Введение к работе
Актуальность темы. В особо ответственных случаях бестраншейная технология прокладки подземных коммуникаций, основанная на забивке стальных обсадных труб методом виброударного продавливания, является безальтернативной. Это обусловлено тем, что при проходке скважин под железнодорожными путями и транспортными магистралями необходимо исключить просадку и вспучивание полотна. Все иные способы бестраншейной прокладки в принципе не могут гарантировать выполнение этого требования.
Одной из основных операций в этой технологии является погружение в грунт трубы пневматической ударной машиной. Скорость погружения зависит не только от частоты и энергии ударов пневмомолота, но и от того, в какой мере эта энергия передана трубе. Последний фактор влияет не только производительность, но и на затраты энергии для реализации этого процесса. В современных технологиях передача кинетической энергии ударника погружаемому объекту осуществляется через промежуточное звено - адаптер. Адаптеры выполняются в разных вариантах и их конструктивное исполнение в принципе может заметно влиять на коэффициент передачи энергии. В этой связи исследование передачи энергии удара через различные типы адаптеров, ориентированное на технологию ударного погружения труб, является актуальным.
Цель работы: выявить резервы уменьшения энергозатрат и повышения производительности технологии бестраншейной прокладки подземных коммуникаций, основанной на забивании в грунт стальной обсадной трубы.
Объект исследования: система "ударная машина - промежуточное звено -погружаемый объект", рассматриваемая применительно к бестраншейной технологии ударного погружения обсадных труб в грунт.
Предмет исследования: передача энергии удара погружаемому объекту и скорость его продвижения в грунте.
Идея работы: улучшить передачу энергии удара от пневмомолота погружаемой в грунт трубе за счет рациональной конструкции элементов ударной системы.
Задачи исследований:
-
Обосновать параметры и разработать экспериментальный стенд, позволяющий достаточно полно воспроизвести систему "ударная машина - погружаемый объект", отражающую специфику реальных объектов.
-
Экспериментально оценить эффективность передачи удара на трубу при различных типах промежуточных элементов ударной системы пневмомолота.
-
Разработать расчетную модель и рассмотреть влияние конструктивного исполнения промежуточных элементов на эффективность работы ударной системы.
-
Выработать практические рекомендации, обеспечивающие повышение производительности погружных работ и снижение энергозатрат.
Методы исследований: стендовые эксперименты на физической модели с измерением и регистрацией параметров ударных процессов, обоснование расчетной схемы и компьютерное моделирование.
Научные положения:
В рамках проведенных исследований установлено: 1. При передаче энергии удара на трубу через конусный адаптер с углом конусности а, лежащим в пределах менее 90 и до 8, по мере его уменьшения потери
энергии возрастают в 3 - 3,5 раза по отношению к торцевому сопряжению, при этом максимальные значения действующей на трубу осевой силы изменяются пропорционально переданной ей энергии.
-
Передача энергии возрастает с 29 % до 67 % от энергии, передаваемой торцевым адаптером, если в адаптере с кольцевой конусной канавкой а = 8 в процессе удара к контакту по конусной поверхности добавляется контакт трубы с дном канавки.
-
Введение осевой подвижности наковальни относительно корпуса приводит к повышению переданной на трубу энергии удара не менее чем на 34 % по сравнению с жестким соединением корпуса с наковальней.
-
В системе "ударный привод - торцевой адаптер - труба" эффективность передачи энергии при прочих равных условиях экспоненциально возрастает по мере увеличения параметра z = сад/стр - отношения жесткости торцевого адаптера к жесткости трубы единичной длины. При этом предел эффективности достигается при z = 6-8.
Достоверность научных положений подтверждается необходимым объемом экспериментальных исследований на расчетной модели и сходимостью расчетных и экспериментальных данных.
Научная новизна диссертации: 1. Установлены закономерность изменения коэффициента эффективности передачи удара в зависимости от угла сопряжения адаптера конусного типа с трубой и пропорциональная взаимосвязь между энергией и амплитудой силы в ударном импульсе на трубе.
2. Доказано, что добавление к контакту трубы по конусной поверхности адаптера контакта с радиусным дном конической канавки приводит к повышению переданной на трубу энергии удара не менее, чем в 2 раза по сравнению с обьшным конусным сопряжением, а введение осевой подвижности наковальни пневмомолота относительно его корпуса также способствует увеличению энергии, переданной трубе.
3. Установлена количественная связь между коэффициентом эффективности передачи энергии и относительной жесткостью торцевого адаптера.
Личный вклад автора заключается в разработке методики и проведении экспериментального исследования передачи энергии при различных типах адаптеров; в разработке расчетной модели системы "ударная машина - промежуточное звено - погружаемый объект"; в модернизации конструкции ударной пневматической машины.
Практическая ценность работы:
-
Дана количественная оценка эффективности передачи энергии для основных типов существующих адаптеров.
-
Разработана и апробирована расчетная модель, которая может служить основой для исследования влияния элементов, вносимых в конструкцию узлов системы "ударный привод - адаптер - труба".
-
Обоснована методика расчета параметров адаптера торцевого типа, обеспечивающего наилучшую передачу энергии.
-
Разработан и реализован на практике технический проект модернизированной системы "пневмомолот - адаптер", предназначенной для погружения труб в грунт.
Апробация работы. Результаты работы докладывались на конференции с участием иностранных ученых «Фундаментальные проблемы формирования техногенной геосреды» (Новосибирск, 2009); VI Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Развитие дорожно-транспортного комплекса и строительной инфраструктуры на основе рационального природопользования» (Омск, 2011); 65-й научно-технической конференции ГОУ «СибАДИ» (Омск, 2011); обсуждались и получили одобрение на семинарах лаборатории " Механизации горных работ" ИГД СО РАН.
Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 6-ти печатных работах, в том числе патент РФ на изобретение.
Объем и структура работы. Диссертация изложена на 116 страницах машинописного текста и состоит из введения, пяти глав, заключения, приложения, списка литературы из 92 наименований; содержит 66 рисунков и 3 таблицы.
