CC BY
17
ДИНАМИКА МЕХАНИЗМОВ И МАШИН
УДК 621.644
ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТОЧНОСТИ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ РАЗМЕРОВ ТРАНШЕИ ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ ТРУБОПРОВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ
ASSURANCE OF PRECISION FOR GEOMETRIC DIMENSIONS OF TRENCH DURING PIPELINE DEVELOPMENT
М. Е. Агапов1, В. В. Михеев2, С. В. Савельев3
'Сибирский государственный автомобильно-дорожный университет, г. Омск, Россия
2Омский государственный технический университет, г. Омск, Россия 3Сибирский государственный автомобильно-дорожный университет, г. Омск, Россия
M. E. Agapov1, V. V. Mikheyev2, S. V. Saveliev3
'Siberian state road and highway university, Omsk, Russia
2Omsk State Technical University, Omsk, Russia 3 Siberian state road and highway university, Omsk, Russia
Аннотация. В статье обсуждается важный вопрос соблюдения точности геометрических размеров и формы траншеи трубопровода в случае разработки цепным траншейным экскаватором в условиях неровностей грунтовой поверхности. Исследования, проведенные в работе, носили комбинированный характер, сочетая компьютерное моделирование механической системы экскаватора с натурным экспериментом по преодолению неровности почвы реальной машиной при устройстве траншеи трубопровода. Результаты исследований стали основой для разработки алгоритма работы устройства и управления, компенсирующего вынужденные отклонения экскаватора от проектной траектории, для обеспечения требуемой точности выполняемых работ.
Ключевые слова: траншейный экскаватор, трубопровод, траншея, точность, управление точностью работ, неровность грунта, механические модели
DOI: 10.25206/2310-9793-7-1-3-11
I. Введение
Строительство линейных объектов на примере магистральных трубопроводов требует непрерывного обеспечения точности геометрических размеров траншеи на протяжении десятков, а то и сотен километров. От качества выполнения операции по разработке траншеи под трубопровод зависит не только технологичность операций строительства, но и работоспособность самого трубопровода. А с учётом того, что магистральные трубопроводы являются ещё и промышленно опасными объектами [1], актуальность качественного выполнения всех строительных операций не вызывает сомнений [2].
Основные требования к геометрическим параметрам касаются формы, прямолинейности и уклона траншеи и выражаются в предельных отклонениях различных параметров траншеи от проектной документации [3]. Для обеспечения требований, предъявляемых к траншеям при их возведении под различные коммуникации, согласно строительным правилам [4] предусмотрены устройства для удерживания стенок траншеи от обрушения, а также строительство откосов. Обычно это необходимо в случаях работы в грунтах, подверженных осыпанию (например супесь), и когда необходимо выполнять работы непосредственно в траншее [5]. Но существуют траншеи и условия, когда допускается строительство без удерживающих устройств и откосов [6], например траншеи с вертикальными стенками без креплений на глубину до трех метров при производстве работ роторными и другими траншейными экскаваторами в связных грунтах (суглинках, глинах) согласно рекомендациям [7], [8].
При разработке выемок и устройстве естественных оснований под фундаменты и водоснабжение они должны соответствовать требованиям проекта [9]. В таком случае эти требования относятся не к траншее, а к уложенной коммуникации; они выражаются в следующих допусках [10]:
- отклонения дна выемок от проектных при черновой разработке траншейными экскаваторами допускается +10 см;
- отклонение отметок дна выемок в местах устройства фундаментов и укладки конструкции при окончательной разработке или после доработки недоборов и выполнения переборов ± 5 см;
- отклонения продольного уклона дна траншеи под безнапорные трубопроводы, водоотводных канав и др. выемок с уклоном от проектного допускается 0.5%о;
- максимальные отклонения от проектного положения осей напорных трубопроводов не должны превышать ± 100 мм в плане;
- отметок лотков безнапорных трубопроводов ± 5 мм;
- отметок верха напорных трубопроводов ± 30 мм.
Такие высокие требования обусловливают необходимость применения инновационных и современных средств производства строительных работ. Наиболее производительным средством для земляных работ по устройству траншей для линейных сооружений является траншейный экскаватор. С учетом вышеизложенных требований к траншеям и выемкам для обеспечения их правильной геометрической формы необходимо обеспечить вертикальность стенок и ровное дно без использования дополнительных усилий по зачистке дна траншеи и выравниванию стенок.
II. Постановка задачи
В данной работе рассматривается процесс строительства траншеи под различные коммуникации с использованием цепного траншейного экскаватора (ЦТЭ) с устройством управления рабочего (РО) в поперечной плоскости (плоскости перпендикулярной траектории движения), обеспечивающий требуемые параметры сооружения. На серийных ЦТЭ осуществляется лишь продольное управление РО для получения траншеи необходимой глубины и уклона, но это управление не может гарантировать правильную геометрическую форму траншеи. Этого возможно достичь компенсацией отклонения РО от гравитационной вертикали в поперечной плоскости вследствие воздействия неровностей поверхности грунта на РО через ходовое оборудование и базу машины. Для этого необходимо использовать ЦТЭ с дополнительным автоматизированным устройством управления РО в поперечной плоскости. Основной задачей работы будет выявление особенностей функционирования автоматизированного управления ЦТЭ, обеспечивающего выполнения требований точности при прокладке траншеи.
III. Теория
Основой теоретического подхода к решению задач класса, к которому относится проблема, рассматриваемая в работе, выступает моделирование механических систем со связями. Существует ряд пакетов программных продуктов, обеспечивающих получение результатов моделирования решения задач, описываемых системами дифференциальных уравнений второго порядка. При этом связанные взаимодействующие компоненты сложной системы представляются набором массивных линейных элементов, обладающих вязкими и упругими свойствами.
Для решения задачи обеспечения точности строительства траншеи на основе предложенного подхода был разработан алгоритм управления РО ЦТЭ в поперечной плоскости (рис. 1). Алгоритм предназначен для определения последовательности выработки управляющих сигналов блоком управления при поступлении возмущающего воздействия на ходовое оборудование при перемещении машины по «неровной» поверхности грунта. Алгоритм работы устройства управления учитывает требования, предъявляемые к геометрической форме траншеи, основные параметры устройства управления, производительность ЦТЭ и его геометрические размеры. Это, в свою очередь, позволяет определить последовательность выработки управляющих сигналов с блока управления на электрогидрораспределители для наклона РО и для изменения скорости движения ЦТЭ при производстве строительных работ. Рабочий орган ЦТЭ в поперечной плоскости жестко связан с платформой, поэтому наклон платформы в поперечной плоскости приводит к изменению положения РО.
Для функционирования алгоритма устройства управления нужно задать необходимые начальные условия, которые затрагивают не только параметры траншеи, но и экскаватора. Для формируемой траншеи начальными условиями будет являться угол отклонения РО от гравитационной вертикали, который устанавливается Y=0 deg. Глубина траншеи не задается, поскольку не является фактором, который влияет на работу алгоритма. Также устанавливаются начальные условия для параметров экскаватора: Т - время запаздывания гидропривода; Xcontrol - управляющий сигнал на золотник гидрораспределителя наклона РО ЦТЭ; Spmax - максимальная площадь проходного сечения магистрали гидрораспределителя; ti - интервал времени опроса датчика угла наклона; R - радиус проходного сечения канала гидрораспределителя; V - заданная скорость движения ЦТЭ; t -длительность подачи сигнала на обмотку золотника; Umax - напряжение на обмотке золотника, соответствующее максимальной площади проходного сечения канала распределителя; Vangle - скорость изменения угла наклона РО экскаватора в поперечной плоскости.
Рис. 1. Блок-схема алгоритма работы устройства управления рабочим органом для обеспечения заданных геометрических параметров траншеи
Предлагается рассмотреть производство строительных работ по получению траншеи под трубопровод и другие коммуникации цепным траншейным экскаватором ТРС 950 БСЛ «Доминик» сборки Ишимского машинного завода с возможностью наклона гусениц при изменениях рельефа грунтовой поверхности для качественного устройства траншеи. В результате исследований взаимодействия строительной машины с разрабатываемой грунтовой средой создана математическая модель рабочего процесса ЦТЭ. Составлена структурная схема технологического процесса разработки траншеи ЦТЭ. При получении математической модели были приняты следующие допущения [2], [8]:
1) рассматриваются изменения больших значений обобщенных координат звеньев расчетной схемы;
2) система представлена упрощенно в виде многозвенника, отражающего раму машины с двигателем; трансмиссией; левую и правую гусеницы с ведущими звездочками; РО, взаимодействующие с разрабатываемой грунтовой средой;
3) РО зафиксирован гидроцилиндром и шарнирно крепится к раме;
4) звенья многозвенника абсолютно жесткие.
С учетом принятых допущений можно составить упрощенную пространственную расчетную схему устройства траншеи ЦТЭ (рис. 2).
Базовый трактор массой m1, включающей массы остова, двигателя, редуктора привода РО с механизмом подъема, ходоуменьшителя, установки гидросистемы, гусеничной тележки, задается системой координат OiXjZjYj. Центр масс базового трактора находится в точке Оь
РО массой m2, включающей массы рамы РО с натяжным устройством, отвальных шнеков, рабочей цепи, зачистного башмака, задается системой координат O2X2Z2Y2. Центр масс РО находится в точке O2.
Для выполнения расчетов в инерциальной системе координат OoX0Y0Z0 задается плоскость отсчета, проходящая через оси O0X0 и O0Y0.
Расстояния до ходового оборудования и рабочего органа от этой плоскости обозначены:
• Yfr - вертикальная координата переднего катка правой гусеницы;
• Yfl - вертикальная координата переднего катка левой гусеницы;
• Ybr - вертикальная координата заднего катка правой гусеницы;
• Ybl - вертикальная координата заднего катка левой гусеницы;
• YWB - изменение вертикальной координаты РО в инерциальной системе координат в результате воздействия неровностей микрорельефа.
На рисунке 2 даны следующие обозначения:
• L - длина базы ЦТЭ;
• LM - расстояние от оси ведущих звездочек до режущей кромки РО, формирующей дно траншеи;
• LWB - расстоянии от оси ведомых звездочек до режущей кромки РО, формирующей дно траншеи;
• Lb - ширина базы машины;
• Ycl - вертикальная координата центра левой гусеницы;
• Ycr - вертикальная координата центра правой гусеницы;
• YC - вертикальная координата центра машины;
• Y - угол поперечного крена машины вследствие воздействия микрорельефа поверхности грунта на РО;
• Нт - величина заглубления РО в грунтовую среду;
• mean - средняя величина силы реакции грунтовой среды на РО;
• Qr, Ql - силы реакции грунтовой поверхности на правую и левую гусеницы.
•
Lm
Lwb L
Рис. 2. Упрощенная пространственная расчетная схема устройства траншеи с помощью ЦТЭ
Из рисунка 2 можно записать:
(1)
У
31П
: Гсь + я
0.5
(3)
(4)
(5)
Зависимость 4 позволяет рассчитать угол крена ЦТЭ в поперечной плоскости, а 5 - изменение глубины копания ЦТЭ в результате воздействия неровностей поверхности грунтовой среды.
IV. Результаты экспериментов
Для проведения полноценных исследований процесса строительства линейных сооружений необходимо применять комплексный подход [11], сочетающий экспериментальные данные и теоретические изыскания [12], [13]. Для подтверждения теоретически полученных данных проводился натурный эксперимент. Сооружена земляная неровность высотой 0,2 м длиной 2,35 м. Отклонения машины, обусловленные микрорельефом неровностей грунтовой поверхности, измерялись индикатором угла наклона, установленным на цепном траншейном экскаваторе ТРС 950 БСЛ «Доминик» (рис. 3) - 1шт.
Рис. 3. Траншеекопатель ТРС 950 БСЛ «Доминик»
ТАБЛИЦА 1
ПОКАЗАНИЯ ДАТЧИКА УГЛА ОТКЛОНЕНИЯ РО ОТ ГРАВИТАЦИОННОЙ ВЕРТИКАЛИ ПРИ НАЕЗДЕ НА НЕРОВНОСТЬ ЛЕВОЙ И ПРАВОЙ ГУСЕНИЦЕЙ
г, 8 угол^^^ 0 5 10 15 20 25 30 35 38
наклона
Уь, ¿ея 0 1 2,5 4 5 4 3 1 0
Уя, ¿ея 0 1 2 3 5 4 3 1,3 0
V, йед
0 5 10 15 20 25 30 35 40
Рис. 4. График зависимости изменения угла отклонения РО от времени при наезде левой гусеницей на неровность
V, deg
Рис. 5. График зависимости изменения угла отклонения РО от времени при наезде правой гусеницей на неровность
3) Результаты эксперимента сравниваются с теоретическими значениями. Для этого необходимо выполнить моделирование процесса наезда на неровность гусениц экскаватора при устройстве траншеи. Это возможно осуществить, если задать возмущающее воздействие в виде неровности. Неровность будет определяться величиной вертикальной координаты в момент фиксирования времени в процессе натурного эксперимента. В свою очередь, базовая машина представлена в виде наложенных на элементы конструкции уравнений геометрических связей, представленных формулами 1-5.
В качестве источника возмущающего воздействия на ходовое оборудование ЦТЭ используется блок Signal Builder из библиотеки Simulink, в котором задаются вертикальные координаты контрольных точек опорной поверхности гусеницы. Учитывая время, затраченное для проезда неровности в процессе натурного эксперимента, время моделирования установлено 40 с.
ТАБЛИЦА2
РЕЗУЛЬТАТЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССА ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ЛЕВОЙ И ПРАВОЙ ГУСЕНИЦ ПО НЕРОВНОСТИ ПРИ УСТРОЙСТВЕ ТРАНШЕИ
t, s верт. координата 0 5 10 15 20 25 30 35 40
Zl, м 0 +0,03 +0,09 +0,15 +0,2 +0,17 +0,1 +0,04 0
Zr, м 0 +0,025 +0,085 +0,1 +0,2 +0,15 +0,1 +0,05 0
По значениям табл. 2 построены графики изменения вертикальной координаты неровности по левой и правой колее (модель поверхности рельефа, по которой проезжает экскаватор левой и правой гусеницей), а также показания индикатора угла отклонения РО при наезде на неровность левой и правой гусеницей.
m mat_rnodel_agapov/Signal Builderl : Group 1
Signal 1
-□ 05 -1-1-1-1-1-1-1-1
□ 5 10 15 20 25 30 35 4П
1, Э
Рис. 6. Изменение вертикальной координаты неровности по левой колее
В результате моделирования получены значения угла отклонения РО экскаватора от гравитационной вертикали при наезде на неровность, который необходимо компенсировать для получения траншеи правильной геометрической формы (табл. 3). Для простоты представления результатов исследований угол отклонения РО записан по модулю, так как база ЦТЭ может наклоняться как по часовой стрелке, так и против. Для определе-
ния автоматической системой направления используются знаки «+» и «-». Знак «+» определяет направление против часовой стрелки, соответственно, знак «-» - по часовой стрелке.
Zr, m
0.2 0.15 0.1 0.05 О
-0.05
mat_moc!e!!_agspov^S.igna! Builder : Group 1
Signal 1
25
t, s
Рис. 7. Изменение вертикальной координаты неровности по правой колее
ТАБЛИЦА 3
РЕЗУЛЬТАТЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССА ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ЛЕВОЙ И ПРАВОЙ ГУСЕНИЦ ПО НЕРОВНОСТИ ГРУНТОВОЙ ПОВЕРХНОСТИ ПРИ УСТРОЙСТВЕ ТРАНШЕИ
№ 0 5 10 15 20 25 30 35 40
Yl, град 0 0,75 2,24 3,73 4,97 4,23 2,49 1 0
Yr, град 0 0,62 2,15 2,49 4,97 3,73 2,49 1,18 0
Рис. 8. График зависимости угла отклонения РО от времени при наезде на неровность грунтовой поверхности левой гусеницей
Рис. 9. График зависимости угла отклонения РО от времени при наезде на неровность грунтовой поверхности правой гусеницей
У, йед
Рис. 10. Сравнение зависимостей угла отклонения РО от времени при наезде на неровность грунтовой поверхности левой гусеницей
У, с1ед
Рис. 11. Сравнение зависимостей угла отклонения РО от времени при наезде на неровность грунтовой поверхности правой гусеницей
Сравнивая полученные экспериментальные и теоретические зависимости, заключаем, что расхождения значений не превышают 9%. Это говорит об адекватности разработанной математической модели процесса устройства траншеи с помощью ЦТЭ, оснащенного устройством автоматического регулирования положения РО в поперечной плоскости.
V. Обсуждение результатов
Результаты экспериментов позволили сделать следующие выводы.
1. Соответствие численных значений отклонения РО ЦТЭ при прокладке трубопровода и теоретических результатов, полученных в результате моделирования, является удовлетворительным.
2. Полученные результаты могут служить для проектирования компенсирующих устройств, обеспечивающих точность прокладки трубопровода и подбора их параметров.
3. На основе полученных экспериментальных результатов возможна разработка алгоритма работы ЦТЭ, обеспечивающего необходимую точность прокладки траншеи трубопровода.
VI. Выводы и заключение
В результате проведения исследований процесса устройства траншеи под магистральные трубопроводы и другие коммуникации и сравнения экспериментальных и теоретических данных можно заключить, что в соответствии с предъявляемыми к траншее требованиями для получения траншеи с вертикальными стенками цель эксперимента достигнута. Подтверждена адекватность математической модели уравнений геометрической связи, что позволяет на основе составленных уравнений создать математическую модель устройства траншеи с помощью ЦТЭ, оснащенного устройством автоматического регулирования положением РО в поперечной плоскости. Соответственно, на этой основе разработанный алгоритм и устройство управления РО ЦТЭ в поперечной плоскости позволили производить земляные работы по устройству траншеи с необходимой точностью и высокой производительностью, независимо от формы рельефа грунтовой поверхности.
Источник финансирования. Благодарности
Авторы статьи благодарят коллективы кафедр АППиЭ и ЭСМиК Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Сибирский автомобильно-дорожный университет (СибА-ДИ)», а также профессора Щербакова Виталия Сергеевича лично за помощь в проведении исследований.
Список литературы
1. Гончаров А. А. О точности геометрических параметров в строительстве // Промышленное и гражданское строительство. М.: Изд-во ПГС, 2003. № 1. С. 53-54.
2. Wijeyesekera Б.мС., Warnakulasuriya S. Effects of soil arching on the behaviour of flexible pipes buried in trenches of varying widths // ISRM International Symposium. 2000, IS 20002018ISRM University of East London, Essex, RM8 2AS, United Kingdom.
3. Уткин В. С., Шепелина Е. А. Расчет надежности оснований фундаментов по критерию прочности при ограниченной информации о нагрузке // Инженерно-строительный журнал. 2013. № 1. С. 48-56.
4. Кадыров А. С., Курмашева Б. К., Жунусбекова Ж. Ж., Карсакова А. Ж. Исследование землеройных машин для строительства методом «стена в грунте» // Вестник Сибирского государственного автомобильно-дорожного университета. 2018. № 3 (61). С. 340-349.
5. Chaloulos Y. K., Bouckovalas G. D. Karamitros D. K. Trench effects on lateral p-y relations for pipelines embedded in stiff soils and rocks // Computers and Geotechnics. National Technical University of Athens, School of Civil Engineering. 2017. Vol. 83, Is. 1. Р. 52-63.
6. Mortensen, Preben, Fredsoe, Jorgen Natural backfilling of pipeline trenches // Proceedings of the Annual Offshore Technology Conference. Vol. 1. P. 225-232.
7. Альберт И. У., Шульман С. Г. Вероятностная оценка надежности нескальных оснований сооружений при сейсмических воздействиях // Инженерно-строительный журнал. 2012. № 9(35). С. 79-84.
8. Chaloulos Y. K., Bouckovalas G. D., Zervos S. D., Zampas A. L. Lateral soil-pipeline interaction in sand backfill: Effect of trench dimensions // Computers and Geotechnics. National Technical University of Athens. Zografou (Greece). 2015. Vol. 69. P. 442-451.
9. Гумеров К. М., Харисов Р. А. Оценка допустимого радиуса изгиба трубопровода // Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов. 2017. № 2 (108). С. 73-83.
10. Кожаева К. В. Влияние параметров компенсирующего устройства на устойчивость подводного трубопровода // Инженерно-строительный журнал. 2018. № 4 (80). С. 24-36.
11. Наумкина Ю. В., Пронозин Я. А., Епифанцева Л. Р. Несущая способность основания, нагруженного ленточно- оболочечными фундаментами // Инженерно-строительный журнал. 2016. № 6 (66). С. 23-34.
12. Сморчков А. А., Кереб С. А., Орлов Д. А., Барановская К. О. Оценка технического состояния эксплуатируемых строительных конструкций зданий и сооружений // Инженерно-строительный журнал. 2012. № 7 (33). С. 70-75.
13. Уткин В. С. Расчет надежности грунтового основания на стадии эксплуатации при внецентренно нагруженном фундаменте // Инженерно-строительный журнал. 2013. № 5 (40). С. 69-75.
