Расчёт времени разрушающего действия газового импульса при рыхлении мёрзлого грунта газодинамическим рыхлителем

СТРОИТЕЛЬСТВО

УДК 624.139

С. В. МАКСИМОВ, В. С. ИВКИН, Е. В. КОЧЕТОВА

РАСЧЁТ ВРЕМЕНИ РАЗРУШАЮЩЕГО ДЕЙСТВИЯ ГАЗОВОГО ИМПУЛЬСА ПРИ РЫХЛЕНИИ МЁРЗЛОГО ГРУНТА ГАЗОДИНАМИЧЕСКИМ РЫХЛИТЕЛЕМ

Результаты выполненных исследовании дали возможность вывести уравнение для определения продолжительности разрушающего действия газодинамического импульса в зависимости от прочностных характеристик мёрзлого грунта, приведённой длины рабочей камеры и начальных параметров сжатого воздуха в рабочей камере (давленш1 и температуры).

Ключевые слова: время работы газодинамического импульса, объём рабочей камеры, избыточное давление сжатого воздуха, площадь сечения разрядной втулки, прочность мёрзлого грунта.

Под газодинамическим импульсом следует понимать изменение с течением времени давления сжатого газа на разрабатываемый мёрзлый грунт при работе рыхлителя новой конструкции [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10]. Твёрдые минеральные частицы грунта, слабо связанные между собой в немёрзлом состоянии, при отрицательной температуре цементируются льдом. Грунт превращается в сплошной и твёрдый монолит, который не могут непосредственно разрабатывать землеройные машины общего назначения (бульдозеры, скреперы, экскаваторы, автогрейдеры).

Предварительное рыхление таких грунтов выполняется с помощью строительных машин специального назначения, которые называются рыхлителями.

Пористость - характерное свойство всех грунтов, значительно влияющее на закономерности их сопротивления механическому воздействию. Вследствие неправильной формы и неодинаковых размеров минеральные частицы грунта прилегают неплотно, образуя промежутки - поры, повышающие деформативность грунтов.

Основным признаком замерзания грунтов является кристаллизация в их порах и пустотах льда. Процесс кристаллизации льда в порах грунта сопровождается смерзанием минеральных частиц грунта. Эти явления формируют новые свойства замёрзших грунтов, отличные от свойств немёрзлых, причём первостепенную роль играет процесс цементации (спаянности) минеральных частиц льдом. Грунт превращается

© С. В. Максимов, В. С. Ивкин, Е. В. Кочетова, 2007

в сплошной и прочный монолит. Однако при повышении и понижении их температуры (даже в области отрицательных температур) происходят существенные изменения прочностных свойств грунтов.

Разрушаемость мёрзлых грунтов во многом зависит от их прочности. Различают сопротивляемость мёрзлых грунтов разрушению при различных видах деформации: разрыва, сжатия, резания, вдавливания.

При разрушении мёрзлых грунтов следует применять такие методы разрушения и такие рабочие органы, при которых основной деформацией является разрыв, то есть отрыв мёрзлого грунта от массива, так как сопротивление мёрзлого грунта резанию в 9 раз, а статическому вдавливанию в 21 раз больше, чем сопротивление грунта разрыву [11].

Прочностные и деформационные свойства мёрзлых грунтов зависят от очень многих факторов: величины отрицательной температуры мёрзлого грунта, общего содержания льда в мёрзлых грунтах (льдистости), строения и крупности ледяных включений, их положения по отношению к направлению действующих усилий [12].

Учитывая, что сопротивление разрушению мёрзлого грунта изменяется в зависимости от отрицательной температуры, влажности, пористости и других физических параметров грунта, исследователи обратились к оценке его прочности с помощью экспресс-метода по числу «С» ударов динамического плотномера ДорНИИ [11,13].

В этой связи целесообразно использовать полученные В.П. Фомичевым [13] нелинейные

зависимости между сопротивлением грунтов разрыву ар.9 сжатию асж и числом ударов «С» плотномера ДорНИИ:

агр = 0,04С +0,0001С2,

= 0,2С + 0,0004С2,

Для новой конструкции газодинамического рыхлителя [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10] глубина рыхления должна подбираться в зависимости от прочностных характеристик грунта и мощности газового импульса Ыгаз.

В свою очередь мощность газового импульса есть работа Агаз, которая совершается сжатым газом при адиабатическом истечении из рабочей камеры в единицу времени:

газ~Агаэ/1ист .

Работа, совершаемая сжатым воздухом при адиабатическом истечении, подсчигывается по общеизвестной из газовой динамики форму-ле[14]:

Агш=[Р'У/

где Р - давление сжатого воздуха в рабочей камере;

Л -

конечное давление расширяющегося

воздуха;

V- объём рабочей камеры; ¿=1,41 - показатель адиабаты.

С увеличением объёма рабочей камеры и давления в ней (при неизменных параметрах рабочего органа) будет увеличиваться работа газового импульса Агаз. Как следует из формулы (3), с уменьшением времени истечения «1ыст» газа ( при Д^сопзО будет возрастать мощность газового импульса. Нам нужно определить продолжительность разрушающего действия газодинамического импульса.

На рисунке 1 приведена расчётная схема для определения времени разрядки рабочей камеры газодинамического рыхлителя. Объём рабочей камеры V газодинамического рыхлителя складывается из ёмкости ресивера 1 и внутренней полости штанги 2, которая жёстко связана с ресивером 1.

В ресивер 1, а затем и во внутреннюю полость штанги 2 сжатый воздух подается по трубопроводу высокого давления 3 при открытии крана управления 4.

При решении задачи предполагается, что объёмом сжатого воздуха в трубопроводе 3 пренебрегаем из-за его малости по сравнению с объёмом рабочей камеры и малостью проходного сечения трубопровода 3 по сравнению с площадью сечения разрядной втулки 5. Также предполагается, что процесс расширения сжатого воздуха при разрядке рабочей камеры является

Рис. 1. Расчётная схема для определения времени разрядки рабочей камеры газодинамического

рыхлителя

стационарным, обратимым, и во всех точках объёма рабочей камеры в любой момент времени имеет место равенство давлений и температур.

В действительности, в рабочей камере имеет место нестационарный волновой процесс, связанный с образованием волн разряжения в непосредственной близости от выхлопных отверстий 6 их многократным отражением от стенок рабочей камеры.

Поэтому чисто термодинамическое решение задачи истечения сжатого воздуха из рабочей камеры является неполным и должно рассматриваться как первое приближение к реальным условиям.

Время, в течение которого давление в рабочей камере снизится до критического Ркр=1,89 кгс/см2, может быть определено по следующей формуле [15]

к-\ 2 к

= с

-1

ист

п •>

где С/ - постоянная, определяющаяся свойствами газа и характером процесса изменения состояния газа в рабочей камере, равная

=

к - показатель адиабаты; для воздуха к= 1,41; И! и И2 ~ коэффициенты расхода;

¥ = f

/ \ P

К J

- функция отношения давления в

рабочей камере к критическому

1

ттах.

/

\

\

к +1

/

к-\

м. к +1'

^шах=2Д5.

Я- газовая постоянная; К=29,4;

V

Zn = -- приведенная длина рабочей камеры,

м;

К-объем рабочей камеры, м3;

/^-наименьшая площадь внутреннего сечения

Л

рабочего органа, м ;

/^-температура сжатого воздуха, поступающего по трубопроводу 3 в рабочую камеру, К;

£ =--отношение избыточного давления в

рабочей камере к критическому.

По формуле (5) время истечения «1пст» сжатого воздуха из рабочей камеры подсчитывается в секундах.

Из газодинамики известно, что прямолинейное истечение сжатого воздуха из рабочей камеры при открытии полного сечения выхлопного устройства является наивыгоднейшим условием высвобождения из неё сжатого воздуха.

Однако при разрядке рабочей камеры в таком варианте основное усилие приходилось бы воспринимать мёрзлому грунту, располо-женному ниже винтовой лопасти рыхлителя, что с точки зрения разрушающего воздействия энергии сжатого воздуха на массив грунта является нерациональным.

Кроме того, некоторая часть энергии сжатого воздуха в этом случае затрачивалась бы на сообщение рабочему органу реактивных усилий, отрицательно действующих на рабочее оборудование.

Наиболее целесообразным вариантом расположения выхлопных отверстий 6 на разрядной втулке 5 является боковое (венцовое), просверленных перпендикулярно оси рабочего органа, так как при выходе из отверстий сжатый воздух оказывает непосредственное воздействие на мёрзлый грунт, прилегающей к разрядной втулке 5, то есть на наибольшую его площадь. При такой конструкции разрядной втулки 5 исключаются реактивные усилия на рабочее оборудование (см. рис. 1).

Мёрзлый грунт будет разрушаться при соблюдении обязательных условий:

а) время приложения газодинамического импульса tucm должно быть больше или равно времени разрушения tpa3p.

Г > (

ист разр ?

б) разрушение мёрзлого грунта газодинамическим импульсом будет проходить до падения давления в рабочей камере

Ррых = .

где о" - прочность мёрзлого грунта на разрыв.

Между числом ударов «С» динамического плотнометра ДорНИИ и прочность мёрзлого грунта на разрыв ар существует нелинейная зависимость (см. формулу 1).

Подставляя выражение (1) в зависимость (9), получим:

РПых=0У 04С+0, ООО 1С2.

Анализируя сказанное выше, можно прийти к заключению, что время приложения газодинамического импульса, при котором происходит разрушение грунта, может быть подсчитано при замене Ркр на Ррых.

Р

Р

£ =

Р

пых

0,04С + 0,0001С

2 '

Тогда формула (5) примет вид:

/

Р

\

Кст ~ С]

\

0,004С+ 0,0001С2

к-] 2 к

-1

п

Подставляя в формулу (12) известные величины, получим:

\ 0,143

-1

1

/

Р

0,004С +0,0001С

J

^______ _____ у у

= 0,42//,^ 7,'

ВЫВОДЫ

1. Выведено приближённое уравнение для определения продолжительности разрушающего действия газодинамического импульса в зависимости от прочностных характеристик мёрзлого грунта, приведённой длины рабочей камеры и начальных параметров сжатого воздуха (давления и температуры).

2. С увеличением объёма рабочей камеры, избыточного давления в ней и уменьшением времени истечения <Иист» из рабочей камеры будет увеличиваться мощность газового импульса, то есть будет возрастать величина подводимой работы сжатого воздуха в единицу времени.

3. Высокая эффективность разрушения мёрзлого грунта газовым импульсом достигается за счёт того, что при высоких скоростях нагруже-ния массива последний разрушается хрупко с

доминирующим процессом трещинообразова-ния. При этом рабочее тело, которым является сжатый воздух высокого давления, действует на берега лидирующих трещин, способствуя росту последних. Поскольку наиболее энергоёмкой фазой процесса является начальный момент взаимодействия рабочего органа с грунтом, соответствующий зарождению и страгиванию трещин, а поддержание развития трещин требует меньшего усилия, то расширение сжатого воздуха приводит к расклиниванию трещин, интенсивному процессу трещинообразования, определяя тем самым низкую удельную энергоёмкость процесса разрушения.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. A.c. 1421012 СССР, МКИ E02F5/32, Е21С 37/14. Рыхлитель газодинамического действия /В. С. Ивкин (СССР). - №4095259/03; заявл. 16.07.86; опубл. 10.05.99. БИ №13. - 7 с.

2. Пат. №2004710 С1 Российская Федерация МПК 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-^6. - 14 с.

3. Пат. №2052032 С1 Российская Федерация, МПК E02F5/32 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.

4. Пат. №2209891 Российская Федерация, МГ1К 7Е 02F5/32 Газодинамический рыхлитель /Ивкин B.C. заявитель и патентообладатель Ульян, гос. техн. ун-т. - №2002110492/03; заявл. 19.04.2002; опубл. 10.08.2003. Бюл. №22. - 12 с.

5. Пат. №2231601 Российская Федерация, МПК 7Е 02F5/30 Газодинамический рыхлитель /Ивкин В. С., Щелыкалин В. С. заявитель и патентообладатель Ульян, гос. техн. ун-т. -№2003108241/03; заявл. 25.03.2003; опубл. 27.06.2004. Бюл. №18.-16 с.

6. Пат. №2236514 Российская Федерация, МПК 7Е 02F5/32 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.

7. Пат. №2244784 Российская Федерация, МПК 7Е 02F5/32 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.

8. Пат. №2252989 Российская Федерация, МПК Е02Р5/32. Устройство для разрушения прочных и мёрзлых 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.

9. Пат. №2256751 Российская Федерация, МПК Е02Р5/32. Устройство для разрушения прочных и мёрзлых 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.

10. 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.

11. Зеленин, А. Н. Машины для земляных работ: учеб. пособие для вузов/ А. Н. Зеленин, В. И. Баловнев, И. П. Керров. - М. : Машиностроение, 1975. - 424 с.

12. Цытович Н. А. Механика мёрзлых грунтов: учеб. пособие/ Н. А. Цытович. - М. :Высш. школа, 1973.-448 с.

13. О классификации грунтов по физико-механическим характеристикам / В. П. Фоми-чев// Строительные и дорожные машины. -1971,-№4.-С. 19-20.

14. Абрамович, Г. Н. Прикладная газовая динамика/ Г. Н. Абрамович. - 3-е изд. - М. : Наука, 1969.-824 с.

15. К вопросу истечения из резервуара постоянного объема/ М. И. Рабинович // Труды института теплоэнергетики АН УССР. -1952. -№8. -С. 201-214.

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. Ивкин Валерий Семёнович, кандидат технических наук, доцент кафедры «Строительные конструкции» УлГТУ. Имеет учебные пособия и статьи, изобретения и патенты в области механизации строительных работ. Кочетова Елена Владимировна, студентка 5 курса строительного факультета УлГТУ.