книги / Механика мерзлых грунтов и принципы строительства нефтегазовых объектов в условиях севера

& Машины и оборудование для рыхления вечномерзлых грунтов		-71-
-^02 —	ф)	(3.2)
где <р- угол внутреннего трения.

В процессе заглубления наконечника сила сопротивления Рог направлена вверх и препятствует погружению рыхлителя, в процессе рыхления и подъема рыхлителя эта сила направлена вниз и затягивает рабочий орган в грунт.

Для обеспечения силы сцепления рыхлителя с грунтом не­ обходимо, чтобы тяговое усилие базового трактора Рсц превы­ шало, суммарные силы сопротивления W, действующие в про­ тивоположном направлении:

(3.3)

где G - полный вес базового тягача с рабочим оборудовани­ ем; <рсц - коэффициент сцепления трактора с мерзлым грунтом.

Знак перед силой Рог принимают положительным, если вер­ тикальная составляющая, увеличивает сцепной вес базового трактора в процессе рыхления и выглубления. При заглублении сила сопротивления Рог будет иметь отрицательное значение. При использовании толкача уравнение (3.3) примет вид

(3.4)

Суммарное сопротивление перемещению базового тягача в процессе рыхления

V=Poj+fG+PJ0&)

(3.5)

где / - коэффициент сопротивления перемещению базового тягача; i - уклон местности.

При наезде на препятствие в металлоконструкции рыхлите­ ля резко возрастают динамические нагрузки [26]:

^г.д ~ P ctftd	(3.6)

-7 2 -	Механика мерзлых грунтов к принципы строительства нефтегазовых
	объектов в условиях Севера
где	к д =2,5...3,5 - коэффициент динамичности, завися­

щий от скорости протекания процесса и жесткости элемента, служащего препятствием для рыхления.

Нагрузки со стороны грунта воспринимаются наконечни­ ком, закрепленным на стойке рыхлителя, расчет которой выпол­ няют для двух положений (рис.3.5): 1) процесс рыхления проис­ ходит при действии силы РГ Д . (горизонтальная составляющая сопротивления грунта рыхлению с учетом динамических нагру­ зок) и силы Рл (сила сопротивления затягиванию рабочего орга­ на в грунт); 2) выглубление рыхлителя происходит под действи­ ем сил Рг.д и Рв (вертикальная составляющая сопротивления грунта рыхлению). Стойка с наконечником работает на изгиб и их рассматривают как одно целое. Опасными сечениями явля­ ются I - I...IV - IV.

Усилие подъема стойки рыхлителя также определяют по условию опрокидывания, но относительно ребра В. т. е. при

наибольшей глубине рыхления, при

= 0 (]Г М В - сум­

марный момент сил, действующих при выглублении).

Рис. 3.S. Силы, действующие на стойку рыхлителя.

Рабочую балку рассчитывают при наезде на непреодолимое препятствие при наибольшей глубине рыхления в момент выглубления рабочего органа.

J. Машины и оборудование для рыхления вечномерзлых грунтов

-7 3 -

Усилие, необходимое для заглубления наконечника рыхлигепя в грунт (рис.3.6), определяют относительно ребра А, при

j L M A = 0 (здесь Y J M A - суммарный момент сил, дейст­

вующих при заглублении).

Рис. 3.6. Схема к расчету усилий, действующих на стойку рыхлителя:

а - при заглублении; б - при подъеме.

Усилия в тягах и шарнирах подвески рыхлителя определя­ ют с учетом конкретных размеров в начале заглубления, при опускании и подъеме стойки рыхлителя при наибольшем за­ глублении.

Выбор гидроцилиндров подвески рыхлителя осуществляют по необходимым скоростям и расчетным усилиям подъема (опускания) стойки рыхлителя И изменения угла рыхления. Да­ лее выполняют проверочный расчет гидроцилиндров на проч­ ность. Усилие, создаваемое гидроцилиндром, установленным штоком вверх, при заглублении стойки

So=0,785(D2- cf)p,

(3.7)

где D - внутренний диаметр цилиндра; d - диаметр штока; р - рабочее давление в гидроцилиндре.

Усилие, создаваемое гидроцилиндром при подъеме стойки

5о=0,785£)2р.

Механика мерзлых грунтов и принципы строительства нефтегазовых -ПА- объектов,i условиях Севера

Поданным [2б],; соотношение скоростей подъема и опуска­ ния стойки при давлении в гидросистеме 16 МПа составляет 1,35—1,65, а при давлении 10 МПа - 1,25...1,35.

Распределенная нагрузка рыхлителя на грунт

4 ~ { G P + G E + G T )( 2^ А ) 1 (3-8)

где Ьг, Ь г - ширина и длина опорной поверхности гусени­ цы; Gp - масса рыхлитепьного оборудования; G£ - масса буль­ дозерного оборудования; GT - масса трактора.

3.2.Рыхлители динамического действия

Кэтим рыхлителям относятся машины, разрушающие мерзлый грунт ударной нагрузкой, вибрационным, виброудар­ ным и частоударным рабочими органами (рис. 3.7). Рабочие ор­ ганы, кроме падающего, могут быть установлены вертикально или наклонно относительно поверхности грунта.

Машины ударного действия могут быть выполнены с па­ дающим или забиваемым рабочим органом в виде ударной мас­ сы, гидромолота и гидропневмомолота. Рабочий орган машины ударного действия, выполненный в виде клина, конуса или ша­ ра, подвешен к канатам экскаватора или перемещается по на­ правляющим.

Процесс разрушения грунта машинами ударного действия состоит из двух этапов; внедрение клина в грунт и создание ядра уплотнения под его острием; появление трещин, направленных к дневной поверхности и способствующих скалыванию элемен­ тов грунта. Под острием рыхлителя грунт испытывает напряже­ ния сжатия, а по боковым поверхностям — напряжения растя­ жения. Образование трещин облегчает процесс скалывания грунта в сторону открытой поверхности, а принудительное за­ бивание клина в грунт создает дополнительное расклиниваюее усилие.

Разрушение сезонно-мерзлого грунта машинами ударного действия будет эффективным, если глубина зоны грунта, испы-

^ Машины и оборудование для рыхления вечномерзлых грунтов

-75-

гывающей напряжения сжатия, под падающим рабочим органом Соответствует глубине промерзания грунта. При рыхлении веч­ номерзлого грунта это условие невыполнимо, поэтому процесс рыхления будет менее эффективным. Процесс рыхления будет более производительным, если использовать забиваемый рабо­ чий орган, показанный на рис. 3.7, б. Этот рабочий орган состо­ ит из клина 1 с наковальней 4 и падающего груза 2 с бойком 3.

Рис. 3.7. Рабочий орган машины динамического действия а- падающий; б- забиваемый; в- вибрационный; г- часгоударный;

д- виброударный; 1 - клин; 2- ударная масса; 3- боек; 4- наковальня; 5 - вибратор; 6 - пружины

Забиваемые рабочие органы обычно имеют форму клина и погружаются в грунт с помощью дизель-, гидро-, пневмо- и виб­ ромолотов.

Уменьшение угла заострения клина /3 снижает необходи­ мую энергию удара и увеличивает расклинивающее усилие. Ус­ тановлено, что угол заострения клина должен составлять 25...350. Если в конструкции рыхлителя предусмотрено устрой­ ство для создания дополнительной силы, отрывающей грунт в сторону свободной поверхности при забивании клина, то угол заострения должен быть равным 7... 10° по условию прочности

Реакция грунта, направленная по нормали к поверхности клина:

_ Р COS<p

(3.9)

" 2sin (j6/2 + <p) ’

76-	Механика мерзлых грунтов;и принципы строительства нефтегазовых
	;объектов в условиях Ссвера

где <р уголвнешнего трения клина о мерзлый грунт; Щ усилие, действующее на клин при его погружении.

Сила трения клина о грунт

(3.10)

2sm (/3/2 + <p)

Расклинивающее усилие

р н = j c t g ( P ? 2 + ( p )	(3.11)
Усилие внедрения клина
Р >2 Р К,	(3.12)

где Рк - усилие сжатия, действующее на боковую поверх­ ность клина.

Предел прочности мерзлых грунтов при сжатии больше их предела прочности при разрыве, поэтому мерзлый грунт разру­ шается главным образом вследствие напряжений растяжения. При этом разрушение носит хрупкий характер.

При ударе напряжения и деформации распространяются в мерзлом грунте со значительными скоростями. В грунте созда­ ются продольные и поперечные волны, вызывающие нормаль­ ные и касательные напряжения, причем скорость продольных волн примерно в 2 раза больше скорости поименных волн.

Основными параметрами, определяющими эффективность рыхления, являются: работа (энергия) и частота ударов, форма и размер рабочего органа, КПД удара (отношение энергии, затра­ ченной на разрушение грунта, к энергии, запасенной ударником до удара по рабочему органу), физико-механические свойства мерзлых грунтов в момент рыхления.

Удельной работой удара называют отношение работы еди­ ничного удара А\ отнесенной к длине лезвия клина В или к наи­ большей площади поперечного сечения части клина, внедряе­ мой в грунт Fmx:

Ав = А1!В; AF —Ai/Fmax

(3.13)

3 Машины и оборудование для рыхления вечномерзлых грунтов	- 7 7 -
Работа рыхлителя будет эффективной, если работа единич­
ного удара превышает минимальную работу	A min, необходи­
мую для разрушения мерзлого грунта, А >	.

Падающие рабочие органы с /3 =25...35° имеют следующие

показатели: А {=40—150 кДж, А в =20...25 кДж/м, A F= 300...400

кДж/м2, частоту ударов до 1,5 Гц. Эти падающие рабочие орга­ ны эффективно применяют для грунтов, слой сезонного промер­ зания которых составляет не более 0,5 м.

Забиваемые рабочие органы при /3=7...10° характеризуются

следующими показателями: А 1 до 40 кДж, А в = 5...10 кДж/м,

A F - 80..Л50 кДж/M2, частота ударов не более 10 Гц. Они при­ менимы для рыхления грунтов с глубиной промерзания до 1,2 м. КПД зависит от отношения массы т , падающего груза и массы клина 1П2 . Для большинства рыхлителей отношение Щ / т 2

должно быть не менее 3...5.

При погружении клина долотообразной формы с острыми гранями, имеющего /3=7...10°, расходуется примерно в 3 раза меньше энергии, чем при погружении клина, имеющего /3=25...35°. Однако объем вытесняемого грунта при использова­ нии клиньев с острыми гранями мал, поэтому шаг перемещения клина при рыхлении уменьшают. Ширина клиньев с острыми гранями В = 0,15...0,5 м, а шаг /=(1...5)В. Если рабочий орган имеет несколько клиньев, то расстояние между ними составляет S=(2...2,5)B .

Реакция R„, нормальная к поверхности клина, стремится сдвинуть рабочий орган в сторону забоя и создает значительные динамические нагрузки на металлоконструкцию направляющего устройства и базовой машины. Направляющие крепят к базовой машине в одной точке, что снижает динамические нагрузки на базовую машину и обеспечивает скол большего объема грунта, т. е. «крупный» скол.

Вибрационные машины так же, как и ударные, оказывают на мерзлый грунт динамическое воздействие. Вибрация умень­ шает внешнее трение рабочего органа о грунт и сила внедрения

Механика мерзлых грунтов и принципы строительства нефтегазовых объектов в условиях Севера

уменьшается в 1,5...3 раза. Частота колебаний рабочего органа составляет 120 Гц, энергия одного импульса до 30 кДж.

По способу крепления вибратора на рабочем оборудовании различают вибрационные машины с вибратором, жестко закре­ пленным на рабочем органе; виброударные, вибратор которых прикреплен к рабочему органу на пружинах (вибромолоты); частотоударные, вибратор которых и рабочий орган не связаны между собой.

В вибрационных рыхлителях под действием синусоидаль­ ной вынуждающей силы клин совершает колебания, передаю­ щиеся грунту. В частоударных рыхлителях при движении виб­ ратора под действием вынуждающей силы пружины сначала получают энергию, а затем отдают ее рабочему органу, увели­ чивая силу соударения бойка с наковальней. Зазор между бой­ ком и наковальней х регулируется. Поэтому число ударов может быть равным или меньше частоты колебаний вибратора.

Для рыхлителей вечномерзлого грунта наиболее целесооб­ разным является магнитострикционный вибратор [24]. Этот вибратор работает в резонансном режиме, что снижает потреб­ ляемую мощность для получения больших амплитуд колебаний; не имеет движущихся частей, т. е. он обладает большим КПД; прост по конструкции и компактен. Диапазон частот магнитострикционных вибраторов составляет от 400 до 20 кГц. Установ­ лено, что при частоте 5 кГц в мерзлом грунте на некотором рас­ стоянии от рабочего органа образуются микротрещины.

3.3. Машины, разрушающие грунт отрывом

Эти машины предназначены для рыхления вечномерзлого грунта V ...V I категории трудности в труднодоступных местах строительных площадок. Рабочий орган этих машин выполнен винтоклиновым (рис. 3.7). Винтоклиновые рыхлители выполне­ ны в виде ручного инструмента или навешиваемого на базовый трактор или рукоять экскаватора.

Для разрушения корки сезонно-мерзлого грунта толщиной до 0,6...0,8 м применяют клиновое рабочее оборудование, закре­ пляемое на базовом гусеничном тракторе вместо бульдозера. Клин вдавливается в слой сезонно-мерзлого грунта под действи­

3. Машины и оборудование для рыхления вечномерзлых грунтов

-7 9 -

ем тягового усилия базового тягача при движении вперед, а взламывание грунта осуществляется поднимаемым вверх кли­ ном с помощью гидроцилиндров.

При погружении в грунт рабочего органа в виде винта (рис. 3.8) и приложении крутящего момента и осевого усилия на винтовых лопастях возникает усилие, затягивающее клин в мерзлый грунт, в результате чего происходит отрыв от массива конусообразного элемента грунта.

При наличии открытого забоя винтовой рабочий орган за­ глубляет клин, вдавливаемый напорным усилием винтовых ло­ пастей, до скола элемента грунта в сторону открытой поверхно­ сти.

Рис. 3.8. Винтоклиновой рыхлитель а - общий вид; б - схема к расчету; 1 - штанга; 2 - упорный подшипник;

3 - клин; 4 - винтовой рабочий орган

Винтоклиновой рабочий орган диаметром 100 мм с приво­ дом вращения мощностью 15 кВт создает усилие от-рыва грунта 100;.. 120 кН. Особен-ностями винто-клиновых рабочих органов являются безударная разру-шающая нагрузка, уменьшающая ди­ намические нагруз-ки на базовую ма-шину, кроме того, разру­ шающая нагрузка приложена к массиву грунта в направлении, при котором обеспечивается наименее энергоемкое его разру­ шение благодаря деформациям растяжения.

Механика мерзлых грунтов и принципы строительства нефтегазовых - o U - объектов в условиях Севера

Диаметр винта (см) определяют по эмпирической формуле в зависимости от мощности привода винтового оборудования

JV(KBT)

D = 6 3 y[N

(3.14)

Шаг винтовой линии d=0,8D. Угол наклона винтовой лопа­ сти а|=19...21° принимают в соответствии с ее средним диамет­ ром. Частота вращения винтового рабочего органа 30...90 об/мин. Крутящий момент, необходимый для внедрения винто­ вого рабочего органа в мерзлый грунт, зависит от наибольшего напорного усилия Р„, среднего радиуса винта Dcp*0,71D угла подъема винтовой линии at и угла внешнего трения металла о грунт a [44]:

= 0,5 PHDv tg ( a + < *,)

(3.15)

Глубина отрыва элемента грунта, соответствующая мини­ мальной энергоемкости процесса рыхления:

^ _ nPtgq>2	d
	(3.16)
tg(q>2 + a i)	2

где <jo2 - угол наклона винтовой лопасти в зоне отрыва грун­ та. Диаметр отрываемого элемента грунта Д ,=(4...6)D. Осевое усилие, необходимое для отделения элемента грунта от массива:

'р.=о.4ДА°', (з.«)

где (7р - предел прочности грунта при растяжении.

3.4. Машины для нарезания щелей в вечномерзлых грунтах

Щелерезные машины относят к машинам непрерывного действия. Эти машины представляют навесное оборудование к гусеничным тягачам в виде баровой цепи или роторного тран­ шейного экскаватора, оснащенное специальными режущими