автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.04, диссертация на тему:Обоснование параметров напорного и ударного механизмов с объемным гидравлическим приводом машины для образования скважин в грунтах

На правах рукописи

005011

Горин Андрей Владимирович

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ НАПОРНОГО И УДАРНОГО МЕХАНИЗМОВ С ОБЪЕМНЫМ ГИДРАВЛИЧЕСКИМ ПРИВОДОМ МАШИНЫ ДЛЯ ОБРАЗОВАНИЯ СКВАЖИН В ГРУНТАХ

05.05.04 - Дорожные, строительные и подъемно-транспортные машины

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

:.]др ш

Орел - 2012

005011353

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Государственный университет - учебно-научно-производственный комплекс» (ФГБОУ ВПО «Госуниверситет - УНПК», г. Орел).

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Ешуткин Дмитрий Никитович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Кобзев Анатолий Петрович

кандидат технических наук, доцент Паничкин Антон Валерьевич

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Тульский государственный

университет»

Защита состоится «30» марта 2012 года в 14 — часов на заседании диссертационного совета ДМ.212.182.07 при федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Государственный университет - учебно-научно-производственный комплекс» по адресу: 302030, г. Орел, ул. Московская, д. 77, ауд. 426. (зал защит диссертаций).

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ФГБОУ ВПО «Госуниверситет - УНПК» по адресу: 302020, г. Орел, Наугорское шоссе, д.29.

Отзывы на автореферат направлять в диссертационным совет по адресу: 302020, г. Орел, ул. Наугорское шоссе, д.29.

Автореферат разослан 15 февраля 2012 г. Объявление о защите диссертации и автореферат диссертации 15 февраля 2012 г. Размещены иа официальном сайте ФГБОУ ВПО «Госуниверситет - УНПК»: www.gu-unpk.ni и направлены для размещения в сети Интернет Министерством образования и науки Российской Федерации по адресу: référât vak@mon.gov.ri

Ученый секретарь диссертационного совета

Севостьянов A.JI.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время наблюдается устойчивая тенденция увеличения объемов городского и промышленного строительства, реконструкции сложившейся части городов и промышленных предприятий. Эта тенденция сохранится на ближайшую и длительную перспективу. Неотъемлемым процессом этой перспективе является сооружение новых подземных инженерных коммуникаций различного назначения: канализаций, водопроводов, электрических и тепловых сетей, газопроводов и др. Строительство подземных трубопроводов открытым (траншейным) способом в условиях города сопряжено с определенными трудностями: необходимостью разборки, а затем восстановлением дорожных покрытий; нарушением движения транспорта; загрязнением окружающей среды.

Многих из перечисленных недостатков лишен закрытый (бестраншейный) способ строительства, включающий как сооружение трубопроводов под дорогами, так и строительство протяженных подземных коллекторов для инженерных коммуникаций. Проведенный анализ опубликованных работ по теме исследования показал, что только в условиях города 70 % подземных трубопроводов имеет диаметр до 300 мм.

В настоящее время известны различные машины для бестраншейного строительства коммуникаций, их эффективность во многом зависит от правильности выбора их схем, разработки конструкций и расчета параметров. Однако научно обоснованные методы оценки выбора этих параметров до настоящего времени в завершённом виде отсутствуют и нуждаются в определенной корректировке и доработке. Поэтому обоснование и выбор наиболее эффективных параметров машин, использующих современные гидравлические напорные механизмы с большими усилиями (1500 кН и более) в совокупности с ударными и вибрационными воздействиями на забой с возможностью их регулирования в автоматическом режиме, представляет собой актуальную проблему для бестраншейной прокладки скважин в грунте.

Настоящая работа выполнена в рамках федеральной целевой программы «Исследование нестационарных движений устойчивости сложных элетро-гидропневмомеханических систем с внешними воздействиями в виде случайных процессов». Этап: «Исследование процессов преобразования энергии в сложных электрогидропневматических системах с неголономными связями» № Гос. контракта 0120.0 504939, 2005-2006 г.

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

Задачи исследования:

- выполнить анализ существующих способов и средств для бестраншейного образования скважин, а также теорий взаимодействия рабочих органов различной формы с грунтом;

- проанализировать существующие механические модели грунтов, выбрать и скорректировать модель наиболее соответствующую изучаемому процессу;

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

- провести экспериментальные исследования процесса образования скважин комбинированным рабочим органом машины и определить рациональные режимные параметры процесса образования скважин;

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

Объектом исследовании является рабочий орган машины для бестраншейного образования скважин в грунте.

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

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

Научная новизна работы:

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

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

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

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

Практическая значимость работы состоит:

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

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

- в разработке методики инженерного расчета параметров рабочего органа машины с объемным гидравлическим приводом для бестраншейного образован™ скважин в грунтах;

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

Реализация работы:

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

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

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

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

- результаты диссертационного исследования используются в учебном процессе ФГБОУ ВПО «Госуниверситет - УНГТК» при чтении лекций, проведении практических и лабораторных занятий по дисциплинам «Теоретическая механика», «Машины ударного действия».

На защиту выносятся:

- математическая модель взаимодействия с грунтом рабочего органа состоящего из напорного и ударного механизмов с единым объемным гидравлическим приводом;

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

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

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

Публикации. По теме диссертации опубликовано 23 научные работы в сборниках научно-технических и научно-практических конференций, из них 6 статей опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, получено 2 патента на изобретение.

Отдельные этапы работы выполнялись в рамках НИР УИЛ «Импульсные технологии» ФГБОУ ВПО «Госуниверситет - УНПК».

Автор выражает признательность за критические замечания по содержанию работы сотрудникам кафедр «Подъемно-транспортные, строительные и дорожные машины» и «Теоретическая и прикладная механика» ФГБОУ ВПО «Госунивграпег-УНПК».

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

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении содержится обоснование актуальности темы, описаны объект и предмет исследования, сформулированы цели и задачи, показаны научная новизна и практическая ценность работы, приведены сведения об апробации полученных результатов и структуре диссертации.

В первой главе проведен анализ способов и устройств бестраншейного строительства трубопроводов, который показал (рис. 1), что наибольшей эффективностью при проведении скважин диаметром до 300 мм обладают машины и устройства сочетающие воздействия на забой статических напорных усилий и ударов (импульсов).

ьВт 1 Ь.

■ Г л 4/У

о/ 1 / / 8

!М»

§f

Условные обозначения: — Статическое продавлшанне ф— Бурение у — Ударный способ ■ — ВнброударныЛ способ • — Статический прокол

Рис. 1. Энергоемкость и производительность проходки скважин в грунтах различными способами.

Вопросам теоретических исследований бестраншейного строительства горизонтальных трубопроводов посвящены работы Н.В. Васильева, Г.Е. Лаврова, А.Н.Зеленина, A.C. Вазетдинова, М.М. Александрова, O.A. Савинова, А.Я. Лускина, В.И. Минаева, Н.Я. Кершенбаума, В.А. Бренера, А.Е.Пушкарева, А.Б. Жабина, Д.Н. Ешуткина, Л.С.Ушакова, А.П. Кобзева, Л.И.Кантовича, Д.А. Юнгместера, А.Г. Лазуткина, А.Р. Матиса, Н.М. Суслова, В.К. Манжосо-ва. Анализ работ в области теоретических исследований прокладки трубопроводов показал, что основные результаты выражены в виде эмпирических или полуэмпирических зависимостей, которые не позволяют учесть упруго-пластично-вязкие свойства грунтов из-за сложности расчетных моделей.

Существующие сведения по комбинированному методу бестраншейной прокладки скважин позволяют характеризовать его значительно меньшей энергоемкостью процесса, в основном за счет существенного увеличения скорости проходки.

На основе проведенного анализа существующих способов и работ в области бестраншейного строительства горизонтальных трубопроводов были сформулированы задачи исследования, которые необходимо решить для достижения поставленной цели.

Во второй главе представлены разработанные динамическая и математическая модели взаимодействия рабочего органа, включающего в себя напорный и ударный механизмы с грунтом, учитывающие механические свойства грунта, жесткости элементов гидропередачи и привода.

Динамическая теория любой технологической машины, предназначенной для преобразования материалов, построена на знании механической модели объекта воздействия, с которой взаимодействует рабочий орган этой машины. Внешней средой, с которой взаимодействует исследуемая комбинированная машина, является грунт. Описание физико-механических свойств грунта производится на основе реологических моделей. Исследование механических свойств грунтов показывает, что существует общность законов, описывающих механическое поведение различных грунтов. Обычно выделяют несколько простых видов механического поведения, комбинируя которые, можно приближённо описать более сложные механические свойства реальных грунтов.

Наиболее близкой, описывающей реологические свойства грунта в нашем случае является модель Максвелла (рис. 2). Последовательное соединение элементов согласно третьему закону Ньютона означает, что на обе составные части модели действуют одинаковые силы (напряжения сдвига), а деформации упругого и вязкого элементов складываются.

В результате изучения и анализа работ предшественников, собственных исследований и наших представлений о процессах, происходящих при проколе и продавливании скважины в грунтах с применение ударов и вибраций, сделан вывод о

Рис. 2. Реологическая модель грунта Максвелла.

Яс

£

О Хм Хм

а1

целесообразности использования модели Максвелла в измененном (модернизированном) представлении, а именно:

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

- при достижении определенной (максимальной силы) грунт становится более плотным и его (с приближением) можно считать упругим, в этот момент времени к действующей статической силе добавляется действие ударного импульса (рис. 3).

Структурная схема комбинированного рабочего органа машины (рис. 4) состоит из совмещенного объемного гидравлического привода, который включает, напорный гидроцилиндр (НГ)\ гидроударник (ГУ); реле давления (РД)\

Хм Хм

б!

Рис. 3. Диаграммы: а - сил сопротивления грунта; б - ударных импульсов.

распределители (Р1, Р2)\ гидроаккумулятор (ЛЯ); насос (Я); маслобак (М).

При составлении математической модели принимаем, что привод машины осуществляется от объёмного гидравлического насоса, который подаёт рабочую жидкость в напорную магистраль с постоянной производительностью, процесс течения считаем изотермическим. При этом динамическая модель системы «машина - грунт» сводится к од-номассовой системе с приведенными жесткостью и массой машины и приведенной жесткостью грунта, пренебрегаем фазой удара так, как она в 100 и более раз меньше других фаз.

В динамической модели (рис.5) приняты следующие обозначения: реакция грунта (Кс); приведенная масса рабочего органа и грунта (М); приведенная жесткость машины (С); ударный импульс (Й«); приведенная к гидроцилиндру скорость жидкости (Ув). Дифференциальное уравнение движения рабочего органа запишем в виде соотношения (1).

№ = (Уас-Х)С-Ка-С1Х (1)

Упругие свойства гидропередачи характеризуются её приведённой к напорному гидроцилиндру жёсткостью С (рис. 4),

11111 -+-+-+-, (2)

С С С к '

^ил

Рис. 4 Структурная схема комбинированного привода рабочего органа машины.

м ®Уй

Уо<,

о'

Рис. 5 Динамическая модель рабочего органа.

--•о-

X

-т ^НА Чй" НГ

где Ст - жёсткость упругих трубопроводов; СНА - жёсткость гидроаккумулятора напорной магистрали; Сж- жёсткость жидкости; Снг- жёсткость напорного гидроцилиндра.

Масса рабочего органа т включает в себя массу трубы, напорного гидроцилиндра, ударного механизма и инструмента. Участвующая в движении совместно с инструментом масса грунта учитывается с помощью коэффициента:

тгр

Мг=—> (3)

тогда суммарная масса рабочего органа и грунта будет равна:

М = т+тгр = т{ 1+Цгг). (4)

Упрощённый вид диаграммы сил сопротивления грунта представлен на

рис. 3, а. Принимаем, что сила сопротивления Яс изменяется по закону:

Яг = Ко +С,Х, (5)

где С; - жёсткость грунта; /?0 - начальная величина силы сопротивления.

Ударные импульсы величиной (2УД передаются на инструмент периодически в момент времени когда сила сопротивления достигает максимальной величины Ят (рис. 3, б), при этом рабочий орган получает мгновенно в направлении движения скорость Ууд.

Математическая модель данного режима движения машины имеет вид:

(Кд~С0У0)

sin kt

X = C0V0+(УуД+СвУ„) cos kt

R = R„ +С

W-c„)+

(Ууд QMi)

(6)

sin kt

Одним из главных преимуществ данной модели является возможность теоретического определения в любой момент времени не только скорости и перемещения инструмента, но и усилия, действующие на забой.

Производительность машины (скорость проходки скважины) при таком режиме работы:

__2л-У„2(1-С)2

2*V0(l-q,) + >/Vw(V W-2QV0)' (7)

Вычислительный эксперимент для оценки влияния рабочих и геометрических параметров гидропривода комбинированной машины проведён с использованием программы, разработанной в среде инженерных приложений MatLab и Excel. В качестве исходных параметров приняты: С0=0,1...1 - соотношение жесткостей; предударная скорость Ууд-5...10 м/с, производительность насоса Qo=50... 160 л/мин; диаметр D, площадь поршневой полости SP, а также приведенная скорость жидкости V0.

| Ki7 = CPnsf | a-t ■

: ' feOS

//V' "* : м-

//vr ' ' M.i

Ч-.Н/Ч . j V& tensi

--------

s

•

—-—

5 * 7 3 9

Рис.7. Зависимость скорости проходки \?пг от скорости удара Ууд.

С5 о.б о.? ое о.9 т с: Рис.8. Зависимость скорости проходки Упр от жесткости системы Со.

о < а в «.«л Рис. б. Зависимость скорости проходки Упр от приведенной скорости жидкости V».

Для инженерных приложений использовалось выражение (7). Обобщив результаты расчетов, получены зависимости, показывающие влияние геометрических и рабочих параметров рабочего органа машины на скорость проходки, представленные на рисунках 6-8. Анализ полученных в ходе вычислительного эксперимента зависимостей показывает, что полученные зависимости существенно не линейны, не имеют экстремумов. Наиболее рациональные параметры находятся в пределах: Сп=0,6...0,8\ Ууд=6...8м/с; Уо=5...9м/с.

Наибольший интерес представляет режим движения машины, при кото-

ром сила, создаваемая напорным механизмом, не превышает максимального, наперёд заданного значения Д„„ т.е. Л0<Я<Я,„. Соответственно:

Л,„=Л0 + (8)

Графические зависимости отношения перемещения рабочего органа Х/Х0 от соотношения жесткостей С0 и сил р0 приведен на рисунке 9.

Зависимости существенно нелинейные. Так, увеличение С0 от 0,1 до 0,3, т.е. в 3 раза, при р0 равном соответственно 0,1; 0,6; 0,8; и 0,9 приводит к росту перемещения Х]/Х0 от 0,12 до 0,48 т.е. в 4 раза. Однако, такое же увеличение С0 от 0,3 до 0,9 (тоже в 3 раза) приводит к возрастанию перемещения от 0,48 до 10, т.е. уже в 20,8 раза, что увеличивает скорость проходки скважины.

Основными геометрическими параметрами корпуса наконечника прокладываемой трубы, характеризующими эффективность проведения скважин, являются: диаметр, угол заострения и длина боковой цилиндрической части. Если диаметр й -технологический показатель и задан для каждой модификации машины, то два оставшихся параметра подлежат вычислению (рис.10).

/

> - •• _1- ----- --------

»■« С„

Рис. 9. Зависимости перемещения рабочего органа (за один цикл) Хх/Х0

от соотношения жёсткостей Со;

1-И соответственно при ро=0,1; 0,6;0,8;0,9.

Рис.10. Расчётная схема к определению угла заострения инструмента: а - эпюры сил; 6 - схема сил; Ри, Р„ - сила нормальной реакции грунта на конусную и цилиндрическую части наконечника; Рл - сила лобового сопротивления; Рт - касательная сила. Принимаем закон распределения давления грунта на конус равный квадратичной зависимости равной:

У =

^42/-з/-

х)х.

Закон распределения силы на поверхности конуса имеет вид:

(9)

Найдем значение среднего нормального давления:

Суммарное нормальное усилие, действующее на поверхность конуса, получим из выражения:

Л=АЛ, (12)

где 5п - площадь поверхности конуса.

Подставив в формулу (12) значение площади, найдём:

Р =_>м£__ПТ1

" г*т<*/2со*<у2 (13)

где <1 - диаметр корпуса наконечника.

Определим силы лобового сопротивления Рл силы трения Рт, действующие на поверхность конуса:

PnXd1 .

(14)

Р P»nlf

где/- коэффициент трения стального конуса о грунт.

Суммарная сила сопротивления внедрению инструмента:

a PH7id1, 1 / ,

РС=Р„ + РТ cos—= -2-(-7+ ,). П6)

С Л Г 2 8 cos sin^/

Исходя из минимальной силы сопротивления, приравняем частную производную по углу к нулю^1 = 0, откуда sin1 (—)- f cos}(—) = 0-да 2 J 2

Тогда оптимальный угол заострения

a = 2arctglfj. (17)

Анализ полученного выражения показывает, что при коэффициентах трения, соответствующих грунтам г.Орла и Орловской области /=0,2-Ю,5 оптимальный угол заострения лежит в пределах а=55ч-75°.

Длина боковой цилиндрической поверхности инструмента определяется из условия компенсации реакции отдачи ударного механизма силами трения о стенки скважины. Это условие может быть записано в виде,

R2 < KdLp0f. (18)

Тогда минимально возможная длина корпуса наконечника: R2

1 = 1ГГ7- (19)

vdPof

Для получения значения нормального давления на корпус Р0 вырежем из уплотнённого пространства элементарный слой в виде кольца с наружным р и внутренним г радиусами и толщиной Ah, расположенный на глубине Н от дневного поверхностного слоя (рис.11).

Рис. 11. Расчётная схема к определению напряжения на боковой поверхности корпуса: а - главный вид; 6 - эпюры сил в поперечном сечении.

При этом должны быть соблюдены следующие условия:

- напряжения на вырезанное кольцо снаружи равны боковым напряжениям окружающего грунта <тГР на заданной глубине Я;

- нормальные напряжения на цилиндрической поверхности корпуса равны давлению на внутреннюю поверхность кольца радиусом г;

- напряжения по поверхностям отсечённого слоя АН определяются действием отделенной части грунтового массива.

Из рис.11 следует, что напряжения по диаметральному сечению кольца распределяются по линейному закону от боковых напряжений у наружного контура игр до значения нормальных напряжений у поверхности скважины р0. Предполагая, что выделенный объём грунтового массива находится в равновесии, составим для него условия равновесия в проекциях на ось у:

Я л

2 а 2

\рг,г<м$ср<1<р + (р-г)-!^-^оГРрсо!><р<1<р = Ъ. (20)

о 2 0

После интегрирования полученного уравнения имеем:

р0г + (р-г)^-огрр=0. (21)

Последнее равенство определяет значение нормальных напряжений: р + г

Ро = <*гг . (22)

2 г

Выражение (22) позволяет сделать вывод о том, что нормальные напряжения на боковой поверхности корпуса пропорциональны боковым напряжениям в грунте и диаметру проходимой скважины.

Также общеизвестно, что боковые напряжения в грунте возрастают пропорционально глубине (принимая во внимание, что на рассматриваемых глубинах плотность грунта существенно не меняется), т.е.

СГГР=уГРН, (23)

где угр - истинная плотность грунта.

Таким образом, при проходке скважины в однородном грунтовом массиве

имеем:

Р + г

= (24)

Многими исследованиями теоретически обосновано и практически дока-

зано, что радиус зоны деформации грунта в радиальном направлении достигает шести диаметров проходимой скважины. Принимая во внимание, это обстоятельство и используя формулу (24), можно заключить, что при неизменной глубине залегания скважины напряжения на конической поверхности наконечника превосходят боковые в 6,5 раз.

Полученные зависимости позволяют определить минимально допустимую длину корпуса наконечника:

2К,

£ =-=-• (25)

я/ГпЩг + р)

Следует заметить, что основные теоретические предпосылки выведены с достаточными допущениями и использованы для создания опытных образцов комбинированного рабочего органа машины для бестраншейного строительства трубопроводов, при дальнейшей опытной апробации которых уточняются основные поправочные коэффициенты.

В третьей главе приведены план и методика проведения экспериментальных исследований, определены параметры, изменяемые и контролируемые в ходе эксперимента, представлен экспериментальный испытательный стенд, испытательная установка и сравнительный анализ полученных результатов. Экспериментальные исследования осуществлялись в два этапа: проведение исследований на экспериментальном полноразмерном стенде: выполнение натурных испытаний в производственных условиях.

Рис. 12. Испытательный стенд: I - стенд; 2 - гидростанция КПГ-1421; 3- контрольно-измерительная аппаратура.

Экспериментальный стенд (рис.12) состоит из механической 1, силовой 2 и контрольно-измерительной системы 3.

Рис.13. Схема экспериментального стенда и подключения контрольно-регистрирующей аппаратуры.

Механическая часть имеет гидравлический импульсный привод со свободным сливом 1, установленный на передвижную платформу 4 (рис.13), которая перемещается по станине 3 силовым цилиндром 2, упирающимся в опорную стенку 6. Нагрузки, создаваемые импульсным приводом и силовым гидроцилиндром, воспринимаются демпфером 5. Силовая система стенда представляет собой гидравлическую насосную станцию КПГ 1421, специально спроектированную для данного испытательного стенда. Она состоит из двух насосов. Первый соединен с импульсным приводом, второй питает силовой гидроцилиндр. Контрольно-измерительная система состоит из ряда датчиков, регистрирующих заданные параметры. Сигналы от датчиков принимает усилитель УТ-4 (7), передает на шлейфовый осциллограф Н117/1 (8),питающийся от блока питания 9, или на преобразователь 10 и ЭВМ.

Эксперименты по исследованию комбинированной машины проводились на стенде экспериментальной площадки кафедры «ПТСиДМ» ФГБОУ ВПО «Госуниверситет - УНГЖ» на полномасштабных образцах основного и вспомогательного оборудования

Натурные испытания в производственных условиях выполнялись на полигоне ОАО «Строймонтаж» (город Орел). Проходка осуществлялась трубами 80, 160, 230 и 320 мм с помощью статико-динамической машины СДМ-1500 (рис.14). Длина проходки составляла от 15 до 28 м на глубине от дневной поверхности 1.5-1-2 метра.

Испытания носили сравнительный характер, т.е. при всех прочих равных

А'.кВтч м

условиях (свойства грунта, диаметр трубы, глубина прокладки и т.д.) определялись осевые усилия при статической проходке и ударных воздействиях на трубу.

На первом этапе изучалось влияние режимных параметров на усилие проходки скважины и производительность прокладки скважин.

Зависимость энергоёмкости проходки Нд при динамическом приложении нагрузки от энергии единичного удара А (рис. 15) показывает, что статическое усилие Рст имеет ярко выраженный экстремум, который соответствует оптимальной энергии удара А. Так, при Рст=800 кН оптимальная энергия единичного удара А=860 Дж, при Рст^бОО, 400 и 200 кН соответственно А=670, 600 и 400 Дж. При этом минимальное значение энергоёмкости соответствует режиму при Рст=600 кН, А=670 Дж и имеет величину 1,3 кВт ч/м3.

да 41 >0 ыи'| 800 -], Дж Рис. 15. Зависимости энергоёмкости проходки Нд от энергии единичного удара А машины; 1 - 4 - соответственно при Лт = 800,600,400,200 кН.

Рис. 14. Статико-динамическая машина СДМ-1500 в производственных условиях.

На втором этапе проводилось сопоставление и анализ результатов исследований. Сравнение теоретических и экспериментальных данных проводилось на основе результатов полученных для двух видов нагрузки: 1) статическая; 2) комбинированная. Результатами сравнения является график изменения производительности проходки (рис. 16).

а 1 7 3 4 5 6

КР

Рис.1б. Производительности проходки скважины диаметром 80мм.

Производительность проведения скважин в значительной степени зависит от сочетания геометрических и рабочих параметров машины. При построении графика на рисунке 16 использовался следующий безразмерный параметр-коэффициент силового воздействия: ^ Р 5

= ■ (26) Рх

где: ЕРрр - суммарное давление лобовой и боковой поверхностей забоя; ^ -суммарная площадь поверхности прокладываемого элемента; суммарная сила напорного и ударного механизма.

Сравнительный анализ теоретических и экспериментальных данных показал удовлетворительные результаты. Расхождение составляет 13-Т-16 процентов.

В четвертой главе разработана методика инженерного расчета конструктивных и режимных параметров напорного и ударного механизмов, а также характеристик объемного гидропривода машины для бестраншейного образования скважин в грунтах.

Исходными параметрами для расчета являются: диаметр скважины Д длина проходки требуемая производительность (скорость проходки) УПР, физико-механические свойства грунта.

В методике расчета на основании известных и полученных в диссертации результатов в качестве искомых параметров определяются: параметры напорного и ударного механизмов, параметры органа управления, технические характеристики гидропривода машины, технико-экономические показатели комбинированной машины.

Основные результаты и выводы

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

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

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

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

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

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

5. Проведенные экспериментальные исследования подтвердили эффективность комбинированного способа образования горизонтальных скважин рабочим органом машины с объемным гидравлическим приводом. Сравнительный анализ теоретических и экспериментальных данных показал удовлетворительные результаты. Расхождение составляет 13-М 6 процентов. Экспериментально установлено, что производительность комбинированного рабочего органа машины зависит от соотношения параметров (жесткости гидропередачи и грунта, скорости удара). Экспериментально определены рациональные значения диапазона соотношения параметров, при этом минимальное значение энергоёмкости 1,ЗкВт/мЗ соответствует режиму при ГС7=600кН, А=670Дж.

6. Разработана методика инженерного расчета рациональных конструктивных и режимных параметров рабочего органа комбинированной машины для образования скважин, которая обеспечивает переход от модели к натурному образцу. При этом рабочие параметры имеют следующие значения: давление в напорной магистрали Р=10~20 МПа, скорость бойка У=5-т10 м/с, приведенная жесткость гибких трубопроводов С0=0,б-±0,8.

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

Основное содержание диссертации изложено в следующих работах: Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК России:

1. Горин, A.B. Математическая модель импульсного гидропневматического привода агрегата бестраншейного строительства инженерных коммуникаций [Текст] / A.B. Горин // Известия ОрелГТУ. Научный журнал. Серия «Естественные науки». - Орел: ОрелГТУ - 2004. - № 5-6 - С. 58-61.

2. Горин, A.B. Устройство для строительства трубопроводов на основе гидропневмопривода [Текст] / Л.С.Ушаков, A.B. Горин II Информационно-технический журнал «Гидравлика и пневматика» - СПб.:Изд-во «ГиП» СПб. -2007. - № 28-29. - С.28.

3. Горин, A.B. Моделирование привода статико-динамической машины для бестраншейного строительства трубопроводов [Текст] / Д.Н. Ешуткин, A.B. Журавлева, A.B. Горин // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. - Орел: Изд-во ФГОУ ВПО «Госуниверситет - УНПК» -20И.-№3 (287).-С. 20-26.

4. Горин, A.B. Методика инженерного расчета статико-динамической машины для бестраншейного строительства трубопроводов [Текст] / Д.Н. Ешуткин, А.В.Горин // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. - Орел: Изд-во ФГОУ ВПО «Госуниверситет - УНПК» - 2011. - № 2/2 (286). - С. 104-109.

5. Горин, A.B. Структурный анализ и синтез статико-динамических машин для бестраншейного строительства трубопроводов на основе гидравлического импульсного следящего привода [Текст] / A.B. Горин, Д.Н. Ешуткин // Мир транспорта и технологических машин. - Орел: Изд-во ФГОУ ВПО «Госуниверситет - УНПК» - 2011. - № 2 (33). - С. 101-105.

6. Горин, A.B. Определение геометрических параметров корпуса наконечника статико-динамических машин для бестраншейного строительства трубопроводов на основе гидравлического импульсного следящего привода [Текст] / Д.Н. Ешуткин, Ю.Е. Котылев, A.B. Горин // Мир транспорта и технологических машин. - Орел: Изд-во ФГОУ ВПО «Госуниверситет - УНПК» -2011.-№3(33).-С. 43-47.

Работы, опубликованные в международных сборниках:

7. Горин, A.B. Новое в технологии бестраншейной прокладки инженерных коммуникаций [Текст] / A.B. Горин, Л.С. Ушаков II Материалы международного научного симпозиума. Механизмы и машины ударного, периодического и вибрационного действия. - Орел: ОрелГТУ, 2000. - С. 94-97.

8. Горин, A.B. Математическая модель рабочего хода импульсного гидропневматического привода [Текст] / Л.С.Ушаков, A.B. Горин, Д.А. Юрьев II Материалы международного научного симпозиума. Механизмы и машины ударного, периодического и вибрационного действия.-Орел: ОрелГТУ, 2000. -С. 118-123.

9. Горин, A.B. Исследование импульсного гидропневматического привода агрегата бестраншейной прокладки трубопроводов [Текст] / Л.С. Ушаков, Ю.Е. Котылев, A.B. Горин // Интерстроймех - 2001: Труды международной

научно-технической конференции, 27-29 июля 2001 года. СПб.: Изд-во СПбГТУ, 2001. - С. 380 - 382.

10. Горин, A.B. Анализ движения бойка гидроударного устройства с клапанным распределителем в период подготовки рабочего хода [Текст] / Л.С. Ушаков, С.Н. Семенюк, A.B. Горин // Проблемы создания экологически рациональных и ресурсосберегающих технологий добычи полезных ископаемых и переработки отходов горного производства: 2-я Международная конференция по проблемам рационального природопользования. - Тула: ТулГУ, 2002.-С. 441 -442.

11. Горин, A.B. Математическая обработка данных эксперимента при исследованиях импульсного гидропневматического привода [Текст] / A.B. Горин, Д.А. Юрьев II Материалы II международного научного симпозиума. Механизмы и машины ударного, периодического и вибрационного действия.-Орел: ОрелГТУ, 2003.-С. 124-127.

12. Горин, A.B. Влияние смазочного материала на работу импульсного гидропневматического привода [Текст]/ A.B. Горин, Л.С. Ушаков, A.B. Горин // Гидродинамическая теория смазки-120 лет: Труды Международного научного симпозиума. В 2-х томах. Т.2. -М.:Машиностроение-1, Орел: ОрелГТУ, 2006. -С. 122-124.

13. Горин, A.B. Анализ работы гидропневматического привода при изменениях параметров рабочей жидкости [Текст]/ A.B. Горин, Л.С. Ушаков, A.B. Горин // Ударно-вибрационные системы, машины и технологии. Материалы III международного научного симпозиума - Орел: ОрелГТУ, 2006. - С89-92.

14. Горин, A.B. Устройство для строительства трубопроводов на основе гидропневмопривода [Текст] / A.B. Горин // Ударно-вибрационные системы, машины и технологии. Материалы III международного научного симпозиума -Орел: ОрелГТУ, 2006. - С. 160-162.

15. Горин, A.B. Моделирование работы импульсного гидропневматического привода агрегата для бестраншейного строительства трубопроводов [Текст] / A.B. Горин // Актуальные проблемы динамики и прочности материалов и конструкций: модели, методы, решения. Материалы международной научно-технической конференции (1-3 июня 2007г., г. Самара). - Орел: ОрелГТУ, 2007.-С. 119-122.

16. Горин, A.B. Исследования комбинированной машины со следящим гидроприводом для бестраншейного строительства трубопроводов [Текст]/ A.B. Горин // Ударно-вибрационные системы, машины и технологии. Материалы IV международного научного симпозиума - Орел: ОрелГТУ, 2010. -С. 113-117.

Работы, опубликованные в региональных сборниках:

17. Горин, A.B. Экспериментальные исследования импульсного гидропневматического привода агрегата для бестраншейной прокладки инженерных коммуникаций [Текст] / Л.С. Ушаков, A.B. Горин, С.Н. Семенюк // Вибрационные машины и технологии: Сб. науч. тр. / Курск, гос. техн. ун-т; Курск, гума-нит.-техн. ин-т. Курск, 2001. - С. 58-61.

18. Горин, A.B. Методика расчета силовых и конструктивных параметров импульсного гидропневматического привода агрегата для бестраншейного строительства трубопроводов [Текст] / A.B. Горин // Вклад ученых вузов в научно-технический прогресс на железнодорожном транспорте: Тезисы докла-

20

дов межвузовской научно-практической конференции.-Самара: СамГАПС 2003. - С. 95-96.

19. Горин, A.B. Экспериментальный стенд для определения жесткости магистральных трубопроводов гидравлических машин ударного действия [Текст] / Ю.Е. Котылев, Д.Н. Ешуткин, A.B. Горин // ИНЖИНИРИНГ - 2009: сб. трудов региональной научно-практической конференции. - Орел: «Издательский дом «Орловская литература и книгоиздательство» и К»,2009.-С. 83-85.

20. Горин, A.B. Структурообразование статико-динамических машин для бестраншейного строительства трубопроводов на основе гидравлического импульсного следящего привода [Текст] / Д.Н. Ешуткин, A.B. Журавлева, A.B. Горин // Мехатроника, робототехника: Современное состояние и тенденции развития:сб. науч.ст. Всерос.науч. школы для молодежи / Юго-Зап. Гос. ун-т. Курск, 2011. - С. 202 - 207.

21. Горин, A.B. Жёсткость элементов напорной магистрали гидравлических машин ударного действия [Текст] / Д.Н. Ешуткин, А.В.Журавлёва, А.И. Абдурашитов, A.B. Горин // Вестник ТулГУ. Серия «Актуальные вопросы механики». Вып.7. Тула: Изд-во ТулГУ,2011. - С. 58-63.

Патенты:

22. Устройство ударного действия для образований скважин в грунте: пат. 2134746 Рос. Федерация: МПК 6 Е 02 F 5/18 / Горин A.B., Ушаков Л.С., Синь-ко А.Н., Котылев Ю.Е.; заявитель и патентообладатель Орловский гос. технич. ун-т. -№96115881; заяв. 31.07.96; опубл. 20.08.99, Бюл. №23.- Зс.: ил.

23. Устройство ударного действия для образований скважин в грунте: пат. 2176716 Рос. Федерация: МПК 7 Е 21 В 4/14, Е 02 F 5/18 / Горин A.B., Ушаков Л.С., Котылев Ю.Е., Ушаков А.И.; заявитель и патентообладатель Орловский гос. технич. ун-т. - №2000116968/03; заяв. 26.06.00; опубл. 10.12.01, Бюл. №34. -Зс.: ил.

Подписано в печать 06 февраля 2012 г. Формат 60x84 1/20. Бумага офсетная. Печ. л. 1,0 Тираж 100 экз. Заказ № 1920

Отпечатано на полиграфической базе ФГБОУ ВПО «Госуниверситет - УНПК» Адрес: 302020, г. Орел, Наугорское шоссе, 29

61 12-5/1947

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ УЧЕБНО-НАУЧНО-ПРОИЗВОДСТВЕННЫЙ КОМПЛЕКС

На правах рукописи

Горин Андрей Владимирович

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ НАПОРНОГО И УДАРНОГО МЕХАНИЗМОВ С ОБЪЕМНЫМ ГИДРАВЛИЧЕСКИМ ПРИВОДОМ МАШИНЫ ДЛЯ ОБРАЗОВАНИЯ СКВАЖИН В ГРУНТАХ

05.05.04 - Дорожные, строительные и подъемно-транспортные машины

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук профессор Ешуткин Д.Н.

Орел-2012

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

Введение 4

1. Состояние вопроса бестраншейной прокладки трубопроводов 1.1. Краткий обзор механических способов для бестраншейной прокладки трубопроводов 11

1.2 Анализ существующих теоретических исследований бестраншейного строительства горизонтальных трубопроводов 20

1.3 Обоснование темы. Цель и задачи исследования 27

оо

Выводы

2.Динамическая и математическая модели комбинированной машины для бестраншейной прокладки трубопроводов

2.1. Выбор механической модели грунта 29

2.2. Динамическая и математическая модели привода машины 47

2.3 .Режимы движения комбинированной машины 58

2.4 Определение геометрических параметров инструмента 61 Выводы

3. Экспериментальные исследования

3.1. Задачи экспериментальных исследований 68

3.2. Исследования на экспериментальном полноразмерном стенде СДА-1500

3.2.1. Конструкция экспериментального

статико-динамического стенда 68

3.2.2. Место и условия проведения испытаний 70

3.2.3. Определяемые показатели 72

3.2.4. Планирование эксперимента 78

3.2.5. Обработка экспериментальных данных 80

3.3. Натурные испытания в производственных условиях

3.3.1. Конструкция испытательного стенда 83

3.3.2. Место и условия проведения испытаний 85

3.3.3. Определяемые показатели

3.3.4. Планирование эксперимента

3.3.5. Обработка экспериментальных данных

3.4. Результаты исследования статико-динамической машины

Выводы

4. Методика инженерного расчёта комбинированной машины

4.1. Общие требования

4.2. Расчёт параметров ударного механизма

4.3. Расчёт параметров органа управления

4.4. Технические характеристики гидропривода комбинированной машины

Выводы Заключение

Список использованных источников Приложения

90

91 94

102

103

104

109

110

117

118 120 131

4

Введение

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

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

зданиями и сооружениями.

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

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

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

Глубина прокладки, м. 2 3 4 5 6 7

Стоимость, % 93 103 136 191 201 236

Таблица 2. - Относительная стоимость сооружения 1 метра трубопроводов

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

Без учета стоимости дорожного покрытия при откосе При булыжном дорожном покрытии При усовершенствованном дорожном покрытии

тыс. руб. % покрыта 1:1,5

473 100 78 90 92 1 72

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

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

продуктопроводов).

Условия городского и промышленного подземного строительства

(плотная застройка, дефицит территории, напряженный цикл движения

городского транспорта и др.) накладывают ряд ограничений на возможность

ведения работ различными методами строительства трубопроводов. Так, в

значительной степени исключается применение методов, в результате

использования которых, могут возникнуть повреждения существующих

зданий и сооружений, а также близлежащих инженерных коммуникаций.

Известный опыт и изучение проблемы позволяют считать, что

перспективными в практике городского строительства подземных

трубопроводов являются комбинированные методы прокола и

продавливания, суть которых состоит в использовании силовых возможностей объёмного гидропривода в сочетании с вибрационным или ударным воздействием, снижающим уровень сил на рабочем инструменте. Этим обусловлена необходимость сосредоточить внимание на бестраншейном строительстве трубопроводов в условиях населённых пунктов, пересечения дорог небольшой протяжённости, но в существенно

осложнённых и ограниченных условиях.

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

увеличилась в среднем на 10-15%.

В настоящее время широкое применение объёмного гидравлического

привода в технологических машинах создало предпосылки для разработки

компактных ударных и вибрационных устройств, приводимых в действие от

привода базовой машины без существенных его изменений.

Отечественный и зарубежный опыт последних десятилетий

подтвердил эффективность использования такого оборудования для

механизации различных технологических процессов.

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

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

1. Выполнить анализ существующих способов и средств для бестраншейного образования скважин, а так же теорий взаимодействия

рабочих органов различной формы с грунтом.

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

процессу.

3. Разработать динамическую и математическую модели взаимодействия рабочего органа с грунтом, учитывающие действия либо одного напорного механизма, либо совместную работу напорного и ударного

механизмов в зависимости от сопротивления грунта.

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

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

образования скважин в грунтах.

Объектом исследования является рабочий орган машины для

бестраншейного образования скважин в грунтах.

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

скважин.

Методы исследования. При решении поставленных задач использовались анализ и обобщение исследований предшественников, математическое моделирование, основанное на динамических моделях рабочего процесса машины. Проверка результатов теоретических

исследований осуществлялась путем проведения стендовых и натурных экспериментов. Обработка полученных данных проведена на основе методов математической статистики. Научная новизна:

- разработана математическая модель рабочего органа машины для бестраншейного образования скважин в грунте отличающаяся тем, что учитывает действие на грунт напорного и ударного механизмов при

совместной работе и по отдельности;

- представлены уравнения для определения скорости образования

скважин в грунте, учитывающие жесткости рабочего органа и грунта;

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

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

результатов.

Практическая значимость работы состоит:

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

- в разработке практических рекомендаций по применению машины для проведения скважин в грунтах, включающей рабочий орган с напорным

и ударным механизмами;

- в разработке методики инженерного расчета параметров рабочего

органа машины с объемным гидравлическим приводом для бестраншейного

образования скважин в грунтах;

- в оригинальности конструкции рабочего органа комбинированной

машины, подтвержденной патентами на изобретение.

Реализация работы:

- разработана методика и создан стенд для экспериментальных исследований режимных параметров комбинированного рабочего органа

машины для образования скважин;

- создана и передана гидравлическая станция КПГ-1421для

дальнейшего использования ИФ «Магма»;

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

- методика расчета переданы ОАО «Строймонтаж» для расчета параметров и режимов работы машины для бестраншейного образования

скважин в грунтах;

- результаты диссертационного исследования используются в

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

- динамическая и математическая модели взаимодействия с грунтом рабочего органа состоящего из напорного и ударного механизмов с единым

объемным гидравлическим приводом;

- соотношения для определения скорости образования скважин в

грунте, учитывающие жесткости рабочего органа и грунта;

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

Апробация работы. Основные положения исследований докладывались на международных, региональных и республиканских научно-технических семинарах, конференциях и симпозиумах: «Передовые технологии на пороге XXI века» международной конференции, Москва, 1998г.; международном научном симпозиуме «Механизмы и машины

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

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

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

университета.

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

1. Состояние вопроса бестраншейной прокладки трубопроводов 1.1. Краткий обзор механических способов бестраншейной прокладки трубопроводов

Известно большое число различных машин и механизмов для бестраншейного строительства трубопроводов. В зависимости от конкретных условий (вид грунта, диаметр трубы, длина переходов и т.д.) применяются различные способы и оборудование для строительства трубопроводов [7, 11, 40, 51, 52, 57, 65, 80]. Наиболее широко применяются: пневмопробойники, горизонтальное бурение, прокол и продавливание. На рис. 1.1 представлены схемы основных механических способов бестраншейного строительства

трубопроводов.

а>

Г777Г,

ь

г)

а

Рис. 1.1. Схемы основных механических способов бестраншейного строительства трубопроводов: - прокол пробойниками; б - горизонтальное бурение; б - прокалывание;

г - продавливание.

Пневмопробойники. Их созданию и применению посвящены исследования научных коллективов института горного дела СО АНСССР, НПО ВНИИСТРОЙДОРМАШ, НИИ "ИМПУЛЬС" АН Кирг ССР, КарПТИ, ХАДИ, СибАДИ и др [27, 37, 64, 68, 106]. Проходка пневмопробойниками (рис. 1.1 а) возможна при небольших диаметрах прокладываемых труб - до 160 мм, а также при прокладке кабелей связи. Применение расширителей позволяет увеличить диаметр скважины до 250-400 мм. Пневмопробойник представляет собой самодвижущуюся пневматическую машину ударного действия, корпус которой является ее рабочим органом. Внутри корпуса расположен ударник, который совершает возвратно-поступательное движение под действием сжатого воздуха, поступающего от компрессора. Ударник наносит удары по наковальне, закрепленной внутри корпуса, и забивает последний в грунт. Частота ударов составляет 250-370 ударов в минуту. Обратному перемещению корпуса препятствуют силы трения между корпусом и грунтом, возникающие в следствие деформаций грунта.

Техническая характеристика пневмопробойников серийно выпускаемых российскими и зарубежными фирмами [1, 14, 27, 28, 31, 32, 35, 37, 53, 59, 64, 68, 103, 106, 109, 110] приведена в приложении 1.

Недостатками пневмопробойников являются: непрямолинейность оси скважины в связи с небольшой длиной снаряда и тенденцией перемещаться по пути наименьшего сопротивления; необходимость специального оборудовани�