CC BY
37
СРАВНИТЕЛЬНАЯ ОЦЕНКА ПОТЕРЬ ЭНЕРГИИ ПРИ ПЕРЕДАЧЕ УДАРА ДЛИННОЙ ТРУБЕ ЧЕРЕЗ АДАПТЕРЫ РАЗНЫХ ТИПОВ
Анатолий Михайлович Петреев
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт горного дела им. Н.А. Чинакала Сибирского отделения Российской академии наук (ИГД СО РАН), 630091, Россия, г. Новосибирск, ул. Красный проспект, 54, к.т.н., с.н.с. лаб. повышения устойчивости оснований, тел. (383)217-14-04, e-mail: ampet@yandex.ru
Александр Сергеевич Смоленцев
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт горного дела им.
Н.А. Чинакала Сибирского отделения Российской академии наук (ИГД СО РАН), 630091, Россия, г. Новосибирск, ул. Красный проспект, 54, к.т.н., м.н.с. лаб. повышения устойчивости оснований, тел. (383)220-15-09, e-mail: smolencevas@yandex.ru
По результатам физических и модельных экспериментов дана сравнительная оценка эффективности передачи энергии удара трубе через адаптеры конусного, торцевого и комбинированного типов, а также влияния на передачу энергии бандажа и толщины стенки трубы.
Ключевые слова: удар, передача энергии, адаптер, труба, эксперимент, расчетная модель.
COMPARATIVE ASSESSMENT OF ENERGY LOSS IN BLOW TRANSMISSION TO A LONG PIPE BY DIFFERENT ADAPTERS
Anatoliy М. Petreev
N.A. Chinakal Institute of Mining, Krasny Prospect 54, RU-630091 Novosibirsk, Russia, Base Stability Enhancement Lab, PhD, senior researcher, phone +7(383)217-04-14, e-mail: ampet@yandex.ru
Alexandr S. Smolencev
N.A. Chinakal Institute of Mining, Krasny Prospect 54, RU-630091 Novosibirsk, Russia, Base Stability Enhancement Lab, PhD, junior researcher, phone +7(383)217-07-38, e-mail: smolencevas@yandex.ru
Based on experimental and modeling results, the author compares blow energy transmission efficiency in a long pipe using conic, frontal and combination adapters, as well as the influence exerted on the energy transmission by beltline and the pipe wall thickness.
Key words: blow, energy transmission, adapter, pipe, experiment, calculation model.
В технологиях, связанных с укреплением массива мягких горных пород, для предотвращения нежелательных деформаций достаточно широко применяется ударное внедрение в массив длинных стержней и труб. Аналогичный процесс имеет место и при прокладке подземных коммуникаций, когда технологический канал формирует забиваемая труба.
Как правило, удар передается через промежуточное звено - адаптер. В основном это конусные адаптеры (рис. 1) в виде одного кольца или набора колец, которые сопрягаются с трубой своей наружной (а) или внутренней конусной (б) поверхностью. Очевидно, что по сравнению с передачей через торец (рис. 1 в) конусное сопряжение может заметно ухудшать передачу удара. Вопрос - в ка-
кой степени и как это зависит от параметров взаимодействующих элементов ударной системы.
а)
б)
в)
ш щ ////А / ///1 И§ ш II
6 ...и- • \ \ \
—
Рис. 1. Наиболее распространенные конусные адаптеры и вариант торцевого исполнения
Исследование передачи энергии удара проводились как на физической модели, так и посредством компьютерного моделирования. Схематично физическая модель показана на рис. 2.
Рис. 2. Схема физической модели:
1 - труба; 2 - ударник; 3 - корпус; 4 - наковальня; 5 - разгонный механизм; 6 -адаптер; 7 - основание; 8 - измерительный блок; 9 - грунт
Для компьютерного моделирования динамических процессов использовалась многомассовая дискретная модель системы “ударный привод - адаптер -труба - грунт”, учитывающая специфические факторы, такие как действие силы отдачи, отсутствие податчика, создающего дополнительное статическое осевое усилие, наличие дополнительной связи “корпус привода - труба”, наличие конусных сопряжений в цепочке ударных тел. Основу математического описания составляет система обыкновенных нелинейных дифференциальных уравнений. Подробное описание экспериментальной установки и расчетной модели приведено в [1, 2].
Первоочередной задачей исследований являлась оценка степени влияния угла конусности адаптера а на эффективность передачи энергии удара и сопоставление расчётных и опытных результатов. Влияние а оценивалось по измене-
нию отношения Аа = Аа / А90, т.е. энергии Аа, передаваемой трубе при данном
а, к энергии А90, передаваемой торцевым адаптером (а=900). Оценивалось также изменение относительной величины максимальной силы в импульсе Qa = Qa /Q90. Результаты представлены на графиках рис. 3.
80
60
40
20
,%
N • Аа Аа / А90
/ 1 » Засч кспе 1 1 ет - —
Э фимент -
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
80
60
40
20
,7о
/ J > Q а = Qa / & 0
*
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
а, град
Рис. 3. Экспериментальные и расчетные зависимости переданной энергии и максимальной силы в импульсе от угла а
а
Из них следует, что при наиболее распространенных на практике а=8 - 100 передать можно не более 35% от энергии, которую способен передать торцевой адаптер. Видно также, что расчетные и экспериментальные точки, а соответственно и кривая изменения максимального значения силы 0~а , достаточно близко повторяют изменение энергии Аа, т. е. связь между этими параметрами близка к пропорциональной. Достоверность полученных данных подтверждается хорошей сходимостью результатов при повторении серии экспериментов. Число повторов каждого эксперимента составляло от 7 до 11, что обеспечивает получения результатов с доверительной вероятностью 95% при относительном доверительном интервале 4,5%. Результаты моделирования приемлемо согласуются с экспериментальными данными. Наибольшее расхождение по энергии -18%.
Как показывают эксперименты, при работе в области упругих деформаций и одинаковых значениях угла а эффективность передачи энергии адаптеров исполнения а) и б) практически одинакова. Однако, если имеем дело с тонкостенной трубой, то использование варианта а), который широко распространен за рубежом, чревато её местным раздутием и разрывом. Чтобы этого избежать приторцевую часть трубы усиливают бандажом, что увеличивает жесткость этого участка.
Расчетным путем на модели рассмотрено влияние местного утолщения и, для сравнения, утолщения стенки всей трубы на передачу энергии удара и на продвижение её в грунте. Результаты, полученные при а = 80, 5 = 3 мм, Б = 90 мм, представлен на рис. 4. Здесь X - перемещение трубы за удар при силе тре-
ния трубы о грунт 10 кН. Видно, что применение бандажа, увеличивающего толщину стенки у торца трубы в 4 раза, позволяет повысить передаваемую на трубу энергию примерно на 60%, при этом перемещение трубы за удар возрастает на 40%. Увеличение толщины стенки всей трубы с 3-х до 9 мм, напротив, снижает передаваемую на трубу энергию на 15%, при этом перемещение трубы при заданном сопротивлении грунта падает на 40%. Полученные данные наглядно иллюстрируют эффективность приторцевого утолщения стенки трубы. Однако изготовление, установка и демонтаж бандажа требуют дополнительных средств и времени.
X, мм
А, Дж
Рис. 4. Зависимость переданной на трубу энергии удара и ее продвижения за удар от толщины бандажа и толщины стенки забиваемой трубы
9
7
В ситуации с тонкостенной трубой адаптер типа б), разработанный в ИГД СО РАН, работает иначе. Садясь конусной канавкой на наружную кромку торца трубы (рис.5 поз. 1) он позволяет осуществить контакт с трубой не только по конусной поверхности.
При избыточной энергии происходит частичная пластическая обсадка приторцевой части трубы и создается возможность для нее в момент удара помимо опоры на конус “дотянуться” и дополнительно упереться в дно канавки. При таком комбинированном контакте условия ударного взаимодействия приближаются к торцевому удару. Если при контакте только по конусной поверхности а = 80 передача энергии составляет ~ 30% от торцевого контакта, то при комбинированном контакте уже 67%. Это обстоятельство делает такую конструкцию адаптера явно предпочтительней простейшего конусного. На рис. 6 показаны осциллограммы ударных импульсов, записанных с труб при контакте только по конусу а) и при комбинированном контакте б).
%
=і
■
■ 5
■ к
■ ■
1 1 2 1 3
Рис. 5. Диаграмма относительной эффективности вариантов сопряжений:
1 - работа с контактом по конусу и дополнительной посадкой во время удара на дно канавки; 2 - защемление трубы с бандажом самотормо-
л0 о
зящим конусом а = 4 ; 3 - торцевое сопряжение
о,
Рис. 6. Осциллограммы ударных импульсов (а - простое конусное сопряжение; б - комбинированный режим работы конусного сопряжения)
На рис. 5 также приведены результаты подсчёта сравнительной эффективности по обработанным осциллограммам для трех вариантов сопряжений. Помимо варианта б) с конусной канавкой (поз. 1) здесь представлен результат, полученный для адаптера типа а), (поз. 2), но с самотормозящим углом наружного конуса (а = 40), взаимодействующего с внутренней поверхностью трубы. Труба в этом случае была снабжена бандажом, увеличивающим толщину её приторцевой части в 4 раза (до 12 мм). В этом случае адаптер “намертво” заклинивается в трубе. При этом, как видно на диаграмме, условия
для передачи энергии лучше, чем у адаптера типа б), но остро встает проблема последующего отделения адаптера от трубы.
Выводы
1. С уменьшением угла сопряжения конусного адаптера с трубой от а = 90° (торцевой адаптер) передача энергии удара снижается с нарастающей интенсивностью: при а = 45° - на ~20%, при а = 20° - на ~50%, при а = 10° - на ~75%.
2. Падение передаваемой энергии сопровождается пропорциональным снижением амплитуды силы в ударном импульсе на трубе.
3. Конструкция адаптера с кольцевой конусной канавкой 8° позволяет реализовать комбинированный режим работы сопряжения с одновременным контактом по конусу и в дно канавки, что обеспечивает передачу энергии на уровне 67 % от предельного при торцевым контакте.
4. Из адаптеров с малой конусностью (а < 10°) наилучшую (~73%) передачу удара обеспечивает адаптер с наружным самотормозящим конусом (а = 4°) при наличии бандажа. Однако отделение такого адаптера от трубы после забивки крайне проблематично.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Петреев, А. М. Передача энергии от ударного привода трубе через адаптер [Текст] / А. М. Петреев, А. С. Смоленцев // ФТПРПИ. - 2011. - № 6. - с. 64 -74.
2. Смоленцев, А. С. Экспериментальное исследование передачи энергии в системе «ударный привод - адаптер - труба» [Текст] / А. С. Смоленцев// 65-я научно-техническая конференция ГОУ «СибАДИ». Омск. - 2011. с. 233-238.
© А.М. Петреев, А.С. Смоленцев, 2013
