Створення резонансної гідравлічної вібротрамбовки для ущільнення грунтів

Размещено на http://allbest.ru

Размещено на http://allbest.ru

Автореферат

на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Створення резонансної гідравлічної вібротрамбовки для ущільнення грунтів

Загальна характеристика роботи

Актуальність роботи. Ущільнення будівельних сумішей у стислих умовах та важкодоступних місцях будівництва як і раніше залишається складною проблемою. Від якості ущільнення ґрунту залежить надійність та довговічність закінчених об'єктів, а надалі і витрати коштів на їх експлуатацію та ремонт. Різноманітність ґрунтів та відмінність технологічних умов проведення ґрунтоущільнюючих робіт значно ускладнює обґрунтування та вибір раціональної конструктивної схеми, перешкоджає створенню обладнання, яке забезпечує високу якість ущільнення із мінімальною енергоємністю процесу. Тому створення нових будівельних ущільнюючих машин та дослідження їх динаміки з впливом оброблюваного середовища на їх робочі органи залишається актуальним і на сьогодні.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота є складовою частиною наукових досліджень кафедр машин і обладнання технологічних процесів та будівельних машин Київського національного університету будівництва і архітектури держбюджетної науково-дослідної теми ДБ-2007 №2 “Теорія взаємодії технічних систем будівельного виробництва статичної і динамічної дії з напружено-деформованим середовищем ” (№ держреєсртрації 0107U000448).

Мета і задачі роботи. Метою роботи є встановлення закономірностей руху ударно-вібраційної гідравлічної трамбовки в умовах взаємодії з оброблюваним середовищем та розробці на цій основі методів розрахунку та проектування машин подібного класу.

Для досягнення поставленої мети автором були вирішені такі задачі:

- вибір та обґрунтування фізичної та математичної моделей, яка відображає реальний робочий процес взаємодії робочих органів машин і оброблюваних середовищ;

- виконання теоретичних досліджень на основі рівнянь руху, що моделюють робочі органи дискретними параметрами, а оброблюване середовище - розподіленими, які враховуються в рівняннях руху як сили опору в контактній зоні;

- встановлення закономірностей руху вібротрамбовок з широким діапазоном варіювання параметрів робочих елементів з урахуванням їхньої взаємодії з оброблюваним середовищем;

- експериментальна перевірка отриманих аналітичних залежностей та встановлення реальної зони ефективного процесу ущільнення;

- розробка основних положень методів розрахунку параметрів вібротрамбовки з реалізацією наперед заданого режиму роботи та визначення основних принципів створення машин подібного типу;

- впровадження результатів дослідження та оцінка їх ефективності.

Об'єкт дослідження - робочий процес взаємодії вібротрамбовки з ґрунтом, що ущільнюється.

Предмет дослідження - параметри резонансної тримасної вібротрамбовки.

Методи досліджень ґрунтуються на основних положеннях класичної теорії коливань механічних систем і суцільних середовищ, прикладної механіки, методів математичної статистики.

Наукова новизна. Встановлені закономірності режимів руху резонансних тримасних вібраційних трамбовок з гідравлічним виконуючим механізмом пульсаторного типу, котрий дозволяє примусово змінювати амплітуду і частоту в залежності від впливу оброблюваного середовища та технологічних умов.

Запропоновано новий принцип додаткового підсилення вібраційної дії на середовище реалізацією синфазного руху двох мас трамбовки.

Встановлено характер впливу оброблюваного середовище на динаміку роботи машини, що дало можливість забезпечення раціональних режимів роботи.

Практичне значення отриманих результатів. Сформульовані основні принципи створення резонансних ударно-вібраційних трамбовок з гідравлічним приводом; запропоновано нові конструктивні схеми машин подібного класу; вдосконалена система регулювання робочими параметрами трамбовки; розроблена методика розрахунку параметрів та режимів роботи трамбівок.

Розроблені рекомендації для ефективного ущільнення вібротрамбовками впроваджені в БУ-1 тресту “Будмеханізація” холдінгової компанії “Київміськбуд” та ТОВ “Ресурстранс”. Отримані результати використовуються в учбовому процесі при читанні дисциплін “Створення машин і обладнання будівельної індустрії” та “Машини для виробництва будівельних матеріалів”, курсовому та дипломному проектуванні.

Достовірність наукових положень, висновків і отриманих результатів. Наукові дослідження, висновки і пропозиції, подані в дисертаційній роботі, ґрунтуються на фундаментальних законах фізики, гідродинаміки та теорії удару, а також коректності використання математичного апарату й обчислюваних методів. Експериментальні дослідження проводились з використанням планування експериментів з достатнім співпаданням (12…14%) теоретичних та експериментальних даних.

Особистий внесок здобувача.

Основні результати теоретичних і експериментальних досліджень дисертаційної роботи отримані автором самостійно, а саме:

- обґрунтовано та визначено вплив оброблюваного середовища на динаміку роботи машини;

- розроблено новий принцип додаткового підсилення вібраційної дії на середовище реалізацією синфазного руху двох мас трамбовки;

- встановлена ефективна дія пружних елементів машини на її робочий процес;

- створена математична модель, що адекватно відображає реальний процес руху тримасних вібраційних машин;

- проведено комп'ютерний експеримент по дослідженню динаміки тримасної системи в різних режимах роботи;

- виготовлена лабораторна модель тримасної трамбовки з удосконаленим пристроєм управління гідроприводом, підібрано вимірювальне обладнання для проведення лабораторних досліджень;

- здійснено експериментальні дослідження;

- розроблено методику розрахунку тримасової вібраційної машини з гідроприводом.

В опублікованих працях, що виконані в співавторстві, здобувачем виконано: у роботі [3] - виконано аналіз зміни параметрів в процесі роботи машини; у роботі [4] - визначені значення хвильових коефіцієнтів, які визначають ступінь впливу пружно-інерційних і дисипативних складових сил середовища на систему вцілому.

Апробація роботи. Основні положення роботи висвітлювались і обговорювались на 65, 66, 68, 69 науково-технічних конференціях Київського національного університету будівництва і архітектури (м. Київ 2004…2008рр.); на міжнародні науково-технічній конференції “Вібрація в техніці та технологіях ” (НУ “Львівська політехніка” 2006р.); на міжнародні науково-технічній конференції “Створення й експлуатація нових машин та обладнання для виробництва будівельних матеріалів і конструкцій”, ПНТУ ім. Ю. Кондратюка, м. Полтава 23-24 жовтня 2008року; робота вцілому доповідалась на науковому семінарі спеціалізованої вченої ради Д 26.056.08 в Київському національному університеті будівництва і архітектури 20 лютого 2009року.

Публікації. Основні положення дисертації опубліковано у 4 наукових статтях в фахових виданнях та отримано 4 патенти України на корисну модель.

Структура і обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел та 3 додатків. Загальний обсяг роботи 160 сторінок машинописного тексту. Текст містить 6 таблиць, 68 рисунків та список використаних джерел з 95 найменувань.

Основний зміст

У вступі обґрунтовано актуальність досліджень, викладено мету, наукову новизну, практичне значення отриманих результатів, апробацію та зазначено кількість публікацій за темою досліджень.

У першому розділі “Стан проблеми та задачі дослідження” розглянуто методи ущільнення будівельних сумішей, виконано огляд існуючих конструкцій машин для ущільнення в стиснених умовах, проведено аналіз таких машин з енергетичної точки зору та реалізації змінних режимів роботи, приведено існуючі методи розрахунку подібних машин.

Розвитку теорії та практики ущільнення присвячені роботи Баладінського В.Л., Гарнеця В.М., Гусєва В.В., Зикова Б.І., Іванова П.Л., Маслова О.Г., Назаренка І.І., Нестеренка М.П., Олехновича К.М., Савинова О.О., Саковича К.М., Свідерського А.Т., Сівка В.Й., Федулова А.І., Хархути Н.Я., Холодова А.М., Чубука Ю.Ф., Яковенка В.Б. та інших.

Проведений аналіз та оцінка конструктивних і технологічних параметрів машини для ущільнення ґрунтів показали, що домінуючою технікою є навісні та самохідні трамбовки з механічним приводом, виконані за конструкцією одно або двомасною схемами. Як правило такі машини реалізують два режими: вібраційний або віброударний з широким діапазоном зміни амплітуди коливань (0,5..13,0мм) та частоти коливань (125..314рад/с). Розрахунок основних параметрів таких машин здійснюється в основному за емпіричними залежностями, що отримані на основі експериментальних досліджень, або спрощеними моделями, в яких середовище представлене дискретними параметрами. Аналіз відомих робіт показав, що єдиної методики розрахунку машин для ущільнення ґрунтів не існує, більшість формул містять емпіричні коефіцієнти, які призводять до неточності розрахунку, а в деяких випадках до суперечностей, оскільки мають різні значення коефіцієнтів. Методи розрахунку у більшості випадків відносяться до цілком конкретної конструкції машини, і тому користуватись такою методикою для іншого типу машин неможливо. На основі проведеного аналізу вибрано напрям і сформульовано задачі дисертаційного дослідження.

У другому розділі “Теоретичні дослідження тримасної вібротрамбовки” сформульовані передумови та припущення теоретичних досліджень, обґрунтовано вибір фізичної моделі, проведено теоретичні дослідження щодо впливу конструктивних параметрів машини та технологічних параметрів процесу на динаміку системи „вібротрамбовка - ґрунт”.

Для теоретичних досліджень системи „вібротрамбовка - ґрунт” прийнята динамічна розрахункова модель, яка включає в себе середовище, що ущільнюється та виражене коефіцієнтами опору і жорсткості , трамбовку, яка складається з трьох мас , з'єднаних між собою пружними елементами жорсткістю , між масами і можливий удар через буфер жорсткістю та коефіцієнтом опору . Трамбовка використовується як навісне обладнання до екскаватора, з'єднання трамбовки зі стрілою екскаватора здійснюється за рахунок пристрою, що має жорсткість та коефіцієнт опору .

Регулювання режимів процесу ущільнення може здійснюватись як за рахунок зміни динамічної дії (частота та амплітуда коливань) так і за рахунок зміни статичного тиску на середовище, що ущільнюється. В результаті поєднання таких дій передбачається отримання раціональних режимів роботи на всіх стадіях ущільнення.

Як відомо динаміка руху систем із n ступенями вільності описується n диференціальними рівняннями другого порядку. Припустимо, що ці координати являють собою лінійні переміщення елементів системи, а також ці переміщення достатньо малі тому систему можна вважати лінійною.

Рівняння коливань системи складемо у формі рівнянь Лагранжа ІІ роду, яке має вигляд:

(1)

де Т, П, D - відповідно кінетична, потенціальна і дисипативна складові енергії системи;

- узагальнена зовнішня сила, що діє на систему.

Потенціальну енергію пружної системи можна визначити як напівсуму добутків сил F_i на відповідні їм переміщення x_i:

(2)

Для визначення кінетичної енергії запишемо вираз:

(3)

Складова дисипативних сил визначається виразом:

(4)

Прийнявши до уваги, що маси розглядаються як жорсткі тіла і їх рух являє собою рух центрів мас загальний запис рівнянь для системи з n ступенями волі. набуде вигляду:

(5)

Рух мас системи (див. рис 1) може здійснюватись за двох випадків:

1) рух без удару між масами і :

 (6.1)

2) рух коли відбувається удар між масами і :

(6.2)

де - відповідно маса ущільнюючої плити, маса ударника та верхня маса трамбовки;

- маса стріли екскаватора;

- коефіцієнти жорсткості та опору пружних елементів між масами і та і ;

- коефіцієнт жорсткості та опору ґрунту;

- коефіцієнт жорсткості та опору буфера;

- коефіцієнт жорсткості та опору віброізоляційних елементів;

- змушуюча гідравлічна сила;

- притискуюча сила на стрілі екскаватора.

Вплив середовища на рух робочого органу визначається за методикою, сутність якої полягає в визначені реакції середовища як реактивної і активної складової, виходячи з того, що реакція середовища (контактна сила) може бути представлена у відповідності з законом Ньютона як добуток маси середовища на її прискорення. Опускаючи відповідні перетворення встановлюються приведені значення маси ґрунту, що мають наступний вираз:при

 (7)

при

(8)

де - тривалість удару;

- час;

S - площа робочого органу машини;

с - щільність оброблюваного середовища;

і - хвильові коефіцієнти;

h - товщина ущільнювального матеріалу.

Вирази (2) і (3) у значній мірі визначаються співвідношеннями висоти ущільнюючого шару і довжини хвилі. Так

при (9)

при (10)

де Е - модуль пружності середовища;

- швидкість розповсюдження хвиль;

- коефіцієнт втрат, який оцінює рівень енергії, що розсіюється у середовищі за один цикл коливань;

- частота коливань робочого органу.

Таким чином в рівняннях руху вплив середовища враховується дискретними параметрами у вигляді реактивного (пружно-інерційного) та активного (дисипативного) опорів, які враховують можливість виникнення хвильових явищ в ґрунті. Інакшими словами форма рівнянь руху має вигляд звичайних диференційних рівнянь, в яких враховані хвильові явища оброблюваного середовища.

Для розв'язку рівнянь було використано чисельний методом Рунге-Кутта 4-го порядку для систем диференційних рівнянь другого порядку.

Типова амплітудно-частотна характеристика досліджуваної системи (рис. 2) характерна декількома піками резонансів, що пояснюється наявністю коефіцієнтів жорсткості, які мають вплив на динаміку системи. На рис.3-5 приведені типові осцилограми руху вібросистеми в дорезонансному, резонансному та зарезонансному режимах руху.

В наведених осцилограмах руху чітко виражена протифазність руху мас і , що обумовлено використанням гідравлічного циліндру як приводу. Синфазність мас і сприяє максимальній передачі енергії до середовища, що обробляється.

У третьому розділі “Експериментальні дослідження робочого процесу взаємодії вібротрамбовки з ґрунтом, що ущільнюється” описані експериментальні дослідження. Мета експериментальних досліджень полягала в перевірці встановлених аналітичних закономірностей руху вібраційної трамбовки в різних режимах, та оцінки ефективності вибраних параметрів робочого процесу ущільнення будівельних сумішей.

Для проведення експериментальних досліджень було розроблено експерементальну установку (рис. 8), яка складається: з розміщеного на рамі приводного електродвигуна, клинопасової передачі, ротаційного гідророзподільника, рукавів високого тиску, безпосередньо віброударної трамбовки та гідрнасосної станції.

Для вимірювання тиску в середовищі був розроблений датчик тиску на основі тензометричного датчика мембранного типу. Оскільки вимірювання проводилось одночасно декількома видами датчиків для забезпечення однакового рівня вихідного сигналу було передбачено створення підсилювача сигналу з його налаштуванням на необхідний діапазон вимірювання. Датчики тиску попередньо налаштовувались на необхіднй діапазон вимірювання з необхідною чутливістю та тарувались за допомогою спеціального пристрою з використанням зразкового динамометра стиску ДОСМ-3-0,2, після чого криві тарування автоматично використовувались при обробці експериментальних даних.

Виконані дослідження за наведеною методикою дозволили отримати ряд віброграм для 25 серій дослідів, обробка яких дала можливість отримати чисельні значення шуканих параметрів.

Обробкою віброграм були побудовані залежності амплітуди коливань від частоти коливань, для деяких висот суміші в сталому режимі коливань. Як видно із графіка (рис.9, а) отримано збільшення амплітуди коливань в зоні 90-110рад/с, що свідчить про резонансну зону при ущільненні середовища в межах виконаних досліджень.

За результатами даних були побудовані залежності між основними параметрами робочого процесу. Як видно з графіка (рис. 9, б) із збільшенням частоти коливань контактний тиск збільшується, причому тенденція зміни є лінійною, що обумовлено інерційними характеристиками системи, відсутність лінійної залежності в межах 100-150рад/с пояснюється розбіжністю показниках амплітудних значенних віброграм та певної похибки експерименту.

Розроблена конструкція та її випробування підтвердили вибрану розрахункову схему машини, доцільність і роботоздатність системи управління гідроприводом, який дозволяє плавно і в широких межах змінювати параметри з необхідними числовими значеннями.

Проведені досліди підтвердили робочу гіпотезу про важливе значення пружних характеристик середовища в загальній динаміці руху. Були встановлені межі зміни шару суміші, в яких пружні сили найбільше впливали на рух загальної системи з виявленням резонансних режимів (див. рис. 9).

Найбільша розбіжність між теоретичними і експериментальними дослідженнями не перевищує 12…14%, що свідчить про достовірність прийнятої моделі.

У четвертому розділі “Основні принципи створення тримасної вібротрамбовки та оцінка результатів досліджень” сформульовано основні принципи створення нових машин вібраційної та віброударної дії, наведено алгоритм методики розрахунку подібних розрахунковій машин, приведено рекомендовані конструкції та технічні рішення складових частин машини, проведена оцінка ефективності виконаних досліджень.

При розробці нової тримасної вібротрамбовки були запропоновані наступні основні принципи, що враховані при її створенні:

- забезпечення наперед заданих технологічних параметрів коливань;

- можливість зміни параметрів у часі для забезпечення раціонального режиму ущільнення різних за складом будівельних сумішей;

- конструкція трамбовки є простою, зручною в експлуатації та надійною в роботі;

- забезпечення мінімальної енергоємності та матеріалоємності;

- відповідність санітарним нормам за рівнем шуму та вібрації.

Запропоновані нові конструкції машин та їх складових частин, а також основні параметри і характеристики використані при вивченні дисциплін “Машини для виробництва будівельних матеріалів” на IV курсі спеціальності 7.090214 “Підйомно-транспортні, будівельні, дорожні машини та обладнання”.

Розроблена комп'ютерна програма математичної моделі системи „вібротрамбовка - ґрунт”, є достатньо ефективним засобом для наглядного вивчення поведінки вібраційних систем, теоретичні дослідження та методика розрахунку використанні в навчальній програмі курсу “Створення машин будівельної індустрії” спеціальності 7.090214 “Підйомно-транспортні, будівельні, дорожні машини та обладнання”.

В результаті виконання роботи було застосовано новий підхід до створення вібраційних машин, що може слугувати для подальших досліджень машин подібного класу.

Висновки

1. На основі проведеної оцінки конструктивних та технологічних параметрів обґрунтовано вибір тримасної схеми гідравлічної вібротрамбовки. Складені фізична та математична моделі тримасної вібротрамбовки з врахуванням дії гідроприводу та взаємодії з оброблюваним середовищем.

2. Складений алгоритм розв'язку системи рівнянь руху та на його основі створена програма на мові програмування “Delphi”, за допомогою якої проведений комп'ютерний експеримент, що дозволив встановити закономірності переміщень системи тримасної вібротрамбовки в режимах розгону, резонансу, сталого режиму та зупинки; виявити вплив параметрів на рух трамбовки.

3. Визначено вплив пружних елементів між ущільнюючою плитою та верхньою масою трамбовки на загальну динаміку системи. Отримана аналітична залежність для коефіцієнтів жорсткості при вібраційному та віброударному режимах руху, визначення за якою забезпечує стабільний синфазний режим руху верхньої маси та ущільнюючої плити.

4. Отримана аналітична залежність і визначені раціональні зони ефективної вібрації трамбовки для різних висот стовпа ущільнювальної суміші.

5. Розроблена і створена експериментальна установка дозволила провести дослідження в межах зміни частоти коливань від 50 до 250рад/с з використанням модифікованого гідравлічного розподільника з мінімальними затратами часу на швидкодію.

6. Величина динамічного тиску, що в зоні контакту плити і ґрунту, яка забезпечує рівнощільність суміші h=0,3м знаходиться в межах 0,01..0,04МПа та корелюється із значеннями, отриманими за теоретичними даними.

7. Співставлення розрахункових і експериментальних значень амплітуди коливань показує, що розбіжність їх складає 12-14%, що свідчить про достовірність вибраної розрахункової моделі.

8. Сформульовано основні принципи створення нових конструкцій та запропоновано ряд перспективних конструктивних схем трамбовок та їх складових частин.

Список опублікованих праць за темою дисертації

вібротрамбовка машина ущільнення

1. Дєдов О.П. / Оцінка та аналіз конструктивних і технологічних параметрів вібротрамбовок. / О.П. Дєдов. // ”Гірничі, будівельні, дорожні та меліоративні машини”. - 2005. - №.66. - С.11-16.

2. Дєдов О.П. / Математична модель та визначення параметрів руху вібротрамбовки для ущільнення ґрунтів. / О.П. Дєдов.// ”Гірничі, будівельні, дорожні та меліоративні машини”. - 2006. - № 68. - С.41-46.

3. Дослідження робочих процесів вібромашин із змінним режимом руху./ [І.І. Назаренко, Ю.О. Баранов, А.Т. Свідерський, О.П. Дєдов та ін.] // ”Техніка будівництва”. - 2004. - №15. - С.22-30.

4. Основні положення теорії робочого процесу та впровадження вібромашин об'ємного формування./ [І.І. Назаренко, Ю.О. Баранов, М.М. Ручинський, О.П. Дєдов та ін.] // ”Техніка будівництва”. - 2006. - №18. - С.23-39.

5. Пат. UA 11325 Україна, МПК E01C19/30/ Гідравлічна віброударна трамбівка./ І.І. Назаренко, Ю.О. Баранов, А.Т. Свідерський, М.О Клименко. О.П. Дєдов. - № u200506160 заяв. 22.06.2005, опубл. 15.12.2005, Бюл. № 12.

6. Пат. UA 17017 Україна, МПК E01C19/30/ Вібротрамбовка з бігунковим віброзбуджувачем./ І.І. Назаренко, А.Т. Свідерський, О.П. Дєдов. - № u200600925 заяв. 02.02.2006, опубл. 15.09.2006, Бюл. № 9.

7. Пат. UA 31917 Україна, МПК E01C19/00/ Гідравлічна віброударна трамбівка./ І.І. Назаренко, А.Т. Свідерський, О.П. Дєдов, В.Є. Петров. - № u200714317 заяв. 19.12.2007, опубл. 25.04.2008, Бюл. № 8.

8. Пат. UA 32322 Україна, МПК E01C19/00/ Гідравлічна віброударна трамбівка./ І.І. Назаренко, А.Т. Свідерський, О.П. Дєдов, В.Є. Петров. - № u200800318 заяв. 09.01.2008, опубл. 12.05.2008, Бюл. № 9.

Размещено на Allbest.ru