Критерий оценки эффективности работы газоимпульсного рыхлителя Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

СТРОИТЕЛЬСТВО

УДК 624.139

В. С. ИВКИН, К. С. ЮСУПОВА, Е. А. САМОЙЛОВА

КРИТЕРИЙ ОЦЕНКИ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ ГАЗОИМПУЛЬСНОГО РЫХЛИТЕЛЯ

При работе газоимпульсного рыхлителя происходит комбинированное воздействие на мёрзлый грунт:

а) механическое - связанное с завинчиванием;

б) пневматическое - при подаче сжатого воздуха высокого давления в зону рыхления. Критерием оценки работы газоимпульсного рыхлителя является энергоёмкость рыхления, которая определяется из отношения работ, затрачиваемых на рыхление грунта, к объёму разрыхленного грунта.

Ключевые слова: мёрзлый грунт, газовый импульс, энергоёмкость, рыхление, работа, лопасть, завинчивание.

Грунты рассматривают как систему компонентов твёрдых минеральных частиц, образующих грунтовый скелет, воды в различных видах и состояниях, газов (в том числе воздуха). Наличие пор (пустот) характерно для многих строительных материалов, но в грунтах пористость по существу определяет их физическое состояние и особенно механическое поведение: уплотняе-мость, сопротивление сдвигу, разрыву при внешних воздействиях [1, 2, 3].

Фазовый переход воды в кристаллическое состояние - лёд растянут в значительном интервале отрицательных температур:

а) при температуре от 0°С до минус 2°С замерзает гравитационная вода, заполняющая крупные поры и пустоты в грунте;

б) капиллярная вода связана со стенками капилляров и температура её замерзания колеблется от минус 2°С до минус 20°С;

в) физически связанная вода тесно взаимодействует с поверхностью минеральных частиц грунта за счёт молекулярных сил притяжения и для её полной кристаллизации необходима отрицательная температура грунта минус 78°С [1, 2].

Специфичность физико-механических

свойств мёрзлых грунтов, их высокая прочность, соизмеримая с прочностью рабочих органов землеройных машин, и абразивность затрудня-

© Ивкин В. С., Юсупова К. С., Самойлова Е. А., 2017

ют применение известных технологий и оборудования для выполнения малообъёмных, рассредоточенных зимних земляных работ в стеснённых условиях строительства [1, 2, 3].

Механизировать процесс рыхления мёрзлых грунтов малых объёмов, рассредоточенных работ можно за счёт комбинированного воздействия на грунт:

1) механического - при завинчивании;

2) пневматического - при подаче сжатого воздуха высокого давления в зону рыхления.

Фаза механического воздействия на грунт связана с завинчиванием рабочего органа на расчётную глубину рыхления и с одновременным заполнением рабочей камеры сжатым воздухом высокого давления. Процесс завинчивания основан на использовании свойств уплот-няемости мёрзлых грунтов, более компактном размещении минеральных частиц при разрушении цементационных связей (льда - цемента) между минеральными частицами [1, 4].

Штанговый рабочий орган обжимается уплотнённым грунтом, выхлопные отверстия герметизируются.

Фаза пневматического воздействия на грунт связана с выхлопом из рабочей камеры сжатого воздуха [5, 6, 7]. Сжатый воздух поступает в зону контакта выхлопных отверстий с грунтом, в котором всегда имеются трещины, пустоты, различные неоднородности, выступающие как концентраторы напряжений - «зародыши» разрушения грунта.

ч

? I

I

I £

ООО 600

т

200 \

Суглинок <а=27% Утр=1,7 г/см3 1,^5 —

/. / 'ги "ж- - 3

у X ■ X . X / ■ X / _

А

пр

| 0 0,8102 1,6102 2,4-Ю2 3,2102 40102 48102 5,6102

Приведенная работа газойого импульса, кДж

Рис. 1. Зависимость глубины рыхления от приведённой работы газодинамического импульса

Рис. 2. Конструктивное решение винтового наконечника газоимпульсного рыхлителя

Под воздействием нагрузки от газового импульса у вершин трещин возникают критические напряжения, ускоряется процесс трещинообра-зования и отрыв мёрзлого грунта от массива.

Подвод в зону рыхления сжатого воздуха высокого давления позволяет разрушать мёрзлые грунты за счёт напряжений разрыва.

Для сравнения работы экспериментальных образцов газоимпульсных рыхлителей было введено понятие приведённой работы газового импульса (см. рисунок 1).

Ав

(1)

где Агаз - работа, совершаемая сжатым воздухом при адибатическом расширении и идущая на разрушение грунта

Ь-1

-Ш

л

(2)

Здесь Р - давление сжатого воздуха в рабочей камере;

Р1 - конечное давление расширяющегося воздуха;

к = 1,41 - показатель адиабаты;

V - ёмкость рабочей камеры.

На эффективность работы рыхлителя оказывают влияние:

1) диаметр рабочего органа (штанги) «а?ш» (см. рисунок 2) [4];

2) площадь проходного сечения газового канала «а?с»;

3) диаметр винтовой лопасти «П»;

4) диаметр выхлопных отверстий «с}отв» и их количество;

5) физико-механические свойства грунта [1];

6) работа газового импульса (см. рисунок 1).

В формуле (1) коэффициент КN учитывает

изменение мощности газового импульса для рабочих органов или масштабных моделей, площади проходных сечений газовых каналов которых отличаются от эталонной площади.

(3)

где -эт = 214,4 мм2 — площадь проходного сечения газового канала рабочего органа, принятого за эталон;

^факт - фактическая площадь проходного сечения газового канала рабочего органа или масштабной модели.

Площадь проходного сечения газового канала зависит от внутреннего диаметра седла кла-

панного механизма и диаметра трубки, подводящей сжатый воздух в камеру управления и отводящей сжатый воздух из камеры управления [2, 6].

-^факт

4

(4)

где «а?с» — внутренний диаметр седла клапанного механизма газоимпульсного рыхлителя (см. рис. 2);

«а?тр» — наружный диаметр трубки, подводящей сжатый воздух в камеру управления и отводящий воздух из камеры управления [2,6].

По результатам экспериментальных исследований был построен график зависимости глубины рыхления (с максимальным объёмом разрушения) от приведённой работы газового импульса. Рыхление грунта проводилось без заранее подготовленного забоя, с поверхности, когда имелась только одна свободная поверхность, на которую выбрасывался грунт из воронки разрушения (см. рисунок 1). Прочностные характеристики грунта замерялись динамическим плотномером Дор-НИИ, определялось число ударов «С».

На рисунке 1 имеются два характерных участка: криволинейный и близкий к прямолинейному.

При малых величинах приведённых работ газового импульса глубина рыхления определяется по криволинейному участку графика, который в общем виде может быть описан уравнением

II, +

, (5)

где И($ - наименьшая глубина от выхлопных

отверстий до дневной (свободной) поверхности, при которой начинается рыхление грунта.

Н0 = (1,0 -2,0)П, (6)

где П - диаметр винтовой лопасти. При глубине Н0 наблюдалось явление «прострела» грунта, которое заключалось в том, что сжатый воздух успевал истекать из разрядной втулки, не производя рыхления, или вышибалась земляная пробка диаметром, приблизительно равным диаметру винтовой лопасти газоимпульсного рыхлителя.

В формуле (5) приведены:

- коэффициент, определяющий удельную сопротивляемость мёрзлых грунтов разрушению в зависимости от температуры;

Кт - коэффициент, характеризующий снижение приведённой работы на разрушение мёрзлых грунтов при влажности, отличной от полной естественной влагоёмкости;

Коб - коэффициент, учитывающий количество обнажённых поверхностей;

Коб = 1,0 - при рыхлении грунта с поверхности;

«а, с, в» — коэффициенты, характеризующие характер изменения кривой криволинейного участка графика (см. рисунок 1).

Если в уравнении (5) принять К^ = 1,

¿Г*

1,0, Кдд = 1,0, то получим уравнение кубической параболы:

Н. = Н,+аАър+сА^+вА^. (7)

= П^ЫД^ТСЙ^

Коэффициенты «а, с, в» были нами найдены после составления и решения трёх уравнений типа (7):

а = 5,8; с = —0,16; в = 0,0015. При этом принималось: А^р - переменная величина;

= 90 мм.

После подстановки в уравнение (5) цифровых значений коэффициентов «а, с, в» получим:

, (8)

Глубина рыхления на прямолинейном участке графика (см. рисунок 1) определяется из уравнения (9):

Н^ = пп +-(9)

где п = 0,5 - показатель степени, определяющий формулу степенного слагаемого данной кривой.

На рисунке 3 кривые 1, 2, 3 построены на основе экспериментальных данных. Кривая 4 построена на основе расчётных данных.

В качестве критерия оценки эффективности работы газоимпульсного рыхлителя принята энергоёмкость рыхления, которая определяется из отношения работ, затрачиваемых на разрушение грунта (см. формулу (10) и рисунки 1, 3)

(10)

где А-щз - работа, затрачиваемая на завинчивание рыхлителя в мёрзлый грунт [4].

= (И)

где КЕ, — коэффициенты, учитывающие

влияние геометрии винтового наконечника (см. рисунок 2) и грунтовых условий на величину крутящего момента;

Е

15Ч03

% з,о*г

¡1 ^ I

II ГУЖ

1 \ \ '1 \ N \ \ ч О-Шт /к, = и Суглинок гр со = 27% Ггр= 1,7 г/см3 С= 152

3 50 т ~ № в-200 т 0- 100 пп = \ . к \

I п

1 1 1

Ли

200 300 № 500 ПриЫенная раЗота газвВогв импульщ кйж

600

700

Рис. 3. Зависимость энергоёмкости разрушения от приведённой работы газового импульса

К^ — коэффициенты, учитывающие влияние

неоднородности грунтовых условий на величину крутящего момента;

В - диаметр винтовой лопасти;

ц - показатель степени, зависящей от процесса уплотнения грунта при завинчивании рыхлителя.

Для учёта изменения сопротивления грунтов при их деформации пользуются расчётными моделями, схематизирующими зависимость между нагрузкой на грунт и его осадкой. Гипотеза С. А. Бернштейна - М. Н. Летошнева (явившаяся развитием гипотезы Фусса - Винклера и рассматривающая непрямую пропорциональность между нагрузкой и погружением штампа при малых площадях приложения нагрузки и больших давлениях) была принята нами при изучении процесса завинчивания винтового рабочего органа в мёрзлый грунт [4].

Диаметр винтовой лопасти рассчитывается по формуле (12):

0 = 60 ущ - Ш, (12)

где ^ - мощность двигателя базовой машины;

Ык - потребляемая мощность на привод компрессора, который может быть размещён на заданной базовой машине с учётом её габаритов и массы [2].

Компрессоры ДК-2 и ДК-10 имеют свой автономный привод, их применение на газоимпульсных рыхлителях предпочтительно, т. к. в формуле (12) мощность «Ык» на привод компрессора можно исключить. Диаметр винтовой лопасти «В» рабочего органа рыхлителя увеличится, увеличится и диаметр рабочего органа (штанги) [4]:

= (ом, т

(13)

Работа на сжатие [8] воздуха «Асж» подсчи-тывается по формуле (14):

<14>

1 ьаЗ

Ас

35000 Рн

где V- объём засасываемого в компрессор воздуха за цикл работы рыхлителя;

Рн - начальное давление засасываемого в компрессор воздуха;

Р - конечное давление сжатия, величину которого принимают равным давлению в рабочей камере перед её разрядкой.

При рыхлении грунта в заранее подготовленный забой [5, 7] избыточное давление сжатого воздуха в рабочей камере подсчитывается по формуле (15):

(15)

где Нр - глубина рыхления;

- прочность мёрзлого грунта на разрыв.

СТр = 0,20^ (16)

Сопротивление мёрзлого грунта разрыву (растяжению) по данным И. А. Недорезова [2, 9] в пять раз меньше, чем сжатию.

С

= -, \ксг/см\

(17)

где С - число ударов плотномера ДорНИИ.

При рыхлении грунта с поверхности (без заранее подготовленного забоя) избыточное давление воздуха в рабочей камере должно быть принято на 30% больше, чем при рыхлении грунта в забой.

Рс.п. =1,3 Рзаб. (18)

На основании экспериментальных данных объём разрушения «Ур» рассчитывают по формуле (19):

Ур = Ку*И3р, (19)

где Нр - глубина рыхления;

Ку = (4,0^5,0) - коэффициент, учитывающий влияние гранулометрического состава грунта на объём разрушения при процентном содержании каменистых включений соответственно от 40% до 0%.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Ивкин В. С. , Алашеев М. О. Влияние физико-механических свойств грунтов на работу машин для земляных работ// Вестник УлГТУ. -2015. - №3. - С. 62-67.

2. Ивкин В. С., Чикилёв С. В. Преимущества газоимпульсного способа рыхления мёрзлых грунтов // Вестник УлГТУ. - 2014. - №1. -С.63-70.

3. Ивкин В. С., Волынщиков П. Ю. Разработка мёрзлых грунтов при выполнении работ в стеснённых условиях строительства // Вестник УлГТУ. - 2013. - №2. - С. 62-66.

4. Ивкин В. С., Самойлова Е. А., Юсупова К. С. Тяговые возможности винтового наконечника газоимпульсного рыхлителя // Вестник Ул-ГТУ. - 2016. - №1. - С. 54-59.

5. Дьяков И. Ф., Ивкин В. С., Жукова Д. В. Некоторые теоретические основы разрушения грунта газоимпульсным разрыхлителем // Вестник Саратовского государственного технического университета. - 2013. - №2(71), выпуск 2. -С. 244-247.

6. Дьяков И. Ф., Ивкин В. С., Волынщиков П. Ю. Об эффективности работы газоимпульсного рабочего органа //Вестник Саратовского государственного технического университета. -2013. - №2(71), выпуск 2. - С. 248-251.

7. Ивкин В. С. Куликов М. В. Распределение напряжений в грунте от газового импульса // Вестник УлГТУ. - 2015. - №2. - С.59-66.

8. Абрамович Г. Н. Прикладная газовая динамика. - Изд. 3-е, перераб. - М. : Наука, 1969. -824 с.

9. Недорезов И. А. Интенсификация рабочих процессов землеройно-транспортных машин : учебное пособие. - М. : МАДИ, 1979. - 51 с.

Ивкин Валерий Семёнович, кандидат технических наук, доцент кафедры «Теоретическая и прикладная механика и строительные конструкции» УлГТУ. Имеет учебные пособия и статьи, изобретения и патенты в области механизации строительных работ. Юсупова Ксения Салаватовна, магистрантка строительного факультета УлГТУ. Самойлова Елена Алексеевна, магистрантка строительного факультета УлГТУ.

Поступила 07.02.2017 г.