Исследование внедрения рабочего органа газодинамического рыхлителя в мёрзлый грунт

УДК 624.139

И. Ф. Дьяков, д-р техн. наук, проф., В. С. Ивкин, канд. техн. наук, доц. ИССЛЕДОВАНИЕ ВНЕДРЕНИЯ РАБОЧЕГО ОРГАНА ГАЗОДИНАМИЧЕСКОГО РЫХЛИТЕЛЯ В МЁРЗЛЫЙ ГРУНТ

Установлено, что процесс взаимодействия рабочего органа газодинамического рыхлителя с мерзлым грунтом при завинчивании основан на использовании свойств уплотняемости мерзлых грунтов. Уплотнение грунта происходит в результате разрушения цементирующих связей (лед-цемент) между минеральными частицами за счет перекомпоновки минеральных частиц при их более компактном размещении и перемещения этих частиц в массив ненарушенного грунта в осевом и радиальном направлениях. Были выведены уравнения для определения крутящих моментов и работ, затрачиваемых на завинчивание, в зависимости от изменения геометрии погружаемых в грунт элементов рыхлителя. Глубина рыхления зависит от приведенной работы газового импульса, от числа обнаженных поверхностей и от прочностных характеристик мерзлого грунта.

В отличие от горных пород и бетонов, характеризующихся высокой прочностью связей, сплошностью среды, малой деформируемостью и водонепроницаемостью, мёрзлые грунты обладают квазиуп-руговязкопластичными свойствами.

Мёрзлый грунт представляет собой сложную неоднородную по структуре и физико-механическим характеристикам среду с сильно развитой дефектностью.

По мнению проф. Н. А. Цытовича [1], основными компонентами мерзлых грунтов являются: твердые минеральные частицы, вязкопластичные включения льда, жидкая незамерзшая и прочностносвязная вода и газообразные включения.

Предел прочности на сжатие мерзлых грунтов зависит от температуры и обычно колеблется от 10,0 до 30,0 МПа, что превышает, в частности, прочность крепких углей и равноценно по прочности строительному бетону.

Цементационная способность льда вызывает новые свойства мерзлых грунтов, отличные от талых грунтов: повышенную абразивность и высокую механическую прочность, в десятки и сотни раз превышающую прочностные свойства талых грунтов. Сезонно-мерзлые грунты охватывают 90 % территории России и имеют глубину залегания 0,8.. .2,5 м в течение зимнего периода. Мерзлые грунты относятся к классу грунтов без жестких структурных связей (класс нескальных грун-

тов), и высокие физико-механи-ческие свойства объясняются и определяются как содержанием воды, так и ее фазовым составом, т. е. температурой.

Н. А. Цытович, исследуя деформации уплотнения мёрзлых грунтов, установил, что уплотнение мерзлых грунтов является сложным физикомеханическим процессом. В процессе уплотнения происходит разрушение цементирующих связей льда-цемента, перекомпоновка и перемещение минеральных частиц из более напряженной зоны в массив ненарушенного грунта.

При создании новой конструкции газодинамического рыхлителя [2.7] были учтены свойства уплотняемости мерзлых грунтов под нагрузкой, что позволило погружать рабочее оборудование не за счет дробления и транспортирования грунта на поверхность, а путем его уплотнения штанговым исполнительным органом в осевом и радиальном направлениях.

Условно весь процесс взаимодействия рабочего оборудования с мерзлым грунтом при завинчивании можно разбить на четыре этапа (рис. 1).

На первом этапе под воздействием напорного усилия Рн и крутящего момента Мкр происходит завинчивание за-ходной части винтового наконечника в грунт (рис. 1, а).

III этап

IV этап

Рис. 1. Изменения зон уплотнения грунта в зависимости от глубины завинчивания рыхлителя

Поскольку прочность связей между частицами грунта значительно ниже прочности минеральных частиц, то уплотнение грунта происходит за счет разрушения цементирующих связей (льда-цемента), перекомпоновки минеральных частиц и ликвидации пустот.

Первый этап сопровождается также выпиранием (сколом) верхнего слоя мерзлого грунта, прилегающего к погружаемой части винтового наконечника. Заканчивается первый этап при полном погружении в грунт заходной части винтового наконечника.

Работа, затраченная на завинчивание в грунт заходной части винтового наконечника, определяется по формуле

ф=2яп1

А1 = ГМхйф,

ф=0

где (р1 - угол поворота рабочего оборудования; п1 - число витков на заходной части винтового наконечника; М1 - крутящий момент, который необходимо приложить к рабочему оборудованию.

М1 = Кр  К,1  О “*2,

где Кг* - коэффициент неоднородности грунта; Кф1 - коэффициент сопротивления завинчиванию заходной части винтового наконечника.

Кф1= кур.ф^г2,

где Кгурд - коэффициент удельного сопротивления завинчиванию.

Подставив в формулу (1) значения крутящего момента М1 (уравнение (2)), коэффициента сопротивления за-

винчиванию заходной части винтового наконечника Кф1 (уравнение (3)) и произведя решение определенного интеграла, получим:

А,= 2л;, К-,р Кур Б^'3/

Второй этап связан с погружением в грунт цилиндрической части винтового наконечника (рис. 1, б).

Увеличение крутящего момента на этом этапе вызвано ростом сил трения (рис. 2).

М,

кр

Нзав ^

Рис. 2. Изменения крутящего момента Мкр в зависимости от глубины завинчивания Нзав рыхлителя в мерзлый грунт

Второй этап характеризуется еще и тем, что дальнейшее затягивание винтового наконечника в грунт становится возможным за счет действия только крутящего момента. Приложение напорного усилия необязательно.

М2 = К? К-’О'3.

Величина работы А2 определится из уравнения:

А2 = М2

где ф2 - угол поворота рабочего оборудования, соответствующий полному погружению цилиндрической части винтового наконечника, ф2 = 2пп2; п2 - число витков на заходной и цилиндрической частях винтового наконечника.

В окончательном виде уравнение для определения работы А2 запишется так:

А2 = 2п

Третий этап включает в себя погружение в грунт большого конуса винтового наконечника и сопровождается вновь значительным приростом сил сопротивления завинчиванию (см. рис. 1, в).

Причиной является то, что средний путь перемещения грунтовых частиц при погружении большого конуса будет больше и, следовательно, работу нужно затратить большую, чем при завинчивании заходной и цилиндрической частей винтового наконечника.

На третьем этапе будет происходить дальнейший рост зоны уплотнения грунта, что сопряжено с дополнительным разрушением цементирующих связей (льда-цемента) и перекомпоновкой минеральных частиц. На этом этапе возможно также дальнейшее увеличение (по сравнению с первым этапом) зоны выпирания (скола) верхнего слоя грунта, прилегающего к погружаемой части винтового наконечника.

Работа, затрачиваемая на погружение в грунт большой конусной части винтового наконечника, определится из уравнения:

ф3 = 2п

A3 = |M3 • dф,

V} =0

где V - угол поворота рабочего оборудования, необходимый для завинчивания в грунт большой конусной части винтового наконечника; побщ - общее количество витков на винтовом наконечнике; М3 -крутящий момент, который необходимо

К ПР = 0,628(1 - К а )-(1 + К 2)-(1 + /2) х

Х (побщ - 0,5п0&- (в+ргр )/

/(К,- (р + 2)-(4,25- К )>'*‘х

х[1 + 0,5"+' -

Принимаем: К = 0,4; К = 0,8;

Ш = 1,5; = 0,6; / = 0,12.

Подставив в формулу (8) значения крутящего момента М3 (уравнение (9)), коэффициента Кф3 (уравнение (10)) и произведя решение определенного интеграла, получим:

А} = 2 71(п,_щ - пг )К Т-Ку’-КПр- Ор*3/

/

Четвертый этап связан с окончательным погружением рыхлителя на расчетную глубину рыхления.

Работу А4 можно вычислить следующим образом:

приложить к рабочему оборудованию для завинчивания в грунт большой конусной части винтового наконечника.

М3 = К гр-Кф -Ом+\

3 н фз ’ V /

где Кф3 - коэффициент сопротивления завинчиванию большой конусной части винтового наконечника.

КфЗ = К1 • кпр • V /2п

где КПРР - коэффициент предельного сопротивления завинчиванию (табл. 1).

А4 = М4 •фр ,

где М4 - крутящий момент, который необходимо приложить к рабочему оборудованию для окончательного завинчивания рыхлителя на расчетную глубину рыхления,

М4 = к нр-куд-кпр • о"+3;

фр - угол поворота рабочего оборудования, необходимый для завинчивания рыхлителя на глубину Нр,

фр = [2п

где , - шаг винтовой лопасти; Ьр - расстояние от винтовой лопасти до выхлопных отверстий; Нр - глубина рыхления.

В окончательном виде работа А4 запишется так:

А4 = [2п

Табл. 1. Значения коэффициента предельного сопротивления завинчиванию

^ К1 П2 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0

р и о 2,66 3,72 4,79 5,85 6,92

р = 0,25 2,07 2,83 3,72 4,55 5,38

Р = 0,5 1,63 2,3 2,94 3,6 4,26

р = 0,75 1,3 1,83 2,3 2,82 3,38

Р = 1,0 1,05 1,47 1,88 2,3 2,72

Суммарная работа, затраченная на завинчивание рыхлителя, определяется по формуле

Азав = А1 + А2 + А3 + А4 .

Одновременно с завинчиванием рыхлителя в грунт происходит заполнение рабочей камеры сжатым воздухом высокого давления для газодинамического разрушения грунта. Высокая эффективность процесса разрушения мерзлых грунтов газодинамическим рыхлителем [2.7] достигается за счет комбинированного воздействия рабочего оборудования

на среду: механического, заключающегося в создании напряженного состояния и образовании начальных трещин в зоне выхлопных отверстий при завинчивании рыхлителя в грунт, и пневматического, заключающегося в поршневом, расклинивающем действии газов на начальные трещины, что способствует дальнейшему раскрытию трещин и отделению грунта от массива. Зависимость глубины рыхления мерзлого грунта Нр газодинамическим рыхлителем от приведенной работы газового импульса Апр приведена на рис. 3.

100

Нр

0 0,8-102 1,6 102 2,4-102 3,2-102 4,0-102 4,8-102 кДж 6,4-102

Ап

Рис. 3. Зависимость глубины рыхления от приведенной работы газодинамического импульса

Мерзлый грунт представляет неоднородную среду, вследствие чего в нем всегда имеются микродефекты, которые являются местами зарождения микротрещин. Причем степень их раскрытия, т.е. степень развития сети трещин при конечной скорости их движения, будет определена продолжительностью существования напряженного состояния и начальными размерами трещин. В нашем случае длительность напряженного состояния или длительность импульса нагружения долж-

на быть равна времени полного раскрытия основных лидерных трещин, что, в свою очередь, определяется расходом воздуха через выхлопные отверстия.

Образующиеся в процессе завинчивания в грунте надрезы от винтовой лопасти являются концентратами напряжений. Поэтому разрушение в начальной фазе происходит в результате увеличения размеров трещин в основании надрезов от винтовой лопасти рыхлителя. В дальнейшем происходит час-

тичная переориентация направления развития трещин и раскрытие их в направлении подвижки грунта. Этот факт переориентации трещин находится в соответствии с положением теории трещин, согласно которому направление движения трещины в неоднородном поле растягивающих напряжений происходит в направлении градиента растягивающих напряжений, а поскольку растягивающие напряжения действуют в сторону подвижки грунта больше, чем напряжения в сторону безграничного массива, то это вызывает переориентацию трещин.

В связи с тем, что взаимодействие рабочего органа с мерзлым грунтом в процессе завинчивания и рыхления представляет собой комплекс сложных явлений, характеризующихся наличием большого количества взаимосвязанных величин, строгое теоретическое исследование представляет задачу значительной трудности. Поэтому, для достижения поставленной цели решение велось по результатам экспериментальных исследований.

На эффективность работы рыхлителя значительное влияние оказывают следующие параметры.

1. Геометрические параметры рабочего оборудования: диаметр штанги, площадь проходного сечения рабочего органа, диаметр винтовой лопасти, количество и диаметр выхлопных отверстий.

2. Физико-механические свойства грунта.

3. Работа газодинамического импульса.

Экспериментальные исследования показали, что глубина рыхления зависит от приведенной работы газового импульса и прочностных характеристик грунта (см. рис. 3).

При постоянной емкости рабочей камеры и давления в ней с изменением площади проходного сечения будет меняться и время истечения, а следовательно, и мощность газового импульса.

Для сравнения работы экспериментальных образцов газодинамических рых-

лителей введем понятие приведенной работы газового импульса.

А = Агаз Апр = К

КЫ

где Агаз - работа, совершаемая сжатым воздухом при адиабатическом расширении и идущая на разрушение грунта.

Аг

Р-У

к -1

1 -

к-1 (Рх Л к

V Р J

где Р - давление сжатого воздуха в рабочей камере; Р1 - конечное давление расширяющегося воздуха; к - показатель адиабаты, к = 1,41.

Длительность процесса разрушения мерзлого грунта импульсом высокого давления будет меньше времени истечения газа из рабочей камеры, т. к. традиционные газоимпульсные устройства работают в режиме полной разрядки в атмосферу. Часть энергии импульса после окончания фазы разрушения рассеивается в атмосферу. Возникает необходимость регулирования времени, в течение которого рабочая камера сообщена с выхлопными отверстиями. Однако такая постановка вопроса является упрощенной в связи с тем, что продолжительность процесса разрушения, определяемая реальными грунтовыми условиями, величина непостоянная и может изменяться в зависимости от их изменения.

Все перечисленные факторы усложняют проведение точной оценки продолжительности фазы разрушения, а в отдельных случаях, например при наличии трещин и пустот в грунте, полностью исключают возможность правильного определения этого параметра.

На всем протяжении цикла разрушения мерзлого грунта скорость истечения газа из выхлопных отверстий рабочего органа является переменной величиной и является функцией противодавления той среды, в которую происходит истечение. На фазе раскрытия

трещин противодавлением среды является давление в образующейся перед выхлопными отверстиями полости в грунте, которое в общем случае не является постоянной величиной. Оно изменяется от максимального значения, равного в момент формирования полости разрушения давлению в рабочей камере Р, до минимального значения, равного пределу прочности грунта на растяжение аР в момент выхода лидерных трещин на поверхность разрушаемого массива.

Правильно подобранная жесткость пружины, фиксирующая положение нормально-закрытого клапана, позволяет снизить непроизводительные утечки газа при работе газодинамического рыхлителя.

Аккумулированная в рабочей камере энергия газа при взаимодействии с грунтом затрачивается:

1) на разрушение грунта и сопровождается падением давления в рабочей камере от Р до оР;

2) на частичную фильтрацию газа из рабочей камеры через раскрывающиеся трещины в грунте, которая сопровождается падением давления в рабочей камере от оР до остаточного давления Рост.

Величина остаточного давления Рост в рабочей камере определяется моментом срабатывания клапана на закрытие и характеризует остаточную энергию газа в рабочей камере. Поэтому в формуле (19) следует принять Р1 = Рост.

Величина остаточного давления в рабочей камере контролируется оператором по показаниям манометра. Остаточное давление воздуха при разрядке рабочей камеры газодинамического рыхлителя всегда выше атмосферного. Поэтому мы будем иметь экономию аккумулированной в рабочей камере рыхлителя энергии сжатого воздуха.

В формуле (18) коэффициент Кы учитывает изменение мощности газового импульса для рабочих органов или масштабных моделей рабочих, площади проходных сечений которых отличаются от эталонной площади.

F

т/' эт

кы =

Fф

факт

где ¥эт - площадь проходного сечения рабочего органа, принятого за эталон, ¥эт = 214,4 мм2; ¥факт - фактическая площадь проходного сечения рабочего органа или масштабной модели рабочего органа.

Площадь проходного сечения рабочего органа газодинамического рыхлителя зависит от внутреннего диаметра седла клапанного механизма и диаметра трубки, подводящей сжатый воздух в камеру управления и отводящей сжатый воздух из камеры управления.

F,

факт

4

4

где ёс - внутренний диаметр седла клапанного механизма газодинамического рыхлителя; ётр - наружный диаметр трубки, подводящей сжатый воздух в камеру управления и отводящей воздух из камеры управления.

По результатам экспериментальных исследований был построен график зависимости глубины рыхления (с максимальным объемом разрушения) от приведенной работы газового импульса. Рыхление грунта проводилось без заранее подготовленного забоя, с поверхности, когда имелась только одна свободная поверхность, на которую выбрасывался грунт из воронки разрушения (см. рис. 3). Прочностные характеристики грунта замерялись динамическим плотномером ДорНИИ, определялось число ударов «С».

На рис. 3 имеются два характерных участка: криволинейный и близкий к прямолинейному.

При малых величинах приведенных работ газодинамического импульса глубина рыхления определяется по криволинейному участку графика, который в общем виде может быть описан уравнением:

г (

К -К гр -I аА + сА2 + вА3

нкр _ н а уд V пр пр пРJ (22) р ~ 0 + к б Л ’

об

где н 0 - наименьшая глубина от выхлопных отверстий до дневной (свободной) поверхности, при которой начинает-

г

ся рыхление грунта; к гр - коэффициент,

уд

определяющий удельную сопротивляемость мерзлых грунтов разрушению в

зависимости от температуры; К - ко-

а

эффициент, характеризующий снижение приведенной работы на разрушение мерзлых грунтов, при влажности, отличной от полной естественной влагоемко-сти; К - коэффициент, учитывающий

об

количество обнаженных поверхностей (Кб = 1,0 - при рыхлении грунта с поверхности; К = 0,7 - при рыхлении

об

грунта в заранее подготовленный забой); а, с, в - коэффициенты, характеризующие характер изменения кривой криволинейного участка графика (см. рис. 3).

Н о =(1,0 2,0)),

где В - диаметр винтовой лопасти газодинамического рыхлителя.

При глубине Н0 наблюдалось явление «прострела» грунта, которое заключалось в том, что сжатый воздух успевал истекать из разрядной втулки, не производя рыхления, или вышибалась земляная пробка диаметром, приблизительно равным диаметру винтовой лопасти газодинамического рыхлителя.

Если в уравнении (22) принять

г

К гр = 1,0; К =1,0; К = 1,0, то полу-

уд ю об

чим уравнение кубической параболы:

Н = Н + аА + еА2 + вА3 .

^ Г\ пр пр пр \ /

0

Коэффициенты а, с, в были найдены после составления и решения трех урав-

нений типа (24): а = 5,8; с = - 0,16; в = 0,0015. При этом принималось: Апр - переменная величина; Н0 = 90 мм.

После подстановки в уравнение (22) цифровых значений коэффициентов а, с, в получим:

(

Нкр = я +

К К гр ю уд

К К гр I 5,8А -

ю уд ^ пр

- 0,16 А2р + 0,0015 А3пр

))) / Коб.

Глубина рыхления на втором участке графика (см. рис. 3) может быть определена из уравнения:

г

к -к

гр

А

Нкр = Н +-^ р 0

уд пр

К

об

где п - показатель степени, определяющий форму степенного слагаемого данной кривой, п = 0,5.

В ходе экспериментов было установлено, что при рыхлении грунта в забой объем разрушения имеет максимальное значение, если рабочий орган от стенки забоя установлен на расстоянии

I, =(1,1 + 1,2)Н,

где Н - глубина рыхления.

При расстоянии рабочего органа до стенки забоя I < Н объем разрушения

уменьшался. В этом случае увеличивалась дальность отброса грунта в сторону открытой стенки забоя. При расстоянии 1р _ (1,5 г 1,8)н наблюдался откол крупных глыб-негабаритов.

В процессе проведения экспериментальных исследований также было установлено, что при рыхлении на одинаковую глубину и в аналогичных грунтовых условиях (равные прочность, влажность, объемная масса, гранулометрический состав и др.) существует зависимость между величинами давления, которые необходимы для рыхления грунта в забой и с поверхности:

г

г

Рс.п.= 1,3Рзаб ,

где Рсп - избыточное давление в рабочей камере, которое необходимо для рыхления грунта с поверхности; Рзаб - избыточное

давление в рабочей камере, которое необходимо для рыхления грунта в забой.

Рыхлители применяются, как правило, для разработки грунтов настолько прочных, что они не могут разрабатываться непосредственно землеройными машинами общего назначения. Предварительное рыхление таких грунтов дает преимущество в производительности, которое покрывает затраты на рыхление. Этим определяется отнесение рыхлителей к категории машин для специальных земляных работ, которые понижают трудность разработки мерзлых грунтов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

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

2. Пат. 2209891 РФ, МПК7 Е 02 F 5/32. Газодинамический рыхлитель / В. С. Ивкин ; заявитель и патентообладатель Ульян. гос. техн. ун-т. -

№ 2002110492/03 ; заявл. 19.04.02 ; опубл. 10.08.03, Бюл. № 22. - 12 с.

3. Пат. 2231601 РФ, МПК7 Е 02 F 5/30. Газодинамический рыхлитель / В. С. Ивкин, В. С. Щелыкалин ; заявитель и патентообладатель Ульян. гос. техн. ун-т. - № 2003108241/03 ; заявл. 25.03.03 ; опубл. 27.06.04, Бюл. № 18. -16 с.

4. Пат. 2236514 РФ, МПК7 Е 02 F 5/32. Газодинамический рыхлитель / В. С. Ивкин, Е. К. Кузьмин ; заявитель и патентообладатель Ульян. гос. техн. ун-т. - № 2003116529/03 ; заявл. 03.06.03 ; опубл. 20.09.04, Бюл. № 26. - 15 с.

5. Пат. 2244784 РФ, МПК7 Е 02 F 5/32. Газодинамический рыхлитель / В. С. Ивкин, Е. К. Кузьмин ; заявитель и патентообладатель Ульян. гос. техн. ун-т. - № 2003130251/03 ; заявл. 10.10.03 ; опубл. 20.01.05, Бюл. № 2. - 11 с.

6. Пат. 2252989 РФ, МПК7 Е 02 F 5/32. Устройство для разрушения прочных и мёрзлых грунтов / В. С. Ивкин, В. В. Морозов ; заявитель и патентообладатель Ульян. гос. техн. ун-т. - № 204106179/03 ; заявл. 02.03.04 ; опубл. 27.05.05, Бюл. № 15. - 12 с.

7. Пат. 2256751 РФ, МПК7 Е 02 F 5/32. Устройство для разрушения прочных и мёрзлых грунтов / В. С. Ивкин, В. В. Морозов ; заявитель и патентообладатель Ульян. гос. техн. ун-т. - № 204112153/03 ; заявл.20.04.04 ; опубл. 20.07.05, Бюл. № 20. - 15 с.

Ульяновский государственный технический университет

Материал поступил 23.04.2006

I. F. Diakov, V. S. Ivkin Investigation of penetration of the working part of a gas-dynamic ripper into frozen ground Ulyanovsk State Technical University

It has been determined that the process of interaction between the working part of a gas-dynamic ripper and frozen ground when screwing is based on use of properties of compatibility of frozen grounds. Ground compaction arises from destruction of cementing bonds (ice-cement) between mineral particles due to rearrangement of mineral particles when they are placed more compactly and due to displacement of these particles to the mass of undisturbed ground in the axial and radial directions. Equations for determination of turning moments and works being expended for screwing depending on change of geometry of ripper elements being immersed into ground has been deduced.