«Булатов Г.Я. Учебное пособие Санкт-Петербург Издательство СПбГПУ 2002 Министерство образования Российской Федерации Санкт-Петербургский Государственный Политехнический Университет Булатов Г.Я. ВВЕДЕНИЕ В ОБЩУЮ ТЕОРИЮ ...»

Отсюда ясно усматривается такое важное положение, что основой технологии является механика, а специалист-технолог должен быть образован как физико-механик по проблемам обработки (переработки) строительных материалов, элементов, изделий… Таким образом, вызываемая общим развитием технического прогресса необходимость прогнозирования технологических процессов требует отыскания и установления связей между параметрами этих процессов. Однако процесс может протекать в различных режимах. И представляется весьма важным отыскание области определяющих параметров, отвечающих оптимальному режиму протекания технологического процесса. Оптимизация технологических процессов несет с собой существенный экономический эффект уже только потому, что она не требует каких-либо дополнительных капиталовложений на ее осуществление. Так, например, только за счет изменения на несколько метров ширины забоя, разрабатываемого экскаватором, можно существенно увеличить производительность землеройных машин.

Учитывая же громадные объемы землеройных работ (по данным академика А. Яншина эти объемы в мире составляют около 60 км3/год (объемы вулканической деятельности – 16)), общий эффект от оптимизации будет значительным. И если не считать затрат на постановку задачи и соответствующие расчеты, все это достигается с легкостью находки.

В настоящей работе и в [5] приведено несколько приближенных решений задач по оптимизации отдельных технологических процессов, относящихся в основном к строительной технологии грунтов. Разумеется, приведенные решения не могут претендовать на исчерпывающую точность – это лишь первые оценки.

В качестве критерия оптимизации принято, как правило, достижение максимума производительности той или иной рассматриваемой машины или технологического процесса в целом.

В большинстве случаев производительность труда является универсальным критерием эффективности технологических процессов, особенно в задачах оптимизации, где ресурсы остаются практически неизменными и где этот критерий совпадает с критерием экономичности. Здесь уместно вспомнить известные положения о том, что производительность труда есть определяющая характеристика общества, и о том, что всякая экономия сводится в конечном счете к экономии времени. В этом отношении повышение производительности и ведет непосредственно к снижению затрат времени, к сокращению сроков строительства.

Постановки задач и их решения были вызваны как нечеткостью (и даже иногда противоречивостью) рекомендаций в существующей технической литературе, так и непосредственно запросами практики проектирования.

Одновременно представлены некоторые общие подходы к проблемам выбора строительных машин и оценке их эксплуатационной производительности.

Предлагаемая работа может оказаться полезной не только для студентов строительной и горной специальности, но, по-видимому, также и для инженеров, занятых проектированием технологии, и естественно, для строителей-производственников, непосредственно решающих проблемы интенсификации технологических процессов. Научный же сотрудник (а равно и любой другой читатель) может практически подойти к предложенным решениям и усовершенствовать их или же поставить новые задачи оптимизации строительной технологии и выполнить их оригинальные решения.

И это будет вполне закономерно, поскольку, во-первых, нет такой задачи, решение которой нельзя было бы уточнить, а во-вторых, в области оптимизации технологии –непочатый край, и решение (хотя бы приближенное) даже некоторой части из них является проблемой, весьма благодарной для любого инженера, поскольку полученное решение может способствовать главной цели –повышению производительности человеческого труда.

Содержание данного пособия является продолжением и развитием положений, изложенных в источниках [6] и [5].

Системный подход базируется на следующих положениях.*) 1. Чем полнее множество осознанных альтернативных вариантов решений, тем больше вероятность нахождения среди них наиболее удачного.

2. Возможно все то, что не противоречит здравому смыслу. Поэтому применимы аналогии любой степени близости.

3. Выигрывая в одном, мы неизбежно проигрываем в другом. Оптимальное решение является компромиссным.

4. Мир полон случайностей. Поэтому не должны игнорироваться даже маловероятные события.

Методы научного познания (исследования):

1) натурный эксперимент (или испытания выделенного натурного объекта), 2) моделирование:

б) математическое.

Физическое моделирование основано на теории подобия.

Математическое моделирование – это изучение поведения объекта в тех или иных условиях путем решения уравнений его математической модели.

Эти модели делятся на:

А) аналитические (теоретические), базирующиеся на основных законах механики;

1. Перегудов Ф.И., Тарасенко Ф.П. Введение в системный анализ. – М.: Высшая школа, 1989. – 367 с.

2. Сухарев Э.А., Медвидь С.Ф. Оптимизация рабочих процессов и параметров строительных и мелиоративных машин. – Киев: УМК ВО, 1992. – 82 с.

Б) статистические (эмпирические), полученные формальной аппроксимацией результатов некоторых экспериментов, без выявления причинно-следственных связей.

Единственным критерием качества (достоверности) модели является достоверность полученных на ней прогнозов поведения реального объекта.

Проверка адекватности – это оценка достоверности модели на тестовых экспериментах.

Здесь же устанавливаются и границы применимости модели.

Основной этап в построении модели – идентификация математического описания объекта. Задача идентификации – найти неизвестные параметры (отдельные константы или их комплексы), характеризующие свойства объекта. Иначе говоря, любая модель – это лишь только жернова, и при неточных исходных данных никогда не получить удовлетворительного прогноза.

Качественный анализ модели, осуществляемый аналитическими методами исследования уравнений, позволяет получить без расчетов общую картину поведения объекта.

В вычислительном эксперименте, с использованием моделирующего алгоритма, роль опытной установки отведена ЭВМ, выполняющей вычисления по заданной программе. Для этого разрабатывается и план вычислительного эксперимента.

Преимущества математического моделирования перед натурным экспериментом:

1) расширяет исследования (предоставляет большее число вариантов), 2) дает информацию о будущем (прогноз), 3) дает дополнительные знания об объекте, 4) позволяет изучить другие объекты со сходным математическим описанием.

Вывод: на основании изложенного в качестве основного метода научных исследований предполагается использовать математическое моделирование в аналитическом представлении.

Разумеется, в работе дана лишь первая попытка некоторых обобщений и количественных оценок в столь обширной и необъятной области знаний, какой является технология.

ГЛАВА 1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Вещества и поля (веполи) составляют все сущее (т. е. материю). Выделим следующие состояния вещества:

Ж – жидкое, Состояния (классы) веществ (материалов) можно далее разделить на роды, например:

Т (хрупкий – ХР, пластичный – ПЛ, ползучий – ПЗ, текучий – ТК и т. д.), С (несвязный – НС, малосвязный – МС, связный – СВ, трехфазный – ТФ и т. п.), Ж (идеальная – ИД, вязкая – ВЗ, шведовская – ШВ), Г (воздух – ВЗ, спецгаз – СГ, сжатый – СЖ, вакуум – ВК и др.).

Физические поля разделяются на следующие:

Указанные выше вещества и поля (веполи) находятся в постоянном взаимодействии друг с другом. При этом взаимодействия, не зависящие от воли человека, называются природными, а зависящие – технологическими. Выделим основные составляющие части любых технологий:

Объект (ОБ) – часть материи (веполя), которая подвергается воздействию, изменению (обработке) и рассматривается как пассивная (ось X ), Субъект (СБ) – другая часть материи (веполя), которая воздействует на объект и представляется как активная (ось Y ), Окружающая среда (ОС) – остальная часть материи, поскольку в мире отсутствует пустота (ось Z ).

Эти составляющие могут образовать пространство возможных технологий (представленное на рис. 1.1.1), каждая точка которого детерминирована и соответствует определенной технологии, отличной от других.

Сюда же входят и все природные явления (взаимодействия). В основе своей пространство технологий четырехмерно, так как технология всегда является процессом и протекает во времени. Это пространство содержит около 5 тысяч простейших (элементарных) технологий.

Количество же сложных (комбинированных) технологий ограничений не имеет.

Освоение и даже изучение такого множества представляет трудности, поэтому человечество давно разделило это множество на отрасли: строительство, машино-, приборо-, авиа-, космостроение… В свою очередь каждая из отраслей разделена на более мелкие части и т. д.

Более существенно разделение технологий по областям знаний (механические, физические, химические, биологические и т. д.), которые дробятся далее по эффектам (например, плазменные, лазерные и др.).

Разумеется, эти классификации можно углублять и конкретизировать и далее. В каждой отрасли применяется собственное множество классификаций технологий по самым различным признакам. Например, известны классификации технологий строительства по назначению сооружений (ГТС, ГМС, ПГС, ТС, ПС и т. д.), по материалам (земляные, бетонные, металлические, монтажные и другие работы), по типам сооружений и др.

Одним из основных вопросов при разработке общей теории является более универсальная классификация технологий, по которой было бы возможно более точное и объективное (сущностное) разделение необъятного множества технологических процессов. В качестве основания такой классификации рекомендуется принять характер изменения материи в некотором заданном (рассматриваемом) объеме пространства в предположении, что материя распределена в пространстве не равномерно.

Итак в обобщенном виде все технологии (а также и природные процессы) предлагается разделить на четыре класса:

I – технологии, приводящие к уменьшению материи в некотором наперед заданном (рассматриваемом) объеме пространства, II – технологии, приводящие к ее возрастанию, III – технологии, приводящие к преобразованию материи без существенного изменения IV – технологии, обеспечивающие перенос (транспортирование) и сохранение (складирование) материи.

При этом под материей в широком смысле понимаются как вещества, так и поля, т. е.

масса, энергия, информация… 1.1.2. Классификация строительных технологий.

Строительные технологии как часть (отрасль) народного хозяйства в качестве объекта воздействия (обработки) имеют в основном вещество, определяемое, главным образом, массой и состоянием строительного материала, поэтому здесь практически возможно представление приведенной выше классификации в более простом (частном) виде.

И здесь все технологии (процессы) предлагается разделить на четыре класса в следующем их определении:

Класс I – процессы, приводящие к уменьшению массы строительного материала в заданном объеме пространства, Класс II – процессы, приводящие к нарастанию его массы, Класс III – процессы, связанные с изменением формы или свойства материала, Класс IV – процессы, не связанные с существенным изменением материала.

Класс I включает:

1. Демонтаж (разборка любой природы), 10. Суффозия, 4. Извлечение (очистка, удаление), 13. Выщелачивание, Класс II включает следующие технологические процессы:

1. Монтаж (сборка любой природы), 13. Наварка, 12. Кристаллизация, Класс III включает:

5. Оттаивание (обжиг, плавление), 12. Напряжение, сгущение, Класс IV – транспортные процессы.

Каждый класс характеризуется общими основными принципами и общими технологическими схемами движения строительных машин.

Некоторые же закономерности технологии являются справедливыми для многих технологических процессов, независимо от их класса.

И только этим можно, например, объяснить такое поразительное сходство траекторий движения таких далеких друг от друга во всех отношениях устройств как «конец» электрода при наплавке металла и грунтозаборное устройство земснаряда при разработке грунта.

Транспортные процессы пронизывают все строительные операции, и их закономерности могут быть рассмотрены отдельно. Складские же являются частным случаем транспортных (при скорости, равной нулю). При этом существенными с точки зрения технологии представляются состояния материалов.

1.1.3. Краткая характеристика классов.

Класс I – характеризуется отрывом, отделением части массы от монолита, для чего необходимо преодолеть сопротивление (прочность) материала, разрушить его. Разрушение материала можно вызвать деформациями растяжения – Р, сжатия – СЖ, сдвига – С, изгиба – И, кручения – К… Практически приходится иметь дело со сложными деформациями, составленными из нескольких элементарных, какими являются резание, демонтаж и т.п. Таким образом, здесь полностью применимы теории сопротивления и разрушения материалов, а инженер-технолог должен владеть фундаментальными основами физико-механики.

Следует отметить, что все технологии класса IV (транспортирование) также связаны именно с преодолением сопротивления среды, в данном случае перемещению (движению) транспортного средства, т. е. транспортные технологии сопровождаются элементами технологий классов I, II, III.

Технологии класса II (созидание, рост, уменьшение энтропии) не существуют без технологий класса I (разрушение, деградация, увеличение энтропии (энтропия – это, упрощенно, степень разупорядоченности системы).

В этом обнаруживается свойство внешней (между классами) парности технологий, как проявления всеобщего закона дуализма явлений. Существует свойство внутренней (например, внутри класса III) парности технологий, отличающихся знаком «+» или «–» направленности процесса (например, нагрев – охлаждение, намагничивание – размагничивание и т. п.).

Эти процессы связаны с изменением энергетического уровня объекта. Строго говоря, здесь присутствует и внешняя парность, например, если охлаждается объект, то одновременно нагревается субъект и (или) окружающая среда.

Нельзя не отметить, что всеобщему закону (т. е. относительности познания) подчиняются и технологии. Так, относительно и само понятие объекта обработки, поскольку в качестве последнего в равной степени могут рассматриваться и другие составляющие элементы (участники) технологии: субъект (рабочий орган) и окружающая среда. Например, работа бульдозера под водой может рассматриваться как обработка (минимум трех) объектов: 1) грунта, 2) ножа и 3) воды, одновременно, т. е. объективно существует лишь взаимодействие на границе соседних (соприкасающихся) сред (объектов). Таким образом, объект обработки выделяется в технологии на основании лишь конкретной цели. И здесь важнейшее значение имеет точка отсчета, или, точнее, система координат.

Взаимодействия же можно разделить на:

а) поверхностные (внешние, граничные), б) объемные (внутренние), однако в большинстве случаев и внутренние (проникающие) взаимодействия можно привести к граничным. Например, внутренние напряжения в массиве грунта можно рассматривать как внешнюю нагрузку на его отдельные частицы.

1.1.4. Понятие о субъекте технологии.

Субъектом (активным началом) технологии также может быть вещество и поле, т. е. любая составляющая материи или их комбинация.

Субъектом (элементом воздействия) называем рабочий орган, носителем которого является машина (строительная, станок, оборудование, обрабатывающий центр, инструмент, ЭВМ…).

В развитой машине выделим следующие основные составные части:

6) УПДВЖ – система управления ДВЖ, 11) СО – система отвода «лишней»

Машина служит для преобразования энергии и ее направления от источника на объект технологии. Во всех частях своих она может использовать любые вещества и поля материального мира (см. Пространство технологий).

1.2. Общие закономерности технологической науки Как и в любой науке, в технологии можно выделить некоторые обобщающие закономерности.

1. Масса удаленного из выемки материала (за вычетом потерь при транспортировании и отходов) равна массе его в насыпи, т. е.

KC – коэффициент сохранности материала при его перемещении (трансгде портировании) и по истечении времени, KИ – коэффициент использования материала в насыпи.

В объемном выражении это запишется в виде где K P – коэффициент разрыхления материала в насыпи по сравнению с выемкой:

где сух – соответствующие плотности материалов.

Закономерности (1) справедливы для потоков как материалов, так и энергии и информации … и зарядов и магнитных диполей… Отсюда вытекает вывод о том, что поток материалов изменяется по пути следования и во времени.

2. Продолжительность (время) любой работы (процесса) равна объему работы (или длине пути), разделенному на интенсивность (или скорость) ее выполнения, т. е.

Отсюда могут быть определены и другие входящие величины, так как эти выражения обратимы. При этом объем может быть измерен в любых единицах, а интенсивность – в соответi ствующих ему и измерителю времени. Например, измеритель объема – м (метр в i -й степени), где i = 3, 2, 1, 0, а также единицы веса, массы…, а измеритель времени – с, мин, ч, сут, нед, мес, год, …. Заметим, что на практике в расчетную продолжительность работ следует вводить соответствующий коэффициент запаса.

По аналогии с гидравликой интенсивность работ некоторые авторы называют потоком.

Линейная скорость потока материалов по любому из направлений где J – объемная скорость потока материала, называемая просто интенсивностью или потоком (аналогичная расходу воды по трубе в гидравлике), – площадь сечения потока материала (аналогичная площади сечения водовода), при этом сечение перпендикулярно вектору скорости.

Для описания технологических процессов в линейной постановке введем следующие дифференциальные зависимости:

При этом величина L здесь может рассматриваться как путь по любому ( X, Y, Z, S,K ) из направлений строящегося сооружения (для любого класса технологии) или движения строительной машины или ее элемента (рабочего органа).

И для объемного как наиболее обобщенного представления:

Последние выражения применимы и при любых других измерителях объема работ (площади, штуки, единицы, …).

Здесь V0, L0 и T0 – постоянные интегрирования, отражающие начальные условия расчета (ранее выполненный объем, задел в строительстве…) Граничные условия расчета:

Здесь TCTP – продолжительность выполнения любых работ (или процессов), объемы которых соответствуют LCOOP и (или) VCOOP.

3. Возведение любых сооружений, включая и обработку материала, выполняется по частям. Например, в выемке: частица, агрегат (ком, кусок), стружка, слой, элемент забоя, лента проходки, ярус, участок, карьер… В насыпи: частица, агрегат, порция, кирпич, лента (ряд), панель, слой (карта), блок (участок), насыпь (сооружение, склад)… Здесь минимальный неделимый технологический объем (часть, порцию) назовем техатомом, а их объединения – техмолекулами.

При этом объем сооружения будет где qi – объем низшего (принятого в качестве исходного, неделимого) элемента (техатома), j K k – номера элементов высших порядков, т. е. техмолекул, составляемых из низших элементов (техатомов).

Аналогично разделяются и суммируются составляющие (т. е. элементы) технологий.

При этом любую технологию можно разложить на сколь угодно малые элементы.

4. Всегда возможна оптимизация состояния (характеристик) материала перед его обработкой: изменение плотности, влажности, температуры, зернового состава и т. д. перед экскавацией, перед уплотнением и т. п., что позволит снизить затраты ресурсов.

Оптимизация параметров технологии, в т. ч. и размеров частей сооружений, позволяет повысить производительность труда.

5. Любая характеристика любого процесса в первом приближении может быть представлена как функция времени 6. Значение любого коэффициента может быть уточнено представлением его в виде произведения частных коэффициентов 7. Закономерности развития технологий (строительства, машино-, самолето-, корабле-, ракетостроения…) едины, а параметры технологий отличаются лишь количественно. Так, например, резание грунтов, древесины, металлов, пластмасс… отличается лишь значением усилия, а стружка там и там завивается в спираль (!).

Любая технология использует природные явления и поэтому описывается соответствующими физическими (в широком смысле) законами на основе системного подхода.

При этом уровень описания технологии может быть различным:

1) нормальный уровень – системный;

2) более высокий уровень – надсистемный (назовем его «макротехнология»);

3) более низкий – подсистемный («микротехнология»).

Хотя микротехнология и является основой всего здания технологии, она пока менее всего исследована.

Но уже в настоящее время технологии разделяются на механические, физические, химические, биологические, космические, социальные… В последние годы особо выделяются высокие интеллектуальные технологии науки и образования.

8. Все технологические процессы сопровождаются как потерями (в т. ч. отходами), так и примесями (в т. ч. загрязнениями) и отличаются друг от друга качеством основного продукта и степенью экологической чистоты.

9. Все технологические процессы сопровождаются износом субъекта (рабочего органа).

10. Интенсивность работы технологической цепи (комплекта машин) определяется ее наиболее слабым звеном, характеризующимся минимальной производительностью.

1.3. Пути развития технологий и технических систем Технические системы развиваются, в значительной мере повторяя пути развития биологических систем, но только более быстрыми темпами и тоже по определенным путям и в соответствии с общими закономерностями. По аналогии с живой природой в развитии технологий также действует закон Дарвина, но только при искусственном отборе. Часть направлений развития технических систем приведена ниже.

1. Спаренная работа машин (принцип взаимопомощи): 1.1. параллельное соединение (типа «катамаран») – бульдозеры, идущие параллельно, в т. ч. работающие с одним отвалом, 1.2. последовательное соединение:

– автомобили в сцепе, перешагивающие через валежник и канавы, – скреперы, применение толкачей, 1.3. комбинированное – например, вальцы катков, Эти пути развития вызваны еще тем, что комбинирование (объединение, кооперация) машин приводит к большей производительности или меньшей стоимости (цены) по сравнению с индивидуальными (работающими отдельно) машинами, что можно записать в виде фундаментальных неравенств развития природы, общества и техники где RЭ, TЭ, N Э – соответственно касательные усилия срезания стружки и трения и нормальное усилие, развиваемое экскаватором (возможности машин), RГ Р, TГ Р, N Г Р – соответствующие указанным усилиям сопротивления грунта резанию или копанию (требования к машине).

На рис. 3.2.1 приведены схемы нагрузок на ковш экскаватора. При этом усилия, развиваемые ковшом, заменены реакциями со стороны грунта.

Для нахождения искомых величин используем уравнения равновесия:

1) Из проекции сил на ось X 2) Из проекции на ось Z при f CT – коэффициент трения грунта по стали (0,1 – 0,6).

3) Из условия равенства моментов сил (относительно точки крепления ковша) Рис. 3.2.1. Схемы возможных усилий при резании грунта:

а – на стреле; б – на ковше экскаватора типа «прямая лопата»

В первом приближении этой величиной можно пренебречь.

Важным показателем является соотношение ортогональных составляющих усилий резания (коэффициент силового качества экскаватора):

Именно силовое качество экскаватора определяет, в конечном счете, его эффективность и производительность. Этот индекс определяется не только распределением мощностей напора и подъема ковша, но и устойчивостью всей машины, обеспечиваемой ограничением моментов M C и M Э. При этом условие резания будет:

где Э – угол силового качества экскаватора, Г Р – угол сопротивления грунта резанию, зависящий также и от экскаватора (например, от степени износа ножа).

Угол силового качества экскаватора с гибкой (канатной) подвеской не является полностью управляемым, так как зависит от устойчивости стрелы, и в данной конструкции напорное усилие не всегда может быть реализовано полностью. Процесс резания полностью управляем лишь при жесткой (гидравлической) подвеске ковша, когда M C > 0. Однако и он ограничен моментом M Э опрокидывания экскаватора.

Здесь следует отметить и другой недостаток канатной подвески, заключающийся в том, что один механизм (подъема ковша) противодействует при резании другому механизму (напорное движение рукояти), тем самым существенно снижая нормальное усилие резания N Э (что видно из равенства (2)) и силовое качество экскаватора. Такое явление называют техническим противоречием. Оно тормозит развитие технической системы. Вероятно, поэтому гидравлические экскаваторы и получают большее развитие по сравнению с канатными.

3.3. К расчету усилий резания, развиваемых драглайном Схема резания грунта ковшом драглайна представлена на рис. 3.3.1.

Из условий равновесия получим:

Высота точки крепления каната Из последнего равенства вытекает, что при постоянном Z S и при переменном G в начале пути резания возможно опрокидывание ковша вперед, а в конце пути резания – опрокидывание назад и дополнительное трение ковша о грунт. Стабилизация ковша натяжением подъемного каната возможна, но при этом снижается нормальное давление N Э ковша на грунт, которое и без того мало, так как определяется лишь собственным весом ковша и грунта в нем, что следует из первых равенств. И это давление падает с увеличением угла откоса.

Недостатком драглайна является нерегулируемое силовое качество, поэтому здесь влияние типа грунта и износа ножа особенно велико.

Можно предложить следующие меры повышения эффективности драглайна:

а) утяжеление ковша, б) «плавающая» точка крепления к тяговому канату, в) применение принципа парашютного крепления ковша, г) посадка ковша на колесную ось, д) превращение ковша в прицепной скрепер, е) пригрузка тягой воздушного винта, ж) заброс ковша и сброс его с высоты, и) работа на откосах резания с оптимальным углом наклона к горизонту и др.

Разумеется, эти меры неполны, а отдельные из них требуют специальной проработки и исследований.

Рис. 3.4.1. Рабочие зоны (возможности) драглайна:

«Р» – зона резания (копания), «В» – зона выгрузки, «Вc» – дополнительная зона выгрузки за счет сыпучести грунта.

Расчетная схема рабочих зон (возможностей) драглайна приведена на рис. 3.4.1.

Из геометрических соображений получим предельные значения:

а) глубины бокового забоя б) глубины лобового забоя а также следующие зависимости:

Дальность выгрузки максимальная высота выгрузки где hK – длина ковша со стропами.

Максимальная ширина лобового забоя при погрузке на транспорт T то же на транспорт T3, подаваемый на подошву забоя, Определение параметров лобового симметричного забоя при работе в отвалы на две стороны приведено ниже. Схема – на рис. 3.4.2.

Из геометрических соотношений максимальные значения глубины забоя и высоты отвала будут ширина забоя ширина отвала по верху Рис. 3.4.2. Схемы работы драглайна:

а – план бокового забоя (по Б.Э.Казанцеву) с погрузкой через бункер 1 на конвейеры: 2 – приемный (забойный);

3 – передаточный (ярусный) и 4 – магистральный;

б – бункер с перегрузкой на самосвалы 5;

в – разрез по симметричному лобовому забою при выгрузке в отвалы.

T1, T2 и T3 – возможные оси движения транспортных средств, например, автосамосвалов.

Из условия равенства масс грунта в выемке и в отвале найдем при соблюдении условий (7) – (10).

Здесь, кроме геометрических размеров:

lП – шаг передвижки экскаватора, K P – коэффициент разрыхления грунта в отвале.

3.5. Работа многоковшовыми экскаваторами (МКЭ) 3.5.1. Классификация МКЭ.

Многоковшовые экскаваторы (МКЭ) классифицируются:

1. по назначению: а) верхнего и б) нижнего копания, 2. по технологическим признакам: а) поперечного (планирующие) – П и б) продольного черпания (траншейные) – Т, 3. по конструктивным особенностям рабочего органа: а) роторные – Р и б) цепные – Ц:

1) ковшовые и 2) баровые (зубовые), 4. по схеме навески рабочего органа: а) поворотные в плане и б) бесповоротные, 5. по окружающей среде: а) наземные, б) подземные, в) плавучие, г) подводные (донные), д) лунные… 3.5.2. Некоторые соотношения технологических параметров работы МКЭ.

Экскаваторы поперечного черпания (ЭП).

Из условия устранения пропусков (огрехов) при резании грунта скорости движения ковшей v K и экскаватора vЭ связаны определенной зависимостью где a – шаг ковшей, bK – ширина ковша, b – ширина перекрытия полос резания.

С другой стороны, из условия наполнения ковшей ЭП грунтом получим толщину стружки грунта где Qц – объем грунта в ковше, приведенный к состоянию в выемке, L – длина полосы резания, З – степень полноты захвата грунта ковшом, [ ] – допустимая из условий резания толщина стружки грунта.

Экскаваторы траншейные (ЭТ).

Расчетная схема представлена на рис. 3.5.1.

Из сравнения технических производительностей для машин цикличного и непрерывного действия при Tц = a v K получим где B и H – ширина и глубина траншеи.

Из условия наполнения ковшей ЭТЦ где – угол наклона v K к горизонту.

Рассмотрим треугольник скоростей (рис. 3.5.1). Из теоремы синусов получим где Э – угол между v K и vC при Из теоремы косинусов следует Из геометрических построений После подстановки и преобразований получим следующее уточненное соотношение:

которое при малых a превращается в приближенное, и 3.5.3. Применение метода самообрушения при разработке грунтов.

Для этого с помощью специального землеройного органа (шнек, пила, цепь, струна, струя воды и т. д.) прорезается опережающая щель, грунт забоя обрушается и затем удаляется основным рабочим органом (МКЭ, гидромониторы, землесосы и др.) Щель подруба, вызывающая обрушение, и поверхности, по которым обрушается часть массива грунта, показаны на рис. 3.5.2а.

Рис. 3.5.2. Оценка влияния подруба на обрушение уступа грунта:

а – схема уступа, б – зона устойчивого равновесия (заштрихована).

H – высота забоя (уступа грунта), l – глубина подруба.

На рис. 3.5.2б штриховкой выделена зона «У» устойчивого равновесия подрубленного слоя. Здесь кривые предельного равновесия: 1– на отрыв, 2 – на изгиб, 3 – на оползание (на сдвиг).

По принятой высоте забоя H определяют форму обрушения грунта и глубину подруба и наоборот. Здесь следует заметить, что известны и землеройные машины (это экскаваторыблокеры), которые забирают грунт еще до момента обрушения, т. е. захватывают ими вырезанные блоки грунта и переносят на транспортные средства или в отвал.

3.6. Меры повышения производительности экскаваторов 1. Мероприятия по борьбе с налипанием грунта на стенки ковшей:

а) применение вибрации, электроосмоса, воздушной подушки и т. п.

б) применение гибкой внутренней выворачивающейся прокладки, в) уменьшение толщины стружки, г) уширение ковшей и совершенствование их формы, д) выгрузка на максимальной высоте, е) очиститель ковша на конце стрелы, ж) покрытие поверхности антифрикционным материалом (например, нафтлен, созданный ПО «Ленполимер», f = 0,015), и) принудительная выгрузка грунта и т. д.

2. Мероприятия, повышающие коэффициент наполнения ковша:

а) оптимальная форма ковша, б) оптимальная высота забоя, в) короткие передвижки, г) применение сменных ковшей разной емкости, д) увеличение толщины стружки, е) регулярная заточка режущей кромки ковша и пр.

3. Мероприятия общего характера:

а) технологическая комлектность (достаточная емкость транспортных средств, обеспечивающая погрузку до 8 ковшей грунта), б) достаточное число транспортных средств, в) осушение забоя путем создания обратного уклона, г) поперечный уклон площадки стоянки в сторону выгрузки, д) подкладка брусьев под гусеницы экскаватора для предупреждения «засасывания»

е) применение бункерных и конвейерных схем, ж) применение многоточечной разгрузки ковша, з) оптимальная ширина забоя для экскаватора, и) оптимизация влажности, плотности, температуры грунта перед разработкой, к) сокращение времени цикла и т. д.

Анализируя приведенные меры повышения производительности экскаваторов, можно сделать следующие выводы:

А) эти меры вытекают из простых логических соображений, т. е. из здравого смысла, Б) большинство из них наглядно видно из формул расчета производительности и составляющих ее величин, В) многие следуют из общих закономерностей технологии и из путей развития технических систем (см. пп. 1.2 и 1.3), Г) новые меры можно получить из обзоров новейших патентов и научных исследований, Д) разумеется, можно заказать или провести собственные исследования, Е) наблюдаются меры, входящие в противоречие друг с другом (например 1.в и 2.д), что указывает на необходимость их оптимизации, ….

Отметим, что несколько таких мер (или даже одна, если новая) могут послужить тем новым источником прибыли, который обеспечит победу фирме в конкурентной борьбе в условиях рынка. И эти новые меры повышения производительности и качества продукции инженер должен уметь искать, находить и применять.

3.7. Применение землеройно-транспортных машин 3.7.1. Расчет усилий резания, развиваемых скрепером.

Схема сил представлена на рис. 3.7.1.

Из проекции всех сил на оси координат X и Y получим:

при Из равенства моментов относительно начала координат Здесь (см. (3.2.6)) Сила инерции сопротивление ветра Рис. 3.7.1. Схема возможных усилий скрепера при резании грунта.

сопротивление качению (см. гл. 8) сила тяги сцепной вес Расчеты показывают, что силовое качество скрепера определяется не только его собственным весом, но и весом грунта, поступившего в его ковш-кузов.

Аналогично скреперу можно рассчитать и другие машины (автогрейдер, длиннобазовый планировщик и т. п.) 3.7.2. Схемы работы и оценка рабочих усилий бульдозера.

Бульдозер – это тягач, оснащенный толкающей (упряжной) рамой с управляемым стальным щитом – отвалом. Отличается универсальностью и надежностью в работе. Ниже приведена классификация схем работы бульдозеров:

1) По способам разработки: а) полосовые, б) траншейные, в) сплошные, г) шахматные.

б) с промежуточным валом (складом) грунта.

3) По траектории движения: а) кольцевые, б) челночные (без поворота, т. е. с задним порожним ходом).

4) По отношению к сооружению: а) продольные, б) поперечные, в) зигзагообразные.

5) Схемы движения бульдозеров при засыпке траншей: а) продольные (с поворотным отвалом), б) поперечные челночные, в) смешанные (косо-перекрестные).

6) Схемы отсыпки сооружений осуществляются: а) горизонтальными слоями, б) наклонными слоями, в) пионерная отсыпка… 7) При планировке применяются удлиненные сквозные проходы при резании только под уклон, т. е. с середины холмика.

8) По поперечному профилю стружки: а) прямоугольная, б) гребенчатая, в) сегментная… 9) По продольному профилю стружки:

Схема сил, развиваемых на ноже бульдозера, а также погрузчика и т. п., аналогична таковой для скрепера, если, тем более, имеем дело с колесным бульдозером. Отличие лишь в том, что нож расположен не между, а впереди колес, что учитывается соответствующими размерами плеч сил. Если бульдозер гусеничный, то его в расчете полезно привести условно к колесному, т. е. реакцию грунта на гусеницы представить двумя силами: P – на передней кромке гусениц, и P – на задней кромке гусениц. Если управление отвалом гидравлическое, то коэффициент силового качества, как и у экскаватора прямая лопата, может быть достаточно большим (вплоть до момента отрыва передней кромки гусениц от грунта, т. е.

при P = 0 ). Если же управление канатное, то условия резания приближаются к таковым для драглайна, т. е. нормальное усилие N Э составляет лишь часть собственного веса конструкции отвала. И во всех случаях бульдозер подвержен буксованию, поскольку вес груза не включается в сцепной вес движителя, и, возможно, именно это техническое противоречие объясняет медленный рост производительности бульдозера.

3.7.3. Пути повышения производительности землеройно-транспортных машин.

Сразу же отметим, что здесь применимо большинство рекомендаций, предложенных для экскаваторов и здесь не повторяемых. Для скреперов применяются и следующие меры:

А. Меры по сокращению длительности цикла:

1) хорошее состояние землевозных дорог, 2) рыхление грунтов и применение зубьев, 3) оптимальные траектории движения, 4) сокращение числа переключений до 2-х, 5) применение толкачей при наборе грунта и на подъемах, 6) применение сдвоенных скреперов (скреперных поездов), 7) оптимальная длина резерва (равна удвоенной длине набора грунта), 8) применение шахматно-гребенчатой схемы разработки, 9) использование уклонов (до 1:15) при наборе грунта и др.

Б. Меры по повышению коэффициента наполнения ковша:

1) оптимизация плотности, температуры и влажности грунтов перед разработкой 2) применение принудительной загрузки, 3) установка боковых щитков для снижения потери грунта. Производительность повышается на 25%, 4) принудительное закрытие заслонки и устранение пересыпаний, 5) применение ножей косого резания, 6) применение бункерно-транспортерных схем и т. д.

В. Меры общего характера:

1) повышение скоростей движения (до 40 – 60 км/ч), 2) применение самоходных скреперов ( q = 25 50 м3), 3) фирмы «Эвклид» и «Летурно-Вестингауз» выпускают скреперы с двигателем, установленным сзади, «Катерпиллер» –с двумя двигателями, 4) фирма «Менк» выпустила скрепер-бульдозер, работающий без поворотов, т. е.

челночным способом, так как задняя скорость у него больше передней, 5) скреперный поезд «Летурно-Вестингауз» ( q = 70 80 м3, до 110 м3, мощностью 1200 л. с., с 8-ю колесами с электродвигателями в ступицах (т. н. мотор-колеса), 6) скреперы фирмы «Ганкок» с наклонным реверсивным конвейером загружают ковш в течение 1 мин без толкача. Выполняют бульдозерные, скреперные, планировочные и нагрузочные операции, 7) защитные стальные цепи на колесах скрепера повышают тяговые усилия, 8) на реверсивных толкачах устанавливается амортизированная толкающая плита, 9) разрабатываются скреперы с дополнительным инерционным двигателемаккумулятором (ИДА), что устраняет потребность в толкачах. Проф. Н.В. Гулиа (СССР) изобрел около 100 различных конструкций маховиков инерционных двигателей. Новые маховики выполнены из ленты стали или стеклоткани, что снижает опасность «стрельбы» при разрыве.

Особенности бульдозеров:

а) существенные изменения объема продукции (грунта) при транспортировании, б) не включение груза в сцепной вес, в) возможность исключения операции разгрузки, г) повышенная скорость заднего хода.

Пути повышения производительности бульдозеров (дополнительные к указанным для скреперов) приведены ниже.

1. Для снижения потерь грунта применяются:

а) боковые открылки (щитки), диафрагмы, козырьки, уширители отвалов, сферические отвалы… Щитки повышают производительность на 50%, б) траншейный метод транспортирования, в) работа с промежуточным складом и др.

Рекомендации по коэффициенту сохранности грунта при транспортировании приведены в [5, c. 18, 87].

2. Меры общего характера:

а) применение взрывных, гидравлических, роликовых, ленточных, скребковых, катамаранных отвалов, на пневмоподушке и т. п., б) пригрузка с помощью винтов вертолетного типа против буксования, в) сокращение цикла и простоев в работе, г) расширение области применения бульдозеров (планировщики, кусторезы, рыхлители, корчеватели-собиратели, толкачи, древовалы), 3.8. К расчетам производительности отдельных технологий I-го класса Основы расчета производительности приведены в главе 2, отдельные расчеты – в [5].

Здесь приведены лишь некоторые примеры особенностей расчетов.

3.8.1. Проходка туннелей.

Техническая скорость проходки туннеля горным способом где a – заходка (продвигание туннеля за один цикл), vц – частота циклов проходки туннеля.

TЦ TПОД Г

где S – площадь забоя (площадь сечения выработки или ее части).

В подготовительные работы входят: подкатка и откатка бурильных и других машин, заряжание, взрывание, проветривание забоя, оборка свода, устройство временной крепи и т. п.

Аналогично определяются скорости и других подобных технологических процессов (другие способы проходки туннелей, шахт, стволов, бурение скважин, создание полостей в грунте и пр.). Для бурения скважин заходка равна толщине слоя породы, снимаемой за один оборот сверла (долота), а частота циклов равна частоте оборотов бурового инструмента.

3.8.2. Уборка камней с поля.

Расчет производительности ведем для универсального камнеподборщика типа УКП-0, при цикличном процессе работы (см. п. 2.1), принимая где QK – объем камня в бункере (накопителе) УКП.

где GK – грузоподъемность бункера, K – плотность загрузки камня.

Продолжительность цикла Здесь времена соответствующих операций:

TМ. П и TМ. В – маневрирования перед погрузкой и выгрузкой, TП и TВ – погрузка и выгрузка, TГ. Х и TП. Х – груженый и порожний ходы, TПОВ и nПОВ – повороты и их число.

где TГ – время одной подачи камня гребенкой, m – число этих подач для погрузки бункера, TЗ. Г – время одного забора камня гребенкой, ТОП Р – время опрокидывания (выгрузки) гребенки.

где lЗ. Г – длина пути загрузки одного объема камней на гребенку, vЗ – скорость хода при загрузке, = 1,2 – коэффициент, учитывающий потери времени на разгон и торможение.

где QГ – объем одной загрузки на гребенке, bГ – ширина гребенки, b – ширина перекрытия полос подбора камней, hЗАК – приведенная толщина слоя закаменелости поля, З – КПД захвата камня гребенкой.

Пути груженого и порожнего ходов определяются из конкретной расчетной траектории движения машин. Аналогичным образом определяются производительности и большинства транспортных машин.

1 – канат; 2 – тягач; 3 – катушка для труб; 4 – гидроцилиндры подъема рабочего оборудования;

5 – маятниковый датчик; 6 – рама; 7 – стоечный нож; 8 – трубоукладчик; 9 – щуповый датчик; 10 – дернорез.

3.8.3. Прокладка дрен.

Для этой цели применяются специальные машины – дреноукладчики, которые делятся на два типа: траншейные и бестраншейные.

В наиболее полном виде дреноукладчик может включать следующие системы:

1) трактор-тягач;

2) землеройный рабочий орган (ЗРО), 3) укладчик дренажной трубки (трубоукладчик), 4) укладчик защитного фильтрующего материала (ЗФМ), 5) укладчик элементов гидравлической связи поверхности земли (пахотного слоя) с дренажной трубкой, 6) засыпатель полости (траншеи).

В траншейных машинах роль ЗРО выполняют многоковшовые экскаваторы (п. 3.5). В бестраншейных дреноукладчиках (рис. 3.8.1) эту роль выполняет вертикальный (стоечный) нож, который и прорезает в грунте полость (щель) для укладки в нее дренажной трубки.

Здесь в качестве гидравлической связи в щель может быть уложен непрерывный фильтрующий жгут по волновой линии, близкой к синусоиде.

По аналогии с формулой (6) п. 2.1 эксплуатационную скорость машинной укладки дренажных труб запишем в виде где v – техническая скорость движения дреноукладочной машины, Tпот – продолжительность i -го вида перерыва (потери времени) в работе машины после укладки дренажной трубки соответствующей длины li, считая от начала работы.

При i = 1 учитываем влияние потери времени Tпот на переход от одной дрены к другой:

где lд – длина дрены, vхх – скорость перехода (холостого хода дреноукладчика), Tподг, Tвсп и Tзакл – соответственно время подготовительных, вспомогательных и заключительных операций.

При i = 2 учитываем влияние потери времени Tпот на пополнение запаса дренажных трубок для укладки дренажной линии длиной l2.

При i = 3 учитываем влияние потери времени Tпот на пополнение запаса защитного фильтрующего материала (ЗФМ), необходимого для укладки дренажной линии длиной l3 :

где lЗФМ – длина запасенного ЗФМ, Kп – степень потребности дренажа в ЗФМ:

а) для ленточного ЗФМ Kп 1,0 ;

б) для объемного ЗФМ Kп 1,0 и где Vз – объем запаса ЗФМ в бункере, з – площадь сечения ЗФМ в дренаже.

При i = 4 учитываем влияние потери времени Tпот на пополнение запаса фильтрующего жгута, необходимого для укладки дренажной линии длиной l4, определяемой по выражению (3), в котором для фильтрующего жгута, укладываемого по «синусоиде», следует принять Аналогичные технологии и методики расчета производительности могут быть применены при прокладке других подземных коммуникаций и при выполнении многих других видов работ.

ГЛАВА 4. ОСНОВЫ ТЕОРИИ РАЗРУШЕНИЯ (ЭКСКАВАЦИИ) МАТЕРИАЛОВ

Деформации (и воздействия) делятся на статические и динамические, постоянные и переменные по величине и направлению.

Усилия (воздействия) отрыва могут передаваться как телами в их различных состояниях (твердое, газообразное…), так и различными физическими полями (тепловым, электромагнитным…), как это показано в п. 1.1.

Технологии, отнесенные к классу 1, могут включать и несколько воздействий разной природы и направления, как, например, процессы резания, демонтажа и др., которые могут быть сложными (комбинированными). Сюда можно отнести, например, и повреждения растительного и животного мира, и взлет (отделение от земли) ракеты, и извержение вулкана, выгрызание гусеницами капустного листа, и выедание микробами (или компьютерными вирусами) блоков памяти ЭВМ… Основные критерии отрыва (разрушения) можно записать в виде предельных состояний:

I: в напряжениях растяжения, сдвига, сжатия… II: в относительных деформациях удлинения, сдвига, сжатия… Критерии разрушения можно представить и в интегральных величинах, например:

1) в усилиях растяжения (сжатия), сдвига, … 2) в перепадах температур 3) в моментах изгиба, кручения, опрокидывания… 4) в напряженности полей Разумеется, к конкретных условиях процесса эти критерии раскрываются более детально.

По сути дела эти неравенства являются критериями выбора (см. п. 1.5), в которых слева приведены параметры возможностей, а справа – требования для выполнения технологий данного класса.

Заметим, что разрушение маловероятно лишь в одном идеальном случае: равномерного и всестороннего сжатия тела в форме шара.

Все технологии 1-го класса можно еще разделить на следующие подклассы:

А – отрыв части (техатома) от массива, Б – вырезание (выпиливание) части массива, В – вытеснение (раздвижка, раскалывание…) части массива в примыкающее (окружающее) пространство, Г – замещение массива по частям (техатомам) другим содержанием… Процесс резания можно уподобить процессу отделения стружки грунта при помощи прямого (плоского) или косого (трехгранного, сложного) клина. В начальный период происходит уплотнение грунта перед лобовой гранью клина, а затем срез. Срез грунта происходит отдельными следующими друг за другом циклами, т. е. резание осуществляется в режиме автоколебаний. Характер деформации грунта зависит от вида грунта и его состояния.

Различают следующие деформации грунта при резании:

а) в виде стружки (влажный грунт), б) в виде складок (грунт средней влажности), в) в виде отдельных кусков (сухой, связный грунт), г) в виде изгиба пласта (вязкий, растительный), д) в виде валика (песок), е) комбинированная.

Выделяют следующие условия резания стружки прямоугольного сечения:

1) блокированное (срезание по трем граням), 2) полусвободное (по двум граням), 3) свободное (по одной нижней грани).

Отметим, что перед ножом возникает уплотненный клин грунта, аналогичный таковому в основании фундамента или трамбовки при уплотнении грунта [5, с. 62].

Условия резания грунта приведены в п. 3.2. При горизонтальном перемещении ножа в грунте при угле резания P = 90° сопротивление грунта Rгр является по существу пассивным давлением грунта на вертикальную подпорную стенку (рис. 4.2.1а). Но если вес ножа и приложенного к нему вертикального усилия недостаточен для преодоления силы трения N гр между ножом и грунтовым клином, то будет происходить выталкивание (выглубление) ножа из грунта, как это происходит при углах резания больше 45°. При этом для связных грунтов рекомендуется уменьшать угол резания по сравнению с сыпучими. Для горизонтального перемещения ножа, что необходимо для резания грунта, к рабочему органу необходимо приложить вертикальную силу N Э, создающую определенное заданное углубление ножа (рис. 4.2.1б).

Рис. 4.2.1. Приближенные схемы деформации смещения грунта вертикальным ножом при отсутствии (а) и при наличии (б) Гашение выталкивающей силы, действующей на рабочий орган, может быть частично обеспечено также уменьшением угла резания. Однако, при снижении угла резания до величины менее 30° может произойти обратное явление, а именно зарывание ножа в грунт. Предупредить это можно лишь поддержанием рабочего органа в висячем положении приложением усилия, направленного вверх.

Вертикальная составляющая N гр сопротивления резанию определяется углом резания, типом грунта и коэффициентом его трения по стали, заточкой ножа, высотой отвала, так как перед отвалом землеройно-транспортных машин срезанный грунт накапливается и образует призму волочения.

Интенсивность давления грунта на подпорную стенку: активного – (а) и пассивного – (p) как сопротивления запишем в одном выражении в виде где и C – удельный вес грунта и его сцепление при срезе, z – ордината точки от поверхности грунта.

Заметим здесь, что при активном давлении стенка движется (уходит) от грунта, а при пассивном – надвигается на грунт.

Пригрузка поверхности грунта где П и hП – удельный вес и высота слоя пригрузки.

Коэффициенты и углы активного и пассивного давления на вертикальную стенку без учета трения грунта по ней (т. е. при угле трения µ = 0 ) будут где – угол внутреннего трения грунта.

На величину пассивного давления грунта значительное влияние оказывает трение грунта по стенке. Это видно, например, из таблицы коэффициентов пассивного давления в зависимости от угла µ трения по стенке талого грунта.

Суммарное линейное (погонное) давление на стенку где – высота стенки (толщина стружки, слоя грунта и т. п.).

Сопротивление горизонтальной срезаемой стружки можно приравнять пассивному давлению грунта. При резании в вертикальном направлении пассивное давление при q П = получено в виде Полное давление на нож где B – длина стенки (ножа, ширина ковша, отвала…) KV – коэффициент, учитывающий объемную деформацию грунта.

Предельные сопротивления (пределы прочности) грунта растяжению и сжатию ориентировочно равны Здесь приведем также и другие соотношения Коэффициенты физической анизотропии:

– для глинистых грунтов примерно 1,5;

– для глин = 0,7K0,25 при изменении = 0°K30°.

Здесь E – модуль деформации грунта, П Р – критическая (разрушающая) линейная деформация.

Для мерзлых грунтов известны соотношения:

в – смятие грунта под ножом; г – влияние крупных зерен грунта.

На рис. 4.4.1а приведена схема резания при отсутствии износа ножа ( r0 = 0 ), и здесь сопротивление грунта N гр заглублению ножа будет отрицательным.

На рис. 4.4.1б передняя кромка ножа закруглена вследствие износа (т. е. r0 >> 0 ), при этом сопротивление резанию резко возрастает. Перед закруглением ножа возникает уплотненный грунтовый клин, отделяющий стружку. Это явление «присоединенной массы» широко распространено в природе. Оно наблюдается и в металлообработке*) и при резании древесины. Увлечение части среды и сзади движущегося тела наблюдается в жидкости и в газе.

Требуемое усилие вдавливания ножа в грунт запишем в виде при где, кроме очевидного из рисунка, z – напряжения сжатия в грунте под острием ножа, E – модуль деформации грунта.

Введя соотношения получим где d – расчетный (осредненный по длине ножа) диаметр частиц грунта ( = d50 ).

Эмпирические коэффициенты в первом приближении можно принять Дополнительная сила трения где f ст – коэффициент трения стали по грунту (0,1–0,6). Следует отметить, что это возрастание дополнительных сопротивлений износа можно и нужно исключать своевременной заточкой, и это всегда окупается (вспомним хотя бы применение перочинного ножа).

4.5. Сопротивление прорезанию щели бестраншейным дреноукладчиком Щель в грунте прорезается вертикальным (стоечным) ножом (см. п. 3.8.3).

Сопротивление прорезанию представим в виде при где N л и Tб – соответственно лобовое и боковое сопротивления грунта движению ножа См. акад. Кузнецов, «Теория наростов при резании металлов».

Рис. 4.5.1. Расчетная схема сопротивления прорезанию щели в грунте.

N б – нормальное давление на боковой поверхности ножа, f ст – коэффициент трения стали по грунту (0,1–0,6).

В свою очередь где E p –суммарное линейное (погонное) пассивное давление грунта на стенку (см. п. 4.3) B и l – соответственно толщина и ширина ножа, Kv – коэффициент объемности выпора, Kф – коэффициент влияния формы ножа, w – коэффициент влияния степени развития давления в поровой воде (учет натуральной «смазки» поровой водой в грунте), Kf – коэффициент влияния применения специальных (искусственных) антифрикционных мероприятий на поверхности ножа, Kd – коэффициент влияния крупности зерен грунта, р – степень развития пассивного давления грунта.

По аналогии с учетом пространственности выпора грунта перед одиночной сваей запишем где для лобового давления d = B и для бокового давления d = l.

Заметим здесь, что сравнительный анализ данной методики с другими, применяемыми, например, для оценки сопротивлений перемещению кротователей и плужных каналокопателей, погружению свай, продавливанию (проколу) труб, выдуванию полостей в грунте и т. д., может привести к их взаимному обогащению и повышению точности прогнозов.

Отдельные мероприятия по снижению сопротивления прорезанию приведены в п. 1.3.4, а также в п. п. 3.6 и 3.7.3.

Перспективным представляется направление исследований по совершенствованию пилообразной формы ножа.

4.6. Приближенная оценка устойчивости выемки (полости) в грунте А) Давление на временную крепь горизонтальной горной выработки в скальном грунте при где – удельный вес породы, ho – высота свода обрушения, b – ширина пролета выработки, f п – коэффициент крепости породы по М.М. Протодьяконову, Rсж – предел прочности породы на сжатие (кгс/см2), п – угол внутреннего трения породы по М.М. Протодьяконову.

Б) Допустимая ширина незакрепленного пролета горизонтальной выработки где C – сцепление породы при срезе, Kзап – коэффициент запаса устойчивости свода (2…3), Пролет для вертикальной выработки (ствола) можно принять в 2 раза больше.

В) Предельная высота незакрепленного вертикального откоса (глубина возможной вертикальной трещины или щели) без учета фильтрационных сил где a – коэффициент активного давления грунта (см. п. 4.3).

Известный метод расчета (по Самсонову Л.Н.) основан на гипотезе отрыва массива грунта по концам корней. При этом грунт характеризуется предельным напряжением на разрыв.

Примечание: первичные численные расчеты были выполнены студентами ИСФ Бородиным А.А. и Липатовой И.В.

Рис. 4.7.1. Схема к расчету усилия вертикального корчевания деревьев.

Нами предлагается находить промежуточную поверхность отрыва массива из условия минимума сопротивления корчеванию с учетом, по отдельности, веса грунта, прочности корней, прочности скелета грунта и порового пространства на разрыв. При этом учитывается концентрация напряжений на оси ствола и неодновременность наступления их максимума.

Расчетная схема приведена на рис. 4.7.1.

Усилие вертикального корчевания дерева запишем в виде где P – вес надземной части дерева, Pгр – вес грунта, захваченного корнями при их извлечении, N к – вертикальная равнодействующая сопротивления разрыву корней, N ск – вертикальная равнодействующая сопротивления разрыву скелета грунта, N П – равнодействующая сопротивления разрыву пор грунта.

В свою очередь слагаемые представим в виде:

где rс – радиус ствола дерева в нижней части, Hc – высота дерева, c – коэффициент учета сбега и ветвистости дерева, д – удельный вес древесины ствола, гр – удельный вес грунта, ф.v, ф.s – коэффициенты формы отрываемого массива, соответственно по объему и по поверхности, Rк – предел прочности на разрыв корней, n – степень развитости корневой системы, Rск – предел прочности на разрыв скелета грунта, T – коэффициент одновременности развития сопротивлений разрыву, RП – предел прочности воды в порах на разрыв, П – степень глубины вакуума в порах при разрыве, mк – коэффициент концентрации напряжений в корнях, mск – то же, в скелете грунта, mП – то же, в порах грунта.

Rск = (0,0K0,1) МПа; T = 0,5K0,7 ; RП = 0,1 МПа; П = 0,0K0,5 при переходе от песков к глинам; mк = 2K3 ; mcк = 1,5K2 ; mП = 1,5K2.

Численные значения в расчете могут и должны быть уточнены.

Степень заглубления поверхности разрыва грунта:

при где r – глубина поверхности разрыва грунта, rк – глубина распространения корневой системы, rк – превышение глубины разрыва корней над глубиной разрыва грунта.

Предел прочности скелета грунта на разрыв может быть определен по выражению:

где и C – угол внутреннего трения и сцепление грунта при сдвиге.

Минимум функции N ( r или ) и будет решением поставленной задачи.

Уточнение решения может быть получено по следующим направлениям учета дополнительных факторов:

а) изменение прочности элементов (корневой системы и грунта) с глубиной, б) влияние скорости выдергивания, в) положение уровня грунтовых вод, г) многообразие и случайность форм и степени развития корневой системы и усложнение поверхностей разрыва грунта и корней, д) вариации грунтовых условий, е) уточнение коэффициентов концентрации напряжений, ж) сопротивление выдергиванию корней на участке rк ….

Рассматриваемая задача отрыва массы грунта для глин близка к задаче прилипания (присоса) затонувших судов, лежащих на илистом грунте, при подъеме которых возникает в поровой воде отрицательное поровое давление (вакуум), резко повышающее сопротивление отрыву. И это уже задача теории консолидации грунтовых масс механики грунтов, а точнее подтеории разуплотнения водонасыщенных грунтов (см. Флорин В.А., Бородавкин П.П., Иванов П.Л. и др.) Анализируя изложенное, можно предложить следующие меры снижения сопротивления отрыву:

а) штыкование (прокалывание) предполагаемой зоны отрыва, б) нагнетание воды или воздуха в эту зону, в) замедленное и пульсирующее выдергивание, г) продольная и поперечная вибрация, д) круговое расшатывание ствола, е) круговое подрезание извлекаемого массива… Отдельные положения данной работы могут быть применены и для условий корчевания камней, а также извлечения из грунта некоторых конструкций, например, анкерных устройств, «корневых» свайных фундаментов и т. п.

Отметим, что в Швеции уже создана специальная «лесотеребящая» машина производительностью 60 стволов в час.

ГЛАВА 5. ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИЙ II-ГО КЛАССА

(НАРАЩИВАНИЕ МАТЕРИИ)

Это класс технологий непосредственного строительства, созидания, роста, соединения, синтеза, укрупнения, наращивания, омоноличивания, упрочнения, питания, усвоения…, т. е. противоположный классу I.

И все же здесь следует отметить, что можно созидать и методами разрушения, по манере скульпторов «отсечь все лишнее», причем не только снаружи, но и изнутри: вырубание в скалах подземных сооружений и целых соборов. В последнем случае порода убирается и снаружи сооружений.

С помощью осуществления технологий класса II растут не только города, но и молекулы, не только космические станции, но и деревья, не только вулканы, но и люди, и их интеллектуальный потенциал. Сюда же относится и такая часть информационных технологий, как технология обучения… Из теории познания сюда относятся методы синтеза.

Развитая технология класса II включает следующие процессы:

1. транспортирование материала к массиву (сооружению), 2. подготовка (оптимизация параметров) массива, 3. оптимизация параметров окружающей среды, 4. подвод и обеспечение оптимальных условий работы машин и управления ими, 5. выверка положения и оптимизация состояния порции, 6. присоединение части (порции – техатома) к массиву, 7. омоноличивание порции с массивом, 8. контроль качества омоноличивания, 9. удаление машины (рабочего органа), 10. защита массива от произвольного обрушения, 11. контроль объемов присоединенных масс и обеспечение границ объекта, 12. отделка зоны присоединения к массиву, 13. транспортирование изделия на склад или для дальнейшей (укрупненной) сборки, В соответствии с законом сохранения масс (вещества) насыпь не может осуществляться без выемки и без промежуточной стадии транспортирования, поэтому процессы всех классов жестко связаны между собой, например, класс I не может быть осуществлен без класса II и часто III, и все классы по сути своей могут быть выражены единственно классом IV, так как все, что происходит в мире, есть только движение в четырехмерном пространстве.

Поэтому все технологии любого класса как начинаются, так и заканчиваются процессами транспортирования.

Процесс присоединения в основном определяет название технологии, относящейся к классу II. Омоноличивание порции с массивом осуществляется как процессами класса III, так и других классов. Аналогичные процессы протекают и при освоении учащимися новой информации при осуществлении обучающих технологий.

Сюда можно отнести и наращивание пчелами сот и заполнение их медом, нанесение красок на холст и чернил на бумагу (искусство, письменность), но и на рубашку тоже (все виды загрязнений), оседание космической пыли и засорение русел рек, все виды питания, рост кристаллов, биологических систем и их интеллекта… 5.2. Основные принципы возведения (созидания) сооружений.

1. Рост объекта (сооружения) происходит путем присоединения к целому (массиву) некоторых порций (частей), т. е. возведение производится по частям (складывается из отдельных технологических атомов).

2. Присоединенные части должны быть прочно закреплены (омоноличены) с целым (массивом) на требуемый период времени.

3. Отсюда следует, что наибольшего внимания требует качество выполнения швов между отдельными порциями и частями возводимого сооружения. Например, в каменных конструкциях промышленно-гражданских сооружений можно выделить следующие швы:

1) операционные (между камнями, кирпичами – техатомами):

а) тычковые (поперечные), б) ложковые (верстовые), в) постельные (межслойные), 2) технологические (между делянками), 3) строительные (между захватками), 4) секционные, деформационные, 5) температурно-усадочные, 6) примыкания стен, 7) примыкания перекрытий, 8) сопряжения с фундаментом, 9) сопряжения с кровлей, 10) сопряжения с проемами и т. д.

Швы имеются и внутри кирпичей (и связующего их раствора):

в) межминеральные, г) межмолекулярные, Швы в бетонных и грунтовых сооружениях аналогичны и приведены в последующих параграфах.

4. Как известно, общая прочность шва где R – удельная прочность шва (предел прочности при разрушении), Поэтому омоноличивающий материал (клей и пр.) должен быть не менее (а более) прочным, чем соединяемые части, и он должен быть до твердения достаточно подвижным (пластичным), чтобы обеспечить наибольшую площадь контакта соединяемых частей.

Отсюда и технология сварки, требующая размягчения (расплавления) материала, и применение суперпластификаторов и вибрационной обработки бетонной смеси и т. д. Прочность шва повышается также увеличением и его площади, например, утолщением шва, увеличением его длины и т. п.

5. Явление отторжения чужеродной субстанции наблюдается и в строительной технологии. Поэтому легче соединить близкие по составу и характеристикам (более родственные) материалы. И швы между ними к тому же менее подвержены старению, этому вездесущему спутнику и всемогущему индикатору Времени. Хотя в природе все сложнее: не менее значителен и другой спутник Времени – Созидание. Примерами последнего являются не только рост слонов и баобабов, но и кристаллов, и вулканов, и горных хребтов, и океанских впадин, и целых материков… Наука, например, утверждает, что Индостан, как одна из крупных тектонических плит, откололась от Австралии и Антарктиды и, «приплыв» к Азии, врезалась в материк, смяла его и образовала высочайший тектонический шов – горную цепь Гималаев.

Выделим следующие виды швов бетонных сооружений:

1. Граничные с основанием.

2. Граничные с другими сооружениями.

3. Деформационные (межсекционные).

4. Температурно-усадочные.

5. Строительные (межблочные).

6. Технологические (межслойные).

7. Операционные (межпорционные).

8. Композиционные (межзерновые, межфазовые), 9. Внутренние (межминеральные, межмолекулярные, межатомные…).

И качество сооружения, как и любой вещи, определяется прежде всего прочностью швов, в т. ч. и технологических, площадь которых определяется размерами блоков в плане и толщиной слоев.

На выбор размеров блоков бетонирования влияют следующие факторы:

1) обеспечение качества перекрытия швов между соседними слоями укладки бетона, то есть снижение ослаблений технологических швов, 2) устранение температурно-усадочных трещин в бетоне, предупреждение их возникновения, 3) сокращение стыков арматуры, 4) сокращение площади опалубливаемой поверхности, 5) сокращение площади омоноличивания кладки, 6) повышение производительности укладки бетона.

Таким образом, размеры блоков бетонирования определяются многими факторами, часто несущими в себе противоположные требования, и выбор, как и везде, является результатом компромисса.

Одним из основных факторов является обеспечение требуемого качества бетонной кладки, которое определяется надежным перекрытием слоев бетонирования. Качество сопряжения слоев определяется возрастом бетона предыдущего слоя к моменту перекрытия его последующим слоем, а также методами подготовки поверхности и обработки самого укладываемого слоя. Способ подготовки поверхности, естественно, определяется прочностью бетона, изменяющейся с его возрастом. В настоящее время известны следующие способы сопряжения слоев (и соответствующие им ориентировочные возрасты бетона при перекрытии слоев), гарантирующие качество швов сопряжения слоев бетона на портланд-цементе:

I-я стадия – укладка без обработки поверхности в пределах срока до начала схватывания II-я стадия – удаление цементной пленки струей воды при возрасте бетона до 12 часов III-я стадия – обработка песчаной струей через 2 суток после бетонирования, IV-я стадия – обработка поверхности стальными щетками при возрасте бетона до 12 суток, V-я стадия – насечка поверхности молотком с зубчатым наконечником (бучардой) при возрасте бетона более 12 суток, VI-я стадия – предварительное ослабление (размягчение) поверхности бетона обработкой 15%-ым раствором ССБ, при возрасте бетона более 28 суток.

Для примера, ориентировочные сроки набора расчетной прочности (на 100%) цементами, перечисленными ниже, составляют:

– портланд – 28 суток, – глиноземистый – 24 часа, – зубоврачебный – 5 минут.

Расчет размеров блоков из условия обеспечения надежности технологических швов производим по следующим зависимостям.

Запишем равенство масс бетонной смеси при подаче в блок ( M1 ) и в уложенном слое ( M 2 ) в виде откуда площадь блока в плане где Jпод – проектный поток подачи смеси в блок, Tсл – время укладки одного слоя смеси, h – толщина уплотненного слоя, под и б – плотности смеси соответственно при подаче и в уложенном слое.

где под – доля бетонной смеси от суммарной производительности бетонного завода J0, подаваемая в данный блок, nб – число одновременно бетонируемых блоков, Ппод – техническая производительность машины, подающей бетонную смесь в блок, N под – число подающих машин.

где T – возраст бетонной смеси от момента затворения до момента перекрытия следующим Tт р – время транспортирования (от момента затворения до момента окончания укладки одной порции смеси в блок). Под порцией понимается объем одной подачи смеси, Соотношения между размерами блоков в плане зависят от схемы разбивки и конкретных условий строительства. Высота блока назначается из перечисленных выше и других условий (например, защита от трещинообразования).

От выбранных размеров блока (и от его объема) зависит стоимость строительства сооружения. При этом существует оптимальный объем блока (и соответственно, его размеры), при котором стоимость будет минимальной.

При малых размерах блока стоимость бетонирования сооружения возрастает за счет увеличения площади опалубки, числа стыков арматуры, затрат на вспомогательные операции и т. п.

При больших размерах блоков потребуются повышенные затраты на обеспечение оптимального температурного режима и трещиностойкости бетона, а также надежности технологических швов и др.

В отдельных случаях расчетная площадь блока может оказаться меньше оптимальной.

Снять жесткие ограничения по площади блока позволяют и следующие меры:

1) переход к бетонированию наклонными слоями, где длина последних принимается в качестве расчетной ширины блока, 2) переход к токтогульскому методу, при котором рассеивание тепла происходит в вертикальном направлении, при высоте блока, равной толщине отсыпаемого слоя бетонной смеси.

В случае бетонирования наклонными слоями расчетной поверхностью (площадью) блока следует полагать наклонную поверхность (площадь) бетонирования. При этом получаем условия, при которых один из фактических размеров блока не имеет ограничений по критерию надежности перекрытия технологических швов.