CC BY
25
СТРОИТЕЛЬСТВО
УДК 624.139
С. В. МАКСИМОВ, В. С. ИВКИН, А. Д. ЕФРЕМОВ ИНТЕНСИФИКАЦИЯ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА РЫХЛИТЕЛЯ
Большинство существующих рыхлителей являются механическими системами, осуществляющими разрушение мёрзлых или прочных грунтов с целью их разработки по принципу резания. Наряду с ростом единичной мощности рыхлителей (а следовательно, и увеличением размеров их рабочих органов и скоростей движения), применением средств автоматизации управления, также способствующих увеличению рабочих скоростей и производительности, одним из основных путей интенсификации рабочего процесса продолжает оставаться снижение энергоёмкости рыхления грунта.
Последнее возможно лишь на основе создания более эффективных конструкций, использования принципиально новых способов воздействия на грунт как разрыхляемую среду. Одно из возможных технических решений такого рабочего органа является создание рыхлителя для разработки грунта на энергии сжатого газа.
Однократное приложение разрушающей нагрузки при выхлопе из рабочей камеры, при подводе в зону рыхления довольно высоких энергий сжатого газа (воздуха) высокого давления позволяет разрушать мёрзлый грунт наименее энергоёмким способом при доминировании наименее энергоёмких напряжений разрыва, так как сопротивление мёрзлого грунта резанию в 9 раз выше, чем сопротивление разрыву.
Ключевые слова: мёрзлый грунт, газовый импульс, рабочий орган, энергоёмкость рыхления.
Трудно найти конструкцию рыхлителя, способную одинаково эффективно разрабатывать мёрзлые грунты на различных видах земляных работ. Поэтому для копания траншей большой протяжённости наиболее эффективными продолжают оставаться роторные и цепные многорезцовые экскаваторы.
Для рыхления мёрзлого грунта на больших
ггпгттягтау ирпр:г>г>г»бпяггнп гтгшмрмятч, пмупитрпи
А А Ч/ > ■ т^ЖЖЛ Ш ^ЧГ» « ^ V ^ » А А ^ А АД«* «Г • А ШЖ Л А. АУ А А А А А А А
на мощных тягачах.
В то же время остается нерешённым вопрос механизации зимних земляных работ малых объёмов: устройство котлованов под здания, поверхностное рыхление грунта, отрывка траншей для коммуникации.
Большинство рыхлителей, разрабатывающих мёрзлый грунт резанием, имеет рабочий орган с острыми кромками режущего инструмента, поэтому их долговечность в значительной степени определяется износостойкостью рабочего органа.
Высокая абразивность (изнашивающая способность) мёрзлых грунтов приводит к тому, что если в немёрзлых грунтах режущие зубья много-
© Максимов С. В., Ивкин В. С., Ефремов А. Д., 2009
резцовых экскаваторов выдерживают отрывку (проходку) 12-г 15 километров траншеи, то в мёрзлых грунтах только 80 метров [1].
Износостойкость мерзлоторежущих рабочих органов можно повысить, применяя армирование кромок режущего инструмента твёрдосплав-ными пластинками ВК-8, ВК-15, или за счёт установки самозатачивающихся зубьев. Однако
п ХГАПЛТПг/Г/УТПП ПАТАПТ^АГЛ иглтлопотало ^ТР— до/хччу и кипи 1 у у 1\цпп ри 1 V/ 1 ири чу 1 1
253, специально запроектированного для работы в условиях Крайнего Севера, работоспособность режущих зубьев не превышает отрывки (проходки) траншей длиной 800 -г-1000 метров, то есть 3 -г 4 часа работы экскаватора [ 1 ].
А. Н. Зеленин [2] рекомендовал процесс разработки мёрзлых грунтов вести такими рабочими органами, такими способами, при которых в мёрзлом грунте будут преобладать деформации разрыва (растяжения), то есть отрыв грунта от массива, так как сопротивление мёрзлого грунта резанию в 9 раз, а статическому вдавливанию в 21 раз выше, чем сопротивление грунта разрыву (см. таблицу 1).
Технические решения [3, 4, 5, 6, 7, 8, 9] позволяют реализовать наименее энергоёмкий способ рыхления (отрыв грунта от массива) за счёт подвода в зону рыхления довольно высоких
энергии сжатого воздуха высокого давления. Энергия сжатого воздуха передаётся непосредственно разрыхляемому грунту, который можно рассматривать как материал, обрабатываемый действием газового импульса.
При таком способе рыхления появляется возможность передать рабочему органу значительную энергию, идущую на разрушение.
Газоимпульсное рыхление грунта отличается от традиционных способов тем, что грунт в течение всего периода разрушения испытывает давление расширяющегося воздуха.
Таблица 1
Энергоёмкость разрушения мёрзлого грунта при различных видах его деформации
Вид деформации Относительный
показатель
Разрыв 1
Сдвиг 1,5
Изгиб 2
Сжатие 3
Резание 9
Вдавливание 21
Расширяющийся воздух, внедряясь в трещины (имеющиеся в грунте, в силу неоднородности его структуры, полученные в результате завинчивания рыхлителя) и действуя как клин, усиливает процесс рыхления. Грунт сдвигается, отрывается в сторону открытой стенки забоя. Для новой машины глубина рыхления должна подбираться в зависимости от прочностных характеристик грунта и мощности газового импульса. В свою очередь, мощность газового импульса есть работа, которая совершается сжатым воздухом при адиабатическом истечении из рабочей камеры в единицу времени
А
N - **
газ
t
(i)
ист
Работа, совершаемая сжатым воздухом при адиабатическом истечении, подсчитывается по общеизвестной из газовой динамики формуле [10]:
к-\
А
к-1
1-
г
\
\
р
/
(2)
где Р - давление сжатого воздуха в рабочей камере; Р[ - конечное давление расширяющегося воздуха; V - объём рабочей камеры; к - показатель адиабаты.
С увеличением ёмкости рабочей камеры и давления в ней (при неизменных параметрах ра-
бочего органа) будет увеличиваться работа газового импульса, а, следовательно, глубина рыхления и производительность машины.
Как следует из формулы (1), с уменьшением
времени истечения воздуха (при Агаз = const)
будет также возрастать мощность газового импульса. Сократить время истечение сжатого воздуха из рабочей камеры можно за счёт увеличения суммарной площади выхлопных отверстий
F^ome и площади проходного сечения рабочего органа.
Площадь проходного сечения рабочего органа зависит от внутреннего диаметра седла dc и
диаметра трубки d , подводящей сжатый воздух в камеру управления клапаном (см. рис. 1)
тр
(3)
яг/2 яг/
/7 ___
4 4
Суммарная площадь выхлопных отверстий подсчитывается по формуле (4):
/V = п - . (4)
\отв отв 4 у
где п - число выхлопных отверстий; Е
отв
площадь одного выхлопного отверстия.
Увеличение площади выхлопного сечения рабочего органа и суммарной площади выхлопных отверстий (без уменьшения прочности всей конструкции) может быть достигнуто за счёт увеличения диаметра штанги рабочего оборудования рыхлителя (см. рис. 1).
ёш
Рис. 1. Конструктивное решение рабочего
оборудования
Но для каждого диаметра винтовой лопасти рост диаметра штанги ограничивается тяговыми возможностями винтового наконечника.
Из рисунка 1 видно, что диаметр штанги с1ш будет определяться максимальной величиной конусной части ступицы, которую сможет затянуть винтовой наконечник.
Для удобства расчёта диаметра штанги введём следующие обозначения относительных параметров:
а) Кё = (5) - относительная величина диаметра цилиндрической части ступицы;
б) К, = у^ (6) - относительная величина шага винта;
В) кя = %
^ (7) - относительная величина
диаметра штанги рабочего оборудования рыхлителя.
При выборе соотношения между диаметром винтовой лопасти и штанги необходимо сопоставить предельные тяговые возможности винтового наконечника Кпр с сопротивлением погружению рабочего оборудования ЯПотр [1 ]-
4 (К* - 0*5
^ _ 4 пр_
(8)
где Кгпрр - коэффициент предельного сопротивле-
ния завинчиванию.
0,628(1-0,5^)^4-^)
Кр-
КЦм+2)(4,25^Г 1+0,5^ -1,5) (
(9)
Р - угол подъёма винтовой линии по среднему диаметру;
2Ю
р = аг
к{\ + КЛ)
§гр- угол трения грунта по стали;
; (11)
f - коэффициент трения грунта по стали; {= 0,12 -0,2 fc^ - коэффициент трения грунта по грунту; fd= 0,6;
п2 - число витков на заходной и цилиндрической частях винтового наконечника; П1 - число заходных витков;
Р0 и ц - константы грунта, характеризующие грунтовую среду, в которую происходит завинчивание
рыхлителя;
Кг£ - удельное сопротивление завинчиванию.
^3=6,25^(0,25^)^' х[1+0,5^4«,-1,5)]/>0/ .
X
(12)
Необходимое усилие для затягивания рабочего оборудования Кп07р должно быть меньше предельного значения тягового усилия развиваемого винтовым наконечником, или равно ему.
(13)
Определяем величину усилия для внедрения в грунт большой конусной части винтового наконечника [1]:
(14)
\}+2
где аб - половина угла большого конуса ступицы; Ьф = (Ьб - Ьб1) - высота большой конусной части ступицы;
потр
ш
2*8 об 2щ а6 2tg ой а6 Примем следующие обозначения величин:
6 а
= 2тг/уга;^аб + Л
\л + 2
Тогда формула (13) примет вид
Ц>2
(15)
(16)
(17)
В.
р+2
12*аш) ^21ёа6)
(18)
Произведя математические преобразования, из уравнения (18) определим коэффициент Кш
- ~ 11 Вб
+2
+2,
(19)
При подстановке в уравнение (19) значений А6 и Вб (см. уравнения 16 и 17) получим:
(10)
+к
(20)
Приняв число заходных витков П] =1,5 и подставив в уравнение (20) значение удельного сопротивления завинчиванию Кгурд (см. уравнение
12), получим:
4(К* -1)6,2 5К, (0,2 5К„Г1 РА^ТЪ+2)
(1+Л
+ЯГ2
(21)
Формула (21) упростится, если принять коэффициент трения грунта по стали £=0,12 и усредненные значения относительных параметров
К,=0,8; 10=0,4;
Ш+0Л2
(22)
На основании проведённых исследований можно рекомендовать диаметр штанги равным:
¿Ш=КШП = (0,8*0,9)0. (23)
В этой формуле Э - диаметр винтовой лопасти рыхлителя.
ВЫВОДЫ
1. Наиболее перспективной машиной для рыхления прочных и мёрзлых грунтов при производстве земляных работ в строительстве может быть газодинамический рыхлитель [3, 4, 5, 6, 7, 8, 9] по следующим причинам:
® простота конструкции, возможность её монтажа на серийно выпускаемых малогабаритных экскаваторах или пневмоколёсных тракторах;
® высокая энерговооружённость газоимпульсного оборудования, что открывает возможности значительного повышения производительности, снижения материалоёмкости по сравнению с конструкциями рыхлителей традиционного типа.
2. Установлены закономерности взаимодействия рабочего оборудования с мёрзлым грунтом при завинчивании, в соответствии с которыми определён диаметр штанги в зависимости от диаметра винтовой лопасти и грунтовых условий, влияющих на тяговое усилие, которое развивает винтовой наконечник.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Лозовой, Д. А. Разрушение мёрзлых грунтов / Д. А. Лозовой. - Саратов : Изд-во Саратовского университета, 1979. - 184 с.
2. Зеленин, А. Н. Машины для земляных работ: учеб. пособие для вузов/ А. Н. Зеленин, В. И. Баловнев, И. П. Керров. - М. : Машиностроение, 1975. - 424 с.
3. Пат. №2209891 Российская Федерация, МПК 7Е 02Б5/32 Газодинамический рыхлитель /Ивкин В.^заявитель и патентообладатель Ульян. гос. техн. ун-т. - №2002110492/03; заявл. 19.04.2002; опубл. 10.08.2003, Бюл. №22. - 12 с.
4. Пат. №2231601 Российская Федерация, МПК 7Е 02Р5/30 Газодинамический рыхлитель /Ивкин В. С., Щелыкалин В. С.; заявитель и патентообладатель Ульян, гос. техн. ун-т. -№2003108241/03; заявл. 25.03.2003; опубл. 27.06.2004, Бюл. №18.- 16 с.
5. Пат. №2236514 Российская Федерация, МПК 7Е 02Р5/32 Газодинамический рыхлитель /Ивкин В. С., Кузьмин Е. К.; заявитель и патентообладатель Ульян. гос. техн. ун-т.-№2003116529/03; заявл. 03.06.2003; опубл.
20.09.2004, Бюл. №26. - 15 с.
6. Пат. №2244784 Российская Федерация, МПК 7Е 02Р5/32 Газодинамический рыхлитель /Ивкин В. С., Кузьмин Е. К.; заявитель и патентообладатель Ульян, гос. техн. ун-т. -№2003130251; заявл. 10.10.2003; опубл.
20.01.2005, Бюл. №2.-11 с.
7. Пат. №2252989 Российская Федерация, МПК Е02Р5/32. Устройство для разрушения прочных и мёрзлых грунтов/ Ивкин В. С., Морозов В. В.; заявитель и патентообладатель Ульян, гос. техн. ун-т. - №2004106179/03 заявл. 02.03.2004; опубл. 27.05.2005, Бюл. №15. - 12 с.
8. Пат. №2256751 Российская Федерация, МПК Е02Р5/32, Устройство для разрушения прочных и мёрзлых грунтов/ Ивкин В. С., Морозов В. В. ^ заявитель и патентообладатель Ульян, гос. техн. ун-т. - №2004112155/03; заявл. 20.04.2004; опубл. 20.07.2005, Бюл. №20. - 12 с.
9. Пат. №2276235 Российская Федерация, МПК Е02Р5/30. Устройство для разрушения прочных и мёрзлых грунтов/ Ивкин В. С., Морозов В. В.; заявитель и патентообладатель Ульян, гос. техн. ун-т. - №2004118762; заявл. 21.06.2004; опубл. 10.05.2006, Бюл. №13.-21 с.
10. Абрамович, Г. Н. Прикладная газовая динамика / Г. Н. Абрамович. - Изд. 3-е, перераб. -М.: Наука, 1969. - 824 с.
Максимов Сергей Валентинович, доктор технических наук, заведующий кафедрой «Строительное производство и материалы» УлГТУ. Имеет монографии, учебник, учебные пособия и статьи, изобретения и патенты в области строительных материалов. Ивкин Валерий Семёнович, кандидат технических наук, доцент кафедры «Строительные конструкции» УлГТУ. Имеет учебные пособия и статьи, изобретения и патенты в области механизации строительных работ. Ефремов Александр Дмитриевич, студент 4 курса УлГТУ.
