автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.04, диссертация на тему:Обоснование принципиальной схемы и конструктивных параметров грунтопроходчика

На правах рукописи

Воронцов Денис Сергеевич

ОБОСНОВАНИЕ ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ И КОНСТРУКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ГРУНТОПРОХОДЧИКА

Специальность: 05.05.04 -"Дорожные, строительные и подъемно-транспортные машины"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Новосибирск - 2005

Работа выполнена в Сибирском Государственном Университете Путей Сообщения

Научный руководитель:

Доктор технических наук, профессор Смоляницкий Борис Николаевич

Официальные оппоненты: Доктор технических наук, профессор Кандидат технических наук

Каргин Владимир Анатольевич Репин Анатолий Антонович

Ведущая организация: Новосибирский Государственный

архитектурно-строительный университет

Защита состоится "25" марта 2005 г. в 13 часов на заседании диссертационного совета Д 003.019.01 при Институте горного дела СО РАН по адресу: 630091, г. Новосибирск, Красный проспект, 54.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИГД СО РАН

Автореферат разослан " 25 " февраля 2005 г.

Ученый секретарь х /

диссертационного совета

доктор технических наук, профессор И. Федулов

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Бестраншейные технологии прокладки подземных коммуникаций находят все более широкое распространение и в развитых странах становятся преобладающими. Это предопределено существенным ущербом, к которому приводит рытьё траншей в жилых и промышленных зонах.

В основе бестраншейных способов лежит процесс образования скважин в грунтовом массиве. При этом особую сложность представляет проходка скважин, так называемого «непроходного» сечения (диаметром менее 1м), так как управление технологическим процессом в этом случае может осуществляться только снаружи. Применяемые в настоящее время устройства можно объединить в две группы:

Первая группа - это устройства, образующие скважины путем вдавливания фунта в стенки образуемой скважины. Она представлена в основном пневмо-пробойниками. Так получают скважины не более 300 мм. Увеличение диаметра требует значительных энергозатрат.

Вторая группа - это устройства, образующие скважины путем удаления грунта из сечения образуемой скважины. Она включает устройства для ударного внедрения стальных труб открытым концом с последующей их очисткой. Однако, стальные трубы дороги и в грунте подвержены быстрому разъеданию ржавчиной. В связи с появлением легких и долговечных полиэтиленовых труб широкое распространение получили зарубежные установки для бурения приповерхностных скважин с временным подкреплением стенок скважины буровым раствором. Это установки штангового бурения и микрощиты. Выбуривание грунта по всему сечению скважины и необходимость обеспечить циркуляцию и регенерацию бурового раствора предопределяют высокие энергозатраты, сложность и дороговизну буровых комплексов. Кроме того, гидравлический принцип поддержания временной устойчивости скважины резко усложняет работу при низких температурах.

Наличие отмеченных ограничений делает актуальным создание более простых и менее затратных устройств, позволяющих применять трубы из любого материала и работать по «сухой» технологии без буровых растворов.

Целью работы является обоснование принципиальной схемы, методики расчета и разработка устройства - грунтопроходчика для проходки скважин в уплотняемых фунтах.

Шея работы заключается в оснащении пневмоударной машины кольцевым рабочим органом, который в заданной пропорции разделяет фунт, расположенный в сечении создаваемой скважины, на две части, одна из которых удаляется, а другая - вдавливается в стенки скважины.

Задачи исследований:

1. Определить влияние основных параметров технологической схемы сооружения скважины фунтопроходчиком на скорость проходки скважины.

2. Выявить особенности взаимодействия фунтопроходчика с массивом и обосновать расчетную схему для определения его скорости при заборе фунта.

3. Обосновать схему и соотношение параметров воздухораспредели-

тельной системы пневмоударного привода грунтопроходчика.

4. Построить методику инженерного расчета основных параметров технологического комплекса и разработать проект грунтопроходчика.

Методы исследований - стендовые эксперименты на моделях устройства, математическое моделирование, компьютерный анализ экспериментального материала и результатов моделирования.

Научные положения, защищаемые автором.

1. В качестве критерия при выборе параметров технологической схемы проходки следует принимать показатель, определяемый отношением планируемой скорости проходки скважины к её предельному теоретическому значению.

2. При клиновидной форме рассекателя с углом, меньшим угла трения, расчетное давление лобового сопротивления грунта, усредненное по конической поверхности рассекателя грунтопроходчика аппроксимируется линейной функцией радиуса скважины.

3. Снижение расхода воздуха на привод грунтопроходчика с инерционным распределителем достигается уменьшением произведения отношений масс и рабочих площадей ударника и распределителя.

Достоверность научных результатов. Достоверность научных положений подтверждена необходимым объемом экспериментальных исследований моделей, сопоставимостью аналитических расчетов с экспериментальными результатами.

Новизна научных положений.

1. Получены зависимости между основными параметрами (шаг, скорость транспортирования и забора грунта, время разгрузки грунтоприемной капсулы) технологической схемы работы грунтопроходчика, установлен критерий для выбора их рациональных значений.

2. Обоснована и построена расчетная схема взаимодействия грунтопро-ходчика с массивом.

3. Выполнено аналитическое исследование инерционного распределителя пневмоударного привода грунтопроходчика и определен диапазон рациональных значений его параметров.

Личный вклад автора заключается: в постановке и проведении экспериментов по исследованию взаимодействия грунтопроходчика с массивом; в обработке экспериментальных данных и их математической интерпретации; в разработке рекомендаций к проектированию грунтопроходчика в целом и отдельных его узлов для осуществления комбинированного метода проходки скважин.

Практическая ценность. Разработан алгоритм расчета основных параметров технологического комплекса для сооружения скважин грунтопроходчи-ком. Даны рекомендации по проектированию и разработан проект грунтопро-ходчика.

Реализация работы в промышленности. Производственной фирмой "АКВА+" г. Санкт -Петербург, принято решение об использовании основных результатов исследований и изготовлении грунтопроходчика по предложенной

схеме для проходки скважин 0440 мм.

Апробация работы. Отдельные результаты работы докладывались на конференциях: "Интеллектуальный потенциал Сибири" (Новосибирск, 2000), "ВУЗы Сибири и Дальнего Востока ТРАНССИБУ" (Новосибирск, 2002) и семинарах кафедры "Механизации..." СГУПС.

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 3 печатных работах.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 6 глав, выводов, списка литературы. Содержит 123 страницы машинописного текста, включая 75 рисунков, 14 таблиц и список литературы из 85 наименований.

Основной объем работы выполнен в лаборатории механизации горных работ ИГД СО РАН. Автор выражает глубокую благодарность сотрудникам лаборатории в особенности Петрееву Анатолию Михайловичу за неоценимые научно-методические рекомендации по выполнению работы, Щеглову А. Н., Сыря-мину А. Т., Лобову Ю. Н., Тищенко И. В. и Веберу И. Э. за техническую помощь.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе представлен обзор исследований по внедрению в грунт де-форматоров, а так же краткий обзор способов образования скважин для прокладки подземных коммуникаций. Вопросам проходки горизонтальных скважин в грунте посвящены основополагающие работы А. С. Вазетдинова, Н. В. Васильева, Н. Я Кершенбаума и В. И. Минаева, К. К. Тупицинына, Е. Н. Черед-никова, В. А. Бабакова, А. Л. Смирнова, X. Б. Ткача, А. Д. Костылева и др. В работах приводятся сведения об эксплуатационно-технических показателях и конструкциях машин, о технологии проходки скважин и частично - результат экспериментальных и теоретических исследований процесса проходки скважин. На основе анализа теоретических и экспериментальных данных приведены расчетные зависимости, позволяющие для статического или виброударного режима внедрения определить усилия, действующие на проникающее тело, скорость и энергоемкость проходки. В известных исследованиях проникающее тело имеет сплошное сечение, и соответственно результаты не могут быть автоматически перенесены на рассмотренный в настоящей работе процесс. В разделе, посвященном обзору способов образования скважин для прокладки подземных коммуникаций, определены достоинства и недостатки существующих способов бестраншейной прокладки скважин непроходного сечения - диаметром до 1 м. Поставлена цель и задачи проводимых в работе исследований.

Одним из решений поставленной задачи является создание грунтопроход-чика - устройства для образования скважин в уплотняемых грунтах комбинированным способом, когда часть грунта из сечения скважины вдавливается в её стенки, обеспечивая их временную устойчивость, а другая часть - удаляется из скважины. Он отличается тем что, исключает переуплотнение стенок скважины

и не требует разработки грунта по всему сечению забоя Такой способ позволяет использовать в качестве продуктопроводов трубы из любого материала, трубы с изоляцией и что особенно важно, может быть реализован простыми средствами. Поэтому он представляет несомненный практический интерес

Во второй главе рассмотрена технологическая схема проходки скважины комбинированным способом (рисунок 1) Обоснован выбор конструктивной схемы грунтопроходчика.

1 - грунтоприемная капсула, 2 - ударный привод грунтопроходчика, 3 - стартово-разгрузочная конструкция, 4 - тяговый привод двустороннего действия (гидравлическая паи пневматическая лебедка), 5, 6 - источник энергоносителя (компрессор, насосная станция для питания гидравлической лебедки), 7 - якорное устройство

Рисунок 1 - Технологическая схема проходки скважины грунтопроходчиком

Процесс проходки скважины носит циклический характер. После подтяжки тяговым приводом грунтопроходчика к забою, ударный привод обеспечивает забор фунта в грунтоприемник, при этом грунтопроходчик продвигается на шаг / Затем грунтопроходчик с керном извлекается из скважины и на стартово-разгрузочной конструкции освобождается от фунта, после чего цикл повторяется. Продолжительность этого процесса Т зависит от таких параметров системы, как скорость транспортирования фунтопроходчика от устья скважины к забою и обратно, от скорости продвижения фунтопроходчика на шаге Уш в процессе забора фунта, от протяженности продвижения забоя за один цикл (т. е. шага I), от общей длины скважины Ьскв. В свою очередь, скорость забора фунта зависит от свойств фунта, конструкции рабочей части фунтозаборного узла, энергетических параметров ударного привода и т д.

Общее время работ Т по проходке скважины, исключая время подготовительных и заключительных работ Т = Т1 + Т2 где Т- суммарные затраты времени на транспортирование фунтопроходчика до забоя и обратно к входному приямку; Т2 - суммарные затраты времени на операции не связанные с транспортированием фунтопроходчика (забор фунта, очистка капсулы).

Чтобы не усложнять анализ имеет смысл пользоваться средней скоростью транспортирования ¥т, одинаковой для прямого и обратного хода Показано,

что эта скорость может определятся выражением: У1 =2 V, - V,/(К, +У,), где ¥в -скорость транспортирования вперед; УЕ - скорость транспортирования назад. Суммарное время, затрачиваемое на проходку скважины, составляет:

где п - число циклов проходки, т - отношение длительности разгрузки грунто-приемной капсулы к длительности загрузки.

Удобнее оперировать средней скоростью проходки скважины: ¥=Ьск/Т.

В безразмерном виде имеем:

В качестве единичных параметров приняты длина скважины Хскв и средняя скорость транспортирования, развиваемая лебедкой ¥т.

Шаг проходки является наиболее свободным от ограничений параметром, посредством которого разработчик может влиять на скорость проходки. Согласно (1) по мере увеличения шага I скорость проходки V непрерывно растет, приближаясь к теоретическому пределу • V™ -vщ|vш +(1 + г) Однако, как видно

из рисунка 2, интенсивность этого роста по мере увеличения / весьма резко снижается. Для оценки степени приближения к теоретическому пределу введен показатель производительности а - отношение скорости при заданном шаге к предельному её значению а - у/ут1Х. Если мы хотим, чтобы расчетная скорость

проходки составляла заданную часть от то соотношение между должно удовлетворять условию:

/ = а^/((1-г г)(1-от)+ (2)

V* = 0,03

0 О 04 0 08 0 12

Рисунок 2 - Зависимость скорости проходки скважины от шага

Зависимость (2) позволяет определить, какой шаг при заданной скорости разработки необходим, чтобы обеспечить производительность на требуемом уровне. Рационально ограничиться уровнем, соответствующим а = 0,75 - 0,85. Дальнейшее приращение а дается неоправданно высокой ценой. Так, переход от я =0,8 к я = 0,9, т. е. увеличение скорости проходки на 10% требует дву-

кратного увеличения шага, что вероятнее всего неприемлемо из-за роста габаритов и массы устройства.

Из полученных зависимостей следует, что при сохранении показателя производительности на заданном уровне шаг проходки должен быть тем больше, чем меньше средняя скорость транспортирования грунтопроходчика лебедкой, чем выше средняя скорость грунтопроходчика при заборе грунта и чем меньше длительность разгрузки грунтоприемника.

Возможные конструктивные схемы грунтопроходчиков можно разделить на две группы, которые различаются между собой взаиморасположением ударного привода и грунтоприемной капсулы (рисунок 3).

; I

1 - грунтоприемная капсула, 2- ударный привод Рисунок 3 - Варианты компоновки узлов грунтопроходчика

Из рассмотренных вариантов предпочтительна схема с последовательным расположением грунтоприемной капсулы и ударного привода. Такая компоновка позволяет: устанавливать мощные пневмоударные машины без существенных ограничений их диаметра; увеличивать шаг проходки до рационального значения без ограничений; обеспечивать наибольшее проходное сечение грун-топриемника и, соответственно, снижать сопротивление внедрению в грунт.

Естественный недостаток линейной компоновки заключается в том, что длина грунтопроходчика не может быть меньше, чем шаг проходки плюс длина ударного привода. Тем не менее, скоростные возможности делают этот вариант предпочтительным. Учитывая эти соображения, в качестве объекта экспериментальных исследований принята модель грунтопроходчика с последовательным расположением грунтозаборной капсулы и ударного привода.

Третья глава посвящена экспериментальным исследованиям. Для проведения экспериментов была разработана модель грунтопроходчика (рисунок 4) со сменными головными частями, которые имели в продольном сечении прямоугольную или заостренную форму и центральное или эксцентричное расположение лидера. Последний вариант интересен полностью свободным входом в грунтоприемник, но сомнителен в отношении устойчивости к искривлению траектории. Проблему быстрой разгрузки предложено решить за счет продольных окон в нижней части грунтоприемника.

Рисунок 4 - Модель грунтопроходчика

Эксперименты проводились на специально созданном стенде (рисунок 5), включающем помещенный в прямоугольный кожух уплотненный грунтовый блок 4 х 1,1 х 1,3 м, грузовую систему подтяжки модели к забою, систему извлечения модели из скважины с динамометрическим устройством. Грунт трамбовался послойно пневмотрамбовкой Давалось время для слеживания с при-грузом Сохранение влажности обеспечено полиэтиленовой пленочной гидроизоляцией всей поверхности

1 - фунтовый блок, 2 - стартовое устройство, 3 - грузовой канат, 4 - груз, 5 - ручная лебедка, 6 - динамометр, 7 - направляющий ролик, 8 - модель грунтопроходчика, 9 - пригруз Рисунок 5 - Стенд для исследований комбинированного способа проходки скважин

Экспериментальная проверка предложенных конструктивных решений показала следующее:

-подтвердились опасения о склонности грунтопроходчика с асимметричным расположением лидера к развороту относительно оси лидера. Скважина получается винтообразной Поэтому, несмотря на идеальные условия для забо-

pa грунта, такой вариант для практики неприемлем

- конструктивное решение грунтоприемника в виде цилиндра с продольными окнами зарекомендовало себя хорошо. Грунт при извлечении сохраняется в капсуле, как при частичном ее заполнении, так и при заполнении до упора (рисунок 6). Для разгрузки грунтоприемника достаточно включить ударный привод на 2 - Зс на минимальном давлении.

Рисунок 6 - Модели после извлечения из скважины при частичном и при полном заполнении

капсулы

В таблице 1 представлены численные значения основных параметров процесса, полученные после статистической обработки результатов измерений, проводившихся в процессе измерений.

Таблица 1

Рассекатель Г -- -1- • I 1 Пневмо-пробойник

Количество шагов 21 10 И 21

Средняя скорость забора грунта, м/мин на шаге 1,46 1,14 1,07 0 95

на \°*12°* половине — 1,30 / 1,00 1,21 / 0,93 —

Среднее значение силы извлечения в начале перемещения, Н 600 1450 1490 2400

Масса керна в капсуле, кг 5,12 (/ = 0 4т) 6,60 (/ = 0 5т) 7,55 (/ = 0 5т) —

Результаты проведенных измерений показали:

1. Сопоставление скоростей забора фунта при остром и плоском рассекателях выявило тенденцию к превышению скорости модели с острым рассекателем над вариантом с плоским рассекателем.

2. Нарушение плавности перехода от калибрующей части рассекателя к

грунтоприемнику приводит к существенному возрастанию силы сопротивления извлечению грунтопроходчика из скважины (рисунок 7): с момента отрыва от забоя сопротивление возрастает, достигая максимума на расстоянии ~ 0,6 шага от забоя, затем снижается и на расстоянии ~ 2х шагов спадает до стабильного низкого уровня. Возрастание силы обусловлено образованием грунтовой манжеты (рисунок 8) на небольшой 3х мм ступеньке между сменной головной частью и грунтоприемной капсулы. При плавном сопряжении ступеней (рисунок 9), никакого возрастания силы не наблюдается.

р,н

3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0

Рисунок удаления

Рисунок 8 - Грунтовая «манжета»

на корпусе модели грунтопро-7 - Изменение силы сопротивления по мере ходчика модели от забоя (2...7 - номер шага)

Рисунок 9 - Изменение среднего значения силы сопротивления при плавном сопряжении

перепадов диаметров

3. При внедрении кольцевого рассекателя, имеющего в продольном сечении форму одностороннего клина с углом, меньшим угла трения, весь исходный грунт из кольцевого сечения, соответствующего поперечному сечению рассекателя, перемещается в стенки скважины. При внедрении кольцевого рассекателя с плоским торцом, грунт распределяется на удаляемую и уплотняющую стенки скважины части по диаметру й*, близкому к среднему диаметру кольца рассекателя. Причем этим процессом управляет не торец рассекателя, а фунтовый клин, формирующийся на нем (рисунок 10). Грунт перед торцовой

поверхностью уплотняется, теряет влажность и наклёпывается клинообразным наростом на поверхность рассекателя.

Полученная информация об особенностях процесса забора грунта и численные значения скорости продвижения грунтопроходчика при фиксированных параметрах системы составили необходимый минимум данных, позволяющий оценить работоспособ-Рисунок 10 - Грунтовый конус на плоском ность расчетной схемы грунтопроход-торце рассекателя чика

В четвертой главе дается обоснование расчетной схемы взаимодействия грунтопроходчика с массивом. Учитывая выявленную особенность разделения грунта острым рассекателем сплошной массив, с которым взаимодействует грунтопроходчик, можно условно разделить на две части: первая - это массив с полостью, имеющий диаметр, равный внутреннему диаметру рассекателя, вторая - это керн, заполняющий эту полость. При движении вперед наружная коническая поверхность расширяет полость. Внутренняя цилиндрическая поверхность рассекателя взаимодействует с принимаемым обжатым керном. Такая

1

схематизация позволяет использовать известное решение задачи о расширении грунтовой полости коническим расширителем. В нашем случае это решение должно быть дополнено взаимодействием рассекателя с керном. Учитывая малую протяженность калибрующей части, это взаимодействие в первом приближении может быть представлено силой трения, обусловленной давлением упруго обжатого керна на стенки рассекателя. В грунтоприемнике, диаметр, которого больше калибрующего, происходит полная разгрузка керна и сила трения определяется только весом керна. Таким образом, в процессе послеударного движения грунтопроходчика в массиве (рис. 11) на него действует равнодействующая сил сопротивления Fo, которая определяется выражением:

Здесь - равнодействующая сил действующих на коническую поверхность; - равнодействующая сил трения на внешней калибрующей части рассекателя; - равнодействующая сил трения на внутренней поверхности рассекателя; - сопротивление, обусловленное весом керна в грунтоприемнике и самого грунтопроходчика; N - сила натяжения подающего троса.

Согласно принятой схеме:

где - соответственно плотность грунта и глубина заложения скважины, -коэффициент трения сталь-грунт, - площадь внутренней калибрующей поверхности рассекателя, Р* - давление в массиве.

1 Исаков А. Л. Задача о расширении грунтовой полости при бестраншейной замене подземных коммуникаций [Текст] / Исаков А. Л., Земцова А. Е.. // ФТПРПИ. - 1998. - №3.

Р*>ес ~ т - масса керна в капсуле, /г, и ¥6 - определяются по известным

соотношениям.

' у р=рЮ

Рисунок 11 - Расчетная схема взаимодействия грунтопроходчика с массивом

По результатам расчета изменения мгновенной скорости грунтопроходчика в процессе забора фунта установлено, что среднее значение скорости на шаге соответствует мгновенной скорости в момент полного заглубления рассекателя.

Сопоставление расчетных и экспериментальных результатов отображено в табл. 2. Как и закладывалось на стадии обоснования схемы, расчетные значения скорости во всех случаях оказываются несколько ниже реально получаемых величин. Расхождение в пределах 20%.

Таблица 2_Сравнение экспериментальных и расчетных данных

Модель Средняя скорость, м/мин

Расчет Эксперимент

На шаге На 1й половине шага На 2й половине шага На шаге На 1й половине шага На 2й половине шага

Модель с боковым расположением лидера 1,18 - 1,46 -

Модель с центральным расположением лидера 0,91 0.92 0.91 1,14 1,30 1,00

Пневмопробойник 0,79 - 0,95 -

Решение задачи проанализировано с точки зрения возможности упрощения расчета применительно к инженерной практике.

Поскольку грунтопроходчик имеет вполне определенную область применения, то можно определить границы изменения его конструктивных параметров и дополнительные связи между ними. В частности, показано, что заданному радиусу скважины (наружному радиусу рассекателя я) может соответствовать определенная толщина кольца н:

Я = 0.0054 + 0.0834*К1, (К= [м], Н = [м])

(5)

Это соотношение получено с учетом ограниченного диапазона изменения /?/, необходимого минимального уплотнения стенок скважины, обеспечения разгрузки грунтоприемника от излишнего обжатия грунтом.

При наличии обоснованных ограничений имеет смысл осуществить обычную для инженерной практики замену некой сложной функции на интересующем нас интервале ее средним значением. В данном случае речь идет о введении среднего давления действующего на коническую поверхность рассекателя:

(6)

Здесь К - текущий радиус; Ко - внутренний радиус наконечника грунтопроход-чика; кит- коэффициенты пластичности; в - величина объемного уплотнения грунта в кольцевом слое.

Численный анализ осуществлялся с использованием программы МаШ8ой Ма&САБ ЕЕ V. 11А. Вычисления производились для супесей, суглинков и глин различной плотности (е = 0,45, 0,55, 0,65) при глубинах заложения скважины от 2 до 3 м. Результаты вычислений представлены на графиках (рисунок 12). Расчет показал, что изменение глубины заложения оказывает слабое влияние на значение давления, так, с переходом от глубины 2 м на 3 м изменение (при прочих равных условиях) не превышает 5%.

Видно, что в интересующем нас диапазоне безразмерное среднее давление рл находится в пределах 2,7 - 4,3, и при этом слабо меняется с изменением Я,. Причем характер этого изменения близок к линейному.

Обобщенная аппроксимация для всей рассматриваемой области изменения основных параметров (размеры рассекателя, свойства грунта, глубина заложения скважины) дает:

р,= 3.56-0.675 Л,, (7)

что соответствует глине средней плотности с точностью более 99%. Для остальных типов грунтов определены поправочные коэффициенты (табл. 3), позволяющие определить значение давления с ошибкой менее ±5%

Таблица 3

Тип грунта е Поправочный коэффициент К,

Супесь СУГЛИНОК 0,45 1,11

0.55 0,97

0 65 0.84

Глина 0,55 1,23

0,65 1,00

Аналогичный результат по тучен для бокового давления, действующего на наружную цилиндрическую поверхность рассекателя.

ц/ - коэффициент снижения бокового давления.

В табл. 4 представлен упрощенный алгоритм расчета скорости грунто-проходчика при заборе грунта.

Таблица 4 Упрощенный алгоритм расчета скорости грунтопроходчика при заборе грунта

Определяемый параметр Инженерная методика

Сила лобового сопротивления Р, Р*, р, = 3.56-0.675-Л,

Сила внешнего бокового сопротивления Ь р, =»44.59-0.82-Д.)

Сила внутреннего бокового сопротивления

Сопротивление, обусловленное весом керна в грун-топриемнике и грунтопроходчика (2л! + М)

Равнодействующая сил сопротивления =/=•,+ Ь + Я". +FЖ-N

Перемещение за удар п -»- Лг / I2 ®о = А*»/Р* 'к* = /\ + м] >А* - энергия удара, к„ - коэффициент передачи энергии, к, - коэффициент восстановления скорости, /1 - отношение масс ударника и машины

Скорость грунтопроходчика V = ио -п

В пятой главе рассмотрены вопросы создания ударного привода, наиболее полно соответствующему требованиям его применения в грунтопроходчике. Специфика заключается в следующем: ударный привод должен быть реверсивным, что снижает вероятность превращения ситуации в аварийную при возникновении местных обрушений и т.п., в процессе проходки скважины; ударный привод должен быть возможно коротким, что обусловлено необходимостью иметь наименьший габарит при линейной компоновке грунтопроходчика; ударный привод должен обладать наибольшей мощностью при заданной ограниченной производительности передвижного компрессора.

Предложена схема реверсивного пневмоударного привода грунтопроход-чика, построенная на использовании упругого клапана и инерционного питателя передней камеры. Предложение учитывает положительный опыт применения упругого клапана в погружных пневмоударниках и пневмомолотах. Однако реверсивных машин такого типа не было.

Выполнено аналитическое исследование динамики инерционного питателя и компьютерное моделирование реверсивного ударного привода в целом. Основное требование к инерционному питателю - закрыть поступление сжатого воздуха при переходе от обратного хода ударника на прямой ход. Расчетная схема применительно к данной задаче сводится к двухмассовой системе с заданными системой активных сил и трением (рисунок 13). Переход к кусочно-линейной модели (рисунок 14) и последующий анализ исходной системы уравнений (9), преобразованной к безразмерному виду, позволил оценить влияние основных параметров системы на время срабатывания инерционного распределителя, т.е. время от начала торможения ударника до закрытия канала.

Рисунок 14 - Диаграмма сил кусочно - линейной модели

Установлено следующее:

где М - масса ударника, m - масса инерционного элемента, Ш- скорость ударника в начальный момент времени, L - ход распределительного элемента, g - ускорение свободного падения, С- коэффициент трения «сталь - сталь»

Силы трения, обусловленные весом подвижных элементов системы, существенного влияния на работу инерционного распределителя не оказывают.

Наиболее удобным и эффективным способом управления временем срабатывания инерционного распределителя является изменение безразмерного соотношения конструктивных параметров машины у/ =^ М)/№, т), где s, т -рабочая площадь и масса инерционного элемента, М - рабочая площадь и масса ударника.

- При 0 3 > V -*■ 0 перекрытие сквозной протечки сжатого воздуха из рабочей камеры машины в атмосферу может быть обеспечена инерционным элементом еще до остановки ударника в конце обратного хода. При у >=0,6, перекрытие сквозного потока «магистраль - рабочие камеры - атмосфера» запаздывает по отношению к моменту остановки ударника более чем в 1,5 раза и закрытие распределителя происходит уже при движении ударника вперед.

Исследование динамики пневмоударного привода в целом выполнено с использованием специализированной вычислительной программы. На рис. 15 представлена конструктивная схема устройства. На рис. 16 - его структурная схема. Моделирование показало, что предложенная схема пневмоударного устройства с упругим клапаном может работать в режиме реверса. На рис. 17 изображены осциллограммы рабочего процесса пневмоударного привода в режиме забора грунта и в режиме реверса.

V, - объем камеры г, 81 - рабочая площадь камеры 1,1 = 1 7 Рисунок 15 - Конструктивная схема ударного привода

03 1С

Рисунок 17 - Осциллограммы рабочих процессов пневмоударной машины

В шестой главе на основе обобщения полученных результатов обоснована инженерная методика расчета основных параметров технологической схемы проходки скважины комбинированным способом и приводится конструкция грунтопроходчика с диаметром 650 мм. Помимо полученных результатов в методике заложено следующее:

- На первом этапе применения грунтопроходчика целесообразно использовать единый пневматический источник питания, поскольку пневматические устройства наиболее просты и дешевы в изготовлении и обслуживании. В режиме забора фунта потребление сжатого воздуха от одного компрессора распределяется между пневмоударным приводом и лебедкой в соотношении - 3*1

- Пневматическая лебедка обеспечивает в 2 раза более высокую скорость транспортирования грунтопроходчика к забою, чем от забоя. Этим достигается более рациональное использование ограниченной мощности источника питания, т.е. высокая тяга при извлечении грунтопроходчика с керном, и высокая скорость при транспортировании пустого грунтопроходчика к забою. Повышение за счет этого средней скорости транспортирования может быть реализовано разницей диаметров барабанов прямого и обратного хода, либо включением-выключением дополнительной ступени редуктора.

На рис. 18 представлена расчетная схема комплекса. В табл. 5 и 6 указаны исходные параметры, последовательность расчета и конкретные результаты применительно к скважине диаметром 650 мм.

- компрессор, 2 - грунтопроходчик, 3 - пневмодвигатель, 4 - редуктор, 5 - барабаны, 6 -

тяговый канат

Рисунок 18 - Расчетная схема грунтопроходческого комплекса

Параметр Обозначение Величина

Длина скважины, м Lea 30

Диаметр скважины, м А» 0.65

Глубина заложения скважины, и h 3

Коэффициент трения «металл-грунт» к, 0.6

Коэффициент снижения бокового давления w 0.15

Радиус рассекателя, внешний, м R\ 0.325

Радиус рассекателя, внутренний, м Ro 0.295

Длина калибрующей части рассекателя, м L, 0.35

^Цлина внутренней рабочей поверхности рассекателя, м Li 0.2

Угол заострения конической поверхности рассекателя, град 8 15

Площадь боковой поверхности ребра, 3 шт., м2 0.5

Производительность компрессора, м^мин Ok 12

Пневмомо-тор Расход воздуха, м^мин 0- 12,2

Номинальная мощность, кВт 12

Крутящий момент на валу двигателя, Нм тш 153

Частота вращения вала, с"' Яд, 12,5

Коэффициент передачи энергии кпю 0.17

Таблица 6 Расчет параметров грунтопроходческого комплекса

Определяемая величина Формула Результат

Ударная мощность ЫУЛ, Вт N УП ~ QY3 ! Я у ¡1 7500

Лобовое сопротивление , Н 101175

Боковое сопротивление , Н F.mbA^p.P'k, 36766

Внутреннее сопротивление Рг,Н F. = 2nRl)L1Ptkl 30558

Сопротивление на ребре , Н Fp=2S„P*k 41375

Тяговое усилие лебедки, Н N,>N = \.2-FS 63000

Общее сопротивление , Н Ft=F,+Ft+F.+Fr-N 146875

Передаточное отношение тягового привода ' = f 'П» nv 63,35

Скорость забора грунта V, м/мин К = ЛГИ к, 60/F„ 0,467

Частота вращения барабана лебедки, мин 1 "о ~ "я >' 11,84

Скорость транспортирования У,, м/мин V, = 2 г ж n, 9,92

Безразмерная скорость движения грунто-проходчика v, = V/V, 0,047

Шаг при а - 0,8, т = 2 1 = av„/((l + r)(l -a) +v.) 0,058

Длина грунтозаборной капсулы, м I 1,75

Скорость проходки скважины V V = l »./(». +(1+ Г)/) 0,012

Время проходки скважины Т, мин T = L^jV v 240

При питании от компрессора КВ12/8ДП с помощью грунтопроходчика (рисунок 19) скважина длиной 30 м диаметром 650 мм может быть пройдена в супеси средней плотности в течение 4 часов.

ОСНОВНЫЕ НАУЧНЫЕ И ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

Диссертация является научно-квалификационной работой, в которой изложены научно обоснованные технические и технологические разработки, имеющие существенное значение для экономики страны, заключающиеся в создании новых комплексов для бестраншейной прокладки подземных коммуникаций. Наиболее важные научные и практические результаты выполненных исследований заключаются в следующем:

1. Анализ существующего мирового рынка бестраншейных технологий, который пока подавляющим образом представлен зарубежной техникой (сложной и достаточно дорогой), показал необходимость в создании более простых и дешевых средств для создания скважин непроходного сечения от 300 до 900 мм в уплотняемых грунтах.

2. Установлена взаимосвязь между основными параметрами технологической схемы проходки скважины грунтопроходчиком. Определен показатель производительности, позволяющий оценить достигнутую скорость проходки по отношению к предельному теоретическому значению.

3 Обоснован выбор конструктивной схемы грунтопроходчика. Показано, что наибольшую производительность для достаточно протяженных скважин (20 м и более) дает схема с последовательным расположением грунтозаборника и ударного привода.

4. Получены экспериментальные данные о величине и характере изменения скорости грунтопроходчика при заборе грунта. Установлена степень влияния нарушения плавности перехода от калибрующей части рассекателя к

грунтоприёмнику на возрастание силы сопротивления при извлечении грунтопроходчика из скважины. Определен характер разделения грунта на уплотняемую и извлекаемую части в зависимости от формы рассекателя.

5. Расчет взаимодействия грунтопроходчика с грунтом строится на основе известного решения задачи о расширении грунтовой полости коническим расширителем, дополненной введением в расчетную схему сил, обусловленных давлением грунта на внутреннюю поверхность грунтопроходчика. Получено упрощенное решение для инженерных расчетов.

6. Обоснована схема воздухораспределительной системы реверсивного пневмоударного привода грунтопроходчика, определены значения основного безразмерного параметра инерционного распределителя системы, обеспечивающие экономичную работу.

7. Разработана инженерная методика расчета основных параметров технологического комплекса для сооружения скважин грунтопроходчиком. Выполнен расчет и разработан проект грунтопроходчика для проходки скважины 0650мм.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Воронцов Д. С. Разработка структурной схемы математической модели пневмоударных устройств и её описание [Текст] / Д. С. Воронцов, И. В. Шелкова // Совершенствование средств механизации путевых, строительных и погрузочно-разгрузочных работ. Сборник научных трудов. Под ред. Б. Н. Смо-ляницкого / СГУПС. - Новосибирск, - 2001. С. 69-79.

2. Воронцов Д. С. Совершенствование воздухораспределительной системы пневмоударных машин для бестраншейных технологий [Текст] / Д. С. Воронцов, А. М. Петреев. // ФТПРПИ. - 2002. - №5. С. 77-84.

3. Воронцов Д. С. Экспериментальные исследования взаимодействия рабочего органа грунтопроходчика с массивом [Текст]. // Тезисы докладов региональной научно-практической конференции: ВУЗы Сибири и Дальнего Востока ТРАНССИБУ - Новосибирск, 2002. С. 159.

Подписано в печать 18.02.2005 1,5 печ. л. Тираж 100 экз. Заказ № 1366

Отпечатано с готового оригинал-макета в издательстве СГУПСа 630049, Новосибирск, ул. Д.Ковальчук, 191

ШУ- os~.ce

666

ВВЕДЕНИЕ

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1. Обзор исследований по внедрению в грунт деформаторов

1.2. Краткий обзор способов образования скважин для прокладки подзем- 12 ных коммуникаций

1.2.1. Устройства, образующие скважины путем вдавливания грунта в стен- 12 ки, образуемой скважины

1.2.2. Устройства, образующие скважины путем удаления грунта из сечения 19 образуемой скважины

ВЫВОДЫ

2. АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ГРУНТОПРОХОД- 34 ЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА НА ДЛИТЕЛЬНОСТЬ ПРОХОДКИ СКВАЖИНЫ. ВЫБОР КОНСТРУКТИВНОЙ СХЕМЫ ГРУНТОПРОХОДЧИКА

2.1. Основные элементы грунтопроходческого комплекса, последователь- 34 ность выполнения работ

2.2. Зависимость скорости проходки скважины от основных параметров 35 системы

2.3. Выбор конструктивной схемы грунтопроходчика 44 ВЫВОДЫ

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ОБРАЗО- 50 ВАНИЯ СКВАЖИНЫ КОМБИНИРОВАННЫМ СПОСОБОМ

3.1. Оборудование и последовательность проведения экспериментов

3.2. Результаты экспериментальной проверки технических решений

3.3. Сопротивление извлечению модели грунтопроходчика из скважины

3.4. Средняя скорость грунтопроходчика при заборе грунта

3.5. Работа рассекателя 68 ВЫВОДЫ

4.ПОСТРОЕНИЕ РАСЧЕТНОЙ СХЕМЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ГРУНТО- 73 ПРОХОДЧИКА С МАССИВОМ

4.1. Расчетная схема процесса образования горизонтальной скважины грун- 73 топроходчиком

4.2. Проверка расчетной схемы взаимодействия грунтопроходчика с мае- 80 сивом по результатам натурных измерений на его физической модели

4.3. Методика упрощенного расчета 85 ВЫВОДЫ

5. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ УДАРНОГО ПРИВОДА С УЧЕТОМ ОСОБЕННОСТЕЙ ГРУНТОПРОХОДЧИКА

5.1. Обоснование принципиальной схемы ударного привода

5.2. Исследование работы воздухораспределителя инерционного типа

5.3. Анализ результатов моделирования и практические рекомендации

5.4. Расчет ударного привода грунтопроходчика 102 ВЫВОДЫ

6. МЕТОДИКА РАСЧЕТА ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ГРУНТОПРО- 108 ХОДЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА

6.1. Расчет параметров лебедки и грунтопроходческого комплекса

Актуальность темы. Бестраншейные технологии прокладки подземных коммуникаций находят все более широкое распространение и в развитых странах становятся преобладающими. Это предопределено существенным ущербом, к которому приводит рытьё траншей в жилых и промышленных зонах.

В основе бестраншейных способов лежит процесс образования скважин в грунтовом массиве. При этом особую сложность представляет проходка скважин, так называемого «непроходного» сечения (диаметром менее 1м), так как управление технологическим процессом в этом случае может осуществляться только снаружи. Применяемые в настоящее время устройства можно объединить в две группы:

Первая группа - это устройства, образующие скважины путем вдавливания грунта в стенки образуемой скважины. Она представлена в основном пневмопро-бойниками. Так получают скважины не более 300 мм. Увеличение диаметра требует значительных энергозатрат.

Вторая группа - это устройства, образующие скважины путем удаления грунта га сечения образуемой скважины. Она включает устройства для ударного внедрения стальных труб открытым концом, с последующей их очисткой. Однако, стальные трубы дороги и в грунте подвержены быстрому разъеданию ржавчиной. В связи с появлением легких и долговечных полиэтиленовых труб широкое распространение получили зарубежные установки для бурения приповерхностных скважин с временным подкреплением стенок скважины буровым раствором. Это установки штангового бурения и микрощиты. Выбуривание грунта по всему сечению скважины и необходимость обеспечить циркуляцию и регенерацию бурового раствора предопределяют высокие энергозатраты, сложность и дороговизну буровых комплексов. Кроме того, гидравлический принцип поддержания временной устойчивости скважины резко усложняет работу при низких температурах.

Наличие отмеченных ограничений делает актуальным создание более простых и менее затратных устройств, позволяющих применять трубы из любого материала и работать по «сухой» технологии без буровых растворов.

Целью работы является обоснование принципиальной схемы, методики расчета и разработка устройства - грунтопроходчика для проходки скважин в уплотняемых грунтах.

Идея работы заключается в оснащении пневмоударной машины кольцевым рабочим органом, который в заданной пропорции разделяет грунт, расположенный в сечении создаваемой скважины, на две части, одна из которых удаляется, а другая - вдавливается в стенки скважины.

Задачи исследований:

1. Определить влияние основных параметров технологической схемы сооружения скважины грунтопроходчиком на скорость проходки скважины.

2. Выявить особенности взаимодействия грунтопроходчика с массивом и обосновать расчетную схему для определения его скорости при заборе грунта.

3. Обосновать схему и соотношение параметров воздухораспределительной системы его пневмоударного привода.

4. Построить методику инженерного расчета основных параметров технологического комплекса и разработать проект грунтопроходчика.

Методы исследований — стендовые эксперименты на моделях устройства, математическое моделирование, компьютерный анализ экспериментального материала и результатов моделирования. Основные научные положения, защищаемые автором.

1. В качестве критерия при выборе параметров технологической схемы проходки следует принимать показатель, определяемый отношением планируемой скорости проходки скважины к её предельному теоретическому значению.

2. При клиновидной форме продольного сечения рассекателя с углом, меньшим угла трения, расчетное давление лобового сопротивления грунта, усредненное по конической поверхности рассекателя грунтопроходчика аппроксимируется линейной функцией радиуса скважины.

3. Снижение расхода воздуха на привод грунтопроходчика с инерционным распределителем достигается уменьшением произведения отношений масс и рабочих площадей ударника и распределителя.

Достоверность научных результатов. Достоверность научных положений подтверждена необходимым объемом экспериментальных исследований моделей, сопоставимостью аналитических расчетов с экспериментальными результатами.

Новизна научных положений.

1. Получены зависимости между основными параметрами (шаг, скорость транспортирования и забора грунта, время разгрузки грунтоприемной капсулы) технологической схемы работы грунтопроходчика, установлен критерий для выбора их рациональных значений.

2. Обоснована и построена расчетная схема взаимодействия грунтопроходчика с массивом.

3. Выполнено аналитическое исследование инерционного распределителя пневмоударного привода грунтопроходчика и определен диапазон рациональных значений его параметров.

Личный вклад автора заключается: в постановке и проведении экспериментов по исследованию взаимодействия грунтопроходчика с массивом; в обработке экспериментальных данных и их математической интерпретации; в разработке рекомендаций к проектированию грунтопроходчика в целом и отдельных его узлов для осуществления комбинированного метода проходки скважин.

Практическая ценность. Разработан алгоритм расчета основных параметров технологического комплекса для сооружения скважин грунтопроходчиком. Даны рекомендации по проектированию и разработан проект грунтопроходчика.

Реализация работы в промышленности. Производственной фирмой "АК-ВА+" г. Санкт -Петербург, принято решение об использовании основных результатов исследований и изготовлении грунтопроходчика по предложенной схеме для проходки скважин 0440 мм.

Апробация работы. Отдельные результаты работы докладывались на конференциях: "Интеллектуальный потенциал Сибири" (Новосибирск, 2000), "ВУЗы Сибири и Дальнего Востока ТРАНССИБУ" (Новосибирск, 2002) и семинарах кафедры "Механизации." СГУТТС.

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 3 печатных работах.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 6 глав, выводов, списка литературы. Содержит 123 страницы машинописного текста, включая 75 рисунков, 14 таблиц и список литературы из 85 наименований.

ВЫВОДЫ

1. Силы трения, обусловленные весом подвижных элементов системы, существенного влияния на работу инерционного распределителя не оказывают.

2. Наиболее удобным и эффективным способом управления временем срабатывания инерционного распределителя является изменение безразмерного соотношения конструктивных параметров машины y/ = (s-M)/(sx -т).

3. При 0.3 >(//-> 0 перекрытие сквозной протечки сжатого воздуха из рабочей камеры машины в атмосферу может быть обеспечена инерционным элементом ещё до остановки ударника в конце обратного хода. Перекрытие сквозного потока «магистраль — Vi - V2 — атмосфера» происходит довольно поздно по отношению ко времени остановки ударника, что накладывает ограничения на применение инерционного распределителя при у/>0.6.

4. Инерционный распределитель золотникового типа обладает большими потенциальными возможностями реализации условия у->0, т. е. по быстродействию, нежели простейший клапанный.

6. МЕТОДИКА РАСЧЕТА ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ГРУНТОПРО

ХОДЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА

6.1. Расчет параметров лебедки и грунтопроходческого комплекса

На данном этапе, определив, как и какие параметры влияют на работу грунтопроходческого комплекса можно построить методику расчета его основных параметров.

Так как ударный привод пневматический, то в качестве тягового привода грунтопроходчика удобно использовать пневматическую лебедку. В качестве известных (исходных) параметров для расчета в данном случае принимается производительность компрессора QK и характеристики пневмодвигателя лебедки: расход воздуха - (2дв, номинальная мощность - Рдв, крутящий момент на валу двигателя — Где, частота вращения вала — «дв.

Расчетная схема работы грунтопроходческого комплекса приведена на рисунке 6.1. Комплекс работает в трех режимах:

- режим транспортирования пустого грунтопроходчика к забою;

- режим забора грунта, включен ударный привод, лебедка подтягивает грунтопроходчик к забою;

- режим транспортирования заполненного грунтопроходчика к месту разгрузки (входной приямок).

Специфика работы такого комплекса в режиме забора грунта грунтопро-ходчиком состоит в одновременном питании сжатым воздухом как привода грунтопроходчика, так и тягового привода - лебедки. При подтягивании грунтопроходчика к забою 1/4 объема сжатого воздуха производимого компрессором идет на питание лебедки, 3/4 объема - на питание его ударного привода. Данное утверждение справедливо для пневматических лебедок тягового класса до 5 т, в которых применяются радиально-поршневые пневмомоторы.

1 - компрессор, 2 - грунтопроходчик, 3 - пневмодвигатель, 4 - редуктор, 5 - барабаны, 6 - тяговый канат

Рисунок 6.1- Расчетная схема грунтопроходческого комплекса

Первым этаном расчета является определение максимальной ударной мощности привода грунтопроходчика NyA:

6.1)

Яуд где Qyjl - расход воздуха (0УД =0.75-^); qy/J - удельный расход воздуха (для ударных машин с упругим клапаном и 1,2 кг/м кВт [76]).

По полученной величине можно рассчитать основные характеристики и конструктивные параметры ударного привода грунтопроходчика, к которым относятся энергия удара, частота ударов, расход воздуха и т.д.

Следующим этапом идет определение сил сопротивления движению грунтопроходчика в массиве по полученным в разделе 4 зависимостям: сила лобового сопротивления (4.20), сила внешнего бокового сопротивления (4.21), сила внутреннего бокового сопротивления (4.7), сила трения на ребре (4.13).

Из полученных значений, для дальнейших расчетов, нам необходима величина силы внешнего бокового сопротивления —Ft, которая определяет значение силы, развиваемой тяговым приводом, необходимой для отрыва заполненного грунтопроходчика от забоя. По этому значению с запасом (~20%) определяем необходимое тяговое усилие лебедки:

Мд>М = 1.2^б, (6.2)

Таким образом, требуемое значение передаточного отношения от вала двигателя до барабана лебедки:

6.3)

Т'Лпр где г - радиус барабана; Т - крутящий момент на валу двигателя; rjw — общий к.п.д. пневматической лебедки (т/пр = 0,65). Скорость забора грунта: vA (6-4) где F0 - равнодействующая сил сопротивления (4.5).

Скорость транспортирования грунтопроходчика может быть определена из выражения:

6-5) где п6 - частота вращения барабана лебедки, определяемая соотношением:

6-6) i

Теперь можем определить безразмерную скорость движения грунтопроходчика при заборе грунта (скорость разработки грунта) - v« (2.16).

Шаг проходки (длина капсулы) при заданных а иг находится по зависимости (2.19). Скорость проходки скважины определяется по зависимости (2.15). Длительность проходки скважины:

Т = (6.7)

V-v

Предварительный расчет представлен в табл. 6.1, 6.2. В качестве примера приведены результаты расчета параметров комплекса для создания скважины длиной 30 м в суглинке средней плотности на глубине 2 м. Исходные данные и результаты расчета представлены в табл. 6.1 и 6.2.

Параметр Обозначение Величина

Длина скважины, м LCKB 30

Диаметр скважины, м ■^скв 0.65

Глубина заложения скважины, м h 2

Коэффициент трения «металл-грунт» ki 0.6

Коэффициент снижения бокового давления 0.15

Радиус рассекателя, внешний, м R\ 0.325

Радиус рассекателя, внутренний, м Ro 0.295

Длина калибрующей части рассекателя, м li 0.35

Длина внутренней рабочей поверхности рассекателя, м l2 0.2

Угол заострения конической поверхности рассекателя, град P 15

Площадь боковой поверхности ребра, 3 шт., м2 sp 0.5

Производительность компрессора, м3/мин Q. 12

Пневмомо-тор Расход воздуха, м7мин 0ДВ 12,2

Номинальная мощность, кВт Ppp 12

Крутящий момент на валу двигателя, Нм T№ 153

Частота вращения вала, с"1 «ДВ 12,5

Коэффициент передачи энергии к Лпер 0.17

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является научно-квалификационной работой, в которой изложены научно обоснованные технические и технологические разработки, имеющие существенное значение для экономики страны, заключающиеся в создании новых комплексов для бестраншейной прокладки подземных коммуникаций.

Наиболее важные научные и практические результаты выполненных исследований заключаются в следующем:

1. Анализ существующего мирового рынка бестраншейных технологий, который пока подавляющим образом представлен зарубежной техникой (сложной и достаточно дорогой), показал необходимость в создании более простых и дешевых средств для создания скважин непроходного сечения от 300 до 900 мм в уплотняемых грунтах.

2. Установлена взаимосвязь между основными параметрами технологической схемы проходки скважины грунтопроходчиком. Определен показатель производительности, позволяющий оценить достигнутую скорость проходки по отношению к предельному теоретическому значению.

3. Обоснован выбор конструктивной схемы грунтопроходчика. Показано, что наибольшую производительность для достаточно протяженных скважин (20 м и более) дает схема с последовательным расположением грунтозаборника и ударного привода.

4. Получены экспериментальные данные о величине и характере изменения скорости грунтопроходчика при заборе грунта. Установлена степень влияния нарушения плавности перехода от калибрующей части рассекателя к грунто-приёмнику на возрастание силы сопротивления при извлечении грунтопроходчика из скважины. Определен характер разделения грунта на уплотняемую и извлекаемую части в зависимости от формы рассекателя.

5. Расчет взаимодействия грунтопроходчика с грунтом строится на основе известного решения задачи о расширении грунтовой полости коническим расширителем, дополненной введением в расчетную схему сил, обусловленных давлением грунта на внутреннюю поверхность грунтопроходчика. Получено упрощенное решение для инженерных расчетов.

6. Обоснована схема воздухораспределительной системы реверсивного пневмоударного привода грунтопроходчика, определены значения основного безразмерного параметра инерционного распределителя системы, обеспечивающие экономичную работу.

7. Разработана инженерная методика расчета основных параметров технологического комплекса для сооружения скважин грунтопроходчиком. Выполнен расчет и разработан проект грунтопроходчика для проходки скважины 0650мм.

1. Вазетдинов А. С. Проходка горизонтальных скважин под кабелепроводы вибропроколом и гидромеханизированным способом Текст. / А. С. Вазетдинов//Госстройиздат, 1961. С. 19.

2. Васильев Н. В. Закрытая проходка трубопроводов Текст. / Н. В. Васильев // Недра, М., 1964. С. 214.

3. Кершенбаум Н. Я. Виброметод в проходке горизонтальных скважин Текст. / Н. Я. Кершенбаум, В. И. Минаев //Недра, М., 1956. С. 153.

4. Кершенбаум Н. Я. Проходка горизонтальных и вертикальных скважин ударным способом Текст. / Н. Я. Кершенбаум, В. И. Минаев // Недра, М., 1984. С. 245.

5. Савинов О. А. Вибрационный метод погружения свай и его применение в строительстве Текст. / О. А. Савинов, А. Я. Лускин // Госстройиздат, Л., 1960. С. 251.

6. Тернецкий Л. Н. Экспериментальное исследование горизонтального виброударного продавливания труб Текст. / Л. Н. Тернецкий // Основания, фундаменты и механика грунтов. 1967. - №1.

7. Баркан Д. Д. Виброметод в строительстве Текст. / Д. Д. Баркан // Госстройиздат, М., 1959. С. 315.

8. Зеленин А. Н. Основы разрушения грунтов механическими методами Текст. / А. Н. Зеленин // Машиностроение, М., 1968. С. 375.

9. Спектор М. Б. Исследование процесса виброударной проходки горизонтальных скважин в грунте Текст. // Кандидатская диссертация, Киев, 1968.

10. Блехман И. И. Исследование процесса вибрационной забивки свай и шпунтов Текст. / И. И. Блехман // Инж. Сборник АН СССР т. 19 - 1964.

11. Шехтер О. Я. Определение параметров зависимости между напряжениями и перемещениями при ударном испытании свай Текст. / О. Я. Шехтер // Труды НИИОСП. Вып. 55., Госстройиздат, М., 1964.

12. Котюков Д. А. Бестраншейная прокладка подземных коммуникаций методомпротаскивания Текст. / Д. А. Котюков // Механизация строительства. 1962. -№11.

13. Лавров Г. Е. Механизация бестраншейной прокладки труб Текст. / Г. Е. Лавров // Механизация строительства. 1963. - №7.

14. Лавров Г. Е. Строительство переходов трубопроводов под дорогами Текст. / Г. Е. Лавров //ВНИИСТ Главгаза СССР. М., 1961. С. 100.

15. Лавров Г. Е. Современные машины горизонтального бурения Текст. / Г. Е. Лавров//Гостехиздат. М., 1961. С. 87.

16. Тупицин К. К. О процессе взаимодействия пневмопробойников с грунтом Текст. / К. К. Тупицин // ФТПРПИ. 1980. - №4.

17. Чередников Е. Н. Исследование процесса проходки скважин пневмопробой-никами Текст. / Кандидатская диссертация. — Новосибирск: ИГД СО АН СССР, 1970. С. 160.

18. Бабаков В. А. Об одном варианте расчета пневмопробойника в грунте Текст. / В. А. Бабаков // Горные машины. Новосибирск: ИГД СО АН СССР, 1980.

19. Смирнов А. Л. Расчет процесса ударного погружения свай в грунт Текст. У А. Л. Смирнов // ФТПРПИ 1989. - №4.

20. Ткач X. Б. О проходке скважин в грунте пневмопробойниками Текст. / X. Б. Ткач // ФТПРПИ 1991. - №6.

21. Исаков А. Л. Напряженно-деформированное состояние массива грунта при движении в нем пневмопробойника Текст. / А. Л. Исаков, А. К. Ткачук // ФТПРПИ.-2000.-№2.

22. Григоращенко В. А. Укрепление оснований пневмопробойниками Текст. / В. А. Григоращенко, А. Е. Земцова, А. Л. Исаков, Ю. Б. Рейфисов // Новосибирск. ИГД СО АН СССР, 1990.

23. Покровский Г. И. Действие удара и взрыва в деформируемых средах Текст. / Г. И. Покровский, И. С. Федоров //М., 1967. С. 276.

24. Преображенская Н. А. Экспериментальные данные о погружении и извлечении шпунта и свай вибрированием в песчаных грунтах Текст. / Н. А. Преображенская // Труды НИИОснований, М., 1968.

25. Перлей Е. М. Об изменении истинных характеристик внешнего и внутреннего трения движения грунтов под влиянием вибрации Текст. / Е. М. Перлей // Труды ВНИИГС, Вып. 17.-М.: Стройиздат, 1964.

26. Бирюков A. JI. Деформации в грунтах при погружении свай Текст. / A. JI. Бирюков // Стройиздат, М., 1967.

27. Галицкий В. Г. Исследование метода глубинного уплотнения просадочных грунтов Текст. / В. Г. Галицкий// Труды НИИОСП, Вып. 66. / Стройиздат, М., 1962.

28. Лебедев А. Ф. Уплотнение грунтов при различной влажности Текст. / А. Ф. Лебедев // Стройвоенмориздат, М., 1959.

29. Тимошенко В. К. Влияние формы наконечника на усилие прокола Текст. / В. К. Тимошенко // Строительство трубопроводов. 1968. - №4.

30. Гончаров Б. В. О сопротивлении грунта при вдавливании свай Текст. / Б. В. Гончаров // Основания, фундаменты и механика грунтов. 1966. - №6.

31. Герсеванов Н. М. Определение сопротивления свай Текст. / Н. М. Герсева-нов // Т. 4., Стройвоенмориздат, М., 1959.

32. Попов Б. П. Обобщение формул для определения сопротивления свай Текст. / Б. П. Попов // Сб. Механика грунтов. Стройиздат, М., 1967.

33. Костылев А. Д. Исследование и состояние пневматических машин ударного действия для пробивания скважин в грунте Текст. / Докторская диссертация. Новосибирск: ИГД СО АН СССР, 1971.

34. Петреев А. М. Проходка скважин пневмопробойниками и ударными устройствами с кольцевым инструментом Текст. / А. М. Петреев, Б. Н. Смоляниц-кий, Б. Б. Данилов // ФТПРПИ 2000. - №6. С. 53-58.

35. Тарасов В. Н. Расчет параметров прочности грунта Текст. / В. Н. Тарасов, С. М. Кузнецов // Строительные и дорожные машины. — 2001. -№12. С. 34-37.

36. Месинов В. М. О методических рекомендациях по расширению применения методов бестраншейной прокладки подземных коммуникаций Текст. / В. М. Месинов // Механизация строительства. 2000 - №10.

37. Пестов Г. Н. Закрытая прокладка трубопроводов Текст. / Г. Н. Пестов //1. Стройиздат, М., 1964.

38. Демченко Е. А. Как развивать щитовой способ строительства городских тоннелей Текст. / Е. А. Демченко // Механизация строительства. 1990 - №8.

39. Власов С. Н. Новые технологии для бестраншейной прокладки коммуникаций Текст. / С. Н. Власов// Механизация строительства. 1993 —№10. С. 49.

40. Караваев Н. П. Перспектива развития техники для бестраншейной прокладки трубопроводов Текст. / Н. П. Караваев, Г. П. Баландюк // Механизация строительства. 1993 - №7. С. 16-19.

41. Ткач X. Б. Бестраншейные технологии создания в грунте горизонтальных скважин и трубопроводов Текст. / X. Б. Ткач, В. М. Сбоев // Изв. ВУЗов, Строительство. 1997 - №3.

42. Авдеев В. В. Прокладка трубопроводов под путями железных дорог способом пробивания Текст. / В. В. Авдеев // Сб. материалов по обмену опытом. Вып. №4 (25). Госстройиздат, 1957.

43. Баландинский Е. Д. Бестраншейная прокладка коммуникаций Текст. / Е. Д. Баландинский, В. А. Васильев // Механизация строительства. — 1991 №9. С. 14-16.

44. Быков В. И. Оборудование для пробивки скважин в грунте Текст. / В. И. Быков, В. П. Потемкин//Механизация строительства. 1990 - №2. С. 9-11.

45. Тупицин К. К. Управляемые пневмопробойники Текст. / К. К. Тупицин, А. Д. Костылев, Е. Н. Чередников, А. Т. Караваев // Строительные и дорожные машины. 1998-№3. С. 16-19.

46. Менее И. М. Прокладка труб методом прокола Текст. / И. М. Менее // Жилищное коммунальное хозяйство. — 1961. №5.

47. Гурков К. С. Дальнейшее развитие применения пневмопробойников в строительстве Текст. / К. С. Гурков, Ф. М. Муталов, Б. Н. Смоляницкий // Механизация строительства. 1993 -№1. С. 9-11.

48. Гурков К. С. Пневмопробойники Текст. / К. С. Гурков, В. В. Климашко, А. Д. Костылев и др. / Новосибирск, 1990. С. 218.

49. Добросельский П. В. Адаптирующиеся пиевмопробойники для бестраншейных технологий Текст. / П. В. Добросельский // Строительные и дорожные машины. 1999-№1. С. 19-21.

50. Абраменков Д. Э. Пиевмопробойники для проходки лидерных скважин Текст. / Д. Э. Абраменков, Э. А. Абраменков, С. А. Малышев, А. А. Надеин, Р. Ш. Шабанов //Механизация строительства. 1996 -№5. С. 14-15.

51. Бессолов П. П. Внедрение щитов малого диаметра одно из рациональных направлений закрытой прокладки полупроходных трубопроводов в России Текст. / П. П. Бессолов, А. Ю. Синицин // Механизация строительства. — 2000-№6. С. 11-16.

52. Бобылев JT. М. Рабочий орган для раскатки скважин в грунте Текст. / JI. М. Бобылев, A. JI. Бобылев // Механизация строительства. 1996 - №10. С. 2627.

53. Бобылев Л. М. Установка для бестраншейной прокладки коммуникаций Текст. // Л. М. Бобылев, A. JI. Бобылев, Г. К. Прохоренко, О. А. Мурашов // Строительные и дорожные машины. 1999 - №10. С.7-8.

54. Гилета В. П. Проходка скважин с частичной экскавацией грунта Текст. / В. П. Гилета, Б. Н. Смоляницкий // Строительные и дорожные машины. 2001 -№4. С. 7-9.

55. Дзильно А. А. Новый способ бестраншейной прокладки подземных коммуникаций Текст. / А. А. Дзильно, В. Д. Жадан // Строительные и дорожные машины.- 1993-№11-12. С. 16-18.

56. Добросельский П. В. Оборудование для бестраншейной укладки подземных коммуникаций Текст. / П. В. Добросельский, Н. Я. Лукичев // Строительные и дорожные машины. 1996 - №7.

57. Кривцов В. А. Устройство взрывным способом бестраншейных переходов под дорогами Текст. / В. А. Кривцов, Д. Я. Врубель // Строительство трубопроводов. — 1967. — №5.

58. Баркан Д. Д. Виброударная установка горизонтального бурения Текст. / Д. Д. Баркан, Н. Я. Кершенбаум, В. И. Минаев // Труды МИНХиГП им. И. М.1. Губкина. Недра, М., 1964.

59. Кюн Г. Закрытая прокладка непроходных трубопроводов. Текст. / Г. Кюн, JI. Шойбле, X. Шлик // Стройиздат, М., 1993. С. 168.

60. Минаев В. И. Обоснование метода виброударного прокола грунтовых препятствий Текст. / В. И. Минаев // Строительство трубопроводов 1964 -№7.

61. Балаховский М. С. На Российском рынке американская фирма "Vermeer" Текст. / М. С. Балаховский // Механизация строительства. - 2000 - №10. С. 2-7.

62. Новая управляемая буровая установка фирмы Tracto-Technik Текст. // Строительные и дорожные машины. 1994 - №12. С. 13-14.

63. Руднев В. К. Бестраншейная прокладка трубопроводов Текст. / В. К. Руднев, Н. Д. Каслин // Строительные и дорожные машины. 1994 - №5. С. 12-15.

64. Скачков К. Б. Пневмоударные устройства для образования скважин в грунте Текст. / К. Б. Скачков // Механизация строительства. 1997 - №11. С. 16-17.

65. Смоляницкий Б. Н. Новые пневмоударные машины Института горного Дела СО РАН Текст. / Б. Н. Смоляницкий, В. В. Червов, К. Б. Скачков // Строительные и дорожные машины. 2001 - №12.

66. Смоляницкий Б. Н. Новые пневмоударные машины "Тайфун" для специальных строительных работ Текст. / Б. Н. Смоляницкий, В. В. Червов, В. В. Трубицин, И. В. Тищенко, И. Э. Вебер // Механизация строительства. 1997 -№7. С. 5-8.

67. Способ образования скважин в грунте и пневмоударное устройство для его осуществления. RU 2181816 С1.

68. Гилета В. П. Создание и совершенствование пневмоударных устройств для проходки горизонтальных скважин способом виброударного продавливания Текст. / Докторская диссертация. Новосибирск: ИГД СО РАН, 1997.

69. Исаков А. Л. Задача о расширении грунтовой полости при бестраншейной замене подземных коммуникаций Текст / A. JI. Исаков, А. Е. Земцова // ФТПРПИ. -1998.-№3.

70. Земцова А. Е. Исследование процесса взаимодействия конического расширителя с грунтом и разрушаемой трубой при бестраншейной замене коммуникаций Текст. / Кандидатская диссертация. Новосибирск: ИГД СО РАН, 1998.

71. Сагомонян А. Я. Проникание Текст. / А. Я. Сагомонян // МГУ, М., 1974.

72. Рахматуллин X. А. Вопросы динамики грунтов Текст. / X. А. Рахматуллин, А. Я. Сагомонян, Н. А. Алексеев // МГУ, М., 1964.

73. Гилета В. П. Исследование и создание пневмоударного самодвижущегося грунтозаборного устройства для очистки кожухов от грунта при бестраншейной прокладке коммуникаций Текст. / Кандидатская диссертация. Новосибирск: ИГД СО АН СССР, 1981.

74. Швец В. Б. Справочник по механике и динамике грунтов Текст. / В. Б. Швец, JI. К. Гинзбург, В. М Гольдштейн // Буд1вельник, Киев, 1987.

75. Исаков A. JI. О классификации грунтов без жестких структурных связей по их прочностным характеристикам Текст. / ФТПРПИ 2000. - №6. С. 26-29.

76. Петреев А. М., Показатели экономичности и совершенствование пневмомо-лотов Текст. / А. М. Петреев, Б. Н. Смоляницкий // Известия высших учебных заведений.-2001. №8. С.111-115.

77. Тупицын К. К. Исследование некоторых типов пневматических машин ударного действия и разработка перспективных направлений их совершенствования Текст. / Докторская диссертация. Новосибирск, 1980.

78. Есин Н. Н. Погружные пневматические машины ударного действия для бурения скважин Текст. / Новосибирск: Наука, 1976.

79. Патент РФ № RU 2085363 С1. Устройство ударного действия Текст. / Б. И. 1997. №21.

80. А. с. №998740 Пневматический ударный механизм Текст. Гаун В. А. / Б. И. 1983. №7.

81. Гаун В. А. О пропускной способности воздухораспределения с упругим клапаном Текст. / Пневматические буровые машины. Сборник научных трудов -Новосибирск. 1984.

82. Патент РФ № RU 2105881 С1. Устройство ударного действия Текст. / Б. И. 1998. №6.

83. Воронцов Д. С. Совершенствование воздухораспределительной системы пневмоударных машин для бестраншейных технологий Текст. / Д. С. Воронцов, А. М. Петреев. // ФТПРПИ. -2002. №5. С. 77-84.

84. Иосилевич Г. Б. Прикладная механика / Г. Б. Иосилевич // Учебник для ма-шиностроит. спец. вузов. М., 1989. С. 375.