авторефераты диссертаций www.z-pdf.ru
БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА
 

На правах рукописи

РЫБАКОВ Александр Сергеевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДА РАСЧЕТА

ПОКАЗАТЕЛЕЙ ПРОЦЕССА ПРОКОЛА

ПРИ СОЗДАНИИ КРИВОЛИНЕЙНЫХ СКВАЖИН

В ГРУНТАХ

Специальность 25.00.20 – Геомеханика, разрушение горных пород,

рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Тула - 2015

2

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образова-

тельном учреждении высшего образования «Тульский государственный уни-

верситет» (ТулГУ) на кафедре геотехнологий и строительства подземных со-

оружений.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

ЖАБИН Александр Борисович.

Официальные оппоненты:

ЮНГМЕЙСТЕР Дмитрий Алексеевич, доктор технических наук, про-

фессор, федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего

профессионального

образования

«Национальный

минерально-

сырьевой университет «Горный» / кафедра машиностроения, профессор;

ШИШЛЯННИКОВ Дмитрий Игоревич, кандидат технических наук,

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высше-

го профессионального образования «Пермский национальный исследователь-

ский политехнический университет» / кафедра горной электромеханики, до-

цент.

Ведущая организация:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования «Уральский государственный гор-

ный университет».

Защита диссертации состоится «23» декабря 2015 г. в «1400» часов на за-

седании диссертационного совета Д 212.271.04 при Тульском государственном

университете по адресу: 300012, г. Тула, пр. Ленина, 90, 6 уч. корпус, ауд. 220.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тульского государст-

венного университета и на сайте http://tsu.tula.ru.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, подписанные и заверенные

печатью организации, просим выслать по адресу: 300012, г. Тула, пр. Ленина,

92, Ученый совет ТулГУ, факс: (4872)33-81-81.

Автореферат разослан «

» октября 2015 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

Стась Галина Викторовна

3

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Все более возрастающая плотность городского

строительства и прокладываемых подземных коммуникаций привела к широ-

кому применению технических средств, реализующих различные бестраншей-

ные технологии. Наиболее востребованными и, как следствие, распространен-

ными среди них оказались технологии горизонтально-направленного бурения и

прокола. Они позволяют проводить выработки малого сечения как прямоли-

нейной, так и криволинейной траекторий. При этом сохраняется общая устой-

чивость грунтового массива, а влияние развиваемых при уплотнении напряже-

ний распространяется в пределах 5 - 6 диаметров скважины в направлении,

перпендикулярном оси выработки. Увеличивающаяся плотность подземных

коммуникаций обусловила необходимость исключения их взаимовлияния, а

плотность поверхностной застройки – приоритетность забуривания с поверхно-

сти. Следствием этих факторов являются повышенные требования к точности и

управляемости процесса создания криволинейной скважины. Одним из простых

и перспективных способов создания таких скважин является использование не-

симметричного рабочего инструмента цилиндрической формы со скосом (ци-

линдр рассечен наклонной плоскостью под углом к его оси). Точность в управ-

лении здесь достигается путем совершенствования механизмов обратной связи,

определяющих информацию о текущем местоположении и ориентации рабоче-

го инструмента при создании криволинейной скважины в заданных горно-

геологических условиях и с учетом режимных и конструктивных параметров

как его, так и самой установки. Механизмы обратной связи постоянно совер-

шенствуются и на данном этапе представлены образцами, обеспечивающими

высокую точность. Однако в развитии методов расчета показателей процесса

прокола существует определенный вакуум, связанный со сложностью учета из-

менения как траектории, так и нагруженности рабочего инструмента при пре-

одолении препятствий и, как следствие, при прокладке коммуникаций наиболее

весомую роль играет опыт оператора прокалывающей установки. Обусловлено

это главным образом отсутствием экспериментально обоснованного и доста-

точно полного математического описания процесса взаимодействия проходче-

ского става, оснащенного несимметричным рабочим инструментом, с грунто-

вым массивом на основе современных представлений о механике грунтов и

теории пластичности, что, в конечном счете, и определяет актуальность работы.

Цель работы. Обоснование параметров и определение показателей про-

цесса прокола при создании криволинейных скважин на основе установленных

закономерностей взаимодействия рабочего инструмента проходческого става с

грунтом для совершенствования метода расчета, направленного на повышение

эффективности применения прокалывающих установок.

Идея работы. Повышение эффективности прокалывающих установок

достигается применением несимметричного рабочего инструмента при созда-

нии криволинейных скважин с учетом установленных закономерностей взаи-

модействия его с грунтом, выявленных как путем математического моделиро-

4

вания на основе современных представлений о механике грунтов и теории пла-

стичности, так и экспериментально.

Метод исследования – комплексный, включающий научный анализ и

обобщение опыта использования способов и средств при создании скважин в

грунтах, а также результатов ранее выполненных теоретических и эксперимен-

тальных исследований процесса прокола; методы механики грунтов и теории

пластичности; теоретические исследования на базе математического моделиро-

вания взаимодействия рабочего инструмента проходческого става с грунтовым

массивом; проведение экспериментальных исследований и обработку экспери-

ментальных данных с применением методов теории вероятности и математиче-

ской статистики; сопоставление теоретических, расчетных и эксперименталь-

ных данных.

Научные положения, выносимые на защиту:

- математическое моделирование взаимодействия рабочего инструмента

(конуса) проходческого става с грунтом основывается на рассмотрении послед-

него как области течения жесткопластической среды с постоянными начальной

плотностью, сопротивлением сдвигу, относительным уплотнением значительно

меньшим единицы и радиальным течением, намного превосходящим окружное

течение, представляющей собой шар с вырезанным конусом, обусловливаю-

щим избыточное давление, характеризующее ее среднее напряжение;

- определение нагруженности симметричного рабочего инструмента (ко-

нуса) осуществляется по установленной зависимости, учитывающей геометрию

инструмента и прочностные характеристики грунта и на которой базируется

расчет несимметричного рабочего инструмента;

- определение нагруженности несимметричного рабочего инструмента

достигается решением системы двух уравнений, связывающей усилие уплотне-

ния грунта с нормальными и касательными усилиями, действующими на кон-

тактных площадках рабочего инструмента, с учетом его геометрии, одно из ко-

торых является трансцендентным относительно угла отклонения рабочего ин-

струмента от прямолинейной оси скважины;

- усилие уплотнения суглинков и угол отклонения рабочего инструмента

от прямолинейной оси скважины необходимо определять на основе установ-

ленных зависимостей с учетом диаметра рабочего инструмента и угла его

заострения, а также скорости его внедрения в грунт и предела текучести

последнего на сдвиг;

- усовершенствование метода расчета показателей процесса прокола ба-

зируется на его экспериментальных исследованиях, математическом моделиро-

вании взаимодействия рабочего инструмента с грунтом и сопоставлении их ре-

зультатов и заключается в установлении зависимостей усилия уплотнения

грунта и угла отклонения рабочего инструмента от прямолинейной оси скважи-

ны с учетом влияющих факторов.

Научная новизна работы:

1. Получена теоретическая зависимость для определения усилия уплотне-

ния грунта, взаимодействующего с конусным рабочим инструментом и учиты-

5

вающая его геометрию, а также предел текучести грунта при сдвиге и давление

инструмента на грунт.

2. Установлены устойчивые корреляционные связи между отклонением

рабочего инструмента от оси скважины, усилием уплотнения грунта и мощно-

стью, затрачиваемой на его внедрение в грунт.

3. Усовершенствован метод расчета показателей процесса прокола при

создании криволинейных скважин в грунтах.

4. Получены расчетные формулы для определения усилия уплотнения

грунта и угла отклонения рабочего инструмента от прямолинейной оси для суг-

линков с учетом диаметра рабочего инструмента и угла его заострения, а также

скорости его внедрения в грунт и предела текучести последнего на сдвиг.

5. Усовершенствована расчетная формула для определения усилия проко-

ла суглинков.

Достоверность научных положений выводов и рекомендаций под-

тверждается корректностью постановки задач; корректным использованием при

математическом моделировании процесса прокола методов механики грунтов и

теории пластичности; представительным объемом экспериментальных и теоре-

тических данных; корректным применением методов теории вероятности и ма-

тематической статистики при обработке и анализе данных; устойчивостью кор-

реляционных связей установленных зависимостей (значения коэффициентов

корреляции находятся в пределах 0,81 - 0,99) и удовлетворительной сходимо-

стью расчетных данных с результатами эксперимента.

Научное значение работы заключается в развитии теории процесса про-

кола грунтов рабочим инструментом проходческого става путем установления

физической картины механизма прокола на базе математического моделирова-

ния и экспериментальных исследований и совершенствования на их основе ме-

тода расчета показателей процесса при создании скважин.

Практическое значение работы:

- разработан и изготовлен стенд, а также комплекс измерительной аппа-

ратуры и программного обеспечения для изучения процесса прокола при созда-

нии как криволинейных, так и прямолинейных скважин;

- усовершенствован метод и разработана методика расчета показателей

процесса прокола при создании криволинейных скважин.

Реализация работы. Результаты исследований, стендовая установка,

комплекс измерительной аппаратуры и программного обеспечения и методика

расчета и рекомендации в полном объеме используются ООО «Скуратовский

опытно-экспериментальный завод» (г. Тула) и ООО «БЕЛРА-центр» (г. Тула)

при разработке и создании прокалывающих установок.

Кроме того, результаты исследований внедрены в учебные курсы «Мате-

матическое моделирование физических процессов» и «Разрушение горных по-

род» для студентов ТулГУ, обучающихся по специальности 21.05.04 «Горное

дело».

Личный вклад автора состоит в анализе и обобщении результатов тео-

ретических и экспериментальных исследований; формулировании цели и задач

исследований; разработке математической модели и стендовой установки, из-

6

мерительной аппаратуры и программного обеспечения; проведении теоретиче-

ских и экспериментальных исследований и интерпретации их результатов; со-

вершенствовании метода расчета показателей процесса прокола и подготовке

публикаций.

Апробация работы. Результаты исследований докладывались на Между-

народной научно-практической конференции молодых ученых и студентов

«Опыт прошлого – взгляд в будущее» (гг. Тула – Минск - Донецк) 28 – 30 ок-

тября 2013 г.; научных семинарах профессорско-преподавательского состава

кафедры ГиСПС ТулГУ (2012 – 2015 гг.); технических советах ООО «Скура-

товский опытно-экспериментальный завод» (г. Тула, 2013 – 2015 гг.) и ТРО

МОО «Академия горных наук» (г. Тула, 2013 – 2015 гг.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 10 статей, в том

числе 8 в изданиях, рекомендованных ВАК Российской Федерации.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех

разделов и заключения, изложенных на 143 страницах машинописного текста,

содержит 78 рисунков, 25 таблиц, список использованной литературы из 105

наименований и 4 приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Одним из наиболее распространенных и перспективных видов техноло-

гий бестраншейной прокладки инженерных коммуникаций является горизон-

тально-направленное бурение и его частный случай - статический прокол.

Значительный вклад в развитие этих технологий внесли В.А. Бреннер,

А.С. Губанов, Д.Н. Ешуткин, А.С. Вазетдинов, Н.В. Васильев, Н.Я. Кершенба-

ум, Э.С. Макаров, И.С. Михельсон, И.С. Полтавцев, Х.А. Рахматулин,

А.А. Рогачев, Н.Е. Ромакин, В.К. Тимошенко, Д.И. Шор и другие ученые. Ана-

лиз результатов выполненных ими исследований показывает, что на сегодняш-

ний день получены отдельные закономерности, характеризующие процесс вне-

дрения рабочего инструмента проходческого става в грунтовый массив. Уста-

новлены усилия уплотнения грунта, трения проходческого става о грунт и его

сцепления с ним в зависимости от некоторых основных факторов, определяю-

щих процесс прокола, и свойств грунта. Однако, как правило, большинство ис-

следований было посвящено симметричному (конусному) рабочему инструмен-

ту при сооружении прямолинейной скважины без учета скорости его внедрения

в грунт. При этом в качестве показателей физико-механических свойств ис-

пользовались различные характеристики, зачастую без какого-либо обоснова-

ния. Ряд исследований носил или только теоретический характер, или только

экспериментальный и был представлен отдельными фрагментами. Сооружению

криволинейных скважин при статическом проколе посвящена одна работа

А.А. Рогачева, выполненная под руководством В.А. Бреннера. В ней установ-

лены зависимости отклонения несимметричного рабочего инструмента от пря-

молинейной оси скважины. Также получена зависимость усилия прокола грун-

та (песка) от различных факторов, в которой некорректно учтено усилие уплот-

нения грунта. При этом не обоснованы характеристики грунта, не учитывались

7

силы трения грунта о поверхность инструмента при его внедрении в грунт, а

также скорость проходки и мощность, затрачиваемая на внедрение инструмента

в грунт. Установление таких закономерностей как теоретическим, на основе со-

временных представлений о разрушении материалов, так и экспериментальным

путем позволит усовершенствовать метод расчета показателей процесса проко-

ла.

На основании изложенного, а также в соответствии с целью работы были

поставлены следующие задачи исследований:

- разработка математической модели взаимодействия несимметричного

рабочего инструмента с грунтом на основе современных представлений о меха-

нике грунтов и теории пластичности, обеспечивающей получение основных его

характеристик;

- разработка стендовой базы и проведение экспериментальных исследо-

ваний по установлению основных закономерностей взаимодействия несиммет-

ричного рабочего инструмента с грунтом и определению эмпирических пара-

метров математической модели;

- проведение теоретических исследований и проверка адекватности мате-

матической модели экспериментальным данным;

- получение расчетных зависимостей для определения нагрузок, дейст-

вующих на инструмент, и его отклонения;

- разработка методики расчета показателей процесса прокола при созда-

нии криволинейных скважин.

Математическое моделирование осуществлялось в несколько этапов.

Вначале решалась задача об обтекании конуса жесткопластической средой, для

которой определялись соответствующие соотношения. Затем осуществлялись

математическая постановка задачи взаимодействия рабочего инструмента с

грунтом, упрощение исходных соотношений, решение уравнений математиче-

ской модели и определение нагрузки, действующей на конусообразный рабо-

чий инструмент. На заключительном этапе производилось определение направ-

ления движения несимметричного рабочего инструмента и его нагруженность

при проколе.

Считается, что грунт, в который внедряется рабочий инструмент проход-

ческого става, является жесткопластической средой, а рабочий инструмент

представляет собой абсолютно твердый наконечник в виде круглого конуса с

углом раствора 2α (рисунок 1). Начальная плотность деформируемой среды ρ0

считается постоянной. При деформации плотность ρ можно представить в ви-

σ, возникающего в деформируемой среде, будем рассматривать давление p,

имеющее ясный физический смысл, т.е. p = -σ, а относительное уплотнение

грунта будем считать гораздо меньше единицы

y

y

 0 1. Предел текучести

ная сжимаемость) для реальных грунтов лежит в интервале (0,1- 0,2). От вели-

чины γ зависит не только τy , но и давление. Под давлением в дальнейшем по-

нимается избыточное давление, т.е. давление, обусловленное воздействием

де 0  , где Δρ – приращение плотности. Вместо среднего напряжения

его при сдвиге по Мизесу , где   0. Величина γ = γs (предель-

Поля, которыми характеризуется механиче-

ское поведение сплошной среды, должны удовле-

творять дифференциальным уравнениям. Первое из

них – уравнение неразрывности. Для стационарного

течения в сферических координатах (см. рисунок 1)

оно имеет вид

Рисунок 1 - Конус с углом

раствора 2α обтекается

жесткопластической средой:

r, θ, φ – сферические

координаты некоторой

точки М

(1)

Уравнения движения при пренебрежении силами инерции переходят в

уравнения равновесия

1

(2)

(3)

(4)

8

усилия инструмента при проколе. Зависимости p= p(γ) и τy= τy(γ), а также вели-

чина γ существенно зависят от скорости нагружения. При проведении расчетов

будем это иметь в виду и учитывать, что τy= const (т.к. считается, что сопротив-

ление грунта определяется, в основном, сопротивле-

нием сравнительно узкого слоя, прилегающего к ра-

бочему инструменту) зависит от скорости нагруже-

ния как от параметра.

Далее силами инерции, вязкостью, ползуче-

стью и другими эффектами, связанными со време-

нем, пренебрегаем. Рассмотрение проводится в сис-

теме отсчета, жестко связанной с конусом. В этой

системе конус покоится, а среда движется.

1

1

Эти уравнения совместно с соотношениями, определяющими средние

скорость деформаций и напряжение, девиаторы скоростей деформаций и на-

пряжений, а также с учетом соотношения Леви-Мизеса и условия текучести

Мизеса позволяют найти все характеристики жесткопластического течения –

поля скоростей, скоростей деформаций и напряжений.

Предположим, что область жесткопластического течения представляет

собой шар радиуса а с вырезанным конусом с углом раствора . Физический

размер а представляет собой длину образующей конической части прокалы-

вающего инструмента. Так как течение осесимметричное, очевидно, что ско-

рость равна нулю и все величины, входящие в предыдущие соотношения, не

зависят от φ (см. рисунок 1). Следующее допущение не столь очевидно. Оно за-

ключается в том, что радиальное течение намного превосходит окружное

v  vr

. Поэтому пренебрегаем окружной скоростью.

v sin

v  0 .

1 

1

1

r r

sin

sin

r2vr

vr

1

2rr ctg 0

;

;

.

r

v

1

ctg  3r  0

v



1

r

r

r sin

r

v

1

3r  2ctg 0

r

1 

r

r

rsin

r

rr

1 r

r

r

r sin r

r

(5)

(6)

1

(7)

3

Уравнения (6) и (7) представляют собой систему двух обыкновенных

дифференциальных уравнений первого порядка относительно функций ψ и Р*.

Эта система распадается на два последовательно решаемых уравнения. Вначале

из уравнения (6), решаемого численно методом Рунге-Кутта, находится функ-

ция ψ(θ), а затем интегрируется уравнение (7).

Представим константу A в виде

(8)

0

Результаты вычисления e приведены в таблице.

Зависимость e от угла α

α, град

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

e

0

0,0532

0,0928

0,133

0,176

0,226

0,283

0,352

0,435

0,539

Константа B записывается в виде суммы

A0

e

2

2

Как следует из рисунка 1, сила сопротивления Р – проекция равнодейст-

вующей на ось z с обратным знаком – определяется формулой

(10)

гдеи Qn – касательная и нормальная составляющие нагрузки на рабочий

инструмент соответственно.

В данном случае усилие сопротивления P – это есть ничто иное, как уси-

лие уплотнения грунта Pупл, поскольку рассматривается рабочий инструмент

отдельно от проходческого става, не учитывая силы трения и сцепления его с

грунтом. Поэтому здесь усилие уплотнения грунта будет тождественно усилию

прокола, т. е. Pпр = P = Pупл.

Получено, что

9

С учетом упрощений зависимостей (1) – (4) и некоторых преобразований,

которые здесь опускаются, получим

(11)

(12)

где S – площадь поверхности конусного наконечника; μ - некоторая положи-

тельная константа, определяемая экспериментально.

С учетом формул (11 и 12) зависимость 10 примет вид

(13)

p (Aln r B P*), где P*  P*();

y

A  cos `2 3cosctg sin 0;

P*`

sin `3sin 0.

A A0  e, где A0  lim A  2 3 ; e – функция угла α.

B B1  B2  B3, где B1  Aln a ; B2 

; B3 

.

(9)

P Q cosQn sin,

Q S  a2 sin ;

Qn a2 sin

e ,

2

y

y

1

y

1

cos

esin.

P  a2 sin

y

2

10

Помимо силы P cо стороны грунта на

Рисунок 2 - Силы, действующие на

несимметричный рабочий инструмент при

проколе (расчетная схема)

вующими соответствующих распреде-

ленных усилий, причем, площадь, по

которой они распределены, одинакова

и равна S1. Силы Q и V являются равнодействующими усилий, распределен-

струмента с грунтом. После некоторых преобразований получим, что

y

y

y

y

несимметричный рабочий инстру-

мент действуют (рисунок 2) сила давления F и сила трения U по одной грани,

а также сила давления Q и сила трения V по другой грани. В данном случае не

учитываются потери от трения и сцепления проходческого става с грунтом.

Под действием приложенных сил рабочий инструмент находится в равновесии.

Можно в первом приближении считать эту систему сил сходящейся. Тогда

равновесие обеспечивается равенством нулю главного вектора этих сил

Пусть вектор скорости рабочего инструмента составляет с отрицатель-

ным направлением оси абсцисс угол β, т.е. угол его отклонения от прямолиней-

ной оси скважины (см. рисунок 2). В системе отсчета, покоящейся относитель-

чения по грани AB (см. рисунок 2) используется решение для обтекания конуса,

у которого половина угла раствора

равна αни – β. Для описания течения по

грани AC (см. рисунок 2) используется

решение для обтекания конуса, у кото-

рого половина угла раствора равна β.

Угол β неизвестен. Очевидно, что

0  ни.

следующее

допущение.

Силы F и U являются равнодейст-

P F U Q V  0.

но инструмента, среда натекает на него со скоростью u  v . Для описания те-

Введем

ных по площади S2. S1  S2  S - общая площадь соприкосновения рабочего ин-

1

1

Q  S2

e() ; F  S1

e(ни); U  S1 и V  S2 .

2

2

Исходными данными для решения задачи являются величины τy, µ, S1, S2

и αни, а также зависимость e(α). В результате решения находится угол β, а также

модули всех рассмотренных сил F, U, Q, V и P. Окончательно получим

(14)

(15)

Уравнение (15) представляет собой трансцендентное уравнение относи-

тельно угла β. После его решения из уравнения (14) находится величина P. Эти

решения получаются с помощью программного комплекса MathCAD.

Таким образом, зная две материальные константы грунта – предел теку-

чести грунта при сдвиге τy и константу µ, характеризующую избыточное давле-

ние, при котором изменяется величина τy, находятся как угол отклонения рабо-

P F sinниU cosниV ;

U sinниF cosниQ  0 .

В бункер укладывался

1,91 г/см3, а влажность – 17,5%.

суглинок, плотность которого составляла

11

чего инструмента β от горизонтали, так и величина усилия прокола Pпр = P =

Pупл.

Моделирование процесса прокола грунта рабочим инструментом потре-

бовало, как обычно это принято, некоторой идеализации, т.е. введения ряда

предположений. Поэтому наиболее правильным в таком случае является срав-

нение результатов теоретических исследований, выполненных по модели, с за-

кономерностями процесса прокола, установленными экспериментально, и та-

ким образом оценка адекватности этой модели реальному процессу.

Для этого автором был разработан специальный стенд, представленный

на рисунке 3, на котором механизм подачи проходческого става и рабочего ин-

струмента частично не виден с данного ракурса.

Рисунок 3 - Общий вид экспериментального стенда:

1 – гидромотор; 2 – переходная муфта; 3 – задний щит; 4 – силовая рама; 5 – ходовой винт;

6 – направляющая; 7 – передний щит; 8 – проходческий став; 9 – персональный компьютер;

10 – бункер для грунта; 11 – маслостанция; 12 – набор рабочего инструмента

Для регистрации хода и скорости внедрения инструмента в грунт, а также

усилия прокола стенд был оборудован измерительной системой, состоящей из

датчиков давления и хода, преобразователя интерфейсов и персонального ком-

пьютера со специализированным программным обеспечением для сбора и ото-

бражения данных.

Рабочий инструмент представляет собой скошенный цилиндр диаметром

dри = 22 и 28 мм с углом заострения αни = 30 и 45 градусов, а проходческий став

- трубу длиной l0 = 2,0 м и диаметром d = 22 мм. Номинальная скорость внедре-

ния рабочего инструмента в грунт, обеспечиваемая гидромотором, составляла

2,5 и 5 м/мин.

Наряду с усилием уплотнения Pупл и углом отклонения β в качестве пока-

зателей, характеризующих процесс прокола, также были приняты усилие про-

12

кола Pпр, мощность, затрачиваемая на внедрение рабочего инструмента в грунт,

N и его отклонение от прямолинейной оси δ.

Экспериментальные исследования проводились при dри d и dри = d. На

рисунке 4 приведены примеры осциллограмм, характеризующих процесс про-

кола.

Анализ результатов исследований, представленных на рисунке 4, а, пока-

зывает следующее. В течение опыта ход рабочего инструмента линейно увели-

чивался и к концу внедрения достиг 2,14 м, а время опыта составило ~ 28 c.

Скорость внедрения в среднем составляла 4,3 м/мин. Усилие прокола с увели-

чением хода става в целом не возрастало, а сохраняло свое значение около

5,1 кН. Это объясняется тем, что в плотном контакте с грунтом находится толь-

ко поверхность рабочего инструмента. Следовательно, при dри d отсутствуют

а

б

Рисунок 4 - Графики зависимостей длины внедренного участка проходческого става

(хода)

l, скорости внедрения става Vп, усилия прокола Pпр, мощности, затрачиваемой на внедрение

инструмента в грунт N, и отклонения рабочего инструмента δ от времени

внедрения t при

dри = 28 мм d = 22 мм (а) и при dри = d = 22 мм (б): 1 – усилие прокола Pпр, кН; 2 – скорость

подачи Vп, м/мин; 3 – мощность N, кВт∙10; 4 – ход l, м; 5 – отклонение рабочего инструмента

δ, м∙10

силы трения и сцепления става с грунтом, а усилие прокола в этом случае опре-

деляется только усилием его уплотнения. Следует отметить, что, примерно, в

течение 4 секунд наблюдается рост усилия прокола, связанный с разгоном ра-

бочего инструмента. Мощность, затрачиваемая на внедрение рабочего инстру-

мента в грунт N, также остается практически постоянной на всем протяжении

опыта, поскольку усилие прокола и скорость внедрения рабочего инструмента

изменяются незначительно. Небольшой спад усилия прокола в конце опыта

объясняется неравномерностью свойств грунта. С увеличением внедрения става

в грунт отклонение рабочего инструмента от продольной оси возрастает по

криволинейной зависимости и в этом случае достигает значения 0,24 м при

глубине внедрения 2,14 м.

На рисунке 4, б показано, что время опыта составило ~ 27 c, глубина вне-

дрения инструмента - 2,14 м, а скорость внедрения - 4,8 м/мин с незначитель-

ными колебаниями. Усилие прокола с увеличением хода става линейно возрас-

тало от 0,98 до 4,88 кН. Это объясняется тем, что при dри = d в плотном контак-

те с грунтом находятся поверхности инструмента и проходческого става, в

сумме определяющие усилие прокола. Поскольку усилие прокола по мере вне-

дрения става в грунт возрастает, то и мощность повышается.

лие уплотнения возрастает,

уменьшается.

а с увеличением угла заострения инструмента

На рисунке 5 в качестве примера показаны связи усилия прокола Рпр с

усилием уплотнения грунта Рупл, а также отклонения δ и угла отклонения β ра-

бочего инструмента. При этом экспериментально установлены значения τy и µ.

Это позволило сопоставить экспериментальные и расчетные значения Рупл и β

(рисунок 6).

а

б

Рисунок 5 – Связи усилий прокола Рпр (1) и уплотнения Pупл (2) (а) и отклонения δ и

угла отклонения β (б) при Vп = 5 м/мин, αни = 45 град и dри = 22 мм

Анализ этих графиков показывает, что коэффициент корреляции для них

составляет 0,97, а отклонения расчетных данных относительно эксперимен-

тальных в среднем не превышают 9,1 и 4,1 % соответственно. Таким образом,

можно сделать вывод о том, что математическая модель адекватно описывает

процесс прокола грунта несимметричным рабочим инструментом.

Установлены корреляционные связи между параметрами

τy, µ и Vп,

имеющие вид

(17)

Расчеты, выполненные по математической модели в более широком диа-

пазоне влияющих факторов, подтвердили экспериментально установленные за-

кономерности процесса прокола и позволили получить новые. Так, установле-

ны зависимости усилия уплотнения грунта Рупл и угла отклонения рабочего ин-

струмента β от угла его заострения αни, первая из которых имеет минимум в

районе 45 - 55 градусов, а вторая в этом же районе достигает максимума.

1

0,18

N 1,8

104.

13

Установлено, что с увеличением длины внедренного участка проходче-

ского става в грунт l отклонение рабочего инструмента δ и мощность N возрас-

тают соответственно по параболической и прямолинейной зависимости. С по-

вышением номинальной скорости внедрения Vп от 2,5 до 5 м/мин отклонение δ

и мощность N увеличиваются, а с уменьшением угла заострения инструмента

αни от 45 до 30 градусов изменяются незначительно.

Показано, что между показателями N и δ существует устойчивая корреля-

ционная связь. Экспериментально получена следующая формула:

Vп,2

(16)

ни 0,21

Обработка экспериментальных данных показала, что между усилием уп-

лотнения грунта Pупл и отклонением δ также существует корреляционная связь.

При этом с увеличением скорости Vп и диаметра рабочего инструмента dри уси-

 0,02 0,44; 136,2Vп  363,5.

y

y

(18)

(19)

(20)

14

а

б

Рисунок 6 - Сопоставление расчетных (Рупл.р. и βр.) и экспериментальных (Рупл.э. и βэ.) данных:

а – усилия уплотнения; б – угла отклонения рабочего инструмента

В результате численных экспериментов были получены следующие рас-

четные формулы для определения усилия уплотнения грунта Pупл, угла откло-

нения несимметричного рабочего инструмента β и мощности, затрачиваемой на

его внедрение в грунт, N в зависимости от влияющих факторов:

Коэффициенты множественной корреляции для зависимостей (18) – (20)

находятся в пределах 0,91 – 0,99. Формула (20) была сопоставлена с зависимо-

стью (16), при этом расхождения теоретических и экспериментальных значений

не превышали 12,7%.

На основании результатов исследований разработана методика расчета

показателей процесса прокола при создании криволинейной скважины в грун-

тах.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате выполненных теоретических и экспериментальных исследо-

ваний решена задача совершенствования метода расчета для определения пока-

зателей процесса прокола на основе установленных закономерностей взаимо-

действия рабочего инструмента проходческого става с грунтом, обеспечиваю-

щего повышение эффективности применения прокалывающих установок при

создании криволинейных скважин, что имеет значение для их расчета и проек-

тирования.

Основные выводы, научные и практические результаты работы сводятся к

следующему.

1. Разработана математическая модель взаимодействия рабочего инстру-

мента прокалывающей установки с грунтом

при создании криволинейной

скважины, основанная на физически обоснованных гипотезах и методах меха-

ники грунтов и теории пластичности, и позволяющая раскрыть механизм про-

кола и определять нагруженность несимметричного рабочего инструмента и

2

1,2

ри

y

ни2,9

0,9  d

e2,4 

Pупл

0,05

106;

 0,18  0,01Pупл  0,2;

0,9

N Vп

106  glf Sc.

2

1,2

0,05

ри

y

ни2,9

d

e2,4

15

направление его движения в грунте. Математическая модель может быть ис-

пользована и при расчете нагрузок, действующих на конусный рабочий инст-

румент при создании прямолинейных скважин.

2. Разработана и изготовлена стендовая установка для исследования ос-

новных закономерностей процесса прокола в грунтах и комплекс измеритель-

ной аппаратуры и программного обеспечения для персонального компьютера,

позволяющий следить за основными факторами и показателями процесса на

всем промежутке создания скважины.

3. Установлено, что при диаметре несимметричного рабочего инструмен-

та больше диаметра проходческого става усилие прокола и мощность, затрачи-

ваемая на его внедрение в грунт, практически остаются постоянными. При этом

отклонение инструмента от оси скважины зависит от длины внедрения проход-

ческого става в грунт по параболической зависимости.

4. Установлено, что при равных диаметрах несимметричного рабочего

инструмента и проходческого става усилие прокола и мощность, затрачиваемая

на его внедрение в грунт, линейно возрастают, а отклонение инструмента уве-

личивается по зависимости, близкой к линейной, по мере заглубления в него

става. При этом с повышением скорости внедрения отклонение инструмента,

усилие прокола и мощность увеличиваются. С увеличением диаметра рабочего

инструмента усилие уплотнения возрастает.

5. Установлены устойчивые корреляционные связи между отклонением

несимметричного рабочего инструмента от оси скважины, усилием уплотнения

грунта и мощностью, затрачиваемой на его внедрение в грунт.

6. Математическая модель адекватно описывает процесс прокола грунта

несимметричным рабочим инструментом. Сопоставление теоретических значе-

ний усилия уплотнения грунта, угла отклонения инструмента и мощности, за-

трачиваемой на прокол, с экспериментальными значениями этих величин, пока-

зывает, что коэффициент корреляции между ними составляет 0,91 - 0,99, а от-

клонения расчетных данных относительно экспериментальных в среднем не

превышают 12,7 %.

7. Установлены зависимости усилия уплотнения грунта Рупл и угла откло-

нения рабочего инструмента β от угла его заострения αни, первая из которых

имеет минимум в районе 45 - 55 градусов, а вторая в этом же районе достигает

максимума. Экспериментально подтверждено, что с уменьшением угла заост-

рения рабочего инструмента на участке 45 - 30 градусов усилие прокола и

мощность возрастают, а его отклонение изменяется незначительно.

8. Усовершенствован метод расчета показателей процесса прокола при

создании криволинейных скважин в грунтах. Получены расчетные формулы

для определения усилия уплотнения грунта и угла отклонения рабочего инст-

румента от прямолинейной оси для суглинков с учетом диаметра инструмента и

угла его заострения, а также скорости его внедрения в грунт и предела текуче-

сти последнего на сдвиг. Усовершенствована расчетная формула для определе-

ния усилия прокола суглинков.

9. Стендовая установка, комплекс измерительной аппаратуры и про-

граммного обеспечения и методика расчета показателей процесса прокола при

16

создании криволинейных скважин в грунтах приняты к использованию ООО

«СОЭЗ» и ООО «БЕЛРА-центр» при разработке и создании прокалывающих

установок.

Рекомендации и перспективы дальнейшей разработки темы. Изучить

влияние угла заострения рабочего инструмента на его отклонение в более ши-

роком диапазоне. Изыскать возможность определения характеристик грунта,

входящих в математическую модель, в лабораторных условиях. Распространить

метод расчета на другие грунты, например, глины и пески с учетом различных

типоразмеров проходческих ставов.

Основные положения диссертации отражены в следующих работах:

опубликованных в периодических изданиях, рекомендованных ВАК России:

1. Рыбаков А.С., Наумов Ю.Н. Разработка системы определения пространственного положе-

ния головной секции става грунтопроходческой машины // Горное оборудование и электромеханика.

– 2012. – № 4. – С. 33 – 38.

2. Рыбаков А.С. Перспективы развития бестраншейных технологий при прокладке инженер-

ных коммуникаций // Изв. ТулГУ. Технические науки. – 2015. – Вып. 7-1. – С. 164-169.

3. Рыбаков А.С. Способы создания криволинейных скважин при бурении и проколе // Изв.

ТулГУ. Технические науки. – 2015. – Вып. 7-1. – С. 169 - 175.

4. Рыбаков А.С. Разработка стендового оборудования для экспериментального исследования

процесса проходки криволинейной скважины методом прокола // Изв. ТулГУ. Технические науки. –

2015. – Вып. 7-1. – С. 226 – 234.

5. Жабин А.Б., Лавит И.М., Рыбаков А.С., Поляков А.В. Процесс уплотнения грунта при про-

коле как течение жесткопластической среды // Изв. ТулГУ. Технические науки. – 2015. – Вып. 7-2. –

С. 136 – 140.

6. Жабин А.Б., Лавит И.М., Рыбаков А.С., Поляков А.В. Определение нагрузки, действующей

на конусообразный рабочий инструмент при проколе грунта // Изв. ТулГУ. Технические науки. –

2015. – Вып. 7-2. – С. 206 – 211.

7. Жабин А.Б., Лавит И.М., Рыбаков А.С. Определение направления движения несимметрич-

ного рабочего инструмента при проколе // Изв. ТулГУ. Технические науки. – 2015. – Вып. 7-2. – С.

223 – 227.

8. Жабин А.Б., Лавит И.М., Рыбаков А.С. Математическое моделирование процесса прокола

грунта симметричным рабочим инструментом // Изв. ТулГУ. Технические науки. – 2015. – Вып. 7-2.

– С. 42 - 48.

опубликованных в научных сборниках и других изданиях:

9. Рыбаков А.С. Разработка испытательного стенда для исследования поведения пилотной

секции бурового става в грунтовом массиве // «Опыт прошлого – взгляд в будущее» – 4-я междунар.

научно-практическая конф. молодых ученых и студентов: Мат. конференции. – ТулГУ, Тула-Минск-

Донецк. – 2013. – С. 47 – 52.

10. Рыбаков А.С. Результаты экспериментальных исследований процесса создания криволи-

нейной скважины методом прокола // Изв. ТулГУ. Науки о Земле. – 2015. – Вып.3. – С. 89-94.

Изд. Лиц. ЛР №020300 от 12.02.97. Подписано в печать

.10.2015

Формат бумаги 60x84

. Бумага офсетная.

Усл.печ.л. 0,8.

Уч.-изд.л. 0,93. Тираж 100 экз. Заказ

Тульский государственный университет. 300600, г. Тула, пр.Ленина, 92.

Отпечатано в Издательстве ТулГу. 300600, г. Тула, пр. Ленина, 95

1

16



Похожие работы:

«Кузьмина Марина Сергеевна ВИЗУАЛЬНАЯ КУЛЬТУРА И ТРАДИЦИИ СИММЕТРИИ В ТОВАРНЫХ ЗНАКАХ РОССИИ Специальность 24.00.01 – Теория и история культуры АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата культурологии Саратов 2015 Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А. Научный руководитель: доктор философских наук,...»

«Михина Наталия Васильевна СОЦИАЛЬНЫЕ МЕХАНИЗМЫ РЕАЛИЗАЦИИ КУЛЬТУРНОЙ ПОЛИТИКИ В СОВРЕМЕННЫХ РОССИЙСКИХ УСЛОВИЯХ Специальность 22.00.06 – Социология культуры Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата социологических наук Саратов – 2015 Официальные оппоненты: Антонова Виктория Константиновна доктор социологических наук, профессор кафедры общей социологии департамента социологии факультета социальных наук, Федеральное государственное автономное...»

«Общая характеристика работы Актуальность работы. На современном этапе развития информационных технологий и массового внедрения средств вычислительной техники в различные области и сферы деятельности человека постоянно возрастает актуальность проблем информационной безопасности, от качества решения которых во многом зависит успешное функционирование государственных и коммерческих организаций. В настоящее время и на прогнозируемую перспективу сохранится тенденция широкого использования сетей...»





 
© 2015 www.z-pdf.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.