Диссертация (1173099), страница 5
Текст из файла (страница 5)
Внедрение в инженерную практику тиристорныхпреобразователей частоты и транзисторных генераторов для возбужденияколебаний магнитострикторов на частотах до 30 кГц дало возможность решить этупроблему. Такие вибровозбудители в силу ряда очевидных достоинств наиболееперспективны для использования на рыхлителях прочных грунтов [106].Рисунок 1.14 - Поперечное сечение магнитострикционного рабочего органаМетодамиспецифическимособенностямиспользованиямагнитострикционных вибраторов, активизирующих рабочий орган рыхлительныхмашин,посвященобольшоеколичествопубликаций,гдеисследованыакустические особенности функционирования стержневой колебательной системыи особенности её применения на землеройных машинах [3, 4].32Впервыхопытахразрушенияпрочныхгрунтовспомощьюмагнитострикционных вибраторов в область контакта рабочего органа с грунтомвводилась суспензия из абразивныхматериалов, частицыкоторых подвоздействием высокочастотных колебаний, внедряясь в тяжелый грунт, разрушалиего [88].В СССР были опробованы методы использования магнитострикционныхвибраторов для активизации работы буров [4].Были сделаны попытки конструирования экскаваторных ковшей свибровозбудителем их режущей кромки.
Разработаны конструкции навесныхрыхлительных устройств, снабженных магнитострикционными вибраторами.Возбуждаемые вибратором ультразвуковые колебания рабочего органарыхлительной машины снижают силы трения и сцепления частиц тяжелого грунта,приводя его к разупрочнению под влиянием знакопеременных нагрузок. Рядисследований показали, что эффект активизации с приложением колебаний вдиапазоне от 100 до 20 кГц вызывает уменьшение усилия резания в 2 … 5 и болеераз,проявляясьособенноочевидноприразработкепрочныхгрунтов.Вибрирование снижает на порядок контактное трение рабочего органа о грунт.Эксперименты, проводимые в частотном диапазоне f = 50 … 100 Гц, показалиуменьшение усилия рыхления в несколько раз; тяговое усилие рыхлительноймашины при скорости Vр = 0,01 … 0,1 м/с в процессе рыхления суглинистогогрунта уменьшалось в 2 … 4 раза, а при Vр =0,1 … 0,3 м/с – в 1,5 … 2 раза.Примерно в 2 раза уменьшались силы внутреннего и контактного трения грунта.Так, сила адгезии глины снижалась в 2 раза.
Исследования процесса резаниярабочим органом при активировании его колебаниями с частотой от 10 … 500 и2000 … 22000 Гц показало, что сила резания мерзлых суглинков стала ниже в 2,5раза, плотного песка - в 5 раз. Динамические колебания рабочего органа при этомснизились в 4 … 6 раз, что привело к уменьшению динамических воздействий намашину, увеличивая тем самым скорость резания [16, 44, 46, 101].Энергетические затраты на разработку мерзлых грунтов прочностью,определяемой плотномером ДорНИИ (Суд = 100 при Vр = 0,024 м/с),33активизированным рабочим органом частотой f = 750 Гц с амплитудой колебанийА = 0,3 мм, при глубине и ширине рыхления hр = 0,23 м, b = 0,19 м составили 4 кВтч/м3.
Однако удельные энергетические затраты на разрушение грунта выше, чемтот же показатель методов статического рыхления, что предполагает оцениватьэффективность процесса виброрыхления по повышению производительностиземлеройных машин [16]. Так, производительность рыхлительной машины Д652АС на мерзлых грунтах прочностью Суд = 100 составила 314,9 м3 в смену. Приприложении к рабочему органу машины высокочастотных колебаний еепроизводительность возросла на 30% и составила 409,4 м3 за счет увеличенияглубины рыхления и поперечного сечения траншеи.В диапазоне высоких частот f = 18 … 22 кГц сила сопротивления рыхлениюуменьшалась.
Так, при скоростях рыхления Vр = 0,05 … 0,25 м/с, привибровозбудителе мощностью 2,5 кВт коэффициент уменьшения усилия рыхленияпесчаных грунтов составлял 1,4 … 2,5, глинистых – 1,5 … 2,0. Длявибровозбудителя мощностью 1,5 кВт, амплитудой смещения А = 5 … 20 мкм, прискорости рыхления Vр = 0,05 … 0,5 м/с сопротивление рыхлению грунта снизиласьв 1,3 … 3,0 раза, а при наилучшем угле резания – в 2,4 … 4 раза. Увеличениепрочности грунта приводит к улучшению его взаимодействия с рыхлителем и ростузвукового давления на него.
Интенсивное разрушение горных пород происходитпри ультразвуковых колебаниях интенсивностью j = 10 … 15 Вт/м2, происходиттакже уменьшение силы сопротивления грунтов сдвигу. Так, при f = 22,5 кГц имощности вибровозбудителя 1,3 кВт сопротивление сдвигу составляло 60% от егозначения для суглинков [44, 45, 46].Испытания навесных виброрыхлителей, рабочие органы которых былиснабжены магнитострикционными вибраторами, показали, что диапазон частот от3 до 8 кГц обеспечивает максимальный эффект при рыхлении прочных грунтов.Произведем анализ процессов, протекающих в массиве грунта при егоразрушенииколебаниями.рабочиморганом,активизированнымвысокочастотными341.3.
Процессы разрушения грунтов динамическими рабочими органамиМеханизм разрушения тяжелого грунта высокочастотным рабочим органомсводится к тому, что при излучении мощной волны энергии вибровозбудителя вмассив грунта в нем распространяется упругая сдвиговая волна, вызывающаязнакопеременные напряжения и деформации сжатия–растяжения грунта. Припревышении волной силы сцепления частиц наступает разрушение грунта илизначительное его разупрочнение.Существует ряд способов волнового разрушения грунтов (взрывание,электрогидравлический эффект).
Существуют другие способы, влияющие наразрушение или разупрочнение грунта. При их применении волны силовоговоздействия на грунт приобретают различные свойства: во взрывных проявляетсяв первую очередь эффект ударной волны, в термических изменение градиентатемпературы вызывает циклическую волну напряжений, в электромагнитных иакустических - создание в массиве прочного грунта циклической волны смещенийи напряжений [48, 95, 100].Разрушение или разупрочнение массивов грунтов с использованиемвиброинструментов, совершающих колебания звуковой и ультразвуковой частоты,осуществляется за счет одновременного действия силы резания и колебаний,энергия которых превосходит существенно силы упругого сопротивления грунта.При статическом нагружении перемещаемого инструмента преодолевается толькоостаточное сопротивление грунта с одновременным перемещением разрушаемогообъема. Отношение полной нагрузки на массив грунта к волновому нагружениюуменьшается с возрастанием частоты, что свидетельствует об увеличении доливолнового нагружения грунта в процессе его разрушения, а убывающий характерсопротивления резанию грунта от волнового нагружения это подтверждает.Исследования особенностей взаимодействия рабочего органа рыхлителя смагнитострикционным вибратором и грунтом при низкочастотных колебанияхпоказали, что основным разрушающим фактором является импульсный удар свысоким значением энергии, то есть преобладает ударный эффект разрушения, а35порождаемое при этом влияние звуковой волны на разрушение грунтавторостепенно.
Для процесса разрушения грунта активизированным рабочиморганом рыхлителя необходимо определить оптимальное соотношение для волнынагружения ее переносной (горизонтальной) и колебательной (вертикальной)скоростей.С ростом частоты вибровозбуждения рабочего органа картина разрушенияили разупрочнения массива грунта преображается качественно. Так, становитсяпреобладающим при разрушении грунта не эффект воздействия отдельных ударов,а эффект воздействия волнового процесса который зависит от распространенияупругой волны: упругого, усталостного разрушения, а также неразрушаемую зону[25, 26, 41, 65, 84]. В первой зоне разрушения амплитуда давления волнызначительна, а величины смещения частиц грунта совпадают с амплитудойизлучаемых колебаний, приводящих к изменению физико - механических свойствгрунта и его разрушению.
Во второй и третьей зонах давление волны, из-за еезатухания и рассеивания, уменьшаясь, становится недостаточным для разрушениягрунта [98]. Упругая волна в звуковом и ультразвуковом диапазоне с частотойсжатия и растяжения 103 … 104 в секунду вызывает в грунте накоплениеусталостных напряжений и образование микротрещин. Появление концентрацийнапряжений вызвано структурной неоднородностью среды, особенно если размерыее частиц сравнимы с длиной упругой волны.
В таких зонах плотность грунтасущественно отличается от средней по массиву, что вызывает выделение награнице зон неоднородности значительного количества энергии [48, 60, 69, 70, 76,86].Рыхлительные машины статического, динамического и вибрационногодействия расходуют часть энергии на процесс пластической деформации грунта.В машинах вибрационного действия при частотах низкого диапазона заметнопроявляются релаксационные восстановительные свойства грунтов, а энергияупругой волны интенсивно рассеивается в массиве.
Увеличение частотывозмущающих воздействий приводит к видоизменению характера разрушенийгрунта, делая его более эффективным в силу того, что высокая скорость36воздействия исключает появление пластических деформаций. При большихскоростях изменения деформаций и сокращения из-за этого зоны существованияпластических деформаций любое тело приобретает свойства хрупкого тела, чтосвязано тем, что скорость распространения упругих деформаций грунта призначительных колебательных скоростях волновых воздействий существенноменьше скорости упругой волны [68, 101].Исследования процессов разрушения и разупрочнения прочных грунтоврабочими органами с использованием магнитострикционных вибровозбудителейдали возможность получить данные для их проектирования. Был определен рядзависимостей между: частотными параметрами рыхлительной системы иакустическим сопротивлением грунта; энергетическими и эксплуатационнымихарактеристиками процесса разупрочнения грунта; акустическим воздействием ифизико-механическими свойствами грунта; силовыми факторами и акустическими.Разрушение или интенсивное разупрочнение грунта возникает при наличииакустической волны мощностью до нескольких сот Ватт на см2.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
