Об эффективности работы газоимпульсного рабочего органа

УДК 629.13

И. Ф. Дьяков, В. С. Ивкин, П. Ю. Волынщиков ОБ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ ГАЗОИМПУЛЬСНОГО РАБОЧЕГО ОРГАНА

Рассматриваются рабочие органы землеройной машины для разработки мерзлого грунта. Приводится конструктивное решение газодинамического устройства циклического действия и принцип его работы. Эффективность рыхления мерзлого грунта во многом определяется работой клапанного механизма, обеспечивающего эффект импульсного воздействия на грунт энергии газа высокого давления. Управление осуществляется посредством нагнетания газа и последующего сброса в атмосферу.

Рабочий орган, газораспределительный узел, процесса рыхления мерзлого грунта, полимерные уплотнители

I. F. Dyakov, V. S. Ivkin, P. Volynschikov ABOUT THE EFFICIENCY OF WORK OF THE GAS-PULSING OPERATIN BODY

Operating bodies of the earth-moving machine for excavation of frozen soil are considered. The constructive solution of the gasdynamic device of cyclic action and the principle of its work is provided. The efficiency of loosening of frozen soil is mainly determined by operating of the valved mechanism which provides the effect of a pulse impact of high-pressure gas energy on soil. Control is exercised by injecting gas and the following discharge to the atmosphere.

Operating body; gas-distributing unit; process of loosening of frozen soil; polymeric compactor

Перспективным направлением повышения эффективности работы землеройных машин является интенсификация их рабочих процессов, то есть использование для рыхления мерзлого грунта дополнительной энергии. Создание новых и активизация традиционных рабочих органов землеройных машин малой и средней мощности в настоящее время является наиболее целесообразным способом интенсификации разрушения высокопрочных мерзлых грунтов. Для таких типов землеройных машин сжатый газ высокого давления может быть получен: путем сжигания топливовоздушной смеси в специальных камерах сгорания; в компрессорных установках. Из опыта создания двигателей были использованы лишь теоретические принципы процесса смесеобразования; из-за больших объемов камер усложняется их запуск, нарушается устойчивая работа при отрицательных температурах; сложность аппаратуры, предназначенной для регулирования конечного давления выхлопа продуктов сгорания топливовоздушной смеси. Для этого необходимо иметь: смесительные устройства с электропневмораспределителями, с датчиками давления и реле времени.

Указанных недостатков лишены устройства, в которых энергоносителем является воздух, сжатый до высоких давлений. В качестве источника энергии используют серийно выпускаемые компрессоры высокого давления, а сами устройства служат: для доставки энергоносителя на расчетную глубину рыхления; для размещения на рыхлителе специального оборудования, обеспечивающего направленный импульсный выпуск газа в грунт. Газораспределительный узел с рабочей камерой и рабочий орган рыхлителя газодинамического действия показаны на рис 1, а и б. Рабочая камера 1 соединена со штангой 2. Внутренняя полость хвостовика 3 также является продолжением рабочей камеры 1. Хвостовик 3 связан с приводным механизмом и вращается в корпусе 4 газораспределительного узла. На корпусе 4 газораспределительного узла имеются два штуцера 5 и 6. Через штуцер 5 и радиальные отверстия в кольце 7 и хвостовике 3 сжатый газ поступает в рабочую камеру 1. В камеру 8 управления перемещением клапана 10 сжатый газ поступает через штуцер 6 и трубку 9. Механизм вращения штанги 2, краны управления с контрольными манометрами на рисунках 1 и 2 не показаны. Винтовая лопасть 15 приварена к конусному наконечнику 16.

На штанге 2, седле 12, газоразрядной втулке 14 и конусном наконечнике 16 имеются шлицевые соединения, которые воспринимают крутящий момент от механизма вращения штанги 2. Между 246

собой штанга 2, седло 12, газоразрядная втулка 14 и конусный наконечник 16 соединяются с помощью соединительный муфт 17. Наружный диаметр соединительных муфт 17 меньше наружного диаметра соединяемых деталей. Такое конструктивное решение позволяет уменьшить трение, возникающее в процессе завинчивания рыхлителя в грунт.

Так как крутящий момент передается через шлицевые соединения, то соединительные муфты 17 не нагружены крутящим моментом, а воспринимают только осевые нагрузки.

Контргайки 18 обеспечивают надежность соединения. Подвижные и неподвижные соединения мерзлоторыхлительного оборудования газоимпульсного действия уплотняются с помощью резиновых, фторопластовых и сальниковых уплотнений.

Рис. 1. Газораспределительный узел с рабочей камерой

Рыхлитель газодинамического действия относится к машинам циклического действия и может монтироваться как сменное оборудование на одноковшовых экскаваторах или иных базовых машинах массового производства. Работа мерзлоторыхлителя разделяется на два этапа: на первом этапе оператор-машинист устанавливает рабочее оборудование на место рыхления, включает механизм привода, и винтовая лопасть 15 начинает ввинчиваться в мерзлый грунт. В процессе завинчивания рыхлителя в мерзлый грунт оператор-машинист открывает краны управления, от которых сжатый газ раздельно поступает в рабочую камеру 1 и камеру 8 управления. С увеличением давления сжатого газа в камере 8 управления увеличивается усилие поджатия клапана 10 к седлу 12 за счет разных площадей давления сжатого газа со стороны камеры 8 управления и рабочей камеры 1 (см. рис. 1 и 2). Давление в рабочей камере 1 и камере 8 управления контролируется оператором-машинистом по показаниям манометров. После завинчивания рыхлителя на требуемую глубину разработки начинается

второй этап работы - рыхление мерзлого грунта. Оператор-машинист поворачивает рукоятку крана управления в положение, при котором камера 8 управления сообщается с атмосферой. Из-за разности давлений между двумя смежными камерами 1 и 8 клапан 10 перемещается в нижнее положение, открывая выхлопные отверстия 13, расположенные на газоразрядной втулке 14 (рис. 1 и 2). Сжатый газ с большой скоростью истекает из выхлопных отверстий 13, проникает в трещины, образованные в процессе завинчивания мерзлоторыхлителя, расширяет их, и далее разрыхляет определенный объем мерзлого грунта, пока избыточное давление не уменьшится до минимально необходимого для рыхления. После падения давления сжатого газа в рабочей камере 1 пружина 11 возвращает клапан 10 в нормально прикрытое положение, и цикл работы повторяется. Поскольку рыхление грунта является рабочим процессом мерзлоторыхлительной машины, то исследование механизма разрушения и влияния на него различных факторов, позволило сформулировать основные требования к создаваемому рабочему органу: наименее энергоемкое внедрение в мерзлый грунт для доставки энергоносителя на расчетную глубину рыхления путем завинчивания; отрыв грунта от массива, его рыхление сжатым газом высокого давления при доминировании наименее энергоемких деформаций разрыва.

Наличие разъемных соединений в конструкции рыхлителя газодинамического действия позволяет дифференцировано воспринимать нагрузки. Осевые нагрузки воспринимают соприкасающиеся торцевые части винтового наконечника 16, газоразрядной втулки 14, седла 12, штанги 2 (рис. 1, б).

Сборка такого типа соединения осуществляется с помощью соединительных муфт 17, а его работоспособность - за счет предварительной затяжки резьбовых соединений, необходимость в которой определяется требованиями обеспечения герметичности, недопустимости раскрытия стыка между соприкасающимися торцевыми частями винтового наконечника 16, газоразрядной втулки 14, седла 12, штанги 2 (рис 1 и 2). Требуемую величину затяжки резьбовых соединений можно обеспечить при условии ее контроля в процессе сборки соединения, осуществляемого измерением, например, крутящего момента с помощью тарированных ключей динамометрических или с муфтой предельного момента. Применение тарированных ключей основано на связи крутящего момента на ключе и усилия затяжки. Стабильность затяжки соединительных муфт 17 фиксируется контргайками 18.

При выборе соотношения между диаметром винтовой лопасти 15 и диаметром штанги 2 рыхлителя, мы исходим из сопоставления предельных тяговых возможностей винтового наконечника 16 с сопротивлением погружению (завинчиванию) в грунт рабочего оборудования штанги 2. Необходимое усилие для завинчивания в грунт рабочего оборудования штанги 2 должно быть меньше предельного значения тягового усилия, развиваемого винтовым наконечником 16, или равно ему. В противном случае винтовой линии в мерзлом грунте нарезаться не будет, грунт будет разрушаться под винтовой лопастью 15, будет наблюдаться процесс бурения грунта, а не завинчивание рабочего органа штанги 2 в грунт.

В мерзлых грунтах между различного размера и формы твердыми минеральными частицами имеются лед, поры, пустоты. Первостепенная роль в изменении прочностных характеристик мерзлых грунтов, то есть грунтов с отрицательной температурой, принадлежит цементационным связям льда. Цементационные свойства льда весьма чувствительны: к изменению температуры мерзлого грунта; к внешним механическим воздействиям на мерзлый грунт. При завинчивании деформация уплотнения грунта происходит за счет разрушения льда, цементирующего минеральные частицы, перекомпоновки минеральных частиц, их отжатия в менее напряженную зону, уменьшения пористости грунта.

Эффективность процесса рыхления мерзлого грунта во многом определяется работой клапанного механизма, обеспечивающего эффект импульсного воздействия на грунт энергии газа высокого давления. Управление клапаном 10 осуществляется посредством нагнетания и последующего сброса в атмосферу давления из камеры 8 управления (рис. 1, 2).

Контактные уплотнительные устройства пневматической арматуры, осуществляющие герметизацию соединений за счет плотного прилегания (прижатия) уплотняющих деталей (седло 12 - клапан 10) имеют наиболее высокую надежность герметизации. Металлопластмассовые клапаны повышают работоспособность клапанного механизма рабочего органа газодинамического рыхлителя. В металлопластмассовых клапанах полимерные уплотнители упрочнены металлическим корпусом. Коэффициент трения фторопласта в 7 раз ниже коэффициента трения хорошо полированной стали; исключительно стоек к низким температурам, не становится хрупким даже при температуре жидкого воздуха. Предельные температуры работы фторопласта - «4» от минус 195 оС до плюс 250 оС.

Может быть материалом седла 12, гребешок которого врезается при работе в торцевую поверхность фторопластового уплотнителя клапана 10 и тем самым обеспечивает герметизацию. В качестве уплотнительных элементов в кольцевых проточках клапана 10 необходимо применять резино-

вые уплотнительные кольца, изготовленные из натрий-бутадиенового каучука. Это позволяет добиться высокой работоспособности и долговечности клапанного механизма. В качестве трубопроводов необходимо применять резиновые рукава с текстильным каркасом на давление 23,0 МПа, сохраняющие работоспособность от -35 оС до +100 оС.

Дьяков Иван Федорович -

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Основы проектирования машин» Ульяновского государственного технического университета

Ивкин Валерий Семенович -

кандидат технических наук, доцент кафедры «Строительные конструкции» Ульяновского государственного технического университета

Волынщиков Павел Юрьевич -

студент 5 курса строительного факультета Ульяновского государственного технического университета

Статья п

Ivan F. Dyakov -

Dr. Sc., professor, head of Department «The fundamentals of the design of machines» Ulyanovsk State Technical University

Valery S. Ivkin -

Ph.D., Associate Professor of Department «Building Constructions» Ulyanovsk State Technical University

P. Volynschikov -

student of the 5 course of the Construction Faculty of the Ulyanovsk State Technical University

тупила в редакцию 03.04.13, принята к опубликованию 30.04.13