Технические науки/2. Механика

Студент Гончаров В.Б.

Белгородский государственный технологический университет

им. В.Г. Шухова, Россия

Анализ конструкций устройств для разрушения мерзлого грунта с дисковым инструментом

Освоение Севера и районов, прилегающих к Байкало-Амурской магистрали, повлечет за собой увеличение объемов разработки мерзлых грунтов. Обустройство месторождений полезных ископаемых на территории Сибири требует строительства вспомогательной инфраструктуры [1] в районах с тяжёлыми климатическими условиями. Ввиду заболоченности местности прокладка трубопроводов в районы Дальнего Востока и Китай с особой остротой ставит проблему повышения темпов разработки мерзлых грунтов и снежно-ледяных образований механическим способом в зимнее время.

В условиях вечной мерзлоты, глубокого сезонного промерзания, а также большого процента каменистых включений в грунте, рабочее оборудование и в первую очередь режущий инструмент, испытывает повышенные нагрузки, вследствие чего, быстро выходит из строя.

Прочность грунта, обусловленная свойствами минеральных частиц [2, 3], влажность, температура, текстура, наличие воздуха, льда и незамерзшей воды - основные факторы, влияющие на износостойкость режущего инструмента. Лед цементирует все частицы, а за счет внешних воздействий структура льда и количество жидкой фазы изменяются. Это приводит к изменению прочности мерзлого грунта.

Помимо наличия льда внутри грунта наружные поверхности строительных объектов и покрытия дорог испытывают воздействие снегопадов, ветрового переноса, перепадов температур и уплотнения снега колесами транспортных средств. Уплотненные снежно-ледяные образования на дорогах приводят к повышению скользкости и уменьшению коэффициента сцепления, а это влияет не только на безопасность движения, но и на скорость движения транспортных средств и, как следствие, на уровень выбросов вредных веществ в атмосферу.

Проводимые мероприятия по предотвращению, разрушению и уборке снежно-ледяных и гололедных образований трудоемки, требуют более высоких эксплуатационных затрат на содержание техники и оказывают вредное воздействие на окружающую среду.

В современном городском строительстве разработку мерзлых грунтов ведут в основном двумя способами — взрывным и механическим. Взрывной способ рыхления мерзлых грунтов применяется обычно при больших объемах работ на открытых, удаленных от сооружений площадках при глубине промерзания более 1 м. В последнее время взрывной способ находит применение в стесненных городских условиях с использованием локализаторов взрыва, не допускающих разлета кусков грунта и повреждения сооружений.

Большее распространение (более 80 % общего объема работ) получил высокоэффективный и универсальный механический способ разработки мерзлых грунтов с использованием специальных машин, условно подразделяемых на две группы: машины для подготовки (предварительного рыхления, нарезания на блоки) мерзлых грунтов и последующей окончательной разработки взаимодействующими с ними в комплексе землеройными машинами общего назначения; машины, самостоятельно выполняющие весь комплекс разработки до заданной отметки и эвакуации мерзлого грунта из забоя. К первой группе относятся навесные рыхлители на тракторах класса 10…50, машины ударного действия для рыхления грунта ударными импульсами, машины безударного действия для отрыва грунта от массива, баровые и дискофрезерные машины для нарезания щелей в мерзлых грунтах; ко второй — землеройно-фрезерные машины и траншейные цепные и роторные экскаваторы, рабочие органы и скоростные режимы которых приспособлены для разработки мерзлых грунтов с промерзанием на всю глубину траншеи.

Машины ударного действия воздействуют на разрушаемую среду (мерзлый грунт, твердое дорожное покрытие, фундамент и т. п.) ударными импульсами свободно падающих или забиваемых рабочих органов. Самым распространенным видом свободно падающих рабочих органов являются клин-молоты конусообразной, пирамидальной и клиновидной форм массой 0,5…4 т.

Клин-молот (рис. 1, а) подвешивается к подъемному канату грузовой фрикционной лебедки стрелового самоходного крана или одноковшового механического экскаватора с крановой стрелой и при работе подтягивается лебедкой к оголовку стрелы и сбрасывается с высоты 6—8 м. Свободно падающий клин-молот наносит ненаправленные удары, что приводит к высоким затратам энергии на разрушение грунта, снижает качество работ и способствует опасному интенсивному разлету кусков грунта в стороны. Клин-молот может быть помещен в жесткие направляющие (рис. 1, б) и при сбрасывании попадает в точно заданное место, что позволяет разрушать грунт наименее энергоемким методом крупного скола и уменьшить опасность разлета осколков. Клин-молот с направляющим устройством обычно монтируется на гусеничном или пневмоколесном тракторе, который дооборудуется подъемной зубчато-фрикционной лебедкой с приводом от коробки отбора мощности трактора. Направляющее устройство соединяется с базовой машиной упругими амортизирующими элементами, что снижает воздействие динамических нагрузок на трактор при работе.

Рис. 1. Рабочие органы машин ударного действия:
а – с ненаправленными ударами; б – то же с направленными; в – с забиваемым клином

Оборудование с забиваемым рабочим органом разрабатывает мерзлые грунты большой прочности с глубиной промерзания 1… 1,5 м наиболее эффективным методом крупного скола. Забивание рабочего органа в грунт может осуществляться: свободно падающим грузом (рис. 1, в), подвешенным на канате подъемной лебедки базовой машины и движущимся относительно направляющей 5; дизель-молотами, вибромолотами; гидравлическими, пневматическими и гидропневматическими молотами, используемыми в качестве сменного рабочего оборудования одноковшовых строительных экскаваторов. Гидро- и пневмомолоты в настоящее время являются самым распространенным и эффективным оборудованием для разрушения мерзлых грунтов ударной нагрузкой.

ЛИТЕРАТУРА

1. Агарков А.М. Теоретические и экспериментальные исследования поведения вибрационных машин вблизи предельных значений массы колебательной системы // Международная научно-техническая конференция молодых ученых БГТУ им. В.Г. Шухова, посвященная 160-летию со дня рождения В.Г. Шухова, Белгород: Изд-во БГТУ, 2013. С. 1033-1036.

2. Агарков А.М. Совершенствование аспирационных систем // Теоретические и прикладные вопросы науки и образования: сб. научн. трудов Междунар. науч.–практ. конф., (Тамбов 31 янв. 2015 г.), Тамбов: Изд-во ООО «Консалтинговая компания Юком», 2015. Ч.5. С. 14–15.

3. Орехова Т.Н., Агарков А.М., Голубятников А.А. Направления конструктивно-технологического совершенствования пневмосмесителей для производства строительных материалов // Научный альманах, Тамбов: Изд-во ООО «Консалтинговая компания Юком», 2015. № 3. С. 124-127.