автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.04, диссертация на тему:Оценка влияния элементов ударной системы пневмомолота на эффективность погружения в грунт обсадной трубы при бестраншейной прокладке подземных коммуникаций

005046247

На правах рукописи

О

Смоленцев Александр Сергеевич

ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ УДАРНОЙ СИСТЕМЫ ПНЕВМОМОЛОТА НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПОГРУЖЕНИЯ В ГРУНТ ОБСАДНОЙ ТРУБЫ ПРИ БЕСТРАНШЕЙНОЙ ПРОКЛАДКЕ ПОДЗЕМНЫХ КОММУНИКАЦИЙ

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

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Новосибирск - 2012

005046247

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте горного дела им. Н. А. Чинакала Сибирского отделения РАН в лаборатории механизации горных работ

доктор технических наук, профессор Смоляницкий Борис Николаевич

доктор технических наук Данилов Борис Борисович

кандидат технических наук, доцент Сырямин Юрий Николаевич

Новосибирский государственный архитектурно-строительный университет (НГАСУ)

Защита состоится 18 мая 2012 г. в 1022 часов на заседании диссертационного совета Д 003.019.01 в Учреждении Российской академии наук Институте горного дела Сибирского отделения РАН по адресу: 630091, г. Новосибирск, Красный проспект, 54.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИГД СО РАН.

Автореферат разослан 16 апреля 2012 г.

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущее предприятие:

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук

Попов Н.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В особо ответственных случаях бестраншейная технология прокладки подземных коммуникаций, основанная на забивке стальных обсадных труб методом виброударного продавливания, является безальтернативной. Это обусловлено тем, что при проходке скважин под железнодорожными путями и транспортными магистралями необходимо исключить просадку и вспучивание полотна. Все иные способы бестраншейной прокладки в принципе не могут гарантировать выполнение этого требования.

Одной из основных операций в этой технологии является погружение в грунт трубы пневматической ударной машиной. Скорость погружения зависит не только от частоты и энергии ударов пневмомолота, но и от того, в какой мере эта энергия передана трубе. Последний фактор влияет не только производительность, но и на затраты энергии для реализации этого процесса. В современных технологиях передача кинетической энергии ударника погружаемому объекту осуществляется через промежуточное звено - адаптер. Адаптеры выполняются в разных вариантах и их конструктивное исполнение в принципе может заметно влиять на коэффициент передачи энергии. В этой связи исследование передачи энергии удара через различные типы адаптеров, ориентированное на технологию ударного погружения труб, является актуальным.

Цель работы: выявить резервы уменьшения энергозатрат и повышения производительности технологии бестраншейной прокладки подземных коммуникаций, основанной на забивании в грунт стальной обсадной трубы.

Объект исследования: система "ударная машина - промежуточное звено — погружаемый объект", рассматриваемая применительно к бестраншейной технологии ударного погружения обсадных труб в фунт.

Предмет исследования: передача энергии удара погружаемому объекту и скорость его продвижения в грунте.

Идея работы: улучшить передачу энергии удара от пневмомолота погружаемой в грунт трубе за счет рациональной конструкции элементов ударной системы.

Задачи исследовании:

1. Обосновать параметры и разработать экспериментальный стенд, позволяющий достаточно полно воспроизвести систему "ударная машина - погружаемый объект", отражающую специфику реальных объектов.

2. Экспериментально оценить эффективность передачи удара на трубу при различных типах промежуточных элементов ударной системы пневмомолота.

3. Разработать расчетную модель и рассмотреть влияние конструктивного исполнения промежуточных элементов на эффективность работы ударной системы.

4. Выработать практические рекомендации, обеспечивающие повышение производительности погружных работ и снижение энергозатрат.

Методы исследований: стендовые эксперименты на физической модели с измерением и регистрацией параметров ударных процессов, обоснование расчетной схемы и компьютерное моделирование.

Научные положения:

В рамках проведенных исследований установлено: 1. При передаче энергии удара на трубу через конусный адаптер с углом конусности а, лежащим в пределах менее 90° и до 8°, по мере его уменьшения потери :

энергии возрастают в 3 — 3,5 раза по отношению к торцевому сопряжению, при этом максимальные значения действующей на трубу осевой силы изменяются пропорционально переданной ей энергии.

2. Передача энергии возрастает с 29 % до 67 % от энергии, передаваемой торцевым адаптером, если в адаптере с кольцевой конусной канавкой а = 8° в процессе удара к контакту по конусной поверхности добавляется контакт трубы с дном канавки.

3. Введение осевой подвижности наковальни относительно корпуса приводит к повышению переданной на трубу энергии удара не менее чем на 34 % по сравнению с жестким соединением корпуса с наковальней.

4. В системе "ударный привод — торцевой адаптер - труба" эффективность передачи энергии при прочих равных условиях экспоненциально возрастает по мере увеличения параметра 2 = ст/с-ф — отношения жесткости торцевого адаптера к жесткости трубы единичной длины. При этом предел эффективности достигается при г = 6 - 8.

Достоверность научных положений подтверждается необходимым объемом экспериментальных исследований на расчетной модели и сходимостью расчетных и экспериментальных данных.

Научная новизна диссертации:

1. Установлены закономерность изменения коэффициента эффективности передачи удара в зависимости от угла сопряжения адаптера конусного типа с трубой и пропорциональная взаимосвязь между энергией и амплитудой силы в ударном импульсе на трубе.

2. Доказано, что добавление к контакту трубы по конусной поверхности адаптера контакта с радиусным дном конической канавки приводит к повышению переданной на трубу энергии удара не менее, чем в 2 раза по сравнению с обычным конусным сопряжением, а введение осевой подвижности наковальни пневмомолота относительно его корпуса также способствует увеличению энергии, переданной трубе.

3. Установлена количественная связь между коэффициентом эффективности передачи энергии и относительной жесткостью торцевого адаптера.

Личный вклад автора заключается в разработке методики и проведении экспериментального исследования передачи энергии при различных типах адаптеров; в разработке расчетной модели системы "ударная машина - промежуточное звено - погружаемый объект"; в модернизации конструкции ударной пневматической машины.

Практическая ценность работы:

1. Дана количественная оценка эффективности передачи энергии для основных типов существующих адаптеров.

2. Разработана и апробирована расчетная модель, которая может служить основой для исследования влияния элементов, вносимых в конструкцию узлов системы "ударный привод - адаптер - труба".

3. Обоснована методика расчета параметров адаптера торцевого типа, обеспечивающего наилучшую передачу энергии.

4. Разработан и реализован на практике технический проект модернизированной системы "пневмомолот - адаптер", предназначенной для погружения труб в грунт.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на конференции с участием иностранных ученых «Фундаментальные проблемы формирования техногенной геосреды» (Новосибирск, 2009); VI Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Развитие дорожно-транспортного комплекса и строительной инфраструктуры на основе рационального природопользования» (Омск, 2011); 65-й научно-технической конференции ГОУ «СибАДИ» (Омск, 2011); обсуждались и получили одобрение на семинарах лаборатории " Механизации горных работ" ИГД СО РАН.

Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 6-ти печатных работах, в том числе патент РФ на изобретение.

Объем и структура работы. Диссертация изложена на 116 страницах машинописного текста и состоит из введения, пяти глав, заключения, приложения, списка литературы из 92 наименований; содержит 66 рисунков и 3 таблицы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе представлен обзор работ, посвященных исследованию передачи ударного воздействия от ударника через промежуточные звенья на обрабатываемую среду. Этому вопросу, в частности, посвящены работы О.Д. Алимова, В.Э. Еремьянца, А.Л. Исакова, В.К. Манжосова, A.C. Сердечного, Б.Н. Серпенино-ва, Б.Н. Стахановского и др.

ударного погружения свай.

Исследованию ударных процессов в системах, отражающих особенности виброударного погружения в грунт стальных труб при бестраншейной прокладке подземных коммуникаций, посвящены работы, выполненные под руководством А.Л. Исакова. Расчетным путем на частном примере было показано, что для рассмотренных условий передача энергии удара улучшается с увеличением толщины пластины до тех пор, пока последняя не превосходит 0,2 от диаметра трубы. Также было проиллюстрировано, что передача удара через корпус машины может приводить к снижению коэффициента передачи энергии удара.

Реальные адаптеры, применяемые в бестраншейных технологиях при погружении трубы в грунт пневмоударной машиной, представлены на рис. 1.

Дугообразные вставки

Рис. 1. Забивка трубы машиной ударного действия и применяемые адаптеры

5

Посадка на наружный конус

Посадка на внутренний конус

Адаптер кулачкового типа

6 основном это конусные адаптеры в виде одного кольца, или набора колец. Они сопрягаются с трубой своей наружной или внутренней конусной поверхностью. Используют также кулачковые адаптеры.

До сих пор вопрос эффективности их работы не исследовался. Неизвестно, какие потери энергии вносят реально используемые промежуточные устройства и какие резервы улучшения процесса ударного погружения труб здесь имеются.

В этой связи, а также учитывая востребованность виброударной технологии погружения труб в грунт, определение потерь энергии в сопряжении пневмоудар-ной машины с трубой и выявление резервов повышения энергии, переданной на трубу, является полезным и актуальным.

Вторая глава посвящена определению условий проведения экспериментальных исследований и проектированию физической модели. Суть экспериментов заключалась в нанесении калиброванных ударов по стальной трубе через различные типы адаптеров, фиксации осциллограмм волн напряжений в трубе, определении по ним переданной трубе энергии и анализе полученных результатов. На фото (рис. 2) показан общий вид экспериментальной установки, состоящей из грунтового блока и физической модели системы "ударный привод - адаптер - труба". Схематично физическая модель показана на рис. 3. Её основными элементами являются: стальная труба 1 с наклеенными на нее тензорезисторами; набор деталей, непосредственно участвующих в ударном процессе (ударник 2, корпус 3, наковальня 4, адаптер 5), а также разгонный механизм 6, основание 7, измерительный блок 8. Соотношения между размерами, массами и жесткостями ударных элементов на стенде принимались с учетом их подобия промышленным устройствам. Труба имела длину 7,5 м, достаточную для исключения влияния отраженных от ее переднего торца волн деформаций; диаметр и площадь поперечного сечения трубы - волновода составляли 90 мм и 820 мм2 соответственно. В зависимости от задачи труба либо свободно опиралась на 5 резиновых валиков, либо обжималась уплотненным грунтом в грунтовом блоке 4x1,5x1,5 м, который виден на рис. 2. В случае необходимости на грунт сверху устанавливался пригруз. При экспериментах в грунте ударное воздействие осуществлялось как одиночными ударами с использованием разгонного механизма, так и пневмоударником. В том и другом случаях применялся один и тот же ударник. Масса ударника 4,1 кг, его длина 375 мм; скорость удара составляла 3,2 м/с.

$

яЯ Грунтовый 1 (>№ шЯ^ВШ^ шШ

ШШШШШШйШшШ '

■и Щ Труба £

^Адаптер У

~ »¿Я ¡НИШУ Ш Корпус ■

Яше

яВ Разгонный 1 механизм 1

Лщш ■■ я

Рис. 2. Общий вид стенда

Рис. 3. Схема физической модели: 1 - труба; 2 - ударник; 3 - корпус; 4 - наковальня; 5 -адаптер; 6 -разгонный механизм; 7 - основание; 8 - измерительный блок; 9 - стяжное

устройство

Основание

Тросик взвода Трос

Корпус

Задняя опора

Направляющая

Толкатель

Пружина

Опора с направляющей

Энергия А, переданная трубе, вычислялась по тензометрической осциллограмме продольной силы 2(0, возникающей при ударе в сечении трубы, удаленном от адаптера на 4 ее диаметра:

(1)

Л -о 0

Здесь а—скорость звука; Е—модуль упругости; 5—площадь поперечного сечения волновода; Т—длительность ударного импульса.

Из возможных вариантов разгонного устройства выбран пружинный, как наиболее компактный и не требующий дополнительных источников энергопитания. Его основные элементы представлены на рис. 4. Необходимая дозированная сила сжатия пружины обеспечивается грузом через трос - разрывное звено - трос и толкатель с трубчатой тягой. Постоянство энергии удара достигается взводом толкателя до фиксированного упора.

Ударник Демпфер Толкатель с трубчатой тягой Контактный буртик Опора с роликом

1 Тросик Взвода N. / Контактный датчик \ Разрывное звено \

Корпус

Рис. 4. Схема пружинного разгонного механизма

Основными элементами измерительного блока являются: тензорезисторы типа ПКБ с базой 10 мм и сопротивлением 100 Ом, наклеенные на трубу и распаянные по бифилярной схеме; усилитель переменного тока (measuring group USA); аналого-цифровой преобразователь (Е14-440); ноутбук Acer. Кроме того, для дополнительного контроля предударной скорости по времени прохождения базового расстояния использовался измеритель интервалов времени, контактный датчик и акселерометр (8903), фиксирующий момент удара.

При наклейке тензорезисторов применена технология горячего приклеивания. Особенностью её применения в данном случае является нагрев нужного участка длинной трубы изнутри. Контролировалась температура с помощью терморегулятора ОВЕН ТРМ10.

Калибровка тензометрических датчиков осуществлялась статическим методом. поскольку согласно исследованиям Б.Н. Серпенинова расхождение при статической и динамической калибровками (при скоростях нагружения не более 5 м/с) не превышает 4,5 %. Нагружение осуществлялось гидродомкратом, усилие контролировалось по образцовому динамометру.

В рамках эксперимента вычислялись кинетическая энергия удара (по контролируемой скорости удара) и энергия волны напряжений по осциллограммам, сформированным в трубе. Максимальная относительная ошибка определения кинетической энергии удара составляла 3,0 %. Максимальная ошибка расчета энергии по осциллограммам 2,4 %. Достоверность полученных данных подтверждается хорошей сходимостью результатов при повторении серии экспериментов. Число повторов каждого эксперимента составляло от 7 до 11, что обеспечивает получения результатов с доверительной вероятностью 95 % при относительном доверительном интервале 4,5 %. Результаты измерений соответствуют законам сохранения энергии и импульса.

В третьей главе описаны эксперименты, выполненные на стенде, и приводятся их результаты. С помощью разгонного механизма одним и тем же ударником с одинаковой энергией наносились одиночные удары по системе ударных тел в общем случае включающей наковальню, корпус ударного привода, адаптер, трубу. С учётом особенностей конструктивного исполнения ударных машин исследовались два варианта, представленные на рис. 5.

Рис. 5. Исполнение ударного привода: а - с жесткой связью наковальни с корпусом; б - с осевой подвижностью наковальни

Вариант а отражает особенности конструкции существующих пневмопро-бойников и пневмомолотов. Здесь корпус составляет единое целое с наковальней и удар ударника приходится непосредственно на корпус. Вариант б соответствует устройствам, где корпус в передаче ударного воздействия не участвует. Он опирается на адаптер. Удар воспринимается подвижной относительно корпуса наковальней, жестко связанной с адаптером.

Основные типы адаптеров, использовавшихся в экспериментах, представлены на рис. 6. Первые два типа (конусный и кулачковый) соответствуют конструкциям, наиболее распространенным на практике. Самый простой - 1, с посадкой адаптера на внутренний диаметр грубы - широко применяется зарубежными фирмами. Адаптеры 2, с кольцевой конусной канавкой (а = 8°) на торце разработаны в ИГД СО РАН для первых пневмомолотов С0134 и С0160. Они садятся на наружный диаметр трубы, который задается ГОСТом и одинаков для данного типоразме-

8

ра трубы при любой толщине её стенки. Эта конструкция легла в основу последующих отечественных разработок для мощных пневмомолотов. Оба варианта могут быть выполнены в виде набора колец.

Кулачковый адаптер

Адаптеры конусного типа

Ж

Торцевой адаптер

Рис. 6. Адаптеры, используемые в экспериментах

Кулачковый адаптер, как видно на рис. 6, имеет три секторных кулачка, которые входят внутрь трубы, упираются буртиками в её торец и распираются конусной наковальней, входящей в центральное конусное отверстие, ограниченное кулачками. Для удобства демонтажа трубы угол конусности не должен быть самотормозящим. Здесь конусное сопряжение работает не в паре адаптер - труба, а в паре наковальня - кулачек. Такая конструкция используется при забивке тонкостенных труб. Торцевой адаптер - можно рассматривать как предельную трансформацию конусного при увеличении а до 90°.

Реализована следующая последовательность экспериментов. Первоначально в исполнении а сопоставлена эффективность конусных адаптеров вариантов 1 и 2 при углах конусности а = 8°, 15°, 30°, 45°. В качестве показателя эффективности принято отношение энергии Аш, передаваемой на трубу конусным адаптером с углом а, к энергии А да, передаваемой в тех же условиях торцевым адаптером

(а = 90°): Аа1 = Аа/ / А90, 1,2- вариант исполнения адаптера (рис. 6).

Установлено, что процентное расхождение между результатами вариантов 1 и 2 одного порядка с погрешностью экспериментов. Это ожидаемо при упругих деформациях трубы с малым отношением <5 толщины стенки к её диаметру. Как показал анализ типоразмеров труб, на которые ориентированы существующие пневмомолоты, 5 = ДД>Т ~ 0,015 - 0,03. В нашем случае 5 = 0,03. Полученный результата позволил отказаться от постоянного дублирования экспериментов и использовать один из вариантов конусных адаптеров, согласуясь с поставленной задачей.

Применяя аналогичный относительный показатель эффективности, выполнено сопоставление вариантов а и б (рис. 5) исполнения ударного привода. Установлено, что жесткое соединение наковальни с корпусом приводит к затягиванию ударного импульса и снижению амплитудного значения силы (рис. 7). В исполнении а при передаче энергии удара через конусный адаптер с углом а = 8° переда-

ваемая трубе энергия меньше на 32 %, а в случае применения торцевого адаптера (а = 90°) - на 25 % по сравнению с вариантом б.

А = 5,12 Дж

-±•.5 мс

Рис. 7. Осциллограммы ударных импульсов с разным исполнением корпуса: а — схема с жесткой связью наковальни с корпусом; б - схема с осевой подвижностью

наковальни

В следующей серии экспериментов определялось влияние угла а сопряжения адаптера с трубой на передачу энергии удара. Угол варьировался от 4° (самотормозящий угол) до 90° (торцевой адаптер). Характерные осциллограммы ударных импульсов, зафиксированных в трубе, представлены на рис. 8.

4 градуса

8 градусов

0.2 0.4 0.6 15 градусов

0.5 1

30 градусов

б.кН 50 4" 30 I 10 +--ю £

50 30 10 -10

А = 7,1 Дж

а кн

50

30 4-

I

10 -10

А = 9,9 Дж

45 градусов

0.2 0.4 0.6 90 градусов

\ А = 12.3 Дж

1 : XV:

0.2 Рис.

0.4

0.6 0.8

0.2 0.4 0.6 0.8 г, мс Осциллограммы ударных импульсов при различных углах а

При а = 4° вершина осциллограммы имеет площадку, свидетельствующую о пластической деформации трубы. Наличие 2-х горбов на осциллограммах при малых углах а можно объяснить повторным ударом ударника по наковальне, что в дальнейшем подтвердило численное моделирование.

10

По мере увеличения угла а сопряжение адаптера с трубой становится менее податливым, в связи с чем максимальное значение силы в импульсе возрастает, а его длительность - уменьшается. Установлено, что с ростом угла посадочного конуса адаптера от 8° до 90°, т.е. с переходом от конусного сопряжения к торцевому, коэффициент передачи энергии увеличивается в 3,5 раза.

Обобщенные результаты экспериментов по оценке передачи энергии через составные кольцевые адаптеры, адаптер кулачкового типа, а также влияние типа конструктивной схемы ударного привода (а, б, рис. 5), отражены на диаграмме (рис. 9).

Из рис. 9 видно, что во всех случаях схема б заметно предпочтительней. Это особенно ощутимо в вариантах № 3 - 5. Разница между "многослойными" вариантами 1, 2 на фоне общего ухудшения передачи энергии при а = 8° мало заметна и соизмерима с погрешностью опытов.

Рис. 9. Влияние конструкции адаптера и схемы исследуемой системы на передачу энергии удара: схема а - удар по корпусу, схема б - удар по свободной наковальне

Помимо измерения переданной энергии на стенде выполнены измерения скорости продвижения трубы в грунте при работе с двумя типами адаптеров - конусным (а = 8°) и торцевым (а = 90°). В качестве ударного привода использовалась пневмоударная машина (схема б), ударник которой перед этим был задействован в пружинной пушке. Сила трения между трубой и грунтом составляла 22 и 28 кН. Через каждые 20 с продвижения фиксировалось пройденное расстояние и производилась смена адаптера. Установлено, что при сопротивлении грунта 22 кН и постоянном давлении сжатого воздуха (0,5 МПа) средняя скорость продвижения трубы в грунте с использованием торцевого адаптера в 2,3 раза превышает скорость забивки с применением конусного адаптера а = 8°. При большей силе трения это преимущество увеличивается.

Эффективность конусного адаптера при работе в комбинированном режиме.

Конструкция разработанного в ИГД СО РАН конусного адаптера, насаживаемого конусной канавкой на наружную кромку торца трубы (тип 2 на рис. 5) об-

11

ладает важной особенностью. В принципе, она позволяет осуществить контакт с трубой не только лишь по конусной поверхности.

При определенных сочетаниях размеров канавки, толщины стенки трубы, энергии ударов возможна ситуация, когда надвигаясь на трубу в процессе удара радиусное дно канавки или противоположная её стенка войдут в контакт с торцом трубы. Очевидно, что в этом случае условия для передачи энергии существенно изменятся. В рамках проведенных экспериментов такой режим работы сопряжения был реализован за счет увеличения энергии ударов пневмомолота, обеспечившей частичную пластическую обсадку приторцевой части трубы и возможность для нее в момент удара помимо опоры на конус "дотянуться" и дополнительно упереться в дно канавки. При таком комбинированном контакте эффективность работы существенно возросла и приблизилась к торцевому варианту. Если при контакте только по конусной поверхности а = 8° передача энергии составляет ~ 30 % от торцевого контакта, то при комбинированном контакте уже 67 %. Это обстоятельство делает такую конструкцию адаптера явно предпочтительней простейшего конусного варианта 1 (рис. 5). Здесь же (поз. 2) для сравнения представлены результаты, полученные на адаптере типа 1 (рис. 5) с самотормозящим углом наружного конуса (а = 4°), взаимодействующего с внутренней поверхностью трубы. Труба снабжена бандажом, увеличивающим толщину её приторцевой части в 4 раза (до 12 мм). В этом случае адаптер "намертво" заклинивается на трубе. При этом условия для передачи энергии улучшаются, но остро встает проблема последующего отделения адаптера от трубы. Результаты обработки осциллограмм для рассмотренных вариантов приведены на рис. 10.

ЛМяо, %

I I I

Рис. 10. Диаграмма относительной эффективности вариантов сопряжений при работе в одинаковых условиях: 1 - работа с контактом по конусу и дополнительной посадкой во время удара на дно канавки; 2 - защемление трубы с бандажом самотормозящим конусом а = 4°; 3 - торцевое сопряжение

В четвертой главе приведены результаты компьютерного моделирования системы "ударная машина - промежуточное звено - погружаемый объект". Расчётная схема исследуемой системы представлена на рис. И. Схема воспроизводит систему ударных тел, непосредственно участвующих в передаче удара, систему поджатая корпуса машины талрепами через адаптер к трубе и результирующую Я(х) сил, обеспечивающих автоколебательный режим работы ударного привода.

Для математической интерпретации динамических процессов используется многомассовая дискретная модель. Основу её математического описания составляет система обыкновенных нелинейных дифференциальных уравнений. Нелинейности обусловлены возможностью размыкания контакта в парах ударник-наковальня, корпус-амортизатор, адаптер-труба, нелинейной жесткостью ударного торца удар-

ника, наличием нелинейной вынуждающей силы Л(х), а также сухого трения в звене сопряжения адаптера с трубой (на схеме это сила Рх) и трубы с грунтом.

а

Талреп Ударник Корпус Адаптер Труба

Ударник М]

Адаптер М* Сопряжение Полубесюнеч-с трубой на« труба

Ударник Наковальня Амортизатор

НМш

Сю)

в 10) I"

Ся

Корпус Мз

0 , Сз(1) . ■ Сз(пр Сам

Ударник М]

Наковальня №

Адаптер М4 Сопряжение Полубескожч-с трубой ная труба

С*!)

свободная труба Мз

^МД^уу^'!..-

труба М5 в пзукте

Рис. 11. Расчётная схема исследуемой системы: ст1 - жесткость стяжного элемента; с„ - контактная жесткость ударника; с„ - жесткость амортизатора

Для сравнительной оценки передачи энергии на трубу достаточно знать не искаженную отраженными волнами силу 2(0, действующую при ударе на торец трубы. В этом случае можно ограничиться простейшей моделью трубы в виде вязкого демпфера. При коэффициенте демпфирования, равном ударной жесткости трубы

(етр = £-5'/о = р-а-5) реакция такого демпфера (2 = втр- Хв соответствует силе, возникающей на торце длинной трубы при прохождении ударного импульса Это следует из базовых соотношений: сг -Е-е, @ = <т • 5, с = (•'/а, где р - плотность материала; а - напряжение; е — относительная деформация; V = Х1, - массовая скорость на торце волновода (точка d на схемах 1 \а и 116). В случаях, где требуется оценить продвижение трубы в грунте, использована многомассовая модель по схеме в (вариант "труба в грунте").

Типовой адаптер (рис. 12) можно рассматривать как кольцевую пластину, равномерно нагруженную по внутреннему периметру и опертую на трубу по контуру. Осевая жесткость кольцевой пластины определяется зависимостью с3 = Е ■ Л3 /<7 • б2, где А - толщина кольца; с/ - табличная функция от (Ыа), Ъ и а -радиусы наружного и внутреннего опорных контуров кольца.

1-труба, 2-адаптер

Рис. 12. Расчетная схема сопряжения адаптера с трубой и схема действующих сил

Эта формула характеризует собственную осевую жесткость кольцевого адаптера и не учитывает взаимодействие на стыке с трубой.

Работу стыка конус-труба отражает схема на рис. 12. Здесь N — реакция упруго обжатой трубы; - сила трения в контакте; сила Р — их результирующая, определяющая осевую реакцию Рх.

При ударе на торец трубы 1 надвигается конус адаптера 2 . По мере его продвижения возрастает радиальная деформация АС/ стенки трубы. В нашем случае радиальная жесткость трубы много меньше жесткости адаптера, поэтому соотношение между осевым перемещением АХ адаптера относительно кромки трубы и радиальной деформацией трубы АН определяется простой зависимостью:

AU = AX■tga. (2)

Использовав (2) и соотношения между компонентами сил, действующих в сопряжении (рис. 12), а также известное выражение для упругой деформации трубы под действием распределенной радиальной нагрузки на кромке у торца получаем выражение для величины осевой силы, действующей в сопряжении адаптера с трубой:

Рх = ДХ-си-(tg^ + n-tga-signAX) ; с,. =2,25

E-h

1-у2 •

Здесь р - коэффициент трения, Ruh соответственно радиус и толщина стенки трубы, V - коэффициент Пуассона.

Из (3) видно, что осевая сила Рх складывается из чисто упругой составляющей Л'х и силы трения Fx, величина которой тоже пропорциональна АХ:

Nx=cy-AX, cy=cu-tg2a; (4)

Fx = ст ■ АХ ■ signAX, ст= ju-Cjj-tga.

Следует заметить, что в данном случае стандартная функция sign в точке АХ = О дополнена алгоритмом, реализующим эффект слипания, т.е. возможность совместного движения адаптера и трубы.

В состоянии статического равновесия сила Рх уравновешивает создаваемую талрепом силу подтяжки адаптера к трубе, которая имеет вид:

р = 1>1 - • А*, при АХ < /Ски ; "" [0 ,при^>Р:ш!сп„. (5)

Здесь стал - жесткость системы подтяжки, Ртал° - сила предварительного натяжения. Учитывая (3) - (5) получаем выражение, определяющее относительное положение адаптера ДА'", остановившегося после очередного удара:

ро

АХ = —

су + стал + сТ ■ sign АХ (6)

Из (6), (4) следует, что в зависимости от направления относительного перемещения (в момент перед остановкой) адаптер может остановиться в любой точке интервала:

С, /(с„ • tga ■ (tga-U) + стш) > ДА'" > /(с„ • tga■ (tga + р) + стш). (7)

Чем больше АХ', тем больше сила страгивания адаптера при следующем ударе, т.е. координата остановки АХ' может влиять на начальные условия для последующего удара и, соответственно, на значение переданной энергии. В свою очередь, на величину AX'может влиять сила, создаваемая системой, подтягивающей ударный привод и адаптер к трубе.

Влияние угла конусности адаптера

Расчёты проводились при углах а = 8°, 15°, 30°, 45° и 90° - торцевой вариант. Влияние угла а оценивалось по изменению отношения Аа = Аа! А,я, т.е. энергии Аа, переданной трубе при данном а, к энергии А90, передаваемой торцевым адаптером (а = 90°). Оценивалось также изменение относительной величины максимальной силы в импульсе Qa=Qal Qvj ■ Результаты представлены на графиках рис. 13.

80 60 40 20

О

3 кспе риме нт -

7 Расчет - х 1

10 20 30 40 50 60 70 80 грал

Рис. 13. Экспериментальные (•) и расчетные (х) зависимости переданной энергии и максимальной: силы от угла а

Из графиков видно, что с уменьшением угла конусности адаптера эффективность передачи энергии на трубу существенно ухудшается. Видно также, что расчётные и экспериментальные точки максимального значения силы 0 , а соответственно и аппроксимирующая кривая (?(а), достаточно близко повторяют изменение энергии Аа, т.е. связь между этими параметрами близка к пропорциональной.

Результаты моделирования приемлемо согласуются с экспериментом. Наибольшее расхождение по энергии (18 %) получено в диапазоне а = 30 - 45°.

Влияние бандажа

При забивке тонкостенных труб мощными пневмоударными машинами из-за опасности раздутия трубы на её наружную поверхность близ ударного торца наваривают усиливающее кольцо (бандаж). При этом увеличивается площадь поперечного сечения начального участка трубы и, соответственно, его жесткость. Естественно, увеличение жесткости происходит и при использовании трубы с более толстой стенкой.

Расчетным путем на модели рассмотрено влияние бандажа и толщины стенки забиваемой трубы на передачу энергии удара и продвижение трубы. Отправной точкой расчетов (рис. 14) была экспериментальная труба, имеющая толщину стенки <5 = 3 мм. Использовался конусный адаптер а = 8°, сила трения трубы о грунт принята 10 кН. Установлено, что увеличение толщины бандажа приводит к повышению передаваемой на трубу энергии удара и перемещению трубы за удар.

7 8 9

<5б=4 « = 8°

"у? ........толщина бандажа <56, мм ____

N 9 + - толщина трубы (5Т, мм

4 5 6 7 8 /1, Дж

Рис. 14. Зависимость переданной на трубу энергии удара и ее продвижения за удар от толщины бандажа и толщины стенки забиваемой трубы

Применение бандажа, увеличивающего толщину стенки у торца трубы в 4 раза позволяет повысить передаваемую на трубу энергию примерно на 60 %, а перемещение трубы за удар возрастает на 40 %. Такого увеличения передаваемой на трубу энергии можно добиться более простым способом - за счет увеличения угла сопряжения адаптера с трубой с 8 до 15°.

Увеличение толщины стенки всей трубы с 3-х до 9 мм снижает передаваемую на трубу энергию на 15 %, а перемещение трубы ухудшается на 40 %.

Влияние жесткости торцевого адаптера

У существующих конусных адаптеров особенность передачи энергии определяется жесткостью узла сопряжения с трубой, поскольку у них она на порядок меньше собственной жесткости адаптера. Поэтому рассматриваемый вопрос актуален в первую очередь для адаптеров торцевого типа.

В качестве характеристики жесткости системы ударник - адаптер - труба приняты два безразмерных параметра: С = и г =см/стр, где и 5'у - площади сечений трубы и ударника, сш и с^ - жесткость адаптера и жесткость трубы единичной длины (1м). Из анализа диаметров забиваемых труб, рекомендуемых для соответствующего типоразмера пневмомолота, следует, что обычно значение ( находится в пределах 0,3 - 0,75. Для этого диапазона рассмотрено влияние параметра г на передачу энергии и амплитудное значение силы в импульсе. Результаты отра-

жены соответствующими точками на графиках рис. 15. Из них следует, что изменение соотношения площадей трубы и ударника в диапазоне 0,3 - 0,75 существенного значения не имеет. Это позволяет оперировать усредненными зависимостями, представленными на графике соответствующими экспонентами л(г) и 0(г). Видно также, что с увеличением относительной жесткости адаптера г растут с убывающей интенсивностью и переданная энергия и максимальные значения силы. При г > 8 их рост практически прекращается.

Существенно, что в отличие от роста, наблюдавшегося при увеличении угла а, где эти оба параметра увеличивались одинаково, в данном случае передаваемая энергия растет менее интенсивно, чем сила. Например видно, что 8-и процентный

Рис. 15. Зависимость относительных значений переданной энергии и максимальной силы от относительной жесткости адаптера 2

Подобный компромисс полезен, когда необходимо снизить нагрузку на сварные швы забиваемой плети. При этом следует иметь в виду, что в каждом конкретном случае следует контролировать прочность адаптера.

Продвижение трубы в грунте

Технологическим показателем процесса забивки трубы является не переданная ей энергия, а скорость её продвижения в грунте. С использованием модели в "труба в грунте", где сопротивление грунта представлено силой сухого трения, рассчитаны значения АХ перемещения трубы за каждый удар. Рассмотрены случаи, когда при постоянной силе сопротивления ^ =30 кН меняется угол сопряжения а (рис. 16) и когда при заданных а = 8° и а = 90° меняется сила трения (рис. 17). И там и там параметры ударного привода неизменны.

0.8 0.6 0.4 0.2 о

0 10 20 30 40 50 60 70 80 '

Рис. 16. Относительные величины перемещения за удар и переданной энергии при различных углах а 17

Полученные результаты свидетельствуют, что нарастание скорости продвижения трубы следует за ростом переданной на трубу энергии, которое происходит по мере увеличения а от а = 8° до а = 90°, а преимущество торцевого варианта адаптера, выражаемое отношением Х90 / Ха, зависит от силы сопротивления грунта и с ростом сопротивления это преимущество растёт.

ДА' мм

а = 90° -

1Расчет

.-« = 90°

I. Эксперимент

Рис. 17. Зависимость перемещения трубы в грунте за 1 удар от силы трения при торцевом и конусном (8°) сопряжениях адаптера с трубой

Практические разработки, следующие из сделанных выводов включают:

- методику расчета параметров торцевых адаптеров, построенную на результатах моделирования,

- конструкции торцевых адаптеров на 3 типоразмера труб для пневмомолота с энергией 750 Дж.,

- проект его модернизации, обеспечивающей подвижность наковальни.

Техническая документация и акт испытаний созданного комплекта оборудования представлены в приложении к диссертации. Фрагмент модернизированной машины представлен на рис. 18.

Рис. 18. Пневмомолот с подвижной наковальней

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является научно - квалификационной работой, в которой изложены научно обоснованные технические разработки, имеющие существенное значение для развития страны, заключающиеся в снижении энергозатрат и повышении эффективности бестраншейной прокладки подземных коммуникаций. Основные научные и практические результаты работы заключаются в следующем:

1. Обоснованы параметры и разработана конструкция экспериментального стенда, а также методика экспериментальных исследований ударной системы, используемой в бестраншейных технологиях с ударным погружением труб в фунт.

2. Экспериментально исследовано влияние промежуточного звена (адаптера) в ударной системе "ударный привод - наковальня - адаптер - труба - грунт". Установлены закономерности изменения эффективности передачи энергии от ударного привода на трубу и амплитуды волны напряжения в зависимости от угла сопряжения адаптера конусного типа с трубой. Сопоставлены эффективность адаптеров конусного, кулачкового и торцевого типов, а также конструкций ударного привода, обеспечивающих участие или исключение корпуса машины в передаче удара. Проведено сопоставление скоростей продвижения трубы в грунте при использовании адаптеров торцевого и конусного типов.

3. Разработана расчетная модель исследуемой ударной системы, выполнено её тестирование путем сравнения результатов численного моделирования с экспериментальными данными. Получено количественное и качественное подтверждение ее работоспособности. Проведено численное исследование влияния на передачу энергии удара усиления трубы бандажом, влияния относительной жесткости торцевого адаптера. Получены зависимости изменения скорости продвижения трубы в грунте от сопротивления грунта при работе с конусным и торцевым адаптерами.

4. Основываясь на полученных экспериментальных и расчетных данных выработаны конкретные рекомендации и разработан усовершенствованный комплект оборудования для реализации ударного погружения труб в грунт. Проведены его испытания в производственных условиях.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Смоленцев, А. С. Стенд для экспериментального исследования передачи энергии в системе «ударник - адаптер - труба» [Текст] / А. С. Смоленцев// Труды научной конф. с участием иностранных ученых «Фундаментальные проблемы формирования техногенной геосреды». Т. III. - Новосибирск. 2010. - с. 114-119.

2. Смоленцев, А. С. Экспериментальное исследование передачи энергии в системе «ударный привод - адаптер - труба» [Текст] / А. С. Смоленцев// 65-я научно-техническая конференция ГОУ «СибАДИ». Омск. - 2011. с. 233-238.

3. Смоленцев, А. С. Моделирование процесса передачи энергии от ударного привода трубе через адаптер [Текст] / А. С. Смоленцев// VI Всероссийская научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Развитие дорожно-транспортного комплекса и строительной инфраструктуры на основе рационального природопользования», Омск. - 2011. - с. 446-451.

4. Петреев, А. М. Передача энергии от ударного привода трубе через адаптер [Текст] / А. М. Петреев, А. С. Смоленцев// ФТПРПИ. - 2011. - № 6. - с. 64-74.

5. Червов, В. В. Стенд для исследования и испытания пневмомолота [Текст] / В. В. Червов, А. С. Смоленцев// ФТПРПИ. - 2007. - №6. - с. 58 - 65.

6. Пат. 2357061 Российская Федерация, МПК Е 21 В 1/12, Е 05 Б 5/16 (2006.01). Способ управления силовым воздействием машины ударного действия (варианты) и устройство для его осуществления [Текст] / Смоляницкий Б.Н., Червов В.В., Смоленцев А.С.; заявитель и патентообладатель ИГД СО РАН. - № 2007135564/03; заявл. 25.09.2007; опубл. 27.05.2009, Бюл. №15. - 15 е.: ил.

Подписано к печати 11.04.2012 Формат 60x84/16 Печ. л. 1. Тираж 120 экз. Заказ № 14 Институт горного дела СО РАН 630091, Новосибирск, Красный проспект,

61 12-5/2696

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ НАУКИ ИНСТИТУТ ГОРНОГО ДЕЛА им. Н. А. ЧИНАКАЛА СИБИРСКОГО ОТДЕЛЕНИЯ РАН

На правах рукописи

Смоленцев Александр Сергеевич

ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ УДАРНОЙ СИСТЕМЫ ПНЕВМОМОЛОТА НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПОГРУЖЕНИЯ В ГРУНТ ОБСАДНОЙ ТРУБЫ ПРИ БЕСТРАНШЕЙНОЙ ПРОКЛАДКЕ

ПОДЗЕМНЫХ КОММУНИКАЦИЙ

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

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Смоляницкий Борис Николаевич

Новосибирск - 2012

СОДЕРЖАНИЕ

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

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ........... 9

1.1 Способы и технические средства для проходки скважин в грунте 9 при бестраншейной прокладке подземных коммуникаций...........

1.2 Переходные устройства для соединения пневмоударного молота с 20 трубой...........................................................................

1.3 Анализ исследований процесса передачи энергии удара в ударных 24

системах........................................................................

Выводы.............................................................................. 29

2. ФИЗИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПЕРЕДАЧИ 31 ЭНЕРГИИ УДАРА ЗАБИВАЕМОЙ В ГРУНТ ТРУБЕ...............

2.1 Обоснование параметров физической модели ударной системы 31 «молот - адаптер - забиваемая труба».................................

2.2 Измерительная аппаратура................................................... 41

2.3 Оценка погрешностей измерений.......................................... 45

Выводы.............................................................................. 49

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ 50 ПЕРЕДАЧИ УДАРА НА ТРУБУ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ ТИПАХ ПРОМЕЖУТОЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ УДАРНОЙ СИСТЕМЫ........

3.1 Типы промежуточных элементов.......................................... 50

3.2 Последовательность проведения экспериментов..................... 53

3.3 Результаты исследования процесса передачи энергии удара......... 57

3.3.1 Влияние осевой подвижности наковальни относительно 57 корпуса.....................................................................

3.3.2 Влияние угла а сопряжения адаптера с трубой на передачу 59 удара........................................................................

3.4 Оценка эффективности конусного адаптера при ударном 61

продвижении трубы в грунте................................................

3.4.1 Дополнительные возможности адаптера с конусной 63

канавкой .................................................................................

Выводы............................................................................... 55

4. МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ "УДАРНАЯ МАШИНА - 66 ПРОМЕЖУТОЧНОЕ ЗВЕНО - ПОГРУЖАЕМЫЙ ОБЪЕКТ"........

4.1 Расчётная модель........................................................................................................................66

4.2 Модель конусного адаптера..................................................................................................69

4.3 Модель системы подтяжки......................................................................................................72

4.4 Модель ударника..............................................................................................................................74

4.5 Результаты моделирования......................................................................................................78

4.6 Влияние жесткости торцевого адаптера......................................................................81

4.7 Характер реакции на изменение поперечного сечения трубы................85

4.8 Влияние бандажа..............................................................................................................................86

4.9 Результаты моделирования продвижения трубы в грунте........................88

4.10 Влияние демпфирования стыка "корпус - торцевой адаптер"..........89

Выводы..............................................................................................................................................................92

5. ПРАКТИЧЕСКИЕ РАЗРАБОТКИ....................................................................................93

5.1 Методика расчета торцевых адаптеров и их конструктивное 93 оформление..................................................................

5.2 Усовершенствованный комплект оборудования для реализации 96 ударного погружения труб в грунт......................................

ЗАКЛЮЧЕНИЕ............................................................................................................................................ЮО

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ..................................................................................................................ЮЗ

Приложение..........................................................................................................................................................ИЗ

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. В особо ответственных случаях бестраншейная технология прокладки подземных коммуникаций, основанная на забивке стальных обсадных труб методом виброударного продавливания, является безальтернативной. Это обусловлено тем, что при проходке скважин под железнодорожными путями и транспортными магистралями необходимо исключить просадку и вспучивание полотна. Данная технология обеспечивает выполнение этих условий без необходимости обязательного создания значительного статического воздействия на трубу, требующего сооружения упорной стенки.

Одной из основных операций в этой технологии является погружение в грунт трубы пневматической ударной машиной. Скорость погружения зависит не только от частоты и энергии ударов пневмомолота, но и от того, в какой мере эта энергия передана трубе. Последний фактор влияет не только производительность, но и на затраты энергии для реализации этого процесса. В современных технологиях передача кинетической энергии ударника погружаемому объекту осуществляется через промежуточное звено -адаптер. Адаптеры выполняются в разных вариантах и их конструктивное исполнение в принципе может заметно влиять на коэффициент передачи энергии. В этой связи исследование передачи энергии удара через различные типы адаптеров, ориентированное на технологию ударного погружения труб, является актуальным.

Цель работы: выявить резервы уменьшения энергозатрат и повышения производительности технологии бестраншейной прокладки подземных коммуникаций, основанной на забивании в грунт стальной обсадной трубы.

Объект исследования: система "ударная машина - промежуточное звено - погружаемый объект", рассматриваемая применительно к

бестраншейной технологии ударного погружения обсадных труб в грунт.

4

Предмет исследования: передача энергии удара погружаемому объекту и скорость его продвижения в грунте.

Идея работы: улучшить передачу энергии удара от пневмомолота погружаемой в грунт трубе за счет рациональной конструкции элементов ударной системы.

Задачи исследований:

1. Обосновать параметры и разработать экспериментальный стенд, позволяющий достаточно полно воспроизвести систему "ударная машина -погружаемый объект", отражающую специфику реальных объектов.

2. Экспериментально оценить эффективность передачи удара на трубу при различных типах промежуточных элементов ударной системы пневмомолота.

3. Разработать расчетную модель и рассмотреть влияние конструктивного исполнения промежуточных элементов на эффективность работы ударной системы.

4. Выработать практические рекомендации, обеспечивающие повышение производительности погружных работ и снижение энергозатрат.

Методы исследований: стендовые эксперименты на физической модели с измерением и регистрацией параметров ударных процессов, обоснование расчетной схемы и компьютерное моделирование.

Научные положения:

В рамках проведенных исследований установлено:

1. При передаче энергии удара на трубу через конусный адаптер с углом конусности а, лежащим в пределах менее 90° и до 8°, по мере его уменьшения потери энергии возрастают в 3 - 3,5 раза по отношению к

торцевому сопряжению, при этом максимальные значения действующей на трубу осевой силы изменяются пропорционально переданной ей энергии.

2. Передача энергии возрастает с 29 % до 67 % от энергии, передаваемой торцевым адаптером, если в адаптере с кольцевой конусной канавкой а - 8° в процессе удара к контакту по конусной поверхности добавляется контакт трубы с дном канавки.

3. Введение осевой подвижности наковальни относительно корпуса приводит к повышению переданной на трубу энергии удара не менее чем на 34 % по сравнению с жестким соединением корпуса с наковальней.

4. В системе "ударный привод - торцевой адаптер - труба" эффективность передачи энергии при прочих равных условиях экспоненциально возрастает по мере увеличения параметра £ = сал/стр -отношения жесткости торцевого адаптера к жесткости трубы единичной длины. При этом предел эффективности достигается при г = 6 - 8.

Достоверность научных положений подтверждается необходимым объемом экспериментальных исследований на расчетной модели и сходимостью расчетных и экспериментальных данных.

Научная новизна диссертации:

1. Установлены закономерность изменения коэффициента эффективности передачи удара в зависимости от угла сопряжения адаптера конусного типа с трубой и пропорциональная взаимосвязь между энергией и амплитудой силы в ударном импульсе на трубе.

2. Доказано, что добавление к контакту трубы по конусной поверхности адаптера контакта с радиусным дном конической канавки приводит к повышению переданной на трубу энергии удара не менее, чем в 2 раза по сравнению с обычным конусным сопряжением, а введение осевой подвижности наковальни пневмомолота относительно его корпуса также

способствует увеличению энергии, переданной трубе.

6

3. Установлена количественная связь между коэффициентом эффективности передачи энергии и относительной жесткостью торцевого адаптера.

Личный вклад автора заключается в разработке методики и проведении экспериментального исследования передачи энергии при различных типах адаптеров; в разработке расчетной модели системы "ударная машина - промежуточное звено - погружаемый объект"; в модернизации конструкции ударной пневматической машины.

Практическая ценность работы:

1. Дана количественная оценка эффективности передачи энергии для основных типов существующих адаптеров.

2. Разработана и апробирована расчетная модель, которая может служить основой для исследования влияния элементов, вносимых в конструкцию узлов системы "ударный привод - адаптер - труба".

3. Обоснована методика расчета параметров адаптера торцевого типа, обеспечивающего наилучшую передачу энергии.

4. Разработан и реализован на практике технический проект модернизированной системы "пневмомолот - адаптер", предназначенной для погружения труб в грунт.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на конференции с участием иностранных ученых «Фундаментальные проблемы формирования техногенной геосреды» (Новосибирск, 2009); VI Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Развитие дорожно-транспортного комплекса и строительной инфраструктуры на основе рационального природопользования» (Омск, 2011); 65-й научно-технической конференции

ГОУ «СибАДИ» (Омск, 2011); обсуждались и получили одобрение на семинарах лаборатории " Механизации горных работ" ИГД СО РАН.

Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 6-ти печатных работах, в том числе патент РФ на изобретение.

Объем и структура работы. Диссертация изложена на 116 страницах и состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 92 наименований; содержит 66 рисунков, 3 таблиц и приложение.

Автор выражает искреннюю признательность за помощь в работе к.т.н. Анатолию Михайловичу Петрееву. Автор также благодарен сотрудникам ИГД СО РАН д.т.н. В. В. Червову, вед. инж. В. В. Трубицину, к.т.н. И. В. Тищенко за полезные советы и обсуждение на стадии проведения экспериментов; и практическую помощь по созданию экспериментального оборудования, а также всем сотрудникам лаборатории «Механизации горных работ» за оказанную всестороннюю поддержку.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Способы и технические средства для проходки скважин в грунте при бестраншейной прокладке подземных коммуникаций

С ростом объемов жилищного строительства и усложнением подземных коммуникационных и транспортных систем широкое распространение получили бестраншейные технологии их прокладки, которые в развитых странах стали уже преобладающими. В их основе лежит процесс образования приповерхностных скважин в грунтовом массиве. Они выполняются в различных грунтовых условиях, часто в "культурном слое", на незначительных глубинах, под сооружениями, подверженным постоянным динамическим нагрузкам и категорически не допускающим возможности просадок, например, под автомагистралями или железнодорожным полотном. В этом случае необходимым условием сооружения подземного перехода является защита скважины от обрушения.

В настоящее время накоплен большой опыт прокладки трубопроводов как управляемыми, так и неуправляемыми проходческими комплексами. К управляемому бестраншейному методу прокладки подземных коммуникаций, основанному на использовании специальных буровых комплексов (установок), относится горизонтальное направленное бурение. Длина прокладки трубопроводов таким методом может быть от нескольких метров до нескольких километров, а диаметр более 1200 мм. Строительство подземных коммуникаций по технологии горизонтального направленного бурения осуществляется в несколько этапов: бурение пилотной скважины и, затем, последовательное её расширение и протягивание трубопровода.

Бурение пилотной скважины - особо ответственный этап работы, от

которого во многом зависит конечный результат (рисунок 1.1). Оно

осуществляется при помощи породоразрушающего инструмента - буровой

головки со скосом в передней части и встроенным излучателем. Буровая

головка соединена с гибкой приводной штангой, что позволяет управлять

9

процессом строительства пилотной скважины и обходить выявленные на этапе подготовки к бурению подземные препятствия в любом направлении в пределах естественного изгиба бурового става. Буровая головка имеет отверстия для подачи специального раствора, который закачивается в скважину под давлением, разрушает грунт и выносит его в виде суспензии в рабочий котлован. Кроме того буровой раствор уменьшает трение на буровой головке и штанге, предохраняет скважину от обвалов и охлаждает породоразрушающий инструмент. Контроль местоположения буровой головки осуществляется с помощью приемного устройства локатора, который принимает и обрабатывает сигналы встроенного в корпус буровой головки передатчика. При отклонении буровой головки от проектной траектории оператор останавливает вращение буровых штанг и устанавливает скос буровой головки в нужном положении. Затем осуществляется задавливание буровых штанг без вращения с целью коррекции траектории бурения. Строительство пилотной скважины завершается выходом буровой головки в заданной проектом точке.

Рисунок 1.1 - Бурение пилотной скважины

После завершения пилотного бурения осуществляется расширение

скважины (рисунок 1.2). При этом буровая головка отсоединяется от буровых

штанг и вместо нее присоединяется риммер - расширитель обратного

действия. Приложением тягового усилия с одновременным вращением

риммер протягивается через створ скважины в направлении буровой

установки, расширяя пилотную скважину до необходимого для

10

протаскивания трубопровода диаметра. За расширителем через вертлюг крепится прокладываемый трубопровод. Вертлюг воспринимает тяговое усилие и в то же время не передает вращательное движение на трубопровод.

4 7. ■ " • ■ ,

* «

Щ ! "В : тт "* $

К-яШШЛк шт&шм чяШ* ШШ ^ ____^

Éщ

I

Рисунок 1.2 - Расширение скважины с протягиванием трубопровода Для обеспечения беспрепятственного протягивания трубопровода через расширенную скважину ее диаметр должен на 25-30% превышать диаметр трубопровода. Несмотря на множество достоинств метода горизонтального направленного бурения, таких как возможность выполнения переходов под реками, оврагами, лесными массивами, под автомагистралями, трамвайными путями, скверами и парками в условиях плотной жилищной застройки городов, он имеет один существенный недостаток - наличие зазора между стенками скважины и прокладываемым трубопроводом. Это может приводить к образованию в грунте пустот и каверн и просадке дневной поверхности при неглубоком заложении трассы.

Прокладка трубопроводов непроходного сечения неуправляемыми проходческими комплексами осуществляется установками горизонтального бурения, либо статическим или ударным воздействием на трубы-кожухи, погружаемые открытым или закрытым торцом.

Горизонтальное бурение с разработкой грунта резцовой головкой диаметром большим, чем диаметр трубы, и с удалением грунта шнековым транспортером обеспечивает длину проходки не менее 60 м (рисунок 1.3).

Установки УГБ являются машинами непрерывного действия и предназначены для сооружения бестраншейных переходов диаметром 325 -

1420 мм с производительностью 19-25 м/смену [52].

11

1-буровая головка; 2-якорь; 3-шнековый транспортер; 4-полиспастная система подачи трубы; 5-труба; 6-тяговая лебедка; 7-силовая установка; 8-трубоукладчик для подъема и удержания силовой установки; 9-роликовая опора Рисунок 1.3- Схема установки горизонтального бурения (УГБ)

Несмотря на большую длину сооружаемых