автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.04, диссертация на тему:Взаимодействие рабочего органа рыхлителя с мерзлым каменистым грунтом при статико-динамическом приложении нагрузки

ТОНКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АРХИТЕКТУРНО-СТРОИТЕЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ

На правах рукописи КОШИН АЛЕКСАНДР ПЕТРОВИЧ

УДК 624.139:624.131.34

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ РАБОЧЕГО ОРГАНА РЫХЛИТЕЛЯ С МЕРЗЛЫМ КАМЕНИСТЫМ ГРУНТОМ ПРИ СТАТИКО-Д1-!НАМИЧЕСКОМ ПРИЛОЖЕНИИ

. нагрузки

Специальность 05.05.04 - Дорожные и строительные машины

А вт орефврат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Томск г 1995

Работа выполнена в Ленинградском ордена Октябрьской револции и ордена Трудового Красного Знамени инженерно-строительном институте и Томской государственной архитектурно-строительной академии

Научный руководитель - кандидат технических наук,

доцент А.И.Батудов

Официальные оппоненты - доктор технических наук,

профессор Абраыенков Э.А. - кандидат технических наук, доцент Прокофьев Б.И.

Ведущее предприятие - строительно-производственное акционе-

кое общество СПАО "Сибакадемстрой", \ г.Новосибирск

на заседании специализированного Совета К 054.41.01 ' по защите диссертаций на соискание ученой степени кандидата технических наук при Томокой Государственной архитектурно-строительной академии по адресу 634003, г.Томск, Соляная площадь,д.2, вэрп.4, ауд. 211.

- С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке академии.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим высылать в Совет по адресу академии.

. 2.У HCtfSpA

Защита диссертации состоится -S0 октябри-1995 года в 14 часов

Автореферат разослан

»i

■¿■•J w ооотпбиг :

оотгпбру 1985 года.

Ученый секретарь специализированного Совета кандидат технических наук, доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Производство эемлянных работ в зимнее время при строительстве новых промышленных и гражданских объектов,. ведение аварийных работ по ремонту подземных коммуникации требует применения все более совершенного специализированного мерзлоторазрушаищего. оборудования.

. Из всего многообразия разрабатываемых типов грунтов, наибольшие трудности эсзнихавт в процессе разрушения мерзлых грунтов содержащих камевкэт;:э включения в виде гальки, гравия, щебня и валунов. Как показ шт инженерно-геологические исследования, грунты с каменистыми вкзэ^ззиямя, . обладающие высокими прочностными и абразивными свойствами, занимают около 30 Z территории страны и, представляют собой особый литоаогический тип грунта, состоящий из

грунта-связки и набора каменистых 'включении произвольной формы и

• ' . * . >

■ размеров.

При разруввюш такого грунта рабочий орган малины неоднократно встречая на" пути-движения каменистые включения испытывает динамические нагрузки, достигаациэ . „ предельных значений. - Достаточная' надежность машшы в таком случае обеспечивается либо применением специальных предохранительных устройств, либо увеличением прочности конструкции, что ведет к ее усложнению и увели* . чениэ штериалаэмкости. Кроме того, для разработки мерзлых каменистых грунтов традиционными рабочими органами требуется применение базовых машин тягового класса не ниже 250 кН. Однако их пре-мение не всегда, приводит я положительному результату из-за увеличения эксплуатационных- затрат.

В настоящее, время одним из направлений в решении указанной • проблемы является применение рыхлителей с рабочими органами статика-дикатческого действия, эффективность которых объясняется .

■'.".'. -' - 3 -

тем, что рабочий процесс статико-динамического рыхлителя соответствует динамическому режиму, реально протекающему при резании каменистого грунта. Но их широкое применение на практике сдерживается недостаточной теоретической й экспериментальной проработ-- кой г славе создания конструкции и эффективности взаимодействия рабочего органа с грунтом. К тому же, исследований по разрушению мерадых грунтов с каменистыми .включениями рыхлителями статико-ди-намичеокого действия ранее не проводилось.

Поэтому, изыскание эффектного метода разработки мерзлых грунтов с каменистыми включениями и создание на его основе мере-лоторазрувашщей машины является актуальным.

Дедь работы. Создание эффективного статико-динамического рыхлителя для послойной разработки мерзлого грунта' с каменистыми включениями на основе оптимальных критериев расчета обеспечивающих наилучшую эффективность рабочего процесса.

Поставленной целью определены следующие задачи исследования:

1. Дать аналитическое описание процесса взаимодействия с мерзлым каменистым грунтом рабочего органа статико-динамического рыхлителя с учетом волновых процессов, ' проходящих в теле инстру- . ■мента и грунте, на основе выявленных особенностей мерзлых каме-кистосодержажих грунтов и анализа работ по статико-динамическому разрушению мерзлых и прочных грунтов и пород. ■

2. Экспериментально, подтвердить правильность полученных в ходе аналитических исследований зависимостей и суждений. .

3. Разработать методику инженерного расчета статико-динамического рыхлителей мерзлого грунта с каменистыми включениями на стадии проектирования..

4. Провести натурные испытания опытныного образца статико-динамического рыхлителя.

Научная новизна работы состоит .в том, что:

- 4 -

í. При аналитическом изучении механизма-р.*.зрушения мерзлого каменистого грунта впервые рабочий' орган статика-динамического рыхлителя рассматривается как физическое тело с конктерными раз- -мэрами.

2. Процесс _"-{9дрения рабочего органа при статико-динамическом приложении нагрузки рассматривается не только под действием мгновенного импульса, но и под действием отраженных волн напряжений возникающих и распространявшихся в теле инструмента при ударе по нему.

3. рассмотрен процесс взаимодействия упругой волны деформации, распространяться а-объеме каменистого грунта, с включением внедренным в грунт-связку.

4. Получены аналитические уравнения, описывающие процесс взаимодействия рабочего органа рыхлителя статико-динамического действия о мерзлым- каменистыми грунтами, учитывающие волновые процессы прсвекапщга в теле 'инструмента и грунте.

5. Определены основные'принципы построения структурно-компоновочных схем и разработаны новые типы статико-динамического рабочего оборудования- для разрушения мерзлых грунтов с каменистыми включениями* (а.е. N 1477354, а.с. N 15БС020).

, - Практическая ценность, работы. Разработаны эффективные устройства для разрушения мерзлых грунтов-с каменистыми включениями, использующие эффект высокочастотного' воздействия и позволяющие использовать в качестве базовой техники машины тягового класса 100 кН. разработана методика инженерного расчета и выбора основных параметров статико-динамического оборудования мерзлых грунтов с каменистыми включениями. Спроектированы и изготовлены навесное рабочее оборудование па Сазе трактора класса 100 кН для разработ-' -ки мерзлых каменистых грунтов, . навесное рабочее оборудование для разрыхления смерзшегося балласта внутришальной решетки подкраяо- .

вых путей!

Реализация работы. Результаты работы.нашли практическое' применение при проектировании динамического рыхлителя мерзлых грунтов, изготовленного в Управлении механизации N 4 треста "Стройме-ханизация - 1" Главленинградстроя, а также при проектировании рыхлителя • смерзшегося балласта в ментальном ящике подкрановых путей башенных кранов, изготовленного 2 Управлении механизации N 3 треста "Строймеханизация - 2" Главленинградстроя. .

Апробация работы.. Основные результаты работы докладывались ка 41...44 научных конференциях профессорско-преподавательского состава ЛИСИ (Ленинград, "1984... 1987 гг.), на У Всесоюзной конференции по статике и .дин&чике пространственных конструкций и рабочих процессов строительных и дорожных малаш (Киев, ' 1085 г.), на научных конференциях профессорско-преподавательского состава Иркутского политехнического института (Иркутск, 1887 г.), Братского индустриального института (Братск, , 1987 г.), Томской государственной архитектурно-строительной академии (Томск, 1993...1995 гг.), на научно-практической конференции Новосибирской государственной архитектурно-строительной академии (Новосибирск, 1995 ■г.):

Основные научные положения,, защищаемые в работе:

- основные закономерности- процесса взаимодействия стати-ко-динамического рабочего органа с мерзлым грунтом, .содержащим каменистые включения; '

- явление саморегулирования динамического высокочастотного рабочего органа, работающего .в режиме автоколебаний, йри «го взаимодействии с мерзлым каменистым грунтом; .

- зависимости производительности и удельной энергоемкости разрушения мерзлого грунта с каменистыми включениями при высокочастотном разрушении; , ' _

- 6 -

- "гг/отаты исследований по назначению- - рациональных параметре::. п.?сокз*тзетотнога динамического разрушения мерзлого грунта с кзшткжаи •лключениямп;

- новое оборудование для комплексной механизации землеройных работ з зимний период времени.

Публикации. Сс.товныэ положения диссертации опубликованы в 8 печатных работах и 2-х авторских свидетельствах на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертационная работа общим объемом 160 страниц зкЕОЧзэт 09 страниц машинописного текста, 30 рисунков, 5 таблиц п ссзтопт введения, четырех глав, общих выводов, приложений и 'библиографического списка из 160 наименований.

0СК0Ш02 СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во.введение отмечены актуальность и цель работы, научная ко-визна, практическая значение полученных результатов.

Первая глава диссертации посвящена анализу литературных данных по вопросу разрушения мерзлых грунтов с каменистыми включениями. Рассмотрены физико-механические свойства мерзлых каменистых грунтов в 'естественном состоянии, приведено обоснование выбора статико-динамического способа для разрушения . мерзлых каменистых грунтов, представлен анализ литературных дашшх -по разрушению мерзлых- грунтов статико-динамическим способом.

Согласно Государственной инженерно-реологической карте СССР грунты с каменистыми включениями занимают около 30 X всей площзди территории России, й характеризуются как сезонномерзлые и вечно-мерзлые.; По своим свойствам они занимают промежуточное место между рыхлыми осадочпдаи и-рыхлыми полускальными породами. Такое положение обусловлено тем, что они являются результатом, или продуктом оледенения, так. ка$с "была образованы -за счет материала, транс' - ? - •

¡картированного в нижних горизонтах ледниковой толщи.

В силу природы образования грунтов с .каменистыми включениями выделяют ряд особенностей состава и строения, к которым относят очень высокий коэффициент неоднородности при часто встречающихся валунах, высокие значения прочности, объемного веса, плотности и связности при низкой пористости и влажности. Благодаря этому грунты с каменистыми включениями относят к отдельному диалогическому типу грунтов.

.В работах Баловнева В.И., Басова И.Г., Волкова Д". П., Кравцова Э. А. .Лещинера В.Б., Митерева Г.И.Неплотника Г.Я., .Осипенко Б.В., Селедцова М.В., Сидорова В.А., Соколова Л.К.Уткина А.И., Ципурского В.Д. и др. авторов, • посвященных вопросам разрушения мерзлых грунтов с каменистыми включениями, отмечалось, что указанные особенности в значительной степени влияют на'процесс разрушения каменистого грунта. Например, резание грунта о каменистыми включениями независимо от вида рабочего органа сопровождается не 'только повышенными значениями среднемаксимального усилия резания, но и высокими значениями пиковых динамических нагрузок, которые испытывает инструмент при встрече с включениями. Частота •пиковых динамических нагрузок зависит от концентрации включений в грунте, а. их величина - от размера включений, типа грунта-связки, его влажности и температуры. • - -

• В результате этого система "резец-базовая машина" работает в режиме неустановившихся динамических нагрузок, что отрицательно сказывается на работоспособности всей системы в целом. В частности, снижается производительность машины, увеличивается расход режущего инструмента более быстрого износа резцов и за счет' частых его поломок.

В наибольшей степени режиму неустановившихся динамических нагрузок соответствует работа рыхлителя отатико^динамического

- 8 -

действие, ' что и предопределило направление исследований в данной работе. Анализ публикаций показал, что исследований по разрушению мерзлых грунтов с каменистыми включениями рыхлителями статико-ди-намического действия ранее не проводилось. В работах Баладинского В.Л., Берновского Ю.Н., Недорезова И.А., Полонского Г.Л., Ровинс-кого М.И., ФеДулова А.И. и др. в качестве объекта разрушения исследовался мерзлый грунт однородного состава^

Сложившаяся ситуация вызвала необходимость проведения специальных аналитических исследований по статико-динамическому разрушении мерзлых каменистых грунтов, которые бы позволили создать условия для разработки эффективного рабочего органа.

Во второй главе изложены аналитические исследования по ста-, тико-динамическому взаимодействию рабочего органа с мерзлым каменистым грунтом, учитывающие волновые процессы протекающие в теле инструмента и каменистом.грунте.

I >

Взаимодействие рабочего органа рыхлителя статико-динамического действия о мерзлым грунтом, результатом чего является■отделение ОТ массива некоторого объема.грунта, можно разбить на четыре ч этапа. На первом этапе за счет тягового усилия базовой машины осуществляется прижатие и частичное внедрение режущей части рабочего органа в грунт.

На.втором этапе инструмент массойт и длиной,-1 под действием внешнего'импульса силой Ро^) преодолевая сопротивление грунта внедрении Я погружается в грунт. При этом, кинетическая энергия внешнего импульса порождает в теле инструмента волну возмущения, которая перемещается по'нему со скоростью звука от плоскости передачи импульса к наконечнику. Достигая его, она вызывает силы, позволяющие инструменту преодолеть сопротивление грунта. Часть энергии импульса, не реализованная нз преодоление сопротивления грунта, возвращается в виде водны отражения к плоскости передачи

импульса и, отразившись от нее, в виде вторичнои волны возмущении возвращается к наконечнику, вызывая'дополнительное внедрение инструмента в мерзлый грунт. При достаточной начальной энергии волны возмущения описанный процесс может'повторяться до тех пор, пока силы, действующие на грунт-будут в состоянии преодолевать.сопротивление грунта.

На этих этапах внедрение рекущей части в грунт приводит- к накоплению в последнем упруго-пластических деформаций и образованию перед- рабочим органом зоны, находящейся в объемно-напряженнЪк! состоянии. Дальнейшее внедрение инструмента сопровдается росток внутренних напряжений и образованием трещин разрыва оплошное«: грунта и увеличением уже имеющиеся трещины, -длина которых, одна-•ко, не превышает критической. Поэтому отделение части разрушенного грунта от массива пока не происходит.. И, наконец, четвертый этап - собственно стал грунта вв счет -слияния трещин разрыва 1: образовании лидирующей трещины, реет которой до критической величины под воздействием динамического импульса и тягового усилю: базовой машины приводит, к разрушению грунта.

Естественно, что такое деление процесса разрушения на этапь •является условным, однако оно позволило рассматривать весь процесс, параметры которого непрерывно меняются во времени как совокупность элементарных составляющих с постоянны.«! для- данного этапа, и значительно упростило решение задачи.

В результате проведенного решения были получены аналитические уравнения описывающие кинематические к силовые параметрь 'рассматриваемого процесса. В качестве оскрвных можно выделит! уравнения для определения: скорости внедрения инструмента в груни

2Р0 -К. • - , ( 1 )

/—^--2_ г/3 ЕУ0'С1-2У)

К3 - „ 3/—

+ -— сЗз-с^р'созСа - 3)ксзкя ; ( 2 )

"' • 4

величины - действу.'сцлс-; з грунте напряжений при распространении в нем волн сяат'ия/р£д~г~г.5пия

х а со52ол[—;/-Ь2 ~ ЬсЗсозЗ + 0,2ой2"1 + оО*

С2 ^ С , /

(Ь - 0,5<1со58)С),51.с[со28 (Ь2 - ьасозЭ + 0,25с12)

.1 *

ехр2(/12Ч.с1соеВ+0 ,25с12+(1)Ь V

( 3 )

В йредставленных выражениях приняты следующие обозначения: р^С^

- механическое сопротивление материала' инструмента расг.ростране-йш в нем волн напряжений; р' - приведенный угол трения материала

включения по материалу инструмента; а ~ угол резания; 8 - угол

*

внедрения инструмента в грунт; Еу - энергия ударного импульса; т0

- предел прочности грунта-связки на сдвиг; с!в- средний размер включений; б» - предел прочности грунта-связки при растяжении; Е

- динамический модуль упругости грунта-связки; 3 - динамический модуль сдвига грунта-связки; х - амплитудное значение касательных напряжений, возникающих в грунте-связке при циклическом высокочастотном нагружэнии; 'Ь - ширина инструмента; V - динамический

коэффициент Пуассона; fэ - циклическая частота высокочастотного

'в

' - И -

нагружения; Ув - амплитуда смещения частиц грунта в зоне воздействия высокочастотного нагружения; ут - скорость распространения пластических деформаций^ р -плотность грунта-связки; уу - скорость удара; Б' - коэффициент, пропускания'импульсов; - время ■ соударения ударной части и инструмента. ' .

В третьей главе представлены результаты, лабораторных исследований по -определению силовых параметров процесса с целью доказательства эффективности применяемого способа и оценки достоверности результатов теоретических исследований.— • ■

'Для решения поставленной задачи и установления факторов, оказывающих наибольшее влияние на эффективность динамического разрушения мерзлого.каменистого грунта, бьши проанализированы основные выражения описывающие данный процесс, полученные в предыдущей главе работы. .

Анализ рассмотренных выражений показал, что из всего многообразия факторов на процесс статико-динамического' разрушения мерзлого грунта-с каменистыми включениями наибольшее влияние оказывают: величина ударного импульса, скорость приложения ударного импульса, геометрия инструмента, параметры возбуждаемых в грунте волн деформаций, гранулометрический состав и физико-механические свойства . грунта. В качестве варьируемых факторов как наиболее значимые в эксперименте выбраны! частота колебаний - инструмента, ширина инструмента, глубина резания, размер включений.-

Для уменьшения объема лабораторных исследований эксперимент проводился на наиболее распространенном типе грунтов с включениями. Поэтому в экспериментальные исследования входили работы по определению наиболее вероятного типа грунта с каменистыми включениями,' которые базировались на результатах исследований проведенных в МАДИ к.,т.н. Кравцовым Э.А. В .результате развития этик работ, а также на основе работ других авторов, были получены физи-

- 12 -

• ко-мж;?аические свойства наиболее вероятного- комплекса грунтов с каменистыми включениями.

Эксперименты проводились на экспериментальной установке с использованием эквивалентного материала, для подбора которого использовалась методика, основанная на выборе критериев подобия наиболее характерных для данного процесса. Для моделирования приме-о

нялась смесь,, состоящая из супеси с каменистыми включениями, где ; связующим веществом выступает цемент. Такая модель, несмотря на имеющиеся недостатки, обладает рядом достоинств, которые позволяют ее использование.

В соответствии с поставленными целью и задачами эксперимента, для выявления функциональной зависимости силы сопротивления ■ грунта внедрению от переменных факторов, и дальнейшего его анализа был применен'метод экстремального рототабедьного униформплани-рованкя второго порядка, в основу которого положена математическая модель, описываемая функцией отклика, вида

У - ^1,'Х2,ХЗ,...Хк), (4)

где У - параметр оптимизации; XI - независимые переменные факторы исследуемого процесса; к - число'переменных.

При этом фиксировались усилие внедрения, частота и амплитуда колебаний острого конца инструмента. Результаты обработки эксперимента приведены на рио.1, 2, 3» 4, 5.

Сопротивление внедрению инструмента в грунт (рис. 1) сущест-. венно зависит от частоты внешнего воздействия. С увеличением .частоты воздействия сопротивление грунта внедрению инструмента снижается. Наиболее интенсл-яое снижение сопротивления наблюдается в диапазоне 4,0...6',5 кГц. . Затем в диапазоне 5,5...6 кГц интенсивность снижения сопротивления падает и по достижении частоты 7 кГц сопротивление грунта остается практически постоянным..По этим со-обрамейиям повышение частоты внешнего воздействия более 5...5,5 ' - 13 -

е жги

1 - с!«=10. ..20мм; .2 - с1-20.. .40мм; 3, - с!»40... 60мм; 4 - <¿«50... 80мм; ¥«15Х; Ы-5°С; Ъ«20мм; Ь»20мм; Суглинок; 1,2,3,4 - расчетные зависимости;' 1 ,2' - экспериментальные зависимости.

Рис. 1

Зависимость сопротивления грунта с включениями внедрению инструмента от ширины инструмента

1,1',2,2' - (3-10.. .20мм; 3,3* ,4,4' - с!«20.. .40мм; 5,6 - (1«>40. ..60мм; 7,8 -- й»60.. .80мм; 1,1*3,3*,5,7' - N«10%; г,2',4,4'(6,8 - 1«М5Х;' I «5500Гц; 1«-5°С; П=20мм; Суглинок; 1,2,3,4,5,6,7,8 - расчетные зависимости; 1*,2',3',4* - экспериментальные,зависимости.

Рис. 2

1,1',В,в» - (1-10...20мм; 3,3',8,8* - d-.20.-i.40мм; 4.7 - <1-40...60МЫ; 2,5 ~ с!«®?..,80ммг 5,б,в* 8,8'- »-105; 1.1',г,з,3'4 -

^ббООГД; Ыг5°С; П»2Смм; Суглинок; 1,2,3.4,5,6,7,8—' расчетные зависимости; 1',3',6 ,8* - зкспериментальйые зависимости.

. Рис. 3

Зависимость сопротивления грунта с включениями внедрению инструмента от размеров включений

Н>, КН

во 4», мм

1,1*3,5 - И«10X; 2,2',4,6 -1,1',2.2' - Ь»20мм; 3,4 - Ы40мм; 5,6 - Ь«бОш; Г=5500Гц-Д=-5°С; И-гОмм; Суглинок; 1,2,3,4,5,6 - расчетные зависимости; 1','2' - экспериментальные зависимости.

Рис . 4

«ГЗвГмм

1,1*3,5 - У«10Х; 2,2',4,6 - И-15%; 1,1',2.2' - Ь»20мм; 3,4 - Ь=40мм; 5,6 - ЫбОмм; Г«5500Гц; 1«-5°С; Ь-20мм; Суглинок; 1,2,3,4,5,6 - расгаетше зависимости; , 1*,2 - экспериментальные зависимости.

Риб. Б

Зависимость касательных напряжений на поверхности включений от частоты внешнего воздействия

0 {»КГЦ

1 - ё»0,02м; 2 - <1«0,04м; 3 - (1*0,06м;

4 - <3-0,08м; 5 « (Ю, 10м; в - <1«0,12м;

7 - а-о.ш Рио. 6 . . - 16 -

кГц представляется нецелесообразным. - .■

Исследуя влияние ширины инструмента и глубины внедрения на сопротивление грунта внедрению (рис. 2,3) отмечено, что сопротивление грунта .внедрению в принятом для'эксперимента диапазоне размеров возрастает с увеличением указанных факторов практически по ..линейному закону.. ' Сравнивая полученные результаты можно увидеть, что наибольшее влияние а данном случае оказывает глубина внедрения инструмента.• При атом отношение численный значений сопротивлений грунта внедрению инструмента, определенных для рассматриваемых параметров (глубины внедрения и ширины инструмента) с увеличением размеров, нелинейно возрастает от 1и стремится в пределе к 1,5. ' —'

Зависимость сопротивления мерзлого грунта о каменистыми включениями внедрению инструмента от размеров включений (рис.4 и' 5) . имеет нелинейный характер, с. явно вырздейным минимумов. Причём точка минимума на оси абсцисо не постоянна и смещается з. сторону увеличения размеров включений по мере того, как увеличивается прочность грунта, размеры инструмента или глубина рыхления (внедрения) . Наличие' минимума на представленных графиках хороао согласуется с результатами вычислений действующих в грунте напряжений (рис.6). На этих графиках отчетливо видно, что максимальные напряжения при данной частоте воздействия наблюдаются также для ■' • * i включений размером 40... 60 ш.

Следует отметить, что сопротивления внедрения инструмента, полученные экспериментально оказа лись .выше рассчитанных значений. ■ Объясняется это тем, что эксперимент проводился не на реальном, а на модельном грунте. Однако расхождение результатов эксперимента и расчета не превышает 30 X, что вполне допустимо для такого материала кзк мерзлый грунт с каменистыми включениями.

Четвертая глава посвящена практической реализации результа-

- 17 -

■roa аналитических и лабораторных исследований на натурных образцах рыхлителей мерзлого каменистого грунта статико-динамического действия.

Результатом исследовании, проведенных в реферируемой работе, явилось создание -.методики проектирования статико-динамовского рыхлителя под которой понимается порядок расчетов, направленных на определение исходных данных.при оптимальном их соотношении, необходимых для конструирования основных систем и-механизмов, определяющих производительность статико-динамического рыхлителя.

Исходными данными .для' расчета основных параметров стати-ко~динамического рыхлителя являются: класс базовой машины, грунтовке условия. Класс базовой машиш характеризуется параметрами: тяговым усилием на рабочем органе (Р?); скоростью.рыхления (v0); глубиной рыхления (h); шириной рабочего органа (Ь); углом резания '(ар); углом внедрения инструмента в грунт (ав)- Грунтовые условия описываются: пределами прочности грунта на разрыв' я сдвиг (6С, ■с); динамическими модулями упругости и сдвига (Един» бднн) 5 концентрацией включений (nffl); средним,размером включений (d); углом внутреннего трения грунта удельной массой грунта pj скоростью распространения продольных и поперечных волн сжзтия-растяжение' Cl, С2.

На основании предложенной методики проектирования бит разработаны, изготовлены и испытаны в натурных'условиях конструкции статико-динамических рыхлителей для послойного разрушения мерзлого грунта о каменистыми включениями и для разрушения балласта в междуипальном ящика подкрановых путей.

Статико-динамичеокяй'рыхлитель для послойного . разрушения мерзлого каменистого грунта был смонтирован набазе трактора Т-130 тягового класса аоо кН. Испытания рыхлителя проводились ¡ra грунтах.с содержанием включений до, 60 % и прочности.грунта до 200

18 -

ударов ударника ДорНШ при глубине рыхления до 0,5 м.• t

' На основании данных, полученных в результате обработки ос-

цпллогрзмм, 4 определялись работоспособность и оптимальные- режимы

i

работы статпко-дшгмичеокого рыхлителя как при статическом, так и при' динамическом режимах рыхления. С цель® подтверждения принятой ..гипотезы с влиянии' на эффективность рыхления волновых процессов на nepsosi стадии нсаытайий рнхдштеланый зуб был'изготовлен без учета предлоягнпоЗ методики инженерного расчета. 'Пооле проведения серии испытаний параметры его были скорректированы и вновь проведены. таздааякя» Некоторые результаты натурных испытаний статико-динамяческого рыхлителя- представ лены в таблице.

Обработка получеяаых в ходе испытаний данных были сделаны следующее зызоды: - статике-дшамяческйе рыхлители на базе Tpaif-тора тягового класса 100.кН могут быть использованы для разруше«-' пия высокопрочных мерзлых грунтов с каменистыми включениями; при работе рыхлителя з режиме параметрического резонанса. отмечается резкое увеличение производительности и снижение энергоемкости процесса; применение данной- конструкции статико-динамического рыхлителя является целесообразным при рыхлении грунтов с боль-ппм содержанием включений з грунте; - применение конструкции статико- динамического рыхлителя является^перспективным и может быть принята за базовую для дальнейшего развития. -

Конструкция статико-динамического рыхлителя для разрушения балласта в междушпальном ящике подкрановых путей была выполнена на базе вибропогружателя В-401.А и представляет собой жесткую раму с укрепленными на ней в определенном порядке зубьями. За один цикл рыхления обрабатывалось три шпалъных ящика. Машина крепилась на специальной проушине к крюковой подвеске крана. Управление включением я наводкой на место рыхления осуществлялось оператором из кабины крзна.

Некоторые результаты испытаний опытного.образца рыхлителя статико-динамического действия

Глубина рыхления h, м Площадь сечения следа рыхления,^, ■ Прочность грунта по ударнику ДорНШ С, ударов Температура ,г|ун5а . Рабочая скорость движения трактора Vj>, м/ч Частота колеба-гидромолота f, ГЦ Тяговое усилие трактора . РсЙЙГ. Производительность рыхлителя П ,м8/час /

.0,33 0,0720 150 ' " 3 ' 1514 ' 7,1 64/43 . 109

0,39 0,0875 160 - 3 • 1154 9,0 62/46 101

0,40 0,0769 172 " 3 780 9,4 64/43 60

0,47 0,1025 165 - 4 . ' 1151 9,1 65/47 118

. 0,48 / 0,1339 . 196 - 3 732 11.8 65/56 98

0,60 0,1271 , / 159 - 3 —' 8,6 , 62/46 -у

0,51 0,1148 181 ■ ' 4. ■ » 828 11,3 64/50 • 95 '

; 0,52 0,1120 ISO /. - 3 ' 834 11,9 63/52 : '

: В ходе испытаний была отмечена удовлетворительная надежность ' выбранной конструкции- и высокая эффективность разрушения балласта/ Внедрение в грунт рыхлительных зубьев осуществлялось в тече-■ . 1 ние 1...3 мин., после чего происходило выдерживание до полного

Полного разрушения связей в течении еще 1...2 мин. Последнее происходило при интенсивном трещинообразовании и отделении грунта от шпал. В целом испытания показали, что выбранный способ .разборки рельсовых путей менее трудоемок и значительно превосходит по эффективности существующие способы разборки подкрановых путей в зимних условиях. - .' •

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ '

1. теория взаимодействия рабочего органа статико-динамичес- .' кого рыхлителя'с мерзлым каменистым грунтом рассмотрена с позиций еолновой теории передачи импульсов от источника энергии к инструменту и от инструмента.в грунт'. Зто позволило подучить уравнения

*

аналитически описывающие процесс- взаимодействия рабочего органа с каменистым грунтом и'механизм его разрушения. С использованием результатов численного анализа исследуемого процесса составлена методика инженерного расчета усилий, возникающих на рабочем органе, рациональных параметров рабочего органа и условий внешнего воздействия.

2. Показано, что эффективность процесса статико-динамического разрушения мерзлого грунта с каменистыми включениями повышается за счет создания условий для возникновения вторичных (отраженных) волн сжатия-растяжения, возникающих в теле инструмента при приложении к нему, ударного импульса, и вызывающих высокочастотные 'колебания инструмента.

- 3. Установлено, что' наибольшая эффективность воздействия

- 21 - .

инструмента на .каменистый грунт наблюдается в диапазоне частот б...5,5 кГц при амплитуде ' колебаний острого, конца, инструмента 0,01...0,02*10"* м. Поперечные размеры инструмента следует Еыби-рать исходя из условий наибольшего числа отражений вторичных волн,-способных преодолевать сопротивление грунта, с одной.стороны, и прочности инструмента из расчета на изгибную устойчивость. Для обеспечения эффективного высокочастотного- воздействия на грунт длина инструмента должна соответствовать длине полуволнового магнитострикционного вибратора, работающего в режиме дискретного излучения.

4. Предложен перечень требований, предъявляемых „к рыхлителям статико-динамического действия используемых.для разрушения мерзлых грунтов с каменистыми включениями. При обосновании принципа-., альной » структурной схем статико-динамических рыхлителей на ста-, дии проектирования перечень требований позволяет осуществить выбор ' приоритетных показателей,. по которым шкет быть .осуществлено их проектирование. •

5. Результаты проведенных исследований вши положены в основу разработки конструкций рыхлителя статико-динамического действия к трактору тягового класса 100 кН, что позволило расширить область их применения в качестве базовой техники, и машины для рыхления балласта междушпального ящика при разборке подкрановых путей, что значительно снижает трудозатраты на данный вид работ и экономит оборотные средства (в данном случае путевые звенья).

Основное содержание диссертации, опубликовано в следующих работах автора:.

i. Кошин A.IL Особенности разработки мерзлых грунтов о каменистыми включениями групповым магнитострикционным рабочим органом // Y Всесоюзная конференция по статике и динамике пространственных ¡конструкций и рабочих процессов строитель кых й -дорожных маг

шин: Тез.докл.научно-практической конференции, Киез, иащ 1985 г. - Киев, 1985.-С.179.

2. Козин А.П. Особенности разработки мерзлых грунтов с каме-

л

нистыми включениями // Колебания в машинах и'механизмах, вибрационные малины я борьба с шумом. Создание машин вибрационного прин-.ципа действия. Со.вёрщенствоыванпе конструкций строительных машин: Отчет о.КИР по Госбюджетной теме (окончательный)/ Ленингр. инж.-строит. кн-'т; Руководитель Болотный A.B. - N Гос.per. 81025509; Икз. N 02860041907.-Л., 1985.-С. 8...21.:вл.

. 3. Провести исследования, разработать, изготовить согласующее устройство, провести испытания его.й натурных' условиях совместно с МСРО и выдать исходные требования на опытный образец МСРО с согласующим устройством: Отчет о НИР (заключительный)/ Ла-кнкгр. инк.-строит, ин-т; Руководитель Батулов А.И.- N Гос.per. 01840033810; Инв. М 02840022006. -Л., 1985.- 71 с.: ил. ''

4. Исследование и разработка динамического рыхлителя мерзлого грунта: Отчет о НИР (заключительный)/ Ленингр. инж.~ строит, ин-т; Руководитель Карпов В.В.—N Гос.per.. 01860009760; Инв. N 02870054350.-Л.; 1986.- 60 с.:.ил.

5. Батулов А.И., Карпов В.В., Копия .А.П., Нефедов A.B. К вопросу о изическом моделировании мерзлых грунтов с каменистыми „включениями / Батулов A.Ii., Карпов В.В., Кошин А.П., Нефедов A.B.; Ленингр. иня.- строит, ин-т.-Л.,1987.-16с.- Виблиогр.' 18 назв..- Рус.- Деп, в ВИНИТИ 03.03.87, N 1541-В87. .

6. Рыхлитель активного-действия. Информационный'листок / Ленинградский межотраслевой ЦНТИ; Сост. А.П.Кошин, И.В.Баринов.-Л.1987.- 4 с.:' ил. "

7. исследования и разработка,динамического рыхлителя мерзлого' грунта и защита базовой машины от вибрации: Отчет о НИР (заключительный)/ Ленингр.- инж.- строит, ин-т; Руководитель Карпов

- 23 -

В.В.- N Гос.per. .01870013058; Инв. N 02880010779.- Л., 1987.-.82 с.: черт. .

8. A.c. 1477854, МКИ Б 02 F 5/32, 5/10. Рабочий орган.вибро-рыхлителя/Гаврилов Г.Н., Карпов В.В., Ковин A.n., Сапожников А.И., Юркин Ю.Г./СССР/,- Опубл.07.05.89. Бшд. изобр. N 17. -

9. A.c. 155СЮ20, МКИ Е 01 В 27/00. Рабочий орган для рыхле-. ния мерзлого грунта/Карпов В.В., Еиршчев Б.Н., Нефедов A.B., Гончаров Д.В., Кошин А.П. /СССР/,- опубл.15.03.90» йзлл.изобр. N 10.

10. Кошин А.П. Теоретические исследования динамического взаимодействия инструмента с мерзлым каменистым грунтом // Материалы, технология, организация строительства: Сборник тез. докл. научно-технической конференции Новосибирской гоо. акад. строит-аа (часть 2), Новосибирск, апрель, 1995 г. - Новосибирск, 1995.- С. 74.