ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ 31 ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДОВ … · 2015-05-27 ·...

МЕЖДУНАРОДНЫЙЖУРНАЛПРИКЛАДНЫХ ИФУНДАМЕНТАЛЬНЫХИССЛЕДОВАНИЙ №6,2015

31 ТЕХНИЧЕСКИЕНАУКИ УДК624ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДОВ ТЕОРИИ ПОДОБИЯ И РАЗМЕРНОСТЕЙ ПРИ МОДЕЛИРОВАНИИ ПРОЦЕССА ВРАЩЕНИЯ ФРЕЗЕРНОГО РАБОЧЕГО

ОРГАНА В СРЕДЕ ГЛИНИСТОГО ТИКСОТРОПНОГО РАСТВОРАКадыров А.С., Жунусбекова Ж.Ж., Смагина В.С., Жумабаев Б.С.

Карагандинский государственный технический университет, Караганда, e-mail: [email protected]

Применяемый в области строительства способ устройства подземных сооружений называемый ме-тодом«стенав грунте»иприменяемыйдля егореализации глинистыйраствор, оказывает существенноевлияниена конструкцию землеройногооборудования,применяемогодлярытья траншей.В связи с этимдлявозможностиприменениярабочихоргановфрезерныхибуровыхмашинвсредеглинистогораствора,проведеноисследованиепараметровмоделисистемы«рабочийорган–среда».Произведенанализразмер-ностейиуменьшениеколичествапеременныхдляпроведенияэкспериментов.

Ключевые слова: фрезерные машины, теория подобия, размерности, стена в грунте, глинистый раствор, классический эксперимент, многофакторный эксперимент

METHODS OF THE THEORY OF SIMILARITY AND DIMENSIONS IN MODELING THE PROCESS ROTATION TENON WORKING IN A MEDIUM BODY CLAY

THIXOTROPIC SOLUTIONKadyrov A.S., Zhunusbekova Z.Z., Smagina V.S., Zhumabaev B.S.Karaganda State Technical University, Karaganda, e-mail: [email protected]

Usedintheconstructionofundergroundstructures,adevicecalledthemethodof«slurrywall»andusedforitsimplementationmud,hasasignificantimpactonthedesignofearth-movingequipmentusedfordiggingtrenches.Inthisregard,thepossibilityofapplyingfortheworkingbodiesofmillinganddrillingmachinesintheenvironmentofthemud,astudyofthemodelparametersofthe«workingbody–environment».Theanalysisofthedimensionsandreducingthenumberofvariablesfortheexperiments.

Keywords: milling machine, similarity theory, dimension, slurry wall, clay mud, classical experiment multivariate experiment

Использование в строительстве новей-шей техники и технологических методовпозволит интенсифицировать и повыситьнадежностьданногопроцесса.

Изобретение новой техники, методовее применения и эксплуатации, а также ееусовершенствование, напрямую зависит отуровня теоретических и эксперименталь-ных исследований и возможного периодавнедренияихвпроизводство.

Цель исследования. Сопротивлениевращению фрезерного рабочего органав среде глинистого растворапри разработ-ке узких траншей устанавливается экс-периментальным путем. Это объясняетсяприсутствиемглинистогорастворастиксо-тропнымисвойствами.Всвязисэтимстатьянаправленанаразработкууточненноймето-дикиэкспериментальногоисследованияна-груженияфрезерногорабочегоорганавсре-деглинистоготиксотропногораствора.

Материалы и методы исследования. Улучшение эргономических показателейиповышениеконкурентоспособностизаклю-чается в совершенствовании машин путемулучшения их эксплуатационных свойств,ремонтопригодности и технического обслу-живания.При этом решают следующие во-просы: создание конструкций, требующихзначительноменьшегообъемаработпотех-

ническому обслуживанию; использованиеоборудования с централизованной смазкойиуправлениемотбортовойЭВМ;разработ-ка конструкций, обеспечивающих легкийдоступ к узлам;модульное, агрегатно-узло-вое конструирование машин; обеспечениегруппового сервиса путем сосредоточенияоборудованияисистем,требующихчастогообслуживания в одном легкодоступном ме-сте;использованиеузловвстроеннымидиа-гностическимисистемами[1,2].

Повышение функциональных свойствмашин и совершенствование РО связанос усоврешенствованием методов воздей-ствиянагрунтиновыхспособовразработкигрунтасприменениемдополнительныхфи-зическихэффектовихимическихсоедине-ний,являющихсярезультатомисследованийвобластифундаментальныхнаук.

Большое значение приобретает при-менение новых эффектов для интенсифи-кациипроцессовкопанияпутемснижениясил трения грунта об инструмент.Другойважныйвопрос–этоисследованияпоис-пользованиюдостиженийгазо-игидроди-намики для интенсификации разрушенияи перемещения материала, горных породи грунтов. В нашем случае, обусловленоприменением глинистого тиксотропногораствора.

INTERNATIONAL JOURNAL OF APPLIED AND FUNDAMENTAL RESEARCH №6,2015

32 TECHNICAL SCIENCES В мировой практике известны много-

численныепримерыуспешногопримененияспособа «стена в грунте» при возведениимассивныхзданийиподземныхсооруженийвнепосредственнойблизостиотсуществую-щихзданий,эксплуатациякоторыхнепреры-валасьпривыполнениистроительныхработ.

Сутьметода«стенавгрунте»заключает-сявсозданииглубокойузкойтраншеисвер-тикальнымигранями,котораявпоследствиизаполняется материалом с нужными свой-ствами,получаястенувгрунте.Главнаяза-дача при этом – обеспечение устойчивостигранейтраншеиприеевыемкеизаполнении.Она решается использованием глинистогораствора,заполняющеготраншеювтечениевсего процесса возведения стены. Бурениескважинспромывкойглинистымраствором,обеспечивающимустойчивостьстеноксква-жинпрактическивлюбыхпородах[4].

Глинистый раствор оказывает суще-ственное влияние на конструкцию зем-леройного оборудования, применяемогодлярытьятраншей.Онодолжноврядеслу-чаевработатьврастворесповышеннымсо-держаниемизмельченного грунта так, что-быэтотгрунтненалипалназахватныйилирежущий элемент рабочего органа. Тран-шеекопатель должен обеспечить разработ-ку и удаление грунта из траншеи и иметьвозможность перемещаться в плане в со-ответствии с ее конфигурацией.Этим тре-бованиямвбольшейилименьшейстепениудовлетворяетоборудование,используемоев зарубежной и отечественной практикестроительства[4].

Актуальнымявляетсяуниверсальность,достигаемая путем возможности примене-ниянабазовойземлеройноймашинеболь-шогоспектрарабочихорганов.

Данная проблема неразрывно связанас необходимостью создания определенныхметодик, позволяющих исследовать пара-метры землеройных машин и их рабочихорганов,создаватьмоделиипроводитьэкс-периментывкороткиесроки.Исследованиядолжныохватыватьспектросновныхнаправ-лений развития, таких как совершенство-вание эффективности и функциональностирабочих органов, повышение надежностии конкурентоспособности проектируемо-гообъекта, возможностиегоиспользованиев стесненных условиях при минимальныхфинансовыхивременныхзатратах.

При исследовании рабочего процессастроительства способом «стена в грунте»,описаниемодели«рабочийорган–среда»,значительно отличается от стандартноймодели процесса резания грунта рабочиморганом.Исследования о резании грунтов,проводимыетакимиученымикак:О.Д.Али-

мов,А.И.Барон,В.И.Воздвиженский,В.Л.Кутузов, И.А. Остроушко, А.П. Суханов,Е.П. Терехин, В.В. Харченко и другие, неучитывали особенности влияния на грунтирабочийорганземлеройноймашиныгли-нистоготиксотропногораствора.

БлагодаряисследованиямпрофессораКа-дырова А.С., недостатки этих теорий былиустранены,путемразработкиметодикииссле-дования рабочего процесса фрезерных и бу-ровыхмашинвсредеглинистогораствора[5].Проведенныеимтеоретическиеиэксперимен-тальныеисследованияпозволяютпредставитьпроцессразработкигрунтапристроительствеспособом«стенавгрунте»вполномобъеме.

ВисследованияхКадыроваА.С.учтенытакиенемаловажныефакторыкак:удельныесилысопротивленияподачиивращениюдо-лотаустановленныедлягрунтовI–IVкатего-рии, влияние глинистогорастворана грунт,глубина забоя, характер движения РО, ско-ростьфильтрациирастворавгрунт[5].

На основании теоретических исследо-ваний, для получения эмпирических дан-ных,КадыровымА.С.былразработанстендСМФ–2ипроведенэксперимент,опреде-ляющий опытные зависимости вращенияфрезерного рабочего органа в глинистомтиксотропном растворе. Основными пара-метрами физической модели «рабочий ор-ган – среда» были следующие величины:диаметр фрезерного рабочего органаD м,длина L м, число резцов i, шероховатостьΔh, кинематическя вязкость раствора nстоксипредельногокасательногонапряже-ниясдвигуτ0Н/м

2,угловаяскоростьвраще-ниярабочегоорганаw[5].

В результате эксперимента были полу-чены зависимости крутящего момента отобъема рабочего органа – рис. 2, диаметрафрез–рис.3,гамовскогоипсевдоламинарно-горежимовдвиженияглинистогораствора–рис.5[5].

Эксперимент планировался классиче-ским планом, соответственно один из па-раметров варьировался, а значения другихоставалисьсредними[5].

Учитывая большое количество изменя-емых параметров, классический план экс-перимента становится довольно сложнымигромоздкимприегореализации.Появля-ется необходимость длительных вариацийпараметров и усложняется обработка экс-периментальныхданных.Вданномслучае,для разработки уточненной методики про-веденияэкспериментальногоисследования,возможно применение методов теории по-добияиразмерностей.Применениетеорииподобия и размерностей позволит умень-шить количество переменных в экспери-ментеизначительноегоупростить.


33 ТЕХНИЧЕСКИЕНАУКИ

Рис. 1. Схема стенда СМФ – 2: 1 – выход на испытываемый рабочий орган; 2 – тензометрический датчик давления;

3 – герметичная камера; наполняемая раствором; 4 – основание стенда; 5 – токосъемные устройства; 6 – магнитоэлектрические датчики частоты вращения; 7 – привод вращения

постоянного тока; 8 – измерительные валы; 9 – тахометр

Рис. 2. Зависимость крутящего момента от объема рабочего органа


34 TECHNICAL SCIENCES

Рис. 3. Зависимость крутящего момента от диаметра рабочего органa

Рис. 4. Зависимость крутящего момента от длины рабочего органа


35 ТЕХНИЧЕСКИЕНАУКИ

Рис. 5. Сопоставление Бингамовского и псевдоламинарного режимов движения глинистого раствора

Вданномвопросе,припроектированиимоделирования,уместноприменятьтеориюподобия и размерностей. Теория подобияиразмерностейпредставляетинтересияв-ляется основным направлением в изуче-нии таких ученых как Баловнев В.И., Се-довЛ.И.,ВениковВ.А.

Для полноценного описания нагру-жения рабочего органа землеройной ма-шины, необходимо сначала разбить егона множество элементарных составныхчастейиопределитьихнагружениевот-дельности, учитывая кинематическиеи динамические характеристики движе-

нияигеометрическиепараметрырабочегооргана.

Для определения параметров влияю-щих на вращение фрезы в глинистом тик-сотропном растворе используем теореммуБукингемадлярешенияразмерныхсистем.Исследуя размерности переменных, харак-теризующих исследуемую систему «рабо-чий орган – среда», зависимости выража-емчерезосновныевеличинысистемыСИ:массуМ,веремени t идлинуL.Втаблицеприведенывеличиныиихформулы,описы-вающие процесс вращения фрезерного РОвглинистомтиксотропномрасстворе.

Допустимтеперь,чтомеждуэтимивеличинамисуществуетследующеесоотношение:( , , , , , , , , )i k f n e

cF D L h P g Fα β γ φρ µ ∆ w τ = , (1)где Fc–силасопротивлениядвижениюфрезерногорабочегоорганавстредеглинистоготиксотропногораствора.

Вместосимволовподставляютсяразмерностиизтаблицы:3 1 1 1 1 2 1 2 2, , ( ) , ( ) , , ( ) , ( ) , ( ) , ( )i k f n e

cF L L M L M L t L t M L t M L t L t Fα β − γ − − ϕ − − − − − − ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ = . (2)


36 TECHNICAL SCIENCES

ПеременныеописывающиепроцессвращенияфрезерногоРО вглинистомтиксотропномрасстворе

№ п/п Названиепеременной Обозна-

чениеФормуларазмер-

ности Единицаизмерения

1 ДиаметрРО D L м

2 ДлинаРО L L м

3 Плотностьглинистогораствора ρ 3M L−⋅

4 Вязкостьглинистогораствора µ 1 1M L t− −⋅ ⋅

5 ШероховатостьРО ∆h L м

6 УгловаяскоростьвращенияРО ω 1t−

7 Касательноенапряжениесдвигагрунта τ 1 2M L t− −⋅ ⋅

8 ДавлениеглинистогорастворанаРО P 1 2M L t− −⋅ ⋅

9 Ускорениесвободногопадения ∆g 2L t−⋅

Чтобыданноеуравнениебылооднороднымотносительноразмерностей,должнывы-полнятьсяследующиесоотношениямеждупоказателямистепени:

дляM: 1=γ+φ+f+n;дляL: 1=α+β–3γ–φ+i–f–n+e;дляt: –2=–φ–k–2f–2n–2e;Имеемтриуравненияс9неизвестными.Упростимих,исключивα,kиγ.Тогда:

γ=1–φ–f–n;

α=4–β–2φ–2f–2n–i–e;

k=2–φ–2f–2n–2e.Подставляяэтисоотношениядляпоказателейстепенивформулу(2),получаем

. (3)Объединяячленысодинаковымипоказателямистепени,легкосоставитьбезразмерные

комбинации

2 2 2 2 2 2, , , , ,f ni e

cL h P gF FD D D D D D

ϕβ µ ∆ τ = ρw ρw ρw w (4)

Девятьпервоначальныхпеременныхзадачидаютшестьбезразмерныхкомбинаций.Проанализировав,можносделатьследующиевыводы:Во-первых,безразмерныекомбинации

2 2D τ ρw

и 2 2

PD

ρw


37 ТЕХНИЧЕСКИЕНАУКИ и их зависимости будут иметь одинако-выйхарактеримогут быть замененыдругдругом. Поэтому для эксперимента, в ка-честве критерия возможно принять только

2 2D τ ρw .

Во-вторых, важным параметром моде-ли вращения фрезерного рабочего органавсредеглинситоготиксотропногораствораявляется вязкость среды.Поэтому следую-щей безразмерной комбинацией необходи-

мопринять 2D µ ρw

.

В-третьих,длясоблюдениягеометриче-ского подобия и возможности конструиро-ваниямодели,необходимопринятьбезраз-

мернуюкомбинациюLD

.

При этом безразмерные комбинации,включающие в себя значение шероховато-стифрезыΔh, ускорения свободного паде-нияgоставимпостоянным.

Таким образом, имея первоначальнодевять переменных, произведя анализ раз-мерностей,можносократитьихколичестводо трех безразмерных комбинаций, являю-

щихсякритериямиподобия.В случаепри-менения теории подобия и размерностей,становитсядоступнымприменениефактор-ныхэкспериментов,вданномслучаеэкспе-риментасматрицейплана 23.

ВыводыТаким образом, совершенно очевидно,

что анализ размерностей позволяет упро-ститьэксперимент,засчетуменьшениячис-ла переменных, снизить время на его про-ведение и обработку экспериментальныхданных. В данном случае становится воз-можнымпроведениеэкспериментаплана23.

Список литературы1.КолесниковВ.С.,СтрельниковаВ.В.Возведениепод-

земныхсооруженийметодом«стенавгрунте».Технологияи средства механизации: Учебное пособие. – Волгоград:Изд-воВолГУ,1999.–144с.

2.ЗубковВ.М.,ПерлейЕ.М.,РаюкВ.Ф.,ФеоктистоваН.В.Подземныесооружения,возводимыеспособом«стенавгрунте».–Стройиздат:Ленинград,1977.–200с.

3.ВасильевСВ.,ВеригинН.Н.,РазумовГ.А.,Шержу-ковB.C.Фильтрацияизводохранилищипрудов.–М.:Ко-лос,1975.–185с.

4.Справочник проектировщика. Основания, фунда-ментыиподземныесооруженияПодобщейредакциейд–ратехн.наук,проф.Е.А.Сорочанаиканд.Энергия,1971.,-200с.

5.КадыровА.С.Теорияирасчетфрезерныхибуриль-ных рабочих органов землеройных машин, применяемыхпристроительствеспособом«стенавгрунте»:дис.…д-ратехн.наук.–М.:МИСИим.Куйбышева,1989.

ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ 31 ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДОВ … · 2015-05-27 ·...

Documents