Обоснование параметров напорного и ударного механизмов с объемным гидравлическим приводом машины для образования скважин в грунтах

Актуальность темы

В настоящее время наблюдается устойчивая тенденция увеличения объемов городского и промышленного строительства, реконструкции сложившейся части городов и промышленных предприятий. По оценкам известных мировых экспертов эта тенденция сохранится на ближайшую и длительную перспективу. Сопутствующим процессом этой перспективе является сооружение новых подземных инженерных коммуникаций различного назначения: канализаций, водопроводов, электрических и тепловых сетей, газопроводов и др.

Строительство подземных трубопроводов открытым (траншейным) способом в условиях города, а так же при пересечении железных и автомобильных дорог сопряжено с определенными трудностями: необходимостью разборки, а затем восстановления дорожных покрытийнарушением движения транспортазагрязнением окружающей среды. Открытое строительство трубопроводов практически невозможно под зданиями и сооружениями.

Многих из перечисленных недостатков лишен закрытый (бестраншейный) способ строительства, включающий как прокладку трубопроводов под дорогами, так и строительство протяженных подземных коллекторов для инженерных коммуникаций.

Сравнительные данные стоимости открытых и бестраншейных прокладок трубопроводов по Г. В. Винчу и Н. В. Васильеву [7,11,51] приведены в таблицах 1 и 2. Даже из этих весьма кратких сведений следует, что при глубине прокладки трубопровода более 2 м бестраншейное строительство оказывается более дешевым, чем открытый способ. Указанная величина подвержена колебаниям в зависимости от конкретных условий, но обычно такая глубина не превышает 6−8м.

Таблица 1. — Стоимость механизированного строительства трубопроводов открытым способом относительно стоимости прокладки способом.

Глубина прокладки, м. 2 3 4 5 6 7.

Стоимость, % 93 103 136 191 201 236.

Таблица 2. — Относительная стоимость сооружения 1 метра трубопроводов.

Способом продавлива-ния с применением импульсной техники техники Открытым способом и механизированной отрывкои.

Без учета стоимости дорожного покрытия при откосе При булыжном дорожном покрытии При усовершенствованном дорожном покрытии тыс. руб. % покрыта 1:1,5.

473 100 78 90 92 1 72.

Из таблицы 2 видно, что при учете только стоимости восстановления дорожного покрытия при пересечении трассы трубопровода с дорогой, экономически выгодная глубина может уменьшится до 3 м.

Понятна важность и признана специфика прокладки и устройства магистральных трубопроводов (нефтепроводов, газопроводов, продуктопроводов).

Условия городского и промышленного подземного строительства плотная застройка, дефицит территории, напряженный цикл движения городского транспорта и др.) накладывают ряд ограничений на возможность ведения работ различными методами строительства трубопроводов. Так, в значительной степени исключается применение методов, в результате использования которых, могут возникнуть повреждения существующих зданий и сооружений, а также близлежащих инженерных коммуникаций.

Известный опыт и изучение проблемы позволяют считать, что перспективными в практике городского строительства подземных трубопроводов являются комбинированные методы прокола и продавливания, суть которых состоит в использовании силовых возможностей объёмного гидропривода в сочетании с вибрационным или ударным воздействием, снижающим уровень сил на рабочем инструменте. Этим обусловлена необходимость сосредоточить внимание на бестраншейном строительстве трубопроводов в условиях населённых пунктов, пересечения дорог небольшой протяжённости, но в существенно осложнённых и ограниченных условиях.

В последние годы наметилась тенденция расширения применения трубопроводов среднего диаметра и увеличения длины их прокладки в черте городов. По обобщенным данным распределение объемов прокладки по диаметрам трубопроводов составляет: 200 мм — 45%- 400 мм — 35%- 600 мм и более — 20%. Длина прокладываемых трубопроводов из одного котлована увеличилась в среднем на 10−15%.

В настоящее время широкое применение объёмного гидравлического привода в технологических машинах создало предпосылки для разработки компактных ударных и вибрационных устройств, приводимых в действие от привода базовой машины без существенных его изменений.

Отечественный и зарубежный опыт последних десятилетий подтвердил эффективность использования такого оборудования для механизации различных технологических процессов.

В настоящее время имеется достаточно много различных машин для бестраншейного строительства коммуникаций, их эффективность во многом зависит от правильно выбранных конструктивных и технических параметров. Однако научно обоснованные методы оценки выбора этих параметров до настоящего времени в завершённом виде отсутствуют и нуждаются в определенной корректировке и доработке. Поэтому обоснование и выбор наиболее эффективных параметров машин, использующих комбинированные методы воздействия на забой грунта с возможностью их регулирования в автоматическом режиме, представляет собой актуальную проблему для бестраншейного строительства коммуникаций.

Цель работы — повышение эффективности бестраншейного образования скважин в грунтах за счет совместного действия напорного и ударного механизмов с общим гидравлическим объёмным приводом. Задачи исследования:

1. Выполнить анализ существующих способов и средств для бестраншейного образования скважин, а так же теорий взаимодействия рабочих органов различной формы с грунтом.

2. Проанализировать существующие механические модели грунтов, выбрать и скорректировать модель наиболее соответствующую изучаемому процессу.

3. Разработать динамическую и математическую модели взаимодействия рабочего органа с грунтом, учитывающие действия либо одного напорного механизма, либо совместную работу напорного и ударного механизмов в зависимости от сопротивления грунта.

4. Провести экспериментальные исследования процесса образования скважин комбинированным рабочим органом машины и определить рациональные режимные параметры процесса образования скважин.

5. Разработать методику инженерного расчета параметров и режимов работы комбинированного рабочего органа машины для бестраншейного образования скважин в грунтах.

Объектом исследования является рабочий орган машины для бестраншейного образования скважин в грунтах.

Предметом исследования является процесс взаимодействия с грунтом рабочего органа со статическим и ударным механизмами с объемным гидроприводов машины для бестраншейного образования скважин.

Методы исследования. При решении поставленных задач использовались анализ и обобщение исследований предшественников, математическое моделирование, основанное на динамических моделях рабочего процесса машины. Проверка результатов теоретических исследований осуществлялась путем проведения стендовых и натурных экспериментов. Обработка полученных данных проведена на основе методов математической статистики. Научная новизна:

— разработана математическая модель рабочего органа машины для бестраншейного образования скважин в грунте отличающаяся тем, что учитывает действие на грунт напорного и ударного механизмов при совместной работе и по отдельности;

— представлены уравнения для определения скорости образования скважин в грунте, учитывающие жесткости рабочего органа и грунта;

— установлены зависимости, позволяющие определить рациональные параметры рабочего органа на основе статического и ударного объемного гидропривода машины для образования скважин в грунтах.

Достоверность полученных результатов достигается применением апробированных положений механики грунтов, механики машин, динамики объемного гидропривода, удовлетворительной качественной и количественной сходимостью теоретических выводов и экспериментальных результатов.

Практическая значимость работы состоит:

— в создании полноразмерной экспериментальной установки с измерительным комплексом для проведения натурных испытаний с возможностью изменения параметров привода в широком диапазоне;

— в разработке практических рекомендаций по применению машины для проведения скважин в грунтах, включающей рабочий орган с напорным и ударным механизмами;

— в разработке методики инженерного расчета параметров рабочего органа машины с объемным гидравлическим приводом для бестраншейного образования скважин в грунтах;

— в оригинальности конструкции рабочего органа комбинированной машины, подтвержденной патентами на изобретение.

Реализация работы:

— разработана методика и создан стенд для экспериментальных исследований режимных параметров комбинированного рабочего органа машины для образования скважин;

— создана и передана гидравлическая станция КПГ-1421для дальнейшего использования ИФ «Магма»;

— методика инженерного расчета, экспериментальный стенд и результаты исследований переданы УИЛ «Импульсные технологии» ФГБОУ ВПО «Госуниверситет — УНИК» для использования в учебном процессе;

— методика расчета переданы ОАО «Строймонтаж» для расчета параметров и режимов работы машины для бестраншейного образования скважин в грунтах;

— результаты диссертационного исследования используются в учебном процессе ФГБОУ ВПО «Госуниверситет — УНПК» при чтении лекций, проведении практических и лабораторных занятий по дисциплинам «Теоретическая механика», «Машины ударного действия». На защиту выносятся:

— динамическая и математическая модели взаимодействия с грунтом рабочего органа состоящего из напорного и ударного механизмов с единым объемным гидравлическим приводом;

— соотношения для определения скорости образования скважин в грунте, учитывающие жесткости рабочего органа и грунта;

— рекомендации по выбору рациональных конструктивных и рабочих параметров машины для бестраншейного проведения скважин в грунтах полученных на основе теоретических и экспериментальных исследований.

Апробация работы. Основные положения исследований докладывались на международных, региональных и республиканских научно-технических семинарах, конференциях и симпозиумах: «Передовые технологии на пороге XXI века» международной конференции, Москва, 1998 г.- международном научном симпозиуме «Механизмы и машины ударного, периодического и вибрационного действия», Орел. 2000 г.- международной научно-технической конференции «Вибрационные машины и технологии», Курск, 2001 г.- «Интерстроймех — 2001», Санкт-Петербург, 2001 г.- второй международной конференции «Проблемы создания экологически рациональных и ресурсосберегающих технологий добычи полезных ископаемых и переработки отходов горного производства», Тула, 2002 г.- межвузовской научно-практической конференции «Вклад ученых вузов в научно-технический прогресс на железнодорожном транспорте», Самара, 2003 г.- втором международном научном симпозиуме «Механизмы и машины ударного, периодического и вибрационного действия», Орел, 2003 г.- международном научном симпозиуме «Гидродинамическая теория смазки-120 лет», Орел, 2006 г.- третьем международном научном симпозиуме «Ударно-вибрационные системы, машины и технологии», Орел, 2006 г.- международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы динамики и прочности материалов и конструкций: модели, методы, решения», Самара, 2007 г.- региональной научно-практической конференции «ИНЖИНИРИНГ — 2009», Орел, 2009 г.- третьем международном научном симпозиуме «Механизмы и машины ударного, периодического и вибрационного действия», Орел, 2010 г.- научно-методических и научно-исследовательских конференциях ОрелГТУ, Орел (1995;2011г).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 24 научные работы в сборниках научно-технических и научно-практических конференций, из них 6 статей опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, получено 2 патента на изобретение и подана 1 заявка на патент.

Отдельные этапы работы выполнялись в рамках НИР ПНИЛ «Силовые импульсные системы» Орловского государственного технического университета.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, изложена на 205с. из них 130с. основного текста, содержит 61 рис., 15 табл., библиографию из 110 наименований и 23 приложений.

Выводы.

1. Предложена методика априорного расчета рабочего органа со статическим и ударным объемным гидроприводом машины для образования скважин с учетом физико-механических свойств грунта.

2. В результате обобщения и систематизации полученных результатов разработана методика инженерного расчета параметров рабочего органа статико-динамической машины для образования скважин в грунте с учетом свойств грунта и использованием ударных сил для преодоления препятствий.

3. Разработан и апробирован алгоритм определения параметров рабочего органа со статическим и ударным объемным гидроприводом машины для образования скважин.

Заключение

.

1. В диссертации решена актуальная научно-техническая задача повышения эффективности бестраншейного образования скважин в грунтах за счет совместного действия напорного и ударного механизмов с общим гидравлическим объёмным приводом рабочего органа машины:

2. Выполнен анализ существующих способов и оборудования для бестраншейного проведения скважин диаметром до 300 мм и теорий взаимодействия рабочих органов с грунтом. Установлено, что известные сведения по комбинированному методу бестраншейной проходки скважин позволяют характеризовать его значительно меньшей в 2−2,5 раза энергоемкостью процесса, в основном за счет уменьшения сил сопротивления.

3. Обоснована механическая модель грунта, как наиболее соответствующая процессу, модель Максвелла в модернизированном представлении:

— первоначально при статическом воздействии происходит вязкое течение грунта, при этом уплотняется материал за счет заполнения веществом пор, возрастает его плотность;

— при достижении определенной (максимальной силы) грунт становится более плотным и его (с приближением) можно считать упругим, в этот момент времени к действующей статической силе добавляется действие ударных импульсов.

4. Разработана динамическая и математическая модели взаимодействия комбинированного рабочего органа с грунтом, учитывающие действия либо только напорного механизма, либо совместную работу напорного и ударного механизмов в зависимости от сопротивления грунта. Преимуществом этой модели является возможность определить в любой момент времени не только скорость и перемещение рабочего органа, но и усилия взаимодействия инструмента машины и забоя грунта.

5. Проведенные экспериментальные исследования подтвердили эффективность комбинированного способа образования горизонтальных скважин рабочим органом машины с объемным гидравлическим приводом. Сравнительный анализ теоретических и экспериментальных данных показал удовлетворительные результаты. Расхождение составляет 13+16 процента. Экспериментально установлено, что производительность комбинированного рабочего органа машины зависит от соотношения параметров (жесткости гидропередачи и грунта, скорости удара). Экспериментально определены рациональные значения диапазона соотношения параметров, при этом минимальное значение энергоёмкости 1, ЗкВт/мЗ соответствует режиму при.

Рст=600кН, Л=670Дж.

6. Разработана методика инженерного расчета рациональных конструктивных и режимных параметров рабочего органа комбинированной машины для образования скважин, которая обеспечивает переход от модели к натурному образцу. При этом рабочие параметры имеют следующие значения: давление в напорной магистрали Р=10²⁰ МПа, скорость бойка У=5+10 м/с, приведенная жесткость гибких трубопроводов Со=0,6+0,8.

7. Использование результатов проведенных исследований позволяет повысить эффективность процесса образования скважин в грунте. Применение разработанной методики сокращает время на проектирование и разработку конструкции рабочего органа состоящего из напорного ударного механизмов на основе объемного гидравлического привода машины для бестраншейного строительства трубопроводов.