автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Автоматизация технологического процесса рыхления грунтов при проведении строительных работ

На правах рукописи

ГРИШИН АЛЕКСАНДР АЛЕКСАНДРОВИЧ

АВТОМАТИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА РЫХЛЕНИЯ ГРУНТОВ ПРИ ПРОВЕДЕНИИ СТРОИТЕЛЬНЫХ РАБОТ

Специальность 05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (строительство)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 6 СЕН 2013

МОСКВА - 2013 г.

005533355

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном

образовательном учреждении высшего профессионального образования

«Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ)»

Научный руководитель:

Илюхин Андрей Владимирович,

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Автоматизация производственных процессов», МАДИ

Официальные оппоненты:

Максимычев Олег Игоревич,

доктор технических наук, доцент кафедры «Автоматизированные системы управления», МАДИ

Горюнов Игорь Иванович,

кандидат технических наук, доцент, профессор кафедры «Информационные системы, технологии и автоматизация в строительстве», Московского государственного строительного университета (МГСУ), г. Москва

Ведущая организация: ООО «НПО ВПК Автодорбарьер», г. Москва.

Защита состоится «10» октября 2013 г. в 10-00 часов на заседании диссертационного совета Д.212.126.05 при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ)» по адресу: 125319, г. Москва, Ленинградский проспект, д.64, ауд. 42.

Телефон для справок: (499) 155-93-24.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МАДИ.

Автореферат разослан «9» сентября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент

Михайлова Н.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Большое значение в сбалансированном росте экономики страны имеет развитие районов Севера, Сибири и Дальнего Востока с суровыми климатическими условиями и наличием многолетних мерзлых и сезонно-мерзлых грунтов. Многолетнемерзлые грунты занимают около 49% всей территории страны, а вместе с сезонно-мерзлыми грунтами почти 90%. При этом в северных районах зимний период длится 6-8 месяцев, а глубина мерзлого слоя достигает 2,5 м. Одними из самых трудоёмких являются земляные работы, на выполнение которых требуется до 15 % стоимости и до 20 % трудозатрат от общего объёма строительных работ. По статистике на эти работы задействованы 10 % от общего числа рабочих.

В связи с ростом объемов земляных работ необходимо создать эффективные технические устройства для выполнения операций разработки тяжелых грунтов, которые являются наиболее трудоемкими и дорогостоящими в строительстве операций разработки тяжелых грунтов.

Анализ процесса рыхления показал, что выполнение земляных работ в тяжелых грунтах с помощью традиционных методов и механизмов рыхления не достаточно эффективен. В современной практике строительства все большее внимание уделяется новым методам разработки тяжелых грунтов.

Несмотря на широкий диапазон способов рыхления часть из них до сих пор, по тем или иным причинам, не нашла применения в строительстве. К общим недостаткам нетрадиционных способов рыхления необходимо отнести низкую производительность разработанных на их основе рыхлительных машин и высокую себестоимость разработки 1 м3 грунта. Эффективность существующих способов и средств разработки тяжелых грунтов не удовлетворяет возрастающему объему строительных работ.

Одним из наиболее рациональных способов интенсификации процессов рыхления являются высокочастотные колебания звукового диапазона с применением резонансных магнитострикционных вибраторов. Применение таких вибраторов позволяет активизировать рабочие органы существующих рыхлительных машин, что расширяет диапазон производимых этими машинами работ на тяжелых грунтах. Механизм разрушения грунта при излучении энергии вибратора в прочный массив, сводится к распространению упругой

волны смещения, подвергая грунт деформациям сжатия - растяжения и сдвига, вызывая разрушения грунта или значительное его разупрочнение. Эффект разрушения зависит от интенсивности упругой акустической волны и степени ее передачи в массив. Однако, пагружение вибратора приводит к изменению резонансного режима его работы, уменьшая передаваемую в грунт энергию, снижая эффективность рабочего процесса разработки тяжелого грунта.

Высокочастотный рыхлитель, колебательную систему которого можно представить в виде системы с распределенными параметрами, эффективно работает в резонансном режиме, что позволяет при незначительной потребляемой мощности получить сравнительно большую амплитуду смещения рыхлящего зуба. Однако при взаимодействии с грунтом исходная резонансная колебательная система будет обладать иной собственной частотой и не будет являться резонансной при исходной частоте вынуждающей силы. Узловые сечения системы, за которые крепится рабочий орган, сместятся, а элементы крепления начнут подвергаться вибрационному воздействию при одновременном уменьшении амплитуды смещения рыхлящего зуба и интенсивности, передаваемой в грунт волны. В то же время сохранение резонансного режима колебаний при нагружении рыхлителя, поддерживает параметры прошедшей в грунт волны достаточно близкими к максимальному значению даже при значительном неравенстве сопротивлений колебательной системы и грунта. Решение такой задачи требует разработки комплекса мероприятий, направленных на установление и поддержание резонансного режима колебательной системы, то есть способов согласования ее с нагрузкой.

Повышение эффективности процесса виброрыхления должно опираться на учет закономерностей влияния параметров тяжелого грунта на параметры, характеризующие работу высокочастотного рабочего органа в резонансном режиме. Влияние нагружения рабочего органа на величину рассогласования высокочастотного рыхлителя обусловливает необходимость на основе установленных зависимостей решить задачу управления согласованием динамических характеристик магнитострикционного рабочего органа с грунтом для получения резонансного режима процесса рыхления. Необходим новый подход к синтезу системы управления процессом рыхления, который охватывает круг вопросов, связанных с разработкой новых принципов и методов автоматизации. Только таким образом удастся существенно повысить

технико-экономические показатели рыхлительных машин, избежать влияния на них значительных колебаний количественных и качественных характеристик грунта.

Поэтому, поставленная в диссертационной работе задача разработки практических методов построения системы автоматизации технологического процесса рыхления тяжелых грунтов с помощью методов и механизмов виброрыхления, обеспечивающих реализацию существенно новых способов повышения производительности и качества выполнения земляных работ, является актуальной.

Цель работы. Разработка системы автоматического управления согласованием динамических характеристик магнитострикционного рабочего органа с грунтом для получения резонансного режима процесса рыхления, обеспечивающего минимизацию энергетических затрат процесса рыхления и повышение производительности рыхлительной машины.

Для достижения поставленной цели:

• выполнен анализ зарубежного и отечественного опыта процессов рыхления тяжелых грунтов, методов и средств их автоматизации;

• произведен выбор критериальной функции оценки качества процесса рыхления тяжелых грунтов и методов его автоматизации;

• разработана математическая модель взаимосвязи между величиной рассогласования рабочего органа и параметрами рабочего процесса рыхления, в виде свойств грунта и характеристик рабочего органа;

• разработана структура и функциональное наполнение системы экстремального регулирования процесса рыхления тяжелых грунтов;

• определено влияние изменения параметров настройки автоматической системы управления на качественные характеристики процессов виброрыхления тяжелых грунтов;

• выполнена экспериментальная проверка полученных результатов.

Достоверность научных положений, рекомендаций и выводов

Достоверность и обоснованность научных положений, рекомендаций и выводов, предложенных в работе, подтверждены всесторонними исследованиями, выполненными с применением современных методов и технических средств.

Достоверность положений и выводов диссертации подтверждена положительными результатами внедрения ряда теоретических положений диссертации при проектировании системы экстремального регулирования магнитострикционным вибратором рыхлительной машины.

Методы исследования. Результаты диссертационной работы получены на основе комплексного использования методов теории автоматического управления, теории подобия, регрессионного анализа и математического моделирования.

Научная новизна. Основным научным результатом является развитие теории и практики автоматического управления и оптимизации процессов рыхления тяжелых грунтов землеройными машинами с использованием высокочастотных рыхлителей.

Научная новизна работы заключается в разработке:

• критериальной функции оценки и требований к математической модели качества процесса рыхления и методов его автоматизации;

• математической модели взаимосвязи между величиной рассогласования рабочего органа и параметрами рабочего процесса рыхления, в виде свойств тяжелого грунта и характеристик рабочего органа;

• структуры, математической модели и функционального наполнения системы экстремального регулирования процесса рыхления тяжелых грунтов.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Результаты анализа технологии и технических средств обеспечения интенсификации процессов рыхления тяжелых грунтов за счет высокочастотных колебаний звукового диапазона с применением резонансных магнитострикционных вибраторов, позволяющих выработать научный подход и методические основы разработки модели, критерия и системы автоматизации, ориентированных на снижение энергетических затрат, повышение производительности рыхлительных машин и оптимизацию других технико-экономических показателей процессов рыхления.

2. Способ согласования динамических характеристик магнитострикцион-ного рабочего органа с грунтом для получения резонансного режима процесса рыхления.

3. Математическая модель взаимосвязи между величиной рассогласования рабочего органа и параметрами рабочего процесса рыхления, в виде свойств тяжелого грунта и характеристик рабочего органа.

4. Система автоматического управления согласованием динамических характеристик магнитострикционного рабочего органа с грунтом для получения наиболее эффективного резонансного режима процесса рыхления.

Практическая ценность. Результаты исследований в области автоматизации управления процессом рыхления тяжелых грунтов, заключаются в том, что они являются практической базой для научно обоснованного выбора структуры, методов и средств автоматизации, критериев оценки и параметров настройки системы управления получением минимальных энергозатрат и максимальной производительности рыхлительной машины.

Испытание системы и её опытно-промышленная эксплуатация проводилась в ЗАО «Союз-Лес» (г. Москва).

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались, обсуждались и получили одобрение на 15-ой и 16-ой Московских международных межвузовских научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых, научно-методических конференциях МАДИ (г. Москва, 2010-2012г.), кафедре «Автоматизации производственных процессов», МАДИ.

Публикации. Основные научные результаты диссертации изложены в 9 опубликованных работах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка использованной литературы, насчитывающего 130 наименований, и содержит 140 страниц текста, 47 иллюстраций, 4 таблицы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность и сформулированы основные цели и задачи исследования.

Первая глава диссертации посвящена анализу работ, связанных с вопросами совершенствования технологии и автоматизации процессов рыхления тяжелых грунтов.

Наиболее трудоемкими, дорогостоящими и при этом мало изученными являются земляные работы в тяжелых грунтах.

На рис. 1 дана классификация методов разработки тяжелых грунтов.

Рис. 1. Классификация методов разработки тяжелых грунтов

Развитие способа ударно - акустического разрушения грунта связано с разработкой короткозамедленного взрывания, когда разрушение породы производится упругими волнами, возбуждаемыми действием шпуровых зарядов, взрываемых с последовательным замедлением. При этом наблюдается интерференция упругих колебаний в массиве породы. Акустическое воздействие на грунт звуковой волны, которая распространяется в массиве породы, приводит к его деформациям сжатия и растяжения, вызывая разрушение грунта. Основная тенденция развития механического метода разрушения грунтов сводится к увеличению мощности и

энерговооруженности машин, с соответствующим увеличением их рабочих усилий, надежности и уменьшением металлоемкости.

Анализ ряда исследований, позволяет сделать вывод о низкой эффективности вибрационного способа разрушения тяжелых грунтов из-за несовершенства приводов активизации, обладающих рядом недостатков: низкая интенсивность колебаний, большие потери энергии, маленький коэффициент полезного действия, значительные размеры вибраторов.

На рис.2 приведены значения КПД различных методов вибровозбуждения рабочих органов, которые показывают, что наиболее эффективны стержневые резонансные колебательные системы и, в первую очередь, магнитострикционные вибровозбудители. Технические характеристики машин ударного и вибрационного действия, показывают преимущество машин с магнитострикционным вибратором перед другими виброрыхлителями.

Рис. 2. КПД методов вибровозбуждения рабочих органов рыхлителей

Вибровозбудители обладают различными массами подвижных элементов и амплитудными значениями перемещений. С увеличением частоты вынужденных колебаний уменьшается их амплитуда и суммарная масса, вовлекаемая в колебательный процесс, что позволяет сосредоточить энергию на ограниченных участках, снизить её рассеивание и улучшить энергетические показатели машины. Общим недостатком этих способов рыхления является относительно низкая производительность, созданных на их основе конструкций и высокая себестоимость разработки грунта. Поэтому необходимы исследования по совершенствованию рыхлительных машин, устранению имеющихся недостатков и поиску новых решений.

Один из путей совершенствования землеройной техники связан с созданием машин с высокочастотными рабочими органами. Рабочий орган рыхлительных машин с наложением на него высокочастотных колебаний звукового и ультразвукового диапазонов, представляет собой один из возможных новых методов воздействия на среду, с целью повышения эффективности и интенсификации рабочих процессов.

Для разработки тяжелых грунтов, наиболее рационально использовать магнитострикционные вибровозбудители, выполненные из ферримагнитных материалов из-за их простоты, компактности, прочности, надежности, отсутствия движущихся частей, высоких энергетических показателей.

Магнитострикционный вибратор (рис.3), представляет собой набор изолированных между собой прямоугольных пластин толщиной 0,1 ... 1,0 мм, приваренных одним торцом к стальному трансформатору скорости (концентратору). Для инициирования переменного высокочастотного поля на наборе пластин служат обмотки возбуждения и подмагничивания.

Рис. 3. Конструкция магнитострикционного рабочего органа 1 - вибровозбудитель; 2 - концентратор; 3 - обмотка возбуждения;

4 - излучатель

Магнитострикционный вибровозбудитель представляет собой стержневую колебательную систему с распределенными параметрами. Для возникновения плоской продольной стоячей волны в стержневой системе её поперечные размеры выбираются меньше длины волны продольных колебаний:

Ь = ~; ¿«Л, где X - длина продольной волны; ё - поперечный размер

вибратора; п = 1, 2, 3.

В колебательной системе «вибровозбудитель — концентратор» существуют два узла стоячей волны, т.е. сечений с нулевой амплитудой смещения, в которых крепится вибратор (рис.4).

Рис. 4. Схема распределения смещения по сечению магнитострикционного

При приложении к рабочему органу землеройной машины колебаний в диапазоне частот от 20 до 22000 Гц происходит снижение усилия резания прочных грунтов и горных пород в 2 ... 5 и более раз. При вибрировании наблюдается уменьшение в несколько раз контактного трения при соприкосновении рабочего органа с грунтом.

Высокочастотный рыхлитель эффективно работает в резонансном режиме, что позволяет при незначительной потребляемой мощности получить сравнительно большую амплитуду смещения рыхлящего зуба. Однако при взаимодействии с грунтом исходная резонансная колебательная система изменяет собственную частоту, которая отличается от резонансной. В то же время сохранение резонансного режима колебаний при нагружении рыхлителя, поддерживало бы параметры прошедшей в грунт волны достаточно близкими к максимальному значению.

Эффективность процесса виброрыхления должна опираться на закономерности влияния тяжелого грунта на параметры, характеризующие работу высокочастотного рабочего органа в резонансном режиме. Для этого необходимо разработать систему автоматического управления согласованием динамических характеристик магнитострикционного рабочего органа с грунтом для получения резонансного режима процесса рыхления.

рабочего органа

Во второй главе рассматриваются особенности согласования магнитострикционного рабочего органа с грунтом.

Длительное силовое воздействие на грунт приводит к развитию напряженного состояния, которое описывается реологическим уравнением связи напряжения ст, деформации е и их изменения во времени. Процесс изменения деформации грунта во времени при постоянном напряжении определяется кривой ползучести, на которой могут быть выделены участки, отражающие различные стадии деформирования грунта (рис.5).

Рис. 5. Процесс развития деформации грунта при различных напряжениях: с?1.. .04 -незатухающей ползучести; ст5.. .ав - затухающей ползучести

Условно - мгновенной упругой, полностью восстанавливаемой деформации, возникающей сразу же после приложения нагрузки, соответствует начальный участок графика на рис.5. Участку неустановившейся средней стадии ползучести, соответствует этап деформации с уменьшающейся скоростью. На этой стадии, установившегося или пластично-вязкого течения ползучести, деформация грунта полностью необратима. На конечной третьей стадии ползучести, прогрессирующее течение деформации приводит к хрупкому или вязкому разрушению грунта. Степень развития различных видов деформации связана не только с физико-механическими свойствами грунта, но и зависит от длительности и скорости приложения нагрузки е (рис.6).

Верхняя кривая на рис.6 соответствует условно - мгновенной деформации, а нижняя - предельно длительной. При малых скоростях приложения нагрузки {£ < 0,008 с) в грунте развиваются деформации всех стадий. При приложении нагрузки, со скоростью большей скорости распространения пластических

8

а,

деформаций, стадия разрушения наступает приложения нагрузки.

практически сразу после

Рис. 6. Зависимость напряжения от относительной деформации при различных скоростях нагружения г

Если рабочий орган характеризуется приложением высокой скорости нагрузки (колебаний), то при его воздействии на грунт в нем преимущественно развиваются упругие деформации. Поэтому затраты энергии на пластические деформации минимальны, а разрушение грунта происходит аналогично разрушению хрупкого тела.

На рис.7, рабочий орган представлен в виде стержневой системы с распределенными постоянными, нагруженной на конце сопротивлением 2н0.

Эквивалентная схема этой системы (Рис.8) в виде совокупности элементарных звеньев (ячеек) состоит из сосредоточенных постоянных. Каждая элементарная ячейка включает в себя элементы массы (т), упругости (С) и трения (К) с бесконечно малыми значениями.

Рис. 7. Стержневая система с нагрузкой на конце стержня

Рис. 8. Эквивалентная схема стержневой системы:

dm = —dx\ dc = — dx; dR = — dx 11 1

Волновое уравнение, описывающее колебаний в системе, имеет вид:

распространение продольных

д2У _ 2 д2У dt2 " ШГ2'

О)

(где У= У(Х, t) - обобщенная координата, характеризующая параметры колебательного движения) и решение:

Y = Al cos a)(t- X/С) + iA2 cos co{t + X/C) (2)

где Au Ai - постоянные интегрирования; co(t ± X/C) - фаза колебаний.

Вид функции (2) зависит от формы колебаний, создаваемых нагрузкой Zh, присоединенной к стержневой системе, и граничными условиями.

Уравнение (2) связывает амплитудные значения колебательной силы Fme и скорости Vme на конце системы, в точке контакта с нагрузкой, при Х= 0:

Fma = Fme-coskX + iVmeW0 sin кХ, Vme - cos kX + i smkX,

(3)

где = рСБ - волновое сопротивление стержневой колебательной системы с поперечным сечением

Полное сопротивление среды излучению в зоне контакта:

2 = Ка^та (4)

По мнимой части приХ=0:

W

cos kL + i —- • sin kL

z*=R„ + = w° w---> (5)

—- cos kL + i sin kL Z„

Rl+xl-wi

можно определить резонансные частоты системы или условия, обеспечивающие настройку системы в резонанс. Для стержневой системы частоты, обращающие в ноль уравнение (5), будут резонансными с условием

® r 2W0XH

резонанса: ~L~ arctS 2 2 2 = (6)

С н н О

где n = 1, 2, 3,... - число полуволн, укладывающихся в стержневой системе.

Если со задана и определяется величина L, то задача решается непосредственно с помощью (6). Для определения резонансной частоты со, из-за трансцендентности уравнения (6), решение ищется численным методом.

Промежуточным согласующим устройством магнитострикционного рабочего органа является стержень переменного сечения (концентратор), в котором волновое сопротивление меняется по закону:

W0=W0e-e»\ (7)

где IVQe - волновое сопротивление, соответствующее тому сечению, с которым связана нагрузка; b - постоянная экспоненты, учитывающая отношение площадей узкого и широкого концов концентратора.

Для экспоненциальной стержневой системы с учетом (7):

W

cos kL + i—— • sin kL

-^-. (8)

—— eos kL + i sin kL

ZH

По входному сопротивлению, находится собственная частота нагруженной экспоненциальной системы, приравнивая ХЬх к нулю.

Соотношение (6) с учетом (7) можно использовать для определения резонансной частоты магнитострикционного вибратора при его нагружении грунтом.

Рассогласование рабочего органа характеризуется безразмерной величиной $ = /о I /н, где /„ , /о - резонансные частоты нагруженного и ненагруженного рабочего органа. Нагружение рабочего органа грунтом изменяет частоту вибровозбудителя. Поэтому, для согласования высокочастотного рабочего органа с грунтом необходимо возбуждать его не с резонансной частотой /д, а с учетом поправки, вызванной нагрузкой: /„ = /0 + А/ •

Графики на рис. 9 показывают, что величина рассогласования рабочего органа изменяется от 0,968 до 0,998. Причем на больших частотах эта величина значительно больше, т.е. вибровозбудитель при больших частотах более чувствителен к изменению характеристик грунта.

Рис. 9. Зависимость рассогласования рабочего органа от частоты возбуждения, при различных значениях волнового сопротивления грунта.

На рис. 10 представлены зависимости величин рассогласования рабочего органа от волнового сопротивления грунта при различных частотах возбуждения. Из рис. 10 видно, что увеличение волнового сопротивления грунта уменьшает величины рассогласования, которое показывает, что с увеличением

сопротивления нагрузки условия передачи в нее энергии возбудителя становятся эффективнее.

Этот результат показывает целесообразность использования высокочастотных резонансных вибровозбудителей на наиболее прочных, тяжелых грунтах.

Рис. 10. Зависимость рассогласования рабочего органа от волнового сопротивления грунта, при различных значениях частоты возбуждения

Рис. 11 демонстрирует зависимость резонансной частоты системы «рабочий орган - присоединенный грунт» от волнового сопротивления грунта. Наблюдается сначала резкий, а затем по мере увеличения волнового сопротивления грунта монотонный рост резонансной частоты.

Рис. 11. Зависимость резонансной частоты системы «рабочий орган — присоединенный грунт» в зависимости от волнового сопротивления грунта

Анализ зависимостей на рис.9 - 11 позволяет сделать вывод о наличии условий, необходимых для эффективной работы магнитострикционного виброрыхлителя и, в первую очередь, это поддержание резонансной частоты колебаний рабочего органа, которая меняется в зависимости от свойств и объема присоединенного грунта.

В третьей главе приведены результаты разработки экстремальной системы управления процессом рыхления тяжелых грунтов.

Основная задача исследований рабочего процесса рыхления состоит в разработке мероприятий по повышению эффективности высокочастотного рабочего органа для конкретных параметров нагрузки с использованием самонастраивающейся системы, которая не требует полной информации о состоянии объекта и при изменении внешних условий автоматически настраивается, обеспечивая заданный критерий качества. Наиболее рационально в качестве такой системы использовать систему экстремального регулирования, которая позволит обеспечить эффективный режим рыхления на резонансной частоте магнитострикционного рабочего органа при минимуме расхода энергии. Магнитострикционный рабочий орган, как динамическое звено системы автоматического регулирования, представляет собой элементарное апериодическое звено первого порядка, инерционность которого

определяется массой рабочего органа и присоединенного к нему находящегося под воздействием рыхлителя. Изменение свойств изменяет положение статической характеристики (рис.12).

Р,Втк

Рис. 12. Характеристика магнитострикционного рабочего органа

грунта, грунта

Проектирование СЭР с виброрыхлителем опирается на ряд принципов построения экстремальных систем автоматической оптимизации на основе исследования динамики этих систем и способов обеспечения устойчивости поиска в условиях действия интенсивных возмущений. Функциональная схема экстремальной системы управления процессом виброрыхления, приведена на рис.13.

ИМ мс Л' УГ

а

вн

Изм.

и

ф,

н

мс

Рнс

'ч=/(Рмс)

Ихи.

I

02

тг пд ух БЭР Л/ БП

Рис. 13. Функциональная схема СЭР процессом виброрыхления

СЭР (рис.13) включает в себя: источник мощности (ИМ МС) 1, подводимой к магнитострикционному рабочему органу (МС) 3, управляемый генератор (УГ) 2, выпрямитель напряжения (ВН) 4, измерители напряжения (ИН) 5 и тока (ИТ) 6 с формирователями напряжений (Ф1) и (Ф2), перемножающее устройство (ПУ) 7, блок экстремального регулятора (БЭР) 8, программируемый делитель (ПД) 9, тактовый генератор (ТГ) 10. Изменение

усилия ^мс, приводит к изменению тока i, подводимого к обмотке магнитостриктора. Структурно такая взаимосвязь физических переменных отображается на рис.13 в виде отрицательной обратной связи \ — /Х^мс) ■ На выходе перемножающего устройства формируется напряжение, пропорциональное мощности системы и поступающее на блок экстремального регулятора БЭР. Сигнал с выхода блока экстремального регулятора поступает на один из входов программируемого делителя 9, на другой вход которого поступает сигнал с тактового генератора 10. Программируемый делитель изменяет частоту следования импульсов управляемого генератора и, следовательно, мощности, подводимой к магнитостриктору.

При изменении свойств грунта усилие рыхления изменяется. Одновременно изменяется мощность, поступающая на магнитострикционный рабочий орган и смещается экстремум его статической характеристики. БЭР изменяет управляющее воздействие, увеличивая или уменьшая частоту вибраций магнитострикционного рабочего органа на заданную величину шага СЭР до тех пор, пока, подводимая к нему мощность, не примет экстремального значения при резонансной частоте.

Наиболее важной частью функциональной схемы СЭР является блок экстремального регулятора (рис.14), который совместно с перемножающим устройством БП (рис.13), фиксирует текущее значение мощности нагружения рабочего органа и, изменяя частоту его вибраций, стремит ее к минимуму.

Схема блока экстремального регулирования состоит из преобразователя «напряжение — частота» (ПНЧ), частотомера, регистров памяти A (RGA), и В (RGB), устройства сравнения, схемы совпадения, управляющего триггера, реверсивного счётчика, тактового генератора (ТГ) и устройства управления (УУ).

Рис. 14. Функциональная схема блока экстремального регулирования

Если объект имеет статическую характеристику вида У = —кх2г то уравнения движения объекта с постоянной времени Т, и коэффициентом усиления , при действии управления и записываются в виде:

±и±и0

х = (х0-и0±к1Т1)е к>Т1 +и±к1Т1 (9)

Условие переключения системы будет иметь вид:

Ум-УР><5 (Ю)

То есть, изменение знака управления в системе будет происходить всякий раз, когда разность между запомненным наибольшим значением выходного сигнала ум объекта в данном цикле и уменьшающимся после этого значением у станет больше зоны нечувствительности 5. Для обеспечения работоспособности СЭР, находящейся под воздействием интенсивных монотонных возмущений, поиск экстремума должен быть немонотонным. Для создания немонотонного поискового движения в схему экстремального регулятора ЭР включается специальное устройство — коммутатор, который через определенные

промежутки времени Тк производит реверс системы независимо от действия сигнум-реле.

Коммутатор поверочных реверсов в условиях действия на СЭР интенсивных монотонных возмущений, изменяет характер протекания процесса поиска экстремума (рис.15). Из рисунка видно, что движение системы с коммутатором при поиске экстремума на инерционном объекте существенно отличается от движения такой же системы без коммутатора, так как у системы с коммутатором движение происходит вдоль одной ветви статической характеристики объекта.

Рис. 15. Фазовые траектории СЭР с коммутатором

В четвертой главе приведены результаты экспериментальных исследований магнитострикционного рабочего органа с грунтом.

Мерзлые суглинки и глины являются наиболее распространенными прочными грунтами. Вероятность их разработки в среднем по стране составляет 0,7%.

Исследование процессов взаимодействия высокочастотного рабочего органа с мерзлым фунтом производилось на модели нагрузки, которая воспроизводит изменение реакции среды на силовое воздействие.

Исследования свойств эквивалентных материалов показали, что наиболее адекватными физико-механическими свойствами мерзлых грунтов, обладают смеси, в состав которых входят вяжущие парафин и канифоль, а минеральная часть состоит из песка и суглинка. Парафин по качественной картине разрушения наиболее точно соответствует льду.

Экспериментальные исследования проводились на специальной установке, которая содержит грунтовый контейнер, к которому через направляющие присоединен магнитострикционный рабочий орган, резонансная частота которого может быть изменена.

При нагружении рабочего органа выбранным образцом грунта в процессе эксперимента фиксировались параметры их взаимодействия.

На рис.16 представлены зависимости величины рассогласования рабочего органа в процентах от волнового сопротивления грунта 5 = /(рс) при двух

фиксированных значениях частоты возбуждения магнитостриктора, полученные расчетным путем и при экспериментальных исследованиях.

Рис. 16. Теоретические и экспериментальные зависимости величин рассогласования рабочего органа

На рис.17 представлены зависимости величины рассогласования рабочего органа в процентах от частоты возбуждения магнитостриктора 8 = /(/„) при двух фиксированных значениях волнового сопротивления грунта, полученные расчетным путем и по результатам экспериментальных исследований.

Вид зависимостей (рис.16 и 17), свидетельствует о качественной и количественной сходимости экспериментальных результатов с теоретическими. Были получены отношения интенсивностей с и без учета подстройки по частоте от величины волнового сопротивления грунта (рис. 18).

Рис. 17. Теоретические и экспериментальные зависимости величин рассогласования рабочего органа

Зависимости на рис. 18 показывают, что изменение волнового сопротивления грунта приводит к падению интенсивности излучения по отношению к резонансному состоянию. Это происходит из-за резкого падения амплитуды колебания рабочего органа, в случае если частота возбуждающих колебаний не соответствует резонансной частоте, что следует из амплитудно-частотных характеристик на рис.19.

Волновое сопротивление грунта (МПа с/м)

Рис. 18. Отношения интенсивностей с и без учета подстройки по частоте

II 1 II II 1 1 И. 1 1 1

Волновое сопротивление грунта

-*- 3,15 МПа с/м -»-4,55 Мпа с/м

А

4,0 4,263 4,85 4,96 6,57 6,77 8,18 8,5 8,85 gJ

Частота (кГц)

Рис. 19. АЧХ нагруженных рабочих органов

Одновременно с измерением амплитуд смещения частиц грунта производились измерения мощности потребляемой магнитостриктором от источника питания (рис.20).

_700 | | | | | | | | : | I | , | | | . | I | | , ; | | , ; | | 'о

т—

X ^--------------Ц

ь ________________Волновое сопротивление грунта |____

~ |-и-4.55 МПа с/м -*-3,15МмПа с/м

|500 ------------------------------------¡¡-^---

400 - — Лг------V--------------------7/------

300 ------V------V------------------------

200 ----------->Г---------13 -----------

" 4,0 4,263 4,85 4,96 6,57 6,77 8,18 8,5 8,85 9.1

Частота (кГц)

Рис. 20. Зависимость потребляемой мощности магнитостриктором от частоты с изменением волнового сопротивления грунта

Сравнение графиков представленных на рис. 19 и рис. 20 показывает хорошую сходимость между величиной амплитуды колебания рабочего органа и минимумом потребляемой мощности.

Это означает, что наибольшая эффективность рыхления достигается при резонансной частоте возбуждения магнитостриктора, которая характеризуется минимумом потребляемой энергии от источника питания. Учет поправки по частоте при нагружении рабочего органа позволяет повысить эффективность рыхления грунта, для чего необходимо использовать, разработанную в работе автоматическую систему коррекции частоты возбуждения магнитостриктора.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Рост объемов земляных работ требует решения задачи создания эффективных технических устройств для выполнения наиболее трудоемких и дорогостоящих в строительстве операций разработки тяжелых грунтов. Одним из направлений в области совершенствования такой технологии является интенсификация рабочих процессов и создание новых способов разработки

| Волновое сопротивление грунта

¡-■-4,55 МПа с/м -«-3,15МмПа с/м

грунтов, на основе использования высокочастотной вибрации с применением резонансных магнитострикционных вибровозбудителей.

2. Одним из наиболее рациональных способов интенсификации процессов рыхления являются высокочастотные колебания звукового диапазона с применением резонансных магнитострикционных вибраторов, что позволяет активизировать рабочие органы существующих рыхлительных машин, увеличить производительность и расширить диапазон производимых этими машинами работ на тяжелых грунтах.

3. При сохранении резонансного режима колебаний рабочего органа рыхлительной машины параметры падающей волны остаются близки к максимальному своему значению даже при значительном неравенстве сопротивлений колебательной системы рабочего органа и присоединенного грунта. Поэтому разработан комплекс мероприятий, направленных на установление и поддержание резонансного режима колебаний системы, т.е. способов согласования вибросистемы с нагрузкой.

4. Получена регрессионная модель взаимодействия рабочего органа с грунтом в виде зависимости величины рассогласования волнового сопротивления грунта и резонансной частоты рабочего органа.

5. Нагружение вибратора грунтом приводит к изменению его резонансной частоты, что эквивалентно укорочению ненагруженной системы на величину, зависящую от параметров грунта и частоты колебаний магнитостриктора. Учет рассогласования по частоте, вызванной нагрузкой, ведет к увеличению эффективности высокочастотного резонансного рабочего органа.

6. Разработана система экстремального регулирования (СЭР), которая обеспечивает эффективный режим рыхления на резонансной частоте магнитострикционного рабочего органа при минимуме расхода энергии. Контур системы автоматической оптимизации с экстремальным регулятором, связывает мощность ТУ, приложенную к магнитострикционному рабочему органу, и частоту управляющего сигнала/

7. Так как в СЭР рабочего органа рыхлителя отсутствует элемент, физические свойства которого определяли бы экстремальную зависимость между входной и выходной величинами, то кривая с экстремумом формируется искусственным способом - перемножением напряжения и тока для получения мощности, поступающей на магнитостриктор.

8. Определены условия выбора благоприятного сочетания настроечных параметров СЭР, которые позволяют исключить ложные реверсы, переключать систему по одну сторону от экстремума и сделать ее работоспособной.

9. Технико-экономическая эффективность применения виброзвуковых методов разработки грунта приводит к увеличению на 15% скорости движения и соответственно производительности рыхлительного агрегата на 10%.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Публикации в журналах, рекомендованных ВАК

1. Гришин A.A. Анализ развития методов и машин для разработки тяжелых и мёрзлых грунтов / Гришин А. А., Тихонов А.Ф. // Механизация строительства. — 2011. — № 08. — С. 28-30.

2. Гришин A.A. Система экстремального регулирования вибровозбудителем магнитострикционного виброрыхлителя грунтов / Гришин А. А., Илюхин A.B., Тихонов А.Ф. // Механизация строительства. — 2011. — № 11. — С. 22-24.

3. Гришин А. А. Постановка задачи автоматизации магнитострикционных виброрыхлителей для разработки тяжелых и мерзлых грунтов / Гришин А. А., Илюхин A.B., Марсов В.И. // Механизация строительства. — 2013. — № 4. — С. 18-20.

Публикации в других изданиях

4. Гришин A.A. Особенности поиска экстремума системы управления виброрыхлителем. Принципы построения и особенности использования систем автоматизации в промышленности и строительстве / Гришин A.A., Илюхин A.B., Кальгин A.A. // Сб. научных трудов Московской государственной академии коммунального хозяйства и строительства — М., 2010. — С. 78-82.

5. Гришин A.A. Система экстремального регулирования процесса рыхления. Принципы построения и особенности использования систем автоматизации в промышленности и строительстве / Гришин A.A., Илюхин A.B. // Сб. научных трудов Московской государственной академии коммунального хозяйства и строительства — М., 2010. — С. 83-85.

6. Гришин A.A. Экстремальная система управления виброрыхлителем. Современные автоматизированные системы управления в промышленности: теория, методы и средства. / Гришин A.A., Илюхин A.B. // Сб. научных трудов Грозненского государственного нефтяного технического университета им. Академика М.Д. Миллионщикова.— Грозный 2012.— С. 4-7

7. Гришин A.A. Задачи автоматизации магнитострикционных виброрыхлителей для разработки тяжелых и мерзлых грунтов. / Гришин A.A.// Технология колесных и гусеничных машин. — 2012. — № 2(2). — С. 40 - 43. М.: Изд-во ООО «НИИКА».

8. Гришин A.A. Автоматизация магнитострикционного виброрыхлителя / Подъемно-транспортные, строительные, дорожные, путевые машины и робототехнические комплексы. / Гришин A.A. // Материалы 15-ой Московской международной межвузовской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. /М.: Альтаир — МГАВТ, 2011. — С. 215-217.

9. Гришин A.A. Система управления магнитострикционным виброрыхлителем./ Подъемно-транспортные, строительные, дорожные, путевые машины и робототехнические комплексы. / Гришин A.A. // Материалы 16-ой Московской международной межвузовской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. /М.: МИИТ, 2012. — С. 121.

Заказ № 11-Р/09/2013 Подписано в печать 19.08.13 Тираж 100 экз. Усл. п.л. 1,4

ООО "Цифровичок", тел. (495) 797-75-76 www.cfr.ru; е-таИ: info@cfr.ru

МОСКОВСКИЙ АВТОМОБИЛЬНО-ДОРОЖНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ (МАДИ)

На правах рукописи

04201361405

ГРИШИН АЛЕКСАНДР АЛЕКСАНДРОВИЧ

АВТОМАТИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА РЫХЛЕНИЯ ГРУНТОВ ПРИ ПРОВЕДЕНИИ СТРОИТЕЛЬНЫХ РАБОТ

Специальность 05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (строительство)

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель д.т.н., профессор Илюхин А.В.

Москва 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..............................................................................................................4

ГЛАВА 1. СПОСОБЫ РАЗРАБОТКИ ТЯЖЕЛЫХ ГРУНТОВ.........................8

1.1. Способы разработки тяжелых грунтов в строительстве..............................8

1.2. Магнитострикционный вибровозбудитель..................................................24

1.3. Процессы разрушения грунтов динамическими рабочими.......................30

органами.................................................................................................................30

1.4. Цель и задачи исследований.........................................................................36

ГЛАВА 2. ОСОБЕННОСТИ СОГЛАСОВАНИЯ

МАГНИТОСТРИКЦИОННОГО РАБОЧЕГО ОРГАНА С ГРУНТОМ.........39

2.1. Понятие согласования для системы магнитострикционный.....................39

вибратор - грунт....................................................................................................39

2.2. Изменение свойств грунта при воздействии на него интенсивных колебаний...............................................................................................................40

2.3. Анализ взаимодействия с грунтом резонансного высокочастотного рабочего органа.....................................................................................................46

2.4. Определение степени рассогласования резонансного вибратора при нагружении............................................................................................................52

2.5. Выводы к главе 2............................................................................................61

ГЛАВА 3. СИСТЕМЫ ЭКСТРЕМАЛЬНОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ РАССОГЛАСОВАНИЯ РАБОЧЕГО ОРГАНА ПО ЧАСТОТЕ.......................63

3.1. Задачи систем экстремального регулирования...........................................63

3.2. Выбор способа поиска экстремума..............................................................65

3.3. СЭР с запоминанием экстремума.................................................................68

3.4. Структура взаимодействия физических параметров рыхлителя с магнитострикционным рабочим органом...........................................................70

3.5. Функциональная схема СЭР.........................................................................73

3.6. Функциональная схема блока экстремального регулирования.................75

3.7. Выбор структуры магнитострикционного рабочего органа как объекта

управления.............................................................................................................78

3.8. Исследование переходных процессов СЭР.................................................80

3.9. Учет влияния случайных возмущений на работу СЭР

магнитострикционного рабочего органа............................................................85

ЗЛО. Работоспособность СЭР при дрейфе характеристики объекта...............88

3.11. Улучшение качества CAO..........................................................................93

3.12. Выводы к главе 3..........................................................................................99

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ МАГНИТОСТРИКЦИОННОГО РАБОЧЕГО ОРГАНА С ГРУНТОМ......................................................................................101

4.1. Задачи экспериментальных исследований................................................101

4.2. Обоснование выбора грунта для проведения экспериментальных исследований.......................................................................................................102

4.3. Экспериментальное оборудование.............................................................104

4.4. Изготовление образцов грунта...................................................................110

4.5. Предварительная оценка необходимого числа повторных опытов........112

4.6. Методика экспериментальных исследований...........................................114

4.7. Экспериментальное получение интерполяционной модели...................119

4.8. Сравнительная оценка результатов теоретических и экспериментальных исследований.......................................................................................................122

4.9. Выводы к главе 4..........................................................................................127

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.....................................128

ЛИТЕРАТУРА.....................................................................................................130

ВВЕДЕНИЕ

Большое значение в сбалансированном росте экономики страны имеет развитие районов Севера, Сибири и Дальнего Востока с суровыми климатическими условиями и наличием многолетних мерзлых и сезонно мерзлых грунтов. Многолетнемерзлые грунты занимают около 49% всей территории страны, а вместе с сезонно мерзлыми грунтами почти 90%. При этом в северных районах зимний период длится 6 ... 8 месяцев, а глубина мерзлого слоя достигает 2,5 м [63, 89].

Одними из самых трудоёмких являются земляные работы на выполнение которых требуется до 15 % стоимости и до 20 % трудозатрат от общего объёма строительных работ. По статистике там занято 10 % от общего числа рабочих.

Рост объемов земляных работ требует решения задачи создания эффективных технических устройств для выполнения наиболее трудоемких и дорогостоящих в строительстве операций разработки мерзлых грунтов.

В практике строительства наряду с традиционными (механическими, взрывными) все больше внимания уделяется новым способам разработки мерзлых грунтов, основанным на последних достижениях физики, химии, электротехники и других наук. Все чаще применяются комбинированные способы разрушения.

В настоящее время на стройках страны работает значительный парк машин, оснащенных режущими рабочими органами, например, фрезерные, дискофрезерные и бурильные машины. Высокая энергоемкость (более 0,5

•5 <3

кВт*ч/м ), низкая эффективность (225 ... 399 м в смену) высокие эксплуатационные расходы при использовании этого оборудования ограничивает его широкое внедрение в практику строительства и область применения.

В сравнении с ними более эффективна разработка мерзлых грунтов с предварительным рыхлением навесными рыхлителями на мощных тягачах и взрывным способом. Увеличение мощности землеройных машин не обеспечивает пропорционального роста их производительности и позволяет рацио-

нально использовать эти машины только при больших сосредоточенных объемах земляных работ. Кроме того, невозможно полностью реализовать мощность двигателя тягача по условию сцепления, а также значительные динамические нагрузки на конструкцию машины, снижают эффективность рыхлителей на мощных тракторах при работе на мерзлых грунтах [28, 38,101].

Повысить производительность землеройной техники без увеличения их тяговых характеристик, а следовательно, без увеличения их массы и габаритов позволяет создание машин с так называемыми активными рабочими органами [113]. В основу этих машин заложен принцип разделения энергетического потока, когда к зубьям или режущим кромкам рабочих органов, минуя привод тяги (двигатель), подводится дополнительная энергия: механическая (принудительные колебания зубьев или режущей кромки рабочего органа в ударном или (и) вибрационном режимах); электрическая (при воздействии на зону резания сильным электромагнитным полем высокой (ТВЧ) или сверхвысокой (ТСВЧ) частоты); тепловая (при воздействии лазером или низкотемпературной плазмой); газодинамического воздействия (когда в зону резания подводится энергия взрыва твердых, жидких или газообразных веществ).

Создание новых землеройных машин, рабочие органы которых способны эффективно разрабатывать мерзлый грунт, связано с изучением и совершенствованием процесса взаимодействия рабочих органов с грунтом.

Одним из сложившихся направлений в области совершенствования разработки мерзлого грунта является интенсификация рабочих процессов и создание новой технологии разработки, на основе использования высокочастотной вибрации с применением резонансных магнитострикционных вибровозбудителей. Это оборудование является достаточно надежным, применимым в тяжелых эксплуатационных и грунтовых условиях; вибровозбудители просты по конструкции, не имеют движущихся друг относительно друга частей, не боятся пыли, влаги, отрицательной температуры. Ранее проведенные исследования [35,86,88,78,79,80] подтвердили эффективность применения магнитострикционных вибраторов для разрушения мерзлого грунта.

Исследования и конструкторские разработки идут по пути активизации рабочих органов традиционного типа рыхлителей, экскаваторов и создания новых типов машин (групповой орган).

Механизм разупрочнения мерзлого грунта высокочастотными колебаниями заключается в том, что при излучении энергии в массив, в нем распространяется упругая волна смещений, подвергающая его деформации сжатия-растяжения и сдвига. Возникающие в грунте напряжения могут вызвать разрушение или значительное его разупрочнение, при этом в массиве преобладает не эффект отдельного удара, а колебательный (волновой) процесс, и эффект разрушения зависит от интенсивности упругой волны и степени ее передачи в массив.

Увеличение интенсивности упругой волны может быть достигнуто двумя способами: во-первых, увеличением амплитуды колебаний единичного вибровозбудителя; во-вторых, сложением волн, излучаемых группой вибровозбудителей небольшой мощности. Второе направление, очевидно, является более перспективным, так как в первом случае увеличиваются потери энергии в самом вибровозбудителе и происходит переизмельчение мерзлого грунта в месте контакта с рабочим органом, что препятствует передаче энергии. Применение магнитострикционных вибраторов путем группового их использования позволяет создать максимальную интенсивность в массиве на определенном расстоянии от рабочего органа. Известно также [76, 78], что интенсивность акустического поля, создаваемого в грунте группой излучателей, может быть в п2 (где п - число излучателей) раз больше, чем интенсивность отдельного излучателя. Это позволяет разрушать блоки мерзлого грунта, предварительно нарезанные щелерезной машиной на глубину промерзания или глубину разрушения, размером в плане 3 х 5 м.

Несмотря на большие энергетические возможности высокочастотных рабочих органов, передача энергии в грунт является далеко нерешенной проблемой.

Высокочастотный рыхлитель, колебательную систему которого можно

представить в виде системы с распределенными параметрами, эффективно работает в резонансном режиме, что позволяет при незначительной потребляемой мощности получить сравнительно большую амплитуду смещения рыхлящего зуба.

Однако при взаимодействии с грунтом исходная резонансная колебательная система превращается в другую, которая обладает иной собственной частотой и не будет являться резонансной при исходной частоте вынуждающей силы. Узловые сечения системы, за которые крепится рабочий орган, сместятся, а элементы крепления начнут подвергаться вибрационному воздействию при одновременном уменьшении амплитуды смещения рыхлящего зуба и интенсивности, передаваемой в грунт волны.

В то же время сохранение резонансного режима колебаний при нагру-жении рыхлителя, поддерживает параметры прошедшей в грунт волны достаточно близкими к максимальному значению даже при значительном неравенстве сопротивлений колебательной системы и грунта. Таким образом, комплекс мероприятий, направленных на установление и поддержание резонансного режима колебательной системы можно рассматривать как способ согласования ее с нагрузкой.

Использование теоретического объяснения влияния нагружения на величину рассогласования высокочастотного рыхлителя обусловило необходимость на основе установленных зависимостей разработать систему автоматического управления согласованием динамических характеристик магнитост-рикционного рабочего органа с грунтом для получения резонансного режима процесса рыхления; что и является целью настоящей работы.

ГЛАВА 1. СПОСОБЫ РАЗРАБОТКИ ТЯЖЕЛЫХ ГРУНТОВ

1.1. Способы разработки тяжелых грунтов в строительстве

Наиболее трудоемкими, дорогостоящими и при этом мало изученными являются земляные работы в тяжелых грунтах.

С увеличением объемов земляных работ, растет, парк мощных и специализированных машин, используемых для разработки тяжелых грунтов [16, 23, 56, 82, 102]. Однако рост объемов работ по разработке тяжелых грунтов опережает темпы совершенствования парка машин и технологических приемов их использования.

На рис.1.1. дана классификация методов разработки тяжелых грунтов.

Рис. 1.1 Классификация методов разработки тяжелых грунтов

Ощущается недостаточная обеспеченность строительных подразделений и организаций специализированными машинами и оборудованием. Это заставляет изготавливать кустарно в ремонтных мастерских или на заводах специализированные машины и устройства для разработки тяжелых грунтов

(дискофрезерные машины, экскаваторы с дополнительной тягой ковша, экскаваторы с рыхлительным клыком и другие).

Применение того или иного метода зависит от вида выемки, природно-климатических условий и экономической целесообразности.

Широко применяются взрывные способы разрушения тяжелых грунтов: внутрискважинные, короткозамедленные, камуфлетные, кумулятивные и т.п. За рубежом распространены, так называемые, пластырные заряды, плотно прилегающие к поверхности грунта [13, 14, 15, 108].

Совершенствование взрывных способов разрушения грунтов связано с оптимизацией параметров взрыва в зависимости от конкретных условий проведения работ и зоны возможного поражения. В последнее время разработаны приемы и средства перераспределения энергии взрыва, с увеличением доли, идущей на совершение полезной работы [60].

Эффективным и наименее трудоемким является буровзрывной способ рыхления [15, 32, 65, 92] тяжелых грунтов с использованием взрывчатых веществ с малой скоростью детонации. При этом с увеличением длительности взрыва энергоемкость разрушения уменьшается [15, 58].

Образуемые при взрыве ударные и акустические волны действуют на разрушаемую среду, а разрушение массива и образование в нем трещин связано как с воздействием ударной волны сжатия, так и упругой волны растяжения, образующейся при её отражении от свободной поверхности.

Развитие способа ударно - акустического разрушения грунта связано с разработкой короткозамедленного взрывания, когда разрушение породы производится упругими волнами, возбуждаемыми действием шпуровых зарядов, взрываемых с последовательным замедлением. При этом наблюдается интерференция упругих колебаний в массиве породы. При сложении упругих колебаний увеличивается амплитуда напряжений, что способствует разрушению породы. При акустическом воздействии на грунт звуковая волна, которая распространяется в массиве породы, подвергает её деформациям сжатия и растяжения. При определенных значениях параметров упругой волны, воз-

никающие в массиве напряжения, превысив силы сцепления частиц, вызывают разрушение грунта [15, 63].

Взрывной способ наиболее распространен при разработке карьеров и протяженных выемок. Самыми трудоемкими операциями при этом являются бурение шпуров, скважин и щелей.

Проводятся исследования по использованию энергии взрыва в землеройных машинах, за счет импульсного, циклического, или непрерывного использования энергии сжатого газа. Интенсифицируется рабочий процесс рыхлителей, ковшовых и отвальных рабочих органов за счет использования газовоздушной смазки, газодинамических интенсификаторов [16, 17, 20, 95]. Область применения этих машин ограничена высоким уровнем шума и большими эксплуатационными расходами.

Возможности применения взрывных способов разрушения грунта ограничены и другими существенными недостатками: наличием зоны поражения, создаваемой ударной волной; отсутствием возможности управления разлетом кусков и выносом грунта на поверхность близлежащих участков и получения проектного профиля траншей [63, 65, 110].

В практике строительства все чаще используются комбинированные методы разрушения грунтов [16, 18, 20, 59, 91, 93, 109, 111, 112, 119] за счет синтеза наиболее благоприятных качеств отдельных методов. Так эффективно использование ряда отдельных методов, например, пневмомеханические (газодинамический, газоимпульсный, взрывоимпульсный) для интенсификации механического разрушения грунтов [16,18,20, 50, 59,119].

Несмотря на разнообразие существующих способов по разработке тяжелых грунтов, основной объем работ при этом приходится на механический метод (рис. 1.1), для которого накоплен большой теоретический и практический материал, который используется для создания все более совершенных машин [37, 38, 68, 70, 95, 101,102, 103, 104, 117].

Основная тенденция развития механического метода разрушения грунтов сводится к увеличению мощности и энерговооруженности машин, с со-

ответствующим увеличением их рабочих усилий, надежности и уменьшением металлоемкости.

При разработке грунтов широко используются машины статического воздействия: многоковшовые экскаваторы, буровые и дискофрезерные машины, кроме увеличения мощности которых применяют самозатачива�