CC BY
16
УДК 621.643.2;624.13;620.17 (088.8)
В. К. Передерей
ст. преподаватель, кафедра деталей машин и прикладной механики, Кировоградский национальный технический университет, Украина
СТРОИТЕЛЬНЫЙ САМОДВИЖУЩИЙСЯ ПНЕВМОПРОБОЙНИК СО СТОПОРНЫМ МЕХАНИЗМОМ
Аннотация. В статье приведена конструкция стопорного механизма самодвижущихся пневмопробойни-ков, используемых для образования скважин в грунте. Определено увеличение перемещения пневмопробойника со стопорным механизмом в сравнении с традиционным.
Ключевые слова: пневмопробойник, грунт, скважина, стопорный механизм, перемещение.
V.K. Perederey, Kirovograd National Technical University, Ukraine
BUILDING SELF-PROPELLED PNEU-MOPUNCHERS WITH LOCKING MECHANISM
Abstract. The article gives constraction of locking mechanism to self-propelled pneu-mopunchers for making-holes in soil. Is increased with the locking mechanism of the self-propelled pneu-mopuncher movement in comparison with traditional.
Keywords: pneumopuncher, soil, hole, locking, mechanism, movement.
Изучение процесса взаимодействия самодвижущихся пневмопробойников с грунтом показало, что их скорость значительно снижается в результате выталкивания из скважины под действием упругих сил грунта и реактивной силы отдачи. Устранить этот недостаток можно применением стопорного механизма, исключающего обратное движение пневмопробойников из скважины [1].
В работе [2] дан анализ существующих конструкций стопорных механизмов и отмечено, что их оптимальной конструкции пока не существует. Конструкция стопорного механизма с механическим управлением распорными лапами посредством стальных тросов, приведенная в работе [3], не обеспечивает достаточной надежности срабатывания захватов на расстоянии 4050 м от находящегося в скважине пневмопробойника, особенно при изношенных деталях исполнительных механизмов такой системы управления. В целях исключения этого недостатка разработана конструкция стопорного механизма, в которой исключен механизм управления распорными лапами, функция которого выполняется автоматически изменением давления воздуха в камере рабочего хода [4].
Пневмопробойник (рис. 1) состоит из корпуса 1, ступенчатого ударника 2, воздухораспределительного патрубка 3 и гайки 4. Патрубок выполнен с окнами 5 и направляющим пояском 6 и имеют воздухораспределительные кромки 7 и 8. Передняя часть ударника 2 и корпус 1 образуют рабочую камеру холостого хода 9. Передняя ступень 10 патрубка 3 входит во внутреннюю полость ударника 2 и образуют камеру рабочего хода 11. Гайка 4, хвостовая часть корпуса 1, патрубок 3 и торец ударника 2 образуют камеру выхлопа 12, которая постоянно сообщена с атмосферой сквозными каналами 13, которые выполнены в торце гайки. За пневмопробойником на патрубке 3 смонтированы четыре стопорных механизма 14.
Стопорный механизм состоит из двух коаксиально расположенных стаканов - внешнего
15 и внутреннего 16 с общим основанием 17. Высота внутреннего стакана меньше высоты внешнего. Между стенками стаканов образована кольцевая полость 18. Во внутреннем стакане
16 расположен поршень 19 со штоком 20 и тормозным башмаком 21 на конце штока. В штоко-вой полости стакана установлена пружина 22. Поршень, стенка стакана 16 и патрубок 3 образуют камеру 23.
В стенке стакана 15 выполнено отверстие 24, в котором закреплен один конец сильфона 25, а другой его конец - в одном из сквозных каналов 26, которые выполнены в торце гайки 4. В
вертикальной стенке передней ступени 10 воздухораспределительного патрубка 3 выполнены отверстия 27. Между передней ступенью 10 воздухораспределительного патрубка и гайкой 4 расположены сильфоны 28, концы которых закреплены в отверстиях 27 и каналах 26.
Рисунок 1 - Самодвижущийся пневмопробойник с пневматической системой управления стопорным механизмом:
а - принципиальная схема; б - положение стопорного механизма при разгоне ударника; в - положение стопорного механизма при выходе пневмопробойника из скважины; г - сечение А-А; д - сечение Б-Б; 1 - корпус; 2 - ступенчатый ударник; 3 - патрубок; 4 - гайка; 5 - окна; 6 - направляющий поясок; 7, 8 - воздухораспределительные кромки; 9 - рабочая камера холостого хода; 10 - передняя ступень патрубка; 11 - камера рабочего хода; 12 - камера отвода отработавшего воздуха; 13 - каналы; 14 - стопорные механизмы; 15 - внешний стакан; 16 - внутренний стакан; 17 - основание стаканов; 18 - кольцевая полость; 19 - поршень; 20 - шток; 21 - тормозные башмаки; 22 - пружина; 23 - камера; 24 - отверстие; 25, 28 - сильфоны; 26 - сквозные каналы; 27- отверстия
Пневмопробойник работает следующим образом. Сжатый воздух подается по патрубку 3 в камеру 11 и через окна 5 поступает из неё в камеру 9. Давление в камере 12 постоянно и равно атмосферному. Таким образом, сжатый воздух со стороны камеры 9 действует на всю торцевую площадь ударника 2, а со стороны задней части пневмопробойника действует только на его меньшую ступень. Вследствие этого ударник 2 начинает двигаться назад (на рис. 1а -вправо). При этом окна 5 перекрываются кромкой 7 патрубка 3, и поступление сжатого воздуха в камеру 9 прекращается. Дальше ударник 2 двигается за счет расширения воздуха в камере 9 и за счет собственной инерции.
При дальнейшем движении ударника окна 5 выходят за кромку 8 - происходит выхлоп сжатого воздуха из камеры 9 через окна 5, в камеру 11 и каналы 13 в атмосферу. При этом давление в камере рабочего хода 11 повышается до сетевого давления воздуха, который подается от компрессора к пневмопробойнику. Сила отдачи, которая возникает, будет стремиться двигать пневмопробойник в направлении из скважины (особенно при работе в грунтах разной плотности и влажности, когда коэффициент трения грунта о корпус пневмопробойника значительно уменьшается).
Через отверстия 27, сильфоны 28, каналы 26 и сильфоны 25 сжатый воздух из камеры рабочего хода через отверстие 24 во внешних стаканах стопорных механизмов попадает в кольцевые полости 18 и в камеры 23 и действует на поверхность поршней 19. Вследствие этого поршни начинают двигаться вверх, сжимая пружины 22 и прижимая тормозные башмаки 21 к стенкам скважины, удерживая пневмопробойник в ней.
Ударник 2 останавливается давлением сжатого воздуха в камере 11, не совершая ударов по гайке 4, и начинает двигаться вперед (на рис. 1а - влево). Окна 5 снова перекрываются кромкой 8, и давление воздуха в камере 11 остается равным сетевому. На пневмопробойник продолжает действовать сила отдачи, а тормозные башмаки прижаты к стенкам скважины. Когда окна 5 выйдут за кромку 7, сжатый воздух из камеры 11 снова будет поступать в камеру 9. Давление воздуха в камере 11 уменьшится, пружины 22 будут действовать на поршни 19 и перемещать их вниз и отводить тормозные башмаки 21 от стенки скважины. Ударник 2 будет двигаться по инерции и совершать удар по корпусу 1. Пневмопробойник начинает внедряться в грунт и образовывать скважину, а стопорный механизм 14 не препятствует его движению. Далее цикл повторяется.
Определим, насколько увеличивается перемещение пневмопробойников со стопорным механизмом и без него.
Под действием ударной нагрузки корпус пневмопробойника перемещается вперед и образует скважину с уплотненными стенками. Возникающая при разгоне ударника пневмопробойника реактивная сила отдачи Еотд действует на корпус пневмопробойника и компенсируется
силой трения корпуса о грунт Ртр, что исключает обратные перемещения пневмопробойника из
скважины. Сила отдачи определяется давлением сжатого воздуха и площадью задней камеры машины. Движение пневмопробойника вперед с образованием скважины возможно при наличии сил трения Ртр, превышающих силу отдачи Еотд (Ртр > Еотд).
В грунтах с неоднородной плотностью и повышенной влажностью из-за недостаточного сцепления корпуса с грунтом происходит отдача корпуса назад, что приводит к уменьшению скорости проходки скважины или полному отсутствию движения пневмопробойника вперед.
Но этого условия для движения пневмопробойника в грунте недостаточно. Как показали экспериментальные исследования [5, 6], под действием ударного импульса корпус пневмопробойника перемещается вперед на расстояние 5П (рис. 2а). Его кинетическая энергия расходуется на преодоление сил трения, упругую и пластическую деформацию грунта. Затем под действием упругих сил грунта корпус пневмопробойника возвращается на некоторое расстояние
Бупр назад. Остаточное прямое перемещение пневмопробойника за один удар Бост определяет скорость проходки скважины: Бост = Бп -Бупр. Отношение Бост/Бп в зависимости от условий работы пневмопробойника изменяется от 0 до 0,75. Второе условие движения пневмопробойника вперед: Бп > Бупр. Движение пневмопробойника со стопорным механизмом показано на рис. 2б,
где отсутствует перемещение Бупр.
Движение пневмопробойника в грунте характеризуется нелинейным дифференциальным уравнением, решение которого в общем виде неизвестно. При теоретическом исследовании одного цикла взаимодействия пневмопробойника с грунтом обычно используют метод начальных параметров. Для этого исследуемый процесс движения делят на ряд участков, на которых движения описываются линейными дифференциальными уравнениями. При решении таких уравнений принимают, что условия движения в конце рассматриваемого участка являются начальными условиями движения на следующем участке.
Рисунок 2 - Перемещение пневмопробойника в грунте без стопорного механизма (а) и со стопорным механизмом (б)
Условно цикл движения пневмопробойника можно разделить на 3 участка:
1 - взаимодействие с грунтом при разгоне ударника;
2 - взаимодействие с грунтом в момент соударения ударника с наковальней корпуса;
3 - перемещение пневмопробойника в грунте под действием сил инерции.
Наиболее важны первые два участка, которые примем для анализа движения пневмопробойника, оборудованного стопорным механизмом.
В период разгона ударника (рис. 3а) на корпус пневмопробойника действуют силы Еотд - реактивная сила отдачи и Ртр - равнодействующая сил трения грунта о цилиндрическую часть корпуса.
Под действием Еотд, если Ртр < Еотд, пневмопробойник будет перемещаться из скважины на величину Б1, что описывается дифференциальным уравнением:
тк • = ~Ротд + Ртр , (1)
где тк - масса корпуса.
Решая уравнение (1) при начальных условиях t = 0;Б1 = 0;с-Б.,/ — = 0, определим перемещение и скорость на этом участке:
^ =
V =
Ротд + Ртр ±2
"Тт р'
Ротд + Р'тр
2 • т„
• К,
(2)
(3)
где ( - время движения пневмопробойника на первом участке. Для пневмопробойника со стопорным механизмом 51 = 0;Ц = 0 .
Ь/?/У/// ТНМШ? '//Ьгяг б)
Рисунок 3 - Расчетная схема сил, действующих на пневмопробойник в грунте: а - период разгона ударника; б - момент соударения ударника с корпусом;
1 - корпус; 2 - ударник
На втором участке (рис. 3б) на корпус пневмопробойника действуют силы Ртр, где Ял -равнодействующая сил лобового сопротивления грунта, Руд - равнодействующая усилия, возникающего в результате соударения. Под действием силы Руд пневмопробойник перемещается в сторону образования скважины, и его движение описывается дифференциальным уравнением:
(т + т)
^ = Р - Я
^ 2 уд "сум
(4)
где т6 - масса ударника; Ясу„ = Ял + Ртр.
После двойного интегрирования этого уравнения при начальных условиях t = 0;52 = 0;СЭ2/ С = 0 определим скорость и перемещение пневмопробойника со стопорным механизмом:
р — Я 12
^ = уд "сум 1о
2 т + т 2 '
р — я t
V = ' уд псум 1с
2
(5)
(6)
где tc - время движения пневмопробойника на втором участке.
Определим, на какую величину увеличится перемещение пневмопробойника со стопор-
т + т6
ным механизмом по сравнению с пневмопробойником без стопорного механизма. Для этого решим уравнение (4) при начальных условиях t = 0;СЭ2/С = (-Ротд + Ртр)• tp/mk ;
S2 ={~Foma + Fmp )• tH (2 • mk):
F — R 12
S' уд сум tc
m + m 2
Fomd Fmp
m„
c+tp c 2
• tP ■
Перемещение пневмопробойника увеличится на величину:
AS2 = S2 — S2 =
Fomd Fmp
m„
c+1 c2
•t
(7)
(8)
Вывод
В настоящее время самодвижущиеся пневмопробойники выпускаются без стопорных механизмов. Введение в конструкцию пневмопробойников таких механизмов повысит скорость формирования скважин в грунте. Получена формула для определения увеличения перемещения пневмопробойника со стопорным механизмом и без него. Задачей дальнейшей работы является проведение теоретических и экспериментальных исследований по взаимодействию с грунтом пневмопробойников со стопорным механизмом.
Список литературы:
1. Передерей В.К. Методы повышения скорости самодвижущихся пневмопробойников для образования скважин в грунте // Строительные и дорожные машины. 1999. № 9. С. 2-3.
2. Передерей В.К. Стопорные механизмы в самодвижущихся пневмопробойниках // Строительные и дорожные машины. 1998. № 3. С. 11-14.
3. Патент № 27791 УкраТни, E02F5/18. Пристрш ударноТ дм для утворення свердловин у фунт / В.К. Передерш. Опубл. 10.05.2011, Бюл. № 9.
4. Патент на корисну модель № 63439 УкраТни E02F5/18. Пристрiй ударноТ дм для утворення свердловин у фунт / В.К. Передерш. Опубл. 10.10.2011, Бюл. № 19.
5. Чередников Е.Н. О взаимодействии пневмопробойника с грунтом // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. 1970. № 3. С. 119-121.
6. Тупицын К.К. О процессе взаимодействия пневмопробойника с грунтом // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. 1980. № 4. С. 75-81.
