CC BY
9
СТРОИТЕЛЬСТВО
УДК 624.139
С. В. МАКСИМОВ, В. С. ИВКИН, М. П. ПАНФИЛОВ
ВАРИАНТ РАСЧЕТА ПАРАМЕТРОВ РАБОЧЕЙ КАМЕРЫ НОВОЙ КОНСТРУКЦИИ ГАЗОДИНАМИЧЕСКОГО РЫХЛИТЕЛЯ
Объём рабочей камеры рассчитывался исходя из величины приведённой работы газового импульса, которую нужно затратить для разрушения мёрзлого грунта на заданную глубину рыхления.
Оснащение землеройных машин газоимпульсным оборудованием является одним из наиболее перспективных и удобных с точки зрения практической осуществимости методов активизации процесса рыхления мёрзлых грунтов [1, 2, 3, 4].
При проектировании газоимпульсного оборудования нужно знать:
1) какое необходимо создать давление сжатого газа в рабочей камере;
2) какой должна быть ёмкость рабочей камеры в зависимости от заданных грунтовых условий и глубины рыхления.
Рассмотрим наиболее общий вариант расчёта, когда при проектировании рыхлителя исходными параметрами являются:
а) глубина рыхления НР;
б) грунтовые условия, которые характеризуются прочностью, температурой и влажностью;
в) мощность двигателя базовой машины N0;
Рассматривая разрыхлённый грунт как
продукцию, производимую землеройными машинами, необходимо отметить, что себестоимость и производительность последних находятся в прямой зависимости от прочности мёрзлых грунтов.
А. Н. Зеленин [5] предлагал для оценки прочности грунта использовать показания (число ударов) ударника ДорНИИ, характеризующего степень трудности разработки по сравнению с лёгким насыпным речным песком, для которого Суд = 1. Установлено, что для грунтов с температурой от -10 С до -40 С при различной влажности значение Суд изменяется от 35 до 560 (см. табл.1).
По данным В. П. Фомичева [6] между временным сопротивлением мёрзлого грунта разрыву и числом ударов динамического плотномера ДорНИИ существует нелинейная зависимость:
С. В. Максимов, В. С. Ивкин, М. П. Панфилов, 2005
ор=0,04-Суд+0,001С;, (1)
При рыхлении грунта в забой избыточное давление воздуха в рабочей камере подсчитываете я из зависимости:
а
Рзле ~
\
Н1--
р 4
У
о2
(2)
где О" р - прочность мёрзлого грунта на разрыв;
Нр - глубина рыхления грунта в забой; О - диаметр винтовой лопасти рабочего органа
(3)
где А^ - мощность двигателя базовой машины; Ык - потребляемая мощность на привод компрессора, который может быть размещён на заданной базовой машине с учётом её габаритов и массы.
Основные технические характеристики компрессоров среднего и высокого давлений приведены в табл. 2.
При рыхлении грунта с поверхности избыточное давление воздуха в рабочей камере должно быть на 30% больше, чем при рыхлении грунта в забой.
Рс.П. = ^ЗРЗАБ (4)
Ёмкость рабочей камеры рассчитывается из зависимости (5):
V =
А
ГАЗ
(К-1)
К-1
• {РА к
р 1 -
\Р)
(5)
Таблица 1.
Оценка прочности грунтов по показаниям динамического шютнометра ДорИТIII
Категория грунта V VI VII VIII
Число ударов ударника ДорНЛН* СуД 35-70 70-140 140-280 280-560 ---- ■!
Таблица 2
Технические характеристики компрессоров
Тип компрессора Производительность по нагнетанию, л/мин Давление нагнетания, МП а Потребляемая мощность, ✓ л. с. Габаритные размеры, мм Масса, кг
длина ширина - высота
КВД-1,6 2 2 0 15,0 11,0 580 310 710 170
К2-150 2,0 15,0 10,0 430 450 490 85
1К 8,0 20,0 36,0 885 825 1295 700
К-5 16,0 22,5 68,0 1200 1080 1820 1350
К-б 8,0 22,5 47,8 850 580 1355 600
К-7 6,5 22,5 35,3 832 585 1000 445
ДК-2 8,0 23,0 64,0 2200 890 860 820
ДК-10 9,0 40,0 130,0 2200 890 860 820
ЭК-15-М 16,0 20,0 56,0 1185 860 1535 1200
20К-1-Э1 7,0 6,0 11,0 760 630 1135 370
ЭКП35/64 9,0 6,4 19,0 1220 550 1000 -
где Аглз - работа, совершаемая сжатым воздухом при адиабатическом истечении из рабочей камеры:
А -А -К
ГАЗ ~ ^ПР 1ХЬТ
(6)
,ПР~ приведённая работа газового импульса;
К„ - коэффициент, учитывающий изменение мощности газового импульса;
Р - избыточное давление воздуха в рабочей камере перед её разрядкой;
Р[ - конечное давление расширяющегося воздуха;
К = 1,41 - показатель адиабаты.
Приведённая работа газового импульса, необходимая для рыхления грунта в забой и с поверхности за цикл, рассчитывается из зависимости (7):
-\2
(НР - Н0) • К0Б
А ПР ~
К ■
уд
(7)
где Нр - глубина рыхления грунта в забой или с поверхности;
Я0 - глубина от дневной поверхности до выхлопных отверстий, при которой начинается рыхление грунта:
Ял = (1,0-2,ОР;
О
К ю и Руд - коэффициенты, учитывающие
(8)
(9)
влияние влажности и температуры мёрзлых грунтов на эффективность их разрушения газовым импульсом;
Р-ОБ ~ коэффициент, учитывающий количество обнажённых поверхностей:
К0Б - 1,0 - рыхление с поверхности, в «целик»;
К0Б = 0,7 - рыхление в забой.
Коэффициент, учитывающий изменение мощности газового импульса, определяется по формуле (9):
77
V - э
где Р^ =214,4 мм2 - площадь проходного сечения рабочего органа, принятого за эталон;
Рф - фактическая площадь проходного сечения
рабочего органа.
Основное назначение новой конструкции рыхлителя - выполнение работ в стеснённых условиях, когда фронт работ незначителен при одновременной достаточно сложной его конфигурации. Это требует мобильности рыхлительного оборудования, возможности манипулирования им в условиях ограниченного пространства при чёткой направленности силового воздействия рабочего органа на грунт. Поэтому в качестве базовой машины целесообразно рекомендовать гидравлические экскаваторы малой и средней мощности на пневмоходу (рис. 1).
Рис. 1. Газодинамический рыхлитель на базе пневмоколёсного тягача с гидравлическим приводом рабочего оборудования и автономным приводом компрессорной установки: 1 - тягач; 2 - рабочий орган; 3 - защитный экран; 4 - компрессорная установка; 5 - гидродвигатель
Для обеспечения минимальной металлоёмкости навесного оборудования целесообразно применять высокомоментные гидромоторы, которые могут работать без дополнительных передаточных механизмов, обеспечивая плавную бесступенчатую настройку на требуемую скорость вращения и её поддерживания вне зависимости от изменения нагрузок.
Завинчивание рабочего органа в мёрзлый грунт сопровождается образованием зоны уплотнения грунта. Поверхность грунта, контактирующая с рабочим органом, получается гладкой, с монолитной текстурой и отличается от грунта естественного сложения. Рыхлитель обжимается уплотнённым грунтом. При воздействии импульса сжатого воздуха на грунт происходит его разрушение. Характер поверхности разрушения свидетельствует о том, что разрушение грунта происходит при доминировании деформаций разрыва. Если глубину завинчивания (заложение газового импульса) уменьшить до Н0= (1,0*2,0) Э, то наблюдалось явление «прострела» грунта, которое заключалось в том, что при истечении сжатого воздуха из разрядной втулки вышибалась земляная «пробка» по диаметру В, близкому к диаметру винтового наконечника, и высотой, равной расстоянию от разрядной втулки до
Это свидетельствует о том, что зона уплотнения грунта по высоте играет роль своеобразной земляной «пробки», которая препятствует выходу сжатого воздуха на поверхность по кратчайшему пути.
Газоимпульсный рыхлитель может быть эффективно использован для рыхления супесчаных, суглинистых, глинистых грунтов как однородных, так и не однородных.
Рабочие органы, имеющие работу газового импульса Апр < 100 кДж, неэффективны для активизации процесса рыхления мёрзлых грунтов газоимпульсным рыхлителем.
Эффективность использования газоимпульсного рыхлителя в строительстве будет возрастать по
мере увеличения газового импульс Апр = (100*700) кДж. В этом случае энергоёмкость процесса разрушения будет в пределах (1700*1000) кДж/м3.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Пат. № 220989 КИи), МПК7Е02Р5/32 Газодинамический рыхлитель / В. С. Ивкин //БИ. -2003.-№22.
2. Пат. № 2231601ОШ), МПК7Е02Р5/30 Газодинамический рыхлитель / В. С. Ивкин, В. С. Ще-лыкалин // БИ. - 2004. - № 18.
3. Пат. № 2236514(Щ), МПК?Е02Р5/32 Газодинамический рыхлитель / В. С. Ивкин, Е. К. Кузьмин // БИ. - 2004. - № 26.
4. Пат. № 2244784(Щ), МПК7Е02Р5/32 Газодинамический рыхлитель /В. С. Ивкин, Е. К. Кузьмин // БИ. - 2005. 2.
5. Зеленин, А. Н. Машины для зимних земляных работ / А. Н. Зеленин, В. И. Баловнев, И. П. Керов. - М.: Машиностроение, 1975. - 424 с.
6. Фомичев, В. П. О классификации грунтов по физико-механическим характеристикам // Строительные и дорожные машины. - 1971. -№4.-С. 19.'
Максимов Сергей Валентинович, доктор технических наук, заведующий кафедрой «Строительное производство и материалы» УлГТУ. Имеет монографии, учебник, учебные пособия и статьи, изобретения и патенты в области строительных материалов.
Ивкин Валерий Семёновичу кандидат технических наук, доцент кафедры «Строительные конструкции» УлГТУ. Имеет учебные пособия и статьи, изобретения и патенты в области механизации строительных работ.
Панфилов Максим Петрович, студент пятого курса УлГТУ.
