Использование в строительстве новейшей техники и технологических методов позволит интенсифицировать и повысить надежность данного процесса.
Изобретение новой техники, методов ее применения и эксплуатации, а также ее усовершенствование, напрямую зависит от уровня теоретических и экспериментальных исследований и возможного периода внедрения их в производство.
Цель исследования. Сопротивление вращению фрезерного рабочего органа в среде глинистого раствора при разработке узких траншей устанавливается экспериментальным путем. Это объясняется присутствием глинистого раствора с тиксотропными свойствами. В связи с этим статья направлена на разработку уточненной методики экспериментального исследования нагружения фрезерного рабочего органа в среде глинистого тиксотропного раствора.
Материалы и методы исследования. Улучшение эргономических показателей и повышение конкурентоспособности заключается в совершенствовании машин путем улучшения их эксплуатационных свойств, ремонтопригодности и технического обслуживания. При этом решают следующие вопросы: создание конструкций, требующих значительно меньшего объема работ по техническому обслуживанию; использование оборудования с централизованной смазкой и управлением от бортовой ЭВМ; разработка конструкций, обеспечивающих легкий доступ к узлам; модульное, агрегатно-узловое конструирование машин; обеспечение группового сервиса путем сосредоточения оборудования и систем, требующих частого обслуживания в одном легкодоступном месте; использование узлов встроенными диагностическими системами [1, 2].
Повышение функциональных свойств машин и совершенствование РО связано с усоврешенствованием методов воздействия на грунт и новых способов разработки грунта с применением дополнительных физических эффектов и химических соединений, являющихся результатом исследований в области фундаментальных наук.
Большое значение приобретает применение новых эффектов для интенсификации процессов копания путем снижения сил трения грунта об инструмент. Другой важный вопрос – это исследования по использованию достижений газо- и гидродинамики для интенсификации разрушения и перемещения материала, горных пород и грунтов. В нашем случае, обусловлено применением глинистого тиксотропного раствора.
В мировой практике известны многочисленные примеры успешного применения способа «стена в грунте» при возведении массивных зданий и подземных сооружений в непосредственной близости от существующих зданий, эксплуатация которых не прерывалась при выполнении строительных работ.
Суть метода «стена в грунте» заключается в создании глубокой узкой траншеи с вертикальными гранями, которая впоследствии заполняется материалом с нужными свойствами, получая стену в грунте. Главная задача при этом – обеспечение устойчивости граней траншеи при ее выемке и заполнении. Она решается использованием глинистого раствора, заполняющего траншею в течение всего процесса возведения стены. Бурение скважин с промывкой глинистым раствором, обеспечивающим устойчивость стенок скважин практически в любых породах [4].
Глинистый раствор оказывает существенное влияние на конструкцию землеройного оборудования, применяемого для рытья траншей. Оно должно в ряде случаев работать в растворе с повышенным содержанием измельченного грунта так, чтобы этот грунт не налипал на захватный или режущий элемент рабочего органа. Траншеекопатель должен обеспечить разработку и удаление грунта из траншеи и иметь возможность перемещаться в плане в соответствии с ее конфигурацией. Этим требованиям в большей или меньшей степени удовлетворяет оборудование, используемое в зарубежной и отечественной практике строительства [4].
Актуальным является универсальность, достигаемая путем возможности применения на базовой землеройной машине большого спектра рабочих органов.
Данная проблема неразрывно связана с необходимостью создания определенных методик, позволяющих исследовать параметры землеройных машин и их рабочих органов, создавать модели и проводить эксперименты в короткие сроки. Исследования должны охватывать спектр основных направлений развития, таких как совершенствование эффективности и функциональности рабочих органов, повышение надежности и конкурентоспособности проектируемого объекта, возможности его использование в стесненных условиях при минимальных финансовых и временных затратах.
При исследовании рабочего процесса строительства способом «стена в грунте», описание модели «рабочий орган – среда», значительно отличается от стандартной модели процесса резания грунта рабочим органом. Исследования о резании грунтов, проводимые такими учеными как: О.Д. Алимов, А.И. Барон, В.И. Воздвиженский, В.Л. Кутузов, И.А. Остроушко, А.П. Суханов, Е.П. Терехин, В.В. Харченко и другие, не учитывали особенности влияния на грунт и рабочий орган землеройной машины глинистого тиксотропного раствора.
Благодаря исследованиям профессора Кадырова А.С., недостатки этих теорий были устранены, путем разработки методики исследования рабочего процесса фрезерных и буровых машин в среде глинистого раствора [5]. Проведенные им теоретические и экспериментальные исследования позволяют представить процесс разработки грунта при строительстве способом «стена в грунте» в полном объеме.
В исследованиях Кадырова А. С. учтены такие немаловажные факторы как: удельные силы сопротивления подачи и вращению долота установленные для грунтов I–IV категории, влияние глинистого раствора на грунт, глубина забоя, характер движения РО, скорость фильтрации раствора в грунт [5].
На основании теоретических исследований, для получения эмпирических данных, Кадыровым А.С. был разработан стенд СМФ – 2 и проведен эксперимент, определяющий опытные зависимости вращения фрезерного рабочего органа в глинистом тиксотропном растворе. Основными параметрами физической модели «рабочий орган – среда» были следующие величины: диаметр фрезерного рабочего органа D м, длина L м, число резцов i, шероховатость Δh, кинематическя вязкость раствора n стокс и предельного касательного напряжения сдвигу τ0 Н/м2, угловая скорость вращения рабочего органа w [5].
В результате эксперимента были получены зависимости крутящего момента от объема рабочего органа – рис. 2, диаметра фрез – рис. 3, гамовского и псевдоламинарного режимов движения глинистого раствора – рис. 5 [5].
Эксперимент планировался классическим планом, соответственно один из параметров варьировался, а значения других оставались средними [5].
Учитывая большое количество изменяемых параметров, классический план эксперимента становится довольно сложным и громоздким при его реализации. Появляется необходимость длительных вариаций параметров и усложняется обработка экспериментальных данных. В данном случае, для разработки уточненной методики проведения экспериментального исследования, возможно применение методов теории подобия и размерностей. Применение теории подобия и размерностей позволит уменьшить количество переменных в эксперименте и значительно его упростить.
Рис. 1. Схема стенда СМФ – 2: 1 – выход на испытываемый рабочий орган; 2 – тензометрический датчик давления; 3 – герметичная камера; наполняемая раствором; 4 – основание стенда; 5 – токосъемные устройства; 6 – магнитоэлектрические датчики частоты вращения; 7 – привод вращения постоянного тока; 8 – измерительные валы; 9 – тахометр
Рис. 2. Зависимость крутящего момента от объема рабочего органа
Рис. 3. Зависимость крутящего момента от диаметра рабочего органa
Рис. 4. Зависимость крутящего момента от длины рабочего органа
Рис. 5. Сопоставление Бингамовского и псевдоламинарного режимов движения глинистого раствора
В данном вопросе, при проектировании моделирования, уместно применять теорию подобия и размерностей. Теория подобия и размерностей представляет интерес и является основным направлением в изучении таких ученых как Баловнев В.И., Седов Л.И., Веников В.А.
Для полноценного описания нагружения рабочего органа землеройной машины, необходимо сначала разбить его на множество элементарных составных частей и определить их нагружение в отдельности, учитывая кинематические и динамические характеристики движения и геометрические параметры рабочего органа.
Для определения параметров влияющих на вращение фрезы в глинистом тиксотропном растворе используем теоремму Букингема для решения размерных систем. Исследуя размерности переменных, характеризующих исследуемую систему «рабочий орган – среда», зависимости выражаем через основные величины системы СИ: массу М, веремени t и длину L. В таблице приведены величины и их формулы, описывающие процесс вращения фрезерного РО в глинистом тиксотропном расстворе.
Переменные описывающие процесс вращения фрезерного РО в глинистом тиксотропном расстворе
|
№ п/п |
Название переменной |
Обозначение |
Формула размерности |
Единица измерения |
|
1 |
Диаметр РО |
D |
|
м |
|
2 |
Длина РО |
L |
|
м |
|
3 |
Плотность глинистого раствора |
ρ |
|
|
|
4 |
Вязкость глинистого раствора |
µ |
|
|
|
5 |
Шероховатость РО |
∆h |
|
м |
|
6 |
Угловая скорость вращения РО |
ω |
|
|
|
7 |
Касательное напряжение сдвига грунта |
τ |
|
|
|
8 |
Давление глинистого раствора на РО |
P |
|
|
|
9 |
Ускорение свободного падения |
∆g |
|
|
Допустим теперь, что между этими величинами существует следующее соотношение:
, (1)
где Fc – сила сопротивления движению фрезерного рабочего органа в стреде глинистого тиксотропного раствора.
Вместо символов подставляются размерности из таблицы:
. (2)
Чтобы данное уравнение было однородным относительно размерностей, должны выполняться следующие соотношения между показателями степени:
для M: 1=γ+φ+f+n;
для L: 1=α+β–3γ–φ+i–f–n+e;
для t: –2= –φ–k–2f–2n–2e;
Имеем три уравнения с 9 неизвестными. Упростим их, исключив α, k и γ. Тогда:
γ = 1–φ–f–n;
α=4–β–2φ–2f–2n–i–e;
k =2–φ–2f–2n–2e.
Подставляя эти соотношения для показателей степени в формулу (2), получаем
. (3)
Объединяя члены с одинаковыми показателями степени, легко составить безразмерные комбинации
(4)
Девять первоначальных переменных задачи дают шесть безразмерных комбинаций.
Проанализировав, можно сделать следующие выводы:
Во-первых, безразмерные комбинации
и 
и их зависимости будут иметь одинаковый характер и могут быть заменены друг другом. Поэтому для эксперимента, в качестве критерия возможно принять только 
.
Во-вторых, важным параметром модели вращения фрезерного рабочего органа в среде глинситого тиксотропного раствора является вязкость среды. Поэтому следующей безразмерной комбинацией необходимо принять 
.
В-третьих, для соблюдения геометрического подобия и возможности конструирования модели, необходимо принять безразмерную комбинацию 
.
При этом безразмерные комбинации, включающие в себя значение шероховатости фрезы Δh, ускорения свободного падения g оставим постоянным.
Таким образом, имея первоначально девять переменных, произведя анализ размерностей, можно сократить их количество до трех безразмерных комбинаций, являющихся критериями подобия. В случае применения теории подобия и размерностей, становится доступным применение факторных экспериментов, в данном случае эксперимента с матрицей плана 23.
Выводы
Таким образом, совершенно очевидно, что анализ размерностей позволяет упростить эксперимент, за счет уменьшения числа переменных, снизить время на его проведение и обработку экспериментальных данных. В данном случае становится возможным проведение эксперимента плана 23.