автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.04, диссертация на тему:Разработка методики расчёта и обоснование выбора конструктивных параметров прижимного движителя машин для ремонта трубопроводов

На правах рукописи

АРТЮШКИН АНДРЕЙ ВЛАДИМИРОВИЧ

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ РАСЧЁТА И ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА КОНСТРУКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ПРИЖИМНОГО ДВИЖИТЕЛЯ МАШИН ДЛЯ РЕМОНТА ТРУБОПРОВОДОВ

Специальность 05.05.04. Дорожные, строительные и подъёмно-транспортные машины

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

г 1 но я 2013

Работа выполнена на кафедре «Строительные и дорожные машины» Нижегородского государственного технического университета им. Р.Б.Алексеева

Научный руководитель: доктор технических наук, доцент

Шапкин Виктор Александрович.

Официальные оппоненты:

Кузьмичёв Виктор Алексеевич, доктор технических наук, профессор кафедры ФГБОУ ВПО Санкт-Петербургский государственный технический университет, кафедра «Транспортные и технологические системы», профессор

Макаров Степан Сергеевич, кандидат технических наук, инженер отдела технологического проектирования ОАО ГИПРОГАЗЦЕНТР

Ведущая организация:

ФГБОУ ВПО Владимирский государственный университет, г. Владимир

Защита диссертации состоится «18» декабря 2013г. в 13й2 в ауд. 1307 на заседании диссертационного совета Д 212.165.04 в Нижегородском государственном техническом университете по адресу: 603600, Нижний Новгород, ГСП-41, ул. Минина, д.24.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Нижегородского государственного технического университета им. Р.Е.Алексеева.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах с подписью, заверенной печатью организации, просим направлять на имя секретаря диссертационного совета.

Автореферат разослан «15» ноября 2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

доктор технических наук, профессор

.Н. Орлов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы.

Магистральный трубопроводный транспорт является важнейшей составляющей топливно-энергетического комплекса России. В стране создана разветвленная сеть магистральных нефтепроводов, нефтепродуктопроводов и газопроводов, которые проходят по территории большинства субъектов Российской Федерации. Широкое применение трубопроводного транспорта обусловлено возможностью повсеместной укладки трубопровода; низкой себестоимостью транспортировки продуктов; сохранностью перемещения благодаря полной герметизации трубы; полной автоматизацией операций по наливу, перекачки, транспортировки и сливу; малочисленностью персонала; непрерывностью процесса перекачки; отсутствием отрицательного воздействия на окружающую среду.

Для поддержания трубопроводной сети страны в рабочем режиме постоянно проводят большой объём ремонтных работ. Согласно существующим нормативам, для обеспечения надежной эксплуатации магистральных нефтепроводов и восстановления их проектных технических характеристик ежегодно необходимо проводить замену 1500 км. труб и 3000 км. изоляции. Однако, из-за недостаточного финансирования, в год меняется не более 1000 км труб и изоляции. Одним из путей выходов из создавшейся ситуации является поиск новых конструктивных решений, которые уменьшат затраты на проведение ремонтно-восстановительных мероприятий, в том числе и на проведение технологических операций.

В настоящее время разработано большое количество машин для содержания трубопроводов, которые отличаются между собой не только конструкцией рам, рабочих органов, но и конструкцией и типом движителей. Вместе с тем, следует отметить, что создание новых машин, обоснование выбора рациональных параметров ходовой части на стадии проектирования требует новых теоретических разработок и методов расчета. Поэтому, работа, посвященная обоснованию технических решений, позволяющих существенным образом повысить эффективность работы машин для ремонта и содержания трубопроводов, является актуальной.

Цель исследований.

Разработка методики расчёта и теоретическое и экспериментальное обоснование выбора рациональных конструктивных параметров прижимного движителя машин для ремонта трубопроводов.

Объекты исследований.

Опытные и используемые ныне движители специальных машин для ремонта и содержания трубопроводов, таких как: машина подкопочная ПТ-НН-820П; машина для подкопа трубопроводов типа МПТ; машина очистная ПТ-НН-820ПО; очистная машина типа ОМР-820; машина очистная малогабаритная ОМР - 720; машина очистная ПТ-НН-820ФО; машина трассовая дробеструйная МТД 1220/1420; машина грунтовочная ПТ-НН-820Г; машина грунтовочная модульная МГМ-1220; машина очистная ПТ-НН-820И; машина изоляционная МИ-1; машина изоляционная роторная МИ-1020; малогабаритная изоляционная машина ИММ-1220.

Общая методология исследований.

При проведении теоретических и экспериментальных исследований использованы методы теории вероятности и математической статистики, теории подобия, аналитической механики, механики контактного взаимодействия, теории упругости,

численные методы решения интегральных уравнений, разнообразные методы математического моделирования.

Экспериментальные исследования проводились на серийно выпускаемых машинах, использующих для ремонта и содержания трубопроводов. Научная новизна. Представленной работы заключается:

• в разработке математической модели взаимодействия прижимного движителя с поверхностью трубопровода, отличающейся тем, что опорная поверхность (поверхность трубопровода) рассматривается как криволинейная поверхность (хорда окружности);

• в разработке алгоритмов и методики расчета силы тяги и сопротивлению движению технологических машин, предназначенных для содержания трубопровода с учетом движения по криволинейной поверхности;

• в обосновании выбора параметров прижимного движителя, учитывающего не только тягово-сцепные свойства, но и предотвращающие возможность повреждения трубопровода от контактных напряжений.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Из теоретических разработок:

- математическая модель взаимодействия распорного движителя с поверхностями трубопровода.

2. Из научно-методических разработок - методика выбора конструкционных параметров прижимного движителя и обоснование путей снижения сил сопротивления движению при обеспечении необходимой силы тяги для работы машин по ремонту трубопроводов.

3. Из научно-технических разработок - результаты экспериментальной проверки теоретических разработок и практическая реализация результатов исследований при создании новых и совершенствовании существующих конструкций движителей машин для содержания трубопроводов.

Достоверность результатов.

Проведенный комплекс экспериментальных исследований на серийных машинах, принимающих непосредственное участие в содержании и ремонте трубопроводов, подтвердил основные теоретические положения, методы и средства повышения эффективности работы машин, путём совершенствования конструкции их движителей.

Практическая ценность.

Состоит в реализации теоретических разработок, методик расчетов, практических рекомендаций при совершенствовании существующих и создании новых конструкций движителей машин, предназначенных для ремонта и содержания трубопроводов.

Реализация работы.

Результаты экспериментально-теоретических исследований по теме диссертации внедрены в ООО НПК Промтех-НН, ООО «Магистраль». Результаты работы используются в учебном процессе на кафедре "Строительные и дорожные машины" Нижегородского государственного технического университета. Апробация работы.

Отдельные результаты и основные положения докладывались на XIII Нижего-

родской сессии молодых ученых "Технические науки", проходившей в 2008 году в г. Н.Новгороде; на Международной научно-технической конференции, посвященной 35-летию кафедры "Строительные и дорожные машины, проходившей в 2008 году в г. Н.Новгороде, АВТО НН 02 «Проблемы транспортных и технологических комплексов», проходившей в 2002г. в Н.Новгороде, на международной конференции АВТО НН 03 «Автомобильный транспорт в XXI веке», проходившей в 2003г. в Н.Новгороде, на научно-практической конференции «Проблемы повышения эффективности функционирования и развития транспорта Поволжья», проходившей в 2003г в Н. Новгороде, на всероссийской конференции ТМ НН 04 «Транспортно-технологические машины», проходившей в Н.Новгороде в 2004 году, на 3 Всесоюзной молодёжной научно-технической конференции, проходившей в Н.Новгороде в 2004 году, на международной научно-технической конференции, посвящённой 70-летию каф. АиТ Нижний Новгород, 2010г., на научно-практической конференции «Безопасность транспортных средств в эксплуатации» - Н.Новгород: НГТУ, 2011 г, на III Международная научно-практическая конференция, посвященная 40-летию кафедры «Строительные и дорожные машины». Нижегородский государственный технический университет им. P.E. Алексеева Н.Новгород, 2012г., на 79 Международной научно-практическая конференция, посвящённая 95-летию Нижегородского государственного технического университета им. P.E. Алексеева «Безопасность транспортных средств в эксплуатации» 2012г., на 12 международной молодёжной научно-технической конференции -Н.Новгород: НГТУ, 2013г.

Публикации.

По теме диссертации опубликованы 11 научных работ. Объём принадлежащий автору опубликованного материала составляет 1,18 п.л.

Объем и структура работы.

Диссертация состоит из введения, четырёх глав, выводов, списка литературы и четырёх приложений. Содержит 160 страниц основного компьютерного текста, 55 рисунков, 12 таблиц, библиографии из 156 наименований и приложений на 41 странице.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулирована её цель, раскрыты методы исследования, отмечены научная новизна и основные положения, выносимые на защиту, представлены объекты исследования, указана практическая ценность получаемых результатов.

В первой главе проведён анализ научных трудов, посвящённых каждой из составных частей данной работы. В области исследования вопросов взаимодействия движителей с опорной поверхностью фундаментальными работами являются труды Я.С. Агейкина, М.Г. Беккера, Н.Ф. Бочарова, Р.В. Вирабова, Дж. Вонга, Г.О. Котиева, A.B. Кучеренко, А.Н. Мамаева, В. А. Петрушова, В.Ф. Платонова, A.A. Полунгяна, Г.А. Смирнова, Ф.Г. Ульянова, Е.А. Чудакова, H.A. Фуфаева, Abdulrahim М., Psiaki М., Xiaolan Ai и многих других. В Нижегородской научной школе данным вопросам посвящены работы JI.B. Барахтанова, В.В. Белякова, И.О. Донато, В.Н. Кравца, P.A. Мусарского, В.А. Шапкина. Изучением технологии применения машин различных типов для ремонта и содержания трубопроводов, а также изменению свойств покрытия после каждой технологической операции посвящены работы В.И. Баловнева, JI.A.

Гобермана, Б.Г. Кима, A.M. Тютьнева, A.C. Шацкого. Конструктивные особенности машин для ремонта и содержания трубопроводов, а также их приводов рассмотрены в работах А.Ж. Абдрахманова, П.П. Бородавкина Д.Н. Волкова, И.А. Гасенина, В.А. Кузьмичёва, А.П. Куляшова, A.B. Лепешкина, H.A. Мыльникова, И.А. Недорезова, Е.В. Сапожникова, A.B. Янковича и многих других.

Проведённый анализ состояния вопроса показал, что в настоящее время многочисленными исследователями довольно глубоко проработаны вопросы, связанные с взаимодействием различных типов движителей с опорными основаниями. Получены зависимости, позволяющие выбирать основные параметры движителей, предназначенных для движения по таким средам, как снег и лёд, грунт и асфальтобетонная поверхность, торф и ил. Однако, взаимодействию движителей с поверхностью трубопроводов до настоящего времени не уделялось должного внимания. В результате чего, в современных конструкциях машин для содержания трубопроводов применяются обычные металлические колёса, выбор рациональных параметров которых сводится только к определению диаметра колеса по максимально допустимым усилия на смятие.

В соответствии с поставленной целью и проведённым анализом научных трудов, в настоящей работе решались следующие задачи:

- разработка математической модели взаимодействия прижимного движителя с поверхностями трубопроводов с учетом сферичности их поверхности;

- определение основных возмущающих нагрузок, действующих на прижимной движитель машины при выполнении технологических операций;

- разработка методики выбора рациональных параметров движителей машин для содержания трубопроводов обеспечивающее повышение эффективности их работы;

- определение граничных значений параметров движителя, превышение которых может привести к повреждению трубопровода;

- экспериментальная проверка теоретических разработок и практическая реализация результатов исследований при создании новых и совершенствовании существующих конструкций движителей машин для содержания трубопроводов.

Во второй главе разработана математическая модель взаимодействия специального колёсного движителя со сферической опорной поверхностью.

С учётом того, что поверхность трубопровода жёстко задаёт параметры движения машины и препятствует перемещению в вертикальном и поперечном направлениях, а также в связи с введением допущения об отсутствии кручении машины по трубопроводу, система дифференциальных уравнений движения может быть сведена к одному, описывающему прямолинейное движение. С учётом того, что скорости движения при производстве работ по ремонту и содержанию трубопроводов являются установившимися и низкими, то влиянием динамических факторов можно пренебречь и решать уравнение движения исследуемых машин при помощи квазистатических уравнений движения.

Модель взаимодействия прижимного движителя предусматривает рассмотрение следующих теоретических вопросов:

- геометрия взаимодействия прижимного колеса с полотном пути;

- кинематика взаимодействия прижимного колеса с полотном пути;

- динамика взаимодействия прижимного колеса с полотном пути (формирование реакций).

с полотном пути

На рисунке 1 обозначены: ЯТР - радиус трубопровода, Якол -радиус колеса без нагрузки, Ь - ширина движителя в зоне контакта, ЬМАХ - максимальная деформация движителя, ЬА -деформация движителя в производной точке А, Бь - толщина оболочки прижимного движителя, (3 - угол между центром трубопровода и крайней точкой контакта движителя (ЬА=0), ц - изменение величины контактных напряжений в зоне взаимодействия колеса с дорогой

В настоящее время, для оценки тягового усилия, развиваемого движителем, в условиях, когда вся зона контакта является площадью сцепления, т.е. величина буксования определяется только тангенциальной жёсткостью движителя, а перемещения

между движителем и опорным основанием находятся в зоне упругих деформаций,

г I

принято использовать выражение: =кЯ1тте( 1 + где К ~ коэффициент насы-

щенности рисунка протектора, /тах - максимальная длина зоны контакта движителя с опорной поверхностью (см. рис.1), е - величина продольного напряжения, создающегося в движителе при реализации тягового усилия, а X - коэффициент пропорциональности между величиной продольной деформации элемента движителя в крайней передней точки пятна контакта и, действующем в данной точке, продольным напряжением.

«ело+^р

При достижении величины силы тяги, равной =---начинается

(1 + т)

скольжение в замыкающей части пятна контакта, дальнейшее увеличение пробуксовки или тяговой силы приводят к расширению зоны проскальзывания от задней до передней части. В этом случае сила тяги, развиваемая в зоне проскальзывания, может

быть найдена из уравнения: = </фк ((1 + , где /с - длина зоны контакта, затро-

шах

нутая скольжением. Тогда общая сила тяги, развиваемая движителем, может быть найдена из уравнения:

. а. -/см 1+Ц^) (1)

'тю

При взаимодействии колеса со сферической поверхностью трубопровода происходит дополнительное перераспределение зон проскальзывания, связанное с разницей в скоростях вращения поверхности движителя по его ширине. Для этого случая, уравнение 1 примет вид:

О. + -/сМ1+2/(^с)). (2)

где q — величина напряжений между движителем и трубопроводом, 8 и Бс - соответственно площадь зоны контакта и площадь зоны контакта, на которой имеет место проскальзывание движителя по опорной поверхности, Ьс - ширина зоны контакта, на которой имеет место проскальзывание движителя относительно опорной поверхности.

Дополнительная величина буксования, обусловленная взаимодействием движителя со сферичной поверхностью трубопровода будет определяться как:

(3)

где и(Ь) - коэффициент изменения радиуса перемещения элементов движителя, равный , а V - скорость движения установки. Так, для движения по трубопроводу, в

условиях, когда усилие прижатия направлено непосредственно к центру сферической поверхности зависимость и от Ь примет вид:

ДД = R + — (1 - cos—) = Д(1 +—cos—) = U(b)R, 2 D 2 R D' w

D 2b

то есть: U(b) = 1+—cos—, где D - диаметр сферической поверхности трубопровода. 2 R D

Тогда критическое значение величины пробуксовки, при которой тяговая сила достигнет максимальных значений примет вид:

<РЧ Г, 1__ЧЧ Г db

_f(—

, + Я) J yU{b

-1>й + 1 + С = -

-/„+1 + C, (5)

с + Л)J и(Ь) +Я)1 ЩЬ)

где ¡н - критическое значение величины пробуксовки при ДЯ=Я. Исходя из вышеперечисленного уравнение критической величины пробуксовки примет вид:

<РЯ ! db

а предельная сила тяги:

U(b)

„_ г db N

тогда:

^{(ОД^ + Л))

db

, „ 2b

1 н--cos-

2 R D

-q:

■ W((0

dft D

2 J , D 2b

1 + —cos— 2 R D

-q: =

1т„+Я))

Лп

■ж

2

D

2Rr

D

2 Rr

D

2b D

(6) (8)

(9)

Зависимость изменения максимальной силы, развиваемой движителем, от изменения ширины движителя Ь, радиуса качения Икол движителя и диаметра трубопровода О показана на рисунке 2. Следует отметить, что выражение, находящееся в квадратных скобках показывает, насколько отличается запас силы тяги движителя, движущегося по сферической опорной поверхности, от запаса силы тяги при движении по плоской поверхности.

Суммарная сила сопротивления движению в развернутом виде представляет собой алгебраическую сумму:

п

= 0.ск + Оост + 0сд + Офру (Ю)

г 1

где - сила сопротивлению перекатыванию прижимного катка, С>ост - сопротивление от выноса из зоны контакта остаточных элементов разработки, С>сд - сопротивление от перемещения по поверхности трубопровода, покрытого грунтом установки, <ЗфР - сопротивление от рабочего органа при разработке грунта.

о

0,1

0,2

0,3

К, М

1.5 2,0 2,5 Б.м

Рис.2. Относительное изменение максимальной силы тяги, развиваемой движителем, изменения ширины движителя, радиуса качения и диаметра трубопровода; 1- зависимость для изменения ширины движителя, 2- зависимость для изменения радиуса качения движителя, 3- зависимость для изменения диаметра трубопровода

Причём только первый параметр - сила перекатывания катка зависит от его конструктивных параметров. Как и при качении колеса по плоской опорной поверхности, при качении по жесткому трубопроводу смещение нормальной реакции, обусловленное гистерезисом, происходит в направлении качения колеса. Удобнее определять момент от гистерезиса через мощность гистерезисных потерь: М^Рг/со*. Для определения мощности потерь на гистерезис в материале эластичного колеса, катящегося по жесткому трубопроводу, будем учитывать лишь нормальную деформацию колеса, которую можно представить в виде суммы слагаемых :

Потери мощности на гистерезис можно найти, используя следующую зависимость:

I

Рг=рг\2ЬЧ

с1х,

Л

где рг - коэффициент гистерезисных потерь в материале оболочке колеса, а

скорость деформации, равная Х0)к . Тогда:

/

Рг = Рг ^2ЬдхсоксЬс, = Ь/Згда)к12 ^

(П) <11¥

Л

а сила сопротивления от перекатывания движителя определится как:

всг = кнЕр/}гЬ>((Ь>+4Иш/_г))

(13)

Следует отметить, что при качении прижимного движителя по поверхности трубопровода значительная часть поверхности контакта находится в состоянии постоянного проскальзывания.

Работу, затрачиваемую на. проскальзывание элементов протектора катка по опорной поверхности, с учётом наличие геометрической связи между радиусом контакта колеса с опорной поверхностью Я, геометрическим радиусом колеса Якол. Диаметром трубопровода О и величиной деформации колеса имеют вид:

У=4ЩК

Ч(ОЛ + ^МАХ ~ Ю , К- К-кол + Ьмлх Ь- ^млх - у /В, поэтому

зависимость между данными параметрами и работой сил проскальзывания примет вид:

,/т«1 J I и _ V I II и ■ I I I и _ и Л- !л 1

'млх>

Лш=8лг(Я +Ишх)Ч(рМЯ -Я,

КОЛ + ЬМАХ

2^Е -Якол+Ьшх)-~ + {Ь3 - 1б[/)(Я - Якол + И^У'2 /24£>])

(14)

.Суммарное изменение силы сопротивления движению колеса, обусловленное сферичностью, опорной поверхности, в зависимости от ширины движителя Ь, в графическом виде показано на рис. 3.

10,0 8,0 6,0 4,0 2,0 0

.»•• 2

А (Г*

0,01 0,03 0,05 Ь. м

Рис.3. Влияние сферичности опорной на величину силы сопротивления перемещения движителя

1 - для диаметра трубопровода равного 0,5 м.

2 - для диаметра трубопровода, равного 1,4 м.

Третья глава настоящей работы посвящена разработке методики выбора рациональных параметров прижимного колёсного движителя, обеспечивающего минимум энергозатрат на перемещение машин, при обеспечении заданной величины тягового усилия.

Методика выбора рациональных параметров заключалась в определении условий, при которых достигается минимум силы сопротивления перемещению движите-

ля. Нахождение минимума функции базировалось на стандартной математической процедуре, связанной с дифференцированием исследуемой функции по заданному параметру, нахождение точек в которых производная будет равняться 0 и определению, чем же является данная точка минимум или максимумом.

Так для определения рациональной ширины распорного катка необходимо продифференцировать суммарную силу сопротивления движению по ширине распорного катка. Согласна выражений 12, 13 и 14 производная сопротивления по ширине найдётся из следующего уравнения:

«л»«.

(15)

........ , ^Уад + И

аь " [2 4 5Д 3 6

'а.ЬС. * 5Д 3 Ь .

2 ь 5„ 5„

+ 4<ррь{ь - 0,5Й„ }АрК„ + 8вВ\пНрК„ -ър ър и

Численные решения данного уравнения показывают, что на участке значений от 0 до Б имеются экстремумы минимума энергоёмкости, которые для радиуса качения колеса, равного 0 находятся в точке Ь = й, для случая 11= 0,50 - Вк = 0,78660, а при стремлении значений Я к бесконечности - 1, что не имеет физического смысла. Таким образом, ширина Ь движителя должна быть минимально возможной, обеспечивающей при этом такие контактные напряжения на трубопроводе, которые обеспечивали бы его не повреждаемость. Исходя из вышесказанного получим следующую ап-роксимационную зависимость:

г>>л^£>220-5, об)

где А,,- аппроксимационный параметр, равный 0,152м1/3Н6.

Аналогично были получены зависимости по нахождению минимума энергозатрат от диаметра движителя:

¿V

2 2Л.г

Я о75.fr г'.Кб "У Г1'5 1 (Р)\,1 Л5 т

Л«»-0,75^^^(6 ^ + (17)

л«» Ам„г 1е25

где А2- аппроксимационный параметр, равный 520м"2/3Н°'83. толщины оболочки прижимного движителя:

НраМЗЛ-2в)к (18)

жесткости материала оболочки распорного катка :

2 лй„е2

£Р=0,5

1^ + А 2 6

(19)

а также количества катков, способа их установки и выбора материала, обеспечивающего тот или иной коэффициент трения с опорной поверхностью. Зависимости рациональных величин ширины движителя Ь и его геометрического радиуса Якол от величины усилия прижатия катка к трубопроводу Опр показаны на рис. 4 и 5.

Ь, м 0,06

0,04

0,02

0*

..... 4 г

—у *** — 3 ■

& ** 1

г I

400 800 1000

Рис.4. Определение зависимости рациональной ширины каткового движителя от усилия прижатия (необходимой силы тяги) 1 - для трубопровода диаметром 0,5м, 2 - диаметром 0,7м, 3 - диаметром 1,2м, 4 - диаметром 1,4м.

Я , м

0 1000 2000 3000 0Ж . н

Рис. 5. Зависимость диаметра распорного катка от усилия его прижатия к поверхности трубопровода; 1 - для трубопровода диаметром 1,4 м; 2 - для трубопровода диаметром 0,6 метра

На основании полученных результатов теоретических и экспериментальных исследований была разработана методика выбора основных конструктивных параметров движителя технологической установки, предназначенной для ремонта и содержания трубопроводов для перемещения ее по наружной поверхности трубопровода. Отличительной особенностью данной методики является проверка полученных конструктивных параметров движителя по режимам буксования, обусловленной неплоскостностью опорной поверхности. Структурная схема методики расчета основных рациональных параметров движителя представлена на рис.6.

Рис.6. Обобщённая методика выбора рациональных параметров специального катко-вого движителя машин для содержания трубопроводов

Четвёртая глава настоящей работы посвящена экспериментальным исследованиям, целью которых являлось как подтверждение результатов, полученных в результате теоретических разработок, так и получение недостающих значений физико-механических параметров материала опорной поверхности. Кроме того, в работе использовались результаты экспериментальных исследований И.А. Гасенина и С.С. Макарова, выполненных на кафедре СДМ НГТУ в последнее время. Экспериментальные исследования состояли из трёх этапов - исследование характеристик поверхности трубопроводов как опорного основания, по которому осуществляется движение кат-кового движителя; проверка и уточнение математической модели формирования сил тяги и сопротивления перемещению каткового движителя; определение энергоёмко-

ста перемещения машины при различных технологических процессах взаимодействия машин для ремонта и содержания трубопровода с разрабатываемой средой.

Для экспериментальной проверки и уточнения математической модели процесса взаимодействия прижимного каткового движителя с поверхностью трубопроводов и определения значимости факторов, входящих в модель, проверки адекватности теоретической модели экспериментальным данным были использованы методы планирования многофакторного эксперимента по плану Хартли. В качестве отклика принята величина силы сопротивления движению машины и запас силы тяги. Данные параметры удовлетворяет всем требованиям, предъявляемые к функции отклика, то есть имеет физический смысл, количественную оценку и является совокупной и исчерпывающей характеристикой объекта исследования. Эксперименты проводились непосредственно на участках трубопроводов, на которых работает исследуемая техника, а также при стендовых испытаниях. Сравнительная оценка действительных и расчётных значений сил сопротивления движению, производилось на основе обработки сигналов, получаемого от установленных в электроприводе движителя ваттметр-мультиметра АСМ-2352 и электронных динамометров.

Рис.7. Общий вид универсального толкающего узла (справа) и основные типы испытуемых машин

Из анализа априорной информации и результатов постановочных экспериментов с достаточной степенью достоверности можно отметить нелинейность функции отклика и как следствие необходимость описание процесса модельного регрессивного анализа второго порядка, представляющий собой полином второй степени:

г = А,+ ±Дл +I ± Ал*, +ХАл ' (20) (-1 ¿=¡+1 1=1

где У - функция отклика, Х|, Xj — варьируемые факторы, Рь Р^ - коэффициенты регрессии, отражающие степень влияния каждого фактора на функцию отклика, р^ — коэффициенты регрессии, соответствующие эффектам парных взаимодействий, р0 — свободный член

В результате проведённых исследований были получены регрессионные зависимости, связывающие параметры трубопровода, движителя и мощность, требуемую на выполнение операции по перемещению машины:

N=158,2 +64,5х1+43х3+40х4+12,2х5+18,5х1х2+17,1х1х4+5,2х1х5+

+1 1,5Х2Х4+3,8Х2Х5+4,7ХЗХ5+3,6Х4Х5+З9,7Х32-4,5Х42 , (21) где X] - усилие прижатия катков, Х2 - толщина оболочки катка, хз — диаметр трубо-

провода, Х4 - ширина катка, х5 - диаметр катка. Полученные данные показывают, что максимальное влияние на затраты мощности на перемещение прижимного движителя оказывает такой параметр, как усилие прижатия, а также диаметр трубопровода и ширина катка.

Сравнение экспериментальных и теоретических значений изменения сцепления, реализуемого движителем при перемещении машины <р, в зависимости от величины развиваемой силы тяги показано на рис. 8., а зависимости коэффициента сопротивления движению/от величины деформации оболочки катка Л мах ~ на рис. 9. <р

0,8 0,6 0,4 0,2

10000 2000 3000 <3К ,Н Рис.8. Изменение силы тяги машины от диаметра катка 1 - для диаметра трубопровода, равного 1,4м, 2- для диаметра трубопровода, равного 0,8 м

0,1

о

Рис.9. Изменение коэффициента сопротивления движению от величины деформации

движителя;

1 - для движителя с радиусом катка равным 0,4м, 2- для движителя с радиусом катка равным 0,25 м; 3 - для движителя с радиусом катка равным 0,15 м

Проведена проверка достоверности экспериментальных данных, полученных при испытаниях натурных образцов прижимных движителей на воспроизводимость результатов по критерию Кохрена и на адекватность математической модели по крите-

1 х1'- Г"

Г4

1 ..... г < * —-1 >

А г-1 ► »•3

рию Фишера. В ходе проверки установлена достоверность результатов по обоим критериям. Относительная погрешность,, в зависимости от исследуемых параметров составила от 10 до 20%.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ ПО РАБОТЕ

1. Разработана математическая модель взаимодействия прижимного движителя с поверхностью трубопроводов, отличительной особенностью которой является регулируемое из вне усилие прижатия катков, и учёт наличия опорной поверхности имеющей определённый радиус кривизны в плоскости перпендикулярной движению машины.

2. Выявлены граничные значения параметров прижимного движителя, превышение которых может привести к повреждению трубопровода. Показано, что формирование напряжений в зоне контакта зависит как от усилия прижатия, диаметра прижимного колеса, жёсткости его оболочки и диаметра трубопровода.

3. Определены основные возмущающие нагрузки, действующие на прижимной движитель машины при выполнении технологических операций. Установлено, что действие большинства нагрузок лежат в плоскости движения машины и связаны с сопротивлением движению и работой технологического оборудования. Силы, связанные с преодолением подъёмов и поворотов, а также статически неуравновешенные силы, стремящееся к вращению установки по своей величине не превышают 0,1% от общего силового баланса.

4. Разработана методика выбора основных конструктивных параметров прижимного движителя машин для ремонта и содержания трубопроводов, отличительной особенностью которой является проверка создаваемого движителем контактного напряжения на повреждаемость трубопровода. Параметры движителя, выбранные по данной методике, позволяют обеспечить работоспособность той или иной машины для ремонта и содержания трубопроводов с прижимным движителем во всем диапазоне изменения физико-механических и геометрических параметров разрабатываемой среды.

5. В результате проведенных исследований выяснено, что наибольшее влияние на процесс перемещения машины для ремонта и содержания трубопроводов оказывают такие конструктивные параметры движителя как угол установки катков, усилие прижатия катков к поверхности трубопровода, ширина катка и его диаметр, а также параметры оболочки катка, а также геометрические параметры поверхности трубопровода.

6. Установлена наиболее рациональная схема установки катков, при которой должно обеспечиваться выполнение следующих условий: Плоскость вращения катка движителя должна проходить через центр трубопровода, а ось вращения катка должна быть перпендикулярна продольной оси трубопровода. При коэффициенте полезного действия привода катков, меньше, чем 0,8 количество прижимных катков должно быть равно 4, при коэффициенте полезного действия привода катков, большим, чем 0,8 количество прижимных катков должно быть равно 6., а при коэффициенте полезного действия привода катков, большим, чем 0,95 количество катков может быть увеличено до 8.

7. Установлено, что при движении по очищенному трубопроводу оболочка прижимного колеса должна быть изготовлена из резиновой смеси с твёрдостью по Шору 70-90 единиц по шкале А (групп VI -1 в или VII -1в ). Диаметр колеса от 0,35 до 0,55 метров, ширина движителя не меньше 0,02 м, а толщина слоя оболочки - не меньше 0,06м

8. На основании проведенных расчетно-теоретических и экспериментальных исследований определены рациональные, с точки зрения уменьшения сил сопротивления движению, основные конструктивные параметры движителя машин для ремонта и содержания трубопроводов. При этом наибольший эффект даёт применение регулируемого прижимного усилия вместо загрузочного балласта — до 50% уменьшения силы сопротивления и установки колёс в плоскости проходящей, через центр трубопровода — до 40% уменьшения силы сопротивления. Научно-обоснованный выбор геометрических параметров прижимного движителя позволяет уменьшить величину силы сопротивления на 10-15%.

9. Проведена проверка адекватности экспериментальных исследований математическому моделированию по критерию Кохрена и Фишера. В ходе проверки установлена достоверность результатов по обоим критериям. Относительная погрешность, в зависимости от исследуемых параметров составляет 15...20%.

10. Результаты работы внедрены на предприятиях Нижегородской области, занимающихся выпуском и эксплуатацией машин для ремонта и содержания трубопроводов: ООО «НПК Промтех-НН», ООО «Магистраль», а также в учебном процессе кафедры «Строительные и дорожные машины» Нижегородского государственного технического университета им. P.E. Алексеева.

Основное содержание работы отражено в 11 публикациях: Статьи в ведущих рецензируемых научных журналах

1. Артюшкин A.B., Куляшов А.П., Молев Ю.И., Тютьнев И.А. Особенности использования трубоукладчиков на заболоченных грунтах М.: Журнал «Строительные и дорожные машины» 2012г., № 7 с. 36-39.

2. Артюшкин A.B., Богачёв Д.В., Молев Ю.И. Прижимные движители рабочего оборудования машин для ремонта трубопроводов М.: Журнал «Строительные и дорожные машины» 2012г., № 8 с. 22-25.

3. Артюшкин A.B. Очистная машина для ремонта и содержания трубопроводов. Рекомендации по выбору типа движителя / A.B. Артюшкин, B.C. Макаров, Ю.И. Молев, В.А. Шапкин // Наука и образование: электронное научно-техническое издание. 2013 № 11 С. 3-3.

Статьи и тезисы докладов, опубликованные в сборниках научных трудов

4. Артюшкин A.B., Богачёв Д.В., Молев Ю.И. Особенности работы прижимных движителей с поверхностью трубопроводов Нижний Новгород.: НГТУ, материалы III Международной научно-практической конференции. Проблемы транспортных и технологических комплексов 2012г. с.144-148

5. Артюшкин A.B., Богачёв Д.В., Молев Ю.И. Методика расчёта параметров прижимного движителя машин для ремонта трубопроводов Нижний Новгород.: НГТУ, материалы 79 Международная научно-практическая конференция, по-

священная 95-летию Нижегородского государственного технического университета им. P.E. Алексеева «Безопасность транспортных средств в эксплуатации» 2012г. с.284-288

6. Артюшкин A.B., Куляшов А.П., Тютьнев И.А. Болота как опорная поверхность для работы трубоукладчиков Нижний Новгород.: НГТУ, материалы 79 Международная научно-практическая конференция, посвященная 95-летию Нижегородского государственного технического университета им. P.E. Алексеева «Безопасность транспортных средств в эксплуатации» 2012г. с.284-288

7. Артюшкин A.B., Кошелев Ю.В., Соколов Д.А. Нанесение новой изоляции на поверхности газо- и нефтетрубопроводов. Нижний Новгород.: НГТУ, материалы III Международной научно-практической конференции. Проблемы транспортных и технологических комплексов 2012г. с. 8-11.

8. Артюшкин A.B., Куляшов А.П., Тютьнев И.А. Нагрузки, действующие на трубоукладчики при выполнении технологического процесса. Межвузовский научный сборник «Новое в науке XXI века» выпуск 6. - Н.Новгород: НГТУ, 2010 г. с. 148-163

9. Артюшкин A.B., Богачёв Д.В., Тютьнев И.А. Подкопочная машина. Требования к основным показателям движителя. Межвузовский научный сборник «Новое в науке XXI века» выпуск 6. - Н.Новгород: НГТУ, 2010 г. с. 45 - 47

10.Артюшкин A.B., Богачёв Д.В., Тютьнев И.А. Требования к основным показателям движителей очистной и изоляционной машин. Межвузовский научный сборник «Новое в науке XXI века» выпуск 7. - Н.Новгород: НГТУ, 2011 г. с. 33 -38

11. Артюшкин A.B., Богачёв Д.В., Молев Ю.И. Особенности выбора математической модели прижимного движителя, предназначенного для движения по трубопроводу. Сборник материалов 12 международной молодёжной научно-технической конференции - Н.Новгород: НГТУ, 2013. - с. 177-180.

Подписано в печать 12.11.2013. Формат 60 х 84 Бумага офсетная. _Печать офсетная. Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 806._

Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева. Типография НГТУ. 603950, ГСП-41, г. Нижний Новгород, ул. Минина, 24.