Моделирование трамбующего рабочего органа Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 681.5: 625.75

МОДЕЛИРОВАНИЕ ТРАМБУЮЩЕГО РАБОЧЕГО ОРГАНА

Н.С. Галдин, Н.Н.Егорова

В статье приведены основные сведения о моделировании трамбующего рабочего органа для уплотнения различных грунтов. Приведены зависимости для определения основных параметров трамбующего рабочего органа: геометрических размеров трамбующей плиты, требуемых значений контактных напряжений на поверхности грунта при заданной толщине уплотняемого слоя грунта, массы трамбующей плиты, требуемой скорости соударения трамбующей плиты с грунтом, энергии единичного удара

Ключевые слова: моделирование, трамбующая плита, уплотнение грунта, рабочий орган

В строительстве применяются следующие основные способы уплотнения грунтов: укатка, трамбование, вибрационный и комбинированный.

Трамбование - эффективный способ уплотнения грунтов. При трамбовании грунт уплотняется за счет энергии удара рабочего органа. Трамбование - универсальный способ уплотнения грунтов, потому что он пригоден для уплотнения как связных, так и несвязных грунтов на достаточно большую глубину (до

1...1,5м и более), а также возможно его применение в условиях зимнего строительства [1, 3].

Этот способ является также наиболее рациональным при работе в стесненных условиях, так как позволяет производить уплотнение грунта в различных выемках, траншеях, котлованах и т.д. на достаточно большую глубину.

Многочисленные исследования, опыты и практика уплотнения грунтов трамбованием показали, что эффективность уплотнения (качество уплотнения, глубина уплотнения), энергоемкость уплотнения, необходимое число повторностей приложения ударной нагрузки зависят в конечном итоге от основных параметров рабочих органов трамбующих машин.

Наибольшее распространение для расчета параметров трамбующих рабочих органов получила теория удельных импульсов профессора Н.Я.Хархуты, которая подтверждается результатами многочисленных исследований и практическим опытом [3].

Теория удельных импульсов основана на использовании уравнения количества движения с оценкой эффективности уплотняющего воздействия трамбующего рабочего органа на грунт по величине удельного импульса удара.

Явление удара описывается известным выражением:

Галдин Николай Семенович - СибАДИ, д-р техн. наук, профессор, тел. 8-(381-2) 65-17-90

Егорова Наталья Николаевна - СибАДИ, старший преподаватель, тел. 8-(381-2) 65-17-63

(1)

где т - время удара; ^ - сила, развиваемая в процессе удара; т - масса рабочего органа; У -скорость рабочего органа в начале удара; У2 -скорость рабочего органа в конце удара (принимается равной нулю).

Под удельным импульсом удара понимается импульс, приходящийся на единицу контактной поверхности. Он может быть найден из выражения

• т ‘ У± , (2)

г =

Л

где 1 - удельный импульс удара, Пас; S -площадь контактной поверхности трамбующей плиты с грунтом, м2; т - масса подвижных частей, кг; У1 - скорость в момент удара, м/с.

Рекомендуемые проф. Н.Я.Хархутой значения предельных удельных импульсов (1р , МПа-с) для грунтов оптимальной влажности следующие:

а) грунты малосвязные (супеси)

0,005.0,008;

б) грунты средней связности (суглинки) 0,008.0,015;

в) грунты высокой степени связности (тяжелые суглинки) 0,015.0,022;

г) грунты весьма связные (глины) 0,022.0,030.

Для определения величины максимального значения контактного напряжения на поверхности грунта а0 получена формула [3]:

ст - а± , (3)

°0 _

т

где а - определяемый опытным путем безразмерный коэффициент, который учитывает форму импульса и другие факторы; т - время удара, с.

Коэффициент а определяет остроту им-

пульса и зависит от скорости удара и удельного статического давления рабочего органа д. Под последним понимается отношение силы тяжести подвижных частей к площади контактной поверхности.

По результатам многочисленных исследований и практического опыта установлено, что для обеспечения качественного уплотнения грунта трамбованием на заданную глубину до требуемой плотности необходимо соблюдать выполнение следующих основных условий:

а) удельный импульс удара должен составлять 0,9. 1,0 предельного импульса для данного вида грунта;

б) возникающее на поверхности контакта максимальное напряжение должно составлять 0,9. 1,0 предела прочности грунта;

в) напряжения на заданной глубине должны обеспечивать требуемую плотность грунта;

г) влажность грунта должна быть близка к оптимальной.

Исследованиями [3] установлено, что наилучший эффект уплотнения получается, когда величина контактного напряжения рабочего органа с грунтом с0 составляет 0,9.1,0 от предела прочности грунта ср , т.е. с0 = (0,9.1,0)стр .

Численные значения пределов прочности грунта (стр, МПа ) при оптимальной влажности и плотности 5=0,955тах следующие:

а) грунты малосвязные (супеси) 0,3.0,7;

б) грунты средней связности (суглинки) 0,7.1,2;

в) грунты высокой степени связности (тяжелые суглинки) 1,2.2,0;

г) грунты весьма связные (глины) 2,0.2,3.

Для достижения требуемой плотности

грунта на заданной глубине должно действовать сжимающее напряжение ст2 , величина которого определяется по формуле [3]

стг >у-ар . (4)

Коэффициент у зависит от требуемой плотности грунта и изменяется от 0,1 до 0,45 при изменении коэффициента уплотнения грунта в пределах от 0,90 до 1,0 соответственно.

Напряжения по глубине уплотняемого слоя подчиняются зависимости

(5)

и

и

1

1 + к?

3

\ 2

безразмерный коэффициент затухания напряжений по глубине, кз - Ду^) 0,015— .

д

Выбор основных параметров трамбующего рабочего органа сводится к определению массы подвижных частей, общей массы трамбующего рабочего органа, скорости в момент удара, требуемой энергии удара, а также размеров трамбующей плиты.

Указанные параметры должны обеспечить получение требуемой плотности в слое грунта заданной толщины. При этом необходимо стремиться к тому, чтобы достижение требуемой плотности происходило при минимальном числе ударов. Это условие обеспечивается выбором удельного импульса удара, близким к предельному, а контактного напряжения, близким к пределу прочности грунта.

Рабочий орган ударного действия для уплотнения грунта на основе гидроударников -гидротрамбовка (рис. 1) - является сменным рабочим оборудованием экскаватора и навешивается на него вместо ковша.

Рис. 1. Гидротрамбовка

где г - глубина уплотняемого слоя, м; -

диаметр штампа, передающего нагрузку, м; к3 -

Гидротрамбовки могут быть выполнены по четырем принципиально возможным схемам (рис. 2):

а) с непосредственным ударом трамбующей плиты по грунту;

б) с непосредственным ударом плиты по грунту и дополнительной опорной (поджимной) плитой;

в) с ударом по грунту через шабот;

г) с ударом по грунту через шабот и дополнительной опорной (поджимной) плитой.

Первая и вторая схемы (а, б) предпочтительнее, так как при этом обеспечивается высокая эффективность по уплотнению и более высокий КПД удара. По второй схеме уменьшается динамическое воздействие на экскаватор.

г

Исходными данными для расчета параметров гидротрамбовки являются:

а) вид грунта (характеризуется удельным импульсом удара 1 , пределом прочности <стр , влажностью Ж);

б) требуемая плотность уплотнения грунта 8 = 8/8 тах , обычно принимается 5 — к — 0,98;

в) толщина уплотняемого слоя грунта Н0.

Рис. 2. Принципиальные схемы гидротрамбовок: 1 - корпус; 2 - подвижные части; 3 - сменная трамбующая плита;

4 - кронштейн; 5 - дополнительная опорная плита; 6 - шабот

Геометрические размеры трамбующей плиты при оптимальной влажности грунта выбираются из условия

(6)

Нп

в . >

а

1 - е

м^мм »ль -

?ГТ "

і Л 4 к А. 2_»+Д>- «ДОЙк* <Л:ДлаЭ і

Рис. 3. Трамбующая плита

Алгоритм расчета трамбующего рабочего органа приведен на рис. 4.

Ввод данных

Техническое задание на проектирование (ТЗ). Вид фунта (¡р, ор, \У). Толщина уплотняемого слоя грунта Но. Требуемая плотность.

Задание удельного импульса удара і. контактного напряжения ст0 —

^ Определение основных параметров рабочего органа (В, в, У|, т, Т, ч и других)

і

Определение аг = ((а0, V,, г. В)

і

Определение парамегров рабочего органа. І Іроверка соответствия а*

Нет ^ о, > о„

Да

Печать результатов

Конец

Рис. 4. Алгоритм расчета трамбующего рабочего органа

Площадь контактной поверхности трамбующей плиты с грунтом равна £ — ПВ2 ¡4 для

круглой плиты (рис. 3) и £ — В2 для квадратной плиты.

Для получения требуемого контактного напряжения на поверхности грунта ст0 при заданном удельном импульсе удара I необходимо обеспечить следующую скорость удара [1]:

о

- + al2lg - a0 +

К, =-

t + al2‘g - a0 I + 4ala2‘g (7)

2а1

где У1 - м/с; ст0 - МПа; 1 - МПас; g = 9,81 м/с 2; т — 0,0546 + 21,231 - 0,04815 - 21,1518 .

Масса подвижных частей при заданном удельном импульсе определяется по формуле

1£ . (8)

т — —

У1

Зная массу подвижных частей и скорость удара, определим энергию удара необходимую для уплотнения грунта по формуле

T = m • V,

(9)

2

Наиболее перспективными навесными грунтоуплотняющими машинами к экскавато-

рам являются гидротрамбовки на основе гидравлических ударных устройств. Важным преимуществом гидроударного оборудования является их универсальность, широкая область применения для выполнения различных видов работ.

Литература

1. Галдин Н.С. Многоцелевые гидроударные рабочие органы дорожно-строительных машин: Монография. -Омск: Изд-во СибАДИ, 2005. - 223 с.

2. Галдин Н.С. Гидравлические машины, объемный гидропривод: - Омск: СибАДИ, 2009. - 272 с.

3. Хархута Н.Я. Машины для уплотнения грунтов. Теория, расчет и конструкции. - 2-е изд., перераб. - М.: Машиностроение, 1973. 176 с.

0

Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия

MODELLING OF RAMMING WORKING BODY N.S. Galdin, N.N. Egorova

In clause the basic data on modelling ramming working body for condensation various grounds. Dependences for definition of the cores parameters of ramming working body are resulted: the geometrical sizes of the ramming plate, demanded values of contact pressure on a surface of a ground at the set thickness of a condensed layer of a ground, weights of the ramming plate, demanded speed of impact of a ramming plate with a ground, energy of individual impact

Key words: the modeling, ramming plate, condensation of a ground, working body