Разработка мерзлых грунтов землеройными машинами с дисковым инструментом

Р. Б. Желукевич

Монография

Институт нефти и газа

РазРаБотка  меРзлых  гРунтов
землеРойными  машинами
с  дисковым  инстРументом

Приведена математическая модель процесса взаимодействия дисковых резцов с разрушаемой средой. Представлены результаты исследования резания мерзлых 
грунтов таким инструментом на стендах, при бурении 
скважин в натуральную величину, а также испытания 
одностоечных рыхлителей с уширителями на машинах 
в условиях строительного производства с использованием тензометрирования при замере сопротивлений 
разрушению мерзлых грунтов.

9 785763 824704

ISBN 978-5-7638-2470-4

Оглавление 

1 

Министерство образования и науки  Российской Федерации 
Сибирский федеральный университет 
 
 
 
 
 
 
 
 
Р. Б. Желукевич 
 
 
  РАЗРАБОТКА  
МЕРЗЛЫХ  ГРУНТОВ  
ЗЕМЛЕРОЙНЫМИ  МАШИНАМИ  
С  ДИСКОВЫМ  ИНСТРУМЕНТОМ 
 
 
Монография  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Красноярск  
СФУ 
2012 

Оглавление 

2 

УДК 622.271.7:621.878 
ББК 33.131.139.2+33.16 
         Ж527 
 
 
 
 
 
Р е ц е н з е н т ы: 
В. Д. Буткин, д-р техн. наук, проф., заслуженный деятель науки РФ; 
В. Ф. Полетайкин, д-р техн. наук, проф.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Желукевич, Р. Б. 
Ж527        Разработка мерзлых грунтов землеройными машинами с дисковым инструментом : монография / Р. Б. Желукевич. – Красноярск : Сиб. федер. ун-т, 2012. – 196 с. 
ISBN 978-5-7638-2470-4 
 
Приведена математическая модель процесса взаимодействия дисковых 
резцов с разрушаемой средой. Представлены результаты исследования резания 
мерзлых грунтов таким инструментом на стендах, при бурении скважин в натуральную величину, а также испытания одностоечных рыхлителей с уширителями 
на машинах в условиях строительного производства с использованием тензометрирования при замере сопротивлений разрушению мерзлых грунтов. 
Предназначена для научных работников, преподавателей и конструкторов, 
может быть полезна студентам и магистрам. 
 
 
УДК 622.271.7:621.878 
ББК 33.131.139.2+33.16 
 
ISBN  978-5-7638-2470-4                                                             Сибирский федеральный  
 
                                                                                               университет, 2012 

Оглавление 

3 

ОГЛАВЛЕНИЕ 
 
 
ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………………. 
5
 
1. ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ МЕРЗЛЫХ ГРУНТОВ  
    ЗЕМЛЕРОЙНЫМИ МАШИНАМИ И ОБОСНОВАНИЕ 
    ВЫБОРА ДИСКОВОГО ИНСТРУМЕНТА……………………. 
9
1.1. Разработка мерзлых грунтов  
       и выбор дискового инструмента…………………………… 
9
1.2. Обзор исследований по разрушению  
       горных пород дисковым инструментом…………………… 
19
1.3. Анализ конструкций устройств    
       по разрушению мерзлого грунта дисковым инструментом 
24
 
2. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ КОНТАКТНОЙ ПОВЕРХНОСТИ 
    ДИСКОВЫХ РЕЗЦОВ С МЕРЗЛЫМ ГРУНТОМ…………….. 
29
2.1. Теории процесса разработки грунтов…………………..…. 
29
2.2. Возможные схемы использования дискового инструмента 
      в рабочих органах землеройных машин…………………… 
38
2.3. Кинематические исследования движения точек  
       дискового резца……………………………………………... 
43
2.4. Математическая модель взаимодействия  
       дискового резца с грунтом…………………………………. 
47
 
3. РЕЗАНИЕ ТВЕРДЫХ СРЕД ДИСКОВЫМИ  РЕЗЦАМИ……. 
63
3.1. Методика лабораторных исследований резания  
       твердых сред дисковыми резцами…………………………. 
63
3.2. Результаты исследований процесса резания  
       твердых сред дисковыми резцами…………………………. 
72
3.3. Испытания дисковых резцов на рабочих органах  
       бесковшовых роторных экскаваторов…………………….. 
87
 
4. БУРЕНИЕ СКВАЖИН В МЕРЗЛЫХ ГРУНТАХ  
    БУРОВЫМИ ГОЛОВКАМИ  
    С ДИСКОВЫМ ИНСТРУМЕНТОМ…………………………… 
95
4.1. Конструкции буровых головок и режущего инструмента 
       для бурения скважин в мерзлых грунтах…………………. 
95
 

Оглавление 

4 

4.2. Выбор параметров буровых головок  
       с дисковым инструментом…………………………………. 
105
4.3. Методика экспериментальных стендовых исследований 
       буровых рабочих органов 
       с дисковым инструментом в естественных мерзлых грунтах 
108
4.4. Сравнительные экспериментальные стендовые  
       исследования буровых рабочих органов и их анализ……. 
113
4.5. Натурные исследования буровых рабочих органов  
       с дисковым инструментом в условиях  
       строительного производства………………………………. 
129
 
5. РЫХЛЕНИЕ МЕРЗЛОГО ГРУНТА  
    В ПОЛЕВЫХ УСЛОВИЯХ  
    С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТЕНЗОМЕТРИИ……………………. 
134
5.1. Способы повышения эффективности  
       процесса рыхления мерзлых грунтов……………………… 
134
5.2. Методика тензометрических исследований рыхления  
       мерзлых грунтов……………………………………………. 
144
5.3. Тяговая динамика  
       бульдозерно-рыхлительного агрегата ДЗ-94С……………. 
152
5.4. Производительность и энергоемкость рыхления  
       мерзлых грунтов бульдозерно-рыхлительным агрегатом 
       ДЗ-94С с уширителем..…………………………………….. 
163
5.5. Эксплуатационная нагруженность рабочих органов  
       рыхлителей в зависимости от типа оборудования  
       и прочности грунта…………………………………………. 
166
 
ЗАКЛЮЧЕНИЕ…………………………………………………….. 
174
 
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ…………………………………………. 
176

Введение 

5 

ВВЕДЕНИЕ 
 
 
Около 90 % территории нашей страны находится в зоне распространения сезонно-мерзлых и вечномерзлых грунтов. Добыча природных ресурсов сместилась в районы Сибири и Севера, где количество дней с отрицательной температурой составляет более 60–70 % от 
общего количества дней в году. Обустройство нефтяных и газовых 
месторождений на территории Сибири и строительство трубопроводов в  районах Дальнего Востока и  Китая с особой остротой выдвигает проблему повышения темпов разработки мерзлых грунтов и снежно-ледяных образований механическим способом в зимнее время 
ввиду заболоченности местности. Сказанное относится и к северным 
районам Западной Сибири, в которых заболоченность занимает 65–70 % 
площади, районам Европейского Севера (30–35 %) и Восточной Сибири – 20–27 % [40, 63]. 

Земляные работы в строительстве относятся к наиболее трудоемким процессам. Выполнение этих работ в мерзлых грунтах осложняется тем, что их прочность в десятки, а абразивность в сотни раз 
выше, чем у талых грунтов. Это вызывает дополнительные затраты, 
требует специальных способов ведения работ, повышения долговечности режущего инструмента, совершенствования и создания новых 
рабочих органов.

 В перспективе до 2020 г. механический способ разработки таких грунтов останется преобладающим. Актуальность разработки таких грунтов возрастает с ростом объемов земляных работ, сокращением сроков строительства. Снижение трудоемкости и необходимость 
повышения долговечности режущего инструмента рабочих органов 
землеройных машин, который в таких условиях быстро выходит из 
строя, – задачи сегодняшнего дня. Так при разрушении прочных 
мерзлых грунтов наконечники стоек рыхлителей подлежат замене после нескольких смен работы, режущие зубья роторных экскаваторов с 
наплавкой – после проходки 50 м траншеи. С целью увеличения долговечности режущего инструмента угол резания у зубьев буровых коронок увеличен до 85–90ο, что приводит к увеличению усилий резания в 1,75 раза, снижению производительности и повшению энергоемкости процесса. Основными землеройными и буровыми  машинами, осуществляющими разработку таких грунтов, являются рыхлите

Введение 

6 

ли на базе мощных гусеничных тракторов, рабочий процесс которых 
характеризуется наименьшей энергоемкостью разрушения мерзлых 
грунтов по сравнению с другими методами (например, буровзрывным), а эффективность процесса бурения с данными параметрами режущего инструмента занижена. Необходимость исследования конструкции рабочих органов таких машин и их совершенствования вызвана тем, что имеются резервы повышения производительности землеройных машин за счет установки на их рабочие органы дисковых резцов. Перспективность этого инструмента обусловлена тем, что он дает возможность уменьшить путь трения в десятки раз, заменить трение скольжения режущей кромки традиционным зубом трением качения и снизить динамические нагрузки на рабочий орган при встрече с 
включениями. 
В настоящей работе изучен и определен объект исследования, 
поставлены и решены задачи, касающиеся разработки новых и совершенствования существующих рабочих органов землеройных машин с дисковым инструментом. В связи с этим объектом исследования являются процессы рыхления и разработки однородных мерзлых 
грунтов рыхлителями с уширителями и без уширителей на широко 
применяемых тракторах тягового класса 250 кН, взаимодействия буровых коронок и рабочих органов дискофрезерных землеройных машин с таким грунтом.

Целью проведенных исследований является  повышение эффективности разработки мерзлых грунтов рабочими органами землеройных машин с дисковым инструментом. 
В ходе исследования решены следующие задачи: 1) выполнен 
анализ существующих схем взаимодействия и определены сопротивления, возникающие на традиционном инструменте при разрушении 
мерзлых грунтов; 2) разработана математическая модель взаимодействия дискового инструментом с разрушаемой твердой средой; 3) разработаны рабочие органы и стенды для проведения исследований нагруженности дискового инструмента и отдельных типов рабочих органов в реальных природно-климатических условиях при разрушении 
мерзлых грунтов; 4) разработаны методики проведения лабораторных, стендовых и натурных исследований нагруженности буровых, 
роторных, дискофрезерных рабочих органов и рыхлителей с дисковыми уширителями при разрушении мерзлых грунтов; 5) исследована 
нагруженность экспериментальных буровых рабочих органов на 

Введение 

7 

стенде с использованием тензометрирования и проведена опытная 
проверка их на реальных машинах; 6) исследована нагруженность 
рыхлителей с дисковым уширителем на базовых машинах тягового 
класса 250 кН с использованием тензометрирования; 7) определены 
показатели тягово-сцепных свойств бульдозерно-рыхлительного агрегата с дисковым уширителем и без него в мерзлых грунтах различной 
категории прочности; 8) проведен анализ исследований и по его результатам даны основы научного подхода к выбору,  оценке параметров рабочих органах машин с дисковым инструментом, разработке 
рабочих органов с таким инструментом и рекомендации по применению рыхлителей с уширителями в мерзлых грунтах. 
Задачи исследования решены на основе использования теоретических и экспериментальных методов. При составлении математической модели процесса взаимодействия дискового инструмента использован комплексный подход рационального сочетания аналитического определения нагруженности инструмента, лабораторных и натурных исследований. 
Монография написана по результатам исследований автора, которые обоснованы теоретически, проверены в лабораторных и натурных условиях, опубликованы в научных и практических изданиях, 
новизна конструктивных решений подтверждена 19 патентами и авторскими свидетельствами. 
Научная новизна работы: 1) разработана математическая модель взаимодействия дискового инструмента и проведены теоретические исследования по определению сопротивлений, возникающих на 
дисковом инструменте при разрушении твердых сред, осуществлена 
экспериментальная проверка полученных результатов; 2) разработаны 
методики проверки на стендах геометрических параметров дисковых 
резцов и величин среза буровыми коронками в реальных грунтовых 
условиях, проведены исследования уширителей с дисковыми резцами 
на стойках рыхлителей в грунтах различной категории прочности с 
использованием тензометрии, позволившие определить сопротивления, возникающие на рабочих органах в реальных грунтовых условиях, и сравнить их величины с расчетными значениями; 3) получены 
функциональные зависимости и регрессионные уравнения процессов 
разрушения грунтов дисковыми резцами при бурении скважин, рыхлении мерзлых грунтов с использованием уширителей и без уширителей; 4) исследован механизм процесса разрушения мерзлых грунтов 

Введение 

8 

дисковым инструментом на роторных рабочих органах при нарезании 
щелей, бурении и рыхлении мерзлых грунтов различной прочности 
уширительным оборудованием, закрепленным на стойке рыхлителя. 
Практическая значимость работы: 1) на основе теоретических 
и экспериментальных исследований создано рабочее оборудование в 
виде уширителей с дисковым инструментом к гусеничным рыхлителям, буровых коронок и роторных рабочих органов с дисковыми резцами для нарезания щелей в мерзлых грунтах; 2) разработаны математические модели, которые   дают возможность проектным организациям определять расчётные нагрузки на рабочем оборудовании в 
зависимости от параметров инструмента, среза и свойств среды, оценивать энергоёмкость процессов разрушения и мощность привода;              
3) разработанная методика проектирования рабочего оборудования          
с таким инструментом использована в проектных организациях и 
применяется в учебном процессе при изучении дисциплины  «Машины и агрегаты для содержания аэродромов», а также при выполнении 
выпускных квалификационных работ в Институте нефти и газа Сибирского федерального университета. 

1.1. Разработка мерзлых грунтов и выбор дискового инструмента 

9 

1. ПРОБЛЕМЫ  РАЗРАБОТКИ  
МЕРЗЛЫХ  ГРУНТОВ  
ЗЕМЛЕРОЙНЫМИ  МАШИНАМИ  
И  ОБОСНОВАНИЕ  ВЫБОРА  
ДИСКОВОГО  ИНСТРУМЕНТА 
 
 
1.1. Разработка мерзлых грунтов  
и выбор дискового инструмента 
 
Вечная мерзлота занимает более 65 %  территории России, Сибири – 85 %, а республики Саха (Якутия) – 95 % [54].    
Из общего объема земляных работ в строительстве 20–30 % 
приходятся на зимние месяцы [203, 162, 110], когда   сезонное промерзание грунта достигает глубины 2,5–3 м. В северных и восточных 
районах страны разработка мерзлого грунта составляет  83 % от общего объема выполняемых работ [63, 138]. Дальнейшее освоение Севера и районов, прилегающих к Байкало-Амурской магистрали, где 
подземные кладовые хранят огромные запасы полезных ископаемых, 
повлечет за собой увеличение объемов разработки мерзлых грунтов, в 
том числе во время сезонного промерзания [16]. Вечная мерзлота, 
глубокое сезонное промерзание в тех местах, где она отсутствует, 
большой процент каменистых включений в грунте ведут к повышенным нагрузкам на рабочее оборудование (и в первую очередь – режущий 
инструмент, который в таких условиях быстро выходит из строя); при 
этом объемы земляных работ в зоне Севера достигают 31 % [39]. 
При производстве земляных работ в зимнее время основным 
фактором, влияющим на работоспособность режущего инструмента, 
является прочность мерзлого грунта. Без знания условий, в которых 
работает инструмент, и свойств разрабатываемого грунта невозможен 
правильный выбор методов разрушения, режимов работы, рациональной геометрии инструмента и параметров среза таких сред рабочими органами. 
Согласно современным представлениям, мерзлый грунт – это 
упруго-пластичная среда, состоящая из четырех компонентов: минеральных частиц, воздуха, льда и незамерзшей воды. Гранулометрический, химический, минералогический составы частиц играют большую роль при формировании прочностных связей. Лед цементирует