Способ разрушения мерзлых грунтов и устройство для его осуществления

СООЗ СОВЕТСКИХасцчлиптмчепжижРЕСПУБЛИК у Е 02 Р 5/18 Й 02 Г /30 1ОПИСАНИЕ ИЗОБРВТВНИЯ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ где М - момент сопротивления завинчиванию в грунт трубчатогокорпуса, нм.;К - коэффициент размерности,1 СН-Май - громежуток времени междуимпульсами газа, равныйвремени формирования камуфлетной полости при воздействии первого импульса газа,с;г. - длительность воздействия намассив соответственно первого и второго импульсов.2, Способ по п. 1, о т л и ч аю щ и й с я тем, что давление Р 1газа первого импульса связано с давлением Р газа второго импульса соотношением р1, - =2-э,2ф3. Устройство для разрушения мерзлых грунтов, содержащее трубчатый кор.пус с винтовым наконечником и двумяклапанными механизмами, каждый из которых имеет рабочую камеру с воздушными каналами, поршень, камеру управления, которые через двухходовые краны сообщены с выхлопными отверстиямии источником сжатого газа, о т л ич а ю щ е е с я тем, что, с цельюснижения энергоемкости процесса разрушения мерзлых грунтов, оно снабжено дросселями, выполненными в видешайб, которые имеют различный внутренний диаметр и установлены в воздушных каналах на выходе иэ рабочихкамер, при этом объемы укаэанных ка,мер связаны соотношением= 2,5-3,0. ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЭОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЦТИЙ(71) Балаковский филиал Саратовскогоордена Трудового Красного Знамениполитехнического института(56) 1. Исследование параметров ирасчеты дорожно-строительных машин.Труды Саратовского политехническогоинститута, Вып. 88, 1975, с. 42-59.2. Ю.П. Волков, М.К. Устинова.Сменное рабочее оборудование к экскаватору Э 0-2621. Саратов, ЦНТИ, информлисток Р 48-81 НТД, 1981 (прототип).3, Авторское свидетельство СССРпо заявке В 3287146/29-031,кл. Е 02 Р 5/30, 1982 (прототип).(54) СПОСОБ РАЗРУШЕНИЯ МЕРЗЛЫХ ГРУНТОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕ-НИЯ(57) 1, Способ разрушения мерзлыхгрунтов, заключающийся в последовательном воздействии на массив двухимпульсов газа высокого давления,о т л и ч а ю щ и й с я тем, что,с целью снижения энергоемкости процесса, первым импульсом формируюткамуфлетную полость, на которую затем воздействуют вторым импульсомдля отрыва породы от массива, причемпромежуток времени Ь, через который импульсами газа воздействуют намассив, и длительность воздействияпервого и второго импульсов 1 и йна массив связаны соотношением1 104Изобретение относится к разработке мерзлых грунтов, в частности к способам предварительного рыхления грунта при послойной его разработке и устройствам для его осуществления.Известны способ разрушения мерзлого грунта импульсами газа высокого давления и устройство для его осуществления, содержащее заглубляемый в грунт рабочий наконечник и соединен ный с ним трубчатый корпус с емкостью для сжатого газа 111.Недостатком способа является высокая энергоемкость процесса вследствие того, что часть энергии газо- динамического импульса передается массиву в виде ударной волны, которая из-за дссипативных потерь очень быстро вырождается в обычную волну напряжений и затухает.Наиболее близким к изобретению по технической сущности является способ разрушения мерзлых грунтов, заключающийся в последовательном воздействии на массив двух импульсов д газа высокого давления 21.Известно устройство для осуществления указанного способа, содержащее трубчатый корпус с винтовымнаконечником и двумя клапанными ме- Ы ханизмами, каждый из которых имеет рабочую камеру с воздушными каналами, поршень камеру управления, которые через двухходовые краны сообщены с выхлопными отверстиями и источником сжатого газа,31. Недостатком известного способа является высокая энергоемкость процесса разрушения мерзлого грунта. Действие газодинамического импульса на мерзлый грунт можно разделить на две Фазы. Первая Фаза - формирование камуфлетной полости под воздействием импульса газа высокого давления и образование радиальных трещин, вторая фаза - отрыв грунта от массива в результате поршневого действия газов, находящихся в камуфлетной полости. Первая Фаза является наиболее о энергоемкой, так как Формирование камуфлетной полости сопровождается сжатием породы в радиальном направлении под действием напряжения сжатия, в отличии от второй фазы, где разрушенис грунта, т.е. его отрыв происходит под действием напряжения растяжс.ння. 1 рслелы прочности породы 216на сжатие и растяжение связаны соотношениемся-- 2-3брИз этого следует, что давлениегазообразных продуктов взрыва и их объем, достаточные для формирования камуфлетной полости в первой фазе, оказываются излишними в фазе отрыва грунта от массива. В результате этого энергия газов на второй Фазе оказывается больше, чем эт; требуется для разрушения грунта.Кроме того, причиной высокой энергоемкости процесса разрушения мерзлых грунтов известным устройством является невозможность регулирования такого параметра процесса как продолжительность напряженного состоянияразрушаемого массива, т.е. времени нарастания напряжений в грунте от нуля до максимального значения, Этот параметр определяет объем разрушений и качество дробления и зависит отпр очностных характеристик разрушаемои среды, В известном устройстве про,.олжительность воздействия газодннамвческого импульса определяется време- нем истечения газа из выхлопных отверстий и зависит от их количества и диаметра воздушного канала, соединяющего рабочую камеру и выхлопные отверстия, и является величиной постоянной. Эти параметры определяются из условия максимальной прочности грунта. Практически прочность грунта зависит от многих факторов и является величиной переменной,Цель изобретения - снижение энергоемкости процесса разрушения мерзлого грунта. Указанная цель достигается тем что согласно способу разрушения мерзлых грунтов, заключающемуся в последовательном воздействии на массив двух импульсов газа высокого давления, первым импульсом формируют камуфлетную полость, на которую затем воздействуют вторым импульсом для отрыва породы от массива, причем промежуток времени , через который импульсами газа воздействуют на массив, и длительность воздействия первого и второго импульсов С и 1 на массив связаны соотношением36=3 =Й =3 К 112крутяший момент сопротивления завинчиванию в грунттрубчатого корпуса, нм;коэффициент размерности,1 С Н 1 5промежуток времени междуимпульсами газа, равныйвремени формирования камуфлетной полости при воздействии первого импульса газа,с;длительность воздействия намассив соответственно первого и второго импульсов,15 где М -К Кроме того, давление Р, газапервого импульса связано с давлениемР газа второго импульса соотношени 2ем20 На чертеже изображено устройство для реализации предлагаемого способа.Устройство состоит из трубчатого корпуса 1, на нижнем конце которого . жестко закреплен винтовой наконечник 2, трубчатый корпус соединен со ступицей 3 посрецством шпоночного соединения 4. 40 45 На ступице 3 посредством накидных гаек 5, внутри которых размещены дроссельные шайбы 6, крепятся клапанные механизмы 7 и 8, внутри которых размещены седло 9 и поршень 10, отделяющий рабочие камеры 11, 12 и камеру 13 управления от выхлопных отверстий 14. Камера управления сообщена с атмосферой посредством электропневматических клапан в .15 и 16, подключенных к блоку 17 Зацержки. Емкости для- 2-3Р,2При этом устройство для осуществления способа, содержащее трубчатыйкорпус с винтовым наконечником и двумя клапанными механизмами, каждый иэкоторых имеет рабочую камеру с воздушными каналами, поршень, камерууправления, которые через двухходовые краны сообщены с выхлопными отверстиями и источником сжатого газа,снабжено дросселями, выполненнымив виде шайб, которые имеют различный.внутренний диаметр и установлены ввоздушных каналах ца выходе иэ рабочих35камер, причем объемы указанных камерсвязаны соотношением- 2,5 - 3,01 сжатого газа и камеры управге.и 1 я сообщены с источником 18 сжатого газа высокого давления через редукторы 19 и управляемые клапаны 20 и 21, Рабе":е камеры 11 и 12 сообщень с выхлопными отверстиями по",редством воздушного качала 22.Устройство для осуществления предлагаемого способа работает следующим образом.Под воздействием осевого пригруэа и крутящего момента трубчатый корпус 1 завинчивают в мерзлый грунт н требуемую глубину т".к, чтобы выхлопные отверстия 14 были ниже поверхности разрабатываемого грунта. Посредством клапанов 20 и 21 сообщают с источником газа высокого давления через редукторы 19 первоначально камеры 13 управления клапацных механизмов 7 и 8, затем емкости 1.1 и 12 для сжатого газа. Эта очередность обеспечивает цпнжатие поршня 10 к седлу 9 за счет разницы диаметров 4 и П, тем самым отсекают рабочие камеры от выхлопных отверстий 14. Электропневматические клапаны 15 и 16 нормально закрыты. После того, как камеры управления и рабочие камеры заполнят, клапаны 20 и 21 закрывают, т.е. рабочие к меры и камеры управления разобщаю". между собой и отсекают от источгаза высокого давления.После описанной подготовки производят поочередное соединение через.1,1 промежуток времени ЬС = Ирабочих камер 12 и 11 с выхлопными отверстиями 14, для чего осуществляют первоначальную подачу напряжения ца электропневматический клапан 15, затем на 16 от блока задержки 17, в результате чего происходит сброс сжатого газа в атмосферу первоначально из камер 13 управления клапаниого механизма 7, затем клапанного механизма 8. Под действием избыточного давления со стороны рабочих камер поршень ;0 первоначального клапанио о механизма 7, затем 8 мгновенно перемещается, вниз, тем самым происходит поонередное соединение с вь.химиными отверстиями 14 первоначально рабочей камеры 12 затем 11, Сжатый газ, истекая из выхлопных отверстий и еторону грунта, разрушает его.В результате такого порядка работыклапанных механизмов в зону выхлопныхотверстий подается газодинамическийимпульс первоначально от рабочей камеры 12, При этом параметры импульса (давление сжатого газа, объем рабочей камеры и внутренний диаметр дроссельной шайбы) подбирают таким образом, чтобы обеспечить формирование камуфлетнойполости, не производя разрушение и выброса грунта из воронки.Это достигается за счет создания жесткого и короткого газодинамического импульса, т.е. давление в рабочей камере 12 в два-три раза больше, чем давление в рабочей камере 11, а объем в 2,5-3 раза меньше, Образующаяся камуфлетная полость повышает 5 эффективность разрушения мерзлого грунта втор.и газодинамическим импульсом за счет большей площади контакта сжатого газа с грунтом. Это позволяет сделать второй газодинамический 20 импульс менее жестким за счет меньшегс давления и более длинным за счет уменьшения внутреннего диаметра дрос" сальной шайбы, тем самым увеличив время существования напряженного состояния разрушаемого массива в результате,чего увеличивается обьем разрушения и снижается энергоемкость процесса. Параметры второго газсдинамического импульса (давление, объем рабочей камеры, внутренкий диаметр дроссельной шайбы) подбирают таким образом, чтобы произвести разрушекие35 т.е. отрыв грунта от массива. При этом давление сжатого газа в емкости 11 принимают в два-три раза меньшим, чем у первого импульса, так как действие второго имппульса заключается в отрыве грунта от массива, т.е. грунт разрушается под воздействием растягивающих напряжений, которые в два-три раза меньше предельных напряжений на сжатие. Стенки камуфлетной полости в результате воздействия на них первого жесткого газодинамического импульса совершают упругие колебательные движения, т.е. возникает пульсация стенок газового пузыря (камуфлетной полости) в радиальных направлениях, Таким образом, чтобы повысить эффектив" ность разрушения мерзлого гру.-та вторым импульсом необходимо его посдать в тот момент, когда стенки камуфлетной полости совершают колебательное движение в направлении оФ выхлопных отверстий, т.е. грунт взоне камуфлетной полости испытывает упругие напряжения сжатия под воздействием первого газодинамического импульса. Таким образом, второй газодинамический импульс, т.е. его воздействие на разрушаемую среду, суммируется по величине и направлению с упругими колебаниями разрушаемой среды под воздействием первого газодинамического импульса, тем самым увеличивая объем разрушений и снижая энергоемкость.Конкретным грунтовым условиям соответствуют вполне определенное время Т образования камуфлеткой полости и момент сопротивления М завинчизанию в грунт винтообразного трубчатого корпуса, зависимость между которыми на основе анализа результатов в 1 ч,ле;пых по формулам и определенных экспериментально, можно апроксимировать с",епенкой функциейТ гг,г Т время образования камуфлетнойполости смомент сопротивления завин ".ванию в грунт винтообразноготрубчатого корпуса, к м;коэффициент размерности,уф" 11 С этой целью был изготовлен стенд, основу которого составил силовой каркас с нагрузочным устройством, включающим в себя гидромотор, рычаг с динамометром, маслостанцию с манометром.Порядок тарировки гидромотора следующий, С помощью маслостанции ступенчато поднимается давление в гидросистеме гидромотора. Крутящий момент, создаваемый гидромотором, определяется как произведение силы (по показаниям динамометра) на плеСуществующие математические за.:исимости по определению крутящего момекта при завикчивании штанги с винтовым наконечником в грунт включают в себя ряд параметров, зависящих от Физико-механических свойств грунта. Поскольку в производственных условиях практически невозможно зани маться определением этих параметров и расчетами, то предложена следующая методика определения крутящего момента, в основу которой положены данные статической тарировки гидромотора вС = Т=КМТак как второй импульс подается в тот момент, когда заканчивается формирование камуфлетной полости, то задержка этого импульса по отношению к первому определяется из вы- ражения 35- Т=К М Продолжительность действия нагрунт второго импульса определяетсяпродолжительностью процесса разру 7 11042 чо, равное длине рычага. Одновременно фиксируется соответствующее этому моменту давление в гидросистеме маслостанции по манометру.В результате серии последовательных нагружений получен градуировочный график зависимости крутящего момента, развиваемого гидромотором, от давления в гидросистеме. Поскольку этот же гидромотор применен в качестве 10 привода вращением рабочего органа в натурную величину на базе гидравлического экскаватора 30-2621, то этот график используется для определения крутящего момента в производственных условиях. Для этого специально разработанная и изготовленная гидропанель управления гидромотором, которую размещают в кабине экскаватора, оснащается манометром М контроля давления20 в. гидросистеме под нагрузкой, т.е зная давление в системе при завинчиванин рабочего органа в мерзлый грунт и имея ранее полученный тарировочный график, можно определить крутящий момент, развиваемый гидромотором при завинчивании.Продолжительность воздействия первого импульса на грунт определяется временем образования камуфлетной полости, т.е. выражением 16 8шения, который происходит под воздействием растягивающих напряжений и сопровождается образованием радиальных трещин и их развитием в сторону своб .ой поверхности. Длительность этого процесса можно определить из условия времени роста трещины из точкц приложения импульса до свободной поверхности под углом, равным углу сдвига.Результаты расчетов для одинаковых грунтовых условий дают соотношение3 ье Зг. С ЗК МРезультаты натурного эксперимента подтверждают преимущество предлагаемого способа по сравнению с известньм.Энергоемкость процесса разрушения мерзлого грунта предлагаемым способом снизилась по сравнению с энергоемкостью процесса разрушения мерзлого грунта известным способом на 50-607.Предлагаемый способ и устройство для его осуществления позволяют снизить энергоемкость процесса разрушения мерзлого грунта за счет вьщеления из процесса двух фаз - фазы формирования камуфлетной полости и фазы отрыва грунта от массива и обеспечения оптимальных параметров газодинамических импульсов в каждой фазе, а также суммирования энергии упругих колебаний, возникших в грунте в результате воздействия на него первого газодинамического импульса с энергией второго газодинамического импульса, подаваемого в образовавшуюся камуфлетную полость через промежуток времени, определяемый прочностными характеристиками разрушаемого грунта.1104216Составитель Ю. Стрелов Рсдактор О. Бугир Техред А.Еабинец Корректор Л. Фоври Заказ 5172/21 Тираж 644 Подписное ВГГИИПИ Госуларственного комитета СССРпо;.,слам изобретений н открытий11335, 11 осква, Ж, Раушская наб., д. 4,5Филин.т 5 П "Патс нт", г. Ужгород, ул, Гроектная,