CC BY
56
7. SHalman, D. A. Snegoochistiteli / D. A. SHalman. - 2-e izd., pererab. - L. : Mashinostro-enie, 1973. - 216 c. : il.
8. Aleshkov D.S. Vliyanie osnovnyh para-metrov frezerno-rotornogo snegoochistitel-ya na vyrezaemyj ob"em snezhnoj struzhki / N.Y. Urusova // Vestnik SibADI, 2013. - № 5(33). -S. 10-14.
Алешков Денис Сергеевич (Россия, Омск) - кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой «Техносферная безопасность» ФГБОУ ВО «СибАДИ». (644080, г. Омск, пр. Мира, 5, e-mail: kaf_bzhd@sibadi. org).
Аюпова Наталья Юрьевна (Россия, Омск) - учебный мастер кафедры «Технос-
ферная безопасность» ФГБОУ ВО «СибАДИ». (644080, г. Омск, пр. Мира, 5, e-mail: [email protected]).
Aleshkov Denis Sergeevich (Russian Federation, Omsk) - candidate technical science, head of the department Technosphere safety of The Siberian State Automobile and Highway University (SibADi) (644080, Mira, 5 prospect, Omsk, Russian Federation, e-mail: kaf_bzhd@ sibadi.org).
Ayupova Natalya Yuryevna (Russian Federation, Omsk) - educational master of the Technosphere safety department of The Siberian State Automobile and Highway University (SibADi) (644080, Mira, 5 prospect, Omsk, Russian Federation, e-mail: [email protected]).
УДК 625.76 + 624.138.22:626.226
ГРУНТОУПЛОТНЯЮЩЕЕ ОБОРУДОВАНИЕ НА ОСНОВЕ ГИДРОУДАРНИКОВ
Н.С. Галдин
Сибирский государственный автомобильно-дорожный университет (СибАДИ), Россия, г. Омск
Аннотация. Трамбование - эффективный способ уплотнения грунтов. При трамбовании грунт уплотняется за счет энергии удара рабочего органа. Перспективным навесным грун-тоуплотняющим оборудованием к экскаваторам являются гидротрамбовки на основе гидравлических ударных устройств. Приведены сведения о грунтоуплотняющих машинах с гидроударными рабочими органами. Энергетические показатели (энергия, мощность единичного удара) гидропневматических ударных устройств зависят от скорости бойка и таких его конструктивных параметров, как масса, величина хода бойка, давление зарядки газа пневмоакку-мулятора. Представлены зависимости массы подвижных частей и энергии удара от толщины уплотняемого слоя грунта и контактных напряжений на поверхности грунта.
Ключевые слова: уплотнение грунта, трамбование, гидроударный рабочий орган.
ВВЕДЕНИЕ
Целью уплотнения грунтов является получение плотной и прочной структуры грунта, способной без значительных деформаций выдерживать действующие нагрузки и климатические факторы. В строительстве применяются следующие основные способы уплотнения грунтов: укатка, трамбование, вибрационный и комбинированный [13].
Трамбование - эффективный способ уплотнения грунтов [5, 11, 13]. При трамбовании грунт уплотняется за счет энергии удара рабочего органа. Трамбование - универсальный способ уплотнения грунтов, потому что он пригоден для уплотнения как связных, так и несвязных
грунтов на достаточно большую глубину (до 1 ...1,5 м и более), а также возможно его применение в условиях зимнего строительств. Этот способ является также наиболее рациональным при работе в стесненных условиях, так как позволяет производить уплотнение грунта в различных выемках, траншеях, котлованах и т.д. на достаточно большую глубину [13].
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ГРУНТОУПЛОТНЯЮЩЕГО ОБОРУДОВАНИЯ
Трамбующие машины со свободно падающими плитами отличаются высокой металлоемкостью, большими габаритами, низкой ма-
невренностью, а также тем, что рабочий орган в этих машинах не обеспечивает возможность уплотнения грунтов в значительном удалении от базовой машины. Поэтому эти машины находят ограниченное применение при уплотнении грунтов в стесненных условиях.
Наибольшее же применение для уплотнения грунта в стесненных условиях получает сменное уплотняющее оборудование к базовым машинам - гидравлическим экскаваторам, малогабаритным тракторам, кранам.
Трамбующие машины с рабочим органом двойного действия разделяются по виду привода на дизельные, электрические, электромагнитные, гидравлические, пневматические, механические, взрывного действия и комбинированные.
В современных условиях для интенсификации производственных процессов в различных отраслях промышленности широко используются гидравлические ударные устройства, под которыми понимается механизм, в котором энергия жидкости генерируется в импульсы силы определенной частоты и интенсивности, воздействующие на некоторую обрабатываемую среду. Наибольшее применение они находят в качестве активных рабочих органов дорожно-строительных, горных и других машин [1 - 6, 14]. Энергетические показатели (энергия, мощность единичного удара) гидропневматических ударных устройств зависят от скорости бойка и таких его конструктивных параметров, как масса, величина хода бойка, давление зарядки газа пневмоаккумулятора [4 -6, 14].
Грунтоуплотняющие машины с гидроударными рабочими органами на базе трактора (рис. 1) предназначены для уплотнения грунта трамбованием [5].
Перспективным навесным грунтоуплотняю-щим оборудованием к экскаваторам являются гидротрамбовки (рис. 2) на основе гидравлических ударных устройств [5]. Гидротрамбовка является сменным рабочим оборудованием экскаватора и навешивается на него вместо ковша.
Важным преимуществом гидроударного оборудования является универсальность, широкая область применения для выполнения различных видов работ.
Эффективная работа грунтоуплотняющих машин возможна лишь в том случае, если при их создании учтены физико-механические свойства грунтов. Анализ исследований уплотнения грунта трамбованием показал, что наибольшее распространение для расчета
параметров трамбующих рабочих органов получила теория удельных импульсов профессора Н.Я. Хархуты, которая подтверждается результатами многочисленных исследований и практическим опытом [13].
Рисунок 1 - Гоунтоуплотняющая машина с гидроударниками на базе трактора
Рисунок 2 - Экскаватор ЭО-3322 с гидротрамбовкой
Выбор основных параметров трамбующего рабочего органа сводится к определению массы подвижных частей, общей массы трамбующего рабочего органа, скорости в момент удара, требуемой энергии удара, а также размеров трамбующей плиты. Указанные параметры должны обеспечить получение требуемой плотности в слое грунта заданной толщины. При этом необходимо стремиться к тому, что-
бы достижение требуемой плотности происходило при минимальном числе ударов. Это условие обеспечивается выбором удельного импульса удара, близким к предельному, а контактного напряжения на поверхности грунта, близким к пределу прочности грунта [13].
Теория импульсов Н.Я. Хархуты [13] основана на использовании уравнения количества движения с оценкой эффективности уплотняющего воздействия трамбующего рабочего органа на грунт П3 величине удел ьного имп3льса удара.Явление удара описывается известным выражением
т
IРЛ - т ■(г] -Г2),
0 (1)
где т - время удара; Р - сила, развиваемая в процессе удара; т - масса рабочего органа; \/1 - скорость рабочего органа в начале удара; У2 - скорость рабочего органа в конце удара (принимается равной нулю).
Толщину уплотняемого слоя грунта следует выбирать равной глубине активной зоны, где в процессе уплотнен иядеформациягрунта по глубине распределяется равномерно. В активной зонереализует3я 80. ..90 %всей необратимой деформации грунта.
Для данного вида г-унта глубина активной зоны зависит от геометрических размеров трамбующей плиты (главсый фактор), контактного напряжения, скорости измене ния напряженного состояния, влажности грунта. Пр3фессор Н.Я.Хархута дает формулу для определен ия глубины активной зоны Л0 [13]:
(
и - п
п0 = а- Птт у
ео_Л
3,7 е
1-е р
(2)
где ОС - коэффициент, завися щей от ско рости изменения напряженнозо еостоянио= 1,1 -для связных грунтов, а = 1,3 - для несвязных грунтов; Ш - влажность уплотняемого грунта; И/0 - оптимальная влажность уплотняемого грунта; е - число Эйлера; Вт1п - минимальный поперечный размер поверхности контакта трамбующей плиты с уплотняемыморунтом, ил; его - величина контактного напряжения рабочего органа с грунтом, МПа; ер - предел прочности грунта, МПа.
Зависимость глубины активной зоны от минимального поперечного размера трамбующей плиты ОуП и отношения о0/ор представлена на рис. 3.
'0.9
Рисунок 3- Зависимостьглубины активной зоны 30 от размера трамбующей плитыОтП и отношения о0/ар
В процессе удара трамбующей плиты о грунт кинетическая энергия движущихся масс расходуется на совершение упругих и пластических деформаций и преобразуется в другие виды энергии.
Профессором В.Н.Тарасовым было предложено применять общие теоремы динамики к процессу ударного уплотнения грунтов [8, 9, 12].
Рассмотрим процесс ударного уплотнения грунта с позиции теоретической механики как соударение двух тел (трамбующей плиты с уплотняемым грунтом). При неупругом соударении трамбующей плиты с уплотняемым грунтом они обмениваются энергией и импуль-сом[8,9].
Процесс ударного уплотнения грунта состоит из двух этапов. Первый этап - ударные взаимодействия масс между собой, в котором отсутствует их относительное перемещение, и второй этап - послеударные перемещения массвтолщегрунта.
Рассмотрим первый этап рабочего процесса. Пусть т1 - масса ударной части (трамбующей плиты), которая имеет скорость б1 в момент соприкосновения с массой т2 . Величину массы т2 будем считать равной сумме масс всех элементов, расположенных между трамбующей плитой и уплотняемым грунтом. Вследствие невозможности свободного отскока массы т1 в гидравлическом механизме считаем удар абсолютно неупругим, для которого коэффициент восстановления К = 0. Тог-
да скорость уплотняющего органа после первого этапа рабочего п роцесса определяется из выраженип
т1М1 + т2У2 =(т1+т2)и1 . (3) Откуда на^^^е^г^ скорость И1\
и^-т—
т1 + т 2
(4)
т.к. скоро сть второго тела передударом 12=0.
В результате первого этапарабочего процесса рабочий орган приобретает скор ость и1 и запас кинетической энергии, которая расходуется на совершение упру.ихи пластических деформаци1 в грэ^/ч^-^«^.
(Средняя динааическая составляпщая удельного импульса уда ра под трамбующей плитой на поверхности грунта определяется выражением [8, 9]:
°дин = '
(т1 + т2)и1
т5
(5)
где Т - время деформации грунта при уда ре; 5 - площадьконтактной поверхности трамбующей плиты;
Значения сдин приведены на рис. 4.
0.005 0_«К5 0_0№ 00065 г,МПа*С 0 007
0_0075 0008
Нв,м
Рисунок 4 - Зависимость динамических напряжений сдин наповерхности грунта от удельного ударного импульса и толщины уплотняемого слоя грунта (т1 = 100 кг, П1 = 5 м/с, а= 1,3 - для несвязных грунтов)
В ■ >-
тт ~
Н
а
-3,7
с0 \
1 - е
(6)
где Н0 - толщина уплотняемогослоя грунта.
Площадь контактной поверхности трамбующей плиты с грунтом равна £ = пВ2¡4 для круглой плиты и £ = В2 для квадратной плиты.
Значения размеров трамбующей плиты ВтШ, вычисленные по уравнению (6), приведе-нынарис.5,6.
Н0,м
Рисунок5-Зависимостьпоперечного размера трамбующей плиты БтП от толщины уплотняемогослоя грунта Н0 и отношения о/ор (при а = 1,1 - для связных грунтов)
02 ОЛ
Р
Геометрические размеры трамбующей плиты при оптимальных влажностях грунтов выбираются из условия [13]:
Рисунок 6 - Зависимость поперечного размера трамбующей плиты БтП от толщины уплотняемого слоя грунта Н0 и отношения о/сгр (при а = 1,3 - для несвязных грунтов)
На рис. 7 представлены зависимости массы подвижных частей трамбующего оборудования от толщины уплотняемого слоя грунта и контактных напряжений на поверхности грунта. На рис. 8 представлены зависимости требуемой энергии удара от толщины уплотняемого слоя грунта и контактных напряжений на поверхности грунта.
Рисунок 7 - Зависимость массы подвижных частей от толщины уплотняемого слоя грунта и контактных напряжений на поверхности грунта для супесей
y^OJ. sf оJ5
- 035
0.45
0 7 0J
Рисунок 8 - Зависимость энергии удара от толщины уплотняемого слоя грунта и контактных напряжений на поверхности грунта
для супесей
ВЫВОДЫ
Гидроударный трамбующий рабочий орган должен обеспечивать возможность регулирования скорости удара, массы подвижных частей, энергии удара в зависимости от толщи-
ны уплотняемого слоя и вида грунта.
Повышение толщины уплотняемого слоя грунта, как это следует из формулы (6), влечет за собой увеличение геометрических размеров трамбующей плиты, что (при сохранении одинакового значения удельного ударного импульса и контактного напряжения на поверхности грунта) приводит к увеличению массы подвижных частей и гидроударного трамбующего рабочего органа в целом.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Алимов, О.Д. Гидравлические виброударные системы / О.Д. Алимов, С.А.Басов. -М. : Наука, 1990 . - 352 с.
2. Архипенко, А.П. Гидравлические ударные машины / А.П. Архипенко, А.И. Федулов. -Новосибирск : ИГД СО АН СССР, 1991. - 108 с.
3. Галдин, Н.С. Автоматизированное моделирование гидроударного оборудования для экскаваторов : монография / Н.С. Галдин, И.А. Семенова. - Оме к: СибАДИ, 2008. - 101 с.
4. Галдин, Н.С. Ковши активного действия для экскаваторов: учебное пособие / Н.С. Галдин, Е.А. Бедрина. - Омск : Изд-во СибАДИ, 2003. -52 с.
5. Галдин, Н.С. Рабочее оборудование ударного действия для уплотнения грунта трамбованием [Электронный ресурс] : монография / Н.С. Галдин ; СибАДИ, кафедра ПТТ-МиГ. - Электрон. дан. - Омск : СибАДИ, 2016. -104 с.
6. Гидропневмоударные системы исполнительных органов горных и строительно-дорожных машин / A.C. Сагинов, А.Ф. Кичигин, А.Г. Лазуткин, И.А. Янцен. - М. : Машиностроение, 1980. - 200 с.
7. Машины для уплотнения грунтов и дорожно-строительных материалов / С.А. Варганов, Г.С. Андреев, В.Я. Балакирев и др. -М. : Машиностроение, 1981. - 240 с.
8. Тарасов, В.Н. Теория удара в строительстве и машиностроении / В.Н. Тарасов, И.В. Бояркина, М.В. Коваленко, C.B. Кузнецов, И.Ф. Шлегель. - М. : Изд-во АСВ, 2006. - 336 с.
9. Тарасов, В.Н. Расчет параметров трамбующих рабочих органов / В.Н. Тарасов, Н.С. Галдин // Строительные и дорожные машины. - 2003. - № 3. - С. 34 - 36.
10. Федоров, Д.И. Экскаваторные ковши активного действия / Д.И. Федоров, И.А. Недоре-зов, В.Г. Тайц, А.И. Федулов. - М. : Транспорт, 1974. - 224 с.
11. Федулов, А.И. Ударное уплотнение грунтов / А.И. Федулов, P.A. Иванов, В.В. Пучков. -Новосибирск : ИГД СО АН СССР, 1983. - 118 с.
12. Цытович, H.A. Механика грунтов / H.A. Цытович . - М. : Высш. школа, 1979. - 272 с.
13. Хархута, Н.Я. Машины для уплотнения грунтов. Теория, расчет и конструкции / Н.Я. Хархута. - М. : Машиностроение, 1973. -176 с.
14. Янцен, И.А. Основы теории и конструирования гидропневмоударников / И.А. Янцен, Д.Н. Ешуткин, В.В. Бородин. - Кемерово : Кемеровское книжное изд-во, 1977. - 246 с.
GROUND SEALING EQUIPMENT
ON THE BASIS OF HYDRAULIC IMPACT DEVICES
N.S. Galdin
Abstract. A tamping - an effective way of soil compaction. At a tamping the ground is dabed at the expense of a tool impact energy. Hinged ground sealing the equipment to excavators hydrostamps on the basis of hydraulic impact devices are perspectiv. Data about ground sealing equipment on the basis of hydraulic impact devices are resulted. Power indicators (energy, capacity of individual blow) hydropneumatic impact devices depend on speed mobile part and its such design data, as weight, course size mobile part, pressure of gymnastics of gas of the pneumoaccumulator. Dependences of mass of loose ports and an impact energy from width of a dabed surface soil and contact voltages on a ground surface are presented.
Keywords: ground sealing, a tamping, the hydraulic impact devices.
REFERENCES
1. Alimov O. D. Hydraulic vibroudamye systems / O.D.Alimov, S.A.Basov. - M: the Science, 1990. - 352.
2. Arhipenko A.P. Hydraulic shock machines /A.P.Arhipenko, A.I.Fedulov. - Novosibirsk: IGD WITH AN the USSR, 1991. - 108.
3. Galdin, N.S. Automiz simulation of the hydropercussion equipment for grapple dredgers: the monography / N.S.Galdin, I.A.Semenova. -Omsk: SibADI, 2008. - 101.
4. Galdin, N.S. Dipper of active act for excavators: the manual / N.S.Galdin, E.A.Bedrina . -Omsk: SibADI, 2003. - 52.
5. Galdin, N.S. The working equipment of a percussion for sealing of a ground by a tamping: the monography / N.S.Galdin. - Omsk: SibADI, 2016. - 104.
6. Gidropnevmoudarnye systems of executive powers of mountain and building-road machines / A.S. Saginov, A.F. Kichigin, A.G. Lazutkin, I.A. Jantsen. - M: Engineering industry, 1980. -200.
7. Machines for soil compaction and road-building materials / S.A.Varganov, G.S.An-dreev, V.J.Balakirev, etc. - M: Engineering industry, 1981. - 240.
8. Tarasov, V.N. Teorija of blow in building and engineering industry / V.N. Tarasov, I.V. Bojarki-na, M.V. Kovalenko, S.V. Kuznechov, I.F. Shlegel. - M: Publishing house ASV, 2006. - 336.
9. Tarasov, V.N. Raschet of parametres of tamping tools / V.N. Tarasov, N.S. Galdin / Building and road-making machines. - 2003. -№ 3. - Page. 34 - 36.
10. Feodors D.I. Dipper of active act for excavators / D.I.Fedorov, I.A.Nedorezov, V.G.Ta-jts, A.I.Fedulov. - M: the Carrier, 1974. -224.
11. Fedulov A.I. Shock soil compaction / A.I.Fedulov, R.A.Ivanov, V.V.Puchkov. - Novosibirsk: IGD WITH AN the USSR, 1983. - 118.
12. Tsytovich N.A. Soil mechanics / N.A.Tsy-tovich. - M: Vyssh. School, 1979. - 272.
13. Harhuta, N.J. Machines for soil compaction. The theory, calculation and constructions / N.J. Harhuta. - M: Engineering industry, 1973. -176.
14. Jantsen, I.A. Fundamental of the theory and disign of hydropneumatic impact tools / I.A. Jantsen, D.N. Eshutkin, V.V. Borodin. - Kemerovo: the Kemerovo book publishing house, 1977. -246.
Гэлдин Николай Семенович (Россия, Омск) - д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой «Подъемно-транспортные, тяговые машины и гидропривод» Сибирский государственный автомобильно-дорожной университет. Основное направление научных исследований - теория и проектирование технических систем. Имеет более 240 опубликованных работ. E-mail: galdin_ns@sibadi. org.
