CC BY
28
РАЗДЕЛ I
ТРАНСПОРТ.
ТРАНСПОРТНЫЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ МАШИНЫ
УДК 621.878
ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССА ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ РАБОЧЕГО ОРГАНА ПОДКАПЫВАЮЩЕЙ МАШИНЫ С РАЗРАБАТЫВАЕМЫМ ГРУНТОМ
В.Н Кузнецова, Киселева Л.Н.
Аннотация. Рассматривается вопрос о ремонте магистральных трубопроводов без прекращения транспортирования по ним жидких и газообразных продуктов. В статье описывается процесс эксплуатации подкапывающей машины. В статье представлены новые возможности подкапывающей машины.
Ключевые слова: грунт, рабочий орган, подкапывающая машина.
Введение. Магистральные трубопроводы эксплуатируются в течение нескольких десятков лет, что приводит к снижению показателей надежности. Создаются новые методы и средства технического обслуживания и ремонта. Все это требует постоянного совершенствования, модернизации системы технического обслуживания и ремонта.
Выбирать стратегию технического обслуживания и ремонта линейной части магистрального трубопровода следует с учетом обеспечения безопасности работ и охраны окружающей среды, бесперебойного снабжения потребителей нефтью требуемого качества. Необходимо найти разумное соотношение между затратами на техническое обслуживание и ремонт и уровнем надежности и эффективности функционирования трубопровода.
Аварийные ремонтные работы по ликвидации отказов магистральных нефтепроводов требуют незамедлительного выполнения. При построении системы ремонта в первую очередь следует исходить из необходимости обеспечения работ по ликвидации отказов в кратчайшие сроки, снижения тяжести последствий, наносимых растекающейся нефтью поверхностным и грунтовым водам, сельскохозяйственным угодьям и т.д. Аварийные ситуации, возникающие на действующем нефтепроводе, носят разнообразный характер, отличаясь по виду, местоположению и тяжести последствий, поэтому применяемые методы и технические средства выбираются с
учетом необходимости ликвидации всех возможных аварий и их последствий.
В настоящее время наиболее сдерживающим фактором повышения производительности ремонта является несовершенство средств выполнения земляных работ. Используемые одноковшовые экскаваторы и бульдозеры не могут обеспечить необходимую производительность. Кроме того, эти машины не в полной мере отвечают требованиям безопасности выполнения работ и сохранности ремонтируемого трубопровода. Одной из основных технологически сложных операций при ремонте трубопроводов является разработка грунта под трубопроводом [1].
Основная часть. Земляные работы, выполняемые при ремонте магистральных трубопроводов, весьма трудоемки. Они начинаются с ограничения зоны растекания продукта и заканчиваются рекультивацией земли. От того, насколько механизированы работы, зависят степень влияния аварии на окружающую среду и быстрота ее ликвидации. Ручной труд при производстве земляных работ допускается только в местах, где работа техники затруднена: в горных районах; на участках, непроходимых для машин; на поворотах трассы; вблизи линейных задвижек; при пересечении места аварии другими трубопроводами, а также при доработке грунта.
В настоящее время разработаны и нашли применение несколько технологий
проведения земляных работ при ремонте магистральных трубопроводов [2] .
Согласно [3] применяется следующая технология проведения земляных работ при ремонте магистральных трубопроводов на рисунке 1.
Рис.1. Технологическая схема ремонта трубопроводов согласно РД 39-00147105-015-98
-снятие бульдозером плодородного слоя грунта и перемещение его во временный отвал;
-разработка одноковшовым экскаватором одной из боковых сторон траншеи на глубину, равную не менее одного метра ниже нижней образующей трубопровода. Вынимаемый минеральный грунт отсыпают на дневную поверхность земли, на сторону разрабатываемой траншеи;
-разработка одноковшовым экскаватором траншеи с другой стороны трубопровода на глубину не менее одного метра ниже нижней образующей трубопровода, а также снятие минерального надтрубного слоя грунта, отсыпка на дневную поверхность земли, на сторону разрабатываемой траншеи;
-выравнивание бульдозером отвала минерального грунта для создания полосы прохода ремонтной техники;
-осуществление подкапывающей машиной разработки минерального грунта под трубопроводом, сбрасывание его в обе стороны от трубы, в ранее выкопанные одноковшовым экскаватором боковые траншеи.
Комплекс предназначен для выполнения земляных работ при капитальном ремонте газо - и нефтепроводов, а также для выполнения ремонтно-восстановительных работ после аварий на трубопроводном транспорте. Использование комплекса машин позволяет выполнять ремонтные работы без подъема трубы из грунтового ложа, исключить осадку трубопровода после ремонта относительно линии исходного залегания.
Каждая из машин комплекса может использоваться в составе колонны по капитальному ремонту трубопроводов индивидуально, реализуя свое функциональное назначение, если остальной объем земляных работ выполняется другими машинами. При использовании данной технологии нет необходимости в подъеме ремонтируемой трубы, оснащении ремонтных колонн дорогостоящими трубоукладчиками или другой техникой, значительно повышается безопасность выполнения ремонтных работ. В качестве страховочных могут при необходимости использоваться один или два трубоукладчика, что даст возможность увеличить длину открытого участка трубопровода. Любая технология работ без подъёма трубопровода из траншеи требует применения подкапывающей машины.
Подкапывающая роторная машина предназначена для механизированного удаления грунта из-под трубопроводов при ремонте магистральных нефтепроводов по технологии без поднятия трубы. Механизированный процесс углубления рабочего органа под трубопровод, разработка грунта под трубопроводом и транспортирование его в приямки обеспечивается двумя роторными рабочими органами.
Существующие в эксплуатации подкапывающие машины, как и отраженные технические решения в патентах, имеют общий недостаток: невысокая скорость передвижения машины (из отряда колонны машин) из-за невозможности устранения проскальзывания фиксирующего механизма устройства передвижения машины.
Данная проблема значительно усугубляется реакцией грунта на режуще-отвальный орган при подаче тележки; в этом случае эта реакция создает момент, отрывающий тележку от трубопровода вверх.
В совокупности все это приводит к снижению надежности машины (ее ресурса) вследствие повышенной нагрузки на ее узлы, их износа вплоть до поломок и, таким образом, снижает ее эксплуатационную эффективность.
Для решения данных проблем на базе Си-бАДИ была разработана конструкция принципиально нового рабочего органа подкапывающей машины [4]
Разработка новой конструкции машины базируется на технологических требованиях к ней и детальном описании процесса, осуществляемого рабочими органами при взаимодействии с разрабатываемым грунтом. В процессе взаимодействия рабочего органа землеройной машины с грунтом возникают силы сопротивления. Они зависят от физикомеханических свойств грунта, геометрии рабочего органа, способов разрушения, режимов работы, толщины стружки. Все силы сопротивления приводят к системе нормальных
гррнт
и касательных составляющих к траектории движения.
В зависимости от типа рабочего органа технологический процесс взаимодействия его с грунтом может содержать все перечисленные элементы или часть.
Процесс взаимодействия рабочих органов подкапывающей машины включает в себя следующие этапы: внедрения резцов роторов в грунт, его разработка, перемещение грунта по рабочему органу и вынос срезанного грунта в боковые приямки траншеи.
Таким образом, можно обозначить две контактные зоны взаимодействия роторов и резцов роторов с разрабатываемым грунтом: зона непосредственной разработки грунта и зона выноса грунта. Этапы внедрения резцов роторов в грунт, перемещение грунта по рабочему органу и его разработка осуществляется в зоне непосредственной разработки грунта, а вынос срезанного грунта в боковые приямки траншеи - в зоне выноса грунта , обозначенными на рисунке 2.
резец
Рис. 2. Контактные зоны взаимодействия рабочего органа подкапывающей машины с грунтом
Рассматривая этап внедрения и среза грунта в массиве можно обозначить определяющие параметры для расчета силы сопротивления машины. Сила сопротивления машины № включает в себя преодоление суммарной нормальной силы на резец Т, находящийся в массиве грунта, силы трения грунта о поверхность ротора А, а также сила воздействия грунта на резец при его перемещении Р.
Суммарная нормальная сила на резцы Т, находящиеся в массиве грунта, определяется как сумма произведения сил, приходящихся на резцы в массиве грунта, на угол наклона резца ф.
Важной характеристикой грунта является его способность сопротивляться касательным усилиям. Это сопротивление зависит от внутренних сил сцепления между частицами грунта и сил трения. Силы трения, в свою очередь, связаны с нормальным напряжением и
коэффициентом трения. Силу трения грунта о поверхность ротора А можно найти как интегральную сумму сил трения грунта на элементарных площадках ротора, направленных по касательной к поверхности ротора.
Сила воздействия грунта на резец при его перемещении Р определится как поверхностный интеграл давление грунта на резец при его перемещении на элементарных площадках резца.
При работе подкапывающей машины возникают усилия со стороны грунта на резцы и боковую поверхность ротора, поэтому силу сопротивления можно определить по формуле
W = Т + Л-P (2.28)
z Т = Е Тг COS Рг , i=1 (2.29)
Л = Ц т cos pp dS , а (2.30)
P = [[ pt sin p ds , (2.31)
а
где Т- сумма проекций сил сопротивления перемещения резцов в грунте на ось, совпадающую с направлением движения машины; А- сумма проекций сил трения со стороны грунта на поверхность ротора; Р - сумма проекций сил нормального давления со стороны грунта на поверхность ротора; ф - угол наклона резца, т - сила трения грунта, направленная по касательной к поверхности ротора, о -поверхность контакта резцов с грунтом, dS, ds - элементарная площадка контакта грунта с поверхностью ротора и резца, р, - давление грунта на резец при его перемещении [5].
Заключение. При проведении исследований были выявлены основные закономерности рабочего процесса и технических решений, позволяющих повысить производительность земляных работ при ремонте магистральных трубопроводов.
Библиографический список
1. Лурье М.В. и др. Трубопроводный транспорт нефтепродуктов. - М.: Нефть и газ, 1999. -248 с.
2. Березин В.Л., Ращепкин К.Е. и др. Капитальный ремонт магистральных трубопроводов. - М: Недра, 1978. - 246 с.
3. Правила капитального ремонта магистральных нефтепроводов РД-39-00147105-019-98.
4. Киселева Л.Н., Федотенко Ю.А. Машина для удаления грунта из- под магистрального трубопровода. - Патент на полезную модель № 64312 от 27 июня 2007 (Бюл. изобр № 18, 2007).
5. Киселева Л.Н. Математическое описание процесса взаимодействия рабочих органов подкапывающей машины с разрабатываемым грунтом. / Материалы IV Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов, молодых ученых «Развитие дорожно-транспортного комплекса и строительной инфраструктуры на основе рационального природопользования». - Омск: Изд-во СибАДИ, 2010. -330 с. - С. 267-270.
BASIC PRINCIPLES OF MATHEMATICAL MODELLING OF THE INTERACTION OF THE WORKING BODY DIGGING MACHINE WITH SOIL.
V.N Kuznetsova, L.N. Kiselyova
The question on repair of the main pipelines without the transportation termination on them of liquid and gaseous products is considered. In article process of operation of the digging machine is described. In article new possibilities of the digging machine are presented.
Киселева Лариса Николаевна - аспирантка кафедры «Нефтегазовая и строительная техника» Сибирской государственной автомобильнодорожной академии. Основное направление научных исследований - рационализация рабочих органов при ремонте магистральных трубопроводов. Имеет 12 опубликованные работы.
E- mail: [email protected]
Кузнецова Виктория Николаевна - д-р техн. наук, профессор, декан факультета «Магистерская и послевузовская подготовка» Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии. Основное направление научных исследований - оптимизация рабочих органов землеройных и землеройно-транспортных машин. Имеет 90 опубликованных работ. E-mail: [email protected]
