Обоснование выбора технологических параметров рыхлителя статического действия при разработке мерзлых грунтов

Актуальность работы. Около 60% территории нашей страны занимают вечномерзлые грунты. В настоящее время на территории России ведется активное строительство и добыча природных ресурсов в зонах с суровыми климатическими условиями.

Разработка мерзлого грунта занимает 15−20% от общего объема земляных работ, при этом на земляные работы приходиться до 20% стоимости сооружений, а стоимость возведений в 2−5 раз выше, чем в европейской части.

Поэтому, в связи с большим объемом земляных работ необходимо совершенствование техники и технологий разработки вечномерзлых грунтов.

Основными способами при разработке являются буровзрывные работы и рыхление грунта мощными гусеничными рыхлителями. Как показывает практика наиболее эффективно использовать статические рыхлители, поскольку себестоимость работ у них в несколько раз меньше по сравнению с буровзрывными способами и рыхлителями динамического действия.

Однако рыхлители статического действия имеют слабое место — наконечник, ресурс которого в вечномерзлых грунтах не превышает 5−14 часов, а форма не приспособлена к условиям вечномерзлых грунтов и не обеспечивает производительное рыхление.

В настоящее время такие известные производители техники как КОМА-TSU и CATERPILLAR применяют наконечники рыхлителей различной формы и длины. Техника, выпускаемая отечественными производителями, по-прежнему, комплектуется зубьями более простой треугольной формы.

Объект исследования — процесс взаимодействия наконечника зуба рыхлителя с мерзлым грунтом.

Предмет исследования — влияние геометрии наконечника зуба на процесс рыхления при различных свойствах грунта.

Цель работы — повышение производительности работы рыхлителей статического действия при разработке мерзлых грунтов.

Достижение поставленной цели осуществляется решением следующих задач:

— определить прочностные свойства мерзлых грунтов в зависимости от влажности, температуры и типа грунта;

— разработать математическую модель процесса рыхления мерзлых грунтов;

— исследовать влияние типа и категории грунта на сопротивление рыхлению мерзлых грунтов наконечниками различной формы;

— исследовать влияние угла и глубины рыхления мерзлых грунтов наконечниками различной формы;

— обосновать выбор рациональной формы наконечника рыхлителя для производства работ по разработке мерзлых грунтов при температуре воздуха от-5 до-20 °С.

— разработать методику по определению рациональной формы наконечника и режимов работы рыхлителя статического действия.

Общая методика исследований предусматривает комплексный экспериментально-теоретический подход, включающий:

— экспериментальные исследования процесса рыхления мерзлых грунтов в лабораторных условиях;

— разработку аналитического описания процесса рыхления мерзлых грунтов;

— экспериментальные исследования процесса рыхления мерзлых грунтов с целью сопоставления их результатов с результатами теоретических исследований.

Научная новизна:

— разработана 3-х мерная математическая модель рыхления мерзлых грунтов, описывающая изменения напряженно-деформированного состояния среды при взаимодействии с наконечниками различной геометрической формы;

— получены зависимости, связывающие усилие рыхления и напряжения, возникающие в грунтовом массиве.

Практическая ценность:

— определены усилия, приходящиеся на наконечник рыхлителя;

— разработан метод расчета на ЭВМ определения усилий рыхления с учетом объемной геометрии наконечника и нелинейных свойств разрабатываемого материала;

— разработаны рекомендации по выбору наконечника с учетом повышения производительности работ.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на Международной научно-практической конференции «Дорожно-транспортный комплекс, экономика, экология, строительство и архитектура» (г. Омск 21−23 мая 2003 г.) — на 43-й международной научно-технической конференции ААИ «Проблемы создания и эксплуатации автомобилей, специальных и технологических машин в условиях Сибири и Крайнего севера» (г. Омск СибАДИ 2003 г.) — I Всесоюзной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых (г. Омск СибАДИ 2006 г.).

1. Алабужев П. М. Теории подобия и размерностей. Моделирование./ П. М. Алабужев, В. Б. Геронимус, Л. М. Минкевич, Б. А. Шеховцов, — М.:Высшая школа, 1968. — 208 с.

2. Баловнев В. И. Физическое моделирование резания грунтов. / В. И. Баловнев. — М.: Машиностроение, 1969. — 159с.

3. Баловнев В. И. Моделирование процессов взаимодействия со средой рабочих органов дорожно-строительных машин: Учеб. пособие для сту-дентов высш. учеб. заведений. 2-е изд., нерераб. / В. И. Баловнев. — М.: Ма-шиностроение, 1994. — 432 с.

4. Баловнев В. И. Интенсификация разработки грунтов в дорожном строительстве / В. И. Баловнев, Л. А. Хмара. — М.: Транспорт, 1993. — 383 с.

5. Баловнев, В. И. Новые методы расчета сопротивлений резанию грунтов: Учебно-метод. пособие. МАДИ / В. И. Баловнев. — М.: Росвузиздат, 1963.-96 с.

6. Барсков В. В. Планирование эксперимента: Методические указания по курсу «Основы научных исследований» / В. В. Барсков и др. — Омск: ОмГТУ, 1997.-18С.

7. Безухов Н. И. Основы теории упругости, пластичности и ползучести / Н. И. Безухов. — М.: Высшая школа, 1968. — 512с.

8. Беляков Ю. И. Земляные работы / Ю. И. Беляков, А. Л. Левинзон, А. В. Резуник. — М.: Стгройиздат, 1983. — 176с.

9. Берновский Ю. Н. Машины для разработки мерзлых грунтов / Ю. Н. Берновский, Б. З. Захарчук, М. И. Ровинский, В. Д. Телушкин. — М.:Машиностроение, 1973. — 272с.

10. Берновский Ю. Н. Исследование послойного статико — динамического рыхления мерзлых грунтов / Ю. Н. Берновский, М. И. Ровинский //Исследование машин для разработки мерзлых грунтов: Тр. ВНИИСтройдор-маш. — М., 1970. Вып 48. — 3 — 18.136.

11. Бузин Ю. М. Критерий эффективности и оптимизации рабочего процесса землеройно-транспортных машин / Ю. М. Бузин //Строитель-ные и дорожные машины, 2000, JVb 4. — 12−15.

12. Васильев А. В. Тензометрирование и его применение в исследованиях тракторов / А. В. Васильев, Д. М. Раппопорт. — М.: МАШГИЗ, 1963. — 339 с.

13. Веригин Ю. А. Проектирование и расчет строительно-дорожных машин на персональных ЭВМ: Учеб. пособие/ Ю.А. ВеригинУсть-Каменогорский строит.-дор. ин-т. — Усть-Каменогорск: СДИ, 1994. -113 с.

14. Ветров Ю. А. Сопротивление грунтов резанию / Ю. А. Ветров. — Киев: Изд-во Киевского университета, 1965. -167 с. (В15).

15. Ветров Ю. А. Разрушение прочных грунтов / Ю. А. Ветров, В. Л. Баладинский, В. Ф. Баранников, В. П. Кукса. — Киев: Буд1вельник, 1973. -352 с.

16. Ветров Ю. А. Усовершенствование рабочих органов рыхлителей / Ю. А. Ветров, Ю. П. Пристайло, В. П. Станевский // Строительные и дорож-ные машины, 1979 JV24. 16−17.

17. Ветров Ю. А. Машины для земляных работ / Ю. А. Ветров. — Киев: Виш, я школа, 1981. -346с.

18. Волков Д. П. Машины для земляных работ: Учебник для вузов/ Д. П. Волков, В. Я. Крикун, П. Е. Тотолин и др.- Под ред. Д. П. Волкова. — М.:Машиностроение, 1992. — 448 с.

19. Волобоев В. Г. Исследование конечно-элементной модели взаимодействия рабочего органа землеройно-траншейной машины с грунтом. /В.Г. Волобоев, В. А. Мещеряков // Строительные и дорожные машины. 2001.-№ 1.С.29−35.

20. Волобоев В. Г. Результаты лабораторных исследований процесса резания грунта рабочим органом землеройно-транспортной машины /В.Г. Волобоев, В. А. Мещеряков, А. Ю. Сачук //Строительные дорожные ма-шины. 2004. № 1. 44 — 45.

21. Вольмир А. С. Сатистика и динамика сложных структур / А. С. Вольмир, Б. А. Курапов, А. Т. Турбаневский. — М.: Машиностроение, 1989.-248 с.

22. Вялов С. Реология мерзлых грунтов/ С. ВяловРед. В. Н. Разбегин. — М.: Стройиздат, 2000. — 464 с.

23. Гавловская В. Ф. Математическое моделирование в инженерных задачах. Учебное пособие / В. Ф. Гавловская, A.M. Завьялов, Р. Г. Флаум. СибАДИ: Омск. 1995. -130 с.

24. Галлагер Р. Метод конечных элементов. Основы / Р. Галлагер. М.: Мир, 1984.-428 с.

25. Гаркави П. Г. Машины для земляных работ: Учеб. для втузов / Н. Г. Гаркави, В. И. Аринченков, В. В. Карпов и др. — М.: Высшая школа, 1982. 335 с. 138.

26. Геллер Ю. А. Разработка мерзлых грунтов рыхлителем с аккумулятором энергии. Дис. канд-та техн. наук / Ю. А. Геллер. — Омск: СибЛДИ, 1986.-217 с.

27. Грунты. Методы лабораторного определения характеристик прочности и деформируемости. ГОСТ 12 248–96.

28. Грунты. Классификация. ГОСТ 25 100–95.

29. Двойных М. А. Теоретическое и экспериментальное исследование процесса резания мёрзлых грунтов/ М. А. Двойных // Сб. науч. тр. Подмосковского НИУИ, вып.7,1963;С. 34−39.

30. Деннис Дж. Численные методы безусловной оптимизации и решения нелинейных уравнений / Дж. Деннис, Р. Шнобель. — М.: «Мир», 1988.-440 с.

31. Дергонин А. Г. Влияние основных физических характеристик на прочность мерзлого грунта / А. Г. Дергонин, С В. Кырбасов, А. П. Гондырова // Инженерные исследования мерзлого грунта. Новоси-бирск. — Наука. Сибирское отделение, 1981, — с. 45−53.

32. Домбровский Н. Г. Строительные машины / Н. Г. Домбровский, М. И. Гальперин. — М.: Машиностроение, 1985. Ч. П. — 224 с.

33. Домбровский Н. Г. Исследование факторов, определяющих износ инструмента при резании мерзлых грунтов / Н. Г. Домбровский, В. Б. Лещинер //Известия ВУЗов. Строительство и архитектура. -" 1978.-N9. -С. 110−114.

34. Домбровский Н. Г. Землеройные машины / Н. Г. Домбровский, А. Нанкратов. — М.: Госстройиздат, 1961. — 476 с.

35. Дорожные машины. Теория, конструкции и расчет: Учеб. для вузов/ Н. Я. Хархута, М. И. Капустин, В. Н. Семенов, И. М. ЭвентовНод ред.Н. Я. Хархуты. — Л.: Машиностроение, 1968. — 415 с.

36. Ефимов Б. А. Исследование режимов работы гусеничного рыхлителя / Б. А. Ефимов //Исследование машин для разработки мерзлых грунтов: Тр. ВНИИСтройдормаш. — М., 1974. Вып 65. — 31 — 35.139.

37. Захарчук Б. З. Бульдозеры и рыхлители / Б. З. Захарчук, В. Д. Телушкин, Г. А. Шлойдо. — М.: Машиностроение, 1987. 256 с.

38. Захарчук Б. З. Навесное тракторное оборудование для разработки высокопрочных грунтов / Б. З. Захарчук, Г. А. Шлойдо, А. А. Яркин, В. Д. Телушкин. — М.: Машиностроение, 1979. -192 с.

39. Зеленин А. Н. Основы разрушения грунтов механическими способами / А. Н. Зеленин. — М: Машиностроение, 1968. -220 с.

40. Зеленин А. Н. Машины для земляных работ. Учебное пособие для вузов /А.Н. Зеленин, В. И. Баловнев, И. Н. Керов. — М. Машиностроение, 1975.-422 с.

41. Зенкевич О. Конечные элементы и аппроксимация / О. Зенкевич, К. Морган: Hep. с англ. — М.: Мир, 1986. — 318 с.

42. Зенкевич. О. Метод конечных элементов в технике / О. Зенкевич. М.: Мир, 1975.-539 с.

43. Ильин В. Н. Численные методы решения задач строительной механики: Справ, пособие/ В. Н. Ильин, В. В. Карпов, A.M. Масленников. -Минск: Вышэйшая школа, 1990. — 349 с.

44. Интеллектуальные системы автоматического управления / Нод ред. И. М. Макарова, В. М. Лохина. — М.: ФИЗМАТЛИТ, 2001. — 576 с.

45. Каган А. А. Расчетные характеристики грунтов / А. А. Каган. -М.: Стройиздат, 1985. — 248 с.

46. Крившин А. Н. Новышение эффективности использования дорожных машин / А. Н. Крившин, А. З. Шарц, Е. Д. Каран. — М.: Транспорт, 1980.-263 с. 140.

47. Кузнецова В. Н. Обоснование параметров коронок зубьев землеройных машин с повышенной износостойкостью (на примере зуба рыхлите-ля). Дис. канд-та техн. наук / В. Н. Кузнецова. — Омск, 2001. — 202 с.

48. Леш-инер В. Б. Совершенствование инструмента для резания мёрзлых грунтов / В. Б. Лещинер — Томск: Изд-во Томского у-та, 1991. 213 с.

49. Лозовой Д. А. Разрушение мерзлых грунтов / Д. А. Лозовой. — Саратов: Изд-во Саратов, ун-та, 1979. — 181 с.

50. Машины для земляных работ/ М. Д. Полосин, В. И. Ноляков, Г. В. Кириллов и др. — 3-е изд., перераб. и доп. — М.: Стройиздат, 1994. — 288 с.

51. Машины для разработки мерзлых грунтов / Под ред. В. Д. Телушкина. — М.: Машиностроение, 1973. — 272 с.

52. Молчанов, И. Н. Основы метода конечных элементов / И. Н. Молчанов, Л.Д. НиколенкоАН Укр. ССР. Ин-т кибернетики. — Киев: Науковадумка, 1989. — 269 с.

53. Морозов Е. М. Метод конечных элементов в механике разрушения / Е. М. Морозов, Г. П. Никишков. М.: Наука. 1980.-254 с.

54. Налимов В. В. Логические основания планирования эксперимента / В. В. Налимов, Т. И. Голикова. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Металлургия.1980.-152 с.

55. Недорезов Н. А. Резание и ударное разрушение грунтов / Н. А. Недорезов, Д. И. Федоров, А. И. Федулов, Ю. М. Хамчуков. Новосибирск. Наука, 1965.-135 с.

56. Пекарская Н. К. Прочность мерзлых грунтов при сдвиге и её зависимость от текстуры / Н. К. Пекарская.- М.: АН СССР, 1963.-108 с.

57. Постнов В. А. Численные методы расчета судовых конструкций / В. А. Постнов.- Л.: Судостроение, 1977. — 280 с. 141.

58. Растегаев И. К. Машины для вечномерзлых грунтов. Учеб. пособие для вузов по специальности «Строительные и дорожные машины и обо-рудование» / И. К. Растегаев. — М.: Машиностроение, 1986. — 216 с.

59. Растегаев И. К. Механика и теплофизика статического рыхления вечномерзлых грунтов / И. К. Растегаев. — Красноярск: Изд-во Краснояр. ун-та, 1988.-224 с.

60. Ровинский М. И. Навесные рыхлители для разработки мерзлых и скальных грунтов / М. И. Ровинский, Г. А. Шлойдо. — М.: НИИинфстройдор-коммунмаш, 1965. — 78 с.

61. Ровинский М. И. Основные направления в создании машин и оборудования для разработки мёрзлых грунтов / М. И. Ровинский, Б. М. Орлов // Строительные и дорожные машины, 1968, N2. — 12 — 14.

62. Рычков СП. MSCvisual NASTRAN для Windows / СП. Рычков. — М.:НТ Пресс, 2004.-552 с.

63. Сабоннадьер Ш. К. Метод конечных элементов и САПР / Ш. К. Сабоннадьер, Ш. Л. Кулон. — М.: Мир, 1969. — 192 с.

64. Садаков Ю. П., Уткин В. И. Разработка мерзлых грунтов сезонного промерзания / Ю. П. Садаков, В. И. Уткин. — М.: Стройиздат, 1972. — 64 с.

65. Сачук А. Ю. Анализ методов разрушения грунта в процессе резания и возможности его моделирования / А. Ю. Сачук // Сборник научных тру-142дов № 4. Машины и процессы в строительстве. Юбилейный. — Омск: Изд-воСибАДИ, 2003.-С.88−92.

66. Сачук А. Ю. Математическое моделирование процесса резания грунтов прямым ножом с помощью метода конечных элементов / А.Ю. Сачук// Межвузовский сборник трудов молодых учёных, аспирантов и студентов. -Омск: СибЛДИ, 2004. — Вып. 1, Ч. 1. — 194 — 198.

67. Сачук А. Ю. Математическое моделирование процесса резания мерзлого грунта рыхлителем / А. Ю. Сачук // Вестник Сибирской государст-венной автомобильно-дорожной академииОмск: СибАДИ, 2006. — Вып. 4, -С. 107−110.

68. Сегерлинд Л. Применение метода конечных элементов / Л. Сегерлинд. -М.: Мир, 1979 -392с.

69. Соколов Л. К. Исследование влияния скорости резания и параметров резцов на характер разрушения мерзлого грунта / Л.К. Соколов//Исследование машин для разработки мерзлых грунтов: Тр. ВНИИСтрой-дормаш. — М., 1978. Вып 81. — 53 — 57.143.

70. Справочник по механике и динамике грунтов/В.Б. Швец, Л. К. Гинзбург, В. М. Гольдштейн и др. Под ред. В. Б. Швеца. — Киев: Буд1вельник, 1987. — 232 с.

71. Суриков В. В. Механика разрушения мерзлых грунтов / В. В. Суриков. — Л.: Стройиздат, 1978. — 128 с.

72. Суриков В. В. Эксплуатация мелиоративных машин в зимних условиях: Справ./ В. В. Суриков. — М.: Агропромиздат, 1989. — 240 с.

73. Сухов И. И. Определение параметров уширителей зуба рыхлителя / И. И. Сухов, Г. А. Шлойдо // Исследование машин для разработки мерзлыхгрунтов: Тр. ВНИИСтройдормаш. — М., 1978. Вып 81. — 14 — 20.

74. Тарновский Ю. К. Механизированная разработка грунта в зимнее время /Ю.К. Тарновский. — М.: Стройиздат, 1969. -149 с.

75. Телушкин В. Д. Строительные и дорожные машины для районов с холодным климатом / В. Д. Телушкин, В. А. Винокуров, В. А. Ряхин и др. — М.:Машиностроение, 1978. -197 с.

76. Телушкин В. Д. Исследование процесса рыхления мерзлых грунтов с целью определения оптимальной формы наконечника рыхлителя и па-раметров рыхления. Автореф. дис. канд-та техн. наук / В. Д. Телушкин. -М.:МАДИ, 1967. -19 с.

77. Телушкин В. Д. Прогрессивные конструкции навесных рыхлителей и опыт их эксплуатации: Обзор / В. Д. Телушкин. — М.: ЦНИИТЭстрой-маш, 1974.-66 с.

78. Трудоношин В. А. Системы автоматизированного проектирования. Т. 4. Математические модели технических объектов / В. А. Трудоношин, Н. В. Пивоварова. Под ред. И. П. Поренкова — М.: Высшая школа, 1986. -160 с.

79. ТСЦ 81−01−2001.Территориальный сборник сметных норм и расценок на эксплуатацию строительных машин и автотранспортных средств вОмской области. — М.: Госстрой России, 2001. — 68 с.

80. Фадеев А. Б. Метод конечных элементов в геомеханике / А. Б. Фадеев. М.: Недра, 1987.-221 с. 144.

81. Фёдоров Д. И. Рабочие органы землеройных машин / Д. И. Фёдоров. — М.: Машиностроение, 1990. — 359 с.

82. Хартман К. Планирование эксперимента в исследовании технологических процессов. / К. Хартман, Э. Лецкий, В. Шефер. М.: Мир, 1977. -552 с.

83. Хмара Л. А. Определение производительности навесных рыхлителей / Л. А. Хмара, СВ. Шатов // Строительство и архитектура. — 1983. — JVbl.-С. 133−136.

84. Холодов A.M. Землеройно-транспортные машины: Справочник/ A.M. Холодов, В. В. Ничке, Л. В. Назаров. — Харьков: Вища школа, 1983. — 192 с.

85. Холодов A.M. Проектирование машин для земляных работ: Учеб. пособие для вузов / A.M. Холодов, В. К. Руднев, В. В. Ничке и др. — Харьков: Вищашк., 1986.-272 с.

86. Цытович Н. А. Механика мерзлых грунтов / Н. А. Цытович. М.: «Высшая школа», 1973.-279 с.

87. Чеченков М. С. Разработка прочных грунтов / М. С. Чеченков. — Л.: Стройиздат, Ленингр. отд-ние, 1987. — 232 с.

88. Шевченко К. Н. Основы математических методов в теории обработки металлов давлением. Учеб. пособие для металлургических специаль-ностей вузов / К. Н. Шевченко. — М.: «Высшая школа». 1970. — 351 с.

89. Шемякин А. Сопротивление резанию однородных и неоднородных мерзлых пород / А. Шемякин, Е. С. Клигунов //Строительные и до-рожные машины. — 2004. — N2. — 37−42.

90. Шимкович Д. Г. Расчет конструкций в MSC/NASTRAN for Windows / Д. Г. Шимкович. — М.: ДМК Пресс, 2001. — 448 с.

91. ШЬюйдо Г. А. К вопросу об определении сопротивления резанию мерзлых грунтов навесными рыхлителями / Г. А. Шлойдо //Исследованиепроцессов разрушения мерзлых грунтов: Тр. ВНИИСтройдормаш. — М.: НИ-РШФСтройдоркоммунмаш, 1967. Вьш 37. — 39 — 46.

92. Шлойдо Г. А. Определение сопротивляемости мерзлых грунтов 145разрушению навесными рыхлителями. Автореф. дис. канд-та техн. наук / Г. А. Шлойдо. — М.:МАДИ, 1967. — 30 с.

93. Шлойдо Г. А. Энергоемкость процесса резания мерзлых грунтов рыхлителями / Г. А. Шлойдо //Исследование машин для разработки мерзлыхгрунтов: Тр. ВНРШСтройдормаш. — М., 1974. Вып 65. — 3 — 9.

94. Шлойдо Г. А., О влиянии скорости на сопротивляемость мерзлых грунтов разрушению / Г. А. Шлойдо, В. Г. Сосенкова // Исследование навес-ных машин: Тр. ВНИИСтройдормаш. — М., 1973. Вып 59. — 109 — 144.

95. Шлойдо Г. А. Вероятностный анализ характера изменения сопротивления рыхлению мерзлого грунта / Г. А. Шлойдо, И. И. Сухов // Исследо-вание машин для разработки мерзлых грунтов: Тр. ВНИИСтройдормаш. -М., 1978. Вып81.-С. 20−25.

96. Шлойдо Г. А. Машины и сменное рабочее оборудование для разработки мерзлых грунтов и скальных пород. Обзор / Г. А. Шлойдо, Б.З. За-харчук, Б. М. Орлов, Х. Вартанов. — М.: ЦНИИТЭстроймаш. 1979. — 54 с.

97. Ш, ербаков Е. С. Исследование неуправляемых перемеш-ений рыхлительного агрегата с целью повышения эффективности разработки мерзлыхгрунтов. Дис. канд-та техн. наук / Е. С. Щербаков. — Омск, 1985. — 150 с.

98. Яшнин А. А. Теоретические основы конструирования, технологии и надежности ЭВА / А. А. Яшнин. М.: Радио и связь, 1983. — 312 с.