Энергетическая модель внедрения в грунт замораживающей колонки с винтовой навивкой Текст научной статьи по специальности «Машиностроение»

Научная статья на тему 'Энергетическая модель внедрения в грунт замораживающей колонки с винтовой навивкой' по специальности 'Машиностроение' Читать статью
Pdf скачать pdf Quote цитировать Review рецензии ВАК
Авторы
Коды
  • ГРНТИ: 55 — Машиностроение
  • ВАК РФ: 05.02.00
  • УДK: 621
  • Указанные автором: УДК: 531.8+622.23.05

Статистика по статье
  • 65
    читатели
  • 23
    скачивания
  • 0
    в избранном
  • 0
    соц.сети

Ключевые слова
  • ЗАМОРАЖИВАЮЩИЕ КОЛОНКИ С ВИНТОВОЙ НАВИВКОЙ
  • ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ

Аннотация
научной статьи
по машиностроению, автор научной работы — Корчак А. В., Алюшин Ю. А., Никитушкин Р. А.

Сопоставление результатов расчета с опубликованными и экспериментальными данными позволяет утверждать, что предлагаемую математическую модель можно использовать при расчете усилий и моментов для конструкций замораживающих колонок с винтовой навивкой, не предусматривающих перемещение грунта внутри полости трубы. Если такие колонки ориентированы для небольших глубин, тогда при их изготовления можно использовать стали обыкновенного качества, при этом применение сварки для закреплении катанки на внешнем контуре не будет способствовать существенному снижению механических характеристик материала трубы.

Научная статья по специальности "Машиностроение" из научного журнала "Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал)", Корчак А. В., Алюшин Ю. А., Никитушкин Р. А.

 
Читайте также
Рецензии [0]

Текст
научной работы
на тему "Энергетическая модель внедрения в грунт замораживающей колонки с винтовой навивкой". Научная статья по специальности "Машиностроение"

---------------------------------------- © А.В. Корчак, Ю.А. Алюшин,
Р.А Никитушкин, 2011
УДК 531.8+622.23.05
А.В. Корчак, Ю.А. Алюшин, Р.А. Никитушкин
ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ВНЕДРЕНИЯ В ГРУНТ ЗАМОРАЖИВАЮЩЕЙ КОЛОНКИ С ВИНТОВОЙ НАВИВКОЙ
Сопоставление результатов расчета с опубликованными и экспериментальными данными позволяет утверждать, что предлагаемую математическую модель можно использовать при расчете усилий и моментов для конструкций замораживающих колонок с винтовой навивкой, не предусматривающих перемещение грунта внутри полости трубы. Если такие колонки ориентированы для небольших глубин, тогда при их изготовления можно использовать стали обыкновенного качества, при этом применение сварки для закреплении катанки на внешнем контуре не будет способствовать существенному снижению механических характеристик материала трубы.
Ключевые слова: замораживающие колонки с винтовой навивкой, энергетическая модель, расчет параметров колонки, замораживание, характеристики бурового оборудования.
щ ш ри строительстве подземных сооружений в особо сложных гидрогеологиче-
И ских условиях используют способ искусственного замораживания грунтов. Однако применение этого способа сопряжено с большими материальными, энергетическими и стоимостными затратами. Для сокращения сроков искусственного замораживания грунтов, снижения материальных и энергетических затрат предложена новая конструкция замораживающих колонок [15], позволяющая погружать замораживающую колонку на заданную глубину без выполнения буровых работ. Погружение замораживающей колонки на требуемую глубину при этом осуществляется завинчиваемым способом за счет вращающего момента, развивающего буровой машиной. Осевое перемещение замораживающей колонки при наличии вращательного момента осуществляется за счет оребрения поверхности замораживающей колонки, выполненной в виде винтовой линии с заданными параметрами в зависимости от типа грунта.
Для реализации предлагаемой технологии замораживания грунтов с применением колонок нового типа в производственных условиях необходимо знать величины осевых усилий и крутящих моментов, обеспечивающих погружение колонок на требуемую глубину в зависимости от физико-механических свойств грунтов.
Анализ литературных источников показал, что теоретические и экспериментальные исследования по рассматриваемому вопросу отсутствуют. Имеются теоретические и экспериментальные исследований по определению осевых усилий и крутящих моментов, которые изложены в работах [1, 2], получены для буровой колонны при бурении скважин и не учитывают специфику погружения замораживающих колонок в грунт. Анализ предлагаемых зависимостей показал, что они основаны на экспериментальных данных и имеют полуэмпирический характер, результаты могут
отличаться от наблюдаемых в действительности как в большую, так и в меньшую сторону на десятки и даже сотни процентов.
Учитывая возможные негативные последствия разрушений буровых колонок, при расчетах на прочность и выборе мощности привода целесообразно ориентироваться на верхнюю оценку возможных усилий или моментов, чтобы с помощью различных устройств предупреждать поломку основных элементов бурильных установок.
Ниже рассмотрена энергетическая модель внедрения замораживающей колонки в грунт с использованием экстремальных принципов механики сплошных сред [3, 4, 5], которые позволяют дать с точностью, соответствующей точности основных механических характеристик грунта, верхнюю оценку требуемых для продвижения колонки осевых усилий и крутящих моментов.
Для построения модели принята конструкция замораживающей колонки, выполненной в виде пустотелой трубы диаметром 0,075 - 0,159 м с толщиной стенки 6 мм, на внешнюю поверхность которой приварена катанка диаметром 10-15 мм и шагом 15-45 мм (по информации на рис. 4 шаг навивки может изменяться от 35 мм до 250 мм). Заходная часть колонки в виде сплошного конуса высотой (в направлении движения колонки) 15 см предназначена для увеличения плотности грунта в прилегающих к колонке объемах без возможности его проникновения во внутреннюю полость трубы.
По предварительным наблюдениям такая колонка может продвигаться за счет внешних источников энергии (продольной силы Q и/или вращающего момента М) на глубину до 20м и более в сжимаемой среде или в среде с минимальным внутренним трением, например, в жидкости или в водоносных слоях грунта. Осевое усилие Q и момент М должны соответствовать мощности, необходимой на сжатие грунта и преодоление сил трения на внешней поверхности колонки с учетом винтовой поверхности приваренных ребер. Энергетический баланс можно записать в виде [3, 4]
где a(r) - удельная энергия деформации грунта, V - объем очага деформации, tz -касательные напряжения (удельные силы трения) на поверхности колонки S в направлении поступательного движения, тк - удельные силы трения на поверхности R] колонки и ребер (катанки), возникающие при вращательном движении, v0, ю - линейная и угловая скорости колонки. При отсутствии «пробуксовки» угловая и линейные скорости связаны соотношением ю = 2nv0 / h, где h - шаг винтовой наваренной катанки.
В ходе решения требуется определить объем сжимаемого грунта, степень его сжатия по мере удаления от оси колонки и необходимую энергию (мощность) внешних воздействий (источников) в виде требуемых усилий или момента в зависимости от геометрических параметров и глубины внедрения колонки, сжимаемости грунта, условий трения и пр.
Будем считать движение колонки установившимся, распределение плотности перед колонкой равномерным (р0 = const). Течение принимаем плоским ортогональным оси колонки, т. е. перемещения частиц грунта в направлении оси колонки отсутствуют. Радиусы цилиндрических поверхностей колонки и границы области де-
(1)
формации обозначены через R1 и R2. На цилиндрической поверхности R2 плотность грунта сохраняет свое первоначальное значение р0, а на поверхности трубы (ребрами катанки пренебрегаем) плотность увеличивается до максимального значения рт.
2
За время dt масса грунта dm = р^К^ dz в слое толщиной «йг» перед колонкой
переходит на цилиндрическую часть (с навитой катанкой) с радиусом Я1
*2 *2
dm = 2лdz| р(г)гйг = лdz| р(г)йг2 , (2)
я, я,
где р(г) - плотность грунта в зоне сжатия, зависит от радиуса слоя «г». Следовательно, для выполнения условия сохранения массы должно выполняться равенство
*2
р0*2 = | р(г)йГ2 . (3)
Предположим, что плотность грунта после внедрения колонки изменяется вдоль радиуса по квадратичному закону и принимает значения р = рт при г = К, и
р = ро при Г = *2
р = рт + (Г2 - К,2). (4)
К2 К1
Для принятого закона распределения плотности (4) в правой части условия (3) получаем
р + р-р (г2 - К,2)
' т п2 г>2 4 1
К - К,2
йг2 = рт (% - к,2 )+р-р[(*2 - *4)/2 - к,2 (*2 - к,2 )] *2 К,
или
22 , ро рт ( 22 \_р0 + рт! 02
р + р0 р (г2-К,2)
' т п2 г>2 4 ,
К -КГ
йг2 = рт (*2 -К,2 )+^^“ (*2 - К,2 ) = (*2 -К,2 ) .
Условие сохранения массы (3) принимает вид
р0 +рт (К22 -К,2 ) = р 0К2 или рт = ро + *2 ^ ,. (5)
Таким образом, после прохождения колонки плотность в окружающем её масси-
ве грунта будет изменяться по соотношению
К,4-2г2 К,2 + *24
р=ро (К2-К) (5а)
Изменение объема К и плотности р связано условием сохранения массы бесконечно малой частицы йт
йт = рйУ = р0йУ0. (6)
В механике сплошной среды обычно используют относительное изменение объема частицы п. При исходном и текущем значениях объема йУ0 и йУ получаем
йУ-йУ0 йУ л р0 , Л
77 = 3е =------------0 =-, = ^-0-! < 0
йУо йУо р
или
К
К
7(г) = 3е(г) = * Р2т)(К2. г > <0, (7)
рт (К2 - г ) + р0 (г - К, )
где е - компонента шарового тензора деформаций, которая связана с гидростатическим напряжением а законом упругого изменения объема [3]
а = 3Ке,
где К - модуль объемной упругости.
Соотношение (7) можно также записать в виде
-2Я 2(Я2 -г 2)
7(г) = 3е (г) = 42Я,(Я2, г )4 < 0 . (7а)
Я,4 - 2г2Я,2 + Я24
Затраты внешней энергии на сжатие грунта при перемещении колонки в осевом направлении на величину dz составят
А = 2пй)| а(г)гйг . (8)
У
Удельная энергия изменения объема [4]
1 3 1
а(г) =— ае = — Кб1 =— К (3е)2 (9)
2 2 6
в соответствии с уравнением (7) зависит от радиальной координаты г слоя грунта. Общую энергию находим интегрированием удельной энергии по объему очага деформации (сжатия) Я, < г < Я2. Для полного оборота колонки с осевым смещением на шаг навивки h потребуется энергия
л „ Я2 ^ , Я2 2 пКк* (р0-р )2(Я2-г2)2 ,2
Ак = 2пк Г а(г)гйг = пк Г а(г)йг2 = —- Г ^0 2---йг2 . (,0)
Я, Я, 6 я,2 [ртЯ2 р0Я, + (р0 рт)г ]
Для удобства интегрирования переходим к новой переменной г2 = х
6 , 1 X2, ч2 Я24-2Я22х + х2
-----Ак = Ак =1 (р0 -р )^—2------^—йх, (И)
пКк к к Г 0 т (а + Ьх) }
здесь использованы обозначения
а = ртЯ2 - р0Я , Ь = р0 - рт , х, = Я, , х2 = Я2 . (,,а)
Интеграл в правой части уравнения (И) преобразуется к трем табличным [6] с окончательным результатом интегрирования
А, = Ь2{Я24--------------—-2Я2 [—а— + 1п| а + Ьх |] + 4-[х-а(—— + 21п| а + Ьх |)]}
к 2 Ь(а + Ьх) 2 Ь2 а +Ьх Ь2 Ьа + Ьх
После подстановки пределов и преобразования получаем
Ак = Я24Ь2------Я_-R-+ 2Я22 аЬ(*22 -Я,2)---------------2Я22 1п | | +
(а + Ьх,)(а + Ьх2) (а + Ьх,)(а + Ьх2) а + Ьх,
+(Я22 -Я,2) + а2---(*2 -Яl)------2а 1п | а + Ьх2 |
(а + Ьх,)(а + Ьх2) Ь а + Ьх,
Ак = (Я22 - Я,2) + (Я24Ь2 + 2аЬЯ22 + а2)-(*2 - ^---2( Я22 + а )1п | |
к 2 ^ 2 2 (а + Ьх,)(а + Ьх2) 2 Ь а + Ьх, '
А, = (Я22 - Я,2) + (а + ЬЯ22 )2-(*2 -Я,2)-2(Я22 + а )1п | 1
(а + Ьх,)(а + Ьх2) Ь а + Ьх,
Ак = (*22-я,2) + (а + Ьх2)(Я Я2) -2(*22 + а)1п|а+х| (,2)
(а + Ьх,) Ь а + Ьх,
С учетом соотношения (5) использованные выше функции (На) принимают значения
п2 п2 я,4 + я,4 „ я,2
а = ртЯ2 - р0Я, = р0 „2 02 , Ь = р0 -рт = ^0 „2 о2 ,
*2 - Я, *2 -Я,
Я,4 + я4 я,4 ,п2 п2ч
а + Ьх, = р0 -т - 2 р0 ——7 = р0 (Я7 + Я, ),
, ^0 02 п2 ^0 02 п2 ^0^ 2 \ > ">
Я2 Я, Я2 Я,
Я,4 + Я24 Я,2Я22 2 2
а + Ьх2 = р0 -2р0 К2 К2 = р0(*2 -Я1),
Я2 Я, Я2 Я,
и выражение для интегральной энергии (,2) преобразуется к виду
Ак = (я22 - я,2) 22Я2 2 + *2-я21. (,3)
к 2 ^ я22 + я,2 я,2 я22 + я,2
Ак = 2Я22 + (*2 Я,) 1п| 1.
а + Ьх, Я, а + Ьх,
В соответствии с экстремальными принципами механики сплошных сред [4, 5], зависимость мощности (энергии) внешних источников на основе любого кинематически возможного решения, удовлетворяющего условию сохранения массы и граничным условиям задачи в скоростях (или перемещениях), имеет экстремальный характер. Наличие экстремума функции (О) при изменении радиуса Я2 иллюстрируют графики на рис. ,
Исходя из этого, радиус зоны сжатия Я2 может быть принят за варьируемую переменную и с достаточной точностью найден из условия экстремума энергии (О). Приравнивая нулю производную
^ = 2я2т ^*2т 2 + 4я2т *2'”- ^ - 4*2 Я2т~ * 2 +
5*2 2тЯ,2 + *22т Я,2 + Я2т Я + Я22т )2 (,4)
+4Я2 ЯЦЯ^Г*И^1 + 4Я2 = 0 ,
2т Я,2 I Я,2 + Я22т J 2 Я,2 + Я22т
получаем трансцендентное уравнение с одной неизвестной Я2т. Решение достаточно просто можно получить численным или графическим способами, определяя точки пересечения функции
/(Я2) = ^ = 2Я2 22*2 2 + 4Я2 *2 -Я,2 5Я2 я,2 + я2 2 Я,2 + *2
2 , 2 / \ (,4а)
-4Я1Л-Як + 4Я 1пГК^1 + 4Я *22 -Я,2
2(Я,2 + Я22)2 2 я,2 ^ я,2 + я22) 2 я,2 + я22
с осью абсцисс. Графики функции (,4а) для исследуемых значений Я] приведены на рис. 2.
Рис.1. Экстремальный характер зависимости энергии продвижения бура Ак в зависимости от радиуса К2, отделяющего очаг деформации грунта от остального массива грунта
Ак =- пКк к 6
или
Ак =- пКк к 6
2 я 2 а + Ьх2т
2 *2 т-------~Г
а + Ьх,

Я
2 Я2
К^т К,2 + (К^т -К,2 )2 1п |
К2)2 1п| а + Ьх2т | : а + Ьх,
я2т *2
*22т + КГ
К2
Я2
т + КГ
Из численных расчетов и графиков на рис. 2 следует, что для принятой квадратичной зависимости (4) и рассматриваемого диапазона диаметров колонки (0,075 ... 0Д59 м) отношение Я2т /Я; остается примерно одинаковым Я2т =,,5,*; ( см. рис. 3).
Подставляя значение Я2т из решения уравнения (,4), соответствующее минимуму функционала (,3), для верхней оценки энергии, необходимой для перемещения колонки на шаг к, получаем
(,5)
(,5а)
График изменения относительной плотности грунта в окрестности колонки приведен на рис. 4, из которого следует, что плотность грунта на поверхности колонки рт примерно в 2,5 раза превышает его начальное значение р0.
Отношению радиусов Я2т /Я; =,,5, соответствует энергия, затрачиваемая на перемещение колонки на один шаг навивки, Ак = 0,238nKkЯ12 /6 « 0,04пKкЯ12. Для установившегося процесса ее может обеспечить осевое усилие (при отсутствии вращающего момента М) Q = 0, ,26КК,2 или момент (при отсутствии осевого усилия Q) М = 0,02КкК,2, где к - шаг винтовой навивки ребер (катанки).
Использованные в работе для расчетов энергии, усилий и моментов свойства грунтов взяты из работ [7, 8], частично были подтверждены исследованиями
с применением одометров, стабилометров и прессио-метров [9]. При расчете энергии, затрачиваемой на преодоление сил трения,
- Т
значения напряжении z
и
Рис. 2. Графический метод определения условий экстремума функции (13)
к принимали равными (0,7 ... 3,5) МПа, модуль Юнга и другие свойства приведены в табл. ,
Таблица ,
|
Свойство и размерность Глина Супесь
Показатель текучести брм, стр. Ю9 <0 >1,0 0 и >0
Плотность, т/м3= 2,71-2,76
Модуль сдвига тс/м2*град 0,5 0,05
Коэффициент Пуассона 0,3 0,42 0,35
Модуль Юнга, ГПа 0,016-0,05
Предел прочности на сжатие, МПа 1,5-7,0 меньше 4
Предел прочности при растяжении, МПа 0,1-0,4
Модуль объемной упругости, МПа 13...104 МПа
Удельное сцепление по ГОСТ 304,696 Мокрая, влажная-сухая глина 1200 кПа Жирная 0,85-3,3 кгс/см2
Предел текучести на сдвиг, МПа 0,7-3,5
Зависимость осевых сил от диаметра колонки и глубины внедрения имеет вид как на рис. 5 и 6 (для учета трения приняты касательные напряжения 0,0!МПа).
а =1 6
2R2
л22 +
2т 1
+ (Л2^іП| л2
121
+ Л
2т 1
(16)
б = Qо +пТЛН, (,7)
где Dk — приведенный диаметр колонки (с учетом приваренной катанки), Н - глубина внедрения колонки, м.
Зависимость крутящего момента Мкр при том же значении предельных касательных напряжений приведена рис. 7.
М = — ^ кр 12
2Л2
Л22 + Л.2
2т 1
.+ (^ -Л12)2Ь| Л2
Л22 -Л2
2т__________1_
Л22 + Л2
2т 1
+ тlDtHh
іг к
(18)
При одновременном приложении осевого усилия и крутящего момента энергетическое уравнение принимает вид
2п
б + — М = 00 +тикпБкН (,9)
к
где бо - осевое усилие, требуемое для продвижения колонки при отсутствии трения и крутящего момента, рассчитываемое по уравнению (,6), Н - глубина погружения колонки.
Для проверки соответствия предлагаемой математической модели реальным процессам были проведены экспериментальные исследования. В качестве грунта использовали глину и супесь различной влажности.
Так как целью экспериментальных исследований было не выявление общих закономерностей процесса, а проверка адекватности математической модели реальным процессам внедрения оребренной колонки в различные среды, эксперименты проводили при пяти различных значениях основных геометрических характеристик колонки и физических свойствах среды с трехкратным повторением каждого эксперимента и усреднением конечных результатов для усилий и моментов. Конкретные значения параметров, использованные в экспериментах, приведены в табл. , и на рис. ,-6.
Л2 Л2
Л 2 Л2
|
_Р2т
-Р2т/Р1
Как следует из предлагаемой модели и экспериментальных наблюдений, соотношение угловых и осевых перемещений зависит от прилагаемых усилий и крутящего момента. При отсутствии пробуксовки должно выполняться условие к
Н = — р . 2п
(20)
Рис. 3. Абсолютные К2т и относительные К2т / Я, значения радиуса К2 при экстремуме энергии Ак.
рт/ро
На графике в системе координат р - Н это уравнение соответствует прямой, проходящей через начало координат, угол наклона которой определяет производная йН/йр = к/2п .
При пробуксовке (проскальзывании в окружном направлении) она будет трансформироваться в кривую, расположенную под этой прямой. Если же прикладывать повышенные осевые усилия (по сравнению с крутящим моментом), тогда вместо пробуксовки может возникать опережающее продвижение в осевом направлении, кривая будет располагаться выше прямой (20). При полном отсутствии поворота колонки она будет перемещаться в осевом направлении только за счет осевого усилия, кинематическая диаграмма будет совпадать с осью ординат «Н».
С учетом соотношения нормальных и касательных (на поверхности колонки) напряжений, требуемых для деформации грунта по описываемому закону (последние в 3-4 раза выше), целесообразно прежде всего обеспечивать требуемые осевые усилия, а для снижения трения на внешней поверхности дополнительно использовать вращательное движение колонки, не обязательно согласующееся с осевым перемещением колонки за счет «пробуксовки».
Геометрические характеристики используемых в экспериментах труб приведены в табл. 2.
Результаты экспериментальных исследований при внедрении колонки диаметром Dк = 0,102 м в глину и супесь при одновременном приложении усилий и моментов приведены на рис. 8.
Таблица 2.
Рис. 4. Изменение относительной плотности грунта в окрестности бура.
Внешний диаметр трубы , м 0,075 0Д02 0Д32 0,,59
Толщина стенки, м 0,006 0,006 0,006 0,006
Внутренний диаметр, м Площадь сечения, м2*Ю4 0,063 0,090 0Д20 0,,47
,3,006 ,8,096 23,750 28,840
Момент инерции,м4*!06 ,,560 4Д86 9,448 ,6,904
Момент сопротивления м3*!06 4!,594 82,069 !43Д50 2,2,626
Рис. 5. Зависимость осевого усилия Qo от диаметра бура (при отсутствии момента М0)
-Цо [ кН] 0к=0,075 т -Цо [ кН] 0к=0Д02 т -Цо [ кН] 0к=0Д32 т -Цо [ кН] 0к=0Д59 т
Рис. 6. Зависимость осевого усилия Qo от диаметра колонки Бк и глубины внедрения Н (при отсутствии момента М0) К=50 Мпа, тг = 0,01 МПа
Соотношение прикладываемых осевых усилий и крутящего момента влияет на мощность сопровождающих перемещение колонки сил трения. Так как задачей модели является определение верхней оценки мощности (усилия 0 и момента Мкр), величину сил трения следует определять по максимально возможным значениям касательных напряжений, соответствующих условию возникновения пластического течения,
Тк = Т = Т,ек = °,ек ^ (2,)
Таким образом, по мере внедрения колонки вглубь массива грунта передаваемая от внешних источников мощность должна возрастать в соответствии с уравнением (,9).
С учетом нормальных а2 = 0 / К и касательных
М / Ж
напряжений, где
К
пВ2
(,-
пВ3
ч й2 / В2), Ж = ^_ (,- й4/ В4) - площадь поперечного сечения и поляр-4 ,6
ный момент сопротивления трубы, соответственно, для оценки прочности колонки
следует использовать гипотезу прочности удельной энергии изменения формы [9]
по эквивалентным напряжениям
ст,к« = >/°2г + 3ткр ^[ст]. (22)
В экспериментальных исследованиях использовали бурильные трубы производства Первоуральского трубного завода с группой прочности «Д».
Химический состав и основные механические характеристики [Ю, П, ,2] приведены в табл. 3.
Как следует из графиков на рис. 5-8, увеличение любого из факторов (осевое усилие или крутящий момент) допускает возможность снижения второго фактора без передачи в систему избыточной энергии.
№№ Марка стали %С %Мп %М %У О МПа б %
1 32Г2МА 0,29-0,34 1,15-1,35 0,20-0,25 - 400 14,3
2 32Г2ФА 0,29-0,34 1,15-1,35 - 0,12-0,17 450
Таблица 4
Ь= [м] 0 5 10 11 12 13 14 15
Qo [ кН] Dk=0,075 т 8,35 19,60 30,85 33,10 35,35 37,60 39,85 42,10
Мкр [кНм] Dk=0,075 т 1,25 4,63 8,00 8,68 9,35 10,03 10,70 11,38
<с0 МПа 6,42 15,07 23,72 25,45 27,18 28,91 30,64 32,37
ткр МПа 30,13 111,27 192,41 208,64 224,87 241,10 257,33 273,55
, МПа 52,58 193,31 334,11 362,27 390,43 418,59 446,75 474,91
Изменение как усилий, так и крутящих моментов от диаметра буровой колонки в первом приближении можно считать линейными функциями. Такой же вид функции можно распространить и на зависимость энергосиловых факторов от глубины погружения колонки (рис. 5, 6 и 7). Шаг навивки катанки практически не влияет на энергетические характеристики. Вместе с тем, для практического применения можно рекомендовать отношение h / Dl «1, которое соответствует минимальному значению момента.
Результаты расчета на прочность для трубы Dk=0,075 т при внедрении колонки в глину на глубину до 15 м приведены в табл. 4.
Как следует из таблицы, особо опасными с точки зрения прочности являются касательные напряжения от крутящего момента и поэтому надо стремиться по возможности использовать для продвижения колонки вглубь массива осевые нагрузки, а крутящий момент и связанное с ним вращение колонки должны способствовать проникновению влаги на поверхность колонки и, соответственно, снижению трения. Снижению трения также должна способствовать выдавливаемая из грунта в водоносных пластах жидкость. Возможна также дополнительная принудительная подача воды на поверхность колонки через центральную полость.
Сопоставление результатов расчета с опубликованными [1, 2, 6, 7, 15] и экспериментальными данными позволяет утверждать, что предлагаемую математическую модель можно использовать при расчете усилий и моментов для конструкций колонок, не предусматривающих перемещение грунта внутри полости трубы. Если такие колонки ориентированы для небольших глубин, тогда при их изготовления можно использовать стали обыкновенного качества, при этом применение сварки
„ ч для закреплении катанки на
Рис. 7. Зависимость крутящего момента Ма от диаметра Г
внешнем контуре не будет
колонки и глубины ее внедрения (при отсутствии осевого
усилия о^) способствовать существенно-
-Мкр Нм Эк^ОУБт -Мкр Нм 0к=0Д02т -Мкр Нм Ок=ОД32т -Мкр Нм 0к=0Д59т
му снижению механических характеристик материала трубы.
Несоответствие расчетных и фактических значений мощности можно объяснить погрешностью используемых в расчетах физических свойств среды. В частности, модуль объемной упругости суглинков в зависимости от влажности может колебаться в достаточно большом диапазоне, как это отмечено в табл. 1.
Другим источником погрешности является неоднородность среды, состоящей из твердотельных фрагментов различных размеров, более мелких фракций инородных включений и влаги, неоднородно распределенной по объему очага деформации.
------------------------------------------------------------------ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Хмызников К.П. Определение усилия подачи на буровой инструмент в зависимости от направления скважин. www.spmi.ru/download/zgi/ 157/t157_hmyznikov_r.htm
2. HTTP://WWW.drilHngformulas.com/drilHng-formulas-and-calculation-sheets/.www.petec.ru/ docs/drillbench-russian.pdf Москва
3. Ильюшин А.А. Механика сплошной среды. М.: МГУ, 1978. 288 с.
4. Алюшин Ю.А. Энергетические основы механики. Учеб. пособ. для вузов. - М.: Машиностроение, 1999. - 192 с: ил.
5. Ланцош К. Вариационные принципы механики. М.: Наука, 1965. 450 с.
6. Смолянский М.Л. Таблицы неопределенных интегралов. М.: Физматгиз, 1963. 112 с.
7. Механика грунтов. http://www.geoteck.ru/publications/public3/M_4.php
8. Гольдштейн М.Н. Механические свойства грунтов. Изд-во литературы по строительству. М.: 1971
9. Феодосьев В.И. Сопротивление материалов. М.: Физматгиз, 1962, 536 с.
10. http://www.fundamentproekt.ru
11. http://comex.dp.ua/katalog/tzag.htm
12. http://www.pntz.ru/nomenklatura.rhtm
13. http://metalopt.ru/production/metaltubes/chemistry/drill-pipes/
14. Физические свойства бурильных труб http://www.geoteck.ru/learning/report
15. Патент РФ №84869 на полезную модель «Устройство для замораживания грунтов при строительстве подземных сооружений». Авторы: Корчак А.В., Шуплик М.Н., Никитушкин Р.А., Никитушкин А.А. Приоритет от 17.03. 2009 г., опубликован в бюллетене №20 от 20.07.2009 г. Н5Н=Д
— Коротко об авторах ---------------------------------------------------------------------
Корчак А.В. - профессор, доктор технических наук, ректор МГГУ, заведующий кафедрой СПСиШ, E-mail: kafedrasp@gmail.com
Алюшин Ю.А. - профессор, доктор технических наук, кафедра ТПМ,
Никитушкин Р.А. - аспирант кафедры СПСиШ,
Московский государственный горный университет,
Moscow State Mining University, Russia, ud@msmu.ru
Рис. 8. Зависимость крутящего момента от осевого усилия фк = 0,102 м, h/Dk = 1)

читать описание
Star side в избранное
скачать
цитировать
наверх