Курсовая работа. 140186_6_2018_с-НТС51. Разработка машины для обратной засыпки траншей

• Название: Разработка машины для обратной засыпки траншей
• Анкор: Курсовая работа
• Дата: 27.05.2020
• Размер: 0.79 Mb.
• Имя файла: 140186_6_2018_с-НТС51.docx
• Тип: Курсовой проект; #125814

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего образования

«Саратовский государственный технический университет

имени Гагарина Ю.А.»
Кафедра «Транспортное строительство»
Курсовой проект

по дисциплине

«Проектирование подъемно-транспортных, строительных, дорожных средств и оборудования»
Тема: Разработка машины для обратной засыпки траншей

мерзлым грунтом
Выполнил: студент группы с-НТС51

ИнЭТС

очная форма обучения

номер з. к. 140186

Бекеров В. Э.

Научный руководитель: д.т.н., профессор Мартюченко И. Г.

Саратов 2018

Содержание

Введение 2

1 Анализ способов и машин для обратной засыпки траншей мерзлым грунтом 5

1.1 Анализ существующих способов разработки мерзлого грунта 5

1.2 Анализ конструкций машин для обратной засыпки траншей мерзлым грунтом 11

1.3 Техническое задание на проектирование 15

1.4 Техническое предложение конструкции машины для обратной засыпки траншей мерзлым грунтом 16

2 Расчеты 17

2.1 Мощностной расчет 17

Библиографический список 22

Введение

Добыча и транспортировка газа и нефти – одна из наиболее востребованных отраслей российской экономики. Большая доля нефтяных и газовых месторождений располагаются в Сибири, где среднемесячная температура редко превышает нулевые температуры; грунт, соответственно, на данной территории является мерзлым с большой глубиной промерзания.

Для транспортировки полезных ископаемых от газовых и нефтяных месторождений требуется прокладка к ним трубопроводов. Процесс прокладки трубопроводов можно представить следующим образом: сперва производится рытье траншеи (разработка грунта и последующая его выемка и отсыпка экскаватором), далее производят все необходимые работы по укладке, сварке, изоляции труб, после чего требуется засыпка трубопровода и траншеи грунтом.

Сложенный вдоль траншеи грунт смерзается, и дальнейшая его отсыпка вызывает некоторые трудности.

Согласно [1] засыпка траншей производится в две стадии.

На первой стадии выполняется засыпка нижней зоны не мерзлым грунтом, не содержащим твердых включений размером свыше 1/10 диаметра хризотилцементных, пластмассовых, керамических и железобетонных труб на высоту 0,5 м над верхом трубы, а для прочих труб - грунтом без включений размером свыше 1/4 их диаметра на высоту 0,2 м над верхом трубы с подбивкой пазух и равномерным послойным его уплотнением до проектной плотности с обеих сторон трубы.

На второй стадии выполняется засыпка верхней зоны траншеи грунтом, не содержащим твердых включений размером свыше диаметра трубы. При этом должна обеспечиваться сохранность трубопровода и плотность грунта, установленная проектом.

Общий объем в грунте мерзлых комьев, которыми засыпаются траншеи, не должен превышать 15% общего объема грунта засыпки.

При отсутствии возможности засыпки траншеи талым грунтом его необходимо подготовить (произвести его разработку).

Выделенная проблема является актуальной по следующим причинам:

1) На сегодняшний день не существует машины, которая могла бы одновременно разрыхлять грунт и ссыпать его в траншею.

2) Наиболее экономически целесообразный на сегодняшний день способ является очень трудоемким и требует привлечения дополнительных машин, занимает продолжительный промежуток времени.

1 Анализ способов и машин для обратной засыпки траншей мерзлым грунтом

1.1 Анализ существующих способов разработки мерзлого грунта

На сегодняшний день существуют следующие методы для обеспечения разработки мерзлых грунтов [2]:

1) Предохранение от промерзания;

2) Оттаивание мерзлых грунтов;

3) Непосредственная разработка мощными машинами;

4) Рыхление (сюда относятся ударный и взрывной способы и само непосредственное рыхление).

Предохранение от промерзания или уменьшение глубины промерзания производят с помощью увеличения пористости грунта путем: вспахивания грунта, утепления его теплоизоляционными материалами и внесением растворов с низкой температурой замерзания (CaCl₂, NaCl). Предохранение выполняют задолго до наступления холодов путем его вспахивания с боронованием, глубинного рыхления, укрытия утепляющими материалами и химической обработки [2].

Рабочими оборудованиями при вспахивании грунта являются, как правило, плуги глубокого рыхления (не менее 35 см), а также рыхлители (глубина проработки составляет 0,5-0,7 м). После вспахивания грунт подвергается боронованию на глубину 15-20 см. При глубоком рыхлении (на глубину 1,3 - 1,5 м) используют одноковшовые экскаваторы с ковшом емкостью 0,4-0,65 м³, при этом грунт разрабатывается навымет и укладывается на место смежной (предыдущей) проходки [2].

В качестве утепляющих материалов используются местные материалы: сухие листья, торф, опилки, солома, камыш, шлак и др. Могут применяться и полимерные материалы: пленки, пенопласт и т.д. Иногда грунт перед вспахиванием подвергают химической обработке, т.е. прибегают к пропитке поверхностного слоя грунта различными химическими растворами, которые понижают температуру замерзания воды в грунте (до -30°С) [2].

При работе в условиях, когда среднесуточная температура воздуха круглый год не превышает 0°С, данный способ неактуален, так как невозможно предотвратить от замерзания в условиях постоянных отрицательных температур. В этом случае грунт требуется разрабатывать путем оттаивания, взрывным способом или путем его непосредственной разработки мощными машинами.

Оттаивание мерзлого грунта является одним из самых эффективных способов разработки мерзлого грунта.

Наибольшее распространение получили следующие способы оттаивания мерзлого грунта: огневой, электропрогрев, паропрогрев, водопрогрев (рисунок 1).

При огневом способе происходит сжигание различного топлива под прикрытием металлического короба с вытяжной трубой (рисунок 1, а).

Электропрогрев грунта осуществляют с помощью электродов, которые располагаются на поверхности или погружаются вертикально в мерзлый грунт. При использовании горизонталь­ных электродов поверхность грунта засыпают слоем опилок толщиной 150...200 мм (рисунок 1, б). Так как мерзлый грунт не является проводником, опилки требуется смочить водным солевым раствором. Это позволит увеличить электропроводимость в начальный период оттаивания. После того, как грунт верхнего слоя оттает, он сам становится проводником, а слой опилок выполняет роль термозащитно­го слоя. Поверхностный электропро­грев применяют при глубине промер­зания грунта до 0,7 м [3].

При большей глубине промерзания используют вертикальные электроды. Оттаивание производят сверху вниз и снизу вверх (рисунок 1, в) [3].

Паровой прогрев грунта осуществляется с использованием паровых игл, которые устанавливаются в предварительно пробуренные скважины на некоторую часть глубины оттаиванию (рисунок 1, г) [3].



Рисунок 1 – Схема оттаивания мерзлого грунта:

а – огневым способом; б – электропрогревом с использованием

горизонтальных электродов; в – то же, с использованием

вертикальных электродов; г – паропрогревом; 1 – секция короба;

2 – утеплитель; 3 – вытяжная труба; 4 – оттаявший грунт;

5 – трехфазная электрическая сеть; 6 – горизонтальные полосовые электроды; 7 – слой опилок; 8 – слой толя или рубероида; 9 – стержневой электрод; 10 – паропровод; 11 – паровая игла;

12 – пробуренная скважина; 13 – колпак.
Оттаивание грунта, несмотря на свою эффективность, является также очень энерго- и трудоемким способом разработки грунта. Его целесообразно применять только при малых объемах работы.

Непосредственная разработка грунта без рыхления возможна при небольшой глубине промерзания до 0,25 м обычными мелкими экскаваторами, а при глубине до 0,4 м крупными строительными экскаваторами.

Разработка грунта экскаваторами при отрицательных температурах затрудняется намерзанием грунта, которое встречается также и в кузовах автосамосвалов. Его последствием является уменьшение полезной емкости ковша и кузова, увеличение продолжительности погрузки и выгрузки. Во избежание ручной очистки (в силу ее трудоемкости) применяют специальные меры:

• периодическая поливка ковшей и кузова растворами хлоридов;

• обмазка кузова смесью битума с отработанным маслом и покрытие сверху слоем раствора CaC₂.

Для обогрева кузова применяются также выхлопные газы, которые пропускаются по каналам в днище кузова.

Основным условием успешной разработки грунта в зимних условиях и предотвращение его от замерзания является большая скорость и непрерывность разработки забоя. Слой снега следует убрать только перед непосредственной разработкой забоя [2].

К недостаткам данного способа следует отнести относительно неглубокую, а также недостаточную степень разработки грунта.

Рыхление мерзлых грунтов применяют в случаях, когда глубина промерзания превышает 40 см.

При малой глубине промерзания грунт рыхлят с помощью тракторных рыхлителей (до 0,7 м) (рисунок 2, а).

При большей глубине рыхление ведут сколом клиньями или дроблением ударами (рисунок 2, б, в) или дисковыми (рисунок 2, г) и баровыми щелерезными (рисунок 2, д) машинами.

При рыхлении грунта взрывами в качестве взрывчатого вещества (ВВ) чаще всего используют аммонит, тол, тротил. Энергия, необходимая для взрыва, получают путем выбора типа ВВ, его размещения в грунте и последовательности взрывания зарядов. Это дает возможность осуществить направленный выброс грунта, обеспечивает его перемещение и укладку [3].


Рисунок 2 – Способы рыхления мерзлого грунта:

а - рыхление трактором-рыхлителем; б, в – ударные способы;

г – дисковыми нарезными машинами; д – баровыми щелерезными

машинами; е – взрывами.
Размещение зарядов в грунт может быть накладным и внутренним. При накладном методе заряды располагают на поверхности среды, при внутреннем – в предварительно подготовленных шпурах, скважинах, камерах или щелях. Для рыхления непосредственно мерзлого грунта чаще всего применяется метод щелевых зарядов.

При применении метода щелевых зарядов с помощью дискофрезерной или баровой машины на рас­стоянии 0,5...2,5 м друг от друга врезают парные щели на глубину промерзания грунта. В одну из щелей закладывают заряд ВВ, другую оставляют пустой в качестве компенсирующей. От взрыва грунт, расположенный между зарядной и компенсирующей щелями, дробится и одно­временно смещается в сторону компен­сирующей щели. На больших площадях щелей нарезают несколько, а заряды закладывают через одну щель.

Взрывной способ является небезопасным, а также требует привлечения к работе других типов машин (дискофрезерной или баровой). Также при взрывных способах грунт разлетается в различных направлениях, поэтому применение его при обратной засыпке неактуатльно.

Рассмотрим способы механического рыхления грунта.

Для рыхления мерзлого грунта механическим способом при разработке котлованов используют навесные (статические) рыхлители и землеройно-фрезерные машины, а также баровые машины (для нарезки мерзлого грунта на блоки), а при разработке траншей - дисковые экскаваторы, фрезерные и баровые машины; при вертикальной планировке площадки - навесные рыхлители. Эти машины работают обычно вместе с экскаваторами, которые разрабатывают как разрыхленный мерзлый, так и талый грунт [2].

Рыхление позволяет обеспечить требуемую фракцию грунта. Также дальнейшая отсыпка грунта после его измельчения вызывает меньшую трудо- и энергоемкость по сравнению с другими способами разработки грунта.

1.2 Анализ конструкций машин для обратной засыпки траншей мерзлым грунтом

Среди машин и оборудования, конструкции которых наиболее приближены к решению, можно выделить следующие.

Конструкция, предусматривающая одновременное рыхление мерзлого грунта и его засыпку в траншею, разработана и запатентована С. М. Ротенштейном, КА. М. Калягиным и А. С. Херсонским в 1959 [4]. Она представляет собой машину (рисунок 2), рабочий орган которой смонтирован на раме 1, шарнирно соединенной с гусеничным движителем 2 и размещен впереди его по ходу. Барабан, образованный продольно расположенными лопастями 3 и кольцами 4, катится по опорным роликам 5, вращаемым специальным электромотором 6, установленным на металлическом каркасе рамы 1.

Принцип работы данной машины заключается в следующем: разрушенный зубьями 8 мерзлый грунт подхватывается ножами-лопастями 3 и сваливается на ленточный транспортер 9, помещенный внутри барабана. Свободный конец транспортера 9 устанавливают так, чтобы мелкие смерзшиеся куски грунта ссыпались на середины траншеи с возможно малой высоты, не повреждая изоляции трубопровода.

Подъем и опускание рабочего органа машин осуществляют посредством гидроцилиндра 10, к штоку которого 11 присоединен пропущенный через блок 12 трос 13, второй конец которого закреплен на каркасе рамы 1.

Данная конструкция позволяет производить требуемые работы, но она является громоздкой, а ее производство стоило бы больших денег. Описанная конструкция не встречаются среди реальных моделей машин.



Рисунок 3 – Машина для засыпки грунтом траншей

(иллюстрация к патенту).
Также существует еще один патент, в котором бульдозер включает в себя базовую машину 1, толкающие брусья 2, отвал 3 и дополнительный рабочий орган, состоящий из жестко соединенных с толкающими брусьями 2, поддерживающих брусьев 4, на которых закреплен вал 5 с жестко установленными дисковыми фрезами 6. На поддерживающих брусьях 4 установлен гидромотор 7, жестко связанный с валом 5. Задачей изобретения является расширение технологических возможностей.

Бульдозер работает следующим образом.

Базовая машина 1 подъезжает к месту работы. Затем включают гидромотор 7, который вращает вал 5 с закрепленными на нем дисковыми фрезами 6. С помощью гидроцилиндров опускают отвал 3, а вместе с ним и поддерживающие брусья 4. Вращающиеся фрезы 6 разрезают грунт перед отвалом 3, тем самым уменьшая сопротивление резанию, вследствие возникновения свободного резания грунта отвалом 3 при двух открытых стенках реза. Так как фрезы вращаются по направлению движения бульдозера и режут грунт «сверху-вниз», то возникающая горизонтальная составляющая силы сопротивления резанию направлена вперед по ходу рабочего движения бульдозера и как бы «подталкивает» бульдозер, компенсируя часть затрат мощности на преодоление сопротивления перемещению бульдозера (рисунок 3) [5].



Рисунок 4 – Бульдозер (иллюстрация к патенту).

Данная конструкция обладает следующими недостатками. Во-первых, дисковые фрезы не обеспечивают требуемой крупности грунта. Во-вторых, жесткая конструкция не позволяет направленно перемещать грунт в траншею при движении.

Еще одно рабочее оборудование для рыхления заслуживает особого внимания. Данным оборудованием является роторная фреза, навешиваемая на экскаватор (рисунок 4).

Особое преимущество их заключается в том, что их применением возможно при работе с бетоном, мерзлыми и каменистыми грунтами, скальной породой [6]. Данные фрезы буквально «вгрызаются» в грунт, разрыхляя и измельчая его.



Рисунок 5 – Роторная фреза для экскаватора
К сожалению, навесные роторные фрезы имеют возможность лишь измельчать, но не перемещать грунт в продольном направлении относительно фрезы.

Анализ существующих машин и оборудования показал, что в настоящее время отсутствуют машины, которые могли бы одновременно осуществлять разработку, измельчения мерзлого (смерзшегося) грунта, а также ссыпать его в мелко-, среднедисперсном состоянии в траншею. Также стоит отметить, что способ разработки грунта рыхлением является наиболее подходящим, так как при его помощи можно достигнуть желаем крупности кусков, а также существует возможность контролирования процесса. Бульдозер же является наиболее популярной машиной при засыпке траншей талым грунтом. Можно сделать вывод, что при использовании фрезерного оборудования, навешиваемого на экскаватор (при измененных размерах такового), позволяющее рыхлить и измельчать грунт в достаточной степени, совместно с бульдозерным оборудованием (или вместо него) можно осуществить одновременную разработку мерзлого грунта с последующей его отсыпкой в траншею без повреждения изоляции трубопровода.

1.3 Техническое задание на проектирование

1. Наименование и область применения изделия

Поворотный фрезерный барабан с защитным кожухом, расположенные на месте бульдозерного оборудования. Область применения – обратная засыпка траншей мерзлым грунтом.

2. Основание для разработки

Задание на проектирование

3. Цель и назначение разработки

Разработать конструкцию фрезерного барабана, а также способ его закрепления при его установке вместе с защитным кожухом вместо бульдозерного оборудования. Целью разработки является возможность одновременного рыхления, измельчения и отсыпки грунта в траншею.

4. Технические требования

Состав изделия:

Базовая машина – трактор Т-10

Категория разрабатываемого грунта – VI;

Диаметр ротора – 520 мм;

Общая длина барабана (ширина проработки) – 3600 мм.

5. Стадии и этапы разработки

1) Разработка технического задания;

2) Эскизное проектирование;

3) Техническое проектирование;

4) Разработка рабочей документации.

1.4 Техническое предложение конструкции машины для обратной засыпки траншей мерзлым грунтом

Предлагается конструкция оборудования для обратной засыпки траншей грунтом на базе трактора Т-10М (производства ЧТЗ)

Рабочее оборудование состоит из цилиндрического фрезерного барабана и защитного кожуха. Привод фрезерного барабана производится гидравлическим двигателем, который располагается внутри самого барабана. Подъем, опускание и поворот фрезерного барабана и защитного кожуха осуществляется гидроцилиндрами.

При работе трактора с данным оборудованием осуществляется одновременное рыхление и измельчение грунта фрезерным барабаном и за счет возможности поворота барабана будет осуществляться сброс разработанного грунта в траншею.



Рисунок 6 – Машина для обратной засыпки траншей мерзлым грунтом.

2 Расчеты

2.1 Мощностной расчет

Определяем необходимую частоту вращения ротора [7].

Частота вращения ротора определяется по формуле, мин ^–1:



(2.1)

где – диаметр ротора, принимается конструктивно, м;

– скорость резания грунта, м/с.

Скорость резания равна, м/с:



где – окружная скорость на концах резцов, м/с (v_окp = 9 ...14 м/с); принимаем = 9 м/с;

– скорость поступательного движения машины, м/с; принимаем предварительно = 0,03 м/с;

Знак минус обусловлен тем, что резание производится сверху вниз.

Определим скорость резания согласно формуле (2.2):

= 9 - 0,03 = 8,97 м/с;

Частоту вращения ротора найдем согласно формуле (2.1):



Мощность двигателя, необходимая для работы фрезы, затрачивается на резание грунта, отбрасывание его в сторону, подталкивание фрезы и на преодоление сил трения.

Основная часть мощности расходуется на резание грунта, кВт Жулай:



(2.2)

где b – ширина фрезеруемой полосы, м; принимаем b = 3,6 м;

h – глубина рыхления, м; принимаем h = 200 мм= 0,2 м;

s – толщина стружки, м; s = 2 мм = 0,002 м;

z– количество лопастей на роторе; z = 6;

– частота вращения ротора, мин ^-1; = 330 мин^-1;

– удельное сопротивление грунта резанию, кПа, = 600 кПа

Для эффективного измельчения грунта толщина стружки, срезаемой каждым резцом, должна быть s = 2 …5 мм (0,002 …0,005 м). Меньшие значения толщины стружки принимают при резании связных и мерзлых грунтов. Принимаем s = 2 мм.

Удельное сопротивление грунта резанию зависит от размеров стружки, скорости резания, а также от вида и состояния грунта. При расчетах можно принимать для VI категории грунта следующее значение этого сопротивления: k₀ = 600 кПа

Мощность, расходуемая на резание грунта, согласно формуле (2.3) составит:



Мощность, расходуемая на отбрасывание разрыхленного грунта, кВт, определяется по формуле [7]:



(2.3)

где k_от– коэффициент отбрасывания, принимаемый равным 0,75 для узких резцов и 1,0 – для широких; принимаем k_от= 0,75;

– плотность (объемная масса) грунта, принимаем ;

– скорость поступательного движения машины, м/с; ;

– скорость резания, м/с; м/с;

Определим мощность, расходуемую на отбрасывание разрыхленного грунта, согласно формуле (2.4):



Мощность, расходуемая на подталкивание фрезы (преодоление сопротивления при перемещении по ходу фрезерования), находится по следующей эмпирической формуле [7]:



где – коэффициент, равный 0,15–0,20, принимаем k₁ = 0,2;

Определим мощность, необходимую на подталкивание фрезы, по формуле (2.5):



Мощность на преодоление сил трения в передачах, кВт, определяется по формуле [7]:



где - КПД передач трансмиссии ( ,

Тогда согласно формуле (2.6) мощность на преодоление сил трения в передачах составит:




Мощность двигателя фрезерного рабочего органа должна соответствовать требованию [7]:


Минимально необходимая мощность двигателя фрезы согласно требованию (2.7) составит:



Крутящий момент на валу ротора, кН·м, определяется по формуле [7]:


Определим по формуле (2.8) значение крутящего момента на валу ротора:


Расчет элементов ротора и его привода производится при максимальном крутящем моменте с учетом динамических перегрузок по формуле, кН·м [7]:



(2.7)

где = 1,2 …2 – коэффициент динамичности, принимаем, = 1,4.



Окружное усилие, по величине которого рассчитывается прочность резцов и другие элементы ротора, равно, кН:



(2.8)



Выбор двигателя привода фрезы

Основные требования для выбора гидродвигателя:

• 
  Частота вращения ротора = 330 об/мин;
  
• 
  Мощность двигателя должна составлять ;
  
• 
  Значение максимального крутящего момента на валу ротора фрезы ;
  
• 
  Номинальное давление не должно превышать , так как это давление обеспечивается гидросистемой базовой машины трактором Т-10М.
  
• 
  Расход жидкости гидродвигателем не должен превышать подачу насоса гидросистемы базовой машины трактора Т-10М: Q_н = 173,4 л/мин.
  

Выбираем героторный гидравлический мотор MLHV 500 со следующей технической характеристикой:

• 
  Давление на входе номинальное p_ном = 20 МПа;
  
• 
  Мощность номинальная - 53,5 кВт;
  
• 
  Крутящий момент, Н∙м:
  

номинальный Т_ном = 1460;

максимальный Т_макс = 1760;

• 
  Частота вращения вала, об/мин:
  

номинальная ν_ном = 400;

максимальная ν_макс = 480;

• 
  Расход, л/мин :
  

номинальный Q_ном = 200;

максимальный Q_макс = 240;

Ниже представлена функциональная схема данного гидромотора



Рисунок 7 - Функциональная схема гидромотора MLHV 500
При обеспечении гидромотора подачей 173,4 л/мин и номинальном давлении 17 МПа мотор выдает требуемые мощность и крутящий момент, следовательно, выбранный двигатель удовлетворяет всем требованиям

Библиографический список

1. СП 45.1330.2017 Земляные сооружении, основания и фундаменты. Актуализированная редакция СНиП 3.02.01-87.

2. Телешев В.И. и др. Производство гидротехнических работ. Часть 1. Учебник для вузов/ Телешев В. И., Ватин Н. И., Марчук А. Н. и др. – Москва: Издательство Ассоциации строительных вузов, 2008. – 430 с.

3. Львовский национальный аграрный университет. Основы ТСП (лекции) [Электронный ресурс]: ttps://studfiles.net/preview/5284934/page:20/

4. Патент № 1834913. СССР. Машина для засыпки трубопроводов, уложенных в траншеи, смерзшимся грунтом. [Текст] / Ротенштейн С. М., Калягин А. М., Херсонский А. С. - № 626848/29; заяв. 01.05.1959, опуб. 1960 Бюл. изобр. № 7. – 2 с. : 1 ил.

5. Патент № 2270299 С1. РФ. Бульдозер. [Текст] / Демиденко А. И., Снигерёв Д. С., Молодкин С. Е. - № 2004118134/03; заяв. 15.06.2004, опуб. 20.02.2006 Бюл. № 5. – 6 с., 3 ил.

6. Роторные проходческие фрезы SIMEX TF для экскаваторов и экскаваторов-погрузчиков. [Электронный ресурс]: http://simex-rus.ru/simex-tf-ротоные-проходческие-разрыхление-мерзлого-грунта-разбор-скальной-горной-породы-тоннельные-работы.html

7. Жулай В. А. Дорожные машины. Сборник расчетных работ для студентов / Жулай В. А. – Воронеж 2014, 59 с.