На правах рукописи
Семкин Дмитрий Сергеевич
ОБОСНОВАНИЕ РАЦИОНАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ И РЕЖИМОВ
РАБОТЫ ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ РАЗРАБОТКИ ГРУНТА
ПОД МАГИСТРАЛЬНЫМ ТРУБОПРОВОДОМ
Специальность 05.05.04 – «Дорожные, строительные
и подъемно-транспортные машины»
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Омск – 2012 19
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия (СибАДИ)»
кандидат технических наук, профессор
Научный руководитель:
Демиденко Анатолий Иванович
Официальные оппоненты:
Галдин Николай Семенович доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО «Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия (СибАДИ)», заведующий кафедрой «Подъемно-транспортные, тяговые машины и гидропривод»
Глушец Виталий Алексеевич кандидат технических наук, доцент Омского института водного транспорта (филиал) ФБОУ ВПО «Новосибирская государственная академия водного транспорта», заместитель директора по учебной работе Национальный исследовательский
Ведущая организация:
Иркутский государственный технический университет (НИ ИрГТУ)
Защита состоится 22 июня 2012 года в 1400 часов на заседании диссертационного совета Д 212.250.02 при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия (СибАДИ)» по адресу: 644080, г. Омск, проспект Мира, 5, ауд. 3124.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Сибирская государственная автомобильнодорожная академия (СибАДИ)».
Отзывы на автореферат в двух экземплярах с подписью, заверенной печатью учреждения, просим направлять в адрес диссертационного совета.
Телефон для справок: (3812) 72-99-76; e-mail: [email protected]
Автореферат разослан 15 мая 2012 года.
Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.250.02 В.Н. Кузнецова
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Россия располагает протяженной сетью магистральных трубопроводов, которые являются важной составляющей ее энергетической системы. Поддержание их в исправном состоянии необходимо для безопасного функционирования всего топливноэнергетического комплекса страны.
Для обеспечения современных темпов проведения ремонтных работ, их безопасности и качества ремонта требуется эффективное технологическое оборудование.
В настоящее время вскрытие магистральных трубопроводов при капитальном ремонте осуществляется в два этапа. Вначале, для исключения повреждения трубопровода производится предварительное вскрытие с оставлением слоя грунта, находящегося в непосредственной близости. Затем осуществляется окончательное удаление грунта, как правило, по всему периметру трубы. Сложность выполнения данной технологической операции обусловлена ограниченным доступом к разрабатываемому грунту, а также возможностью повреждения трубопровода.
Наиболее распространенным оборудованием, выполняющим окончательное удаление грунта, являются роторные подкапывающие машины, передвигающиеся по трубопроводу с помощью отталкивания от него. Однако данное техническое решение имеет ряд существенных недостатков. В процессе работы на трубопровод оказывается силовое воздействие, поэтому во избежание повреждения трубопровода сила тяги машины ограничивается, что не позволяет значительно повысить производительность. Низкая производительность подкапывающих машин является сдерживающим фактором для движения ремонтно-строительной колонны. Потребность машины во внешнем источнике энергии и привлечении дополнительных средств механизации затрудняет перебазировку на места локальных повреждений. Поэтому актуальной является задача разработки новой конструкции оборудования, которая позволит повысить эффективность производства земляных работ при капитальном ремонте магистральных трубопроводов.
Одним из направлений совершенствования конструкции является создание универсального сменного оборудования на базе одноковшового экскаватора. При этом для эффективной работы требуется создание оборудования непрерывного действия, процесс подкапывания грунта которым изучен недостаточно.
Цель работы – повышение эффективности оборудования для разработки грунта под магистральным трубопроводом за счет выбора его рациональных параметров и режимов работы.
Для достижения поставленной цели сформулированы следующие задачи:
1. Провести обзор и анализ существующих конструкций оборудования для разработки грунта под магистральным трубопроводом.
2. Разработать математическую модель взаимодействия рабочего органа 3. Провести экспериментальные исследования процесса копания грунта рабочим органом.
4. Разработать методику обоснования рациональных параметров и режимов работы оборудования.
Объектом исследования является конструктивно-технологическая система «цепной рабочий орган – грунтовый массив».
Предмет исследования – закономерности влияния параметров и режимов работы цепного рабочего органа на удельную энергоемкость процесса копания грунта.
Методы исследования. Обзор, анализ и обобщение результатов выполненных исследований; теоретические исследования базируются на положениях теории предельного равновесия и уравнениях теоретической механики; экспериментальные исследования основаны на использовании теории планирования и методах статистической обработки данных.
Научная новизна работы:
– разработана математическая модель процесса копания грунта цепным рабочим органом при удалении грунта из-под магистрального трубопровода и разработке траншеи;
– установлены зависимости удельной энергоемкости процесса копания грунта цепным рабочим органом от его геометрических параметров и режимов работы;
– экспериментально установлена зависимость коэффициента транспортирующей способности скребка от углов установки его транспортирующих поверхностей.
Практическая значимость:
– предложено техническое решение конструкции оборудования для разработки грунта под магистральным трубопроводом;
– предложена методика обоснования рациональных параметров и режимов работы оборудования;
– использование разработок и результатов исследований в учебном процессе по соответствующим специальностям и направлениям подготовки.
На защиту выносятся:
1. Математическая модель взаимодействия цепного рабочего органа с разрабатываемой средой.
2. Результаты экспериментальных исследований процесса подкапывания 3. Методика обоснования рациональных параметров и режимов работы оборудования.
Достоверность научных положений, изложенных в работе, подтверждается экспериментальными исследованиями, проведенными в лабораторных условиях.
Апробация работы. Основные результаты исследований доложены, обсуждены и одобрены на заседаниях кафедры «Техника для строительства и сервиса нефтегазовых комплексов и инфраструктур» СибАДИ 16.05.2011, 16.02.2012, на заседании экспертного совета факультета «Нефтегазовая и строительная техника» 15.03.2012, на V и VI Всероссийских научнопрактических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых «Развитие дорожно-транспортного комплекса и строительной инфраструктуры на основе рационального природопользования» (Омск, 2010 г., 2011 г.), на 63-й научно-технической конференции ГОУ «СибАДИ»
(Омск, 2009 г.), на 64-й научно-технической конференции ГОУ «СибАДИ» в рамках юбилейного международного конгресса, посвященного 80-летию СибАДИ «Креативные подходы в образовательной, научной и производственной деятельности» (Омск, 2010 г.), на III Всероссийской молодежной научно-технической конференции «Россия молодая: передовые технологии – в промышленность» (Омск, 2010 г.).
Реализация результатов работы. Результаты исследований приняты к внедрению в отраслевом институте «ОМСКГАЗТЕХНОЛОГИЯ» ОАО «Газпром», а также используются в учебном процессе на кафедре «Техника для строительства и сервиса нефтегазовых комплексов и инфраструктур» при проведении лабораторных работ по курсу «Машины для земляных работ».
Публикации. Основные положения и результаты диссертационной работы опубликованы в 7 статьях, из них 2 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, получено 2 патента на полезную модель.
Структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных результатов исследования и выводов, библиографического списка, включающего 73 наименования, и трех приложений. Работа изложена на 161 странице и включает 7 таблиц и рисунок.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обосновывается актуальность темы, излагается научная новизна работы и практическая значимость, а также основные положения, выносимые на защиту.
В первой главе рассматриваются технологии ремонта магистральных трубопроводов, приводятся обзор и анализ существующих конструкций оборудования для их вскрытия.
Капитальный ремонт магистральных трубопроводов производится методом замены труб. На участках, не имеющих существенных дефектов стенки трубы, осуществляется только замена изоляционного покрытия. Для устранения локальных повреждений трубопровода применяется выборочный ремонт.
Вскрытие магистральных трубопроводов осуществляется в два этапа. На первом этапе производится разработка боковых траншей ниже нижней образующей трубопровода. Для исключения повреждения ремонтируемого трубопровода между стенкой трубы и землеройными механизмами экскаватора оставляется слой грунта (рис. 1).
Рис. 1. Профиль траншеи Рис. 2. Роторная подкапывающая Освобождение ремонтируемого участка трубопровода от оставшегося грунта производится с помощью подкапывающего оборудования, осуществляющего удаление грунта по всему периметру трубы, что позволяет обеспечить необходимый для ремонта доступ.
В настоящее время большинство работ по подкапыванию трубопроводов при капитальном ремонте протяженных участков осуществляется роторной машиной, передвигающейся по трубопроводу (рис. 2).
Недостатком данных машин является низкая производительность, что в сложных грунтовых условиях может являться сдерживающим фактором для движения ремонтно-строительной колонны. Производительность роторных машин ограничена тяговым усилием механизма передвижения, так как во избежание повреждения ремонтируемого трубопровода усилие фиксации на нем ограничивается.
Для обеспечения подачи электроэнергии машина имеет мобильную электростанцию, смонтированную на прицепе. Подъем, перестановка подкапывающей машины, а также буксировка электростанции производятся трубоукладчиком. Данные конструктивные особенности снижают мобильность оборудования, что затрудняет использование машины при ремонте локальных повреждений магистральных трубопроводов.
Машина имеет ограничения по использованию на участках, имеющих изгиб трубопровода, элементы запорной арматуры и в местах ответвлений.
Рабочее место оператора имеет низкие эргономические показатели, так как управление осуществляется с помощью ручного пульта в различных климатических условиях.
Одним из направлений совершенствования машин для подкапывания трубопроводов является создание оборудования непрерывного действия на базе одноковшового экскаватора. Компания «Komatsu» выпускает экскаватор с роторной подкапывающей машиной (рис. 3).
является ее полная автономность.
Однако оборудование не имеет жесткой связи с экскаватором, и тяговые возможности базовой машины не используются. Подача роторов в процессе копания осуществляется с трубопровода, что создает деформации и внутренние напряжения металла трубы. Рис. 3. Роторная подкапывающая Разработка грунта при ремонте локальных повреждений может осуществляться также одноковшовыми экскаваторами, оснащенными специальными устройствами для поворота рабочего органа. Данные конструкции осуществляют подкапывание без силового воздействия на трубопровод. Однако цикличность процесса копания и отсутствие технических устройств, исключающих возможность повреждения трубопровода, затрудняют работу оператора и снижают производительность.
В работе рассмотрены теоретические исследования процесса копания грунта, проведенные Н.Г. Домбровским, Ю.А. Ветровым, К.А. Артемьевым, В.И. Баловневым, Д.И. Федоровым, И.А. Недорезовым, А.М. Завьяловым и другими, а также исследования в области разработки грунтов рабочими органами непрерывного действия, выполненные З.Е. Гарбузовым, Л.Е. Подборским, Э.А. Джангуляном, Г.В. Родионовым, В.Г. Зедгенизовым, Г.В. Гумбургом, В.И. Ковалевым. Анализ работ показал, что процесс подкапывания грунта данными рабочими органами изучен недостаточно.
На основании проведенного обзора и анализа результатов были сформулированы цели и задачи исследования.
Во второй главе рассматривается процесс взаимодействия цепного рабочего органа с грунтом.
Как правило, цепные рабочие органы имеют несколько линий резания со скребками различной формы (рис. 4), что приводит к образованию стружки сложного сечения (рис. 5).
Толщина срезаемой стружки определяется соотношением скорости рабочего хода экскаватора и скорости движения цепи рабочего органа, а также шагом скребков и углом наклона рабочего органа относительно траектории движения экскаватора.
где р.х – скорость рабочего хода экскаватора, м/с; ц – скорость движения цепи рабочего органа, м/с; – угол наклона рабочего органа, град; z – количество скребков, расположенных между однотипными скребками, шт; t – шаг скребков, м.
В общем случае сила сопротивления копанию грунта цепным рабочим органом определяется зависимостью где Рi – сила сопротивления копанию скребком i-й формы, Н; ni – количество скребков i-й формы, одновременно взаимодействующих с грунтом, шт; m – количество линий резания, шт; Ртр – сила сопротивления транспортированию разработанного грунта, Н.
Общее уравнение для определения касательной силы сопротивления копанию грунта одним скребком можно представить следующим образом где РКрез – касательная сила сопротивления грунта резанию, Н; РКстр – касательная сила сопротивления перемещению стружки грунта по скребку, Н; РКин – касательная составляющая силы инерции разработанного грунта, Н.
В общем случае сила резания грунта расходуется на отделение стружки от массива режущей кромкой, на изгиб срезанной стружки и сдвиг грунта по боковым поверхностям.
Общее уравнение для определения касательной силы сопротивления грунта резанию можно представить следующим образом где РКсж – касательная сила сопротивления грунта сжатию режущей кромкой, Н; РКизн – касательная составляющая силы трения грунта по поверхности износа режущей кромки, Н; РКизг – касательная сила сопротивления срезаемой стружки изгибу, Н; РКсдв – касательная сила сопротивления грунта сдвигу по боковым поверхностям, Н; Кдин – коэффициент динамичности резания.
В процессе резания происходит смятие грунта поверхностями затупления режущей кромки. Для упрощения расчетов допустим, что затупление кромки происходит по дуге, аппроксимированной двумя линейными функциями (рис. 6).
Тогда касательная сила сопротивления грунта сжатию режущей кромкой где сж – предельное напряжение сжатия грунта, Па; – толщина затупления кромки, м; 0 – угол наклона грани к траектории движения скребка, град; L – длина режущей кромки, м; µ – коэффициент трения грунта по стали; – угол установки режущей кромки в плане, град.
Для более точного определения силы сопротивления грунта сжатию режущей кромкой можно произвести линеаризацию истинной формы затупления кромки несколькими отрезками.
В процессе резания также возникает сила трения грунта по поверхности износа режущей кромки (рис. 7). Допустим, что давление на площадку износа будет равным напряжению смятия грунта, тогда где изн – ширина поверхности износа, м.
После отделения стружки от массива грунта режущей кромкой, она продвигается по ножу скребка, при этом происходит ее изгиб (рис 8).
По данным Д.И. Федорова, при изгибе срезаемой стружки в зависимости от свойства грунта начало образования трещин смещается вдоль ножевой поверхности скребка в сторону режущей кромки либо от нее.
Изгиб стружки происходит аналогично изгибу консольной балки.
Минимальное условие, при котором произойдет данный изгиб где Мсопр. изг – момент сопротивления изгибу стружки грунта, Н·м; Мизг – изгибающий момент от действия силы сжатия грунта ножевой поверхностью скребка, Н·м.
Тогда длина площадки сжатия грунта, достаточная для изгиба срезаемой стружки где W – момент сопротивления поперечного сечения стружки, м3; р – предельное напряжение растяжения грунта, Па.
В пластичных грунтах значение Lсж достаточно велико, однако в более прочных грунтах площадь сжатия уменьшается, и начало распространения трещин смещается в сторону режущей кромки.
Таким образом, касательная сила сопротивления срезаемой стружки изгибу где – угол резания, град.
Сдвиг грунта по боковой поверхности происходит в месте изгиба срезаемой стружки. Площадь сдвига приближенно равна площади криволинейного участка боковой поверхности стружки грунта (рис. 9).
Тогда касательная сила сопротивления грунта сдвигу по боковым поверхностям с учетом бокового давления грунта где h – толщина срезаемой стружки возле боковой поверхности, м; – коэффициент бокового давления; µ2 – коэффициент трения грунта по грунту.
Согласно В.П. Станевскому, существует критическая скорость резания, обусловленная вязкостными свойствами грунта. В.П. Фомичев предлагает учитывать влияние скорости резания на силу сопротивления грунта разрушению с помощью расчетного коэффициента динамичности резания где р – скорость резания грунта, м/с; 0 – предельное касательное напряжение грунта, Па; – плотность грунта, кг/м3.
Таким образом, касательная сила сопротивления грунта резанию Аналогичным образом можно представить нормальную составляющую силы сопротивления грунта резанию При работе цепного рабочего органа по схеме подкапывания трубопроводов действие силы тяжести приводит к обрушению отделенной от массива грунта стружки на боковые поверхности скребка. Поэтому сила тяжести не препятствует продвижению стружки по скребку и не вызывает значительного трения грунта по его поверхности (рис. 10).
Рис. 10. Обрушение срезаемой Рис. 11. Продвижение стружки по Таким образом, для практических расчетов силу сопротивления перемещению стружки грунта по поверхности скребка в данном случае можно не учитывать.
При транспортировании разработанного грунта в процессе копания происходит изменение скорости его движения. Работа, совершаемая при изменении скорости движения разработанного грунта, приближенно равна кинетической энергии, которой обладает транспортируемый грунт в конце пути копания. Тогда касательная составляющая силы инерции разработанного одним скребком грунта где S – площадь срезаемой стружки, м2.
В случае равномерного распределения скребков разных форм по рабочему органу, количество скребков i-й формы, одновременно взаимодействующих с грунтом где Впод – ширина подкапывания под трубопроводом, м.
При производстве работ по подкапыванию трубопроводов рабочий орган располагается горизонтально, и подъем грунта не происходит. Однако перед скребком образуется призма волочения, которая создает силу сопротивления транспортированию разработанного грунта где – угол наклона транспортирующей поверхности к горизонту, град; Si – площадь срезаемой стружки скребком i-й формы, м2; g – ускорение свободного падения, м/с2.
Грунт, находящийся над рабочим органом, разрушается в процессе подкапывания. При этом создается дополнительный объем грунта, который транспортируется рабочим органом. Средняя толщина слоя грунта, расположенного между трубопроводом и рабочим органом где D – диаметр трубопровода, м; К – минимальное расстояние от рабочего органа до трубопровода, м.
Таким образом, касательная сила сопротивления копанию грунта цепным рабочим органом при производстве работ по подкапыванию трубопроводов где РКiрез – касательная сила сопротивления грунта резанию скребком i-й формы, Н.
Аналогичным образом можно представить нормальную составляющую силы сопротивления копанию грунта цепным рабочим органом при производстве работ по подкапыванию трубопроводов где РNiрез – нормальная составляющая силы сопротивления грунта резанию скребком i-й формы, Н.
При работе цепного рабочего органа по продольной схеме копания возникает также сила сопротивления перемещению срезаемой стружки грунта по поверхности скребка (рис. 11).
где Lн – длина ножевой системы, м; Lс – длина поверхности скребка, м.
Сила сопротивления транспортированию разработанного грунта при продольном копании возникает также в результате подъема грунта из забоя.
где Н – глубина траншеи, м.
Таким образом, касательная сила сопротивления копанию грунта цепным рабочим органом при продольном копании РКкоп = (РКiрез+ Si · · g ·[Liн · µ · cos( – )· cos + Liс · µ · cos( – )· cos ]+ где Liн – длина ножевой системы скребка i-й формы, м; Liс – длина поверхности скребка i-й формы, м.
«