автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.05, диссертация на тему:Обоснование параметров проходимости шагающего движителя по сильнообводненной торфяной залежи верхового типа

/

Министерство общего и профессионального образования Российской Федерации Тверской г осударственный технический университет

На правах рукописи

Александров Владимир Николаевич

УДК 629.1.033

Обоснование параметров проходимости шагающего движителя по сильнообводненной торфяной залежи верхового типа

05.15.05 - Технология и комплексная механизация торфяного производства

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -доктор технических наук профессор Л.Н.Самсонов Научный консультант кандидат технических наук доцент О С.Горфин

Тверь 1998

СОДЕРЖАНИЕ

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

1. АНАЛИЗ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ХОДОВЫХ ЧАСТЕЙ ДВИЖИТЕЛЕЙ С ТОРФЯНОЙ ЗАЛЕЖЬЮ......................................................................9

1.1. Особенности структурно-механических свойств сильнообводненной торфяной залежи верхового типа ненарушенной структуры применительно к движению торфяных машин..........................................................................9

1.2.Методы оценки проходимости машин по торфяным грунтам..................14

1.3.Оценка деформируемости торфяных грунтов....................................29

1.4.Особенности конструкции шагающего движителя и их влияние на показатели проходимости............................................................................... 33

1.5.Выводы по главе и задачи исследований.............................................39

2. АНАЛИЗ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ШАГАЮЩЕГО ДВИЖИТЕЛЯ С НЕОСУШЕ ННОЙ ТОРФЯНОЙ ЗАЛЕЖЬЮ......................................................40

2.1.Анализ опорной проходимости........................................................40

2.2.Анализ тягово-сцепных свойств шагающего движителя на сильнообводненной торфяной залежи........................................................................42

2.3.Анализ маневренности (поворотливости) шагающего движителя............53

3 .МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

.....................................................................................................61

3.1 .Программа экспериментальных исследований.....................................61

3.2.Методика проведения экспериментальных работ..................................62

3.3.Математическая обработка экспериментальных данных.........................72

4.АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ...76 4.1.Деформируемость сильнообводненной торфяной залежи под опорами

шагающего движителя......................................................................76

4.2.Оценка влияния геометрических параметров деформатора на несущую способность сильнообводненной торфяной залежи...................................97

4.3.Связь прочности грунта на сдвиг и коэффициента буксования шагающего

движителя на сильнообводненном торфяном грунте................................105

4.4.Определение усилий на крюке и их связь с прочностью торфа на сдвиг.... 117

4.5.Изменение характеристик поворотливости шагающего движителя в зависимости от прочности на сдвиг торфяного грунта..............................129

4.6.Комплексный показатель проходимости шагающего движителя. Классификация сильнообводненной торфяной залежи верхового типа по

условиям проходимости шагающего движителя.....................................141

5. ПРИМЕНЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ........................................144

ВЫВОДЫ...................................................................................148

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК................................................150

ПРИЛОЖЕНИЯ...........................................................................161

И Ж» 17 ГГ!7«ЕГ«*7

Актуальность проблемы. Разведка и освоение новых торфяных месторождений связаны с применением болотоходных машин высокой проходимости, способных передвигаться и выполнять работы в условиях силыюобводненных торфяных грунтов с наличием топей, гряд, мочажин с открытыми водными участками, а также зарослей древесной и кустарниковой растительности.

Основными требованиями, предъявляемыми к бол отоходным машинам, являются: непотопляемость, высокая проходимость и маневренность, обеспечение достаточного тягового усилия на крюке, необходимого для перемещения с заданной скоростью и выполнения полезной работы [40].

В торфяной промышленности наиболее широко применяют гусеничный движитель. Он обладает хорошими тягово-сцепны ми свойствами, однако его применение ограничено. При превышении предела несущей способности торфяной залежи гусеничный движитель теряет проходимость. По данным, приведенным в работах [6, 12, 63, 85], торфяные залежи с прочностью торфа на сдвиг менее 8 кПа являются непроходимыми для торфяных машин в летнее время. Основным методом повышения проходимости по неосушен ной торфяной залежи гусеничного движителя является снижение удельного давления путем увеличения площади опорных поверхностей и повышения удельной силы сопротивления срезу по периметру гусеничной ленты [20, 33, 45, 63, 83]. Однако увеличение опорных поверхностей ограничено конструктивными параметрами.

Другим распространенным движителем для передвижения по неосушенной торфяной залежи является колесный движитель. Он обладает меньшими, чем у гусеничного движителя тягово-сдепными свойствами, однако применение арочных шин и полых катков позволяют не только снизить удельное давление на торфяную залежь, но и придают движителю плавучесть. Исследования, проведенные в Калининском филиале ВНИИ торфяной промышленности (ныне НПО «Радченкоторф»), показали, что колесный движитель на сдвоенных широ-

копрофильных шинах, а также на широкопрофильных шинах скомбинированных с полыми катками, уверенно преодолевает участки торфяной залежи с прочностью деятельного слоя на сдвиг до 3 кПа, однако тяговое усилие на крюке в этих условиях близко к нулю [25, 34-36, 75, 96]. Улучшение проходимости связывается с увеличением ширины колес. При этом уменьшается осадка колесного движителя и, как следствие, сила сопротивления движению.

Задача повышения проходимости машин чаще всего решается традиционным путем, который заключается в поисках возможностей усовершенствования известных движителей без принципиального изменения процесса их взаимодействия с грунтом. Однако возможности повышения проходимости этих движителей конструктивными методами исчерпаны. Оба вида движителей вплотную подошли к своим пределам по проходимости и тягово-сцепны м свойствам.

Другая часть инженеров и ученых видит условия повышения проходимости машин в изменении принципов взаимодействия движителя с грунтом. Достаточно хорошо известны конструкции комбинированных [2], колесно-шагающнх [56] и ро1 орно- в и нто вы х [56,98] движителей и движителя на воздушной подушке [29, 56]. Каждый из указанных движителей по сравнению с колесным или гусеничным движителем имеет сильные и слабые стороны. К достоинствам альтернативных движителей принадлежит возможность их применения на более слабых грунтах, повышенное тяговое усилие на крюке (кроме движителя на воздушной подушке), повышенная грузоподъемность. К недостаткам можно отнести узкую специализацию грунтовых условий работы, дороговизну изготовления и эксплуатации, недостаточную надежность.

Одним из альтернативных типов является шагающий на понтонах движитель. Начиная с 1980 года, в Калининском политехническом институте (ныне Тверской государственный технический университет) были разработаны и испытаны несколько вариантов опытно-промышленных образцов шагающих болотоходов. Заводские и производственные испытания показали их высокую

проходимость по неосушенным болотам [30-32, 41-42, 79]. Движитель успешно преодолевал неровности рельефа, канавы, а также окнища в мочажинах и широкие водные преграды в виде озерков. При этом шагающий движитель развивал достаточно большое тяговое усилие на крюке. На базе шагающего движителя был спроектирован и изготовлен каналокопатель для рытья канав на си л ьнообводнс к ных торфяных залежах с прочностью деятельного слоя на сдвиг менее 8 кПа [78]. Шагающее шасси было использовано для работы в условиях неосушенного болота в нефтегазовой отрасли промышленности. Оно снабжалось краном для установки пригрузов на нефтегазопроводы [80, 109], применялось для борьбы с нефтяными загрязнениями на переходах через болота, для транспортировки технологического оборудования на прицепе-понтоне.

Однако процесс взаимодействия шагающего движителя с сильнообводнен-ной торфяной залежью не изучен. Диссертационная работа направлена на исследование процессов взаимодействия шагающего движителя с неосушенной торфяной залежью и влияния его конструктивных свойств на проходимость. Цель работы. Разработать методику расчета основных параметров проходимости шагающего движителя на сильнообводненной торфяной залежи в зависимости от характеристик деятельного слоя торфа и параметров шагающего движителя.

Для достижения поставленной цели решены следующие задачи: 1 .Определены деформационные характеристики деятельного слоя торфа применительно к движению шагающего движителя;

2.Определено влияние геометрических параметров деформатора на несущую способность сильнообводненной торфяной залежи с помощью перфорированных крыльчаток;

3.Разработаны и экспериментально подтверждены расчетные формулы для определения тягово-сцепных свойств от характеристик деятельного слоя торфа и параметров шагающего движителя;

4.Разработаны и экспериментально подтверждены расчетные зависимости для определения показателей маневренности шагающего движителя от характеристик деятельного слоя торфа и параметров шагающего движителя;

5.Введены изменения в комплексный показатель проходимости в соответствии со спецификой движения шагающего движителя и предложена классификация торфяной залежи по проходимости.

Методы исследования, В работе принят теоретический и экспериментальный метод исследований натурного образца шагающего движителя в полевых условиях. При проведении экспериментов применялись полевые приборы для' изучения структурно-механических свойств торфяных залежей, измерительный инструмент, динамометры. Ботанический состав растений-торфообразователей и водные свойства торфа определялись по стандартным методикам. При обработке и анализе результатов использовались методы теории вероятности и математической статистики.

Научная новизна. В работе экспериментально установлены зависимости коэффициента упругости и приведенного модуля деформации от предельного сопротивления сдвигу деятельного слоя с учетом взвешивающего воздействия жидкой фазы торфа применительно к движению шагающего движителя; определена зависимость осадки от прочности торфа при т<5 кПа; экспериментально установлено, что несущая способность сильнообводненной (\\'>95%) торфяной залежи при т<6 кПа обратно пропорциональна площади деформатора и не зависит от его периметра; разработан метод расчета тягового усилия и коэффициента буксования в зависимости от предельного сопротивления сдвигу торфяного грунта и параметров шагающего движителя; разработана методика расчета минимального радиуса поворота шагающего движителя в зависимости от его конструктивных параметров и предельного сопротивления сдвигу торфяного грунта; введены изменения в комплексный показатель проходимости в соответствии со спецификой движения шагающею движителя и предложена классификация торфяной залежи по проходимости.

Практическая ценность. Результаты проведенных исследований позволяют рассчитать показатели проходимости шагающего движителя по сильнообводненной торфяной залежи и создать более эффективные конструкции шагающих болотоходных машин.

Рл» ' Г¥ТГ»«В Е 3 г ЗТ8 ГТ ПГ« ТП^ЪЖЭ Т^СЬО"* 7ТВ И ТОТТ Т ИЛЛПО ТТАИОИТ111 Л! 1 '|И иОТТА ОЛПОП! Г ТТТЛ1Ж

ГСшШлоцИп I Л 1 иН, 1)Ш1Ш П V V.! I ч/м^иинпп ииЫш пч-пи-ш.»ч/ииИ Ы 11рИ

создании промышленного образца шагающего движителя третьего поколения — БШ-3 на базе трактора МТЗ-80.

Апробация. Основные положения диссертационной работы доклады вал и с ь на

научно-технической конференции «Перспективы комплексного использования торфа и продуктов его переработки» (Тверь,!990), юбилейной научно-технической конференции (Тверь, 1997), на расширенном заседании кафедры «Горные машины и оборудование» (Тверь, 1998).

Публикации. По результатам исследований опубликовано 9 работ.

___ _ л*____ тт___ _ _______ ____ __

моьсм раоигы. Диссертация изложена на .1 ил страницах машинописного текста, состоит из введения, пяти разделов, выводов, списка литературы из 119 наименований и 3 приложений, содержит 23 рисунка и 53 таблицы.

1.АНАЛИЗ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ХОДОВЫХ ЧАСТЕЙ ДВИЖИТЕЛЕЙ С ТОРФЯНОЙ ЗАЛЕЖЬЮ

1.1.Особенности структурно-механических свойств сильнообводненной торфяной залежи верхового типа ненарушенной структуры применительно к движению торфяных машин

Исследованиям структурно-механических свойств верховых залежей посвящены работы многих советских и российских ученых. Структурно-механическими свойствами торфяных залежей в разное время занимались Л.С.Амарян, Н.В.Чураев, Ф.А.Опейко, С.Г.Солопов, М.В.Мурашов, С.С.Корчунов, И.И.Лиштван, В.А.Миронов, М.М.Танклевский, В.А.Скотников, М.Е.Мацепуро, В.Г.Селенов, Е.Т.Базин, В.И.Косов, В.К.Кириллов, В.И.Персиков и другие [5-9, 12, 14, 20, 25, 28, 35, 36,45-51, 55, 60-65, 69, 74-75, 81, 84-86, 90-96, 101-105, 113, 118-119].

Несущая способность торфяной залежи применительно к движению торфяных машин по современным представлениям зависит от макроструктуры залежи, от структуры торфа, прочности волокон растений-торфообразователей, степени разложения торфа и влагосодержания.

Наиболее известна классификация макроструктуры торфяных залежей по механическим свойствам Л.С.Амаряна [5]. Наибольшие трудности в проходимости торфяных машин представляет I тип макроструктуры. Для этого типа характерно расположение слоя малоразложившегося торфа, пронизанного корневой системой наземных растений, на разжиженном слое торфа или озерного отложения, не обладающих заметной связностью [5]. Проходимость торфяных машин в этом случае определяется прочностью деятельного слоя торфа.

Для движителей торфяных машин, передвигающихся на понтонах, особенно важную роль играют водные свойства торфа, так как при увеличении осадки движителя в залежь большую часть вертикальной нагрузки воспринимает жид-

кая фаза торфяного грунта. Яри кратковременном приложении нагрузки от движителя на залежь большое значение имеют фильтрационные свойства торфа. Н.В.Чураев [113] предложил классификацию макроструктуры торфяной залежи по водопроницаемости. Наименее приспособлены для движения торфяных машин торфяные залежи II и III типов по классификации Н.В.Чураева. II тип имеет прослойки (жилы) с аномально высокой фильтрующей способностью. Вследствие большой влагонасыщенности средний слой слабо связан с деятельным слоем торфа, который при проезде машин может смещаться относительно нижележащих слоев. III тип залежи по классификации Н.В.Чураева характеризуется наличием водоупорных горизонтов. К этому типу относится большинство сильнообводненных торфяных залежей.

Изучением прочности волокон растений-торфообразователей занимались А.В.Пичугин, Л.С.Амарян, М.Н.Жуков. А.В.Пичугин [81, 82] показал, что для торфов низкой степени разложения прочность растительных волокон зависит от вида растения, взаимного расположения элементов торфяного волокна, слагающего скелет торфа, от размеров и формы тканевых остатков. Он отмечает, что для стру ктурообразован ия торфа характерны две стороны явления:

- наложение отмерших частей растений на ранее сформировавшийся слой торфа,

- внедрение живых органов растений (корней) в формирующийся слой. М.Н.Жуков [26] выявил зависимость пределов прочности волокон растений -торфообразователей от вида растений. По его данным истинные пределы прочности на разрыв стебельков сфагновых мхов, вересковых кустарничков и корней трав относятся как 1:2:3. Он также отмечает, что после отмирания и перехода в состав торфа (R<5%) сопротивление разрыву волокон растений-торфообразователей снижается в 1,5-2 раза и продолжает снижаться с ростом степени разложения.

Видовой состав растений-торфообразователей, а, следовательно, и структур-

ная прочность торфяной залежи зависит от степени увлажнения и минерального питания. Верховые торфяники, как правило, имеют бедное минеральное питание, обусловленное атмосферным увлажнением. По классификации С.Н.Тюремнова [108] торфяные залежи делятся на слабообводненные, обводненные и сильнообводненные. К сильнообводненным относятся залежи, у которых уровень грунтовых вод находится вровень с поверхностью растительного покрова или над ним. Согласно «Норм технологического проектирования предприятий по добыче торфа» [70] к сильнообводненным торфяным месторождениям относятся месторождения при влажности более 91% и мощности верхнего слаборазложившегося слоя торфа более 0,5 м. С точки зрения проходимости и тягово-сцепных свойств различных движителей эта категория торфяных месторождений наименее изучена.

Сильнообводненные торфяные залежи представлены в основном сфагновыми топями, для которых характерны грядово-мочажи нны й и грядово-озерный комплексы растительности. Сильная обво�