Конструкции оборудования с винтоклиновыми рабочими органами для разрушения мерзлого грунта в сложных условиях строительства

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Конструкции оборудования с винтоклиновыми рабочими органами для разрушения мерзлого грунта в сложных условиях строительства

Иванов С.В.

Представлен анализ конструкций мерзлоторыхлительного оборудования имеющим в своем составе тяговый винтовой наконечник и рыхлящие элементы, предложены варианты использования конструктивной схемы нового оборудования (Патент № 118983) в виде ручного инструмента и навесного оборудования, также разработаны рекомендации по определению основных параметров данного оборудования.

Ключевые слова:мерзлоторыхлительное оборудование, мерзлый грунт, рыхлящие элементы, геометрическая форма, разрушение, тяговой винтовой наконечник

CONSTRUCTION EQUIPMENT VENTOLINBUY WORKING BODIES FOR THE DESTRUCTION OF FROZEN SOIL IN THE DIFFICULT CONDITIONS OF CONSTRUCTION

Ivanov S.V.1, Kaliyev B. Z.2

Yuri Gagarin State Technical University of Saratov

2The Kazakh National Research Technical University after K.I. Satpaev, Kazakhstan, Almaty

This article presents an analysis of the structures Mercatorhalle equipment having in its composition a traction screw tip and crushing elements proposed options for the use of the constructive scheme of the new equipment (Patent number 118983) hand tools and implements, has also developed recommendations on the definition of the main parameters of the equipment.

Keywords: mercatorhalle equipment, frozen ground, crushing elements, geometric shape, fracture, traction screw tip

наконечник грунт оборудование винтоклиновой

В настоящее время динамично развивается промышленное и гражданское строительство. Наряду с этим возрастает и доля производства земляных работ в различных условиях. К числу наиболее трудоемких и распространенных работ относятся земляные работы, производимые на мерзлых грунтах, примерно от 20% до 40% общего объема всех земляных работ производимых за год, стоимость которых в десятки, раз превышает стоимость земляных работ производимых на не мерзлых грунтах [1].

Разработка мерзлых грунтов характеризуется большой энергоемкостью, поскольку мерзлый грунт представляет собой сложную, многокомпонентную нестабильную систему, обладающей высокой абразивностью и механической прочностью.

Помимо энергоемкости и трудоемкости процесса разрушения мерзлого грунта проблемой является производство малообъемных зимних земляных работ в городских условиях поскольку производство данных работ является менее механизированным, но значительно дорогостоящим. Близость инженерных сооружений к месту производства работ, рассредоточенность объектов и другие стесненные условия, ограничивают использование существующего парка землеройных машин и иных методов разработки мерзлого грунта. Не смотря на значительную производительность и эффективность процесса разрушения грунта различными методами и средствами механизации, использование их невозможно или экономически не целесообразно. В этой связи из-за отсутствия малогабаритных универсальных машин и оборудования до 20% зимних земляных работ выполняются не механизированным способом. [2]

В настоящее время для производства данного вида работ широко применяется навесное оборудование и ручной инструмент динамического действия (рис. 1), но динамические нагрузки негативно воздействуют на здоровье оператора, инженерные сооружения расположенные вблизи зоны работ, так и на металлоконструкцию оборудования, поскольку происходит восприятие ударно - вибрационных нагрузок.

а б

Рис. 1. Производство земляных работ в зимнее время: а - ручной инструмент динамического действия; б - оборудование динамического действия

Для повышения эффективности разработки мерзлых грунтов необходимо использовать более действенные методы воздействия рабочих органов на грунт. Поэтому большое внимание ученых уделяется научным исследованиям способствующих созданию новых рабочих органов, которые наиболее результативно осуществляют рабочие процессы взаимодействия с грунтовой средой. Но, не смотря на значительные научные теории и изыскания, вопрос разработки мерзлых грунтов, и особенно в вопросе механизации зимних земляных работ производимых в стесненных условиях строительства остается открытым и требует значительного внимания и дальнейшего решения.

Поэтому поиск путей повышения эффективности разработки мерзлых грунтов, путем создания новых конструктивных решений мерзлоторыхлительного оборудования, в том числе и ручного механизированного инструмента осуществляющего менее энергоемких видов разрушения мерзлого грунта без использования динамических нагрузок, является актуальной задачей.

Одним из перспективных оборудований совершающих механическое безударное разрушение мерзлых грунтов является винтоклиновой мерзлоторыхлитель с замкнутым силовым потоком, разработанный на кафедре «Строительные и дорожные машины» СГТУ имени Гагарина Ю.А. (рис. 2) [2]. Винтоклиновой мерзлоторыхлитель может быть выполнен в качестве навесного малогабаритного оборудования для экскаватора или в виде ручного механизированного инструмента.

а б

Рис. 2. Схема безударного разрушения мерзлого грунта силовым потоком, замкнутым в контуре

винтового и клинового рабочего органа: а - скол в сторону забоя, б - отрыв от массива: 1 - штанга,

2 - упорный подшипник, 3 - клиновой рабочий орган, 4 - винтовой рабочий орган, 5 - привод

Силовое воздействие на разрабатываемую среду обеспечивается клиновыми рыхлящими элементами, внедряемыми винтовым наконечником. Винтовой наконечник выполняет тяговую функцию, развивая значительные усилия на задавливание клиньев при небольшой мощности привода. Такое оборудование работает следующим образом. К штанге с винтовым наконечником, установленным в рабочее положение, прикладывается осевое усилие, и крутящий момент, при этом он начинает ввинчиваться в грунт. При определенной глубине завинчивания винт развивает тяговое усилие, которое способствует погружению клиньев, после чего под воздействием расклинивающего усилия клиньев грунт разрушается (рис. 2).

При отсутствии забоя разработка грунта осуществляется следующим образом. Тяговым усилием винтового рабочего органа клинья внедряются в грунт на некоторую величину, по мере погружения возрастает сопротивление внедрению клиньев тем самым, ограничивается осевое перемещение винтового рабочего органа. Далее за счет поворота винтовой лопасти на ней возникает напряжение отрыва грунта направленное вверх, которое и обеспечивает отрыв части грунта от массива. После самостоятельной подготовки забоя оборудование устанавливается на некотором расстоянии от него, винтовой наконечник, развивая тяговое усилие, внедряет клинья, погружение происходит до тех пор, пока не произойдет скол элемента грунта в сторону забоя [3,4,5,6]. Технологический процесс работы такого оборудования при разрушении грунта в забой аналогичен машинам ударного действия, при этом клинья внедряются в грунт не под действием ударной нагрузки, а за счет статического тягового усилия создаваемого винтовым наконечником. При этом базовая машина не испытывает нагрузок, поскольку подсистема «мерзлый грунт - тяговый винтовой наконечник - клинья» составляет замкнутый силовой поток.

Как уже было сказано выше, идея и первые конструкции, были разработаны на кафедре СДМ СГТУ имени Гагарина Ю.А., это послужило толчком к дальнейшим исследованиям и последующим изобретениям в области машин для земляных работ, применительно к оборудованию и средствам малой механизации для разработки мерзлых грунтов. Некоторые из них представлены на рисунке 3 [7-11].

а (А.с. № 901413) б (А.с. № 825804)

в (А.с. № 723057) г (А.c. № 581208) д (А.c. №238425)

Рис. 3. Конструкции винтоклиновых мерзлоторыхлителей

Интересным конструктивным решением является конструкция А.c. № 581208 (рис. 3г), где используются два винтовых наконечника и два рыхлящих элемента, что позволяет исключить начальный реактивно-крутящий момент, но поскольку в рабочем процессе участвуют четыре элемента, это увеличивает энергоемкость рабочего процесса.

В конструкции А.c. № 238425 (рис. 3д) с целью снижения энергоемкости предложен комбинированный рабочий орган, где на штангу с винтовым наконечником свободно насажен клин. Недостатком данной конструкции является то, что разборный рабочий орган сложно защитить от попадания абразивных частиц грунта, а также действие на штангу значительного изгибающего момента приводящего к неисправности оборудования.

В целом принцип действия и общее устройство конструкций мерзлоторыхлительного оборудования схожи (рис. 3). Основные пути интенсификации направлены на совершенствование процесса взаимодействия рабочих элементов мерзлоторыхлительного оборудования, с грунтовой средой касающиеся непосредственно совершенствования геометрических параметров винтового наконечника и рыхлящих элементов с целью снижения энергоемкости процесса внедрения в грунт.

Анализируя существующие конструкции, мерзлоторыхлительного оборудования можно сказать что, несмотря на широкое разнообразие конструктивных схем и отсутствие ударных нагрузок они также имеют ряд недостатков, к которым можно отнести:

-высокая энергоемкость процесса внедрения рабочих элементов мерзлоторыхлительного оборудования;

-применительно ко всем конструкциям такой недостаток как восприятие металлоконструкцией оборудования или оператором ручного инструмента реактивного крутящего момента за счет выдвинутой вперед винтовой лопасти относительно клиньев. Только при дальнейшем завинчивании лопасти, когда клинья упираются в грунт, восприятие реактивного момента исключается;

-применительно к ручному инструменту - значительный вес (до 28 кг), что приводит к быстрой утомляемости оператора и снижению производительности.

С целью устранения приведенных недостатков на кафедре СДМ СГТУ имени Гагарина Ю.А. предложена и запатентована новая конструкция мерзлоторыхлителя (рис. 4.) [12], рабочими органами которого являются два рыхлящих элемента конусной формы в составе с винтовыми наконечниками. Такое конструктивное исполнение рабочих органов позволит исключить влияние на базовую машину или оператора реактивного крутящего момента, снизить энергоемкость, поскольку в рабочем процессе участвуют два рабочих элемента в место трех или четырех как в существующих конструкциях.

а б

Рис .4. а - мерзлоторыхлительное оборудование (Пат.№ 118983);

б - схема разрушения грунта

На рисунке 5 представлены некоторые конструктивные решения использования новой конструкции мерзлоторыхлительного оборудования, а именно в виде механизированного ручного инструмента (рис. 5), [13] навесного оборудования на базе автомобиля (рис. 6), а также дополнительного оборудования к экскаватору с обратной лопатой (рис. 7) [12, 14]

Приведенные технические решения средств механизаций позволят во многом снизить трудоемкость и энергоемкость процесса разрушения мерзлого грунта в сложных условиях производства работ:

- отсутствие динамических нагрузок дает возможность использовать мерзлоторыхлительное оборудование в близи инженерных сооружений в отличии от машин динамического действия;

а б

Рис. 5. а - ручной механизированный инструмент; б - 3D модель инструмента

Рис. 6. Навесное мерзлоторыхлительное оборудование на автомобильной базе

Рис. 7. Навесное мерзлоторыхлительное оборудование на базе экскаватора с обратной лопатой

- возможность мобильно приступить к земляным работам в случае аварийной ситуации (вскрытие аварийного трубопровода) за счет использования ручного механизированного инструмента или навесного оборудования на автомобильной базе (рис. 5, 6.) в зависимости от масштаба аварии;

- возможность производства работ на рассредоточенных участках;

- возможность использования в зимнее время экскаваторов малой размерной группы не предназначенных для зимних условий за счет установки дополнительного оборудования, которое производит предварительное рыхление мерзлого грунта - это устраняет простой сезонной техники и уменьшает количество применяемой техники (рис. 7).

- использование рыхлящих элементов конусной формы позволит снизить энергоемкость процесса разрушения на 20%, а крутящий момент на винтовых наконечниках от их внедрения на 16% по сравнению с рыхлящими элементами клиновидной формы.

- также установлено, что использование в оборудовании двух наконечников меньших размеров вместо одного позволит снизить крутящий момент на 30%, при этом сохраняя тяговую способность [2,15].

Результаты проведенных теоретических и экспериментальных исследований дали возможность разработки рекомендаций для определения основных параметров рабочих органов мерзлоторыхлительного оборудования (рис. 4.) имеющего в своем составе рыхлящие элементы и тяговые винтовые наконечники [16]:

- диаметр верхней винтовой лопасти двух и более винтовых наконечников определяется в зависимости от количества винтов:

где: необходимое количество винтовых наконечников; диаметр винтовой лопасти одного винтового наконечника;

Для двух винтовых наконечников можно руководствоваться зависимостью:

- диаметр нижнего и верхнего основания рыхлящего элемента равен

- угол заострения рыхлящих элементов является:

- объем скалываемого грунта:

где: общая площадь основания пирамиды; изменяемая площадь основания вычитаемой пирамиды при уменьшении расстояния между рыхлящими элементами;глубина скола;глубина скола вычитаемой пирамиды.

-расстояние между рабочими органами и от стенки забоя определяются

где: ширина рыхлящего элемента;

Исходя их выше изложенного, можно сделать следующие выводы:

- несмотря на большое разнообразие методов, способов и средств механизаций для разработки мерзлых грунтов в настоящее время не решенным остается вопрос производства малообъемных, рассредоточенных зимних земляных работ в стесненных условиях, поскольку являются недостаточно механизированным.

- наиболее перспективным способом разработки мерзлых грунтов является винтоклиновой мерзлоторыхлитель, данное оборудование осуществляет механическое безударное разрушение грунта крупным сколом.

- предложены варианты использования конструктивной схемы нового оборудования (Патент № 118983) в виде ручного инструмента и навесного оборудования и разработаны рекомендации по определению основных параметров данного оборудования.

Список литературы

Мартюченко, И.Г. Методы снижения энергозатрат при разработке мерзлых и прочных грунтов / И.Г. Мартюченко. - Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т, 2004. 150 с.

Лозовой, Д.А. Разрушение мерзлых грунтов. (Методы интенсификации и системы машин для стесненных условий строительства). Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т, 1978 - 184 с.

Ветлов, Ю.Е. Рекомендации к расчету и проектированию узлов винтового рабочего оборудования мерзлоторыхлителя / Ю.В. Ветлов, Д.А. Лозовой, Д.Д. Вдовин// Научные труды.- Исследование параметров и расчеты дорожно-строительных машин.- Вып. 60. 1973. С. 8-11.

Ивкин, В.С. Усовершенствованный мерзлоторыхлитель / В.С. Ивкин, Ю.И. Легкий, Д.А. Лозовой// Ульяновский ЦНТИ.Информационный листок №425-76» 1976.

Кузяев, А.И. Влияние некоторых технологических параметров винтоклинового рабочего органа на эффективность его работы / А.И. Кузяев // Научные труды. Исследования параметров и расчеты дорожно-строительных машин. 1975. №88.С.30-32.

Лозовой, Д.А. Исследование процесса разрушения мерзлых грунтов способом отрыва. / Д.А. Лозовой // Горные, строительные и дорожные машины. Киев. №10. 1970. С. 24-27.

А.с. 901413, МПК Е 02 F 5/30. Устройство для рыхления мерзлого грунта / А.А. Крюков, В.Г. Попов, А.А. Кусков, А.Б. Ермилов (СССР). -№ 2911517/29-03; заявл. 16.04.80; опубл. 30.01.82, Бюл. № 4. - 4с.:ил.

А.с. 825804, МПК Е 02 F 5/30. Устройство для рыхления мерзлого грунта / А.А. Крюков, А.Б. Ермилов, В,Г. Попов, А.А. Кусков (СССР). №2809169/29-03; заявл. 16.08.79; опубл. 30.04.81, Бюл. № 16. - 3с.

А.с. 723057, МПК Е 02 F 5/30. Устройство для рыхления мерзлого грунта /А.А. Крюков, В,Г. Попов (СССР). №2661774/29-03; заявл. 07.09.78; опубл. 25.03.80, Бюл. № 11. - 3с.: ил.

А.с. 581208, МПК Е 02 F 5/30. Устройство для разработки мерзлого грунта /А.А. Белоконев, В.П. Попов, Н.П. Колесников (СССР). №2078505/03; заявл. 28.11.77; опубл. 25.11.77, Бюл. № 43. -3с.

А.с. 238425, МПК Е 02 84d, F 5/30. Устройство для разработки мерзлого грунта/Д.А. Лозовой, В.А. Запускалов, Ю.М. Трушин (СССР). № 1212863/29-14; заявл. 24.01.68; опубл. 20.11.69, Бюл. № 9. - 2с.

Пат. 118983 РФ, МПК E02F 5/30. Устройство для разработки мерзлого грунта /И.Г. Мартюченко, С.В. Иванов, заявитель и патентообладатель Сарат. гос. техн. ун-т. - № 2012109312/03; заявл. 12.03.2012; опубл. 10.08.2012, Бюл. № 22. - 5с.

Иванов, С.В. Ручной инструмент для разработки мерзлых грунтов/ С.В.Иванов, И.Г. Мартюченко, // Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-27: сб. тр. XVIIМеждунар. науч. конф.: в 12 т. /СГТУ. - Саратов, 2014.- Т.12.-С.136-138.

Иванов, С.В. Оборудование для разработки мерзлых грунтов / И.Г. Мартюченко, С.В. Иванов // Проблемы и инновации в области механизации и технологий в строительных и дорожных отраслях: по матер. Междунар, науч.-практ. конф./ СГТУ им. Гагарина Ю.А. Саратов: Вестник развития науки и образования. 2014. №3. С.131-136.

Мартюченко, И.Г. Винтовые рабочие органы машин для разработки мерзлых грунтов: монография/ И.Г. Мартюченко. М.: ИНФА-М, 2014. - 200с.

Иванов, С.В. Методика выбора рациональных параметров мерзлоторыхлительного оборудования/ С.В. Иванов, В.В. Иванов, Вл.В. Иванов /// Проблемы и инновации в области механизации и технологий в строительных и дорожных отраслях: cб. науч. тр. Междунар. науч.-практ. конф./ СГТУ им. Гагарина Ю.А. Саратов, 2016.Вып. №3. С. 74-78.

Размещено на Allbest.ru