Способ разрушения мерзлых грунтов и устройство для его осуществления

Способ разрушения мерзлых грунтов и устройство для его осуществления

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

1. Способ разрушения мерзлых грунтов, заключающийся в последовательном воздействии на массив двух импульсов газа высокого давления, отличающийся тем, что, с целью снижения энергоемкости процесса , первым импульсом формируют камуфлетную полость, на которую затем воздействуют вторым импульсом для отрыва породы от массива, причем промежуток времени t, через который импульсами газа воздействуют на массив, и длительность воздействия первого и второго импульсов t и t на массив связаны соотношением -(. 3- bt 3t t. ЖМ где М - момент сопротивления завинчиванию в грунт трубчатого корпуса, нм.; К - коэффициент размерности, К 1СН -М ; &t - промежуток времени между импульсами газа, равный времени формирования камуфлетной полости при воздействии первого импульса газа, с; t, tp- длительность воздействия на массив соответственно первого и второго импульсов. 2. Способ по п. 1, о т л и ч аS ю щ и и с я тем, что давление Р газа первого импульса связано с давлением Pg газа второго импульса соотношением 3. Устройство для разрушения мерзлых грунтов, содержащее трубчатый корпус с винтовым наконечником и двумя клапанными механизмами, каждый из которых имеет рабочую камеру с воздуш ( ными каналами, поршень, камеру управ 6 ления, которые через двухходовые краны сообщены с выхлопньми отверстиями и источником сжатого газа, отличающееся тем, что, с целью снижения энергоемкости процесса разрушения мерзлых грунтов, оно снабжено дросселями, выполненными в виде шайб, которые имеют различный внутренний диаметр и установлены в воздушных каналах на выходе из рабочих камер, при этом объемы указанных камер связаны соотношением 3 2,5-3,0. М

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

РЕСГ1УБЛИК

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ,31

1 (21) 3524725/22-03 (22) 27.10.82 (46) 23.07.84. Бюл. Р 27 (72) Ю.П. Волков, А.В. Фролов и В.И. Баловнев (71) Балаковский филиал Саратовского ордена Трудового Красного Знамени политехнического института (53) 624.139.5(088.8) (56) 1. Исследование параметров и расчеты дорожно-строительных машин.

Труды Саратовского политехнического института, Вып. 88, 1975, с. 42-59.

2. Ю.П. Волков, N.Ê. Устинова.

Сменное рабочее оборудование к экскаватору Э0-2621. Саратов, ЦНТИ, информлисток Р 48-81НТД, 1981 (прототип).

3. Авторское свидетельство СССР по заявке 9- 3287146/29-031, кл. Е 02 F 5/30, 1982 (прототип). (54) СПОСОБ РАЗРУШЕНИЯ МЕРЗЛЫХ ГРУНТОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕ-

НИЯ (57) 1. Способ разрушения мерзлых грунтов, заключающийся в последовательном воздействии на массив двух импульсов газа высокого давления, отличающийся тем, что, с целью снижения энергоемкости процесса, первым импульсом формируют камуфлетную полость, на которую затем воздействуют вторым импульсом для отрыва породы от массива, причем промежуток времени дt, через который импульсами газа воздействуют на массив, и длительность воздействия первого и второго импульсов t1 и t на массив связаны соотношением

-1,1

3 gt = 3г.„= t„=, . K- М

SU„„4 А

3 ) E 02 F 5/18 Й 02 F /30 где М вЂ” момент сопротивления завинчиванию в грунт трубчатого корпуса, нм.;

К вЂ” коэффициент размерности, К = 1 С Н -М

qil

ht — nðîìåæóòîê времени между импульсами газа, равный времени формирования камуфлетной полости при воздействии первого импульса газа, с;

t — - длительность возцействия на массив соответственно первого и второго импульсов.

2, Способ по п. 1, о т л и ч аю шийся тем, что давление Р1 Я газа первого импульса связано с давлением Р> газа второго импульса соотношением р

1 — =2-3, 2 ф

3. Устройство для разрушения мерзлых грунтов, содержащее трубчатый корпус с винтовым наконечником и двумя клапанными механизмами, каждый из которых имеет рабочую камеру с воздушными каналами, поршень, камеру управления, которые через двухходовые краны сообщены с выхлопными отверстиями и источником сжатого газа, о т л ич а ю щ е е с я тем, что, с целью снижения энергоемкости процесса разрушения мерзлых грунтов, оно снабжено дросселями, выполненными в виде шайб, которые имеют различный внутренний диаметр и установлены в воздушных каналах на выходе иэ рабочих камер, при этом объемы укаэанных ка,мер связаны соотношением

2,5-3,0.

4 1 104

Изобретение относится к разработке мерзлых грунтов, в частности к способам предварительного рыхления грунта при послойной его разработке и устройствам для его осуществления.

Известны способ разрушения мерзлого грунта импульсами газа высокого давления и устройство для его осуществления, содержащее заглубляемый в грунт рабочий наконечник и соединенный с ним трубчатый корпус с емкостью для сжатого газа (1) .

Недостатком способа является высокая энергоемкость процесса вследствие того, что часть энергии газодинамического импульса передается массиву в виде ударной волны, которая из-за д:.ссипативных потерь очень быстро вырождается в обычную волну напряжений и затухает.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является способ разрушения мерзлых грунтов, заключающийся в последовательном воздействии на массив двух импульсов д газа высокого давления (2J .

Известно устройство для осуществления указанного способа, содержащее трубчатый корпус с винтовым наконечником и двумя клапанными ме- Ы ханизмами, каждый из которых имеет рабочую камеру с воздушными каналами> поршень„ камеру управления, которые через двухходовые краны сообщены с выхлопными отверстиями и источником сжатого газа,f3) .

Недостатком известного способа является высокая энергоемкость процесса разрушения мерзлого грунта.

Действие газодинамического импульса на мерзлый грунт можно разделить на две фазы. Первая фаза — формирование камуфлетной полости под воздействием импульса газа высокого давления и образование радиальных трещин, вторая фаза — отрыв грунта от массива в результате поршневого действия газов, находящихся в камуфлетной полости. Первая фаза является наиболее о энергоемкой, так как формирование камуфлегной полости сопровождается сжатием породы в радиальном направлении под действием напряжения сжатия, в отличии от второй фазы, где разрушенис грунта, т.е. его отрыв

h происходит под действием напряжения растяжения. !1рГлелы прочности породы

216 на сжатие и растяжение связаны соотношением ся — — 2-3 бр

Из этого следует, что давление газообразных продуктов взрыва и их объем, достаточные для формирования камуфлетной полости в первой фазе, оказываются излишними в фазе отрыва грунта от массива. В результате этого энергия газов на второй фазе оказывается больше, чем эт;- требуется для разрушения грунта.

Кроме того, причиной высокой энергоемкости процесса разрушения мерзлых грунтов известным устройством является невозможность регулирования такого параметра процесса как продолжи-.åëüíîñòü напряженного состояния разрушаемого массива, т.е. времени нарастан " напряжений в грунте от нуля до максимального значения. Этот параметр определяет объем разрушений и качество дробления и зависит от пр очностных характеристик разрушаемои среды. В известном устройстве про,.олжительность воздействия газодинамческого импульса определяется време- нем истечения газа из выхлопных отверстий и зависит от их количества и диаметра воздушного канала, соединяющего рабочую камеру и выхлопные отверстия, и является величиной постоянной. Эти параметры определяются из условия максимальной прочности грунта. Практически прочность грунта зависит от многих факторов и является величиной переменной.

Цель изобретения — снижение э IeIhгоемкости процесса разрушения мерз.лого грунта.

Указанная цель достигается тем„ что сбгласно способу разрушения мерзлых грунтов, заключающемуся в последовательном воздействии на массив двух импульсов газа высокого давления, первым импульсом формируют камуфлетную полость, на которую затем воздействуют вторым импульсом для отрыва породы от массива, причем промежуток времени yt через который импульсами газа воздействуют на -массив, и длительность воздействия первого и второго импульсов С и t на масси

t связаны соотношением

3 Kt = 3t = t = 3K 1Г

1 2

1104216 крутяший момент сопротивления завинчиванию в грунт трубчатого корпуса, нм; коэффициент размерности, К = 1 С.Н< 1.1<, 5 промежуток времени между импульсами газа, равный времени формирования камуфлетной полости при воздействии первого импульса газа, с; длительность воздействия на массив соответственно первого и второго импульсов.

15 где M—

Кроме того, давление Р<, газа первого импульса связано с давлением

Р газа второго импульса соотношениZ ем

На чертеже изображено устройство для реализации предлагаемого способа.

Устройство состоит из трубчатого корпуса 1, на нижнем конце которого . жестко закреплен винтовой наконечник 2, трубчатый корпус соединен со ступицей 3 посрецством шпоночного соединения 4.

45

На ступице 3 посредством накидных гаек 5, внутри которых размещены дроссельные шайбы 6, крепятся клапанные механизмы 7 и 8, внутри которых размещены седло 9 и поршень 10, отделяющий рабочие камеры 11, 12 и камеру l3 управления от выхлопных отверстий

14. Камера управления сообщена с атмосферой посредством электропневматических клапанс н .15 и 16, подключенных к блоку 17 Эа<е,>жки. Емкости для — 2-3

P„

При этом устройство для осуществления способа, содержащее трубчатый корпус с винтовым наконечником и дву- 25 мя клапанными механизмами, каждый иэ которых имеет рабочую камеру с воздушными каналами, поршень, камеру управления, которые через двухходовые краны сообщены с выхлопными отверстиями и источником сжатого газа, снабжено дросселями, выполненными в виде шайб, которые имеют различный. внутренний диаметр и установлены в воздушных каналах на выходе иэ рабочих

35 камер, причем объемы указанных камер связаны соотиошеJiHeM — 2,5 — 3,0

1 сжатого газа и камеры управления сообщены с источником 18 сжатого газа высокого давления через редукторы 19 и управляемые клапаны 20 и

21. Рабе" =е камеры 11 и !2 сообщены с выхлопными отверстиями по".редством воздушного качала 22.

Устройство для осуществле ия предлагаемого способа работает следующим образом.

Под воздействием осевого пригруэа и крутящего момента трубчатый корпус

1 завинчивают в мерзлый грунт н требуемую глубину т".к, чтобы вь<хл"-иные отверстия 14 были ниже поверхности разрабатываемого грунта. Посредством клапанов 20 и 21 сообщают с источником газа высокого давления через редукторы 19 первоначально камеры 13 управления клапанных механизмов 7 и 8, затем емкости 1.1 и 12 для сжатого газа. Эта очередность обеспечивает ппнжатие поршня 10 к седлу 9 эа счет разницы диаметров d и D, тем самым отсекают рабочие камеры от выхлопных отверстий 14. Электропневматические клапаны 15 и 16 нормально закрыты. После того, как камеры управления и рабочие камеры заполнят, клапаны 20 и 21 закрывают, т.е. рабочие к=меры и камеры управления разобщаю" между собой и отсекают от источника аэа высокОГО давления °

После описанной подготовки производят поочередное соединение через

1,< промежуток времени < С = И рабочих камер 1 2 и 1 i с выхлопными от верс тиями 1 4, для чего осуществляют первон ачаль н ую подачу напряжения н а эл ек тропневматич еский клапан 1 5, затем н а 6 от блок а задержки 1 7, в р е з ул ьтате чего происходит сброс сжатого газа в атмосферу первоначально и з камер 1 3 управления клапан и о го мехаHH3Ita 7, затем клапанног о меха ни зма 8 . Под действием избыточного давЛЕНИЯ CO CTGPOHb! P3 OHHII KBMCP IIOP шеиь ;0 первоначального клапанио> О ме Бн<>эма 7, затем 8 мгновенно пере— мещается . вниз, тем самым происходит пооЧередное соединение с вь.хиопными отверстиями 14 первоначальи» рабочей камеры 12 затем 11. Сжатый I n3, истекая из выхлопных отверстий и сторону грунта, разрушает его.

В результате такого порядка работы клапанных механизмов в зону вь1х.<опных отверстий подается газодинамич<ский

1104216 импульс первоначально от рабочей камеры 12. При этом параметры импульса (давление сжатого газа, объем рабочей камеры и внутренний диаметр дроссельной шайбы) подбирают таким образом, чтобы обеспечить формирование камуфлетной полости, не производя разрушение и выброса грунта из воронки.

Это достигается за счет создания жесткого и короткого газодинамического импульса, т.е. давление в рабочей камере 12 в два-три раза больше, чем давление в рабочей камере 11, а объем в 2,5-3 раза меньше. Образующаяся камуфлетная полость повышает I эффективность разрушения мерзлого грунта втор-.и газодинамическим импульсом за счет большей площади контакта сжатого газа с грунтом. Это позволяет сделать второй газодинамический 20 импульс менее жестким за счет меньшегс давления и более длинным за счет уменьшения внутреннего диаметра дрос-сельной шайбы, тем самым увеличин время существования напряженного состояния разрушаемого массива., в р=-зультате,чего увеличивается обьем разрушения и снижается энергоемкость процесса.

Параметры второго газсдинамического импульса (давление, объем рабочей камеры, внутренний диаметр дроссельной шайбь.) подбирают таким образом, чтобы произвести разрушение т.е. отрыв грунта от массива. При этом давление сжатого газа и емкости 11 принимают в дна-три раза меньшим, чем у первого импульса, так как действие второго имппульса заключается в отрыве грунта от массива, т.е. грунт разрушается под воздействием растягивающих напряжений, которые н дна-три раза меньше предельных напряжений на сжатие. Стенки камуфлетной полости н результате воздействия на них первого жесткого газодинамического импульса сонершают упругие колебательные движения, т.е. возникает пульсация стенок газового пузыря (камуфлетной полости) в радиальных направлениях. Таким образом, чтобы повысить эффектин". ность р" çðóøåíèÿ мерзлого гру-„- та вторым импульсом необходимо er î по55 дать в TGT момент, когда стенки камуфлетной полости совершают колебательное движение в направлении оФ выхлопных отверстий, т.е. грунт н зоне камуфлетной полости испытывает упругие напряжения сжатия под воздействием первого газодинамического импульса. Таким образом, второй газодинамический импульс, т.е. его воздействие на разрушаемую среду, суммируется по величине и направлению с упругими колебаниями разрушаемой среды под воздействием первого

raзодинамического импульса, тем са— мым увеличивая объем разрушений и снижая энергоемкость.

Конкретным грунтовым условиям соответствуют вполне определенное время Т образования камуфлетной IIo лости и момент сопротивления М завинчизанию н грунт винтообразного труб— чатого корпуса, зависимость между

«которыми на основе анализа результа-.ов„ в:и::, ле.;.:.ых по формулам и определенных экспериментально, можно апроксимировать с".епенной функцией

Т= К11 гг,г Т время образования камуфлетной полости, с; момент сопротивления завин " нанию в грунт винтообразного трубчатого корпуса, н м; коэффициент размерности, К = 1 ° С Н1".У11

С этой целью был изготовлен стенд, основу которого составил силовой каркас с нагрузочным устройством, включающим н себя гидромотор, рычаг с динамометром, маслостанцию с манометром.

Порядок тарировки гидромотора следующий. С помощью маслостанции ступенчато поднимается давление в гиДросистеме гидромотора. Крутяший момент, создаваемый гидромотором, определяется как произведение силы (по и казаниям динамометра) на плеСуществующие математические зависимости по определению крутящего моменlа при завинчивании штанги с винтовым наконечником н грунт включают н себя ряд параметров, зависящих а физико-механических свойств грун— та. Поскольку в производственных условиях практически невозможно зани-маться определением этих параметров и расчетами, то предложена следующая методика определения крутящего момента, н основу которой положены данные статической тарировки гидромотоPB.

Так как второй импульс подается в тот момент, когда заканчивается формирование камуфлетной полости, то задержка этого импульса по отношению к первому определяется из выражения

40

4 =TKM

Продолжительность действия на грунт второго импульса определяется продолжительностью процесса разру7 11042 чо, равное длине рычага. Одновременно фиксируется соответствующее этому моменту давление в гидросистеме маслостанции по манометру.

В результате серии последовательных нагружений получен градуировочный график зависимости крутящего момента, развиваемого гидромотором, от давления в гидросистеме. Поскольку этот же гидромотор применен в качестве 10 привода вращением рабочего органа в натурную величину на базе гидравлического экскаватора 30-2621, то этот график используется для определения крутящего момента в производственных условиях. Для этого специально разработанная и изготовленная гидропанель управления гидромотором, которую размещают в кабине экскаватора, оснащается манометром M контроля давления 20 в гидросистеме под нагрузкой, т.е., зная давление в системе при завинчиванин рабочего органа в мерзлый грунт и имея ранее полученный тарировочный график, можно определить крутящий мо-2 мент, развиваемый гидромотором при завинчивании.

Продолжительность воздействия первого импульса на грунт определяется временем образования камуфлетной полости, т.е. выражением

16 8 шения, который происходит под воздействием растягивающих напряжений и сопровождается образованием радиальных трещин и их развитием в сторону своб .ой поверхности. Длительность этого процесса можно определить из условия времени роста трещины из точки приложения импульса до свободной поверхности под углом, равным углу сдвига.

Результаты расчетов для одинаковых грунтовых условий дают соотношение

3 dt Зг. с 3K M

Результаты натурного эксперимента подтверждают преимущество предлагаемого способа по сравнению с известньм.

Энергоемкость процесса разрушения мерзлого грунта предлагаемым способом снизилась по сравнению с энергоемкостью процесса разрушения мерзлого грунта известным способом на 50-607.

Предлагаемый способ и устройство для его осуществления позволяют снизить энергоемкость процесса разрушения мерзлого грунта за счет вьщеления из процесса двух фаз — фазы формирования камуфлетной полости и фазы отрыва грунта от массива и обеспечения оптимальных параметров газодинамических импульсов в каждой фазе, а также суммирования энергии упругих колебаний, возникших в грунте в результате воздействия на него первого газодинамического импульса с энергией второго газодинамического импульса, подаваемого s образовавшуюся камуфлетную полость через промежуток времени, определяемый прочностными характеристиками разрушаемого грунта.

1104216

Составитель 10. Стрелов

Рсдактор 0. Бугир Техред A.Еабинец Корректор Л. Фоври Заказ 5172/21 Тираж 644 Подписное

ВГГИИПИ Г осуларственного комитета СССР по;гслам изобретений н открытий

113035, !!осква, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филин.:r (П3, "Патент", г. Ужгород, ул. Г!роектная,