Разрушение негабаритных кусков мерзлого грунта газодинамическим рыхлителем Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

СТРОИТЕЛЬСТВО

УДК 624.139

ф щ

С. В. МАКСИМОВ, В. С. ИВКИН, А. А. КИРЮХИН

РАЗРУШЕНИЕ НЕГАБАРИТНЫХ КУСКОВ МЕРЗЛОГО ГРУНТА ГАЗОДИНАМИЧЕСКИМ РЫХЛИТЕЛЕМ

Рассмотрен процесс разрушения негабарита на фракции в заключительной фазе разрушения. Разрушаемый негабарит условно был представлен в виде толстостенного отрезка трубы, материалом которой слуэ/сил мёрзлый грунт. Внутренний диаметр образовывался в процессе завинчивания рыхлителя в негабарит и принимался равным диаметру винтовой лопасти рыхлителя. Наружный диаметр принимался равным среднему размеру негабарита. Были определены напряжения, которые возникали в грунте при рыхлении негабарита. Даны рекомендации по определению ёмкости рабочей камеры рыхлителя и избыточного давления воздуха в ней.

Разрабатывать мёрзлый грунт большинством землеройных машин без специального их переоборудования малоэффективно или вообще невозможно, так как прочность мёрзлого грунта в десятки, а иногда и в сотни раз выше его прочности в немёрзлом состоянии. Поэтому трудоёмкость и стоимость разработки единицы объёма смёрзшегося грунта значительно превышает трудоемкость и стоимость разработки такого же объёма немёрзлого фунта.

Это приводит к увеличению сроков строительства и к значительному удорожанию работ.

Решение проблем увеличения объёмов работ по разрушению мёрзлых грунтов не может быть достигнуто только на основе выбора рациональных конструктивных и режимных параметров существующих машин и увеличения их энерговооружённости. Необходимо создание эффективных способов разрушения мёрзлых фунтов.

Технико-экономические показатели существующих рыхлителей могут быть улучшены путём активизации их рабочих органов, т.е. путём передачи последним дополнительной энергии.

Оснащение землеройных машин газоимпульсным оборудованием является одним из наиболее перспективных и удобных с точки зрения практической осуществимости методов активизации процесса рыхления мерзлых грунтов[ КЗ].

При резании мёрзлого фунта на отдельные блоки дискофрезерными или буровыми машинами образуются негабаритные куски, которые в транспортные средства нельзя погрузить. Негабаритные куски мёрзлого фунта

Вер

ё и

о*

к Ж

см

Зона уплотненного грунта

Рис. 1. Расчётная схема для определения размеров негабарита, разрушаемого газодинамическим рыхлителем

С. В. Максимов, В. С. Ивкин, А. А. Кирюхин, 2006

нужно разрушать. Для этих целей могут быть использованы газодинамические рыхлители [1,2,3].

Разрушаемый негабарит условно можно представить в виде толстостенного отрезка трубы, материалом которой служит мёрзлый фунт.

Внутренний диаметр образуется в процессе завинчивания рыхлителя и принимается равным диаметру винтовой лопасти. Наружный диаметр принимаем равным среднему размеру негабарита.

Рассмотрим наиболее нафуженный вблизи выхлопных отверстий единичный участок (рис.1). Внутри единичного участка вырежем узкое кольцо фунта радиусом

Г. Толщину кольца примем равной с1г. Такое кольцо испытывает плоское напряжённое состояние. Напряжения распределены симметрично относительно центра кольца (рис. 2).

Рассмотрим деформации части кольца, офаничен-ной углом ¿в (рис.2). Обозначим радиальное перемещение точек внутренней поверхности рассматриваемого

элемента через « Ы ». Тогда точки наружной поверхности переместятся на величину (и + (1и).

Итак, от действия давления сжатого воздуха толщина

кольца (1г увеличится на ¿и, и относительное удлинение в радиальном направлении составит [4]:

йи

=

сж

<1г

(1)

Относительное удлинение участка кольца от действия напряжений растяжения будет равно относительному удлинению дуги «ав», занявшей положение «с(1» (рис. 2, а; 2, б).

Так как относительное удлинение дуги «ав» такое

же, что и относительное удлинение радиуса У, то

и

=

сж

(2)

Следствием роста деформаций при удлинении дуги «ав» являются разрывы рассматриваемого участка кольца.

Величины сжимающих и растягивающих напряжений, возникающих при разрушении негабарита, можно подсчитать по формулам:

а

о* =

со/с

(.й/2)2Р

а „ =

(В/2)2 - (р/2)2

(Р!2)2Р СВ/2)2 - (р/2)2

1-

(В/2)

(3)

1 +

СВ/2У

(4)

Здесь V - координата точки, в которой определяется напряжение.

Касательные напряжения, вследствие принятой симметрии сечения, обращаются в нуль [4].

Сжимающее напряжение имеет наибольшее значение у выхлопных отверстий. Оно равно давлению в рабочей камере Ру т. е. при подстановке в формулу (3)

О

г-— 2

с'пах =-Р

сж •

(5)

Б) а

Рис. 2. Распределение напряжений в негабарите при его разрушении сжатым воздухом

По мере приближения к наружному краю напряжение сжатия убывает и у наружной поверхности обращается в нуль, т. е. при подстановке в формулу (3) г=—

rrr min — П

Растягивающее напряжение достигает наибольшего значения также у выхлопных отверстий и составит при

подстановке г=— в формулу (4):

2

а

тах

р.

(в)

ш-ш

У наружного края растягивающее напряжение мень-

1 ' Л

ше и составит при подстановке г=— в формулу (4):

2

_ min

Gp =

2{D/2f

P.

(7)

(.s/2У - (Р/2У

При рассмотрении процесса разрушения нас интересует не начальная фаза зарождения трещин вблизи выхлопных отверстий, а дробление негабарита на фракции

п АйЗе пячпултечия ^^v гттр TTVPT МТ

формул (3) и (4), y наружной поверхности негабарита действует только напряжение растяжения. Напряжение сжатия равно нулю. Касательное напряжение вследствие принятой симметрии сечения также равно нулю.

Если растягивающее напряжение в точке не

2

превысит сопротивления мёрзлого фунта разрыву, то окончательной фазы разрушения (дробление на фракции) не произойдёт, хотя целостность негабарита и будет нарушена.

оГ>СР, (8)

где (Т р - прочность грунта на разрыв.

Из зависимости (7), определим какое нужно иметь избыточное давление воздуха в рабочей камере для рыхления негабарита:

Р =

2 D

(9)

Итак, дробление негабарита на фракции возможно при соблюдении условия:

Ёмкость рабочей камеры для рыхления негабарита рассчитывается из зависимости (10):

V =

Л ГАЗ Vе ~ О

1-

\

А--1

V

/

(10)

где Р - избыточное давление воздуха в рабочей камере, которое определяется по формуле (9); Р} - конечное

давление расширяющегося воздуха; к - показатель

адиабаты; ЛГАЗ - работа, совершаемая сжатым воздухом при адиабатическом истечении из рабочей камеры.

Аглз=Ар'км, (11)

где Лир - приведённая работа газового импульса, которая зависит от размера разрушаемого негабарита, грунтовых условий и диаметра винтовой лопасти.

An =

пр

0,4(Д/2 - Р)

К-К*

(12)

где к^ и ку() - коэффициенты, учитывающие влияние влажности и температуры мёрзлых фунтов на эффек-

тивность их разрушения газовым импульсом.

*

KN

К

(13)

ф

где А:^ - коэффициент, учитывающий изменение мощности газового импульса; р - площадь проходного се-

чения рабочего органа, принятого за эталон; Рф - фактическая площадь проходного сечения рабочего органа; Рэ =214,4 мм2

БИБЖОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Пат. № 2209891 (Ш), МПК7 Е02Р5 /32 Газодинамический рыхлитель / В. С. Ивкин // Б. И. - 2003. - № 22.

2. Пат. № 2231601, МПК7 Е02Р5 / 30 Газодинамический рыхлитель / В. С. Ивкин, В. С. Щелыкалин // БИ. -

2004. №18.

3. Пат. № 2236514, МПК7 Е02Р5 / 32 Газодинамический рыхлитель/ В. С. Ивкин, Е. К. Кузьмин // БИ. -2004.-№26.

4. Филин, А. П. Прикладная механика твердого деформируемого тела. Т. 1 / А. П. Филин. - М.: Наука, 1975.-832 с.

Максимов Сергей Валентинович, доктор технических наук, заведующий кафедрой «Строительное производство и материалы» УлГТУ. Имеет монографии, учебник, учебные пособия и статьи, изобретения и патенты в области строительных материалов.

Ивкин Валерий Семёнович, кандидат технических наук, доцент кафедры «Строительные конструкции» УлГТУ. Имеет учебные пособия и статьи, изобретения и патенты в области механизации строительных работ.

Кирюхин Анатолий Анатольевич, студент 5-го курса УлГТУ.