книги / Механика мерзлых грунтов и принципы строительства нефтегазовых объектов в условиях севера

-1 2 1 -

5;Механкка разрушения вечномерзлых грунтов рыхлителями

зоны развала. При использовании этого наконечника возникает менее энергоемкое деформирование грунта благодаря преобла­ данию напряжений растяжения вечномерзлого грунта, а не сжа­ тия. При этом снижаются динамические характеристики про­ цесса рыхления, т.е. уменьшаются нагрузки на металлоконст­ рукцию и базовый тягач. Производительность рыхления при использовании рыхлителей, имеющих уширенный наконечник, возрастает вследствие увеличения расстояния между параллель­ ными проходами, а производительность рыхления и последую­ щей уборки грунта бульдозером увеличивается на 24%. Для раз­ работки вечномерзлых грунтов VHL..X категорий трудности отношение ширины наконечника с уширениями к ширине нако­ нечника по условию обеспечения его прочности Bi/B—1,3; для вечномерзлых грунтов VI...УП категорий Bt/B=l,5; для крепких талых и сезонно-мерзлых грунтов В|/В = 2,0...2,5.

Автоматическое регулирование температуры нагревания наконечника рыхлителя может быть осуществлено установкой нагреваемого элемента под лобовой поверхностью наконечника и горением дуги внутри стойки наконечника. Дуговой тип уст­ ройства является сложным при реализации, кроме того, одно­ временно с наконечником нагревается стойка рыхлителя, что увеличивает затраты энергии.

Температура нагревания наконечника регулируется термо­ элементом, работающим автоматически в заданном диапазоне температур и обеспечивающим стабильную температуру нагре­ вания (рис. 5.9). Между стойкой 8 и наконечником 1 расположен электронагреватель 2 с термоэлементом 3 и постоянно замкну­ тым контактом 4.

Электрический провод 7 имеет изоляцию 6. С наружной стороны стойки провод закрыт кожухом 5 и соединен с источ­ ником постоянного тока, установленным на базовой машине. В цепи управления между источником постоянного тока, электро­ нагревателем и контактом установлена кнопка управления, рас­ положенная на пульте в кабине базового тягача.

При работе кнопка постоянно включена и одинаковая тем­ пература наконечника при холостом и рабочем ходе поддержи­ вается автоматически. При превышении температуры опреде­ ленного значения срабатывает контакт и сеть размыкается.

Механика мерзлых грунтов и принципы строительства нефтегазовых - 1 2 2 - объектов в условиях Севера

Рис, 5.9. Термоуправляемый наконечник односто­ роннего рыхлителя

При понижении температуры вновь включается сеть и на­ конечник нагревается. В результате регулирования температуры нагревания материал наконечника практически не изменяет свойств, кроме того, вследствие исключения чередования нагре­ вания и остывания отсутствуют поломки наконечника, что по­ вышает срок его службы.

Температура наконечника рыхлителя в процессе работы са­ морегулируется в результате разной интенсивности температу­ ры нагревания и охлаждения при рабочем и холостом ходе. Этот фактор способствует увеличению производительности операций рыхления и износостойкости наконечников.

ВОПРОСЫ

1 . Каковы основные геометрические параметры наконеч­ ника рыхлителя?

2.За счет чего происходит изменение геометрии наконеч­ ника рыхлителя в процессе разработки вечномерзлых грунтов?

3.Какие вам известны параметры процесса рыхления?

4.Какие данные необходимы для расчета сил сопротивле­ ния рыхлению вечномерзлого грунта?

5.Какие существуют пути управления температурным ре­ жимом наконечников рыхлителей?

ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ СИС­

6ТЕМЫ «РАБОЧИЙ ОРГАН - ГРУНТ»

6.1. Общие сведения

Исследования в области механики разрушения грунтов в целях строительства базируются на закономерностях сплошной сыпучей среды и эмпирических зависимостях, отражающих ка­ чественную сторону процессов. Между тем процесс резания грунта по своей сути энергетический, а система грунт-рабочий орган относится к диссипативным, так как базируется на пере­ ходе суммы кинетической и потенциальной энергии (полная ме­ ханическая энергия) в другие виды немеханической энергии (теплоту, формоизменение и т. п.) в результате процессов тре­ ния и, следовательно, рассеяния энергии. Разработка вечномерз­ лых грунтов приводит к нагреву рабочих органов и образованию приконтакгного оплавленного (оттаянного) слоя грунта. При значительных нагрузках на сезонно-талый грунт со стороны ра­ бочего органа отмечены отжатие влаги из приконтакгного слоя и его высушивание. Тепловые процессы разработки грунта опи­ раются на закономерности механики разрушения грунтов, тео­ рии теплопередачи и теплофизики резания металлов [38].

Распространение теплоты от нагретого рабочего органа осуществляется кондуктивной, конвективной и радиационной теплопередачей, электромагнитным излучением, звуковыми ко­ лебаниями и т. д. Вечномерзлый грунт рассматривают как сплошную среду, не учитывая ее фазовое и молекулярное строение, так как любой линейный размер рабочего органа мно­ гократно больше размеров частиц грунта [41]. Незначительная часть теплоты отводится в окружающую среду, а большая часть - на нагрев рабочего органа с последующей передачей ее вечно­

Механика мерзлых грунтов и принципы строительства нефтегазовых -::К24~ объектов в условиях Севера

мерзлому грунту. Теплота не только подводится к рабочему ор­ гану, но отводится от него в результате естественных и искусст­ венных стоков теплоты. Естественные стоки передают теплоту от нагретых поверхностей трения в вечномерзлый грунт и ок­ ружающий воздух. Искусственные стоки теплоты создают раз­ личными способами, например, выполнением рабочего органа-с ребрами, обдувом рабочего органа и т. д.

Теплота при разработке грунта выделяется в зонах внут­ реннего трения грунта по площадкам отделения элементов грунта от массива и внешнего трения грунта по передней, зад­ ней и боковым поверхностям рабочего органа. Для математиче­ ского описания процесса разработки грунта форму рабочего ор­ гана, массив грунта, отделяемые от массива элементы грунта идеализируют.

При фактических параметрах рабочих органов реальную форму массива грунта заменяют полупространством, реже огра­ ниченной пластиной, а форму отделяемого элемента грун­ та - пластиной и очень редко телами более сложных форм.

Для оценки температуры нагревания рабочих органов при механической разработке грунтов необходимо установить усло­ вия однозначности (краевые условия), включающие: физические условия (константы свойств) системы “рабочий орган-грунт” геометрические условия, определяющие форму и размеры сис­ темы; начальные условия, описывающие распределение темпе­ ратур в начальный момент времени; граничные условия, харак­ теризующие взаимодействие рабочего органа землеройной ма­ шины с грунтом.

По современной теории теплопередачи выделяют гранич­ ные условия I...IV рода. Граничные условия I рода задают рас­ пределение температуры на поверхности контакта системы “ра­ бочий орган-грунт” для каждого момента времени, II рода — плотность теплового потока на поверхности тела в любой мо­ мент времени, III рода - закон теплообмена между рабочим ор­ ганом и средой, IV рода - обосновывают температурные поля грунта и рабочего органа, при этом предполагается, что между грунтом и рабочим органом существует идеальный контакт.

Граничные условия процесса рыхления грунтов наиболее близки к граничным условиям IV рода. При этом необходимо определить распределение теплоты между рабочим органом и

массивом грунта, исходя из равенства средних по площади кон­ тактирующих теп температур или равенства температур в харак­ терных точках.

Дифференциальное уравнение теплопроводности и условия однозначности дают математическую формулировку задачи, которая может быть решена аналитическим (метод источников и стоков теплоты, метод отражений, операционные методы и су­ перпозиционные классические способы), численным или экспе­ риментальным методами физического моделирования [1] или тепловых аналогий. Наиболее прост и доступен метод источни­ ков?и стоков теплоты. Источник теплоты — результат перехода энергии трения и формоизменения грунта по поверхностям кон­ такта в тепловую энергию. Сток теплоты представляет источник теплоты с отрицательным знаком, под действием которого теп­ лота отводится из зон трения.

Источники и стоки теплоты, возникающие на поверхностях рабочего органа, разделяют по форме на точечные, линейные (когда определяющий размер источника значительно превосхо­ дит другой его размер), плоские (двухмерные) и объемные (трехмерные); по времени действия - на мгновенные, периоди­ чески действующие и установившиеся, когда процесс теплооб­ мена стационарен; по скорости движения -неподвижные источ­ ники теплоты, движущиеся и быстродвижущиеся, у которых скорость движения превышает скорость распространения тепло­ ты; по закону распределения интенсивности - теплоты на рав­ номерные и неравномерные, линейной и нелинейной интенсив­ ности. Тепловая мощность источника распределяется по объему тела равномерно или неравномерно, она может зависеть и не зависеть от положения и времени действия источника.

Данные по распределению теплоты по объему тел системы, как правило, отсутствуют, в этом случае рассматривают плоские источники теплоты. В резании металлов закон распределения тепловой мощности источника теплоты не сказывается на ре­ зультате расчета температур на контактных поверхностях [43]. При этом качественная картина остается одинаковой как при комбинированном, так и при линейном и экспоненциальном за­ конах - максимум температур соответствует приблизительно половине ширины поверхности контакта. При взаимодействии рабочих органов землеройных машин с грунтом в большинстве

Механика мерзлых грунтов и принципы строительства нефтегазовых 1 2 6 - объектов в условиях Севера

случаев источник теплоты можно считать быстродвижугцимся, плоским с равномерно распределенной интенсивностью.

6.2. Распределение теплоты между контактирующими поверхностями системы “рабочий орган - грунт”

Механическая мощность (Вт) процесса разработки

где Т - тяговое усилие бурового тягача, Н; v - скорость процесса, м/с; П] - коэффициент использования силы тяги базового тягача.

Механическая мощность процесса разработки грунта не равна ее тепловому эквиваленту, так как часть механической энергии переходит в поглощенную энергию деформации кри­ сталлической решетки разрабатываемого грунта и металла. При резании сталей поглощенная энергия деформации кристалличе­ ской решетки по данным Г.И.Епифанова и П.А.Ребиндера не превышает 3%. При точении чугунов, резании и шлифовании металлов поглощенная энергия незначительна и ею в практике теплофизических расчетов пренебрегают [43]. Поэтому можно считать, что вся механическая работа процесса разработки грун­ та переходит в теплоту. Механическая энергия расходуется на тепловые процессы в зонах внешнего трения грунта (передняя, задняя и боковые поверхности наконечника рыхлителя), внут­ реннего трения грунта по поверхности отделения элементов грунта от массива и на теплообмен зоны разработки грунта с окружающей средой.

Источники распределяют теплоту следующим образом. Ко­ личество теплоты Qn, выделенной на передней поверхности, распределяется между рабочим органом и отделяемым элемен­ том грунта. Количество теплоты Q3, выделенной на задней по­ верхности, распределяется между рабочим органом и массивом грунта. Количество теплоты Q6, выделенной по боковым по­ верхностям, распределяется между рабочим органом и массивом грунта. Количество теплоты Qa, выделенной на поверхности от­ деления грунта от массива, распределяется в отделяемый в дан­ ный момент времени элемент грунта и переходит в элемент

Механика мерзлых грунтов и принципы строительства нефтегазовых - 1 2 8 - объектов в условиях Севера

Рис. 6.1. Схемы распределения теплоты мевду рабочими органом, отделяемым элементом грунта и массивом грунта:

й, б - при использовании нового и изношенного наконечников рыхлителя соответственно.

Приняв силу трения Pt передней, задней и боковой поверх­

ности рабочего органа равномерно распределенной по площади

трения F j, получим формулу для определения плотности теп­

лового потока (Вт/м2):

Теплообмен между рабочим органом и массивом грунта оп­ ределяется наличием постоянно действующих источников теп­ лоты плотностью qt. Теплота от наиболее нагретых мест рабоче­ го органа отводится в менее нагретые. Оставшаяся часть тепло­ ты поступает в массив грунта, относительно которого переме­ щается источник теплоты.

Для установления распределения теплоты между двумя контактирующими телами их идеализируют с учетом граничных

условий. В большинстве случаев целесообразно применять гра­ ничные условия IV рода в виде равенства средних температур тел 1 и 2 по площади контакта:

По этой площади контакта действует источник теплового потока плотностью qt. Для двух неподвижных тел 1 и 2, приве­ денных в контакт в момент времени т=0, имеем следующие на- чаль-ные условия. Тело 1 имеет в этот момент времени темпера­

туру fj а тело 2 - температуру t2, причем tx> t2. По­

сле соприкос-новения температура тела 1 снижается, т. е. имеет место сток теплоты, а тело 2 нагревается, т. е. имеет место ис­ точник теплоты.

При отсутствии потерь интенсивность стока теплоты равна интенсивности источника теплоты. Интенсивность стока и ис­ точника теплоты в первый момент времени больше, так как по мере прогревания тела 2 температура тела 1 снижается. В любой момент времени текущие значения суммарной температуры тел 1 и 2 равны суммарной их начальной температуре:

= t{ + t 2(здесь tx> t 2, tu < tx, t2i > /2). (6.11)

Для движущихся друг относительно друга тел 1 и 2 распре­ деление теплоты между контактирующими телами определяют в следующей последовательности. Осуществляют схематизацию процесса, т.е. назначают движущийся источник теплоты, как правило, обозначают подвижное 1 и неподвижное тело 2. Затем определяют интенсивность источника теплоты и закон его рас­ пределения по контактной поверхности. Для землеройных ма­ шин статического действия, принцип действия которых основан на реализации постоянно действующего тягового усилия, ис­ точник теплоты можно считать равномерно распределенным по площади контакта. При разработке грунта средняя температура тел 1 и 2 по контактной поверхности будет одинаковой, т. е. ус­ ловие удовлетворяется, а средние температуры поверхностей контакта

Механика мерзлых грунтов и принципы строительства нефтегазовых - 1 3 0 - объектов в условиях Севера

где qx= (l ~ k )q - часть общего теплового потока плот­

ностью q, поступающегок подвижномутелу \ ; q2=kq - часть

общеготепловогопотока плотностью q, поступающегок непод­ вижному телу 2; f\ к/г - функции, определяемые теплофизиче­ скимихарактеристикамитрущихсяматериалов, размерами тел и скоростью процесса.

Следовательно, закон распределения теплового потока, ме­ ждуконтактирующимителами определяется видом функцийf\ и

/г . Из теплофизики известно, что средняя 1Х и максимальная

температураtmaxконтактной поверхности подвижноготела 1при двумерном, быстродвижущемся источнике теплоты с поверхно­

стной плотностью qx:

(6.13)

Ay V 7TV

где qxв Вт/м2; Я в Вт/(м°С); а в м2/с; / в м; vв м/с.

В этих формулах выражение -v/a/ Я = Тхпредставляеттеп­ ло-физический параметр тела 1, определяемый по формуле

Т —Л1— Послепреобразования уравненийполучим

Зона разработки грунта со стороны рабочего органа огра­ ничена взаимодействующей с грунтом частью рабочего органа,