Обоснование принципиальной схемы и конструктивных параметров грунтопроходчика

Актуальность темы

Бестраншейные технологии прокладки подземных коммуникаций находят все более широкое распространение и в развитых странах становятся преобладающими. Это предопределено существенным ущербом, к которому приводит рытьё траншей в жилых и промышленных зонах.

В основе бестраншейных способов лежит процесс образования скважин в грунтовом массиве. При этом особую сложность представляет проходка скважин, так называемого «непроходного» сечения (диаметром менее 1м), так как управление технологическим процессом в этом случае может осуществляться только снаружи. Применяемые в настоящее время устройства можно объединить в две группы:

Первая группа — это устройства, образующие скважины путем вдавливания грунта в стенки образуемой скважины. Она представлена в основном пневмопро-бойниками. Так получают скважины не более 300 мм. Увеличение диаметра требует значительных энергозатрат.

Вторая группа — это устройства, образующие скважины путем удаления грунта га сечения образуемой скважины. Она включает устройства для ударного внедрения стальных труб открытым концом, с последующей их очисткой. Однако, стальные трубы дороги и в грунте подвержены быстрому разъеданию ржавчиной. В связи с появлением легких и долговечных полиэтиленовых труб широкое распространение получили зарубежные установки для бурения приповерхностных скважин с временным подкреплением стенок скважины буровым раствором. Это установки штангового бурения и микрощиты. Выбуривание грунта по всему сечению скважины и необходимость обеспечить циркуляцию и регенерацию бурового раствора предопределяют высокие энергозатраты, сложность и дороговизну буровых комплексов. Кроме того, гидравлический принцип поддержания временной устойчивости скважины резко усложняет работу при низких температурах.

Наличие отмеченных ограничений делает актуальным создание более простых и менее затратных устройств, позволяющих применять трубы из любого материала и работать по «сухой» технологии без буровых растворов.

Целью работы является обоснование принципиальной схемы, методики расчета и разработка устройства — грунтопроходчика для проходки скважин в уплотняемых грунтах.

Идея работы заключается в оснащении пневмоударной машины кольцевым рабочим органом, который в заданной пропорции разделяет грунт, расположенный в сечении создаваемой скважины, на две части, одна из которых удаляется, а другая — вдавливается в стенки скважины.

Задачи исследований:

1. Определить влияние основных параметров технологической схемы сооружения скважины грунтопроходчиком на скорость проходки скважины.

2. Выявить особенности взаимодействия грунтопроходчика с массивом и обосновать расчетную схему для определения его скорости при заборе грунта.

3. Обосновать схему и соотношение параметров воздухораспределительной системы его пневмоударного привода.

4. Построить методику инженерного расчета основных параметров технологического комплекса и разработать проект грунтопроходчика.

Методы исследований — стендовые эксперименты на моделях устройства, математическое моделирование, компьютерный анализ экспериментального материала и результатов моделирования. Основные научные положения, защищаемые автором.

1. В качестве критерия при выборе параметров технологической схемы проходки следует принимать показатель, определяемый отношением планируемой скорости проходки скважины к её предельному теоретическому значению.

2. При клиновидной форме продольного сечения рассекателя с углом, меньшим угла трения, расчетное давление лобового сопротивления грунта, усредненное по конической поверхности рассекателя грунтопроходчика аппроксимируется линейной функцией радиуса скважины.

3. Снижение расхода воздуха на привод грунтопроходчика с инерционным распределителем достигается уменьшением произведения отношений масс и рабочих площадей ударника и распределителя.

Достоверность научных результатов. Достоверность научных положений подтверждена необходимым объемом экспериментальных исследований моделей, сопоставимостью аналитических расчетов с экспериментальными результатами.

Новизна научных положений.

1. Получены зависимости между основными параметрами (шаг, скорость транспортирования и забора грунта, время разгрузки грунтоприемной капсулы) технологической схемы работы грунтопроходчика, установлен критерий для выбора их рациональных значений.

2. Обоснована и построена расчетная схема взаимодействия грунтопроходчика с массивом.

3. Выполнено аналитическое исследование инерционного распределителя пневмоударного привода грунтопроходчика и определен диапазон рациональных значений его параметров.

Личный вклад автора заключается: в постановке и проведении экспериментов по исследованию взаимодействия грунтопроходчика с массивомв обработке экспериментальных данных и их математической интерпретациив разработке рекомендаций к проектированию грунтопроходчика в целом и отдельных его узлов для осуществления комбинированного метода проходки скважин.

Практическая ценность. Разработан алгоритм расчета основных параметров технологического комплекса для сооружения скважин грунтопроходчиком. Даны рекомендации по проектированию и разработан проект грунтопроходчика.

Реализация работы в промышленности. Производственной фирмой «АК-ВА+» г. СанктПетербург, принято решение об использовании основных результатов исследований и изготовлении грунтопроходчика по предложенной схеме для проходки скважин 0440 мм.

Апробация работы. Отдельные результаты работы докладывались на конференциях: «Интеллектуальный потенциал Сибири» (Новосибирск, 2000), «ВУЗы Сибири и Дальнего Востока ТРАНССИБУ» (Новосибирск, 2002) и семинарах кафедры «Механизации.» СГУТТС.

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 3 печатных работах.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 6 глав, выводов, списка литературы. Содержит 123 страницы машинописного текста, включая 75 рисунков, 14 таблиц и список литературы из 85 наименований.

ВЫВОДЫ.

1. Силы трения, обусловленные весом подвижных элементов системы, существенного влияния на работу инерционного распределителя не оказывают.

2. Наиболее удобным и эффективным способом управления временем срабатывания инерционного распределителя является изменение безразмерного соотношения конструктивных параметров машины y/ = (s-M)/(sxт).

3. При 0.3 >(//-> 0 перекрытие сквозной протечки сжатого воздуха из рабочей камеры машины в атмосферу может быть обеспечена инерционным элементом ещё до остановки ударника в конце обратного хода. Перекрытие сквозного потока «магистраль — Vi — V2 — атмосфера» происходит довольно поздно по отношению ко времени остановки ударника, что накладывает ограничения на применение инерционного распределителя при у/>0.6.

4. Инерционный распределитель золотникового типа обладает большими потенциальными возможностями реализации условия у->0, т. е. по быстродействию, нежели простейший клапанный.

6. МЕТОДИКА РАСЧЕТА ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ГРУНТОПРО.

ХОДЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА.

6.1. Расчет параметров лебедки и грунтопроходческого комплекса.

На данном этапе, определив, как и какие параметры влияют на работу грунтопроходческого комплекса можно построить методику расчета его основных параметров.

Так как ударный привод пневматический, то в качестве тягового привода грунтопроходчика удобно использовать пневматическую лебедку. В качестве известных (исходных) параметров для расчета в данном случае принимается производительность компрессора QK и характеристики пневмодвигателя лебедки: расход воздуха — (2дв, номинальная мощность — Рдв, крутящий момент на валу двигателя — Где, частота вращения вала — «дв.

Расчетная схема работы грунтопроходческого комплекса приведена на рисунке 6.1. Комплекс работает в трех режимах:

— режим транспортирования пустого грунтопроходчика к забою;

— режим забора грунта, включен ударный привод, лебедка подтягивает грунтопроходчик к забою;

— режим транспортирования заполненного грунтопроходчика к месту разгрузки (входной приямок).

Специфика работы такого комплекса в режиме забора грунта грунтопро-ходчиком состоит в одновременном питании сжатым воздухом как привода грунтопроходчика, так и тягового привода — лебедки. При подтягивании грунтопроходчика к забою ¼ объема сжатого воздуха производимого компрессором идет на питание лебедки, ¾ объема — на питание его ударного привода. Данное утверждение справедливо для пневматических лебедок тягового класса до 5 т, в которых применяются радиально-поршневые пневмомоторы.

1 — компрессор, 2 — грунтопроходчик, 3 — пневмодвигатель, 4 — редуктор, 5 — барабаны, 6 — тяговый канат.

Рисунок 6.1- Расчетная схема грунтопроходческого комплекса.

Первым этаном расчета является определение максимальной ударной мощности привода грунтопроходчика NyA:

6.1).

Яуд где Qyjl — расход воздуха (0УД =0.75-^) — qy/J — удельный расход воздуха (для ударных машин с упругим клапаном и 1,2 кг/м кВт [76]).

По полученной величине можно рассчитать основные характеристики и конструктивные параметры ударного привода грунтопроходчика, к которым относятся энергия удара, частота ударов, расход воздуха и т. д.

Следующим этапом идет определение сил сопротивления движению грунтопроходчика в массиве по полученным в разделе 4 зависимостям: сила лобового сопротивления (4.20), сила внешнего бокового сопротивления (4.21), сила внутреннего бокового сопротивления (4.7), сила трения на ребре (4.13).

Из полученных значений, для дальнейших расчетов, нам необходима величина силы внешнего бокового сопротивления —Ft, которая определяет значение силы, развиваемой тяговым приводом, необходимой для отрыва заполненного грунтопроходчика от забоя. По этому значению с запасом (~20%) определяем необходимое тяговое усилие лебедки:

Мд>М = 1.2^б, (6.2).

Таким образом, требуемое значение передаточного отношения от вала двигателя до барабана лебедки:

6.3).

Т’Лпр где г — радиус барабанаТ — крутящий момент на валу двигателяrjw — общий к.п.д. пневматической лебедки (т/пр = 0,65). Скорость забора грунта: vA (6−4) где F0 — равнодействующая сил сопротивления (4.5).

Скорость транспортирования грунтопроходчика может быть определена из выражения:

6−5) где п6 — частота вращения барабана лебедки, определяемая соотношением:

6−6) i.

Теперь можем определить безразмерную скорость движения грунтопроходчика при заборе грунта (скорость разработки грунта) — v" (2.16).

Шаг проходки (длина капсулы) при заданных, а иг находится по зависимости (2.19). Скорость проходки скважины определяется по зависимости (2.15). Длительность проходки скважины:

Т = (6.7).

V-v.

Предварительный расчет представлен в табл. 6.1, 6.2. В качестве примера приведены результаты расчета параметров комплекса для создания скважины длиной 30 м в суглинке средней плотности на глубине 2 м. Исходные данные и результаты расчета представлены в табл. 6.1 и 6.2.

Параметр Обозначение Величина.

Длина скважины, м LCKB 30.

Диаметр скважины, м ¦^скв 0.65.

Глубина заложения скважины, м h 2.

Коэффициент трения «металл-грунт» ki 0.6.

Коэффициент снижения бокового давления 0.15.

Радиус рассекателя, внешний, м R 0.325.

Радиус рассекателя, внутренний, м Ro 0.295.

Длина калибрующей части рассекателя, м li 0.35.

Длина внутренней рабочей поверхности рассекателя, м l2 0.2.

Угол заострения конической поверхности рассекателя, град P 15.

Площадь боковой поверхности ребра, 3 шт., м2 sp 0.5.

Производительность компрессора, м3/мин Q. 12.

Пневмомо-тор Расход воздуха, м7мин 0ДВ 12,2.

Номинальная мощность, кВт Ppp 12.

Крутящий момент на валу двигателя, Нм T№ 153.

Частота вращения вала, с" 1 «ДВ 12,5.

Коэффициент передачи энергии к Лпер 0.17.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Диссертация является научно-квалификационной работой, в которой изложены научно обоснованные технические и технологические разработки, имеющие существенное значение для экономики страны, заключающиеся в создании новых комплексов для бестраншейной прокладки подземных коммуникаций.

Наиболее важные научные и практические результаты выполненных исследований заключаются в следующем:

1. Анализ существующего мирового рынка бестраншейных технологий, который пока подавляющим образом представлен зарубежной техникой (сложной и достаточно дорогой), показал необходимость в создании более простых и дешевых средств для создания скважин непроходного сечения от 300 до 900 мм в уплотняемых грунтах.

2. Установлена взаимосвязь между основными параметрами технологической схемы проходки скважины грунтопроходчиком. Определен показатель производительности, позволяющий оценить достигнутую скорость проходки по отношению к предельному теоретическому значению.

3. Обоснован выбор конструктивной схемы грунтопроходчика. Показано, что наибольшую производительность для достаточно протяженных скважин (20 м и более) дает схема с последовательным расположением грунтозаборника и ударного привода.

4. Получены экспериментальные данные о величине и характере изменения скорости грунтопроходчика при заборе грунта. Установлена степень влияния нарушения плавности перехода от калибрующей части рассекателя к грунто-приёмнику на возрастание силы сопротивления при извлечении грунтопроходчика из скважины. Определен характер разделения грунта на уплотняемую и извлекаемую части в зависимости от формы рассекателя.

5. Расчет взаимодействия грунтопроходчика с грунтом строится на основе известного решения задачи о расширении грунтовой полости коническим расширителем, дополненной введением в расчетную схему сил, обусловленных давлением грунта на внутреннюю поверхность грунтопроходчика. Получено упрощенное решение для инженерных расчетов.

6. Обоснована схема воздухораспределительной системы реверсивного пневмоударного привода грунтопроходчика, определены значения основного безразмерного параметра инерционного распределителя системы, обеспечивающие экономичную работу.

7. Разработана инженерная методика расчета основных параметров технологического комплекса для сооружения скважин грунтопроходчиком. Выполнен расчет и разработан проект грунтопроходчика для проходки скважины 0650 мм.