Влияние формы рыхлящих элементов на процесс взаимодействия с грунтом

УДК 624.139:624.132

ВЛИЯНИЕ ФОРМЫ РЫХЛЯЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ НА ПРОЦЕСС

ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ С ГРУНТОМ

1, 2,  3

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Саратовский государственный технический университет имени

» 1

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Саратовский государственный технический университет имени

» 2

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Саратовский государственный технический университет имени

» 3

Аннотация: В статье приводится результаты теоретических и экспериментальных исследований влияния формы рыхлящих элементов мерзлоторыхлительного оборудования на процесс взаимодействия с грунтом. Представлены аналитические зависимости сил сопротивления грунта разрушению от воздействия рыхлящих элементов

Ключевые слова:  рыхлящие элементы, геометрическая форма, мерзлый грунт, разрушение, забой, мерзлоторыхлительное оборудование.

INFLUENCE OF FORMS OF ELEMENTS IN THE PROCESS RYHLYASCHIMI WITH THE GROUND

Martyuchenko I. G. 1, Ivanov S. V. 2, Ivanov V. V. 3

The Federal State Educational Institutional of Higher Education «The Yuri Gagarin State Technical University of Saratov»1

The Federal State Educational Institutional of Higher Education «The Yuri Gagarin State Technical University of Saratov»2

The Federal State Educational Institutional of Higher Education «The Yuri Gagarin State Technical University of Saratov»3

Abstract: This paper presents the results of theoretical and experimental studies of the influence of the elements ryhlyaschimi merzlotoryhlitelnogo equipment in the process of interaction with the ground. Analytical zavismosti soil resistance forces destroyed by the impact ryhlyaschimi elements

Keywords: ryhlyaschimi elements, geometric shape, frozen soil, destruction, slaughter, merzlotoryhlitelnoe equipment.

На кафедре СДМ СГТУ была предложена новая конструкция мерзлоторыхлительного оборудования для производства работ преимущественно в стесненных условиях строительства (рис..1.)[1]/Данное оборудование имеет в своем составе рыхлящие элементы и тяговые винтовые наконечники. Принципиальные отличия по сравнению с существующими конструкциями является то, что рабочий орган, выполняет как тяговую функцию, так и рыхлящую. Тяговую функцию выполняют два винтовых наконечника, а рыхлящую функцию выполняют штанги переменного сечения, имеющие форму усеченного конуса. Такое конструктивное исполнение рабочих органов позволит исключить влияние на металлоконструкцию реактивного крутящего момента, снизить энергоемкость процесса разрушения, поскольку в рабочем процессе участвуют два рабочих органа в место трех или четырех как в существующих конструкциях.

   

Рис. 1. Мерзлоторыхлительное оборудование

Поскольку конструкция рабочих органов предполагает использование рыхлящих элементов конусной формы, а не клиновидной то необходимо определить влияние формы рыхлящих элементов на процесс взаимодействия с грунтом.

В процессе работы мерзлоторыхлительного оборудования под действием тяговой силы рыхлящие элементы внедряются в грунт, процессу внедрения будут препятствовать силы сопротивления грунта сжатию , силы сопротивления грунта трению и силы сопротивления отрыва элемента грунта в сторону открытой стенки забоя (рис..2.) [2].

Внедрение рыхлящих элементов сопровождается возникновением деформаций грунта, приводящих к разрушению структурных связей в грунте в зоне контакта. Грунт в свою очередь оказывает сопротивление воздействующей на него нагрузки, возникающей в нормальном направлении относительно рыхлящего элемента. Данный процесс, протекающий в грунтах повышенной прочности, характеризуется возникновением больших давлений при малой площади приложения нагрузки, где зависимость между деформацией грунта и напряжением сжатия находится в непропорциональной зависимости, что соответствует гипотезе – [4]:

где: величина относительной деформации грунта; удельное сопротивление грунта вдавливанию; показатель, зависящий от процесса вдавливания и физико-механических свойств грунта. В связи с этим элементарная сила сжатия грунта на произвольно взятую элементарную площадку равна:

Вследствие перемещения рыхлящих элементов возникнет деформация, которая будут зависеть от погружения рыхлящих элементов на глубину и угла заострения образующей поверхности рыхлящего элемента , а также угла внутреннего трения ).

Линейная деформация в зоне контакта грунта и рыхлящего элемента при его погружении происходит за счет того любая точка поверхности рыхлящего элемента смещается в радиальном направлении вдоль горизонтальной оси за счет приращения радиуса, а также в нормальном  направлении к образующей поверхности рыхлящего элемента.

Следовательно, при перемещении рыхлящих элементов на глубину приращение величины линейной деформации элементарной площадкой на поверхности рыхлящего элемента направленного по нормали к образующей будет равна:

где:		угол наклона образующей поверхности рыхлящего элемента конусной формы;
Рис.3. Схема силового воздействия  рыхлящего элемента с грунтом	Для определения нормальной силы сжатия грунта определим на поверхности рабочего органа произвольно взятую элементарную площадку dS, где будет возникать элементарная сила реакции грунта (рис. 3.) Площадь элементарной площадки, выражается из геометрических соображений: Подставив найденные выражения в уравнение для определения элементарной силы сжатия грунта то уравнение примет вид: В результате внедрения рыхлящих элементов силы трения будут, отклонят  векторы сил сжатия на величину угла трения грунта о материал рабочего органа (рис. 2.), следовательно, сила сжатия грунта, в контактной зоне взаимодействия поверхности рыхлящего элемента с учетом ряда преобразований будет определяться:

       С учетом ряда преобразований получена формула для определения сопротивления грунта сжатию рыхлящего элемента конусной формы:

где:

верхнее и нижнее основание рыхлящего элемента;

Исходя из использованной методики определения сил сжатия грунта от воздействия рыхлящего элемента конусной формы, можно определить силу сжатия грунта при внедрении рыхлящих элементов в форме клиньев , для сопоставления расчетных данных:

где:

ширина рыхлящего элемента имеющего форму клина.

Данные зависимости характеризуют значение силы сжатия грунта возникающей в результате контактного воздействия боковой поверхности рыхлящего элемента, имеющей форму конуса или клина в отношении разрабатываемой среды от геометрических параметров рабочего органа и грунтовых условий.

Другой неотъемлемой частью процесса внедрения любых рабочих органов, в том числе и в нашем случае для рыхлящих элементов является трение. Преодоление сопротивления трению занимает значительную часть от общего процесса внедрения.

Сила сопротивления грунта трению направлена по касательной вдоль боковой поверхности усеченного конуса , она выражается как произведение нормальной силы сжатия грунта на коэффициент трения «сталь – мерзлый грунт» , где коэффициент трения равен углу внутреннего трения, следовательно:

Подставив найденное выражение силы сопротивления грунта сжатию от воздействия рыхлящего элемента, в зависимость получим силу сопротивления грунта трению при внедрении рыхлящего элемента конусной формы:

Таким образом, подставляя в приведенное уравнение полученные зависимости сил сопротивления грунта сжатию, получены зависимости для определения величины сил сопротивления грунта трению по боковой поверхности рыхлящих элементов имеющих различную форму и геометрические параметры.

Основная работа мерзлоторыхлительного оборудования осуществляется в сторону открытой стенки забоя (рис. 2.).  Отрыв происходит в момент достижения критической глубины внедрения рыхлящих элементов и за счет увеличения сечения штанг к основанию происходит расклинивающий эффект и образование трещин скола. В результате приложения к рыхлящим штангам тягового усилия на поверхностях штанг будет возникать усилие стремящееся оторвать элемент грунтового массива при этом мерзлый грунт оказывает сопротивление на воздействующую нагрузку, которое будет характеризоваться предельным значением прочности грунта на разрыв.

Рис.4. Схема к определению силы сопротивления грунта  отрыву

Силу сопротивления грунта отрыву можно определить выражением: где: предельное значение прочности грунта на разрыв; площадь отрыва. Площадь отрыва от воздействия одной рыхлящей штанги можно представить в виде треугольной пирамиды, где поверхностями отрыва являются две треугольные поверхности, равные между собой.  Площадь отрыва определяется по следующей зависимости: где:площадь треугольной боковой поверхности

Площадь отрыва одной боковой поверхности трехгранной формы можно определить по трем сторонам согласно формуле Герона:

Подставив значения сторон в выражение (4) получим уравнение для определения площади поверхности отрыва грунта от воздействия одной рыхлящей штанги на разрабатываемую среду. С учетом предельного значения прочности грунта, на разрыв действующего в данном грунтовом массиве и площади отрыва, тогда сила сопротивления мерзлого грунта отрыву примет следующий вид:

Данная зависимость характеризует процесс сопротивления грунтового массива нагрузкам, направленным на отрыв элемента грунта в сторону открытой стенки забоя от расстояния до забоя  , угла скола и глубины скола данные параметры главным образом определяют объем скалываемого грунта, и соответственно площадь отрыва.

Подставляя найденные величины в зависимость (1) получим суммарное значение силы сопротивления грунта разрушению от угла заострения рыхлящей штанги соответствующей внешней нагрузки действующей на винтовой наконечник. На рисунке 5 изображен график изменения силы сопротивления грунта разрушению от угла заострения рыхлящей штанги при разных прочностных характеристик мерзлого грунта.

Исходя из использованной методики определения сил сопротивления грунта разрушению от воздействия рыхлящего элемента конусной формы, можно определить данную силу рыхлящего элемента в форме клина для сопоставления расчетных данных.

На графике (рис.5.а) представлены зависимости сопоставления величины крутящего момента винтового наконечника при использовании рыхлящего элемента конусной и клиновидной формы, а также сил сопротивления грунта разрушению от воздействия рыхлящих элементов имеющих данную форму (рис.5.б).

а  б

Рис.5. а – влияние формы рыхлящих элементов на крутящий момент;

б – влияние формы рыхлящих элементов на силу сопротивления грунта разрушению.

Из графика следует, что при воздействии внешней нагрузки на винтовой наконечник обусловленной силами сопротивления грунта разрушению рыхлящими элементами конусной формы, крутящий момент на 16% меньше по сравнению с рыхлящими элементами, имеющими форму клина. Это связанно с тем, что силы сопротивления грунта разрушению больше при внедрении рыхлящих элементов клиновидной формы на 20%.

С целью определения влияния формы рыхлящего элемента на процесс разрушения грунта проводились экспериментальные исследования. В качестве рабочих органов использовались рыхлящие элементы конусной и клиновидной формы, эксперимент проводился на  мерзлом грунте.

В ходе проведения экспериментов на модели грунта и на мерзлом грунте наблюдалось равная физическая картина процесса разрушения грунта вследствие воздействия рыхлящих элементов имеющих конусную и клиновидную форму. Картина разрушения характеризовалась возникновением трещин скола в направлении забоя и трещины в направлении глубины скола ведущих к разрушению грунтового массива  (рис.6,7) [2].

Рис.6. Разрушение мерзлого грунта рыхлящим элементом в форме клина .

Рисунок 3.8. Разрушение мерзлого грунта рыхлящим элементом в форме конуса .

При анализе картин разрушения мерзлого грунта от воздействия рыхлящих элементов различной формы наблюдалось общность данных картин. Экспериментально установлено, что форма рыхлящих элементов не оказывает влияния на объем скалываемого грунта, а характер разрушения от воздействия конусного рыхлящего элемента идентичен характеру разрушения при воздействии клиновидного рыхлящего элемента расхождение не превышает 8%.

На основе анализа аналитических зависимостей и с учетом экспериментальных данных было установлено, что использование рыхлящих элементов в форме конуса позволит снизить сопротивление грунта разрушению  на 20%, при этом объем скалываемого грунта не изменяется.

Библиографический список

А. с. 118983 Россия, МПК  E02F 5/30. Устройство для разработки мерзлого грунта /, (Россия). - № 000/03;заявл. 12.03.2012; опубл. 10.08.2012, Бюл. № 22.- 5с.:ил. Иванов, сил сопротивления грунта отрыву от воздействия рыхлящих элементов мерзлоторыхлительного оборудования / , , // Проблемы и инновации в области механизации и технологий в строительных и дорожных отраслях: Сб. науч. трудов междунар. научно-пр. конф./ СГТУ им. - Саратов. 2016.- Выпуск №2 С.3 – 7. Мартюченко, исследования физической картины процесса взаимодействия рыхлящих элементов с грунтовой средой / , , // Проблемы и инновации в области механизации и технологий в строительных и дорожных отраслях: Сб. науч. трудов междунар. научно-пр. конф./ СГТУ им. - Саратов. 2016.- Выпуск №1 С.7 – 14. Лозовой, мерзлых грунтов. (Методы интенсификации и создание системы машин для стесненных условий строительства)./ . Саратов гос. техн. ун-т,1978. – 184 с. Зеленин, разрушения грунтов механическими способами / . – изд. 2-е перераб. и доп. – М.: Москва,1968.- 376с.