Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Совершенствование метода расчета показателей процесса прокола при создании криволинейных скважин в грунтах

ВАК РФ 25.00.20, Геомеханика, разрушение пород взрывом, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика

Автореферат диссертации по теме "Совершенствование метода расчета показателей процесса прокола при создании криволинейных скважин в грунтах"

На правах рукописи

РЫБАКОВ Александр Сергеевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДА РАСЧЕТА ПОКАЗАТЕЛЕЙ ПРОЦЕССА ПРОКОЛА ПРИ СОЗДАНИИ КРИВОЛИНЕЙНЫХ СКВАЖИН В ГРУНТАХ

Специальность 25.00.20 - Геомеханика, разрушение горных пород, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика

11 НОЯ 2015

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Тула-2015

005564376

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего образования «Тульский государственный университет» (ТулГУ) на кафедре геотехнологий и строительства подземных сооружений.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

ЖАБИН Александр Борисович.

Официальные оппоненты:

ЮНГМЕЙСТЕР Дмитрий Алексеевич, доктор технических наук, профессор, федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный» / кафедра машиностроения, профессор;

ШИШЛЯННИКОВ Дмитрий Игоревич, кандидат технических наук, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Пермский национальный исследовательский политехнический университет» / кафедра горной электромеханики, доцент.

Ведущая организация:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Уральский государственный горный университет».

Зашита диссертации состоится «23» декабря 2015 г. в «1400» часов на заседании диссертационного совета Д 212.271.04 при Тульском государственном университете по адресу: 300012, г. Тула, пр. Ленина, 90, 6 уч. корпус, ауд. 220.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тульского государственного университета и на сайте http://www.tsu.tula.ru.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, подписанные и заверенные печатью организации, просим выслать по адресу: 300012, г. Тула, пр. Ленина, 92, Ученый совет ТулГУ, факс: (4872)33-81-81.

Автореферат разослан октября 2015 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Стась Галина Викторовна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Все более возрастающая плотность городского строительства и прокладываемых подземных коммуникаций привела к широкому применению технических средств, реализующих различные бестраншейные технологии. Наиболее востребованными и, как следствие, распространенными среди них оказались технологии горизонтально-направленного бурения и прокола. Они позволяют проводить выработки малого сечения как прямолинейной, так и криволинейной траекторий. При этом сохраняется общая устойчивость грунтового массива, а влияние развиваемых при уплотнении напряжений распространяется в пределах 5-6 диаметров скважины в направлении, перпендикулярном оси выработки. Увеличивающаяся плотность подземных коммуникаций обусловила необходимость исключения их взаимовлияния, а плотность поверхностной застройки - приоритетность забуривания с поверхности. Следствием этих факторов являются повышенные требования к точности и управляемости процесса создания криволинейной скважииы. Одним из простых и перспективных способов создания таких скважин является использование несимметричного рабочего инструмента цилиндрической формы со скосом (цилиндр рассечен наклонной плоскостью под углом к его оси). Точность в управлении здесь достигается путем совершенствования механизмов обратной связи, определяющих информацию о текущем местоположении и ориентации рабочего инструмента при создании криволинейной скважины в заданных горногеологических условиях и с учетом режимных и конструктивных параметров как его, так и самой установки. Механизмы обратной связи постоянно совершенствуются и на данном этапе представлены образцами, обеспечивающими высокую точность. Однако в развитии методов расчета показателей процесса прокола существует определенный вакуум, связанный со сложностью учета изменения как траектории, так и нагруженности рабочего инструмента при преодолении препятствий и, как следствие, при прокладке коммуникаций наиболее весомую роль играет опыт оператора прокалывающей установки. Обусловлено это главным образом отсутствием экспериментально обоснованного и достаточно полного математического описания процесса взаимодействия проходческого става, оснащенного несимметричным рабочим инструментом, с грунтовым массивом на основе современных представлений о механике грунтов и теории пластичности, что, в конечном счете, и определяет актуальность работы.

Цель работы. Обоснование параметров и определение показателей процесса прокола при создании криволинейных скважин на основе установленных закономерностей взаимодействия рабочего инструмента проходческого става с фунтом для совершенствования метода расчета, направленного на повышение эффективности применения прокалывающих установок.

Идея работы. Повышение эффективности прокалывающих установок достигается применением несимметричного рабочего инструмента при создании криволинейных скважин с учетом установленных закономерностей взаимодействия его с грунтом, выявленных как путем математического моделиро-

вания на основе современных представлений о механике фунтов и теории пластичности, так и экспериментально.

Метод исследования - комплексный, включающий научный анализ и обобщение опыта использования способов и средств при создании скважин в грунтах, а также результатов ранее выполненных теоретических и экспериментальных исследований процесса прокола; методы механики грунтов и теории пластичности; теоретические исследования на базе математического моделирования взаимодействия рабочего инструмента проходческого става с грунтовым массивом; проведение экспериментальных исследований и обработку экспериментальных данных с применением методов теории вероятности и математической статистики; сопоставление теоретических, расчетных и экспериментальных данных.

Научные положения, выносимые на защиту:

-математическое моделирование взаимодействия рабочего инструмента (конуса) проходческого става с грунтом основывается на рассмотрении последнего как области течения жесткопластической среды с постоянными начальной плотностью, сопротивлением сдвигу, относительным уплотнением значительно меньшим единицы и радиальным течением, намного превосходящим окружное течение, представляющей собой шар с вырезанным конусом, обусловливающим избыточное давление, характеризующее ее среднее напряжение;

- определение нагруженности симметричного рабочего инструмента (конуса) осуществляется по установленной зависимости, учитывающей геометрию инструмента и прочностные характеристики грунта и на которой базируется расчет несимметричного рабочего инструмента;

- определение нагруженности несимметричного рабочего инструмента достигается решением системы двух уравнений, связывающей усилие уплотнения грунта с нормальными и касательными усилиями, действующими на контактных площадках рабочего инструмента, с учетом его геометрии, одно из которых является трансцендентным относительно угла отклонения рабочего инструмента от прямолинейной оси скважины;

- усилие уплотнения суглинков и угол отклонения рабочего инструмента от прямолинейной оси скважины необходимо определять на основе установленных зависимостей с учетом диаметра рабочего инструмента и угла его заострения, а также скорости его внедрения в грунт и предела текучести последнего на сдвиг,

- усовершенствование метода расчета показателей процесса прокола базируется иа его экспериментальных исследованиях, математическом моделировании взаимодействия рабочего инструмента с грунтом и сопоставлении их результатов и заключается в установлении зависимостей усилия уплотнения грунта и угла отклонения рабочего инструмента от прямолинейной оси скважины с учетом влияющих факторов.

Научная новизна работы:

1. Получена теоретическая зависимость для определения усилия уплотнения грунта, взаимодействующего с конусным рабочим инструментом и учиты-

вающая его геометрию, а также предел текучести грунта при сдвиге и давление инструмента на грунт.

2. Установлены устойчивые корреляционные связи между отклонением рабочего инструмента от оси скважины, усилием уплотнения грунта и мощностью, затрачиваемой на его внедрение в грунт.

3. Усовершенствован метод расчета показателей процесса прокола при создании криволинейных скважин в грунтах.

4. Получены расчетные формулы для определения усилия уплотнения грунта и угла отклонения рабочего инструмента от прямолинейной оси для суглинков с учетом диаметра рабочего инструмента и угла его заострения, а также скорости его внедрения в грунт и предела текучести последнего на сдвиг.

5. Усовершенствована расчетная формула для определения усилия прокола суглинков.

Достоверность научных положений выводов и рекомендаций подтверждается корректностью постановки задач; корректным использованием при математическом моделировании процесса прокола методов механики грунтов и теории пластичности; представительным объемом экспериментальных и теоретических данных; корректным применением методов теории вероятности и математической статистики при обработке и анализе данных; устойчивостью корреляционных связей установленных зависимостей (значения коэффициентов корреляции находятся в пределах 0,81 - 0,99) и удовлетворительной сходимостью расчетных данных с результатами эксперимента.

Научное значение работы заключается в развитии теории процесса прокола грунтов рабочим инструментом проходческого става путем установления физической картины механизма прокола на базе математического моделирования и экспериментальных исследований и совершенствования на их основе метода расчета показателей процесса при создании скважин.

Практическое значение работы:

- разработан и изготовлен стенд, а также комплекс измерительной аппаратуры и программного обеспечения для изучения процесса прокола при создании как криволинейных, так и прямолинейных скважин;

- усовершенствован метод и разработана методика расчета показателей процесса прокола при создании криволинейных скважин.

Реализация работы. Результаты исследований, стендовая установка, комплекс измерительной аппаратуры и программного обеспечения и методика расчета и рекомендации в полном объеме используются ООО «Скуратовский опытно-экспериментальный завод» (г. Тула) и ООО «БЕЛРА-центр» (г. Тула) при разработке и создании прокалывающих установок.

Кроме того, результаты исследований внедрены в учебные курсы «Математическое моделирование физических процессов» и «Разрушение горных пород» для студентов ТулГУ, обучающихся по специальности 21.05.04 «Горное дело».

Личный вклад автора состоит в анализе и обобщении результатов теоретических и экспериментальных исследований; формулировании цели и задач исследований; разработке математической модели и стендовой установки, из-

мерительной аппаратуры и программного обеспечения; проведении теоретических и экспериментальных исследований и интерпретации их результатов; совершенствовании метода расчета показателей процесса прокола и подготовке публикаций.

Апробация работы. Результаты исследований докладывались на Международной научно-практической конференции молодых ученых и студентов «Опыт прошлого - взгляд в будущее» (гг. Тула - Минск - Донецк) 28 - 30 октября 2013 г.; научных семинарах профессорско-преподавательского состава кафедры ГиСПС ТулГУ (2012 - 2015 гг.); технических советах ООО «Скура-товский опытно-экспериментальный завод» (г. Тула, 2013 - 2015 гг.) и ТРО МОО «Академия горных наук» (г. Тула, 2013 - 2015 гг.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 10 статей, в том числе 8 в изданиях, рекомендованных ВАК Российской Федерации.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов и заключения, изложенных на 143 страницах машинописного текста, содержит 78 рисунков, 25 таблиц, список использованной литературы из 105 наименований и 4 приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Одним из наиболее распространенных и перспективных видов технологий бестраншейной прокладки инженерных коммуникаций является горизонтально-направленное бурение и его частный случай - статический прокол.

Значительный вклад в развитие этих технологий внесли В.А. Бреннер, A.C. Губанов, Д.Н. Ешуткин, A.C. Вазетдинов, Н.В. Васильев, Н.Я. Кершенба-ум, Э.С. Макаров, И.С. Михельсон, И.С. Полтавцев, Х.А. Рахматулин, A.A. Рогачев, Н.Е. Ромакин, В.К. Тимошенко, Д.И. Шор и другие ученые. Анализ результатов выполненных ими исследований показывает, что на сегодняшний день получены отдельные закономерности, характеризующие процесс внедрения рабочего инструмента проходческого става в грунтовый массив. Установлены усилия уплотнения грунта, трения проходческого става о грунт и его сцепления с ним в зависимости от некоторых основных факторов, определяющих процесс прокола, и свойств грунта. Однако, как правило, большинство исследований было посвящено симметричному (конусному) рабочему инструменту при сооружении прямолинейной скважины без учета скорости его внедрения в грунт. При этом в качестве показателей физико-механических свойств использовались различные характеристики, зачастую без какого-либо обоснования. Ряд исследований носил или только теоретический характер, или только экспериментальный и был представлен отдельными фрагментами. Сооружению криволинейных скважин при статическом проколе посвящена одна работа A.A. Рогачева, выполненная под руководством В.А. Бреннера. В ней установлены зависимости отклонения несимметричного рабочего инструмента от прямолинейной оси скважины. Также получена зависимость усилия прокола грунта (песка) от различных факторов, в которой некорректно учтено усилие уплотнения грунта. При этом не обоснованы характеристики грунта, не учитывались

силы трения грунта о поверхность инструмента при его внедрении в грунт, а также скорость проходки и мощность, затрачиваемая на внедрение инструмента в грунт. Установление таких закономерностей как теоретическим, на основе современных представлений о разрушении материалов, так и экспериментальным путем позволит усовершенствовать метод расчета показателей процесса прокола.

На основании изложенного, а также в соответствии с целью работы были поставлены следующие задачи исследований:

- разработка математической модели взаимодействия несимметричного рабочего инструмента с грунтом на основе современных представлений о механике грунтов и теории пластичности, обеспечивающей получение основных его характеристик;

- разработка стендовой базы и проведение экспериментальных исследований по установлению основных закономерностей взаимодействия несимметричного рабочего инструмента с грунтом и определению эмпирических параметров математической модели;

- проведение теоретических исследований и проверка адекватности математической модели экспериментальным данным;

- получение расчетных зависимостей для определения нагрузок, действующих на инструмент, и его отклонения;

- разработка методики расчета показателей процесса прокола при создании криволинейных скважин.

Математическое моделирование осуществлялось в несколько этапов. Вначале решалась задача об обтекании конуса жесткопластической средой, для которой определялись соответствующие соотношения. Затем осуществлялись математическая постановка задачи взаимодействия рабочего инструмента с грунтом, упрощение исходных соотношений, решение уравнений математической модели и определение нагрузки, действующей на конусообразный рабочий инструмент. На заключительном этапе производилось определение направления движения несимметричного рабочего инструмента и его нагружены ость при проколе.

Считается, что грунт, в который внедряется рабочий инструмент проходческого става, является жесткопластической средой, а рабочий инструмент представляет собой абсолютно твердый наконечник в виде круглого конуса с углом раствора 2а (рисунок 1). Начальная плотность деформируемой среды р0 считается постоянной. При деформации плотность р можно представить в виде р = р0 + Ар, где Ар - приращение плотности. Вместо среднего напряжения а, возникающего в деформируемой среде, будем рассматривать давление р, имеющее ясный физический смысл, т.е. р - -а, а относительное уплотнение грунта будем считать гораздо меньше единицы |Др(/р0 «1. Предел текучести

его при сдвиге по Мизесу ту =ту(у), где у = Ар/р0. Величина у = у, (предельная сжимаемость) для реальных грунтов лежит в интервале (0,1- 0,2). От величины у зависит не только ту, но и давление. Под давлением в дальнейшем понимается избыточное давление, т.е. давление, обусловленное воздействием

ел

М(г, в, q>)

усилия инструмента при проколе. Зависимости р= р(у) и ту= г/у), а также величина у существенно зависят от скорости нагружения. При проведении расчетов будем это иметь в виду и учитывать, что z>= const (т.к. считается, что сопротивление грунта определяется, в основном, сопротивлением сравнительно узкого слоя, прилегающего к рабочему инструменту) зависит от скорости нагружения как от параметра.

Далее силами инерции, вязкостью, ползучестью и другими эффектами, связанными со временем, пренебрегаем. Рассмотрение проводится в системе отсчета, жестко связанной с конусом. В этой системе конус покоится, а среда движется.

Поля, которыми характеризуется механическое поведение сплошной среды, должны удовлетворять дифференциальным уравнениям. Первое из них - уравнение неразрывности. Для стационарного течения в сферических координатах (см. рисунок 1) оно имеет вид

/

ч М'

/х К Рисунок 1 - Конус с углом раствора 2а обтекается жесткопластической средой: г,в,<р — сферические координаты некоторой точки М

1 д ( 2 N 1 г дг

-(pVff sin#) +

1

(1)

ътвдв^ " ' ятвд<р Уравнения движения при пренебрежении силами инерции переходят в уравнения равновесия

дагг 1 дагв 1

дг

д<ту0

>гв

59

yJt + i(2exn.-(rgff-a^+<Trecig6>)=0; rsmff <pr г

1 dva

дг

¿К

дг

1 дат +--— +

г дв rsin# dtp

1 OCT,

в<р

1 dv,

— + -{icrril) +2ae</,ctge)=0.

(2)

(3)

(4)

г дв гвт^ д(р г Эти уравнения совместно с соотношениями, определяющими средние скорость деформаций и напряжение, девиаторы скоростей деформаций и напряжений, а также с учетом соотношения Леви-Мизеса и условия текучести Мизеса позволяют найти все характеристики жесткопластического течения -поля скоростей, скоростей деформаций и напряжений.

Предположим, что область жесткопластического течения представляет собой шар радиуса а с вырезанным конусом с углом раствора 2а. Физический размер а представляет собой длину образующей конической части прокалывающего инструмента. Так как течение осесимметричное, очевидно, что скорость V, равна нулю и все величины, входящие в предыдущие соотношения, не зависят от </> (см. рисунок 1). Следующее допущение не столь очевидно. Оно заключается в том, что радиальное течение намного превосходит окружное Ы«|уг|. Поэтому пренебрегаем окружной скоростью.

С учетом упрощений зависимостей (1) - (4) и некоторых преобразований, которые здесь опускаются, получим

р = ту{А\аг + В + К),тд? Р. = Д(<9); (5)

— А + сову/у/-2л/Зсозу/ + ^д&т ц/ = 0; (6)

-Р.'—^ти/ч/'+Звпц^О. (7)

л/3

Уравнения (6) и (7) представляют собой систему двух обыкновенных дифференциальных уравнений первого порядка относительно функций у/ и Р-. Эта система распадается на два последовательно решаемых уравнения. Вначале из уравнения (6), решаемого численно методом Рунге-Кутга, находится функция 1//(0), а затем интегрируется уравнение (7).

Представим константу А в виде А = А0-е, где А0 = 1вп А = -2>/з ; е - функция угла а. (8)

а->0

Результаты вычисления е приведены в таблице.

Зависимость е от угла а

а, град 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

е 0 0,0532 0,0928 0,133 0,176 0,226 0,283 0,352 0,435 0,539

Константа В записывается в виде суммы

В = В^ +В2 +-83, где Bi =-АЬа;£2 = Вз=у- (9)

Как следует из рисунка 1, сила сопротивления Р — проекция равнодействующей на ось z с обратным знаком — определяется формулой

P = QTcosa + Qnsma, (10)

где QTn Q„ — касательная и нормальная составляющие нагрузки на рабочий инструмент соответственно.

В данном случае усилие сопротивления Р — это есть ничто иное, как усилие уплотнения грунта поскольку рассматривается рабочий инструмент отдельно от проходческого става, не учитывая силы трения и сцепления его с грунтом. Поэтому здесь усилие уплотнения грунта будет тождественно усилию прокола, т. е. Р„р = Р~ Руги.

Получено, что

2

QT-TyS-Tymsin а; (11)

Qn=Tyna2 s'ma^^-e, (12)

где S - площадь поверхности конусного наконечника; ft - некоторая положительная константа, определяемая экспериментально.

С учетом формул (11 и 12) зависимость 10 примет вид

2

Р = тyim sin а

cosar н--—esmar

(13)

Помимо силы Р со стороны грунта на несимметричный рабочий инструмент действуют (рисунок 2) сила давления Р и сила трения 0 по одной грани, а также сила давления (3 и сила трения V по другой грани. В данном случае не учитываются потери от трения и сцепления проходческого става с грунтом. Под действием приложенных сил рабочий инструмент находится в равновесии. Можно в первом приближении считать эту систему сил сходящейся. Тогда равновесие обеспечивается равенством нулю главного вектора этих сил Р + ^ + + 0 + К =

Пусть вектор скорости рабочего инструмента составляет с отрицательным направлением оси абсцисс угол Д т.е. угол его отклонения от прямолинейной оси скважины (см. рисунок 2). В системе отсчета, покоящейся относительно инструмента, среда натекает на него со скоростью й = -у. Для описания течения по грани АВ (см. рисунок 2) используется решение для обтекания конуса,

у которого половина угла раствора равна ат - Для описания течения по грани АС (см. рисунок 2) используется решение для обтекания конуса, у которого половина угла раствора равна /?. Угол р неизвестен. Очевидно, что 0 <Р<ат.

Введем следующее допущение. Я ' Силы р и 0 являются равнодейст-

Рисунок2-Силы, действующие на вующими соответствующих распреде-

Н"ИММ^~(р^,Гая™геКГПРИ ленных усилий, причем, площадь, по

которой они распределены, одинакова

и равна Я/. Силы () и V являются равнодействующими усилий, распределенных по площади Б2. +52 =5- общая площадь соприкосновения рабочего инструмента с грунтом. После некоторых преобразований получим, что

в = ; р = ^е(<*ни -0)\ и = ТуБх и У = .

Исходными данными для решения задачи являются величины Ту, ц, и ант а также зависимость е(а). В результате решения находится угол Д а также модули всех рассмотренных сил Р, I/, 0, К и Р. Окончательно получим

Р = Рзтани +1/со5ани +У; (14)

и&тани-Рсо$ани +0 = 0. (15)

Уравнение (15) представляет собой трансцендентное уравнение относительно угла/?. После его решения из уравнения (14) находится величина Р. Эти решения получаются с помощью программного комплекса МаШСАБ.

Таким образом, зная две материальные константы грунта - предел текучести грунта при сдвиге ту и константу ц, характеризующую избыточное давление, при котором изменяется величина гу, находятся как угол отклонения рабо-

= р =

чего инструмента /? от горизонтали, так и величина усилия прокола Р„р

РуП°' Моделирование процесса прокола грунта рабочим инструментом потребовало, как обычно это принято, некоторой идеализации, т.е. введения ряда предположений. Поэтому наиболее правильным в таком случае является сравнение результатов теоретических исследований, выполненных по модели, с закономерностями процесса прокола, установленными экспериментально, и таким образом оценка адекватности этой модели реальному процессу.

Для этого автором был разработан специальный стенд, представленный на рисунке 3, на котором механизм подачи проходческого става и рабочего инструмента частично не виден с данного р^Д^са^^^

Рисунок 3 - Общий вид экспериментального стенда: 1 - гидромотор; 2 - переходная муфта; 3 - задний щит; 4 - силовая рама; 5 - ходовой винт; б - направляющая; 7- передний щит; 8 - проходческий став; 9 - персональный компьютер, 10 - бункер для грунта; 11 - маслостанция; 12 - набор рабочего инструмента

В бункер укладывался суглинок, плотность которого составляла

1,91 г/см3, а влажность - 17,5%.

Для' регистрации хода и скорости внедрения инструмента в грунт, а также усилия прокола стенд был оборудован измерительной системой, состоящей из датчиков давления и хода, преобразователя интерфейсов и персонального компьютера со специализированным программным обеспечением для сбора и отображения данных.

Рабочий инструмент представляет собой скошенный цилиндр диаметром Л = 22 и 28 мм с углом заострения а,ш = 30 и 45 градусов, а проходческий став - тоубу длиной 1„ = 2,0 м и диаметром с1- 22 мм. Номинальная скорость внедрения рабочего инструмента в грунт, обеспечиваемая гидромотором, составляла 2,5 и 5 м/мин.

Наряду с усилием уплотнения Р^ и углом отклонения /3 в качестве показателей, характеризующих процесс прокола, также были приняты усилие про-

кола Рф, мощность, затрачиваемая на внедрение рабочего инструмента в грунт, N и его отклонение от прямолинейной оси <5.

Экспериментальные исследования проводились при а^ > й и с1ри = На рисунке 4 приведены примеры осциллограмм, характеризующих процесс прокола.

Анализ результатов исследований, представленных на рисунке 4, а, показывает следующее. В течение опыта ход рабочего инструмента линейно увеличивался и к концу внедрения достиг 2,14 м, а время опыта составило ~ 28 с. Скорость внедрения в среднем составляла 4,3 м/мин. Усилие прокола с увеличением хода става в целом не возрастало, а сохраняло свое значение около 5,1 кН. Это объясняется тем, что в плотном контакте с грунтом находится только поверхность рабочего инструмента. Следовательно, при <1ри > с1 отсутствуют

- К»0 ,0000 ,!С00 20000 2,000 ,.« „ „«, ,омо а0Ш) ^^

Рисунок 4 - Графики зависимостей длины внедренного участка проходческого става (хода) Л скорости внедрения става К, усилия прокола Р„р, мощности, затрачиваемой на внедрение инструмента в грунт N. и отклонения рабочего инструмента » от времени внедрения I при ~ 28 >/=22 мм <°> и при = а= 22 мм (б): 1 - усилие прокола Р„р, кН; 2 - скорость подачи к, м/мин; 3 - мощность N. кВт-10; 4 - ход /, м; 5 - отклонение рабочего инструмента

5, м-10

силы трения и сцепления става с грунтом, а усилие прокола в этом случае определяется только усилием его уплотнения. Следует отметить, что, примерно в течение 4 секунд наблюдается рост усилия прокола, связанный с разгоном рабочего инструмента. Мощность, затрачиваемая на внедрение рабочего инструмента в грунт ЛГ, также остается практически постоянной на всем протяжении опыта, поскольку усилие прокола и скорость внедрения рабочего инструмента изменяются незначительно. Небольшой спад усилия прокола в конце опыта объясняется неравномерностью свойств грунта. С увеличением внедрения става в грунт отклонение рабочего инструмента от продольной оси возрастает по криволинейной зависимости и в этом случае достигает значения 0 24 м при глубине внедрения 2,14 м.

На рисунке 4, б показано, что время опыта составило ~ 27 с глубина внедрения инструмента - 2,14 м, а скорость внедрения - 4,8 м/мин с незначительными колебаниями. Усилие прокола с увеличением хода става линейно возрастало от 0,98 до 4,88 кН. Это объясняется тем, что при ^ й в плотном контакте с грунтом находятся поверхности инструмента и проходческого става, в сумме определяющие усилие прокола. Поскольку усилие прокола по мере внедрения става в грунт возрастает, го и мощность повышается.

Установлено, что с увеличением длины внедренного участка проходческого става в грунт I отклонение рабочего инструмента <5 и мощность N возрастают соответственно по параболической и прямолинейной зависимости. С повышением номинальной скорости внедрения У„ от 2,5 до 5 м/мин отклонение 6 и мощность N увеличиваются, а с уменьшением угла заострения инструмента ани от 45 до 30 градусов изменяются незначительно.

Показано, что между показателями N и 8 существует устойчивая корреляционная связь. Экспериментально получена следующая формула:

,, 1,2 <.0,18

6 (16)

/V = 1,8-

0,21

-10

Обработка экспериментальных данных показала, что между усилием уплотнения грунта Ру,ш и отклонением 5 также существует корреляционная связь. При этом с увеличением скорости У„ и диаметра рабочего инструмента йри усилие уплотнения возрастает, а с увеличением угла заострения инструмента уменьшается.

На рисунке 5 в качестве примера показаны связи усилия прокола Р„,, с усилием уплотнения грунта Р>т, а также отклонения & и угла отклонения р рабочего инструмента. При этом экспериментально установлены значения ху и ц. Это позволило сопоставить экспериментальные и расчетные значения Р^ и Р (рисунок 6).

Руп:. Рпр. кН

0.15

0.05

10000 20000 1.ыс

Рисунок 5 - Связи усилий прокола /%,(') и уплотнения Рут (2) (а) и отклонения 6 и угла отклонения /? (б) при Уп = 5 м/мин, ат = 45 град и с1р„ = 22 мм

Анализ этих графиков показывает, что коэффициент корреляции для них составляет 0,97, а отклонения расчетных данных относительно экспериментальных в среднем не превышают 9,1 и 4,1 % соответственно. Таким образом, можно сделать вывод о том, что математическая модель адекватно описывает процесс прокола грунта несимметричным рабочим инструментом.

Установлены корреляционные связи между параметрами х^ ц и V,,, имеющие вид

^ = 0,02^+0,44; ту = 136,2К„ +363,5. (17)

Расчеты, выполненные по математической модели в более широком диапазоне влияющих факторов, подтвердили экспериментально установленные закономерности процесса прокола и позволили получить новые. Так, установлены зависимости усилия уплотнения грунта Рут и угла отклонения рабочего инструмента р от угла его заострения а„и, первая из которых имеет минимум в районе 45 - 55 градусов, а вторая в этом же районе достигает максимума.

1з., граз

Рисунок 6 - Сопоставление расчетных {Рупяр. и/?,,.) и экспериментальных (Ру„л и Д.) данных: <7 - усилия уплотнения; б - угла отклонения рабочего инструмента

В результате численных экспериментов были получены следующие расчетные формулы для определения усилия уплотнения грунта Рут, угла отклонения несимметричного рабочего инструмента Д и мощности, затрачиваемой на его внедрение в грунт, N в зависимости от влияющих факторов:

0,9-г/2-е2-4

Р

.0,05

упп

а,

2,9

-10

,6.

/? = 0,18 — 0,01Ршп + 0,2/л;

Ы = Уп

0,9 а

ри

■г;-2-.

.(^2,4.^0,05

2,9

10 6+#// + &;

(18)

(19)

(20)

Коэффициенты множественной корреляции для зависимостей (18) - (20) находятся в пределах 0,91 - 0,99. Формула (20) была сопоставлена с зависимостью (16), при этом расхождения теоретических и экспериментальных значений не превышали 12,7%.

На основании результатов исследований разработана методика расчета показателей процесса прокола при создании криволинейной скважины в грунтах.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате выполненных теоретических и экспериментальных исследований решена задача совершенствования метода расчета для определения показателей процесса прокола на основе установленных закономерностей взаимодействия рабочего инструмента проходческого става с фунтом, обеспечивающего повышение эффективности применения прокалывающих установок при создании криволинейных скважин, что имеет значение для их расчета и проектирования.

Основные выводы, научные и практические результаты работы сводятся к следующему.

1. Разработана математическая модель взаимодействия рабочего инструмента прокалывающей установки с грунтом при создании криволинейной скважины, основанная на физически обоснованных гипотезах и методах механики грунтов и теории пластичности, и позволяющая раскрыть механизм прокола и определять нагруженность несимметричного рабочего инструмента и

направление его движения в грунте. Математическая модель может быть использована и при расчете нагрузок, действующих на конусный рабочий инструмент при создании прямолинейных скважин.

2. Разработана и изготовлена стендовая установка для исследования основных закономерностей процесса прокола в грунтах и комплекс измерительной аппаратуры и программного обеспечения для персонального компьютера, позволяющий следить за основными факторами и показателями процесса на всем промежутке создания скважины.

3. Установлено, что при диаметре несимметричного рабочего инструмента больше диаметра проходческого става усилие прокола и мощность, затрачиваемая на его внедрение в грунт, практически остаются постоянными. При этом отклонение инструмента от оси скважины зависит от длины внедрения проходческого става в грунт по параболической зависимости.

4. Установлено, что при равных диаметрах несимметричного рабочего инструмента и проходческого става усилие прокола и мощность, затрачиваемая на его внедрение в грунт, линейно возрастают, а отклонение инструмента увеличивается по зависимости, близкой к линейной, по мере заглубления в него става. При этом с повышением скорости внедрения отклонение инструмента, усилие прокола и мощность увеличиваются. С увеличением диаметра рабочего инструмента усилие уплотнения возрастает.

5. Установлены устойчивые корреляционные связи между отклонением несимметричного рабочего инструмента от оси скважины, усилием уплотнения грунта и мощностью, затрачиваемой на его внедрение в грунт.

6. Математическая модель адекватно описывает процесс прокола грунта несимметричным рабочим инструментом. Сопоставление теоретических значений усилия уплотнения грунта, угла отклонения инструмента и мощности, затрачиваемой на прокол, с экспериментальными значениями этих величин, показывает, что коэффициент корреляции между ними составляет 0,91 - 0,99, а отклонения расчетных данных относительно экспериментальных в среднем не превышают 12,7 %.

7. Установлены зависимости усилия уплотнения грунта и угла отклонения рабочего инструмента /? от угла его заострения ани, первая из которых имеет минимум в районе 45 - 55 градусов, а вторая в этом же районе достигает максимума. Экспериментально подтверждено, что с уменьшением угла заострения рабочего инструмента на участке 45 - 30 градусов усилие прокола и мощность возрастают, а его отклонение изменяется незначительно.

8. Усовершенствован метод расчета показателей процесса прокола при создании криволинейных скважин в грунтах. Получены расчетные формулы для определения усилия уплотнения грунта и угла отклонения рабочего инструмента от прямолинейной оси для суглинков с учетом диаметра инструмента и угла его заострения, а также скорости его внедрения в грунт и предела текучести последнего на сдвиг. Усовершенствована расчетная формула для определения усилия прокола суглинков.

9. Стендовая установка, комплекс измерительной аппаратуры и программного обеспечения и методика расчета показателей процесса прокола при

создании криволинейных скважин в грунтах приняты к использованию ООО «СОЭЗ» и ООО «БЕЛРА-центр» при разработке и создании прокалывающих установок.

Рекомендации и перспективы дальнейшей разработки темы. Изучить влияние угла заострения рабочего инструмента на его отклонение в более широком диапазоне. Изыскать возможность определения характеристик грунта, входящих в математическую модель, в лабораторных условиях. Распространить метод расчета на другие грунты, например, глины и пески с учетом различных типоразмеров проходческих ставов.

Основные положения диссертации отражены в следующих работах:

опубликованных в периодических изданиях, рекомендованных ВАК России:

1. Рыбаков A.C., Наумов Ю.Н. Разработка системы определения пространственного положения головной секции става грунтопроходческой машины // Горное оборудование и электромеханика. — 2012. — №4. — С. 33 —38.

2. Рыбаков A.C. Перспективы развития бестраншейных технологий при прокладке инженерных коммуникаций//Изв. ТулГУ. Технические науки.-2015.-Вып. 7-1. - С. 164-169.

3. Рыбаков A.C. Способы создания криволинейных скважин при бурении и проколе // Изв. ТулГУ. Технические науки. - 2015. - Вып. 7-1. - С. 169 - 175.

4. Рыбаков A.C. Разработка стендового оборудования для экспериментального исследования процесса проходки криволинейной скважины методом прокола // Изв. ТулГУ. Технические науки. -2015. - Вып. 7-1. - С. 226 - 234.

5. Жабин А.Б., Лавит И.М., Рыбаков A.C., Поляков A.B. Процесс уплотнения грунта при проколе как течение жесткопластической среды //Изв. ТулГУ. Технические науки. -2015. - Вып. 7-2. -С. 136-140.

6. Жабин А.Б., Лавит И.М., Рыбаков A.C., Поляков A.B. Определение нагрузки, действующей на конусообразный рабочий инструмент при проколе грунта // Изв. ТулГУ. Технические науки. -2015. - Вып. 7-2. - С. 206 - 211.

7. Жабин А.Б., Лавит И.М., Рыбаков A.C. Определение направления движения несимметричного рабочего инструмента при проколе // Изв. ТулГУ. Технические науки. - 2015. - Вып. 7-2 - С. 223-227.

8. Жабин А.Б., Лавит И.М., Рыбаков A.C. Математическое моделирование процесса прокола грунта симметричным рабочим инструментом // Изв. ТулГУ. Технические науки. - 2015. - Вып. 7-2 -С. 42-48.

опубликочитых в научных сборниках и других изданиях:

9. Рыбаков A.C. Разработка испытательного стенда для исследования поведения пилотной секции бурового става в грунтовом массиве // «Опыт прошлого - взгляд в будущее» - 4-я междунар. научно-практическая конф. молодых ученых и студентов: Мат. конференции. - ТулГУ, Тула-Минск-Донецк. — 2013. — С. 47 —52.

10. Рыбаков A.C. Результаты экспериментальных исследований процесса создания криволинейной скважины методом прокола // Изв. ТулГУ. Науки о Земле. - 2015. - Вып.З. - С. 89-94.

Изд. Лиц. ЛР №020300 от 12.02.97. Подписано в печать/£10.2015

Формат бумаги 60x84 Мь. Бумага офсетная Усл.печл. 0,8. Уч.-издл. 0,93. Тираж 100 экз. Заказ 041 Тульский государственный университет. 300600, г. Тула, пр.Ленина, 92. Отпечатано в Издательстве ТулГу. 300600, г. Тула, пр. Ленина, 95