Снижение энергозатрат при рыхлении мёрзлых грунтов Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

СТРОИТЕЛЬСТВО

УДК 624.139

В. С. ИВКИН, И. А. АПРАУШЕВ

СНИЖЕНИЕ ЭНЕРГОЗАТРАТ ПРИ РЫХЛЕНИИ МЁРЗЛЫХ ГРУНТОВ

Рассматривается газоимпульсный способ рыхления мёрзлых грунтов, связанный:

а) с механическим завинчиванием рыхлителя на расчётную глубину рыхления;

б)с пневматическим воздействием газового импульса на грунт при подаче сжатого воздуха высокого давления в зону рыхления.

Приведены формулы для определения давления в рабочей камере, объёма рабочей камеры в зависимости от мощности двигателя базовой машины, глубины рыхления и грунтовых условий. Разработаны технологические приёмы рыхления мёрзлого грунта. Рассчитана производительность газоимпульсного рыхлителя.

Ключевые слова: мёрзлый грунт, газовый импульс, сжатый воздух, завинчивание, рабочая камера, давление, объём, технологические приёмы, производительность, рыхление, прочность.

Механическая прочность мёрзлых грунтов характеризуется следующими видами сопротивления: растяжению (разрыву), сдвигу, изгибу, сжатию, резанию, вдавливанию [1, 2, 3, 4].

При проектировании рыхлителей [1, 2, 3, 4] сопротивление растяжению (разрыву) грунта принимают равным единице.

Ор = 1,0 кгс / см 2.

Тогда другие виды сопротивления [1, 2, 3, 4] разрушению мёрзлых грунтов составят:

а) сдвигу т = 1,7 кгс/см2;

б) изгибу Ое = 2,0 кгс/см2;

в) сжатию Осж = 3,0 кгс/см2;

г) резанию Кр = 7,0 кгс/см2;

д) вдавливанию Кп = 21,0 кгс/см2.

Газоимпульсный способ рыхления мёрзлых

грунтов оказывается менее энергоёмким, так как от давления сжатого воздуха в грунте преобладают напряжения разрыва [3, 4, 5, 6]. Один из вариантов технический решений газоимпульсных рыхлителей показан на рисунке 1 [7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16].

Рабочая камера 1 соединена со штангой 2, внутренний объём которой 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 (см. рисунок 1 «А»).

© Ивкин В. С., Апраушев И. А., 2018

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(см. рисунок 1 «А»).

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 рисунке 1 не показаны. Винтовая лопасть 15 расположена на наконечнике 16 (см. рисунок 1 «Б»).

На штанге 2, седле 12, газоразрядной втулке 14 и конусном наконечнике 16 имеются шлицевые 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 соединительных муфт 17. 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.

Работа газоимпульсного рыхлителя условно разделяется на два этапа.

На первом этапе оператор-машинист устанавливает рабочее оборудование на место рыхления, включает механизм привода хвостовика 3 для завинчивания штанги 2 в грунт. Постоянство шага винтовой лопасти 15 как на цилиндрической, так и на конических частях винтового наконечника 16 позволяет довольно легко ввинчиваться рыхлителю в мёрзлый или

«А» Газораспределительный узел с рабочей камерой «Б» Рабочий орган рыхлителя

Рис. 1. Вариант конструктивного решения газоимпульсного рыхлителя

прочный грунт на требуемую глубину рыхления. При открытии кранов управления через штуцер 5 сжатый воздух поступает в рабочую камеру 1. В камеру 8 управления клапаном 10 сжатый воздух поступает через штуцер 6 и трубку 9. Давление в рабочей камере 1 и камере 8 управления клапаном 10 контролируется оператором-машинистом по показаниям манометров.

Второй этап работы. Оператор-машинист поворачивает рукоятку крана управления в положение, при котором камера 8 сообщается с атмосферой. Из-за разности давлений между двумя смежными камерами 1 и 8 клапан 10 перемещается в нижнее положение, открывая выхлопные отверстия 13, расположенные на газоразрядной втулке 14 (см. рисунок 1 «Б»). Происходит выхлоп в зону рыхления сжатого воздуха высокого давления.

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.

После падения давления сжатого газа в рабочей камере 1 пружина 11 возвращает клапан 10 в нормально прикрытое положение, и цикл работы повторяется.

При проектировании газоимпульсного оборудования нужно знать:

1) какое необходимо создать давление сжатого газа в рабочей камере;

2) объём рабочей камеры.

Рассмотрим наиболее общий вариант расчёта, когда при проектировании рыхлителя исходными параметрами являются:

а) глубина рыхления Нр;

б) грунтовые условия, которые характеризуются прочностью, температурой и влажностью;

в) мощность двигателя базовой машины

Рассматривая разрыхлённый грунт как

продукцию, производимую землеройными машинами, необходимо отметить, что себестоимость и производительность последних находятся в прямой зависимости от прочности мёрзлых грунтов.

При рыхлении грунта в забой [6] избыточное давление воздуха в рабочей камере подсчитывается из зависимости (1):

Р =

заб =

_°,(н2-р),

(1)

о2

где Ор - прочность мёрзлого грунта на разрыв;

Нр - глубина рыхления грунта в забой (см. рисунок 2);

О - диаметр винтовой лопасти рабочего органа

Б = 60 3/N2 - N к , (2)

где N - мощность двигателя базовой машины;

N — потребляемая мощность на привод компрессора, который может быть размещён на заданной базовой машине с учётом её габаритов и массы.

При послойном рыхлении грунта [6] избыточное давление воздуха в рабочей камере должно быть на 30% больше, чем при рыхлении грунта в забой (см. рисунки 2, 3, 4, 5).

РС.П= 1,3РЗАБ . (3)

Объём рабочей камеры рассчитывается из зависимости (4):

V= -

Агаз ■( К - 1)

\ 1Р э \к=±

р 1-(р 1 к р )

\ /

(4)

где Агаз - работа, совершаемая сжатым воздухом при адиабатическом истечении из рабочей камеры:

а газ= апр' кы , (5)

где АПР - приведённая работа газового импульса;

KN - коэффициент, учитывающий изменение мощности газового импульса;

Р - избыточное давление воздуха в рабочей камере перед её разрядкой;

Р1 - конечное давление расширяющегося воздуха;

К = 1,41 - показатель адиабаты. Приведённая работа газового рассчитывается из зависимости (6)

'(Нр- Н о) К О

импульса

апр=

об

к ■ кУ

уд

(6)

где Нр - глубина рыхления грунта в забой или с поверхности (см. рисунки 2, 3, 4, 5);

Н0 - глубина, при которой начинается рыхление грунта:

Н0 = (1,0 - 2,0)Б , (7)

где Кю и К1уд - коэффициенты, учитывающие влияние влажности и температуры мёрзлых грунтов на эффективность их разрушения газовым импульсом;

Коб - коэффициент, учитывающий количество обнажённых поверхностей: КОБ = 1,0 - послойное рыхление; КОБ = 0,7 - рыхление в забой. Коэффициент, учитывающий изменение мощности газового импульса, определяется по формуле (8):

Г Э

Ки = -=Э

(8)

N Г

г ф

где Бэ = 214,4 мм2 - площадь проходного сечения рабочего органа, принятого за эталон;

Бф - фактическая площадь проходного сечения рабочего органа.

Основное назначение новой конструкции рыхлителя — это выполнение работ в стеснённых условиях, когда фронт работ незначителен при сложной его конфигурации. Это требует мобильности рыхлительного оборудования, возможности манипулирования им в условиях ограниченного пространства при чёткой направленности силового воздействия рабочего органа на грунт. Поэтому в качестве базовой машины целесообразно рекомендовать гидравлические экскаваторы малой и средней мощности на пневмоходу (см. рисунки 2, 4).

Для обеспечения минимальной металлоёмкости рабочего оборудования целесообразно применять высокомоментные гидромоторы, которые могут работать без дополнительных передаточных механизмов, обеспечивая плавную бесступечную настройку на требуемую скорость вращения и её поддержание вне зависимости от изменения нагрузок.

Рабочий орган устанавливается на расстоянии

1 р=( 1,1" 1,2) нр от кромки забоя. Шаг позиций 8 выбирается в пределах:

5= 4,0 Нр. (9)

Здесь: Нр - глубина рыхления;

Производительность рыхлителя, работающего в забой, рассчитывается по формуле (10): _ 60Нр8!рКв П =-7- , (10)

7Ц

где Нр - глубина рыхления;

Б - шаг позиции;

1р - расстояние между линиями позиций;

Кв — коэффициент использования машины во времени;

1ц - время цикла работы газоимпульсного рыхлителя:

НЗАВ , НПОД , (НЗАВ +НПОД)

= *„ + *+ ^под_ ЗАВ ~под) (11)

* ■ Пс иОП иП

1Ц 1П 1П.Р.

ь ¡у

1! ж

Рис. 2. Рыхление грунта в забой газоимпульсным рыхлителем на базе пневмоколёсного тягача с гидравлическим приводом рабочего оборудования и автономным приводом компрессорной установки: 1 - тягач; 2 - рабочий орган; 3 - защитный экран; 4 - компрессорная установка; 5 - гидродвигатель

Рис. 3. Технологическая схема рыхления мёрзлого грунта в забой

где 1л - время на перестановку рабочего оборудования с одной рабочей позиции на другую;

1п.р. - время на включение и выключение механизмов управления;

Нзав - глубина завинчивания рыхлителя в грунт;

1 - шаг винтовой лопасти;

пс - частота вращения рабочего оборудования;

Нпод - высота подъёма рабочего оборудования над уровнем грунта;

иоП - скорость опускания рабочего оборудования;

ип - скорость подъёма рабочего оборудования.

Работа газоимпульсного рыхлителя должна проводиться непрерывно, узким фронтом, чтобы не допустить смерзания разрыхлённого грунта (см. таблицу 1).

Схема послойного разрушения мёрзлого грунта (см. рисунки 4, 5) применяется тогда, когда глубина рыхления за цикл меньше, чем глубина промерзания. Перемещение рабочего оборудования на каждую новую позицию рыхления (1,2,3 и 1',2',3') показано на рисунке 5 стрелками. Шаг позиций рассчитывается по формуле (9).

Производительность рыхлителя, работающего по схеме послойного рыхления мёрзлого грунта, определяется по формуле (12):

П=-

3600 КУИ 3 Кв

tl

(12)

где Ку = 4,0 ^ 5,0 - коэффициент, учитывающий процентное содержание в грунте каменистых частиц по массе, соответственно от 40% до 0%;

Нр - глубина рыхления;

Кв - коэффициент использования машины по времени;

1ц - время цикла, см. формулу (11).

Таблица 1

Зависимость начала смерзания грунта от отрицательной температуры воздуха на месте рыхления

Температура наружного воздуха, оС —5 —10 —20 —30 и ниже

Время начала смерзания грунта, мин 90 60 40 20

Рис. 4. Рыхление грунта послойно (с поверхности) газоимпульсным рыхлителем с гидравлическим приводом рабочего оборудования и передвижной компрессорной станцией высокого давления: 1 - экскаватор; 2 - рабочий орган; 3 - передвижная компрессорная станция высокого давления;

4 - гидравлический двигатель

Рис. 5. Технологическая схема послойного рыхления мёрзлого грунта

Как при послойном рыхлении, так и при рыхлении грунта в забой угловая скорость вращения рабочего органа должна быть в пределах (1 ^ 3) рад/с.

При скоростях менее 1 рад/с увеличивается продолжительность цикла, а следовательно, снижается производительность машины. При угловых скоростях вращения рабочего органа свыше 3 рад/с возможно явление «разбуривания» грунта, что также ведёт к снижению производительности машин, т. к. снижается эффективность газоимпульсного разрушения из-за не обеспечения герметизации между грунтом и рабочим оборудованием в начальной фазе разрушения.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Ивкин В. С., Алашеев М. О. Влияние физико-механических свойств грунтов на работу машин для земляных работ // Вестник УлГТУ. — 2015. — №3. — С. 62—67.

2. Ивкин В. С., Куликов М. В. Распределение напряжений в грунте от газового импульса // Вестник УлГТУ. — 2015. — №2. — С. 59—66.

3. Ивкин В. С., Чикилёв С. В. Преимущества газоимпульсного способа рыхления мёрзлых грунтов // Вестник УлГТУ. — 2014. — №1. — С. 63—70.

4. Ивкин В. С., Волынщиков П. Ю. Разработка мёрзлых грунтов при выполнении работ в стеснённых условиях строительства // Вестник УлГТУ. — 2013.— №2. — С. 62—66.

5. Ивкин В. С., Самойлова Е. А., Юсупова К. С. Тяговые возможности винтового наконечника газоимпульсного рыхлителя // Вестник УлГТУ. — 2016. — №1. — С. 54—59.

6. Ивкин В. С., Юсупова К. С., Самойлова Е. А. Критерий оценки эффективности работы газоимпульсного рыхлителя // Вестник УлГТУ. — 2017. — №2. — С. 60—65.

7. А. с. 1421012 СССР, МКИ Е02 Б5/32, Е21С37/14. Рыхлитель газодинамического действия / В. С. Ивкин (СССР). — №4095259/03; заявл.16.07.86; опубл.10.05.99. Бюл. №13. - 7 с.

8. Пат. №2004710 С 1 Российская Федерация, МПК Е 02 Б5/32. Газодинамический рыхлитель / Ивкин В. С.; заявитель и патентообладатель Ульян. гос. техн. ун-т. — №4937446/03; заявл. 16.05.91; опубл. 15.12.93. Бюл. №45—46. — 14 с.

9. Пат. №2052032 С 1 Российская Федерация, МПК Е 02 Б5/32. Газодинамический рыхлитель / Ивкин В. С.; заявитель и патентообладатель Ульян. гос. техн. ун-т. — №93057944/03; заявл. 29.12.93; опубл. 10.01.96. Бюл. №1. — 16 с.

10. Пат. №2209891 С1 Российская Федерация, МПК 7Е 02 Б5/32. Газодинамический рыхлитель / Ивкин В.С.; заявитель и патентообладатель Ульян. гос. техн. ун-т. — №2002110492/03; заявл. 19.04.2002; опубл. 10.08.2003. Бюл. №22. — 12 с.

11. Пат. №2231601 Российская Федерация, МПК 7Е 02 Б5/32. Газодинамический рыхлитель / Ивкин В. С., Щеликалин В.С.; заявитель и патентообладатель Ульян. гос. техн. ун-т. — №2003108241/03; заявл. 25.03.2003; опубл. 27.06.2004. Бюл. №18. — 16 с.

12. Пат. №2236514 Российская Федерация, МПК 7Е 02 Б5/32. Газодинамический рыхлитель / Ивкин В. С., Кузьмин Е. К.; заявитель и патентообладатель Ульян. гос. техн. ун-т. — №2003116529/03; заявл. 03.06.2003; опубл.

20.09.2004. Бюл. №26. — 15 с.

13. Пат. № 2244784 Российская Федерация, МПК 7Е 02 Б5/32. Газодинамический рыхлитель / Ивкин В. С., Кузьмин Е. К.; заявитель и патентообладатель Ульян. гос. техн. ун-т. — №2003130251/03; заявл. 10.10.2003; опубл.

20.01.2005, Бюл. №2. — 11 с.

14. Пат. №2252989 Российская Федерация, МПК Е 02 Б5/32. Устройство для разрушения мёрзлых и прочных грунтов / Ивкин В. С., Морозов В. В.; заявитель и патентообладатель Ульян. гос. техн. ун-т. — №2004106179/03; заявл. 02.03.2004; опубл. 27.05.2005. Бюл. №15. — 12 с.

15. Пат. №2256751 Российская Федерация, МПК Е 02 Б5/32. Устройство для разрушения мёрзлых и прочных грунтов / Ивкин В. С., Морозов В. В.; заявитель и патентообладатель Ульян. гос. техн. ун-т. — №2004112155/03; заявл. 20.04.2004; опубл. 20.07.2005. Бюл. №20. — 12 с.

16. Пат. №2276235 Российская Федерация, МПК Е 02 Б5/32. Устройство для разрушения мёрзлых и прочных грунтов / Ивкин В. С., Морозов В. В.; заявитель и патентообладатель Ульян. гос. техн. ун- т. — №2004118762/03; заявл. 21.06.2004; опубл. 10.05.2006. Бюл. №13. — 21 с.

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

Апраушев Иван Александрович, бакалавр строительного факультета УлГТУ.

Поступила 19.03.2018 г.