Содержание к диссертации
Введение
1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ
1.1. Разработка мерзлых грунтов 7
1.2. Оценка эффективности динамических рыхлителей мерзлых грунтов .;' 20
1.3. Изоляция базовой машины от колебаний, возбуждаемых динамическим рыхлителем 28
1.4. Цель и задачи исследований 33
2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ МЕРЗЛОГО ГРУНТА И ЭЛЕМЕНТОВ КРЕПЛЕНИЯ РЫХЛИТЕЛЯ НА ЕГО ЭФФЕКТИВНОСТЬ
2.1. Обоснование математической модели процесса взаимодействия динамического рыхлителя с мерзлым грунтом
2.1.1. Изменение свойств грунта при воздействии на него интенсивных колебаний 36
2.1.2. Теоретическое описание колебаний механических систем 44
2.1.3. Математическая модель процесса взаимодействия динамического рыхлителя с нагрузкой 51
2.2. Взаимодействие динамического рыхлителя с мерзлым грунтом
2.2.1. Влияние мерзлого грунта и элементов крепления на работу рыхлителя в режиме непрерывной передачи энергии 54
2.2.2. Влияние мерзлого грунта на работу рыхлителя в режиме импульсной передачи энергии 63
2.2.3. Распределение затрат энергии при взаимодействии динамического рыхлителя с мерзлым грунтом 71
2.3. Методика расчета основных параметров динамического рыхлителя 76
2.4. Основные выводы теоретического исследования 80
3. ЭКСПЕРЙМЕНТМШОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЙ НАГРУЖЕНИЯ И СОПРОТИВЛЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ КРЕШШШЯ РЫХЛИТЕЛЯ НА ЕГО ЭФФЕКТИВНОСТЬ
З.1. Методика экспериментального исследования
3.1.1 Теоретические основы эксперимента 83
3.1.2. Обоснование выбора модели нагрузки динамического рыхлителя 89
3.1.3. Экспериментальное оборудование 94
3.1.4. Проведение предварительной группы опытов и планирование экспериментального исследования 102
3.2. Влияние сопротивления элементов крепления и нагрузки на колебания возбудителя 106
3.3. Зависимость эффективности динамического рыхлителя от сопротивления элементов крепления 112
4. ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛБЩОВАНИЙ И ИХ ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ
4.1. Рекомендации по конструированию динамических рыхлителей 115
4.2 Результаты эксплуатационной проверки опытных образцов динамических рыхлителей 123
4.3. Экономическая эффективность динамических
рыхлителей 129
ВЫВОДИ ПО РАБОТЕ 137
ЛИТЕРАТУРА 142
ПРИЛОЖЕНИЯ
- Разработка мерзлых грунтов
- Обоснование математической модели процесса взаимодействия динамического рыхлителя с мерзлым грунтом
- Обоснование выбора модели нагрузки динамического рыхлителя
- Рекомендации по конструированию динамических рыхлителей
Разработка мерзлых грунтов
Большая трудоемкость и стоимость разработки мерзлых грунтов объясняется их большой прочностью [15,34,42,63,68,90,116,117, 121J , поэтому традиционные землеройные машины, эффективные в летних условиях, способны разрабатывать мерзлый грунт, как правило, только после его специальной подготовки [53,60,61,92,98, 99,I0I,I02,I05,II3j .
Подготовка грунта может заключаться в его предохранении от промерзания, оттаивании, взрывном и механическом рыхлении, физических или химических способах разупрочнения (табл.1.1) [14,48, 53,61,73-75,92,103,105,113,125] .
Предохранение грунта от промерзания, достигаемое утеплением, вспашкой, боронованием, глубоким рыхлением и засолением, обеспечивает возможность производства земляных работ в зимнее время обычными землеройными машинами или уменьшает промерзание на 40--60 процентов» Стоимость мероприятий по предохранению грунтов от промерзания и трудоемкость невелики. Однако сложность организации и планирования работ на строительной площадке, а также сложность предохранения слоя утеплителя от случайного разрушения, сдерживает более широкое применение этого метода [61,74,98,101, 105,113 ] .
Способ оттаивания мерзлых грунтов огнем, паром, поверхностными и глубинными электродами энергоемок [61,74,98,101,119] , поэтому имеет ограниченное применение. Его целесообразно применять при выполнении небольших объемов работ или при производстве работ в стесненных условиях.
Обоснование математической модели процесса взаимодействия динамического рыхлителя с мерзлым грунтом
При воздействии интенсивных колебаний на мерзлый грунт его свойства изменяются. В свою очередь реакция грунта на силовое воздействие изменяет режим работы источника интенсивных колебаний [ІЗ,14,31,34,35,42,43,63,85,92,105,114.118,121-124]. Для разработки математической модели процесса взаимодействия динамического рыхлителя с мерзлым грунтом необходимо выявить особенности поведения последнего.
В результате длительного силового воздействия в мерзлом грунте развивается сложное напряженное состояние, которое описывается реологическим уравнением, связывающим между собой напряжение б, деформацию и их изменение во времени [34,35,92,105,116,117]. Деформацию грунта можно подразделить на восстанавливающуюся, состоящую в свою очередь из упругой и етруктурнообратимой, и невосстанавливающуюся, состоящую из етруктурнообратимой и пластической. Упругая деформация связана с упругими изменениями цементирующих грунт связей, образованных льдом и минеральными частицами: она распространяется со скоростью, равной скорости звука, и устраняется практически сразу после снятия нагрузки. Структурно-обратимая деформация возникает вследствие изменения толщины водных пленок между твердыми частицами и обратимых фазовых переходов; она развивается во времени медленнее упругой деформации, но со временем также восстанавливается после снятия нагрузки.
Структурно-необратимая деформация связана с необратимыми фазовыми переходами льда и перемещением образовавшейся при этом влаги, а также с отжатием льда, воды и воздуха. Эта деформация сопровождается нарушением связей, перекомпоновкой частиц; она развивается во времени и после снятия нагрузки не восстанавливается.
Пластическая деформация обусловлена необратимыми сдвигами минеральных частиц и сопровождается разрушением структуры как некоторого объема грунта в целом, так и составляющих его компонентов, переориентацией кристаллов льда и минеральных частиц; она развивается во времени и после снятия нагрузки также не восстанавливается.
Степень развития того или иного вида деформации и роль каждой из них в общем процессе деформирования зависит не только от физико-механических свойств грунта, но и от длительности воздействия нагрузки и от скорости ее приложения [13,14,31,34,35,42, 43,63,85,92,114,116-118,121-124] . Процесс развития деформации мерзлого грунта во времени при постоянном напряжении иллюстрируется кривой ползучести (рис.2.1). Кривые ползучести мерзлого грунта соответствуют в общем случае классическим кривым ползучести и могут быть разделены на несколько участков, отражающих различные стадии деформирования [34,116,117J . Участок ОА соответствует условно-мгновенной деформации, возникающей сразу же после приложения нагрузки; эта деформация является упругой, полностью восстанавливаемой. Участок АБ отображает этап деформирования с уменьшающейся скоростью, называемый неустановившейся стадией ползучести. Для мерзлых грунтов деформации в этой стадии компенсируются лишь частично, так как включают в себя как структурнообратимую, так и структурнонеобратимую и пластическую деформации. Участок БВ называется стадией установившегося или пластично-вязкого течения; деформация на этой стадии полностью необратима.
По мере развития деформаций стадия установившегося течения переходит в третью стадию ползучестл-участок ВТ - прогрессирующее течение. Деформации в этой стадии увеличиваются с возрастающей скоростью и проводят к хрупкому или вязкому разрушению грунта [34,Ю5] .
Обоснование выбора модели нагрузки динамического рыхлителя
Поскольку в задачи данного исследования не входит изучение поведения грунта при его разрушении, то для нагружении рыхлителя целесообразно использовать модель грунта, позволяющую в широком диапазоне варьировать его свойства. Этому требованию в наибольшей степени отвечают механические модели грунтов [l7,I8, 105,116] .
Механические модели носят ограниченный характер и не могут служить основанием для достаточно точного описания процесса де-? формирования мерзлого грунта, но они дают наглядное представление об изменении режима работы динамического рыхлителя при его взаимодействии с грунтом [l7,I8j . Поэтому для выявления зависимости амплитуды смещения элементов крепления и рыхлящего зуба возбудителя от сопротивления элементов крепления при различном нагружении использовалась именно механическая модель грунта. Полученные на механической модели результаты были затем проверены на модели грунта из эквивалентного материала и, с использованием этой же модели, была выявлена зависимость амплитуды смещения частиц модели грунта от его сопротивления и рассчитана эффективность возбудителя.
Механические модели представляют среду в виде соединения механических элементов, каждый из которых или их сочетание дают представление об основных свойствах моделируемой среды. В механических моделях характеристика среды определяется основными свойствами: упругостью, пластичностью, вязкостью.
Модель упругой среды называется моделью Гука. Её представляют в виде пружины, которая характеризует свойства упругости.
Рекомендации по конструированию динамических рыхлителей
На основании проведенного в гл.1 анализа известных работ, посвященных динамическим рыхлителям, и выполненных в гл.2 и 3 теоретического и экспериментального исследований представилось возможным разработать требования к динамическим рыхлителям и их конструкции, отвечающие этим требованиям.
С целью уменьшения потерь энергии на внутреннее сопротивление колебательная система рыхлителя должна обладать высокой добротностью, а ее собственная частота должна быть близка или равна частоте вынуждающей силы (разд.2.1, 2.2, 2.$. С целью уменьшения рассеивания энергии на базовой машине и элементах крепления последние должны обладать большим сопротивлением воздействию вынуждающей силы, что достигается неравенством частот собственных колебаний элементов крепления и вынужденных колебаний возбудителя.
Для рыхлителей, работающих в режиме импульсной передачи энергии, следует рекомендовать применение элементов крепления с собственной частотой, равной основной частоте импульса (разд.2.2.2), что с одной стороны способствует самовозбуждению колебаний рыхлящего зуба, а с другой стороны обеспечивает большое сопротивление элементов крепления воздействию вынуждающей силы, так как основная частота импульса в 10-2000 раз меньше частоты вынуждающей силы.
Для рыхлителей, работающих в режиме непрерывной передачи энергии, следует рекомендовать применение элементов крепления с собственной частотой в два раза меньшей частоты вынуждающей силы, что, с одной стороны, соответствует условию возникновения параметрических резонансных колебаний рыхлящего зуба, а с другой стороны обеспечивает достаточно большое сопротивление элементов крепления воздействию вынуждающей силы, так как отношение.
Параметрическое или самовозбуждение способствует увеличению амплитуды смещения рыхлящего зуба, а, значит (разд.2.2; 3.2; 3.3), и количества передаваемой в грунт энергии или эффективности динамического рыхлителя.
Согласно указанным требованиям были разработаны конструкции динамических рыхлителей динамический рыхлитель , навешиваемый на рабочее оборудование одноковшового экскаватора (рис.4.1)х, предназначен для разработки мерзлых и прочных грунтов в стесненных условиях. Отличительной особенностью данной конструкции является то, что динамический рабочий орган смонтирован посредством дополнительного рычага на оси соединения стрелы с рукоятью экскаватора, а не вместо ковша. Это позволяет совмещать процесс рыхления и экскавации грунта и в некоторой степени защитить базовую машину от динамических нагрузок, так как рыхлитель, рычаг его подвески, рукоять и ковш образуют замкнутый силовой контур.
Схемы монтажа динамического рыхлителя на рычаге показаны на рис.4.2 и 4.3. динамический рыхлитель обычно состоит из возбудителя I с сосредоточенными (рис.4.2) или с распределенными (рис.4.3) параметрами рыхлящего зуба 2 и элементов крепления ,6. Если возбудитель с сосредоточенными параметрами, то элементы крепления включают промежуточную массу 4 и упругие элементы 5 и 6. Жесткость упругих элементов 5 подбирается таким образом, чтобы обеспечивался резонансный режим работы возбудителя; а жесткость упругих элементов 6 - чтобы обеспечить параметрическое или самовозбуждение колебаний рыхлящего зуба. Если возбудитель с распределенными параметрами, то элементы его крепления включают упругие элементы 6. Длина возбудителя с рыхлящим зубом подобрана кратной длине полуволны вынужденных колебаний, что соответствует условию возникновения резонанса, а жесткость упругих элементов 6 также, как и в предыдущем случае, подобрана таким образом, чтобы обеспечить параметрическое или самовозбуждение колебаний рыхлящего зуба.
