Тяговые возможности винтового наконечника газоимпульсного рыхлителя Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

СТРОИТЕЛЬСТВО

УДК 624.139

В. С. ИВКИН, Е. А. САМОЙЛОВА, К. С. ЮСУПОВА

ТЯГОВЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ ВИНТОВОГО НАКОНЕЧНИКА ГАЗОИМПУЛЬСНОГО РЫХЛИТЕЛЯ

Установлены закономерности взаимодействия рабочего оборудования газоимпульсного рыхлителя с мёрзлым грунтом при завинчивании. Определён диаметр штанги в зависимости от диаметра винтовой лопасти и грунтовых условий, влияющих на тяговое усилие, которое развивает винтовой наконечник.

Ключевые слова: мёрзлый грунт, деформация, гипотеза, тяговое усилие, винтовой наконечник, винтовая лопасть.

Несмотря на повышенную механическую прочность грунтов и хрупкость связующего материала, мёрзлые грунты обладают пластичностью и сжимаемостью [1].

Пластичностью грунта называется его способность деформироваться под действием внешних сил и сохранять полученную форму после снятия нагрузки. Сжимаемость грунтов заключается в способности изменять своё строение под влиянием внешних нагрузок за счёт уменьшения объёма пор — пустотой между минеральными частицами грунта [2].

Свойства сжимаемости грунта, которые характеризуются модулем сжатия, не однозначны. В исследованиях, проведённых Ю. А. Ветровым [3], отмечается: «В соответствии с характером зависимости деформации грунтов от нагрузки модуль сжатия грунтов не является постоянной величиной и возрастает с увеличением деформации. Это, в частности, не позволяет описать закономерности резания грунтов методами теории упругости, базирующимися на предположении о постоянстве модуля деформации материалов... Деформация грунтов слагается из упругих деформаций минеральных частиц, изменения их взаимного положения и расстояния между ними, в результате деформации диффузных оболочек воды, а также других процессов».

Для учёта изменения сопротивления грунтов при их деформации пользуются расчётными моделями, схематизирующими зависимость между нагрузкой на грунт и его осадкой [4].

В соответствии с гипотезой Фусса-Винклера [4], или гипотезой «коэффициента постели», грунт рассматривается как система несвязанных между собой пружин, опирающихся на жёсткое горизонтальное основание, сжатие которых возрастает прямо пропорционально приложенной нагрузке:

где кг - коэффициент пропорциональности.

Коэффициент пропорциональности между нагрузкой и деформацией называют «коэффициентом постели» [4].Он имеет размерность кгс/см3.

Согласно гипотезе Фусса-Винклера, сопротивление грунта развивается только непосредственно под нагрузкой, и в этом сопротивлении не участвует грунт, расположенный сбоку, который не испытывает осадки [4].

При малых площадях приложения нагрузки и больших давлениях рассматривается непрямая пропорциональность между нагрузкой и погружением штампа. Развитием гипотезы Фусса-Винклера для этих случаев является гипотеза С. А. Бернштейна - М. Н. Летошнева, учитывающая изменения сопротивления грунта по мере возрастания деформации [4].

© Ивкин В. С., Самойлова Е. А., Юсупова К. С., 2016

где С - параметр, характеризующий сопротивление грунта вдавливанию штампа на глубине «2» в

^гс/с:--:

.'.: - показатель степени, зависящий от процесса вдавливания и физико-механических свойств грунта. Параметр « ¡1» может изменяться от нуля до единицы [4].

Обычно в формуле (2) принимают равным 1 см, тогда

<7г = С(?У . (3)

Гипотеза С.А. Бернштейна - М.Н. Летошнева широко применяется при изучении процесса завинчивания винтовых рабочих органов в мёрзлый грунт [5,6].

Винтовой наконечник выполняет функцию тягового рабочего органа, развивающего значительные усилия при небольшой мощности привода. Например, винтовой наконечник диаметром Б = 100 мм, приводимый в действие от двигателя мощностью 15 кВт, создаёт осевое — тяговое усилие порядка 1004-120 кН [5].

Наиболее широкие исследования, направленные на создание мерзлоторыхлительного оборудования с винтовыми рабочими органами, были проведены Д. А. Лозовым [6].

В Саратовском государственном техническом университете был разработан экспресс-метод по определению « Ра » и « >

где Р3 — сопротивление грунта вдавливанию штампа;

Р0 - коэффициент сопротивления грунта вдавлива-

ц - показатель степени, зависящий от процесса вдавливания и физико-механических свойств грунта.

В комплект традиционного ударника Дор НИИ по замеру прочности грунта входит специальный наконечник, который по высоте имеет две цилиндрические поверхности с коническими заострениями [6]. С помощью этого специального наконечника определялось сопротивление мёрзлого или прочного грунта вдавливаемому штампу (см. формулу (4)).

Идея применения винтовых наконечников для завинчивания в мёрзлый или прочный грунт различных конструкции газоимпульсных рыхлителей была реализована в авторских свидетельствах и патентах [7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16].

При завинчивании рыхлителя происходит сдвиг и смещение минеральных частиц, развиваются деформации уплотнения грунта: за счёт разрушения цементационных связей (льда-цемента) между минеральными частицами, за счёт перекомпоновки минеральных частиц в массив ненарушенного грунта в осевом и радиальном направлениях. Штанговый рабочий орган обжимается уплотнённым грунтом и выхлопные отверстия герметизируются. Поверхность грунта, контактирующая с рабочим органом, получается гладкой с монолитной текстурой и отличается от грунта естественного сложения.

Плотное прилегание штангового рабочего органа к разрушаемой поверхности грунта предотвращает

(4)

Рис. 1. Конструктивное решение винтового наконечника газоимпульсного рыхлителя

непроизводительные утечки газов, повышает эффективность работы оборудования и является основным фактором, определяющим возможность эффективной разработки мёрзлых грунтов новым рабочим оборудованием газоимпульсного действия [7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16].

Для каждого диаметра «Б» винтовой лопасти (рис. 1) диаметр штанги «сЕш» ограничивается тяговыми возможностями винтового наконечника.

Для удобства расчёта введём следующие обозначения:

а) относительная величина диаметра цилиндрической части ступицы:

Кл = й/В, (5)

б) относительная величина шага винта:

к* = т. (6)

в) относительная величина диаметра штанги газоимпульсного рыхлителя:

Кш = с^/О (7)

При выборе соотношения между диаметром винтовой лопасти и штанги необходимо сопоставить предельные тяговые возможности винтового наконечника Пр с сопротивлением погружению рабочего оборудования П0Тр [6].

п = (8)

где

К^ — коэффициент предельного сопротивления завинчиванию.

К

гр _

3 - угол подъёма винтовой линии по среднему диаметру;

дгр — aтctgf;

/ — коэффициент трения грунта по стали; / = 0,12-0,2;

- коэффициент трения грунта по грунту;

и = ОД

71.2 - число витков на заходной и цилиндрической частях винтового наконечника; ?! - - число заходных витков;

- удельное сопротивление завинчиванию.

J гп

= 6,25ВДО,25Щ"+1[1 + 0,5^04 - 1,В^Р0 - /.

(9)

(10) (11)

(12)

определяются с помощью экспресс-метода, разработанного в Саратовском государственном техническом университете [5, 6].

Необходимое усилие для затягивания рабочего оборудования /?П0Тр должно быть меньше пре-

Я

дельного значения тягового усилия л Пр , развиваемого винтовым наконечником, или равно ему.

(13)

(14)

где - половина угла большей конусной части винтового наконечника (см. рис. 1); ф = (¡\— ) - высота большой конусной части винтового наконечника.

^ф =

а.

к „в

Примем следующие обозначения величин:

(15)

А

б

В

б

^+2

Тогда формула (13) примет вид:

0 Хуыаоь* \

Произведя математические преобразования, из уравнения (18) определим коэффициент Ки

(16)

(17)

(18) (19)

При подстановке в уравнение (19) значений Ад и Вд (см. уравнения 16 и 17) получим :

Кш —

Д+21

+ К1

¡1+2

(20)

Приняв число заходных витков п± — 1,5 и подставив в уравнение (20) значение удельного сопро-

гГр

тивления завинчиванию (см. уравнение 12), получим:

к

ш

я, если

К -; = " - Смотри формулы (5), (6).

+ К

(21)

ГР-4*— и-а-б

Формула (21) упростится, если принять коэффициент трения грунта по стали Г=0,12; К( = 0,8;

(22)

Чаще всего коэффициент «Кш», учитывающий влияние грунтовых условий и геометрии винтового наконечника на тяговое усилие, которое развивается им, принимают равным 0,84-0,9.

Тогда диаметр штанги «йЕш» рабочего органа газоимпульсного рыхлителя составит:

<1Ш = (0,84-0,9)0 (23)

Б — диаметр винтовой лопасти, мм, определяется по формуле (24):

В = - ДГК , (24)

где Л/ДБ — мощность двигателя проектируемой конструкции газоимпульсного рыхлителя, кВт;

- потребляемая мощность на привод компрессора, который может быть размещён на проектируемой конструкции рыхлителя с учётом его габаритов и массы, кВт [17].

Работа, затрачиваемая на завинчивание газоимпульсного рыхлителя в грунт, определяется по формуле (25):

= КА - - К? - П^, (25)

где П± — число заходных витков;

71г — число витков на заходной и цилиндрической частях винтового наконечника;

71о0щ — общее количество витков на винтовом наконечнике;

К^ — коэффициент предельного сопротивления завинчиванию, определяемый по формуле (9);

Нр — глубина рыхления;

/1р — расстояние от большой конусной части винтового наконечника до выхлопных отверстий (см.

рис. 1);

1 — шаг винтовой лопасти;

К^ — удельное сопротивление завинчиванию. Определяется по формуле (12);

К^ — коэффициент, учитывающий неоднородность грунтовых условий.

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. Кузнецова В. Н. , Завьялов А. М. Мёрзлый грунт как пластически сжимаемая среда / В. Н. Кузнецова, А. М. Завьялов // Строительные и дорожные машины. — 2008. — №7. — С. 37—39.

3. Ветров Ю. А. Резание грунтов землеройными машинами. — М. : Машиностроение, 1971. - 357 с.

4. Бабков В. Ф., Безрук В. М. Основы грунтоведения и механики грунтов : учебное пособие для автомоб.-дор.спец. вузов. - 2-е изд., перераб. и доп. — М. : Высшая школа, 1986. - 239 с.

5. Мартюченко И. Г. Методы снижения энергозатрат при разработке мёрзлых и прочных грунтов. - Саратов : Сарат. гос. техн. ун-т, 2004. - 150 с.

6. Лозовой Д. А. Разрушение мёрзлых грунтов. Методы интенсификации и создания машин для стеснённых условий строительства. - Саратов : Сарат. ун-т, 1978. - 184 с.

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. — №43057944/03; заявл. 29.12.93; опубл. 10.01.96. Бюл. №1. — 16 с.

10. Пат. №2209891 С 1 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.; 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. унт. - №2004118762/03; заявл. 21.06.2004; опубл. 10.05.2006. Бюл. №13. - 21 с.

17. Ивкин В. С., Чикилев С. В. Преимущества газоимпульсного способа рыхления мёрзлых грунтов // Вестник УлГТУ. - 2014. - №1. - С. 63-70.

Ивкин Валерий Семёнович, кандидат технических наук, доцент кафедры «ТПМСК» УлГТУ. Имеет учебные пособия и статьи, изобретения и патенты в области механизации строительных работ. Самойлова Елена Алексеевна, магистрантка строительного факультета УлГТУ. Юсупова Ксения Салаватовна, магистрантка строительного факультета УлГТУ.

Поступила 31.12.2016 г.

УДК 691.32

Р. А. КУДРЯШОВА, Н. В. САМАРКИНА, Я. В. ШЕЙМУХОВА

ПРИМЕНЕНИЕ СУПЕРПЛАСТИФИКАТОРОВ В ТЯЖЁЛОМ И ЛЁГКОМ БЕТОНАХ

Рассмотрены вопросы по использованию новых видов суперпластификаторов в конструкционных лёгких и тяжёлых бетонах с целью повышения удобоукладываемости бетонной смеси и снижения расхода цемента при неизменной её подвижности.

Приводятся результаты эксперимента, показывающие преимущества использования добавок в тяжёлых и лёгких бетонах.

Ключевые слова: суперпластификаторы, удобоукладываемость, керамзитобетон, тяжёлый бетон, плотность добавки, расход добавки, прочность бетона

В настоящее время бетон - один из самых популярных строительных материалов. Практически ни одно современное производство ЖБИ, цемента или бетона не обходится без применения специальных добавок. Они являются таким же обязательным компонентом бетонной смеси, как вяжущее, заполнители и вода. Добавки придают бетону необходимые эксплуатационные свойства: высокую подвижность, медленное схватывание и быстрый набор прочности. Кроме этого, бетон должен быть долговечным и очень прочным, при этом обеспечивать гидроизоляцию, противостоять механическим воздействиям. Поэтому добавок в бетон в современном

© Кудряшова Р. А., Самаркина Н. В., Шеймухова Я. В., 2016

строительстве не избежать.

Проведённый обзор публикаций об использовании химических добавок в производстве строительных растворов и бетонов показал, что более всего применяют на современных заводах ЖБИ и КПД и строительных площадках суперпластификаторы и сильнопластифицирующие добавки, открытые в 30-е годы прошлого столетия. Являясь разжижителями и высокоэффективными пластификаторами бетонных и растворных смесей, они позволяют при прочих равных условиях в несколько раз повысить подвижность таковых против исходной, не вызывая при этом снижения прочности бетона или раствора при сжатии.

Пластифицирующий эффект определяется изменением воды сольватных оболочек частиц новообразований цемента. При адсорбции ПАВ