книги / Механика мерзлых грунтов и принципы строительства нефтегазовых объектов в условиях севера
..pdf-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?
6 Тепломеханические процессы системы «рабочий орган - грунт» |
-1 2 3 - |
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
бЙепломехакические процессы системы «рабочий орган - грунт» |
- 1 2 5 - |
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
N = 7V«,, |
(6.1) |
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
& Тепломеханические процессы системы «рабочий орган-грунт» |
-127- |
грунта, отделяемый от массива в следующий момент времени. Следовательно, теплота, выделенная в процессе разработки грунта, распределяется между рабочим органом (<2Р) и грунтом Щ)> представляющим массив (QM) и отделяемый в расчетный момент элемент грунта (<2Э), что позволяет записать уравнение расходной части теплового баланса в виде
Q ~ Qp Qr ~ Qp QM Оэ•
Составляющие этого уравнения различны для новых и из ношенных наконечников (рис. 6.1). Для неизношенных нако нечников
Qp ~~ &Qn cQeJQM ~ A ^)Q6 +eQд>
Q3 = (^~e)Qд |
~ C)Q6 ■ |
|
Для изношенных наконечников |
|
|
QP - aQn + bQ3+ cQ6; |
(6.5) |
|
Q6= eQM+ (1 ~ b )Q 3+ c, (1 - c)Q 6; |
(6.6) |
|
Q3 —( l —^)Qд 4" ( l —&)Qn "*■c2(l “ |
с)Об • |
где a - коэффициент распределения теплоты между перед ней поверхностью и отделяемым] элементом; Ъ - коэффициент распределения теплоты между задней поверхностью и массивом грунта; е - коэффициент распределения теплоты между отде ляемым элементом и массивом грунта; с - коэффициент распре деления теплоты между боковой поверхностью и грунтом
( pi 4" С2 = 1) •
Уравнение теплового баланса системы “рабочий органгрунт”:
Tvnl ^ Q p + QM+ Q9. |
(6.8) |
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):
Q, = P p,IF r |
(6.9) |
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
6 Тепломеханические процессы системы «рабочий органгрунт» |
- 1 2 9 - |
условий. В большинстве случаев целесообразно применять гра ничные условия IV рода в виде равенства средних температур тел 1 и 2 по площади контакта:
*,=*2- |
(6.10) |
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
Ч '~ fvQ.\’ h .'~ |
(6.12) |
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)
t — 2 — |
(6.14) |
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
'Я |
|
4=0,7522;?, .//Т ц |
(6.15) |
Imax = 1,1297;?, |
(6.16) |
Зона разработки грунта со стороны рабочего органа огра ничена взаимодействующей с грунтом частью рабочего органа,