автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.04, диссертация на тему:Определение параметров штангового рабочего органа с суммирующим газодинамическим интенсификатором для разрушения мерзлых грунтов

ВВЕДЕНИЕ.'.

ГЛАВА I. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ 1.1. Анализ способов и средств разработки и подготовки мерзлых грунтов к экскавации.

1.2. Анализ методов и устройств для разработки мерзлых грунтов энергией газа высокого давления ГВД

1.3. Анализ экспериментальных и теоретических исследований процесса разрушения мерзлых и прочных пород энергией газа высокого давления.

ВЫВОДЫ Ш ГЛАВЕ

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

ГЛАВА 2. АНАЛИТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА РАЗРУШЕНИЯ МЕРЗЛЫХ ГРУНТОВ УСТРОЙСТВОМ АШРОСГИ -АДАПТИРУЮЩИМСЯ ШТАНГОВЫМ РАБОЧИМ ОРГАНОМ С СУММИРУЮЩИМ ГАЗОДИНАМИЧЕСКИМ ИНТЕНСИФИКАТОРОМ 2.1. Реализация результатов анализа предпосылок по повышению эффективности процесса разрушения мерзлых грунтов в стесненных условиях

2.2. Определение параметров процесса разрушения мерзлого грунта устройством АШРОСГИ

2.2.1. Определение параметров импульса ГВД при разрушении массива в верхнем уровне

2.2.2. Определение параметров импульса ГВД при разрушении массива в нижнем уровне

2.2.3. Определение времени задержки между верхним и нижним импульсами ГВД.

2.2.4. Определение параметров адаптирующего клапана

2.2.5. Определение удельной энергоемкости и производительности процесса.

2.3. Формирование критериев подобия и выбор метода моделирования процесса разрушения мерзлых грунтов устройством АШРОСГИ.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ.

ГЛАВА 3. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ, ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ

3.1. Экспериментальное оборудование и исследуемые рабочие органы.

3.2. Разработка эквивалентного материала, моделирующего натурный мерзлый грунт .ИЗ

3.3. Этапы проведения экспериментальных исследований. Методика проведения эксперимента и обработка результатов

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ.

ГЛАВА 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

ПРОЦЕССА РАЗРУШЕНИЯ ГРУНТОВ УСТРОЙСТВОМ АШРОСГИ

4.1. Влияние определяющих параметров на эффективность разрушения грунта раздельными импульсами ГВД в одном и двух уровнях

4.2. Исследование влияния основных параметров адаптирующего клапана на процесс разрушения грунта.

4.3. Исследование временных параметров и механизма, разрушения грунта импульсами ГВД.

4.4. Исследование процесса разрушения грунта устройством АШРОСГИ.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ.

ШВА 5. РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ОПРЕДЕЛЕНИЮ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ УСТРОЙСТВА АШРОСГИ

5.1. Методика расчёта и выбора параметров устройства АШРОСГИ

5.2. Рекомендации по проектированию сменного навесного оборудования к гидравлическим экскаваторам адаптирующегося штангового рабочего органа с суммирующим газодинамическим интенсификатором

5.3. Определение области рационального применения мерзлоторыхлителя ВРГИ

5.4. Оценка экономической эффективности внедрения в производство результатов исследований.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ, ВЫВОДЫ И

НАПРАВЛЕНИЯ ДАЛЬНЕЙШИХ ИССЛЕДОВАНИЙ.

В основных направлениях об экономическом и социальном разви-' тии СССР на 1981-1985 годы и на период до 1990 года указывается на необходимость скорейшего изучения путей совершенствования существующего и создания более эффективного нового оборудования для разработки мерзлых грунтов /I/.

В настоящее время в Советском Союзе в отраслях строительства разрабатывается свыше 1,2 млрд.м3 мерзлых грунтов, в т.ч. вручную около 125 мян.м3. Стоимость механизированной подготовки о

I м мерзлого грунта душ последующей экскавации составляет от 0,18 до 0,87 руб., а при использовании ручного труда эта стоимость возрастает до 4,0 руб. и более. Применение несовершенных механизмов при разработках мерзлого грунта, как показывает практика, приводит к фактической стоимости разработки I м3 мерзлого грунта до 4-5 руб./2/.

Большой вклад в решение основных задач проблемы повышения эффективности процесса разработки мерзлых грунтов вносят ведущие организаций: ВШИСтройдормаш, ЦНИИС, ЦНИИОШП, ВНИИЗеммаш и другие. Изучению механического разрушения мерзлых грунтов посвящены работы А.Н. Зеленина, Н.Г. Домбровского, В.И. Баловнева, Д.И. Федорова, В.К. Руднева, Ю.А. Ветрова, М.й. йльперина, В.Д. Абезгауза, И.А. Недорезова, Н.Ф. Федотова, А.Ф. Николаева, Д.А. Лозового, В.Л. Баладинекого.

До настоящего времени остается не решенным вопрос механизации так называемых "небольших" объемов работ в стесненных условиях, причем до 30 % этих работ выполняются вручную.

Поэтому разработка прогрессивных конструкций мерзлоторыхли-тельного оборудования для разработки мерзлых грунтов в стесненных условиях является актуальной проблемой, имеющей важное народнохозяйственное значение.

Существующее для этой цели оборудование: ударные и винто-клиновые рыхлители, пневмо- и гадромолоты, т.е. оборудование с механическим принципом воздействия на среду /3,4/, отличается невысокой производительностью,быстрым износом, высокой энергоемкостью, нуждается в подготовке забоя, чувствительно к механическим включениям, что снижает надежность этого оборудования, которое также обладает невысокой адаптацией, т.е. приспосабливае-мостью к грунтовым условиям.

Существенно повысить эффективность процесса разрушения мерзлых грунтов в стесненных условиях строительства можно за счет использования энерши газа высокого давления.

Процессы разработки грунтов оборудованием с газоимпульсным воздействием на среду исследовали д.т.н. В.И. Баловнев»Ю.Д.Красников, к.т.н. A.A. Яркин, JI.A. Резник,Е.И. Чижик, В.Н. Нерадов, А.Н. Пикушев, З.А. Кравцов, А.Б. Ермилов,!.В. СеледцовД.В.Фролов, Б. Мяотковски., B.C. Ивкин, С.А. Макаров, зарубежные ученые Р.Б. Браун, И.В. Вуд, Р.Д. Висмер, Д.М. Кларк, Д.В. Колбурн, Т. Р. Блай, Д. iL'. Фогельсон.

В Саратовском политехнинеском институте на кафедре "Машиноведение" Балаковского филиала совместно с кафедрой "Дорожно-строительных машин" Московского автомобильно-дорожного института ведутся работы по исследованию и созданию штанговых рабочих органов, оснащенных газодинамическим интенсификатором. Отличительной особенностью разрабатываемых рабочих: органов является разрушение массива мерзлого грунта с использованием эффекта суммирующего воздействия на массив импульсов газа высокого давления (импульсов Ш) , подаваемых в зону разрушения с кратковременной задержкой, а так^же адаптация параметров импульса ГВД к грунтовым условиям.

Отсутствие сведений по исследованию таких рабочих органов определило необходимость проведения настоящей научно-исследовательской работы, которая посвящена изучению процесса разработки мерзлых грунтов адаптирующимся штанговым рабочим органом с суммирующим газодинамическим интенсиажка тором. Целью работы является повышение эффективности рабочих органов машин для разработки мерзлых грунтов в стесненных условиях строительства и существенное снижение трудовых ж энергетических ресурсов при выполнении этих видов работ на базе создания ж использования адаптирующегося штангового рабочего органа с суммирующим газодинамическим интенсишикатором.

Научная новизна работа представлена следующими результатами:

- установленными зависимостями, определяющими изменение давления газа в рабочих камерах для верхнего и нижнего импульсов газа, а так/же изменение работы поршневого действия газов на разрушение

1рунта в зависимости от глубины рыхления,прочностных и упрушх свойств грунта , диаметра винтовой лопасти в условиях суммирующего воздействия импульсов газа на массив;

- установленной зависимостью, определяющей изменение времени задержки межцу -импульсами- газа в зависимости от глубины рыхления верхним импульсом газа > прочностных и упрушх свойств грунта, расхода газа через выхлопные отверстия;

- зависимостями, определяющими влияние на зазор мевду поршнем и седлом адаптирующего клапана и на время его срабатывания прочностных и упрушх свойств грунта, глубины рыхления, времени задержки между импульсами, диаметра винтовой лопасти, параметров адаптирующего клапана - жесткости пружины, массы пружины и поршня;

- зависимостями, определяющими влияние на удельную энергоемкость и производительность процесса разрушения грунта устройством АШРОСШ давления газа и объема рабочих камер, глубины рыхления, прочностных и упрушх свойств грунта, времени задержки между 'импульсами, времени срабатывания адаптирующего клапана.

- полученными критериями подобия и формулами перехода от параметров модели к параметрам оригинала;

- полученными математическими регрессионными уравнениями изменения удельной энергоемкости процесса и объема разрушения в зависимости от давления газа, прочности грунта и глубины рыхления;

- разработанной методикой расчета основных параметров адаптирующегося штангового рабочего органа с суммирующим газодинамическим интенсифика тором.

Практическая ценность работы заключается в разработке схемы рабочего органа для разрушения массива последовательными во времени импульсами газа, параметры которых адаптируются к грунтовым условиям, а также рекомендаций душ определения основных параметров рыхлительного оборудования, режимов работы и области его применения. На основании проведенных исследовании разработана проектно-техни-ческая -документация на сменное навесное оборудование к гидравлическим экскаваторам Э0-2621,30-3322, по которой изготовлен экспериментальный образец мерзлоторыхлителя ВРШ на базе экскаватора ЭО-2621.

На защиту выносятся:

- зависимости, определяющие изменение давления газа в рабочих камерах для верхнего и нижнего импульсов газа, а также изменение: работы поршневого действия газов на разрушение грунта в зависимости от глубины рыхления, прочностных и упругих свойств грунта, диаметра винтовой лопасти в условиях суммирующего воздействия импульсов газа на массив;

- зависимость, определяющую изменение времени задержки меаду импульсами газа в зависимости от глубины рыхления верхним импульсом газа, прочностных и упрушх свойств грунта, расхода газа через выхлопные отверстия;

- зависимости, определяющие влияние на зазор между поршнем и седлом адаптирующего клапана и на время его срабатывания прочностных и упругих свойств грунта, глубины рыхления, времени задержки медцу 'импульсами, диаметра винтовой лопасти, параметров адаптирующего клапана - жесткости пружины, массы пружины и поршня;

- зависимости,определяющие влияние на удельную энергоемкость и производительность процесса разрушения грунта устройством АШРСХЖ давления газа и объема рабочих камер, глубины рыхления, прочностных и -упругих'свойств грунта, времени задержи мезкду импульсами, времени срабатывания адаптирующего клапана;

- критерии подобия и формулы перехода от параметров модели к параметрам оригинала;

- математические регрессионные уравнения изменения удельной энергоемкости процесса и объема разрушения грунта в зависимости от давления газа, прочности грунта и глубины рыхления;

- методика расчета основных параметров адаптирующегося штангового рабочего органа с суммирующим газодинамическим интенсифика-тором.

Целесообразность проведения настоящей работы определена результатами научных предпосылок и предварительно проведенного сравнительного технико-экономического анализа.

Работа выполнена на кафедре "Машиноведение11 Балаковского филиала Саратовского ордена Трудового Красного Знамени политехнического института в соответствии с заказом треста "Балакововодстрой" Главного управления по ирригации и строительству совхозов в Саратовской области.

Автор выражает глубокую признательность кандидату технических наук Фролову A.B. за научное руководство и доктору технических наук Баловневу В.И. за постоянное внимание к работе и ценные обсуждения.