteta. 2019;84(11):38–45. (In Russ.) doi: 10.30987/1999-8775-2019-2019-11-38-45

[4] Бурый Г.Г., Щербаков В.С., Потеряев И.К. Увеличение производительности одноковшового экскаватора через усовершенствование формы ковша // Вестник Брянского государственного технического университета. 2019. № 11(84). C. 38–45. doi: 10.30987/1999-8775-2019-2019-11-38-45

[5] Nikolaev VA. Energy consumption for cutting the soil with buckets of a continuous unit to form the underlying layer of the road. Vestnik SibADI. 2020; 76(6):676–688. (In Russ.) doi: 10.26518/2071-7296-2020-17-6-676-688

[6] Николаев В.А. Затраты энергии на резание грунта ковшами агрегата непрерывного действия для формирования подстилающего слоя автодороги // Вестник СибАДИ. 2020. № 6. C. 676–688. doi: 10.26518/2071-7296-2020-17-6-676-688

[7] Litvin OI, Xoreshok AA, Dubinkin DM, et al. Analysis of methods for calculating the productivity of quarry hydraulic excavators. Gornaya promy`shlennost`. 2022;5:112–120. (In Russ.) doi: 10.30686/1609-9192-2022-5-112-120

[8] Литвин О.И., Хорешок А.А., Дубинкин Д.М., и др. Анализ методик расчёта производительности карьерных гидравлических экскаваторов // Горная промышленность. 2022. № 5. С. 112–120. doi: 10.30686/1609-9192-2022-5-112-120

[9] Nikolaev VA. Analysis of the interaction of the edge of the cantilever knife blade with the ground. Vestnik SibADI. 2020;72(2):172–181. (In Russ.) doi: 10.26518/2071-7296-2020-17-2-172-181

[10] Николаев В.А. Анализ взаимодействия кромки лезвия консольного ножа с грунтом // Вестник СибАДИ. 2020. № 2. C. 172-181. doi: 10.26518/2071-7296-2020-17-2-172-181

[11] Lukashuk OA. Regularities of formation of regime parameters of main mechanisms of quarry excavator in process of rock excavation. Gornoe oborudovanie i e`lektromexanika. 2019; 143(3):14–17. (In Russ.) doi: 10.26730/1816-4528-2019-3-14-17

[12] Лукашук О.А. Закономерности формирования режимных параметров главных механизмов карьерного экскаватора в процессе экскавации горных пород // Горное оборудование и электромеханика. 2019. № 3(143). C. 14–17. doi: 10.26730/1816-4528-2019-3-14-17

[13] Troyanovskaya IP, Raznoshinskaya AV, Koz`miny`x VA, Leshhenko EA. Experimental studies of the process of industrial soil loosening. Gorny`j zhurnal. 2021;5:87–90. (In Russ.) doi: 10.17580/gzh.2021.05.11

[14] Трояновская И.П., Разношинская А.В., Козьминых В.А., Лещенко Е.А. Экспериментальные исследования процесса промышленного рыхления грунта // Горный журнал. 2021. № 5. C. 87–90. doi: 10.17580/gzh.2021.05.11

[15] Kujundžić T, Klanfar M, Korman T, Briševac Z. Influence of crushed rock properties on the productivity of a hydraulic excavator. Applied Sciences (Switzerland). 2021;11(5):1–15. doi: 10.3390/app11052345

[16] Kujundžić T., Klanfar M., Korman T., Briševac Z. Influence of crushed rock properties on the productivity of a hydraulic excavator // Applied Sciences (Switzerland). 2021. Vol. 11, N. 5. P. 1–15. doi: 10.3390/app11052345

[17] Choudhary BS. Effect of blast induced rock fragmentation and muckpile angle on excavator performance in surface mines. Mining of Mineral Deposits. 2019;13(3):119–126. doi: 10.33271/mining13.03.119

[18] Choudhary B.S. Effect of blast induced rock fragmentation and muckpile angle on excavator performance in surface mines // Mining of Mineral Deposits. 2019. Vol. 13, N. 3. P. 119–126. doi: 10.33271/mining13.03.119

[19] Xu G, Yu Z, Lu N, Lyu G. High-gain observer-based sliding mode control for hydraulic excavators. Harbin Gongcheng Daxue Xuebao. 2021;42(6):885–892. doi: 10.11990/jheu.201911056

[20] Xu G., Yu Z., Lu N., Lyu G. High-gain observer-based sliding mode control for hydraulic excavators // Harbin Gongcheng Daxue Xuebao. 2021. Vol. 42, N. 6. P. 885–892. doi: 10.11990/jheu.201911056

[21] Pozharskij DA. Periodic contact and mixed elasticity theory problems (overview). Izvestiya vy`sshix uchebny`x zavedenij. Severo-Kavkazskij region. Seriya: Estestvenny`e nauki. 2021; 210(2):22–33. (In Russ.) doi: 10.18522/1026-2237-2021-2-22-33

[22] Пожарский Д.А. Периодические контактные и смешанные задачи теории упругости (обзор). Известия высших учебных заведений // Северо-Кавказский регион. Серия: Естественные науки. 2021. № 2 (210). C. 22–33. doi :10.18522/1026-2237-2021-2-22-33

[23] Bosakov SV. To the solution of the contact problem for a rectangular plate on an elastic half-space. Nauka i texnika. 2020;19(3):224–229. (In Russ.) doi: 10.21122/2227-1031-2020-19-3-224-229

[24] Босаков С.В. К решению контактной задачи для прямоугольной пластинки на упругом полупространстве // Наука и техника. 2020. Т. 19, № 3. C. 224–229. doi: 10.21122/2227-1031-2020-19-3-224-229

[25] Linnik EYu. Assessment of contact stresses when inserting the striker into strong soil. Problemy` prochnosti i plastichnosti. 2020;82(1):52–63. (In Russ.) doi: 10.32326/1814-9146-2020-82-1-52-63

[26] Линник Е.Ю. Оценка контактных напряжений при внедрении ударника в прочный грунт // Проблемы прочности и пластичности. 2020. Т. 82, № 1. C. 52–63. doi: 10.32326/1814-9146-2020-82-1-52-63

[27] Bosakov SV, Kotov YuN. Contact task for the plate, subject to restrictions on its some movements. Stroitel`naya mexanika i raschyot sooruzhenij. 2022;300(1):54–58. (In Russ.) doi: 10.37538/0039-2383.2022.1.54.58

[28] Босаков С.В., Котов Ю.Н. Контактная задача для пластинки при условии ограничений на её некоторые перемещения // Строительная механика и расчёт сооружений. 2022. № 1 (300). C. 54–58. doi: 10.37538/0039-2383.2022.1.54.58

[29] Brovka AG, Dedyulya IV, Murashko AA. Dependence of strength characteristics of argillite-like clay on the amount of unfrozen water. Prirodopol`zovanie. 2021;2:96-105. (In Russ.) doi: 10.47612/2079-3928-2021-2-96-105

[30] Бровка А.Г., Дедюля И.В., Мурашко А.А. Зависимость прочностных характеристик глины аргиллитоподобной от количества незамёрзшей воды // Природопользование. 2021. № 2. C. 96–105. doi: 10.47612/2079-3928-2021-2-96-105

[31] Rashidov TR, Dzhuraeva NB, Urinov AP. Modeling of the process of deformation and movement of the soil in the area of impact of the dredger. Vestnik Tomskogo gosudarstvennogo universiteta. Matematika i mexanika. 2021;73:81–94. (In Russ.) doi: 10.17223/19988621/73/8

[32] Рашидов Т.Р., Джураева Н.Б., Уринов А.П. Моделирование процесса деформирования и движения почвы в зоне воздействия глубокорыхлителя // Вестник Томского государственного университета. Математика и механика. 2021. № 73. C. 81–94. doi: 10.17223/19988621/73/8

[33] Bekbasarov II. Impact of clay soil parameters on compressive stresses in pile during driving. Trudy` universiteta. 2023; 93(4):254–260. (In Russ.) doi: 10.52209/1609-1825_2023_4_254

[34] Бекбасаров И.И. О влиянии показателей глинистых грунтов на сжимающие напряжения в свае при забивке // Труды университета. 2023. № 4 (93). C. 254–260. doi: 10.52209/1609-1825_2023_4_254

[35] Kulikova EG. Some results of laboratory studies of the effect of vibration on the strength characteristics of cohesive fine geomaterials. Intere`kspo Geo-Sibir`. 2022;2(3):194–201. (In Russ.)doi: 10.33764/2618-981X-2022-2-3-194-201

[36] Куликова Е.Г. Некоторые результаты лабораторных исследований влияния вибрации на прочностные характеристики связных мелкодисперсных геоматериалов // Интерэкспо Гео-Сибирь. 2022. Т. 2, № 3. C. 194–201. doi: 10.33764/2618-981X-2022-2-3-194-201

[37] Trofimov VT, Korolev VA, Voznesenskij EA, et al. Soil science. Moscow: MGU; 2005. (In Russ.)

[38] Трофимов В.Т., Королев В.А., Вознесенский Е.А., и др. Грунтоведение. Москва: МГУ, 2005.

RIGHTS & PERMISSIONS

Eco-Vector