CC BY
17
УДК 624.139
С. В. МАКСИМОВ, В. С. ИВКИН, В. В. МОРОЗОВ
ВЫБОР НАПРАВЛЕНИЯ В СОЗДАНИИ НОВОЙ КОНСТРУКЦИИ РЫХЛИТЕЛЯ ДЛЯ СТЕСНЁННЫХ УСЛОВИЙ СТРОИТЕЛЬСТВА
Рассмотрены основные способы разработки мёрзлых грунтов с позиции эффективности их применения в строительстве. предположено новое газоимпульсное оборудование для производства зимних земляных работ.
Важной составной частью технологии строительного производства являются процессы, связанные с выполнением земляных работ, в том числе с разработкой мёрзлых грунтов. Для удовлетворения современных запросов строительства необходимо создавать технологические процессы, обеспечивающие увеличение производительности оборудования, по сравнению с традиционными, не на проценты, а в несколько раз. Этим требованиям отвечают новые методы разработки высокопрочных мёрзлых грунтов, основанные на комбинации отдельных методов, например термомеханический, взрывотермический, электрогидравлический, пневмомеханический и др. При комбинации методов используют позитивные и исключают негативные эффекты, поэтому комбинированные методы значительно эффективнее традиционных, причём одной из наиболее эффективных является комбинация механического и газоимпульсного методов [1,2,3].
Разрабатывать мёрзлый грунт большинством землеройных машин без специального их переоборудования малоэффективно или вообще невозможно, так как прочность мёрзлого грунта в десятки, а иногда и в сотни раз выше его прочности в немёрзлом состоянии. Поэтому трудоёмкость и стоимость разработки единицы объёма смёрзшегося грунта значительно превышает трудоёмкость и стоимость разработки такого же объёма немёрзлого грунта.
Это приводит к увеличению сроков строительства и к значительному удорожанию работ.
Энергоёмкость и трудоёмкость отдельных способов разработки мёрзлых грунтов приведены в табл. 1.
Предохранить грунт от промерзания в осенний период до наступления устойчивых отрицательных температур, можно вспахивая талый грунт, а затем боронуя или покрывая ещё неза-мёрзший грунт дешёвыми теплоизоляционными материалами и отходами производства (листьями, стружками, опилками, шлаком) или внося в разрыхлённую почву химические вещества (например, хлористый кальций или натрий).
В начале зимы можно утеплять грунт снеговым покровом, искусственным снегованием, намораживанием ледяного покрова.
© Максимов С. В., Ивкин В. С., Морозов В. В., 2004
Таблица 1
Способ разра- Энергоёмкость, кВтч/м3 Трудоёмкость, * ■о чел'дн/м
ботки грунта
Предохранение от промерзания 1,36 0,002-0,02
Оттаивание:
а) огневое 136 0,11-0,14
б) пароводяное 190 0,16
в)электрическое 81 0,28-0,7
Буровзрывной 1,4 0,048
Механические:
а) резание б) ударный в) вибрационный 5,4 0,55 1,64 0,003-0,09 0,005-0,05 0,044-0,08
Ручная разработка 1,9
Указанные методы применяются только для разработки в начале зимы небольших и заранее запланированных объёмов земляных работ.
Наиболее трудоёмки и экономически невыгодны способы, основанные на оттаивании смёрзшегося грунта паром, горячей водой, электроустройствами, термохимическим и огневым прогревом.
Эти способы характеризуются большой энергоёмкостью процесса.
Простейшими механическими устройствами для разрушения грунта ударной нагрузкой являются «клин-молоты», навешиваемые с помощью стального троса на стрелу экскаватора или специально изготовленные стрелы к тракторам, погрузчикам или копрам.
Принцип работы таких устройств состоит в том, что рабочий орган, выполненный в форме шара, пирамиды, двухскосного клина, падая с определённой высоты под действием кинетической энергии собственной массы, разрушает некоторый объём смёрзшегося грунта. Вес (от 0,4 до 4,0 т), конструкцию и высоту поднятия «клина» или «шар-молота» выбирают в зависимости от вида, прочности и глубины промерзания грунта.
К недостаткам этого способа относятся невозможность нанесения повторных ударов точно по тому же месту разрабатываемого массива, что приводит к рассеиванию энергии, значительной
энергоёмкости и низком производительности
л
(5-10 м7ч) рыхления мерзлоты. Самым существенным недостатком указанного метода является то, что при сбрасывании рабочего органа вся конструкция базовой машины и её отдельные элементы подвергаются действию значительных динамических нагрузок.
Поэтому в практике существует тенденция к сокращению применения подобного рода приспособлений за счёт создания и внедрения в производство специальных механических систем (машин и установок) для разрушения динамической нагрузкой мёрзлого грунта.
По конструктивному исполнению механические ударные системы состоят из базовой машины (трактора или экскаватора) и специального навесного или прицепного оборудования, несущего на себе ударное устройство и грунторазрушающий рабочий орган (один или несколько клиньев).
По характеру и частоте ударного импульса, действующего на рабочий орган, все устройства делятся на 3 группы: ударные, частоударные, вибрационные.
Ударные машины в зависимости от способа приложения ударного импульса к разрушаемой среде могут быть с падающим рабочим органом (клином) или с рабочим органом, стоящим на грунте (забиваемый клин). В первом случае ударный импульс обеспечивается за счёт кинетической энергии массы самого рабочего органа, во втором - за счёт кинетической энергии падающих грузов (ударной части).
Наибольшее распространение в практике получили машины с падающим рабочим органом. Это объясняется простотой их конструкции. К недостаткам этих машин относится то, что динамические нагрузки, возникающие при свободном падении и ударе массивных рабочих органов, приводят к появлению трещин в элементах металлоконструкции, изгибу направляющих рам, разрушению узлов их крепления к трактору, износу фрикционных лебёдок.
Это вызывает простои из-за ремонта машин, снижается их производительность.
Машины с забиваемым рабочим органом, стоящем на грунте, распространены меньше. Это объясняется тем, что для этой группы машин ещё не созданы компактные, надёжные и долговечные ударные узлы, обеспечивающие большую энергию удара для разрушения мёрзлого грунта.
В то же время машины с забиваемым клином имеют ряд преимуществ. Они могут обеспечить центральный, жёсткий удар и позволяют использовать статический пригруз рабочего органа с целью повышения эффекта разрушения мёрзлого грунта.
Классическими примерами машин с забиваемым рабочим органом служат установки на базе тракторов и экскаваторов с навесным оборудованием в виде дизель-молотов С-254 (вес ударной части 600 кг) или С-222 (вес ударной части 1200
кг). Основным недостатками этих установок явля-ется то, что при низких температурах дизель-молоты ненадёжны в работе, плохо запускаются и имеют низкий коэффициент полезного действия.
Разрушение мёрзлых грунтов с помощью вибрационных, вибро- и частоударных рабочих органов ещё не получило достаточного широкого распространения в практике.
Как показали испытания экспериментальных и опытных образцов подобного рода машин, они обладают сравнительно небольшой энергией удара и поэтому могут применяться только для разработки слабых песчаных и супесчаных грунтов.
Значительное распространение в практике зимних земляных работ получил метод резания грунтов.
Этому способствовал большой опыт, накопленный в горной промышленности по резанию горных пород, и возможности использования ба-ровых рабочих органов типа КМП-2 и КМП-3 от серийно выпускаемых угольных комбайнов.
Общий и весьма существенный недостаток этой группы машин - интенсивный износ режущих элементов (резцов или зубьев) из-за повышенной абразивности мёрзлых ¡рунтов к экскавации.
К числу наиболее простых по конструкции, эффективных и надёжных в работе машин, обеспечивающих наиболее производительный процесс непрерывного разрушения мёрзлого грунта, относятся навесные рыхлители статического действия.
В нашей стране рыхлители на мощных тягачах впервые появились в 1960-1962 годах. Их создание и внедрение в производство связано с работами, проведёнными в ВНИИСтройдормаше и МАДИ под руководством А. И. Зеленина и М. И. Ровинского.
Рыхлитель состоит из металлической рамы сварной конструкции, рабочего органа, выполненного в виде зуба, состоящего из прямой стойки и литого (съёмного) наконечника. Гидравлическое управление позволяет осуществить принудительное его заглубление.
Опыт, накопленный ВНИИСтройдормашем и строительными организациями страны, показал, что рыхлители статического действия могут эффективно использоваться для рыхления мёрзлого грунта при тяговом усилии базовых машин не менее 15-20 т, которые могут обеспечить тягачи хмощностью 150-300 л. с. и более. При этом производительность рыхления мёрзлого грунта может быть 80-150 м3/ч.
При производстве малообъёмных, рассредоточенных зимних земляных работ в стеснённых условиях строительства наибольшее применение находят машины, разрабатывающие мёрзлый грунт механическим способом. Их совершенствованию уделяется большое внимание. Однако большинство существующих машин не всегда отвечает требованиям выполнения земляных работ в стеснённых условиях строительства и имеет существенные недостатки: высокая энергоёмкость, низкая надёж-
ность, интенсивный износ рабочих органов, плохая маневренность, узкая специализация.
Решение проблем увеличения объёмов работ по разрушению мёрзлых фунтов в стеснённых условиях строительства не может быть достигнуто только на основе выбора рациональных конструктивных и режимных параметров существующих машин и увеличения их энерговооруженности. Необходимо создание исполнительных органов с новыми наиболее эффективными способами разрушения мёрзлых грунтов.
Технико-экономические показатели существующих рыхлителей могут быть улучшены путём активизации их рабочих органов, т. е. путём передачи последним дополнительной энергии.
Оснащение землеройных машин газоимпульс-ным оборудованием является одним из наиболее перспективных и удобных с точки зрения практической осуществимости методов активизации процесса рыхления мёрзлых грунтов.
Малые габариты и вес, конструктивная простота и высокая энерговооружённость землеройных машин, оснащённых газодинамическими ин-тенсификаторами, открывает возможности значительного повышения производительности, снижения удельной материалоёмкости по сравнению с конструкциями машин традиционного типа.
Машины, разрушающие грунт газодинамическими нагрузками, способны развивать на рабочем органе мгновенные мощности, во много раз превышающие мощность базовой машины.
Это позволяет полагать, что для рыхления грунта газодинамическим способом могут быть использованы пневмоколёсные тягачи или экскаваторы малой и средней мощности, которые в зимний период использовались недостаточно, но которые имеют хорошие транспортные качества.
Учитывая небольшие габариты и массу машин средней и малой мощности, следует также полагать, что при выборе источника получения сжатого газа предпочтение следует отдать компрессорным установкам, которые имеют небольшую массу, высокую степень надёжности и высокую производительность.
Анализ традиционных способов механического разрушения мёрзлых грунтов и землеройных машин с газодинамическими устройствами показывает, что перспективный вариант оборудования для выполнения малообъёмных, рассредоточенных зимних земляных работ в стеснённых условиях строительства должен быть позиционного действия и сочетать в себе надёжность машин статического действия и высокую производительность машин газодинамического действия.
Вышеперечисленные соображения были нами и учтены при создании газодинамического рыхлителя для производства малообъёмных, рассредоточенных зимних земляных работ. Отличительная особенность нового оборудования в том, что его внедрение в грунт осуществляется наименее энер-
гоёмким способом - путём завинчивания, а разрушение мёрзлого грунта производится за счёт энергии сжатого воздуха высокого давления [1,2,3].
Основными предпосылками к эффективному использованию нового оборудования для производства зимних земляных работ в стеснённых условиях явились следующие:
1) начало разрушения грунта начинается не с поверхности, где прочность фунта максимальная, а с глубины разрушаемого массива, где прочность ниже;
2) энергия сжатого воздуха передаётся непосредственно разрушаемому фунту, который можно рассматривать как материал, обрабатываемый действием газового импульса. Разрушение мёрзлого фунта происходит по всем возможным направлениям расширения сжатого воздуха, что позволяет повысить качество дробления по сравнению с машинами ударного действия и статическими рыхлителями, т. к. рабочие органы этих машин имеют строго ограниченное перемещение в мёрзлом фунте;
3) более эффективная работа в период оттепели и начала оттаивания мёрзлого фунта, когда под слоем неравномерно тающего фунта находится мёрзлый фунт. В машинах ударного действия энергия удара частично или полностью гасится тающим слоем фунта.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
¡.Патент Российской Федерации № 20047JÜ cl, МКИ Е 02F5/32 Газодинамический рыхлитель/ B.C. Ивкмн // Открытия, изобретения. - 1993. -№45-46.
2. Патент Российской Федерации № 2052032, МКИ Е 02F5/32 Газодинамический рыхлитель /B.C. Ивкин//Открытия, изобретения. - 1996.-№].
3. Патент Российской Федерации № 2209891, МКИ 7E02F5/32 Газодинамический рыхлитель /В.С.Ивкин// Бюллетень изобретений и полезных моделей (БИПМ). - 2003. - №22 (III часть).
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 мате-риапов.
Ивкин Валерий Семёнович, кандидат технических наук, доцент кафедры «Строительные конструкции» УлГТУ. Имеет учебные пособия и статьи, изобретения и патенты в области механизации строительных работ.
Морозов Вадим Витальевич, студент 5 курса УлГТУ.
