Научная статья на тему 'Экспериментальное исследование пневмоударного механизма с двумя управляемыми камерами'

Экспериментальное исследование пневмоударного механизма с двумя управляемыми камерами Текст научной статьи по специальности «Машиностроение»

CC BY
145
49
Поделиться
Ключевые слова
ТРУБА / ПНЕВМОУДАРНЫЙ МЕХАНИЗМ / ВИБРОУДАРНЫЙ ПРОКОЛ / СКВАЖИНА / СКОРОСТЬ ПОГРУЖЕНИЯ / ЧАСТОТА УДАРОВ

Аннотация научной статьи по машиностроению, автор научной работы — Гилета В. П., Тищенко И. В., Ванаг Ю. В.

Приведены экспериментальные исследования пневмоударного механизма с двумя управляемыми камерами, предназначенного для использования в технологиях проходки скважин в стесненных условиях виброударными методами. Описан стенд и результаты экспериментальной оценки энергетических и расходных характеристик механизма. Определены технологические возможности пневмоударного механизма при вертикальном забивании металлических труб диаметрами 34-76 мм и зависимости скорости забивания от глубины погружения труб.

Похожие темы научных работ по машиностроению , автор научной работы — Гилета В.П., Тищенко И.В., Ванаг Ю.В.,

Experimental investigation of pneumatic percussion machine with two operated chambers

Experimental study of air percussion mechanism with two control cameras for use in technologies sinking wells in confined spaces vibroimpact means are presented. The test bench and results of an experimental estimation of power and flow rate characteristics of the mechanism are described. Technological capabilities of the airpercussive mechanism at a vertical driving of steel-pipes by diameters of 34-76 mm and dependences of driving velocity on driving depth of pipes are defined.

Не можете найти то что вам нужно? Попробуйте наш сервис подбора литературы.

Текст научной работы на тему «Экспериментальное исследование пневмоударного механизма с двумя управляемыми камерами»

ГОРНЫЕ МАШИНЫ

УДК 621.23.05

В. П. Гилета, И. В. Тищенко, Ю. В. Ванаг

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПНЕВМОУДАРНОГО МЕХАНИЗМА С ДВУМЯ УПРАВЛЯЕМЫМИ КАМЕРАМИ

С развитием строительства возрастают объемы реконструкции существующих зданий и сооружений.

Одной из причин этого является точечная застройка в сложившейся части города, при которой возникает необходимость усиления фундаментов близлежащих жилых объектов, укрепления откосов котлованов и насыпей, глубинное уплотнение насыпных и просадочных грунтов, сооружение подпорных стенок и экранов, формование набивных свай под фундаменты зданий, опор мостов, эстакад, линий электропередач [1, 2].

Для выполнения таких работ наиболее эффективным и распространенным является метод виброударного прокола.

Метод реализуется путем погружения в грунт стальных труб с закрытым торцом или элементов круглого поперечного сечения диаметром до 65 мм и длиной до 15 м, также стандартных профилей, которые широко используются в качестве электродов заземления, зондов, анкеров, элементов крепления откосов котлованов, насыпей, выемок, опорных элементов дорожного или иного ограждения.

Большая часть перечисленных работ проводится в стесненных условия - труднодоступных местах строительной площадки, например, внутри (из подвальных помещений, колодцев, коллекторов) или вблизи жилых объектов и сооружений. Применение в таких условиях грузоподъемных средств невозможно, поэтому имеют место значительная доля ручного труда, быстрое утомление обслуживающего персонала, низкая производительность труда.

В связи с этим, актуально, создание оборудования с малыми массогабаритными параметрами и экономичными расходными характеристиками, что соответствует специфике работ в стесненных

условиях и позволяет использовать компактные источники сжатого воздуха.

В нашей стране и за рубежом виброударный метод реализован с помощью серийных пневмо-пробойников СО144, ИП4605 и ИП4603 и пнев-момолотов «Тайфун»; за рубежом - например, с помощью машин Grundomat фирмы Тгайо-ТесШк (Германия) [3, 4].

В основу типажного ряда пневмопробойников положены диаметр скважин и энергия единичного удара, максимально возможное значение которой, достигается за счет увеличения массы ударника и машины в целом. Частота ударов при этом сравнительно невысокая (1 ^ 6 Гц), что обусловлено производительностью передвижных компрессоров.

Перечисленные машины выполнены по беззолотниковой схеме с одной управляемой камерой, торцевым впуском и выхлопом сжатого воздуха и снабжены механизмом реверсирования направления ударов. Машины имеют массы: 30, 55 и 90 кг и соответственно длины: 1350, 1500 и 1400 мм. Схемы данных машин не позволяют существенно уменьшить длины и массы машин.

Повышение мощности существующих пнев-моударных машин традиционно идет за счет увеличения энергии и снижения частоты ударов. Проведенные на базе Института горного дела СО РАН исследования [5], показали, что резервом повышения мощности пневмоударных машин является увеличение частоты их ударов (более 10 Гц) при значениях энергии ударов не ниже 30-40 Дж, необходимых для преодоления сил сопротивления грунта. Прочность машин обеспечивается величиной скорости соударения, значение которой не превышает 4 м/с [6], как и у серийных пневмо-пробойников.

Исходя из представленных выше граничных

Не можете найти то что вам нужно? Попробуйте наш сервис подбора литературы.

Рис. 1. Общий вид экспериментального образца пневмоударного механизма с двумя управляемыми камерами : 1 - корпус с наковальней; 2 - ударник; 3 - патрубок;

4 - задняя гайка; 5 - амортизатор

условий при создании экспериментального образца малогабаритного пневмоударного механизма скорость разгона ударной части задавалась на уровне 4 м/с, масса ударника при этом составляла 4 кг, а всей машины 15 кг. Радиальные размеры ограничены диаметром 75 мм в расчете на погружение труб диаметром до 100 мм.

На основе существующих рекомендаций по расчету элементов системы воздухораспределения [4], а также математического моделирования рабочих процессов пневмоударного механизма, исходя из минимизации расходных показателей, были определены рациональные сочетания объемов камер, размеры впускного и выхлопного трактов

[7].

По полученным результатам в лаборатории механизации горных работ Института горного дела СО РАН был спроектирован и изготовлен экспериментальный образец малогабаритного пневмоударного устройства с бесклапанной системой воздухораспределения и двумя управляемыми камерами [8].

Повышение частоты ударов механизма реализуется за счет использования буферного цикла воздухораспределения, при котором существенное увеличение частоты ударов достигается за счет передачи накопленной энергии воздушного буфера ударнику в начале его рабочего хода [6].

Увеличение числа управляемых камер позволило уменьшить величину рабочего хода, объемы рабочих камер и, соответственно, длину машины. Таким образом, принятая схема воздухораспреде-

ления пневмоударного механизма позволила уменьшить длину в 2.4 раза и массу машины в 2.1 раза по сравнению с пневмопробойником СО144 (таблица).

Полученная масса машины с учетом массы вспомогательного оборудования удовлетворяет требованиям норм о предельно допустимых нагрузках при подъеме и перемещении тяжестей вручную согласно требованиям ПОТ Р О-45-009-2003 (п. 16.24, табл. 16.1).

Основными конструктивными элементами механизма (рис. 1) являются: корпус 1 с наковальней в его передней части, ударник 2, патрубок 3, задняя гайка 4 и амортизатор 5.

На первом этапе исследований для качественного и количественного анализа рабочего цикла экспериментального образца пневматического ударного механизма проводилось индицирование его фактических рабочих параметров путем записи импульсных индикаторных диаграмм изменения давления в рабочих камерах, а также измерение расхода потребляемого сжатого воздуха. Перечисленные выше операции осуществлялись на лабораторном измерительном стенде (рис. 2).

Измерение избыточного давления в камерах прямого, обратного хода и магистрали осуществлялось мембранными тензометрическими датчиками Д1, Д2 и Д3 соответственно. Крайнее заднее положение ударника фиксировалось контактным регистратором перемещения П. Полученные сигналы поступали в блок усилителей БУ и светолу-чевой осциллограф ОС марки Н-117. Момент

Кр1\

ГТНгЩЧп^ 1

Не можете найти то что вам нужно? Попробуйте наш сервис подбора литературы.

л

1-. <м

Кр2

п

^Еадрадленне

а

мн

9

45.

///'/у

77

Г П ¿11 1— 1-Ц—1

г~

ДЗ Д1 ЧЧЧ ЧЧЧ ЧЧЧ Ч^ ЧчЧ ^ Д-р --1 1

Не можете найти то что вам нужно? Попробуйте наш сервис подбора литературы.

ос IIII БУ

■Ж

Рис. 2. Схема измерительного стенда 1 - измерительный участок трубопровода; 2 - рама; 3 - образец пневматической ударной машины; 4 - зажимное устройство; 5 - магистраль

сжатого воздуха

Технические характеристики пневмоударных механизмов

№ п/п Параметр Значения параметров

ПУМ СО144

Габаритные размеры, мм:

1 диаметр 73 71

длина 570 1350

2 Масса ударника, кг 4.4 -

3 Общая масса машины, кг 13.5 28

4 Давление сжатого воздуха, МПа 0.6 0.6

5 Сила отдачи, Н 1275 -

6 Частота ударов, Гц 22.3 5.5

Не можете найти то что вам нужно? Попробуйте наш сервис подбора литературы.

7 Энергия ударов, Дж 30 65

8 Ударная мощность, Вт 668 357.5

9 Скорость удара, м/с 3.7 -

10 Расход сжатого воздуха, м3/с (м3/мин) 0.044 (2.61) 0.025 (1.5)

11 Перемещение ударника, м 0.036 -

нанесения ударов ударника фиксировался при помощи пьезокристаллического акселерометра А марки KD-45. Регистрация параметров осуществлялась на фотобумагу с масштабными коэффициентами: 0,01 МПа/мм - по давлению и 0,002 с/мм - по времени. Затем диаграммы оцифровывались с помощью программы КОМПАС-Ю с последую-

щим переводом полученных данных в Microsoft Office Excel 2007 для отображения данных в графическом виде.

Для измерения потребляемого сжатого воздуха использовался термоанемометрический расходомер DS-300 производства компании CS Instruments (Германия) [9]. Его приборная цепь состояла

р, МПа

0,55 0,5 0,45 0,4 0,35 0,3 0,25 0,2 0,15 О,! 0,05 0

\ у \

\ \

-л \ N

л г л ■"л л

Не можете найти то что вам нужно? Попробуйте наш сервис подбора литературы.

f \ \

J \ / \

X \ / 1

\ \ / i

\ — \ _> J

0,005 0.01 0,015 0.02 0.025 0,03 0,035 0,01 0,(М5 0.05 0.055 г, с

р, МПа 0,55 0,5 0,45 0,4 0,35 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 О

\P1

\

\

л/ рI /

г

{ л г

\

\ 1

Не можете найти то что вам нужно? Попробуйте наш сервис подбора литературы.

V —N - ----------- У

0,005 0,01 0,015 0,02 0,025 0,03 0,035 0,М 0,045 0,05

а) pм = 0.4 МПа;

б) pм = 0.5 МПа;

в) pм = 0.6 МПа;

величины давлений в камерах: прямого хода pl, обратного хода p2 и магистральной pз

0,005 0,01 0,015 0,02 0,025 0,03 0,035 0,04 0,045 L с

а б

Рис. 3. Диаграммы p=f(t) при различном магистральном давнии pM

в

а

б

Рис. 4. Погружение труб различного диаметра экспериментальным образцом пневмоударного

механизма с двумя управляемыми камерами

из датчика Д, нагревательный элемент которого погружен в измерительный участок трубопровода 1, длиной L = 1600 мм, диаметром d = 69 мм, что обеспечивает диапазон варьирования проточного расхода в пределах 0 - 18 м3/мин; измерительно-регистрирующего модуля ИМ с аналоговым выходом 4 - 20 мА и запоминающим устройством на 6000 данных; портативного компьютера c пакетом программ CS Soft Professional. Функциональные звенья с помощью кронштейнов и зажимов закреплены на стационарной раме 2.

Не можете найти то что вам нужно? Попробуйте наш сервис подбора литературы.

Пневматический ударный механизм 3 закреплялся в зажимном устройстве 4 и подключался к магистральной сети сжатого воздуха 5 с помощью гибкого шланга и распределительного пульта 6 с кранами Кр1, Кр2. Подключение механизма к магистральной сети сжатого воздуха 5 осуществлялось гибким шлангом диаметром 16 мм. Сжатый воздух подавался к машине от стационарного компрессора 5 с расходом 6 м3/мин. Величина давления контролировалась при помощи манометра МН с ценой деления шкалы 5 кПа.

Запись индикаторных диаграмм проводилась при разном сетевом давлении сжатого воздуха (0.4-0.6 МПа). Обработка полученных индикаторных диаграмм позволила выявить характер процессов происходящих в камерах пневмоударного механизма. По результатам измерений определены его технические характеристики, представленные в таблице при номинальном сетевом давлении 0.6 МПа.

Энергетические параметры машины определялись путем обработки полученных индикаторных диаграмм (рис. 3) в соответствии с ГОСТ 16519-70. Данные представлены в таблице, в которой для сравнительной оценки приводятся также характеристики наиболее близкого по назначению серийного пневмопробойника СО144 [3].

Полученные результаты подтверждают перспективность принятой системы воздухораспреде-ления для получения высокой частоты ударов пневматического устройства. Наряду с этим критерием оценки технического уровня машины может служить удельный расход энергоносителя,

в

показывающий затраты объема сжатого воздуха на единицу ударной мощности: q = Q|(Е-V). Данная величина для описанного экспериментального образца равна q = 6.7 -10-5 м3/Дж, а для серийного пневмопробойника СО144, имеющего такой же калибр составила q = 7 -10 5 м3/Дж (табл.).

погружалась на 1 м (рис. 4 б). Процесс погружения обсадных труб экспериментальным образцом пневмоударного устройства фиксировался на видеокамеру SAMSUNG, что позволяло после покадровой обработки полученного материала с помощью компьютерной программы Picture Motion Professional определить время прохождения контрольного участка 0.1 ми рассчитать среднюю скорость погружения элемента на нем. Регистра-

FxlO 30 28 26 24 22 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0

м/с

14

2

>

\

> \ \

Не можете найти то что вам нужно? Попробуйте наш сервис подбора литературы.

Ч >

ч S

4 — — „

* * - • ^ Ч * < -ч

\ •ц." — — - -

1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 2,2 2,4 2,6 2,8 3 3,2 3,4 3,6 /, м 1 - 0 34; 2 - 0 48; 3 - 0 60; 4 - 0 76 мм

Рис. 5. Изменение скорости внедрения труб

Второй этап исследований заключался в определении технологических возможностей нового оборудования для виброударного погружения в грунт стальных элементов (рис. 4 а—г).

В качестве погружаемых элементов использовались трубы длиной 4 м наружным диаметром: 0 34 мм, 0 48 мм, 0 60 мм, 0 76 мм. На торце передней части закреплялся конусный наконечник (рис. 4 а) с углом а = 60 ° при вершине. Угол а соответствовал углу внутреннего трения супесча-но-суглинистых грунтов естественной влажности. Внешний диаметр конуса во всех случаях был равен внешнему диаметру трубы. Обсадная труба оснащалась расширителем, превышающим ее диаметр на 10 мм и длиной 0.04 м. Это позволило обеспечить постоянство сил бокового сопротивления грунта и исключало контакт боковой поверхности рабочей части обсадной трубы со стенками скважины.

Перед началом замеров труба предварительно

ция результатов эксперимента начиналась с отметки 1 м и заканчивалась отметкой 3.5 м (рис. 4

б-д).

Экспериментальные исследования проводились в вертикальном грунтовом канале, заполненном естественным супесчаным грунтом с нормальной влажностью (10-12%).

После погружения до расчетной отметки забитая труба извлекалась из грунта с помощью кран-балки грузоподъемностью 2 т. После извлечения трубы начинался новый цикл подготовительных работ. Обработка материалов видеосъемки позволила получить качественную картину перемещения забиваемых труб и вычислить средние значения скорости на контрольном участке. По результатам построены графики скорости погружения труб от глубины внедрения (рис. 5).

Результаты экспериментов показывают, что в одних и тех же грунтовых условиях характер полученных зависимостей сохраняется. Скорость

Не можете найти то что вам нужно? Попробуйте наш сервис подбора литературы.

внедрения труб в исследуемом диапазоне размеров снижается с увеличением их диаметра. Одновременно происходит падение средней скорости по глубине погружения труб, которое для трубы 0 34 мм составляет 8,3 раза; для трубы - 0 48 мм 8 раз; для трубы 0 60 мм - 5.3 раза; для трубы 0 76 мм - 5 раз.

Рост скорости внедрения труб во всех опытах в диапазоне 2.3 - 2.9 м можно объяснить изменением состава и свойств грунта. Существенное падение скорости погружения при достижении глубины 1.6 - 2.3 м объясняется тем, что в грунт начинает внедряться соединительная муфта, которая увеличивает сечение скважины.

На глубине 3.2 м процесс внедрения трубы 0 76 мм остановился, это связано с увеличением

плотности грунта.

ВЫВОДЫ

Результаты исследований подтверждают перспективность принятой системы воздухораспреде-ления для получения высокой частоты ударов пневматического устройства.

Полученные скоростные характеристики свидетельствую о том, что экспериментальный образец пневмоударного устройства с двумя управляемыми камерам обладает достаточным уровнем ударной мощности для преодоления сил сопротивления грунтового массива и может использоваться в качестве генератора ударных импульсов для погружения стальных элементов методом виброударного прокола.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Пневмопробойники в строительном производстве / А. Д. Костылев, В. А. Григоращенко, В. А. Козлов, В. П. Гилета, Ю. Б. Рейфисов. - Новосибирск : Наука, 1987. - 142 с.

2. Кершенбаум, Н. Я. Проходка горизонтальных и вертикальных скважин ударным способом / Н. Я. Кершенбаум, В. И. Минаев. - М. : Недра, 1984. - 246 с.

3. Пневмопробойники / К. С. Гурков, В. В. Климашко, А. Д. Костылев, В. Д. Плавских, Е. П. Русин, Б. Н. Смоляницкий, К. К. Тупицын, Н. П. Чепурной. - Новосибирск : Изд-во ИГД СО РАН, 1990. - 217 с.

4. Повышение эффективности и долговечности импульсных машин для сооружения протяженных скважин в породных массивах / Б. Н. Смоляницкий и др.; отв. ред. Б. Ф. Симонов; Ин-т горного дела им. Н. А. Чинакала, СКТБ «Наука» КНЦ, Ин-т химии твердого тела и механохимии и др. - Новосибирск : Изд-во СО РАН, 2013. - 204 с. (Интеграционные проекты СО РАН; вып. № 43)

5. Резервы повышения производительности виброударного погружения в грунт стальных элементов в технологиях специальных строительных работ / В. П. Гилета, Ю. В. Ванаг, И. В. Тищенко, Б. Н. Смоляницкий, В. В. Червов // ФТПРПИ. - 2008. - № 5. - С. 72-80.

6. Гурков, К.С. Пути повышения производительности пневмопробойников / К. С. Гурков, Г. А. Ткаченко. - Препринт №15. Новосибирск : ИГД, 1987. - С. 42.

7. Выбор параметров пневмоударных машин для проходки скважин в стесненных условиях / В. П. Гилета, Ю. В. Ванаг // Труды конф. с участием иностранных ученых "Фундаментальные проблемы формирования техногенной геосреды" (7-11 июля 2008 г.) В II т. - Т II. Машиноведение. - Новосибирск : Ин-т горного дела СО РАН, 2009. - с. 230-235.

Не можете найти то что вам нужно? Попробуйте наш сервис подбора литературы.

8. Патент РФ 139290 Пневматическое устройство ударного действия / В.П. Гилета, И.В. Тищенко, Ю.В. Ванаг, Н.А. Чусовитин; опубл. 10.04.2014, Бюл. №10.

9. Червов, В.В. Влияние элементов системы воздухораспределения пневмомолота с упругим клапаном на потребление энергоносителя / В. В. Червов, И. В. Тищенко, А. В. Червов // ФТПРПИ. - 2009. -№ 1. С. 41-47.

Авторы статьи

Гилета Владимир Павлович,

доктор технических наук, профессор каф. проектирования технологических машин НГТУ, email: pmx08@mail.ru.

Ванаг Юлия Валерьевна,

старший преподаватель каф. проектирования технологических машин НГТУ, email: yulia_vanag@mail.ru.

Тищенко Игорь Владимирович,

кандидат технических наук, с.н.с. лаборатория механизации горных работ Институт горного дела СО РАН, email: tischenko@ngs.ru.

Поступило в редакцию 14.01.2 15