Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и постановка задач исследований 8
1.1. Обзор исследований по внедрению в грунт деформаторов 8
1.2. Краткий обзор способов образования скважин для прокладки подземных коммуникаций 12
1.2.1. Устройства, образующие скважины путем вдавливания грунта в стенки, образуемой скважины 12
1.2.2. Устройства, образующие скважины путем удаления грунта из сечения образуемой скважины 19
Выводы 31
2. Анализ влияния основных параметров грунтопроходческого комплекса на длительность проходки скважины. Выбор конструктивной схемы грунтопроходчика
2.1. Основные элементы грунтопроходческого комплекса, последовательность выполнения работ 34
2.2. Зависимость скорости проходки скважины от основных параметров системы 35
2.3. Выбор конструктивной схемы грунтопроходчика 44
Выводы 49
3. Экспериментальные исследования процесса образования скважины комбинированным способом 50
3.1. Оборудование и последовательность проведения экспериментов 51
3.2. Результаты экспериментальной проверки технических решений 56
3.3. Сопротивление извлечению модели грунтопроходчика из скважины 60
3.4. Средняя скорость грунтопроходчика при заборе грунта 65
3.5. Работа рассекателя 68
Выводы 72
4. Построение расчетной схемы взаимодействия грунто-проходчика с массивом
4.1. Расчетная схема процесса образования горизонтальной скважины грунтопроходчиком 73
4.2. Проверка расчетной схемы взаимодействия грунтопроходчика с маесивом по результатам натурных измерений на его физической модели 80
4.3. Методика упрощенного расчета 85
Выводы 90
5. Совершенствование ударного привода с учетом особенностей грунтопроходчика 91
5.1. Обоснование принципиальной схемы ударного привода 91
5.2. Исследование работы воздухораспределителя инерционного типа 93
5.3. Анализ результатов моделирования и практические рекомендации 101
5.4. Расчет ударного привода грунтопроходчика 102
Выводы 107
6. Методика расчета основных параметров грунтопроходческого комплекса
6.1. Расчет параметров лебедки и грунтопроходческого комплекса 108
Заключение 114
Список литературы 116
- Устройства, образующие скважины путем вдавливания грунта в стенки, образуемой скважины
- Зависимость скорости проходки скважины от основных параметров системы
- Сопротивление извлечению модели грунтопроходчика из скважины
- Проверка расчетной схемы взаимодействия грунтопроходчика с маесивом по результатам натурных измерений на его физической модели
Введение к работе
Актуальность темы. Бестраншейные технологии прокладки подземных коммуникаций находят все более широкое распространение и в развитых странах становятся преобладающими. Это предопределено существенным ущербом, к которому приводит рытьё траншей в жилых и промышленных зонах.
В основе бестраншейных способов лежит процесс образования скважин в фунтовом массиве. При этом особую сложность представляет проходка скважин, так называемого «непроходного» сечения (диаметром менее 1м), так как управление технологическим процессом в этом случае может осуществляться только снаружи. Применяемые в настоящее время устройства можно объединить в две группы:
Первая группа — это устройства, образующие скважины путем вдавливания грунта в стенки образуемой скважины. Она представлена в основном пневмопро-бойниками. Так получают скважины не более 300 мм. Увеличение диаметра требует значительных энергозатрат.
Вторая группа - это устройства, образующие скважины путем удаления грунта из сечения образуемой скважины. Она включает устройства для ударного внедрения стальных труб открытым концом, с последующей их очисткой. Однако, стальные трубы дороги и в грунте подвержены быстрому разъеданию ржавчиной. В связи с появлением легких и долговечных полиэтиленовых труб широкое распространение получили зарубежные установки для бурения приповерхностных скважин с временным подкреплением стенок скважины буровым раствором. Это установки штангового бурения и микрощиты. Выбуривание грунта по всему сечению скважины и необходимость обеспечить циркуляцию и регенерацию бурового раствора предопределяют высокие энергозатраты, сложность и дороговизну буровых комплексов. Кроме того, гидравлический принцип поддержания временной устойчивости скважины резко усложняет работу при низких температурах.
Наличие отмеченных ограничений делает актуальным создание более простых и менее затратных устройств, позволяющих применять трубы из любого ма-
териала и работать по «сухой» технологии без буровых растворов.
Целью работы является обоснование принципиальной схемы, методики расчета и разработка устройства - грунтопроходчика для проходки скважин в уплотняемых грунтах.
Идея работы заключается в оснащении пневмоударной машины кольцевым рабочим органом, который в заданной пропорции разделяет грунт, расположенный в сечении создаваемой скважины, на две части, одна из которых удаляется, а другая - вдавливается в стенки скважины.
Задачи исследований:
Определить влияние основных параметров технологической схемы сооружеїшя скважины грунтопроходчиком на скорость проходки скважины.
Выявить особенности взаимодействия грунтопроходчика с массивом и обосновать расчетную схему для определения его скорости при заборе грунта.
Обосновать схему и соотношение параметров воздухораспределительной системы его пневмоударного привода.
Построить методику инженерного расчета основных параметров технологического комплекса и разработать проект грунтопроходчика.
Методы исследований - стендовые эксперименты на моделях устройства, математическое моделирование, компьютерный анализ экспериментального материала и результатов моделирования. Основные научные положения, защищаемые автором.
В качестве критерия при выборе параметров технологической схемы проходки следует принимать показатель, определяемый отношением планируемой скорости проходки скважины к её предельному теоретическому значению.
При клиновидной форме продольного сечения рассекателя с углом, меньшим угла трения, расчетное давление лобового сопротивления грунта, усредненное по конической поверхности рассекателя грунтопроходчика аппроксимируется линейной функцией радиуса скважины.
Снижение расхода воздуха на привод грунтопроходчика с инерционным распределителем достигается уменьшением произведения отношений масс и
рабочих площадей ударника и распределителя.
Достоверность научных результатов. Достоверность научных положений подтверждена необходимым объемом экспериментальных исследований моделей, сопоставимостью аналитических расчетов с экспериментальными результатами.
Новизна научных положений.
Получены зависимости между основными параметрами (шаг, скорость транспортирования и забора грунта, время разгрузки грунтоприемной капсулы) технологической схемы работы грунтопроходчика, установлен критерий для выбора их рациональных значений.
Обоснована и построена расчетная схема взаимодействия грунтопроходчика с массивом.
Выполнено аналитическое исследование инерционного распределителя пневмоударного привода грунтопроходчика и определен диапазон рациональных значений его параметров.
Личный вклад автора заключается: в постановке и проведении экспериментов по исследованию взаимодействия грунтопроходчика с массивом; в обработке экспериментальных данных и их математической интерпретации; в разработке рекомендаций к проектированию грунтопроходчика в целом и отдельных его узлов для осуществления комбинированного метода проходки скважин.
Практическая ценность. Разработан алгоритм расчета основных параметров технологического комплекса для сооружения скважин грунтопроходчиком. Даны рекомендации по проектированию и разработан проект грунтопроходчика.
Реализация работы в промышленности. Производственной фирмой "АК-ВА+" г. Санкт —Петербург, принято решение об использовании основных результатов исследований и изготовлении грунтопроходчика по предложенной схеме для проходки скважин 0440 мм.
Апробация работы. Отдельные результаты работы докладывались на конференциях: "Интеллектуальный потенциал Сибири" (Новосибирск, 2000), "ВУЗы Сибири и Дальнего Востока ТРАНССИБУ" (Новосибирск, 2002) и семинарах кафедры "Механизации..." СГУПС.
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 3 печатных работах.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 6 глав, выводов, списка литературы. Содержит 123 страницы машинописного текста, включая 75 рисунков, 14 таблиц и список литературы из 85 наименований.
Основной объем работы выполнен в лаборатории механизации горных работ ИГД СО РАН. Автор выражает глубокую благодарность сотрудникам лаборатории в особенности Петрееву Анатолию Михайловичу за неоценимые научно-методические рекомендации по выполнению работы, Щеглову А. Н., Сырямину А. Т., Лобову Ю. Н., Тищенко И. В. и Веберу И. Э. за техническую помощь.
Устройства, образующие скважины путем вдавливания грунта в стенки, образуемой скважины
Вопросам взаимодействия различных тел с грунтом посвящены работы Ва-зетдинова А. С. [1], Васильева Н. В. [2], Кершенбаума Н. Я. и Минаева В, И. [3, 4], Савинова О. А. и Лускина А. Я. [5], Тернецкого Л. Н. [6], Баркана Д. Д. [7], Зеленина А. Н. [8], Спектора М. Б. [9], Блехмана И. И. [10], Шехтера О. Я. [И] и других [12—15]. В ИГД СО РАН процесс взаимодействия пневмопробойников с грунтом изучался Тушщиным К. К. [16], Чередниковым Е. Н. [17], Бабаковым В. А. [18], Смирновым А. Л [19], Ткачем X. Б. [20] и другими [21, 22].
В указанных работах приводятся сведения об эксплуатационно-технических показателях и конструкциях машин, о технологии проходки скважин и частично - результат экспериментальных и теоретических исследований процесса проходки скважин. На основе анализа теоретических и экспериментальных данных приведены расчетные зависимости, позволяющие для статического или виброударного режима внедрения определить усилия, действующие на проникающее тело, и скорость проходки скважин, в зависимости от геометрических параметров расширителей и свойств грунта,
В работах приводятся результаты экспериментальных и теоретических исследований процесса внедрения в грунт конусообразных и плоских тел под действием статическігх нагрузок, в [2] исследованы процессы виброударного внедрения в грунт расширителей, перемещение которых описывается в виде системы дифференциальных уравнений, характеризующих колебание погружаемого в грунт корпуса с ударником.
В работах [7, 8] установлено, что при ударном погружении расширителей в грунт наблюдаются две зоны деформации: упругая и пластическая. Впервые зафиксирована так называемая пороговая энергия удара, идущая на преодоление упругой деформации грунта. На основе экспериментальных данных в работе [16] получена эмпирическая формула для определения скорости движения пневмопробойника где V- скорость движения пневмопробойника; N- ударная мощность; Ек -энергия удара на корпусе; р, и Е0 — коэффициенты зависящие от физико-механических свойств грунта и диаметра пробиваемых скважин.
В работе приведены значения коэффициентов для некоторых видов грунтов при пробивании за один проход скважин диаметром 120, 135, 200 и 250 мм. В работе также определено перемещение за цикл, исходя из рассмотрения предельных случаев нагружения, когда процесс внедрения приближается к статическому и когда процесс нагружения практически мгновенный. Принятый в работе энергетический подход позволил оценить влияние силы трения, ударной мощности, энергии удара на скорость движения пневмопробойника в грунте.
Силы сопротивления грунта, действующие на деформатор при внедрении, представляют собой сумму сил лобового сопротивления и трения о боковую поверхность деформатора.
Из работы [16] известно, под действием ударного импульса деформатор передвигается в грунте циклично. При движении вперед корпус машины расходует приобретенную при соударении с ударником кинетическую энергию на преодоление сил трения и деформацию грунта. Затем под действием упругих сил грунта он движется в обратном направлении и после некоторой паузы процесс повторяется. Перемещение пробойника вперед превышает перемещение в обратном направлении, а их разница равна перемещению за один цикл.
В работах [7, 9, 10, 11] принято предположение о том, что грунт является упруго-пластичной средой и зависимость силы лобового сопротивления грунта от перемещения деформатора представляется кусочно-линейной функцией.
В некоторых исследованиях принята более простая схема определения сил лобового сопротивления, основанная на допущении что деформатор перемещается при создании на всей поверхности соприкосновения его носовой части с грунтом напряжений, равных их некоторому предельному значению, при котором происходят пластические деформации. В этом случае лобовое сопротивление определяется суммой проекций усилий, действующих по поверхности головной части деформатора, на направление проходки. Так, по Г. И. Покровскому [23] для конического деформатора сопротивление внедрению: где г - радиус основания конуса; д - угол внутреннего трения грунта; fi -угол заострения деформатора; рт - временное сопротивление раздавливанию грунта.
Сила трения на боковой поверхности деформатора зависит от характера действующей нагрузки, свойств грунта. Экспериментальному и теоретическому исследованию сил трения посвящено значительное число работ: Баркана Д. Д. [7], БлехманаИ. И. [10], Преображенской Н. А. [24], Перлей Е. М. [25], Шехтера О. Я. [И] и других. В этих работах основное внимание уделялось определению сил трения деформатора о грунт и характера изменений свойств грунта при вибрационном приложении нагрузки.
В работе [4] рассмотрен вопрос определения лобовых и боковых сил сопротивления. Подробно описана экспериментальная установка, ход экспериментов. Определено что лобовое динамическое сопротивление Р при внедрении конического деформатора можно описать эмпирической зависимостью где d— диаметр деформатора, мм; W— энергия удара, Дж. Из зависимости видно, что при W= 0, т. е. статическое нагружение, зависимость силы описывается кубической параболой.
Исследованию деформаций грунта при его уплотнении деформаторами посвящены работы Бирюкова А. Л. [26], Галицкого В. Н. [27], Зеленина А. Н. [8], Лебедева А. Ф. [28] и других авторов. Этими работами установлено, что процесс проходки скважин сопровождается образованием в окружающем грунте уплотненной зоны. Процесс уплотнения характеризуется повышением объемного веса грунта и перераспределением влаги около скважины. Установлено, что процесс уплотнения грунта в общем случае зависит от характера действующих нагрузок, размеров деформаторов и скорости ігх внедрения, свойств грунта и других факторов.
В отношении влияния геометрии расширителя существуют следующие представления. Считается, что при статическом внедрении деформаторов в грунт геометрия носовой части не оказывает существенного влияния на процесс проходки [29]. При динамическом нагружении некоторые исследователи склонны также не учитывать влияние формы носовой поверхности [31, 32], другие же [20] доказывают необходимость ее учета. В работах [1, 7] рекомендуется принимать значение угла при вершине расширителя 50 - 60 для любого вида нагружения. Исследования, проведенные Чередниковым Е. Н. и Костылевым А. Д. [33] показали, что оптимальное значение угла при вершине расширителя лежит в диапазоне 18 — 56 в зависимости от типа и свойств грунта.
Зависимость скорости проходки скважины от основных параметров системы
Эти устройства снабжены компьютерной лазерной системой наведения, которая обеспечивает достижение высокой точности проходки скважины, комплектуется оборудованием для приготовления и подачи бентонитового раствора в забой и удаления шлама из скважины, находящимся на поверхности. Щитовая проходка заключается во вдавливании в грунт короткой инвентарной цилиндрической крепи (щита) (рисунок 1.18), под защитой которой разрабатывают грунт и удаляют его из забоя, возводят обделку тоннеля и производят другие работы, связанные с управлением щитом. В процессе работы щит перемещается вперед специальными устройствами.
В России и за рубежом коммуникации прокладывают по большей части в уплотняемых грунтах. В связи с этим имеет смысл использовать эффект уплот-няемости и проходить скважины комбинированным методом, т. е. осуществлять частичное уплотнение грунта в стенки скважины и частично удалять его из скважины. При таком методе проходки не требуется применение глинистых растворов для поддержания устойчивости, устраняется опасность переуплотнения стенок, гарантируется целостность близлежащих подземных коммуникаций и верхнего строения пути, открывается возможность использовать в качестве продуктопроводов трубы из любого материала, трубы с изоляцией и т.п.
Между тем, несмотря на потенциальные достоинства такого способа промышленного применения, он пока не нашел. В литературных и патентных материалах имеется лишь одно упоминание о возможности применения ударной желонки для расширения скважины последовательными челночными заходами [4] (рис. 1.19).
Кроме того, в 2000 г. опубликован патент [67], в котором описан видоизмененный вариант такой желонки. Её отличие (рисунок 1.20) обусловлено стремлением обеспечить возможность работать с перепуском разработанного грунта. Здесь грунтоприемник также охватывает ударный привод, но существенно короче его и обязательно не имеет задней стенки. При разработке забоя на шаг, грунт перепускается между ребрами грунтоприемника в образованную скважину. При вытягивании грунтопроходчика назад перепущенный грунт проталкивается грунто-приемником по скважине к стартовому приямку.
На данный момент этими публикациями ограничена вся информация, связанная с комбинированным способом проходки. Данных об особенностях процессов, протекающих при его реализации, нет. Информация, необходимая для обоснования выбора конструкции и параметров соответствующих устройств, отсутствует. Поэтому развитие комбинированного способа создания скважин требует специальных исследований. В дальнейшем, для определенности, комплекс механизмов для реализации комбинироаанного способа будем называть «грунтопро-ходческим комплексом» (ГПК), а входящее в него устройство, непосредственно осуществляющее разработку грунта - «грунтопроходчиком» (ГП). 1. Бестраншейные технологии прокладки подземных коммуникаций находят все более широкое распространение и в развитых странах становятся преобладающими. Это предопределено существенным ущербом, к которому приводит рытьё траншей в жилых и промышленных зонах. В основе бестраншейных способов лежит процесс образования скважин в грунтовом массиве. При этом особую сложность представляет проходка скважин сечения диаметром менее 1м, так как управление технологическим процессом в этом случае может осуществляться только снаружи. 2. Проходку скважин в грунтах производят под разнообразные нужды промышленности и населения, более 95% всех прокладываемых подземных коммуникаций имеют диаметр до 900 мм. Скважины диаметром до 300 мм в мире формируют преимуществ ешю пневмопробойниками. Для проходки скважин диаметром от 250 до 1000 мм широко применяют устройства для ударного внедрения стальных труб открытым концом с последующей их очисткой. Однако, стальные трубы дороги и в грунте подвержены быстрому разъеданию ржавчиной. 3. В связи с появлением легких и долговечных полиэтиленовых труб широкое распространение получили зарубежные установки направленного бурения приповерхностных скважин с временным подкреплением стенок скважины буровым раствором. Это установки штангового бурения и микрощиты. Выбуривание грунта по всему сечению скважины и необходимость обеспечить циркуляцию и регенерацию бурового раствора предопределяют высокие энергозатраты, сложность и дороговизну буровых комплексов до 1.5 млн. долл. Кроме того, гидравлический принцип поддержания временной устойчивости скважины резко усложняет работу при низких температурах. Это существенный отрицательный фактор учитывая климатические условия нашей страны. Существенный интерес представляет комбинированный способ проходки приповерхностных скважин в уплотняемых грунтах, когда из сечения скважины лишь часть грунта вдавливается в её стенки, обеспечивая их времешгую устойчивость, а другая часть - удаляется из скважины. В этом случае не требуется применение глинистых растворов для поддержания временной устойчивости скважин, устраняется опасность переуплотнения стенок, гарантируется целостность близлежащих подземных коммуникаций и верхнего строения пути, обеспечивается возможность использовать в качестве продуктопроводов трубы из любого материала, трубы с изоляцией и т.п. Несмотря на определенные достоинства такого способа, промышленного применения, он пока не нашел. Целью работы является обоснование принципиальной схемы, методики расчета и разработка устройства - грунтопроходчика для проходки скважин в уплотняемых грунтах. Задачи исследований: 1. Определить влияние основных параметров технологической схемы сооружения скважины грунтопроходчиком на скорость проходки скважины. 2. Выявить особенности взаимодействия грунтопроходчика с массивом и обосновать расчетную схему для определения его скорости при заборе грунта. 3. Обосновать схему и соотношение параметров воздухораспределительной системы его пневмоударного привода. 4. Построить методику инженерного расчета основных параметров технологического комплекса и разработать проект грунтопроходчика.
Сопротивление извлечению модели грунтопроходчика из скважины
Не менее важным является разгрузка грунтоприемной капсулы от керна в стартовом приямке. Схема 1.2 особенных сложностей в разгрузке не создает, кроме той части грунта, которая расположена в коротком грунтоприемнике. В этом ее несомненное достоинство. В схемах 1.1,1.3, 2.1 - 2.3, т. е. с протяженным грун-топриемником, для работы в супесях и суглинках можно предусмотреть продольные разгрузочные окна по бокам груптоприемішка в его іптааіей части (рисунок 2.9). Ясно, что чем шире эти окна, тем легче разгрузка, которую можно ускорить включением ударного привода на малом давлении. Но здесь встает вопрос о сохранении целостности грунта в капсуле. Залогом сохранности является уплотняе-мость и связность грунта. Несомненно, предложенный вариант нуждается в экспериментальной проверке.
При работе в глинах для разгрузки можно использовать вариант с поршнем, приводимым в движение тросом лебедки или сжатым воздухом. В последнем случае окна отсутствуют.
Как уже отмечалось, грунтопроходчик ориентирован для работы в связных уплотняемых грунтах (супесь, суглинок, глина). При этом подкрепление стенок скважины от обрушения, кроме уплотнения, в процессе проходки, не предусматривается. Ясно, чем меньше длительность пребывания скважины в таком непод-крепленном состоянии, тем меньше риск обрушения, особенно учитывая возможную неоднородность массива и наличие внешних возмущений от движущегося по поверхности транспорта. Поэтому то, как быстро будет пройдена скважина, при комбинированном способе проходки имеет особое значение.
В связи с этим обеспечение условий для достижения наибольшей скорости проходки непосредственно самой скважины (исключая длительность подготовительных и заключительных работ) имеет смысл рассматривать в качестве главного критерия при выборе конструктивной схемы грунтопроходчика.
Из рассмотренных вариантов этому критерию наиболее полно удовлетворяет схема с последовательным расположением грунтоприемной капсулы и ударного привода. Как было показано, такая компоновка позволяет при прочих равных условиях обеспечить наиболее высокую скорость проходки за счет: - установки мощных пневмоударпых машин без ограничений их диаметра; - увеличения шага разработки до рационального значения без ограничений; - наибольшего проходного сечения грунтопримника, т. е. за счет наименьшего лобового сопротивления внедрению в грунт и наименьшей чувствительности к наличию в нем твердых включений. Естественный недостаток линейной компоновки заключается в том, что длина грунтопроходчика не может быть меньше, чем шаг разработки плюс длина ударного привода. Тем не менее, скоростные возможности делают этот вариант предпочтительным. ВЫВОДЫ 1. Зависимость скорости проходки скважины от основных параметров технологической схемы носит асимптотический характер. 2. Критерием при выборе параметров технологической схемы может служить показатель производительности а, определяемый отношением значения скорости при выбранных параметрах к ее предельному теоретическому значению. 3. Рациональные значения а находятся в пределах 0,75-0,85. Дальнейшее повышение скорости проходки связано с необходимостью резкого увеличения шага проходки и соответственно габаритов и массы устройства. 4. При сохранении показателя производительности на заданном уровне, шаг проходки должен быть тем больше, чем меньше средняя скорость транспортирования грунтопроходчика лебедкой, чем выше средняя скорость грунтопроходчика при заборе грунта и чем меньше длительность разгрузки груптоприемпика. 5. По возможности достижения наиболее высокой скорости проходки предпочтительной является схема грунтопроходчика с последовательным расположением грунтоприемника и ударного привода. 6. Предложенные конструктивные решения грунтопроходчика со смещенным лидером и с продольными боковыми окнами в нижней части грунтоприемника требует экспериментальной проверки. Как уже отмечалось (раздел 1.1) в известных исследованиях изучалось внедрение в грунт только тел со сплошным поперечным сечением. Кольцевая форма поперечного сечения грунтопроходчика, несомненно, должна вносить в этот процесс свои особенности. Например, очевидно, что при одном и том же наружном диаметре внедряемого в грунт сплошного и полого цилиндров площадь поперечного сечения последнего существенно меньше, соответственно меньше лобовое сопротивление, но при этом на полый цилиндр действует дополнительная сила сопротивления, обусловленная трением керна о внутреннюю поверхность цилиндра. Кроме того, на величину и соотношение сил сопротивления внедрению может оказывать влияние не только толщина стенки полого цилиндра, но и форма продольного сечения ее передней части, которая определяет, какая часть грунта окажется снаружи, а какая внутри цилиндра. В связи с вышесказанным и принимая во внимание соображения, изложенные в разделе 2.3 можно сформулировать задачи экспериментальных исследований: 1. Оценить приемлемость конструктивных решений, направленных на увеличение проходного сечения грунтозаборнпка, обеспечение сохранности керна и быстрой разгрузки грунтоприемной капсулы от грунта. 2. Определить величину и характер изменеїшя силы сопротивления при извлечении грунтопроходчика из скважины. 3. Определить среднюю скорость движения ГП при заборе грунта и влияние на нее конструктивных элементов грунтозаборника. 4. Оценить влияние формы рассекателя на распределение грунта на удаляемую и вдавливаемую в стенки скважины части. 5. Получить первичные данные, которые позволили бы оценить специфику процесса и послужили достаточным основанием для обоснования расчетной оценки скорости грунтопроходчика при заборе грунта. Модель грунтопроходчика. Исходя из характера поставленных задач конструкция модели (рисунок 3.1) выполнена со сменной головной частью. Варианты головных частей отличались: - расположением лидера - по оси грунтопроходчика и смещенное на боковую стенку; - формой продольного сечения рассекателя - с плоским передним торцом и в виде одностороннего клина, угол которого меньше угла трения; - длиной калибрующей части. Во всех вариантах площадь лобового сопротивления головных частей была принята равной площади поперечного сечения пневмоударнои машины, которая использовалась в экспериментах как модельный пневмопробойник, а также в качестве ударного привода модели грунтопроходчика. Грунтоприемный цилиндр модели грунтопроходчика имел наружный диаметр на 3% меньше диаметра калибрующей части. Это предусмотрено для уменьшения бокового обжатия грунтопроходчика в массиве и соответственно, снижения сопротивления его перемещению. Напротив, внутренний диаметр грун-топриемника был выполнен на 6% большим внутреннего диаметра рассекателя. Это предусмотрено для снижения обжатия поступающего керна и, соответственно, для уменьшения сопротивления заполнению грунтоприемника.
Проверка расчетной схемы взаимодействия грунтопроходчика с маесивом по результатам натурных измерений на его физической модели
На графиках видно, что на любом шаге проходки при извлечении исследуемой модели из скважины наблюдается однотипная картина: с момента отрыва сопротивление возрастает, достигая максимума на расстоянии 0,2 — 0,3 м от забоя, затем снижается и к отметке 0,8 — 0,9 м стабилизируется, оставаясь на практически постоянном уровне до выхода из скважины. При этом значение силы на максимуме кривой практически в 2 раза превышает значение, соответствующее началу перемещения модели (/ = 0). Если учесть, что шаг проходки в экспериментах составлял 0,4 м, то видно (рисунки ЗЛО и 3.11), что всплеск сопротивления спадает до стартового уровня при отходе модели от забоя на величину, немного большую шага, и выходит на стабильно низкий уровень при дальнейшем перемещении на еще один шаг.
Таким образом, в течении цикла, все основные нагрузки на тяговый привод при извлечении грунто проходчика ограничены протяженностью транспортирования в пределах двух шагов проходки по ходу от забоя. Этот результат ясен и вполне ожидаем, поскольку после окончания забора грунта участок скважины, где расположен грунто проходчик, находится в стадии формирования и её свежеобразованные стенки плотно его обжимают. По мере удаления от забоя грунтопроходчик попадает в ту зону, где он уже совершил челночные перемещения и где стенки скважины оказываются уже «разбитыми», причем тем больше, чем ближе ко входу.
Если снижение силы сопротивления по мере удаления от забоя вполне ожидаемо (не ясно было только то, как быстро это будет происходить), то двукратное возрастание сопротивления на начальной стадии извлечения (рис. 311) не ожидалось. Объяснение этому значительному возрастанию силы заключены в конструктивном исполнении сменных головных частей модели грунтоир оходчика.
Дело в том, что для уменьшения бокового обжатия грунтопроходчика в массиве диаметр головной части выполнен на 3% больше, чем диаметр грунтоприемной капсулы. При этом ось головной части приподнята по отношению к оси капсулы так, чтобы их опорные поверхности, скользящие по дну скважины, не имели перепадов. В этом случае переход от одного диаметра к другому выглядит на поперечном разрезе серпообразно, а при наиболее доступном варианте технологического исполнения модели этот переход в продольном сечении оказывается ступенчатым, как это видно на рисунке 3.9. Именно эта ступенька, наибольшая высота которой не превышает 3 мм, является источником прироста сопротивления извлечению на 1500 Н. Движение назад начинается по свежему только что образованному участку скважины, диаметр которой вследствие упругой деформации грунта несколько меньше, чем калибрующий диаметр. Ступень начинает срезать выступающую внутрь стенку скважины и перед ступенькой на корпусе капсулы по мере извлечения нарастает слой грунта, который образует некую грунтовую манжету, распирающую грунтопроходчик в скважине. Она хорошо видна на фотографии рисунке 3.12. По мере движения манжета постепенно начинает притираться, а после извлечения на шаг срезать вообще уже нечего, поскольку это было сделано на предыдущем цикле, и за пределами шага сила падает уже ниже первоначального уровня.
Очевидно, что при плавном сопряжении диаметров головной части и грунтоприемной капсулы картина изменения силы извлечения должна качественно соответствовать штриховой линии на рисунке 3.11, т. е. сила с момента отрыва модели от забоя не должна возрастать, а после извлечения на шаг может быстро уменьшиться.
Для оперативной проверки качественной картины извлечения в случае плавного сопряжения ступеней проведен контрольный эксперимент. Для этого, не переделывая грунтопроходчик, был использован его ударный привод, который функционировал в данном случае как пневмопробойник. Перепад диаметров здесь составлял 1,4% (2,6% - у модели грунтопроходчика). Осуществлялась циклическая проходка скважины по схеме грунтопроходчика, т. е. продвижение на шаг 0,4 м и извлечение.
На рисунке 3.13 представлен усредненный график для одной скважины (следует отметить, что кривые всех циклов в этом случае практически повторяют друг друга). Как видно, намека на какое-либо возрастание силы сопротивления здесь нет. Видно, что как и в случае модели грунтопроходчика, на пути в два шага, сила снижается до стабильно низкого уровня. Поскольку показатель уплотнения стенок скважины [34] в данном случае почти вдвое выше, чем у модели грунтопроходчика (А = 17,5 мм, я = 9 мм), то и обжатие пневмопробойника в грунте, а следовательно и сила сопротивления на начальном участке оказывается выше, чем зафиксированная у модели грунтопроходчика (F= 2400 Н и F= 1500 Н).
Представляет интерес еще одно обстоятельство. Можно было ожидать, что в начале движения, при трогании, момент отрыва керна от массива может сопровождаться скачкообразным снижением силы. Однако, при измерениях это не проявилось, т. е. в данном случае силы бокового трения грун-топроходчика существенно выше, чем сцепление керна с массивом.
При боковом размещении лидера отрыв происходил по вертикальной плоскости. В случае осевого размещения отделение от массива происходило по конической поверхности, задаваемой треугольным ребром, удерживающим лидер. Грунтовый конус, сформированный и захваченный этим ребром выносился из скважины (рисунок 3.14).
Средняя скорость грунтопроходчика в режиме забора грунта - один из основных параметров, определяющих производительность всего грунтопро-ходческого комплекса. Измерение средней скорости осуществлялось на моделях грунтопроходчика, отличающихся формой рассекателя. Для сравнения, в тех же условиях определялась и скорость движения пневмопробойника.
