Изменение глубины рыхления мёрзлого грунта газодинамическим рыхлителем в зависимости от времени действия газового импульса

СТРОИТЕЛЬСТВО

УДК 624.139

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

ИЗМЕНЕНИЕ ГЛУБИНЫ РЫХЛЕНИЯ МЁРЗЛОГО ГРУНТА ГАЗОДИНАМИЧЕСКИМ РЫХЛИТЕЛЕМ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ВРЕМЕНИ ДЕЙСТВИЯ ГАЗОВОГО ИМПУЛЬСА

При проведении полевых испытаний моделей рабочих органов газодинамических рыхлителей было установлено, что с увеличением объёма рабочей камеры или избыточного давления сжатого воздуха в ней и увеличением площади сечения выхлопного устройства будет увеличиваться глубина рыхления мёрзлого грунта.

Физическая модель - это материально реализованная система, которая способна замещать создаваемую конструкцию машины или наиболее существенную её часть так, что изучение модели даёт необходимую информацию о новой ещё не существующей машине на стадии проектирования или на стадии создания нового патентного решения.

Масштабные физические модели обретают основные черты изучаемого процесса, они чувствительны к характеристикам, определяющим ход прогресса, и в то о/се время гораздо проще, чем конструкция создаваемой машины.

Ключевые слова: время, газовый импульс, избыточное давление, рабочая камера, выхлопное устройство, глубина рыхления.

Разработка мёрзлых грунтов отличается широким разнообразием методов производства, постоянно возрастающими объёмами, высокой энергоемкостью 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, 3,4, 5, 6, 7, 8,9, 10].

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 увели-

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

чения массы и мощности оазовои машины.

Газодинамические рыхлители являются наиболее простыми по конструкции, обеспечивающими комбинирование механического и газодинамического методов воздействия на мёрзлый грунт [1,2, 3,4, 5, 6, 7, 8, 9, 10].

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 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.

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 фунтов газовым импульсом, так как увеличивается поверхность грунта, непосредственно воспринимающая воздействие газового импульса.

Рыхление мёрзлого грунта выполнялось в полевых условиях на моделях рабочих органов газодинамических рыхлителей при отсутствии заранее подготовленного забоя.

При проведении полевых испытаний было установлено, что с увеличением объёма рабочей камеры или с увеличением избыточного давления сжатого воздуха в ней и увеличением площади сечения выхлопного устройства будет увеличиваться глубина рыхления мёрзлого грунта (см. таблицу 1).

Время разрыхляющего действия газового импульса определялось по формуле

/ -С

1 ист ^ I

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

Р~,

Б -

рых

где Р - избыточное давление сжатого воздуха в рабочей камере;

Ррых - прочность мёрзлого грунта на разрыв; к =1,41 - показатель адиабаты для воздуха;

Т1,?- температура сжатого воздуха в рабочей камере, К;

2п - приведённая длина рабочей камеры.

V

2„=-,

где V- объём рабочей камеры;

¥\ - площадь сечения выхлопного устройства. Физическая модель способна замещать создаваемую конструкцию машины или наиболее существенную её часть так, что изучение модели

даёт необходимую информацию о новой ещё не существующей машине на стадии проектирования или создания нового патентного решения. Масштабные физические модели отражают основные черты изучаемого процесса, они чувствительны к характеристикам, определяющим ход процесса, и в то же время гораздо проще, чем создаваемая машина.

При моделировании оборудования газодинамического рыхлителя трансформируется до удобных, меньших размеров, чем размеры реальной машины.

При этом исследования должны проводиться на мёрзлом грунте в условиях, соответствующих производственным, путём геометрического моделирования рабочего органа с коэффициентом геометрического подобия (масштабом моделирования):

К — ^пн ;

о

I

ом

где 1рн - линейный размер натурального образца;

1т ~ линейный размер модели.

Расчёт величины линейного размера модели рабочего органа является важным вопросом, решение которого непосредственно связано с точностью и экономическими показателями физического моделирования. Увеличение размеров исследуемых моделей обычно связано с увеличением стоимости их испытаний. Однако уменьшение геометрических размеров модели имеет границу, определяемую главным образом:

а) структурной неоднородностью грунта;

б) точностью измерительной аппаратуры и методов измерения изучаемых параметров.

Линейный размер модели устанавливался по предельно допустимому объёму грунта, взаимодействующего с рабочим оборудованием газодинамического рыхлителя, в котором сохраняются все свойства разрабатываемой среды, и обосновывался положением, что при числе компонентов, составляющих грунт, т>400 вероятность того, что в данном объёме содержится характерное количество определяющих структуру компонентов, близка к достоверности с вероятностью 0,98. Тогда искомый объём грунта может быть установлен по формуле [11]:

V >

гр ~

400-^ з

ФР

Здесь 400 = т - общее число отдельных компонентов, составляющих элементарный объём грунта;

с1фр - максимальный линейный размер минеральной фракции.

После преобразования получим:

Угр > 200 • й\р

Таблица 1

Изменение глубины рыхления мёрзлого грунта газодинамическим рыхлителем в зависимости

от времени действия газового импульса

№ п.п. Характеристика фунта Приведённая длина рабочей камеры , у ¿„ — , М Ъ Избыточное давление в рабочей камере, кгс/см2 Время разрыхляющего действия газового импульса « ¡ист», С Глубина рыхления Нр, мм

1 2 3 4 5 6

Параметры модели рабочего органа: диаметр разрядной втулки 0=42 мм; площадь сечения выхлопного устройства Р|=214,4 мм2; объём рабочей камеры У=3,8 л

1. Тяжёлый суглинок Ж=33%; у=1,7 г/см3; С=99; ор=5 кгс/см2; 1гр= -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%; 7=1,7 г/см3; С=137; ар=7,4 кгс/см2; Ц= -6°С 17,7 225 0,51 275

200 0,49 260

175 0,46 250

150 0,43 240

3. Тяжёлый суглинок И/=27%; 7=1,7 г/см3; С=205; ор= 12,4 кгс/см2; Ц=-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%; 7=1,7 г/см3; С=278; ор= 18,9 кгс/см2; 1ф=-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 разрядной втулки 0=42 мм; площадь сечения выхлопного устройства Р]=214,4 мм2; объём рабочей камеры У=2,3 л

5. Тяжёлый суглинок Ж=33%; 7=1,7 г/см3; С=99; ор=5 кгс/см2; 1ф= -3°С 10,7 225 0,36 260

200 0,34 250

175 0,33 240

150 0,31 230

6. Тяжёлый суглинок №=33%; 7=1,7 г/см3; С= 137; ор=7,4 кгс/см2; Ц= -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%; 7=1,7 г/см3; С=205; ор=12,4кгс/см2; Ц=-11°С 10,7 225 0,12 215

200 0,10 210

175 0,09 200

150 0,075 185

8. Тяжёлый суглинок Ж=27%; 7=1,7 г/см3; С=278; ор=18,9кгс/см2; 1ф=-15°С 10,7 225 0,075 200

200 0,066 190

175 0,058 180

150 0,05 170

Окончание табл. 1

1 2 3 4 5 6

Параметры модели рабочего органа: диаметр разрядной втулки 0=42 мм; площадь сечения выхлопного устройства Р|=100,5 мм2; объём рабочей камеры У=2,2 л

9. Тяжёлый суглинок 1¥=33%; у=1,7 г/см3; С=99; ор=5 кгс/см2; Ц= -3°С 21,9 225 0,73 230

200 0,7 220

175 0,67 200

150 0,63 190

10. Тяжёлый суглинок Ж=33%; 7=1,7 г/см3; С= 137; ар=7,4кгс/см2; 1ф= -6°С 21,9 225 0,65 210

200 0,62 200

175 0,58 190

150 0,54 175

11. Тяжёлый суглинок Ж=27%; 7=1,7 г/см3; С=205; ар=12,4кгс/см2; Ц=-11°С 21,9 225 0,52 180

200 0,49 175

175 0,47 170

150 0,43 160

12. Тяжёлый суглинок Ж=27%; 7=1,7 г/см3; С=278; ор=18,9кгс/см2; Ц=-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 разрядной втулки 0=21 мм; площадь сечения выхлопного устройства Р\=26 мм2; объём рабочей камеры У=0,65 л

13. Тяжёлый суглинок 33%; 7=1,7 г/см3; С=99; сгр=5 кгс/см2; -3°С 21,9 225 0,84 150

200 0,8 140

175 0,76 130

150 0,72 120

14. Тяжёлый суглинок Ж=33%; 7=1,7 г/см3; С=57; сгр=2,6кгс/см2; -1°С 21,9 225 4,02 170

200 0,99 160

175 0,96 150

150 0,91 140

Если объём грунта, взаимодействующий с моделью, превышает величину 200е?фР, то следует ожидать соблюдения подобия систем «среда -рабочее оборудование» [11].

Это накладывает ограничение на величину масштаба моделируемой системы, так как минимальный линейный размер модели рабочего оборудования должен определяться из условия минимально допустимого объёма грунта, взаимодействующего с рабочим органом. При разрушении мёрзлого грунта газодинамическим рыхлителем минимальный объём разрушаемого грунта приблизительно равнялся:

V

ПИП

¿Р

/ч/

40-й

ш >

где с!ш - диаметр штанги рабочего оборудования.

Сопоставив выражения (6) и (7), получим значение минимального размера диаметра модели штанги рабочего оборудования:

40 •

Коэффициент линейного уменьшения модели Кс может быть установлен из зависимости (4):

К0<-^.

^Фр

Здесь с1ш„ - диаметр штанги рыхлителя оригинала, который у опытно-экспериментального образца рыхлителя был равен 86 мм.

Зададимся максимальным линейным размером минеральной фракции грунта (1фР- 10 мм.

К„< 5 .

Тогда коэффициент линейного уменьшения модели из зависимости (9) будет равен:

Минимально допустимый масштаб модели рабочего органа для наших условий экспериментов определится из выражения (II):

М0 < 1,7

Шн

ФР

1

> -5

ВЫВОДЫ

При масштабном моделировании и проведении исследований в естественных грунтовых условиях мы имеем полноценный эксперимент, обеспечивающий получение объективных данных, анализ результатов которых позволяет своевременно внести изменения в конструкцию проектируемого рыхлителя. Важно воспользоваться методом приближенного моделирования, позволяющим исследовать масштабные модели в природных грунтовых условиях, в которых будет работать новая конструкция газодинамического рыхлителя.

Метод подобия и моделирования, как и любой другой аппарат исследования, оказывается наиболее эффективным только тогда, когда сочетается с глубокими экспериментальными и аналитическими исследованиями механизма изучаемого явления. Соблюдение всех условий физического подобия при изучении сложных явлений разрушения грунта газодинамическим рыхлителем практически невыполнимо.

Поэтому при моделировании одним из главных вопросов является решение задач, связанных с приближённым моделированием. В первую очередь требуется выявить все несущественные параметры для данных условий рыхления мёрзлого грунта, которыми можно будет пренебречь без ущерба для точности экспериментов.

При проектировании машины с новым рабочим оборудованием, а также для проверки патентных решений в условиях, близких к эксплуатационным, метод физического моделирования является по существу единственным, позволяющим в короткие сроки экспериментально установить оптимальные значения параметров рабочего оборудования до изготовления новой конструкции рыхлителя в металле.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. А. с. 1421012 СССР, МКИ Е02Р5/32, 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 Р5/32. 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.

3. Пат. №2052032 С1 Российская Федерация, МПК Е02Р5/32 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, МПК 7Е 02Г5/32 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.

5. Пат. №2231601 Российская Федерация, МПК 7Е 02Р5/30 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 02Р5/32 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 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.

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.

! 1. Баловнев, В. И. Моделирование процессов взаимодействия со средой рабочих органов дорожно-строительных машин : учеб. пособие/ В. И. Баловнев. - М. : Машиностроение, 1994. -432 с.

©©©©ООООФООО*©©»©©©«

Ивкин Валерий Семенович, 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.

Максимов Сергей Валентиновичу доктор технических наук, заведующий кафедрой «Строительное производство и материалы» УлГТУ. Имеет монографии, учебник; учебные пособия и статьи, изобретения и патенты в области строительных материалов.