Створення робочого органа для ущільнення ґрунту під магістральними трубопроводами

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Створення робочого органа для ущільнення ґрунту під магістральними трубопроводами

Кузьмінець Микола Петрович

АНОТАЦІЇ

Кузьмінець М.П. Створення робочого органа для ущільнення ґрунту під магістральними трубопроводами. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.05.04 - машини для земляних та дорожніх робіт. - Київський національний університет будівництва і архітектури, Київ, 2006.

Дисертація присвячена створенню робочого органа для ущільнення ґрунту під магістральними трубопроводами. Розкрито механізм і особливості процесу ущільнення ґрунту під трубопроводом плоскими поверхнями робочого органа, що рухаються одна проти одної, які дозволяють керувати ступенем та рівномірністю ущільнення ґрунту під трубопроводом за один прохід ґрунтоущільнювального обладнання. Встановлено функціональний взаємозв'язок між еквівалентними напруженнями та коефіцієнтами ущільнення ґрунту під трубопроводом під час ущільнення. Розроблено математичні моделі для визначення напружень та коефіцієнтів ущільнення ґрунту в характерних точках ґрунтового масиву під трубопроводом.

Створено новий робочий орган для ущільнення ґрунту під трубопроводом, який реалізовано у конструкції машини МП-М, призначеної для ущільнення ґрунту під трубопроводами. Реалізація результатів досліджень дозволяє у короткі терміни виконувати значні обсяги робіт з капітального ремонту трубопроводів та сприяє виходу України на міжнародні ринки з сучасною наукомісткою продукцією і технологією.

Ключові слова: робочий орган, лопатка, ущільнення ґрунту, магістральний трубопровід, напруження, коефіцієнт ущільнення.

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Магістральні трубопроводи справедливо вважають енергетичними артеріями України, адже вони забезпечують енергоресурсами не лише потреби власної економіки нашої держави, а й транспортування нафти і газу більш, ніж до 15 країн Європи. Трубопровідний транспорт займає друге місце у загальному вантажообігу країни, оскільки вартість транспортування ним нафти і газу у кілька разів нижча, а продуктивність у десятки разів вища порівняно з іншими видами транспорту.

Однак, віковий стан трубопровідних магістралей в Україні та в інших країнах світу свідчить про необхідність їхнього термінового капітального ремонту, адже гарантований термін служби ізоляційного покриття трубопроводу 20...25 років. За оцінками спеціалістів, для виконання капітального ремонту традиційними методами, хоч і з використанням сучасних технічних засобів, потрібно не менше 50...60 років. Нинішній стан забезпечення надійної та безпечної експлуатації магістральних трубопроводів вимагає термінової розробки та впровадження нової техніки і технологій капітального ремонту трубопроводів, використання яких забезпечить істотне прискорення темпів ремонтних робіт з одночасним зниженням матеріальних і трудових витрат на їхнє виконання.

Останнім часом з нашою участю розроблено нову технологію швидкісного ремонту магістральних трубопроводів, яка виключає необхідність їхнього підйому під час ремонту відносно лінії вихідного залягання та зупинки перекачування продукту. При цьому зникає необхідність введення обмежень на доставку сировини споживачам та значно підвищується безпека виконання ремонтних робіт. Така технологія гарантує непошкоджуваність труби під час ремонту, має місце багаторазове (у 5...7 разів) прискорення темпу виконання робіт, зменшення обсягів земляних робіт на 40...45%. У цьому її концептуальна відмінність від традиційно відомих.

Особливістю нової технології є те, що після виконання комплексу робіт із заміни ізоляції під відремонтований трубопровід засипають ґрунт і забезпечують його ущільнення під трубою до такого ступеня, який виключає просідання останньої після ремонту. Традиційна технологія цього не передбачала, адже відремонтований трубопровід укладали на дно траншеї, з якої він був піднятий для проведення ремонту.

Через відсутність необхідного та ефективного обладнання для ущільнення ґрунту під трубопроводами, причому за один прохід, постало питання про його створення. Створення такого обладнання є першочерговим та актуальним завданням, реалізація якого можлива тільки за детального дослідження процесів ущільнення ґрунту в умовах обмеженого простору траншеї з розміщеним у ній трубопроводом. Без цього технологія швидкісного капітального ремонту магістральних трубопроводів не може бути реалізована на практиці, а перед країною може постати загроза серйозних збоїв у роботі стратегічно і економічно важливої нафто-газотранспортної системи внаслідок невирішення суто технічних питань.

Зв'язок роботи з науковими програмами, темами, планами. Тема дисертації відповідає напрямам і завданням державних науково-технічних програм: „Нафта і газ України до 2010 року” (Постанова Кабінету Міністрів України №125 від 17.02.95 р.), Міждержавній російсько-українській науково-технічній програмі „Високонадійний трубопровідний транспорт” від 1994 р., Європейській енергетичній хартії від 17.12.94 р.; планам науково-дослідних і дослідно-конструкторських робіт ВАТ „Укртранснафта” на 2003…2005 рр. та філії „Придніпровські магістральні нафтопроводи” ВАТ „Укртранснафта” на 2003…2005 рр.

Мета і завдання дослідження. Метою роботи є створення робочого органа для ефективного ущільнення ґрунту під трубопроводом в обмежених просторових умовах на основі розкриття фізичних особливостей ущільнення ґрунту під трубою та визначення раціональних параметрів і режимів роботи обладнання.

Досягнення поставленої мети передбачає вирішення таких завдань:

- обґрунтування факторів, що впливають на процес ущільнення ґрунту під трубопроводом та граничних вертикальних навантажень на нього;

- розробка методики побудови математичних моделей визначення напруженого стану ґрунту під трубопроводом на основі чисельних експериментів з використанням методу скінченних елементів (МСЕ);

- експериментальне визначення похибок для коригування результатів чисельних експериментів при розрахунку напружень у ґрунтовому масиві під час його ущільнення;

- встановлення особливостей ущільнення ґрунту під трубопроводом плоскими робочими поверхнями, що рівномірно переміщуються одна проти одної;

- визначення функціональної залежності зміни коефіцієнта ущільнення від еквівалентних напружень у ґрунтовому масиві під трубопроводом під час ущільнення;

- розробка математичних моделей, що описують напружений стан і ступінь ущільнення ґрунту під трубопроводом і встановлення на їхній основі раціональних параметрів ґрунтоущільнювальних поверхонь (лопаток) і режимів навантажень ґрунту;

- визначення раціональних параметрів механізму синхронізації ґрунтоущільнювального обладнання для забезпечення рівномірного ущільнення ґрунту під трубопроводом;

- розробка та впровадження у виробництво робочого органа для ефективного ущільнення ґрунтів під трубопроводами, оцінка техніко-економічної ефективності машини.

Об'єкт дослідження - процес ущільнення ґрунту в обмежених просторових умовах під трубопроводом робочими поверхнями, що рухаються одна проти одної.

Предмет дослідження - створення робочого органа для ущільнення ґрунту під трубопроводами.

Методи дослідження - експериментально-теоретичне вивчення процесу ущільнення ґрунту під трубопроводом, яке базується на основних закономірностях ущільнення ґрунтів та застосуванні методів подібності, моделювання робочих процесів машин, теорії планування багатофакторних експериментів, чисельного моделювання напружено-деформованого стану ґрунту МСЕ, тензометричних вимірювань, математичної статистики та регресійного аналізу одержаних результатів.

Обґрунтованість і достовірність наукових положень, висновків, рекомендацій підтверджено: достатнім обсягом експериментальних досліджень і повторних вимірювань у дослідах; відтворенням виявлених закономірностей робочого процесу; адекватністю розроблених математичних моделей і експериментальних даних; задовільним рівнем збіжності результатів аналітичних і експериментальних досліджень.

Наукова новизна досліджень. Розкрито механізм процесу ущільнення ґрунту під трубопроводом, обумовлений взаємодією ядер ущільнення ґрунту під час обтискування його плоскими поверхнями робочого органа, що рівномірно рухаються одна проти одної, в умовах обмежених стінкою трубопроводу і дном траншеї, який дозволяє керувати ступенем та рівномірністю ущільнення масиву ґрунту під трубопроводом за один прохід робочого обладнання. Це дозволило:

- вперше виявити і сформулювати функціональну залежність зміни коефіцієнта ущільнення ґрунту від еквівалентних напружень у масиві під трубопроводом при ущільненні;

- вперше запропонувати і обґрунтувати математичні моделі визначення напруженого стану та коефіцієнта ущільнення ґрунту під трубопроводом у процесі ущільнення;

- встановити закономірності взаємодії робочих поверхонь ґрунтоущільнювального обладнання з ґрунтом в умовах обмеженого простору під трубою, а саме: діапазон значень коефіцієнтів перекриття слідів ущільнення ґрунту лопатками; залежність часу затримки перебування ґрунту під навантаженням лопатками від його вологості; залежність коефіцієнта ущільнення ґрунту від величини тиску лопаток на ґрунт; раціональну відстань знаходження робочого органа від межі відсипаного ґрунту під трубою під час виконання ущільнення;

- встановити значення раціональних параметрів механізму синхронізації руху ґрунтоущільнювальних лопаток.

Практичне значення одержаних результатів. Розроблено інженерну методику визначення основних раціональних параметрів та режимів роботи обладнання для ущільнення ґрунту під магістральними трубопроводами, яку прийнято до використання в НДТЦ „Ротор” (Київ), ДП „Завод ім. Малишева” (Харків). Така методика стала основою для виконання розрахунків та проектування робочого органа машини МП-М для ущільнення ґрунту під трубопроводами. Рекомендації по вибору режимів ущільнення ґрунтів увійшли до „Інструкції з експлуатації машини МП-М”.

В умовах лабораторії фізичного моделювання робочих процесів машин для земляних робіт кафедри дорожніх машин НТУ та випробувального полігону НДТЦ „Ротор” випробувано моделі і дослідні зразки робочого обладнання машини для ущільнення ґрунту під трубопроводом.

Машина, оснащена робочим органом, створеним на основі результатів виконаних досліджень, пройшла державні приймальні випробування (Сертифікат відповідності № UA1.048.0099070-05) і серійно випускається на ДП „Завод ім. Малишева” (Харків). Машини МП-М працюють під час виконання робіт з капітального ремонту трубопроводів у компаніях ППДМН ВАТ „Укртранснафта” (Україна) на нафтопроводі Лисичанськ-Тихорецьк та ОАО „Уралтрансгаз” РАО „Газпром” (Росія) на газопроводі Бухара-Урал. Економічний ефект від застосування машини МП-М у складі комплексу машин для капітального ремонту магістральних трубопроводів становить 1,6 млн. грн. за рік. Частка економічного ефекту, що забезпечується впровадженням у виробництво робочого органа, складає 420 тис. грн. за рік на одну машину.

Особистий внесок здобувача. На захист виносяться наступні наукові результати:

- розрахункова схема, методика обробки результатів чисельних експериментів та математичні моделі визначення напруженого стану і коефіцієнтів ущільнення ґрунту під трубопроводом;

- розрахункові схеми та закономірності для визначення гранично допустимих вертикальних навантажень на трубопроводи у процесі ущільнення ґрунту під ними та допустимих тисків ущільнювальних лопаток на ґрунт;

- функціональна залежність зміни коефіцієнта ущільнення ґрунту від еквівалентних напружень у масиві під трубопроводом при ущільненні;

- залежність зміни часу перебування ґрунту під навантаженням від його вологості;

- значення раціонального діапазону зміни коефіцієнтів перекриття слідів ущільнення ґрунту лопатками;

- закономірність зміни коефіцієнта ущільнення ґрунту під трубопроводом в залежності від величини тиску лопаток на ґрунт;

- розрахункові схеми і алгоритми для синтезу та дослідження важільного механізму приводу ґрунтоущільнювальних лопаток.

Результати досліджень отримані та викладені автором самостійно. Розроблена методика визначення параметрів та режимів роботи ґрунтоущільнювального робочого органа впроваджена у виробництво, що дозволило створити ефективне робоче обладнання для ущільнення ґрунту під трубопроводами.

Апробація роботи. Основні положення, наукові та практичні результати дисертаційних досліджень доповідались, обговорювались і дістали позитивну оцінку:

- на Міжнародних науково-технічних конференціях “Підвищення конструктивних та експлуатаційних показників автомобілів та машин” (Київ, 2005), “Metody obliczeniowe i badawcze w rozwoju pojazdow samochodowych i maszyn roboczych samojezdnych” SACON' 01 та SACON' 04 (Польща, Жешув, 2001, 2004);

- на наукових конференціях, семінарах та засіданнях кафедр: дорожніх машин, теоретичної та прикладної механіки, дорожньо-будівельних матеріалів НТУ (Київ, 2001-2005); будівельних машин, основ професійного навчання КНУБА (Київ, 2002, 2005); підйомно-транспортних, будівельних, дорожніх машин і обладнання ХНАДУ (Харків, 2004, 2006);

- на науковому семінарі при спеціалізованій вченій раді Д26.056.08 КНУБА (Київ, 2006).

Публікації. Основні положення дисертації опубліковані у 7 друкованих працях у фахових журналах та 4 тезах доповідей на науково-технічних конференціях.

Обсяг і структура дисертації. Дисертаційну роботу подано на 194 сторінках, у тому числі 165 - основного тексту. Вона складається із вступу, 5 розділів, висновків, додатків, включає 16 таблиць і 67 рисунків. Список використаних літературних джерел містить 142 найменування.

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

1. Проблеми капітального ремонту магістральних трубопроводів, шляхи підвищення темпів і якості його виконання. Аналіз вікового стану лінійної частини нафто- і газотранспортної систем України вказує на невідкладність виконання її капітального ремонту. Розроблена нова технологія проведення капітального ремонту магістральних трубопроводів „без підйому труби та зупинки перекачування продукту” не може бути реалізована на практиці без забезпечення ефективного ущільнення ґрунту під відремонтованим трубопроводом.

Огляд існуючого робочого обладнання, яке можна в принципі використовувати для ущільнення ґрунту під трубопроводом, а також результати модельних випробувань попередньо запропонованих конструкцій робочих органів дозволили зробити висновок про їх неефективність, оскільки вони не забезпечують необхідного ступеня та рівномірності ущільнення ґрунту саме під трубопроводом за один прохід.

Питаннями, пов'язаними із взаємодією робочих органів з середовищем, у тому числі механізованим ущільненням будівельних матеріалів та ґрунтів, займалися багато наукових та навчальних установ: СоюздорНДІ, ЦНДІОМТП, ВНДІБМІ, МДАДУ, МДБУ (Росія) та КНУБА, ХНАДУ, ВПІ, НТУ, ОКБ „Будшляхмаш”, НДТЦ „Ротор” (Україна) і такі відомі вчені, як: В.Ф. Бабков, В.Л. Баладінський, В.І. Баловнєв, А.К. Біруля, Л.М. Бобильов, Ю.М. Васильєв, Ю.О. Вєтров, П.Л. Іванов, Я.А. Калужський, М.П. Костильов, М.Н. Лєтошев, М.М. Маслов, І.І. Назаренко, Л.В. Назаров, І.А. Нєдорєзов, В.Й. Сівко, М.К. Сукач, К. Терцагі, О.Я. Шехтер, М.А. Цитович, М.Я. Хархута, Л.А Хмара, А.М. Холодов. У результаті створено теорію та розроблено основні принципи розрахунку машин для ущільнення будівельних матеріалів та ґрунтів переважно в умовах напівпростору. Відомі роботи по визначенню напруженого стану ґрунту в обмежених просторових умовах траншеї стосуються ущільнення верхнього шару засипаного ґрунту над трубопроводом, що лежить на цілику, а також його ущільнення по боках від труби.

Однак не вирішено питання визначення напруженого стану ґрунту під час його ущільнення в траншеї, під трубою, у випадку, коли трубопровід знаходиться в траншеї, але між ним та її дном існує простір, який і засипається ґрунтом. Таким чином, умови раніше досліджуваних завдань істотно відрізняються і не можуть бути використані для виконання завдань, пов'язаних з ущільненням ґрунту в обмежених просторових умовах під трубопроводом. Ущільнення ґрунтового масиву під трубопроводом плоскими поверхнями, що рухаються одна проти одної - завдання досить складне. Адже масив ґрунту, який ущільнюють, має складну конфігурацію та обмежений недеформованими поверхнями. Задача розкриття механізму перерозподілу напружень, обумовлених взаємодією ядер ущільнення від обох ґрунтоущільнювальних поверхонь, та їх впливу на ступінь ущільнення ґрунту під трубопроводом ставиться вперше, є актуальною і вимагає глибокого дослідження.

Наукова ідея роботи полягає у використанні особливостей ущільнення ґрунту під трубопроводом в умовах обмеженого простору плоскими поверхнями робочого органа, що рівномірно рухаються одна проти одної, для створення прогнозних моделей визначення напруженого стану та ступеня ущільнення ґрунту під трубопроводом за один прохід. Науковою задачею є розкриття особливостей ущільнення ґрунту в обмежених просторових умовах під трубопроводом поверхнями, що рівномірно рухаються одна проти одної. Практичною задачею є створення робочого органа для ущільнення ґрунту під магістральними трубопроводами за один прохід. Ідею реалізовано шляхом створення моделі робочого органа для дослідження закономірностей процесу ущільнення ґрунту під трубопроводом в умовах обмеженого простору та дослідження характеристик робочого процесу на основі результатів напруженого стану ґрунту отриманих чисельним розрахунком методом скінченних елементів.

Таким чином, основними напрямами досліджень є: розкриття закономірностей взаємодії плоских ґрунтоущільнювальних поверхонь з ґрунтом під трубопроводом в умовах траншеї; створення робочого органа для ефективного ущільнення ґрунту під трубопроводом за один прохід; розробка інженерної методики визначення раціональних параметрів та режимів роботи обладнання для ущільнення ґрунту під магістральними трубопроводами.

2. Обґрунтування математичної моделі напружено-деформованого стану ґрунту при його ущільненні під трубопроводом. Для оцінки напружено-деформованого стану ґрунту під трубопроводом у процесі його ущільнення двома плоскими поверхнями, що рухаються одна проти одної, розроблено розрахункову схему (рис. 1). При цьому масив ґрунту, який ущільнюють, обмежений зверху твірною труби діаметром Dтр та знизу дном траншеї на глибині Н від трубопроводу. Оскільки стінки трубопроводу та траншеї мають значно більші модулі пружності, ніж масив ущільнюваного ґрунту, вони вважаються недеформованими поверхнями. На підставі цього визначено граничні умови переміщення ґрунту перпендикулярно до недеформованих поверхонь труби та стінок траншеї.

Виявлено фактори, які найбільшою мірою впливають на зміну напружено-деформованого стану ґрунту під час його ущільнення під трубопроводом. До незмінних факторів віднесено діаметр трубопроводу Dтр = 1220 мм; висоту ґрунтового масиву Н = 820 мм; геометричні розміри траншеї h = 3000 мм, bв = 4400 мм, bн = 2620 мм; рівень засипання ґрунту hз Н + 0,5Dтр; коефіцієнт Пуассона ґрунту µ = 0,37.

Незмінні фактори, величини яких необхідно визначити - час затримки ущільнення tз, коефіцієнт перекриття слідів ущільнення Кп, модуль пружності Е, щільність с та вологість W ґрунту. Оскільки ширина лопатки В у плоскій постановці задачі та тиск Р лопаток на ґрунт лінійно впливають на зміну напруженого стану ґрунтового масиву, то вони також віднесені до незмінних факторів:

,(1)

де - напруження, визначене при фіксованих значеннях ширини лопатки В і тиску її на ґрунт Р, - напруження, обчислене при змінних величинах В та Р.

Змінними факторами, які чинять найбільш істотний вплив на процес ущільнення ґрунту під трубопроводом, є кут обтискування ґрунтового масиву Х1, відстань між робочими поверхнями лопаток Х2, довжина лопатки Х3, відстань від краю лопатки до труби Х4 (див. рис. 1). Для побудови математичної моделі визначення напруженого стану ґрунтового масиву під трубопроводом, виходячи з розмірів траншеї та технологічних умов виконання капітального ремонту трубопроводів, вибрано діапазон зміни значень факторів: Х1 = 70...90, Х2 = 1200...1600 мм, Х3 = 550...650 мм, Х4 = 150...250 мм. Досліджуваними величинами є еквівалентні напруження в характерних точках 1...4 (див. рис. 1) ґрунтового масиву, що дозволять визначити коефіцієнти ущільнення ґрунту під трубопроводом.

Встановлено, що величина тиску лопаток на ґрунт обмежена вертикальною силою, яка виникає в процесі ущільнення ґрунту під трубопроводом і може зумовити його піднімання. В результаті теоретичних досліджень отримано значення допустимих тисків лопаток на ґрунт = 0,12...0,35 МПа, що обумовлюють дію граничних вертикальних сил = 36...118 кН на трубопроводи діаметром = 530...1420 мм

Задача визначення напружено-деформованого стану ґрунту під трубопроводом, прийнятого ізотропним за об'ємом, розв'язана за допомогою одного з чисельних методів теорії пружності - методу скінченних елементів з використанням програми Mechanical Desktop 6.0. Математичні моделі визначення напруженого стану ґрунтового масиву в характерних точках 1...4 побудовано за результатами чисельних факторних експериментів, виконаних з використанням теорії планування експериментів у відповідності матриці плану типу Вn. Особливістю виконання чисельних експериментів є те, що їх результати мають похибку. Вона включає не тільки похибку МСЕ, а й похибки спричинені припущеннями про ідеалізацію ґрунтового масиву та розрахункової схеми. Крім того, визначення дисперсій результатів, отриманих на основі даних чисельних експериментів, неможливе. Без цього неможливим є регресійний аналіз отриманих результатів та побудова на їх основі математичних моделей.

Розроблено методику, яка дозволяє коригувати результати чисельних експериментів. Поправочний коефіцієнт kn визначено як відношення значення еквівалентного напруження уEO в ґрунтовому масиві, отриманого в результаті фізичного експерименту відповідно до нульового рівня плану чисельних експериментів, до значення еквівалентного напруження уPO, визначеного розрахунком МСЕ за тих же умов: kп = уЕО/уРО.

Скориговане значення еквівалентного напруження уi в і-й точці плану обчислюється на основі наступної залежності:

,

де уPi - розрахункове напруження в і-й точці плану чисельних експериментів, що підлягає коригуванню.

Дисперсія похибки скоригованого значення напруження в і-й точці плану чисельних експериментів визначається виразом:

,

де SЕ2 - дисперсія похибки значення напруження уЕО, знайдена на основі даних фізичного експерименту для умов нульового рівня плану проведення чисельних факторних експериментів.

Обґрунтування розрахункової схеми, факторів впливу на напружений стан ґрунту під трубопроводами та граничних умов допустимих навантажень на них і ґрунтовий масив, а також методика обробки результатів чисельних експериментів дають можливість побудувати математичні моделі визначення напруженого стану ґрунту під трубопроводом при його ущільненні, що дозволить визначити раціональні значення параметрів ґрунтоущільнювального робочого органа - кута Х1 і відстані Х2 між лопатками, довжини Х3 та ширини В лопатки, відстані від лопатки до трубопроводу Х4 і тиску лопаток на ґрунт Р.

3. Фізичне моделювання процесу ущільнення ґрунту під трубопроводом. За основний метод експериментальних досліджень для визначення вихідних даних до побудови чисельних моделей напруженого стану та коефіцієнтів ущільнення ґрунту, а також виявлення особливостей його ущільнення під магістральними трубопроводами прийнято метод подібності та наближеного фізичного моделювання. Масштаб моделювання лінійних величин прийнято СL = 5. Аналіз розмірностей факторів, що визначають робочий процес ущільнення ґрунту, дозволив встановити відповідні критерії подібності. В якості робочого середовища прийнято суглинок, у якому прокладено переважну більшість магістральних трубопроводів України. Моделювання фізико-механічних характеристик ґрунту виконано на основі рекомендацій В.І. Баловнєва та рецепту приготування „моделі” (76% річковий пісок, 16% намелена глина, 8% індустріальне масло).

Відомо, що ґрунт під дією навантажень різних за величиною поводиться не однаково, тому виконано ряд експериментів з навантаженням його та наступним розвантаженням. Результати досліджень показали, що ґрунт під дією навантаження величиною не більше 0,35 МПа, яке створюють плоскі робочі поверхні, має яскраво виражені пружні властивості, оскільки величина пластичних деформацій не перевищувала 1/3 від його сумарних деформацій (рис. 2).

Рис. 2. Типова осцилограма деформації ґрунту під дією навантаження з наступним розвантаженням

У результаті оцінки фізико-механічних характеристик ґрунту встановлено, що у перерахунку на „натуру” модуль пружності у сталому режимі складає Е = 10 МПа, стандартна щільність dmax = 1,79 г/см3, оптимальна вологість W0 = 14%, а коефіцієнт поздовжніх деформацій = 0,37. Виявлено, що мінімально необхідний час tз перебування ґрунту під навантаженням коливається в залежності від його вологості від 0,8 до 4 с в діапазоні останньої W = 10...18%.

Визначення даних для коригування результатів досліджень напруженого стану ґрунту, отриманих на основі чисельних розрахунків, виконано за результатами фізичних експериментів на ґрунтовому каналі лабораторії кафедри дорожніх машин НТУ на стенді фізичного моделювання. Дослідження виконано за умови відповідності вихідних параметрів значенням факторів у центрі плану експериментів на моделі (рис. 3). Значення параметрів у перерахунку на „натуру” склали Х1 = 80; Х2 = 1400 мм; Х3 = 550 мм; Х4 = 200 мм; Р = 0,2 МПа; В = 300 мм. Вихідними даними є постійні фактори: Н = 820 мм; h = 3000 мм, bв = 4400 мм, bн = 2620 мм; hз = 1100 мм (див. рис. 1). За основу взято трубопровід Dтр=1220 мм, як найбільш розповсюджений у нафто-газотранс-портній системі України.

Для визначення розподілу напружень у ґрунті застосовано датчики їх вимірювання (месдози Йодера) стандартної конструкції. Месдози в „модельному” ґрунті встановлено у відповідності з розробленою схемою. Вимірювання напружень у ґрунті виконували месдози М-2...М-7, а М-1 контролювала тиск лопатки на ґрунт.

Під час моделювання робочого процесу ущільнення ґрунту під трубопроводом прийнято наступні умови, які визначали однозначність процесу ущільнення на „моделі” та „натурі”: дослідження виконано у сталому режимі роботи машини; взаємодію робочих поверхонь з ґрунтом розглянуто на кінцевому етапі процесу ущільнення (крайнє нижнє положення лопаток).

За результатами експериментальних замірів напружень у ґрунтовому масиві під час його ущільнення побудовано епюру зміни еквівалентних напружень по вертикальній осі від нижньої твірної трубопроводу до дна траншеї (рис. 5).

З епюри видно, що найбільші значення напружень виникають у середній зоні ґрунтового масиву під трубопроводом. Це підтверджує гіпотезу про присутність ефекту взаємодії ядер ущільнення ґрунту при зустрічному обтискуванні його лопатками під трубопроводом.

Порівняння експериментальної та розрахункової епюр еквівалентних напружень у масиві ґрунту, одержаних для ідентичних умов ущільнення, дає можливість визначити похибки МСЕ в характерних точках 1...4 (див. рис. 1) через поправочний коефіцієнт, відповідно kп = 1,05; 1,01; 0,91; 1,01.

Дисперсія відтворюваності напружень при цьому складає SЕ2=2,4710-5, а похибка досліду не перевищила 10% при довірчій вірогідності 0,95.

Експериментально встановлено, що при циклічному ущільненні ґрунту вздовж осі трубопроводу лопатками фіксованих розмірів напружений стан масиву ґрунту змінюється протягом виконання 12...14 циклів ущільнення. Раціональна тривалість знаходження ґрунту під навантаженням при циклічному ущільненні становить 2,5...3 хв. Крім того, встановлено, що ущільнення ґрунту під трубопроводом раціонально виконувати, коли ґрунтоущільнювальне обладнання працює не менш, ніж за 2 м від границі ґрунту, підсипаного під трубою. Діапазон значень коефіцієнтів перекриття слідів ущільнення ґрунту лопатками, що гарантує відсутність пустот під трубою при виконанні цієї операції, складає Kп = 0,85…0,95.

Встановлення функціонального зв'язку між еквівалентними напруженнями, що виникають у результаті ущільнення ґрунтового масиву під трубопроводом, та коефіцієнтами його ущільнення, виконано шляхом визначення дійсної щільності ґрунту d за допомогою приладу Ковальова в місцях, де фіксувались напруження.

Коефіцієнт ущільнення визначено як Kу=d/dmax. У результаті апроксимації експериментальних даних (рис. 6) виведено залежність , яка описує зміну значень Kу від величини еквівалентних напружень у ґрунті, що виникають під час його ущільнення під трубопроводом і навпаки, . Похибки визначення величин Kу та складають Kу= 0,007 та = 0,005 МПа при довірчій вірогідності 0,95.

Результати експериментальних досліджень реологічної поведінки та характеристик ґрунту під час його ущільнення, поправочні коефіцієнти напружень у ґрунтовому масиві, дисперсії похибок дослідів, а також взаємозв'язок між напруженнями та коефіцієнтами ущільнення ґрунту є вихідними даними для побудови математичних моделей визначення напруженого стану ґрунту під трубопроводом на основі даних чисельних експериментів.

4. Побудова та аналіз чисельних моделей визначення напруженого стану ґрунту під трубопроводом. Візуальне представлення результатів розрахунку напруженого стану ґрунту під трубопроводом за допомогою МСЕ дозволило оцінити вплив взаємодії ядер ущільнення у масиві ґрунту, створених лопатками робочого органа, при дії різних комбінацій значень вихідних параметрів, які обумовлюють процес ущільнення. Типові результати розрахунку напруженого стану ґрунту (рис. 7, а, б, в) свідчать про те, що можуть бути комбінації вихідних параметрів, за яких очікуваного ефекту накладання ядер ущільнення не спостерігається, напруження у ґрунтовому масиві на різній глибині під трубопроводом незначні, а, отже, коефіцієнти ущільнення ґрунту залишаються мінімальними. Комбінація вихідних параметрів (рис. 7, г) забезпечує більш рівномірне ущільнення ґрунту під трубопроводом, про що свідчить наявність ефекту взаємодії ядер ущільнення в ґрунті. Таким чином, можна стверджувати, що за допомогою зміни комбінацій вихідних параметрів, що обумовлюють процес ущільнення ґрунту під трубопроводом, можна керувати взаємодією ядер ущільнення ґрунту, а також впливати на значення кінцевих показників цього процесу.

У результаті обробки даних чисельних експериментів відповідно до складеної матриці створено математичні (прогнозні) моделі для визначення напруженого стану ґрунту в характерних точках масиву під трубопроводами. Їхня адекватність підтверджена перевіркою за критерієм Фішера при довірчій вірогідності 0,95.

1=(0,08637-0,01696·х1+0,02101·х2 -0,02524·х3 -0,00306·+0,00367·+0,003·х2 х3);(2)

2=(0,09741 - 0,0027·х1 - 0,00798·х2 + 0,01312·х3 + 0,0024·);(3)

3=(0,07215 - 0,00509·х2 + 0,01162·х3 - 0,00276·);(4)

4=(0,09889 - 0,00642·х1 + 0,00605·х3 - 0,01496·х4 + 0,00306·).(5)

Завдяки прогнозним моделям (2...5), стало можливим керувати процесом взаємодії ядер ущільнення шляхом зміни лінійних розмірів лопаток, параметрів їх установки, а саме: кута обтискування = Х1, відстані між лопатками S = Х2, довжини лопатки L = Х3 мм, відстані від лопатки до трубопроводу l = Х4, ширини лопатки В.

На основі розв'язування системи рівнянь (2...5) знайдено раціональну комбінацію вихідних параметрів процесу ущільнення ґрунту під трубопроводами: = 75, S = 1400 мм, L = 600 мм, l = 180 мм, В = 300 мм, а також побудовано залежність зміни значень коефіцієнтів ущільнення від тиску лопаток на ґрунт для характерних точок 1...4 (рис. 8). Це дозволило отримати значення тисків лопаток на ґрунт Р = 0,2...0,35 МПа, при яких буде забезпечено необхідні значення коефіцієнтів ущільнення ґрунту під трубопроводом у межах Kу = 0,9...0,95.

Раціональні значення параметрів робочого органа та режимів роботи, за яких гарантовано відбудеться взаємодія ядер ущільнення ґрунту під трубопроводом, прийняті для наступних досліджень та до застосування під час проектування робочого обладнання машини призначеної для ущільнення ґрунту під трубопроводом.

5. Реалізація результатів досліджень. На основі визначених раціональних геометричних розмірів ґрунтоущільнювальних лопаток та параметрів їхнього розташування в траншеї відносно трубопроводу виконано синтез симетричної половинки важільного механізму приводу лопаток (рис. 9), що рухаються по заданій траєкторії в траншеї відносно трубопроводу. Це дозволило визначити раціональні розміри ланок згаданого механізму розв'язком цільової функції:

де Lmin - мінімальна нерівномірність руху лопаток; L - довжина ланки (відстань між шарнірами); Xn, Yn - координати заданої траєкторії лопатки; XКn, YКn - координати розрахункової траєкторії лопатки. Раціональні розміри ланок, які забезпечать необхідну траєкторію руху лопаток в траншеї складають: LDI = 0,69 м, LDC = 0,45 м, LBD = 0,2 м, LBA = 0,47 м, LOA = 0,64 м, LAW = 1,017 м, LWK = 0,2 м.

Аналіз варіантів конструкції механізму, який повинен зв'язувати дві половинки приводу лопаток, показав, що організація їхнього ідеального синхронного руху, а, отже, забезпечення взаємодії ядер ущільнення за даною схемою є неможливим. Причиною є те, що важелі механізму синхронізації (рис. 10) перебувають в різних квадрантах, мають різні кути повороту та неоднакові швидкості і напрямки руху. Розроблено математичну модель, що описує роботу механізму синхронізації руху лопаток,

2 x3 сos -90 - 2 x1 сos( -90 - 2 x1 x3 сos - -=0,

де х1...3 - довжина ланок відповідно I, II, III (див. рис. 10); , , - кути повороту ланок I, III; , - кути установки ланок I, III.

Завдяки цій моделі встановлено значення раціональних кутів установки важелів механізму синхронізації = ( + ) = 118, = ( + ) = 118, що дозволило звести до прийнятного мінімуму (= 2,6 мм) нерівномірність руху лопаток.

Створення алгоритму та програми кінематичного та силового досліджень статично невизначеного важільного механізму приводу ґрунтоущільнювальних лопаток дозволило встановити значення коефіцієнтів передачі зусиль від гідроциліндрів приводу конкретного механізму до лопаток. Завдяки цьому встановлено функціональний зв'язок між значеннями коефіцієнтів ущільнення ґрунту і тиском в гідроциліндрах приводу механізму. Забезпечення Kу = 0,9...0,95 гідроциліндрами з діаметром, наприклад, 125 мм можливе при створенні в них тиску Р = 10...18 МПа. Отримані значення коефіцієнтів передачі зусиль в шарнірах важільного механізму є вихідними даними для подальших розрахунків металоконструкції робочого органа на міцність.

Достовірність результатів виконаного дисертаційного дослідження перевірена шляхом порівняння коефіцієнтів ущільнення ґрунту, визначених під час виконання модельних випробувань, з даними випробувань натурного зразка машини МП-М, спроектованого за результатами виконаних досліджень для трубопроводу DТР = 1220 мм із забезпеченням коефіцієнта ущільнення Kу = 0,95. Після проведення ущільнення ґрунту під трубопроводом в реальних умовах експлуатації машини відкопували ділянку ущільненого ґрунту під ним. У зрізі ущільненого масиву ґрунту на різній глибині під трубопроводом, за допомогою приладу Ковальова проводився відбір проб для оцінки щільності ґрунту. Середнє значення коефіцієнта ущільнення ґрунту склало Kу = 0,93, що відповідає розрахунковим значенням з похибкою не більшою за 10% при довірчій вірогідності 0,95.

Розроблено методику інженерного розрахунку параметрів та режимів роботи робочого органа для ущільнення ґрунту під магістральними трубопроводами, що стала основою для виконання розрахунків та проектування робочого органа машини МП-М (рис. 12). Рекомендації по вибору режимів ущільнення ґрунтів увійшли до „Інструкції з експлуатації машини МП-М”.

Машина оснащена робочим органом, який створено на основі результатів виконаних досліджень, пройшла державні приймальні випробування і серійно випускається на ДП „Завод ім. Малишева” (Харків). Машини МП-М працюють при виконанні робіт з капітального ремонту трубопроводів у компаніях ППДМН ВАТ „Укртранснафта” (Україна) на нафтопроводі Лисичанськ-Тихорецьк та ОАО „Уралтрансгаз” РАО „Газпром” (Росія) на газопроводі Бухара-Урал.

Таким чином мету, поставлену у дисертаційній роботі досягнуто та задачі виконано.

ВИСНОВКИ

1. Дисертація є закінченою науково-дослідною роботою, в якій теоретично узагальнено та практично вирішено вагому науково-технічну задачу створення робочого органа, який забезпечує ефективне ущільнення ґрунту під магістральними трубопроводами в реальних умовах їхньої експлуатації.

2. Розкрито механізм процесу ущільнення ґрунту під трубопроводом, обумовлений взаємодією ядер ущільнення ґрунту під час обтискування його плоскими поверхнями робочого органа, що рівномірно рухаються одна проти одної, в умовах, обмежених стінкою трубопроводу і дном траншеї, який дозволяє керувати ступенем та рівномірністю ущільнення масиву ґрунту під трубопроводом за один прохід робочого обладнання.

3. Виявлено нові закономірності та особливості процесу ущільнення ґрунту під трубопроводом, а саме: мінімально необхідний час tз перебування ґрунту під навантаженням коливається в залежності від його вологості від 0,8 до 4 с у діапазоні останньої W = 10...18%; зміна напруженого стану ґрунту вздовж трубопроводу під дією циклічних навантажень описується закономірністю Гауса та має місце протягом виконання 12...14 циклів ущільнення; раціональна тривалість перебування ґрунту під навантаженням при циклічному ущільненні становить 2,5...3 хв; ущільнення ґрунту під трубопроводом слід виконувати, коли ґрунтоущільнювальне обладнання працює не менш, ніж за 2 м від границі підсипаного ґрунту під трубою; діапазон значень коефіцієнтів перекриття слідів ущільнення ґрунту лопатками, що гарантує відсутність пустот під трубою при виконанні цієї операції, складає Kп= 0,85…0,95.

4. Вперше встановлено функціональний взаємозв'язок між еквівалентними напруженнями та коефіцієнтами ущільнення в ґрунті під час його ущільнення під трубопроводом .

5. Розроблено математичні (прогнозні) моделі для визначення напружень та коефіцієнтів ущільнення ґрунту в характерних точках ґрунтового масиву під трубопроводом. Визначено раціональні значення параметрів ґрунтоущільнювального обладнання: кут обтискування - 75, відстань між лопатками S - 1400 мм, довжина L та ширина В лопаток - відповідно 600 та 300 мм, відстань від лопатки до твірної трубопроводу l - 180 мм. Встановлено закономірності зміни тиску ґрунтоущільнювальних лопаток на ґрунт від коефіцієнта його ущільнення Р = 0,65Ку 12. Величина коефіцієнта ущільнення ґрунту в межах Kу = 0,9...0,95 забезпечується дією лопаток на ґрунт тиском Р = 0,18...0,35 МПа.

6. Встановлено значення раціональних кутів установки важелів механізму синхронізації ґрунтоущільнювальних лопаток = = 118, що дозволило звести до прийнятного мінімуму (= 2,6 мм) нерівномірність руху лопаток і забезпечити симетричне формування ядер ущільнення ґрунту під трубопроводом.

7. Створено робочий орган для ущільнення ґрунту під трубопроводом, який реалізовано у конструкції машин для підбивання ґрунту під трубопровід МП-М. Машина пройшла державні приймальні випробування, яку серійно виготовляє ДП „Завод ім. Малишева” (Харків) та застосовують під час капітального ремонту магістральних трубопроводів компанії „Придніпровські магістральні нафтопроводи” ВАТ „Укртранснафта” (Україна) і ОАО „Уралтрансгаз” РАО „Газпром” (Росія). Це дозволяє реалізувати нову технологію швидкісного ремонту трубопроводів та виконувати ремонт без зупинки перекачування продукту, забезпечити незмінну лінію вихідного залягання трубопроводу, гарантувати непошкоджуваність труби, напружений стан якої є мінімальним, забезпечити багаторазове прискорення темпу виконання робіт (у 5...7 разів). Впровадження результатів досліджень дозволяє у короткі терміни виконувати значні обсяги робіт з капітального ремонту трубопроводів та сприяє виходу України на міжнародні ринки із сучасною наукомісткою продукцією і технологією.

8. Розрахунковий економічний ефект від застосування машини МП-М у складі технологічного комплексу машин для капітального ремонту магістральних трубопроводів складає 1,6 млн. грн. за рік. Частка економічного ефекту, забезпечена впровадженням у виробництво нового робочого органа для ущільнення ґрунту під трубопроводами, складає 420 тис. грн. за рік.

9. Сукупність нових наукових положень, результатів і висновків, сформульованих на основі виконаних теоретичних і експериментальних досліджень процесу ущільнення ґрунту під трубопроводами, можна кваліфікувати як вирішення важливої науково-технічної задачі в галузі газо- та нафтотранспортного машинобудування.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ

ущільнення грунт трубопровод

1. Пошук оптимальних параметрів механізму синхронізації грунтоущільнюючого обладнання // Системні методи керування, технологія та організація виробництва, ремонту і експлуатації автомобілів: зб. наук. праць. - К.: УТУ, 2000. - Вип. 9. - С. 87 - 92 (співавтори: М.О. Білякович, В.Д. Мусійко).

2. Дослідження та синтез механізму синхронізації грунтоущільнюючого обладнання // Системні методи керування, технологія та організація виробництва, ремонту і експлуатації автомобілів: зб. наук. праць. - К.: НТУ, 2000. - Вип. 10. - С. 73 - 77 (співавтор: В.Д. Мусійко).

3. Дослідження силових потоків механізму ущільнення ґрунтового ложа нафтопроводів // Системні методи керування, технологія та організація виробництва, ремонту і експлуатації автомобілів: зб. наук. праць. - К.: НТУ, 2001. - Вип. 11. - С. 21 - 25 (співавтори: М.О. Білякович, В.Д. Мусійко).

4. Дослідження якості ущільнення грунтового ложа магістральних трубопроводів та вибір параметрів грунтоущільнюючого механізму // Metody Obliczeniowe i Badawcze w Rozwoju Pojazdow Samochodowych i Maszyn Roboczych Samojezdnych. - Rzeszow: Politechnika Rzeszowska - SAKON' 01, 2001. -- S. 35 - 40 (співавтори: М.О. Білякович, В.Д. Мусійко, В.Л. Салюк).

5. Удосконалення робочого органа для ущільнення грунтового ложа магістральних трубопроводів // Системні методи керування, технологія та організація виробництва, ремонту і експлуатації автомобілів: зб. наук. праць. - К.: НТУ, 2002. - Вип. 13. - С. 89 - 94 (співавтори: М.О. Білякович, В.Л. Салюк).

6. Схема дослідження параметрів робочого органа для ущільнення ґрунту під магістральними трубопроводами // Мetody obliczeniowe i badawcze w rozwoju pojazdow samochodowych i maszyn roboczych samojezdnych, zarzadzanie i marketing w motoryzacji. - Rzeszow (Polska): Politechnika Rzeszowska - SACON'04, 2004. - S. 173 - 179 (без співавторів).

7. Особливості ущільнення ґрунту під магістральними трубопроводами та шляхи визначення раціональних параметрів робочого органа // Вісник НТУ, 2005. - № 10. - С. 212 - 217 (без співавторів).

8. Взаємодія грунтоущільнюючого робочого органа з грунтовим масивом. Обгрунтування вибору конструктивних параметрів механізму для забезпечення якісного ущільнення та необхідної стійкості грунтового ложа нафтопроводу // Наук. конф. проф.-викл. складу і студ. ун-ту: тези доп. - К.: НТУ, 2003. - № 59. - С.5. (співавтор: В.Д. Мусійко).

9. Методика визначення параметрів робочих органів для ущільнення ґрунту в утруднених умовах під магістральними трубопроводами // Наук. конф. проф.-викл. складу і студ. ун-ту: тези доп. - К.: НТУ, 2004. - № 60. - С.7 (без співавторів).

10. Експериментальне дослідження ефективності ущільнення ґрунтового ложа трубопроводу з допомогою фізичного моделювання // Наук. конф. проф.-викл. складу і студ. ун-ту: тези доп. - К.: НТУ, 2005. - № 61. - С.9 (без співавторів).

11. Імітаційне моделювання взаємодії робочого органа з середовищем при ущільненні ґрунту під трубопроводом // Наук. конф. проф.-викл. складу і студ. ун-ту: тези доп. - К.: НТУ, 2006. - № 62. - С.15 (співавтор: Ю.А. Макій).

Размещено на Allbest.ru

...