CC BY
19
УДК 624. 139
В. С. ИВКИН, С. В. МАКСИМОВ, А. Д. ЕФРЕМОВ
ВЫПОЛНЕНИЕ ЗИМНИХ ЗЕМЛЯНЫХ РАБОТ ГАЗОДИНАМИЧЕСКИМ РЫХЛИТЕЛЕМ
Предельные нагрузка для полуплоскости, ослабленной отверстием, находящимся под равномерным давлением, были использованы нами для изучения механизма разрушения мёрзлого грунта рыхлителем новой конструкции. Даны рекомендации по расчёту производительности рыхлителя в зависимости от принятой технологической схемы производства работ.
Ключевые слова: мёрзлый грунт, газовый импульс, рабочий орган, производительность.
Введение
Разработка мёрзлых грунтов отличается широким разнообразием методов производства, постоянно возрастающими объёмами, высокой энергоёмкостью и стоимостью. Проблема разработки мёрзлых грунтов имеет большую актуальность. Основной задачей при проектировании строительных машин является совершенствование существующего и создание нового рабочего оборудования, отличающегося высокой производительностью. Наряду с повышением мощности базовых машин перспективным направлением повышения эффективности землеройной техники является интенсификация их рабочих процессов. Возможность интенсифицировать процесс разработки мёрзлых грунтов рыхлителем путём подачи в зону разрушения газового импульса обеспечивает интенсивное разрушение грунта [1, 2, 3].
кромка забоя
Рис. 1. Газодинамический рыхлитель на базе пневмоколёсного тягача с гидравлическим приводом рабочего оборудования и автономным приводом
компрессорной установки 1 - тягач; 2 - рабочая камера газодинамического рыхлителя; 3 - защитный экран; 4 - компрессорная
установка; 5 - гидродвигатель
Ивкин В. С., Максимов С. В., Ефремов А. Д., 2010
Разрушение грунтов энергией сжатого газа, которая непосредственно передаётся на рабочий орган, минуя движитель, связано с изменением конструкции машины. При таком способе разработки грунтов появляется возможность передать рабочему органу значительную энергию, идущую на разрушение, без существенного увеличения массы и мощности базовой машины (см. рис. 1).
Газодинамические рыхлители являются наиболее простыми по конструкции, обеспечивающими комбинирование механического и газодинамического методов воздействия на мёрзлый грунт [1,2,3].
Принцип работы газод и н ам и ч ее ко го р ы х л 11тел я
Процесс разрушения мёрзлого грунта газодинамическим рыхлителем условно можно разделить на две фазы.
Первая фаза механического воздействия на грунт связана с внедрением (завинчиванием) рабочего органа на расчётную глубину рыхления-с одновременным заполнением рабочей камеры сжатым воздухом высокого давления.
Процесс завинчивания рабочего органа на расчётную глубину рыхления основан на использовании свойств уплотняемости мёрзлых грунтов. Уплотнение грунта происходит за счёт разрушения цементирующих связей (льда-цемента) между минеральными частицами, за счёт перекомпоновки минеральных частиц при их более компактном размещении и за счёт перемещения минеральных частиц в массив ненарушенного грунта в осевом и радиальном направлениях.
Штанговый рабочий орган обжимается уплотняемым грунтом, и выхлопные отверстия герметизируются. Для снижения энергоёмкости и увеличения производительности процесса рыхления мёрзлого грунта в зону разрушения на
Теоретическая часть
Рис. 2. Расчётная схема для определения расстояния до кромки забоя
завершающем этапе первой фазы подводится импульс сжатого воздуха высокого давления. Сжатый воздух из рабочей камеры поступает в зону контакта выхлопных отверстий с грунтом, в котором всегда имеются трещины, пустоты, различные неоднородности, выступающие как концентраторы напряжений - «зародыши» разрушения грунта (см. рис. 1).
Под действием нагрузки от газового импульса у вершин трещин возникают напряжения, критические для мёрзлого грунта. Сжатый воздух высокого давления внедряется в трещины, действует как клин, поверхности трещин расходятся друг от друга.
Формируется полость разрушения, увеличивается площадь контакта сжатого воздуха с грунтом. Это повышает эффективность рыхления мёрзлых грунтов газовым импульсом, так как увеличивается поверхность грунта, непосредственно воспринимающая воздействие газового импульса.
Рассматриваемая область рыхления грунта представляет собой полупространство с проёмом, очерченным по кругу и параллельным открытой кромке забоя. Слои грунта при рыхлении в забой деформируются в плоскостях, параллельных плоскости ХОУ (рис. 2) по глубине рыхления. Нам нужно найти напряжения в грунте от заданного газового импульса:
ах=д2Ч*/ду2;сгу = д2х¥/дх2; тХ}1=-д2У/дхду,
где \\1 - функция напряжения:
(1)
У = о2 • {(/„ • 1§/2 + * • [(/„ - *) • СО80, /г, -
-(1р+а)-соз02/г2]/а\ . (2)
В нашем случае:
Р - давление, которое воспринимает грунт в начальный период разрушения. Первоначальное разрушение грунта происходит под действием давления сжатого воздуха, величина, которого принимается равной давлению в рабочей камере перед её разрядкой (см. рис. 1, рис. 2);
Го - радиус окружности, нарезаемой в грунте винтовой лопастью рыхлителя;
1Р - расстояние от кромки забоя до центра окружности (рис.2);
«а» - расстояние до радикальной оси, величина которого численно равна отрезку касательной, проведённой из начала координат к окружности с радиусом г0.
а
41-г
О
(3)
П и г2 - радиусы векторы
г\ ~л1(х~а)2 + У2 г2=^(х + а)г + у2
(4)
(5)
1 и 1§02 могут быть записаны гак:
Щвх =у/(х-а), (6)
{ёв2=у/(х+а), (7)
где «у» и «х» - текущие значения абсциссы и ординаты точки М (см. рис. 2).
Комплексное число т=х+\-у условимся геометрически изображать точкой М, у которой в прямоугольной системе координат ось X (ось абсцисс) называется вещественной осыо, а ось У (ось ординат) - мнимой.
Представим радиусы векторы г\ и г2 в комплексной форме:
2-0 = г, • (соб+1-$\пО{) = гге'А, (8)
1 + а = -(СОБ^ + /'БШ =
/.Л
(9)
Обратные величины радиусов векторов будут соответственно равны:
1/(г-а) = (со8<9|-/-$т в})/г{, (10)
\/(г + я) = (сОБ#2 -/ ♦ 81п 6>2)/г2. (11)
Условимся обозначать в функции комплексного переменного
ФНСх+Ьу) (12)
Я[А(г)] - вещественную часть;
Ф[А[г)] - мнимую часть.
Тогда функция ${т) запишется так:
(13)
Представив функцию напряжений (см. уравнение 2) как вещественные части соответствующих функций комплексного переменного напишем:
Ч* = Р■ г02{(/, /аУ-Я• Мг + а)/(*■-а)] + + (х/а)-К-[(1р-ау/(2-а)-(1р+а)/(2 + а)]}.( 14)
Из теории функции комплексного переменного известны зависимости:
йх ду
= Ф[^Г(г)/&] , (15)
(16)
дх ду
Найдём производные от функции напряжений (см. уравнение 14):
/ дх = -Р • г2 {/? • [1 /(г-а) +1 /(г + а)] +
+ (х/а)-Я-[(1р-а)/(г-а)2-(1р+а)/(г + а)2]}, (1?)
д'-Р / ду = Р ■ г2 {(1р / а) ■ Ф ■ [1 /(*■- а) -1 /(г + а)] +
+ (*/а) ■ Ф ■ [(/, - а) /(г - а)2 - (/, + я) /(г + а)2]}. (18)
Повторным дифференцированием найдём выражения соответствующих напряжений (см. уравнение 1):
а, = а2ччду2 =
= -Р-^{(1р/а)-Р-[\/(г-а)2-\/(2 + а)2]+ (19)
+(2-х/а)-Я-[(1р-а)/(г-а)3 -(/„ + «)/(г + а)3]},
с7у=д2У/дх2 = = Р-г20{{Я1а)-[{г-а-1р)1{г-а)2 +
+ {2-а + 1р)/{г + а)2] + {2-х/а)-Р-[(1р-а)/(г-а)3- (20) -(/+а)/(г + а)3]},
Тху =-д2У / ду • дх = = Р-г02{ф-[\/(г-а)2+\/(г + а)2] + + (2 -х/а)-Ф-[(/ - а)¡{2 - а)3 - (/, + а)/(г + я)3 ]}.
(21)
Компоненты главных напряжений выразятся соответственно:
(ау+ах)/2=
= Р- & г] ■ [<7, +а)/а- (1+а)2 -(/ -а)!а-(г-а)\ (22)
(ау-ах)/2~Р-г02 • {к ■• [1 /(г - о)2 +1 /(г+а)2 ] + Ц2-х/а)Я-[(1р -а)!(г-а)г ~{1р +а)/(г+а)3 тху=Р'Г2{ф-[\/(2-а)'-\/(2+а)г] +
+ (2-х/ а)Ф • [(/ - а) /(? - а)3 - (/ + а) ¡{г + а)
(23)
(24)
Раскрыв выражения входящих сюда функций комплексного переменного г, получим в окончательном виде: (ау + стх)/2 =
= Р-г2-{(1р + а)/а]-( соз 2 • 021 г2) - (25) -К1„-а)/а)-(со$ 2-0,1 г2)},
= Р • г2 • {(СОБ2 • ) / г22 + (С0Я2 • ) / г2 +
(26)
^ =-Р-г<?-{($\п2'в2/г?) + (ш2-в1/г2) + + 2-х-[(1р-а)/а))-(*\пЗ-в1/к13)- (27)
При исследовании рыхления грунта нас интересует распределение напряжения по кромке забоя. Граничными условиями для этого случая будут являться:
х=0; (28)
е,+02=я; ' (29)
Ь=г2=^а2+у2 ; (30)
Подставив зависимости (28, 29, 30) в уравнения (25, 26, 27) и выполнив математические преобразования, получим:
ТхУ=0, • (31)
ах=0, (32)
ау=[Л-Р-г02-(а2-у2)]/{(а2 + у2)У. (33)
На участке -а<у<а наружная грань (кромка забоя) растянута. Максимум растяжения имеет место в точке грани на оси симметрии (х=0; у=0) и равен при подстановке зависимости (3) в уравнение (33):
о-;ах =4-Р-Г2/(!2р-Г02). (34)
При у>а грунт возле свободной поверхности испытывает сжатие. Максимальное сжатие
имеет место в точках:
У = ±у13 - а.
(35)
Подставив зависимости (3 и 35) в уравнение (33), получим:
=- (Р/2)-г'/(12р-,Ь2). (36)
Как следует из формулы (33), у свободной поверхности действуют только напряжения растяжения. Напряжение сжатия равно нулю. Касательное напряжение также равно нулю.
Итак, рыхление грунта в забой возможно, если
- > (3?)
где ар- прочность мёрзлого грунта на разрыв.
Решая уравнения (34) и (37), определим расстояние до кромки забоя:
1р=г^(4-Р/ар) + \. (38)
Степень несовершенства строительной машины для рыхления мёрзлого грунта оценивается из уравнения:
(39)
а
где X - общая сопротивляемость мёрзлого грунта разрушению данной строительной машиной;
сгр- сопротивляемость мёрзлого грунта
разрушению при разрыве (см. таблицу 1).
Чем больше отношение в формуле (39), тем более энергоёмкий способ рыхления мёрзлых грунтов заложен в конструкции рыхлителя по сравнению со способом, основанном на деформации разрыва (отрыва грунта от массива).
Если условно принять за единицу величину удельного сопротивления мёрзлого грунта разрыву, то соотношения сопротивляемости другим видам деформации разрушения будут следующие (см. таблицу 1):
Таблица 1
Соотношение сопротивляемости мёрзлых грунтов различным видам разрушения
Вид Относительный
деформации показатель
Разрыв 1
Сдвиг 1,5
Изгиб 2
Сжатие 3
Резание 7-11
Вдавливание 21
Технические решения [1, 2, 3] позволяют реа-лизовывать наименее энергоёмкий способ рыхления (отрыва грунта от массива) за счёт подвода в зону рыхления довольно высоких энергий сжатого воздуха высокого давления. Энергия
сжатого воздуха передаётся непосредствен но разрыхляемому грунту, который можно рассматривать как материал, обрабатываемый действием газового импульса. Цель исследований: определение производительности газодинамического рыхлителя.
Р езу л ьтат ы и с с л ед о в а I ш й
Оснащение землеройных машин газоимпульсным оборудованием является одним из наиболее перспективных и удобных с точки зрения практической осуществимости методов активизации процесса рыхления мёрзлых грунтов
[1,'2, 3].
При проектировании газоимпульсного оборудования нужно знать:
1) какое необходимо создать давление сжатого газа в рабочей камере;
2) какой должна быть ёмкость рабочей камеры в зависимости от заданных грунтовых условий и глубины рыхления.
Рассмотрим наиболее общий вариант расчёта, когда при проектировании рыхлителя исходными параметрами являются:
а) глубина рыхления Нп ;
г
б) грунтовые условия, которые характеризуются прочностью на разрыв;
в) мощность двигателя базовой машины N„.
Глубина рыхления мёрзлого грунта в забой принимается равной расстоянию до кромки забоя (см. рис. 1, рис. 2).
(40)
Установлена достаточно тесная линейная связь между показаниями плотномера ДорНИИ
(числом С который даст интегральную оценку прочности мёрзлого грунта, и более определённым показателем прочности грунта на разрыв
нр=1р-
ар = • Суд + 0,001 • С2уд.
(41)
Динамический плотномер, более известный под названием «ударник ДорНИИ», получил применение в дорожном строительстве для оценки несущей способности грунтовых дорог. Прибор представляет собой цилиндрический стержень сечением 1см2, на который надета гиря массой 2,5 кг. Падая с высоты 0,4 м, гиря ударяется об упорную шайбу на стержне, заставляя его внедряться в грунт.
Работа каждого удара равна 10 Дж. Работа, необходимая для внедрения в грунт наконечника плотномера на глубину И = 10 см , и является условным критерием прочности мёрзлого грунта.
При рыхлении грунта в забой избыточное давление воздуха в рабочей камере подсчитыва-ется из зависимости (38):
(У .
р =
\
(42)
где ар - прочность мёрзлого грунта на разрыв;
Нр - глубина рыхления грунта;
И - диаметр винтовой лопасти рабочего органа рыхлителя (см. рис. 3)
£ = 60-з/Л^-Л^,[мм], (43)
N - мощность двигателя базовой машины,
О
кВт; N к - потребляемая мощность на привод
компрессора, кВт, который может быть размещён на заданной базовой машине с учётом её габаритов и массы.
Основные технические характеристики компрессоров высокого давления приведены в таблице 2.
Компрессоры ДК-2 и ДК-10 имеют свой автономный привод, их применение на газодинамических рыхлителях предпочтительно, так как
в формуле (43) мощность « Ык » на привод компрессора можно исключить. Тогда диаметр винтовой лопасти рабочего органа рыхлителя увеличивается.
Емкость рабочей камеры рассчитывается по их зависимости (44):
Агаз (К -1)
V =
Р
1-
/
\
3. р
\
К-1 К
(44)
где Арт - работа, совершаемая сжатым возду-
хом при адиабатическом истечении из рабочей камеры:
(45)
Лгаз == Щт • П •
Апр - приведённая работа газового импульса;
К^ - коэффициент, учитывающий изменение мощности газового импульса в зависимости от площади сечения рабочего органа;
Р - избыточное давление воздуха в рабочей камере перед её разрядкой;
Р}- конечное давление расширяющегося
воздуха;
АГ = 1,41 - показатель адиабаты.
Приведённая работа газового импульса, необходимая для рыхления грунта, рассчитывается из зависимости (46):
• К'уд
<>о
(46)
где Н - глубина рыхления грунта;
Н0- минимальная глубина, при которой начинается рыхление грунта:
#0=( 1,0 2,0)1). (47)
К(0иК[,д - коэффициенты учитывающие
влияние влажности их температуры мёрзлых грунтов на эффективность и разрушения газовым импульсом;
Ко6 - коэффициент, учитывающий количество обнажённых поверхностей.
Таблица .2
Технические характеристики компрессоров высокого давления
Тип компрессора (выпускаемых в России) Производительность по нагнетанию, л /мин Давление нагнетания, МПа Потребляемая мощность, кВт Габаритные размеры, мм Масса, кг
длина ширина высота
КВ Д-1,6 2,2 15.0 8,0 580 310 710 170
К2-150 2,0 15,0 8,0 430 450 490 85
1К 8,0 20,0 26,0 885 825 1295 700
К-5 16,0 22,5 50,0 1200 1080 1820 1350
К-6 8.0 22,5 35,0 850 580 1355 600
К-7 6,5 22,5 26,0 832 585 1000 445
ДК-2 8,0 23,0 47,0 2200 890 860 820
ДК-10 9,0 40,0 96,0 2200 890 860 820
ЭК-15-М 16,0 20,0 42,0 1185 860 1535 1200
При рыхлении мёрзлого грунта в заранее подготовленный забой (см. рис. 1) имеются:
* поверхность, на которой установлен рыхлитель. Эта поверхность перед производством работ очищается от снега;
• поверхность (кромка) забоя, в сторону которой происходит рыхление грунта.
Поверхность (кромка) забоя готовят для производства работ. КоС) = 0,7 - при рыхлении в
сторону кромки забоя. Если заранее подготовленный забой отсутствует, то имеется.только одна поверхность, в сторону которой может перемещаться разрыхлённый грунт, Ко0 =1,0 - когда
отсутствует заранее подготовленный забой.
Коэффициент, учитывающий изменение мощности газового импульса, определяется по формуле (48):
Км =
Г.
К
(48)
Ф
где К, = 214,4 мм2 - площадь проходного сечения рабочего органа, принятого за эталон;
Рф - фактическая площадь проходного сечения рабочего органа, зависящая от внутреннего диаметра седла с1с и диаметра трубки
йтр, подводящей сжатый воздух в камеру управления клапаном (см. рис. 3)
Рис. 3. Вариант конструктивного решения нижней части рабочего оборудования рыхлителя
7Тс12 ЛС1~П I? — с___
4 4
Технологическая схема рыхления мёрзлого грунта в забой представлена на рисунке 4.
Рис. 4. Технологическая схема рыхления мерзлого грунта в забой газодинамическим рыхлителем
Рабочий орган устанавливается на расстоянии 1р = Нр от кромки забоя. Шаг позиций 8 назначается по формуле (50):
5 = 4,0 Нр, (50)
где Н — глубина рыхления.
Производительность рыхлителя, работающего в забой, можно рассчитать по формуле (51):
П = 60// 57„ ^
/
(51)
где Н — глубина рыхления;
Б - шаг позиции (см. рис. 4); / - расстояние между линиями позиций;
Кв - коэффициент использования машины во времени;
/ -время цикла, рассчитывается по формуле (52):
II.
ю<{
+
т
в
I ^ под | {нв + ^ под )
(52)
о
оп
и
п
где 1п - время на перестановку с одной раоочеи
позиции на другую;
р - время на включение и выключение механизмов управления;
Нзав-глубина завинчивания рыхлителя в
грунт;
/- шаг винтовой лопасти (см. рис. 3); пв — частота вращения рабочего оборудования;
Нпод- высота подъёма рабочего оборудования над уровнем грунта;
иоп- скорость опускания рабочего оборудования;
оп - скорость подъёма рабочего оборудования.
Выводы
1. Необходимость поиска эффективного ме-тода рыхления мёрзлых грунтов и создания высокопроизводительного оборудования для работы в зимний период строительства обусловлена требованиями круглогодичного производства земляных работ. Анализ конструктивных и патентных решений рабочих органов землеройных машин как традиционного типа, так и газоимпульсного действия показал, что наиболее перспективной машиной для активизации процесса рыхления мёрзлых грунтов может быть газодинамический рыхлитель по следующим причинам:
а) на оборудование не действуют вибрационные и динамические нагрузки как при завинчивании в мёрзлый грунт, так и в период разрядки рабочей камеры, что предопределяет его высокую эксплуатационную надёжность и улучшение условий труда оператора;
б) простота варьирования режима рыхления в широком диапазоне избыточных давлений сжатого воздуха в рабочей камере;
в) простота конструкции, возможность её монтажа на серийно выпускаемых малогабаритных экскаваторах или пневмоколёсных тракторах;
г) высокая энерговооружённость газоимпульсного оборудования, что открывает возможности значительного повышения производительности, снижения материалоёмкости по сравнению с конструкциями рыхлителей традиционного типа.
2. Установлены закономерности разрушения мёрзлого грунта в забой, в соответствии с которыми получена формула для расчёта глубины рыхления. При этом исходными параметрами должны быть давление в рабочей камере, диаметр винтовой лопасти рабочего оборудования и прочностные характеристики мёрзлого грунта на разрыв.
3. Экспериментальные исследования подтвердили практическую осуществимость метода активизации процесса рыхления мёрзлых грунтов газодинамическим рыхлителем и работоспособность конструкции в широком диапазоне отрицательных температур наружного воздуха (от 0°С до - 33°С) и давлений сжатого воздуха (до 22,5 МПа). Применение газодинамического рыхлителя наиболее целесообразно для рыхления супесчаных, суглинистых и глинистых грунтов, как однородных, так и с содержанием гравели-стых и каменистых частиц до 40% по массе.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Пат. № 2209891 С I Российская Федерация, МПК 7Е 02 Р5/32. 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.
2. Пат. №2244784 Российская Федерация, МПК 7Е 02Р5/32 Газодинамический рыхлитель /Ивкин В. С., Кузьмин Е. К. заявитель и патентообладатель Ульян. гос. техн. ун-т. -№2003130251; заявл. 10.10.2003; опубл. 20.01.2005, Бюл. №2. - 11 с.
3. Пат. №2276235 Российская Федерация, МПК Е02Р5/30. Устройство для разрушения прочных и мёрзлых грунтов/ Ивкин В. С., Морозов В. В.; заявитель и патентообладатель Ульян, гос. техн. ун-т. - №2004118762; заявл. 21.06.2004; опубл. 10.05.2006, Бюл. №13. -21 с.
Ивкин Валерий Семёнович, кандидат технических паук, доцент кафедры «Строительные чконструкции» УлГТУ. Имеет учебные пособия и статьи, изобретения и патенты в области механизации строительных работ. Максимов Сергей Валентинович, доктор технических. наук заведующий кафедрой «Строительное производство и материалы» УлГТУ. Имеет монографии, учебник, учебные пособия и статьи, изобретения и патенты в области строительных материалов. Ефремов Александр Дмитриевич, студент 5 курса УлГТУ\
