CC BY
11
где I) - расстояние до визируемой точки.
Наклон вертикальной оси теодолита образуется из-за неточной установки пузырька уровня в нульпункт [2]. При тщательном приведении уровня в горизонтальное положение угол I можно рассматривать как нормально распределённую случайную величину с нулевым математическим ожиданием.
Приведение пузырька уровня в нульпункт осуществляется с ошибкой не более одного деления уровня.
Приняв это значение за предельное, получим среднюю квадратическую погрешность установки уровня:
// Г
т1 =
//
3 ’
(7)
.//
где Т - цена деления уровня в угловых секундах.
Угол у3 между направлением створа и отвесной плоскостью, проходящей через ось прибора, можно рассматривать как случайную величину с равномерной плотностью распределения от 0 до 2ж.
Средняя квадратическая погрешность построения створа из-за наклона вертикальной оси теодолита находится по формуле
2______//'
т2 =
/Гг
■~{(ё
У2~‘ё^)2’
рг9 22 <8)
Углы наклона V визирной оси могут принимать любые значения в интервале - V до +у.
Наиболее неблагоприятный случай при у2=-уу, и тогда погрешность построения створа равна:
•// I
А,. =2tgvsmu—D
Р
(9)
а средняя квадратическая погрешность построения створа:
2 2т\2
га =
27 р
(10)
Пример. Вычислить среднюю квадратическую погрешность построения створа теодолитом 2Т30 (т=45//), длина створа £>=200 м, при угле наклона у=10 .
2-(45)2 -102
7П: =
(2-105)2 *4,9.
1 27 -(2-105 )2 (57,3)
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Яковлев, Н. В. Высшая геодезия /
Н. В. Яковлев. - М.: Недра, 1989. - 445 с.
2. Лукьянов, В. Ф. Расчёты точности инженерно-геодезических работ / В. Ф. Лукьянов. - М.: Недра, 1990.-251 с.
Колмаков Юрий Андреевич, доцент, кандидат технических наук. Кафедра «Строительное производство и материалы» УлГТУ.
УДК 624.139
С. В. МАКСИМОВ, В. С. ИВКИН, А. А. КИТАЕВ
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ РАБОЧЕГО ОРГАНА ГАЗОДИНАМИЧЕКОГО РЫХЛИТЕЛЯ С МЁРЗЛЫМ ГРУНТОМ ПРИ ЗАВИНЧИВАНИИ НА РАСЧЕТНУЮ ГЛУБИНУ РЫХЛЕНИЯ
Установлено, что процесс взаимодействия рабочего органа газодинамического рыхлителя с мёрзлым грунтам при завинчивании основан на использовании свойств утотняемости мёрзлых грунтов. Уплотнение грунта происходит за счёт разрушения цементирующих связей (льда- цемента) меэ/сду минеральными частицами, за счёт перекомпоновки минеральных частиц при их более компактном размещении и за счёт перемещения этих частиц в массив ненарушенного грунта в осевом и радиальном направлениях. При этом образуется уплотнённое ядро мёрзлого грунта. Ядро уплотнения в процессе завинчивания рабочего органа на расчётную глубину рыхления оказывает всё большее давление на окружающий грунт и действует как клин, вызывая в нём разрушающие напряжения. На поверхности контакта рабочего органа с грунтом появляются и развиваются микро- и макротрещины. Штанговый рабочий орган обжимается уплотнённым грунтом, и выхлопные отверстия герметизируются. Были выведены уравнения для определения крутящих моментов и работ, затрачиваемых на завинчивание, в зависимости от изменения геометрии погружаемых в грунт элементов рыхлителя.
Ключевые слова- геометрия рабочего органа, уплотняемосгь мёрзлых грунтов, цементационные связи, минеральные частицы, завинчивание, перекомпановка, ядро уплотнения, крутящий момент, работа на завинчивание.
© С. В. Максимов, В. С. Ивкин, М. С. Иванова, 2006
Н. А. Цытович [1], исследуя деформации уплотнения мёрзлых грунтов, установил, что уплотнение мёрзлых грунтов является сложным физикомеханическим процессом. В процессе уплотнения происходит разрушение цементирующих связей льда-цемента, перекомпоновка и перемещение минеральных частиц из более напряжённой зоны в массив ненарушенного грунта.
При создании новой конструкции газодинамического рыхлителя [2, 3, 4, 5, 6, 7] были уч-
тены свойства уплотняемости мёрзлых грунтов под нагрузкой, что позволило погружать рабочее оборудование не за счёт дробления и транспортирования грунта на поверхность, а путём его уплотнения штанговым исполнительным органом в осевом и радиальном направлениях.
Условно весь процесс взаимодействия рабочего оборудования с мёрзлым грунтом при завинчивании можно расчленить на четыре этапа (см. рис. 1).
Рис. 1. Изменения зон уплотнения грунта в зависимости от глубины завинчивания рыхлителя
На первом этапе под воздействием напорного усилия Рн и крутящего момента М происходит завинчивание заходной части винтового наконечника в грунт (рис. 1, а).
Наблюдается прирост сил сопротивления завинчиванию. Это связано с тем, что при завинчивании непрерывно увеличивается диаметр погружаемой конусной части винтового наконечника, а, следовательно, непрерывно увеличивается и зона уплотнения грунта.
Поскольку прочность связей между частицами грунта значительно ниже прочности минеральных частиц, то уплотнение грунта происходит за счёт разрушения цементирующих связей (льда-цемента), перекомпоновки минеральных частиц и ликвидации пустот.
Первый этап сопровождается также выпиранием (сколом) верхнего слоя мёрзлого фунта, прилегающего к погружаемой части винтового наконечника. Заканчивается первый этап при полном погружении в грунт заходной части винтового наконечника.
Работа, затраченная на завинчивание в грунт заходной части винтового наконечника, определяется по формуле
<?] =2/772]
4= \Mydfp > (!)
О
где ф1=0+2тш1 - угол поворот рабочего оборудования; щ - число витков на заходной части винтового наконечника; М[ - крутящий момент, который необходимо приложить к рабочему оборудованию.
М^КЛ-КфгО"*2, (2)
где Кф„ - коэффициент неоднородности грунта;
К(р1 - коэффициент сопротивления завинчиванию заходной части винтового наконечника.
К1р^К1{<р,12т,Г\ (3)
где Кгруд - коэффициент удельного сопротивления завинчиванию.
Подставив в формулу (1) значения крутящего момента М1 (см. уравнение 2), коэффициента сопротивления завинчиванию заходной части винтового наконечника Кф1 (см. уравнение 3) и, произведя решение определенного интеграла, получим:
А, = 2щ ■ К* ■ К% • /О + 3) (4)
Второй этап связан с погружением в грунт цилиндрической части винтового наконечника (рис. 1, б). Увеличение крутящего момента на этом этапе вызвано ростом сил трения (см. рис. 2).
Зона ч^мовшвиаго грч'нгаеа
и этап ТТ ЭИОЙ
I эшак
I эшав
неоднородным
ГР^ЙИ
однородный грунт
Рис. 2. Изменения крутящего момента в зависимости от глубины завинчивания рыхлителя в мёрзлый грунт
Второй этап характеризуется ещё и тем, что дальнейшее затягивание винтового наконечника в фунт становится возможным за счёт действия только крутящего момента М. Приложение напорного усилия необязательно.
м2 = к? ■ К* ■ £>"+3 (5)
Величина работы А2 определится из уравнения:
А2=М2((р2-<р1), (6)
где ф2=2тт2 - угол поворота рабочего оборудования, соответствующий полному пофужению цилиндрической части винтового наконечника; п2 - число витков на заходной и цилиндрической частях винтового наконечника.
В окончательном виде уравнение для определения работы А2, запишется так:
' я, = 2я(пг - щ ) • К* ■ К%, ■ . (7)
Третий этап включает в себя пофужение в фунт большого конуса винтового наконечника и сопровождается вновь значительным приростом сил сопротивления завинчиванию (рис. 1, в).
Причины: средний путь перемещения грунтовых частиц при пофужении большого конуса будет больше и, следовательно, работу нужно затратить большую, чем при завинчивании заходной и цилиндрической частей винтового наконечника.
На третьем этапе будет происходить дальнейший рост зоны уплотнения фунта, что сопряжено с до-
полнительным разрушением цементирующих связей (льда-цемента) и перекомпоновкой минеральных частиц. На этом этапе возможно также дальнейшее увеличение (по сравнению с первым этапом) зоны выпирания (скола) верхнего слоя фунта, прилегающего к пофужаемой части винтового наконечника.
Работа, затрачиваемая на погружение в грунт большой конусной части винтового наконечника, определится из уравнения:
<р3=2л(п06щ-п2)
А3 = \мг • (1<Р, (8)
^=0
где фз - угол поворота рабочего оборудования, необходимый для завинчивания в фунт большой конусной части винтового наконечника;
Побщ - общее количество витков на винтовом наконечнике;
М3 - крутящий момент, который необходимо приложить к рабочему оборудованию для завинчивания в фунт большой конусной части винтового наконечника.
Мз = К? (9)
где Кф3 - коэффициент сопротивления завинчиванию большой конусной части винтового наконечника.
& -щ)У\ (Ю)
где К'Т’пр - коэффициент предельного сопротивления завинчиванию (см. таблицу 1).
Таблица 1
Значения коэффициента предельного сопротивления завинчиванию
пр
П2 2,0 2,5 3,0 .3,5 4,0
ц=0 2,66 3,72 4,79 5,85 6,92
ц=0,25 2,07 2,83 3,72 4,55 5,38
М.=0,5 1,63 2,3 2,94 3,6 4,26
ц=0,75 1,3 1,83 2,3 2,82 3,38
Д=1,0 1,05 1,47 1,88 2,3 2,72
К% = 0,628(1 - Ка) ■ {1 + К^) ■ (1+//) X х (и£ - 0,,5п, )/£ • (Р + )/{К, ■ (/л + 2) х (11)
х (4,25 ■ АУ)"+' • [/ + 0,5"*' • («, - Д5)]-/}.
Принимаем: Ка=0,4; 1^=0,8; п1=1,5; ^=0,6; £=0,12.
Подставив в формулу (8) значения крутящего момента М3 (см. уравнение 9), коэффициента Кф3 (см. уравнение 10) и, произведя решение определённого интеграла, получим:
х £>"+3 /(/, + 3).
Четвёртый этап связан с окончательным погружением рыхлителя на расчетную глубину рыхления Работу А4 можно вычислить из уравнения (13).
Л4=М,-<рр, (13)
где М4 - крутящий момент, который необходимо приложить к рабочему оборудованию для окончательного завинчивания рыхлителя на расчётную глубину рыхления.
=к? ■ К* ■ К% ■ Я"*3 (14)
ер,, - угол поворота рабочего оборудования, необходимый для завинчивания рыхлителя на глубину Нр
<рр=[2л(Нр+Ьр)]П, (15)
где t - шаг винтовой лопасти;
Ир - расстояние от винтовой лопасти до выхлопных отверстий;
Нр - глубина рыхления.
В окончательном виде работа А4 запишется так:
Суммарная работа, затраченная на завинчивание рыхлителя, определяется по формуле
= А + Л2 + А3 + А4. (17)
Одновременно с завинчиванием рыхлителя в грунт происходит заполнение рабочей камеры сжатым воздухом высокого давления для газодинамического разрушения грунта.
ВЫВОДЫ
1. Так как основная работа при завинчивании рыхлителя затрачивается на разрушение цементирующих связей (льда-цемента), перекомпоновку минеральных частиц и их перемещение в массив ненарушенного грунта в осевом и радиальном направлениях, то вероятность встречи с гравелистыми и каменистыми частицами максимального размера возрастает по мере увеличения диаметра рабочего органа и глубины его погружения.
2. Завинчивание рыхлителя в неоднородные грунты характеризуется тем, что величина крутящего момента на каждом из четырёх этапов будет:
а) больше, чем при завинчивании в однородные грунты;
б) отличаться своим непостоянством.
Причины: встреча с каменистыми частицами максимального размера возможна как в начальной, так и в конечной фазе каждого из этапов.
3. В процессе завинчивания штанговый рабочий орган обжимается уплотнённым грунтом, и выхлопные отверстия герметизируются. Плотное прилегание инструмента к разрушаемой поверхности для машин с газодинамическим воздействием на грунт предотвращает непроизводительные утечки газов, повышает эффективность работы оборудования и является главным условием его успешного применения. Конструктивная реализация указанного положения является основным фактором, определяющим возможность эффективной разработки мёрзлых грунтов новым рабочим оборудованием газодинамического действия [2, 3, 4, 5, 6, 7].
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Цытович, Н. А. Механика мёрзлых грунтов : учебное пособие / Н. А. Цытович. - М.: Высшая школа, 1973.-448 с.
2. Пат. №2209891 (КО), МПК7 Е02Р5 /32 Газодинамический рыхлитель/ В. С. Ив кин // Б. И. - 2003. -№22(3 часть).
3. Пат. №2231601 (1Ш), МПК7 Е02Б5 /30 Газодинамический рыхлитель / В. С. Ивкин, В. С. Щелыкалин // Б.И. - 2004. - № 18.
4. Пат. №2236514 (Ш), МПК7 Е02Б5 /32 Газодинамический рыхлитель / В. С. Ивкин, Е. К. Кузьмин // Б.И. - 2004. - №26.
5. Пат. №2244784 (Щ), МПК7 Е02Б5 /32 Газодинамический рыхлитель / В. С. Ивкин, Е. К. Кузьмин // Б.И. - 2005. - №2.
6. Пат. №2252989 (БОТ), МПК7 Е02Р5 /32 Устройство для разрушения прочных и мёрзлых грунтов/ В. С. Ивкин, В. В. Морозов // Б.И. -2005. -№15.
7. Пат. №2256751 (ШХ), МПК7 Е02Б5 /32 Устройство для разрушения прочных и мёрзлых грунтов / В. С. Ивкин, В. В. Морозов // Б. И. - 2005. - №20.
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 Семенович, кандидат технических наук, доцент кафедры «Строительные конструкции» УлГТУ. Имеет учебные пособия и статьи, изобретения и патенты в области механизации строительных работ.
Китаев Алексей Александрович, студент 4 курса УлГТУ.
