Введение к работе
Актуальность темы
Отечественный и зарубежный опыт по механизации уплотнения грунтов )братной засыпки в строительстве показывает, что проведение этих работ шзывает значительные трудности, так как они не могут быть выполнены рунтоуплотнительными машинами общего назначения. Это связано с осо-5енностью технологических процессов, которые сводятся к следующему:
при выполнении обратных засыпок необходимо обеспечить сохранюсь возводимых и смонтированных элементов инженерных сооружений, гго ограничивает силовые параметры процесса уплотнения;
работа ведется в стесненных и особо стесненных условиях строитель-юй площадки с рассредоточенными объемами в ограниченных по размерам і сложных по конфигурации рабочих зонах;
-нормы плотности, уложенного при засыпки грунта должны быть доста--очно высоки и составлять 0,95...0,99 от максимальной стандартной плотно-;ти.
Подобные условия резко снижают производительность известных грунто-тиютнительных машин или делают их применение экономически нецелесо->бразным. Недоуплотнение засыпного грунта из-за его просадки приводит к шрушению элементов зданий и сооружений и затрудняет их дальнейшую іксплуатацию. На ремонтно-восстановительные работы затрачиваются зна-штельные денежные средства, дефицитные материалы и трудовые ресурсы. 1о данным бывшего Минстроя СССР стоимость только ремонтных материа-юв составляла свыше 1-го млрд.руб. в год. Годовой объем грунта приоб-іатньїх засыпках по странам СНГ превышал 1 млрд.м 3 (данные ЦНИИ-)МТП). Анализ средств механизации, применяемых при уплотнении грунтов обратной засыпки показал, что они мало эффективны при уплотнении тяже-[ых глинистых грунтов и механизируют не более четверти всего объема ра-іот в строительстве.
Перспективным направлением разработки оборудования для механиза-[ии уплотнения грунтов обратных засыпок является создание машин с не-юсредственным и комбинированным воздействием активного ударного орана на грунт, к которым относятся пневматические бесшаботные трамбов-и. Они просты по конструкции, долговечны и эффективны при уплотне-[ии различных по свойствам грунтов. Применение их в строительстве держивается отсутствием производства машин с необходимыми технико-кономическими характеристиками, что в свою очередь не обеспечено тео-етически обоснованными методами проектирования. Как показали сследования, бесшаботные пневматические трамбователи с усовершенст-ованными системами управления воздухораспределением реализуют энер-осберегающие циклы и имеют широкий диапазон изменения генерируемого
ударного импульса в пределах 8... 10; способны выполнять работы во всех зо пах уплотнения обратных засыпок, предусматриваемых СНиП.
Вышеизложенное подтверждает актуальность исследований поразрабого ісоріні методов расчета и основ конструирования, а также создания новых видов оборудования для уплотнения грунтов обратной засыпки. В комплексе исследования направлены на решение важной научно-технической проблемы повышению эффективности и устранению непроизводительных материалы^ и трудовых затрат в гражданском и промышленном строительстве при выполнении этого специального вида работ.
Исследования выполнены в соответствии с планами НИР Новосибирского
государственного архитектурно-строительного университета (до 1993 г., НИСІ
им. В. В. Куйбышева), совместными планами НГАС и ВНИИСМИ (г.
Химки, Московской обл., 1980 г.), координационным планом Госкомитета по науке и технике СССР. (Проблема N 0.21.01.11. Постановление Госкомитета Совета Министров СССР по науке и технике N 390 от 05.11.76 г.), планам НИР, финансируемых из республиканского бюджета по единому заказ-наряд; "Грантам" комитета по высшей школе Миннауки России 1993...І997 г.г.
Цель работы. Разработка и совершенствование теории, методов р чета и конструкций пневмоударных машин для уплотнения грунтов обрати засыпки.
І (ден работы состоите использовании для уплотнения фунтов обратной засыпки в строительстве пневматических бесшаботных трамбователей с не посредственным, комбинированным воздействием ударного рабочего орган: па обрабатываемую среду; в применении в их конструкции специальных воздз хораспределительных устройств с блоками логического управления значителі но улучшающими энергетические и основные технико-экономические показа гели пневматических ударных уплотнителей.
Для достижения поставленной цели и реализации идеи работы были оп| делены следующие задачи исследования :
1. Провести анализ известных средств механизации для уплотнения грз
|ов обратных засыпок, этапы их совершенствования и разработки конструкт
определить наиболее перспективные из них и на примере пневматическ
ударных уплотнителей выработать и обосновать общий подход к пробле
создания высокоэффективных грунтоуплотнительных машин для гражд;
с кого и промышленного строительства.
2. Получить математические модели пневматических ударных машин с
трамбующим рабочим органом и на их основе исследовать динамику
и особенности рабочего процесса, режимы уплотнения грунтов и область
их штопальных технологических параметров, разработать рекомендации для оиершенствования существующих и разработки новых более эффективных іаімші с улучшенными энергетическими и технологическими характеристика-п.
.V Разработать методы проектирования ударно-пневматических механизмов автоматическими системами управления подачей сжатого воздуха в рабочие пмеры с применением элементной базы промышленной пневмоавтоматики, редложить их структурную классификацию, основы анализа и синтеза, магматические модели рабочих циклов, объектов управления, управляющих стройств, а также алгоритм построения их функциональных схем.
I. Разработать и обосновать методику аналитического проектирования тарных пневматических уплотнителей - трамбователей для производства обитых засыпок и на основе исследований предложить размерно-арамстрический ряд машин.
Методы исследования.
В диссертационной работе использованы аналитические и эксперимен
тальные методы исследования. Аналитические исследования проведены на
основе обобщенных уравнений Лагранжа второго рода для систем с реак
циями неголономных связей, законов термодинамики для тепломеханиче
ских систем, как совокупности твердых и термодинамических тел пере
менной массы, основ теории механики грунтов и теории автоматических
систем управления процессами. Экспериментальные исследования выполне
ны в лабораторных и производственных условиях с использованием
современной измерительной аппаратуры.
Научные положения, защищаемые автором
I. Передача энергии грунту в процессе уплотнения пневмотрамбователем осу-іествляется комбинированным силовым воздействием ударных и ударно-гатических импульсов таким образом, что среднее интегральное значение силы мпульсов, действующий на поршень-шток машины, равно алгебраической умме сил тяжести корпуса машины и составляющей усилия нажатия, прило-:енной к корпусу.
-
ІЗ структуре рабочего цикла пневмотрамбователя для фаз разгона и выбега щ nojiociom и рабочем ходе поршня, кроме импульсов, обеспечивающих необходимое ускорение или замедление движения поршня-штока входят импульсы, пронпюдействующие разгону или выбегу, частичное или полное устранение ко чорых обеспечивает повышение энергии удара машины в 1,3...1,5 раза.
-
Снижение вибрационных параметров пневмотрамбователя и; в частности на 2()...30% наибольшего смещения корпуса, совершающего колебательное движение в «плавающем» режиме, достигается за счет уменьшения величин разнонаправленных и равновеликих импульсных пар суммарной диаграммы сил от ежа ют воздуха, тяжести и усилия нажатия, действующих на корпус за время равное одному циклу. Для сохранения при этом энергии удара машины положительная импульсная пара, действующая при рабочем ходе поршня, должна быть уменьшена за счет преобразования формы импульсов (сокращения плеча пары) а не их абсолютных значений.
4.11а участке впуска сжатого воздуха в камеры при холостом и рабочем ходах производная переменного давления по времени является величиной постоянной среднее значение которой при сетевом давлении 0,5 М Па составляет 4,5.106... 4.8.10(' Па с для рабочей и 2,7.106 Па с для камеры холостого хода, при этом зависимости расхода и ударного импульса от давления описываются линейными уравнениями с опытными коэффициентами.
5. Представление пневмоударных механизмов в виде графических модулей, отражающих структурные особенности воздухораспределительных систем, как систем с элементами силовых, управляющих и информационных устройств и раскрывающих многофункциональность их звеньев дает возможность применит при их проектировании методы теории машин-автоматов и промышленной пневмоавтоматики, разрабатывать системы воздухораспреде-лепия с логическими блоками управления.
Достоверность научных положений и рекомендаций диссертационной работы базируется на накопленном отечественном и зарубежном опыте аналитических и экспериментальных исследований, проектирования пневматических ударных машин и доказывается сходимостью и сопоставимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований; использованием общепринятых апробированных допущений при аналитическом исследовании пневмоударных систем; производственными испытаниями пневмоударных устройств, разработанных на основании проведенных исследований.
ііуміїаи повита исследований:
получены экспериментально-аналитические зависимости между параметрами рабочего цикла бесшаботного пневмотрамбователя, его силой тяжести, усилием нажатия и механическими свойствами грунтов, вскрывающие особенности процесса уплотнения и определяющие рациональные ударные и ударно-статические режимы работы машины, включая с прониканием трамбующей плиты в фунт и образованием грунтового ядра;
обоснованы методы и предложены технические решения повышения энергетических характеристик и улучшения вибробезопасности пневмот-рамбователей путем изменения формы и величины импульсов сил, действующих на поршень-шток и корпус трамбователя за время фаз их движения при выполнении рабочего цикла;
получена аналитическая зависимость для определения расхода воздуха, потребляемого пневмотрамбователем по геометрическим и кинематиче-жим параметрам его пневмоударного механизма, а так же производной переменного давления по времени, которая на участках впуска сжатого зоздуха в камеры рабочего и холостого ходов является величиной посто-шной;
разработана структурная классификация пневмоударных механизмов « основе предложенных графических модулей, способствующая проектированию эффективных пневмоударных машин и их воздухораспреде-тительных систем как объектов с автоматизированными системами воз-іухораспределения, для которых обоснованы графы выполнения рабочих шклов, модели объектов управления, алгоритм проектирования управ-іяющих устройств (автоматов);
обоснован размерно-параметрический ряд характеристик пневмотрам-5ователей, включающий в качестве основных параметров энергию удара і массу ударной части, принятых из ряда предпочтительных чисел R5, тциональные начальные скорости соударения плиты с грунтом и часто-7 ударов. Ряд позволяет упорядочить проектирование, изготовление и ірименение строительных пневмотрамбователей.
разработаны новые конструктивные схемы пневмоуплотнителей, за-цищенные авторскими свидетельствами СССР и патентами России, 'лучшенные характеристики которых обеспечиваются рациональными іараметрами рабочих органов с комбинированным воздействием на рунт, энергосберегающими энергетическими циклами, выполняемыми втоматизированными системами управления воздухораспределением.
Лмчньїіі вклад автора заключается в формулировке идеи и цели работы, выполнении теоретических и экспериментальных исследований, обобщении р зультатов, разработке методик расчета и выбора параметров бесшаботных пневматических ударных уплотнителей с традиционными и автоматизирован ны.ми, включающие логические блоки управления, воздухораспределительны ми устройствами, разработке принципиальных схем и конструкций ручных трамбовок ТПВ-7, ИП-4502, внедренных в производство.
Практическое значение работы
Разработаны и апробированы методы расчета параметров пневматичесю трамбовок и обеспечения их вибробезопасности. В основе методики леж уравнения, связывающие ударный импульс генерируемый машиной и удельный ударный импульс с параметрами энергетического рабочего цикла свойствами фунта.
Приведены рекомендации по улучшению энергетических параметров рабо1 го цикла и снижению амплитуды колебания корпуса машины за счет преобра: вания формы импульсов результирующей силы от сжатого воздуха, воздеж вующей на поршень-цилиндр за время цикла в отдельные фазы движения.
Разработаны методы проектирования пневматических ударных уплотнит лей с автоматизированными системами управления подачей энергоносителя управляемые полости машины, включающие структурную классификацию, с вокупность графовых моделей рабочих процессов, объектов управлені функциональных схем, содержащих блоки логических элементов и позволя щих разрабатывать энергосберегающие воздухораспределительные устройств;
Предложены и разработаны перспективные пневмоударные механизмы, : щищенные более двадцатью авторскими свидетельствами СССР и патента России, применение которых обеспечит создание высокоэффективных сред< механизации для уплотнения грунтов обратной засыпки.
Для бесшаботных грунтоуплотняющих машин с активным рабочем органом предложен способ построения их рабочих характеристик, по которым определяются рациональные режимы уплотнения грунта и технологическ процессы, обеспечивающие гарантированное качество уплотнение. Показаі что в качестве логических устройств в системе управления воздухораспреде. нием могут быть использованы стандартные блоки выполненные на струйных или мембранных элементах пневмоавтоматике, что снизит стоимость изготовления и обеспечит надежность работы пневм-рамбователей, снабженных АСУ.
еализация результатов работы.
Результаты работы реализованы в вибробезопасных пневматических трам-звках ТПВ-7, ИП-4502 серийно внедренных на предприятии ЯЧ-91/3,
Удмуртской АССР. Рекомендации и результаты исследования по структурной іассификации анализу и синтезу пневмоударных механизмов, позволяющие )вершеиствовать существующие и разрабатывать принципиально новые удар-ае устройства с пониженным расходом воздуха, переданы для применения во НИИСМИ г.Химки, Московской области.
Основные положения и рекомендации диссертационной работы были ис-сшьзованы при проектировании пневматической бесшаботной ударной маши-ы по договору, выполненному по единому заказ-наряду (ЕЗН) Министер-гва общего и профессионального образования РФ и исследованиях, проводных по конкурсу "Грантов" этого же Министерства.
Апробация работы
Основные результаты, представленные в диссертации докладывались и бы-и одобрены на научно-технических конференциях НГАС 1967,1968,1972,1990...96 г.г.); Новосибирской областной НТК НТО НГАС 1982,1983 г.г.); на семинарах "Уплотнение грунтов в стесненных условиях гроительства" Новосибирского ЦНТИ (1976,1984 г.г.); на Всесоюзных на-чно-технических совещаниях "Основные направления технического уровня и ачества ручных машин" (г.Даугавпилс, 1987,1989 г.г.); на технических сове-щниях по внедрению грунтоуплотняющей машины ТМ-2 СКБ "Строймехани-:щии" г.Владимир, объединения "Стройтехника" Минстроя СССР ".Москва, 1976,1978 г.г.); на заочной всероссийской конференции по ручному еханизированному инструменту (г.Новосибирск, 1993 г.); на международной онференции Московского строительного университета, май 1996 г.
Образцы новых пневмоударных машин демонстрировались на ВДНХ и дисертант в числе др. соавторов разработок, был награжден двумя бронзовыми [едалями ВДНХ (1968,1984 гг.).
Публикации
По материалам диссертации опубликовано 55 работ, в том числе 36 в цен-ральных журналах и тематических сборниках НГАСУ (до 1993 г. НИСИ им. !.В. Куйбышева) и ИГД СО РАН, подготовлено 15 научно-технических отче-ов, связанных с выполнением планов НИР НГАСУ, совместных планов НГА-:У и ВНИИСМИ (г.Москва, 1980 г.); НГАСУ и ИГД СО РАН (Новосибирск, 974,1977); координационного плана Госкомитета по науке и технике СССР Проблема 0.21.01.11. Постановление Госкомитета Совета Министров СССР по туке и технике N 390 от 5.11.76 г.); планов НИР, финансируемых из респуб
ликанского бюджета и выполняемых по единому заказ-наряду и "Грантам" к< миіета по высшей школе Миннауки России 1993...1995 г.г.
Получено 50 авторских свидетельств СССР и патентов Российской Феде ции на изобретения.
Структура и объем работы
