автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.13, диссертация на тему:Обоснование параметров и режимов работы оборудования для уплотнения грунтов в стеснённых условиях

На правах рукописи

Саляев Сергей Иванович

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ И РЕЖИМОВ РАБОТЫ ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ УПЛОТНЕНИЯ ГРУНТОВ В СТЕСНЁННЫХ УСЛОВИЯХ

Специальность: 05.02.13-«Машины,агрегаты и процессы» (строительство)

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Белгород - 2015

005567335

005567335

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном военном образовательном учреждении высшего образования «Военно-технический университет» Министерства обороны Российской Федерации (ФГБВОУ ВО «ВТУ» МО РФ).

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор технических наук, профессор Кравченко Игорь Николаевич

Кудрявцев Евгений Михайлович, доктор технических наук, профессор,

ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), профессор кафедры «Механизация строительства»

Смирнов Витаний Петрович, кандидат технических наук,

Староосколъский технологический институт им. A.A. Угарова (филиал) ФГАОУ ВПО «Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС» (СТИ НИТУ «МИСиС»), доцент кафедры «Технологии и оборудования в металлургии и машиностроении»

ФГБОУ ВПО «Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых» (ВлГУ)

Защита диссертации состоится 25 марта 2015 года в 10:00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.014.04 при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Белгородский государственный технологический университет имени В.Г. Щухова» по адресу: 308012, г. Белгород, ул. Костюкова, 46, главный корпус, ауд. 242 ГУК.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке к на сайте Федерального

государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального

образования «Белгородский государственный технологический университет имени В.Г. Шухова» Ьар://ео5 att.bstu.ru

Автореферат диссертации разослан 17 февраля 2015 года.

Учёный секретарь диссертационного совета

Семикопенко Игорь Александрович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования.

Значительное количество земляных работ, проводимых в строительстве, связано с уплотнением грунта в обратных засыпках. Большой объём грунта подлежит уплотнению в пазухах фундаментов, при обратной засыпке траншей под трубопроводы, коллекторы, различного рода коммуникации. Зачастую эти работы производятся в стеснённых труднодоступных местах, поэтому и в большинстве случаев используются малопроизводительные ручные уплотнительные машины.

Учитывая сложную экономическую ситуацию в стране (ввиду обострения международных политических связей РФ), предлагаемые решения, направленные на оптимизацию процесса уплотнения грунта, способствуют успешному решению задач государства: своевременному окончанию работ на специальных объектах (космодром «Восточный») и амбициозно-экономических проектах (газопровод «Сила Сибири», «Алтай»); импортозамещение; обновление основных фондов предприятий строительной и дорожной отрасли; сокращение расходов при одновременном увеличении производительности и качества производства работ.

В процессе уплотнения грунта свойства среды постоянно изменяются, что требует выбора рациональных режимов работы навесного уплотняющего оборудования и своевременной смены его типа в зависимости от места применения. Основное правило уплотнения - это постепенное повышение контактных давлений, которые не должны превышать предела прочности грунта. При несоблюдении этого условия происходит разрушение структуры грунта, что вызывает формирование призмы волочения, неравномерную плотность по глубине и появление волнистой поверхности. Это приводит к дополнительным работам и затратам времени. Результаты наших теоретических и экспериментальных исследований позволяют разработать практические рекомендации и технические предложения по выбору конструктивных и кинематических параметров рабочих органов навесного грунтоуплотняющего оборудования до требуемой плотности с учетом постоянно изменяющихся свойств среды.

Рабочий процесс уплотнения грунтов навесным оборудованием экскаваторов в стеснённых условиях является мало изученным; вопросы выбора рациональных конструктивных и кинематических параметров не имеют теоретического обоснования. Комплексное решение, направленное на оптимизацию процессов производства работ новым навесным сменным оборудованием, способных механизировать данные виды работ, является актуальной задачей.

Предлагаемое в диссертации навесное грунтоуплотняющее оборудование, эффективность применения которого теоретически обоснована и экспериментально подтверждена, позволяет повысить эксплуатационную производительность экскаваторов примерно на 25-35% за счёт совмещения в одной машине основных операций земляных работ (копания, обратной засыпки и уплотнения грунтов), используя значительный вылет стрелы с рукоятью, т.е. превратить экскаватор в манипулятор с возможностью выполнения работ с управляемым из кабины давлением на грунт в стеснённых и опасных для людей эксплуатационных условиях; снизить простои по ремонту и восстановлению рабочего грунтоуплотняющего оборудования в полевых условиях; повысить темпы дорожных работ при сокращении сроков возведения объектов.

Таким образом, применение навесного сменного грунтоуплотняющего оборудования позволит при достижении требуемых параметров обратных засыпок в стеснённых условиях исключить повреждения подземных коммуникаций и повысить темпы земляных работ при сокращении сроков строительства и восстановления объектов специального назначения, что отражает актуальность данной работы.

Диссертационная работа посвящена оптимизации процессов производства работ новым навесным сменным оборудованием для уплотнения насыпных грунтов в стеснённых условиях при строительстве, реконструкции и восстановлении объектов транспортной инфраструктуры.

Объектом исследования является навесное оборудование одноковшовых гидравлических экскаваторов, предназначенное для уплотнения насыпных грунтов в стеснённых условиях при строительстве, реконструкции и восстановлении объектов транспортной инфраструктуры.

Предмет исследования: технологический процесс уплотнения грунтов новым навесным на экскаваторы пневмошинным оборудованием при устройстве земляных сооружений в стесненных условиях.

Цель исследования: оптимизация процессов производства работ по уплотнению грунтов в стеснённых условиях в ходе строительства, реконструкции и восстановления объектов транспортной инфраструктуры новым навесным на экскаваторы сменным оборудованием.

Задачи исследования:

1. Исследовать закономерности и выявить функциональные взаимосвязи режимов работы навесного сменного оборудования на месте и в движении на их уплотняющую способность в зависимости от физико-механических свойств грунта и параметров гидросистем экскаваторов, управляющих процессами уплотнения.

2. Обосновать принципы и разработать физико-математическую модель процесса взаимодействия навесного сменного пневмошинного оборудования экскаваторов с уплотняемым грунтом в зависимости от требуемого коэффициента уплотнения «комковатых» грунтов обратных засыпок.

3. Разработать методику выбора рациональных конструктивно-кинематических параметров навесного грунтоуплотняющего оборудования гидравлических экскаваторов в зависимости от способа организации дорожно-строительного производства.

4. Разработать методику проведения экспериментов по выбору и обоснованию рациональных параметров и режимов работы навесного грунтоуплотняющего оборудования гидравлических экскаваторов в процессе уплотнения грунтов обратных засыпок.

5. Создать новые конструкции навесного сменного оборудования в виде рабочих органов, позволяющих осуществлять механизированное уплотнение грунтов обратных засыпок при организации дорожно-строительных и земляных работ.

6. Провести производственную проверку разработанных научных положений и результатов исследований, оценить их экономическую эффективность, дать практические рекомендации и выработать технические предложения по оптимизации организации применения навесного сменного оборудования экскаваторов для уплотнения грунтов обратных засыпок при реконструкции и восстановлении объектов специального и транспортного строительства.

Научная новизна исследования:

Исследованы закономерности процесса влияния режимов работы навесного сменного оборудования на уплотняющую способность в зависимости от физико-механических свойств грунта и параметров гидросистем экскаваторов.

Разработана физико-математическая модель процесса взаимодействия навесного сменного пневмошинного оборудования с уплотняемым грунтом в ходе движения, позволяющей определять зависимости изменения коэффициента уплотнения комковатых грунтов от числа проходов

Разработана методика выбора рациональных рабочих параметров нового навесного грунтоуплотняющего оборудования экскаваторов в зависимости от процесса производства работ.

Созданы новые конструктивно-компоновочные решения навесного сменного оборудования базовых машин, позволяющих осуществлять механизированное уплотнение грунтов при организации дорожно-строительных и земляных работ.

Разработаны рекомендации и технические предложения по внедрению нового навесного сменного оборудования экскаваторов для уплотнения грунтов обратных засыпок в процесс строительного производства.

Методы исследования. В качестве инструмента исследований для решения поставленных задач использованы методы системного, статистического и многофакторного анализа, а также физико-математическое моделирование. Обработка результатов исследований осуществлялась с использованием разработанного программного обеспечения.

Практическая значимость работы: заключается в рационализации процесса уплотнения грунта в стеснённых условиях новым навесным на экскаваторы сменным оборудованием; повышении степени универсальности базовых машин (экскаваторов); сокращении расходов при одновременном увеличении производительности и качества производства работ. Результаты диссертационного исследования позволяют: выбрать оптимальные параметры навесного оборудования для обеспечения максимальной производительности при механизированном уплотнении грунтов с разным гранулометрическим составом; повысить эксплуатационную производительность экскаваторов примерно на 25-35% за счёт совмещения в одной машине основных операций земляных работ (копания, обратной засыпки и уплотнения грунтов); сократить на 10-12% общие сроки реконструкции и восстановления объектов инфраструктуры.

Достоверность научных положений, рекомендаций и выводов подтверждается удовлетворительной сходимостью собственных результатов теоретических и экспериментальных исследований, их производственной проверкой на предприятиях строительной и дорожной отрасли; обоснованным выбором исходных данных по работе навесного грунтоуплотняющего оборудования; корректным использованием физико-математического моделирования.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

1. Физико-математическая модель процесса взаимодействия навесного сменного пневмошинного оборудования экскаваторов с уплотняемым грунтом в ходе движения.

2. Методики расчёта конструктивно-технологических параметров и выбора рациональных режимов работы навесных грунтоуплотняющих средств экскаваторов в зависимости от технологических требований к грунту и условий организации процесса дорожно-строт-ельного производства.

3. Практические рекомендации и технические предложения по организации применения нового навесного сменного оборудования экскаваторов для уплотнения грунтов обратных засыпок при строительстве, реконструкции и восстановлении объектов транспортной инфраструктуры.

Внедрение и реализация научных результатов диссертации. На стадии опытного производства основные результаты работы реализованы в ФГУП «ГУССТ №1 при Спецстрое России», ФГУП «ГУССТ №5 при Спецстрое России» и ФГУП «ГУССТ №8 при Спецстрое России» в процессе изготовления навесного грунтоуплотняющего оборудования экскаваторов. Результаты работы внедрены в ООО «Мосстроймонтаж», ОАО «Балашихинский литейно-механический завод», ФГБВОУ «Военно-технический университет», ООО «Спецстрой Норд» и подтверждены актами внедрения. Кроме того, основные научные положения диссертационного исследования реализованы в рамках НИР и ОКР при разработке ТЗ и ТТХ навесных грунтоуплотняющих средств, технических предложениях и рекомендациях по их внедрению, применительно к условиям возведения объектов специального назначения. Научные результаты включены в Рекомендации по расчёту рациональных параметров и режимов работы сменного уплотнительного оборудования, навешиваемого на типовые экскаваторы и погрузчики, а также в Технические предложения по их эксплуатации для обеспечения эффективного производства.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены, обсуждены и одобрены на всероссийских и международных научно-практических конференциях, форумах и выставках. Среди них являются: VI Международная научно-практическая конференция «Актуальные проблемы научно-технического прогресса» (г. Ставрополь, 2011 г.); VIII Международная научно-практическая конференция «Перспективные

разработки науки и техники» (Рпгетув!, Польша, 2012 г.); XXXVII межвузовская научно-практическая конференция «Инновационные материалы, технологии и социально-экономические аспекты развития обороноспособности Российской Федерации» в рамках Международного научного марафона (г. Балашиха, ФГБВОУ ВПО «ВТУ», 2012 г.); заседаниях кафедры строительной и дорожной техники и научно-технических советах Военно-технического университета (2011-2014 гг.).

Работа выполнена на кафедре строительной и дорожной техники Военно-технического университета в соответствии с программами научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ и представляет собой теоретическое обобщение исследований, проводимых автором в период 2011-2014 гг., а также ряда экспериментальных исследований.

Публикации. Основные научные положения и результаты диссертации опубликованы в 13 работах, из них 1 монография, 6 научных статей в ведущих журналах и изданиях, рекомендованных для публикаций ВАК России. По материалам диссертации получено два патента РФ на полезные модели и свидетельство о государственной регистрации программ для ЭВМ.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников и приложений. Работа изложена на 168 страницах, из них 140 страниц машинописного текста, 37 рисунков, 31 таблиц, 10 страниц использованных источников (112 наименований) и 6 приложений на 22 страницах.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы и изложена общая характеристика работы с позиций соответствия её требованиям «Положения о порядке присуждения учёных степеней» к кандидатским диссертациям.

В первой главе проведен комплексный анализ объёмов и темпов проведения работ по уплотнению грунтов обратных засыпок. Выявлены основные недостатки существующих базовых машин, использующихся для уплотнения грунтов в стеснённых условиях, где до сих пор высока доля ручных работ (до 90%). Исследовано состояние научно-методической базы в области применения и развития технологических способов уплотнения дорожно-строительных материалов.

Для уплотнения грунтов обратных засыпок и траншейных работ в стеснённых условиях эксплуатации как в зарубежной, так и в отечественной практике применяют ручные виброплиты и дистанционно управляемые самоходные кулачковые катки, а также подвесные на жёстких рукоятях экскаваторов виброплиты и вибротрамбовки как наиболее производительное грунтоуплотняющее оборудование. Они же используются и для работ по уплотнению грунта сопряжений мостовых и путепроводных переходов, откосов автомобильных и железнодорожных магистралей.

Анализ исследований, посвященных повышению эффективности уплотнения грунтов, показал, что в работах В.И. Баловнева, М.Р. Буренюка, Б.Г. Кима, И.Н. Кравченко, P.A. Иванова, В С. Ивановского, В.В. Прошина, A.B. Точкина, А.И. Федулова, Н.Я. Хархуты, A.A. Гусакова и других учёных особое внимание уделено не только системам контроля степени уплотнения, но и уплотнению различных типов грунтов, в основном, виброплитами. Однако навесные виброплиты не всегда удовлетворяют производственно-технологическим требованиям применительно к стеснённым условиям уплотнения обратных засыпок, в частности, в узких траншеях, выполненных экскаваторами.

Главная научная идея работы: Разработана методика выбора рациональных конструктивно-технологических параметров и режимов работы навесного сменного оборудования, позволяющего осуществлять уплотнение грунтов в стеснённых условиях при восстановлении и реконструкции объектов дорожной и транспортной инфраструктуры.

Вторая глава посвящена теоретическим исследованиям влияния режимов работы навесного оборудования на процесс уплотнения грунтов обратных засыпок, заключающимся в разработке физико-математической модели силового воздействия на уплотняемый грунт навешиваемым на экскаваторы пневмошинным оборудованием с обоснованием его эксплуатационных параметров. Формализация рабочих процессов землеройных машин является достаточно сложной задачей, обусловленная неопределенностью среды, с которой взаимодействуют машины в системе «среда - машина - среда». Для работ по уплотнению грунтов обратной засыпки навесным сменным оборудованием разработаны программа и последовательность расчётов, основанные на теории проектирования изделий дорожно-строительного машиностроения методами и средствами автоматизированного проектирования (САПР). В данном случае технологическая цепочка операций представляет собой логическую модель процесса проектирования. Для каждой из подсистем САПР должна быть чётко описана исходная информация, необходимая для выполнения соответствующей операции, в том числе на базе детерминированных связей между параметрами экскаватора и требуемыми эксплуатационными параметрами навесного грунтоуплотняющего оборудования. Обратные засыпки характеризуются наличием крупнообломочных грунтов с глинистым связным заполнителем (в летнее время) и мёрзлых комьев (в зимнее время), что приводит к неэффективному использованию оборудования и средств из-за их недоуплотнения и проскальзывания.

По результатам анализа удельных показателей методами и средствами САПР определены конструктивно-технологические параметры и предложено новое навесное сменное оборудование для стеснённых условий уплотнения грунтов обратных засыпок в виде

пневмошинного набора колес. При этом наилучшим способом уплотнения является применение пневматических шик, позволяющих обеспечить требуемый результат уплотнения

Количество устанавливаемых колёс на оси определяется шириной уплотняемой траншеи (ковша экскаватора). Применяемые на современных пневматических шинах бандажи с шипами позволяют разбивать комья грунта, в том числе смёрзшегося, что особенно важно в зимних условиях эксплуатации. Число шипов, устанавливаемых в шине, зависит от массы, мощности двигателя, а также условий эксплуатации. При этом весь цикл дорожных и земляных работ может выполняться одной машиной-экскаватором, который отрывает траншею, осуществляет обратную засыпку грунта и его уплотнение.

Особенно сложно выполнять операции на откосах насыпей при уплотнении комковатых грунтов, в частности, смёрзшихся. Рассмотрим процесс разрушения комковатого грунта (рисунок 1).

Рисунок 1 - Схема разрушения комковатого грунта шипованным колесом

Составим уравнение, выражающее теорему об изменении кинетического момента ротационного рабочего органа (РРО) при ударе, взяв за ось моментов горизонтальную ось, совпадающую с образующей В (см. рис. 1) воображаемого цилиндра, описанного касательно к кончикам зубьев протектора:

1<пв~1,в = 2>.Х5Г:

tfo£MBxSfe = 0. (1)

Так как ударный импульс S¡¡, приложенный к комку, пересекает ось В, то выражение (1) можно представить в виде:

¿пв = ¿/в-

При вычислении кинетических моментов в начале и в конце удара (¿nB и L,B) используем теорему о кинетическом моменте механической системы в общем случае движения:

L,в = mpVotrp sinar +/(,&)!,• (2)

¿пв - ТПрЫпТр

где /о - момент инерции РРО, кг-м2; гр - радиус обода РРО, м;

Гц - расстояние от центра обода до кончиков зубьев РРО, м.

Радиусы гр и ги рассчитываются по формулам:

/.„ + Нк

1 + 1д2(<рр + <ри)

Г„ = (Гр - пк) 1 +--

гр~Ьк

где ¿н, Лк - высота рисунка протектора и грунтового комка соответственно, м;

<рр - угол внутреннего трения грунта;

¥>и - угол трения грунта о материал шины.

С учетом (2) - (5) получено выражение для расчёта угловой скорости шл:

1 + 2 а

шп =

1 + 2 I

(5)

(6)

(7)

Ударный импульс, воспринимаемый грунтовым комком, определён с использованием уравнения, выражающего теорему об изменении количества движения системы при ударе в проекциях на оси £ и л (см рис. 1):

(8)

= 2*Цг,А(*р + кр) +^(1 + 0» ■-гр)] ¡1 - (9)

^ = (Ю)

где Кт - скорость передвижения экскаватора, м/с;

Вр, ¿ц, tu — соответственно ширина шины, длина и шаг протектора, м;

р - плотность грунта, кг/м3; пт - количество рядов в протекторе, шт.

Если напряжения превышают связи между частицами грунта, то происходит сдвиг одних частиц грунта относительно других, и при последовательном увеличении нагрузки наступает течение грунта в стороны из-под вдавливаемого тела. При применении шипованных пневмоколёс создаются динамические воздействия, которые перегружают уплотняемый грунт, особенно после прохождения колеса с гладкой поверхностью. Таким образом, рациональным методом уплотнения является применение комбинированного воздействия как шипованных, так и нешипованных пневмоколёс (рисунок 2) с достаточно высоким качеством уплотнения.

Проведённые исследования позволили разработать методику обоснования параметров и рациональных технических решений навесного оборудования, уплотняющего грунты до требуемой плотности с учётом постоянно изменяющихся свойств среды. Предлагаемая методика включает: расчёт основных параметров и режимов работы навесного сменного оборудования и поверочный расчёт гидрооборудования экскаваторов. К основным параметрам навесного грунтоуплотняющего оборудования относятся: геометрические размеры, масса, оптимальная глубина уплотнения А, потребляемая мощность, скорость передвижения V и эксплуатационная производительность Я,.

рукоять экскаватора;

На основании предложенной автоматизированной программы по оценке параметров и режимов работы навесного грунтоуплотняющего оборудования (РП «Оценка ПРР НГО 1 О») разработан алгоритм расчёта (рисунок 3), являющийся результатом теоретических исследований. Определение вышеперечисленных параметров осуществлялось в последовательности, содержащей взаимоувязанные этапы. Процессы взаимодействия рабочих органов с грунтом зависят от их назначения, конструкции (формы), геометрических параметров (размеров), а также физико-механических характеристик грунта. При этом параметры пневмошин устанавливаются в зависимости от типа грунтов.

В соответствии с оценкой уплотняющей способности по контактным давлениям пневмошин слои эффективного уплотнения грунта этим оборудованием составляют от 0,1 до 0,3 м при низком давлении в шинах, а на сильном ещё больше (от 0,3 до 0,4 м). При этом у каждого статического катка, наделенного определенными геометрическими и весовыми параметрами, существуют конкретные оптимальные толщины уплотняемых слоев грунта.

На основании анализа теоретических результатов выявлены области устойчивого уплотнения, позволяющие определить рациональные режимы работы пневмошинного оборудования при уплотнении грунта в зависимости от его физико-механических свойств и параметров экскаваторов. Установлено, что эффективная работа пневмошин будет осуществляться при коэффициентах уплотнения К, = 0,90-0,92, которые должны постепенно повышаться для обеспечения роста плотности грунта с постоянной и максимальной для выбранного режима периодически изменяющейся скоростью, при этом их работа должна проходить в устойчивом режиме.

Рисунок 3 - Алгоритм выбора рациональной конструкции навесного оборудования для уплотнения грунтов обратных засыпок

В третьей главе описаны план программа и методики проведения экспериментальных исследований, описана экспериментальная установка (рисунок 4). В качестве плана эксперимента принят центральный композиционный ортогональный план полного факторного эксперимента ПФЭ ЦКОП 23.

В качестве функции отклика на воздействие факторов, определяющих характер протекания процесса, выбран: Коэффициент уплотнения - Ку,

Эта функция отвечает ряду требований, предъявляемых к параметрам функции отклика: универсальность, возможность выражения одним членом и представления в количественном виде.

В качестве исследуемых факторов при проведении экспериментов по уплотнению были приняты:

Количество проходов - п, раз;

- Толщина уплотняемого слоя - Н, м;

- Ширина пневмошины - В. м;

Рисунок 4 - Экспериментальное оборудование:

1 - передвижная тележка с гидроприводом рукояти (2), отвалом (5) и навешиваемой

сменной пневмошнной (4); 5- насыпной грунт (песок); б - варьируемые грузы,

имитирующие нагрузки от гидропривода и массы рукояти; 7- рулетка; Я-пенетрометр для определения коэффициента уплотнения грунта Ку

В четвёртой главе приведены результаты анализа данных, полученных в ходе проведения экспериментальных исследований:

!. На основе проведённых исследований определены рациональные параметры и режимы работы оборудования для уплотнения фунтов в стеснённых условиях.

- выявлено, что эффективная работа пневмошин осуществляется при коэффициентах |

уплотнения, равных Ку = 0,90 - 0,92; Количество проходов п = 3 Толщина уплотняемого слоя - Л = 0, 25 м; Ширина пневмошины - В - 0,395 м;

2 В результате статистической обработки экспериментальных данных получено уравнение регрессии в виде Ку (хг; х2: х3) (формула 11):

Ку = 0,8 + 0,135 ■ хг + 0,221 • х3 + 0,033 ■х1-х2 + 0,001 ■ х2 ■ х3 +

(Ч)

+0,031 ■х1х2х3 + 0,035 ■ х\ + 0,095 ■ х\,

В результате анализа величин коэффициентов уравнения регрессии (11) в кодированной форме, а также графиков, представленных на рисунках 5,6, 7, 8, следует:

1. наибольшее влияние на коэффициент уплотнения Ку оказывает фактор х3 -конструктивный параметр (ширина пневмошины В);

2. с увеличением ширины пневмошины (В) уменьшается коэффициент уплотнения (Ку) и ! глубина уплотнения (Л);

3. с увеличением количества проходов (га) - увеличивается коэффициент уплотнения (Ку) и глубина уплотнения (Л);

4. с увеличением глубины уплотнения (й) - уменьшается коэффициент уплотнения (Ку);

Поверхности и сечения функции отклика полученного уравнения представлены на '

рисунках 5, 6, 7, 8.

Рисунок- 5 - Поверхность отклика функции Ку (В; Л), где коэффициент уплотнения - К, толщина уплотняемого слоя - А, м; ширина пневмошины - В, м;

Рисунок 7- Поверхность, сечение поверхности отклика функции Ку (п; В), где коэффициент уплотнения - Ку\ количество проходов - п, раз; ширина пневмошины - В,

м;

Рисунок 6 - Сечение поверхности отклика функции Ку (В; Л), где коэффициент уплотнения - Ку; толщина уплотняемого слоя - А, м; ширина пневмошины - В, м;

Рисунок 8 - Поверхность, сечение поверхности отклика функции Ку (п; Л), где коэффициент уплотнения - Ку; количество проходов - п, раз; толщина уплотняемого слоя - Л, м;

В пятой главе представлена инженерная методика выбора параметров навесного сменного пневмошинного оборудования и режимов уплотнения грунта, которая включает тяговый расчёт, подбор пневмошин, расчёт гидрооборудования По результатам проведено конструкторское моделирование эксплуатации экскаваторов с навесным грунтоуплотнительным пневмошинным оборудованием (рисунок 9)

Полученная эскизная проработка конструкций навесного сменного пневмошинного оборудования гидравлических экскаваторов легла в основу технических предложений и практических рекомендаций как одного из основных результатов.

Рисунок 9 - Уплотнение прямых участков дорог: 1 - кабина; 2 - ковш, 3 - колёса--/-пневмошины; 5-стрела; й-опоры; 7-двигатель; 8- отвал; 9- гндроцилинд'р

14

Сформулированы практические рекомендации и даны технические предложения по применению навесного сменного оборудования экскаваторов для уплотнения грунтов обратных засыпок при восстановлении объектов дорожной и транспортной инфраструктуры.

Рекомендуемое навесное сменное пневмошинное оборудование, позволяющее оперативно уплотнять грунты обратных засыпок и обеспечивать при этом требуемую плотность грунта, высокую производительность и маневренность, защищено патентами 123786 (RU, МПК Е01С 19/27) и 129513 (RU, МПК Е01С 19/27).

Для оценки характеристик, выбора рациональных конструктивно-технологических параметров и установления режимов работы адаптивной системы «навесное уплотнитеяъное оборудование - грунт» разработана расчётная программа РП «Оценка ПРР НГО 1.0» (свидетельство о гос. per. программы для ЭВМ №2012618151). Данная программа позволяет выбирать оптимальные варианты навесного сменного грунтоуплотняющего оборудования из анализируемых подсистем, исходя из конкретных условий эксплуатации.

При уплотнении грунтов обратных засыпок в стеснённых условиях рекомендовано новое навесное сменное пневмошинное оборудование на базе экскаваторов. При уплотнении грунта для каждого прохода (ряда) предложено фиксировано изменять кинематические параметры, соответствующие состоянию, типу грунта и требуемому коэффициенту уплотнения. Это обеспечивает устойчивость работы, снижает энергоёмкость, повышает качество и производительность процесса уплотнения.

Технико-экономическая оценка показала, что предлагаемые конструкции навесного сменного пневмошинного оборудования снижают стоимость грунтоуплотняющих работ, и величина экономической эффективности достигает порядка 0,83 млн. руб. (в ценах 2013 года) на одну машину в год за счёт повышения эксплуатационной производительности экскаваторов и уменьшения их простоев в 1,8-2 раза. При этом себестоимость работ снижается в 3-3,5 раза.

Основные результаты и выводы

1. Исследованы закономерности процесса влияния режимов работы навесного сменного оборудования на уплотняющую способность в зависимости от физико-механических свойств грунта и параметров гидросистем экскаваторов.

2. Разработана физико-математическая модель процесса взаимодействия навесного сменного пневмошинного оборудования с уплотняемым грунтом в ходе движения, позволяющей определять зависимости изменения коэффициента уплотнения комковатых грунтов от числа проходов. На основании анализа полученных результатов выявлены области устойчивого уплотнения, в частности, уплотнение комковатого грунта обратных засыпок.

3. Анализ расчётов показал, что нагрузки на рукояти, возникающие при уплотнении грунтов, полностью компенсируются развиваемым давлением гидросистемой экскаватора, а имеющие габаритные размеры цилиндров позволяют осуществлять достаточно простую и быструю (не более 10 мин) замену ковшей на комплект колёс с пневмошинами (в частности, автомобилей КамАЗ). При этом снижается сопротивление перекатыванию на 30-40%, исключаются резкие толчки и уменьшается неуправляемая деформация грунта, что важно для сохранения дорогостоящих коммуникаций и сооружений, используя управляемое по давлению механизированное уплотнение грунтов обратных засыпок.

4. Разработана методика расчёта, позволяющая в зависимости от технологических требований производить выбор рациональных конструктивных и технологических параметров землеройной техники и пневмошинного оборудования при требуемом коэффициенте уплотнения грунта. Предложенные номограммы в инструкцию по эксплуатации позволят повысить эффективность организации производства работ навешиваемого груптоуплотняющего оборудования экскаваторов, вследствие обоснованного выбора числа проходов 71 и назначения рациональной скорости движения V. Результаты анализа рассчитанных вариантов показали, что среднее увеличение производительности машины П, при назначении рациональной скорости составит 18-20%.

5. Полученные экспериментальные и организационные решения подтверждают

правильность теоретических исследований со степенью достоверности 0,98 и позволяют количественно оценить степень уплотнения грунтов обратных засыпок в зависимости от глубины Л, количества проходов п и ширины пневмошины В навесного грунтоуплотняющего оборудования. Так, навесные сменные пневмошины при малых габаритных размерах и небольшом весе приспособлены для выполнения работ в стеснённых и труднодоступных местах, в которых невозможно или нерационально использование машин других типов.

6. На основе проведённых исследований определены рациональные параметры и режимы работы оборудования для уплотнения грунтов в стеснённых условиях. Выявлено, что эффективная работа пневмошин осуществляется при коэффициентах уплотнения, равных Ку = 0,90 — 0,92; Количество проходов - п = 3; Толщина уплотняемого слоя - к = 0,25, м; Ширина пневмошины - В = 0,395, м;

7. При достижении предлагаемым навесным грунтоуплотняющим пневмошинным устройством трёх проходов с нешипованными и шипованными шинами наблюдается эффект уплотнения, подобный уплотнению кулачкового катка. Для обеспечения устойчивого режима необходимо создание соответствующей внешним условиям адаптивной системы «навесное утотнительное оборудование-грунт».

8. По результатам исследований сформированы практические рекомендации и технические предложения, которые содержат варианты по разработке научно-обоснованных конструктивно-компоновочных решений модельного ряда навесного сменного грунтоуплотняющего оборудования землеройной техники для стеснённых условий.

9. Полученные результаты позволяют интенсифицировать организацию дорожно-строительных и земляных работы за счёт выполнения дополнительных операций по уплотнению грунтов обратных засыпок. При этом увеличивается в 1,5-2 раза скорость и манёвренность модернизированных навесных грунтоуплотняющих средств экскаваторов и повышается в 2-2,5 раза их эксплуатационная производительность при сокращении на 10-12% общих сроков реконструкции и восстановления объектов инфраструктуры.

10. Предлагаемые решения, направленные на оптимизацию процесса уплотнения грунта, способствуют успешному решению задач государства: своевременному окончанию работ на специальных объектах (космодром «Восточный») и амбициозно-экономических проектах (газопровод «Сила Сибири», «Алтай»); импортозамещение; сокращение расходов при одновременном увеличении производительности и качества производства работ.

Ожидаемый экономический эффект от внедрения и реализации результатов исследований составляет 0,83 млн. руб. на одну машину в год, что доказывает правильность разработанных научных положений и выводов диссертационной работы.

СПИСОК РАБОТ, В КОТОРЫХ ОПУБЛИКОВАНЫ ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ

В изданиях из перечня ВАК:

1. Кравченко И.Н. Применение навесного оборудования для уплотнения грунтов и искусственных насыпей транспортных магистралей / И.Н. Кравченко, В.В. Мирзоев, С.И. Саляев, Р.В. Михаилов, // Научно-технический и производственный журнал: Механизация строительства. -2012. - №8. - С. 2-10.

2. Кравченко И.Н. Разработка навесного сменного оборудования для уплотнения грунтов обратных засыпок в стеснённых условиях / И.Н. Кравченко, В В. Мирзоев, С.И. Саляев, Н.И. Саляев // Научно-технический и производственный журнал: Механизация строительства. - 2012. -№10. - С. 10-14.

3. Саляев С.И. Методика расчёта параметров и определения рациональных режимов работы адаптивной системы «вибротрамбовка-грунт» / С.И. Саляев, И.Н. Кравченко,

НИ. Саляев, С.Г. Марковчин // Научно-технический и производственный журнал: Механизация строительства. -2012. -№11. -С. 18-25.

4. Кравченко И.Н. Моделирование мобильных строительно-дорожных комплексов методами математического программирования / И.Н. Кравченко, С.И. Саляев, Н И. Саляев // Научно-технический и производственный журнал: Механизация строительства. — 2013. -№2. - С. 19-23.

5. Саляев С.И. Выбор и обоснование параметров навесных (сменных) пневмошин при уплотнении грунтов обратных засыпок / С.И. Саляев // Научно-технический н производственный журнал: Механизация строительства - 2013. - №10. - С. 46-48.

6. Саляев С.И. Технология применения навесного грунтоуплотняющего оборудования при восстановлении и реконструкции объектов дорожной инфраструктуры / С.И. Саляев, И.Н. Кравченко // Научно-технический и производственный журнал: Механизация строительства. -2014.-№6.-С. 6-10.

Монография:

7. Кравченко И.Н. Повышение эффективности навесного сменного оборудования для уплотнения грунтов в стесненных условиях: монография / И.Н. Кравченко, С.Г. Марковчин, В В. Мирзоев, С.И. Саляев. - Москва: Изд-во «Эко-Пресс». - 2012. - 209 с.

В прочих изданиях:

8. Саляев С.И. Физико-математическая модель уплотнения грунтов обратных засыпок / С.И. Саляев // Материалы XXXVII научно-практической конференции «Инновационные материалы, технологии и социально-экономические аспекты развития обороноспособности РФ». - Балашиха: Изд-во ВТУ. - 2012. - С. 29-32.

9. Кравченко И.Н. Физико-математическая модель уплотнения грунтов навесным пневмошинным оборудованием / И.Н. Кравченко, С.И. Саляев, Н И. Саляев // Ма1епа1у VIII т 1?с12упагос1о\\'е) naukowi-praktycznej копГегепс^ «Регзрек1у\у1сгпе оргасоигаша паик^ I 1есЬткатт. - РггетуЛ: Ыаикд 1 зШс^а. - 2012. - С. 12-21.

10. Кравченко И.Н. Методика эффективности применения навесного сменного грунтоуплотняющего оборудования в стеснённых условиях / И.Н. Кравченко, С.И. Саляев, Н.И. Саляев// Современные наукоемкие технологии. -2013. -№5. - С. 70-75.

11. Патент №123786, Российская Федерация, МПК Е01С 19/27. Навесное уплотняющее оборудование / И.Н. Кравченко, С.И. Саляев, В.П. Тростин [и др.]; заявитель и правообладатель Кравченко Игорь Николаевич (1Ш). - № 2012136575/03; заявл. 28.08.2012; опубл. 10.01.2013.-Бюл. № 1.

12. Патент №129513, Российская Федерация, МПК Е01С 19/27. Грунтоуплотняющее оборудование / И.Н. Кравченко, С.И. Саляев, НИ. Саляев [и др.]; заявитель и правообладатель Федеральное государственное бюджетное военное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Военно-технический университет» Министерства обороны Российской Федерации (ИЩ - № 2013105635/03; заявл. 11.02.2013; опубл. 27.06.2013. - Бюл. № 18.

13. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2012618151. Расчётная программа по оценке параметров и режимов работы навесного грунтоуплотняющего оборудования (РП «Оценка ПРР НГО 1.0») / В В. Мирзоев, И.Н. Кравченко, С.И. Саляев [и др.]; заявитель и правообладатель В В. Мирзоев (1Ш). -№2012616177; заявл. 20.07.2012; опубл. 10.09.2012.

Подписано в печать 21.01.2015 г. Формат 60*84/16. Усл. печ. л. 1.0. Заказ № 025. Тираж 100 экз. ФГБВОУ ВО «ВТУ» МО РФ, 143900, Московская облзсть, г. Балашиха, ул. Карбышева, д. 8.