Методологічні основи та практика створення мінімальноенергоємних робочих органів для формування комунікаційних порожнин в ґрунті

Abstract

Нові підходи в науці та практиці створення високоефективного обладнання для безтраншейного прокладання підземних комунікацій. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.05.04 «Машини для земляних, дорожніх і лісотехнічних робіт» (13 – Механічна інженерія). – Харківський національний автомобільно-дорожній університет Міністерства освіти і науки України, Харків, 2020. Дисертацію присвячено вирішенню актуальної науково-прикладної проблеми забезпечення більш ефективного та керованого формування горизонтальних свердловин для безтраншейного прокладання розподільних підземних комунікацій шляхом узагальнення наукових основ створення установок і обладнання, обґрунтування їх раціональних конструктивних параметрів та створення силового типоряду установок, розширення області використання та технологічних можливостей статичних методів формування комунікаційних порожнин в ґрунті. В роботі обґрунтовано актуальність теми, сформульовано об’єкт, предмет, мету і завдання дослідження, описано методи дослідження, а також визначено зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами; надано інформацію про апробацію та публікації результатів дисертаційного дослідження. Наукова новизна отриманих результатів полягає у розробленні узагальнених теоретичних залежностей, які вперше отримані на основі закону рівності мас ґрунту до і після його руйнування та нормативних фізико-механічних властивостей ґрунтів, що сприяють створенню спеціальних високоефективних установок для безтраншейного прокладання інженерних підземних комунікацій на базі встановлених закономірностей взаємодії їх робочих органів з ґрунтовим середовищем методами статичного проколу ґрунту, його продавлювання та їх комбінації. Вперше: – обґрунтовані передумови підвищення ефективності безтраншейного прокладання підземних інженерних комунікацій за рахунок раціонального використання методів статичного проколу та продавлювання ґрунту і їх комбінації при створенні комунікаційних порожнин; – отримано теоретичні залежності процесів формування свердловин в ґрунті статичними методами та виконано комплексне дослідження впливу на режимні параметри виконання робіт форм наконечників проколюючих головок у вигляді конусу, циліндричного кільця, конусного кільця і асиметричного наконечника з урахуванням властивостей поширених типів ґрунтів; – визначено величину зниження опору ґрунту при його проколі конічним наконечником з виступом та з умови мінімізації витрат зусиль встановлено його мінімально ефективний діаметр, який дозволив отримати розміри оптимального діаметру свердловини та межі ефективного використання методу проколу ґрунту, за якими слід переходити на інші методи формування свердловини; – встановлені теоретичні залежності для визначення зони деформації ґрунту навколо конічно-циліндричних наконечників з зовнішнім конусом відповідно до їх параметрів, діаметру свердловини та властивостей поширених типів ґрунтів; – визначені конструктивні та режимні параметри роботи асиметричного (зрізаного циліндра) наконечника грунтопроколюючої головки для керованого проколу в залежності від конструкції штанг, їх матеріалу і ґрунтового середовища та розроблені рекомендації для проектування траєкторії траси з максимально допустимим відхиленням руху головки від прямої осі; – обґрунтовано області ефективного використання методів статичного формування комунікаційних порожнин в ґрунті та визначено алгоритми розрахунку раціональних параметрів робочих органів з конусним, конусно-гвинтовим, конусно-кільцевим і асиметричним (зрізаним) наконечниками робочих органів та режимних параметрів приводу установок; – розрахунками економічної ефективності обґрунтовано рекомендації для створення силового типоряду установок статичної дії з можливістю комбінації методів проколу і продавлювання ґрунту та керування траєкторією руху при створенні горизонтальних свердловин для безтраншейного прокладання розподільних інженерних комунікацій, що знаходяться в межах до 400 мм діаметром та довжиною до 100 м; – розроблені узагальнені теоретичні положення процесів створення комунікаційних порожнин в ґрунті базуються на уявленні про зміну закону щільності ґрунту навколо свердловини, що визначається компресійним модулем деформації ґрунту, який залежить від фізико-механічних властивостей ґрунтів і дозволяє отримати закони розподілення нормального тиску ґрунту на робочі поверхні виконавчих інструментів на основі закону збереження ґрунтової маси до та після його ущільнення (без проведення експериментальних досліджень); – новизна пристроїв для формування горизонтальних свердловин шляхом статичного задавлювання робочих органів у ґрунт при безтраншейному прокладанні комунікацій, для яких загальним є раціональність конструктивних параметрів їх наконечників, підтверджена 9 патентами України. Результати наукових досліджень дисертаційної роботи полягають в обґрунтуванні вибору високоефективних методів статичного формування свердловин для безтраншейного прокладання інженерних комунікацій в залежності від її параметрів і ґрунтових умов та в створенні алгоритму визначення раціональних параметрів робочих органів для розробки ґрунту в кожному випадку. На основі розроблених рекомендацій та отриманих інженерних розрахунків було складено технічне завдання на створення типоряду установок, які були прийняті до сумісного виробництва підприємствами ТОВ «НВП «Газтехніка ЛТД» та ТОВ «СКТБ «Гідромодуль». Серійно освоєне виробництво наступних установок: для лідерного проколу ґрунту – малогабаритна установка – МП-125; для проколу ґрунту, його поетапного розширення конусними розширювачами або кільцевими робочими органами та можливістю окремого продавлювання ґрунту – МП-250М; для гвинтового проколу ґрунту УГ-2; для керованого проколу – установки: МП-250К та УКР-180 з телеметричною системою контролю СКР-2.4; для формування свердловин в ґрунті під різними кутами статичними методами та бурінням - універсальна установка УБГТ-180. Для їх впровадження було розроблено технологічні карти виконання робіт по безтраншейному прокладанню комунікацій методами статичного проколу, продавлюванню ґрунту та їх комбінації. Практичне використання при будівництві переходів установки отримали в цілому ряді спеціалізованих та будівельних компаніях, а саме: ДП «Управління механізованих робіт» ВАТ «Харківспецбуд», ТОВ «Харківспецбуд-1» та ТОВ «Промтехніка Плюс». Здійснено обґрунтування вибору високоефективних методів статичного формування свердловин для безтраншейного прокладання інженерних комунікацій в залежності від її параметрів та ґрунтових умов та створено алгоритми визначення раціональних параметрів робочих органів для розробки ґрунту в кожному випадку. Впровадження одержаних результатів виконаних досліджень на будівельних об’єктах з установками та робочим обладнанням для формування комунікаційних порожнин в ґрунті методами його статичного проколу, продавлювання та їх комбінації дозволило підвищити ефективність безтраншейного прокладання інженерних комунікацій, а саме: – знизити енергоємність процесу проколу ґрунту циліндрично-конічним наконечником на 24% за рахунок використання конічної частини з виступом, розмір якого відповідає еквівалентному діаметру; – збільшити діаметр свердловини при близькому її формуванні від поверхні основи доріг до 400 мм за рахунок використання обладнання конічно-трубчастої форми з зовнішнім загостренням ріжучої кромки, що майже на 26% менше ніж такий же наконечник, але з двостороннім загостренням кромки; – скоротити час виконання робіт за рахунок зменшення об’єму видалення ґрунту більше, ніж в 2 рази при використанні комбінованого методу формування свердловини; – підвищити точність проходки робочого органу при формуванні лідерної свердловини за рахунок керування траєкторії його руху в ґрунті, що дозволило збільшити довжину прольотів з 20–25 м до 100 м; – зменшити масу та габарити установок для безтраншейного прокладання підземних комунікацій та зменшити площу стартового котловану для їх розташування, що є важливим для стислих міських умов. Результати роботи можуть бути також корисними при створенні фортифікаційних та захисних споруд і об’єктів. На основі проведеного аналізу наявних підходів щодо підвищення ефективності виконання процесу безтраншейного прокладання підземних комунікацій було встановлено, що основними стримуючими факторами поширення сфери використання високоефективних установок статичної дії для створення горизонтальних свердловин в ґрунті при прокладанні підземних комунікацій є низькі темпи виконання земляних робіт, значна енергоємність процесів, особливо на близької відстані від поверхні, або до прилеглих комунікацій та невелика точність проходки ґрунтопроколюючої головки в ґрунті. Висунуто ідею раціонального розроблення комунікаційних порожнин шляхом комбінації методів проколу та продавлювання ґрунту. Встановлено, що для технологічної реалізації кожного методу формування свердловини відповідають робочі органи з різною формою наконечників. Для проколу ґрунту ця форма буде у вигляді конічно-циліндричного наконечника, для продавлювання трубчатого наконечника з загостреною кромкою та для комбінованого методу це буде конічно-трубчастий наконечник. Для керованого проколу ґрунту наконечник повинен бути асиметричним, а саме у зрізаного під кутом циліндру. В рамках розвитку методологічних основ створення комунікаційних порожнин в ґрунті для кожного з випадків було розроблено аналітичну закономірність процесів розробки ґрунту різними наконечниками на основі закону зміни щільності ґрунту при ущільнені, що визначається компресійним модулем деформації ґрунту, який залежить від фізико-механічних властивостей ґрунтів, що дає можливість отримати закономірності розподілення нормального тиску ґрунту на робочі поверхні виконавчих інструментів на основі закону збереження ґрунтової маси до та після його ущільнення (без проведення експериментальних досліджень). Отримані математичні залежності дозволили обґрунтувати можливості зниження сил опору ґрунту проколу до 26 % за рахунок виступаючої конічної кромки над циліндричною частиною проколюючої головки, який в супіску буде рівним 1,08 від діаметру циліндричної частини (фактично свердловини), в глині 1,22 та в суглинку 1,31, та встановити оптимальні розміри ефективного проколу ґрунту конічно-циліндричним наконечником, які дорівнюють: для суглинку – 236 мм, для глини – 295 мм та для супіску – 444 мм, що відповідають двом оптимальним діаметрам. Якщо діаметр свердловини більший за максимально-граничного, то прокладання підземних комунікацій необхідно здійснювати не проколом, а іншими способами, наприклад, продавлюванням або комбінованими методами. Порівнянням розрахунків опору ґрунту вдавлюванню трубчастих наконечників було встановлено, що наконечник з зовнішнім конічним загостренням ріжучої кромки на 25–30 % менша ніж з двоконусним загостренням за рахунок створення додаткового опору від деформування ґрунту внутрішнім конусом. Встановлені закономірності утворювання зон деформування ґрунту при просуванні робочих органів та визначені їх розміри. Сформульовано підходи до визначення параметрів робочого органу у вигляді зрізаного циліндра та їх вплив на траєкторію руху головки в ґрунті, встановлено мінімальний та максимальний кут його зрізу в залежності від ґрунтового середовища та жорсткості штанг. Розроблено експериментальну установку з можливістю керування процесом проколу ґрунту, що дозволило експериментально довести доцільність та ефективність практичної реалізації результатів дослідження щодо формування свердловин високоефективними методами та силовим обладнанням з раціональними параметрами робочих органів для їх реалізації. Розроблено методологію та алгоритм вибору методів та розрахунку робочого обладнання для створення комунікаційних порожнин відповідно до їх параметрів та умов проходки в різних типах ґрунтів. Обґрунтовано типоряд силових установок та параметри їх робочих органів. Ефективність практичної реалізації результатів дослідження щодо створення комунікаційних порожнин методами стичного проколу ґрунту, його продавлювання та їх комбінації визначається високою точністю проходки, обґрунтуванням вибору методів та визначенням раціональних параметрів робочого обладнання відповідно до технологічних умов розробки свердловини; малими габаритами та підвищенням продуктивності, які знижують енергетичні витрати на здійснення робочого процесу від 25 % до 40 % при підвищенні темпів робіт на 30 %. Проведені дослідження виявили ряд нових задач, зокрема розробки свердловини методом гвинтового проколу ґрунту, який має технічні переваги по відношенню до розглянутих в роботі обладнань, але потребує додаткових досліджень.