ОБРАЗОВАНИЕ. ТРАНСПОРТ. ИННОВАЦИИ. СТРОИТЕЛЬСТВО

Сборник материалов III Национальной научно-практической конференции

________________________________________________________________

УДК 625.76 + 624.138.22:626.226

АЛГОРИТМ РАСЧЕТА ТРАМБУЮЩЕГО РАБОЧЕГО ОРГАНА

Н. С. Галдин, доктор технических наук, профессор,

заведующий кафедрой «Подъемно-транспортные, тяговые машины и гидропривод»; И. А. Семенова, кандидат технических наук, доцент кафедры «Подъемно-транспортные, тяговые машины и гидропривод»

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Сибирский государственный автомобильно-дорожный университет

(СибАДИ)», Омск, Россия

Аннотация. Приводятся алгоритмы расчета трамбующего рабочего органа. Алгоритм и программное обеспечение позволяют рассчитать основные параметры (массу трамбующей плиты, скорость соударения трамбующего рабочего органа с грунтом, энергию единичного удара, значения контактных напряжений на поверхности грунта при заданной толщине уплотняемого слоя грунта, геометрические размеры трамбующей плиты и другие характеристики) трамбующего рабочего органа для уплотнения различных грунтов и используемого в качестве рабочего органа дорожно-строительных машин (ДСМ).

Ключевые слова: уплотнение грунта, трамбование.

ALGORITHM FOR CALCULATING A TAMBING WORKING BODY

N. S. Galdin, doctor of technical sciences, professor,

managing of department «Hoisting-and-transport, traction machines and a hydrodrive»;

I. A. Semenova, Ph. D. in Technical Sciences,

Ass. Professor of department «Hoisting-and-transport, traction machines and a hydrodrive»

Federal State Budget Educational Institution of Higher Education

«The Siberian State Automobile and Highway University», Omsk, Russia

Abstract. Algorithms for calculating the tampering working body are given. The algorithm and software make it possible to calculate the main parameters (tamping plate mass, collision speed of the tamping tool with soil, the energy of a single impact, contact stress values on the soil surface at a given thickness of the compacted soil layer, the geometric dimensions of the tamping plate and other characteristics) of the tamping tool compaction of various soils and road construction machinery (DSM) used as a working body.

Keywords: soil compaction, compaction.

Введение

Одним из эффективных способов уплотнения грунтов является трамбование. Уплотнение грунта при этом происходит за счет энергии удара трамбующего рабочего органа. Эффективность, качество уплотнения грунта трамбованием зависят от выбора основных параметров трамбующих рабочих органов [1 – 6].

Широкое распространение экскаваторов с гидроприводом привело к появлению различных видов сменного рабочего оборудования к ним. Рабочее оборудование к экскаватору для уплотнения грунта трамбованием показано на рисунке 1. Грунтоуплотняющее оборудование с помощью управляемой стрелы и рукояти экскаватора можно выносить на значительное расстояние, устанавливать в необходимое положение.

89

Направление 1. Транспортное и строительное машиностроение

________________________________________________________________

Рисунок 1 – Экскаватор с гидротрамбовкой

Алгоритм расчета трамбующего рабочего органа

Расчет трамбующих рабочих органов основан на теории удельных импульсов профессора Н.Я. Хархуты. Теория удельных импульсов профессора Н.Я.Хархуты [6] оценивает эффективность воздействия

трамбующего рабочего органа на уплотняемый грунт по величине удельного импульса удара. Явление
∫0 Pdt = ( 1 − 2),	(1)
удара трамбующего рабочего органа на уплотняемый грунт описывается известным выражением:

где τ – время ударного воздействия; P – сила удара; m – масса трамбующей плиты; V1 – скорость трамбующей плиты в начале удара; V2 – скорость трамбующей плиты в конце удара, V2 = 0.

Под удельным импульсом удара понимается импульс, приходящийся		на единицу контактной
=
поверхности. Он может быть найден из выражения [6]	1 ,	(2)

где i – удельный импульс удара, Па с; S – площадь контакта трамбующей плиты с грунтом, м2; m – масса трамбующей плиты, кг; V1 – скорость трамбующей плиты в начале удара, м/с.

Рекомендуемые проф. Н.Я. Хархутой значения предельных удельных импульсов удара (ip , МПа с) для различных грунтов (при оптимальной влажности) [6]:

а) малосвязные (супеси) 0,005…0,008; б) средней связности (суглинки) 0,008…0,015;

в) высокой степени связности (тяжелые суглинки) 0,015…0,022; г) весьма связные (глины) 0,022…0,030.

Профессором Н.Я. Хархутой получена			формула		для	нахождения максимального	значения
			0		,		(3)
контактного напряжения на поверхности грунта σ0 [6]:
где		– безразмерный коэффициент,		=
			учитывающий			форму импульса и другие	факторы;

τ – время удара, с.

Было установлено, что для качественного уплотнения грунта трамбованием необходимо соблюдать следующие основные условия:

•Удельный импульс ударадолжен составлять 0,9…1,0 предельного импульса для данного вида грунта.

•Возникающее на поверхности контакта максимальное напряжение должно составлять 0,9…1,0 предела прочности грунта.

•Напряжения на заданной глубине должны обеспечивать требуемую плотность грунта.

•Влажность грунта должна быть близка к оптимальной.

90

ОБРАЗОВАНИЕ. ТРАНСПОРТ. ИННОВАЦИИ. СТРОИТЕЛЬСТВО

Сборник материалов III Национальной научно-практической конференции

________________________________________________________________

Профессором Н.Я. Хархутой было установлено, что наибольший эффект от уплотнения грунта трамбованием получается при величине контактного напряжения на поверхности грунта σ0 , которое составляет 0,9…1,0 от предела прочности грунта σp , т.е. при σ0 = (0,9…1,0)σp .

Численные значения пределов прочности	грунта при оптимальной влажности и плотности
δ = 0,95δmax приведены в таблице 1 [6].
Таблица 1
Грунты	Предел прочности грунта, σр, МПа
Малосвязные (песчаные, супесчаные)	0,3…0,7
Средней связности (суглинистые)	0,7…1,2
Высокой связности (тяжелосуглинистые)	1,2…2,0
Весьма связные (глинистые)	2,0…2,3

Расчет параметров трамбующего рабочего органа заключается в определении массы трамбующей плиты, скорости трамбующей плиты в момент удара, энергии удара и размеров трамбующей плиты.

Параметры трамбующего рабочего органа должны обеспечить получение требуемой плотности грунта в слое заданной толщины. При этом достижение требуемой плотности должно происходить при минимальном числе ударов.

Грунтоуплотняющее оборудование на основе гидроударников является одним из перспективных навесных оборудований к экскаваторам.

Грунтоуплотняющее оборудование на основе гидроударников могут выполняться по четырем схемам (рисунок 2) [1]:

а) с ударом трамбующей плиты непосредственно по грунту; б) с ударом трамбующей плиты непосредственно по грунту и опорной плитой; в) с шаботом; г) с шаботом и опорной плитой.

Исходными данными для расчета параметров грунтоуплотняющего оборудования являются:
а) вид грунта;		= = 0,98
б) требуемая плотность уплотнения грунта	¯	;
в) толщина уплотняемого слоя грунта H0.

Рисунок 2 – Принципиальные схемы гидротрамбовок:

1 - корпус; 2 - подвижные части; 3 – сменная трамбующая плита; 4 – кронштейн; 5 – дополнительная опорная плита; 6 – шабот

91

Направление 1. Транспортное и строительное машиностроение

________________________________________________________________

Геометрические размеры трамбующей плиты при оптимальной влажности грунта выбираются из
	min ≥ 1−−3,7		0			.	(4)
условия [6]		0

Значения размеров трамбующей плитыBmin , вычисленные по уравнению (4), приведены на рисунках3, 4.

Рисунок 3 – Зависимость Bmin от толщины H0 и отношения σ0/σр (для связных грунтов)

Рисунок 4 – Зависимость Bmin от толщины H0 и отношения σ0/σр (для несвязных грунтов)

Для получения требуемого контактного напряжения на поверхности грунта σ0 при заданном

удельном импульсе удара i необходимо обеспечить следующую скорость удара [1]:

V1 – м/с; 0 – МПа;

i –

=

¯.

23

+ 12ig−0 2

¯

1

0

^

+ 12ig−0+

0

^

+4 1 2ig

,

(5)

σ

2 1

где

^

= 0,0546 + 21,

− 0,0481 { − 21,15

МПа с; g = 9,81 м/с

;

92

ОБРАЗОВАНИЕ. ТРАНСПОРТ. ИННОВАЦИИ. СТРОИТЕЛЬСТВО

Сборник материалов III Национальной научно-практической конференции

________________________________________________________________
= iS1 ,	(6)
Масса трамбующей плиты при заданном удельном импульсе определяется по формуле [6]
где m – кг; i – Па с; S – м 2; V1 – м/с.
Зная массу трамбующей плиты и скорость удара, определим энергию удара [1]	(7)
2 .
1

= 2

На рисунке 5 представлены зависимости массы трамбующей плиты от толщины уплотняемого слоя грунта и величины контактных напряжений на поверхности грунта.

Рисунок 5 – Зависимость массы трамбующей плиты от толщины уплотняемого слоя грунта и контактных напряжений на поверхности грунта для супесей

Алгоритм расчета трамбующего рабочего органа представлен на рисунке 6.

93

Направление 1. Транспортное и строительное машиностроение

________________________________________________________________

Начало

Ввод данных

Задание удельного импульса

удара i, контактного напряжения

σо

Определение основных

параметров рабочего органа (B, S, V1 , m, T, q и

других)

Определение

σz = f(σo, V1, q, z, B)

Определение параметров

рабочего органа. Проверка соответствия σz

Нет

σz ≥ σр

Да

Техническое задание на проектирование (ТЗ).

Вид грунта (iр , σp , W). Толщина уплотняемого слоя грунта Н0.

Требуемая плотность. Базовая машина.

Печать результатов

Конец

Рисунок 6 – Алгоритм расчета трамбующего рабочего органа

94

ОБРАЗОВАНИЕ. ТРАНСПОРТ. ИННОВАЦИИ. СТРОИТЕЛЬСТВО

Сборник материалов III Национальной научно-практической конференции

________________________________________________________________

Заключение

От толщины уплотняемого слоя и вида грунта зависят скорость удара трамбующей плиты о грунт, масса трамбующей плиты, её геометрические размеры и энергия удара. Поэтому для уплотнения различных видов грунтов необходимо обеспечивать возможность регулирования скорости удара и массы трамбующей плиты.

Библиографический список

1.Галдин, Н. С. Рабочее оборудование ударного действия для уплотнения грунта трамбованием: монография / Н. С. Галдин; СибАДИ, кафедра ПТТМиГ. – Омск: СибАДИ, 2016. – 104 с.

2.Машины для уплотнения грунтов и дорожно-строительных материалов / С. А. Варганов, Г. С. Андреев, В.Я. Балакирев и др. – М.: Машиностроение, 1981. – 240 с.

3.Тарасов, В. Н. Теория удара в строительстве и машиностроении / В. Н. Тарасов, И. В. Бояркина, М.В. Коваленко, С. В. Кузнецов, И. Ф. Шлегель. – М.: Изд-во АСВ, 2006. – 336 с.

4. Тарасов, В. Н. Расчет параметров трамбующих рабочих органов / В. Н. Тарасов, Н. С. Галдин	//
Строительные и дорожные машины. – 2003. – № 3. – С. 34-36.

5.Федулов, А. И. Ударное уплотнение грунтов / А. И. Федулов, Р. А. Иванов, В. В. Пучков. – Новосибирск: ИГД СО АН СССР, 1983. – 118 с.

6.Хархута, Н. Я. Машины для уплотнения грунтов. Теория, расчет и конструкции / Н. Я. Хархута. - М.: Машиностроение, 1973. – 176 с.

95