Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям
На правах рукописи
Семкин Дмитрий Сергеевич
ОБОСНОВАНИЕ РАЦИОНАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ И РЕЖИМОВ РАБОТЫ ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ РАЗРАБОТКИ ГРУНТА ПОД МАГИСТРАЛЬНЫМ ТРУБОПРОВОДОМ
Специальность 05.05.04 - Дорожные, строительные и подъемно-транспортные машины
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Омск - 2012
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия (СибАДИ)
Научный консультант: кандидат технических наук, профессор Демиденко Анатолий Иванович
Официальные оппоненты:
Галдин Николай Семенович доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия (СибАДИ), заведующий кафедрой Подъемно-транспортные, тяговые машины и гидропривод Глушец Виталий Алексеевич кандидат технических наук, доцент Омского института водного транспорта (филиал) ФБОУ ВПО Новосибирская государственная академия водного транспорта, заместитель директора по учебной работе
Ведущая организация: Национальный исследовательский Иркутский государственный технический университет (НИ ИрГТУ)
Защита состоится 22 июня 2012 года в 1400 часов на заседании диссертационного совета Д 212.250.02 при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия (СибАДИ) по адресу: 644080, г. Омск, проспект Мира, 5, ауд. 3124.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования Сибирская государственная автомобильнодорожная академия (СибАДИ).
Отзывы на автореферат в двух экземплярах с подписью, заверенной печатью учреждения, просим направлять в адрес диссертационного совета.
Телефон для справок: (3812) 72-99-76; e-mail: dissovetsibadi@bk.ru
Автореферат разослан 15 мая 2012 года.
Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.250.02 В.Н. Кузнецова
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Россия располагает протяженной сетью магистральных трубопроводов, которые являются важной составляющей ее энергетической системы. Поддержание их в исправном состоянии необходимо для безопасного функционирования всего топливноэнергетического комплекса страны.
Для обеспечения современных темпов проведения ремонтных работ, их безопасности и качества ремонта требуется эффективное технологическое оборудование.
В настоящее время вскрытие магистральных трубопроводов при капитальном ремонте осуществляется в два этапа. Вначале, для исключения повреждения трубопровода производится предварительное вскрытие с оставлением слоя грунта, находящегося в непосредственной близости. Затем осуществляется окончательное удаление грунта, как правило, по всему периметру трубы. Сложность выполнения данной технологической операции обусловлена ограниченным доступом к разрабатываемому грунту, а также возможностью повреждения трубопровода.
Наиболее распространенным оборудованием, выполняющим окончательное удаление грунта, являются роторные подкапывающие машины, передвигающиеся по трубопроводу с помощью отталкивания от него. Однако данное техническое решение имеет ряд существенных недостатков. В процессе работы на трубопровод оказывается силовое воздействие, поэтому во избежание повреждения трубопровода сила тяги машины ограничивается, что не позволяет значительно повысить производительность. Низкая производительность подкапывающих машин является сдерживающим фактором для движения ремонтно-строительной колонны. Потребность машины во внешнем источнике энергии и привлечении дополнительных средств механизации затрудняет перебазировку на места локальных повреждений. Поэтому актуальной является задача разработки новой конструкции оборудования, которая позволит повысить эффективность производства земляных работ при капитальном ремонте магистральных трубопроводов.
Одним из направлений совершенствования конструкции является создание универсального сменного оборудования на базе одноковшового экскаватора. При этом для эффективной работы требуется создание оборудования непрерывного действия, процесс подкапывания грунта которым изучен недостаточно.
Цель работы - повышение эффективности оборудования для разработки грунта под магистральным трубопроводом за счет выбора его рациональных параметров и режимов работы.
Для достижения поставленной цели сформулированы следующие задачи:
1. Провести обзор и анализ существующих конструкций оборудования для разработки грунта под магистральным трубопроводом.
2. Разработать математическую модель взаимодействия рабочего органа с грунтом.
3. Провести экспериментальные исследования процесса копания грунта рабочим органом.
4. Разработать методику обоснования рациональных параметров и режимов работы оборудования.
Объектом исследования является конструктивно-технологическая система лцепной рабочий орган - грунтовый массив.
Предмет исследования - закономерности влияния параметров и режимов работы цепного рабочего органа на удельную энергоемкость процесса копания грунта.
Методы исследования. Обзор, анализ и обобщение результатов выполненных исследований; теоретические исследования базируются на положениях теории предельного равновесия и уравнениях теоретической механики; экспериментальные исследования основаны на использовании теории планирования и методах статистической обработки данных.
Научная новизна работы:
Ц разработана математическая модель процесса копания грунта цепным рабочим органом при удалении грунта из-под магистрального трубопровода и разработке траншеи;
Ц установлены зависимости удельной энергоемкости процесса копания грунта цепным рабочим органом от его геометрических параметров и режимов работы;
Ц экспериментально установлена зависимость коэффициента транспортирующей способности скребка от углов установки его транспортирующих поверхностей.
Практическая значимость:
Ц предложено техническое решение конструкции оборудования для разработки грунта под магистральным трубопроводом;
Ц предложена методика обоснования рациональных параметров и режимов работы оборудования;
Ц использование разработок и результатов исследований в учебном процессе по соответствующим специальностям и направлениям подготовки.
На защиту выносятся:
1. Математическая модель взаимодействия цепного рабочего органа с разрабатываемой средой.
2. Результаты экспериментальных исследований процесса подкапывания грунта.
3. Методика обоснования рациональных параметров и режимов работы оборудования.
Достоверность научных положений, изложенных в работе, подтверждается экспериментальными исследованиями, проведенными в лабораторных условиях.
Апробация работы. Основные результаты исследований доложены, обсуждены и одобрены на заседаниях кафедры Техника для строительства и сервиса нефтегазовых комплексов и инфраструктур СибАДИ 16.05.2011, 16.02.2012, на заседании экспертного совета факультета Нефтегазовая и строительная техника 15.03.2012, на V и VI Всероссийских научнопрактических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых Развитие дорожно-транспортного комплекса и строительной инфраструктуры на основе рационального природопользования (Омск, 2010 г., 2011 г.), на 63-й научно-технической конференции ГОУ СибАДИ (Омск, 2009 г.), на 64-й научно-технической конференции ГОУ СибАДИ в рамках юбилейного международного конгресса, посвященного 80-летию СибАДИ Креативные подходы в образовательной, научной и производственной деятельности (Омск, 2010 г.), на III Всероссийской молодежной научно-технической конференции Россия молодая: передовые технологии - в промышленность (Омск, 2010 г.).
Реализация результатов работы. Результаты исследований приняты к внедрению в отраслевом институте ОМСКГАЗТЕХНОЛОГИЯ ОАО Газпром, а также используются в учебном процессе на кафедре Техника для строительства и сервиса нефтегазовых комплексов и инфраструктур при проведении лабораторных работ по курсу Машины для земляных работ.
Публикации. Основные положения и результаты диссертационной работы опубликованы в 7 статьях, из них 2 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, получено 2 патента на полезную модель.
Структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных результатов исследования и выводов, библиографического списка, включающего 73 наименования, и трех приложений. Работа изложена на 161 странице и включает 7 таблиц и рисунок.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обосновывается актуальность темы, излагается научная новизна работы и практическая значимость, а также основные положения, выносимые на защиту.
В первой главе рассматриваются технологии ремонта магистральных трубопроводов, приводятся обзор и анализ существующих конструкций оборудования для их вскрытия.
Капитальный ремонт магистральных трубопроводов производится методом замены труб. На участках, не имеющих существенных дефектов стенки трубы, осуществляется только замена изоляционного покрытия. Для устранения локальных повреждений трубопровода применяется выборочный ремонт.
Вскрытие магистральных трубопроводов осуществляется в два этапа. На первом этапе производится разработка боковых траншей ниже нижней образующей трубопровода. Для исключения повреждения ремонтируемого трубопровода между стенкой трубы и землеройными механизмами экскаватора оставляется слой грунта (рис. 1).
Рис. 1. Профиль траншеи Рис. 2. Роторная подкапывающая машина Освобождение ремонтируемого участка трубопровода от оставшегося грунта производится с помощью подкапывающего оборудования, осуществляющего удаление грунта по всему периметру трубы, что позволяет обеспечить необходимый для ремонта доступ.
В настоящее время большинство работ по подкапыванию трубопроводов при капитальном ремонте протяженных участков осуществляется роторной машиной, передвигающейся по трубопроводу (рис. 2).
Недостатком данных машин является низкая производительность, что в сложных грунтовых условиях может являться сдерживающим фактором для движения ремонтно-строительной колонны. Производительность роторных машин ограничена тяговым усилием механизма передвижения, так как во избежание повреждения ремонтируемого трубопровода усилие фиксации на нем ограничивается.
Для обеспечения подачи электроэнергии машина имеет мобильную электростанцию, смонтированную на прицепе. Подъем, перестановка подкапывающей машины, а также буксировка электростанции производятся трубоукладчиком. Данные конструктивные особенности снижают мобильность оборудования, что затрудняет использование машины при ремонте локальных повреждений магистральных трубопроводов.
Машина имеет ограничения по использованию на участках, имеющих изгиб трубопровода, элементы запорной арматуры и в местах ответвлений.
Рабочее место оператора имеет низкие эргономические показатели, так как управление осуществляется с помощью ручного пульта в различных климатических условиях.
Одним из направлений совершенствования машин для подкапывания трубопроводов является создание оборудования непрерывного действия на базе одноковшового экскаватора. Компания Komatsu выпускает экскаватор с роторной подкапывающей машиной (рис. 3).
Достоинством конструкции является ее полная автономность.
Однако оборудование не имеет жесткой связи с экскаватором, и тяговые возможности базовой машины не используются. Подача роторов в процессе копания осуществляется с помощью отталкивания от трубопровода, что создает деформации и Рис. 3. Роторная подкапывающая внутренние напряжения металла трубы.
машина на базе одноковшового Разработка грунта при ремонте экскаватора локальных повреждений может осуществляться также одноковшовыми экскаваторами, оснащенными специальными устройствами для поворота рабочего органа. Данные конструкции осуществляют подкапывание без силового воздействия на трубопровод. Однако цикличность процесса копания и отсутствие технических устройств, исключающих возможность повреждения трубопровода, затрудняют работу оператора и снижают производительность.
В работе рассмотрены теоретические исследования процесса копания грунта, проведенные Н.Г. Домбровским, Ю.А. Ветровым, К.А. Артемьевым, В.И. Баловневым, Д.И. Федоровым, И.А. Недорезовым, А.М. Завьяловым и другими, а также исследования в области разработки грунтов рабочими органами непрерывного действия, выполненные З.Е. Гарбузовым, Л.Е. Подборским, Э.А. Джангуляном, Г.В. Родионовым, В.Г. Зедгенизовым, Г.В. Гумбургом, В.И. Ковалевым. Анализ работ показал, что процесс подкапывания грунта данными рабочими органами изучен недостаточно.
На основании проведенного обзора и анализа результатов были сформулированы цели и задачи исследования.
Во второй главе рассматривается процесс взаимодействия цепного рабочего органа с грунтом.
Как правило, цепные рабочие органы имеют несколько линий резания со скребками различной формы (рис. 4), что приводит к образованию стружки сложного сечения (рис. 5).
Рис. 4. Линии резания Рис. 5. Поперечное сечение срезаемой стружки Толщина срезаемой стружки определяется соотношением скорости рабочего хода экскаватора и скорости движения цепи рабочего органа, а также шагом скребков и углом наклона рабочего органа относительно траектории движения экскаватора.
р.х sin hj = (z + 1) t, (1) 2 + 2 + 2 ц р.х cos ц р.х где р.х - скорость рабочего хода экскаватора, м/с; ц - скорость движения цепи рабочего органа, м/с; - угол наклона рабочего органа, град; z - количество скребков, расположенных между однотипными скребками, шт; t - шаг скребков, м.
В общем случае сила сопротивления копанию грунта цепным рабочим органом определяется зависимостью m Ркоп = (Рi ni) + Ртр, (2) i = где Рi - сила сопротивления копанию скребком i-й формы, Н; ni - количество скребков i-й формы, одновременно взаимодействующих с грунтом, шт; m - количество линий резания, шт; Ртр - сила сопротивления транспортированию разработанного грунта, Н.
Общее уравнение для определения касательной силы сопротивления копанию грунта одним скребком можно представить следующим образом РК = РК + РК + РК, (3) рез стр ин где РК - касательная сила сопротивления грунта резанию, Н; РК - рез стр касательная сила сопротивления перемещению стружки грунта по скребку, Н; РК - касательная составляющая силы инерции разработанного грунта, Н.
ин В общем случае сила резания грунта расходуется на отделение стружки от массива режущей кромкой, на изгиб срезанной стружки и сдвиг грунта по боковым поверхностям.
Общее уравнение для определения касательной силы сопротивления грунта резанию можно представить следующим образом РК = (РК + РК + РК + РК ) Кдин, (4) рез сж изн изг сдв где РК - касательная сила сопротивления грунта сжатию режущей сж кромкой, Н; РК - касательная составляющая силы трения грунта по изн поверхности износа режущей кромки, Н; РК - касательная сила изг сопротивления срезаемой стружки изгибу, Н; РК - касательная сила сдв сопротивления грунта сдвигу по боковым поверхностям, Н; Кдин - коэффициент динамичности резания.
В процессе резания происходит смятие грунта поверхностями затупления режущей кромки. Для упрощения расчетов допустим, что затупление кромки происходит по дуге, аппроксимированной двумя линейными функциями (рис. 6).
Рис. 6. Смятие грунта Рис. 7. Трение грунта по режущей кромкой поверхности износа Тогда касательная сила сопротивления грунта сжатию режущей кромкой РК = сж sin L (sin 0 + cos 0) cos , (5) сж где сж - предельное напряжение сжатия грунта, Па; - толщина затупления кромки, м; 0 - угол наклона грани к траектории движения скребка, град; L - длина режущей кромки, м; - коэффициент трения грунта по стали; - угол установки режущей кромки в плане, град.
Для более точного определения силы сопротивления грунта сжатию режущей кромкой можно произвести линеаризацию истинной формы затупления кромки несколькими отрезками.
В процессе резания также возникает сила трения грунта по поверхности износа режущей кромки (рис. 7). Допустим, что давление на площадку износа будет равным напряжению смятия грунта, тогда РК = сж изн L , (6) изн где изн - ширина поверхности износа, м.
После отделения стружки от массива грунта режущей кромкой, она продвигается по ножу скребка, при этом происходит ее изгиб (рис 8).
Рис. 8. Изгиб стружки грунта Рис. 9. Площадь сдвига грунта По данным Д.И. Федорова, при изгибе срезаемой стружки в зависимости от свойства грунта начало образования трещин смещается вдоль ножевой поверхности скребка в сторону режущей кромки либо от нее.
Изгиб стружки происходит аналогично изгибу консольной балки.
Минимальное условие, при котором произойдет данный изгиб Мсопр. изг = Мизг, (7) где Мсопр. изг - момент сопротивления изгибу стружки грунта, Нм; Мизг - изгибающий момент от действия силы сжатия грунта ножевой поверхностью скребка, Нм.
Тогда длина площадки сжатия грунта, достаточная для изгиба срезаемой стружки 2 W р Lсж =, (8) L сж где W - момент сопротивления поперечного сечения стружки, м3; р - предельное напряжение растяжения грунта, Па.
В пластичных грунтах значение Lсж достаточно велико, однако в более прочных грунтах площадь сжатия уменьшается, и начало распространения трещин смещается в сторону режущей кромки.
Таким образом, касательная сила сопротивления срезаемой стружки изгибу РК = 2 W L р сж (sin + cos ) cos , (9) изг где - угол резания, град.
Сдвиг грунта по боковой поверхности происходит в месте изгиба срезаемой стружки. Площадь сдвига приближенно равна площади криволинейного участка боковой поверхности стружки грунта (рис. 9).
Тогда касательная сила сопротивления грунта сдвигу по боковым поверхностям с учетом бокового давления грунта 2 W р РК = h (сж 2 + р) (sin + cos ) nбл, (10) сдв L сж где h - толщина срезаемой стружки возле боковой поверхности, м; - коэффициент бокового давления; 2 - коэффициент трения грунта по грунту.
Согласно В.П. Станевскому, существует критическая скорость резания, обусловленная вязкостными свойствами грунта. В.П. Фомичев предлагает учитывать влияние скорости резания на силу сопротивления грунта разрушению с помощью расчетного коэффициента динамичности резания р Кдин = 1 +, (11) где р - скорость резания грунта, м/с; 0 - предельное касательное напряжение грунта, Па; - плотность грунта, кг/м3.
Таким образом, касательная сила сопротивления грунта резанию РК = [сж sin L (sin 0 + cos 0) cos + сж изн L + рез 2 W р + 2 W L р сж cos + h L сж (сж 2 + р) nбл 2 р (sin + cos )] 1 +. (12) 0 Аналогичным образом можно представить нормальную составляющую силы сопротивления грунта резанию РN = [сж изн L - рез 2 W р - 2 W L р сж cos + h L сж (сж 2 + р) nбл 2 р (cos - sin )] 1 +. (13) 0 При работе цепного рабочего органа по схеме подкапывания трубопроводов действие силы тяжести приводит к обрушению отделенной от массива грунта стружки на боковые поверхности скребка. Поэтому сила тяжести не препятствует продвижению стружки по скребку и не вызывает значительного трения грунта по его поверхности (рис. 10).
Рис. 10. Обрушение срезаемой Рис. 11. Продвижение стружки по стружки при подкапывании скребку при продольном копании Таким образом, для практических расчетов силу сопротивления перемещению стружки грунта по поверхности скребка в данном случае можно не учитывать.
При транспортировании разработанного грунта в процессе копания происходит изменение скорости его движения. Работа, совершаемая при изменении скорости движения разработанного грунта, приближенно равна кинетической энергии, которой обладает транспортируемый грунт в конце пути копания. Тогда касательная составляющая силы инерции разработанного одним скребком грунта р РК = S , (14) ин где S - площадь срезаемой стружки, м2.
В случае равномерного распределения скребков разных форм по рабочему органу, количество скребков i-й формы, одновременно взаимодействующих с грунтом Впод ni = t m sin , (15) где Впод - ширина подкапывания под трубопроводом, м.
При производстве работ по подкапыванию трубопроводов рабочий орган располагается горизонтально, и подъем грунта не происходит. Однако перед скребком образуется призма волочения, которая создает силу сопротивления транспортированию разработанного грунта m Впод (Впод + t sin ) cos + sin РК = Si ( + ) cos + (1 - 2) sin 2 g, тр 2 m t sin2 i = (16) где - угол наклона транспортирующей поверхности к горизонту, град; Si - площадь срезаемой стружки скребком i-й формы, м2; g - ускорение свободного падения, м/с2.
Грунт, находящийся над рабочим органом, разрушается в процессе подкапывания. При этом создается дополнительный объем грунта, который транспортируется рабочим органом. Средняя толщина слоя грунта, расположенного между трубопроводом и рабочим органом D2 (4Ц ) + 8 К D Нср =, (17) 8 Впод где D - диаметр трубопровода, м; К - минимальное расстояние от рабочего органа до трубопровода, м.
Таким образом, касательная сила сопротивления копанию грунта цепным рабочим органом при производстве работ по подкапыванию трубопроводов m D2 (4Ц ) + 8 К D 2 Впод р РК = РКi + Si + h t m sin + коп рез 8 Впод i = m Si D2 (4Ц ) + 8 К D Впод (Впод + t sin ) + h m + 8 Впод 2 t sin2 i = cos + sin ( + ) cos + (1 - 2) sin 2 g, (18) где РКi - касательная сила сопротивления грунта резанию скребком i-й рез формы, Н.
Аналогичным образом можно представить нормальную составляющую силы сопротивления копанию грунта цепным рабочим органом при производстве работ по подкапыванию трубопроводов m Впод РN = РNi t m sin , (19) коп рез i = где РNi - нормальная составляющая силы сопротивления грунта резанию рез скребком i-й формы, Н.
При работе цепного рабочего органа по продольной схеме копания возникает также сила сопротивления перемещению срезаемой стружки грунта по поверхности скребка (рис. 11).
РК = S g [Lн cos ( - ) cos + стр + Lс cos ( - ) cos ], (20) где Lн - длина ножевой системы, м; Lс - длина поверхности скребка, м.
Сила сопротивления транспортированию разработанного грунта при продольном копании возникает также в результате подъема грунта из забоя.
m Н (Н + t sin ) РК = Si g тр 2 m t sin2 i = - (2 cos + sin ) (cos - sin ) sin + + 1 2 cos , (21) cos ( - ) - sin ( - ) где Н - глубина траншеи, м.
Таким образом, касательная сила сопротивления копанию грунта цепным рабочим органом при продольном копании m РК = (РКi + Si g [Li cos( - ) cos + Li cos( - ) cos ]+ коп рез н с i = m 2 Н Н (Н + t sin ) р + Si ) t m sin + Si g 2 2 m t sin2 i = - (2 cos + sin ) (cos - sin ) sin + + 1 2 cos , (22) cos ( - ) - sin ( - ) где Li - длина ножевой системы скребка i-й формы, м; Li - длина н с поверхности скребка i-й формы, м.
Аналогичным образом можно представить нормальную составляющую силы сопротивления копанию грунта цепным рабочим органом при продольном копании m РN = (РNi + Si g [Li cos ( - ) sin + Li cos ( - ) sin ]) коп рез н с i = m Н (Н + t sin ) Н t m sin - Si g 2 m t sin2 i = - cos ( - ) - sin ( - ) (2 cos + sin ) (cos - sin ) + 1 cos . (23) Предложенные уравнения (18), (19), (22), (23) позволяют определять силу сопротивления копанию грунта цепным рабочим органом в зависимости от следующих параметров: физико-механических характеристик грунта, параметров скребков, режимов работы оборудования, параметров откапываемой траншеи, схемы копания (при подкапывании трубопроводов и разработке траншеи).
В третьей главе изложена методика проведения и результаты экспериментальных исследований.
Эксперимент проводился в грунтовом канале на специально изготовленной установке (рис. 12), которая состоит из направляющей балки 1, отклоняющих блоков 2, кронштейнов крепления 3, тензометрических тележек 4, держателей 5, скребков 6 (рис. 13), тягового каната 7 и тензометрической тяги 8.
Рис. 12. Схема экспериментальной Рис. 13. Варианты исполнения установки скребков Конструкция экспериментальной установки позволяет изменять следующие параметры: глубину забоя, глубину подкапывания, толщину срезаемой стружки, угол установки рабочего органа в плане, угол резания, угол установки скребков в плане, скорость движения скребков.
Параметры грунта: тяжелый суглинок; влажность 12 15 %, число ударов плотномера ДорНИИ - 5 6, плотность 2000 кг/м3, коэффициент сцепления 0,025 МПа, угол внутреннего трения 28 33.
Экспериментальные исследования проводились при глубине забоя 0,35 м и 1,55 м, что соответствует толщине слоя обрушения грунта при работе оборудования для подкапывания трубопроводов соответственно под трубой и сбоку от трубопровода для трубы диаметром 720 мм (рис. 14, 15).
Рис. 14. Исследования при глубине Рис. 15. Исследования при глубине забоя 0,35 м забоя 1,55 м В результате проведенного эксперимента были определены численные значения силы сопротивления копанию скребком при различной толщине срезаемой стружки, скорости его движения и угле резания, а также объем транспортируемого грунта в зависимости от углов установки боковых поверхностей и поверхности режущей кромки.
Наиболее значительное влияние на силу сопротивления копанию грунта оказывает изменение толщины срезаемой стружки (рис. 16).
15131197531Толщина стружки Угол резания Скорость резания Рис. 16. Общий вид зависимости силы Рис. 17. Транспортирование сопротивления копанию от параметров резания разработанного грунта В ходе проведения эксперимента было установлено, что в процессе транспортирования при подкапывании, главным образом, задействованы Сила сопротивления копанию, Н боковые грани скребков, на которые ссыпается разработанный грунт.
Отсутствие значительного наклона рабочего органа относительно горизонта способствует удержанию грунта на рабочих плоскостях скребка, что позволяет эффективно выносить разработанный грунт (рис. 17).
Наибольшее влияние на процесс транспортирования грунта оказывает изменение угла установки боковых поверхностей скребка (табл.).
Таблица Объем транспортируемого грунта Увеличение Коэффициент Наименование Угол Объем грунта, транспортир. транспортир.
поверхности установки, град м3 10-способности, % способности 20 3,28 - 0,Поверхность 25 3,37 2,7 0,режущей кромки 30 3,54 7,3 0,35 3,75 12,5 0,Боковые 0 3,28 - 0,поверхности 10 4,73 30,7 0,В ходе проведения эксперимента фиксировались очертания линий разрушения грунта над рабочим органом. При толщине слоя грунта 0,15 м максимальная величина нависания составила 0,12 м. При толщине слоя грунта 1,35 м разрушение происходило постепенно, с образованием комков грунта размером не более 0,30 м. Максимальное нависание грунта составило 0,27 м (рис. 18).
Рис. 18. Схема разрушения грунта в ходе проведения эксперимента Необходимое количество повторения опытов для обеспечения требуемой точности измерений, а также обработка полученных данных производились с использованием методов математической статистики.
Проверка воспроизводимости данных эксперимента с помощью критерия Кохрена показала, что эксперимент воспроизводим и полученные данные пригодны для аппроксимации функции.
Для проверки адекватности аналитических исследований результаты теоретического расчета сравнивались с экспериментальными данными (рис. 19-21).
Эксперимент Расчет Эксперимент Расчет 500 1513450 119475331300 0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,Стреловидная Полукруглая Толщина срезаемой стружки, м Рис. 19. Сила сопротивления Рис. 20. Зависимость силы копанию при различной форме сопротивления копанию от толщины режущей кромки срезаемой стружки Эксперимент Расчет Эксперимент Расчет 55500 4475 4450 4425 4340,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,20 25 30 35 40 Скорость резания, м/с Угол резания, град а б Рис. 21. Зависимость силы сопротивления копанию а) от угла резания; б) от скорости резания Проверка адекватности математической модели осуществлялась по критерию Стьюдента, а также RS-критерию. Точность оценивалась с помощью средней относительной ошибки.
Проверка показала, что исследуемый параметр подчиняется нормальному закону распределения, а расхождения являются незначимыми.
Таким образом, математическая модель не имеет значительных расхождений с экспериментальными данными. Максимальная средняя относительная ошибка математической модели составляет 7,1 %.
В четвертой главе на основе результатов проведенных теоретических и экспериментальных исследований предложено техническое решение конструкции оборудования для подкапывания трубопроводов и предложена методика обоснования рациональных параметров и режимов его работы. Разработку грунта предлагается производить цепным Рис. 22. Оборудование для подкапывания трубопроводов рабочим органом, установленным на Сила сопротивления копанию, Н Сила сопротивления копанию, Н Сила сопротивления копанию, Н Сила сопротивления копанию, Н базе одноковшового экскаватора (рис. 22). Данная конструктивная схема обладает достаточной подвижностью для установки рабочего органа в необходимое положение, обеспечивает непрерывность процесса копания, а также позволяет осуществлять подкапывание без силового воздействия на трубопровод (рис. 23).
После заглубления рабочего органа подача осуществляется движением базовой машины, при этом перемещений стрелы экскаватора не требуется.
Наличие упорного ролика предотвращает повреждение трубопровода рабочим органом (рис. 24).
Рис. 23. Подкапывание Рис. 24. Заглубление рабочего трубопровода органа В зависимости от диаметра трубопровода рабочий орган может быть установлен как перпендикулярно к оси трубопровода, так и под углом, что позволяет сократить количество типоразмеров рабочего органа для удаления грунта из-под магистральных трубопроводов до двух единиц.
Предлагаемая конструкция позволяет также разрабатывать траншеи, формировать откосы, выполнять земляные работы в стесненных условиях, вблизи стен и фундаментов (рис. 25, 26).
Рис. 25. Разработка траншеи Рис. 26. Подвижность рабочего органа Методика, предложенная в работе, позволяет определять рациональные параметры и режимы работы оборудования (рис. 27).
Рис. 27. Блок-схема алгоритма методики обоснования рациональных параметров и режимов работы оборудования Параметры рабочего органа определяются с учетом диаметра подкапываемого трубопровода в соответствии с требованиями нормативных документов к данной технологической операции.
Скорость рабочего хода экскаватора устанавливается, исходя из обеспечения требуемой производительности, обеспечивающей согласованное движение ремонтно-строительной колонны, с учетом мощности двигателя экскаватора.
Затем определяется скорость движения цепи, обеспечивающая минимальную удельную энергоемкость процесса копания грунта (рис. 28, 29).
0,065 0,00,055 0,00,00,00,00,00,00,00 10 20 0 0,4 0,8 1,2 1,Отношение vц/vр.х.
Скорость движения цепи, м/с Рис. 28. Зависимость удельной Рис. 29. Зависимость удельной энергоемкости копания от энергоемкости копания от скорости соотношения ц и р.х движения цепи Удельная энергоемкость, кВтч/м Удельная энергоемкость, кВтч/м Рациональное соотношение скорости движения цепи рабочего органа и скорости рабочего хода экскаватора зависит от угла установки рабочего органа в плане, который определяется геометрическими параметрами рабочего органа и диаметром подкапываемого трубопровода (рис. 30, 31).
12 1-й типоразмер 2-й типоразмер 14 20 40 60 80 100 200 400 600 800 1000 1200 1400 16Угол установки рабочего органа в плане, град Диаметр трубопровода, мм Рис. 30. Зависимость рационального Рис. 31. Зависимость угла установки соотношения ц и р.х от угла установки рабочего органа в плане от диаметра рабочего органа в плане трубопровода Таким образом, методика обоснования рациональных параметров и режимов работы оборудования для разработки грунта под магистральным трубопроводом позволяет определить основные параметры рабочего органа, учитывая особенности эксплуатации экскаватора в комплекте машин, производящего ремонтные работы, что способствует эффективной работе всей ремонтно-строительной колонны.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ В результате проведенных теоретических и экспериментальных исследований процесса взаимодействия цепного рабочего органа с грунтом была разработана методика обоснования рациональных параметров и режимов работы оборудования для разработки грунта под магистральным трубопроводом. В качестве критерия эффективности принята удельная энергоемкость процесса копания грунта.
На основании проведенных исследований были сделаны следующие выводы:
1. Проведен обзор и анализ существующих конструкций. Предложено и научно обосновано эффективное техническое решение конструкции оборудования с цепным рабочим органом на базе одноковшового экскаватора.
2. Разработана математическая модель взаимодействия цепного рабочего органа с грунтом, которая позволяет установить закономерности влияния параметров рабочего органа, режимов его работы и свойств Угол в плане, град Рациональное отношение v ц /v р.х.
разрабатываемого грунта на процесс копания. Для снижения удельной энергоемкости копания при изменении скорости рабочего хода необходимо пропорциональное изменение скорости движения цепи.
Рациональное соотношение ц/р.х составляет 8 16.
3. Проведены экспериментальные исследования процесса копания грунта рабочим органом. Наиболее значительное повышение транспортирующей способности скребка наблюдается при увеличении угла установки его боковых поверхностей. Так при изменении данного угла от 0 до 10 транспортирующая способность повышается на 30 %.
4. Разработана методика обоснования рациональных параметров и режимов работы оборудования. Предлагается два типоразмера рабочего органа для разработки грунта под магистральными трубопроводами диаметром 400 1400 мм, при этом угол установки рабочего органа в плане изменяется в пределах 42 90.
Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:
В изданиях, рекомендованных ВАК РФ:
1. Демиденко А.И., Семкин Д.С. Сменное рабочее оборудование одноковшового экскаватора для подкопа трубопроводов // Механизация строительства. М.: Креативная экономика, 2011. №4. С. 10-13.
2. Демиденко А.И., Семкин Д.С. Математическая модель взаимодействия цепного рабочего органа с грунтом // Вестник Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии. Омск: СибАДИ, 2011. №4. С. 5-8.
В других изданиях:
3. Летопольский А.Б., Семкин Д.С. Лабораторная установка для проведения эксперимента по определению рациональных параметров траншейного цепного экскаватора // Материалы V Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых Развитие дорожно-транспортного комплекса и строительной инфраструктуры на основе рационального природопользования. Омск: СибАДИ, 2010. Кн. 1.
С. 265-267.
4. Демиденко А.И., Семкин Д.С. Экспериментальные исследования по определению рациональных параметров рабочего оборудования одноковшового экскаватора для подкопа трубопроводов // Материалы 64-й научно-технической конференции ГОУ СибАДИ в рамках юбилейного международного конгресса, посвященного 80-летию СибАДИ Креативные подходы в образовательной, научной и производственной деятельности. Омск: СибАДИ, 2010. Кн. 1. С. 240-243.
5. Демиденко А.И., Семкин Д.С. Сменное рабочее оборудование одноковшового экскаватора // Материалы III Всероссийской молодежной научно-технической конференции Россия молодая: передовые технологии - в промышленность. Омск: ОмГТУ, 2010. Кн. 1. С. 27-31.
6. Семкин Д.С. Сменное рабочее оборудование одноковшового экскаватора для подкопа трубопроводов // Тезисы XI научно-технической конференции молодежи ОАО Транснефть. Омск: ОмГТУ, 2010. С. 18-19.
7. Демиденко А.И., Семкин Д.С. Определение рациональных параметров оборудования одноковшового экскаватора для подкапывания трубопроводов // Материалы Всероссийской 65-й научно-технической конференции ФГБОУ ВПО СибАДИ (с международным участием) Ориентированные фундаментальные и прикладные исследования - основа модернизации и инновационного развития архитектурностроительного и дорожно-транспортного комплексов России. Омск:
СибАДИ, 2011. Кн. 2. С. 347-351.
8. Пат. 90461 Российская Федерация, МПК Е 02 F 3/08. Цепной экскаватор / Демиденко А.И., Семкин Д.С.; заявитель и патентообладатель Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия СибАДИ. - № 2009112579/22; заявл. 06.04.2009; опубл. 10.01.2010, Бюл. №1. - 3 с.: ил.
9. Пат. 106265 РФ, МПК Е 02 F 1/00. Стенд для определения рациональных параметров траншейного цепного экскаватора / Демиденко А.И., Семкин Д.С. Летопольский А.Б.; заявитель и патентообладатель Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия СибАДИ. - № 2010154282/03; заявл. 29.12.2010; опубл. 10.07.2011, Бюл. № 19. - 3 с.: ил.
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям