CC BY
28
УДК 69.002.05
В.М. Земсков, Н.В. Краснолудский, И.С. Михельсон
ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОЩНОСТИ УСТРОЙСТВА ДЛЯ ВИБРОПРОКОЛА ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ СКВАЖИНЫ В ГРУНТЕ
Предлагается зависимость, определяющая мощность устройства для вибропрокола горизонтальной грунтовой скважины, на основании которой предполагается на этапе проектирования оборудования для бестраншейной прокладки коммуникаций обосновывать габариты оборудования, рассчитывать механизмы привода рабочего наконечника и осевой подачи.
Устройство, мощность, вибропрокол, коммуникация, бестраншейная прокладка.
V.M. Zemskov, N.V. Krasnoludskiy, I.S. Mikhelson
EQUIPMENT CAPACITY DEFINITION FOR HORIZONTAL WELL VYBROPUNCTURE IN THE GROUND
The article describes the dependence defining the ground horizontal well vybropuncture device capacity. The authors offer to substantiate equipments' capacities and dimensions at a designing stage of equipment for trenchless cabining of communications and to calculate mechanisms of driving gear of the working tip and axle drive.
Equipment, capacity, vybropuncture, communication, trenchless pipe driving.
При прокладке коммуникаций различного назначения через препятствия возможны два способа выполнения работ - открытый и закрытый.
Применение закрытого способа прокладки коммуникаций, который специалисты называют бестраншейной технологией, имеет существенные преимущества по сравнению с открытым способом, а именно:
• экономические - повышенные темпы работ при строительстве подземных коммуникаций, значительно меньший объём земляных работ, минимальные затраты на возведение временных сооружений, что в совокупности снижает затраты до 50%;
• экологические - плодородный слой земли сохраняется, вырубка деревьев минимальна, исключается загрязнение грунтовых массивов производственными стоками;
• социальные - движение транспорта сохраняется, отсутствует необходимость рытья траншей на частных участках и, как следствие, отсутствуют дополнительные согласования и разрешения.
Выбор бестраншейного способа прокладки зависит от диаметра, длины коммуникаций, трассы прокладки и назначения прокладываемого трубопровода, физико-механических и гидрогеологических условий разрабатываемых грунтов. Универсальных способов образования скважин в грунте при бестраншейной прокладке коммуникаций не существует.
При бестраншейной прокладке коммуникаций для проходки прямолинейных горизонтальных скважин в глинистых и суглинистых грунтах диаметром до 300 мм (реже до 400500 мм) и длиной до 50 м (реже до 60-80 м) наиболее простым и доступным является способ статического прокола. Под проколом подразумевается процесс вдавливания трубы в грунт, при этом труба со стороны забоя закрыта конусным наконечником. Несмотря на его простоту, статический прокол имеет ряд существенных недостатков: большое напорное усилие и в связи с этим большая себестоимость, низкая точность проходки скважины. На сегодняшний день весьма перспективным является применение вибрации при образовании скважин способом прокола.
В работе [1] указывается, что первые опыты по применению вибрации при бестраншейной прокладке труб, проведенные рядом организаций, не увенчались успехом. Причина неудачи заключалась в использовании в конструкциях бестраншейных машин высокочастотных ненаправленных колебаний прокладываемых труб в плоскостях, перпендикулярных к оси проходки. Такие колебания хорошо уплотняют несвязный грунт, но не содействуют снижению его лобового сопротивления, следовательно, их применение не способствует интенсификации проходки. Как показали исследования Н.Я. Кершенбаума, снижение тягового усилия наиболее эффективно в том случае, когда направление колебаний совпадает с направлением движения разрушающего инструмента в деформируемой среде, следовательно, для максимального снижения тягового усилия необходимо развивать колебания в направлении движения рабочего органа. Создаваемые вибратором направленные колебания вдоль оси трубы уменьшают силы бокового трения и содействуют более успешному преодолению лобового сопротивления, в результате чего скорость проходки возрастает в 6-8 раз, а необходимые напорные усилия снижаются в 8-10 раз по сравнению с проколом гидродомкратами. В проведённых авторами опытах было выяснено, что для повышения скоростей проходки и для более успешного преодоления твердых грунтовых включений необходимо увеличивать напорное усилие. Однако последнее, в свою очередь, приводит к уменьшению размаха колебаний трубы. Чтобы избежать этого явления, следует увеличивать возмущающую силу вибратора, повышая момент его дебалансов или частоту колебаний, что ведет к возрастанию потребляемой мощности и габаритов бестраншейной машины в целом.
Физическая картина процесса прокола показывает, что при внедрении рабочего наконечника уплотнение в грунте происходит в результате структурных деформаций. Вследствие повышения напряжений вокруг рабочего наконечника частицы грунта перемещаются в зону меньших напряжений и занимают весь объем пор в зоне структурных деформаций, при этом эпюра распространения средних критических напряжений в плоскости, перпендикулярной оси проходки, представляет собой концентрическую окружность с центром на оси скважины. Исходя из этого становится ясным, что наиболее рациональными являются круговые колебания рабочего наконечника в плоскости, перпендикулярной оси проходки относительно нулевой точки, расположенной на вершине конусного наконечника. В этом случае увеличивается интенсивность воздействия вибрации на грунт по всей зоне структурных преобразований, в результате чего значительно снижается усилие прокола.
Данное утверждение противоречит первым результатам исследований вибропрокола [1], но эффективность такого способа колебаний рабочего наконечника была отмечена еще в 50-х годах прошлого века. Так, трестом Гидрострой Главкиевстроя был осуществлен вибропрокол скважины диаметром 350 мм, длиной 18 м во влажной супеси с помощью виброснаряда в виде конуса, закрепленного на отрезке трубы, в которой размещен вал с насаженными на нем дебалансами, электродвигатель мощностью 7 кВт и синхронной частотой вращения 3000 об/мин, соединенный муфтой с валом дебалансов. Протаскивание вибронаконечника осуществлялось канатом через лидерную скважину. Эксперимент показал снижение усилий более чем в 10 раз по сравнению со статическим проколом [2].
На кафедре «Подъемно-транспортные, строительные и дорожные машины» СГТУ в лабораторных условиях был повторен этот опыт [3]. Виброснаряд представляет собой конус с уг-
лом при вершине а = 20° с цилиндрическим поясом, к которому через отверстия крепится вибратор в виде электродвигателя, мощностью 2,2 кВт и частотой вращения вала 2880 об/мин, на концах которого закреплены дебалансы и крышка дебалансов. В результате экспериментов было установлено, что колебания рабочего наконечника в плоскости, перпендикулярной оси проходки, уменьшает усилие прокола в 10-15 раз по сравнению со статическим.
Проведенные эксперименты дали импульс к созданию конструкций устройств для бестраншейной прокладки трубопроводов методом вибропрокола, в которых вибрирующим элементом является рабочий наконечник, колебания которого осуществляются в плоскости, перпендикулярной оси проходки относительно нулевой точки, расположенной на вершине конуса рабочего наконечника [4, 5].
В связи с этим перед проектировщиками и производителями работ стоит вопрос об определении мощности, необходимой на образование горизонтальной грунтовой скважины способом вибропрокола при бестраншейной прокладке коммуникаций, от чего зависят конструкция, габариты бестраншейных машин и затраты на производство работ.
В настоящей работе предлагается теоретическая зависимость, определяющая мощность устройства для вибропрокола горизонтальной грунтовой скважины бестраншейным оборудованием с колебаниями рабочего наконечника в плоскости (см. рисунок) перпендикулярной оси образуемой скважины, на основе схемы.
Суммарная мощность на осуществление вибропрокола определяется:
Ne6n = Nвд + Nde6 + Nmp + Nycm , (1)
где Ned - мощность, затрачиваемая на вдавливание вибронаконечника, Вт; Nde6 - мощность, затрачиваемая на образование скважины, Вт; Nmp - мощность, затрачиваемая на преодоление сил трения, возникающих между напорной трубой и стенками образуемой скважины, Вт; Nycm - мощность, затрачиваемая на потери в направляющих установки, Вт.
Мощность, необходимая на вдавливание вибронаконечника:
Nd = Ffn v пр, (2)
где Ffn - лобовое сопротивление вибропроколу рабочего наконечника, Н; vnp - скорость проходки скважины, м/с.
Лобовое сопротивление вибропроколу предлагается определять по зависимости, предложенной в работе [6], в следующем виде:
Fe6n = кR2ое tan(a + фв), (3)
л r sin а
где R - радиус скважины, м; ав -радиальные напряжения в грунте при воздействии вибрации, Па; а - угол заострения конусного рабочего наконечника, градус; фв - угол трения конусного рабочего наконечника о грунт при воздействии вибрации, градус.
Схема взаимодействия рабочего наконечника с грунтом при вибропроколе горизонтальной скважины: 1 - рабочий наконечник; 2 - дебаланс; 3 - компенсирующее устройство; 4 - напорная труба; 5 - направляющие
Мощность, затрачиваемая на образование скважины:
^деб = Мдб® дб = ¥дбрас/подГпод® дб , (4)
где Мдб - момент сопротивления вращению дебаланса, Нм; шдб - угловая скорость вращения дебаланса, рад/с; ¥дбрас - расчётная возмущающая сила, создаваемая дебалансом, Н; /под - коэффициент трения в опорах вращения дебалансного вала; гпод - радиус приложения силы сопротивления вращению в опорах дебалансного вала, м.
Расчётная возмущающая сила определяется по зависимости:
¥ = к ¥ (5)
дбрас зап дбмин' \ '
где кзап = 1,5 - коэффициент запаса, учитывающий приближенность расчётов; ¥дбмин - минимально необходимая возмущающая сила дебаланса, Н.
Минимально необходимая возмущающая сила дебаланса складывается из двух составляющих:
¥ = ¥гр + ¥упл (6)
1 дбмин 1 дб ^1 дб ' УУ/
где ¥дбр - возмущающая сила дебаланса на изменение физико-механических свойств грунта, Н; ¥;УП - возмущающая сила дебаланса, расходуемая на уплотнение грунта, Н.
Возмущающая сила дебаланса на изменение физико-механических свойств грунта определяется по зависимости:
¥дб = Мпр ], (7)
где Мпр - приведённая масса колеблющихся частей, состоящая из масс рабочего наконечника, напорной трубы, грунта, вовлекаемых в колебания, кг; ] - критическое ускорение колебаний, развиваемое дебалансным вибратором, необходимое для интенсивного уплотнения грунта в стенки скважины, м/с2.
Возмущающая сила дебаланса, расходуемая на уплотнение грунта, определяется по зависимости:
¥Г = Б раб <, (8)
где Браб - площадь контакта рабочего наконечника с грунтом, м2.
Мощность, затрачиваемая на преодоление сил трения, возникающих между напорной трубой и стенками образуемой скважины, определяется по зависимости:
N = О I V , (9)
тр тр<1 стгр пр > \ /
где Отр - вес напорной трубы, приходящийся на стенки скважины, Н; /стгр - коэффициент трения стали о грунт.
Мощность, затрачиваемая на потери в направляющих установки определяется как:
N = Онап / V , (10)
уст тр стст пр > \ /
где О'тррП - вес напорной трубы, приходящийся на направляющие установки, Н; /стст - коэффициент трения стали о сталь.
Численный анализ предложенных зависимостей показал хорошую сходимость с экспериментальными данными, представленными в работе [3]. Численные значения затрачиваемых мощностей на вдавливание вибронаконечника и образование скважины, определяемые по зависимостям (2) и (4), расходятся с экспериментальными данными не более 10%. Результаты численного анализа предложенных зависимостей показывают, что вибропрокол конусным рабочим наконечником со встроенным вибратором круговых колебаний в плоскостях, перпендикулярных оси образуемой скважины, обладает высоким оценочным показателем «КПД образования скважины», предложенным в работе [7]. «КПД образования скважины» оборудования для вибропрокола при бестраншейной прокладке коммуникаций достигает 70%, что выше в 6-8 раз, чем у известного оборудования. Это указывает на актуальность исследований процесса вибропрокола с целью создания высокоэффективных бестраншейных машин для прокладки коммуникаций.
Предложенная методика определения мощности устройства для вибропрокола горизонтальной грунтовой скважины позволит на этапе проектирования бестраншейного оборудования для прокладки коммуникаций:
• обосновать конструкцию конусного рабочего наконечника и рассчитать мощность на привод дебалансного вибратора конусного рабочего наконечника;
• рассчитать мощность на привод механизма осевой подачи;
• обосновать габариты оборудования;
• рассчитать энергоёмкость процесса образования горизонтальных грунтовых скважин способом вибропрокола.
ЛИТЕРАТУРА
1. Кершенбаум Н.Я. Виброметод в проходке горизонтальных скважин / Н.Я. Кершен-баум, В.И. Минаев. М.: Недра, 1968. 152 с.
2. Пестов Г.Н. Закрытая прокладка трубопроводов / Г.Н. Пестов. Подольск: Стройиз-дат, 1964. 188 с.
3. Ромакин Н.Е. Направления в развитии конструкций оборудования для бестраншейной прокладки трубопроводов способом вибропрокола / Н.Е. Ромакин, Н.В. Краснолудский, Н.В. Малкова // Совершенствование конструкций и методов расчёта строительных и дорожных машин и технологий производства работ: межвуз. науч. сб. Саратов: СГТУ, 2006. С. 69-72.
4. Патент 2238370 ЯИ С1, МПК 7Е02Б5/18. Устройство для образования скважин в грунте / Н Е. Ромакин, Д.Н. Ромакин, В.М. Земсков. Заявл.06.02.2003; Опубл. 20.10.2004, Бюл. № 29.
5. Патент 2256034 ЯИ С1, МПК 7Е02Б5/18. Устройство для бестраншейной прокладки трубопроводов методом прокола / Н. Е. Ромакин, Д. Н. Ромакин, В. М. Земсков. Заявл. 18.06.2003; Опубл. 10.07.2005, Бюл. № 19.
6. Ромакин Н.Е.Усилие внедрения и оптимальный угол заострения рабочего наконечника при статическим проколе грунта / Н.Е. Ромакин, Н.В. Малкова // Строительные и дорожные машины. 2006. № 10. С. 35-37.
7. Ряшенцев А.Н. Оборудование «RANER»: проходка и формирование скважин в грунтах / А.Н. Ряшенцев. М.: Материалы 26-й конференции и выставки международного общества по бестраншейным технологиям, 2008. 1 электрон. опт. диск (CD-ROM).
Земсков Владимир Михайлович -
кандидат технических наук, доцент кафедры «Подъёмно-транспортные, строительные и дорожные машины» Балаковского института техники, технологии и управления (филиала) Саратовского государственного технического университета
Краснолудский Николай Викторович -
ассистент кафедры «Подъемно-транспортные, строительные и дорожные машины» Балаковского института техники, технологии и управления (филиала) Саратовского государственного технического университета
Михельсон Игорь Станиславович -
аспирант кафедры «Подъёмно-транспортные, строительные и дорожные машины» Балаковского института техники, технологии и управления (филиала) Саратовского государственного технического университета
Zemskov Vladimir Mihajlovich -
Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor of the Department of «Pick-and-place, Construction and Road Building Machinery» of Balakovo Institute of Engineering, Technology and Management (branch) of Saratov State Technical University
Krasnoludskiy Nikolay Viktorovich -
Junior Member of Teaching Staff of the Department of «Pick-and-place, Construction and Road Building Machinery» of Balakovo Institute of Engineering, Technology and Management (branch) of Saratov State Technical University
Mikhelson Igor Stanislavovich -
Post-graduate Student of the Department of «Pick-and-place, Construction and Road Building Machinery» of Balakovo Institute of Engineering, Technology and Management (branch) of Saratov State Technical University
Статья поступила в редакцию 26.03.09, принята к опубликованию 09.09.09
