Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса производства работ на мерзлых грунтах в стесненных условиях 10
1.1 Анализ существующих методов и оборудования для разработки мерзлых грунтов 12
1.2 Предложение по совершенствованию оборудования для производства работ на мерзлых грунтах .20
Цель и задачи исследований 24
1.3 Анализ существующих исследований процесса взаимодействия рабочих элементов мерзлоторыхлительного оборудования с грунтом 25
1.4 Анализ физико-механических свойств грунтовой среды .30
Выводы по главе 35
2. Теоретические исследования процесса взаимодействия рыхлящих элементов мерзлоторыхлительного оборудования с мерзлым грунтом 37
2.1 Определение зависимости влияния геометрических и технологических параметров рыхлящих элементов на силы сопротивления грунта разрушению .41
2.1.1 Определение сил сопротивления грунта сжатию от воздействия рыхлящих элементов .44
2.1.2 Определение сил сопротивления грунта трению о поверхность рыхлящего элемента 49
2.1.3 Определение сил сопротивления грунта отрыву от воздействия рыхлящих элементов 50
2.1.4 Зависимость сил сопротивления грунта разрушению от геометрических и технологических параметров рыхлящих элементов, а также механических свойств грунта 58
2.1.5 Определение зависимости величины момента сопротивления внедрению рыхлящих элементов конусной формы от геометрических параметров рабочего органа и грунтовых условий 61
2.1.6 Определение зависимости объема скалываемого грунта от технологических параметров рыхлящих элементов .63
2.2 Анализ теоретических исследований, процесса взаимодействия рабочих элементов мерзлоторыхлительного оборудования с разрабатываемой средой 65
Выводы и результаты теоретических исследований .76
3. Экспериментальные исследования влияния геометрических и технологических параметров рыхлящих элементов мерзлоторыхлительного оборудования на процесс взаимодействия с грунтом 77
3.1 Программа экспериментальных исследований .77
3.2 Методика экспериментальных исследований .78
3.3 Экспериментальные исследования физической картины процесса взаимодействия рыхлящих элементов с грунтовой средой
3.3.1 Экспериментальные исследования влияния формы рыхлящего элемента на процесс разрушения грунта 84
3.3.2 Экспериментальные исследования влияния тягового винтового наконечника на физическую картину разрушения грунта 87
3.3.3 Экспериментальные исследования влияния угла заострения рыхлящего элемента конусной формы, в составе с винтовыми наконечниками на процесс разрушения грунта 88
3.3.4 Экспериментальные исследования влияния расстояния между рыхлящими элементами на процесс разрушения грунта 93
з
3.4 Экспериментальные исследования влияния технологических
параметров рыхлящих элементов на процесс взаимодействия с грунтом .96
3.4.1 Методика планирование факторного эксперимента 96
3.4.2 Обработка экспериментальных данных 100
3.4.3 Результаты экспериментальных исследований влияния расстояния
от стенки забоя и расстояния между рыхлящими элементами на
энергоемкость процесса разрушения грунта 105
Основные выводы по главе 110
4. Рекомендации к практическому применению результатов научной работы .110
4.1 Методика выбора рациональных параметров мерзлоторыхлительного оборудования 111
5. Оценка эффективности применения нового мерзлоторыхлительного оборудования .117
Основные результаты и выводы по работе 120
Список используемой литературы
- Анализ существующих исследований процесса взаимодействия рабочих элементов мерзлоторыхлительного оборудования с грунтом
- Анализ физико-механических свойств грунтовой среды
- Определение зависимости величины момента сопротивления внедрению рыхлящих элементов конусной формы от геометрических параметров рабочего органа и грунтовых условий
- Экспериментальные исследования физической картины процесса взаимодействия рыхлящих элементов с грунтовой средой
Введение к работе
Актуальность работы. Земляные работы, проводимые в зимнее время,
занимают значительную долю от общего объема земляных работ и являются
наиболее трудоемкими. Разработка мерзлых грунтов характеризуется большой
энергоемкостью, поскольку мерзлый грунт представляет собой сложную,
многокомпонентную нестабильную систему, обладающую высокой
абразивностью и механической прочностью.
Помимо энергоемкости и трудоемкости процесса разрушения мерзлого грунта проблемой является производство малообъемных зимних земляных работ в черте города. Близость инженерных сооружений к месту производства работ, малые размеры строительной площадки, рассредоточенность объектов и другие стесненные условия ограничивают использование существующего парка землеройных машин и иных методов разработки мерзлого грунта. Несмотря на значительную производительность и эффективность процесса разрушения различных методов и средств механизации, использование их невозможно или экономически не целесообразно. В этой связи из-за отсутствия малогабаритных универсальных машин, оборудования, а также ручного механизированного инструмента до 20 % зимних земляных работ производится немеханизированным способом.
В настоящее время для производства данного вида работ широко
применяется малогабаритное оборудование или ручной инструмент
динамического действия, но динамические нагрузки негативно воздействуют как на инженерные сооружения, расположенные вблизи зоны работ, так и металлоконструкцию оборудования.
Поэтому поиск путей повышения эффективности разработки мерзлых
грунтов, в направлении создания новых конструктивных решений
малогабаритного мерзлоторыхлительного оборудования, осуществляющего безударное разрушение грунта, является актуальной задачей. При этом создание новых средств механизации необходимо базировать на комплексных исследованиях, направленных на определение рациональных параметров нового рабочего органа мерзлоторыхлительного оборудования.
Цель исследований - обоснование основных конструкционных и
технологических параметров рабочих органов мерзлоторыхлительного
оборудования, состоящего из рыхлящих элементов с тяговыми винтовыми наконечниками.
Идея работы - использование в мерзлоторыхлительном оборудовании двух рыхлящих элементов конусной формы, оснащенных тяговыми винтовыми наконечниками.
Объектом исследований являются рыхлящие элементы
мерзлоторыхлительного оборудования в составе с винтовыми наконечниками.
Предметом исследования является процесс взаимодействия с грунтовой средой рыхлящих элементов, имеющих различные геометрические и технологические параметры в составе с винтовыми наконечниками.
Задачи исследования:
1. Провести анализ существующих методов и средств механизации для
разработки мерзлых грунтов.
-
Провести анализ существующих исследований процесса взаимодействия рыхлящих элементов с мерзлым грунтом, осуществляющих процесс разрушения различными видами нагрузки.
-
Разработать математическую модель процесса взаимодействия с мерзлым грунтом рабочего органа мерзлоторыхлительного оборудования, отличающуюся тем, что в ней описывается процесс взаимодействия с грунтом рабочего органа новой конструкции, состоящего из рыхлящих элементов конусной формы в составе с тяговыми винтовыми наконечниками. Данная модель отражает влияние основных геометрических и технологических параметров рыхлящих элементов, а
также механических свойств грунта ( ) на энергоемкость процесса
разрушения.
-
Провести экспериментальные исследования влияния угла наклона образующей поверхности рыхлящего элемента, расстояний между рабочими элементами и от стенки забоя на процесс взаимодействия с грунтом. Разработать регрессионные модели зависимостей сил сопротивления грунта разрушению и удельной энергоемкости от технологических параметров рабочих элементов.
-
Разработать рекомендации выбора и расчета основных параметров рабочих органов мерзлоторыхлительного оборудования.
Методы исследования. В данной работе использовался комплексный метод
исследований, включающий фундаментальные законы теоретической механики и
основные положения механики разрушения грунтов; математическое и физическое
моделирование процесса взаимодействия рабочих элементов
мерзлоторыхлительного оборудования с мерзлым грунтом; методы планирования
и обработки экспериментальных данных; использование современного
программного обеспечения.
Научная новизна работы:
1. Разработана математическая модель процесса взаимодействия рыхлящих
элементов мерзлоторыхлительного оборудования с мерзлым грунтом, отражающая
влияние угла наклона образующей поверхности и ширины рыхлящего элемента,
расстояний между рабочими элементами и от стенки забоя, а также механических
свойств грунта ( ) на энергоемкость разрушения.
Данная модель отличается тем, что: рыхление мерзлого грунта происходит двумя рыхлящими элементами конусной формы, оснащенными тяговыми винтовыми наконечниками; данный процесс рыхления основан на балансе сил тяги винтовых наконечников и сил сопротивления грунта разрушению от воздействия рыхлящих элементов конусной формы.
2. Получены регрессионные модели зависимости сил сопротивления грунта
разрушению и удельной энергоемкости от расстояний до стенки забоя и между
рыхлящими элементами мерзлоторыхлительного оборудования.
3. Предложена методика выбора рациональных геометрических и
технологических параметров рабочего органа мерзлоторыхлительного
оборудования, состоящего из рыхлящих элементов конусной формы, оснащенных
тяговыми наконечниками.
Достоверность полученных результатов основывается: на
использовании апробированных методов теоретических и экспериментальных исследований с использованием физического моделирования, планирования, проведения экспериментальных исследований и обработки полученных результатов; на основных положениях механики разрушения мерзлых грунтов; достоверность полученных результатов обеспечивается методологической базой исследования и использованием современного оборудования; подтверждается сходимостью результатов, полученных теоретическим и экспериментальным путем (расхождение не превышает 9 %).
Практическая значимость исследований заключается: в создании мерзлоторыхлительного оборудования с двумя рыхлящими элементами, оснащенными тяговыми наконечниками, позволяющего разрушать мерзлый грунт без использования динамических нагрузок и снизить энергоемкость производства зимних земляных работ; в разработке рекомендаций выбора и расчета основных параметров рабочих элементов мерзлоторыхлительного оборудования; в использовании результатов данной работы при проектировании оборудования.
Реализация работы: результаты научной работы в виде методики определения основных конструктивных и геометрических параметров рабочих элементов мерзлоторыхлительного оборудования, а также рабочей документации и чертежей внедрены в организации ЗАО «Геотехника – С» и ООО
«Спецдортехника» для практического использования; также результаты исследований используются в учебном процессе при выполнении научно-практической работы, на практических занятиях, в курсовом и дипломном проектировании студентами СГТУ имени Гагарина Ю.А. специальности «Наземные, транспортно – технологические средства»; методика выбора рациональных геометрических и технологических параметров рабочих элементов мерзлоторыхлительного оборудования внедрена при выполнении работ по ФЦП N 14.577.21.0222 по теме: «Создание экспериментального образца амфибийного автономного транспортно-технологического комплекса с интеллектуальной системой управления и навигации для круглогодичного проведения разведочно-буровых работ на арктическом шельфе» в ФГБОУ ВО «НГТУ им. Р.Е. Алексеева».
На защиту выносятся следующие научные результаты данной работы:
-математическая модель процесса взаимодействия рыхлящих элементов мерзлоторыхлительного оборудования с грунтовой средой;
-функциональные зависимости величин сил сопротивления грунта разрушению от геометрических и технологических параметров рыхлящих элементов, а также грунтовых условий;
-экспериментальные исследования влияния технологических и
геометрических параметров рыхлящих элементов на процесс взаимодействия с грунтом;
-методика выбора рациональных геометрических и технологических параметров рабочих элементов мерзлоторыхлительного оборудования.
Публикации.
Результаты диссертационной работы отражены в 28 научных публикациях автора, 4 из которых - в рецензируемых научных изданиях перечня ВАК РФ, 7 - в иностранных изданиях. Имеется 2 патента на полезную модель и 1 патент на изобретение.
Апробация работы.
Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: на конкурсе научно-технического творчества молодежи - НТТМ СГТУ им. Гагарина Ю.А., 2012-2014 гг., г. Саратов; на молодежном научно-инновационном конкурсе «УМНИК» в рамках Международной конференции ММТТ - 2012-2016 гг., г. Саратов; на Всероссийской научно-технической конференции «Создание эффективных средств механизации в строительных и дорожных отраслях» - 2011-2012 гг., г. Саратов; на Международной конференции «Applied and Fundamental Studies», 2013 г., г. Сент Луис, Миссури, США; на Международной научно-технической конференции «Материалы, оборудование и ресурсосберегающие технологии», 2013 г., г. Могилев; на Международной научно-практической конференции «Прогрессивные методы обеспечения работоспособности транспортно-технологических средств, организации автотранспортных услуг и дизайна современных автомобилей», 2013 г., г. Саратов; на VIII Саратовском салоне изобретений, инноваций и инвестиций, 2013 г., г. Саратов; на Международном научном Интернет-симпозиуме «Перспективные и научные достижения современности», 2014 г., г. Одесса; на Международной научно-практической конференции «Проблемы и инновации в области механизации и технологии в строительных и дорожных отраслях», 2014-2016 гг., г. Саратов; на Международной научно-практической конференции «Актуальные вопросы транспорта в современных условиях», 2014-2016 гг., г. Саратов;на IV Международной научно-практической конференции «Исследования в строительстве, теплогазоснабжении и энергообеспечении», 2016 г., г. Саратов.
Объем и структура диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы, заключения и приложений. Материал изложен на 141 с. основного текста, содержит 42 рисунка, 6 таблиц, список литературы из 180 наименований и 6 приложений.
Анализ существующих исследований процесса взаимодействия рабочих элементов мерзлоторыхлительного оборудования с грунтом
В настоящее время существуют несколько методов производства земляных работ связанных с разработкой и мерзлых грунтов: предохранение грунта от промерзания, тепловой метод и механический метод [110,113,152,171]. Выбор существующих методов обусловлен различными условиями производимых работ, характера земляных работ и механическими свойствами грунтов [34]. П едох анение г унта от промерзания достигается путем утепления поверхности различными теплоизоляционными материалами (опилки, трава, пена и т.д.), или предварительной вспашки грунта [33,87]. Достоинства данного метода это малая энергоемкость и простой процесс выполнения работы. Недостатком является, то, что применение данного метода возможно только на заранее запланированных, плановых и малообъемных работах.
Те ловой метод заключается в оттаивании мерзлого грунта с помощью пара, огня, электроэнергии и т.д. Этот метод включает в себя следующие способы: огневое оттаивание, оттаивание паровыми и водяными иглами, оттаивание электроиглами и т.д. [153,166]. Оттаивание грунтов в основном применяются при небольших объемах работ, наличии энергоресурсов и невозможности применения других методов разработки мерзлых грунтов связанных со сложными условиями выполнения строительных работ.
Недостатком является, что процесс характеризуется большей
энергоемкостью, значительной продолжительностью по времени, сложностью монтажа, после оттаивания в дальнейшем усложняется работа землеройных машин из-за повышенной влажности. При более низких температурах оттаянный грунт быстро замерзает, что приводит к сложности дальнейшей засыпки.
В работе [118] приведены сравнительные показатели различных методов разработки мерзлых грунтов, где отмечается, что тепловой метод при помощи оттаивания является наиболее энергоемким, менее энергоемким механический метод.
Механический метод разработки мерзлых грунтов осуществляется за счет статического и динамического действия рабочих органов землеройных машин на грунт, при движении которых создается силовое воздействие, приводящее к разрушению грунтового массива [16,28,46,53,96,107,108,139,141].
Целесообразность применения тех или иных машин и оборудования для разработки мерзлых грунтов определяется технологией и условиями производства работ. Наиболее производительными машинами для рыхления мерзлых грунтов являются навесные рыхлители статического действия [94,97], эффективно используемые для разработки больших площадей. Образование траншей большой протяженности производятся роторными многоковшовыми экскаваторами. Баровые и дискофрезерные применяются при небольших объемах работ, для образования щелей в мерзлом грунте с целью подготовки его к экскавации обычными землеройными машинами [22,40,121]. У всех выше указанных машин есть существенный недостаток это габаритные размеры и, не смотря на высокую производительность применение их в стесненных условиях невозможно.
Машины динамического действия подразделяются на машины с забивным рабочим органом и машины вибрационного и виброударного действия. Силовое воздействие на грунт при внедрении рабочего осуществляется силой удара и пульсирующей силой. Данный вид машин имеет меньшие габариты, но негативное воздействие ударных нагрузок на расположенные вблизи инженерные сооружения не позволяют их использовать, а в случае аварийных ситуаций (вскрытие аварийного трубопровода) динамические нагрузки только приведут к усложнению данной ситуации [43,45,128,150,159] Повышение эффективности работы землеройных машин можно осуществить за счет интенсификации из рабочих процессов, то есть использовать для рыхления мерзлого грунта дополнительной энергии сжатого воздуха. Такие рыхлители газодинамического действия относятся к циклическим машинам и имеют в своем составе винтовой наконечник для погружения на определенную глубину. После завинчивания рыхлителя на требуемую глубину, сжатый газ под давлением и большой скоростью истекает из отверстий, тем самым разрушая мерзлый грунт. Недостатками данного оборудования является использование мощных и габаритных компрессоров, также использование взрывного способа требует дополнительного оснащения оборудования и повышенных мер безопасности при производстве работ [55,56,116]. Из всех методов разработки мерзлых грунтов приведенных выше наибольшее применение в практике имеет механический метод, им производится до 85% всего объема зимних земляных работ. Достоинства данного метода это минимальная энергоемкость и трудоемкость, способность мобильно приступить к строительным работам в случае аварийных ситуаций связанных с поломкой подземных коммуникаций. При этом рассмотренные выше машины и оборудования малопригодны или вообще не пригодны для производства зимних земляных работ в стесненных условиях, поскольку они не удовлетворяют основным требованиям, это свободная маневренность с реализацией рабочего процесса и реализация рабочего процесса без динамических нагрузок на грунт.
Анализ физико-механических свойств грунтовой среды
Площадь отрыва одной боковой поверхности треугольной формы можно определить по трем сторонам согласно формуле Герона: где: длина трещины скола в направлении стенки забоя; длина трещины скола в направлении глубины скола забоя; длина трещины скола соответствующая глубине скола ск; полупериметр. Найдем соответствующие длины сторон треугольной площади поверхности отрыва. Длина трещины скола в направлении открытой стенки забоя определяется через расстояние до стенки забоя и угол скола : где: расстояние от открытой стенки забоя; угол скола. Длина трещины скола соответствующая глубине скола , принимается на основе проведенных экспериментальных исследований в зависимости от расстояния от стенки забоя а . ск Зная две стороны треугольника и угол несложно определить третью сторону в соответствии с теоремой косинусов: где: угол противолежащий искомой длины трещины скола Угол определяется из теоремы треугольника, где сумма всех углов треугольника всегда равна 180:
Подставив значения сторон в выражение (2,14; 2,15) получим зависимость для определения площади поверхности отрыва грунта от воздействия одного рыхлящего элемента. С учетом предельного значения прочности грунта, на разрыв действующего в данном грунтовом массиве и площади отрыва, сила сопротивления мерзлого грунта отрыву примет следующий вид:
Данная зависимость характеризует изменение сил сопротивления грунтового массива нагрузкам, направленным на отрыв или скол элемента грунта в сторону открытой стенки забоя от расстояния до забоя а , угла скола и глубины скола данные параметры главным образом определяют объем скалываемого грунта, и соответственно площадь отрыва. При уменьшении расстояния между рыхлящими элементами конусной формы на величину происходит пересечение линий скола, тем самым уменьшается площадь отрыва и объем скалываемого элемента грунта, но при этом данный факт позволит снизить сопротивление грунта отрыву, которое напрямую зависит от площади отрыва (рис.2.7.).
Площадь грунта (рис.2.7.), которая после уменьшения расстояния между рыхлящими штангами вычитается из общей площади скалываемого элемента грунта, определяется исходя из расстояния между рыхлящими элементами и расстоянием от стенки забоя а . Данная площадь также имеет форму треугольной пирамиды со сторонами , и определяется по приведенному выше методу, где длина трещины , разбивается линией скола в направлении стенки забоя на два участка, а и а . Длина данных участков зависят от расстояния между рабочими органами:
Длина трещины скола, от рыхлящего элемента до пересечения линий скола: где: угол в основании пирамиды скалываемого грунта. Расстояние до открытой стенки забоя также раскладывается на два участка : Расстояние от рыхлящего элемента до пересечения линий скола между рыхлящими элементами определяется по зависимости: Расстояние от стенки забоя до пересечения линий скола между рыхлящими элементами определяется по зависимости: а а Исходя из длины длина трещины скола, от пересечения линий скола до открытой стенки забоя определяется по зависимости: а Сторона соответствует глубине скола и определяется из соотношения ск Зная две стороны треугольника, и угол определим третью сторону в исходя из теоремы косинусов: Площадь грунта образованного вследствие уменьшения расстояния между рыхлящими элементами определяется: где: полупериметр. Тогда с учетом того что, в рабочем процессе участвуют два рыхлящих элемента на некотором расстоянии друг от друга, то в зависимости от расстояния между ними и от стенки забоя, общая площадь отрыва грунта будет определяться путем вычета площади образованной в результате уменьшения данных расстояний. (рис.2.7.).
Тогда зависимость сопротивления грунта разрыву примет вид: где: изменяемая площадь основания пирамиды скалываемого грунта от воздействия двух рыхлящих элементов: Подставляя найденные значения, получим: Данная зависимость отражает изменение величины сил сопротивления грунта отрыву от расстояния между рыхлящими элементами и расстояния до стенки забоя.
Зависимость сил сопротивления грунта разрушению от геометрических и технологических параметров рыхлящих элементов, а также механических свойств грунта В результате внедрения рабочих элементов мерзлоторыхлительного оборудования в мерзлый грунт на винтовые наконечники будут приложены силы внешней нагрузки , обусловленные силами сопротивления грунта разрушению т от , которые зависят от физико-механических свойств разрабатываемой среды, геометрических и технологических параметров рыхлящих элементов.
Учитывая все выше сказанное, подставим найденные силы сопротивления, в суммарную зависимость общего сопротивления грунта разрушению, спроецировав данные силы на вертикальную ось погружения, тогда выражение для определения сопротивления грунта разрушению от воздействия рыхлящих элементов имеющих форму усеченного конуса примет вид:
Зависимость силы сопротивления грунта разрушению от воздействия рыхлящих элементов конусной формы: Данная зависимость отражает процесс воздействия рыхлящих элементов на грунтовый массив при разрушении с учетом влияния геометрических параметров рыхлящих элементов, характеристики грунтовой среды, а также расстояния от стенки забоя и расстояния между рабочими органами.
Функциональная работа мерзлоторыхлительного оборудования осуществляется при соблюдении силового баланса между тяговой возможностью винтовых наконечников и силами внешней нагрузки, обусловленными сопротивлениями, возникающими при разрушении грунта от воздействия рыхлящих элементов. Нами была определена зависимость сопротивления внедрению рыхлящих элементов с последующим разрушением . В качестве тяговых элементов используются винтовые наконечники, которые способны развивать значительные тяговые усилия, преодолевая при этом собственные сопротивления внедрению, и обеспечивают возможность выполнения тяговой функций, при сравнительно небольших конструктивных параметров (рис.2.2).
Воспользовавшись рекомендациями [79,124] по определению тяговой возможности винтовых наконечников условие силового баланса между рабочими элементами мерзлоторыхлительного оборудования определится по следующей зависимости:
Определение зависимости величины момента сопротивления внедрению рыхлящих элементов конусной формы от геометрических параметров рабочего органа и грунтовых условий
Основной задачей экспериментальных исследований является изучение процесса взаимодействия рыхлящих элементов мерзлоторыхлительного оборудования с грунтовой средой, и определение зависимости влияния их геометрических и конструктивных параметров на эффективность процесса разрушения грунта, а также проверка достоверности теоретических зависимостей.
Для решения данной задачи была проведена серия экспериментальных исследований, которые можно разделить на два этапа: 1. Экспериментальные исследования, влияния формы и геометрических параметров рыхлящих элементов на физическую картину процесса разрушения грунта. Экспериментальные исследования влияния формы рыхлящих элементов на процесс разрушения грунта; Экспериментальные исследования влияния угла заострения рыхлящего элемента, имеющего конусную и клиновидную форму на процесс разрушения грунта. Экспериментальные исследования влияния винтового наконечника на процесс разрушения грунта.
Экспериментальные исследования влияния расстояния между рыхлящими элементами и от стенки забоя на процесс разрушения грунта. 2. Экспериментальные исследования, направленные на подтверждение адекватности математической модели, полученной в ходе аналитических исследований с использованием методов планирования и обработки экспериментальных данных.
Экспериментальные исследования влияния расстояния между рыхлящими элементами и от стенки забоя на энергоемкость процесса разрушения. Все экспериментальные исследования осуществлялись на основе физического моделирования [66,169] испытуемых рабочих органов и грунтовой среды, что позволило получить более точную достоверность полученных данных в лабораторных условиях.
Методика проведения экспериментальных исследований в лабораторных условиях предполагает соблюдения стабильности условий проведения экспериментов с использованием моделей грунта с одинаковыми механическими свойствами и гранулометрическим составом, а также возможность применения достаточно точной контрольно-измерительной аппаратуры для фиксации выходных параметров.
Экспериментальные исследования проводились на основе математического планирования факторного эксперимента с обработкой полученных результатов на основе дисперсного анализа.
Изучение системы «рыхлящий рабочий орган - грунтовая среда» проводилось на специальном лабораторном стенде, созданного на базе разрывной машины Р-5 (рис.3.1.). Данный стенд оснащен необходимой контрольно-измерительной аппаратурой, позволяющей осуществлять замер таких параметров как: сила сопротивления грунта внедрению рабочих органов, а также крутящий момент завинчивания винтовых наконечников. Конструкция используемого стенда позволяет моделировать процесс взаимодействия грунтовой среды с рабочими органами мерзлоторыхлительного оборудования имеющем в своем составе рыхлящие элементы и винтовые наконечники [124].
Вращательное движение рабочего органа передается от электропривода постоянного тока с регулируемой частотой вращения вала через редуктор и цепную передачу, и соединительные валы. Шлицевой и полый шпоночный валы имеют телескопическую конструкцию, они обеспечивают передачу крутящего момента на рабочий орган.
Подвижная траверса, передвигаясь по ходовому валу, обеспечивает необходимое осевое усилие для начального погружения винтового наконечника. После того как винтовые наконечники начинают погружаться в грунт без дополнительного осевого усилия за счет тягового усилия телескопический вал начинает выдвигаться, а работа задавливающей траверсы прекращается. Это позволяет установить начало завинчивания винтовых наконечников без действия напорного усилия.
Экспериментальный стенд оснащен динамометрической подвеской с тензометрической площадкой, на которую закреплялась специальная форма с грунтом. Конструкция подвески, кинематически связана с динамометрическим устройством разрывной машины, что позволяет фиксировать величину силы сопротивления грунта разрушению от воздействия рыхлящих элементов. Тензометрическая площадка обеспечивает измерение крутящего момента в ходе рабочего процесса взаимодействия винтового наконечника с грунтом. Стенд оснащен комплектом контрольно-измерительной аппаратуры: тензометрической станцией для усиления и регистрации сигнала от датчиков крутящего момента, динамометром для измерения сил сопротивлении грунта внедрению и начального осевого усилия, при внедрении рыхлящих элементов и винтовых наконечников, счетчиком оборотов вращения модели рабочего органа.
Экспериментальные исследования физической картины процесса взаимодействия рыхлящих элементов с грунтовой средой
При расположении рыхлящих элементов на расстоянии (рис.3.15.а,б) два элемента работают как один, где линии скола были направлены в сторону противоположного рыхлящего элемента под прямым углом, а также в сторону забоя. Визуально наблюдалось, что площадь отрыва скалываемого элемента на мерзлом грунте больше чем на модели грунта, а объем скалываемого грунта на 10 % больше. При расположении рыхлящих элементов на расстоянии (рис.3.15.в, г) два элемента также соответствуют взаимовыгодному влиянию рабочих элементов друг на друга, где характер возникновения и распространения трещин скола грунта одного конуса пересекает трещину скола другого конуса, возрастает площадь отрыва, при этом объем скалываемого грунта по сравнению с расстоянием возрастает на 15%. Увеличивая расстояние (рис.3.15.д,е.) до разрушение от воздействия каждого рыхлящего элемента конусной формы носит самостоятельный характер, то есть при разрушении не наблюдалось пересечений линий скола, при этом происходит уменьшение объема скалываемого грунта на 13% по сравнению с расстоянием . Это объясняется тем, что самостоятельный характер разрушения каждого элемента уменьшает глубину скола, поскольку не происходит разрушения грунта между рыхлящими элементами и уменьшается глубина скола.
Планом данного этапа экспериментальных исследований является проверка адекватности полученных результатов теоретических исследований, т.е. математической зависимости силы сопротивления грунта разрушению от геометрических и технологических параметров рыхлящих элементов. Проверка адекватности теоретических исследований производилась путем сопоставления полученных данных теоретических и экспериментальных исследований. Эксперименты проводились в лабораторных условиях по вышеупомянутой методике с соблюдением всех норм, предъявляемым к планированию и проведению эксперимента [17,18].
Статистические методы планирования эксперимента широко применяются во многих отраслях науки и техники [58,127,149,150], позволяя в значительной степени исключить интуитивный подход, заменить его научно обоснованной программой проведения экспериментальных исследований, включающих объективную оценку результатов эксперимента на всех этапах исследования. При этом осуществляется минимальное число опытов, позволяющее произвести на каждом тапе надежную статистическую оценку.
Среди множества приемов планирования экспериментов наиболее объективным является метод полного факторного эксперимента, который позволяет получить математическую модель даже при недостаточном знании механизма изучаемого процесса.
На основе методики изложенной в работе [58,127] следует, что проведение трех повторных опытов на каждом уровне варьирования удовлетворяет условиям 95% надежности результатов. Перед реализацией эксперимента опыт рандомизировали, т.е. порядок проведения опытов в случайной последовательности выбирали по таблице равномерно распределенных случайных чисел.
Исходя из полученных результатов теоретических исследований и сформулированных выводов установлено, что основными факторами, влияющими на процесс разрушения грунта, являются расстояние от открытой стенки забоя и расстояние между рыхлящими элементами , Угол заострения рыхлящего элемента принимался с учетом проведенных теоретических и экспериментальных исследований, а также на основе данных полученными другими авторами. Численные значения переменных факторов и уровни варьирования установлены из проведенного анализа существующих исследований и проведенных экспериментов.
Поскольку число факторов в нашем случае равно двум, то выбираем план полного факторного эксперимента – 22. В методике исследований были приняты интерполяционные модели, которые выражают степенную зависимость выходных параметров от регулируемых факторов процесса.