CC BY
20
УДК 624.139
В. С. ИВКИН, С. В. МАКСИМОВ, А. Ю. МУРТАКОВ
ПРИМЕНЕНИЕ ЭНЕРГИИ СЖАТОГО ГАЗА ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ НА РАБОЧИХ ОРГАНАХ ЗЕМЛЕРОЙНЫХ МАШИН
Круглогодичное выполнение строительных работ в промышленном и граэ/сданском строительстве, дальнейшее освоение районов Урала, Сибири, Дальнего Востока России, обладающих высокой концентрацией природных ресурсов, определяют рост объёма грунтов, разрабатываемых в мёрзлом состоянии. Перспективным направлением повышения эффективности работы землеройных машин является интенсификация их рабочих процессов, то есть использование для рыхления мёрзлого грунта дополнительной энергии. Подача энергии сэ/сатого газа в зону рыхления является одним из перспективных направлений совершенствования рабочего оборудования рыхлителя. Создание новых и активизация традиционных рабочих органов землеройных машин малой и средней мощности в настоящее время является наиболее целесообразным способом интенсификации разрушения высокопрочных мёрзлых грунтов. Парк традиционных землеройных машин малой и средней мощности простаивает в холодное время года, использование его с эффективным мерзлоторыхлительным оборудованием значительно повысит коэффициент использования и годовую производительность машин.
Ключевые слова: мёрзлый грунт, газовый импульс, рабочая камера, клапанный механизм, газораспределительный узел.
В области создания рабочих органов, осущест-пазоаботку мёозлых или поочных гоун-
.11 ^ I А А V
тов энергией сжатого газа, появляются изобретения и проводятся исследования, направленные на создание конструкций соответствующих образцов землеройных машин [1,2, 3,4, 5, 6, 7, 8].
Для таких типов землеройных машин сжатый газ высокого давления может быть получен:
• путём сжигания топливно-воздушной смеси в специальных камерах сгорания;
• в компрессорных установках (табл. 1).
Недостатки первого способа получения сжатого газа:
• большой объём камер сгорания не позволяет использовать готовые конструктивные решения, отработанные практикой двигателе-строения. Из опыта создания двигателей были использованы лишь теоретические принципы процесса смесеобразования;
• из-за больших объёмов камер усложняется их запуск, нарушается устойчивая работа при отрицательных температурах;
• сложность аппаратуры, предназначенной для регулирования конечного давления выхлопа продуктов сгорания топливо-воздушной смеси. Для этого необходимо иметь: смесительные уст-
© Ивкин В. С., Максимов С. В., Муртаков А. Ю.? 2011
ройства с электропневмораспределителями, с
датчиками давления и реле времени.
• ••
Указанных недостатков лишены устройства, в которых энергоносителем является воздух, сжатый до высоких давлений. В этом случае в качестве источника энергии используют серийно выпускаемые компрессоры высокого давления (см. табл. 1), а сами устройства служат:
• для доставки энергоносителя на расчётную глубину рыхления;
« для размещения на рыхлителе специального оборудования, обеспечивающего направленный импульсный выпуск газа в грунт [1, 2, 3, 4,
5, 6, 7, 8].
Газораспределительный узел с рабочей камерой и рабочий орган рыхлителя газодинамического действия показаны на рисунках 1 и 2.
Рабочая камера 1 соединена со штангой 2. Штанга 2 изготовлена из толстостенной трубы и её внутренний объём включается в объём рабочей камеры 1. Внутренняя полость хвостовика 3 также является продолжением рабочей камеры 1. Хвостовик 3 связан с приводным механизмом и вращается в корпусе 4 газораспределительного узла.
На корпусе 4 газораспределительного узла имеются два штуцера 5 и 6. Через штуцер 5 и радиальные отверстия в кольце 7 и хвостовике 3 сжатый газ поступает в рабочую камеру 1. В камеру 8 управления перемещением клапана 10 сжатый газ поступает через штуцер 6 и трубку 9. Механизм вращения штанги 2, краны управления с контрольными манометрами на рисунках 1
Таблица 1
Технические характеристики компрессоров высокого давления
Тип компрессора (выпускаемых в России) Производительность по нагнетанию, л/мин Давление нагнетания, МПа Потребляемая мощность, кВт Габаритные размеры, мм Масса, кг
длина ширина высота
КВ Д-1,6 о ? 15,0 8,0 580 310 710 170
К2-150 2,0 15,0 8,0 430 450 490 85
1К 8,0 20,0 26,0 885 825 1295 700
К-5 16,0 22,5 50,0 1200 1080 1820 1350
К-6 8,0 22,5 35,0 850 580 1355 600
К-7 6,5 ?? 5 а—» % «/ 26,0 832 585 1000 445
ДК-2 8,0 23,0 47,0 2200 890 860 820
ДК-10 9,0 40,0 96,0 2200 890 860 820
ЭК-15-М 16,0 20,0 42,0 1185 860 1535 1200
Рис. 1. Газораспределительный узел
рабочей камерой
и 2 не показаны. Винтовая лопасть 15 приварена к конусному наконечнику 16.
На штанге 2, седле 12, газоразрядной втулке 14 и конусном наконечнике 16 имеются шлице-вые соединения, которые воспринимают крутящий момент от механизма вращения штанги 2. Между собой штанга 2, седло 12, газоразрядная втулка 14 и конусный наконечник 16 соединяются с помощью соединительный муфт 17. Наружный диаметр соединительных муфт 17 меньше наружного диаметра соединяемых деталей. Такое конструктивное решение позволяет уменьшить трение, возникающее в процессе завинчивания рыхлителя в грунт.
Так как крутящий момент передаётся через шлицевые соединения, то соединительные муфты 17 не нагружены крутящим моментом, а воспринимают только осевые нагрузки.
Контргайки 18 обеспечивают надёжность соединения. Подвижные и неподвижные соединения мерзлоторыхлительного оборудования газоимпульсного действия уплотняются с помощью резиновых, фторопластовых и сальниковых уп-
ПАТиРи \Л М
.(IV/ & 1 IV! 1(1(1.
Рыхлитель газодинамического действия относится к машинам циклического действия и может монтироваться как сменное оборудование на одноковшовых экскаваторах или иных базовых машинах массового производства. Работа мерз-лоторыхлителя разделяется на два этапа:
® на первом этапе оператор-машинист устанавливает рабочее оборудование на место рыхления, включает механизм привода, и винтовая лопасть 15 начинает ввинчиваться в мёрзлый грунт. В процессе завинчивания рыхлителя в мёрзлый грунт оператор-машинист открывает краны управления, от которых сжатый газ раздельно поступает в рабочую камеру 1 и камеру 8 управления. С увеличением давления сжатого газа в камере 8 управления увеличивается усилие поджатая клапана 10 к седлу 12 за счёт разных площадей давления сжатого газа со стороны камеры 8 управления и рабочей камеры 1 (см. рис. 1 и 2). Давление в рабочей камере 1 и камере 8 управления контролируется оператором-машинистом по показаниям манометров. После завинчивания рыхлителя на требуемую глубину разработки начинается второй этап работы -рыхление мёрзлого грунта;
• оператор-машинист поворачивает рукоятку крана управления в положение, при котором камера 8 управления сообщается с атмосферой. Из-за разности давлений между двумя смежными камерами 1 и 8 клапан 10 перемещается в
Сжатый
газ
нижнее положение, открывая выхлопные отверстия 13, расположенные на газоразрядной втулке 14 (см. рис. 1 и 2).
Сжатый газ с большой скоростью истекает из выхлопных отверстий 13, проникает в трещины, образованные в процессе завинчивания мерзлото-рыхлителя, расширяет их, и далее разрыхляет определённый объём мёрзлого грунта, пока избыточное давление не уменьшится до минимально необходимого для рыхления. После падения давления сжатого газа в рабочей камере 1 пружина 11 возвращает клапан 10 в нормально прикрытое положение, и цикл работы повторяется.
Рис. 2. Рабочий орган рыхлителя газоимпульсного
действия
Поскольку рыхление грунта является рабочим процессом мерзлоторыхлительной машины, то исследование механизма разрушения и влияния на него различных факторов позволило сформулировать основные требования к создаваемому рабочему органу:
• наименее энергоёмкое внедрение в мёрзлый грунт для доставки энергоносителя на расчётную глубину рыхления путём завинчивания;
• отрыв грунта от массива, его рыхление сжатым газом высокого давления при доминировании наименее энергоёмких деформаций разрыва.
Наличие разъёмных соединений в конструкции рыхлителя газодинамического действия позволяет дифференцировано воспринимать нагрузки. Крутящий момент воспринимают шли-цевые соединения. Осевые нагрузки воспринимают соприкасающиеся торцевые части винтового наконечника 16, газоразрядной втулки 14, седла 12, штанги 2 (см. рис. 1 и 2).
Сборка такого типа соединения осуществляется с помощью соединительных муфт 17, а его работоспособность - за счёт предварительной затяжки резьбовых соединений, необходимость в которой определяется требованиями обеспечения герметичности, недопустимости раскрытия стыка между соприкасающимися торцевыми частями винтового наконечника 16, газоразрядной втулки 14, седла 12, штанги 2 (см. рис. 1 и 2). Требуемую величину затяжки резьбовых соединений можно обеспечить мри условии её контроля в процессе сборки соединения, осуществляемого измерением, например, крутящего момента с помощью тарированных ключей динамометрических или с муфтой предельного момента. Применение тарированных ключей основано на связи крутящего момента на ключе и усилия затяжки.. Стабильность затяжки соединительных муфт 17 фиксируется контргайками 18.
При выборе соотношения между диаметром винтовой лопасти 15 и диаметром штанги 2 рыхлителя мы исходим из сопоставления предельных тяговых возможностей винтового наконечника 16 с сопротивлением погружению (завинчиванию) в грунт рабочего оборудования штанги 2. Необходимое усилие для завинчивания в грунт рабочего оборудования штанги 2 должно быть меньше предельного значения тягового усилия, развиваемого винтовым наконечником 16 или равно ему. В противном случае винтовая линия в мёрзлом грунте нарезаться не будет, грунт будет разрушаться под винтовой лопастью 15, будет наблюдаться процесс бурения грунта, а не завинчивание рабочего органа штанги 2 в грунт.
В мёрзлых грунтах между различного размера и формы твёрдыми минеральными частицами имеются лёд, поры, пустоты. Первостепенная роль в изменении прочностных характеристик мёрзлых грунтов, то есть грунтов с отрицательной температурой, принадлежит цементационным связям льда. Цементационные свойства льда весьма чувствительны:
® к изменению температуры мёрзлого грунта;
• к внешним механическим воздействиям на мёрзлый грунт.
Газовый импульс
Наличие пор, пустот характерно для многих строительных материалов, но в грунтах вследствие меньшей прочности связей льда-цемента между минеральными частицами пористость по существу определяет их физическое состояние, механическое поведение (уплотняемость) при внешних воздействиях. В силу малой сжимаемости минеральных частиц в механике грунтов принято считать, что изменение объёма грунта целиком определяется изменением его пористости.
При завинчивании деформация уплотнения грунта происходит за счёт разрушения льда, цементирующего минеральные частицы, перекомпоновки минеральных частиц, их отжатия в менее напряжённую зону, уменьшения пористости грунта, образования новых цементирующих связей льда.
В механизме привода рыхлителя предусмотрен стабилизатор завинчивания рабочего органа штанги 2, позволяющий исключить отклонение штанги 2 от первоначальной оси завинчивания рыхлителя. В случае отказа в работе стабилизатора завинчивания штанги 2 (или его отсутствия в механизме привода рыхлителя) при ступенчатой Аопме рабочего опгана будет наблюлаться
Mil I г •
«закусывание» грунта ступеньками седла 12, газоразрядной втулки 14, штанги 2.
Это приведёт к увеличению работы, затрачиваемой на завинчивание рыхлителя в грунт из-за возрастания осевого усилия, увеличения трения с грунтом. Но и в этом случае ступенчатая форма рабочего органа играет положительную роль. Дополнительно затраченная работа используется на лучшую герметизацию рабочего органа, так как срезаемый ступеньками седла 12, газоразрядной втулки 14, штанги 2 грунт будет являться расходуемым материалом, который пойдёт на ликвидацию зазоров между рабочим органом рыхлителя и эллипсообразной полостью, образованной в грунте, на более лучшее уплотнение оставшихся в грунте пустот от винтовой линии, нарезанной винтовым наконечником 16.
Это позволит более простым путём обеспечить надёжную герметизацию рабочего органа, чем показано в устройстве по А. с. СССР №907174 МКИ E02F5/30. В этом случае энергоёмкость разрушения мёрзлого грунта не должна увеличиться, так как лучшая герметизация рабочего органа позволит свести к минимуму непроизводительные утечки сжатого газа при выхлопе из газоразрядной втулки 14.
В устройстве по А. с. СССР №907174 МКИ E02F5/30 предлагается выполнить уплотнение зазоров дугообразными уплотнительными эле-
ментами. По такое конструктивное решение не надёжно в работе. Причины:
• так как для каждого дугообразного уплот-нителы-юго элемента усилие прижатия к эллипсообразной полости не регулируется и зависит только от давления сжатого газа в рабочей камере, то в неоднородных грунтах с наличием гра-велистых и каменистых частиц дугообразные уплотнительные элементы в эллипсообразной полости разместятся под различными углами, образуя зазоры, что не позволит устранить непроизводительные утечки сжатого газа при выхлопе;
• в процессе рыхления грунта не исключено попадание частиц грунта между наружной поверхностью трубчатого корпуса и дугообразными элементами. Попадание частиц грунта между наружной поверхностью трубчатого корпуса и дугообразными уплотнительными элементами приведёт к поломке рабочего органа, так как дугообразные уплотнительные элементы после окончания процесса рыхления не смогут быть убраны в тело корпуса рыхлителя.
Эффективность процесса рыхления мёрзлого грунта во многом определяется работой клапан-
иг*гг\ мруяиьпия г^^г1 пр>и м к а 1ги 11гг\ ъгЬгЬгч/нг ЫМ-
114/1 \/ IV« V 4 IV* « Л Я « Д V V*! V Я Я Я ^ А ч/ ЯтЯ ^ Л V/ ^ V IV А III««
пульсного воздействия на грунт энергии газа высокого давления. Управление клапаном 10 осуществляется посредством нагнетания и последующего сброса в атмосферу давления из камеры 8 управления (см. рис. 1 и 2).
Контактные уплотнительные устройства пневматической арматуры, осуществляющие герметизацию соединений за счёт плотного прилегания (прижатия) уплотняющих деталей (седло 12 - клапан 10), имеют наиболее высокую надёжность герметизации. Поэтому они незаменимы в пневматических системах высокого давления газодинамических рыхлителей там, где утечки сжатого воздуха не допускаются, в клапанных механизмах. Металлопластмассовые клапаны повышают работоспособность клапанного механизма рабочего органа газодинамического рыхлителя. В метаплопластмассовых клапанах полимерные уплотнители упрочнены металлическим корпусом. Фторопласт в качестве уплотнителя клапанного механизма газодинамического рыхлителя обладает следующими преимуществами:
® высокой износостойкостью из-за низкого коэффициента трения. Коэффициент трения фторопласта в 7 раз ниже коэффициента трения хорошо полированной стали;
• исключительно стоек к низким температурам, не становится хрупким даже при температуре жидкого воздуха. Предельные температуры
работы фторопласта - «4» от минус 195°С до плюс 250°С.
Материалом седла 12, гребешок которого врезается при работе в торцевую поверхность фторопластового уплотнителя клапана 10 и тем самым обеспечивает герметизацию, служит наиболее распространённая в машиностроении сталь 40Х. В качестве уплотнительных элементов в кольцевых проточках клапана 10 необходимо применять резиновые уплотнительные кольца, изготовленные из натрий-бутадиенового каучука. Это позволяет добиться высокой работоспособности и долговечности клапанного механизма. В качестве трубопроводов необходимо применять резиновые рукава с текстильным каркасом на давление 23,0 МПа, сохраняющие работоспособность от -35°С до+100°С.
Выводы
Отличительная особенность нового оборудования в том, что его внедрение в грунт осуществляется наименее энергоёмким способом - путём завинчивания, а разрушение мёрзлого грунта производится за счёт энергии сжатого воздуха высокого давления [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8], который подаётся от компрессора высокого давления.
л л
Основные предпосылки к эффективному использованию нового оборудования для производства зимних земляных работ следующие:
1) начало разрушения грунта начинается не с поверхности, где прочность грунта максимальная, а с глубины разрушаемого массива, где прочность ниже. Разрушение грунта происходит в результате зарождения трещин в основании надреза от винтовой лопасти и последующего их раскрытия в результате поршневого действия газов. При этом продолжительность разрушения определяется как прочностными свойствами мёрзлого грунта, так и геометрическими параметрами рабочего органа, то есть диаметром газового канала внутри штанги;
2) энергия сжатого воздуха передаётся непосредственно разрушаемому грунту, который можно рассматривать как материал, обрабатываемый действием газового импульса. Разрушение мёрзлого грунта происходит по всем возможным направлениям расширения сжатого воздуха, что позволяет повысить качество дробления по сравнению с машинами ударного действия и статическими рыхлителями, так как рабочие органы этих машин имеют строго ограниченное перемещение в мёрзлом грунте;
3) более эффективная работа происходит в период оттепели и начала оттаивания мёрзлого грунта, когда под слоем неравномерно тающего грунта находится мёрзлый грунт. В машинах
ударного действия энергия удара частично или полностью гасится тающим слоем грунта.
Разрушение грунтов энергией сжатого газа, которая непосредственно передаётся на рабочий орган, минуя двигатель, связано с изменением конструкции машины. При таком способе разработки грунтов появляется возможность передать рабочему органу значительную энергию, идущую на разрушение, без существенного увеличения массы и мощности базовой машины.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. А. с. 1421012 СССР, МКИ Е02 F5/32. Рыхлитель газодинамического действия/ В. С. Ивкин. - №4095259/03; заявл. 16.07.86, опубл. 10.05.99, Бюл.№13. - 7 с.
2. Пат. №2209891 РФ, МПК7 Е 02 F5/32 Газодинамический рыхлитель /В. С. Ивкин; заявитель и патентообладатель Ульян, гос. техн. ун-т. - №2002110492/03; заявл. 19.04.02; опубл. 10.08.03, Бюл. №22.-12 с.
3. Пат. №2231601 РФ, МПК7 Е 02 F5/30 Газодинамический рыхлитель /В. С. Ивкин, В. С. Щеликалин; заявитель и патентообладатель Ульян, гос. техн. ун-т.- №2003108241/03; заявл. 25.03.03; опубл. 27.06.04, Бюл. №18. - 16 с.
4. Пат. №2236514 РФ, МПК7 Е 02 F5/32 Газодинамический рыхлитель /В. С. Ивкин, Е. К. Кузьмин; заявитель и патентообладатель Ульян, гос. техн. ун-т. - №2003116529/03; заявл. 03.06.03; опубл. 20.09.04, Бюл. №26. - 15 с.
5. Пат. №2244784 РФ, МПК7 Е 02 F5/32 Газодинамический рыхлитель /В. С. Ивкин, Е. К. Кузьмин; заявитель и патентообладатель Ульян, гос. техн. ун-т. - №2003130251/03; заявл. 10.10.03; опубл. 20.01.05, Бюл. №2.- 11с.
6. Пат. №2252989 РФ, МПК7 Е 02 F5/32 Устройство для разрушения прочных и мёрзлых грунтов / В. С. Ивкин, В. В. Морозов; заявитель и патентообладатель Ульян, гос. техн. ун-т. -№2004106179/03; заявл. 02.03.04; опубл. 27.05.05, Бюл. №15.- 12 с.
7. Пат. №2256751 РФ, МПК7 Е 02 F5/32 Устройство для разрушения прочных и мёрзлых грунтов /В. С. Ивкин, В. В. Морозов; заявитель и патентообладатель Ульян, гос. техн. ун-т. -№2004112153/03; заявл. 20.04.04; опубл.
20.07.05, Бюл. №20.-15 с.
8. Пат. №2276235 РФ, МПК7 Е 02 F5/30 Устройство для разрушения прочных и мёрзлых грунтов / В. С. Ивкин, В. В. Морозов; заявитель и патентообладатель Ульян, гос. техн. ун-т. -№2004118762/03; заявл. 21.06.04; опубл.
10.05.06, Бюл. №13.-21 с.
5 5 О б 5 О О б й & О О 6 © О У О (|> О а
Пекин Валерий Семёновичу кандидат технических наук, доцент кафедры «Строительные конструкции» УлГТУ. Имеет учебные пособия и статьи, изобретения и патенты в области механизации строительных работ.
+
Максимов Сергей В ал ентинович, доктор технических наук, заведующий кафедрой «Строительное производство и материалы» УлГТУ. Имеет монографии, учебник, учебные пособия и статьи, изобретения и патенты в области строительных материалов.
Мурпшков Александр Юрьевич, студент четвёртого курса специальности «Промышленное и гралсданское строительство» УлГТУ
УДК 69:908:338.45
С. Б. ПОЗМОГОВА, А. С. БАСМАНОВА
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТЕРРИТОРИАЛЬНЫМ СТРОИТЕЛЬНЫМ КОМПЛЕКСОМ РЕСУРСНОГО ПОТЕНЦИАЛА
Рассмотрены вопросы развития территориальной минерально-сырьевой базы, эффективности её использования.
Ключевые слова: промышленно-технологические, экологические факторы, сырьё, экономическое развитие, промышленное производство, минерально-сырьевые ресурсы.
ски развитым промышленным регионом России, основу которого составляют более 400 крупных и средних предприятий. Основной отраслью промышленности является машиностроение, представленное приборостроением, станкостроением, автомобилестроением, самолётостроением, развиты также текстильная, лёгкая и пищевая отрасли, имеются предприятия строительной, деревообрабатывающей и лесной индустрии.
Минерально-сырьевые ресурсы области разнообразны и по промышленной ценности имеют как федеральное (региональное) значение (нефть, сырьё для стекольной, цементной промышленности), так и местное (областное) - для выпуска строительной извести, силикатного и глиняного кирпича, щебня, бетона, торфа.
Ведущее положение в структуре минерально-сырьевых ресурсов Ульяновской области занимают нефть, стекольное, цементное, кремнистое и карбонатное сырьё, а также сырьё для грубой керамики.
Недра области содержат горючие сланцы и фосфориты для химической промышленности, сырьё для производства цемента, строительного кирпича, керамзита, извести, кварцевые пески (3 месторождения с запасом 253 млн т); диатомиты (5 месторождений с запасом 54,8 млн м3; мел (16 месторождений с запасом 85,6 млн т).
Значение минеральных ресурсов в жизни современного общества определяется их ролью в производстве ВВП, инвестиционном процессе, занятости населения, обеспечении внутренних и внешних потребностей страны в текущем периоде и на перспективу, в обеспечении экономической и политической безопасности государства. Минеральные ресурсы, являясь базисом развития экономики, во многом определяют экономический потенциал любой страны, размещение и развитие производительных сил.
Развитие минерально-сырьевой базы России в XXI веке определяют глобальные экономические и демографические процессы, а также промышленно-технологические, экологические и другие факторы. Наличие крупного природно-ресурсного потенциала России обусловливает её особое место среди индустриальных стран, и его эффективное использование является одной из важнейших предпосылок устойчивого положе-ния России. В части минерально-сырьевых ресурсов в России в XXI веке, в период до 2015-2020 годов, не ожидается принципиальных изменений в видовом составе, а также в структуре потребления сырьевых ресурсов под влиянием технико-технологических факторов.
Ульяновская область является экономиче-
© Позмогова С. Б., Басманова А. С., 2011
