close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

Горин Андрей Владимирович. Исследование параметров комплекса и образования скважин в грунтах объемным гидравлическим приводом

код для вставки
2
3
4
АННОТАЦИЯ
Выпускная
квалификационная
работа
на
тему
«Исследование
параметров комплекса и образования скважин в грунтах объемным
гидравлических приводом» выполнена по направлению подготовки 23.04.02
Наземные транспортно-технологические комплексы. Руководителем является
Кравченко Валерий Анатольевич. Защита в 2018 году.
Представленная работа выполнена в классическом стиле и состоит из
следующих разделов: введения, 3-х глав, заключения, библиографического
списка и приложения. Изложена на 86 страницах, из них 69 с. основного
текста, содержащего 32 рисунка, 6 таблиц.
В
ведении
обозначены
проблема,
актуальность
исследования.
Сформулированы цель, задачи, объект и предмет изысканий. Представлена
научная новизна, теоретическая и практическая значимость.
Глава 1 содержит анализ существующих способов и средств для
бестраншейного образования скважин. рассмотрены теории взаимодействия
рабочих органов различной формы с грунтом. Глава состоит из 2-х разделов.
В главе 2 рассматриваются динамическая и математическая модели
взаимодействия рабочего органа с грунтом, учитывающие различные
действия напорного и ударного механизмов. Описываются режимы движения
комбинированного комплекса. Производиться определение геометрических
параметров инструмента. Глава содержит 4 раздела.
Глава 3 описывает экспериментальные исследования, обработку
полученных экспериментальных данных и сравнение их с теоретическим
результатами. Глава включает в себя 6 разделов.
Заключение содержит основные выводы и рекомендации по итогам
выполнения выпускной квалификационной работы.
Библиографический список содержит 110 источников литературы.
Приложение состоит из 5-ти частей.
5
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ .
.
.
.
.
.
.
.
.
.
7
.
12
.
12
бестраншейного строительства горизонтальных трубопроводов
.
21
ВЫВОДЫ
.
28
1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА БЕСТРАНШЕЙНОЙ ПРОКЛАДКИ
ТРУБОПРОВОДОВ
.
.
.
.
.
.
.
1.1 Краткий обзор механических способов для бестраншейной
прокладки трубопроводов
.
.
.
.
.
.
1.2 Анализ существующих теоретических исследований
.
.
.
.
.
.
.
.
.
2 МОДЕЛИРОВАНИЕ КОМБИНИРОВАННОГО КОМПЛЕКСА ДЛЯ
БЕСТРАНШЕЙНОГО ОБРАЗОВАНИЯ СКВАЖИН В ГРУНТЕ .
29
2.1 Определение механической модели грунта .
.
29
2.2 Динамическая и математическая модели привода комплекса
.
33
2.3 Режимы движения комбинированного комплекса .
.
.
44
2.4 Определение геометрических параметров инструмента .
.
47
ВЫВОДЫ
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
52
3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
.
.
.
54
3.1 Задачи экспериментальных исследований
.
.
.
.
54
.
.
.
.
54
.
.
.
56
3.2 Конструкция экспериментального
статико-динамического стенда СДА - 150 .
3.3 Техника безопасности
и условия проведения испытаний
.
3.4 Определяемые показатели
.
.
.
.
.
.
58
3.5 Планирование эксперимента
.
.
.
.
.
.
64
3.6 Обработка экспериментальных данных
.
.
.
.
66
ВЫВОДЫ
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
71
.
.
.
.
.
.
.
.
.
72
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
.
.
.
74
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ПРИЛОЖЕНИЕ А Техническая характеристика
6
выпускаемых пневмопробойников .
.
.
.
.
.
85
.
.
.
.
86
.
.
.
.
87
.
.
.
.
88
.
.
.
.
89
ПРИЛОЖЕНИЕ Б Техническая характеристика
установок горизонтального бурения
.
ПРИЛОЖЕНИЕ В Техническая характеристика
установок УВП-1 и УВП-2
.
.
.
ПРИЛОЖЕНИЕ Г Техническая характеристика
виброударных установок
.
.
.
ПРИЛОЖЕНИЕ Д Осциллограммы работы
импульсного привода
.
.
.
.
7
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы. В настоящее время наблюдается устойчивая
тенденция увеличения объемов городского и промышленного строительства,
реконструкции сложившейся части городов и промышленных предприятий.
По оценкам известных мировых экспертов эта тенденция сохранится на
ближайшую и длительную перспективу. Сопутствующим процессом этой
перспективе
является
коммуникаций
сооружение
различного
новых
назначения:
подземных
канализаций,
инженерных
водопроводов,
электрических и тепловых сетей, газопроводов и др.
Строительство подземных трубопроводов открытым (траншейным)
способом в условиях города, а так же при пересечении железных и
автомобильных
дорог
сопряжено
с
определенными
трудностями:
необходимостью разборки, а затем восстановления дорожных покрытий;
нарушением движения транспорта; загрязнением окружающей среды.
Открытое строительство трубопроводов практически невозможно под
зданиями и сооружениями.
Многих
из
(бестраншейный)
перечисленных
способ
недостатков
строительства,
лишен
включающий
как
закрытый
прокладку
трубопроводов под дорогами, так и строительство протяженных подземных
коллекторов для инженерных коммуникаций.
Сравнительные
данные
стоимости
открытых
и
бестраншейных
прокладок трубопроводов по Г.В .Винчу и Н.В. Васильеву [7, 11, 51]
приведены в таблицах 1 и 2. Даже из этих весьма кратких сведений следует,
что при глубине прокладки трубопровода более 2 м бестраншейное
строительство оказывается более дешевым, чем открытый способ. Указанная
величина подвержена колебаниям в зависимости от конкретных условий, но
обычно такая глубина не превышает 6 - 8 м.
8
Заметим, что при учете только стоимости восстановления дорожного
покрытия при пересечении трассы трубопровода с дорогой, экономически
выгодная глубина может уменьшится до 3 м.
Понятна важность и признана специфика прокладки и устройства
магистральных
трубопроводов
(нефтепроводов,
газопроводов,
продуктопроводов).
Условия городского и промышленного подземного строительства
(плотная застройка, дефицит территории, напряженный цикл движения
городского транспорта и др.) накладывают ряд ограничений на возможность
ведения работ различными методами строительства трубопроводов. Так, в
значительной степени исключается применение методов, в результате
использования которых, могут возникнуть повреждения существующих
зданий и сооружений, а также близлежащих инженерных коммуникаций.
Известный
опыт
перспективными
и
в
изучение
практике
трубопроводов
являются
продавливания,
суть
проблемы
позволяют
городского
строительства
комбинированные
которых
состоит
считать,
в
методы
что
подземных
прокола
использовании
и
силовых
возможностей объёмного гидропривода в сочетании с вибрационным или
ударным воздействием, снижающим уровень сил на рабочем инструменте.
Этим
обусловлена
необходимость
сосредоточить
внимание
на
бестраншейном строительстве трубопроводов в условиях населённых
пунктов, пересечения дорог небольшой протяжённости, но в существенно
осложнённых и ограниченных условиях.
В последние годы наметилась тенденция расширения применения
трубопроводов среднего диаметра и увеличения длины их прокладки в черте
городов. По обобщенным данным распределение объемов прокладки по
диаметрам трубопроводов составляет: 200 мм – 45%; 400 мм - 35%; 600 мм и
более – 20%. Длина прокладываемых трубопроводов из одного котлована
увеличилась в среднем на 10 - 15%.
9
В настоящее время широкое применение объёмного гидравлического
привода в технологических машинах создало предпосылки для разработки
компактных ударных и вибрационных устройств, приводимых в действие от
привода базовой машины без существенных его изменений.
Отечественный и зарубежный опыт последних десятилетий подтвердил
эффективность использования такого оборудования для механизации
различных технологических процессов.
В настоящее время имеется достаточно много различных машин для
бестраншейного строительства коммуникаций, их эффективность во многом
зависит от правильно выбранных конструктивных и технических параметров.
Однако научно обоснованные методы оценки выбора этих параметров до
настоящего времени в завершённом виде отсутствуют и нуждаются в
определенной корректировке и доработке. Поэтому обоснование и выбор
наиболее эффективных параметров машин, использующих комбинированные
методы воздействия на забой грунта с возможностью их регулирования в
автоматическом режиме, представляет собой актуальную проблему для
бестраншейного строительства коммуникаций.
Цель
работы
–
повышение
эффективности
бестраншейного
образования скважин в грунтах за счет совместного действия напорного и
ударного механизмов с общим гидравлическим объёмным приводом.
Задачи исследования:
1. Выполнить анализ существующих способов и средств для
бестраншейного образования скважин, а так же теорий взаимодействия
рабочих органов различной формы с грунтом;
2.
Разработать
динамическую
и
математическую
модели
взаимодействия рабочего органа с грунтом, учитывающие действия либо
одного напорного механизма, либо совместную работу напорного и ударного
механизмов в зависимости от сопротивления грунта;
10
3. Провести экспериментальные исследования процесса образования
скважин комбинированным рабочим органом комплекса и определить
рациональные режимные параметры процесса образования скважин.
Объектом исследования является рабочий орган комплекса для
бестраншейного образования скважин в грунтах.
Предметом исследования является процесс взаимодействия с грунтом
рабочего органа со статическим и ударным механизмами с объемным
гидроприводов комплекса для бестраншейного образования скважин.
Методы
исследования.
При
решении
поставленных
задач
использовались анализ и обобщение исследований предшественников,
математическое моделирование, основанное на динамических моделях
рабочего
процесса
машины.
Проверка
результатов
теоретических
исследований осуществлялась путем проведения стендовых и натурных
экспериментов. Обработка полученных данных проведена на основе методов
математической статистики.
Теоретическая значимость работы заключается:
- в представлении зависимостей позволяющих выделить два режима
движения со слежением по скорости и по давлению;
– в разработке методики инженерного расчета параметров рабочего
органа
комплекса
с
объемным
гидравлическим
приводом
для
бестраншейного образования скважин в грунтах.
Практическая значимость работы состоит:
– в создании полноразмерной экспериментальной установки с
измерительным комплексом для проведения натурных испытаний с
возможностью изменения параметров привода в широком диапазоне;
– в оригинальности конструкции рабочего органа комбинированного
комплекса, подтвержденной патентами на изобретение;
– в разработке практических рекомендаций по применению комплекса
для проведения скважин в грунтах, включающей рабочий орган с напорным
и ударным механизмами.
Апробация
работы.
11
Основные
положения
исследований
докладывались на международных, региональных и республиканских
научно-технических семинарах, конференциях и симпозиумах: шестом
международном научном симпозиуме «Ударно-вибрационные системы и
машины для строительной и горной отраслей», Орел, 25 - 26 апреля 2017г.;
Всероссийской научно-методической конференции «Проектирование машин,
роботов и мехатронных устройств», Орел, 19 - 20 октября 2017г.; третьей
Всероссийской
научно-технической
конференции
с
международным
участием «Перспективы развития технологий обработки и оборудования в
машиностроении» Курск, 15 - 16 февраля 2018г.; пятой региональной научнопрактической конференции им. академика А.Г. Шипунова Тула, 30 марта –
2 апреля
2018 г.;
научно-методических
и
научно-исследовательских
конференциях ОГУ им. И.С. Тургенева, Орел (2016 - 2018г).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 научных работ в
сборниках научно-технических и научно-практических конференций, из них
2 статьи опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Отдельные этапы работы выполнялись в рамках НИР ПНИЛ «Силовые
импульсные
системы»
Орловского
государственного
технического
университета.
Структура и объём работы. Работа состоит из введения, четырех глав,
заключения, изложена на 89 с. из них 72 с. основного текста, содержит
32 рисунка, 6 таблиц, библиографию из 110 наименований и 5 приложений.
12
1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА БЕСТРАНШЕЙНОЙ ПРОКЛАДКИ
ТРУБОПРОВОДОВ
1.1
Краткий
обзор
механических
способов
бестраншейной
прокладки трубопроводов
Известно большое число различных машин и механизмов для
бестраншейного строительства трубопроводов. В зависимости от конкретных
условий (вид грунта, диаметр трубы, длина переходов и т.д.) применяются
различные способы и оборудование для строительства трубопроводов [7, 11,
40, 51, 52, 57, 65, 80]. Наиболее широко применяются: пневмопробойники,
горизонтальное бурение, прокол и продавливание. На рисунке 1.1
представлены схемы основных механических способов бестраншейного
строительства трубопроводов.
P
Рисунок 1.1. - Схемы основных механических способов образования
скважин в грунтах: а – прокол пробойниками; б – горизонтальное бурение;
в – прокалывание; г – продавливание.
13
Пневмопробойники. Их созданию и применению
посвящены
исследования научных коллективов института горного дела СО АНСССР,
НПО ВНИИСТРОЙДОРМАШ, НИИ “ИМПУЛЬС“ АН Кирг ССР, КарПТИ,
ХАДИ, СибАДИ и др [27, 37, 64, 68, 106]. Проходка пневмопробойниками
(рисунок 1.1, а) возможна при небольших диаметрах прокладываемых труб до 160 мм, а также при прокладке кабелей связи. Применение расширителей
позволяет увеличить диаметр скважины до 250 - 400 мм. Пневмопробойник
представляет собой самодвижущуюся пневматическую машину ударного
действия, корпус которой является ее рабочим органом. Внутри корпуса
расположен
ударник,
который
совершает
возвратно-поступательное
движение под действием сжатого воздуха, поступающего от компрессора.
Ударник наносит удары по наковальне, закрепленной внутри корпуса, и
забивает последний в грунт. Частота ударов составляет 250 - 370 ударов в
минуту. Обратному перемещению корпуса препятствуют силы трения между
корпусом и грунтом, возникающие в следствие деформаций грунта.
Техническая
характеристика
пневмопробойников
серийно
выпускаемых российскими и зарубежными фирмами [1, 14, 27, 28, 31, 32, 35,
37, 53, 59, 64, 68, 103, 106, 109, 110].
Недостатками пневмопробойников являются: непрямолинейность оси
скважины в связи с небольшой длиной снаряда и тенденцией перемещаться
по
пути
наименьшего
сопротивления;
необходимость
специального
оборудования для проталкивания трубы через скважину; ограниченность
диаметра прокладываемых трубопроводов; невозможность строительства
трубопроводов в среде слабых грунтов из-за отсутствия реакции грунта,
защемляющего снаряд; высокая энергоемкость процесса.
Горизонтальное бурение (рисунок 1.1, б) применяется [7, 10, 50, 51,
57, 67, 69, 70, 72,82, 84, 86, 74, 97, 104, 108] для прокладки стальных
трубопроводов диаметром от 325 до 1720 мм. Горизонтальное бурение
основано на механической разработке грунта в забое с его удалением
14
шнеком, скребками, либо путем вымывания водой с одновременной или
последующей прокладкой в него трубы-кожуха.
В
настоящее
время
существует
большое
количество
машин,
работающих этим методом. Среди них машины колонкового бурения с
гидроразмывом и эвакуацией грунтового керна (типа ГБ), фрезерные
машины с эвакуацией разработанного грунта ковшами (типа ЭСМ и
“Запорожье“), а также скребковыми (типа БМ) или шнековыми (типа ГБМ,
ДМ, УГБ) транспортерами.
Исследованиям
конструкций,
режимов
работы
установок
горизонтального бурения посвящены работы Г.Е. Лаврова, Т.Х. Саттарова,
А.С. Вазетдинова, Б.М. Ребрика, В.А. Бренера и других авторов [10, 13, 29,
49, 50, 56, 65, 66, 67, 69, 72, 84, 86, 103, 109]. Техническая характеристика
серийно выпускаемых установок горизонтального бурения приведена в
приложении 2.
Установку горизонтального бурения нецелесообразно применять при
строительстве переходов через грунты малосвязные и малопрочные, так как
большая часть энергии расходуется непроизводительно на перелопачивание
грунта.
К
недостаткам
этих
установок
следует
отнести:
сложность
конструкций; большую массу рабочего органа; высокую энергоемкость
проходки; высокую стоимость оборудования; высокую себестоимость работ.
Статическое прокалывание грунта (рисунок .1.1, в) применяется для
проходки
труб
подразумевается
малого
процесс
диаметра
–
вдавливания
270
мм.
трубы
в
Под
грунт
прокалыванием
с
помощью
гидродомкратов, винтовых домкратов, канатных полиспастов. Труба со
стороны забоя закрыта наконечником (рисунок 1.1, в), при его отсутствии
грунт образует в полости трубы плотную грунтовую пробку, впереди
которой формируется уплотненное ядро грунта, которое осуществляет
прокол.
15
Прокалывание грунта широко применяется у нас в стране [3, 4, 11, 12,
87, 94, 96] и за рубежом [101, 104, 108] вследствие простоты технологии,
оборудования и его обслуживания. Существенным недостатком этого
способа является необходимость создания больших осевых усилий для
вытеснения грунта из скважины. По данным [11, 12, 74, 79, 94, 101,] осевое
усилие для прокола на длину 21 м трубой диаметром 250 мм через глину
составляет 810 кН, а трубой диаметром 350 мм в суглинках на длину 40 м –
1450 кН. Для восприятия реакций таких усилий необходимо сооружать
мощные упорные стенки и утяжелять оборудование для обеспечения
необходимой прочности. Эти факторы существенно влияют на стоимость
оборудования и строительства.
Статическое продавливание – процесс внедрения в грунт трубыкожуха открытым торцом (рисунок 1.1, г). Грунт, поступающий внутрь
трубы, разрабатывается механическим способом или вручную и удаляется из
забоя. Вдавливающее усилие обеспечивается гидродомкратом или канатноблочным полиспастом. Продавливание применяется, в основном, при
строительстве трубопроводов диаметром 800-1720 мм [4, 12, 50, 74, 82, 101].
Имеются сведения о продавливании труб диаметром до 3,3 м [50, 104, 110].
Простота оборудования и технологии обусловили широкое применение этого
способа. Недостатком способа являются, так же как и при проколе, большие
осевые усилия, достигающие 5000 - 7000 кН, в зависимости от диаметра и
длины строительства трубопровода.
Проведенный краткий обзор способов прокладки трубопроводов
позволяет сделать вывод: прокалывание и продавливание в настоящее время
являются
наиболее
распространёнными
способами
бестраншейного
строительства трубопроводов диаметром до 1720 мм. Одним из направлений
совершенствования этих способов и соответствующего оборудования
является разработка мероприятий, направленных на снижение осевых
усилий.
16
В 1958 году во Всероссийском научно-исследовательском институте
гидротехнических
и
санитарно-технических
работ
(ВНИИГС)
под
руководством О.А. Савинова и А.Я. Лускина был разработан способ
строительства
трубопроводов
диаметром
до
500
мм
с
помощью
вибропрокола (рисунок 1.2). Сущность способа заключается в том, что на
трубу, кроме осевого
усилия, воздействуют осевыми направленными
колебаниями [35, 38, 39, 55, 60, 79, 83, 96].
Рисунок 1.2. - Схемы вибрационного прокалывания:
а – вибрация передаётся на трубу и наконечник; б – вибрация передаётся
только на наконечник; в – вибровозбудитель вмонтирован в наконечник
ВНИИГСом разработаны, изготовлены и испытаны установки УВП–1
и УВП - 2 для прокалывания грунта трубами диаметром, соответственно, 200
и 400 мм. Испытания установок по данным О.А. Савинова и А.Я. Лускина
[52, 56, 76] показали, что осевое усилие при проколе уменьшается, а скорость
прокола увеличивается по сравнению со статическим проколом.
17
Техническая характеристика установок УВП-1 и УВП-2 приведена в
приложении 3.
Методы
продавливания
виброударного
при
прокалывания
строительстве
и
горизонтальных
виброударного
трубопроводов
предложили Н.Я. Кершенбаум и В.И. Минаев [7, 38, 39, 40, 54, 56, 57, 58, 60,
74, 82, 88, 98]. Работы по теоретическому и экспериментальному
исследованию виброударного метода применительно к бестраншейному
строительству трубопроводов осуществлялись в Московском институте им.
И.М. Губкина и СКБ “Газстроймашина“.
Виброударный прокол осуществляется трубой диаметром до 500 мм с
наконечником.
Внутри наконечника размещен вибромолот. Привод
вибромолота осуществляется от электродвигателя. Вибромолот выполняет
осевые удары по наковальне, соединенной с трубой-кожухом. При этом
труба под действием ударов молота перемещается к забою, внедряясь в грунт
без
дополнительного
статического
усилия.
“Самодвижение“
трубы
осуществляется при наличии достаточных сил бокового трения. При
отсутствии или малых значениях сил трения возможно движение системы в
сторону, противоположную забою. Поэтому в начале процесса внедрения и
при работе в слабых грунтах труба должна тормозиться специальным
тормозом.
Виброударное продавливание применяется для диаметров 500 мм и
выше [79, 83]. В отличие от виброударного прокола, продавливание
осуществляется трубой с открытым торцом. Вибромолот крепится к трубе в
задней части. Труба внедряется в грунт, совершая возвратно-поступательные
движения, в которых преобладает движение вперед, в сторону забоя, что
приводит, в итоге, к равномерному поступательному движению.
В.И.
Минаевым
и
Н.Я.
Кершенбаумом
разработана
теория
виброударного прокалывания и продавливания грунта [7, 40, 55, 60, 82].
Испытания проводились в натурных условиях на экспериментальных
установках промышленных габаритов, техническая характеристика которых
18
приведена в приложении 4. Коллективом авторов во главе с М.Г. Цейтлиным
в 1977 году был предложен комбинированный способ прокола виброударным
методом с дополнительным осевым усилием, создаваемым лебедкой с
канатно-блочным полиспастом [7, 40, 71, 88, 98].
К недостаткам методов вибропрокола, виброударного прокола,
виброударного продавливания следует отнести: высокую энергоёмкость
процесса, затухание колебаний в теле трубы при большой длине перехода,
высокий уровень шума и вибрации при проходке.
На основе анализа данных, полученных из вышеприведённых
источников и полученных данных автором, были построены диаграммы:
зависимости
удельной
строительства
трубопроводов
зависимости
объёмной
энергоёмкости
от
способов
динамической
производительности
бестраншейного
плотности
от
грунта
и
энерговооружённости
способов бестраншейного строительства трубопроводов рисунок 1.3 и 1.4.
Полученные
зависимости
позволяют
сделать
вывод,
что
универсальным способом бестраншейного строительства трубопроводов
является комбинированный метод, включающий в себя статический и
импульсный (ударный) способы. При этом, для строительства трубопроводов
диаметром до 300 мм в связных грунтах с динамической плотностью 15 - 25,
энергия одного импульса (удара) должна составлять 10 - 17 кДж, а частота
ударов находится в пределах 0.1 - 0.5 Гц. Так же необходимо учитывать, что
на начальной стадии внедрения прокладываемой трубы импульсные
(ударные)
воздействия
не
требуются,
а
в
некоторых
случаях
противопоказаны. В связи с этим ставится задача создания универсального
агрегата
с
бестраншейного
гидропривода.
комбинированным
строительства
гидроприводом
трубопроводов
на
инструмента
основе
для
следящего
19
7
8
6
8
W,
6
кВт / ч
м3
200
150
100
50
1
0
1
2
Категория грунта
3
Условные обозначения:
—
—
—
—
—
Статическое продавливание
Бурение
Ударный способ
Виброударный способ
Статический прокол
Данные из ист-ков
Способ
Статическое продавливание
Бурение
Ударный способ
Виброударный способ
Статический прокол
1
2
3
4
5
6
7
8
[4]
[51]
[71]
[79]
[11]
[51]
[50]
[77]
[55]
[12]
[4]
[67]
[96]
[38]
[57]
[57]
[67]
[1]
[83]
[57]
[79]
[49]
[96]
[55]
[60]
[4]
[50]
[28]
[38]
[12]
[65]
[40]
[51]
[56]
[57]
[4]
Рисунок 1.3 - Зависимость удельной энергоемкости способов
бестраншейного строительства трубопроводов от
категории грунта для труб диаметром 120мм.
20
Q,
6
м3/ч
4
3
2
1
1
0
50
100
150
200 W, Квт/ч
Условные обозначения:
—
—
—
—
—
Статическое продавливание
Бурение
Ударный способ
Виброударный способ
Статический прокол
Данные из ист-ков
Способ
Статическое продавливание
Бурение
Ударный способ
Виброударный способ
Статический прокол
1
2
3
4
5
6
[4]
[50]
[71]
[79]
[11]
[57]
[51]
[73]
[40]
[11]
[51]
[49]
[77]
[79]
[12]
[12]
[67]
[96]
[83]
[51]
[79]
[50]
[73]
[55]
[57]
[4]
[56]
[28]
[55]
[51]
Рисунок 1.4 - Зависимость объемной производительности от
энерговооруженности способов бестраншейного
строительства трубопроводов диаметром 120 мм.
1.2
Анализ
21
существующих
теоретических
исследований
бестраншейного образования скважин в грунте
Вопросами
исследования
статических
методов
проходки
горизонтальных скважин посвящено большое количество работ российских и
зарубежных авторов: Н.В. Васильева [3], Г.Е. Лаврова [4], В.П. Самойлова
[7],
Г.Н. Пестова
[10],
А.Н. Зеленина
,
[11]
А.С. Вазетдинова
[12],
Е.А. Демешко [36], М.М. Александрова [43], Ж. Вернера [49], Х. Детмара
[50], В. Кризека [51] и других.
Импульсным методам проходки посвящены работы О.А. Савинова
[52],
А.Я. Лускина
[40],
Н.Я. Кершенбаума
[76],
В.И. Минаева
[57],
Е.А. Кириенко [83], И.А. Физделя [55], Г.Э. Параубека [62], Л.Н. Теренецкого
[75], М.Г. Цейтлина [97] и других.
Разработкой, исследованием и испытанием различных методов и
оборудования для бестраншейной прокладки труб занимаются ВНИИГС,
BНИИСT, ОАОСКБ «Газстроймашина», ЗАО ИФ «Магма» и другие
организации.
Учитывая определенное сходство в процессах погружения свай в
грунт и горизонтальной бестраншейной прокладки труб, необходимо
отметить
существенный
вклад
в
теорию
вибрационной
проходки
горизонтальных скважин, внесенный Н.М. Герсевановым, Д.Д. Барканом,
И.И. Блехманом, Ю.И. Неймаком, М.Я. Кушулем и А.В. Шляхтиным.
Н.М. Герсеванов [15]у, становил при увеличении частоты ударов по
свае,
сопротивление
грунта
уменьшается
иногда
в
несколько
раз.
Н.М. Герсеванов объяснил этот эффект движением грунтовой воды, которая
перемещается
к
свае,
обволакивает
ее
поверхность
и
разжижает
прилегающий грунт, что обусловливает переход сухого трения в вязкое и,
следовательно, уменьшение сопротивления внедрению сваи.
Другое объяснение эффекту дал словацкий профессор А. Стодола [81]
и развил теорию применительно к погружению и извлечению стального
22
шпунта Ю.И. Неймарк [61]. В соответствии с этой теорией при приложении
импульсных воздействий шпунтина колеблется вверх и вниз относительно
какого-то среднего положения, а ее скорость изменяется по закону:
х  а sin t ,
(1.1)
где: α - амплитуда импульса;
ω - частота импульса.
Если при этом предположить, что кроме импульсного движения
шпунтина перемещается вверх с постоянной скоростью V, то график
абсолютной скорости смещается вверх на величину V (риc. 1.5). При этом
промежутки времени, в течение которых шпунтина поднимается и
опускается, не равны и импульс силы трения за период отличен от нуля:
J 
где
4Q

arcsin
V
,
a
(1.2)
Q - сила сухого трения.
Сила сопротивления грунта F при движении шпунтины вверх равна
импульсу силы трения за секунду:
F
J J 2Q
V


arcsin
.
T 2

a
Таким образом, сила сопротивления при малых значениях
F
(1.3)
V
равна:
a
2Q
V,
a
(1.4)
то есть пропорциональна скорости шпунтины V. Это, так называемое,
явление «линеаризации сухого трения». Сухое трение как бы превращается в
линейно вязкое, пропорциональное скорости V, а коэффициент этого вязкого
трения равен
2Q
и уменьшается с возрастанием амплитуды и частоты.
a
Автор [61] учитывает упругие свойства грунта при погружении
шпунта, а в работе М.Я. Кушуль и А.В. Шляхтин [48] учитывают упругопластичные свойства среды при погружении цилиндрического стержня.
Однако, в этих работах не учитываются изменения свойств грунта под
действием импульсных нагрузок.
23
Первые опыты по импульсному погружению были осуществлены в
1934
году Д.Д. Барканом, который объяснил эффект импульсного
погружения твердых тел в грунт снижением вязкости последнего при
вибрации. Д.Д. Баркан [5] рассматривал грунт как жидкость и замерял
вязкость по скорости погружения стандартного шарика определенной массы
и радиуса в вибрирующий сосуд с грунтом. Им было обнаружено, что при
изменении ускорения импульсных воздействий в пределах (1.4÷3.4)g
величина вибровязкости грунта уменьшается в 90 раз. Испытания,
проведенные Д.Д. Барканом, показали, что применение импульсных
воздействий позволяет максимально уплотнить грунт, при этом ускорение
вибрации должно превзойти определенную величину, называемую порогом
виброуплотнения.
Д.Д. Барканом решались задачи погружения твердых тел в
вибрирующий грунт при следующих допущениях:
– грунт является несжимаемой вибровязкой средой;
– импульсное воздействие передается волнами и поэтому в любой
точке зоны колебаний величина импульсного ускорения αω2 – постоянна.
Лобовое сопротивление R при погружении сваи с поперечным F сечением
определялось Д.Д. Барканом по формуле:
R
8

0V F  80 0V ,
(1.5)
где: υ0 - вибровязкость;
V - скорость погружения сваи.
Дополнительным уравнением, связывающим величины R и V было
дифференциальное уравнение движения сваи в вибровязкой среде:
m
dV
 R  mg ,
dt
где: m - масса сваи;
g - ускорение свободного падения.
(1.6)
24
Д.Д. Барканом было высказано предположение о снижении коэффициента
трения детали о грунт при импульсных воздействиях.
Д.Д. Баркан [6] указал на резкое уменьшение сопротивления грунта
разрушению при импульсных нагрузках и предположил, что импульсные
воздействия могут дать эффект не только при погружении и извлечении свай
и шпунта, но и при других работах, в частности, при бестраншейной
прокладке газо- и нефтепроводов под различными препятствиями.
Многие авторы обращают внимание на снижение коэффициента
внутреннего трения грунта при импульсных воздействиях. Впервые это было
подтверждено экспериментальными исследованиями Г.И. Покровского [63].
О.А. Савинов [75] обращает внимание на зависимость эффективности
уплотнения грунтов от величины ускорения импульсов a2. Автор отмечает,
что при ускорениях (0,2÷0,3)g коэффициент внутреннего трения грунта
приобретает минимальное значение. В.А. Ершов и Се Дин [33] указывают на
резкое уменьшение сопротивления сдвигу образцов песчаного грунта под
действием импульсов, причем снижение сопротивления сдвигу начинается с
некоторого критического ускорения импульсов (рисунок 1.6).
В работе [95] указывается, что характер разрушения оснований под
действием импульсных воздействий имеет много общего с разрушением под
действием одних статических сил, но появление пластических деформаций
происходит при импульсах от меньших давлений, чем в статических
условиях. Это явление объясняется уменьшением сопротивления сдвигу в
результате уменьшения угла внутреннего трения φ. Авторы указывают на
зависимость угла внутреннего трения от ускорения колебаний грунта [95]
(таблица 1.1) и приводят график зависимости коэффициента внутреннего
трения грунта, равного tgφ от ускорения импульсов (рисунок 1.7).
Как следует из таблицы 1.1 и графика (рисунок 1.6) вибрирование
грунта позволяет уменьшить коэффициент внутреннего трения грунта в (2
÷ 3) раза, причем наиболее интенсивное снижение tgφ происходит в
диапазоне ускорения от 0 до 800 см∙с-2.
25
Е.А. Кириенко в своих работах [41, 42], выполненных под
руководством профессора В.Л. Иносова, предложил исследовать процессы
Рисунок 1.5 – График скорости движения шпунта
Рисунок 1.6 – Зависимость сопротивления песка сдвигу от ускорения вибрации
Рисунок 1.7 – Зависимость коэффициента внутреннего трения от ускорения
вибрации
26
Таблица 1.1. – Зависимость угла внутреннего
трения грунта
от ускорения импульсов
Песок средней крупности
Песок мелкий
Значение φ0 при следующих ускорениях
грунта, см∙с-2
300
400
500
700
1000
25
21
19
17
14
20
17
15
13
11
прокола импульсными воздействиями с помощью волновой теории.
Погружаемая труба представляется в виде элементов с сосредоточенной
массой, соединенных пружинами и демпферами. Грунт оказывает упруговязкопластическое сопротивление по боковой поверхности трубы и
упругопластическое по лобовой. Математическим аналогом является теория
длинных линий. Автор рассматривает процесс распространения волн в
стальной трубе и рекомендует прокалывание в режиме четвертьволновой
линии, что дает возможность преодолевать местные повышения прочности
проходимых пород.
Однако в аналитических расчетах для упрощения не учитывается
влияние бокового сопротивления, играющего исключительно важную роль
при
проколе,
а
также
отсутствуют
данные
о
соответствующих
экспериментах, подтверждающих теоретические выкладки.
Важно отметить, что процессы вертикального погружения свай и
горизонтального сооружения скважин имеют много общего, однако, имеются
и существенные различия:
– при горизонтальном сооружении масса трубы не способствует
внедрению, а лишь увеличивает силу трения о грунт;
– при горизонтальном продавливании постоянно производится
разработка грунтового керна, в то время как при вертикальном погружении
керн не разрабатывается;
–
при
погружении
сваи
происходит
постоянное
увеличение
расстояния от конца сваи до дневной поверхности, а при горизонтальной
проходке это расстояние постоянно;
–
направленные
27
импульсные
воздействия
на
трубу
при
горизонтальной проходке передаются непосредственно на грунт, увеличивая,
как это будет показано далее, высоту свода обрушения и сопротивление
грунта проходке.
Эти и другие отличия необходимо учитывать при применении теории
погружения
свай
к
бестраншейными методами.
горизонтальной
прокладке
трубопроводов
28
ВЫВОДЫ
Анализ существующих теорий и средств для бестраншейного
образования скважин в грунте позволили сделать следующие выводы:
1.
Установлено,
что
для
бестраншейного
строительства
трубопроводов диаметром до 400 мм, вследствие простоты технологии и
оборудования, наиболее широко применяют прокол грунта, а для труб
диаметром 325 - 1720 мм – продавливание с ручной и механизированной
разработкой керна. Основным недостатком этих методов являются большие
осевые усилия, необходимые для преодоления сопротивления грунта
внедрению, и связанная с этим высокая металлоемкость оборудования,
большие затраты на сооружение упорных стенок, низкая производительность
2. Установлено, что импульсное (ударное) воздействие, с одной
стороны изменяет свойства грунта в сторону уменьшения сопротивления
внедрению твердых тел, а с другой стороны, является эффективным
средством борьбы с этим сопротивлением. Существующие теории, как
правило, не учитывают одновременно оба этих фактора.
3. Установлено, что создание импульсных (ударных) и статических
нагрузок на внедряемом твердом элементе увеличивает эффективность его
вертикального погружения вследствие уменьшения осевой составляющей
силы трения твердого элемента о грунт.
4.
Выявлено,
что
процесс
горизонтального
бестраншейного
строительства трубопроводов имеет существенные отличия от процесса
вертикального
погружения
твердого
элемента.
Комбинированные
воздействия импульсного гидравлического следящего привода на рабочий
орган не применялись при проколе и продавливании труб. Процессы эти
мало изучены и требуют дальнейших исследований.
29
2 МОДЕЛИРОВАНИЕ КОМБИНИРОВАННОГО КОМПЛЕКСА
ДЛЯ БЕСТРАНШЕЙНОГО ОБРАЗОВАНИЯ СКВАЖИН В ГРУНТЕ
2.1 Определение механической модели грунта
Динамическая
теория
любой
технологической
машины,
предназначенной для преобразования материалов, не может быть построена
без знания механической модели внешней среды, с которой взаимодействует
рабочий орган этой машины. Внешней средой, с которой взаимодействует
исследуемая комбинированная машина, является грунт. В курсе инженерной
геологии Н.В. Коломенского [44, 45] грунт определяется как горная порода
или почва, изучаемая в естественных условиях залегания с целью
определения физико-технических свойств с учетом непрерывного изменения
их во времени. Е.М. Сергеев [78] и М.Н. Гольштейн [17] понимают под
термином
«грунт»
любые
горные
породы,
которые
залегают
преимущественно в зоне выветривания и могут быть использованы в
качестве оснований, материалов или среды для различных сооружений.
В строительных технологиях различают два класса грунтов: скальные
и нескальные.
Скальные грунты представляют собой твердые тела, отличающиеся
относительно высокой прочностью и не изменяющие свои свойства при
длительном насыщении водой (гранит, базальт, сиенит).
Нескальные
грунты
–
легко
распадающиеся
в
воде
несцементированные или слабо сцементированные скопления частиц и
обломков различных горных пород и имеют за немногими исключениями
осадочное происхождение. Твердые минеральные частицы, слагающие
нескальный грунт, называют его скелетом.
Все нескальные грунты представляют собой осадочные горные
породы. К ним относятся различающиеся по своим механическим свойствам
породы: глина, мергель, песок, известняк, доломит, мел, гипс, песчаник,
30
толщи вулканического пепла, различные естественные химические продукты
вроде каменной соли или полезные ископаемые: торф и уголь.
При инженерно–геологических изысканиях механические свойства
естественных толщ горных пород обычно исследуются лишь в отдельных
точках, а затем результаты экстраполируются на весь массив. Во всякой
экстраполяции заложена опасность серьёзных ошибок, и в связи с большой
протяжностью проводимых скважин эти свойства можно принимать как
достаточно приближённые.
В этих условиях детальное знание геологических условий и генезиса
пород в пределах данного района и участка существенно облегчает
правильную оценку механических свойств рассматриваемого массива.
Особые и, вместе с тем, очень сложные проблемы связаны с
действием на грунт фундаментов под машины и взрывов различного
характера, с распространением в нем колебаний и поведением оснований при
вибрациях и землетрясениях, с сопротивлением грунта ударному и
вибрационному погружению свай, при проведении скважин с применением
ударов и вибраций. Все вышесказанное требует изучения динамических
свойств и реакций различных видов нескальных грунтов, которые чаще всего
используются на практике строителями [17].
Механика
механические
грунтов
свойства
представляет
грунтов
в
собой
строительных
науку,
целях.
изучающую
Одним
из
основоположников механики грунтов принято считать К. Терцаги (18831963). Свои исследования Карл Терцаги опубликовал в книге «Строительная
механика грунтов на основе их физических свойств».
Наиболее значимые работы отечественных ученых в этой области
знаний: капитальная монография создателя советской школы инженерной
геологии Ф.П. Саваренского «Инженерная геология» (1937 г.), работы
Н.М. Герсеванова – основателя отечественной школы механики грунтов –
«Опыт применения теории упругости к определению допускаемых нагрузок
на грунт на основе экспериментальных работ» (1930 г.), знаменитые «Основы
динамики
грунтовой
массы»
31
(1937 г.);
обширная
монография
Н.П. Пузыревского «Фундаменты» (1934 г.); первые в мире учебники
Н.Н. Цитовича
«Основы
механики
грунтов»
(1934 г.),
И.В. Попова
«Механика грунтов» (1937 г.); серия работ М.М. Филатова «Почвы и грунты
в дорожном деле» (1932 г.) и многочисленные исследования их учеников.
В реологии в качестве фундаментальных свойств тел рассматривают:
упругость; пластичность; вязкость. Все другие механические свойства
являются сложным сочетанием в различных комбинациях этих трех
фундаментальных свойств.
Основными явлениями характеризующими
объект изучения в
реологии, являются: 1) релаксация; 2) ползучесть; 3) длительная прочность
материалов.
В зависимости от характера связей различают два вида так
называемых основных моделей упруго-вязких тел, образованных из двух
элементов – одного упругого и одного вязкого. Модель у которой имеется
только смешанная связь, называемая моделью Максвелла (рисунок 2.1, а) или
моделью упруго-вязкой жидкости.
Модель Максвелла представляет собой последовательное соединение
моделей Гука и Ньютона и обозначается буквой М (рисунок 2.1, а).
Рисунок 2.1 - Модель упруго-вязкого тела Максвелла:
а – схема модели; б – график зависимости напряжений во времени.
32
На рисунке 2.1, б показан график изменения во времени внутренних
усилий в максвелловом теле после того, как к нему приложена некоторая
сила Р. В первое мгновение, произойдет растяжение пружины (деформация
будет носить чисто упругий характер). Если концы растянутой
модели
закрепить, т.е. поддерживать деформации постоянной, то поршень в
амортизаторе
начнет
перемещаться
и
в
итоге
пружина
примет
первоначальный размер, а усилие в ней исчезнет. Поршень сдвинется на
соответствующее расстояние и тоже остановится, т.к. действие на него
усилия со стороны пружины прекратится. Следовательно, общая деформация
сохранится, а напряжения в теле исчезнут. Данное явление называется
релаксацией напряжений. Поэтому модель Максвелла принято называть
также моделью релаксирующего тела.
В
результате
изучения
и
анализа
работ
предшественников,
собственных исследований и представлений о процессах, происходящих при
проколе и продавливании скважины в грунтах с применением ударов и
вибраций, сделан вывод о целесообразности использования в качестве
механической
модели
грунта
модель
Максвелла
в
измененном
(модернизированном) представлении, при котором:
– первоначально при статическом воздействии происходит вязкое
течение грунта, при этом материал уплотняется за счет заполнения
веществом пор, возрастает его плотность;
– при достижении определенной (максимальной силы) грунт
становится более плотным и его (с некоторым приближением) можно считать
упругим, в этот момент времени к действующей статической силе
добавляется действие ударной силы.
33
2.2 Динамическая и математическая модели комбинированного
привода комплекса
С учетом принятой для дальнейших исследований модели грунта,
представим расчетную схему машины, способную комбинировать несколько
простых
видов
механического
поведения,
принятой
модели
грунта
Максвелла (рисунок 2.2).
Рисунок 2.2 - Расчетная схема машины с комбинированным рабочим органом.
Этой расчетной схеме соответствует динамическая модель машины с
учетом
свойств
модели
грунта
Максвелла,
реализованная
в
виде
комбинированного привода инструмента, состоящего из напорного и
импульсного (ударного) механизмов (рисунок 2.3).
Рисунок 2.3 - Динамическая модель рабочего органа с
комбинированным приводом комплекса для образования скважин в грунте.
Структурная
схема
комбинированного
привода
инструмента,
наилучшим образом удовлетворяющая динамической модели машины,
представлена на рисунке 2.4.
34
Рабочий орган машины это ударный и напорный механизмы с единым
объемным гидравлическим приводом. При расчете параметров ударного
механизма будем считать заданными:
1) энергию удара T, которая определяется производственными
требованиями, то есть зависит от диаметра скважины и типа грунта;
2) предударная скорость бойка VУД, которая выбирается из отсутствия
наклепа материала бойка;
3) максимальная сила отдачи R, которая определяется усилием
создаваемым напорным механизмом.
Такие
исходные
данные
для
проектирования
соответствуют
современным положениям теории машин [16, 46, 92,].
При составлении математической модели принимаем, что привод
машины осуществляется от объёмного гидравлического насоса, который
подаёт
рабочую
жидкость
в
напорную
магистраль
с
постоянной
производительностью, процесс течения считаем изотермическим. При этом
динамическая модель системы «машина – грунт» сводиться к одномассовой
системе с приведенными жесткостью и массой машины и приведенной
жесткостью грунта, пренебрегаем фазой удара так, как она в 100 и более раз
меньше других фаз:
Пусть постоянная производительность объёмного гидравлического
насоса Q0 , тогда приведённая к напорному гидроцилиндру (или двум
гидроцилиндрам) скорость жидкости равна:
V0 
Q0
,
SP
(2.7)
где SP – активная площадь напорного гидроцилиндра.
Упругие свойства гидропередачи характеризуются её приведённой к
напорному гидроцилиндру жёсткостью С (рис. 2.17):
1
1
1
1
1




,
С СТ С НА С Ж С НГ
где СТ – жёсткость упругих трубопроводов,
(2.8)
35
СНА – жёсткость гидроаккумулятора напорной магистрали,
СЖ – жёсткость жидкости,
СНГ – жёсткость гидродвигателя возвратно-поступательного действия
(напорного гидроцилиндра).
Рисунок 2.4 - Структурная схема комбинированного привода
рабочего органа машины:
НГ-напорный гидроцилиндр; ГУ-гидроударник; РД-реле давления;
Р1, Р2-распределители; АН-гидроаккумулятор; Н-насос; М-маслобак.
Масса рабочего органа mПР включает в себя массу трубы, напорного
гидроцилиндра, ударного механизма и инструмента:
mПР  mТР  mГЦ  mУД  mИН
(2.9)
где: mТР – масса трубы; mГЦ – приведенная масса гидродвигателя возвратнопоступательного действия; mУД – масса ударного механизма; mИН – масса
инструмента.
36
Масса грунта, участвующая в движении совместно с инструментом,
учитывается с помощью коэффициента:
 ГР 
m ГР
,
m ПР
(2.10)
где mГР – масса грунта, участвующая в движении совместно с инструментом.
Тогда суммарная масса рабочего органа и грунта будет равна:
М  mПР  m ГР  mПР (1   ГР ).
(2.11)
Упрощённый вид диаграммы сил сопротивления грунта представлен
на рисунке 2.5.
Рисунок 2.5 - Диаграмма сил сопротивления грунта:
а – диаграмма сил сопротивления грунта; б – диаграмма ударных
импульсов.
Принимаем изменение силы сопротивления RC по закону:
RС  R0  C1 X ,
где С1 – жёсткость грунта;
R0 – начальная величина силы сопротивления.
(2.12)
37
Ударные импульсы величиной QУД передаются на инструмент
периодически в момент времени, когда сила сопротивления достигает
максимальной величины Rm (рисунок 2.5), при этом рабочий орган получает
(мгновенно) в направлении движения скорость VУД..
Дифференциальное уравнение движения тела массой М будет иметь вид:
МХ  (V0 t  X )C  R0  C1 X .
(2.13)
Считаем, что движение начинается в момент времени t0, когда усилие
в напорном гидроцилиндре достигнет уровня R0, т.е. R0=CV0t0. Этот момент
времени примем за начало отсчёта времени, тогда дифференциальное
уравнение движения примет вид:
Х  k 2 Х  k12V0 t ,
где k 2 
С  С1
,
М
k12 
(2.14)
С
М .
Общее решение дифференциального уравнения (2.14) будем искать в
виде суммы:
Х  Х1  Х 2
(2.15)
где Х1 – общее решение однородного дифференциального уравнения
Х  k 2 Х  0;
(2.16)
Х2 – частное решение неоднородного дифференциального уравнения (2.14).
Общее решение однородного уравнения Х1 будем искать в виде:
Х 1  с1соskt  c2 sin kt,
(2.17)
где с1 и с2 постоянные интегрирования.
Частное решение Х2 примет следующий вид:
k12
Х 2  2 V0 t ,
k
(2.18)
k12
С

 С0 .
2
С  С1
k
(2.19)
Тогда общее решение имеет вид:
Х  с1 cos kt  c2 sin kt  C0V0 t ,
Х  с1 k sin kt  c2 k cos kt  C0V0 .
(2.20)
Рассмотрим
начало
38
движения
рабочего
органа
при
нулевых
начальных условиях, т.е. при t  0 , Х (0)  0 и Х (0)  0
Тогда с1  0 и с2  
C 0V0
.
k
В этом случае решения уравнения (2.20) будут следующими:
C 0V0
sin kt,
k
Х  С 0V0  C 0V0 cos kt.
Х  С 0V0 t 
(2.21)
При этом сила, создаваемая рабочим органом, будет определяться по закону:
R  R0  C (V0 t  X ).
(2.22)
Из уравнения (2.21) следует, что скорость инструмента изменяется по
закону Х  С0V0 (1  cos kt) и может принимать нулевые значения, т.е. при t  t1 ,
X (t1 )  0. Это будет соответствовать моментам времени когда cos kt1  1 , что
означает t1 
2 4 6
,
,

k k k
Примем первое из этих значений t1 
2
,
k
тогда перемещение
инструмента за это время составит:
Х M  С0V0
CM
2 ,или Х  2V
,
М
0
(С  С1 )
k
(2.23)
а максимальная сила на инструменте:
Rт  R0  C V0
2
(1  С0 ).
k
(2.24)
Давление жидкости в напорном гидроцилиндре, соответствующее
этому времени:
Рт 
Rт
.
SГ
(2.25)
Возможен следующий режим работы машины: в соответствии с
настройкой реле давления на величину Рm в этот момент времени включается
в работу ударный механизм и инструмент получает ударный импульс в
направлении движения QУД, что сводится к получению им мгновенной
39
скорости VУД. Такой режим движения механизма назовём следящим с
обратной связью по давлению (СД). После получения ударного импульса
сопротивление грунта уменьшается до уровня R0, а его движение будет
происходить в соответствии с уравнением (2.20) только при начальных
условиях Х (0)  0 , Х (0)  VУД . Тогда постоянные интегрирования с1 и с2 будут
следующими:
с1  0 , с2 
VУД C 0V0
k
(2.26)
,
а координаты и скорость инструмента будут изменяться по закону:
Х  С 0V0 t 
(VУД  C 0V0 )
sin kt,
k
Х  С 0V0 V УД cos kt  C 0V0 cos kt.
(2.27)
Сила давления жидкости в напорном гидроцилиндре:
(VУД  C0V0 )


R  R0  C V0 t 1  C0  
sin kt.
k


(2.28)
Приравняв силу R к её максимальной величине из уравнения (2.24),
соответствующей
уровню
настройки
реле
давления
получим
трансцендентное уравнение для определения времени движения t2 рабочего
инструмента на этом участке:
V0 (1  С0 )(t 2 
VУД C 0V0
2
)
sin kt2 .
k
k
(2.29)
Сопоставив это уравнение и уравнение (2.27), найдём зависимость для
определения перемещения инструмента:
2


Х 2  V0 t 2 
(1  С0 ).
k


(2.30)
Скорость инструмента в момент времени t2 будет определяться по
формуле:
2 2
Х (t 2 )  С0V0  (VУД  C0V 0) 2  k 2V02 (1 С 0 ) 2 (t 2 
) .
k
Из уравнения (2.29) находим:
(2.31)
40
sin kt2 
2
)k
k
,
 C 0V 0)
V0 (1  C 0 )(t 2 
(VУД
(2.32)
откуда
cos kt2 
(VУД  C 0V 0) 2  k 2V02 (1  С 0 ) 2 (t 2 
2 2
)
k
.
(VУД  C 0V 0)
(2.33)
Тогда из уравнения (2.27) найдём скорость инструмента
Х
соответствующую времени t2.
Представим такой режим работы (СД-1), при котором скорость
инструмента Х (t 2 )  0 , это означает, что последующие движения инструмента
будут
периодически
повторяться
и
происходить
в
соответствии
с
уравнениями (2.27). Условием выполнения такого режима работы будет
следующее, вытекающее из (2.31):
t2 
VУД (VУД  2C0V0 )
2

k
kV0 (1  С0 )
(2.34)
или с учетом того что время t2 не может быть величиной отрицательной:
t2 
VУД (VУД  2C 0V0 ) 
1
2 
.
k
V0 (1  С 0 )


(2.35)
Производительность машины (скорость проходки скважины) при
таком режиме работы равна
V ПР 
Х2
t2
(2.36)
или с учётом (2.30) и (2.31)
VПР  V0 
Совокупность
2V02 (1  С0 ) 2
2V0 (1  С0 )  VУД (V УД2C0V0 )
уравнений
(2.27)
и
(2.28)
математическую модель данного режима движения машины:
.
(2.37)
представляют
41
Х  С 0V0 t 
(VУД  C 0V0 )
Х  С 0V0  (VУД
sin kt,
k
 C 0V0 ) cos kt,
(2.38)
(VУД  C 0V0 )


R  R0  C V0 t (1  С 0 ) 
sin kt,
k


где V0 
Q0
C
; C0 
 1,0 ; VУД  10 м с .
SP
C  C1
Вычислительный эксперимент для оценки влияния рабочих и
геометрических
параметров
гидропривода
комбинированной
машины
проведён с использованием программы, разработанной в среде инженерных
приложений MatLab и Exel.
В
качестве
исходных
параметров
использовались
следующие
величины: жесткость системы С0=0÷∙1; предударная скорость VУД=5÷10м/c;
расход гидравлической системы Q0=50÷160л/мин; диаметр D, площадь
поршневой полости SР, а также скорость перемещения штока гидроцилиндра V0.
Для инженерных приложений использовалось выражение (2.37).
В результате вычислительного эксперимента получены зависимости,
показывающие
влияние
геометрических
и
рабочих
параметров
комбинированного рабочего органа на скорость проходки рисунки 2.6, 2.7, 2.8.
42
Рисунок 2.6 - Зависимость скорости проходки VПР от
приведенной скорости V0 при VУД=const;
1–6 – соответственно при С0=0,5; 0,6; 0,7; 0,8; 0,9; 1.
Рисунок - 2.7 Зависимость скорости проходки VПР от
скорости удара VУД при С0=const;
1–5 – соответственно при V0=2,26; 4,6; 7,63; 9,14; 12,2м/c.
43
Рисунок 2.8 - Зависимость скорости проходки VПР от
жесткости системы С0 при VУД =const;
1–5 – соответственно при V0=2,26; 4,6; 7,63; 9,14; 12,2 м/c.
Анализ
полученных
в
ходе
вычислительного
эксперимента
зависимостей показывает, что полученные зависимости существенно не
линейны, не имеют экстремумов. Наиболее рациональные параметры
находятся в пределах: С0=0,6–0,8; VУД=6–8 м/c; V0=5–9 м/c.
44
2.3 Режимы движения комбинированного комплекса
Наибольший интерес представляет режим движения комплекса, при
котором
сила,
создаваемая
напорным
механизмом,
не
превышает
максимального, наперёд заданного значения Rm, т.е. R0  R  Rm .
Из уравнения (2.22):
Rm  R0  C (V0t1  X 1 ).
(2.39)
Определим перемещение рабочего органа при таком режиме
движения соответствующее моменту времени t1:
Х 1  V0 t1 
Rm  R0
.
C
(2.40)
Из уравнения (2.21) следует, что
Х 1  С0V0 t1 
C0V0
sin kt,
k
(2.41)
т. е. максимальная величина перемещения Х1 будет соответствовать моменту
 2 3
времени t1  ,
k
k
,
k

Если принять t1 

k
, то из уравнения (2.21) получим:
X 1  C0V0
тогда V0 t1  X 1  V0

k

k
,
(2.42)
(1  C0 ) .
Подставляя это выражение в формулу (2.40), найдем:
Rm  R0

 V0 (1  С0 ).
C
k
Введем обозначение
(2.43)
R0
  0  1,0 , тогда равенство (2.43)примет вид:
Rm
V0C (1  C0 )  Rm (1   0 )k.
(2.44)
Полученное соотношение является одним из условий существования
данного режима движения. Используя это условие и уравнение (2.42),
получим расчетные формулы для нахождения перемещения рабочего органа
за один цикл движения:
45
Х1 
С0 Rm

(1   0 )
1  С0 C
(2.45)
X1
 C0V0 .
t1
(2.46)
и его средней скорости:
VСР 
Приняв
обозначение
Rm
 X0 ,
C
что
соответствует
статической
деформации грунта под действием силы Rm, уравнение (2.45) можно
представить в виде:
X1 
C0
(1   0 ) X 0 .
1  C0
(2.47)
Графические зависимости отношения перемещения рабочего органа
Х1/Х0 от соотношения жесткостей С0 приведены на рисунке 2.9.
Рисунок 2.9 - Зависимости перемещения рабочего органа (за один
цикл) Х 1 Х 0 от соотношения жёсткостей С0;
1÷4 – соответственно при ρ0=0,1; 0,6; 0,8; 0,9.
46
Эти зависимости существенно нелинейны. Так увеличение С0 от 0,1
до 0,5, при соответствующем ρ0 равном соответственно 0,1; 0,6; 0,8; и 0,9,
приводит к незначительному росту относительного перемещения Х1/Х0 (от
0,3 до 11). В дальнейшем адекватное увеличение С0 от 0,5 до 0,9 приводит к
разному возрастанию относительного
соотношений
сил
ρ0.
При
этом
перемещения
возрастание
для
каждого
зависимостей
из
гораздо
интенсивнее, чем в первом интервале. Это приводит к значительному росту
скорости проходки.
47
2.4 Определение геометрических параметров инструмента
Основными геометрическими параметрами корпуса наконечника
прокладываемой
трубы,
характеризующими
эффективность
бестраншейного строительства трубопроводов, являются: диаметр, угол
заострения и длина боковой цилиндрической части (риунок.2.10). Если
диаметр d – технологический показатель и может быть задан для каждой
модификации машины, то два оставшихся параметра подлежат вычислению.
Рисунок 2.10 - Расчётная схема к определению угла заострения
инструмента: а – эпюры сил; б – схема сил; Рн, Рн’ – сила нормальной
реакции грунта на конусную и цилиндрическую части наконечника; РЛ –
сила лобового сопротивления; РТ - касательная сила.
Принимаем
закон
распределения
квадратичной зависимости равной:
давления
грунта
на
конус
48
y
где
2 pH
(2l  x) x,
3l 2
(2.48)
рн - нормальное давление грунта на боковую поверхность корпуса;
l – длина образующей конуса.
Закон распределения силы на поверхности конуса [9] имеет вид:
l
2 pH
(2l  x) x.
2
3
l
0
Q
(2.49)
Найдем значение среднего нормального давления:
pCP 
2 pH
3 cos 
(2.50)
,
2
где α угол конусного наконечника.
Суммарное нормальное усилие, действующее на поверхность конуса,
получим из выражения
Рн  рср S п ,
(2.51)
где Sп – площадь поверхности конуса.
Подставив в формулу (2.51) значение площади, найдём:
PH 
p H d 2
8 sin  cos 
2
2
,
(2.52)
где d – диаметр корпуса наконечника.
Определим силу лобового сопротивления РЛ, действующую на
поверхность конуса:
РЛ 
PН d 2
8 cos 
.
(2.53)
2
Определим силу трения РТ, действующую на поверхность конуса:
РТ 
PН d 2 f
8 sin  cos 
2
2
,
(2.54)
где f – коэффициент трения конуса о грунт.
Суммарная сила сопротивления внедрению инструмента определяется
выражением:
49
РС  РЛ  РТ cos

2

PH d 2
1
(
8
cos 

2
f
sin 
(2.55)
).
2
Исходя из минимальной силы сопротивления, приравняем частную
производную по углу α к нулю
PC


 0 , откуда sin 3 ( )  f cos 3 ( )  0.

2
2
Тогда оптимальный угол заострения α равен:
  2arctg 3 f .
(2.56)
Анализ полученного выражения показывает, что при коэффициентах
трения, соответствующих грунтам г. Орла и Орловской области, f  0,2  0,5
оптимальный угол заострения лежит в пределах   60  75 .
Длина
боковой
цилиндрической
поверхности
инструмента
определяется из условия компенсации реакции отдачи ударного механизма
силами трения о стенки скважины. Это условие может быть записано в виде
R2  dLp0 f .
(2.57)
Тогда минимально возможная длина корпуса наконечника:
L
R2
.
dp0 f
(2.58)
Для получения значения нормального давления на корпус p 0 вырежем
из уплотнённого пространства элементарный слой в виде кольца с наружным
Q и внутренним r радиусами и толщиной h , расположенный на глубине H
от поверхностного слоя (рисунок 2.11). При этом должны быть соблюдены
следующие условия:
– напряжения на вырезанное кольцо снаружи равны боковым
напряжениям окружающего грунта  ГР на заданной глубине Н ;
– нормальные напряжения на цилиндрической поверхности корпуса
равны давлению на внутреннюю поверхность кольца радиусом r ;
– напряжения по поверхностям отсечённого слоя h определяются
действием отброшенной части грунтового массива.
50
Рисунок 2.11 - Расчётная схема к определению напряжения на
боковой поверхности корпуса:
а – главный вид; б – эпюры сил в поперечном сечении.
Из рисунка 2.11 следует, что напряжения по диаметральному сечению
кольца распределяются по линейному закону от боковых напряжений у
наружного контура  ГР до значения нормальных напряжений у поверхности
скважины р 0 . Предполагая, что выделенный объём грунтового массива
находится в равновесии, составим для него условия равновесия в проекциях
на ось y :


2
 p0 r cos d  (   r )
 ГР
2
0
2
   ГР  cos d  0.
(2.59)
0
После интегрирования полученного уравнения имеем:
р0 r  (   r )
 ГР
2
  ГР   0.
(2.60)
Последнее равенство определяет значение нормальных напряжений:
р0   ГР
 r
2r
.
(2.61)
Выражение (2.63) свидетельствует о том, что нормальные напряжения
на боковой поверхности корпуса пропорциональны боковым напряжениям в
грунте и диаметру проходимой скважины.
51
Общеизвестно также, что боковые напряжения в грунте возрастают
пропорционально глубине (принимая во внимание, что на рассматриваемых
глубинах плотность грунта существенно не меняется), т.е.
 ГР   ГР Н ,
(2.62)
где  ГР - истинная плотность грунта.
Таким образом, при проходке скважины в однородном грунтовом
массиве имеем:
р0   ГР Н
 r
2r
.
(2.63)
Многими исследователями теоретически обосновано и практически
доказано, что радиус зоны деформации грунта в радиальном направлении
достигает шести диаметров проходимой скважины. Принимая во внимание
это обстоятельство и используя формулу (2.65), можно заключить, что при
неизменной глубине залегания скважины напряжения на цилиндрической
поверхности наконечника превосходят боковые в 6,5 раз.
Полученные
зависимости
позволяют
определить
минимально
допустимую длину корпуса наконечника:
L
Следует
отметить,
2 R2
.
f ГР H (r   )
что
основные
(2.64)
теоретические
предпосылки
выведены с достаточными допущениями и использованы для создания
опытных образцов комбинированного рабочего органа машины для
бестраншейного строительства трубопроводов, при дальнейшей опытной
апробации которых уточняются основные поправочные коэффициенты.
52
ВЫВОДЫ
1. Анализом существующих представлений механических моделей
грунта установлено, что возможно построение неограниченного числа
механических моделей грунта, составленных всего из трех фундаментальных
элементов: тела Гука, тела Сен-Венана и тела Ньютона. При этом, чем более
сложна механическая модель, тем в большей степени она адекватна
реальному
грунту,
однако
усложнение
приводит
к
существенным
затруднениям при дальнейшем анализе моделей.
2. Установлено, что при проколе и продавливании скважин с
использованием статических и ударных сил наиболее целесообразной с точки
зрения простоты и адекватности является видоизмененная модель тела
Максвела, учитывающая предварительное статическое уплотнение грунта и
последующее ударное воздействие.
3. Представленная механическая модель грунта позволяет реализовать
возможность автоматического регулирования предельной силы статического
поджатия инструмента к забою.
4. Предложенная динамическая модель машины для проведения
скважин
в
механическую
грунтах
учитывает
характеристику
упругие
привода,
свойства
массу
гидропередачи,
рабочего
органа
и
приведенную массу грунта, а также периодические ударные импульсы.
5.
Представленная
математическая
модель
машины
позволяет
выделить два возможных режима движения со слежением по скорости и по
давлению. Для каждого из режимов движения получены расчетные
теоретические зависимости производительности машины и максимальных
сил в напорных гидроцилиндрах.
6. На основе анализа расчетных формул получены диапазоны
соотношения параметров (жесткости гидропередачи и грунта, скорости
удара), при которых производительность проходки скважины повышается.
53
7. Составленная расчетная диаграмма сил давления грунта на
конусную и цилиндрическую часть инструмента позволяет определять
оптимальный угол заострения, при котором сила лобового сопротивления
движению минимальна.
54
3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
3.1 Задачи экспериментальных исследований
На основании теоретических исследований было определено влияние
статических и ударных усилий воздействия прокалывания и продавливания
труб
при
бестраншейном
дифференциальные
строительстве
уравнения
движения
трубопроводов,
трубы
под
получены
действием
комбинированных статико-динамических усилий. В ходе экспериментальных
исследований решались следующие задачи:
1.
Проверка
эффективности
применения
статико-динамических
нагрузок при прокалывании и продавливании грунта;
2. Проверка соответствия теоретических зависимостей прокалывания и
продавливания грунта от параметров комбинированной машины;
3. Исследование процесса импульсного разрушения грунтового керна в
ножевой части прокладываемой трубы;
4.
Исследование
взаимодействия
статической
и
динамической
(импульсной) нагрузок при одновременном функционировании напорного и
ударного механизмов.
Экспериментальные
исследования
осуществлялись
выполнением
стендовых испытаний в лабораторных условиях на базе НИЛ «Импульсные
технологии» кафедры подъемно-транспортные, строительные и дорожные
машины
Политехнического института им. Н.Н. Поликарпова ОГУ
им. И.С. Тургенева.
3.2
Конструкция экспериментального статико-динамического
стенда СДА-1500
Для
экспериментальной
проверки
результатов
теоретических
исследований о влиянии статико-динамических усилий на параметры
55
процесса прокалывания и продавливания был разработан и изготовлен
полноразмерный стенд СДА-1500.
Стенд состоит из рамы 3 (рисунок 3.1), на которой жестко закреплен
демпфер 5 и опорная стенка
6. На раме стенда предусмотрены
направляющие, по которым передвигается платформа 4, с установленным на
ней импульсным приводом 1. Движение платформы осуществляется
упорным гидроцилиндром 2. Импульсный привод 1, гидроцилиндр 2 и
другие
агрегаты
соединены
с
насосной
станцией
КПГ–1421
высоконапорными гибкими рукавами.
Рисунок 3.1. - Принципиальная схема экспериментального стенда и
подключения контрольно-регистрирующей аппаратуры.
Схема подключения датчиков приведена на рисунке 3.1. При этом
сигналы от датчиков Д1 – Д9 передаются на усилитель 7, и с усилителя
попадают на осциллограф 8 или преобразователь 10, а затем на ЭВМ. Общий
вид стенда представлен на рисунке 3.2.
56
3.3 Техника безопасности и условия проведения испытаний
Испытания производились на базе НИЛ «Импульсные технологии»
кафедры подъемно-транспортные, строительные и дорожные машины
Политехнического института им. Н.Н. Поликарпова ОГУ им. И.С. Тургенева.
Гидравлическое ударное устройство установлено на испытательном
стенде СДА 1500 (рисунок 3.1).
Рисунок 3.2 - Испытательный стенд:
1 - испытательный стенд, 2 - гидростанция КПГ-1421, 3 - контрольноизмерительная аппаратура.
В качестве рабочей жидкости в гидросистеме гидравлического
ударного устройства применяется масло индустриальное И-20А, И-30А,
И-40А ГОСТ 20799-88; ВМГЗ по ТУ 38-101479 или МГЗО по ТУ 3810150-79.
Пневмоаккумулятор
гидравлического
ударного
устройства
заряжается
техническим азотом ГОСТ 9293-05.
Состояние окружающей среды должно соответствовать нормальным условиям:
Т=202 оС, влажность 7510 %, атмосферное давление 74610 мм.рт.ст.
57
При подготовке к испытаниям гидроударник 1 (рисунок 3.3)
устанавливался на испытательный стенд СДА 1500. Для этого ствол
гидроударника укладывался на кронштейн 2 и зажимался хомутом 3, а
задний конец гидроударника установливался в кронштейн 4, при помощи оси
5. Затем ствол гидроударника поджимался к демпферу 6 гидроцилиндром подачи 7.
3
6
2
1
4
5
7
Рисунок 3.3 - Монтажная схема экспериментального стенда:
1 – гидроударник; 2 – передний кронштейн передвижной платформы;
3 – хомут; 4 – задний кронштейн передвижной платформы;
5 – оси гидроударника и силового гидроцилиндра; 6 – демпфер,
7 – силовой гидроцилиндр
После этого пневмоаккумулятор заправлялся техническим азотом, и
гидравлический импульсный привод подключался к насосной станции КПГ14.21. Для подготовки и проведения испытаний допускался персонал
имеющей высшее техническое образование и прошедший инструктаж.
Кроме выполнения общезаводских требований техники безопасности
при стендовых испытаниях машины должны выполняться следующие
правила: весь обслуживающий персонал обязан знать конструкцию
гидроударника и гидростанции, правила эксплуатации техники безопасности;
запрещается допускать посторонних лиц к работающему стенду; при ведении
ремонтных и монтажных работ гидростанция должна быть отключена;
присоединять напорные и сливные рукава при включенной гидростанции;
при запуске и работе стенда запрещается находиться в рабочей зоне – по оси
стенда ближе 5 м и в радиусе 4 м.
Настройка
и
первоначальный
запуск
стенда
производился
представителями ПНИЛ ОГУ им. И.С.Тургенева; при включении стенда
58
производился наружный осмотр гидросистемы, устранялись замеченные
неполадки.
3.4 Определяемые показатели
Входные параметры испытательного стенда представлены в таблице 3.1.
Таблица 3.1. – Входные параметры.
№
1
Название
Обознач Размер
параметра
ение
ность
Давление масла в
Рм
МПа
гидроударнике
Диапазон
изменения
8-20Мпа
Погреш
ность
1 МПа
Шаг
изменения
3
2
Давление в
гидроцилиндре
подачи
Рп
МПа
8-20 МПа
1 МПа
3
3
Давление в
газовом
аккумуляторе
Ра
МПа
30-60 МПа
1 МПа
10
Давление масла в гидроударнике изменяется в заданном диапазоне
предохранительным клапаном КП1 (рисунок 3.1). Контроль давления Рм
осуществляется манометром М1. Тип манометра МТК – 100, класс точности 1,5.
Давление в гидроцилиндре подачи Рп в заданных пределах изменяется
предохранительным клапаном КП2 (рисунок 3.1). Контроль давления Рп
осуществляется манометром М2. Тип манометра МТК - 100, класс точности 1.5.
Давление в газовом аккумуляторе Ра устанавливается при зарядке
аккумулятора. Контроль давления Ра осуществляется манометром М3 (рис.
3.4). Тип манометра МТП1, класс точности 2,5.
Выходные параметры стенда представлены в таблице 3.2.
Схема подключения датчиков приведена на рисунке 3.1. При этом
сигнал датчиков передается на усилитель УТ - 4 и с усилителя записывается
шлейфовым
осциллографом
Н117/1.
датчиками представлен на рисунке 3.5.
Гидроударник
с
установленным
59
Рисунок 3.4 - Манометр пневмоаккумулятора:
1 – заправочный клапан, 2 – манометр пневмоаккумулятора.
Рисунок 3.5 - Гидроударник с датчиками:
1 – гидроударник; 2 – датчик скорости;3 – гидрораспределитель с датчиками
давления; 4 – датчик давления в газовом аккумуляторе; 5 – датчик перемещения.
60
Таблица 3.2. – Выходные параметры стенда.
№
1
Обоз
начен
ие
датчи
ка
Название параметра
Обозначение
параметра
Размерность
2
3
4
5
1
2
3
4
Д1
Д2
Д3
5
Д4
6
-
7
Д5
8
9
Д6
Д7
10
11
Д8
Д9
Диапазон
изменения
-1
Погрешность
6
7
Скорость бойка
Перемещение бойка
Частота ударов бойка
Изменение давления в
гидроцилиндре подачи
Перемещение штока
гидроцилиндра подачи
Частота изменения
давления в
гидроцилиндре подачи
Vб
xб
fб
Рц
м/с (LT )
м (L)
-1
с (T-1)
МПа (ML-2)
0…15
0…30 10-3
0…30
10…20
1 мс-1
1*10-3 м
1 с-1
1 МПа
Хц
м (L)
0…30
1*10-3 м
fц
с-1 (Т-1)
0…30
1 с-1
Температура масла
Температура
гидроударника
Сила удара
Перемещение рамы
Давление в напорной
магистрали
Тм0
Тг0
 (0С)
 (0С)
20…90
20…90
10 С
10 С
F
xp
Pн
кН (М)
м (L)
МПа (ML-2)
0…1000
0…30·10-
1кН
1*10-3 м
1МПа
3
10…20
Скорость бойка Vб измерялась индукционным датчиком скорости Д1 с
постоянным магнитом, который связан посредством штока с бойком
гидроударника.
Сигнал
подаваемой
датчиком
скорости
записывался
осциллографом Н117/1. Датчик скорости предварительно тарировался на
специальном стенде и строился тонировочный график, с помощью которого
по полученным осциллограммам определялось фактическое значение
скорости перемещения бойка до соударения и в момент удара.
Перемещение
бойка
Хб
измерялось
индукционным
датчиком
перемещения Д2 с постоянным магнитом, который связан посредством
штока с бойком гидроударника. Сигнал датчика перемещения записывался
осциллографом Н117/1. Датчик перемещения предварительно тарировался на
специальном стенде, по результатом тарировки строился тарировочный
график, с помощью которого полученным осциллограммам определялось
фактическое значение перемещения бойка до соударения и в момент удара.
Частота
ударов
гидроударникаударов
бойка
fб
определялся
61
и
период
одного
непосредственно
цикла
из
работы
полученной
осциллограммы.
Изменение давления в гидроцилиндре подачи Рц регистрировалось
датчиком Д3 (рисунок 3.6), который является преобразователем давления
КРТ (изготовитель ЗАО «Орлэкс» г. Орел). Верхний предел давления
преобразователя 25 МПа, предел основной погрешности к диапазону
измерения 1%. Сигнал преобразователя регистрировался светолучевой
шлейфовый осциллографом Н117/1. Датчик предварительно подвергался
тарировке и строится тарировочный график, с помощью которого по
полученным осциллограммам определяли фактическое значение изменения
давления в гидроцилиндре подачи. Датчик Д3 устанавливался в напорной
магистрали гидроцилиндра.
Рисунок 3.6 - Датчик КРТ на силовом гидроцилиндре подачи:
1 – датчик КРТ; 2 – гидромагистрадь; 3 – напорный гидроцилиндр.
Перемещение
штока
62
гидроцилиндра
подачи
Хц
измерялось
индукционным датчиком Д4, аналогично перемещению бойка.
Частоту изменения давления в гидроцилиндре подачи fц определяли
непосредственно из осциллограммы аналогично частоте ударов бойка.
Температуру масла в маслобаке Тм0 измеряли датчиком Д5, который
представляет собой преобразователь температуры ПТ-С (изготовитель ЗАО
«Орлэкс» г. Орел). Пределы измеряемых температур от 00 до +1000С, предел
основной погрешности к диапазону измерения 1%. Сигнал преобразователя
температуры
регистрировался
осциллографом
Н117/1.
Датчик
предварительно подвергали тарировке, по результатам которой стоился
тарировочный график, с помощью которого по полученным осциллограммам
определялись фактическое значение температуры масла. Датчик Д5
устанавливался в баке маслостанции.
Температура гидроударника Тг0 измерялась датчиком Д6, который
является преобразователем температуры ПТ-С. Датчик Д6 устанавливается
на корпус гидроударника в области газового аккумулятора.
Сила удара F измерялась комплексом тензометрических датчиков Д7.
Комплекс
датчиков
представляет
собой
тензометрический
мост,
установленный на демпфере 5 (рисунок 3.1). Тензометрический мост
предварительно подвергался тарировке и строился тарировочный график, с
помощью
которого
по
полученным
осциллограммам
определялось
фактическое значение силы удара.
Перемещение рамы Хр измеряли индукционным датчиком Д8
аналогично перемещению бойка. Датчик Д8 устанавливался на раме.
Давление в напорной магистрали гидрокдарника Рн измерялось
датчиком Д9 (рисунок 3.7), являющийся преобразователем давления КРТ
(производитель ЗАО "Орлэкс", г. Орел). Датчик давления Д9 установлен в
напорной магистрали гидроударника. Измерение и запись изменения
давления проводили аналогично датчику Д3.
Схема
подключения
63
датчиков
и
измерительно-регистрируемой
аппаратуры представлено на рисунке 3.1, а общий вид измерительной
аппаратуры приведен на рисунке 3.8.
Рисунок 3.7 - Датчик давления КРТ в напорной магистрали гидроударника:
1 – датчик КРТ; 2 – напорная магистраль; 3 – распределитель гидроударника.
Рисунок 3.8 - Контрольно-измерительная аппаратура:
1 – блок питания; 2 – светолучевой осциллограф Н117/1; 3 – усилитель УТ-4.
64
Сигнал с каждого датчика передавался через усилитель УТ-4
ТУ25.06.1377-82 3 на светолучевой шлейфовый осциллограф Н117/1 2 и
записывался на светочувствительную бумагу типа УФ-67-135 ТУ 6-17-633-79.
3.5 Планирование эксперимента
Сущность метода планирования эксперимента состоит в том, что
опыты ставились по определенной схеме, одновременно варьируя все
независимые параметры [2, 66, 91].
Опыты ставились согласно матрице планирования в таблице 3.4.
Для составления матрицы планирования натуральные значения
факторов переводились в кодированные, согласно уравнению кодирования:
zi 
z ( xi  xmax )
1
xmax  xmin
;
(3.1)
где xi – значение фактора, взятое внутри интервала варьирования,
хmax, xmin – графические интервалы варьирования,
Значения факторов приведены в таблице 3.3.
Таблица 3.3 – Значения факторов.
Фактор
Давление масла
в гидроударнике,
Рм, МПа
Давление в
гидроцилиндре
подачи, Рп, МПа
Давление в газовом
аккумуляторе, РА, МПа
Основной
уровень
Интервал
варьирования
Верхний
уровень
Нижний
уровень
13
3
16
10
13
3
16
10
40
10
50
30
Число полнофакторных опытов, которое необходимо поставить,
определялось формулой:
65
N=ak
(3.2)
где k – число факторов
а – число уровней варьирования.
N=23=8.
В нашем случае:
Матрица планирования приведена в табл. 3.4.
Таблица 3.4 – Матрица планирования.
№ опыта
Кодовое обозначение независимой переменной
Х0
Х1 (Рм)
Х2 (Рп)
Х3 (РА)
Х1Х2Х3
1
+
-
-
-
-
2
+
+
-
-
+
3
+
+
+
-
-
4
+
+
+
+
+
5
+
-
+
+
-
6
+
-
-
+
+
7
+
-
+
-
+
8
+
+
-
+
-
Необходимое число повторений опытов находятся в зависимости от
показателей надежности, точности и коэффициента вариации в следующей
последовательности.
В соответствии с ГОСТ 20522-75 для исследуемых процессов
надежность опытов (доверительная вероятность)  принята равной 0,90. По
заданной надежности уровень значимости  определится:
=1-
(3.3)
Найденному уровню значимости  соответствуют определенные
квантили нормального распределения g, которые находятся по таблицам
приведенным в работе [29]. В нашем случае для уровня значимости =0,10
квантили равны 1,64 и показывают максимальное отклонение случайной
66
величины от ее математического ожидания при заданной доверительной
вероятности, равной .
Показатели
точности
оценки
среднего
значения
предельной
относительной погрешности измерений:
– для скорости =0,1;
– для перемещения =0,1;
– для давления =1,0;
–для температуры =1,0.
Коэффициент вариации  так же задается в соответствии с ГОСТ
20522-75 при логарифмически нормальном законе распределения и равен 0,2.
Необходимое число замеров определялось по формуле:
ng
2
a
v2
2
(3.4)
Исходя из этого, число параллельных наблюдений равно:
для скорости
для перемещения n  1,64 2 
для давления
0,2 2
 4,78  5,
1,0 2
n  1,64 2 
0,2 2
 4,78  5,
1,0 2
(3.6)
0,2 2
 4,
1,0 2
(3.7)
n  1,96 2 
для температуры n  1,96 2 
(3.5)
0,2 2
 4.
1,0 2
(3.8)
3.6 Обработка экспериментальных данных
Результаты измерений обрабатывались с применением статистических
методов. Для всех параметров определялись:
– среднее арифметическое значение замеряемого параметра
n
Х
Х
i 1
n
;
(3.9)
67
– ошибка отдельных измерений
Х i  Х  Х i ;
(3.10)
– среднее квадратическое отклонение
Sx 
1 n
(X  X i )2 ;

n  1 i 1
(3.11)
– коэффициент вариации, т.е. относительная характеристика разброса точек в
данной серии повторяемых опытов
V
SX
 100%;
X
(3.12)
– показатель точности оценки среднего значения параметра
X 
ga V
n
(3.13)
.
Найденные значения V и х сравнивались с заданными нами при
определении необходимого числа опытов n. При этом, если найденные V
больше, а х – меньше заданных значений, то производился пересчет
необходимого числа повторений опытов n, по формуле (3.4). Если вновь
рассчитанное n1, меньше n, а также при заданных V больше, и х – меньше
найденных, результаты эксперимента считались достоверными.
Полученные результаты экспериментальных исследований позволяют
считать проведенные исследования достоверными, а число повторений
опытов достаточным.
В
процессе
проведения
экспериментов
получены
характерные
осциллограммы работы импульсного привода (рисунок 3.9). На полученной в
процессе исследований осциллограмме показан характер изменения скорости
бойка при взводе и рабочем ходе, давление жидкости в напорной магистрали,
а также давление газа в пневмоаккумуляторе. Для анализа полученная
осциллограмма разбивалась на периоды и рассматривались поэтапно
движение бойка, а также изменения давлений рабочей жидкости и газа в
пневмоаккумуляторе. Первый период t1 соответствует переключению
управляющей аппаратуры (рисунок 3.9). При этом рабочее давление в
68
напорной магистрали падает от РН до Р’Н
(кривая 1 на рисунке 3.9), а
давление во взводяще полости растет от 0 до Р’Н (кривая 2).
Второй период – взвод бойка, соответствующий времени t2. В этот
период происходит рост давлений в напорной магистрали от Р’Н до РН
(кривая1); во взводящей полости раст от Р’Н до РН (кривая 2); в полости
пневмоаккумулятора – от РА до Р’А (кривая 3), при этом происходит взвод
бойка и в течение времени снижается до нуля ввиду выравнивания
действующих сил со стороны взводящей и аккумулирующей полостей.
Рис. 3.9. Характерная осциллограмма цикла работы импульсного
гидропневматического привода.
Третий период – разгон бойка совершается за время t3. В начале
периода
управляющая
аппаратура
переключается,
отсекая
напорную
магистраль от гидроударника и соединяя его со сливной магистралью.
Происходит ускоренное перемещение бойка за счет расширяющегося газа.
Скорость бойка возрастает от 0 до Vб (кривая 4). Давление в полости
пневмоаккумулятора снижается до начального равного 2,5 Мпа.
69
Четвертый период – передача запасенной энергии бойком инструменту.
В конце участка разгона боек реализует запас кинетической энергии при
ударе по инструменту на работу по уплотнению и разрушению забоя.
Четвертый период совершается за время t4.
Следующий цикл работы гидропневмопривода начинается с момента
переключения регулирующей аппаратуры и запирания взводящих полостей.
Другие типы полученных осциллограмм приведены в приложении 5.
Производительность образования скважин в значительной степени
зависят от сочетания геометрических и рабочих параметров машины. При
построении
графика
трубопроводов
от
зависимости
параметров
производительности
машины
использовался
прокладки
следующий
безразмерный коэффициент силового воздействия:
КF 

Р ГРi S i
F
,
(3.16)
где ƩРГРi – давление лобовой и боковой поверхностей забоя; ƩSi – площадь
поверхности прокладываемого элемента; FƩ – суммарная сила напорного и
ударного механизма
В результате
производительности
испытаний СДА-1500 получены графики изменения
проходки
при
проколе
и
продавливании,
представленные на рисунках 3.14 и 3.15.
Анализ расчётных и экспериментальных данных производительности
при комбинированном методе прокола показывает, что разница между ними
не превышает 13 – 16 процентов.
Сказанное позволяет сделать вывод о правильности разработанной
математической
модели,
расчетных
формул
и
достаточно
высокой
сходимости результатов теоретических и экспериментальных исследований.
70
Рисунок 3.14 - Производительность проходки скважины при проколе
Рисунок 3.15 - Производительность проходки скважины при
продавливании
71
ВЫВОДЫ
1.
Полученные
результаты
экспериментальных
исследований
показали, что создание комбинированных усилий на трубе позволяет снизить
осевые усилия при проходке в 2 - 2,5 раза.
2.
Показано, в результате анализа расчётных и экспериментальных
данных производительности при комбинированном методе образования
скважин, разница между ними не превышает 16 процентов.
3.
Подтверждено, что процесс внедрения инструмента при действии
на него статического усилия напорного механизма и динамического усилия
импульсного механизма за один цикл приложения нагрузки растет
нелинейно. Наиболее интенсивное возрастание наблюдается при увеличении
энергии удара до 800 Дж.
4.
Установлены зависимости напорного усилия FД от энергии
единичного удара при одновременном функционировании напорного и
ударного механизмов. С увеличением энергии единичного удара напорное
усилие снижается нелинейно, причём наиболее интенсивное снижение
происходит до энергии удара равной 800 Дж.
5.
Доказано,
что
зависимость
энергоемкости
проходки
при
динамическом приложении нагрузки, имеет ярко выраженный экстремум,
соответствующий оптимальной энергии удара. При этом минимальное
значение энергоемкости 1,3 кВт/м3 соответствует режиму при FСТ = 600 кН,
А= 670 Дж.
72
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В
1.
работе
решена
актуальная
научно-техническая
задача
повышения эффективности бестраншейного образования скважин в грунтах
за счет совместного действия напорного и ударного механизмов с общим
гидравлическим объёмным приводом рабочего органа комплекса:
Выполнен анализ существующих способов и оборудования для
2.
бестраншейного проведения скважин диаметром до 120 мм и теорий
взаимодействия рабочих органов с грунтом. Установлено, что известные
сведения по комбинированному методу бестраншейной проходки скважин
позволяют характеризовать его значительно меньшей в 2 – 2,5 раза
энергоемкостью
процесса,
в
основном
за
счет
уменьшения
сил
сопротивления.
3.
Обоснована
механическая
модель
грунта,
как
наиболее
соответствующая процессу, модель Максвелла в модернизированном
представлении:
– первоначально при статическом воздействии происходит вязкое
течение грунта, при этом уплотняется материал за счет заполнения
веществом пор, возрастает его плотность;
– при достижении определенной (максимальной силы) грунт
становится более плотным и его (с приближением) можно считать упругим, в
этот момент времени к действующей статической силе добавляется действие
ударных импульсов.
4.
Разработана
динамическая
и
математическая
модели
взаимодействия комбинированного рабочего органа с грунтом, учитывающие
действия либо только напорного механизма, либо совместную работу
напорного и ударного механизмов в зависимости от сопротивления грунта.
Преимуществом этой модели является возможность определить в любой
момент времени не только скорость и перемещение рабочего органа, но и
усилия взаимодействия инструмента машины и забоя грунта.
5.
73
Проведенные экспериментальные исследования подтвердили
эффективность комбинированного способа образования горизонтальных
скважин рабочим органом машины с объемным гидравлическим приводом.
Сравнительный анализ теоретических и экспериментальных данных показал
удовлетворительные результаты. Расхождение составляет 13÷16 процента.
Экспериментально установлено, что производительность комбинированного
рабочего органа комплекса зависит от соотношения параметров (жесткости
гидропередачи и грунта, скорости удара). Экспериментально определены
рациональные значения диапазона соотношения параметров, при этом
минимальное значение энергоёмкости 1,3 кВт/м3 соответствует режиму при
FСТ=600 кН, А=670 Дж.
7. Использование результатов проведенных исследований позволяет
повысить
эффективность
процесса
образования
скважин
в
грунте.
Применение разработанной методики сокращает время на проектирование и
разработку конструкции рабочего органа состоящего из напорного ударного
механизмов на основе объемного гидравлического привода комплекса для
бестраншейного строительства трубопроводов.
74
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1.
Абраменков, Э. А. Пневмопробойники для проходки лидерных
скважин в грунтах / Э. А. Абраменков, Д. Э. Абраменков, А. А. Надеин,
С. А. Серохвостов // Труды НГАСУ. Новосибирск : НГАСУ, 1998. - Т. 1, № 1
(1). - С. 78-89.
2.
Адлер,
Ю.
П.
Планирование
эксперимента
при
поиске
оптимальных решений / Ю. П. Адлер, Е. В. Марков, Ю. В. Грановский. - М. :
Наука, 1976. – 279 с.
3.
Александров, М. М. Силы сопротивления при движении труб в
скважине / М. М. Александров. – М. : Недра, 1978. – 208 с.
4.
Бавыкин,
А.
И.
Обоснование
и
выбор
параметров
механизированного комплекса для бестраншейной прокладки стальных
трубопроводов способом продавливания : дис. канд. техн. наук /
А. И. Бавыкин. – М., 1991. – 192 с.
5.
Баркан, Д. Д. Виброметод в строительстве / Д. Д. Баркан. – М. :
Госстройиздат, 1969. – 315 с.
6.
Баркан, Д. Д. Основные вопросы дальнейшего развития
вибрационного метода в строительстве / Д. Д. Баркан // Основания,
фундаменты и механика грунтов. - 1959. - № 4. - С.8-12.
7.
Бестраншейная
прокладка
инженерных
коммуникаций
/
Е. Д. Баландинский, В. А. Васильев, В. И. Минаев, В. Н. Ладыженский. – М. :
Недра, 1991. - 140 с.
8.
Бленд, Д. Теория линейной вязкоупругости / Д. Бленд. – М. :
Мир, 1965. – 390 с.
9.
Бронштейн,
И. Н. Справочник по математике для втузов /
И. Н. Бронштейн, К. А. Семендяев. – 13-е изд., исправленное. – М. : Наука, 1986. – 544 с.
10. Вазетдинов, А. С. Расчет основных параметров машин для
горизонтального бурения / А. С. Вазетдинов // Строительство трубопроводов.
– 1961. - № 9. - С. 7-10.
11. Васильев,
Н.
75
Закрытая
В.
прокладка
трубопроводов
/
Н. В. Васильев. – М. : Недра, 1964. - 214 с.
12. Васильев, Н. В. Расчетные усилия для прокладки подземных
коммуникаций способами прокола и продавливания / Н. В. Васильев,
Д. И. Шор. – М. : Госстройиздат, 1961. – 204 с.
13. Вибрационное
разрушение
горных
пород
проходческими
комбайнами / В. А. Бренер [и др.]. – Тула : Тульский полиграфист, 2000. – 203 с.
14. Вялов, С. С. Реологические основы механики грунтов /
С. С. Вялов. - М. : Высшая школа, 1978. – 447 с.
15. Герсеванов,
Н.
М.
Определение
сопротивление
свай
/
Н. М. Герсеванов // Собрание сочинений. В 3 т. - М. : Стройвоенмориздат,
1948. – Т. 1. - С. 241-251.
16. Гидравлические
отбойные
и
бурильные
молотки
/
В. Ф. Горбунов, Д. Н. Ешуткин, Г. Г. Пивень [и др.]. – Новосибирск :
Институт горного дела, 1982. – 100 с.
17. Гольштейн,
М.
Н.
Механические
свойства
грунтов
/
М. Н. Гольштейн. – М. : Стройиздат, 1983. – 368 с.
18. Горин, А. В. Влияние смазочного материала на работу
импульсного гидропневматического привода / А. В. Горин, Л. С. Ушаков,
А. В. Горин // Гидродинамическая теория смазки-120 лет : труды междунар.
науч. симп. В 2 т. – М. : Машиностроение-1 ; Орел : ОрелГТУ, 2006. – Т. 2. С. 122-124.
19. Горин, А. В. Исследование режима торможения ударной системы
и выбор параметров тормозного устройства гидропневмопривода агрегата
для
бестраншейного
строительства
трубопроводов
/
А.
В.
Горин,
С. А. Рябчук // Механизмы и машины ударного, периодического и
вибрационного действия : материалы 2-го междунар. науч. симп., (г. Орел,
21-23 октябрь 2003 г.). - Орел : ОрелГТУ, 2003. – С. 81-85.
76
20. Горин, А. В. Исследования комбинированной машины со
следящим гидроприводом для бестраншейного строительства трубопроводов
/ А. В. Горин // Ударно-вибрационные системы, машины и технологии. :
материалы IV междунар. науч. симп., 1-3 июня 2010 г. – Орел : ОрелГТУ,
2010. – С. 113-117.
21. Горин, А. В. Математическая обработка данных эксперимента
при
исследованиях
импульсного
гидропневматического
привода
/
А. В. Горин, Д. А. Юрьев // Механизмы и машины ударного, периодического
и вибрационного действия : материалы 2-го междунар. науч. симп., (г. Орел,
21-23 октябрь 2003 г.). - Орел : ОрелГТУ, 2003. – С. 124-127.
22. Горин, А. В. Методика расчета силовых и конструктивных
параметров импульсного гидропневматического привода агрегата для
бестраншейного строительства трубопроводов / А. В. Горин // Вклад ученых
вузов в научно-технический прогресс на железнодорожном транспорте :
тезисы докладов межвуз. науч.-практ. конф. (5-6 марта 2003г., г. Самара). Самара : СамГАПС, 2003. – С. 95-96.
23. Горин, А. В. Стенд для испытаний и исследований гидромолотов
с энергией ударов до 15 кДж / А. В. Горин, Д. А. Юрьев, С. А. Зиборова //
Сборник научных трудов ученных Орловской области. - Орел : ОрелГТУ,
1998. – Вып. 4. – С. 372-375.
24. Горин, А. В. Устройство для строительства трубопроводов на
основе гидропневмопривода / А. В. Горин // Ударно-вибрационные системы,
машины и технологии : материалы ІІІ междунар. науч. симп., 17-19 октября
2006 г. – Орел : ОрелГТУ, 2006. – С. 160-162.
25. Горин, А. В. Экспериментальные исследования гидромолотов с
высокой энергией удара / А. В. Горин, Д. А. Юрьев, С. Н. Семенюк //
Механизмы и машины ударного, периодического и вибрационного действия :
материалы междунар. науч. симп. - Орел : ОрелГТУ, 2000. – С. 128-130.
26. Грунтоведение / под ред. Е. М.Сергеева. - М. : МГУ, 1971. – 549 с.
27. Гурков,
К.
77
Дальнейшее
С.
развитие
применения
пневмопробойников в строительстве / К. С. Гурков, Ф. М. Мулатов,
Б. И. Смоляницкий // Механизация строительства. - 1993. - № 1. - С. 24-29.
28. Гурков, К. С. Типоразмерный ряд пневмопробойников / К. С.
Гурков, В.В. Климашко, А. Д. Костылев // Механизация строительства. –
1990. - № 6. – С. 15-16.
29. Гурман, В. Е. Теория вероятностей и математическая статистика /
В. Е. Гурман. – М. : Высшая школа, 1977. – 478 с.
30. Денисов, Н. Я. О природе деформаций глинистых пород /
Н. Я. Денисов. - М. : Изд. Министерства речного флота СССР, 1951. – 200 с.
31. Дзинько, А. А. Новый способ бестраншейной прокладки
коммуникаций / А. А. Дзинько, В. Д. Жадин // Строительные и дорожные
машины. - 1993. - № 11. – С. 12-15.
32. Добросельский, П. В. Механизация строительных работ с
применением пневматических пробойников / П. В. Добросельский //
Механизация строительства. – 1996. - № 2. – С. 4-5.
33. Ершов, В. А. Сопротивление сдвигу водонасыщенных песков в
зависимости от ускорения колебаний / В. А. Ершов, И. Се Дин // Доклады ХХ
научной конференции ЛИСИ : сб. ст. - М., 1962. - С. 61-68.
34. Жёсткость элементов напорной магистрали гидравлических
машин
ударного
действия
/
Д.
Н.
Ешуткин,
А.
В.
Журавлева,
А. И. Абдурашитов, А. В. Горин // Вестник ТулГУ. Серия «Актуальные
вопросы механики» - Тула : ТулГУ, 2011. - Вып. 7. - С. 58-63.
35. Журбин, В. Г. Оборудование для проходки вертикальных и
горизонтальных скважин с использованием гидромолотов / В. Г. Журбин,
Г. Л. Полонский, Я. А. Гойхман // Строительные и дорожные машины. - 1990.
- № 6. - С. 38-40.
36. Зеленин, А. Н. Основы разрушения грунтов механическими
способами / А. Н. Зеленин. – М. : Машиностроение, 1968. – 378 с.
78
37. Инструкция
по
бестраншейной
прокладке
подземных
коммуникаций пневмопробойниками : ВСН 66-191-76 / В. А. Козлов [и др.]. М. : ОНТИ Минстроя СССР, 1976. - 49 с.
38. Кершенбаум, А. Я. Виброметод в проходке горизонтальных
скважин / А. Я. Кершенбаум, В. И. Минаев. – М. : Недра, 1968. – 152 с.
39. Кершенбаум, А. Я. Метод виброударного горизонтального
продавливания труб большого диаметра / А. Я. Кершенбаум // Виброударная
техника : сб. ст. / НИИ ИНФ Стройдоркоммуникации. - М., 1966. - 406 с.
40. Кершенбаум, Н. Я. Проходка горизонтальных и вертикальных
скважин ударным способом / Н. Я. Кершенбаум, В. И. Минаев. – М. : Недра,
1984. – 245 с.
41. Кириенко, Е. А. О моделировании процесса вибропрокола при
бестраншейной прокладке трубопроводов / Е. А. Кириенко // Известия
ВУЗов. Строительство и архитектура. - 1977. - № 4. - С. 88-95.
42. Кириенко, Е. А. Применение волновой теории для исследования
процесса вибропрокола при бестраншейной прокладке трубопроводов /
Е. А. Кириенко // Известия ВУЗов. Строительство и архитектура. - 1975. - №
12. - С. 96-103.
43. Клейн, Г. К. Строительная механика сыпучих грунтов /
Г. К. Клейн. – М. : Стройиздат, 1977. – 256 с.
44. Коломенский, Н. В. Инженерная геология / Н. В. Коломенский. М. : Госгеолтехиздат, 1956. - Т. 2. - 318 с.
45. Коломенский,
Н.
В.
Инженерная
геология
:
учебник
/
Н. В. Коломенский, И. С. Комаров. - М. : Высшая школа, 1964. – 480 с.
46. Котылев, Ю. Е. Прикладная теория гидравлических машин
ударного действия / Ю. Е. Котылев, Д. Н. Ешуткин. – М. : Машиностроение1, 2007. – 176с. : ил.
79
47. Котылев, Ю. Е. Экспериментальный стенд для определения
жесткости магистральных трубопроводов гидравлических машин ударного
действия / Ю. Е. Котылев, Д. Н. Ешуткин, А. В. Горин // ИНЖИНИРИНГ –
2009 : сб. науч. трудов регион. науч.-практ. конф., 21 мая 2009 г., г. Орел. Орел : Орловская литература и книгоиздательство и К, 2009. - С. 83-85.
48. Кушуль,
М.
Я.
Теория
вибрационного
погружения
цилиндрического стержня в упруго-пластическую среду / М. Я. Кушуль,
А. В. Шляхтин. – М. : Недра, 1978. – 132 с.
49. Лавров, Г. Е. Машины и оборудование для сооружения переходов
трубопроводов больших диаметров под дорогами / Г. Е. Лавров,
Т. Х. Саратов. – М. : ВНИИСТ, 1974. – 72 с.
50. Лавров,
Г.
Е.
Механизация
строительства
переходов
магистральных трубопроводов под автомобильными и железными дорогами /
Г. Е. Лавров, Т. Х. Саратов. – М. : Недра, 1978. - 132 с.
51. Лавров, Г. Е. Строительство переходов под дорогами /
Г. Е. Лавров. – М. : Изд-во ВНИИСТ, 1961. - 99 с.
52. Лускин,
А.
Я.
Бестраншейная
прокладка
труб
способом
виброударного прокола / А. Я. Лускин // Сборник статей / Ленинград.
ВНИИГС. - 1961. - С. 38-44.
53. Механизированный
инструмент,
отделочные
машины
и
вибраторы / Т. И. Бойко [и др.]. – М. : Машиностроение, 1998. – 192 с.
54. Минаев, В. И. Виброударная установка для бестраншейной
прокладки
трубопроводов
под
улицами
городов
/
В.
И.
Минаев,
В. С. Смыслов // Виброударные машины производственного назначения : сб.
ст. / МДНГП. - М., 1971. - № 1. – С. 199-201.
55. Минаев, В. И. Исследование процесса виброударного прокола
грунтов применительно к бестраншейной прокладке трубопроводов : дис. …
канд. техн. наук / В. И. Минаев. – М., 1965. – 124 с.
56. Минаев, В. И. Машины для строительства магистральных
трубопроводов / В. И. Минаев. – М. : Недра, 1973. – 139 с.
80
57. Минаев, В. И. Машины для строительства магистральных
трубопроводов / В. И. Минаев. – М. : Недра, 1985. – 429 с.
58. Минаев, В. И. Обоснование метода вибрационного прокола
грунтовых препятствий / В. И. Минаев // Строительство трубопроводов. 1964. - № 7. - С. 23-25.
59. Минаев, В. И. Перспективы развития техники для бестраншейной
прокладки трубопроводов / В. И. Минаев, Г. Г. Баландюк // Механизация
строительства. – 1993. - № 7. – С. 6-7.
60. Минаев,
В.
И.
Принцип
самодвижения
вибрационных
проходческих систем / В. И. Минаев // Механизмы и машины ударного,
периодического и вибрационного действия : материалы междунар. науч.
симп. (22-24 ноября 2000 г., Орел). – Орел : ОрёлГТУ, 2000. - С. 131-136.
61. Неймак,
Ю.
И.
Теория
вибрационного
погружения
и
выдёргивания / Ю. И. Неймак. – М. : Госэнергоиздат, 1952. – 224 с.
62. Остапенко, В. А. Механические виброударные системы /
В. А. Остапенко. – Киев : Наукова думка, 1966. – 243 с.
63. Покровский, Г. И. Новые методы исследования сжимаемости и
внутреннего трения в грунтах / Г. И. Покровский, А. А. Эрлих, Н. В. Лалетин
// Вестник военно-инженерной академии РККА. - 1934. - № 6. - С. 34-39.
64. Применение пневматических машин ударного действия для
устройства подземных сооружений : экспресс-информация №2 / ОНТИ
института ОМТПС Минстроя СССР. – Ярославль, 1977. - № 2. – 24 с.
65. Протасов,
Ю.
И.
Теоретические
основы
механического
разрушения горных пород / Ю. И. Протасов. – М. : Недра, 1985. – 242 с.
66. Протодьяконов, М. М. Методика рационального планирования
эксперимента / М. М. Протодьяконов, Р. Н. Тедер. - М. : Наука, 1970. – 76 с.
67. Ракишев, Б. Р. Бурение специальных скважин в мерзлых горных
породах / Б. Р. Ракишев, Б. Ф. Шерстюк, Е. К. Ястребов. – М. : Недра, 1998. – 314 с.
81
68. Рауневич, Г. И. Применение пневмомашин ударного действия
для устройства подземных сооружений / Г. И. Рауневич, В. А. Козлов,
А. Д. Костылев // Механизация строительства. - 1978. - № 5. – С. 8-10.
69. Ребрик, Б. М. Вибрационное бурение скважин / Б. М. Hебрик. –
М. : Стройиздат, 1983. – 191 с.
70. Ребрик, Б. М. Справочник по бурению инженерно-геологических
скважин / Б. М. Ребрик. – М. : Недра, 1983. – 288 с.
71. Ребрик, Б. М. Ударно-вибрационное зондирование грунтов /
Б. М. Ребрик, В. Ф. Вишневецкий. – М. : Недра, 1978. - 88 с.
72. Рекомендации по технике безопасности при работе на установках
горизонтального бурения : Р. 220-76. – М., 1976. – 10 с.
73. Ржаницын, А. Р. Теория ползучести / А. Р. Ржаницын. – М. :
Стройиздат, 1968. – 288 с.
74. Руководство
по
проходке
горизонтальных
скважин
при
бестраншейной прокладке инженерных коммуникаций / ЦНИИОМТП
Госстроя СССР. – М. : Стройиздат, 1982. – 95 с.
75. Савинов, О. А. Современные конструкции фундаментов под
машины и их расчет / О. А. Савинов. – М. : Стройиздат, 1964. – 200 с.
76. Савинов, Ю. А. Вибрационный метод погружения свай и его
применение в строительстве / Ю. А. Савинов, А. Я. Лускин. – М. :
Госстройиздат, 1960. – 251 с.
77. Севрюгин,
В.
П.
Ручные
машины
/
В.
П.
Севрюгин,
И. Л. Чекркасов, В. В. Сочилов ; под ред. С. П. Епифанова. – М. : Стройиздат, 1982. - 231 с.
78. Сергеев,
Е.
М.
Методическое
пособие
по
инженерно-
геологическому изучению горных пород. В 3 т. Т. 1 / Е. М. Сергеев,
С. Н. Максимов, Г. М. Березкин. - 2-е изд. - М. : МГУ, 1968. – 438 с.
79. Скворцов, И. Д. Создание и обоснование параметров установок с
вращательными колебаниями рабочего органа для бестраншейной прокладки
: дис. канд. техн. наук / И. Д. Скворцов. – Омск, 1982. – 156 с.
82
80. Сооружение подводных трубопроводов : учебное пособие для вузов /
Б. В. Самойлов, Б. И. Ким, В. И. Зоненко, В. И. Кленин. – М. : Недра, 1995. – 304 с.
81. Стодола,
А.
Принцип
регулирования
Сименсов.
Теория
автоматического регулирования / А. Стодола. – М. : АН СССР, 1949. – 268 с.
82. Строительство подводных переходов трубопроводов бестраншейным
способом : СНиП 2.05.06-85. – М. : Госстрой СССР, 1993. – 82 с.
83. Теренецкий,
Л.
Н.
Экспериментальные
и
теоретические
исследования вопросов виброметода бестраншейной прокладки труб : дис.
канд. техн. наук / Л. Н. Теренецкий. – М., 1967. – 141 с.
84. Ткаченко, Р. Н. Установка УГБ-1000 для бестраншейной
прокладки трубопроводов / Р. Н. Ткаченко, Н. П. Олейников // Информационный
листок № 73, серия 18 А-П – М. : ЦИНИС Госстроя СССР, 1987. – 4 с.
85. Указания по зондированию грунтов для строительства : СН 44872. – М. : Госстрой СССР, 1973. – 29 с.
86. Васильев, С. Г. Усовершенствование установок горизонтального
бурения / С. Г. Васильев // Транспортное строительство. – 1970. - № 6. – С. 4-6.
87. Установка для бестраншейной прокладки труб методом прокола :
а. с. № 379754 СССР : МКИ Е 02 F 5/18 / Ю. А. Донорский, А. В Гридина
(СССР). – 1989.
88. Устройство для погружения трубопроводов при бестраншейной
прокладке : А. с. № 55153 СССР / М. Г. Цейтлин [и др.]. – Опубл. 1977, Бюл. № 7.
89. Устройство ударного действия для образований скважин в грунте
: пат. 2134746 Рос. Федерация : МПК 6 Е 02 F 5/18 / Горин А. В., Ушаков
Л. С., Синько А. Н., Котылев Ю. Е. ; заявитель и патентообладатель Орловский гос.
технич. ун-т. – № 96115881; заявл. 31.07.96 ; опубл. 20.08.99, Бюл. № 23. – 3с. : ил.
90. Устройство ударного действия для образований скважин в грунте
: пат. 2176716 Рос. Федерация : МПК 7 Е 21 В 4/14, Е 02 F 5/18 / Горин А. В.,
Ушаков Л. С., Котылев Ю. Е., Ушаков А. И. ; заявитель и патентообладатель
Орловский гос. технич. ун-т. – № 2000116968/03 ; заявл. 26.06.00 ; опубл.
10.12.01, Бюл. № 34. – 3с. : ил.
91. Ушаков,
Л.
83
Активный
С.
факторный
эксперимент.
Математическое планирование, организация и статистический анализ
результатов : учеб. пособие / Л. С. Ушаков, С. А. Рябчук, Ю. Е. Котылев. –
Орел : ОрелГТУ, 2002. – 39 с.
92. Ушаков, Л. С. Гидравлические машины ударного действия /
Л. С. Ушаков, Ю. Е. Котылев, В. А. Кравченко. – М. : Машиностроение, 2000. - 416 с.
93. Ушаков, Л. С. Исследование импульсного гидропневматического
привода агрегата бестраншейной прокладки трубопроводов / Л. С. Ушаков,
Ю. Е. Котылев, А. В. Горин // Интерстроймех – 2001 : труды междунар.
науч.-техн. конф. (27-29 июля 2001 г., Санкт-Петербург). - CПб. : СПбГТУ,
2001. – С. 380-382.
94. Ушаков, Л. С. Новое в технологии бестраншейной прокладки
инженерных коммуникаций / Л. С. Ушаков, А. В. Горин // Механизмы и
машины ударного, периодического и вибрационного действия : материалы междунар.
науч. симп. (22-24 ноября 2000 г., Орел). – Орел : ОрёлГТУ, 2000. - С. 94-96.
95. Фирарёв,
И.
В.
К
расчету
фундаментов
ограждающих
конструкций кузнечных цехов / И. В. Фирарёв, Р. Д. Филиппов, Г. В. Канаков
// Основания, фундаменты и механика грунтов. - 1976. - № 1. - С. 17-21.
96. Хретинин, И. С. Исследование бестраншейной прокладки
трубопроводов при помощи механизма Д.В.С. : дис. … канд. техн. наук /
И. С. Хретинин. – М., 1975. – 178 с.
97. Цейтлин, М. Г. Вибрационная техника и технология в свайных и
буровых работах / М. Г. Цейтлин, В. В. Ветров, Г. П. Азбель. – Л. :
Стройиздат, 1987. – 261 с.
98. Цейтлин, М. Г. Исследование двухударного вибрационного
нагружения / М. Г. Цейтлин, И. Л. Крымский, В. В. Верстов // Вибромашины
производственного назначения : сб. ст. / МДНТП. - М., 1971. - № 2. - С. 156-160.
99. Цытович, Н. А. Механика грунтов / Н. А. Цытович. – М. : Высш.
школа, 1983. – 288 с.
84
100. Черноморенко, Н. И. Методы и основы реологии в почвоведении
/ Н. И. Черноморенко. - М. : МГУ, 1990. – 196 с.
101. Шапошников, И. Д. Определение усилия протягивания рукава по
криволинейному каналу / И. Д. Шапошников, Е. С. Заммулин //
Совершенствование процессов и узлов горных машин : сб. ст. – Фрунзе :
ФПИ, 1990. - С. 102-106.
102. Экспериментальные
исследования
импульсного
гидропневматического привода агрегата для бестраншейной прокладки
инженерных коммуникаций / Л. С. Ушаков, А. В. Горин, А. И. Ушаков,
С. Н. Семенюк // Вибрационные машины и технологии : сб. науч. тр. - Курск
: Курск. гос. техн. ун-т, Курск. гуманит.-техн. ин-т, 2001. – С. 58-61.
103. Lobbe
Armin
Vorprebeinrichtun
–
gen
fiir
unterirdische
Rohrleitungen // Wasserwirtsdhaft. – 1993. - № 2. – S. 8-9.
104. Lobbe Armin Vorprebeinrichtungen fur unterirdische Rohrleitungen
// Wasserwirtschaft. – 1974. - № 2. - Р. 55-57.
105. Mirayma. On the Secondary Consolidation of Clay / Mirayma // Proc.
11 Jap. Congress Test. Mat. - 1958. – P. 12-18.
106. Pneumatic piercing toot cuts gas main installation cost in Houston //
Pipelin and Gas. - 1978. - № 3. – Р. 2-4.
107. Tan, T. K. Investigations on the Rheological Properties of Clay / Т. К.
Tan. - Delft, 1954. – 120 p.
108. Verlegung von Rohrleitungen unter der Erder ohn Grabenausnub //
Masch und Werkzend. - 1978. - № 2. - Р. 21-24.
109. Vorpebein rich tungen fiir unterdische Rohrleitungen // Don-Jun. 1994. - № 9. – S. 12-13.
110. Vorprebeinrichtungen fur unterirdische Rohrleitungen // Bau-Ju. –
1973. - № 5. - Р. 14-16.
85
ПРИЛОЖЕНИЕ А
Техническая характеристика выпускаемых пневмопробойников
Страна,
фирма(разработ
чик),
модель
Россия,
ИГАС,
ПСП-38
Россия, ИГД
СО РАН
ДЖЛ-798
СО-198
ИП-4610
ИП-65
СО-144
ИП-80
ИП-4605 Б
ИП-115
ИП-4603 Б
ИП-145
СО-134 А
ДЖЛ-832
СО-166
М-130
М-200
ФРГ,
Grundomat,
40 Е
ФРГ, Terra,
Т-042
ФРГ,
Grundomat,
45 Е
ФРГ, Essig,
IPM-45
Англия,
Pneumatic
Punchers 45
США,
PirceAirrow
ФРГ, Essig,
IPM-55
Диаметр
пробойн
ика, мм
Длина,
мм
Масса,
кг
Число
ударов
Расход
воздух
м3/с
Рабочее
давле
ние,
МПа
Энерг
ия
удар.
Дж
с-1
38
550
2,7
30
20
0,6
7
45
900
6
7
5
0,6
10
55
55
65
70
80
95
115
130
145
155
185
235
240
262
40
1100
1200
1360
1385
1500
1500
1500
1500
1700
1720
1200
1700
1680
2210
880
14
14
30
28
50
55
80
90
140
150
150
270
340
640
4,5
6
6,5
6,2
5,5
5,8
5,5
5,5
6,2
5,5
4,2
5,7
3,7
3,6
3,2
10
8,3
22
17
25
30
53
80
53
80
133
90
139
140
150
6,7
0,6
0,63
0,6
0,6
0,6
0,6
0,6
0,6
0,6
0,6
0,6
0,6
0,6
0,6
10
15
17
60
60
110
115
250
270
500
650
950
1300
1400
42
900
7
8,3
10
45
900
8
8,3
7,5
45
965
8,2
5,5
13,3
45
800
7
51
1067
11,6
8,7
23,3
55
1120
12,2
5,5
13,3
22,3
86
ПРИЛОЖЕНИЕ Б
Техническая характеристика установок горизонтального бурения
Параметры
Диаметр патрона
мм
Длина перехода,
м
Мощность
двигателя, кВт
Скорость
проходки, м/ч
Усилие подачи,
кН
Габариты,
мм
Масса с
комплектом
оборудования,
кг
УГБ-4
ГБ-1021
ГБ-1421
ГБ-1422
325-630
630-1020 1220-1420
1220-1420 до 1720
до 60
до 60
до 60
до 60
до 60
29,4
55,1
55,1
73,5
49
до 15
до 10
до 6
до 9
до 2
480
33770
х1660х
2200
480
4950
х2200х
2680
800
1600
4800х
5600
2200х2900 х2200х
2900
7000
2000
х2020х
5300
12780
19800
12000
53000
22000
ГБ-1621
87
ПРИЛОЖЕНИЕ В
Техническая характеристика установок УВП-1 и УВП-2
Параметры
Мощность электродвигателя
Статический момент дебалансов
Частота колебаний
Амплитуда возмущающей силы
Тяговое усилие лебедки
Масса вибратора
Масса направляющей рамы
Диаметр прокладываемых труб
Длина прокладываемых труб
Ед.изм.
кВт
кгсм
Гц
кН
кН
кг
кг
мм
м
УВП-1
7
40-160
0,33-0,66
7,1
7,5
630
480
112-152
25-30
УВП-2
28
до 2000
0,33-0,39
320
30
2400
1100
до 400
25-30
88
ПРИЛОЖЕНИЕ Г
Техническая характеристика виброударных установок
Параметры
Ед.изм.
ЭВУ
кгсм
прокол,
продавлив
ание
1424,2124,
3324
прок.-325
прод.-1020
0,2
Назначение
Статический момент
дебалансов
Диаметр трубопровода
мм
Частота колебаний
Длина проходки
Гц
м
ВУ-2
УВ-221
прокол
прокол
1424
529
219
0,2
40
18
89
ПРИЛОЖЕНИЕ Д
Осциллограммы работы импульсного привода
Рн=10мПа; Ра=3мПа; Р2=10мПа
Рн=10мПа; Ра=2мПа; Р2=10мПа
Рн=16мПа; Ра=3мПа; Р2=16мПа
Рн=16мПа; Ра=2мПа; Р2=16мПа
90
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа