CC BY
20
УДК 622.831
ВЛИЯНИЕ ЖЕСТКОСТИ АДАПТЕРА В СИСТЕМЕ «УДАРНАЯ МАШИНА - АДАПТЕР - ПОГРУЖАЕМЫЙ ОБЪЕКТ»
Анатолий Михайлович Петреев
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки «Институт горного дела им. Н. А. Чинакала» СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, кандидат технических наук, старший научный сотрудник лаборатории бурения и технологических импульсных машин, 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» СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, кандидат технических наук, младший научный сотрудник лаборатории бурения и технологических импульсных машин, тел. (383)220-15-09, e-mail: smolencevas@yandex.ru
Рассмотрена система «ударник - адаптер - погружаемая труба». По результатам модельных экспериментов установлена эффективность передачи энергии удара на трубу и максимальной силы на ее торце с учетом соотношения площадей поперечного сечения трубы и ударника.
Ключевые слова: удар, передача энергии, адаптер, труба, жесткость, расчетная модель, труба.
EFFECT OF ADAPTER STIFFNESS IN THE PERCUSSION MACHINE-DRIVEN OBJECT SYSTEM
Anatoly M. Petreev
Chinakal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, Ph. D. Eng, Senior Researcher, Drilling and Production Impulse-Forming Machines Laboratory, tel. (383)217-14-04, e-mail: ampet@yandex.ru
Alexander S. Smolentsev
Chinakal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, Ph. D. Eng, Junior Researcher, Drilling and Production Impulse-Forming Machines Laboratory, tel. (383)220-15-09, e-mail: smolencevas@yandex.ru
The authors examine the hammer - adapter - driven pipe system. The simulation experiments have revealed the efficiency of the blow energy transmission to the pipe and the maximum force at the pipe end, considering the ratio of cross-section areas of the pipe and hammer.
Key words: blow, energy transmission, adapter, pipe, stiffness, simulation model, pipe.
При бестраншейной прокладке подземных коммуникаций широко применяются технологии, при которых продвижение трубы в грунте обеспечивается ударным воздействием. Для соединения ударной машины с погружаемой трубой и передачи ей энергии удара чаще всего используются специальные переходные устройства - адаптеры. Существенный вклад в исследования эффективности передачи ударного импульса при забивании металлических труб
и стержней в грунт внесли работы, выполненные под руководством А.Л. Исакова [1]. Согласно проведенным ими исследованиям, коэффициент эффективности ударного импульса погружаемому в грунт стержню находится в прямой зависимости от массы и жесткости промежуточного элемента (адаптера), передающего удар, наличия и размеров присоединенной к стержню массы и жесткости стержня.
Чаще всего адаптеры представляют собой одно или набор колец конусного типа, которые сопрягаются с трубой своей наружной или внутренней конусной поверхностью. Торцевой адаптер можно рассматривать как предельную трансформацию конусного при увеличении угла конусности до 900. Согласно исследованиям, поведенным как экспериментальным, так и расчетным путем установлено, что торцевой адаптер обеспечивает лучшую передачу энергии, чем другие типы адаптеров [2]. Поэтому возникла необходимость обосновать рациональные параметры торцевого адаптера.
Торцевой адаптер можно рассматривать как кольцевую пластину, равномерно нагруженную по внутреннему периметру и опертую по контуру (рис. 1). Жесткость такой пластины определяется по известной [3] формуле:
4 • Е • к3
с = ■
®шах
q • Вг
(1)
где И - толщина кольца, м; д - коэффициент (д = ^Э/ё), D - наружный диаметр кольца, м; Е - модуль упругости материала, Па. Наружный диаметр Э определяется диаметром забиваемой трубы, а внутренний ё - размерами наковальни.
Рис. 1. Схема к расчету жесткости адаптера
Исследование передачи энергии удара через адаптер торцевого типа проводилось посредством компьютерного моделирования. Для компьютерного моделирования динамических процессов использовалась многомассовая дискретная модель системы "ударный привод - адаптер - труба - грунт". Основу математического описания составляет система обыкновенных нелинейных дифференциальных уравнений. Подробное описание расчетной модели исследуемой системы приведено в [1].
Так как адаптер непосредственно контактирует с забиваемой трубой, то целесообразно увязать жесткость адаптера с жесткостью забиваемой трубы. По-
этому в качестве характеристики согласования адаптера с трубой введён безразмерный параметр "7", являющийся отношением жесткости торцевого адаптера к жесткости трубы единичной длины. С другой стороны, чтобы охватить весь диапазон труб, забиваемых каким либо пневмомолотом, в расчете учитывался также такой параметр, как £ = 8тр/8уд, где Бтр - площадь поперечного сечения трубы, м; Буд - усредненная площадь поперечного сечения ударника. Как показал анализ ударных устройств, применяемых для забивки труб различного диаметра, отношение £= 8тр/8уд обычно меньше единицы и находится в диапазоне 0,3 ^ 0,75. Таким образом, в модели охватывается вся цепочка ударник-адаптер-труба.
Что касается такого важного параметра как масса адаптера, то форма кольцевого диска делает её однозначно зависимой от диаметра трубы и толщины адаптера, т.е. в конечном счете, от его жесткости. Поэтому при моделировании каждому значению 7 и £ назначалось соответствующее значение массы.
Результаты расчетов приведены на графиках рис. 2 и 3. Видно, что в рассматриваемом диапазоне изменения £ соотношение жесткостей ударника и трубы слабо влияет на передачу энергии, что позволяет для всего диапазона 0,75 > £ > 0,3 представить усредненные аппроксимирующие кривые для коэффициента передачи энергии удара А = /А (г), А = А1 / А2=10 и относительной величины максимальной силы на торце трубы = /д(г), = д, /Qz=\0.
Д/Дг
10 1 ? = 0,3 - у' \ —----
А
V / \ --- ? = 0,75
Зтр/Зуд=0,3..Д75
X г= сад/стр г
0 2 4 6 8 10
Рис. 2. Зависимость относительной переданной энергии от параметра 7
Функции А = /А (г) и д = /д (г) хорошо описываются экспоненциальной зависимостью вида: Q = Q2 / Q1 = Ад - Бд • 'г+°в).
Из графиков видно, что увеличение относительной жесткости адаптера выше 7=10 передачу энергии не улучшает. Вместе с тем, избыточная жесткость означает увеличение толщины и, соответственно, массы адаптера, что может приводить к увеличение коэффициента отскока ударника. Минимальные значения параметра 7 ограничены прочностью.
0,8
0,6
0,4
0,2
=10 ? = 0,7. • /
• / = 0,3 /
у/ 1
• 5тр, /Буд—С 1Д..0, 75
0
1
2
3
4
5
6 7 8 9 10 Т-— сад/стр ^
Рис. 3. Зависимость относительного максимального значения силы
от параметра ъ
Одновременно с ростом передаваемой энергии наблюдается и повышение максимальных значений силы в ударном импульсе.
Существенно, что передаваемая энергия растет менее интенсивно, чем сила (рис. 4). Это наглядно отражает диаграмма на рис. 5, показывающая, на сколько процентов снизится максимальное значение силы, если пойти на некоторую потерю энергии за счет уменьшения относительной жесткости ъ. Например, видно, что 8-и процентный недобор энергии при ъ =3 позволяет на 23% снизить наибольшее значение силы.
Рис. 4. Зависимость относительных значений переданной энергии и максимальной силы от относительной жесткости адаптера ъ
Подобный компромисс полезен, когда необходимо снизить нагрузку на сварные швы забиваемой плети. При этом следует иметь в виду, что уменьшение жесткости адаптера не может быть безграничным и в каждом конкретном случае следует контролировать его прочность.
1 - Q,% )
50
40
3Ü
20 z=5
10
0
0
5
10
15
20
25
30
Рис. 5. Диаграмма компромиссов между А и Q при различных z
Выводы:
1. Передача энергии через торцевой адаптер улучшается с ростом отношения ъ - жесткости адаптера к жесткости одного метра трубы, но лишь до
2. По мере изменения относительной жесткости торцевого адаптера ъ от ъ = 10 в меньшую сторону напряжение в трубе снижается заметно интенсивней, чем передача энергии.
1. Исаков, А.Л., Шмелев В.В. Об эффективности передачи ударного импульса при забивании металлических труб в грунт. // ФТПРПИ. - 1998. - №1. - с. 89 - 97.
2. Петреев, А.М., Смоленцев А.С. Передача энергии от ударного привода трубе через адаптер. // ФТПРПИ. - 2011. - № 6. - с. 64 -74.
3. Прочность, устойчивость, колебания. Справочник в трех томах. Том 1. Под ред. И.А. Биргера и Я.Г. Пановко. - М: Машиностроение. - 1968. - 831 с.
z ~ 10.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
© А. М. Петреев, А. С. Смоленцев, 2015
