автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.04, диссертация на тему:Шнековый грунтосмеситель для бестраншейного устройства фундаментов и определение его рабочих параметров

ВВЕДЕШЕ.

ГЛАВА I. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ.

1.1. Сущеатвующие способы и.средства механизации приготовления цементогрунтовых смесей

1.2. Обзор работ, по исследованию шнеков как комплексна-устройств для разработки, перемешивания и транспортирования грунта.

1.3. Постановка задач исследований и методов их решения.

ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПЕРЕМЕШИВАНИЕ ГРУНТА

ВЕРТИКАЛЬНО/! ШНЕКОМ В ЗАКШТОМ ЗАБОЕ.

2.1. Построение модели рабочего процесса шнекового грунтосмесителя

2.2. Исследование влияния основных параметров на рабочий процесс шнекового грунтосмесителя

2.3. Экспериментальные исследования процесса перемешивания на физических моделях. Задачи и методика исследований. Результаты исследований

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЙ ОСНШШХ ПАРАМЕТРОВ НА

ПОГРЕБШЕМУ МОЩНОСТЬ ШНЕКОВЫМ ГРУН10СМЕСИТЕШ

3.1. Энергетические затраты шнекового грунтосмесителя

3.2. Экспериментальные- исследования* Измеряемые величины и регистрирующая аппаратура. Многофакторный эксперимент

3.3» Результаты экспериментальных исследований.

ГЛАВА 4. ПРОВЕРКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ В ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ УСЛОВМЖ .Г. . 7" Г.

4.1. Опытный образец грунтосмесительной машины. Задачи, испытаний. Измеряемые величины и регистрируйся аппаратура.'.

4.Е. Результаты испытаний опытного образца грунтосмеси тельн ой машины.III

4.3. Опытное строительство, фундаментов и определение эффективности от внедрения грунтосмесительной машины модели МГ-1.

4.4. Методика определения основных параметров и рациональных режимов работы шнекового грунтосмесителя.

Выводы. общие вывда и РЕкаадддии.

ЛИ1ЕРАТУРА

ПРШОШШ:

I. Результаты лабораторных исследований рабочего процесса шнекового грунтосмесителя в грунтовом канале

2. Определение параметров эмпирической формулы для функции Р

3. Определение сил резания при. разработке грунта рабочим органом шнекового грунтосмесителя

4. Результаты испытаний, опытного образца, грунтосме-сительной машины в производственных условиях

5. Расчет экономической эффективности от внедрения грунтосмесительной машины МГ-1.

6. Определение,установленной мощности двигателя шнекового грунтосмесителя в операционной системе

DOS ЕС на ЭВМ М

7. Акты испытаний, внедрения и заявки на разработку и освоение грунтосмесительных машин для устройства фундаментов из цементогрунта сельскохозяйственных зданий и сооружений.

Основными направлениями экономического развития СССР на I98I-I985 гг. предусмотрено: ". осуществить мероприятия по значительному сокращению затрат ручного труда в строительстве, оснащение строительных организаций высокопроизводительными машинами, В сельских районах полнее использовать местные строительные материалы." В то же время уровень механизации работ, связанный с применением цементогрунтов для устройства подземной части сооружений /ленточных фундаментов, ограждающих стен каналов, траншеи и других подобных конструкций/, значительно отстает от современных требований. Это объясняется сложностью существующей технологии и отсутствием специализированных средств механизации.

Существующий способ устройства ленточных цементогрунтовых конструкций, в частности ленточных фундаментов, основан на раздельном приготовлении грунтосмеси за пределами траншеи с последующей ее послойной укладкой и уплотнением в траншее. Такой раздельный способ производства работ требует применения большого числа разнотипных машин - разрабатывающих, перемешивающих, транспортирующих, уплотняющих и другого назначения механизмов, что снижает темп строительства, усложняет производство земляных и бетонных работ, требует затрат ручного труда,составляющих от 10 до 30 % трудоемкости всего комплекса строительных работ.

Перспективным направлением совершенствования способа и средств механизации для устройства ленточных цементогрунтовых конструкций является объединение операций, связанных с разработкой грунта и его смешивания с вяжущим на месте, без выемки грунта из разрабатываемой траншеи. Такой принцип находит применение при устройстве евайных фундаментов, оснований и покрытий автомобильных дорог и аэродромов. Однако существующие рабочие органы грунтосмесительных механизмов позволяют устраивать таким способом только столбчатые конструкции в виде.цементогрунтовых свай или сооружать покрытия глубиной до 0,3-0,7 м, что исключает их использование для устройства ленточных конструкций. Эта цель может быть достигнута применением рабочих органов шнекового типа.

В основу настоящей работы положена научная гипотеза о возможности приготовления цементогрунтовой смеси непосредственно в траншее вертикальным шнеком, путем совмещения процесса разработки грунта и его смешивания с подаваемым через полый вал в траншею вяжущим материалом.

Целью работы является исследование рабочего процесса шнекового грунтосмесителя и разработка методики расчета его рациональных геометрических и режимных параметров.

В работе впервые исследован и аналитически описан рабочий процесс перемешивания грунта с вяжущим вертикальным шнеком непосредственно в разрабатываемой траншее и определены критерии оптимизации его параметров. Установлены величины и характер изменения силовых и энергетических показателей рабочего органа от влияния размеров траншеи, грунтовых условий и режимных параметров. Получены новые аналитические зависимости для определения рациональных значений основных геометрических и режимных параметров рабочего органа, расчета его производительности и расходуемой мощности на осуществление рабочего процесса.

На основе проведенных исследований разработана инженерная методика расчета и выбора рациональных геометрических параметров и режимов работы шнекового грунтосмесителя, которая может быть использована при проектировании и дальнейшем усовершенствовании конструкций грунтосмесительных машин для различных условий их применения. Результаты работы были использованы при разработке технической документации на опытные образцы грунтосмеситель-ных машин моделей МГ-1 и АГ-392 для устройства ленточных цементогрунтовых фундаментов глубиной до 1,2 и 2,0 м. Машины успешно прошли заводские и полевые испытания и рекомендованы к серийному производству. Осуществлено опытное строительство цементогрунтовых фундаментов под стены помещений животноводческих комплексов общей протяженностью более 4 тыс. погонных метров.

По запросам техническая документация передана более 10 производственным организациям,заинтересованных во внедрении грунто-смесительных машин. Имеются заявки на приобретение машин Министерства сельского строительства УССР и РСФСР, "Укрмежколхозстроя", НИИ оснований и подземных сооружений им. Н.М.Герсеванова рекомендовано Госстрою СССР использование шнековых грушгосмесителей для устройства оснований и фундаментов под стены помещений при освоении нечерноземной зоны, новых территорий в Сибири и на Дальнем Востоке.

Теоретические и экспериментальные исследования, опытно-конструкторские работы проводились в НИИ строительного производства Госстроя УССР в соответствии с тематическим планом научно-исследовательских работ при непосредственном участии и руководстве автора.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕВДАВДИ

1. Использование шнековых рабочих органов для устройства; ленточных цементогрунтовых фундаментов позволяет объединить все технологические операции, связанные с разработкой грунта, его перемешиванием с вяжущим компонентом и уплотнением грунтосмеси, в единый и непрерывный комплексно-механизированный процесс, выполняемый за один проход машины.

2. Определяющее влияние на перемешивающую способность вертикальной шнек-фрезы и: ее энергетические показатели оказывают: глубина траншеи, угловая скорость вращения и поступательная скорость перемещения шнека, радиус и угол подъема винтовой лопасти, влажность грунтосмеси.

3. Равномерность перемешивания находится в линейной зависимости от'поступательной скорости перемещения вертикальной шнек-фрезы в грунтовом массиве, ускоренно возрастает с увеличением ее угловой скорости вращения и поступаемой в межвитковую полость грунтосмеси со стороны формируемой стенки.

4. Установлено, что неравномерность смешивания и мощность, потребляемая на привод шнек-фрезы,от влажности грунтосмеси изменяются по параболической зависимости, максимальное, значение которых имеет место в интервале Ю- 14 % влажности. Для достижения равномерного смешивания и снижения энергозатрат следует производить подачу сухого цемента в межвитковую полость шнека с последующим доу-влажнением грунтосмеси до заданной влажности.

5. Мощность, потребляемая на вращение шнек-фрезы,возрастает пропорционально скорости ее поступательного перемещения в грунтовом массиве, глубине и ширине устраиваемой стенки. В зависимости от режимов работы и прочности грунта, доля энергозатрат на резание грунта составляет от 2 до 70 % , возрастает с увеличением прочности грунта, скорости вращения и поступательного перемещения шнека.

6. С увеличением поступательной скорости грунтосмесителя сопротивление его перемещению в грунтовом массиве линейно возрастает и снижается с увеличением угловой скорости вращения по гиперболической зависимости, причем наиболее ускоренно в диапазоне скоростей вращения CJ=7-I3 рад/с, и с увеличением скорости вращения выше указанного предела практически остается постоянной.

Из условия снижения энергозатрат и износа режущих элементов с учетом требуемого измельчения грунта толщина срезаемой стружки /подачи на один оборот/ должна быть в пределах Ст = 2 * 3 мм.

7. При оснащении грунтосмесителя ленточной лопастью увеличивается неравномерность перемешивания смеси по высоте стенки,и в сопоставлении со сплошной лопастью сопротивление перемещению возрастает до 20-25 мощность на вращение грунтосмесителя до

-V

50-60 %. Для увеличения перемешивающей способности рабочего органа и снижения энергозатрат винтовая лопасть должна выполняться сплошной с переходом в верхней части в ленточную на 1/2 шага.

8. Для снижения энергозатрат скорость перемещения шнекового грунтосмесителя следует выбирать максимально возможной с учетом обеспечения равномерного перемешивания, мощности двигателя, прочности привода. С достаточной для практических целей точностью рабочая скорость определяется по приведенной зависимости (2.18), связывающей основные геометрические и кинематические cO,V параметры рабочего органа.

9. Рациональной конструкцией рабочего органа грунтосмеси-тельной машины применительно к устройству ленточных цементогрунтовых фундаментов является выполнение его из двух шнеков; первый, оснащенный режущими элементами, разрабатывает и перемешивает грунт с подаваемым вяжущим, второй - уплотняет смесь. Винтовую лопасть следует выполнять сплошной с углом подъема 15-20° в нижней части двухзаходной примерно на 3/4 шага. Угол подъема винтовой лопасти уплотняющего шнека должен быть 8-10°, частота вращения 15-30 об/мин.

10. Приведенная в диссертационной работе методика позволяет с достаточной для практических целей точностью производить выбор основных геометрических и режимных параметров шнекового грунтосмесителя, расчет его силовых показателей и энергетических затрат. Расхождение расчетных величин с экспериментальными значениями не превышает 6-15

11. Применение шнекового грунтосмесителя позволяет упростить традиционную технологию устройства ленточных цементогрунтовых фундаментов и других подобных несущих и ограждающих конструкций из укрепляемого грунта; повысить производительность в 10-15 и снизить трудозатраты в 8-10 раз. Годовой экономический эффект от применения одной машины модели МГ-1 для устройства ленточных цементогрунтовых фундаментов превышает 40 тыс.руб.

12. Дальнейшие исследования должны проводиться в направлении определения максимально-возможной глубины устройства ленточных конструкций из укрепляемого грунта шнековым рабочим органом на базе мощных перспективных тракторов отечественного производства; усовершенствования устройств для дозировки и подачи сыпучих и жидких вяжущих в межвитковое пространство шнекового грунтосмесителя, имея в виду обеспечение их надежной работы и контроля качества получаемого материала.

1. Материалы ХХУ1 съезда КШС. Госполигиздаг, М., 1981.

2. Аскалонов В.В., Токин А.Н» Здания и сооружения из цеменго-грунга. Изд. ЦБТИ Минстроя РСФСР, М., 1957, -18 с.

3. Дранишников П.И. Фундаменты сельских зданий и сооружений. "Госсгройиздаг" УССР, Киев, 1956, -62 с.

4. Мокс Э.З. Исследование методов комплексной механизации устройства цементогрунтовых свай непосредственно в грунтовом массиве. Диссертация, М., 1967, -195 с.

5. Могилевич В.М., Щербакова Р.П., Тюменцева О.В. Дорожные одежды из цеменгогрунга. "Транспорт", М., 1973, -206 с.

6. Бандаков Б.Ф. Рабочие органы современных отечественных и зарубежных машин. М., 1972, с. 4 28.

7. Фокин Е.А. (соавторы: Аргамоновский О.Ю., Родионов Г.В., Суворов Л.К.) Рабочий орган машины для возведения подземных стенок. Авт. свидетельство № 323506. Бюлл.изобр. № I, 1971.

8. Фокин Е.А. (соавторы: Аргамоновский О.Ю., О.сипчук Л.Н., Родионов Г.В., Сердюк А.И.). Устройство для возведения подземных сооружений. Авт.свидетельство № 326293. Бюлл.изобр. А* 4, 1972.

9. Обернихин В.И. Исследование рабочего органа шнекового траншеекопателя. "Госстройиздаг", М., 1963, -54 с.

10. Артамоновский О.Ю. Исследование энергоёмкости рабочего процесса шнекового дреноукладчика. "Мелиорация и водное хозяйство", Киев, 1975., -9 с.

11. Фокин Е.А. (соавтор: Артамоновский О.Ю.). Способ строительства заглубленных конструкций из укрепленного грунта. Сб. "Материалы УШ Всесоюзного совещания по закреплению и уплотнению грунтов в строительстве", "Буд1вельник", Киев, 1974, -68 с.

12. Фокин Е.А. (соавтор Артамоновский О.Ю.). "Новый способ устройства грунгобетонных фундаментов". "Сельское строительство", $ II, 1971, -18 с.

13. Артамоновский О.Ю., Суворов Л. К. Шнекоинъекционная машина для устройства прогивофильграционных экранов. "Механизация строительства", № 9, 1971, -21 с.

14. Безрук В.М. Укрепление грунтов. "Транспорт", М., 1965.

15. Мартынов В.Л., Сергеев В.П. Строительные машины. "Высшая школа", М., 1970, с. 151 185.

16. Морозов М.К. Механическое оборудование заводов сборного железобетона. "Вища школа", 1977, с. 98 117.

17. Новиков А.А. Расчет лопастных смесителей непрерывного действия. ЦИНТИАМ, вып. 3, 1963, -38 с.

18. Чубук Ю.§. Определение рабочих сопротивлений и расходуемой мощности прогивоточных смесителей принудительного перемешивания. Труды КИСИ, Львов, 1964.

19. Севров К.П., Лозовой Д.А. и др. Дорожно-строительные машины. "Машиностроение", М., 1965, -129 с.

20. Шарапов И.К. Применение теории подобия к исследованиюлопастных бетоносмесителей. "Строительные и дорожные машины", }Ь 12, 1961, -12 с.

21. Фиделев А.С., Чубук Ю.Ф. Строительные машины. Киев, "Вища школа", 1971, -354 с.

22. Хархуга Н.Я., Капустин М.И., Семенов В.П., Эвентов И.М. Дорожные машины, теория, конструкция и расчет. "Машиностроение", Ленинград, 1968, с. 256 296.

23. Мартынов В.Д. Определение основных параметров растворомешалок методом подобия. "Известия вузов". Машиностроение, № 10, 1964, -14 с.

24. Левинсон Л.Б. Машины для обогащения полезных ископаемых. Спиральный сепаратор, Л., 1925^ -32 с.

25. Акимов М.И. О движении тяжелой точки по винтовой линии на шероховатой поверхности. Записки Ленинградского горного института. Т. 10, вып.1, 1936 и Т. 12, вып.З, 1939.

26. Козьмин П.С. Портовые и судовые машины непрерывного транспорта. "Морской транспорт", М., 1947, -13 с.

27. Александр Л.М. Теория вертикального шнека. Диссертация на соискание ученой степени к.т.н., 1948? с, 18 96.

28. Башкагов Д.Н., Омоновский Ю.А. Вращательное шнековое бурение геологоразведочных скважин. "Недра", М., 1968,-192 с.

29. Григорьев A.M. Элементы теории винтовых конвейеров. КХТИ, Казань, 1957, -157 с.

30. Григорьев A.M. Винтовые конвейеры. "Машиностроение", М., 1972, -218 с.

31. Каганов Б.А., Софохин М.С. Режущий буровой инструмент. "Машиностроение", М., 1976, с. 101 160.

32. Гугьяр Е.М. Элементарная теория вертикального винтового транспортера. Труды МИМЭСХ, том 2, 1956f с. 74-107.

33. Рыбаков И.Я. Теория; и расчет вертикальных шнеков. "Торфяная промышленность", № 8, 1951, -12 с.

34. Шалман Д.А. Исследование вертикальных торфообрабатыващих. рабочих органов. Диссертация на соискание ученой степени к.т.н., Л., I960,, -136 с.

35. Павлинов А.П. Расчет мощности на резание грунта шнековыми рабочими органами. Известия ВУЗов, "Машиностроение", № 2, 1966,, -16 с.

36. Жилин Г.В. Исследование параметров и режимов работы шнека при очистке мелиоративных каналов. Диссертация на соискание ученой степени к.т.н. М., ВНИИГиМ, 1967, -188 с.

37. Обернихин В.И. Исследование рабочего органа шнекового траншеекопателя. "Госстройиздат", М., 1963, с. 8-42.

38. Далин А.Д., Павлов В.И. Ротационные грунтообрабатывающие и землеройные машины. "Машгиз", I960, -258 с.

39. Абезгауз В.Д. Режущие органы машин фрезерного типа для разработки горных пород и грунтов. "Машиностроение", М. ,1965.

40. Аристархов Г.Н. Расчет мощности фрезерных машин, предназначенных для укрепления грунтов вяжущими материалами. "Строительное и дорожное машиностроение", № 2, 1956., -II с.

41. Мещанский А.А. Особенности процессов скоростного резания переувлажненных грунтов быстроходными фрезерными рабочими органами. "Строительные и дорожные машины",№ I, 1973,-7 с.

42. Бандаков Б.§. Дорожные фрезы. "Машиностроение", М., 1971.

43. Домбровский Н.Г., Гальперин М.И. Землеройно-гранспоргные. машины. "Машиностроение", М., 1968, -276 с.

44. Зеленин А.Н. Основы разрушения грунтов механическими способами. "Машиностроение". М., 1968, с. 96 102.•48. Ветров Ю.А. Резание грунтов землеройными машинами. "Машиностроение", М., 1971, -349 с.

45. Ветров Ю.А., Баладинский В. Л. Машины для специальных земляных работ. "Вища школа", Киев, 1980., с. 12 177.

46. Фокин Е.А., Аргамоновский О.Ю. Исследование параметров шнекофрезерного смесителя для устройства цементогрунтовых фундаментов. Сборник комплексной механизации строительства. Выпуск 5. Киев 1976., с. 12 - 22.

47. Маслов Н.Н. Механика грунтов в практике строительства. "Сгройиздаг", М., 1977, с. 182-274.

48. СН-25-74. Инструкция по применению грунтов, укрепленных вяжущими материалами,для устройства оснований и покрытий автомобильных дорог и аэродромов. "Сгройиздаг", М., 1975.

49. Руднев В. К. Копание грунтов землеройно-гранспоргными машинами активного действия. "Вища школа", Харьков, 1974,-1440.

50. Могильный B.C. Экспресс метод визначення цементу в цемен-гогрунгових сум1шах. "С1льське буд1вницгво", № 10, Ки1в, 1975, -15 с.

51. Зеленин А.Н., Карасев Г.Н., Красильников Л.В. Лабораторный практикум по резанию грунтов. "Высшая школа", М.,1969.

52. Пусгыльник Е.И. Статистические методы анализа и обработки наблюдений. "Наука", М., 1968, -288 с.

53. Касандрова О.Н., Лебедев В.В. Обработка результатов наблюдений. "Наука", М., 1970, 242 с.

54. Мигропольский А.К. Техника статистических вычислений. "Наука", М., 1971, -573 с.

55. Адлер ГО.П., Марков Е.В., Грановский К).В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. "Наука",М., 1971, -275 с.

56. Налимов В.В. Теория оптимального эксперимента. "Наука*", М., 1972, -339 с.

57. Баловнев В.И. Методы физического моделирования рабочих процессов дорожно-строительных машин. "Машиностроение", М., 1974, -225 с. .

58. Веников В.А. О моделировании. "Знание", М., 1974.

59. Фокин Е.А. Досл1дження рухомих шнеко-фрезерних зм1шувач1в на ф1зичних моделях. 361р. "Буд1вельне виробництво", вип. 14, Ки1в, 1974, с. 85-91.

60. Фокин Е.А. Определение энергетических параметров шнекового, грунтосмесителя. Сб. "Строительное производство", вып.19, Киев, 1980, с. 100 104.

61. Демидович Б.П., Марон И.А., Шувалова Э.З. Численные методы анализа. "Физматгиз", М., 1963,с. 78 124.

62. Фокин Е.А. (соавторы Артамоновский О.Ю., Родионов Г.В.). Землеройная машина. Авг.свидегельсгво № 403819. Бюлл. изобр. № 43, 1973.

63. Фокин Е.А. (соавтор Могильный B.C.). Новая комплексно-механизированная технология строительства ленточных фундаментов из цементогрунта. Сб. "Новое в технологии и механизации сооружений заглубленных конструкций", "Знание", УССР, Киев, 1974, с. 39 42.

64. Фокин Е.А. (соавтор Артамоновский О.Ю.). Машина для устройства фундаментов из грунтобетона. "Сельское сгроигельсгво", № 6, 1974, с. 14.

65. Фокин Е.А. (соавторы Алмалиев И.Д., Могильный B.C., Мура-дов B.C., Федченко А.Е., Подгорный А.А., Чернухин A.M.). Землеройная машина для устройства фундаментов из укрепленного грунта. Авт. свидетельство № 676696. Бюлл. изобр.28, 1979.

66. Конторер С.Е. Расчеты экономической эффективности применения машин в строительстве. Госстройиздаг. М., 1972,-486с.1. QS.OM.ilJ^

67. РЕЗУЛЬТАТЫ ЛАБОРАТОРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА ШНЕКОВОГО ГРУНТОСМЕСИТЕЛЯ В ГРУНТ030М1. КАНАЛЕ