ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РАБОЧЕГО ОРГАНА МЕРЗЛОТОРЫХЛИТЕЛЬНОГО ОБОРУДОВАНИЯ БЕЗУДАРНОГО ДЕЙСТВИЯ Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 624.139:624.131/132

DOI: 10.24412/2071-6168-2023-12-645-646

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РАБОЧЕГО ОРГАНА МЕРЗЛОТОРЫХЛИТЕЛЬНОГО ОБОРУДОВАНИЯ БЕЗУДАРНОГО ДЕЙСТВИЯ

С.В. Иванов, М.И. Зенин, К.А. Иванова

Приведены методика и результаты экспериментальных исследований рабочего органа мерзлоторыхли-тельного оборудования осуществляющего статическое разрушение мерзлого грунта. Определены значения основных технологических параметров оборудования в зависимости от ширины рыхлящих элементов, а именно расстояние между рыхлящими элементами и расстояние от стенки забоя.

Ключевые слова: мерзлый грунт, мерзлоторыхлительноге оборудование, рыхлящие элементы, объем

грунта.

При производстве работ на мерзлых грунтах, работоспособность средств механизации зависит от свойств разрабатываемой среды [1-3], они являются основными факторами характеризующими выбор средств механизаций с видом разрушения. При совершенствовании или создании новых машин и оборудования для разработки мерзлых грунтов необходимо реализовывать менее энергоемкие виды разрушающей нагрузки. Установлено, что мерзлый грунт меньше всего сопротивляется разрывным нагрузкам (табл. 1) [4,5].

Сопротивляемость мерзлых грунтов различным видам разрушения

Таблица 1

Показатель энергоемко- Характер деформации

сти Разрыв Сдвиг Изгиб Сжатие Резание Вдавливание

Относительный показатель 1 1,5 2 3 7 21

В развитии средств механизаций в данной области может являться оборудование осуществляющее разрушение грунта без использования динамических нагрузок (рис.1.) [6,7,8]. Рабочий процесс данного оборудования осуществляет комбинированный рабочий орган, состоящий из тягового винта с рыхлящим элементом, приводящий к разрушению грунта отрывом от массива или в сторону открытой стенки забоя [9]. Исполнение данного оборудования может быть как ручным, так и навесным в зависимости от объема земляных работ и условий их проведения. Отсутствие ударных нагрузок позволяет производить работы в непосредственной близости к инженерным сооружениям и коммуникациям.

Рис. 1. Схема безударного разрушения мерзлого грунта а - скол в сторону забоя, б - отрыв от массива: 1 - штанга; 2 - упорный подшипник; 3 - клиновой рабочий орган; 4 - винтовой рабочий орган; 5 - привод

Критерием эффективности работы данного оборудования, является объем скалываемого грунта, который зависит не только от конструктивных и геометрических параметров рабочего органа оборудования, но и от технологических параметров, таких как расстояние от стенки забоя и расстояния между рабочими органами.

На рисунке 1в представлена схема разрушения грунта при работе мерзлоторыхлительного оборудования с рабочим органом, состоящим из двух конусных рыхлящих элементов погружаемых тяговыми винтами. Площадь отрыва от воздействия каждого рыхлящего элемента представляет собой треугольную пирамиду, где при изменении

расстояния между рыхлящими элементами и расстояния от стенки забоя на величину Ьр и Ьзаб происходит пересечение линий скола, тем самым изменяется площадь отрыва и объем скалываемого грунта.

С целью определения эффективных технологических параметров Ьр и Ьзаб проводились экспериментальные исследования на искусственно приготовленных моделях мерзлого суглинистого грунта с влажность Ю = 10...15% , температурой -7 - 8 °С, крупность зерен 0,2...0,6 мм. Для получения однородной равнопрочной структуры и равных физических свойств размельченный и увлажненный грунт в специальной металлической форме

послойного уплотнялся специально изготовленным оборудованием на гидравлическом прессе. При этом для обеспечения сцепления слоев, поверхность уже уплотненного грунта предварительно равномерно разрыхлялась. Для получения монолитной криогенной структуры, форма с грунтом замораживалась в холодильной камере, и выдерживались с соблюдением равных температурных -25-30 °С и временных 48 ч режимов.

Прочность грунта контролировалась плотномером ДОРНИИ по среднему числу ударов. Процентное содержание влаги в грунте определялось путем высушивания и взвешивания влажной и высушенной массы грунта после каждой серии опытов.

В ходе проведения экспериментов по изучению физической картины разрушения грунта установлено, что

при расположении рыхлящих элементов на расстоянии Ь = 4Ь (Ь - ширина рыхлящего элемента) (рис.2.а) линии трещин скола образовывают один скалываемый объем грунта. При расположении рыхлящих элементов на расстоянии Ьр = 5,5Ь (рис.2.б) два элемента также образовывают один скалываемый элемент при этом трещины скола одного конуса пересекает трещину скола другого конуса, объем скалываемого грунта возрастает не значительно. Увеличивая расстояние (рис.2.в) до Ьр = 7Ь , разрушение от воздействия каждого рыхлящего элемента носит самостоятельный характер, а объем скалываемого грунта уменьшается в среднем на 20%. Это объясняется тем, что самостоятельный характер разрушения каждого элемента уменьшает глубину скола, поскольку не происходит разрушения грунта между рыхлящими элементами.

а - мерзлый грунт (Ьр = 4Ь, ( = 10...12%, С = 249);

б - мерзлый грунт (Ьр = 5,5Ь, ( = 10...12%, С = 260);

в - мерзлый грунт (Ьр = 7Ь, ( = 10...12%, С = 265);

Рис.2. Влияние расстояния между рьклящими элементами в форме конуса на разрушения грунта

(а = 25°, Ьзаб = 3Ь,).

646

Исходя из полученных результатов теоретических исследований [10,11] и предварительных экспериментов, установлены численные значения переменных факторов и уровни варьирования, угол заострения рыхлящих

элементов во всех экспериментах принимался О = 25°.

Поскольку число факторов в нашем случае равно двум, то выбран план полного факторного эксперимента - 22. В методике исследований были приняты интерполяционные модели, которые выражают степенную зависимость выходных параметров от регулируемых факторов процесса.

Для исследования процесса обработки использовалась следующая математическая модель [12]:

¥ = С ■ Т

1 ... — л »

^ заб

Ь¥ш2 ■ Т Ь¥ш1 ЪР

(1)

где: - сопротивление грунта разрушению от воздействия рыхлящих элементов; С¥ - коэффициенты пропорци-

ональности;

Ь¥

- показатели степеней.

Для приведения уравнения (1) к линейному виду использовался метод логарифмирования, после чего получили следующее выражение:

1п ¥ш = 1п С¥ш ■ 1п Ьзаб ■ Ь¥ш2 ■ !п Ьр ■ Ьш (2)

Зависимости (2) представим в виде уравнения регрессии, соответственно:

(3)

у = Ь1 + Ь1X! + Ь1X 2 + Ь1,2 X! X 2

где У . - значение натурального логарифма параметра оптимизации; Ь - коэффициенты регрессии; X - значение

натуральных логарифмов технологических факторов.

Для каждого из факторов процесса устанавливали уровни варьирования (табл. 2.)

Уровни варьирования и кодовые обозначения факторов

Таблица 2

Уровни Факторы в единицах измерения

Ьр, (мм) Ьзаб , (мм)

Верхний 8Ь 5Ь

Нижний 4Ь 2Ь

Основной 6Ь 3,5Ь

Интервал варьирования 2 1,5

Кодовые обозначения X1 X 2

Реализация плана двухфакторного эксперимента позволила установить функциональные зависимости влияния расстояний Ьзаб и Ьр на процесс разрушения грунта ¥ш = /(Ьзаб, Ьр ); Еуд = /(Ьзаб, Ьр )

Влияние приведенных факторов описывается уравнением регрессии с использованием ортогонального центрального композиционного плана, где откликом служит сила сопротивления грунта разрушению:

¥ш = 2276 +1549Ьзаб + 204,8Ьр + 468^2 + 275,65Ьр2 + 169,3Ьлаб ■ Ьр

Величина удельной энергоемкости процесса разрушения грунта от воздействия рыхлящих элементов конусной формы, описывается соответствующим уравнением регрессии, отражающим ее зависимость от исследуемых технологических параметров:

Еуд =-0,01 + 0,037Ьзаб -0,041Ьр + 0,131Ьзаб

+ 0,155Ь

2

+ 0,004Ьзаб ■ Ьр

Графики интерпретации полученных зависимостей представлены на рисунках 3-5. Уровень значимости принят 5%, полученный коэффициент Фишера составляет 4,7. Модель считается адекватной в том случае, когда полученный коэффициент Фишера будет меньше критического табличного значения 5,1 для конкретных условий проведения эксперимента. В данном случае условие выполняется, модели адекватны.

1.р.н

Еуд (. 1Ж' Ш 0,32-

51)

а

Н] зь

I. зрб, м

Рис. 3. а - График зависимости удельной энергоемкости от расстояний Ьзаб , Ьр б - Линии равных значений

удельной энергоемкости от расстояний Ьзаб , Ьр

ш

б

5Ь 4Ь

L заб. м

а б

Рис. 4. а - График зависимости объема скалываемого грунта от расстояний Ьзаб , ЬР б - Линии равных

значений объема скалываемого грунта в зависимости от расстояний Ьзаб , ЬР

ВДЙжЛм ) V.fcn') FluJKH) Ц25 5000 5

Emlttt/cn'] ¥£„4 aa®

0,24 — tooo — 4

0,23 - 3000 - 3

0.22 — 2000 — 2

— 1000 — 1

0.201— 0 L 0

Fm=flLa

s Ee=f{LJ

\

N.

---'

i г' — 700 ~Z74

0,25 -670 -2.66

0,23 -640 2,58

0.21 -610 - 2,5

0.19 — 560 2,42

0.17 ._ 500 _ 2,34

Fm=f!U J /

С—

s. fa

A У у'

4 fr'i %..J

5b Lrf

Lpcs

б

Рис. 5. Зависимости сопротивления грунта разрушению , объема скалываемого грунта V и удельной энергоемкости Еуд от: а - расстояния до стенки забоя Ьзаб, б - расстояния между рыхлящими элементами

Ьр

На основе результатов анализа экспериментальных исследований установлено, что наименьшая удельная энергоемкость разрушения грунта достигается при следующих значениях технологических параметров: расстояние от стенки забоя Ьр = (3...3,5) • Ь, расстояние между рыхлящими элементами Ьр = (5...5,5) • Ь . Наибольший объем

скалываемого грунта также достигается в тех же пределах, при увеличении исследуемых параметров происходит уменьшение объема скалываемого грунта при этом удельная энергоемкость возрастает, поскольку сопротивление грунта разрушению увеличивается.

Для проверки достоверности данных проводилось сопоставление результатов расчетных данных полученных в ходе теоретических исследований и данных экспериментальных исследований Результаты сравнения представлены в таблице 3.

Результаты экспериментальной проверки теоретических исследований

Таблица 3

№ п/п xi (L3a6) x2 (Lp) Ьзаб Lp Экспериментальные данные Рш (N) Расчетные данные Рш (N)

1 - - 2b 4b 1430 1310,7

2 + - 5b 4b 3840 4199,5

3 + + 5b 8b 4580 4950,7

4 - + 2b 8b 1520 1387,5

5 0 -a 3,5b 3,17b 2200 2397,6

6 0 +a 3,5b 8,82b 3182 2974,8

7 -a 0 1,38b 6b 1120 1040,5

8 +a 0 5,62b 6b 5106 5479,7

При сравнении результатов теоретических и экспериментальных исследований провидимых в лабораторных условиях расхождение не превышает 9%.

Список литературы

а

1. Ladanyi В. Mechanical behaviour of frosen soils // Ottawa, 1981. 54 p.

648

2.Leshchiner V.B. Evaluating the resistance to cutting in coarse-grain frozen earth // Journal of Mining Science.- May 1991, Volume 27, Issue 3. P. 229-235.

3.LI Qian. Development of Frozen Soil Model / LI, Qian; SUN Shu-fen // Advances in Earth Science (LASG,Institute of Atmospheric Physics, CAS, Beijing 100029, China) 2006, №12 С. 96-103.

4.Ерасов И.А. Мерзлые грунты. Методы разработки : учебное пособие / И.А. Ерасов, А.П. Куляшов, Ю.И. Молев, В.А. Шапкин. М.: Компания Спутник, 2006. 420 с.

5.Мартюченко И.Г. Винтовые рабочие органы машин для разработки мерзлых грунтов. Монография. М.: ИНФА-М, 2014. 200 с.

6.А.с. 883275, МПК Е 02 F 5/30. Устройство для разработки мерзлого грунта / Д.А. Лозовой, В.А. Запускалов, Е.В. Орлов, А.И. Кузяев, Ю.М. Трушин и др. (СССР). №2753316/29-33; заявл. 20.02.79; опубл. 23.11.81, Бюл. № 43. 2 с.

7.А.с. 901413, МПК Е 02 F 5/30. Устройство для рыхления мерзлого грунта / А.А. Крюков, В.Г. Попов, А.А. Кусков, А.Б. Ермилов (СССР). -№ 2911517/29-03; заявл. 16.04.80; опубл. 30.01.82, Бюл. № 4. 4 с

8.Пат. 118983 РФ, МПК E02F 5/30. Устройство для разработки мерзлого грунта /И.Г. Мартюченко, С.В. Иванов, заявитель и патентообладатель Сарат. гос. техн. ун-т. - № 2012109312/03; заявл. 12.03.2012; опубл. 10.08.2012, Бюл. № 22. 5 с.

9.Лозовой Д.А. Машина для разработки мерзлых грунтов / Д.А. Лозовой, В.А. Запускалов, Ю.Е. Ветлов, Д.А. Вдовин // Гидротехническое строительство. №8. 1972. С. 47-48.

10. Иванов С.В. Определение сил сопротивления грунта разрушению от воздействия рыхлящих элементов мерзлоторыхлительного инструмента / И.Г. Мартюченко, С.В. Иванов // Научное обозрение, 2015. №15. С. 59 - 65.

11. Иванов С.В. Определение энергоемкости процесса разрушения грунта рыхлящими штангами мрзлото-рыхлительного оборудования / И.Г. Мартюченко, С.В. Иванов // Проблемы и инновации в области механизации и технологий в строительных и дорожных отраслях: Сб. науч. трудов междунар. научно-пр. конф.

12. Налимов В.В., Чернова Н.А. Статистические методы планирования экстремальных экспериментов. М.: Наука, 1965. 340 с.

Иванов Сергей Викторович, канд. техн. наук, доцент, [email protected]. Россия, Саратов, СГТУ имени Гагарина Ю.А.,

Зенин Максим Иванович, канд. техн. наук, доцент, [email protected], Россия, Саратов, СГТУ имени Гагарина Ю.А.,

Иванова Кристина Клександровна, аспирант, kristina. rubis@rambler. ru, Россия, Саратов, СГТУ имени Гагарина Ю.А.

EXPERIMENTAL STUDIES OF THE WORKING ORGAN OF PERMAFROST-LOOSENING EQUIPMENT OF SHOCK-

FREE ACTION

S.V. Ivanov, M.I. Zenin, K.A. Ivanova

The methodology and results of experimental studies of the working body ofpermafrost-breaking equipment performing static destruction offrozen soil are presented. The values of the main technological parameters of the equipment are determined depending on the width of the loosening elements, namely the distance between the loosening elements and the distance from the face wall.

Key words: frozen soil, permafrost-loosening equipment, loosening elements, soil volume.

Ivanov Sergey Viktorovich, candidate of technical sciences, docent, serezha_ivanov_vik@mail. ru, Russia, Saratov, Yuri Gagarin State Technical University of Saratov,

Zenin Maxim Ivanovich, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Saratov, Yuri Gagarin State Technical University of Saratov

Ivanova Kristina Kleksandrovna, postgraduate, [email protected], Russia, Saratov, Yuri Gagarin State Technical University of Saratov