Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 7
1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ МЕРЗЛЫХ ГРУНТОВ
В СТРОИТЕЛЬСТВЕ. ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ 16
1.1. Характеристика объектов и условий производства земляных работ
в строительстве 16
1.2. Анализ методов и средств интенсификации производства зимних
земляных работ и их соответствие требования к технологиям работ
в стесненных условиях строительства 21
-
Основные методы, средства, и технологии разработки мерзлых грунтов 21
-
Методы интенсификации буровых работ на мёрзлых грунтах 29
-
Методы и средства производства земляных работ при устройстве анкерных сооружений 34
-
Общая оценка эффективности существующих средств механизации для производства работ на мерзлых грунтах 37
-
Основные направления интенсификации земляных работ на прочных и мерзлых грунтах 39
1.3. Обзор существующих исследований в области создания винтовых рабочих
органов. Задачи исследований 55
Выводы
2. НАУЧНЫЕ ПРЕДПОСЫЛКИ К СОВЕРШЕНСТВОВАНИЮ
ВИНТОВЫХ РАБОЧИХ ОРГАНОВ МАШИН ДЛЯ РАЗРАБОТКИ
МЕРЗЛЫХ ГРУНТОВ 69
2.1. Исследование факторного пространства и условий реализации процесса
взаимодействия винтовых рабочих органов с мерзлым грунтом 69
-
Физико-механические свойства мерзлых грунтов 70
-
Предпосылки к созданию винтовых рабочих органов для работы
на мерзлых грунтах с высокой механической прочностью 77
2.1.3. Предпосылки к применению тепловой энергии для снижения сил
трения винтовых рабочих органов с мерзлым грунтом 87
2.2. Общая программа и методика исследований 91
Выводы
3. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА
ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ВИНТОВЫХ РАБОЧИХ ОРГАНОВ
С МЕРЗЛЫМ ГРУНТОМ 94
3.1. Определение сил деформации грунта в зоне его контакта с поверхностью
винтового рабочего органа 98
-
Определение исходных зависимостей 98
-
Силы деформации грунта элементами заходной части винтового инструмента 106
-
Силы контактного воздействия винтовой лопасти на грунт
под действием внешней нагрузки 112
3.2. Анализ процесса работы винтовых рабочих органов и выбор основных
параметров 117
3.2.1. Определение влияния геометрических параметров винтового
рабочего органа на его тяговую способность 117
-
Определение минимальной глубины завинчивания 124
-
Определение зависимости величины крутящего момента
от геометрических параметров винтового рабочего органа и грунтовых
условий 127
3.2.4. Определение эффективной частоты вращения винтового рабочего
органа 130
3.3. Математическая модель оптимального выбора геометрических параметров
винтовых рабочих органов 133
-
Критерий и целевая функция оптимального выбора геометрических параметров винтового рабочего органа 133
-
Выбор оптимизируемых параметров винтового рабочего органа ..137
-
Алгоритм исследования на оптимальность параметров винтового рабочего органа 140
3.4. Исследования влияния нагрева винтового рабочего органа на снижение
сил трения в мерзлом грунте 142
3.4.1. Теоретическое обоснование получения смазки в мерзлом грунте
при нагреве винтового рабочего органа 142
-
Определение температурного поля при взаимодействии нагреваемого винтового рабочего органа с мерзлым грунтом 146
-
Определение количества тепла, необходимого для получения слоя жидкостной смазки 156
3.5. Анализ результатов теоретических исследований 163
Выводы по результатам теоретических исследований
4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ 168
4.1. Общая методика экспериментальных исследований. Экспериментальное
лабораторное оборудование 169
-
Исследование физического процесса взаимодействия винтовых рабочих органов с грунтовой средой 177
-
Исследование тяговых способностей винтового рабочего органа 186
-
Результаты исследований винтового бурового инструмента
в лабораторных и производственных условиях 199
-
Определение параметров винтовых анкеров 209
-
Влияние локального нагрева винтовых рабочих органов на энергоемкость процесса внедрения в мерзлый грунт 216
Выводы по результатам экспериментальных исследований
5. РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ 234
5.1. Рекомендации к проектированию и созданию оборудования с винтовыми
рабочими органами 234
-
Рекомендации по выбору основных параметров и режимов работы оборудования с винтовыми рабочими органами 234
-
Рекомендации к определению основных параметров нагреваемых винтовых рабочих органов 238
5.2. Предложения по созданию и технологическому использованию машин
и оборудования с винтовыми рабочими органами 242
-
Механизированный инструмент для рыхления мерзлых грунтов 242
-
Винтоклиновой мерзлоторыхлитель с нагреваемым рабочим органом 245
-
Буровой инструмент для проходки скважин в мерзлых грунтах 249
5.3. Предложения по альтернативному применению винтовых рабочих
органов 254
5.3.1. Винтовой анкер 254
5.3.2. Оборудование для образования скважин методом раскатки 257
Вывод
6. ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ СРЕДСТВ МЕХАНИЗАЦИИ С НОВЫМИ ВИНТОВЫМИ РАБОЧИМИ ОРГАНАМИ.261
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ 266
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 270
ПРИЛОЖЕНИЕ 292
Введение к работе
При выполнении общестроительных, дорожных, мелиоративных и других видов строительных работ значительную долю составляют земляные работы, производство которых происходит в сложных условиях. К таким условиям, в первую очередь, относятся работы, производимые на грунтах повышенной прочности - мерзлых грунтах. Специфичность физико-механических свойств мёрзлых грунтов, их высокая прочность, соизмеримая с прочностью рабочих органов машин, и высокая абразивность затрудняют использование известных технологий и существующего оборудования для выполнения земляных работ. Производство таких работ требует применения машин повышенной мощности и соответственно повышенных энергетических затрат.
Несмотря на имеющееся огромное разнообразие средств механизации, методов и совершенствования технологий, вопрос механизации зимних земляных работ до настоящего времени остается до конца не решенным. В первую очередь, остается открытым вопрос механизации трудоемких работ, выполняемых в стесненных условиях. Значительная доля земляных работ, в том числе и на мерзлых грунтах, производится вблизи существующих строений, действующих предприятий, линий электропередач и других, близко расположенных объектов. Близость к месту производства работ существующих объектов и сооружений, а также ограничения, связанные с малыми размерами
8 строительной площадки, сдерживают применение целого ряда способов разработки грунтов (механических, ударных, взрывных).
Существующий парк землеройных машин, в основном, содержит мощную, крупногабаритную технику, которую невозможно использовать в стесненных условиях строительства. Машиностроительная промышленность, в связи с масштабными объемами строительства в предшествующие годы, была ориентирована на выпуск землеройных машин повышенной мощности.
Создание машин повышенной мощности предусматривалось и для работ, связанных с разработкой мерзлых грунтов. Технологический принцип работы многих видов машин и оборудования этого назначения основан на реализации значительных усилий для обеспечения процессов резания или разрушения прочного мерзлого грунта. Поэтому наращивание мощности землеройной техники являлось одним из приоритетов в развитии этих машин.
Альтернативным вариантом повышения эффективности разработки мерзлых грунтов является использование новых методов воздействия рабочих органов на разрабатываемый грунт. В связи с этим, внимание многих ученых направлено на проведение исследований и разработку теорий, способствующих созданию новых видов рабочих органов машин и новых технологических принципов их воздействия на грунт, дающих возможность наиболее эффективно осуществлять рабочие процессы.
В поле поиска новых эффективных решений входило и применение новых физических методов разработки грунтов. Наибольшее внимание уделялось и уделяется вопросам интенсификации разработки мерзлых и прочных грунтов с применением энергии высокочастотных колебаний звукового и ультразвукового диапазона, газодинамического воздействия, использования газо-воздушной смазки [1].
Значительный вклад в теорию и создание машин и методов разработки мерзлых и прочных грунтов внесли многие ученые. Наиболее значительные теоретические и экспериментальные исследования по изучению механизма
9 разрушения грунтов содержат работы А. Н. Зеленина, Н. Г. Домбровского, Ю. А. Ветрова, Д. П. Волкова, В. И. Баловнева, М. И. Гальперина, И. А. Недорезова, В. Д. Абезгауза, А. Ф. Николаева, В .Д. Телушкина, Г. А. Шлойдо, В. В.Сурикова, В. К. Руднева, В. Ф. Бабкова, А. В. Фролова, Д. А. Лозового, А. М. Холодова, Л. А. Хмары, Л. М. Бобылева, Д. И. Федорова, В. Л. Баладинского, Т. В. Алексеевой и других, как российских, так и зарубежных ученых. Глубокое изучение процесса механического разрушения грунтов позволило обоснованно подходить к решению задач по созданию новых видов рабочих органов для разработки грунтов.
Несмотря на значительные теоретические и экспериментальные исследования в области разработки мерзлых грунтов, вопросы повышения эффективности производства земляных работ на мерзлых грунтах, направленные на снижение силовых и энергетических затрат, все еще требуют дальнейшего своего решения. Особую актуальность имеют задачи механизации и совершенствования технологии зимних земляных работ, проводимых в стесненных условиях строительства. Решение этих задач должно быть направлено на создание новых конструкций рабочих органов, позволяющих расширить диапазон использования существующего парка машин, и в первую очередь, машин средних и малых мощностей.
Данная работа посвящена решению проблемы совершенствования средств механизации и технологий разработки мерзлых грунтов на основе использования принципа замыкания силового потока в системе «рабочий орган - грунтовая среда» за счет применения винтовых рабочих органов. Реализация данного принципа способствует повышению эффективности процесса взаимодействия рабочего органа с грунтом и обеспечивает возможность использования машин средней и малой мощности для разработки мерзлых и прочных грунтов в стесненных условиях.
Работа выполнена на кафедре строительных и дорожных машин Саратовского государственного технического университета.
Цель работы. Повышение эффективности функционирования машин для разработки мерзлых грунтов, имеющих в своем составе винтовые рабочие органы, путем оптимизации их геометрических и теплоэнергетических параметров на основе разработанной теории процесса взаимодействия рабочих органов с мерзлым грунтом, учитывающей изменение напряженно-деформируемого состояния грунтов под воздействием силового и теплового воздействия винтовых рабочих органов.
Основная научная идея состоит в реализации рациональной схемы силового взаимодействия винтовых рабочих органов с мерзлым грунтом, учитывающей процессы, происходящие на поверхности граничного конуса и изменение напряженно-деформированного состояния грунта на поверхности среза, способствующей повышению тяговой способности винтового рабочего органа при снижении общей энергоемкости рабочего процесса.
Объект исследований - процесс взаимодействия винтовых рабочих органов машин с мерзлыми грунтами при их разработке.
Предметом исследования являлись винтовые рабочие органы мерзлоторыхлительного оборудования, бурового инструмента и винтовые анкеры.
Методологическая основа исследований - общие законы и методы теоретической и прикладной механики, механики грунтов и сплошной среды, дифференциальное и интегральное исчисление; физическое моделирование с использованием теории подобия; теория оптимального проектирования; экспериментальные исследования на моделях и натурных образцах оборудования с использованием методов планирования эксперимента.
Контроль достоверности получаемых результатов осуществлялся сопоставлением теоретических положений с экспериментальными данными лабораторных и полевых исследований.
11 Научные положения, выносимые на защиту.
Теоретические основы процесса взаимодействия винтовых рабочих органов с мерзлым грунтом, описывающие изменение напряженно -деформируемого состояния грунтов под воздействием силового и теплового воздействия рабочих органов и позволяющие установить влияние на это изменение геометрических и теплоэнергетических параметров винтовых рабочих органов и физико-механических свойств грунта.
Физическая картина процесса взаимодействия винтового рабочего органа с мерзлым грунтом, отражающая влияние его геометрических параметров на напряженно-деформированное состояние мерзлого грунта, способствующее повышению тяговой способности рабочего органа.
Математические модели процесса взаимодействия винтового рабочего органа с мерзлой грунтовой средой, позволяющие определять оптимальные геометрические параметры и режимы нагрева винтовых рабочих органов машин для разработки мерзлых грунтов из условия минимизации удельных энергозатрат с учетом изменения напряженно-деформированного состояния грунта и процессов, происходящих в зоне их взаимодействия.
Методика выбора оптимальных геометрических параметров винтовых рабочих органов, позволяющая минимизировать энергозатраты при реализации рабочих процессов за счет обеспечения максимального тягового усилия и скорости погружения винтового рабочего органа.
Результаты экспериментальных исследований взаимодействия винтовых рабочих органов с грунтовой средой, отражающие функциональные зависимости взаимного влияния геометрических параметров рабочего органа и режимов его нагрева на силовые и энергетические затраты.
Новизна научных положений состоит в том, что: -разработанная теория процесса взаимодействия винтовых рабочих органов с мерзлым грунтом, описывает изменение напряженно -деформируемого состояния мерзлых грунтов под воздействием силового и
12 теплового воздействия рабочих органов и позволяет установить влияние на это изменение геометрических и теплоэнергетических параметров винтовых рабочих органов и физико-механических свойств грунта; -установленная физическая картина процесса взаимодействия винтового рабочего органа с мерзлым грунтом, отражающая влияние геометрических параметров элементов винтового рабочего органа на формирование уплотненной зоны грунта, а также на напряженно - деформируемое состояние и повышение пластичности грунта внутри этой зоны; -разработанные математические модели, алгоритмы и программы отличаются тем, что позволяют определить оптимальные геометрические параметры и режимы нагрева винтовых рабочих органов машин для разработки мерзлых грунтов из условия минимизации удельных энергозатрат с учетом процессов, происходящих в зоне их взаимодействия; -полученные регрессионные зависимости, позволяют учитывать степень взаимного влияния геометрических параметров винтовых рабочих органов на способность их завинчивания в мерзлые грунты и силовые затраты при проектировании машин для разработки всех категорий мерзлых грунтов. Научное значение работы заключается: в установлении закономерностей влияния геометрических параметров винтовых рабочих органов на изменение напряженно-деформированного состояния мерзлого грунта в зоне их контакта, обеспечивающего завинчивание в мерзлые грунты всех категорий прочности; в определении влияния на эти закономерности физико-механических свойств мерзлого грунта, геометрических, тепловых параметров и скоростных режимов погружения винтовых рабочих органов; в разработке аналитического аппарата, учитывающего процессы, происходящие в зоне взаимодействия винтового рабочего органа с мерзлым грунтом, и позволяющего обосновано выбирать оптимальные параметры винтовых рабочих органов машин для разработки мерзлых грунтов.
13 Практическая значимость работы.
Практическое значение работы заключается в том, что ее результаты, в частности инженерные методы выбора и расчета геометрических и теплоэнергетических параметров, а также алгоритмы оптимизации геометрических параметров винтовых рабочих машин для разработки мерзлых грунтов, создают основу для проектирования и создания высокоэффективных машин для производства земляных работ, имеющих в своем составе винтовые рабочие органы.
Личный вклад автора заключается в формулировании общей идеи, цели и задач работы, выполнении теоретических и экспериментальных исследований, анализе и обобщении их результатов, в разработке алгоритма оптимального проектирования винтовых рабочих органов, в разработке и создании новых технических решений, их испытаний и внедрении в производство.
Достоверность полученных результатов и выводов подтверждается соблюдением методов математического и физического моделирования, достаточным объемом экспериментальных лабораторных исследований и производственными испытаниями натурных образцов оборудования для разработки мерзлых грунтов, подтвердивших с высокой сходимостью результаты теоретических исследований. Расхождение между результатами не превышает 15%;
Реализация результатов исследований. Результаты исследований внедрены в НИИпромстрой, путем передачи технической документации на мерзлоторыхлительное оборудование с нагреваемым рабочим органом, в соответствии с которой было изготовлено и испытано навесное мерзлоторыхлительное оборудование к экскаватору ЭО 2621. Передана техническая документация и опытные образцы бурового инструмента НПО «Тюменьнефтегеофизика», которые прошли испытания в условиях вечной мерзлоты. Техническая документация на мерзлоторыхлительное оборудование и буровой инструмент и рекомендации по производству работ внедрены в
14 Ершовском филиале ФГУ Управления «Саратовмелиоводхоз» и Дергачевском филиале ФГУ управления «Мелиорации земель и с/х водоснабжения для изготовления и практического использования новых технических решений при проведении ремонтно-эксплуатационных и реконструкционных работ на гидротехнических сооружениях. Техническая документация и методика расчета мерзлоторыхлительного оборудования внедрены в ФГУП «СПЦ «РОСДОРТЕХ» для выпуска новой техники.
Результаты исследований используются в курсах лекций «Строительные и дорожные машины», «Рабочие процессы СДМ» , которые читаются для студентов специальности 190205 «Подъемно-транспортные, строительные, дорожные машины и оборудование», а также в дипломном и курсовом проектировании. Материалы исследований изложены в учебном пособии «Механизация разработки мерзлых грунтов». Лабораторный стенд по исследованию процессов работы винтовых рабочих органов в мерзлых грунтах используется при проведении лабораторных работ по курсу «Рабочие процессы СДМ»
Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на: научно-технических конференциях Ленинградского инженерно-строительного института (1984), Московского автомобильно-дорожного института (1984), Харьковского автомобильно-дорожного института (1985), Саратовского государственного технического университета (1980 -2005 гг.,), Саратовского института механизации сельского хозяйства (1984 - 1986 гг.,); Саратовского государственного аграрного университета (2001,2005 гг.); заседаниях научно - технического совета НИИпромстрой (1981 -1984 гг., Уфа), НПО «Тюменьнефтегеофизика» (1991 -1993 гг.), Саратовского государственного аграрного университета (2005 г.);
Всероссийских научно-технических конференциях «Актуальные проблемы механизации дорожного строительства» (1992 г., Санкт-Петербург),
15 «Современные промышленные технологии» (Computer-Based Coferences) (2005, Нижний Новгород); - международных научно-технических конференциях «Поддержание и восстановление работоспособности транспортных средств» (1995 г., Саратов), «Материалы, оборудование и ресурсосберегающие технологии» (2004 г., Могилев), «Актуальные проблемы сельскохозяйственных науки и образования» (2005, Самара), «Современные проблемы и пути их решения в науке, транспорте, производстве и образовании» (2005, Одесса).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 45 научных работ, в том числе 2 монографии, получено 3 авторских свидетельства, 2 патента и 2 свидетельства на полезную модель. Из указанного числа работ 8 опубликованы в изданиях, входящих в перечень ВАК Минобрнауки РФ для докторских диссертаций.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, основных выводов, списка использованных источников из 231 наименования. Основной текст исследований изложен на 269 страницах, включающего 80 рисунков, 16 таблиц. Приложений 20 на 65 страницах.
