CC BY
31
УДК 621.868.2
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РЕЖУЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ РАБОЧЕГО ОРГАНА ПОДКАПЫВАЮЩЕЙ МАШИНЫ
Ю. А. Федотенко, И. А. Реброва, Д. В. Булаева
Аннотация. В статье рассмотрен способ удаления грунта под трубопроводом подкапывающей машиной. Обозначены актуальные направления исследования конструкции подкапывающей машины, описан план проведения экспериментальных исследований.
Ключевые слова: подкапывающая машина, магистральный нефтегазопровод, экспериментальные исследования.
Введение
К настоящему времени общая протяженность эксплуатируемых в России магистральных нефтегазотрубопроводов, включая промысловые,
газораспределительные трубопроводы, приближается к одному миллиону километров (980 тыс. км). Поддержание действующих систем в исправном состоянии необходимо для безопасного
функционирования всего топливно-энергетического комплекса страны [1]:.
Отказы на магистральных трубопроводах наносят не только большой экономический ущерб из-за потерь продукта и нарушения непрерывного процесса производства в смежных отраслях, но могут сопровождаться загрязнением окружающей среды, возникновением пожаров и даже человеческими жертвами.
Анализ причин аварий и инцидентов магистральных трубопроводов показал, что одной из основных причин повреждения трубопроводов являются механические повреждения при проведении ремонтных работ трубопровода (рис. 1.)
Рис. 1. Анализ причин аварий и инцидентов магистральных трубопроводов 1 - технологические причины (35 %); 2- механическое воздействие при проведение земляных работ (23%);3 - брак строительно-монтажных работ (20%); 4 - коррозия (12%); 5 - заводской брак (10%);
Анализ основных причин механических повреждений, по которым происходят аварии и инциденты, можно разделить на 5 групп (рис. 2.): повреждение трубопровода рабочими органами землеройно-транспортных машин (40 %);повреждение патрубков (54 %); нанесение дефектов при выполнении земляных работ для устранения дефектов выборочным способом (4,5 %);при
монтаже и демонтаже ремонтных конструкций (1,5 %);
В связи с этим в нефтегазовой индустрии считается, что основой повышения надежности, безопасности и качества проводимых ремонтных работ магистральных трубопроводов является - применение эффективного технологического оборудования при проведении ремонтных и строительных работ трубопровода.
Рис. 2. Основные причины механических повреждений 1 - повреждение трубопровода рабочими органами ЗТМ (40 %); 2- повреждение патрубков (54 %); 3 - нанесение дефектов при выполнении земляных работ для устранения дефектов выборочным способом (4,5 %); 4 - при монтаже и демонтаже ремонтных конструкций (1,5 %);
Описание задачи
В проведении ремонтных работ участвует целый парк специализированных машин. В число этих машин входят бульдозеры, одноковшовые экскаваторы, подкапывающая машина, которая предназначена для разработки и удаления грунта из-под ремонтируемого трубопровода
предварительно вскрытого сверху и боков, очистная машина для снятия оставшегося грунта и старой изоляции.
Рис. 3. слева: вскрытие трубопровода с использование подкапывающей машины; справа: 3D модель рабочего органа подкапывающей машины
В промышленности применяются подкапывающие машины с роторными цилиндрическими рабочими органами. Крутящий момент на рабочие органы передается от электродвигателей. Для перемещения вдоль трубы машина имеет задний толкающий и передний тянущий приводы перемещения тележки с режуще-отвальным органом по трубопроводу. В качестве источника энергии для подкапывающей машины используют передвижную электростанцию, которая передвигается вдоль ремонтируемого трубопровода (рис 3.)
На сегодняшний день исключение из отряда специализированной техники подкапывающей машины и проведение ремонтных работ по вскрытию траншеи с помощью только бульдозеров и одноковшовых экскаваторов не могут обеспечить необходимую безопасность ремонтных работ, по причине того, что
имеют
ряд
оператора подкопа
одноковшовые экскаваторы существенных недостатков:
- плохая видимость экскаватора, в процессе трубопровода;
- сложность конструкции - сложность поворота ковша в сторону в стесненных условиях, т. е. необходимо дополнительно расширять траншею;
- опасность повреждения трубопровода ковшом экскаватора.
По наблюдениям Фонда развития трубной промышленности, с 2006 года отмечается рост случаев массового использования бывших в употреблении труб при строительстве промышленных объектов и объектов жизнеобеспечения. По оценке российских трубных компаний, рынок б/у труб составляет около 700 тыс. тонн. Ориентировочная стоимость б/у труб составляет 17-25 тыс. рублей за тонну - это в разы меньше стоимости трубы. Только в России свыше 90
предприятий, которые тем или иным способом «восстанавливают» трубы.
Поэтому, исключая подкапывающую машину и очистную машину из отряда специализированной техники, мы исключаем возможность повторного использования трубы, так как извлечение трубы при помощи одноковшового экскаватора методом «выдергивания» наносят трубе дефекты, которые делают её непригодной для дальнейшего использования.
Однако при работе подкапывающей машины на связных и плотных грунтах на режущих роторах возникают большие сопротивления копания грунта, что приводит к снижению скорости передвижения машины, и именно поэтому на сегодняшний день подкапывающая машина - это машина с самой низкой скоростью передвижения из всего отряда специализированной техники. Очистка подтрубного пространства рабочими органами подкапывающей машины не в полной мере удовлетворяет условиям качества, установленные на рабочем органе подкапывающей машины резцы не обеспечивают максимальный вынос грунта из-под трубного пространства, практически они только рыхлят грунт, а не удаляют его в боковые приямки.
Следовательно, необходимо проведение теоретических и экспериментальных исследований для создания
высокоэффективных рабочих органов подкапывающей машины.
Решение проблемы
Одним из актуальных направлении совершенствования конструкции
подкапывающей машины на сегодняшний день является - разработка, выбор и обоснование конструктивных параметров режущих элементов рабочего органа подкапывающей машины, которые должны быть на основе теоретических и экспериментальных исследовании.
Для проведения экспериментальных исследований разработан план
эксперимента.
Цель экспериментальных исследований: получение экспериментальных зависимостей характеристик рабочего органа машины от
геометрических параметров резца рабочего органа подкапывающей машины.
Задачи экспериментального исследования:
1. Установить влияние геометрических параметров резца (Кривизна лопасти, ширина лопасти, длина лопасти и т.д.) на величину силы сопротивления копанию грунта;
2. Получить численные значения силы сопротивления копанию грунта резцами рабочего органа подкапывающей машины;
3. По результатам экспериментальных исследований рассчитать коэффициенты регрессии, составить математическое описание и провести оценку значимости коэффициентов регрессии;
4. Провести анализ адекватности (соответствия) полученного уравнения действительному течению процесса влияния геометрических параметров резца рабочего органа подкапывающей машины на величину силы сопротивления копанию грунта и качество очистки подтрубного пространства;
5. Используя полученное уравнение, установить рациональные геометрические параметры резца рабочего органа подкапывающей машины;
В качестве параметров оптимизации выбраны сила сопротивления копанию грунта (Н) и мощность электродвигателя (кВт). Варьируемыми факторами являются: кривизна, длина и ширина лопасти рабочего органа машины. Кроме того, планируется провести серии опытов при различных фиксированных значениях частоты вращения ротора рабочего органа.
Анализ априорной информации показал, что ранее подобных экспериментальных исследований не проводилось, поэтому принято решение проводить полный факторный эксперимент (ПФЭ) 23.
Уравнение модели эксперимента:
у = Ь0 + Ь1х1 + Ь2Х 2 + Ь3Х3 + Ь12Х1Х2 + (1)
+ Ь13 Х1Х3 + Ь2з Х2Х3 + Ь123 Х1Х 2Х3
Для проведения экспериментальных исследований составлена матрица планирования эксперимента ПФЭ 23 с учетом взаимодействия факторов - геометрических параметров резца рабочего органа подкапывающей машины (табл 1.)
Таблица 1 — Матрица планирования эксперимента ПФЭ 23 с учетом взаимодействия факторов - геометрических параметров резца рабочего органа подкапывающей машины
№ опыта Х0 Х2 Х3 X1Х2 x X3 X2 X3 X1X2 X3
1 + - — — + + + — У1
2 + + — — — — + + Л
3 + — + — — + — + У3
4 + + + + + — — — У 4
5 + — — + + — — + У5
6 + + — + — + — — Уб
7 + — + + — — + — У7
8 + + + + + + + + CO
В данной матрице знак «плюс» соответствует максимальному
нормированному значению варьируемого фактора, знак «минус» - минимальному.
Чтобы исключить влияние
систематических погрешностей, вызванных влиянием внешней среды, будет использоваться метод рандомизации (random - случайный), который основан на принципе перевода систематических погрешностей в случайные. При постановке ПФЭ
эксперимента 2 учитывая данные таблицы 1 принята следующая последовательность проведения экспериментальных
исследований:
Таблица 2 - Последовательность постановки опытов экспериментального
3
исследования ПФЭ 2
1. Федотенко Ю. А., Киселева Л. Н. Новые возможности подкопочной машины // Вестник СибАДИ -. 2007.- № 5. - С. 241 -244.
2. Завьялов А. М., Малых Д. А. Математическая модель взаимодействия рабочего оборудования подкапывающей машины с грунтом // Строительные и Дорожные машины. - 2004. - № 10. - С. 33-36.
THE LABORATORY EXPERIMENTS IN STUDY OF
THE EARTH-MOVING MACHINE WORKING
Y. A. Fedotenko, I. A. Rebrova, D. V. Bulaeva
The way of moving off ground from the oil-gas pipeline by the earth-moving machine. Up-to-date trends in earth-moving design study as well as a plan of carrying laboratory experiments are observed.
Keywords: earth-moving machine, main road oil-gas pipeline, laboratory experiments.
Bibliographic list
1. Fedotenko Y. A., Kiseleva L. N. New opportunities of earth-moving machine // Vestnik SibADI (Bulletin) - 2007. - N 5. - P. 241 -244.
2. Zavyalov A. M., Malyh D. A. Mathematical model of interaction between earth-moving machine and soil // Consrtuction and road machinery - 2004. -№ 10. - P. 33-36.
Федотенко Юрий Александрович - кандидат технических наук, доцент кафедры «Техника для строительства и сервиса нефтегазовых комплексов и инфраструктур » Сибирской государственной автомобильно-дорожной
академии (СибАДИ). Основные направления научной деятельности: совершенствование конструкций машин и оборудования для строительства и сервиса нефтегазовых комплексов и инфраструктур. Общее количество опубликованных работ: 35. e-mail: fedotenko_ya@sibadi. org
Реброва Ирина Анатолиевна - кандидат технических наук, доцент кафедры «Автоматизация производственных процессов и электротехника» Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии (СибАДИ). Основные направления научной деятельности: совершенствование систем управления машин и оборудования для строительства и сервиса
Кол-во опытов 1 2 3 4 5 6 7 8
1 серия 4 2 3 7 8 1 5 6
2 серия 2 4 6 8 5 7 3 1
Библиографический список
нефтегазовых комплексов и инфраструктур. Общее количество опубликованных работ: 20. email: ria-69@mail.ru
Булаева Дарья Валентиновна - аспирантка факультета «Нефтегазовая и строительная техника» обучающаяся по специальности 05.05.04.«Дорожные, строительные и подъемно-транспортные машины» Сибирской
государственной автомобильно-дорожной
академии (СибАДИ). Основные направления научной деятельности: Выбор и обоснование конструктивных параметров режущих элементов рабочего органа подкапывающей машины. Общее количество опубликованных работ: 13. e-mail: omichka07@mail.ru
УДК 621.878.23
ПРОЦЕСС УПРАВЛЕНИЯ РАБОЧИМ ОРГАНОМ БУЛЬДОЗЕРНОГО АГРЕГАТА
В. В. Хохлов
Аннотация. В статье рассматривается последовательность работы гидроцилиндров рабочего органа бульдозерного агрегата. Получена поверхность земляного полотна при различных процессах управления рабочим органом. Проанализированы процессы управления и их влияние на точность формируемого земляного полотна.
Ключевые слова: процесс управления, земляное полотно, бульдозерный агрегат.
Введение
Основными параметрами, характеризующими геометрическое соответствие земляного полотна проекту, являются высотные отметки продольного профиля и поперечный уклон.
Управление положением рабочего органа бульдозерного агрегата в пространстве осуществляется двумя гидроцилиндрами. Поэтому последовательность их включения при изменении положения рабочего органа оказывает влияние на точность формирования земляного полотна [1].
Управление рабочим органом бульдозерного агрегата
На рисунке 1(а) представлена поверхность земляного полотна,
формируемая при включении одного гидроцилиндра.
Направление движения базовой машины принято вдоль оси Х со скоростью V),. Первоначальное отклонение рабочего органа составляет угол а. Из рисунка 1(а) видно, что средняя точка р0 перемещается по линии что приводит, в зависимости от знака а, к заглублению или выглублению РО, изменению реакции грунта на РО, погрешности продольного профиля земляного полотна [2].
Величина погрешности вертикальной координаты продольного профиля в средней части после обработки углового рассогласования составит
На рисунке 1(б) представлена поверхность земляного полотна,
формируемая включением двух
гидроцилиндров поочередно или
одновременно. Эта последовательность позволяет избавиться от погрешности в установке РО по вертикальной координате. Сложность реализации этого процесса заключается в необходимости обеспечения синхронности работы двух гидроцилиндров.
Процесс управления, реализующий последовательность отработки продольного уклона одним гидроцилиндром, с последующей отработкой поперечного уклона представлен на рисунке 1 (в).
В этом случае значительно увеличивается время переходного процесса установки РО в заданное положение. Поочередная работа гидроцилиндров приводит к ошибкам как в угловом положении РО, так и по вертикальной координате. Величина этих погрешностей определится по следующим зависимостям [2]:
(2) (3)
yn =-0,5l • а - h
an =-
l
y = —0,5l • а.
(1)
На рисунках 1(г) и 1(д) представлены поверхности земляного полотна,
формируемые при различных скоростях движения штоков гидроцилиндров (рисунок 1 (г)) и фиксированных скоростях движения (рисунок 1 (д)).
