Определение параметров штангового рабочего органа с суммирующим газодинамическим интенсификатором для разрушения мерзлых грунтов Волков Юрий Петрович

Содержание к диссертации

Введение

ГЛАВА I. Состояние вопроса, цель и задачи исследований

1.1. Анализ способов и средств разработки и подготовки мерзлых грунтов к экскавации 10

1.2. Анализ методов и устройств для разработки мерзлых грунтов энергией газа высокого давления ГВД 16

1.3. Анализ экспериментальных и теоретических исследований процесса разрушения мерзлых и прочных

пород энергией газа высокого давления 29

Выводы го главе 39

Цель и задачи исследования 41

ГЛАВА 2. Аналитические исследования процесса разрушения мерзлых грунтов устройством ашросги -адаптирующимся штанговым рабочим органом с суммирующим газодинамическим интенсижатором

2.1. Реализация результатов анализа предпосылок по повышению эффективности процесса разрушения мерзлых грунтов в стесненных условиях 43

2.2. Определение параметров процесса разрушения мерзлого грунта устройством АШРОСГИ 55

2.2.1. Определение параметров импульса ГВД при разрушении массива в верхнем уровне 55

2.2.2. Определение параметров импульса ГВД при разрушении массива в нижнем уровне 73

2.2.3. Определение времени задержки между верхним и нижним импульсами ГВД 81

2.2.4. Определение параметров адаптирующего клапана 83

2.2.5. Определение удельной энергоемкости и производи тельности процесса 89

2.3. Формирование критериев подобия и выбор метода моделирования процесса разрушения мерзлых грунтов устройством АШРОСГИ 91

Выводы по главе .195

ГЛАВА 3. Методика экспериментальных исследований, экспериментальное оборудование

3.1. Экспериментальное оборудование и исследуемые рабочие органы 99

3.2. Разработка эквивалентного материала, моделирующего натурный мерзлый грунт 113

3.3. Этапы проведения экспериментальных исследований. Методика проведения эксперимента и обработка результатов 117

Выводы по главе 128

ГЛАВА 4. Результаты экспериментальных исследований процесса разрушения грунтов устройством

4.1. Влияние определяющих параметров на эффективность разрушения грунта раздельными импульсами ГВД в одном и двух уровнях 130

4.2. Исследование влияния основных параметров адаптирующего клапана на процесс разрушения грунта 136

4.3. Исследование временных параметров и механизма, разрушения грунта импульсами ГВД 142

4.4. Исследование процесса разрушения грунта устройством АШРОСГИ 152

Выводы по главе 166

ГЛАВА 5. Рекомендации по определению основных параметров устройства АШРОСГИ

5.1. Методика расчёта и выбора параметров устройства АШРОСГИ 169

5.2. Рекомендации по проектированию сменного навесного оборудования к гидравлическим экскаваторам адаптирующегося штангового рабочего органа с суммирующим газодинамическим интенсификатором 174

5.3. Определение области рационального применения мерзлоторыхлителя ВРГЙ 177

5.4. Оценка экономической эффективности внедрения в производство результатов исследований... 178

Результаты исследований, выводы и

Направления дальнейших исследований 181

Литература 186

Приложение 199

• Анализ методов и устройств для разработки мерзлых грунтов энергией газа высокого давления ГВД
• Определение параметров процесса разрушения мерзлого грунта устройством АШРОСГИ
• Этапы проведения экспериментальных исследований. Методика проведения эксперимента и обработка результатов
• Исследование влияния основных параметров адаптирующего клапана на процесс разрушения грунта

Введение к работе

В основных направлениях об экономическом и социальном разви-' тии СССР на I98I-I985 годы и на период до 1990 года указывается на необходимость скорейшего изучения путей совершенствования существующего и создания более эффективного нового оборудования для разработки мерзлых грунтов /I/.

В настоящее время в Советском Союзе в отраслях строительства разрабатывается свыше 1,2 млрд.м³ мерзлых грунтов, в т.ч. вручную около 125 млн.м³. Стоимость механизированной подготовки I м³ мерзлого грунта для последующей экскавации составляет от 0,18 до 0,87 руб., а при использовании ручного труда эта стоимость возрастает до 4,0 руб. и более. Применение несовершенных механизмов при разработках мерзлого грунта, как показывает практика, приводит к фактической стоимости разработки I м³ мерзлого грунта до 4-5 руб./2/.

Большой вклад в решение основных задач проблемы повышения эффективности процесса разработки мерзлых грунтов вносят ведущие организаций: ВБИИСтроидормаш, ЦШИС, ЦШИОМТП, ВНИИЗеммаш и другие. Изучению механического разрушения мерзлых грунтов посвящены работы А.Н. Зеленина, Н.Г. Домбровского, В.И. Баловнева, Д.И. Федорова, В.К. Руднева, Ю.А. Ветрова, М.й. Іальперина, В.Д. Абезгауза, И.А. Недорезова, Н.Ф. Федотова, А.Ф. Николаева, Д.А. Лозового, В.Л. Баладинского.

До настоящего времени остается не решенным вопрос механизации так называемых "небольших" объемов работ в стесненных условиях, причем до 30 % этих работ выполняются вручную.

Поэтому разработка прогрессивных конструкций мерзлоторыхли-тельного оборудования для разработки мерзлых грунтов в стесненных условиях является актуальной проблемой, имеющей важное народнохозяйственное значение.

Существующее для этой цели оборудование: ударные и винто-клиновые рыхлители, пневмо- и гидромолоты, т.е. оборудование с механическим принципом воздействия на среду /3,4/, отличается невысокой производительностью,быстрым износом, высокой энергоемкостью, нуждается в подготовке забоя, чувствительно к механическим включениям, что снижает надежность этого оборудования, которое также обладает невысокой адаптацией, т.е. приспосабливае-мостыэ к грунтовым условиям.

Существенно повысить эффективность процесса разрушения мерзлых грунтов в стесненных условиях строительства можно за счет использования энергии газа высокого давления.

Процессы разработки грунтов оборудованием с газоимпульсным воздействием на среду исследовали д.т.н. В.Й. Баловнев,Ю.Д.Красников, к.т.н. А. А. Яркин, Л.А. Резник,Е.И. Чижик, В.Н. Нерадов, А.Н. Пикушев, З.А. Кравцов, А.Б. Ермилов,!.В. СеледцовД.В.Фролов, Б. Мяотковски.., B.C. йвкин, С.А. Макаров, зарубежные ученые Р.Б. Браун, И.В. Вуд, Т.Д. Висмер, Д.М. Кларк, Д.В. Колбурн, Т. Р. Блай, Д. К- Фогельсон.

В Саратовском политехнинеском институте на кафедре "Машиноведение" Балаковского филиала совместно с кафедрой "Дорожностроительных машин" Московского автомобильно-дорожного института ведутся работы по исследованию и созданию штанговых рабочих органов, оснащенных газодинамическим интенсификатором. Отличительной особенностью разрабатываемых рабочих органов является разрушение массива мерзлого грунта с использованием эффекта суммирующего воздействия на массив ивлпульсов газа высокого давления (импульсов ІВД) , подаваемых в зону разрушения с кратковременной задержкой, а так^ке адаптация параметров импульса ІВД к грунтовым условиям.

Отсутствие сведений по исследованию таких рабочих органов

определило необходимость проведения настоящей научно-исследовательской работы, которая посвящена изучению процесса разработки мерзлых грунтов адаптирующимся штанговым рабочим органом с суммирующим газодинамическим интенсификатором. Целью работы является повышение эффективности рабочих органов машин для разработки мерзлых грунтов в стесненных условиях строительства и существенное снижение трудовых и энергетических ресурсов при выполнении этих видов работ на базе создания и использования адаптирующегося штангового рабочего органа с суммирующим газодинамическим интенсификатором.

Научная новизна работа представлена следующими результатами:

- установленными зависимостями, определяющими изменение дав
ления газа в рабочих камерах для верхнего и нижнего импульсов газа,
а так/же изменение работы поршневого действия газов на разрушение

грунта в зависимости от глубины рыхления,прочностных и упругих свойств грунта , диаметра винтовой лопасти в условиях суммирующего воздействия импульсов газа на массив;

установленной зависимостью, определяющей изменение времени задержки между импульсами газа в зависимости- от глубины рыхления верхним импульсом газа > прочностных и упругих свойств грунта, расхода газа через выхлопные отверстия;

зависимостями, определяющими влияние на зазор между поршнем и седлом адаптирующего клапана и на время его срабатывания прочностных и упругих свойств грунта, глубины рыхления, времени задержки между импульсами, диаметра винтовой лопасти, параметров адаптирующего клапана - жесткости пружины, массы пружины и поршня;

зависимостями, определяющими влияние на удельную энергоемкость и производительность процесса разрушения грунта устройством АШРОСШ давления газа и объема рабочих камер, глубины рыхления, прочностных и упругих свойств грунта, времени задержки между импульсами, времени срабатывания адаптирующего клапана.

полученными критериями подобия и формулами перехода от пара-

8 метров модели к параметрам оригинала;

- полученными математическими регрессионными уравнениями изменения удельной энергоемкости процесса и объема разрушения в зависимости от давления газа, прочности грунта и глубины рыхления;

- разработанной методикой расчета основных параметров адапти
рующегося штангового рабочего органа с суммирующим -газодинамическим
интенсификатором.

Практическая ценность работы заключается в разработке схемы рабочего органа для разрушения массива последовательными во времени импульсами газа, параметры которых адаптируются к грунтовым условиям, а также рекомендаций для определения основных параметров рыхлительного оборудования, режимов работы и области его применения. На основании проведенных исследований разработана проектно-техни-ческая документация на сменное навесное оборудование к гидравлическим экскаваторам Э0-2621,30-3322, по которой изготовлен экспериментальный образец мерзлоторыхлителя ВРШ на базе экскаватора ЭО-2621.

На защиту выносятся:

- зависимости, определяющие изменение давления газа в рабочих
камерах для верхнего и нижнего импульсов газа, а также изменение:
работы поршневого действия газов на разрушение грунта в зависимос
ти от глубины рыхления, прочностных и упругих свойств грунта, диа
метра винтовой лопасти в условиях суммирующего воздействия импуль
сов газа на массив;

- зависимость, определяющую изменение времени задержки между
импульсами газа в зависимости от глубины рыхления верхним импуль
сом газа, прочностных и упругих свойств грунта, расхода газа че
рез выхлопные отверстия;

- зависимости, определяющие влияние на зазор между поршнем и
седлом адаптирующего клапана и на время его срабатывания прочност
ных и упругих свойств грунта, глубины рыхления, времени задержки

меїзду импульсами, диаметра винтовой лопасти, параметров адаптирующего клапана - жесткости пружины, массы пружины и поршня;

- зависимости,определяющие влияние на удельную энергоемкость

и производительность процесса разрушения грунта устройством АІІІРОСІИ давления газа и объеш рабочих камер, глубины рыхления, прочностных и -упругих'свойств грунта, времени задержи мезкду импульсами, времени срабатывания адаптирующего клапана;

критерии подобия и формулы перехода от параметров модели к параметрам оригинала;

математические регрессионные уравнения изменения удельной энергоемкости процесса и объеш разрушения грунта в зависимости от давления газа, прочности грунта и глубины рыхления;

методика расчета основных параметров адаптирующегося штангового рабочего органа с суммирующим газодинамическим интенсифика-тором.

Целесообразность проведения настоящей работы определена результатами научных предпосылок и предварительно проведенного сравнительного технико-экономического анализа.

Работа выполнена на кафедре "Машиноведение" Балаковского филиала Саратовского ордена Трудового Красного Знамени политехнического института в соответствии с заказом треста "Балакововодстрой" Ілавного управления по ирригации и строительству совхозов в Саратовской области.

іштор выражает глубокую признательность кандидату технических наук Фролову А.В. за научное руководство и доктору технических наук Баловневу В.И. за постоянное внимание к работе и ценные обсуждения.

ІЖВА І. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИСШЩЦШАШЯ

І.І. Анализ способов и средств разработки и подготовки мерзлых грунтов к экскавации

При выполнении земляных работ в зимний период применяют различные способы для предварительной подготовки мерзлых грунтов к экскавации. В зависимости от ряда факторов, определяющих экономическую эффективность разработки мерзлых грунтов ( энергонасыщенность строительных организаций и т.д.), возможно осуществление следующих способов подготовки мерзлых грунтов к разработке, сравнительные технико-экономические показатели которых сведены в таблицу І.І.

Для предохранения от промерзания применяют предварительное осеннее рыхление грунта, в результате чего прочность грунта при смерзании снижается в 2-4 раза по сравнению с неразрыхленными грунтами.

Уменьшению глубины промерзания так/'же способствует покрытие поверхности грунта слоем теплоизоляционного штермала природного происхождения (солома, листья, сухой фрезерный торф, мох) , а так/же производственными отходами ( опилки, стружка, шлак, зола) или специальными средствами (пленка, слой льда с воздухом,пенопласт, полимерная пена, надувные устройства и др.). Толщина утеплительного слоя в среднем составляет 0,35 - 0,65 м. Применяют так^же засоление грунтов непосредственно с поверхности или иньек-цированием растворов через скважины. Недостатками,сдерживающими широкое применение перечисленных методов предохранения,являются необходимость плана будущих работ, невозможность выполнения незапланированных работ, загрязнение почвы синтетическими вещест-вавли, повышенная коррозия подземных сооружений при засолении грунтов и повышенная электропроводность последних, что повышает опасность работ вблизи электрофицированных коммуникаций /5,6/ и

в стесненных.. условиях.

Таблица I.I

Сравнительные технико-экономические показатели существующих методов разработки мерзлых грунтов

_{f г г {}

щ, ' 'Энергоемкость,'Трудоемкость,}Стоимость,

п/п j Методы { _{кВт ч/м}з, ! _чел._дн/мз j _m6jhl3

_,_|Д , _ш *_Г__{И|| ттт} ^^ _{ятт Ш1Ш} ^^ ^^ _штт * *

1. Предохранение от промерзания

2. Тепловое оттаивание

3. Рыхление механическое

4. Механизированная разработка

5. Буровзрывной

6. Механизированный ручной инструмент

7. Ручная разработка

При тепловом оттаивании мерзлых грунтов большинство мерзлых грунтов снижает свою прочность до значении, соответствующих талым грунтам при повышении температуры до 0С.

В зависимости от способа передачи тепла от источника к мерзлому грунту различают следующие способы оттаивания:

поверхностное - тепло распространяется сверху вниз от нагревателя, расположенного на поверхности мерзлого грунта / 7 /;

глубинное - тепло распространяется снизу вверх от нагревателя, расположенного ниже глубины промерзания;

радиальное - тепловой поток распространяется в горизонтальном направлении по радиусу от нагревателя /8,9/;

комбинированное.

В качестве нагревателей применяют электрические, паровые и

водяные иглы, электроды, газовые горелки, коаксиальные электронагреватели, электротепляки, отражательные печи и др.

Недостатками способа, сдерживающими его применение в стесненных условиях,являются высокие энергоемкость и себестоимость работ, низкая оперативность выполнения подготовки грунта к экскавации, опасность производства работ.

Механическое рыхление мерзлых грунтов получило наиболее широкое применение /6,10,11,12,13/. Послойное разрушение мерзлых грунтов в строительстве на сравнительно больших площадях при устройстве траншей, выемок, котлованов, выполнение планировочных и дорожных работ производится мощными рыхлителями (рипперами) статического действия. Рыхлители статического действия для разработки мерзлых грунтов находят широкое применение как в СССР так и за рубежом. Современные однозубые и многозубые рыхлители конструктивно просты, высокопроизводительны⁴ и достаточно надежны в эксплуатации.'

Производительность навесных рыхлителей на базе мощных тягачей при разработке вечно мерзлых грунтов высокой прочности достигает I00-20G м³/ч. Рыхлители разрушают грунт в основном за счет деформации разрыва, наименее энергоемкого процесса разрушения.

В Советском Союзе научными исследованиями по обоснованию параметров и конструктивной проработке навесных рыхлителей занимаются ВНИИСтройдормаш, Челябинский и Брянский заводы дорожных- машин, а так^же ряд отраслевых'научно-исследовательских и учебных институтов.

Большой известностью пользуются рыхлители,выпускаемые в США.

Фирмами: C_aterpi6Car Tractor ATEC0,A6is Chalmers ,

Vision и другие. В Японии - фирма KomcfTsil. Механическое рыхление грунтов так^же осуществляют за счет динамического воздействия на грунт рабочего органа.

Передача механического воздействия может быть осуществлена

ІЗ путем сбрасывания рабочего органа на грунт и путем ударного воздействия на рабочий орган, находящийся в контакте с грунтом.

Однако использование этого оборудования для механического рыхления в стесненных условиях ограничено вследствие больших габаритов статических рыхлителей, а также вследствие высокой опасности проведения работ при применении машин динамического действия из-за значительного разлёта кусков грунта.

В связи с этим, представляет интерес направление, связанное с оснащением одноковшовых экскаваторов навесными рыхлителями.

В Советском Союзе ИГД СО АН СССР разработаны пневмомолоты ПМ-IOQ ПН-І300, ПН-І700 и другие. Источником энергии является воздух от компрессора. Во ВНИИСтройдормаш созданы перспективные конструкции гидромолотов СО 1-82, СП-7І, СЇЇ-62, работающие на одном энергоносителе с базовой машиной. Работы в этом направлении ведутся в КФ ВНИИСтройдормаша, в Карагандинском политехническом институте, в ИГД им.Скочинского, в Новосибирском электротехническом институте. Молоты навешиваются на рукоять гидравлических экскаваторов ЭО-2621, ЭО-3322, ЭО-4121. В ЦНИИС разработаны рыхлители, навешиваемые на ковш ЭО-3322, ЭО-4121.

За рубежом разработкой и созданием аналогичного оборудования занимаются в США (фирма "0n(jerso6c-Rand, "_f пневмомолоты АВМ--500, АВМ-ЮОО, гидромолот О -500), в Японии (фирма " A/ippon pneurnotlc ", пневмомолоты ЭРН-200, 4000... 1000), в ФРГ (фирма " Кгирр", гидромолоты НМ-400, RM-40I) и другие /3/.

Недостатком молотов является необходимость их навешивания на экскаваторы 3 и 4-ой размерных групп ЭО-3322 и ЭО-4121 из условия создания необходимого статического пригруза на инструмент, что не достигается при навеске на ЭО-2621 и приводит к снижению эффективности этого оборудования. Другим недостатком является наличие определенного уровня звукового давления и вибрации базовой

машины, связанных с работой ударного механизма /14/.

Поэтому представляют интерес конструкции навесных рыхлителей, позволяющих разрушать грунт безударным способом. Так Э1ЖБ Глав-севкавстроя по предложению Главтяжстроймеханизации Минтяжстроя СССР был спроектирован и изготовлен винтовой рыхлитель на базе ЭО-2621 с комплектом винтов со специальным профилем нарезной части /15/.

В СПИ разработан винтоклиновой рабочий орган /4/ к экскаватору ЭО-2621. Разрушение грунта происходит под воздействием нагрузки, создаваемой системой "винтовой наконечник-грунт-клин". Преимущество этих конструкций - отсутствие динамических нагрузок на базовую машину. Однако низкая производительность 5,0-15,0 м³/ч при энергоемкости 0,28-0,42 кВт«ч/м³, чувствительность к механическим включениям снижают эффективность этого вида оборудования.

Механизированная разработка мерзлых грунтов отличается законченностью технологического процесса, выполняемого, как правило, одной машиной: разрушение и экскавация грунта осуществляется одним рабочим органом /16-17/. Существенными недостатками машин этой группы являются высокая энергоемкость процесса сплошного резания и повышенный износ рабочих органов.

Буровзрывной метод нашел широкое распространение при рыхлении мерзлых грунтов на больших площадях и при большой глубине промерзания. Однако его применение вблизи сооружений и в населенных пунктах затруднено вследствие ряда вредных сопутствующих явлений -выброс грунта, сейсмоэффект, вредные газы и т.д.

Разработка мерзлого грунта с использованием механизированного ручного инструмента, а также ручная разработка применяются при выполнении малообъемных, рассредоточенных работ при невозможности применения других методов и отличаются по сравнению с другими методами высокой себестоимостью и трудоемкостью.

В настоящее время в стадии экспериментальных исследований находятся комбинированные методы разрушения мерзлых грунтов и горных пород, которые все чаще применяются в практике строительства и представляют собой комбинации отдельных основных методов. В этих случаях каздый из способов воздействия используется в наиболее благоприятных условиях /18/.

К комбинированным методам относится термопневматический метод, заключающийся в направленном воздействии на породу высокотемпературной сверхскоростной газовой струи. Температура газовой струи достигает 2900С, скорость до 2000 м/с /19/. Исследованиями в этой области занимаются СО АН СССР, Каз.ІШ, Вшрорудмат.

Одним из видое комбинированного метода является термомеханический метод, заключающийся в одновременном воздействии на среду термической и механической энергий. Вопросами исследования и создания термомеханических буров занимаются ХАИ, ИПМ, К ВШИСтрой-дормаша. Сущность метода заключается в предварительном прогреве зоны разрушения реактивной струей с последующим воздействием на нее механического инструмента /18/.

Одним из интересных методов разрушения мерзлых грунтов является взрывотермический способ, основанный на комбинации взрывного и теплового разрушения грунтов. Этот способ, разработанный в ЦПЭС треста Союзвзрывпром, заключается в том, что в мерзлом грунте создают разветвленную систему трещин путем взрыва заряда бризантного ВВ, затем проводится его оттаивание сжиганием горючего вещества _у размещаемого в скважине. Продукты горения, распространяясь по трещинам,отогревают мерзлый грунт. Рыхлая связка из талого грунта между элементами мерзлого грунта позволяет разрабатывать его обычными землеройными машинами. При этом сплошного отогрева элементов грунта не требуется /20/.

Из приведенного материала следует, что наибольшее распространение в настоящее время получил способ механического рыхления

мерзлых грунтов. Этот способ,применительно к стесненным условиям, наиболее эффективно реализован в навесном оборудовании к гидравлическим экскаваторам. Перспективным направлением является применение комбинированных методов разрушения, сочетающих положительные свойства отдельных методов, входящих в комбинацию.

1.2. Анализ методов и устройств для разработки прочных

и мерзлых грунтов энергией газа высокого давления (ЩЦ)

В настоящее время в различных газодинамических устройствах для разрушения и перемещения прочных и мерзлых грунтов - используется 4 энергоносителя: продукты взрыва взрывчатого вещества (БВ), продукты реакции зарядов патронов аэрдокс и кардокс, продукты-горения топливовоздушной смеси, сжатый воздух высокого давления.

Наибольшее развитие получили конструкции, использующие два последних энергоносителя, ввиду возможности регулирования параметров процессов, происходящих при сгорании топливовоздушной-смеси, а также при расширении газа высокого давления, истекающего из ограниченной емкости.

В отличии от этих энергоносителей применение взрывчатых веществ и патронов типа ждрокс ограничено, поскольку эти энергоносители обладают высокой мощностью, что приводит к большому выбросу грунта и вредным экологическим воздействиям на окружающую среду. Помимо всего, эти вещества обладают повышенной опасностью при обращении с ними. Все это значительно затрудняет, а в отдельных случаях полностью исключает возможность использования этих энергоносителей для интенсификации процесса разработки мерзлых грунтов в стесненных условиях строительства.

В качестве примера использования энергии НВ для разработки мерзлых грунтов может служить конструкция навесного рыхлительного оборудования к трактору /21/. На мост трактора навешивается рых-

лительная стойка с механизмом подачи заряда ЕВ, при подрыве которого осуществляется рыхление массива.

Поэтому рассмотрим основные тенденции развития методов и средств, использующих наиболее распространенные энергоносители. Основоположником метода использования энергии газов для разработки грунтов является советский инженер П.П. Белоусов, который впервые в 1952 году сформулировал основные принципы газоимпульсной разработки грунтов. Его предложения касались использования энергии сверхзвукового газовоздушного потока для рытья траншей /22/. На рис. I.I показана схема землеройной машины Белоусова. На раме I смонтирован реактивный двигатель 4 с выхлопным патрубком 5, на котором расположены газовые эжекторы 6, соединенные с буферной камерой 7. При работе ходовая часть 2 создает напор виброжелоба 10 на забой грунта. Выхлопные газы реактивного двигателя 4 проходят через патрубок 5, газовые эжекторы 6 и буферную камеру 7. При этом увеличивается объемный расход газового потока, который,истекая из сопла 9, разрушает грунт. Виброжелоб 10 ножами и лемехами сбрасывает грунт в газовый поток и уплотняет стенки траншеи.

Имеется ряд работ зарубежных исследований в этом направлении. Представляет интерес созданная в США. на основе сочетания механического и взрывного методов группа машин со взрывным устройством для разработки грунта. Журнал " Design ^eus " США в феврале 1967 года, публикуя сообщение о разработке взрывного устройства, назвал его "системой экскавации грунта, призванной произвести революционный переворот в методах землеройных работ" /23/.

Юго-западным исследовательским институтом США. (SouThwsST-Reseaneh Institute) были проведены испытания опытного образца бульдозера с однокамерным взрывным устройством (рис.1,2 ).

Рис.1.1. Землеройная машина Белоусова П.П. (а.с. 25УІ45 СССР) .

Рис.1.2. Устройство ЛЕДЗОД (патент V- 3.465.577.США) .

Сущность работы такого бульдозера заключается в том, что грунт, скопившийся в виде призмы волочения над пологим ножом и передней стенкой отвала, разрыхляется и отбрасывается вперед силой расширяющихся газов, Зти газы образуются в камере сгорания при сжигании рабочей смеси из бензина или дизтоплива и воздуха. рунт при этом выполняет функцию своеобразного поршня.

Устройство действует следующим образом. В камеру сгорания 3 через сопло 4 поступает сжатый воздух и через форсунку 2 впрыскивается топливо. С помощью запальной свечи 5 рабочая смесь воспламеняется. Одновременно золотниковый клапан занимает положение^ как показано на рисунке. Выпускной клапан 6 под давлением расширяю- щихся газов открывается и газы из камеры сгорания 3 поступают во взрывную камеру 7. Выходя через отверстие в наклонной поверхности пологого ножа отвала, газы разрыхляют и отбрасывают грунт 8, находящийся перед лобовым листом отвала 9. После выхода газов клапан 6 закрывается и процесс повторяется сначала.

В авторском свидетельстве ЧССР гё 150382 описана конструкция газоимпульсного устройства землеройной машины (рис. 1*3) , включающего камеру сгорания I, соединенную с ножом 2, снабженным выхлопными отверстиями. На камере сгорания I смонтированы впускной клапан 3 для зарядки камеры топливо-воздушной смесью, свечи зажигания 4 и 5 и тангенциальные предкамеры 6 и 7, обеспечивающие равномерное воспламенение топливо-воздушной смеси по всему объему камеры сгорания / 22 /.

В патенте США. № 3.887.237 описана конструкция рыхлителя газоимпульсного действия с использованием детонации (рис.1.4) . К трактору с помощью обычной подвески навешивается рыхлитель со специальным зубом I, который в верхней части снабжен камерой сгорания 2, а в нижней части заканчивается направленным вперед отверстием в клине конусного наконечника. Конструкция детонационной

Рис.1.3. Газоимпульсное устройство (а.с. Р 150382 ЧССР).

Рлс.1.4. Рыхлитель F/4RE (патент № 3.887.237. США) ї

камеры обеспечивает создание детонавдонной ударной волны при воспламенении горючей смеси. Детонационная волна, выходя через отверстие, создает вторичный взрыв в трещинах породы. Смесительное устройство 3 включает клапаны 4 и 5, обеспечивающие синхронную подачу кислорода и водорода в камеру сгорания по трубопроводу 6 и 7. Включение клапанов 4 и 5 обеспечивается эксцентриком 8, блокированным с эксцентриком 9 включения запального трансформатора 10, соединенного со свечой зажигания II. В камере сгорания при подаче горючей смеси образуется гремучий газ, воспламеняемый свечой II. Сгорание происходит в детонационном режиме с минимальным загрязнением окружающей среды.

В отделении гражданского строительства и горного дела Университета штата Шнессота США. разработано устройство CERBccont-roM:ed exbpfcoswe rock Breaker)- устройство для контролируемого разрушения горной породы с использованием взрывчатого вещества /2i/, CERB представляет собой устройство, в котором газы под высоким давлением резко выпускаются из стального цилиндра. 1азы с высоким давлением 200,0-500,0 МПа и высокой температурой 3000С создаются путем детонации топлива в воздухе или кислороде при сравнительно невысоких начальных давлениях 8,5 -15,0 МПА.. В качестве топлива используется ацетилен.

В Советском Союзе Taivse ведутся широкие исследования в этой области. Предложены различные конструкции камер сгорания топливо-воздушных смесей для получения импульсов газа высокого давления /25,26/. Во ВНИИСтройдормаше создана экспериментальная установка газодинамического действия Э1У для исследования процесса генерирования импульсов газа высокого давления путем сгорания топливо-воздушной смеси, исследования на которой показали эффективность разрушения грунтов с использованием энергии газов высокого давления /27/.

В рассмотренных выше методах и устройствах для генерации импульсов газа высокого давления используются продукты химического превращения исходной топливо-воздушной смеси, для приготовления которой и последующего воспламенения необходимы смесительные устройства, системы электровоспламенения, а также система контрольно-измерительной аппаратуры. Все это усложняет и удорожает разработку и исследование процессов разрушения грунтов этими устройствами.

Этих недостатков лишены устройства, в которых энергоносителем является воздух, сжатый до высоких давлений. В качестве источника используют компрессоры высокого давления, а устройства обеспечивают лишь эффект импульсного истечения в сторону разрушаемой среды.

Известно устройство "Армстронга" с использованием оттого воздуха и устройство, работающее на двуокиси углерода СО /24/. Оно состоит из толстостенных стальных цилиндров повторного использования диаметром 50 мм и длиной 1,5 м. Они вставляются в скважины и при достижении достаточно высокого давления порядка 200,0 Ща происходит сдвиг диска с прорезями на одном конце цилиндра и истечение газа. Эти устройства широко используют в угольных шахтах США. и Франции. Во Франции Сбассейн Бланзи) добыча угля с применением компрессора составляла до 7,5 тонн на один взрыв /28/.

В Советском Союзе впервые попытка использовать сжатый воздух' для разрушения мерзлых грунтов осуществлена в 1958 году /29/. Установка состояла из пневмопатрона емкостью 1,8 х 10~^вм³ и баллона с воздухом,сжатым до давления 15,0 МПа.Пневмопатрон вставлялся в предварительно пробуренный* шурф.При достижении необходимого давления в пнезмопатроне происходило срезание штифта, истечение газа в сторону грунта и разрушение последнего.Несмотря на поло-

жительвые результаты использование пневмопатрона не нашло промышленного применения из-за таких недостатков как большие трудозатраты при бурении шурфов и необходимости использования комплекта оборудования, обслуживаемого несколькими рабочими (бурильная установка, передвижной компрессор, пневмопатрон, арматура и воздухопроводы).

В дальнейшем был разработан ряд конструкций, обеспечивающих выполнение операции по доставке импульса на заданную глубину и его генерирование /30-39/. В СПИ был разработан газоимпульсный рыхлитель (рис.1.5). Под действием осевого пригруза и крутящего момента штанга I завинчивается на необходимую глубину. После заполнения сжатым воздухом рабочей камеры 2 и камеры управления 3, последнюю сообщают посредством крана 4 с атмосферой. В результате перепада давления клапан 5 мгновенно перемещается вниз, открывая при этом выхлопные отверстия 6. Іаз, истекая в сторону грунта, производит разрушение. Результаты экспериментальной проверки этого устройства показали, что оно способно эффективно разрушать мерзлые грунты - супеси и суглинки прочностью С_ук =120-160 при давлении 12,0-17,0 Ша и объеме рабочих камер (4,0-16,0) хЮ~³м³. Был изготовлен экспериментальный образец натурного мерзлоторых-лительного оборудования на базе трактора Т-40. В качестве источника газа высокого давления использован компрессор ДК-200 /32/.

Анализ сравнительных технико-экономических показателей (табл.1.2) мерзлоторыхлительного оборудования для производства работ в стесненных условиях, а также анализ конструктивных схем штанговых рабочих органов с газодинамическим интенсификатором позволил определить следующие три этапа формирования основных тенденций развития этого вида оборудования.

Первый этап характеризовался обобщением проведенных ранее исследований в области разрушения прочных грунтов энергией газа высокого давления и завершился созданием винтового газонмпульсно-

Рис. L5.Винтовой газоимпульсный рыхлитель,

Технико-экономические показатели мерзлоторыхлительного оборудования

Таблица 1.2

Ш\ Вид рыхлительно-пп; го оборудования

Энергоем-і Себес тонкость, _ч імость, кВт«ч/м іруб/мз

іГлубина {Производи- j
ірихле- {тельность, {
|НИЯ, М {м³/ч {

Примечание

0,1-0,2 0,3-0,5

8. Пневмомолотки - 2,0-4,7

9. Гидро-пневмомолоты 0,1-0,8 0,25-0,9

а) СП-7І

б) ПМ-100

0,2-0,6 0,5-0,7

0,2-0,4

3. Винтоклиновой рабочий орган МВ-СПИ- 0,28-0,42 0,17-0,3

4. Пневмопатрон 2,2

5. Газоимпульсный _п ?я_п л п ая рыхлитель 0,^8-0,6 0,Ь8

0,25-0,4 0,5-0,7

6. Штанговый рабочий 0,6^1,0
орган с газодинами
ческим интенсифика-

тором,одноимпульеный

7. То же, двухимпульс-

ный 0,6^1,3

0,3-0,9 В комплекте с компрессором ДК-9М

Навеска на экскаваторы ЭО-2621.
ЭО-3322, ЭО-4121 *

I4,0-45,0_V/ Навеска на рукоять ЭО-3322, 10,0-32,0*/ 30-4121 (по данным ЦНИИ ОМТП)

9,0-54,0 Навеска на ковш ЭО-3322,

7,0-45,0³^ ЭО-4121 (по данным ЦНИИС), в комплекте с компрессором ДК-9М

15,0

0,5-1,0 за I цикл

10,0-20,0 25,0-35,0

Навеска на рукоять ЭО-2621

В комплекте с перфоратором и компрессором ДК-2

Разрушение в одном уровне. Нижнее расположение клапана. Подвеска к раме трактора Т-40,в комплекте с компрессором ДК-200

Разрушение в одном уровне с верхним расположением клапана

0,25-0,4 1,2-1,4 35,0-45,0

Разрушение в двух уровнях с верхним расположением клапана

х/ - производительность полной разработки (рыхление, перемещение в забой)

го устройства.

Исходными конструкциями явились винтовой рабочий орган и пневмопатрон. Первоначальная конструкция винтового газоишульсно-го рыхлителя одним из недостатков тлела неудовлетворительную герметизацию клапана, перекрывающего выхлопные отверстия.

Второй этап характеризовался дальнейшим совершенствованием узлов и механизмов газодинамических устройств, генерирующих импульсы. Ряд конструктивных решений способствовал улучшению герметизации и надежности работы клапанного механизма /33/ за счет герметического разделения рабочей камеры и камеры управления, а также подбора материала клапана и уплотняющей вставки. Эффективность работы газодинамического устройства во ішогом определяется условиями герметизации выхлопных отверстии газоразрядной втулки. В конструкции /34/ над выхлопными отверстиями выполнены дугообразные уплотнителы-ше элементы, назначение которых заключается в том, что они выдвигаются до упора в грунт, герметизируя тем самым-зону выхлопа. В устройстве /35/ предусмотрен разгонный канал и поршень, разделяющий рабочую камеру и надпоршневую полость. В режиме истечения газа из выхлопных отверстий поршень под дейст-вием давления в надпоршневой полости перемещается вниз,обеспечивая тем самым принудительное истечение газа из рабочей камеры. Эффективность процесса при этом повышается за счет дополнительного разгона газового потока. Второй этап характеризовался также совершенствованием конструкций в направлении обеспечения возможности регулирования давления импульса в зависимости от прочност- ных свойств грунта /36/.

На третьем этапе был предложен ряд устройств, направленных на повышение производительности процесса, общим признаком которых явилось воздействие на разрушаемую среду импульсами ІВД в нескольких уровнях. !ак в устройстве /37/, представляющем собой

полую штангу с винтовым наконечником, сжатый газ, истекая из рабочей камеры через ряд выхлопных отверстий в штанге, воздействует на грунт. В результате массив вокруг штанги теряет прочность из-за появления участков разрыхления, соответствующих уровням расположения и направленности выхлопных отверстий.

В устройстве /38 / в непосредственной близости выше основных выхлопных отверстий расположены дополнительные выхлопные отверстия, предназначенные для предварительного рыхления грунта»

В устройстве /39 / грунт разрушается при последовательном истечении газа из рабочей камеры первоначально из верхнего, затем нижнего ряда выхлопных отверстий.

Анализируя этапы развития штанговых рабочих opraHOBj следует отметить тот факт, что конструкции первых двух этапов отличал общий недостаток - это расположение клапанных механизмов в зоне выхлопных отверстий, т.е. в зоне интенсивного образивного износа. Это снижало долговечность и надежность клапанного механизма, а так^же приводило к заклиниванию клапана.

Отметив в качестве положительного признака вынос клапанного механизма из зоны выхлопных отверстий и присущего конструкциям третьего этапа, следует отметить следующий недостаток. Эффективность работы этих устройств снижается вследствие наличия неблагоприятных условий взаимодействия импульса газа с грунтом, выражающихся в том, что нижние, т.е. последующие импульсы ГВД воздействуют на грунт в основании конической воронки, наклонные стенки которой блокируют массив, тем самым уменьшают объем разрушения последующими импульсами.

Анализируя этапы развития газодинамических- устройств, необходимо отметить, что совершенство их конструкций, а так/ке эффективность процесса разрушения мерзлого грунта во многом определяются работой клапанного механизма, обеспечивающего эффект импульс-

ного воздействия на грунт энергии газа высокого давления.

Все многообразие конструкции клапанов можно свести к двум основным группам.

Первая - управление перемещением клапана, то есть открытием выхлопных отверстий, осуществляется посредством электромагнитного клапана с возвратной пружиной /39,40/.

Вторая группа - управление клапаном осуществляется посредст-вом нагнетания и последующего сброса в атмосферу давления из камеры управления /42-43/.

Главным недостатком конструкций первой группы является их большая . инерционность, то есть большое время срабатывания, за счет того, что электромагнитному клапану необходимо преодолеть усилие сжатия возвратной пружины. Увеличение времени срабатывания уменьшает мощность импульса, а это снижает эффективность работы устройства.

Этого недостатка лишены конструкции клапанных механизмов второй группы. Однако им, как и механизмам первой группы, присущ другой недостаток. Это невысокая надежность герметизации рабочих камер, которая у этих конструкций обеспечивается плотностью прилегания поверхностей скольжения деталей клапанного механизма. Незначительный износ этих поверхностей приводит к перераспределению давления газа на рабочих поверхностях клапана, что приводит к значительным утечкам газа, а так/же к случайному срабатыванию клапанного механизма.

Из приведенного материала следует, что перспективными конструкциями для разработки мерзлых грунтов в стесненных условиях являются штанговые рабочие органы с газодинамическим интенсификато-ром, где в качестве рабочего тела используется воздух высокого давления до 22,5 Ша. Несмотря на большое многообразие конструкций, они имеют ряд существенных недостатков и требуют дальнейшего совершенствования с целью повышения эффективности процесса рыхле-

ния мерзлых грунтов.

Повышение эффективности рабочего процесса этого вида рабо--чих органов следует ожидать при разработке конструкций, в которых импульсы ІВД воздействуют на массив мерзлого грунта в нескольких уровнях, а клапанный механизм вынесен из зоны выхлопных отверстий, т.е. из зоны разрушений.

1.3. Анализ экспериментальных и теоретических исследований процесса разрушения мерзлых и прочных пород энергией газа высокого давления

Исследованию процесса разрушения грунтов с использованием энергии газов высокого давления применительно к рабочим органам землеройных машин посвящены работы д.т.н. В.И.Баловнева, к.т.н. А.А.Яркина, Е.й.Чижика, А.Б.Ермилова, А.А.Хмары, В.С.Йвкина, А.В.Фролова, С.А.Макарова и других.

Большой объем экспериментальных исследований по выявлению определяющих параметров системы и оценки их влияния на эффективность процесса разрушения мерзлых грунтов импульсами газа высокого давления был выполнен во ВНЙИСтромдоршше, МАДИ, УІШ, <Ж,МШ. Анализ исследований показывает, что на ооновные показатели процесса удельную энергоемкость и производительность существенное влияние оказывают геометрические параметры рабочего органа,энергия импульса, глубина рыхления грунта и его физико-механические свойства. Увеличение энергии импульса при постоянной глубине рых-г ления и прочности грунта приводит к увеличению объема разрушенного грунта. Ілубина рыхления является основным фактором, влияющим на эффективность процесса /44-47/.

Для оценки эффективности разработки грунтов с использованием энергии ЕВ и возможности создания шшин взрывомеханического действ

вия во ВНИИЗеммаше были проведены экспериментальные исследования /48 /. Испытывались отвалы, в нижней части которых располагались устройства для подачи зарядов в грунт. Основная часть опытов была проведена при двух одновременно взрываемых зарядах массой 0,6 кг и глубине копания I м. Объем выброшенного грунта за один взрыв составил 0,7-0,75 м³. Разлет грунта составил до 15 м.

Одновременно были проведены опыты с зарядами "гидрокс", состоящие в основном из аммиачной селитры, древесной муки и азотно -кислого магния. При сгорании зарядов и возрастании давления до 40,0-70,7 МПа происходило срезание металлических диафрагм, запирающих выходные отверстия камер и истечение газов в сторону разрушаемого грунта. Установлено, что масса заряда и давление в камере сгорания пропорциональны глубине копания. Испытания зарядов "гидрокс" были произведены совместно с Институтом горного дела имени А..А.. Скочинского.

Разработкой аналогичных устройств для разрушения прочных пород на основе двуокиси углерода занимается фирма "Кэрдокс" США..

Изучению вопросов использования энергии газов для интенсификации процессов землеройных машин посвящены работы /49,50/. В работе /51 / предлагается для интенсификации процесса рыхления мерзлых грунтов подводить в зону разрушения импульсы газа. Приводятся данные испытания физических моделей и натурного образца рыхлителя на базе трактора ДТ-75.

В работе /52 / приводятся результаты испытаний по разрушению мерзлых грунтов винтовым рабочим органом с газодинамическим интен-сификатором. В качестве одного из результатов дано время истечения газа из рабочей камеры. При диаметре втулки 0,04 м, объеме рабочей камеры 0,0038 м³ и площади канала истечения 2,14 х I0~^m2

время истечения составило в зависимости от глубины рыхления и прочности грунта 0,18-0,58 секунды, причем большие значения соот-

нетствовали большей глубине рыхления и меньшему диаметру разрядной втулки.

Необходимо отметить в качестве недостатка проведенных исследовании в работах /49,51,52/ то, что исследователи оценивали продолжительность взрыва, т.е. продолжительность воздействия импульса газа на грунт, временем истечения газа из рабочих камер, используя для этого датчики давления.

В этом плане интерес представляет работа /48/, где авторы приводят данные по испытанию, проведенному во ВНИИЗеммаше, отвального оборудования, оборудованного камерой сгорания объемом 1,0x10 м . Отвал имел подрезной нож, верхние плоскости которого выполнены в виде решетки, примыкающей к камере сгорания. В качестве ВВ использовались баллистные пороха марки НМ-2. В момент сгорания ВВ в рабочих камерах давление поднималось до 40,0-70,0 МПа, после чего происходило срезание диафрагмы м истечение газов в под-решетчатую полость. Анализ осциллограммы изменения давления показал, что при общей длительности истечения газа 0,06-0,095 секунды продолжительность воздействия импульса на грунт составила 0,04г-0,05 секунды. Из этого следовало, что 20-30$ газов не участвова-ло в совершении полезной работы.

Таким образом можно отметить, что существующие газодинамические устройства работают в экономически невыгодном режиме,поскольку общее время истечения газа из рабочих камер превышает длительность воздействия импульса газа на грунт, т.е. длительность фазы разрушения. В результате этого на заключительной фазе работы газодинамического устройства происходит простое истечение газа в атмосферу из рабочей камеры до полного ее опорожнения. В этом случае данные по энергоемкости являются завышенными, т.к. этот показатель определяют из условия затраты на разрушение всей энергии газа,аккумулированной в рабочей камере, а не фактически зат-

'раченной.

Анализируя преимущество использования газа высокого давления-для разрушения мерзлых грунтов по сравнению с разрушением ВВ (таблицам и1.2)следует отметить работу /53/, в которой английский исследователь Т.Б. Блаи, рассматривет физическую картину процесса, происходящего при воздействии огромного давления в первоначальной фазе на стенке шуфра. Он отмечает, что раздавленная порошкообразная порода образует изолируїаций слой. Этот слой отделяет молекулы газа от быстрообразующихся тонких трещин, забивающихся раздавленной породой. Б связи с этим для того.. чтобы трещины расширялись, давление, действующие на стенки изолированной трещины, должно быть гораздо выше, чем это надо было бы в случае отсутствия заку-по-рки трещин раздавленной породой.

В связи с этим приходится увеличивать заряд ВВ,и разрушение породы является результатом действия волн напряжений, что не является самым эффективным способом. Поэтому удельная энергоемкость процесса разрушения породы энергией ЕВ достаточно высока по сравнению с пневмомеханическим способом.

Анализ исследовании по изучению процесса разрушения мерзлых грунтов рабочими органами с газодинамическим интенсификатором показывает, что до настоящего времени такой параметр как продолжительность процесса разрушения ни кем не рассматривался. Использование же теоретических зависимостей из области механики разрушения /54,55/ для определения скорости распространения трещин в среде с целью оценки продолжительности разрушения мерзлого грунта весьма проблематично. Так по Кочакову Л.М. предельная скорость трещин составляет /54/:

#tp=WC_r , Сіл)

где С^ - релеевская скорость.

Оценка по этому выражению (i.l) скорости трещин в мерзлом

33 грунте дает значение 300-1500 м/с. Однако из результатов анализа

кинограмм скоростной киносъемки процесса разрушения образцов мерзлого грунта взрывом ВБ /56/ следует, что эта величина составляет 30-159 м/с. Это различие можно объяснить, используя работу /57/, в котором указывается на непостоянство скорости конца трещины. Колебание скорости - её уменьшение - вызывается появлением в конце трещин дислокаций, которые выполняют роль тормоза. Также отмечено, что в аморфных полимерах, обладающих заметной вязкостью, возможны остановки конца трещин.

Таким образом, мерзлый грунт, имея определенную вязкость и огромное количество по сравнению с металлами дислокаций, то есть нарушений монолитной структуры, будет иметь значительно меньшую скорость распространения трещин, чем это получается по вычислениям, в следствие тормозящего эсофекта от неоднородности структуры.

Перейдя непосредственно к анализу теоретических исследований, следует отметить, что большинство исследователей при определении таких определяющих процесс параметров, как объем рабочей камеры и давление газов, исходят из уравнений энергетического и силового балансов.

Так в работе /58/ авторы для отвальной поверхности находят давление газа в начальный момент воздействия его на грунт жз уравнения силового баланса, включающего силы сцепления, силы тяжести, а также силы трения и инерции отделяемого объема грунта.Объем рабочих камер определяется из выражения работы, совершаемой газом при адиабатическом расширении /59/.

.Наосмотренный принцип определения давления газа и объема рабочей камеры часто используется при решении аналогичных задач, и уравнение баланса отличается в каждом конкретном случае отдельными составляющими, зависящими от конструктивного исполнения рабочего органа и условий его работы. Так в работе /37/ в уравне-

ния силового и энергетического балансов для случая разрушения мерзлого грунта штанговым рабочим органом введены члены, учитывающие трение грунта по грунту и аэродинамическое сопротивление.

Ряд исследователей предлагает теоретические зависимости, используя формулы теории упругости для определения давления раза. В работе /60 /в основу расчета необходимого давления газа положен расчет сферических толстостенных сосудов.

В работе /32 / давление,разрушающее мерзлый грунт, определяемся из решения плоской задачи теории упругости. При рыхлении в забой - задача о на гружений области, ограниченной окружностью, находящейся под равномерным давлением и кровяной забоя. При рыхлении негабаритов - задача Ламе. Сразу отметим, что в инженерных расчетах часто применяют плоские задачи из теории упругости, поскольку аналитическое решение объемных задач представляет значительные-математические трудности при повышении точности расчетов не более чем 5-7 %, Нельзя не отметить правильность теоретических основ аналитических исследований. Однако существенным недостатком их является то, что рассматривая физическую картину процесса разрушения мерзлого грунта импульсами газа высокого давления в качестве обязательной и основной, т.е. доминирующей фазы,выделяют фазу расклинивающего и поршневого действия газов, однако не в одной известной нам теоретической зависимости это не учитывается. Неизвестны так/яе работы по теоретическому определению продолжительности фазы разрушения.

Единственную в том плане можно отметить работу /61 /, в которой разрушение талого грунта представлено как процесс развития в газовой полости с момента начала истечения газа через выхлопные отверстия вплоть до выхода её на поверхность. Результатом исследований явилось получение математической модели характеристики приращения объема газовой полости, ото позволило на основании ре-

зультатов проверки теоретических исследований на модели и натурном образце траншеекопателя газодинамического действия в ЦНИИПе ВШИСтройдормаша получить характеристики требуемого расхода газа через выхлопное устройство. Однако, процесс развития шаровой полости в грунте, находящейся под высоким давлением, согласно теории камуфлетного взрыва определяется не только прочностными, но и упругими характеристиками грунта. Это модуль упругости Е и модуль объемного сжатия » . В математической модели процесса это не учитывается.

Рассматривая перспективы развития расчетных методов определения параметров газодинамического импульса_р необходимо- определиться наличием преобладающих факторов, определяющих процесс разрушения, которые в значительной степени зависят от акустической жесткости среды . В зависимости от характера процесса разрушения породы разделяются на три группы /62 /:

группа к - породы с аккустической жесткостью в пределах от IQxIQ⁶ до 2&I0⁶ кг/м^с. Породы этой группы характеризуются высокой прочностью и разрушаются в основном под действием прямых волн сжатия и отраженных волн от свободной поверхности массива. К этой группе можно отнести породы І-Ш категории, к которым относятся согласно классишикации,приведенной в работе /63 J_} кварциты, базальты, крепкие известняки;

с.

группа Б - породы с аккустической жесткостью от 5x10 до IQxIO⁶ кг/м²с. Породы этой группы разрушаются как под действием волн сжатия и отражения, так и под действием давления газов взрыва, то есть в результате поршневого действия. К этой группе относятся породы ІУ -Уа категории - обыкновенный песчаник, железные руды, мягкий конгломерат, плотный мергель.

К третьей группе В относятся породы с аккустической жесткостью от 0,2хЮ⁶ до 5х10⁶ кг/іА. Породы этой группы разрушаются

главным образом поршневым действием газов детонации ВВ. В этих породах быстрое затухание волн напряжений происходит на небольших расстояниях от места их возникновения,' и роль волн в общем процессе незначительная. К этой группе можно отнести породы УІ-Х категории - мягкие сланец и известняк, каменную соль, гипс, мерзлый грунт, каменный уголь, а также все разновидности талых грунтов.

Отметив качественную аналогию.глроцесса разрушения грунта взрывом ВВ и импульса газа высокого давления, следует сделать заключение о необходимости учета в аналитических исследованиях работы поршневого действия газа как основной.

Рассматривая пути дальнейшего повышения эффективности процесса разрушения мерзлых грунтов в стесненных условиях штанговым рабочим органом с газодинамическим интенсификатором,следует отметить, что достижение этого за счет увеличения определяющих параметров процесса, таких какмаксимальное давление газа, энергия импульса, глубина его приложения, нецелесообразно. Зто объясняется тем, что увеличение диаметра винтовой лопасти , как показали расчеты /32 /, свыше 0,2 м повлечет за собой увеличение энергоемкости разрушения, так как прирост приведенной работы, глубины и объема рыхления не компенсируется значительным увеличением энергетических затрат на завинчивание рабочего органа. В связи с этим особый интерес представляют такие прогрессивные методы повышения эффективности разрушения горных пород взрывом как контурное взрывание и короткозамед-ленное взрывание КЗВ /62,64-67/, в которых используется положительный эффект взаимодействия полей напряжений при взрыве соседних зарядов.

Впервые метод контурного взрывания предложили шведские инженеры Лангефорс и Лундборгс. За рубедом -вопросами изучения явлений, происходящих при контурном взрывании, занимаются Норвегия, Швеция и ряд других стран.

При КЗВ взаимодействие зарядов является следствием нагруже-ния среды взрывом системы зарядов. В простейшем случае это два заряда, взорванных через определенный промежуток времени. На общий ход процесса разрушения будет накладывать отпечаток процесс взаимодействия ударных или непрерывных длиннопериодных волн, обусловленных квазистатическим давлением газов.

При разновременном взрыве происходит взаимодействие полей с разншж параметрами. Здесь мы имеем дело с вторичным нагружением среды в условиях, когда в среде еще не наступила разгрузка от первого нагружения.

Существует несколько теорий относительно сущности КЗВ. Гипотеза, основанная на учете напряженного состояния и соударения масс породы, наиболее полно рассмотрена в работе английских ученых А. Ібрдояа, М. Тайхманна, И. Хонкока /68,69/.

Іипотеза интенференции ударных волн, получившая еще название теории вибрационного разрушения, предполагает, что эффективность КЗВ достигается сложением упругих колебаний частиц взрываемой породы в тот момент, когда импульсы сил, воздействующих на эти частицы в результате взрывов соседних зарядов, имеют максимальное значение и одинаковое направление.

Теории интенференции ударных волн придерживаются советские ученые .И. Іаладжий, И.В. Бобров. Из зарубежных исследователей - И. Кота (Венгрия), Дон Лиит (Англия)/б4 /.

Іипотезу, основанную на учете дополнительных обнаженных поверхностей и ударных волн, в своих работах рассматривают отечественные исследователи А.Н. Ханукаев, Н.Г. Петров, й.Г. Баранов и другие /64 /.

Наибольший интерес с нашей точки зрения представляет гипотеза остаточных напряжений. Сторонники этой гипотезы утверждают, что последующие заряды должны взрываться через определенный ин-

тервал времени, когда находящийся под действием продуктов детонации предшествующих зарядов, массив еще не успел освободиться от остаточных напряжении / 64 /.

Гипотезы, объясняющие эффект КЗВ суммированием остаточных напряжений от соседних зарядов во взрываемом массиве, придержива-ются отечественные рісследователи Ф.М. Іельфанд, С.А, Давыдов, В.М. Ручкин и другие. Из зарубешых исследователей известны работы в этой области французского исследователя Д. Ансельма, чехословацкого исследователя И. Янас /64 /, американских исследователей Л. Милляра и Б. Фиша /?0,71/.

Положительный эффект от суммирований волн напряжений, возникающих в прочном грунте, получают так/же при ^го рыхлении в результате одновременного приложения ударной нагрузки в двух разных точках массива. В этом случае вектора ударной нагрузки прикладываются по сходящимся в одной точке траекториям /72 /.

Японские ученые У. Ямагути и Я. Самосура в работе /67 /, анализируя теории разрушения В. Дюваля, Р. Поина и У. Лангефорса, предполагают, что явление взаимодействия зарядов в массиве можно объяснить действием статического давления газа на стенки шпурову при этом происходит взаимодействие распространяющихся в среде наряду с ударными волнами длиннойериодных волн, образование которых обусловлено квазистатическим давлением газа и экспериментально установлено при взрыве зарядов ВВ в грунтах и горных породах /73, 74 /. В пользу того, что определяющим в процессе разрушения является квазистатическое давление газов, т.е. поршневое действие, говорят данные,приведенные в работе /75 / по определению энергии, переносимой волной напряжений при взрыве в граните и гнейсе. Волновая энергия составила от 10 до 18 % общей энергии взрыва, в соли эта величина составила от 2 до 4 % . Примерно 90 % энергии содержится в расширяющемся газе .

Проведенный анализ позволяет заключить, что исследователями не изучались вопросы по определению временных параметров процесса разрушения грунтов рабочими органами с газодинамическим интенси-фикатором, в связи с чем в существующих конструкциях рабочих органов продолжительность воздействия импульса на грунт превышает длительность фазы разрушения массива. В теоретических зависимостях не учитывается поршневое действие газов, которое в реальных процессах является доминирующим при разрушении мерзлых грунтов с использованием энергии газа высокого давления.

вшсда ПО ШВЕ

1. Методы, подготовка мерзлых грунтов к экскавации отличаются многообразием.- Наибольшее распространение получило механическое рыхление,, которое применительно к стесненным условиям наиболее эффективно реализовано в пневмо- и гидромолотах и винто-клиновом рабочем органе, выполненных в виде'сменного навесного оборудования к гидравлическому экскаватору.

2. Перспективным направлением, повышения эффективности процесса разрушения мерзлых грунтов является развитие комбинированных методов, сочетающих в себе положительные качества отдельных методов, входящих в комбинацию.

3. Существенно повысить эффективность процесса разрушения мерзлых грунтов в стесненных условиях позволяет использование для этой цели штанговых рабочих органов с газодинамическим интен-сификатором, которые,несмотря на большее многообразие конструкций, имеют ряд существенных недостатков и требуют дальнейшей доработки.

Поэтому направлением совершенствования процесса разрушения является воздействие на массив двумя последовательными во времени импульсами ІВД, подаваемых в зону разрушения в двух уровнях,

использовав при этом эффект взаимодействия полей напряжений каждого импульса за счет разновременности их подачи в зону разрушения. Относительно эффективности такого способа разрушения можно прогнозировать её улучшение, если учесть производственные результаты по применению в горной промышленности метода взрывания скважин рассредоточенными зарядами с внутрискважинным замедлением. Повышение эффективности процесса происходит за счет взаимодействия отдельных зарядов по длине скважины /76 /.

4. Анализ режимов работы газоимпульсных устройств позволяет сделать вывод о том,что необходимо обеспечить соответствие между временем воздействия импульса газа высокого давления и продолжительностью фазы процесса разрушения в зависимости от грунтовых условий, т.е. газошшульсные устройства должны обладать свойством адаптации.

5. Высокая эффективность процесса разрушения мерзлых грунтов штанговым рабочим органом с газодинамическим интенсификатором достигается за счет комбинированного воздействия рабочего оборудования на среду: механического - заключающегося в создании напряженного состояния и образовании начальной трещины в зоне выхлопных отверстий, возникающей при завинчивании винтовой лопасти в грунтуй пневматического - заключающегося в поршневом действии газов, истекающих из выхлопных отверстий инструмента, которые проникают в начальную трещину и за счет расклинивающего действия способствуют дальнейшему её раскрытию и отделению грунта от массива.

6. Теоретические исследования процесса разрушения мерзлого грунта импульсами газа высокого давления необходимо проводить с учетом поршневого действия газов при условии квазистатического приложения давления газов.

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССВДОВАВШ

Из приведенного материала в области разрушения мерзлых грунтов штанговыми рабочими органами с газодинамическим иятенсифика-тором в стесненных условиях строительства следует, что в настоящее время исследование процесса разрушения мерзлого грунта взаимодействующими импульсами газа высокого давления, а также изучение вопроса адаптации газоимпульсных устройств к грунтовым условиям, несмотря на ожидаемую эффективность, ни кем не проводились.

ЦЖЬ РАБОЗН: повышение эффективности рабочих органов машин для разработки мерзлых грунтов в стесненных условиях строительства и существенное снижение трудовых и энергетических ресурсов при выполнении этих видов работ на базе создания и использования устройства АШРОСШ - адаптирующегося штангового рабочего органа с суммирующим газодинамическим интенсификатором.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи.

Задачи исследования:

1. Установить зависимости, определяющие изменение давления газа в рабочих камерах и их объема для верхнего и низшего импульсов газа, а также изменение работы поршневого действия газов на разрушение грунта в зависимости от глубины рыхления, прочностных и упругих свойств грунта, диаметра винтовок лопасти в условиях суммирующего воздействия импульсов газа на массив.

2. Установить зависимость, определяющую изменение времени задержки между импульсами газа в зависимости от глубины рыхления верхним импульсом газа, прочностных и упругих свойств грунта, расхода газа через выхлопные отверстия.

3. Установить зависимости, определяющие влияние на зазор между поршнем и седлом адаптирующего клапана и на время его срабаты-

_Г

42 вания прочностных и упругих свойств грунта,глубины рыхления,вре-. мени задержки между импульсами,диаметра винтовой лопасти,параметров адаптирующего клапана - жесткости пружины, массы прушны и поршня, диаметра поршня.

4. Установить зависимости, определяющие влияние на удельную энергоемкость и производительность процесса разрушения грунта устройством АШРОСШ давления газа и объеш рабочих камер,глубины рыхления,прочностных и упругих свойсте грунта,времени задержки между импульсами, времени срабатывания адаптирующего клапана.

5. Сформировать критерии подобия и получить формулы перехо- , да от параметров модели к параметрам натурного образца мерзлото-рыхлителя;

6. Провести экспериментальные исследования на физических моделях мерзлоторыхлктельного оборудования для установления закономерностей и математических зависимостей определяющих влияние глубины рыхления,прочностных и з/пругих свойств грунта,объема рабочих камер,соотношения глубины приложения верхнего и нишею им-' пульсов газа через выхлопные отверстия,зазора между поршнем и седлом,а также жесткости пружины адаптирующего клапана на удельную энергоемкость и производительность процесса ;провести анализ полученных экспериментальных зависимостей для определения рациональных параметров рыхлительного оборудования, рациональных режимов работы и областей его применения.

7. Провести экспериментальные исследования на натурном образце мерзлоторыхлителя для определения ошибки моделирования и сопоставления аналитических и экспериментальных исследований.

8. Разработать рекомендации и методику расчета и выбора параметров мерзлоторыхлителя.

9. Провести оценку экономической эффективноеж внедрения в народное хозяйство результатов исследований.

Анализ методов и устройств для разработки мерзлых грунтов энергией газа высокого давления ГВД

Однако использование этого оборудования для механического рыхления в стесненных условиях ограничено вследствие больших габаритов статических рыхлителей, а также вследствие высокой опасности проведения работ при применении машин динамического действия из-за значительного разлёта кусков грунта.

В связи с этим, представляет интерес направление, связанное с оснащением одноковшовых экскаваторов навесными рыхлителями.

В Советском Союзе ИГД СО АН СССР разработаны пневмомолоты ПМ-IOQ ПН-І300, ПН-І700 и другие. Источником энергии является воздух от компрессора. Во ВНИИСтройдормаш созданы перспективные конструкции гидромолотов СО 1-82, СП-7І, СЇЇ-62, работающие на одном энергоносителе с базовой машиной. Работы в этом направлении ведутся в КФ ВНИИСтройдормаша, в Карагандинском политехническом институте, в ИГД им.Скочинского, в Новосибирском электротехническом институте. Молоты навешиваются на рукоять гидравлических экскаваторов ЭО-2621, ЭО-3322, ЭО-4121. В ЦНИИС разработаны рыхлители, навешиваемые на ковш ЭО-3322, ЭО-4121.

За рубежом разработкой и созданием аналогичного оборудования занимаются в США (фирма "0n(jerso6c-Rand, "f пневмомолоты АВМ--500, АВМ-ЮОО, гидромолот О -500), в Японии (фирма " A/ippon pneurnotlc ", пневмомолоты ЭРН-200, 4000... 1000), в ФРГ (фирма " Кгирр", гидромолоты НМ-400, RM-40I) и другие /3/.

Недостатком молотов является необходимость их навешивания на экскаваторы 3 и 4-ой размерных групп ЭО-3322 и ЭО-4121 из условия создания необходимого статического пригруза на инструмент, что не достигается при навеске на ЭО-2621 и приводит к снижению эффективности этого оборудования. Другим недостатком является наличие определенного уровня звукового давления и вибрации базовой машины, связанных с работой ударного механизма /14/.

Поэтому представляют интерес конструкции навесных рыхлителей, позволяющих разрушать грунт безударным способом. Так Э1ЖБ Глав-севкавстроя по предложению Главтяжстроймеханизации Минтяжстроя СССР был спроектирован и изготовлен винтовой рыхлитель на базе ЭО-2621 с комплектом винтов со специальным профилем нарезной части /15/.

В СПИ разработан винтоклиновой рабочий орган /4/ к экскаватору ЭО-2621. Разрушение грунта происходит под воздействием нагрузки, создаваемой системой "винтовой наконечник-грунт-клин". Преимущество этих конструкций - отсутствие динамических нагрузок на базовую машину. Однако низкая производительность 5,0-15,0 м3/ч при энергоемкости 0,28-0,42 кВт«ч/м3, чувствительность к механическим включениям снижают эффективность этого вида оборудования.

Механизированная разработка мерзлых грунтов отличается законченностью технологического процесса, выполняемого, как правило, одной машиной: разрушение и экскавация грунта осуществляется одним рабочим органом /16-17/. Существенными недостатками машин этой группы являются высокая энергоемкость процесса сплошного резания и повышенный износ рабочих органов.

Буровзрывной метод нашел широкое распространение при рыхлении мерзлых грунтов на больших площадях и при большой глубине промерзания. Однако его применение вблизи сооружений и в населенных пунктах затруднено вследствие ряда вредных сопутствующих явлений -выброс грунта, сейсмоэффект, вредные газы и т.д.

Разработка мерзлого грунта с использованием механизированного ручного инструмента, а также ручная разработка применяются при выполнении малообъемных, рассредоточенных работ при невозможности применения других методов и отличаются по сравнению с другими методами высокой себестоимостью и трудоемкостью.

В настоящее время в стадии экспериментальных исследований находятся комбинированные методы разрушения мерзлых грунтов и горных пород, которые все чаще применяются в практике строительства и представляют собой комбинации отдельных основных методов. В этих случаях каздый из способов воздействия используется в наиболее благоприятных условиях /18/.

К комбинированным методам относится термопневматический метод, заключающийся в направленном воздействии на породу высокотемпературной сверхскоростной газовой струи. Температура газовой струи достигает 2900С, скорость до 2000 м/с /19/. Исследованиями в этой области занимаются СО АН СССР, Каз.ІШ, Вшрорудмат.

Одним из ВИДОЕ комбинированного метода является термомеханический метод, заключающийся в одновременном воздействии на среду термической и механической энергий. Вопросами исследования и создания термомеханических буров занимаются ХАИ, ИПМ, К ВШИСтрой-дормаша. Сущность метода заключается в предварительном прогреве зоны разрушения реактивной струей с последующим воздействием на нее механического инструмента /18/.

Одним из интересных методов разрушения мерзлых грунтов является взрывотермический способ, основанный на комбинации взрывного и теплового разрушения грунтов. Этот способ, разработанный в ЦПЭС треста Союзвзрывпром, заключается в том, что в мерзлом грунте создают разветвленную систему трещин путем взрыва заряда бризантного ВВ, затем проводится его оттаивание сжиганием горючего вещества у размещаемого в скважине. Продукты горения, распространяясь по трещинам,отогревают мерзлый грунт. Рыхлая связка из талого грунта между элементами мерзлого грунта позволяет разрабатывать его обычными землеройными машинами. При этом сплошного отогрева элементов грунта не требуется /20/.

Из приведенного материала следует, что наибольшее распространение в настоящее время получил способ механического рыхления мерзлых грунтов. Этот способ,применительно к стесненным условиям, наиболее эффективно реализован в навесном оборудовании к гидравлическим экскаваторам. Перспективным направлением является применение комбинированных методов разрушения, сочетающих положительные свойства отдельных методов, входящих в комбинацию.

Определение параметров процесса разрушения мерзлого грунта устройством АШРОСГИ

Одновременно были проведены опыты с зарядами "гидрокс", состоящие в основном из аммиачной селитры, древесной муки и азотно -кислого магния. При сгорании зарядов и возрастании давления до 40,0-70,7 МПа происходило срезание металлических диафрагм, запирающих выходные отверстия камер и истечение газов в сторону разрушаемого грунта. Установлено, что масса заряда и давление в камере сгорания пропорциональны глубине копания. Испытания зарядов "гидрокс" были произведены совместно с Институтом горного дела имени А..А.. Скочинского.

Разработкой аналогичных устройств для разрушения прочных пород на основе двуокиси углерода занимается фирма "Кэрдокс" США..

Изучению вопросов использования энергии газов для интенсификации процессов землеройных машин посвящены работы /49,50/. В работе /51 / предлагается для интенсификации процесса рыхления мерзлых грунтов подводить в зону разрушения импульсы газа. Приводятся данные испытания физических моделей и натурного образца рыхлителя на базе трактора ДТ-75.

В работе /52 / приводятся результаты испытаний по разрушению мерзлых грунтов винтовым рабочим органом с газодинамическим интен-сификатором. В качестве одного из результатов дано время истечения газа из рабочей камеры. При диаметре втулки 0,04 м, объеме рабочей камеры 0,0038 м3 и площади канала истечения 2,14 х I0 M2 время истечения составило в зависимости от глубины рыхления и прочности грунта 0,18-0,58 секунды, причем большие значения соотнетствовали большей глубине рыхления и меньшему диаметру разрядной втулки.

Необходимо отметить в качестве недостатка проведенных исследовании в работах /49,51,52/ то, что исследователи оценивали продолжительность взрыва, т.е. продолжительность воздействия импульса газа на грунт, временем истечения газа из рабочих камер, используя для этого датчики давления.

В этом плане интерес представляет работа /48/, где авторы приводят данные по испытанию, проведенному во ВНИИЗеммаше, отвального оборудования, оборудованного камерой сгорания объемом 1,0x10 м . Отвал имел подрезной нож, верхние плоскости которого выполнены в виде решетки, примыкающей к камере сгорания. В качестве ВВ использовались баллистные пороха марки НМ-2. В момент сгорания ВВ в рабочих камерах давление поднималось до 40,0-70,0 МПа, после чего происходило срезание диафрагмы м истечение газов в под-решетчатую полость. Анализ осциллограммы изменения давления показал, что при общей длительности истечения газа 0,06-0,095 секунды продолжительность воздействия импульса на грунт составила 0,04г-0,05 секунды. Из этого следовало, что 20-30$ газов не участвова-ло в совершении полезной работы.

Таким образом можно отметить, что существующие газодинамические устройства работают в экономически невыгодном режиме,поскольку общее время истечения газа из рабочих камер превышает длительность воздействия импульса газа на грунт, т.е. длительность фазы разрушения. В результате этого на заключительной фазе работы газодинамического устройства происходит простое истечение газа в атмосферу из рабочей камеры до полного ее опорожнения. В этом случае данные по энергоемкости являются завышенными, т.к. этот показатель определяют из условия затраты на разрушение всей энергии газа,аккумулированной в рабочей камере, а не фактически затраченной.

Анализируя преимущество использования газа высокого давления-для разрушения мерзлых грунтов по сравнению с разрушением ВВ (таблицам и1.2)следует отметить работу /53/, в которой английский исследователь Т.Б. Блаи, рассматривет физическую картину процесса, происходящего при воздействии огромного давления в первоначальной фазе на стенке шуфра. Он отмечает, что раздавленная порошкообразная порода образует изолируїаций слой. Этот слой отделяет молекулы газа от быстрообразующихся тонких трещин, забивающихся раздавленной породой. Б связи с этим для того.. чтобы трещины расширялись, давление, действующие на стенки изолированной трещины, должно быть гораздо выше, чем это надо было бы в случае отсутствия заку-по-рки трещин раздавленной породой.

В связи с этим приходится увеличивать заряд ВВ,и разрушение породы является результатом действия волн напряжений, что не является самым эффективным способом. Поэтому удельная энергоемкость процесса разрушения породы энергией ЕВ достаточно высока по сравнению с пневмомеханическим способом.

Анализ исследовании по изучению процесса разрушения мерзлых грунтов рабочими органами с газодинамическим интенсификатором показывает, что до настоящего времени такой параметр как продолжительность процесса разрушения ни кем не рассматривался. Использование же теоретических зависимостей из области механики разрушения /54,55/ для определения скорости распространения трещин в среде с целью оценки продолжительности разрушения мерзлого грунта весьма проблематично. Так по Кочакову Л.М. предельная скорость трещин составляет /54/:

Этапы проведения экспериментальных исследований. Методика проведения эксперимента и обработка результатов

Воздействие импульса БЕД на грунт в нижнем уровне происходит в условиях его предварительной напряженности, вызванной наличием давления газа в полости, образовавшейся в массиве при его разрушении верхним импульсом ІВД. Это теоретическое положение так же используется при объяснении сущности короткозамедленного взрывания горных пород Л.В. Барановым /64 /.

Для решения задачи по определению давления газа нижнего импульса ІВД, необходимого для разрушения массива в условиях его предварительной напряженности, следует определится законом соотношения между напряжением и. деформацией грунта, т.е. выбрать его механическую модель .

Дяя решения статических и динамических задач по разрушению мерзлых грунтов используют механические модели, состоящие из упругих ,а" , вязких „о" и пластичных „Ь" элементов с постоянными или переменными определяющими параметрами /54,81,91/ Срис.2.9).

Согласно современным представлениям мерзлый грунт представляет собой сплошную упруго-вязко-пластическую среду, непрерывно заполняющую пространство (рис.2.9.е) . Усложнение: механической модели тела приводит к усложнению расчетов, но вносит мало существенных поправок Б уравнения деформирования, поэтому обычно останавливаются на более простых моделях /91 /. Самой простой моделью, применяемой к грунтам,является модель линейно-упругой среды (рис. 2.9. а) .

Многочисленные экспериментальные исследования показывают, что во многих маплатических горных породах диаграммы динамического и статического сжатия близки к прямым /54 /, а остаточные деформации после действия кратковременных динамических нагрузок малы. Эти условия приближенно выполняются при нагрузке 102 103МПа., Поскольку разрушение мерзлого грунта импульсами ІВД такхже характеризуется весьма коротким временем воздействия на грунт разрушающей нагрузки при давлении газа 7,01-23,0 Ша, то напряжение в грунте определяется деформацией упругого элемента механической модели. Учтя незначительность остаточных деформаций, а так-, же вышеизложенное, Б качестве механической модели принимается модель упругого лшейно-дсформирующегося тела (рис.2,9а) . Воспользуемся аналогией между процессом деформации упругого элемента модели пружины и процессом деформации мерзлого грунта. Действие давления газа на грунт в нижнем уровне заключается в придании верхнему слою грунта деформаций прогиба, которые в случае равенства или превышения над предельными значениями вызовут разрушение массива. Произведем замену некагруженного слоя мерзлого грунта, расположенного между верхним и нижншд рядами выхлопных ,ч отверстий, пружинной высотой п?.. ( рис.2.10.а л уподобив тем самым упругую деформацию мерзлого грунта упругой деформации пру- . жины механической модели грунта. Для разрушения грунта под действием нагрузки необходимо деформировать его на определенную величину, превышающую или равную предельной деформации. Пусть для прушшы этой предельной деформацией будет величина 1А0 , которой соответствует сила г , приложенная к нижнему концу прушшы (рис. 2.10.6). Если приложить к верхнему концу пружины силу Р Р , то для того,чтобы получить такую же деформацию прушшы, равную величине VX0 необходимо приложить к низшему концу пружины дополнительную силу Рн (рис. 2.10. г): Полученное выражение можно записать через величины деформации пружины, соответствующих этим силам: Проведем аналогию между деформациями упругого элемента механической модели и реального мерзлого грунта для момента его наг-ружения остаточным давлением газа от верхнего импульса ІВД и дав-лениемгаза от нижнего импульса ІВД, что соответствует 4-й фазе процесса (рис. 2.1) . Из этого можно заключить, что давление ша-за нижнего импульса ІВД потребуется меньше, чем было бы при отсут-СТВИИІ-" предварительной напряженности слоя грунта, как это имеет место при разрушении грунта верхним импульсом ИЗД. Такую постановку вопроса при определении давления нижнего импульса ІВД можно свести к решению задачи по определению суммарного упругого прогиба границы полуплоскости, ослабленной круговым отверстием для случая, когда граница полуплоскости и контур кругового отверстия нагружены равномерно распределенным давлением /92 /. При решении этой задачи, применительно к нашим условиям, приняты следующие допущения: - исследуемая область - полупространство, т.е. задача трактуется как плоская /92 /; - собственный вес грунта не учитывается /92 /; - предельные упругие деформации массива соответствуют моменту разрушения грунта; - контур границы полуплоскости, нагружаемой давлением в круговом контуре, принят прямолинейным.

Исследование влияния основных параметров адаптирующего клапана на процесс разрушения грунта

Анализ математических моделей процесса показывает,что: давление газа верхнего и нижнего иглпульсов ІВД,необходимое для эффективного рыхления мерзлого грунта, определяется глубиной приложения импульса, прочностными и упругими характеристиками грунта и геометрическим параметром рабочего органа - диаметром винтовой лопасти. При постоянных глубине рыхления и прочности грунта увеличение диаметра ведет к уменьшению давления газа.Сум-мирушщиЁ эффект воздействия на массив иглпульсов газа проявляется в снижении давления газа в рабочей камере нижнего импульса ІВД вследствие, наличия упругих деформаций в слое грунта, разрушаемого нижним импульсом ГВД; - объем рабочих камер определяется из условия равенства работы газа,аккумулированной в рабочей камере,энергетическому ба -лансу процесса взаимодействия газоимпульсного генератора устройства с грунтом. Работа разрушения определяется как результат поршневого действия газов,проникающих в трещины,образующихся при отделении от массива призм грунта и их повороте. Величина работы и соответственно объем рабочих камер определяется глубиной рыхления, прочностью грунта и диаметром рабочего органа, увеличение последнего при постоянных глубине рыхления и прочности грунта приводит к уменьшению работы разрушения и объема камер; - время задержи между импульсами, определяемое из условия перетекания газа из рабочей камеры в конусообразную полость, развивающуюся в процессе раскрытия лидерных трещин при отделении призм грунта, зависит от глубины рыхления верхним импульсом,прочности грунта и расхода газа через выхлопные отверстия; - время срабатывания адаптирующего клапана определяется диаметром поршня, массой пружины и поршня,жесткостью пружины, зазором между поршнем и седлом и зависит от прочностных и упругих свойств грунта, глубины рыхления и геометрических параметров рабочего органа. При постоянных геометрических параметрах адаптирующего клапана и жесткости пружины изменение прочности грунта приводит к изменению времени срабатывания; - удельная энергоемкость процесса зависит от прочности грунта, глубины рыхления, геометрических параметров рабочего органа и времени срабатывания адаптирующего клапана. Последнее определяет остаточное давление в рабочей камере, что учитывается в математической модели коэффициентом адаптации. 6. На основании основных положений теории подобия процессов разрушения грунтов рабочими органами землеройных машин получены критерии подобия процесса разрушения мерзлых грунтов устройством АШРОСШ и формулы перехода от параметров модели к параметрам оригинала. Анализ методов исследовании, применяемых в настоящее время при изучении рабочих процессов дорожно-строительных машин, позволил принять метод комбинированного исследования системы рабочий орган-грунт, включающий в себя изучение процесса на физических моделях рабочих органов с использованием теории планирования эксперимента /104,105,106 / и последующую проверку результатов на экспериментальном образце мерзлоторыхлителя в эксплуатационных условиях. В основу методики экспериментальных исследований положены методики, разработанные в работах /81,99,107-109 /. В связи с тем, что при моделировании весьма трудно обеспечить подобие всех параметров, влияющих на процесс, в работе был применен метод приближенного физического моделирования с использованием эквивалентных материалов. Прочностные свойства последних изменялись пропорционально линейному масштабу моделей. Разработка методики экспериментальных исследований включала в себя решение следующих вопросов: обоснование требований к конструкции экспериментального оборудования и моделям рабочего органа, а также к эквивалентному материалу, обоснование этапов проведения экспериментальных исследований, методики проведения эксперимента, обработки экспериментальных данных. Ввиду отсутствия в настоящее время исследований по изучению процесса разрушения мерзлых грунтов взаимодействующим импульсами ІВД экспериментальное оборудование на первом этапе исследований должно обеспечивать проведение разведочных экспериментов с целью определения принципиальной возможности повышения эффективности процесса разрушения грунта взаимодействуищими импульсами ПЩ и определения основных параметров, влияющих на процесс, и уровня их варьирования. Проведение основных экспериментальных исследований с целью установления закономерностей процесса разрушения грунта устройством АШРОСЖ должно осуществляться на экспериментальном оборудовании, обеспечивающим выполнение операций по погружению рабочего органа в грунт, подачу импульсов ІВД на различную глубину с регулируемой задержкой во времени, варьирование определяющих параметров процесса в достаточно широких пределах.Конструкция стенда, также должна обеспечивать быструю замену рабочих органов. Контрольно-измерительная аппаратура должна обеспечивать запись необходимых контролируемых величин с требуемом точностью..

На рис. 3.1 представлен общий вид стенда для проведения разведочного эксперимента, представляющего собой контейнер, внутри которого монтировались две полые втулки с выхлопными отверстиями, соединенншш между собой переходной втулкой, длина которых меняется в зависимости от необходимой глубины подачи импульса. Импульсное истечение газа из рабочих камер осуществлялось посредством включения электропневматических клапанов, подключаемых к блоку задержки (рис.3.2)

Похожие диссертации на Определение параметров штангового рабочего органа с суммирующим газодинамическим интенсификатором для разрушения мерзлых грунтов

Определение параметров и режимов работы сегментного рабочего органа для статического уплотнения грунтов в труднодоступных местахАлимов, Бохадыр Джураевич

Разрушение прочных грунтов групповым магнитострикционным рабочим органом Юско Мариан Ежи

Определение рациональных параметров вибрационных катков для уплотнения грунтаИгнатьев, Алексей Александрович

Определение параметров рабочего органа с коническим пуансоном для изготовления полых набивных свайКузнецова, Ольга Львовна

Определение рациональных параметров рабочего органа цепного траншейного экскаватораКаджая, Тенгиз Гурамович

Определение рациональных параметров комбинированного рабочего органа для очистки и восстановления кюветовБархалов, Рашид Раджаб оглы

Определение параметров затирочных машин с лопастными рабочими органамиСерге Александр Кертик-оолович

Исследование и определение рациональных параметров захватно-распределительного рабочего органа гидравлического экскаватораКулик, Игорь Анатольевич

Определение рациональных параметров и режимов работы уплотняющего рабочего органа машин для ремонта и восстановления дорог методами математического моделированияСалиба Ибрагим Мельхем

Определение рациональных параметров и режимов работы вибрационного валкового рабочего органа для обработки бетонных поверхностейКононов Артем Анатольевич