Диссертация (Повышение эффективности работы рыхлительных агрегатов при разработке мерзлых грунтов активным рабочим органом с наложением на него резонансных колебаний звуковой частоты), страница 6

Однако увеличениемощности вибратора со значительной интенсивностью излучения вызывает всамом излучателе увеличение потерь, уменьшение долговечности самогоизлучателя и т.д., а также переизмельчение грунта в зоне его соприкосновения сизлучателем, что приводит к ослаблению процесса облучения и повышениюэнергоемкости разрушения [48, 60, 69, 70, 76].Предложен вариант группового использования магнитострикционныхвибраторов, позволяющий уменьшить расход энергии на реактивные потери в зонеконтакта излучателя с грунтом, получить высокую интенсивность излучения вближней и средней зонах грунта за счет комплексного воздействия отдельныхизлучателей. При этом непосредственно контактирующие с излучателем слои, неизменяя своего структурного состояния, пропускают излучение вглубь массива,образуя на некотором расстоянии от излучателей зону с максимальнойинтенсивностью излучения, увеличивая тем самым эффективность разрушениягрунта.37В процессе рыхления грунта в нем появляется напряженное состояние,вызванное в каждой точке массива нормальной и касательной составляющими.

Припревышении этими составляющими напряжения максимальных сил сцеплениячастиц массива возникает его структурное разрушение.При возбуждении высокочастотных колебаний упругой волны, еслисоздаваемое магнитостриктором напряжение оказывается меньше сил сцепленияэлементов грунта, процесс его разрушения может принять вялотекущийусталостный характер, когда в грунте накапливаются незначительные разрушенияи с течением времени его прочность уменьшается до значения статическогонапряжения.В работе, учитывающей известные параметры сохранения прочности грунта,найдено значение интенсивности излучения акустического поля, вызывающего егоусталостноеразрушение[4].Повеличинеразрушающейинтенсивностиакустического поля волн определяются мощность и технические характеристикиизлучателя.При работе с прочным грунтом к нагрузке рабочего органа добавляетсяинерционная или упругая нагрузка грунта.

Это приводит к изменению исходнойчастоты вынуждающей силы. Перенастройка системы по частоте сместит узловыесечения, подвергая конструкцию крепления вибрационному воздействию иуменьшениюинтенсивностиупругойволны.Приэтомчастьэнергиимагнитостриктора будет использована не на разрушение грунта, а будет направленана рыхлительную машину [3].Снизить эти потери энергии можно за счет выбора оптимального отношениячастот вынужденных и собственных колебаний элементов системы рыхленияменьше 0,7 или равного 1,4, когда влияние элементов крепления на колебательныйпроцесс незначительно.В этих машинах энергия, передаваемая от вибровозбудителя колебаний вмассив грунта, максимальна при равных значениях сопротивлений рыхлителя иприсоединенного к рабочему органу грунта. В режиме резонанса вибросистемырабочего органа значения этих сопротивлений будут практически равны.38Поддержание резонансного режима – один из методов эффективного согласованияэнергии колебательной системы рыхлительной машины с нагрузкой в видеприсоединённого грунта [48, 60, 69, 70, 76, 80, 86, 90].391.4.

Цель и задачи исследованийТехнологические процессы рыхления прочных и в первую очередь мерзлыхгрунтов, применяя существующие способы, малоэффективны, что делаетнеобходимым исследование новых, более производительных способов разработкипрочных грунтов.Несмотря на разнообразие способов и механизмов рыхления, потенциальныевозможности части из них недостаточно использованы или вообще не нашлиприменения. Использующиеся в настоящее время методы и машины для рыхленияпрочных грунтов низкопроизводительны, обладая повышенной себестоимостьюразработки 1 м3 грунта, что находится в противоречии с более увеличивающимсяобъемом строительных работ.Из существующих методов разрушения прочных грунтов наиболеераспространен механический метод, а из средств рыхления грунтов самыеэффективные – динамические рыхлители.

Одним из наиболее эффективныхспособов повышения производительности процессов рыхления является методизлучения в грунт высокочастотных звуковых колебаний магнитострикционнымвибровозбудителем, что дает возможность активизировать режим рыхлениярабочими органами традиционных рыхлительных машин, расширяя границы ихприменения при работе на прочных грунтах.Активные исследования в этом направлении дали возможность получитьценную информацию, используемую для разработки высокоэффективныхвибрационных рабочих органов рыхления, а также выявить тенденцииисследований.

Разрушение массива тяжелого грунта при излучении в неговысокочастотной энергии магнитостриктора связано с процессом прохождениячерез него волны, вызывающей деформации сжатия–растяжения.Колебательная система рыхлящего зуба рыхлительной машины максимальноэффективно воздействует на массив грунта при наличии резонанса, обеспечиваяпри незначительных затратах энергии значительную амплитуду смещениярабочего зуба.

Однако в рабочем режиме разрушения грунта вибросистема сначальной настройкой резонанса изменяет его параметры под действием40непостоянных сил нагружения рыхлящего зуба, нарушая режим резонанса. Приэтом амплитуды смещения рабочего органа и мощность упругой звуковой волны,передаваемой в массив грунта, уменьшатся.Стабилизация параметров резонансных вибраций при нагружении рабочегооргана силами сопротивления разрушению грунта сохраняет мощностныепараметры.Можноконстатировать,чтонеобходиморазработатьавтоматизированную систему управления режимом стабилизации резонансавибросистемы для согласования ее с нагрузкой.Дляоптимизациипроцессавиброрыхлениярыхлительноймашинынеобходимо исходить из особенностей влияния характеристик грунта напараметры высокочастотного рыхлящего зуба в режиме резонанса.Такимобразом,необходиморешитьзадачусогласованиярежимавиброколебаний рабочего органа рыхлительной машины с массивом грунта дляопределения параметров резонансного режима процесса рыхления.Для достижения поставленной цели необходимо:•получитьматематическуюмодельвзаимосвязивеличинырассогласования рыхлящего зуба рыхлительной машины и параметрами рабочегопроцесса, его нагружения при взаимодействии с прочным грунтом;•разработать способ и средства согласования динамических параметроввысокочастотныхколебаниймагнитострикционноговибровозбудителяспараметрами разупрочнения грунта для получения и поддержания резонансногорежима вибросистемы;•процессна основе аналитических зависимостей, записывающих рабочийрыхления,разработатьавтоматизированнуюсистемууправленияпроцессом согласования динамических параметров колебательной системырабочего органа с грунтом для стабилизации резонансного режима процессарыхления;•экспериментальнотеоретических положений.получитьподтверждениедостоверности41ГЛАВА 2.

РЕЖИМЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ВИБРАЦИОННОГОРАБОЧЕГО ОРГАНА С ГРУНТОМ2.1. Оценка взаимодействия вибрационного рабочего органа с грунтомЭффективностьразрушенияпрочныхгрунтоврабочимиорганамирыхлительных машин с магнитострикционными вибраторами зависит от решениязадачи метода согласования режимов функционирования колебательной системы сприложеннойнагрузкой.Так,некоторыеавторыопределяюттермин«согласование» в виде следования бегущей волны меж средами при отсутствииотражений на ее границе. В ряде других работ объясняют термин согласования ввиде способа определения функциональной связи физических элементов либокрайнего элемента и нагрузки, позволяющего достигать параметров колебательныхрежимов, в том числе резонансного режима высокочастотных систем.Параметры концентратора рассчитываются при постоянном значенииволнового сопротивления нагрузки. Грунт представляет собой нагрузку,обладающую различной акустической характеристикой.

К примеру, для мерзлогогрунта акустические параметры меняются из-за глубины промерзания, вида исвойств грунта, которые могут изменяться в процессе разрушения массива грунта.Поэтому процесс согласования магнитостриктора с тяжелым грунтом сводится кразработкеиреализациирядамер,позволяющихидентифицироватьистабилизировать резонансный режим работы системы.Существующиеметодикирасчетаосновныхтиповконцентраторов(конических, экспоненциальных, катеноидальных) дают возможность определятьих типы, поперечные размеры, а также расположения узлов смещений. Заданныечастоты колебаний излучателей не остаются постоянными во время повышениянагрузки на рабочий орган (РО), в результате чего система теряет резонанс, и приэтом амплитуда колебаний рыхлящего зуба уменьшается.

Сопротивлениевибратора нагрузкам увеличивается за счет роста его реактивной составляющей.Метод согласования частоты колебаний вибрационного рабочего органа рыхлителя42с грунтом должен опираться на разностороннюю, объективную информацию овлиянии нагружения рабочего органа на колебательные свойства системы.2.2 Влияние силовых воздействий рабочего органа на реологическиехарактеристики грунтаНапряженное состояние в разрабатываемом массиве грунта, вызываемоеприложением непрерывного силового воздействия, можно характеризоватьреологической временной связью показателей σ ( напряжения) и ε ( деформации),описываемых кривой ползучести (рисунок 2.1), на которой можно выделитьучастки, соответствующие последовательным стадиям деформации грунта [46, 48].Ползучесть - процесс изменения деформаций (ε) во времени (t). Напряжения,действующие на грунт, постоянны (σ = const):e= ƒ (t→∞ и σ = const).(2.1)Основные параметры ползучести – это скорость деформирования (Ve) ивязкость (τ).

Под скоростью деформирования (ползучести) понимается отношениеизменения деформаций (∆ε) ко времени (∆t), т.е.:Vε=.(2.2)Рисунок 2.1 - Изменение скорости деформирования (Vε) грунта во времени (t) припостоянном напряжении (σ)43Участок ОА соответствует упругой деформации, которая сразу послеприложения силового воздействия. Участок АВ - неустановившаяся ползучесть.Деформирование грунта возвращается к исходному состоянию не полностью, из-заналичия в нем деформаций, как структурно обратимой, так и нет.