автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.04, диссертация на тему:Разработка методики расчета параметров режущих органов бура-смесителя и создание буросмесительной машины

Введение

1. Состояние вопроса и задачи исследований

1.1. Обзор конструкций, сравнительный анализ буро-е ме--ситепышх машин, буров-смесителей и их классификация

1.2. Краткий анализ существующих методов расчета сопротивления грунта движению бура-смесителя

1.3. Выводы и задачи исследований

2. Аналитические исследования сопротивления грунта движению бура-смесителя

2.1. Физическая сущность и аналитическое определение усилий резания и измельчения грунта лопастью бура-смесителя при заглублении.

2.2. Определение сопротивления грунта внедрению забурника дри заглублении

2.3. Определение мощности на привод бура-смесителя и анализ зависимостей сопротивления грунта движению бура-смесителя при заглублении . . ох

2.4. Физическая сущность и аналитическое определение сопротивления грунта движению бура-смесителя цри выглублении.

2.5. Определение условий уплотнения грунта лопастью бура-смесителя.

Выводы

3. Экспериментальные исследования взаимодействия бурасмесителя с грунтом

3.1. Краткое описание объектов исследования

3.2. Измерительно-фиксирующая аппаратура и методика проведения экспериментальных исследований

3.3. Определение необходимого количества опытов и оценка точности результатов измерений

4. Результаты и анализ экспериментальных исследований

4.Х. Влияние глубины погружения бура-смесителя на величину крутящего момента и осевого усилия при заглублении

4.2. Влияние глубины погружения бура-смесителя на величину едутящего момента и осевого усилия дри вы-глублении . *

4.3. Влияние влажности грунта на сопротивление грунта движению бура-смесителя

4.4. Анализ полученных результатов и сопоставление теоретических и экспериментальных данных

Выводы . 1X

5. Рекомендации для промышленности

5.1. Методика расчета параметров режущих органов бура-смесителя . . . •

5.2. Итоги внедрения результатов исследования

5.3. Расчет ожидаемой технико-экономической эффективности

В Основных направлениях экономического и социального разви,тйя СССР на I98I-I985 годы и на период до 1990 года предусматривается повышение цроизводительности труда на 17.20 (2|lJ, Повышение цройзводительностй, как озмечал В.й.Ленин, самое важное, самое главное для победы нового общественного строя" [ХЛ] Повышение цроизводительности труда и снижение себестоимости продукции может быть достигнуто за счет разработки и освоения современных технологических процессов и оборудования, Одним из способов, позволяющих в 8- раз снизить стоимость свайных фундаментов, сократить земляные работы, освободить транспорт от перевозки кшенных материалов, является буросмеоительный (ЗД, АЛ, 5.6J Буросмесйтельный способ позволяет возводить сельскохозяйственные и дрсшышленные сооружения на гРУНтах, которые по несущей способности считаются непригодными для строительства без дополнительной обработки [5,6] К та1«ш грунтам относятся, например» лессовидные суглинки о первым типш просадочности, занимающие около 15 территории СССР (Средняя Азия, Сибирь, Украина) [б.б] В нашей стране буросмесйтельный способ сооружения свайных фундаментов из цементогрунта может найти широкое применение в сельскохозяйственном стгроительстве, что будет способствовать выполнению намеченной Майским Аленумом ЦК КПСС продовольственной программы [2.2] Кроме того технологичность и высокий уровень механизации процесса сооружения цшентогрунтовых свай буросмесительным способом позволяют широко цримеиять его в фундаментостроении, особенно в отдаленных районах со слаборазвитой производственной базой и в районах, в которые доставка строительных материалов затруднена [5,18J В СССР технологией изготовления буроомеоительнш ошсобом цементогрунтовых свайных фундаментов для сооружений рааличного назначения занимались: научно-исследовательский институт оснований и подземных сооружений (НЙЙОСП) Госстроя ССОР, ЦНШЭПсельстрой Минсельхоза РСФСР, С и б Ш Ш Э П и др. [4,37, 5,6, 5.18. 9.IJ Суть этой технологии, осуществляемой буросмесительными машинами, заключается в т ш что сооружение свай щроизводйтоя непосредственно в грунтовом массиве путш разрыхления и ишельчения грунта без выемки его из забоя, о одновременным хфиготовлеиием и подачей вяжущего материала, першетаванием этого вяжрего с грунтом и уплотнением получаемой ц©йентогрунтовой смеси. До настоящего вршени в нашей стране буросмеоительные машины серийно не изготавливаются, поэтому создание высокопроизводительных машин для сооружения цементогрунтовых свайных фундаментов с наименьшими энергозатратами является важной народнохозяйственной задачей, Недостаточность материалов по обоснованному определению соцротивленйя грунта движению бура-смесителя, расчету и выбору па раметров бура-смеси тела привода буросмесительной машины одределйло необходимость проведения специальных исследований в этой области. Таким образом, целью настоящих исследований являлось создание буросмесительной машины с высокими технико-экономическими показателями и разработка методики расчета параметров режущих органов бура-смесителя на основе анализа и иссяедований его рабочего цроцесса. В соответствии с целью исследований в работе поставлены и решены следующие задачи: "6- исследовано взаимодействие бура-шесителя с грунтом в процессе сооружения свай буросмесительным способом; выполнены аналитические исследования по определению сопротивления грунта движению бура-<1меойтеля; дроведены экспериментальные исследования и их результаты сопоставлены с данными аналитических исследований; разработана методика расчета параметров режущих органов бурашесителя и определения необходимой мощности привода буросмесительной машины; разработана и создана буросмесительная машина. Научная новизна дрсведенных исследований заключается в следующем: разработана математическая модель дроцесса разрыхления и имлельчения грунта режущими элементами бура-смесителя с учетом энергозатрат на перемешивание грунта и с учетом увеличения давления от собственного веса грунта по мере заглубления бура-смесителя, трения грунта о штангу и стенки скважины. Кроме того получены значения коэффичиентов першешивания и уплотнения грунта; получены аналитические зависимости, позволяющие определять ооцротивление гРУНта движению бура-смесителя при заглублении и выглублении в зависимости от физикочиеханических свойств грунта, конструктивных параметров бура-смесителя и от глубины его погружения; уточнена зависимость, позволяющая определять допустимый угол наклона нижней грани лопасти, цри котором возможно уплотнение грунта. Методика расчета параметров режущих органов бура-смесителя, разработанная в результате проведенных исследований, дает возможность на стадии проектирования обоснованно определять конструктив-7ные параметры буров-смесителей и выбирать силовой привод буросмесительных машин. По разработащюй методике произведен расчет основных параметров буров-смесителей и силового привода при разработке документации на буросмесительнуго машину Ш 7 4 изготовление которой намечено на Туёмазинском заводе автобетоновозов. Работа выполнена во Всесоюзном научно-исследовательском институте строительного и дорожного машиностроения, Настоящая работа содержит результаты исследований, полученные автором при выполнении целевой комплексной программы 0.Ц.031, подпрограммы 0.55.016Ц, задания 04.04.02 "Разработать и внедрить новую эффективную технологию устройства оснований и фундаментов из цшентогрунта, и:зготавлив0Шых буросмесительным способом" и научно-исследовательских тем по тематическому плану ВНЙИстройдормаша: "Провести исследования и создать универсальный агрегат для устройства буроинъекционных фундаментов из цементогрунта" и "Создание дополнительного экспериментального оборудования к буроинъекционной машине", имеющих государственный регистрационный 78057916. При выполнении тем под руководством автора был создан экспериментальный образец буросмесительной машины, который был испытан в I980-I98I г.г. и рекомендован к отработке для серийного производства. По т ш е исследований опубликовано четыре статьи и получено четыре авторских свидетельства. I, СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЩЕОВАНИЙ 1,1. Обзор конструкций, сравнительный анализ буросмесительных машин, оуров-смесителеи и их классир1кация Использование местных грунтов в качестве конструкционного аматериала для сооружения, например, фундаментов различных объектов возможно только при условии закрегаения их вяжущими материалами f4,4, 4,5, 4,9, 4.28, 4.29, 7.2] Обработка грунтов вяжущими материалами может быть осуществлена с использованием различных технологических способов: отрыв грунта от массива, подача его в смеситель, перемешивание с вяжущим, транспортирование к месту укладки и укладка в конструкцию [4,4, 4.5, 4.9] разрыхление и измельчение гРУНта непосредственно в грунтовом массиве с одновременным введением в него вяжущего, перемешивание и приготовление цементогрунта [4.9, 4.37, 4.38, 12.1J Последний технологический процесс осуществляется при сооружении цементохунтовых свай буросмесительными машинами различного конструктивного исполнения. Специфические условия сооружения цементогрунтовых свай в грунте без удаления грунта из скважин предъявляют определенные требования к конструкции буросмесительных машин, которые можно сфохшулировать следующим образш: машина должна быть мобильной и маневренной, иметь автономную энергетическую установку; уцравление машиной должно выполняться минимальным количеством обслуживающего персонала и с минимальными затратами ручного труда; машина должна, по возможности, осуществлять технологический цроцесс нецрерывно, изготавливать сваю за один проход с достаточно высоким качеством цриготовления цементегрунтового материала и минимальными энергозатратами.9Схемы возможных конструктивных решений буросмесительных машин представлены на рис.1.1. Для сооружения цшентощ)унтовых свай в илистых грунтах научно-исследовательский институт оснований и подземных сооружений (НШОСП) использовал машину вращательного бурения УГБ-50М, конструкция которой была доработана для обеспечения сооружения свай буросмесйтельным методом fS.IO, 5,20] Схема такой бурошесительной машины дана на рис.1.1а. Вертлюг машины соединен растворопроводом с растворонасосной станцией, содержащей растворонасоо СО-50 и растворосмеситель Ш 750, занижаемый цементам и водой вручную. Применение ручного труда снижает производительность машины и ухудшает условия работы обслуживающего персонала. Бурошесительная машина на основе машины УГБ-50ГЛ оснащена лопастным буром-смесителем (рис.1.26), на полом корпусе которого установлены две пары взаимноперпендикулярных лопастей, имеющих радиальные каналы для ввода в гРУНт вяжущего. Форма лопастей этого бура-смесителя позволяет разрыхлять и перемешивать илистый грунт, НО затрудняет внедрение его в подстилающий слой [5.10, 5.15, 5.20] Использование отечественных машин вращательного бурения для сооружения цементогрунтовых свай буросмесительным методом затруднено из-за того, что эти машины или не имеют принудительного привода подачи бура, или ход их механизма подачи ограничен величиной О,7...4,О м, что вынуждает изготавливать сваи с частыми перерывами технологического процесса, снижает производительность и качество приготовления цементе грунта. Отличительная особенность буросмесительной машины АГС-7 конструкции СибЗНИИЭП (рис.1.46) состоит в том, что смесительное и

1. ПредложенньШ в данной работе аналитический метод расчета сопротивления грунта дашкению бура - смесителя позволяет по ажзико механнческим свойствам грунта и выбранным параметрам бура-смесите ля определять потребную шщность привода буросмесительпого обору дования буросмесительной машины.2. При заглублении бура-смесителя одновременно с разрутпением и измельчением грунта осуществляется процесс его перемешивашм, энергозатраты на который учитываются коэШщиентом перемепмвашхя Установлено, что коэгМмциент перемешивания '^^ по мере погру жения бура-смесителя изменяется от 1,2 на глубине I м до 8,4 -

на глубине 10 м.3 . При выглублеыии осевое усилие на буре-смесителе, определ^£-

еше отпором грунта, зависит от количества грунта, поступающего под заднюю и ш1жнгою грани лопасти и учитываешго коэгТкТищхентом уплотнения Установлено, что коэффициент уплотнешш ПУ-^ изменяется в зависишсти от глубины погру}кения бура-смесителя от ьшнимально го значения 0,5 до мшссиг.тльного - 1,1.4. Установлено, что при выглублеыии степень де(Т)ормации грун та (цементогрунта) лопастью зависит от отношения подачи бура-сме сителя к высоте его нижней граьш и характеризуется коэф(|ициентом уплотнения Хуг , который с увеличением подачи утлепьшается.5. Энергозатраты па двилсение бура-смесителя в сква}шне зави сят от влшшости грунта. С увеличеьшем влэ:шости грунта в 1,5...2 раза сопротивленил грунта движению бура-смесителя сшьжается в

З...В раз.6. При создашш буросмесительной машины СП-74 была использова на разработанная автором методика расчета параметров режущих орга нов бура-смесителя.Экономическая Э(|)фективность от внедре1шя в народное хозяйство одной буросмесительной машины СП-74 составляет 42,3 тыс.руб.7. На основе ползгчеьшых в данной работе результатов исследо ваний iiyimo продожсить работы по изучешпо взаишдействия с грунтом перемешивающих элементов бура-смесителя в части обеспечения воз можности сооружешхя свай за один проход бура-смесителя.

1. Продовольственная программа СССР на период до 1990 года и меры по ее реализации: Материалы Майского Пленума Ц 1 С К ШС 1982 г. М: Политиздат, 1982 г. I I I с. S. Материалы съездов, конференций, симпозиумов b I Закрепление и уплотнение грунтов в строительстве (Тезисы докладов на IX Всесоюзном научно-техническом совещании). М: Стройиздат, 1978 368 с. 4, Книги 4 1 Лбелев М.Ю. Слабые водонасыщешше глинистые грунты как основания сооруяений. М: Стройиздат, I97& 288 с. 4.

2. Адлер Ю.П., Маркова Е.В., Грановский Ю.В. Планирование эксперимента при поиске оптималышх условий М: Наука, 1976 280 с. 4.Б, Артемьев К.А. Теория резания (копания) грунтов землеройными машинами. Учебное пособие. Новосибирек, 1978 107 с, 4.

3. Аскалонов В.В., Токин А.Н., Вдания и соорузйения из цементогрунта М: ЦБТИ НИИОМТП, 1957 I I I с. 4 5 Аскалонов В.В., Токин Л.П., Чаликова Е.С. Технология цементогрунта. М: Ивд-во Академии наук СССР-, 1957 30 с. 4.

4. Баловнев В.И. Новые методы расчета сопротивления резанию грунтов. Росувзиздат, 1963 95 с. 4 7 Барон Л.И, Глатман Л.Б., Мельников А.Н. Методи1са определения контактной прочности горных пород. М: ИГД им. А.А. Скочинского, 1976 24 с.

5. Игнатов В,И. Организация и проведение экспершлента в бурении М: Недра, 1978 94 с 4.

6. Инструкция по определению экономической эффективности создания новых строительных, дорожных, мелиоративных машин, противопожарного оборудования, изобретений и рационализаторских предложений. Часть I Определение экономической эффективности создания новой техники. М: ЩШИТЭстроймаш, 1978 252 с. 4.

7. Калужский Я.Л., Батраков О.Т. Уплотнение земляного полотна и дорожных одежд М; Транспорт, I97I 158 с. 4.

8. Катанов Б,А., Сасрохин М.С. Режущий буровой инструтшнт. Расчет и проектирование М: Машиностроение, 1976 167 с. 4.

9. Кардыш В.Г., Мурзаков Б.В., Оюдянский Л.С. Бурение не глубоких скважин М: Недра, I97I 237 с. 2.

10. Лебедев А.Ф. Уплотнение грунтов при различной их влажности М: Стройиздат, 1949 56 с. 4.

11. Литвинов И.М. Укрепление и уплотнение просадочных грунтов в/жилищном и промышленном строительстве Киев. Будвельник, 1977 288 с. 4.

12. Могилевич В.М. и др. Дорожные одежды из цементогрунта М: Транспорт, 1973 214 с. 4.

13. Мулин В.И. Механика грунтов для инженеров-строителей М: Стройиздат, 1978 118 с. 4.

14. Налимов В.В. Теория эксперимента М: Наука, I97I 207 с 4.

15. Перетолчин В.А. Вращательное бурение скважин на карьерах М: Недра, 1975 128 с. 4.

16. Петров Н.С. Методические рекомендации для работников отрасли строительного и дорожного машиностроения по обработке и оформленша результатов исследований М: ЦШИТЭстроймаш, 1972 112 с.

17. Ребрик Б,М., Калиничев В.Н. Полежаев А.П. Методы расчета баланса мощности при вращательном бурении разведочных скважин Техн. и технол. геол.-развед. работ; орг. пр-ва. Обзор (ВНИИ экон.шнер.сырья и геол. развед, работ, ВИЗМС, М: 1979 47 с. 4.

18. Рекомендации по строительству на просадочных грунтах в условиях Узбекской ССР Ташкент, УзНИИПТИ, 1979 28 с. 4.

19. Румшинский Л.З. Математическая обработка результатов экспершлента М: Наука, I97I 192 с. 4.

20. Ручьев Л.П. и др. Устройство грунтобетонных свай М: Стройиздат, 1968 33 с. 4.

21. Соколович В.Е., Губкин В.А. Овчаренко Л.Г. Новые способы закрепления лессовых грунтов Днепропетровск, Проминь, 1975 127 с. 4.

22. Соколовский В.В, Статика сыпечей среды М: Гостехтеоретиздат, 1954 274 с. 4.

23. Терцаги К., Пек Р. Механика грунтов в инженерной практике М: Госстройиздат, 1958 607 с, 4.

24. Уплотнение просадочных грунтов (под общ.ред. В.И.Крутова) 1 1 Стройиздат, 1974 207 с. 4.

25. Хархута И.Я., Васильев Ю.М. Прочность, устойчивость и уплотнение грунтов земляного полотна автомобильных дорог М: Транспорт, 1975 285 с. 4.

26. Харкута И.Я. и др. Дорожные машины. Теория, конструкция и расчет (Под об. ред. Н.Я.Хархуты) Ленинград, Машиностроение, 1976 352...354 с. 4.

27. Цытович И.Л. Механика грунтов (Краткий курс) -2-еИзд-. М: Высшая школа, 1979 280 с. 4.

28. Шенк X, Теория инженерного эксперимента М: Мир, 1972 381 с.

29. Бугаев В.Г., Макушкин Д.О., Меркулов В.М. О методике определения оптимальных режимов работы бурильно-крановых машин В сб: Надежность и долговечность строительных и дорожных машин. Красноярский политех, ин-т, 1975 с 43-49. 5.

30. Ганичев И.А. Итоги и задачи работ по закреплению и уплотнению грунтов для строительства. В сб: закрепление и уплотнение грунтов в строительстве. М: Стройиздат 1978, с 5-12. 5.

31. Гарбер М.Р., Беркман И.Л, Укладчик асфальтобетонной смеси со свободно скользящей плитой. Механизация строительства, 1948, Ъ I, с 15-17. 5.

32. Князев И.И, Применение буровых машин в качестве уплотнителей грунтобетона. В сб: Труды Томского сельскохоз. ин-та, т 118, 1974, с II8-I2I. 5.

33. Князев Н.И. Влияние сил трения на (зормирование структуры грунта и бетона в процессе уплотнения В сб: Науч.тр. Омского сельскохоз. ин-та, т.18, 1974, с IIS-II7.

34. Котов Л.И. Мотузов Я.Я., Панкеров В.Л. и др. Применение илоцементных свай в морском портостроении. Тр.ин-та (СоюзморШШпроект), 1979, й 52,с. 5.

35. Макушкин Д.О. Расчет усилия подачи бурильно-крановой машины. Науч.тв(ШИИстройдормаш, 1980, вып.

36. Создание машин для районов с холодныл климатом) с 25-29. 5.

37. Мкртычян Л.Л. О связи между влажностью и объемным весом (грунтов) Науч. тр. (Грузинский политехи, ин-т), 1978,г iJJ S, с 72-75. 5.

38. Мокс Э.В. Методика определения режима работы исполнительных органов машин, предназначенных для изготовления цементогрунтовых свай Академия стр-ва и архитек. СССР, Западно-Сибирский филиал, т р вып.7, 1962 с. 5.

39. Мокс Э.В., Толкачев П.И. Комплексный агрегат для устройства цементогрунтовых свайных оснований и фундаментов. Материалы 1У Всесоюзного совещания по закреплению и уплотнению грунтов, 1964. 5.

40. Мотузов Я.Я., Горлов B.C., Котов А.И. и др. Технология изготовления грунтоцементных свай. Транспортное строительство, 1977, Ji? 10 с. 20-21. 5 Л б Ней)езов И.А., Тургугбаев Д.Д, Исследование процесса резания грунтов под гидростатическим давлением Строительные и дорожные машины, 1979, Ъ 5 с 8-9. 5.

41. Недорезов И.А., Тындыбеков М.Т. Копание грунтов моделями бульдозерных отвалов под водой Строителыше и дорожные машины, I98I, f S, с 20-21. 5.

42. Ржаницын Б.А. Фундаменты из закрепленного грунта. В сбр: Закрепление и уплотнение грунтов в строительстве М: Стройиздат, 1978, с 12-21.

43. Самуилов В.А, Методика определения параметров буросмесителя Науч. тр. (ВНИИстройдордаш, I98I, вып. и совершенствование дорожных машин,с 58-67. 5.

44. Соколович В.Е., Мотузов Я.Я., Котов А.И, Пршленение илоцементных свай в строительстве портовых сооружений Основания, фундаменты и механика грунтов, 1976,й 5,с 23-25. 5.

45. Токин Л.Н., Ветштейн А.И. Влияние влажности цементогрунтовой смеси на качество перемешивания ее ко1;Шонентов буросмесительным способом Строительство и архитектура, вып. 10, ВШШС, I98I с 25-26. 5.

46. Черкасов И.И. Современные способы укрепления грунтов Автомобильные дороги, 1964, 7, с 5.2S. Шаталов А.А. К вопросу теоретического обоснования процесса подводного резания грунтов Строительные и дорожные машины, 1980, 1,с 9-10. 5.

47. Юкаков Б.И. Анализ транспортирующей способности лопастных буров В сб: Исследование землеройных машин. Томск, 19;79, с 44-48. 6. Д и с с е р т а ц и и 6.

48. Мокс Э.В. Исследование методов комплексной механизации устройства цементогрунтовых свай непосредственно в грунтовом массиве Дис. канд.техн.наук М, 1967, 225 с. 6.

49. Толкачев П.И. Исследование режимов работы и параметров рабочего органа агрегата для изготовления грунтобетонных свай Дис. Канд.техн.наук, Омск, 1969, 220 с. 7. А в т о р е ф е р а т ы 7.

50. Князев Н.И. Теоретическое обоснование пршденения буровых машин в качестве уплотнителей грунтобетона. Автореф. Дис. канд.техн.наук Омск, I97S 21 с. 91, Создание

51. Патент (США) 3.825.751, кл. 61-86, 1975.

52. Нотрмативно-технические документы 9.1. BCH-4-7I. Временные указания по устройству коротких грунтобетонных свай для малоэтажных сельских зданий, М: I97I 46 с. 9.2. СН-528-80 (Госстрой СССР. Перечень единиц физических величин, подлежащих применению в строительстве. М: Стройиздат, I98I, 34 с. 9.3. Б.Бромс, П.Боман. Стабилизация грунтов глинoизвecгкoвыIvШ сваями стойками (Руководство по расчету и проектированию) Перевод БП-78-11950, ЦШШТЭстроймаш, 1978 89 с. 9.

53. Руководство по проектированию илоцементпых оснований и фундаментов портовых соору}1сений М: СоюзморНЙИпроект, 1982, 28 с. капд.техн.наук М, 1958, 23 с.

54. Автомобильное шасси КрА8-

55. Руководство по эксплуатации 250-&902010РЭ Харьков, Прапор, 1978 171 с. 10.

56. Каталог (|мрмы "а/7и/а Juiai Япония, 1978-79 гг. I0.S. 1Саталоги фирмы LtncCen-McinaK (Швеция), 1977-80 гг.

57. Препшнты I I I Алтюв О.Д., Фролов А.В. Научно-методические основы синтеза параметров привода буровых машин. (Препринт) Фрунзе, Илш.1, I98I 65 с,

58. Депонированные рукописи 12.

59. Самуилов В.А., Соломатин В.И. Современные буросмесительные машины. Рукопись представлена ВНИИстройдормаш Деп. в ВИНИТИ "Депонированные рукописи", 1982, S, с. 91. й 12.

60. Самуилов В.А. Определение основных рабочих параметров буросмесительных машин Рукопись представлена ВНИИстройдормашем Деп. в ВИШ1ТИ "Депонированные рукописи", 1982, Ь II, с. 87. I2.S. Самуилов В.А. К вопросу определения грунта движению бурасмесителя Рукопись представлена ВНИИстройдрмашем Деп. в ВИНИТИ "Депонированные рукописи", 1983, Y с.