ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ 31 ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДОВ … · 2015-05-27 ·...
Post on 27-Jul-2020
16 Views
Preview:
TRANSCRIPT
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: verosm@mail.ru
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: verosm@mail.ru
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.
МЕЖДУНАРОДНЫЙЖУРНАЛПРИКЛАДНЫХ ИФУНДАМЕНТАЛЬНЫХИССЛЕДОВАНИЙ №6,2015
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
INTERNATIONAL JOURNAL OF APPLIED AND FUNDAMENTAL RESEARCH №6,2015
34 TECHNICAL SCIENCES
Рис. 3. Зависимость крутящего момента от диаметра рабочего органa
Рис. 4. Зависимость крутящего момента от длины рабочего органа
МЕЖДУНАРОДНЫЙЖУРНАЛПРИКЛАДНЫХ ИФУНДАМЕНТАЛЬНЫХИССЛЕДОВАНИЙ №6,2015
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)
INTERNATIONAL JOURNAL OF APPLIED AND FUNDAMENTAL RESEARCH №6,2015
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
МЕЖДУНАРОДНЫЙЖУРНАЛПРИКЛАДНЫХ ИФУНДАМЕНТАЛЬНЫХИССЛЕДОВАНИЙ №6,2015
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.
top related