КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ БУДІВНИЦТВА І АРХІТЕКТУРИ

ДВОРНIЧЕНКО АНАТОЛІЙ ПЕТРОВИЧ

УДК 622.647.4

ПІДВИЩЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТІ РОБОТИ

ШНЕКОВИХ КІЛЬЦЕВИХ БУРІВ В МІЦНИХ ГРУНТАХ

Спеціальність 05.05.04 _машини для земляних та дорожніх робіт

АВТОРЕФЕРАТ

дисертацiї на здобуття наукового ступеня

кандидата технiчних наук

Київ – 2004

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Київському національному унiверситеті будiвництва і архiтектури МОН України та Кіровоградському національному технічному університеті.

Науковий керiвник: доктор технiчних наук, професор

Сукач Михайло Кузьмич,

Київський національний унiверситет будiвництва і архiтектури, професор кафедри будівельних машин

Офіційні опоненти: доктор технiчних наук , професор

Хмара Леонід Андрійович,

Придніпровська державна академія будівництва та архітектури, завідувач кафедри будівельних та дорожніх машин;

кандидат технічних наук, доцент

Нечидюк Анатолій Анатолійович,

Рівненський національний унiверситет водного господарства та природокористування, доцент кафедри будівельних, дорожніх, меліоративних машин та обладнання

Провідна установа: Харківський національний автомобільно-дорожній університет, кафедра будівельних і дорожніх машин, Міністерство освіти та науки України, м. Харків.

Захист відбудеться 11.11.2004 р. о 13 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д .056.08 при Київському національному унiверситеті будiвництва і архiтектури за адресою: 03037, м. Київ–37, Повітрофлотський пр-кт., 31, ауд.466.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці університету за адресою: 03037, Київ–37, Повітрофлотський просп., 31.

Автореферат розісланий 06.10.2004 р.

В.О. вченого секретаря

спеціалізованої вченої ради

д-р. техн. наук, професор В.К. Черненко

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Одним iз найбiльш трудомiстких та тривалих процесiв у будiвництвi в умовах мiцних та мерзлих грунтiв є влаштування свердловин пiд фундаменти та опори. Разом з тим темпи та об'єми будiвництва в цих умовах безперервно зростають.

З постiйним зростанням об'ємiв будiвельно-монтажних робiт в районах зi складними гiрничо-геологiчними умовами неухильно збiльшується питома вага пiдлягаючих розробцi мерзлих грунтiв та порiд мiцнiстю вище IV категорiї по будiвельним нормам i правилам (СНiП) IV–2–82. Зараз в цiлому в країнах СНД розроблюваний об'єм таких грунтiв та порiд складає понад 30 % загального об'єма земляних робiт. Зокрема, тiльки в будiвельних органiзацiях енергетики країн СНД щорiчний сумарний об'єм створюваних свердловин великого дiаметру складає близько 12…15 млн. погонних метрiв, з яких понад 3 млн. метрiв – в мiцних грунтах. В Українi мiцнi грунти поширенi в гiрських районах Закарпаття, на пiвднi країни складнi грунтовi умови в Донецькiй та Луганськiй областях, особливо мiцнi грунти зустрiчаються на бiльшiй частинi територiї Криму.

Широке розповсюдження грунтів, складних для проведення земляних робiт, зокрема, вiчномерзлих грунтiв та скальних порiд в пiвнiчнiй будiвельнiй зонi СНД визначає необхiднiсть створення свердловин дiаметром 1,35…1,7 м i бiльше для влаштування пальових та стовбчастих фундаментiв будiвель, опор, мостiв, контактної мережi та iнших споруд. У зв'язку з вище викладеним з'явилась необхiднiсть в забезпеченнi будiвельних органiзацiй, що виконують землянi роботи в складних гiрничо-геологiчних умовах, машинами та механiзмами, які дозволяють ефективно розробляти міцні грунти.

При влаштуваннi свердловин пiд опори лiнiй електропередач, пальові основи та стовбчастi фундаменти в мiцних та мерзлих грунтах в теперішній час використовують серiйнi машини, призначенi для утворення свердловин в грунтах мiцнiстю до IV категорiї СНiП IV–2–82. Машини мають недостатнi напірні зусилля та крутні моменти для ефективної розробки грунтів, а робочі органи випускаються епiзодично неспецiалiзованими заводами i, як наслiдок, характеризуюься малою стiйкiстю. Будiвельнi органiзацiї не мають машин та робочих органів для розробки свердловин в грунтах мiцнiстю вiд IV до VIII категорiї.

Розв'язати цю проблему можна шляхом створення потужніших машин, з напірним зусиллям 80…100 кН та крутним моментом 15…18 кН.м, призначених для розробки мiцних порiд та грунтiв. Для забезпечення працездатності цих машин необхідне створення нових високоефективних, низькоенергоємних грунторуйнуючих виконавчих органiв та грунторуйнуючих iнструментiв. Перспективнішим в порiвняннi з традицiйним шнековим робочим органом iз суцiльним руйнуванням забою при проходцi свердловини в мiцних грунтах є кiльцевий робочий орган. Його використання дозволяє зменшити енерговитрати на утворення свердловини, зменшити витрати рiжучого iнструменту та розширити дiапазон грунтiв, ефективно розроблюваних iснуючими бурильними машинами.

Таким чином, розробка високоефективного, низькоенергоємного грунторуйнуючого робочого органу для утворення свердловин в мiцних грунтах є актуальною науково-технічною задачею. Створення ефективного робочого органу дозволить розробляти грунти мiцнiстю до VIII категорiї СНiП IV–2–82 iснуючими машинами та машинами, що випускаються серiйно тепер.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Дана робота виконувалась у відповідності з комплексними дослiдженнями кафедри будiвельних машин iменi Ю.О. Вєтрова Київського національного унiверситету будiвництва і архiтектури, кафедрою будівельних, дорожніх машин та будівництва Кіровоградського державного технічного університету по створенню та впровадженню нових робочих органiв машин для утворення свердловин пiд опори лiнiй електропередач в грунтах мiцнiстю до VIII категорiї по СНiП IV–2–82. Дослiдження проведено у вiдповiдностi з республiканською цiльовою програмою “Матерiалоємкiсть”, постанова Кабінету Міністрів України (РН.82.04.Ц.05.07); – планів науково–дослідницьких робіт організацій та підприємств: “Создание и внедрение высокостойких буровых исполнительных органов кольцевого типа для эффекиной проходки скважин под опоры ЛЭП в крепких породах и мерзлых грунтах” (Київ), № 46–86, РН. 82.04.Ц.05.07 від 30.01.1987р; “Участие в создании и внедрении кольцевого бура, оснащенного керноподрезающими резцами”, Інститут надтвердих матеріалів Академії наук України, № 67.182 від 31.03.1992 р.

Мета та задачі досліджень.

Мета дисертаційної роботи – створення низкоенергоємних шнекових кільцевих бурів для розробки грунтів міцністю до VIII категорії, що виключають закупорку шнекової поверхні продуктами руйнування.

Для досягнення поставленої мети були визначені наступні основні задачі:–

визначити закономiрності, що встановлюють зв'язок мiж фiзико–механiчними властивостями грунту, режимом руйнування грунту в свердловині, транспортуванням продуктiв руйнування iз свердловини та конструктивними параметрами шнекового кільцевого бура;–

розкрити механізм ущільнення зруйнованого грунту на лопатях шнека та корпусі кільцевого бура.

Об’єкт дослідження – робочий процес шнекового кільцевого бура в міцних грунтах.

Предмет дослідження – закономірності впливу параметрів бура на енерговитрати робочого процеса.

Методи дослiджень. Для досягнення поставленої мети використову-вались аналiтичні та експериментальні методи дослiджень. Аналiтичні ме-тоди (теорія вертикальних гвинтових транспортерів, механіка сипучого середовища), застосовувались для побудови математичної моделі руху зруйнованого грунту по лопатям кільцевого шнека.

Експериментальна частина роботи включала випробування повно-масштабних зразкiв шнекових кiльцевих бурів з метою перевiрки та пiдтвердження результатiв аналiтичних дослiджень. Використовувались методи планування й постановки експерименту, статистичної обробки ек-спериментальних даних.

Достовiрнiсть результатiв дослiджень пiдтверджена задовільним рівнем збіжності результатів аналітичних і експериментальних досліджень, достатньою точністю та адекватністю моделі робочого процесу шнекового кільцевого бура.

Наукова новизна отриманих результатів. Вперше розкрито механізм ущільнення зруйнованого грунту на поверхні кільцевого бура при взаємному зміщенні осей робочого органа та свердло-вини і механізм транспортування матеріалу з урахуванням сил бокового тиску, що дозволяє мінімізувати енергоємність процеса буріння.

Практичне значення одержаних результатів. Розроблено технiчну документацiю на шнекові кільцеві бури (далі ШКБ) на основі запропонованої методики розрахунку їх параметрів. Створені та випробувані дослiдні зразки шнекових кільцевих бурів. Результати досліджень впроваджено в будівельних організаціях країн СНД, та використано у рекомендаціях із вибору і проектування раціональних параметрів ШКБ.

Нові методи і техніка (бури) дозволили: підвищити швидкість проходки свердловини в 1,5…2 рази, скоротити витрати грунторуйнуючих рiзцiв у 2,5…3 рази, зменшити енергоємність утворення свердловин в 2…2,5 рази, розширити дiапазон грунтiв та порiд що ефективно руйнуються до VIII категорії в порiвняннi з бурами iз суцiльним руйнуванням грунту в свердловині.

Результати досліджень впроваджено в камчатській мехколоні № тресту “Востоксельэлектросетьстрой” (м. Єлізово), на будівельних об’єктах тресту “Забайкалсельэлектросетьстрой” (м. Улан–Уде), в спеціалізованому ремонотно-будівельному і монтажному управлінні тресту “Укрспецрембудмонтаж” (м. Кіровоград).

Результати наукових досліджень впроваджено в навчальний процес студентів механічних спеціальностей Кіровоградського державного технічного університету.

Економiчний ефект вiд впровадження розроблених бурів в будiвельних пiдроздiлах країн СНД склав 1635 тис.грн.

Особистий внесок здобувача. На захист виносяться наступні наукові результати:–

обгрунтування зниження енергоємностi робочого процесу бурильно-кранової машини при утвореннi свердловини та видаленнi продуктiв руйнування кiльцевим буром;–

виявлені особливостi впливу сил бокового тиску на формування грунтового потоку при транспортуваннi продуктiв руйнування кiльцевим шнеком;–

встановлений механізм формування грунтового потоку при докритичних розрахункових швидкостях обертання шнека;–

умова запобiгання ущiльнення зруйнованого матерiалу на кiльцевому шнеку;–

характеристика взаємозв'язку процесу руйнування з процесом видалення зруйнованого матерiалу;–

математична модель процесу видалення зруйнованого грунту iз забою кiльцевим шнеком;–

методика розрахунку та проектування шнекового кiльцевого бура;–

результати роботи шнекових кільцевих бурів в різних грунтових умовах.

Автором самостійно сформульовано мету і задачі дослідження, ідею роботи, основні наукові положення, висновки і рекомендації. Як виконавець автор брав безпосередню участь у розробці, створенні і випробуваннях шнекових кільцевих бурів. Автором розроблено і впроваджено у виробництво нові методи розрахунку високоефективних шнекових кільцевих бурів, програму розрахунку параметрів шнекових кільцевих бурів на ЕОМ.

В статтях та винаходах опублікованих у співавторстві здобувачу належить: в роботі [1] обгрунтовано доцільність використання кільцевих робочих органів для проходки свердловин великого діаметру в міцних ґрунтах; в роботі [2] запропоновано математичну модель руху зруйнованого ґрунту по гвинтовій поверхні вертикального шнека з урахуванням впливу на процес сил бокового тиску; в роботі [3] запропоновано залежність, яка визначає мінімально допустиму ширину кільцевого шнека, виходячи із умови запобігання процесу ущільнення транспортованого ґрунту; в роботі [4] проведено аналіз експериментальних досліджень шнекових кільцевогих бурів; в роботі [5] запропоновано методику розрахунку робочих органів для буріння свердловин великого діаметра в міцних грунтах; в роботі [6] встановлені нові взаємозв’язки геометричних і кінематичних параметрів процесу кільцевого буріння, що дають можливість оптимізувати конструктивні параметри шнекових робочих запропоновано залежність, яка визначає мінімально допустиму ширину кільцевого шнека, виходячи із умови запобігання процесу ущільнення транспортованого ґрунту; в роботі [7] розроблено пристрій для відділення керну, утвореного в результаті роботи шнекового кільцевого бура; в роботі [8] – розробка геометричних параметрів кернопідрізаючого пристрою; в роботі [9] виконано дослідження шнекових кільцевогих бурів у виробничих умовах.

Зміст дисертації викладено автором самостійно.

Апробація результатів дисертації. Основнi положення та результати досліджень по темі дисертації доповiдались, обговорювались і одержали позитивну оцінку:

на міжнародних науково-практичних конференціях “Форум гірників” (Національний гірничий університет, Дніпропетровськ, 2003); “Сучасні проблеми землеробської механіки” (Харківський державний технічний університет, 2003); “Проблеми конструювання, виробництва та експлуатацiї сільськогосподарської техніки” (Кіровоградський державний технічний університет, 2003); “Промислова гідравліка і пневматика” (Київ, 2004);

на першій Всеукраїнській студентській науковій конференції “Молодь: освіта, наука, духовність” (Київ, 2004);

на регiональних науково–практичних конференцiях по проблемам розробки, виробництва, експлуатацiї та ремонту пiдйомно–транспортних будiвельних та дорожнiх машин (Кiровоград, 1997, 2003).

Публікації. Основні положення дисертації опубліковані у 7 друкованих працях, опублікованих у фахових журналах ВАК України. За тематикою дисертації отримано 2 авторських свідоцтва на винахід.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, 4 розділів, висновків, списку літератури, який включає 90 найменувань і 2 додатків. Робота вцілому містить 146 сторінок, 10 таблиць, 34 ілюстрацій.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

1. Стан проблеми та напрями досліджень. Проведено огляд конструкцiй машин та бурів, що використовуються в будiвництвi для створення свердловин. Виконано аналiз дослiджень процесiв руйнування та транспортування продуктів руйнування грунту в свердловині шнековим кільцевим буром.

Встановлено, що основними напрямками удосконалення iснуючих та створення принципово нових машин для земляних робіт та виконавчих органiв являється зниження енергоємностi робочих процесiв, пiдвищення їх продуктивностi та надiйностi. Цим вимогам вiдповiдає використання шнекового кільцевого бура для проходки свердловин в мiцних грунтах. Перевагою кiльцевого способу проходки свердловин у порiвняннi з їх проходкою, що супроводжується повним руйнуванням грунту є зниження енергоємностi утворення свердловини, зменшення витрат грунторуйнуючого iнструменту, пiдвищення швидкостi проходки, можливiсть руйнування мiцних грунтiв при використаннi вiдносно легких машин, з невеликими напірним зусиллям та обертовим моментом.

Аналiз робiт з теорiї ветикального шнека показав, що вони мало придатнi для iнженерних розрахункiв нових конструкцiй шнекових бурів через великі розбiжності мiж теоретичними та практичними результатами. Особливо значні розбіжності виникають при визначеннi основних параметрів кiльцевого шнека, що обертається зi швидкiстю нижче так званої “критичної” і пояснюється недостатньо повним уявленням сутності процесу транспортування зруйнованого грунту у кільцевих шнеках. Вказане свiдчить про доцiльнiсть перегляду теорiї робочого процесу вертикального шнека стосовно визначення основних параметрів шнека, проведення аналiтичних та експериментальних дослiджень процесу утворення свердловини кiльцевим буром.

Проведений огляд і аналіз робочого процесу шнекових кільцевих бурів дозволив визначити мету роботи та сформулювати основні задачі дослідження.

Основні напрями досліджень: встановлення закономірностей взаємодії шнекого кільцевого бура з ґрунтом; розробка методики визначення оптимальних параметрів шнекових кільцевих бурів.

2. Аналітичні закономірносиі транспортування грунту вертикальним кільцевим шнеком. Для побудови математичної моделі руху зруйнованого грунту по кільцевому шнеку розглянуто схему дії сил на елементарний об`єм матерiалу, що розташований на шнеку кiльцевого бура, обмежений валом шнека або корпусом бура, стiнкою свердловини, поверхнею шнека та площинами, що проходять через вiсь обертання шнека (рис. 1). Крiм навантажень вiд сили тяжiння та вiдцентрової дана схема сил враховує сили бокового тиску. Ці сили виникають в результатi стискання грунту на шнеку пiд дiєю сили власної ваги та спрямованi перпендикулярно боковим вертикальним поверхням, що обмежують транспортований грунт.

Оскільки режим роботи кiльцевого бура зумовлюється необхідністю забезпечення мiнiмальної енергоємностi процесу руйнування грунту в кiльцевiй щiлинi, оптимальнi конструктивнi параметри шнека вибирають пiсля оптимiзацiї режиму роботи бура при вiдомих кутовiй швидкостi обертання ш та швидкостi подачi у забiй V. Конструктивними параметрами шнека є його ширина, зовнiшнiй радiус, кут пiдйому гвинтової поверхнi на радiусi свердловини або крок шнека Н. Радiус шнека обумовлений розмiром утворюваної шнековим кільцевим буром свердловини.

Мінімальну ширину шнека кільцевого бура визначають, виходячи iз умови відсутності ущiльнення грунту та утворення так званої штукатурки на поверхні шнека та корпусі бура за формулою

,

де r – радiус корпуса шнекового кільцевого бура; Kу – коефiцiєнт ущiльнення грунту, при якому вiдбувається  закупорка бура; c – зазор мiж шнеком та стiнкою свердловини

Оптимальне значення кута пiдйому кільцевого щнека на радiусi свердловини знаходять із умови забезпечення мінімальної енергоємності транспортування зруйнованого грунту iз кiльцевої щiлини, Дж/м3:

,

де Nтр _потужнiсть, що припадає на транспортування грунту.

Продуктивність руйнування забою, м3/с:

,

де S – вертикальна подача робочого органа за один оберт, м/об; Kр – коефiцiєнт розпушення грунту; R2 _радіус свердловини, м; Rк – радіус керна, утворюваного в процесі проходки свердловини шнековим кільцевим буром, м.

Потужність на валу кільцевого бура, що припадає на транспортування зруйнованого грунту iз свердловини, Вт:

,                    )

де ш кутова швидкiсть обертання шнека, рад/с; fc _коефіцієнт тертя транспортованого матеріалу по стінці свердловини; – густина матерiалу, кг/м3; l – довжина шнека, м; _коефіцієнт бокового тиску; м – кутова швидкiсть обертання матерiала вiдносно стiнки свердловини, рад/с; g _прискорення сили тяжіння, 9,81 м/с2.

Потужнiсть Nтр виражається через суму потужностей, що припадають на подолання сил тертя мiж матерiалом та контактуючими з ними поверхнями, Вт:

,                                     )

де Nш , Nв, Nс – потужності, що припадають на подолання сил тертя між матеріалом та шнеком, валом шнека i стінкою свердловини відповідно.

Пiдставивши значення Nтр iз формули (1) в рiвняння (2) та визначивши потужності Nш, Nв i Nс згiдно побудов на рис. 1 рiвняння (2) прийме вигляд

)

де  та 1 – кути пiдйому гвинтової поверхнi шнека на радiусі, вiдповiдно, стiнки свердловини та вала шнека, рад.; o кутова швидкiсть обертання матерiала вiдносно шнека, рад/с.

Рiвняння (3) описує рух матерiалу по гвинтовiй поверхнi кiльцевого шнека без обмеження швидкостi його обертання, i дозволяє визначати параметри шнека, що обертається зі швидкістю меньшою за критичну. У даному рiвнянні м, о та є невiдомi величини між якими існує взаємозв`язок.

Кутова швидкiсть обертання шнека ш зв`язана з кутовою швидкістю обертання матерiалу вiдносно стiнки свердловини м та поверхнi шнеку о залежнiстю: .

Кут підйому транспортованого матеріалу знаходимо по формулі:

.

Із рівності продуктивностей шнека та руйнування грунту з урахуванням просипання грунту в зазор між шнеком та стінкою свердловини знаходять залежність що зв’язує висоту шару матеріалу на шнеку h зі швидкістю обертання шнека ш та його конструктивними параметрами:

.

де r _величина зазору мiж стiнкою свердловини та шнеком, м; S _вертикальна подача бура за один оберт, м/об; kр _коефiцiєнт розпушення грунту; Rк _радіус керна, утворюваного в процесі проходки свердловини шнековим кільцевим буром, м.

Запропоновані аналітичні залежності дозволяють визначити оптимальні параметри шнекових кільцевих бурів та прогнозувати навантаження на них з урахуванням дії на процес транспортування матеріалу сил бокового тиску.

3. Експериментальне визначення характеристик процесу транспортування грунту шнеком кільцевого бура. Експериментальнi дослiдження проведено у польових умовах при споруд-женнi свердловин пiд опори лiнiй електропередач (ЛЕП) на будiвельних об'єктах Мiненерго. Новi конструкцiї кiльцевих бурів випробувано на буриль-них машинах МРК-750 та МРК-750Т обладнаних вертикальним шнековим транспортером і встановлених відповідно на базі автомобiля ЗIЛ-131 трельовочного трактора ТТ-4. Вказанi машини призначенi для створення свердловин в талих грунтах мiцiстю I-IV категорiї се-зонного промерзання глибиною до 1 м пiд установку залiзобетонних опор на будiвництвi високовольтних лiнiй електропередачi.

В процесi експериментiв фiксували параметри проходки свердловини. Напірне зусилля визначали за показниками манометра на приборнiй дошцi управління процесом проходки. Частота обертання бура на рiзних передачах відповідала технiчній характеристиці машини. Швидкiсть подачi визначали шляхом фiксацiї часу проходки та визначення глибини проходки за мiрними позначками на корпусi мачти робочого обладнання. Продуктивнiсть шнекового транспортера визначали за замiрами об'єму зруйнованого грунту та часом проходки свердловини. Коефiцiєнт заповнення виткiв шнека оцiнювали за об'ємом зруйнованого грунту, що залишився у свердловинi та на лопатях шнека пiсля пiдйому бура iз свердловини. Для визначення густини розробленого грунту використовували грунтонос місткістю 200 см3.

Отриманi результати обробляли i порiвнювали з розрахунковими величинами використовуючи методи математичної статистики та чисельнi методи аналiзу даних.

Проведено оцінку роботи шнекового кільцевого бура в залежності від величини подачі, швидкості обертання, кроку шнека та його ширини.

На рис. 2 приведено залежнiсть швидкостi проходки свердловини Vп вiд глибини при осьовому зусиллi 40 кН, швидкостi обертання шнекового кільцевого бура 6,28 рад/с та ширині шнека 19 мм. Бiльша швидкiсть проходки буром 1 у порiвняннi з буром 2 пояснюється тим, що 1-й обладнано шістьма рiзцями, а в 2-му їх дванадцять. Збiльшення осьового навантаження на кожен рiзець бура 1 дозволяє йому працювати в оптимальнішому режимi руйнування грунту. В процесi проходки свердловин буром з шириною шнека 19 мм, коефiцiєнт його заповнення в кінці проходки дорівнював одиницi. Шнек не видаляв зруйнований грунт, що призводило до його закупорки. Поверхня корпусу бура та шнека покривались ущiльненим шаром грунту, див. Рис. 3. Утворення кiльцевої пробки iз штукатурки перешкоджало вiдводу зруйнованого грунту iз робочої зони рiзцiв. Тому пiсля 30-50 см проходки свердловини подача бура на забiй зменшувалась до 0 i подальше його заглиблення припинялось.

Оцінку роботи шнека кільцевого бура виконували за по коефіцієнтом його заповнення kз, оскільки мінімуму коефіцієнта заповнення відповідає мiнiмальна питома енергоємність транспортування грунту із свердловини. На основi обробки експериментальних даних методом найменших квадратiв побудовано залежностi коефiцiєнта заповнення шнека kз вiд кута пiдйому гвинтової поверхнi на радiусi свердловини при рiзних швидкостях обертання шнекового кільцевого бура ш i постiйнiй його подачi за один оберт S (рис. 4, а).

Побудованi за експериментальними та аналiтичними даними залежностi мають яскраво вираженi мiнiмуми, якi дозволяють визначити оптимальний кут опт пiдйому гвинтової поверхнi для кожної швидкостi обертання шнека. При вiдхиленнi кута пiдйому гвинтової поверхнi вiд оптимального значення в сторону збiльшення або зменшення коефiцiєнт заповнення шнека пiдвищується.

Розбiжностi мiж аналiтичними та експериментальними залежностями знаходяться у межах 2…9при довірчій вірогідності 0,95. Похибка аналiтичних залежностей порівняно з експериментальними обумовлена тим, що математична модель руху зруйнованого грунту по лопатям кiльцевого шнека не враховує зсипання частинок грунту при збiльшеннi кута пiдйому гвинтової поверхнi. Крiм того, запропонова модель грунтується на постiйному порушенні рiвноваги сипучого середовища по всьому об'єму транспортованого зруйнованого грунту, а в реальних процесах вертикального шнекового транспортуання iснують зони, в яких зберiгається врiвноважний напружений стан. Згiдно з наведеними графiками див. рис. 4, оптимальне значення кута нахилу гвинтової поверхнi за аналiтичними залежностями на 1 бiльше, нiж значення оптимального кута визначеного за експериментальними даними.

Для встановлення впливу подачi шнекового кільцевого бура на рух зруйнованого грунту по кiльцевому шнеку за експериментальними та розрахунковими даними побудовано залежностi коефiцiєнта заповнення шнека kз вiд кута пiдйому гвинтової поверхнi при подачi S =1, 2, та 3 мм/об та постiйнiй кутовiй швидкостi обертання бура ш (6,28 рад/с). Цi залежностi показують див. рис. 4, б , що змiна подачi у вказаних межах впливає незначно на коефiцiєнт заповнення kз.

Оптимальний кут пiдйому гвинтової поверхнi, що відповідає екстремумам даних залежностей, зi зростанням подачi S вiд 1 до 3 мм/об збiльшується тiльки на 10%. Це зумовлено тим, що на коефiцiєнт заповнення шнека значно впливає зруйнований грунт, який просипається в зазор мiж шнеком та стiнкою свердловини. Розбiжнiсть мiж аналiтичними та експерименталними результатами не перевищує 9% при довірчій вірогідності 0,95.

Бiльш суттєво нiж подача S на заповнення зруйнованим грунтом шнека впливають швидкiсть обертання шнекового кільцевого бура ш та кут пiдйому гвинтової поверхнi (рис. ). Зi збiльшенням швидкостi обертання шнека коефiцiєнт його заповнення kз зменшується. На основi результатiв експериментальних та аналiтичних дослiджень побудованi залежностi оптимального кута пiдйому гвинтової поверхнi опт на радiусi свердловини вiд швидкостi обертання шнека рис. 6.

Зi збiльшенням швидкостi обертання кiльцевого шнека оптимальне значення кута пiдйому зменшується.

Підтверджено задовільну збіжність експериментальних з результатами аналітичних досліджень. Відхилення не перевищують 10при довірчій вірогідності 0,95 у всьому діапазоні робочих параметрів шнекового кільцевого бура.

4. Впровадження результатiв дослiджень. Проведені теоретичні і експериментальні дослідження дозволили встановити нові залежності, які описують механізм ущільнення зруйнованого грунту на поверхні кільцевого бура при взаємному зміщенні осей робочого органа та свердло-вини і процес транспортування матеріалу з урахуванням сил бокового тиску, що дозволило мінімізувати енергоємність процеса буріння.

Розроблено методику розрахунку шнекових кільцевих бурів.

Створено нові конструкції шнекових кільцевих бурів див. Рис. 7, 8 для проходки свердловин в грунтах мiцнiстю до VIII категорiї за СНiП IV-2-82 в рiзних регiонах України та країн СНД. Розробленi за запропонованою методикою розрахунку шнекові кільцеві бури дозволяють зменшити енергоємність утворення свердловин в 1,5…2 рази, розширити дiапазон грунтiв, що ефективно руйнуються, пiдвищити швидкість проходки та зменшення витрати грунторуйнуючих рiзцiв в 2 рази.

Експериментальнi конструкцiї шнекових кільцевих бурів дiаметром 450, 476 та 512 мм, що виготовленi на дослiдному заводi Iнституту над-твердих матерiалiв національної Академiї наук України (IНМ НАНУ), пройшли випробування при утвореннi свердловин в мерзлих грунтах, вап-няках та скельних грунтах. Випробування проведені на будiвництвi лiнiї електропередачi Манiли-Кам'янське в Камчатськiй областi МК-87 тресту "Востоксєльелєктросєтьстрой"; на будiвництвi лiнiї електропередачi Сiмферополь-Феодосiя в Криму МК-63 тресту "Южелєктросєтьстрой"; на випробувальному полiгонi грунторуйнуючого iнструменту в м. Черкеськ Ставропольського краю та будiвельних об'єктах МК-79 тресту "Сєвкавказсєльелєктросєтьстрой".

З метою пiдвищення продуктивностi шнекового кільцевого бура та пiдвищення надiйностi його роботи автором запропонованi технiчнi рiшення, що дозволяють удосконалити механiзм вiдриву та видалення керну iз свердловини.

Результати досліджень впроваджено в спеціалізованому ремонотно-будівельному і монтажному управлінні тресту “Укрспецрембудмонтаж”, ТОВ “ДОК” (м. Кіровоград), в Камчатській мехколоні № тресту “Востоксельэлектросетьстрой” (м. Єлізово), на будівельних об’єктах тресту “Забайкалсельэлектросетьстрой” (м. Улан–Уде) та в навчальний процес студентів механічних спеціальностей Кіровоградського національного технічного університету.

Економiчний ефект вiд впровадження розроблених бурів в будiвельних пiдроздiлах мiнiстерств енергетики країн СНД склав 1635 тис.грн.

Таким чином мету, поставлену в дисертаційній роботі досягнуто, а задачі виконано.

ВИСНОВКИ

1. Дисертація є закінченою науково–дослідною роботою в якій теоретично обгрунтовано і практично вирішено задачу створення високоефективного, низькоенергоємного грунторуйнуючого робочого органу для утворення свердловин в мiцних грунтах

2. Вперше встановлено механізм ущільнення зруйнованого грунту на поверхні кільцевого бура при взаємному зміщенні осей робочого органа та свердловини і механізм транспортування матеріалу з урахуванням сил бокового тиску, що дозволяє мінімізувати енергоємність процесу буріння.

3. Розроблено модель переміщення грунту по кiльцевому шнеку, яка відрізняється тим, що враховує сили бокового тиску в тілі транспортованого грунту, які діють на стінку свердловини та корпус бура.

4. Розроблено нову модель ущільнення зруйнованого грунту на поверхні кільцевого бура при взаємному зміщенні осей робочого органа та свердловини.

5. Встановлені нові закономірності руху грунту по кільцевому шнеку, які грунтуються на балансі потужностей, це дозволило мінімізувати процес утворення свердловин шнековим кільцевим буром.

6. В результаті досліджень розбіжність експериментальних даних із результатами аналітичних досліджень не перевищують 9при довірчій вірогідності 0,95 у всьому діапазоні робочих режимів кільцевого шнека.

7. Запропоновані закономірності дозволили оптимізувати параметри шнекового кільцевого бура при його обертанні зі швидкістю меншою за критичну.

8. За результатами досліджень створено нові конструкції шнекових кільцевих бурів, які дали можливість зменшити енергоємність утворення свердловин в 1,5…2 рази, розширити дiапазон грунтiв, що ефективно руйнуються, Вони дозволили пiдвищити швидкість проходки та зменшити витрати грунторуйнуючих рiзцiв у 2 рази при утворенні свердловин діаметрами 476 та 512 мм в грунтах мiцнiстю до VIII категорiї за СНiП IV-2-82.

9. Методику розрахунку та нові шнекові кільцеві бури впроваджено у виробництво в спеціалізованому ремонотно-будівельному і монтажному управлінні тресту “Укрспецрембудмонтаж”, “ТОВ ДОК” (м. Кіровоград), в мехколоні № тресту “Востоксельэлектросетьстрой” (м. Єлізово), на будівельних об’єктах тресту “Забайкалсельэлектросетьстрой” (м. Улан–Уде) та в навчальний процес студентів механічних спеціальностей Кіровоградського національного технічного університету з економiчним ефектом 1635 тис.грн.

10. Сукупність нових наукових положень, результатів і висновків, сформульованих в дисертації, дозволяють класифікувати її як вирішення важливої науково–прикладної задачі в галузі землерийного машинобудування.

Список наукових праць

1. Машини та робочі органи для проходки свердловин великого діаметра в міцних грунтах // Гірн., будів., дор. та меліор. машини: Всеукр. міжвід. зб. наук. праць. – К.: КНУБА. – 2003. – № 62. – С. 5–12 (співавтор: М.К. Сукач).

2. Закономірності транспортування грунту вертикальним шнеком кільцевого бура // Гірн., будів., дор. та меліор. машини: Всеукр. міжвід. зб. наук. праць. – К.: КНУБА. – 2003. – № 61. – С. 90–100 (співавтор: М.К. Сукач).

3. Оптимізація режиму роботи та конструктивних параметрів шнекового кільцевого бура Техніка будівництва. – 2003. – № 14. – С. 17–23 (співавтори: М.К. Сукач).

4. Закономірності процесу видалення грунту та подачі кільцевого бура в забій // Нові технології в буд–ві. – 2003. – № 2(6). – С. 60–63 (співавтор: М.К. Сукач).

5. Розрахунок параметрів шнекового кільцевого бура для міцних грунтів // Зб. праць ЛНАУ сер “Технічні науки”. – Луганськ. – 2003. –№ 33 (45). – С. 57–63 (співавтори: М.К. Сукач, В.А. Настоящий).

6. Робочі процеси руйнування та транспортування міцного грунту шнековими бурамиБудівництво України. – 2004. – № 1. – С. 43–47 (співавтор: М.К. Сукач).

7. Кернорватель: А.с. 1333764 СССР, МКИ4 Е 21 В 25/10 / (співавтори: В.Л.Баладінський, В.П.Головань, О.Ю.Вольтерс).– Опубл. 30.08.87, Бюл. №32. – 3 с.

8. Устройство для образования скважин: А.с. 1411422 СССР, МКИ4 Е 21 В 7/24 / (співавтори: В.Л.Баладінський, В.П.Головань, О.Ю.Вольтерс, В.М.Смірнов, В.О.Крупко, В.М.Маріч, Ю.О.Кособродов, І.А.Свешников, Л.М.Віровец).– Опубл. 23.07.88, Бюл. №27. – 4 с.

9. Дослідження шнекового кільцевого бура у виробничих умовах // Тр. міжнар. наук.-практ. конф. ”Промислова гідравліка і пневматика”. – К.: НАУ-КПІ. – 2004. – № 4– С. 54–60. (співавтори: М.К. Сукач, В.В. Яцун).

АНОТАЦІЇ

Дворніченко А.П. Підвищення ефективності роботи шнекового кільцевого бура в міцних грунтах. _Рукопис.

Дисертацiя на здобуття наукового ступеня кандидата технiчних наук за спеціальністю 05.05.04 _машини для земляних та дорожніх робіт. – Київський національний унiверситет будiвництва і архiтектури, Київ, 2004.

Дисертація присвячена вирішенню задачі створення високоефективного, низькоенергоємного грунторуйнуючого робочого органу для утворення свердловин в мiцних грунтах.

Розкрито механізм ущільнення зруйнованого грунту на поверхні кільцевого бура при взаємному зміщенні осей робочого органа та свердловини і механізм транспортування матеріалу з урахуванням сил бокового тиску, що дозволяє мінімізувати енергоємність процесу буріння

Встановлено закономірності заповнення шнека від його параметрів та закономірності процесу видалення грунту і подачі кільцевого бура в забій.

Розроблено модель переміщення грунту по кiльцевому шнеку з урахуванням сил бокового тиску та модель процесу ущільнення зруйнованого грунту на поверхні кільцевого бура при взаємному зміщенні осей робочого органа і свердловини.

Розроблені та впроваджені у виробництво шнекові кільцеві бури дозволили підвищити ефективність роботи бурильних машин при утворенні свердловин в міцних грунтах.

Ключові слова: шнек, кільцевий бур, транспортування, буріння, свердловина, сили бокового тиску, ущільнення, критична швидкість, випробування.

Дворниченко А.П. Повышение эффективности работы шнекового кольцевого бура в прочных грунтах. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.05.04 – Машины для земляных и дорожных работ. – Киевский национальный университет строительства и архитектуры, Киев, 2004.

Диссертация посвящена решению задачи создания высокоэффективного, низкоенергоємкого грунторазрушающегого рабочего органа для образования скважин в крепких грунтах.

Раскрыт механизм уплотнения разрушенного грунта на поверхности кольцевого бура при взаимном смещении осей рабочего органа и скважины, которое происходит из-за невозможности жесткого центрирования шнекового кольцевого бура в скважине и упругости системы машина–рабочий орган. В процессе бурения кольцевой шнек скользит по стенке скважины в верхней ее части в некоторой точке без зазора, а с диаметрально противоположной стороны между шнеком и стенкой скважины образуется двойной зазор. При повороте шнекового кольцевого бура вокруг своей оси транспортируемый материал, находящийся в зоне двойного зазора перемещается в зону без зазора и за счет этого уплотняется.

Раскрыт механизм транспортироапния материала с учетом сил бокового давления, которые возникают в результате сжатия грунта под действием силы собственного веса и направлены перпендикулярно боковым вертикальным поверхностям, ограничивающих объем транспортированного грунта. Учет этих сил позволил получить закономерность описывающую движение материала по кольцевому шнеку при скоростях меньших за критическую.

Установлена закономерность заполнения шнека от его параметров и закономерности процесса удаления грунта и подачи кольцевого бура в забой.

Разработана модель перемещения грунта по кольцевому шнеку с учетом сил бокового давления, которая основываются на балансе мощностей, что позволило минимизировать процесс образования скважин шнековим кольцевым буром.

Разработана модель процесса уплотнения разрушенного грунта на поверхности кольцевого бур при взаимном смещении осей рабочего органа и скважины.

Разработана и внедрена в производство методика расчета шнекового кольцевого бура.

Созданы новые конструкции шнекових кольцевых буров, применение которых позволило уменьшить энергоемкость образования скважин в 1,5…2 раза, расширить диапазон грунтов, которые эффективно разрушаются, повысить скорость проходки и уменьшить затраты грунторазрушающих резцов в 2 раза при образовании скважин диаметрами 476 и 512 мм в грунтах прочностью до VIII категории по СНиП IV-2-82.

Ключевые слова: шнек, кольцевой бур, транспортировка, бурение, скважина, силы бокового давления, уплотнения, критическая скорость, испытания.

Dvornichenco A.P. Rise of efficiency of work of the spiral circular boring in strong grounds. _ Manuscript.

Dissertation on gaining of scientific degree of candidate of technical sciences on speciality 05.05.04 _ Machines for earthen and road works. – the Kiev national university of building and architecture, Kiev, 2004.

Dissertation is devoted to the decision of task of creation of high efficiency, low power capacity the ground of destroying working organ for formation of mining holes in strong grounds

The mechanism of compression of the blasted ground on the surface of the circular boring at mutual displacement of axes of working organa and mining hole and mechanism of transporting of material is exposed taking into account forces of lateral pressure, that allows to minimize the power capacity of process of the boring drilling

Conformities to the law of filling of screw are set from his parameters and conformity to the law of process of deleting of ground and serve of the circular boring in a mining hole.

The model of moving of ground is developed on a circular screw taking into account forces of lateral pressure that model of process of compression of the blasted ground on the surface of the circular boring at mutual displacement of axes of working organa and mining hole.

The developed and applied in industry spiral circular boring allowed to promote efficiency of work of boring machines at formation of mining holes in strong soils.

Key words: screw, circular bores, transporting, boring drilling, mining hole, forces of lateral pressure, compression, stalling speed, test.