Повышение эффективности динамического рыхлителя мерзлых грунтов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.05.04, кандидат технических наук Сапожников, Александр Иванович

• Сапожников, Александр Иванович
• кандидат технических наук
• 1984

Оглавление диссертации кандидат технических наук Сапожников, Александр Иванович

ВВЕДЕНИЕ,.

I. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1. Разработка мерзлых грунтов

1.2. Оценка эффективности динамических рыхлителей мерзлых грунтов

1.3. Изоляция базовой машины от колебаний, возбуждаемых динамическим рыхлителем

1.4. Цель и задачи исследований

2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ МЕРЗЛОГО ГРУНТА И ЭЛЕМЕНТОВ КРЕПЛЕНИЯ РЫХЛИТЕЛЯ НА ЕГО ЭФФЕКТИВНОСТЬ

2.1. Обоснование математической модели процесса взаимодействия динамического рыхлителя с мерзлым грунтом

2.1.1. Изменение свойств грунта при воздействии на него интенсивных колебаний

2.1.2. Теоретическое описание колебаний механических систем.

2.1.3. Математическая модель процесса взаимодействия динамического рыхлителя с нагрузкой.

2.2. Взаимодействие динамического рыхлителя с мерзлым грунтом

2.2.1. Влияние мерзлого грунта и элементов крепления на работу рыхлителя в режиме непрерывной передачи энергии

2.2.2. Влияние мерзлого грунта на работу рыхлителя в режиме импульсной передачи энергии

2.2.3. Распределение затрат энергии при взаимодействии динамического рыхлителя с мерзлым грунтом

2*3« Методика расчета основных параметров динамического рыхлителя

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение эффективности динамического рыхлителя мерзлых грунтов»

1X71 съездом КПСС определена главная задача одиннадцатой пятилетки, состоящая "в обеспечении дальнейшего роста благосостояния советских людей на основе устойчивого, поступательного развития народного хозяйства, ускорения научно-технического прогресса и перевода экономики на интенсивный путь развития, более рационального использования производственного потенциала страны, всемерной экономии всех видов ресурсов и улучшения качества работы". Огромная роль в выполнении этой задачи отведена строительству, как одной из базовых отраслей промышленности.

Основными направлениями экономического и социального развития СССР на 1981-1985 годы и на период до 1990 года", декабрьским (1983 г.) и февральским (1984 г*) Пленумами ЦК КПСС разработана система мер по обеспеченно интенсификации строительства, повышению его эффективности, в частности, намечено создать высокопроизводительные машины для комплексной механизации основных работ на всех стадиях строительного производства • ••", "•♦. сосредоточить усилия на .#• повышении качества, надежности, экономичности и производительности, уменьшении . вибрации машин снижении их . энергопотребления", ". повысить производительность труда в строительстве на 15-17 процентов".

Именно из этих директив следует исходить при создании машин для разработки мерзлых грунтов - одного из наиболее трудоемких и дорогостоящих процессов в строительстве* В настоящее время о ежегодно разрабатывается более I млрд.м мерзлых грунтов, по мере освоения северных и восточных районов страны этот объем будет увеличиваться [61] . Эффективность существующих способов и средств разработки мерзлых грунтов не соответствует все возрастающему объему работ. В связи с этим возникает необходимость в совершенствовании существующих и создании новых способов и средств разработки мерзлых грунтов. Актуальность этой проблемы была подчеркнута на Всесоюзных семинарах по методам разработки мерзлых грунтов, состоявшихся в г.Москве в 1978 году и в г.Уфе в 1982 году [61,98] . В ходе работы семинаров отмечено, что из имеющихся способов разрушения мерзлых грунтов наибольшее распространение получил механический, а из его средств разработки наибольшей эффективностью обладают динамические рыхлители, монтируемые на тракторах и экскаваторах [61,98,99,101,105,113,125] .

Высокая эффективность динамических рыхлителей по сравнению с другими машинами объясняется подводом дополнительной мощности непосредственно в рабочую зону, минуя трансмиссию тягача. Однако нагружение рыхлителя изменяет режим его работы и способствует рассеиванию на базовой машине и на элементах крепления значительной части энергии возбудителя, что приводит к уменьшению передаваемой в грунт энергии, снижению эффективности процесса рыхления мерзлого грунта, преждевременному разрушению узлов и металлоконструкции базовой машины [5-7,11,53,54,73,82,97,105,119] •

Основная цель настоящей работы - установление и изучение основных зависимостей влияния мерзлого грунта и конструкции элементов крепления на эффективность динамического рыхлителя; разработка научно обоснованных рекомендаций по расчету и проектированию динамических рыхлителей.

Для достижения поставленной цели были определены на основе разработанной математической модели основные закономерности влияния свойств мерзлого грунта и конструкции элементов крепления на параметры, характеризующие работу динамического рыхлителя; разработана методика расчета динамических рыхлителей, учитывающая влияние нагрукения; правомерность методики подтверждена экспериментальным исследованием; разработаны рекомендации по конструированию динамических рыхлителей, согласно которым бвдш изготовлены опытные образцы, прошедшие эксплуатационную проверку в производственных условиях.

I. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1, Разработка мерзлых грунтов

Большая трудоемкость и стоимость разработки мерзлых грунтов объясняется их большой прочностью [15,34,42,63,68,90',116,117, 121] , поэтому традиционные землеройные машины, эффективные в летних условиях, способны разрабатывать мерзлый грунт, как правило, только после его специальной подготовки [53,60,61,92,98, 99,101,102,105,113] .

Подготовка грунта может заключаться в его предохранении от промерзания, оттаивании, взрывном и механическом рыхлении, физических или химических способах разупрочнения (табл.1,1) [14,48, 53,61,73-75,92,103,105,113,125] .

Предохранение грунта от промерзания, достигаемое утеплением, вспашкой, боронованием, глубоким рыхлением и засолением, обеспечивает возможность производства земляных работ в зимнее время обычными землеройными машинами или уменьшает промерзание на 40-60 процентов. Стоимость мероприятий по предохранению грунтов от промерзания и трудоемкость невелики. Однако сложность организации и планирования работ на строительной площадке, а также сложность предохранения слоя утеплителя от случайного разрушения, сдерживает более широкое применение этого метода [61,74,98,101, 105,113 ] .

Способ оттаивания мерзлых грунтов огнем, паром, поверхностными и глубинными электродами энергоемок [61,74,98,101,119] , поэтому имеет ограниченное применение. Его целесообразно применять при выполнении небольших объемов работ или при производстве работ в стесненных условиях.

Таблица 1.1

Усредненные технико-экономические показатели подготовки мерзлых грунтов к экскавации

Наименование способа

Трудоемкость чел.да./м3

1. Предохранение грунтов от промерзания

- утеплением

- вспашкой и боронованием

- глубоким рыхлением

- засолением

2. Оттаивание

- огневое 1,5

- поверхностными электродами 1,73

- глубинными электродами 1,12

- электронагревателями 1,06

3. Рыхление взрывом 0,9

4. Механическое рыхление

- статическими рыхлителями

- рыхлителем с механическим возбудителем

- рыхлителем с газодинамическим возбудителем

- баровыми и дискофрезерными машинами 0,54

- клин-бабой на экскаваторе 0,65

- гидромолотом на экскаваторе 0,5

0,044 0,016 0,011 0,0045

0,11 0,07 0,09 0,03

0,61 0,02

0,04 0,05 атв

Энергоемкость разрушения мерзлых грунтов буровзрывным и особенно щелевзрывным способами невелика [16,45,53,61,98,99, 101,102,103,105,113,119] , однако высока стоимость и трудоемкость выполнения работ, что наряду с опасностью разрушения близлежащих инженерных сооружений ограничивает широкое применение данного способа [53,61,98,101,105,119] .

В настоящее время разработаны способы и имеются опытные образцы машин для разрушения мерзлых грунтов электромагнитным полем, инфракрасным излучением, электротермическим воздействием, электрическим пробоем, струей высокотемпературного газа и т.п.' [41,77,83,101] .• Однако энергоемкость вышеперечисленных способов разрушения пока велика, а скорость процесса мала, что не позволяет получить достаточную для массовой разработки грунта производительность.

Химическое разрушение льдоцементных связей основано на применении хлоридов и некоторых других композиционных смесей. Хлориды оказывают воздействие только на верхний слой мерзлого грунта, не превышающий 0,05 - 0,1 метра. Кроме того, применение химических соединений представляет опасность для окружающей среды и рабочих органов машин, что резко ограничивает применение химического способа [73] .

Большое распространение получили машины, оснащенные режущими элементами: фрезерные, дискофрезерные, баровые и т.п. [1,2, 31,60,61,69,73-76,92,98,99,101-103,105,113,119,125] . Поскольку мерзлые грунты обладают большим сопротивлением резанию, велика энергоемкость их разработки, а высокая абразивность грунтов способствует быстрому износу резцов, что обуславливает значительные затраты времени на их замену, и все это снижает эффективность подобных машин [61,73-76,101,119,125] .

По данным ряда исследований наиболее эффективны навесные рыхлители на мощных тягачах, разрушающие грунт в большей степени сколом и сдвигом, при этом энергоемкость процесса в 2 - 4 раза меньше, чем при резании [13,14,18,21,23,27,29,33,53,54,61, 73-76,78,80-82,84,89,91-93,98,99,101-103,105,106,113,119,122, 123,125 ] . Невозможность полностью реализовать мощность двигателя тягача по условиям сцепления, а также значительные динамические нагрузки, передаваемые на базовую машину являются недостатками навесных рыхлителей [5,6,7,54,65,73-76,78,84,91-93,105, 119] .

Более полно использовать мощность двигателя можно подводом части энергии непосредственно в рабочую зону, минуя трансмиссию тягача. Этот способ, названный интенсификацией процесса, получил достаточно большое распространение и реализуется, например, в конструкциях динамических рыхлителей [12,14,18,21,22,23,24,25, 27,29,33,42,43,47,48,54,73-76,78,80,92,105*106,119,125] .

Известно, что динамические рыхлители состоят из возбудителя силовых импульсов, рыхлящего зуба, кинематически связанного с возбудителем, и элементов крепления возбудителя и рыхлящего зуба к базовой машине [5,14,18,21,27,29,33,55,73,78,82,84,91,92,128, 131] .

По типу возбудителя динамические рыхлители можно подразделить на рыхлители с механическим, электромагнитным и газодинамическим возбудителем.

Рыхлители с электромагнитным возбудителем чувствительны к изменению нагрузки, поэтому широкого применения в строительстве не получили [54,70,73] .

Ддя рыхлителей с газодинамическим возбудителем (рис.1.1) наименьшая энергоемкость достигнута на пластично-мерзлых грунтах при угле заострения клина в плане fi , равном 7-8°. Наличие некоторого заострения в плане обеспечивает плотное прилегание поверхности инструмента к разрабатываемой среде и повышает эффективность оборудования такого типа [l8,2l] • С уменьшением пластичности среды плотность ее прилегания к поверхности инструмента уменьшается, что ведет к снижению эффективности процесса. Для разрушения сред с низкой пластичностью и высокой прочностью рекомендуются рыхлители с механическим возбудителем f14, 54] .

Рыхлители с механическим возбудителем можно подразделить по частоте воздействия на грунт - частоударные или низкочастотные, среднечастотные, высокочастотные; по способу возбуждения - с внешним и самовозбуждением; по характеру передачи энергии - с непрерывным или импульсным излучением; по типу возбудителя -- с распределенными и сосредоточенными параметрами; по режиму работы возбудителя - резонансные или нерезонансные.

При низкочастотном воздействии (0,1 - 5 Гц) в грунте за время между ударами успевает произойти снятие напряжений, поэтому энергия силового воздействия в значительной степени рассеивается в массиве грунта [43,54,73,105] . При среднечастот-ном воздействии (5 - 200 Гц) в грунте начинает преобладать не эффект отдельного силового воздействия, а колебательный процесс в целом. С каждым последующим периодом колебаний инструмента в грунте происходит накопление напряжений [43,73,105] . При высокочастотном воздействии (200-10000 Гц) длина волны,

V/ /// //7 /// /// //

А-А

Рис.1.1. Зуб рыхлителя с газодинамическим возбудителем: 1,2 - магистрали подачи сжатого газа; 3 - выхлопные отверстия; (X - угол резания; ^/в- угол заострения распространяющейся в грунте, становится соизмеримой с размерами разрушаемого участка, при этом возможны фокусирование и интерференция волн в необходимом направлении или объеме [40,44,51,54, 57,64,86,88,100,110] .

В рыхлителях с самовозбуждением колебаний стойки с зубом (рис.1.2) колебания возникают вследствие изменения силы сопротивления грунта разрушению, в момент внедрения зуба в массив силы сопротивления максимальны, а в момент скола грунта-минимальны [31,47,48,73,78] . Рыхлитель содержит стойку I с зубом, закрепленную шарнирно на подвеске 2 базовой машины, и упругие элементы 3, которые установлены между стойкой I и подвеской 2. Упругие элементы не только "сглаживают" динамические нагрузки, но и при внедрении зуба в грунт аккумулируют часть энергии, а в момент скола накопленная в упругих элементах энергия способствует перемещению стойки вперед, что приводит к разрушению дополнительного объема грунта [78] . Основной недостаток рыхлителей с самовозбуждением стойки с зубом - невозможность управлять параметрами колебаний.

Обычно возбуждение колебаний стойки с зубом осуществляется внешним источником (рис.1.3). В таких рыхлителях возможна регулировка амплитуды смещения и скорости колебаний рыхлящего зуба, что позволяет установить оптимальное с точки зрения энергоемкости процесса соотношение между мощностью, затрачиваемой на перемещение машины, и мощностью, затрачиваемой на возбуждение колебаний [14,54,73,92,106] .

Рыхлители с механическим возбудителем могут работать в режимах непрерывной и импульсной передачи энергии в грунт [70] . Режим непрерывной передачи энергии характеризуется установивши

Рис.1.2. Рыхлитель с самовозбуждением колебаний стойки с зубом: I - стойка с рыхлящим зубом; 2 - подвеска; 3 - упругие элементы

У7У7777?

Рис.1.3. Рыхлитель с внешним возбуждением колебаний стойки с зубом: I - стойка с рыхлящим зубом; 2 - возбудитель колебаний; 3 - подвеска; 4 - упругие элементы мися колебаниями и взаимодействием зуба рыхлителя с грунтом в каждом периоде колебаний. Режим импульсной передачи характеризуется двумя периодами: периодом передачи энергии в грунт, называемым импульсом, и периодом запасания энергии, называемым интервалом между импульсами. Импульс представляет собой некоторое ограниченное во времени колебание с периодом Т и с продолжительностью существования С (рис.1.4) [8,11,28,38,40,44,51,107, 126 ] . Продолжительность существования импульса обычно больше периода, т.е. в импульсе укладывается несколько периодов упругих колебаний, а интервал между смежными импульсами больше продолжительности этих импульсов.

В отличие от режима непрерывной передачи энергии режим импульсной передачи может характеризоваться неустановившимися колебаниями, Чем больше отношение ^/т* » тем в большей степени режим импульсной передачи приближается к режиму непрерывной передачи энергии в грунт.

У частоударного (низкочастотного) рыхлителя воздействие на грунт происходит в каждом периоде колебаний, т.е. в режиме непрерывной передачи энергии. При каждом ударе происходит либо скол грунта, при этом частота сколов равна частоте воздействия, либо внедрение рыхлящего зуба в грунт до стадии интенсивного трещино-образования и последующего скола грунта, при этом частота сколов меньше частоты воздействия. После скола грунта, пока рыхлитель преодолевает разрушенное пространство, его возбудитель не работает [5,23,29,82,84,93] .

Возбудитель рыхлителя со среднечастотным воздействием на грунт постоянно генерирует колебания [39,73,129-133] . При разрушении непрочного грунта, когда энергии достаточно для скола

Рис.1.4. График импульса силы: Т - период колебаний; Т - продолжительность импульса; tu - интервал между импульсами ? ? * ; * ? ? > ^ ? ; > щть,

Рис.1.5. Пневматический или гидравлический молот: I - инструмент; 2 - боек; 3 - направляющие; 4 - магистрали для подвода воздуха или жидкости грунта в каждом периоде колебаний, режим передачи энергии - непрерывный. При разрушении более прочного грунта, когда энергии недостаточно для его скола в каждом периоде воздействия, деформации в грунте накапливаются с каждым последующим воздействием, пока не произойдет скол. Во время преодоления рыхлителем разрушенного пространства его возбудитель продолжает работать и в колебательной системе рыхлителя накапливается энергия [54] .

Таким образом, в зависимости от физико-механических свойств грунта рыхлитель со среднечастотным воздействием на грунт может работать как в режиме непрерывной, так и в режиме импульсной передачи энергии.

Возбудитель рыхлителя с высокочастотным воздействием на грунт, также как и со среднечастотным, постоянно генерирует колебания [54] . Однако, так как частота воздействия велика, энергии одного воздействия всегда недостаточно для разрушения грунта в каждом периоде колебаний. Разрушению грунта предшествует накопление в нем деформаций, само разрушение происходит с частотой 4-15 Гц, поэтому рыхлитель с высокочастотным воздействием на грунт может работать только в режиме импульсной передачи энергии.

У рыхлителей с внешним возбуждением возбудители могут работать в резонансном и нерезонансном режимах. Резонансный режим, в отличие от нерезонансного, обеспечивает получение максимальной амплитуды смещения при минимальных затратах энергии.

Возбудители могут быть с сосредоточенными или распределенными параметрами. Возбудители с сосредоточенными параметрами, как правило, нерезонансные, их частота колебаний в силу конструктивных особенностей ограничена 200 Гц [10,25,29,39,54,70,

73,107,129-133] • Повышение частоты ведет к уменьшению амплитуды колебаний и массы возбудителя, а значит и энергии колебаний. К возбудителям с сосредоточенными параметрами следует отнести вибро-, пневмо-, гидромолоты. Они могут использоваться в конструкции навесного рыхлительного оборудования к трактору или экскаватору [5,29,33,43,65,72,78,82,84,89,91,97,127,129-133] , и содержат движущуюся возвратно-поступательно или вращающуюся массу и кинематически связанный с ней инструмент (рис.1.5). Как уже было отмечено, указанное оборудование можно использовать при разработке мерзлых, скальных и плотных грунтов, асфальтобетонных покрытий и т.п., однако значительные динамические нагрузки, передаваемые на базовую машину, снижают эффективность его применения [5,6,7,29,76,127] .

Возбудители с распределенными параметрами (пьезоэлектрические и магнитострикционные) выполняются резонансными с частотой колебаний до нескольких мегагерц. Они выгодно отличаются от возбудителей с сосредоточенными параметрами большей скоростью колебаний, удельной мощностью, добротностью и нашли широкое применение в различных областях техники для генерации мощных ультразвуковых колебаний [36,46,51,54,57,70,71,100,107,109,ПО,115] .

В качестве возбудителей динамических рыхлителей мерзлых грунтов используются, как правило, магнитострикционные вибраторы (рис.1.6) с частотой колебаний до 8 кГц. Они, как отмечает ряд исследователей, наряду с достоинствами, такими как направленность силового воздействия, высокая энергия колебаний, широкий частотный диапазон и т.п., обладают существенными недостатками: нагружение изменяет режим работы рыхлителя и энергия колебаний возбудителя в значительной степени рассеивается на эле

Рис.1,6. Магнитострикщонный рыхлитель:

I - зуб-концентратор; 2 - возбудитель; 3 - корпус; 4 - элементы крепления ментах подвески рыхлителя к базовой машине [9,12,54,70 ] .

Таким образом, одним из наиболее эффективных средств разработки мерзлых и прочных грунтов являются динамические рыхлители [5,12,14,18,21-23,25,27,29,33,42,43,47,48,53-55,61,73,76,78, 80-82,84,89,91-93,95,98,99,101-103,105,106,113,119,125,128,131] . Для всех динамических рыхлителей характерно изменение режима их работы при нагружении и рассеивание значительной части энергии возбудителя колебаний на базовой машине, уменьшающие эффективность рыхления мерзлых грунтов. Повышение эффективности динамических рыхлителей возможно при учете влияния нагружения и уменьшении энергии колебаний, передаваемых на базовую машину.

Заключение диссертации по теме «Дорожные, строительные и подъемно-транспортные машины», Сапожников, Александр Иванович

вывода ПО РАБОТЕ

1. В результате проведенного анализа способов и средств разработки мерзлых грунтов с точки зрения повышения эффективности самого процесса было установлено следующее.

Одним из перспективных средств разработки мерзлых грунтов является динамический рыхлитель, характеризующийся направленностью силового воздействия, высокой энергией удара, широким частотным диапазоном, высокой скоростью приложения нагрузки, что позволяет разрушать грунт преимущественно растягивающими напряжениями, т.е. с наименьшими энергозатратами.

Нагружение динамических рыхлителей изменяет режим их работы и способствует рассеиванию значительной части энергии возбудителя на базовой машине.

Использование существующих способов изоляции базовой машины от динамических нагрузок, создаваемых возбудителем, уменьшает эффективность процесса разрушения мерзлых грунтов. Использование изоляторов, установленных между базовой машиной и рыхлителем, ведет к уменьшению передаваемой в грунт энергии; при использовании в качестве возбудителя двухмассных или стержневых колебательных систем защита возможна только при холостом режиме работы рыхлителя.

Одним из возможных путей решения задачи повышения эффективности динамического рыхлителя является установление и изучение закономерностей влияния нагружения и конструкции элементов крепления на эффективность процесса разрушения мерзлых грунтов, что позволит обосновать выбор оптимальных параметров режима работы и конструкции элементов крепления рыхлителя.

2. Нагружение рыхлителя обуславливает изменение режима его работы с одной стороны и изменение свойств грунта с другой. Под воздействием интенсивник колебаний мерзлый грунт разрушается аналогично хрупкому телу. Сопротивление грунта динамическому воздействию носит комплексный характер, реактивная составляющая сопротивления изменяет собственную частоту колебательной системы рыхлителя, а активная приводит к появлению в системе бегущей волны. Реактивную составляющую можно компенсировать изменением частоты возбудителя и тогда мерзлый грунт при воздействии на него интенсивных колебаний можно рассматривать как упруго-хрупкое тело, характеризующееся только активным сопротивлением.

3. В качестве обобщающей математической модели динамического рыхлителя можно принять волновое уравнение, так как его полное решение описывает колебания в системе с распределенными параметрами, а частное решение аналогично уравнениям, описывающим колебания в системах с сосредоточенными параметрами.

4. В качестве обобщающей математической модели процесса взаимодействия динамического рыхлителя с грунтом можно принять систему уравнений, составленных на основе решения волнового уравнения в виде суперпозиции падающих и отраженных волн. Эта система уравнений описнвает многократное отражение упругой волны от элементов крепления рыхлителя и нагрузки, а также поглощение волны на элементах крепления и ее прохождение в нагрузку.

5. Влияние нагрузки-грунта на работу динамического рыхлителя выражается не только в изменении собственной частоты колебательной системы рыхлителя, но и в уменьшении амплитуды распространяющейся по системе волны, и в появлении смещений на элементах крепления рыхлителя.

6. Параметры прошедшей в грунт волны зависят от коэффициента ее отражения от элементов крепления; чем ближе коэффициент отражения к единице, т.е. чем больше сопротивление элементов крепления, тем больше амплитудные значения параметров этой волны. Сопротивление элементов крепления зависит от отношения частот вынужденных и собственных колебаний элементов крепления, если это отношение меньше 0,7 или равно 1,4, то сопротивление элементов крепления приобретает достаточно большое значение и влияние элементов крепления на колебания незначительно.

7. Параметры прошедшей в грунт волны достигают максимального значения при равенстве сопротивлений колебательной системы рыхлителя и нагрузки-грунта, однако при сохранении резонансного режима работы рыхлителя параметры прошедшей в грунт волны остаются достаточно близкими к своему максимальному значению даже при значительном неравенстве сопротивлений колебательной системы и на-' грузки. Таким образом, сохранение резонансного режима можно рассматривать как способ согласования колебательных систем с нагрузкой.

8. При работе рыхлителя в режиме импульсной передачи,энергии влияние нагрузки выражается в появлении на элементах крепления колебаний не только с частотой вынуждающей силы, но и с основной частотой импульса, причем, основная частота импульса зависит от отношения сопротивлений колебательной системы рыхлителя и нагрузки и от отношения колебательной и поступательной скоростей рыхлителя.

9. Впервые разработанный стенд для проведения экспериментальных исследований позволяет исследовать влияние сопротивления элементов крепления на эффективность динамического рыхлителя.

Теоретическое обоснование конструкции стенда позволило предложить новый способ компенсации неточности изготовления колебательных систем вибровозбудителей.

10. В результате проведения экспериментального исследования подтвердилось сделанное в главе 2 предположение о наибольшей эффективности динамических рыхлителей с элементами крепления, обладающими большим сопротивлением воздействию вынуждающей силы; отношение частот вынужденных колебаний возбудителя и собственных колебаний таких элементов крепления меньше 0,7 или равно . Кроме того подтвердилась правомерность методики расчета основных параметров динамического рыхлителя с учетом влияния нагрузки. Расхождение данных, расчитанных по теоретическим зависимостям и полученных экспериментально, составляет не более 7,5%.

11. На основе полученного выражения эффективности динамического рыхлителя представилось возможным разработать требования к их конструкции: с целью уменьшения потерь энергии на внутреннее трение возбудитель рыхлителя должен обладать небольшим сопротивлением, т.е. его собственная частота должна быть близка или равна частоте вынуждающей силы, а для уменьшения потерь энергии на базовой машине и на элементах крепления последние должны обладать большим сопротивлением для вынуждающей силы.

12. Предложено направление повышения эффективности динамического рыхлителя путем параметрического или самовозбуждения рыхлящего зуба.

13.- Для рыхлителей, работающих в режиме импульсной передачи энергии, следует рекомендовать элементы крепления с собственной частотой, равной основной частоте импульса, что соответствует условию самовозбуждения колебательной системы; а для рыхлителей работающих в режиме непрерывной передачи энергии, следует рекомендовать элементы крепления, с собственной частотой в два раза меньшей частоты вынуждающей силы, что соответствует условию возникновения параметрического резонанса. При самовозбуждении колебаний или параметрическом резонансе увеличивается амплитуда смещения рыхлящего зуба, а значит и количество передаваемой в грунт энергии или эффективность динамического рыхлителя.

14. Результаты эксплуатационной проверки опытных образцов динамических рыхлителей, разработанных согласно предложенным методике расчета и рекомендациям по проектированию, подтвердили правильность выводов, полученных при проведении теоретического и экспериментального исследований.

В настоящей работе рассмотрена одна из сторон взаимодействия динамического рабочего органа с нагрузкой, а именно - влияние неизменяемой нагрузки и элементов крепления на режим работы и эффективность динамического рыхлителя. В дальнейшем в целях совершенствования динамических рыхлителей необходимо исследовать параметрическое и самовозбуждение колебательных систем рыхлителей; влияние интенсивных колебаний на обрабатываемые среды, и изменение свойств этих сред при воздействии колебаний; согласование динамического рабочего органа со средой, и автоматическая подстройка параметров рыхлителя в соответствии с изменяющими свойствами среды.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Сапожников, Александр Иванович, 1984 год

1. Абезгауз В.Д. Режущие органы машин фрезерного типа для разработки горных пород и грунтов. М.¡Машиностроение, 1965. - 280 е., ил.

2. Абезгауз В.Д., Гальперин М.И. Разработка мерзлых грунтов при механизированном рытье траншей. М.: Гостоптехиздат, 1962. -95 с., ил.

3. Адлер Ю.П. Введение в планирование эксперимента. М.: Металлургия, 1969. - 157 с.

4. Азбель Г.Г., Рубин Б.Б., Дружинин Ю.А. 0 некоторых особенностях динамики вибромолотов продольно-вращательного действия*- В кн.: Специальные строительные работы: Сб.науч.тр./ВНИИГС. - Л., 1978.'

5. Активный гидропневматический рыхлитель мерзлых грунтов / А.Ф.Кичигин, О.М.Терентьев, А.И.Эбин и др. Строительные и дорожные машины, 1978, № 2, с.14-15.

6. Алиев S.A., Туякбаев Ш.Т. Обобщенная методика расчета самоходного гидропневмобутобоя. В кн.: Строительно-дорожные машины и механизмы: Сб.науч.тр./КПТИ. - Караганда, 1977, с.91-95.

7. Андронов A.A., Витт A.A., Хайкин С.Э. Теория колебаний.- М.: Наука, 1981. 568 е., ил.

8. Асташев B.K. Исследование динамики виброударной системы с распределенными параметрами. В кн.: Механика машин: Наука, 1969, с.17-18.

9. Ашавский A.M., Вольперт А.Я., Шейнбаум B.C. Силовые импульсные системы. М.: Машиностроение, 1978. - 200 е., ил.

10. Бабицкий В.И. Теория виброударных систем. М.: Наука, 1978. - 352 е., ил.

11. Бакатин Ю.П. Исследование интенсификации рабочих процессов дорожно-строительных машин наложением ультразвуковых колебаний: Автореф. дис. . канд.техн.наук /МАДИ. М., 1976. -- 23 с.

12. Баландин В.П., Ващук И.М. Динамическое разрушение мерзлых грунтов. В кн.: Исследование процессов разрушения мерзлых грунтов: Сб.науч.тр./ВНИИСтройдормаш. - М., 1967, вып.37, с.49-61.

13. Баладинский В.Л. Динамическое разрушение грунтов. Киев: изд. КГУ, 1971. - 226 е., ил.

14. Балбачан И.П. 0 классификации мерзлых и скальных грунтов по трудности их разработки. Механизация строительства, 1983,1. J& 2, с.9-11.

15. Балбачан И.П., Шлойдо Г.А., Юрко A.A. Рыхление мерзлых грунтов взрывом. М.: Недра, 1974. - 103 е., ил.

16. Баловнев В.И. Методы физического моделирования рабочих процессов дорожно-строительных машин. М.: Машиностроение, 1974.- 232 е., ил.

17. Баловнев В.И. Дорожно-строительные машины с рабочими органами интенсифицирующего действия. М.: Машиностроение, 1981.- 224 е., ил.

18. Баловнев В.И., Зеленин А.Н., Иофик В.З. Моделирование методами эквивалентных материалов механических процессов деформирования и разрушения мерзлых грунтов и других сред. М.: Труды МА.Щ, вып.97, 1975, с.27-30.

19. Баловнев В.И., Лозовой Д.А., Фролов A.B. Исследование рыхления мерзлых грунтов однозубым рыхлителем с газодинамическим интенсификатором. Строительные и дорожные машины, 1978, №. 5, с.7-9.

20. Баловнев В.И., Хмара JI.A. Оценка эффективности дорожно-строительных машин с рабочими органами штенсифицирукяцего действия.- Строительные и дорожные машины, 1983, № II, с.23-25.

21. Баловнев В.И., Хмара Л.А., Хвелевский В.А. Эффективное рыхлительное оборудование. Механизация строительства, 1982, Л» 5, с.20.

22. Баркан Д.Д. Виброметод в строительстве. М.: Госстрой-издат, 1959. - 315 е., ил.

23. Бауман В.А., Быховский И.И. Вибрационные машины и процессы в строительстве. М.: Высшая школа, 1977. - 255 е., ил.

24. Батулов А.И., Сапожников А.И. Рабочий орган виброрыхлителя с управляют™ воздействием на грунт. Л., 1982. - 5 е., ил. -- Рукопись деп.в ВДИИТЭстроймаше 17 марта 1982 г. В 346 сд

25. Берновский Ю.Н. Исследование процесса послойного рыхления мерзлых грунтов активным рабочим органом: Автореф. дис. .канд.техн.наук/Стройдормаш М., 1970. - 18 с.

26. Бишоп Р. Колебания/Под ред. Я.Г.Пановко. 2-е изд. перераб. и доп. - М.: Наука, 1979. - 159 е., ил.

27. Брагинская Н.В., Дмитриевич Ю.В., Соколов В.А. Сменное рабочее оборудование ударного действия одноковшовых гидравлических экскаваторов. Обзор. М.: ВДИИТЭстроймаш, 1979. - 54 е., ил.

28. Быховский И.И. Основы теории вибрационной техники. М.: Машиностроение, 1969. - 363 е., ил.

29. Ветров Ю.А. Резание грунтов землеройными машинами. М.: Машиностроение, 1971. - 360 е., ил.

30. Вибрации в технике: Справочник/ Под ред. В.В.Болотина T.I. ГЛ.: Машиностроение, 1978. - 352 е., ил.

31. Виброметод разработки мерзлых грунтов/Шкуренко Н.С., Рахлин А.Б., Спектор М.Д. и др. М.: Стройиздат, 1965. - 183 е., ил.

32. Вялов С.С. Реологические свойства и несущая способность мерзлых грунтов. М.: изд. АН СССР, 1959, - 190 с., ил.

33. Герсеванов Н.М., Польшин Д.Е. Теоретические основы механики грунтов и их практические применения. М.: Стройиздат,1948,-- 248 е., ил.

34. Гершгал Д.А., Фридман В.М. Ультразвуковая аппаратура.- 2-е изд., перераб. и доп. М.: Энергия, 1967. - 263 е., ил.

35. Гик Л.Д. Измерение вибраций. Новосибирск: Наука, 1972. - 291 е., ил.

36. Глаговский Б.А., Московенко И.Б. Низкочастотные акустические методы контроля в машиностроении. Л.: Щшиностроение, 1977. - 206 е., ил.

37. Гольдшейн Б.Г., Школьник A.M. Пневматические и гидравлические вибраторы/ВДИИинформации и техн.-экон.исследований по строит.дор. и коммун.машиностроению. М., 1973. - 55 е., ил.

38. Горелик Г.С. Колебания и волны. Л.: Техтеоретиздат, 1950. - 546 е., ил.

39. Гринберг A.M. Новые способы разрушения горных пород. -Разведка и охрана недр, 1968, $ 8, с.62-63.

40. Гурин М.А. Динамические характеристики мерзлых грунтов при разрушении его виброударным забойным органом. Изв. Акад. Наук СССР ОТН. Механика и машиностроение, 1963, № 3, с.145-149.

41. Гурин М.А. Особенности разрушения мерзлого грунта часто-ударным забойным органом. Изв. ВУЗов. Горный журнал, 1964, $ I.

42. Ден-Гартог Дк.П. Механические колебания. М.: Физматгиз, I960. - 580 е., ил.

43. Евстропов H.A. Взрывные работы в строительстве. М.: Стройиздат, 1965. - 207 е., ил.

44. Зарембо I.K., Красильников В.А. Введение в нелинейную акустику. Звуковые и ультразвуковые волны большой интенсивности.-- М.: Наука, 1966. 519 е., ил.

45. Зеленин А.Н. Основы разрушения грунтов механическими способами. М.: Машиностроение, 1968. - 375 е., ил.

46. Зеленин А.Н., Баловнев В.И., Керов И.П. Машины для земляных работ. М.: Шшиностроение, 1975. 422 е., ил.

47. Инструкция по определению экономической эффективности новых строительных, дорожных, мелиоративных машин, противопожарного оборудования, лифтов, изобретений и рационализаторских предложений. М.: ВДИИТЭстроймаш, 1978.

48. Иориш Ю.и. Виброметрия. Измерение вибрации и ударов. Общая теория, методы и приборы. М.: Машгиз, 1963. - 771 е.,ил.

49. Исакович М.А. Общая акустика. М.: Наука, 1973. - 495 с.

50. Исследование рабочего цикла пневмопробойников/ X.Б.Ткач, Н.П.Чепурной, К.Б.Скачков и др. Строительные и дорожные машины, 1983, № 3, с.24-26.

51. Калинин Д.А. Опыт разработки мерзлых грунтов. Механизация строительства, 1977, $ 10, с.20-21.

52. Карпов В.В. Исследование процесса разрушения мерзлых грунтов магнитострикционным рабочим органом.: Автореф. дне. . канд.техн.наук/ЛИСИ. Л., 1980. - 24 с.

53. Карпов В.В., Ващилов М.Ф., Батулов А.И. Испытания экспериментального образца магнитострикционного рыхлителя на стенде с канатным приводом. Л., 1983. - 6 с. - Рукопись депонирована в ЩШТЭстроймаше 3 мая 1983 г. № 44сд - ДЭЗ.

54. Кобринский А.Е., Кобринский А.А. Виброударные системы.- М.: Наука, 1973. 591 е., ил.

55. Колешко В.М. Ультразвуковая микросварка. Минск: Наука и техника, 1977. - 328 е., ил.

56. Коловский М.З. Нелинейная теория виброзащитных систем.- М.: Наука, 1966. 318 е., ил.

57. Коловский М.З. Автоматическое управление виброзащитными системами. М.-: Наука, 1976. - 317 е., ил.

58. Комплексная механизация: эффект и пути повышения / II.Г. Гаркави, О.А.Бардышев, Н.В.Коценко и др. Механизация строительства, 1983, $ 2, с.21-23.

59. Котов Г.А. Всесоюзный семинар по разработке мерзлых грунтов. Механизация строительства, 1983, № 4, с.5-8.

60. Кравцов Э.А. Техника моделирования эквивалентных материалов при исследованиях на моделях процессов разрушения мерзлыхгрунтов землеройными машинами взрывного действия, В кн.: Исследования дорожных машин: Сб.науч.тр./Жда. - М., 1972, вып.34, с.33-37.

61. Красников Н.Д. Динамические свойства грунтов и методы их определения. Л»: Стройиздат, 1970. - 239 е., ил.

62. Крауфорд Ф. Волны.- М.: Наука, 1984. 512 е., ил.

63. Лазуткин А.Г., Колено В.В., Нижник И.В. Основы расчета силовой импульсной гидросистемы мощных динамических стругов. -- Караганда: Горная механика, 1972, с.232-233.

64. Ляхов Г.М., Полякова Н.И. Волны в плотных средах и нагрузки на сооружения. М.: Недра, 1967. - 232 е., ил.

65. Магнус К. Колебания. М.: Мир, 1982. - 303 е., ил.

66. Мазуров Г.П. Физико-механические свойства мерзлых грунтов. Л.: Стройиздат, 1975. - 216 е., ил.

67. Мэкушкин Д.О., Соколов Л.К. Развитие конструкций траншейных экскаваторов для разработки мерзлых грунтов. Строительные и дорожные'машины, 1983, № II, с.9-10.

68. Мальченок В.О., Уткин И.А. Звуковые вибраторы для бурения. Л.: Недра, 1969. - 136 е., ил.

69. Марков А.И. Ультразвуковая обработка материалов. М.: Машиностроение, 1980. - 237 е., ил.

70. Матвеев И.Б. Гидропривод машин ударного и вибрационного действия. М.: Машгиз, 1974. - 184 е., ил.

71. Машины для земляных работ / Н.Г.Гаркави, В.И.Аринченков, В.В.Карпов и др. М.: Высшая школа, 1982. - 335 е., ил.

72. Машины для разработки мерзлых грунтов в строительстве/ / Д.А.Лозовой, Ю.М.Трушин, В.А.Запускалов и др. Саратов, Приволжское книж.изд., 1968. - 155 е., ил.

73. Машины для разработки мерзлых грунтов / Под ред. В.Д.Те-лушкина. М.: Машиностроение, 1973. 272 е., ил.

74. Машины и сменное рабочее оборудование для разработки мерзлых грунтов и скальных пород / Г.А.Шлойдо, Б.З.Захарчук, Б.М.Орлов и др. М.: ЩИИТЭс троима ш, 1979, вып.2 - 53 с.

75. Мисник 10.М. Исследование комбинированного разрушения мерзлых пород. Изв.ВУЗов. Горный журнал. Свердловск, 1976, $ 2,с.64-68.

76. Навесное тракторное оборудование для разработки высокопрочных грунтов /Б.З.Захарчук, Г.А.Шлойдо, А.А.Яркин и др. М.: Машиностроение, 1979. - 189 е., ил.

77. Налимов В.В., Голикова Т.И. Логические основания планирования эксперимента. 2-е изд. перераб. и доп. - ГЛ.: Металлургия, 1981. - 151 с.

78. Недорезов И.А. Интенсификация рабочих процессов земле-ройно-транспортных машин. М.: ГЛАДИ, 1979. - 51 е., ил.

79. Недорезов И.А. Прогрессивные методы разработки мерзлых грунтов. ГЛ.: Транспорт, 1969. - 52 е., ил.

80. Недорезов И.А., Звягинцев А.Н., Исаев О.К. Навесной рыхлитель к гидравлическим экскаваторам. Строительные и дорожные машины, 1978, $ 5, с.6-7.

81. Некрасов Л.Б. Высокочастотный электромеханический способ разрушения мерзлых пород. Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых, 1970, $ I.

82. Основы теории колебаний / Под ред.В.В.Мигулина. М.: Наука, 1978 . - 392 е., ил.

83. Основные закономерности изменения уровня колебаний грунта при вибрационном погружении труб и шпунта / М.Г.Цейтлин, Г.Г. Азбель, В.О.Изофов, И.В.Смирнов. В кн.: Специальные строительные работы: Сб.науч.тр./ШИИГС. - JI., 1979, с.3-8.

84. Пановко Я.Г. Основы прикладной теории упругих колебаний.- М.: Машиностроение, 1957. 316 с. ил.

85. Петухов П.Э., Гурин М.А., Киселев Б.Н. Виброударные машины для рыхления мерзлых грунтов. Строительные и дорожные машины, 1963, № 10, с.6-8.

86. Пчелинцев A.M. Строение и физико-механические свойства мерзлых грунтов. М.: Наука, 1964. - 260 е., ил.

87. Разрушение мерзлого грунта активным рабочим органом /

88. И.А.Недорезов, Д.И.Федоров, А.И.Федулов и др. Механизация строительства, 1965, JS I, с.17-19.

89. Разрушение прочных грунтов / Ю.А.Ветров, В.Л.Баладинский, В.Ф.Баранников и др. Киев: Будивельник, 1973. - 352 е., ил.

90. Раткевич Ф.Ф., Черный П.П., Рыхлитель мерзлого грунта.- Механизация строительства, 1983, № 6, с.27-28.

91. Ребрик Б.М. Вибротехника в бурении. М.: Недра, 1966.- 232 с.

92. Ровинский М.И., Орлов Б.М. Основные направления в созданиимашин и оборудования для разработки мерзлых грунтов. Строительные и дорожные машины, 1968, № 2, с.4-6.

93. Сабораш П.Ф. О распределении сферических волн в упруго-пластической среде. Изв.АН СССР. Физика Земли, 1966, $ 4.

94. Сагинов A.C., Кичигин А.Ф., Лазуткин А.Г., Янцен И.А. Гидропневмоударные системы исполнительных органов горных и строительно-дорожных машин. М.: Машиностроение, 1980. - 200 е., ил.

95. Садаков 10.П. Разработка мерзлых грунтов в Минстрое СССР. -- Механизация строительства, 1978, № 3, с.4-6.

96. Садаков Ю.П., Ващук И.М., Уткин В.И. Производство земляных работ в условиях городского строительства. М.: Стройиздат, 1975. - 247 е., ил.

97. Скучик Е. Основы акустики. М.: Мир, 1976, т.1, 520 с,ил.

98. Соломонов С.А. Механизация разработки мерзлых грунтов. -Механизация строительства, 1976, Jé 12, с.10-13.

99. Соломонов С.А. Разработка мерзлых и скальных грунтов в условиях строительства БАМа. Механизация строительства, 1976, £ 5, с.17-18.

100. Софинский И.Д., Софинский П.И. Разработка мерзлых грунтов при строительстве линейных сооружений связи. М.: Связь, 1973. - 57 е., ил.

101. Суднишников Б.В., Есин H.H. Элементы динамики машин ударного действия. Новосибирск: Изд. СО АН СССР, 1965. - 84 е., ил.

102. Суриков В.В. Механика разрушения мерзлых грунтов. Л.: Стройиздат, 1979. - 128 е., ил.

103. Темыов В.И. Исследование процесса разрушения мерзлых грунтов рабочим органом, излучающим упругие волны высокой интенсивности: Автореф. дис. . канд.техн.наук / ЛИСИ. Л., 1975. -- 29 с.

104. Теумин И.И. Ультразвуковые колебательные системы. М.: Машгиз, 1959. - 331 е., ил.

105. Тимошенко С.П. Колебания в инженерном деле. М.: Физмат-гиз, 1970. - 773 е., ил.

106. Ультразвуковая технология / Под ред. Б.А.Аграната. М.: Металлургия, 1974. - 504 е., ил.

107. ПО. Ультразвуковая микросварка / А.А.Грачев, А.П. Кожевников, В.А.Лебига, А.А.Россошинский. М.: Энергия, 1977. - 185 е., ил.

108. Федоров Д.И. Рабочие органы землеройных машин. М.: Машиностроение, 1977. - 288 е., ил.

109. Фролов А.Д. Распространение ультразвука в мерзлых песча-но-глинистых породах. Изв. АН СССР. Серия географическая, 1961, № 5, с.732-736.

110. Хазин Б.Г. Способы подготовки и разработки грунтов при отрицательных температурах. Обзор, ГЛ.: ЦБНТИ, 1978. - 65 с.

111. Хархута Н.Я., Васильев Ю.М. Прочность, устойчивость и уплотнение грунтов земляного полотна автомобильных дорог. М.: Транспорт. 1975. - 285 е., ил.

112. Цейтлин М.Г. Теория погружения в грунт трубчатых элементов при продольном и вращательном возмущении. В кн.: Специальные строительные работы: Сб.науч.тр./ВНИИГС. - Л., 1981, с.3-10.

113. Цытович H.A. Механика грунтов. М.: Высшая школа, 1979. - 272 е., ил.

114. Ццтович H.A. Механика мерзлых грунтов. М.: Высшая школа, 1973. - 446 е., ил.

115. Черепанов Г.П., Ершов Л.В. Механика разрушения. М.: Машиностроение, 1977. - 224 е., ил.

116. Черкашин В.А. Червец С.М., Иванов Ю.А. Производство земляных работ в зимних условиях. М.: Стройиздат, 1971. - 157 е., ил.

117. Шенк X. Теория инженерного эксперимента. М.: Мир, 1972.- 381 с.

118. Шлойдо Г.А. К вопросу об определении прочности мерзлых грунтов. В кн.: Исследование ударных и вибрационных строительных и дорожных машин: Сб.науч.тр./ШИИСтройдормаш. - М., 1976, вып.71, с.61-68.

119. Шлойдо Г.А. Энергоемкость процесса резания мерзлых грунтов рыхлителями. В кн.: Труды ШИИСтройдормаш: - М., 1974, вып.65, с.3-9.

120. Шлойдо Г.А. К вопросу об определении сопротивления резанию мерзлых грунтов навесными рыхлителями. В кн.: Труды ШИИСтройдормаш. - М., 1967, вып.37, с.37-44.

121. Шлойдо Г.А., Сосенкова В.Г. 0 влиянии скорости на сопротивляемость мерзлых грунтов разрушению. В кн.: Труды ШИИСтройдормаш.-- М.: 1973, вып.59, с.109-114.

122. Эксплуатация землеройных машин в зимнее время / Д.А.Лозо-вой, Запускалов В.А., А.А.Покровский, Ю.М.Трушин. Л.: Стройиздат, 1978, - 120 е., ил.

123. Яворский Б.м., Детлаф A.A. Справочник по физике. М.: Наука, 1980. - 507 е., ил.

124. ЗУ. Wctfd Construction . January с. Ж. ¿^cg^ttfays' агге/ гаае/ Со/гft re/а/сагг. ЛауМ/б, гг. {35. ¿Хэнсэчу КО ЗСъКаггка, /9//, Л/*//, с.99-/00.