CC BY
12
СТРОИТЕЛЬСТВО
УДК 624.139
В. С. ИВКИН, И. А. АПРАУШЕВ
ВОЗДЕЙСТВИЕ НА МАССИВ МЁРЗЛОГО ГРУНТА ДВУМЯ ИМПУЛЬСАМИ ГАЗА ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ
Особенность рыхления мёрзлого грунта импульсом сжатого газа - его избирательная способность, которая проявляется в том, что разрушение происходит в наиболее ослабленных участках, по имеющимся в грунте надрезам от винтовой лопасти, трещинам, пустотам и другим концентраторам напряжений. Сжатый воздух не изнашивается, аккумулируется в рабочих камерах высокого давления между циклами рыхления. Одновременное воздействие полей напряжений верхнего и нижнего газовых импульсов повышает глубину рыхления и производительность рыхлителя. Определено время разрядки рабочей камеры, которое зависит от четырёх факторов:
1) от давления «Р» сжатого воздуха в рабочей камере;
2) от объёма «V»рабочей камеры;
3) от наименьшей площади «¥1» внутреннего сечения в штанговом корпусе рабочего органа или газовода;
4) от коэффициентов «ц1 ,р2, р» расхода при истечении сжатого воздуха из рабочей камеры и выхлопных отверстий.
Ключевые слова: рабочая камера, давление, объём, площадь, коэффициент расхода, время, винтовая лопасть, выхлопные отверстия, газоразрядная втулка, импульс.
На эффективность рыхления мёрзлых грунтов оказывают влияние:
а) природные факторы;
б) технические.
К природным факторам относятся минеральный состав, размеры минеральных частиц, пористость, соотношение в грунте твёрдой, жидкой и газообразной составляющих, отрицательная температура [1].
К техническим факторам относятся:
1) способность рыхлителя с наименьшими энергозатратами внедряться в мёрзлый грунт и производить его рыхление [2,4];
2) величина и продолжительность действия разрушающей нагрузки [4].
При небольших объёмах работ в стеснённых условиях строительства оказались эффективны штанговые газоимпульсные рыхлители с винтовыми наконечниками [2, 3]. Винтовые наконечники позволяют развивать большие тяговые усилия, требуя для привода сравнительно небольшие мощности. Например, винтовой наконечник диаметром Б = 100 мм, приводимый во вращение от двигателя мощностью 15 кВт, создаёт осевое тяговое усилие порядка 100... 120 кН [2, 3].
© Ивкин В. С., Апраушев И. А., 2018
При завинчивании винтового наконечника в мёрзлом грунте (за счёт больших контактных напряжений) лёд подплавляется, что снижает силы трения и износ рабочего органа.
Под действием тягового усилий, создаваемого штанговым рабочим органом, грунт, как упруго-вязко-пластичный материал, деформируется, возникает система микро- и макротрещин, образуется зона уплотнённого грунта, след от винтовой лопасти, который является дополнительным искусственным концентратом напряжений при развитии трещин разрушения.
Важная особенность процесса рыхления мёрзлого грунта импульсом сжатого газа - его избирательная способность, которая проявляется в том, что разрушение происходит в наиболее ослабленных участках, по имеющимся в грунте надрезам от винтовой лопасти, трещинам, пустотам и другим концентраторам напряжений.
Использование сжатого воздуха высокого давления для рыхления мёрзлых грунтов оправдано следующими соображениями:
1) сжатый воздух не изнашивается;
2) свободно проникает в зоны концентрации напряжений (надрезы от винтовой лопасти, трещины, пустоты);
3) аккумулируется в рабочей камере высокого давления между циклами рыхления.
Рис. 1. Рыхление грунта с поверхности штанговым газоимпульсным рыхлителем при расположении выхлопных отверстий в одном уровне.
1 - стрела землеройной машины; 2 - рабочая камера высокого давления; 3 - штанговый корпус с выходными отверстиями и винтовой лопастью;
4 - гидравлический двигатель
Энергия импульса сжатого газа убывает от выхлопных отверстий газоимпульсного рыхлителя (рис. 1). Следовательно, для эффективного раскрытия трещин необходимо создавать достаточно мощный импульс, чтобы трещины могли полностью раскрыться.
Трещины, образующиеся вглубь массива, раскрыться не могут, так как их раскрытию препятствуют значительные сопротивления массива грунта.
Однако образующаяся при этом сетка трещин снижает прочность грунта при рыхлении последующего слоя.
Полностью могут раскрыться только трещины, развивающиеся в более благоприятных условиях - в сторону открытой (свободной) поверхности.
Для штангового газоимпульсного рыхлителя глубина рыхления должна подбираться в зависимости от прочностных характеристик грунта и
мощности «А7газ» газового импульса, которая
определяется по формуле (1):
N
'ИСТ
(1)
Здесь Агаз- работа (совершаемая сжатым воздухом) при адиабатическом истечении из рабочей камеры.
Рис. 2. Расчётная схема для определения времени разрядки рабочей камеры. 1 - рабочая камера; 2 - штанговый корпус; 3 - трубопровод высокого давления; 4 - кран управления; 5 - выхлопное отверстие
(2)
где Р - давление сжатого воздуха в рабочей камере;
!-'■_ - конечное давление расширения сжатого
воздуха;
' - объём рабочей камеры высокого давления;
= 1,41 - показатель адиабаты;
- время разрядки [4] рабочей камеры, (см. рис. 2 и формулу (3)).
'ИСТ
-)
Ь-1 2 к
, ^ (3) р.
Из формулы (3) следует, что время разрядки рабочей камеры будет зависеть от четырёх факторов:
1 - от давления «Р» сжатого воздуха в рабочей камере;
2 - от объёма «У» рабочей камеры;
3 - от наименьшей площади «р^» внутреннего сечения в штанговом корпусе рабочего органа;
4 - от коэффициентов «р.^ » расхода
при истечении сжатого воздуха из рабочей камеры и выхлопных отверстий.
При расчёте времени истечения сжатого воздуха из рабочей камеры предполагают:
а) объёмом сжатого воздуха в трубопроводе 3 (смотри рисунок 2) пренебрегаем из-за его малости по сравнению с объёмом рабочей камеры 1 и малостью проходного сечения трубопровода 3 по сравнению с суммарной площадью выхлопных отверстий 5 в шланговом корпусе 2 газоимпульсного рыхлителя;
б) процесс расширения сжатого воздуха (при разрядке рабочей камеры) стационарный, то есть во всех точках объёма рабочей камеры давление и температура одинаковы. В действительности в рабочей камере 1 (рис. 2) имеет место нестационарный волновой процесс, связанный с образованием волн разряжения в непосредственной близости от выхлопных отверстий 5 и многократным их отражением от стенок рабочей камеры 1.
Поэтому чисто термодинамическое решение задачи истечения сжатого воздуха из рабочей камеры 1 должно рассматриваться как первое приближение к реальным условиям.
В формуле (3) приведены:
к = 1.41 - показатель адиабаты;
р1, - коэффициенты расхода при истечении сжатого воздуха из рабочей камеры и выхлопных отверстий;
Р - давление сжатого воздуха в рабочей камере;
ор - прочность мёрзлого грунта на разрыв;
■' - объём рабочей камеры;
г - наименьшая площадь внутреннего сечения рабочего органа (см. рис. 2);
Т0 - температура сжатого воздуха, поступающего по трубопроводу 3 в рабочую камеру 1.
Изменения глубины рыхлителя мёрзлого грунта штанговым газоимпульсным рыхлителем в зависимости от времени действия газового импульса приведены в таблице 1. Из данных таблицы 1 следует, что время разрушающего (рыхлящего) действия газового импульса кратковременно, меньше одной секунды для разных моделей рабочих органов.
Эффективность рыхления мёрзлых грунтов можно повысить за счёт воздействия на массив грунта двумя импульсами газа высокого давления, использовав при этом эффект одновременного воздействия полей напряжений каждого импульса в зоне рыхления [5, 6] (см. рис. 3).
В штанговых газоимпульсных рыхлителях:
а) патент №2004710С МПК 5 Е02Б 5/32 [5];
б) патент №20052032С1 МПК 6 Е02Б 5/32 [6] разработаны новые технические решения:
Первое. Применены незавинчиваемые в мёрзлый грунт две рабочие камеры для подачи сжатого воздуха к выхлопным отверстиям верхнего и нижнего газовых импульсов, объём которых установлен исходя из производительности
Рис. 3. Воздействие на массив грунта двумя импульсами газа высокого давления. 1 - штанговый корпус; 2 - газоразрядная втулка для верхнего газового импульса; 3 - выхлопное отверстие на газоразрядной втулке; 4 - винтовая лопасть на газоразрядной втулке; 5 - выхлопное отверстие на винтовом наконечнике; 6 - винтовой наконечник; 7 - винтовая лопасть на винтовом наконечнике
Таблица 1
Изменения глубины рыхления мёрзлого грунта газоимпульсным рыхлителем в зависимости
от времени действия газового импульса
№ п. п. Характеристика грунта Приведённая длина рабочей камеры, Избыточное давление в рабочей камере, кгс/см2 Время разрыхляющего действия газового импульса «4ст», с Глубина рыхления Нр , мм
1 2 3 4 5 6
Параметры модели рабочего органа: диаметр штангового корпуса D=42 мм; площадь сечения выхлопного устройства F1=214,4 мм2; объём рабочей камеры V = 3,8 л
1. Тяжёлый суглинок Ж = 33%; у = 1,7 г/см3; С = 99; ар = 5 кгс/см2; Ц = -3°С 17,7 225 0,58 310
200 0,55 300
175 0,53 290
150 0,5 280
100 0,43 240
75 0,38 210
50 0,31 190
2. Тяжёлый суглинок Ж = 33%; у = 1,7 г/см3; С=137; ар = 7,4 кгс/см2; ^ = -6°С 17,7 225 0,51 275
200 0,49 260
175 0,46 250
150 0,43 240
3. Тяжёлый суглинок Ж = 27%; у = 1,7 г/см3; С = 205; ар = 12,4 кгс/см2; ^ = -11°С 17,7 225 0,41 250
200 0,39 240
175 0,37 230
150 0,34 215
4. Тяжёлый суглинок Ж = 27%; у = 1,7 г/см3; С = 278; ар = 18,9 кгс/см2; ^ = -15°С 17,7 225 0,34 225
200 0,32 210
175 0,3 200
150 0,28 190
100 0,22 180
75 0,18 170
Параметры модели рабочего органа: диаметр штангового корпуса D=42 мм; площадь сечения выхлопного устройства F1=214,4 мм2; объём рабочей камеры V = 2,3 л
5. Тяжёлый суглинок Ж = 33%; у = 1,7 г/см3; С = 99; ар = 5 кгс/см2; Ц = -3°С 10,7 225 0,36 260
200 0,34 250
175 0,33 240
150 0,31 230
6. Тяжёлый суглинок Ж = 33%; у = 1,7 г/см3; С = 137; ар = 7,4 кгс/см2; ^ = -6°С 10,7 225 0,31 230
200 0,3 220
175 0,29 210
150 0,27 200
7. Тяжёлый суглинок Ж = 27%; у = 1,7 г/см3; С = 205; ар = 12,4 кгс/см2; ^ = -11°С 10,7 225 0,12 215
200 0,10 210
175 0,09 200
150 0,075 185
Окончание табл. 1
1 2 3 4 5 6
Параметры модели рабочего органа: диаметр штангового корпуса Б=42 мм; площадь сечения выхлопного устройства Р:=100,5 мм2; объём рабочей камеры V = 2,2 л
8. Тяжёлый суглинок Ж = 33%; у = 1,7 г/см3; С = 99; ар = 5 кгс/см2; Ц = -3°С 21,9 225 0,73 230
200 0,7 220
175 0,67 200
150 0,63 190
9. Тяжёлый суглинок Ж = 33%; у = 1,7 г/см3; С = 137; ар = 7,4 кгс/см2; 1ф= -6°С 21,9 225 0,65 210
200 0,62 200
175 0,58 190
150 0,54 175
10. Тяжёлый суглинок Ж = 27%; у = 1,7 г/см3; С = 205; оТ = 12,4 кгс/см2; ^ = -11°С 21,9 225 0,52 180
200 0,49 175
175 0,47 170
150 0,43 160
11. Тяжёлый суглинок Ж = 27%; у = 1,7 г/см3; С = 278; ор = 18,9 кгс/см2; ^ = -15°С 21,9 225 0,43 160
200 0,4 160
175 0,38 150
150 0,35 140
Параметры модели рабочего органа: диаметр штангового корпуса Б=21 мм; площадь сечения выхлопного устройства Р^26 мм2; объём рабочей камеры V = 0,65 л
12. Тяжёлый суглинок Ж = 33%; у = 1,7 г/см3; С = 99; ор = 5 кгс/см2; Ц = -3°С 21,9 225 0,84 150
200 0,8 140
175 0,76 130
150 0,72 120
13. Тяжёлый суглинок Ж = 33%; у = 1,7 г/см3; С = 57; ар = 2,6 кгс/см2; ггр = -1°С 21,9 225 1,02 170
200 0,99 160
175 0,96 150
150 0,91 140
Примечание:
1. Характеристики мёрзлого грунта представлены:
Ж - влажностью; у - объёмной плотностью; С - числом ударов динамического плотномера ДорНИИ;
ар - прочностью на разрыв; ^ - отрицательной температурой.
2. Рыхление выполняется без заранее подготовленного забоя, с поверхности.
компрессора, размещённого на рыхлителе, и в зависимости от частоты циклов рыхления. Хотя рабочие камеры названы дополнительной и основной, но объёмы сжатого газа, которые накапливаются в них между циклом рыхления, могут быть и одинаковыми. Больший объём основной рабочей камеры необходим для размещения в ней, помимо сжатого газа, ещё и дополнительной рабочей камеры (см. рис. 4).
Второе. Основная рабочая камера закреплена на штанговом корпусе, с которым кинематиче-
ски связана газоразрядная втулка верхнего газового импульса (см. рис. 3, 4).
Третье. Применён газораспределительный механизм, обеспечивающий раздельную подачу сжатого газа от источника питания в основную рабочую камеру и в камеру управления клапаном верхнего газового импульса. Такое конструктивное решение позволяет исключить нерасчётный вариант движения сжатого газа от источника питания к основной рабочей камере и выхлоп сжатого газа из разрядной втулки верхнего газового импульса.
Рис. 4. Рабочие камеры: 1 - основная рабочая камера; 2 - дополнительная рабочая камера;
3 - газовод для подачи сжатого воздуха к выхлопным отверстиям нижнего газового импульса; 4 - штанговый корпус; 5 - хвостовик
В патентном решении №2004710С МПК 5 Е02F 5/32 [5] имеются недостатки:
1. Выхлопные отверстия для нижнего газового импульса не размещены в корпусе винтового наконечника. Это уменьшает глубину рыхления и производительность рыхлителя.
2. При завинчивании рыхлителя в грунт возникает реактивный крутящий момент. Под воздействием этого момента штанговый корпус рыхлителя смещается в сторону от первоначальной оси завинчивания, образуется эллипсоидная форма полости, по зазорам между боковой поверхностью которой и штанговым корпусом происходят непроизводительные утечки газа при выхлопе верхнего и нижнего газовых импульсов.
Эти конструктивные недостатки устранены в патентном решении №20052032С1 МПК 6 Е02F 5/32 [6].
На винтовом наконечнике предусмотрены выхлопные отверстия для нижнего газового импульса и винтовая поверхность, угол наклона к горизонтали которой противоположен соответствующему углу наклона винтовой поверхности на газоразрядной втулке. Шаг и диаметр винтовых поверхностей на газоразрядной втулке и винтовом наконечнике равны, а вращение осу-
ществляется с одинаковой частотой в противоположные стороны [6] (см. рис. 3 и 4).
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. , Самойлова Е. А. , Юсупова К. С. Тяговые возможности винтового наконечника газоимпульсного рыхлителя // Вестник Ул-ГТУ. — 2016. — №1. — С. 54—59.
3. Лозовой Д. А. Разрушение мёрзлых грунтов. Методы интенсификации и создание машин для стеснённых условий строительства. - Саратов : Сарат. ун-т, 1978. - 184 с.
4. Ивкин В. С. К вопросу определения продолжительности разрушающего действия газодинамического импульса. - Саратов : Сарат. политехн. ин-т, науч. труды. - 1975. — Выпуск №88. — С. 49—59.
5. Пат. №2004710 С 1 Российская Федерация, МПК 5 Е 02 F5/32. 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.
6. Пат. №2052032 С 1 Российская Федерация, МПК 6 Е 02 F5/32. 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.
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 24.05.2018 г.
