Содержание к диссертации
Введение
1 Обоснование актуальности создания нового комплекса технических средств для сооружения горизонтальных скважин
1.1 Бестраншейная прокладка коммуникаций - как один из основных способов подземного строительства 13
1.2 Современные требования к бестраншейным технологиям и техническим средствам 14
1.3 Классификация способов сооружения скважин при бестраншейной прокладке коммуникаций 18
1.4 Анализ перспектив развития основных используемых в настоящее время основных способов и технических средств для бестраншейной прокладки коммуникаций 22
1.5 Обоснование основных направлений и способов совершенствования бестраншейной технологии и технических средств 60
1.6 Задачи исследования 63
2 Обоснование и определение основных конструктивных и энергетических параметров комплекса- оборудования для бурения горизонтальных скважин с частичным удалением грунта по вращающемуся трубопроводу
2.1 Обоснование и выбор принципа образования скважин 67
2.2 Обоснование способов повышения эффективности внедрения инструмента в грунтовый массив 75
2.3 Обоснование и выбор способа удаления разрушенной породы 81
2.4 Определение рационального соотношения извлекаемой и уплотняемой части грунта 92
2.5 Обоснование технологической схемы установки для бурения горизонтальных скважин с удалением разрушенного грунта по вращающемуся трубопроводу 102
Выводы 105
3 Исследование динамики внедрения инструмента в грунтовый массив при комбинированном силовом воздействии
3.1 Обоснование схемы силового воздействия на инструмент 109
3.2 Обоснование области значений параметров силового воздействия на инструмент 112
3.3 Исследование динамики внедрения инструмента в грунт при одновременном воздействии статического усилия и ударных импульсов 116
Выводы 124
4 Исследование процесса транспортирования разрушенной породной массы по вращающемуся трубопроводу
4.1 Обоснование способа повышения эффективности транспортирования разрушенной породной массы воздушным потоком 125
4.2 Определение основных параметров шламотранспортной магистрали непрерывного действия 139
4.3 Определение основных параметров пневмотранспортной магистрали периодического действия 148
Выводы 156
5 Исследование динамики пневмоударного механизма
5.1 Обоснование требований к погружному пневмоударнику с учетом специфики выполняемых функций 158
5.2 Обоснование и выбор принципиальной конструктивной схемы 163
5.3 Расчетная схема и исходные уравнения 165
5.4 Результаты моделирования 171
5.5 Методика расчета конструктивных и динамических параметров пневмоударных механизмов 188
Выводы 189
6 Экспериментальные исследования элементов комплекса технических средств для сооружения скважин комбинированным способом с удалением грунта по специальному трубопроводу с закрытой схемой циркуляции очистного агента
6.1 Оборудование для экспериментальных исследований 190
6.2 Постановка экспериментов по транспортированию грунтовой массы воздушным потоком по вращающемуся трубопроводу 201
Выводы 227
Заключение 228
Список используемой литературы
- Классификация способов сооружения скважин при бестраншейной прокладке коммуникаций
- Обоснование способов повышения эффективности внедрения инструмента в грунтовый массив
- Исследование динамики внедрения инструмента в грунт при одновременном воздействии статического усилия и ударных импульсов
- Расчетная схема и исходные уравнения
Введение к работе
з
Актуальность темы. Особенностью современного строительства
подземных коммуникаций в городах является быстрое увеличение масштабов применения бестраншейных способов. Основными причинами этого является возрастание интенсивности транспортных потоков, расширение наземных транспортных магистралей, увеличение плотности застройки территорий, высокая насыщенность подземного пространства различными коммуникациями и связанный с этим переход подземного строительства на более глубокие горизонты. В результате бестраншейные способы прокладки все чаще становятся единственно возможными методами ведения строительных работ.
Сдерживающим фактором, при этом, часто является уровень технических возможностей бестраншейных технологий и соответствующего оборудования. Необходимо существенное увеличение предельных возможностей оборудования по длине переходов, улучшение его санитарно-экологических показателей по шуму и вибрации, обеспечение сохранности зданий и сооружений, находящихся в непосредственной близости к зоне ведения и т.д. Решение этих задач является необходимым условием дальнейшего увеличения масштабов использования бестраншейных способов строительства подземных коммуникаций.
В последние годы в подземном строительстве расширилось применение установок направленного горизонтального бурения. Однако использование их в городских условиях связано с риском разрушения дорог, магистралей, других объектов, под которыми сооружаются скважины. Причиной этого является сам принцип гидравлического бурения, связанный с опасностью размывания каверн, вздутия дневной поверхности и другими последствиями использования бурового раствора, поступающего в скважину под большим давлением.
В связи с изложенным, исследования, направленные на создание новых технических средств для сооружения в грунте горизонтальных подземных каналов, являются актуальными.
Целью работы является обоснование принципиальной схемы и параметров способа бурения в грунте горизонтальных скважин, и создание технических средств для его реализации, обеспечивающих временную устойчивость скважин уплотнением части грунта с одновременным удалением его большей части воздушным потоком.
Идея работы заключается в формировании скважин с разделением грунта на две части, меньшая из которых уплотняется в стенки скважины для поддержания их устойчивости, а основная - разрушается и в виде пластичной или сыпучей массы поступает во вращающийся трубопровод, по которому затем транспортируется воздушным потоком.
Объект исследований: скважинообразующий инструмент, разрушающий и разделяющий разрабатываемое грунтовое пространство на уплотняемую и удаляемую части;
пневмотранспортная система с вращающимся шламопроводом, являющаяся выхлопным трактом пневмоударного механизма;
пневмоударный механизм, являющийся генератором ударных импульсов, направленных на инструмент, и источником очистного агента для транспортирования разрушенной породной массы.
Предмет исследований:
закономерности деформирования грунтового массива совместным действием статического усилия и ударных импульсов, определяющие устойчивость стенок скважины;
закономерности движения частиц и порций разрушенной породной массы внутри вращающегося трубопровода под действием потока очистного агента;
- закономерности динамики пневмоударного механизма, работающего в условиях
избыточного давления в выхлопном тракте, возникающего при
транспортировании породной массы.
Задачи исследований:
- обоснование принципиальной схемы комплекса оборудования для бурения
горизонтальных скважин с частичным разрушением грунта и последующим его
удалением по вращающемуся трубопроводу, определение значений основных конструктивных, динамических и энергетических параметров его основных систем и элементов;
- выявление особенностей динамики взаимодействия рабочего органа с
грунтовым массивом при одновременном воздействии статического усилия и
ударных импульсов, определение области рациональных значений величин этих
воздействий;
определение динамических и конструктивных параметров пневмотранспортной системы, обеспечивающей удаление продукта бурения;
исследование динамики пневмоударных механизмов и определение значений основных конструктивных и энергетических параметров, обеспечивающих возможность совместной работы с пневмотранспортной системой;
- создание комплекса технологического оборудования, реализующего идею
сооружения скважин методом частичного уплотнения грунта статическим и
импульсным воздействием на рабочий орган, и удаления части грунта по
вращающемуся трубопроводу, экспериментальное исследование его рабочего
процесса, испытания в полевых и производственных условиях.
Методы исследований включают анализ известных исследований и научно-технических разработок по теме работы, постановку и проведение теоретических и экспериментальных исследований методами математического и физического моделирования, с применением теории динамического подобия, методов многофакторной оптимизации.
Основные научные положения, защищаемые автором:
1. При горизонтальном направленном бурении скважин в грунтах достижение временной устойчивости скважин, исключение образования в грунте каверн и последующих просадок дневной поверхности обеспечивается разделением грунтового массива на уплотняемую в стенки скважины часть и удаляемую из нее транспортированием сжатым воздухом по горизонтальному вращающемуся трубопроводу постоянного сечения в сочетании с одновременным приложением к буровому инструменту статического и импульсного воздействия.
2. При сооружении скважин с уплотненными стенками в связных грунтах комбинированным способом область рациональных значений соотношения объема грунта, вдавленного в стенки скважины, к площади ее поверхности, находится в интервале значений от 11 до 23.
3. Существует пороговое значение дополнительного статического
воздействия на буровой инструмент, определяющее область параметров
генератора ударных импульсов, в которой скорость внедрения инструмента в
грунт при фиксированной и достаточной для его продвижения энергии удара не
зависит от структуры ударной мощности.
-
Вращение горизонтального трубопровода вокруг своей оси обеспечивает движение разрушенной при бурении породной массы воздушным потоком, скорость которого в полтора раза ниже, необходимой для аэродинамического транспортирования этой массы в неподвижном трубопроводе.
-
Породная масса с разрушенными структурными связями между частицами или группами частиц может перемещаться потоком очистного агента по внутренней полости вращающегося трубопровода порциями, в виде пластичного поршня. Существует область рациональных значений внутреннего диаметра трубопровода, при котором давление воздуха, необходимое для движения порции, в слабой мере зависит от ее массы. Для диапазона диаметров буримых скважин до 600 мм рациональным значением является диаметр трубопровода от 180 до 200 мм.
6. Область рациональных значений основных конструктивных параметров
бесклапанного пневмоударного механизма не изменяется при увеличении
противодавления в выхлопном тракте. При этом ударная мощность уменьшается
в 1,3 раза быстрее, чем расход воздуха, что является важным условием
устойчивости работы шламотранспортной магистрали.
Достоверность научных результатов. Достоверность научных положений и выводов обеспечена использованием проверенных методов теоретических и экспериментальных исследований, достаточным объемом и сходимостью их результатов.
Новизна научных положений.
1. Обоснована принципиальная схема установки горизонтального бурения, в
которой для достижения временной устойчивости скважины, исключения
образования в грунте каверн и последующих просадок дневной поверхности на
скважинообразующий инструмент воздействуют одновременно статической и
импульсной нагрузками, грунт при этом разделяется на уплотняемую в стенки
скважины часть и удаляемую из нее транспортированием сжатым воздухом по
горизонтальному вращающемуся трубопроводу постоянного сечения.
2. Получены зависимости, позволяющие определить соотношение объемов
удаляемой части грунта и части, уплотняемой в стенки скважины, и установлен
интервал - от 11 до 23 - значений соотношения объема грунта, вдавленного в
стенки скважины, к площади ее поверхности, в пределах которого на стенках
скважины грунт достигает плотности, достаточной для обеспечения ее временной
устойчивости.
3. Определена зависимость скорости внедрения инструмента в грунт от
дополнительного статического усилия, при его сочетании с импульсным
воздействием, и найдено пороговое значение статического усилия, при котором
скорость внедрения инструмента в грунт при фиксированной и достаточной для
его продвижения энергии удара практически не зависит от структуры ударной
мощности.
4. Установлена скорость потока воздуха, необходимая для транспортирования
разрушенной породной массы по вращающемуся трубопроводу, при которой ее
движение происходит непрерывно, без образования неподвижного
подстилающего слоя. Определены параметры воздушного потока при дискретном
перемещении порций грунтовой массы в виде пластичного поршня.
Экспериментально доказана надежность транспортирования грунта, включая
крупные фракции (до 0,5 диаметра транспортного канала) по горизонтальному
вращающемуся трубопроводу воздушным потоком, скорость которого в полтора
и более раз ниже значений, необходимых для транспортирования по
неподвижному трубопроводу.
5. Определен диапазон диаметров вращающегося транспортного трубопровода,
при котором не происходит закупоривание канала грунтовой массой при ее
перемещении воздушным потоком давлением 0,6 МПа при расходе 0,15 кг/с.
6. Установлены закономерности изменения динамических параметров
бесклапанных пневмоударных механизмов при увеличении противодавления в
выхлопном тракте и области значений основных конструктивных факторов, при
которых обеспечивается транспортирование разрушенной породной массы
воздухом, отработанным пневмоударным механизмом.
Личный вклад автора состоит в обобщении известных результатов, постановке проблемы и задач исследований, выборе направления совершенствования технологического процесса и технических средств для сооружения подземных каналов, разработке и реализации методик экспериментальных исследований, разработке математических моделей и их численной реализации, обработке и анализе результатов, проведении натурных и производственных испытаний, внедрении в производство работ по бестраншейной прокладке подземных коммуникаций экспериментального образца нового бурового комплекса.
Практическая ценность. Предложена методика расчетов параметров бурового устройства, позволяющего реализовать новую технологию «сухого» бурения горизонтальных подземных скважин без применения буровых растворов или других дополнительных материалов для укрепления стенок скважин и транспортирования продукта бурения. Обоснована перспективность создания комплекса технических средств с комбинированным способом образования скважин и использованием воздушного потока для удаления из скважин продукта бурения. Определены основные параметры и разработан новый буровой комплекс для бурения в грунте скважин диаметром до 500 мм и длиной до 100 м при бестраншейной прокладке подземных коммуникаций. Экспериментально в полевых условиях и при производственных испытаниях доказана его работоспособность и положительный по сравнению с аналогами эффект от его применения.
Реализация работы. Полученные результаты использованы при создании экспериментального образца бурового комплекса, который в настоящее время используется на строительных объектах г. Новосибирска для бестраншейной прокладки подземных коммуникаций.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на международных конференциях «Фундаментальные проблемы формирования техногенной геосреды» (г. Новосибирск, 2006, 2008 гг.), 21 Всемирном горном конгрессе (г. Краков, Польша, 2008), Всероссийской научно - технической конференции «Политранспортные системы» (г. Новосибирск, 2009), на отчетных сессиях ИГД СО РАН (г. Новосибирск, 2006 - 2009 гг.)
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 22 печатных работах, включая 5 авторских свидетельств и 4 патента.
Объем и структура диссертации. Диссертация изложена на 246 страницах и состоит из введения, шести глав, заключения, списка используемой литературы из 152 наименований и приложений. Диссертация содержит 70 рисунков, 32 таблицы.
Классификация способов сооружения скважин при бестраншейной прокладке коммуникаций
Бестраншейные способы сооружения коммуникаций играют важную роль в подземном строительстве современных городов. В последнее время она заметно усиливается в связи с качественными изменениями условий строительства. Развитие и укрупнение городов приводит к возрастанию интенсивности транспортных потоков. Большинство транспортных магистралей крупных и средних городов работают на пределе пропускной способности. Любые строительные мероприятия, затрудняющие движение, становятся недопустимыми. Эта проблема обостряется всё более быстрыми темпами. В большинстве крупных городов законодательно введены запреты и ограничения на раскопки дорог и прилегающих зон.
Другим фактором, затрудняющим проведение открытых земляных работ в городах, стала высокая насыщенность подземного пространства ранее проложенными коммуникациями. При использовании практически любых средств механизации для ведения открытых земляных работ достаточно высока вероятность повреждения коммуникаций. По этой причине строителям приходится использовать в таких случаях малопроизводительный ручной труд, который, к тому же, часто связан с опасностью для жизни и здоровья людей.
Фактор неуклонного роста населения в крупных городах связан с переходом большинства подземных сооружений на более глубокие горизонты из-за стесненности городской застройки и насыщения поверхностных уровней сооружениями инженерной инфраструктуры. Прокладку новых коммуникаций так же приходится осуществлять на все больших глубинах. Проведение таких работ открытым способом в городских условиях в подавляющем большинстве случаев практически невозможно [1, 2, 3].
Очевидно, что на ближайшую перспективу развития подземной инженерной инфраструктуры городов должен быть выработан новый подход, учитывающий отмеченные тенденции и ориентированный на использование передовых бестраншейных технологий. Именно бестраншейные технологии в наибольшей мере позволяют решать усложняющиеся проблемы городского подземного строительства и обладают большим потенциалом развития [4, 5, 6]. Это является главной причиной заметной эволюции технических средств в последнее время. На современном этапе развития строительного производства бестраншейные технологии становятся доминирующими как при строительстве новых, так и при реконструкции ранее сооруженных коммуникаций. При этом важно отметить, что дальнейшее увеличение масштабов их применения в подземном строительстве тесным образом связано с достигнутым уровнем технических возможностей, как самих бестраншейных технологий, так и технических средств, при помощи которых эти технологические процессы реализуются. Наличие такой обратной связи диктует настоятельную необходимость дальнейшего ускоренного развития методов ведения подземных работ и создания для этого новых технических средств.
В зависимости от диаметра принято различать подземные каналы проходного и непроходного сечения. Строительные нормы и правила регламентируют возможность применения ручной разработки грунта при продавливании труб диаметром не менее 1200 мм [7, 8, 9]. Каналы меньшего размера относятся к непроходным. Подавляющее большинство инженерных коммуникаций прокладывается в каналах, диаметром менее 600 мм.
Сооружение подземных каналов непроходного сечения является задачей повышенной сложности, в связи с невозможностью присутствия человека непосредственно в месте разрушения горной породы и формирования скважины. Соответственно исключается возможность непосредственного визуального контроля за ходом технологического процесса в рабочей зоне. Тем не менее, доля скважин непроходного сечения постоянно возрастает в общем объеме сооружаемых коммуникаций. Это обусловлено внедрением в подземное строительство новых материалов, позволяющих достигать улучшения технико-экономических показателей при уменьшении сечения коммуникационных линий и каналов. В качестве примеров можно привести быстрое внедрение в практику подземного строительства пластмассовых трубопроводов или оптиковолоконных линий связи.
В большинстве современных развивающихся городов наблюдается общая тенденция увеличения ширины наземных транспортных магистралей. Соответственно возрастает длина бестраншейных переходов под такими магистралями. Кроме этого, расширяются прилегающие к магистралям зоны, в которых размещены продольно расположенные коммуникации различного назначения. Заметно возрастает степень благоустройства прилегающих территорий и увеличивается плотность их застройки. Поэтому при сооружении бестраншейных переходов становится невозможно расположить рабочие зоны в непосредственной близости к границам магистралей. Это приводит к дополнительному увеличению длины бестраншейных переходов. Как правило, большинство транспортных магистралей в крупных городах имеют ширину не более чем 30, реже 40 м. При этом в современных мегаполисах, вследствие указанных обстоятельств, для строительства коммуникаций под такими магистралями зачастую требуется прокладка под землей кожуха длиной 60 — 70 м.
Однако и эта длина не является конечным ориентиром при создании новых технических средств. Необходимо учитывать не столько сегодняшнюю реальность, сколько ближайшие и среднеотдаленные перспективы. Анализируя историю и тенденции развития городского подземного строительства можно уверенно прогнозировать, что в крупных городах нашей страны в скором времени бестраншейные способы начнут применяться и на участках строительства коммуникаций вдоль магистралей, повсеместно вытесняя рытьё траншей. Такого рода работы требуют еще большего увеличения диапазона технических возможностей оборудования для бестраншейных технологий.
При увеличении длины переходов особое значение приобретают вопросы, связанные с точностью прокладки подземных каналов. Многие из используемых сегодня способов обеспечения выхода канала в заданную точку непригодны для решения той же задачи при больших длинах переходов. А без гарантии попадания канала в заданную область не имеет смысла и увеличение его длины. Кроме того, на участках большой протяженности зачастую бывает необходимо соорудить непрямолинейные каналы. Особенно часто такая задача возникает на участках со сложным рельефом местности, или с высокой насыщенностью подземного пространства ранее проложенными коммуникациями. Следовательно, необходимы новые технические решения, обеспечивающие требуемую точность траектории прокладываемых подземных каналов при большой их длине [10-14].
Обоснование способов повышения эффективности внедрения инструмента в грунтовый массив
В основе бестраншейного способа прокладки коммуникаций лежит процесс сооружения скважин в грунтовом массиве. При всем разнообразии применяемых для этого методов, по способу образования скважины их можно объединить в три основные группы: 1. Радиальное вдавливание грунта в массив без его извлечения. 2. Разрушение и удаление грунта с одновременной или последующей подачей в образуемую скважину трубопровода. 3. Радиальное вдавливание некоторой части грунта и удаление оставшейся его части.
Первый способ образования скважин реализуется, в основном, пневмопробойниками. Так получают скважины диаметром до 250 - 300 мм. Это ограничение обусловлено значительным возрастанием энергоемкости процесса при увеличении диаметра [13, 26, 62]. Причина такого явления заключается в увеличении объема деформируемого грунта и ухудшении эффективности действия ударного импульса. Объем деформируемого грунта увеличивается пропорционально второй степени возрастания диаметра. Кроме того, результаты исследования взаимодействия пневмопробойника с грунтом свидетельствуют о том, что при увеличении диаметра скважин возрастает и удельная энергоемкость процесса уплотнения грунтовых слоев. Кривая этого роста имеет вид параболы, и в области значений диаметра 250 - 300 мм стремится к бесконечности (рисунок 2.1) [13]. Y w , Д ж / с м 3 5 0 D , м м
Кроме возрастания энергоемкости, при увеличении диаметра скважин, образуемых методом радиального уплотнения грунта, расширяется зона деформирования окружающего грунтового массива. Зона ощутимых деформаций массива составляет 4 — 5 диаметров скважины. Зона заметных деформаций охватывает в два раза большую область [26]. Это явление может быть связано с риском повреждения близлежащих коммуникаций, вспучивания дневной поверхности над скважиной.
Необходимо также отметить и то обстоятельство, что при увеличении диаметра скважины происходит весьма значительное уплотнение локальной области грунта в окрестности скважины. На рисунке 2.2 в графическом виде показано распределение плотности грунта в окрестности скважины, образованной при внедрении пневмопробойника в грунтовый массив [13]. Плотность грунта и расстояние до оси скважины выражены в относительных единицах. За единицу плотности принята исходная плотность ненарушенного массива. За единицу длины принят радиус скважины. p/po
Максимальное относительное уплотнение достигается в грунтовом слое непосредственно на стенках скважины. Плотность грунта возрастает с увеличением диаметра скважин. При этом происходит перераспределение содержащейся в грунтовых слоях влаги. Влага вытесняется на периферию уплотненного слоя. Поскольку наибольшая плотность достигается в грунтовом слое непосредственно на стенках скважины, то в этом же слое происходит максимальное снижение влажности. На рисунке 2.3 показано изменение влажности в зависимости от расстояния до оси скважины [13]. Влажность и расстояние выражены в относительных единицах. За единицу влажности принята исходная влажность ненарушенного массива. Кривые 1 и 2 получены для скважин диаметром 250 и 300 мм. Обезвоженный грунт характеризуется, как правило, ослабленными связями между его структурными частицами. Причем наибольшее ослабление связей между частицами происходит в поверхностном слое на стенках скважины. Это приводит к возникновению риска осыпания стенок скважин, диаметр которых превышает указанное выше предельное значение.
Исследование динамики внедрения инструмента в грунт при одновременном воздействии статического усилия и ударных импульсов
Опыт работы по созданию погружных пневмоударных механизмов, накопленный в ИГД СО РАН в течение многих лет, показывает, что наибольшей надежностью работы в неблагоприятных условиях обладают механизмы с клапанной и бесклапанной системами воздухораспределения. При этом машины с бесклапанной системой воздухораспределения отличаются большей простотой конструкции, не имеют дополнительного подвижного элемента - клапана [167].
Наиболее широкое применение в производственной практике находят бесклапанные ударные механизмы с одной или двумя управляемыми камерами. Примером первых являются серийно выпускаемые пневмопробойники ИП — 4603, СО — 134 и другие, а также пневмомолоты для забивания металлических труб СО — 166, М - 200, М - 400. Несомненными достоинствами принципиальной конструктивной схемы, использованной в этих машинах, является простота конструкции и, как следствие, высокая надежность работы. Механизмы, выполненные по схеме с одной управляемой камерой, надежно запускаются в горизонтальном положении, что является актуальным достоинством при частых технологических остановках, особенно в машинах погружного типа, когда исключена возможность непосредственного контакта оператора с ударным механизмом.
Важным фактором, определяющим производительность пневмоударного механизма, является величина ударной мощности. В условиях конструктивных ограничений на радиальные размеры механизма более широкими потенциальными возможностями достижения высокой ударной мощности обладают бесклапанные механизмы с двумя управляемыми камерами. Такая конструктивная схема применена во многих погружных пневмоударниках (П - 125). В механизмах такого типа удается эффективно использовать площадь поперечного сечения ударника в качестве рабочей. Именно это было решающим фактором при создании погружных кольцевых пневмоударников для бурения скважин в условиях многолетней мерзлоты [123-125]. Схема ударного механизма с двумя управляемыми камерами позволила генерировать необходимую ударную мощность при жестких двусторонних ограничениях на радиальные размеры пневмоударника. Наружный его диаметр ограничивался калибром скважины, а внутренний диаметр — необходимостью размещения сквозного осевого канала для транспортирования продукта бурения.
Одним из важных качеств, которым должен обладать пневмоударный механизм, является устойчивость работы механизма и стабильность значений выходных параметров в условиях противодавления в выхлопном тракте [168]. Иными словами, важна способность пневмоударника функционировать совместно с пневмотранспортной системой, обеспечивая не только разрушение горной породы, но и надежное ее транспортирование. При невыполнении этого условия все другие качества пневмоударного механизма, как, например, конструктивная простота, величина ударной мощности и другие, становятся неактуальными.
Количественные показатели, характеризующие особенности работы пневмоударных механизмов в условиях повышенного давления в выхлопном тракте, могут быть выявлены и определены в процессе исследований динамики. Аналогичные вопросы рассматривались в работах [169] и [170]. Однако диапазон изменения противодавления, исследованный в работе [169] недостаточно широк и его верхняя граница не достигает значений давления в шламотранспортной магистрали, установленных в предыдущей главе.
Результаты исследования динамики пневмоударного механизма, приведенные в работе [170] необходимо уточнить, так как современные методы исследований позволяют построить более детальнее математическое описание газодинамических процессов и дают более точные результаты.
Кроме того, в число задач исследования необходимо включить вопрос о возможности адаптации ударных механизмов к условиям совместной работы с пневмотранспортной системой.
Главной задачей настоящего исследования является определение значений конструктивных факторов пневмоударных механизмов, обеспечивающих достижение требуемых динамических и энергетических параметров в заданных условиях. Задача такого динамического синтеза может быть решена в процессе многофакторной оптимизации параметров.
Несмотря на свою относительную конструктивную простоту, пневмоударная машина характеризуется сложностью протекающих в ходе рабочего цикла газодинамических процессов, трудностью их точного математического описания и, как следствие, невозможностью точного аналитического решения. В связи с этим, такие исследователи, как Е.В. Герц, Б.В. Суднишников, А.Д. Костылев, Ашавский, Э.А. Абраменков, Д.Г. Суворов, Х.Б. Ткач, К.К. Тупицын, А.И. Федулов, и другие ученые, вынуждены были принимать значительное число допущений, позволяющих получить аналитически частные решения нелинейных дифференциальных уравнений, описывающих рабочий цикл пневмоударного механизма [35, 36, 38-40], или воспользоваться графо — аналитическими методами, основанными на теореме о движении массы под действием силы, заданной в виде функции времени [171]. Однако допущения о линейности изменения давления в рабочих камерах, мгновенности процессов впуска и выхлопа воздуха, отсутствии утечек из камер и перетечек между камерами искажают картину реального рабочего процесса и вызывают необходимость введения поправочных экспериментальных коэффициентов.
Совершенствование методов расчета и развитие вычислительной техники и средств программного обеспечения позволило достаточно точно описать рабочие процессы, протекающие в пневмоударных механизмах и усовершенствовать методы их расчета. Поэтому устоявшейся современной практикой при исследовании динамики пневмоударных машин является использование методов математического моделирования. Объектом исследования здесь является модель в виде расчетной схемы и математическое описание рабочих процессов. Это повышает точность результатов расчета, так как возможность решения сложных дифференциальных уравнений средствами вычислительной техники позволяет уменьшить число принятых допущений и достигнуть более точного математического описания рабочего цикла машины.
Расчетная схема и исходные уравнения
Другим подтверждением эффективности процесса транспортирования по вращающемуся трубопроводу являлся факт выноса из скважины крупных кусков щебня (рисунок 6.16).
Скорость транспортирования кусков щебня была существенно меньше, чем мелких грунтовых частиц. Место падения щебня на землю соответственно находилось в непосредственной близости к концу трубопровода. Медленное движение щебня внутри шламопровода воспринималось на слух по перемещению характерного звука перекатывающегося в трубе камня.
Бурение скважин в производственных условиях и прокладка коммуникационных каналов осуществлялась на строительных площадках в Ленинском, Кировском, Заельцовском и Октябрьском районах г. Новосибирска. Экологически чистая сухая технология бурения позволила проложить бестраншейным способом силовые электрические кабели на территории Заельцовского парка (рисунок 6. 17).
Грунт на глубине проходки скважин представлял собой легкую супесь с влажностью около 8-10 %. При сооружении подземных каналов вначале осуществлялась проходка пионерной скважины диаметром 130 мм. Скважина формировалась методом радиального уплотнения грунта при помощи пневмопробойника, установленного на буровой колонне. Затем эта скважина расширялась до диаметра 325 мм при обратном движении буровой колонны с расширителем.
Удаление разрушенного грунта осуществлялось по схеме прямой продувки в сторону приемного котлована по шламопроводу, размещенному в расширенной скважине. В качестве шламопровода использовалась пластмассовая труба диаметром 160 мм.
Разрушенный при бурении грунт транспортировался порциями. В периоды между выходом порций периодически наблюдался процесс непрерывного транспортирования мелких грунтовых частиц, витающих в воздушном потоке.
После расширения скважины буровая колонна вновь проталкивалась в приемный котлован, где к ней присоединялись одновременно две пластмассовые трубы диаметром 160 мм. При дальнейшем вытягивании колонны трубы затягивались в скважину.
Всего на этом объекте было сооружено четыре перехода под автомобильными дорогами. Во всех случаях скважины, расширенные методом частичного уплотнения грунта на стенках, сохраняли устойчивость в течение всего времени прокладки трубопроводов. Нагрузки, возникающие при затягивании трубопроводов также не вызывали обрушения стенок скважины.
Специалистами были отмечены преимущества сухой технологии, особенно важные при последующих электромонтажных работах. Отмечено также отсутствие загрязнения рабочей зоны. Это достигалось благодаря отсутствию буровых растворов или других вспомогательных веществ и материалов, используемых в технологическом процессе.
Другим объектом, на котором в полной мере проявились достоинства новой технологии, являлась кабельная трасса в районе поселка Криводаново (Новосибирской области). Особенностью этой работы являлось то, что она производилась в зимний период при среднесуточной температуре около -15 градусов. Всего на этом объекте было сооружено три перехода под автомобильными дорогами и подъездной железнодорожной веткой. Каждый переход состоял из четырех или шести каналов, размещенных в скважине диаметром 530 мм.
Технология проходки скважин была такой же, как описано выше. Вначале прокладывалась пионерная скважина, которая затем расширялась (рисунок 6.18).
Расширение пионерной скважины до диаметра 530 мм осуществлялось за один проход, без промежуточных расширений. Особенностью расширения скважин являлось то, что на начальном этапе было необходимо пробурить слой промерзшего грунта. В связи со значительным периодом времени, прошедшем
Проходка мерзлого слоя грунта была осуществлена без каких - либо заметных осложнений. Разрушенная грунтовая масса состояла из мерзлых кусков преимущественно среднего размера (рисунок 6.19).
После расширения скважины осуществлялась затягивание в нее пучка пластмассовых труб. Для предотвращения попадания грунта внутрь труб отверстия в них с переднего конца были предварительно заглушены деревянными пробками. Каждая труба была соединена с буровой колонной через вертлюг специально изготовленными петлями из стального троса. Трубы были предварительно уложены в пучок для их компактного расположения в скважине (рисунок 6.20).
Всего в ходе производственных испытаний было сооружено около 350 погонных метров скважин диаметром от 320 мм до 530 мм. В скважины были уложены пучки платмассовых труб в количестве от двух до шести штук. Работы производились в различных грунтовых и климатических условиях. Все работы были успешно завершены в соответствии с проектной строительной документацией.
Средняя скорость проходки пионерных скважин в грунтах средней плотности составляет 40 метров в час. Скорость проходки при расширении зависит от диаметра скважин. При диаметре скважин 530 мм скорость проходки в супеси средней плотности находится на уровне 20-25 метров в час. Это позволяет выполнять проходку скважин средней длины за одну рабочую смену (таблица 6.4).
