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

Abstract

Сучасне забезпечення життєдіяльності населення, особливо у великих містах, неможливо уявити без якісного постачання енергоносіїв, води та каналізаційного відводу відходів. Постійний розвиток інфраструктури населених пунктів, широке впровадження сучасних технологій інформаційного забезпечення вимагає прокладання нових мереж. Великі обсяги земляних робіт і трудомісткість супутніх операцій створюють значні труднощі щодо використання траншейного способу прокладання інженерних комунікацій в обмежених умовах щільної забудови міст. Альтернативою цього є безтраншейні технології виконання робіт. З аналізу типорозмірів інженерних комунікацій розподільні мережі складають понад 85%. Для їх прокладання необхідно утворювати горизонтальну свердловину відносно невеликого діаметру – до 400 мм та довжиною підземних прольотів до 100 м. Найбільш ефективними для прокладання підземних комунікацій в визначених умовах є малогабаритні машини і установки, які створюють горизонтально спрямовані свердловини шляхом статичного проколювання та продавлювання ґрунту. Але ці методи мають суттєві недоліки, які обмежують їх використання, це: значні задавлюючи зусилля, низька точність і недостатня відстань проходки та великі зони деформації ґрунту навколо свердловини. З вище викладеного можливо визначити господарську проблему, яка полягає в забезпеченні безтраншейного прокладання розподільних інженерних комунікацій діаметром до 400 мм в стислих міських умовах з використанням високоефективних установок статичної дії для формування горизонтальних свердловин в ґрунті методами проколу, продавлювання та їх комбінаціями на довжину прольотів до 100 м за рахунок керованого процесу. Значна енергоємність та низька якість проходки свердловини розглянутими методами, їх малі значення ККД і визначають актуальність пошуку нових ефективних рішень по інтенсифікації процесу формування горизонтальних свердловин при безтраншейному прокладанні інженерних комунікацій. Отже, актуальною науковою проблемою є 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. Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Наукові дослідження дисертаційної роботи виконано у відповідності до наукових напрямків та завдань державних науково-технічних програм: «Енергетична стратегія розвитку України на період до 2030 року» (Постанова Кабінету Міністрів України №145-р від 15 березня 2008 р.), «Концепція розвитку, модернізації та переоснащення газотранспортної системи України на 2009–2015 роки» (Постанова Кабінету Міністрів України №1417-р від 21 жовтня 2009 р.). Дослідження також виконувалися відповідно науковому напрямку кафедри будівельних і дорожніх машин Харківського національного автомобільно-дорожнього університету (ХНАДУ), пріоритетними напрямками розвитку науки і техніки України на період до 2020 року, зазначеними в Законі України від 9 вересня 2010 р. №2519-IV про внесення змін до Закону України «Про пріоритетні напрямки розвитку науки і техніки» (Закон Україні «Про пріоритетні напрями розвитку науки і техніки» від 11 липня 2001 р. № 2623-ІІІ), а також плану науково-дослідних і проектно конструкторських робіт НВП «Газтехніка» «Розвиток і впровадження нової техніки підприємства на період 2012-2017 роки» за темою: «Розробка технологій безтраншейного прокладання розподільних газопроводів з полімерних матеріалів». Мета дослідження. Метою роботи є дослідження закономірностей процесів формування горизонтальних свердловин спеціальним землерийним обладнанням методами статичного проколу і продавлювання ґрунту, їх комбінацій і створення алгоритмів для розрахунку технічних і конструктивних параметрів установок, їх робочих органів у вигляді конусних, конусно-циліндричних, загостреного кільця (кільцеподібний) і асиметричних наконечників на основі закону рівності мас ґрунту до і після його руйнування з урахуванням фізико механічних властивостей ґрунту та технологічних аспектів його розробки. Основні завдання дослідження: 1. Виконати системний аналіз результатів досліджень процесів проколу і продавлювання ґрунту та сформулювати науково обґрунтовані передумови підвищення їх ефективності. 2. Обґрунтувати підходи до удосконалення існуючих наукових положень, теорій процесів взаємодії робочих органів для проколу і продавлювання ґрунту, їхних комбінацій та на основі закону рівності мас ґрунту до і після його руйнування отримати узагальнені теоретичні залежності їх розрахунку з урахуванням відомих фізико-механічних характеристик ґрунтів та технологічних особливостей методів їх розробки. 3. Розробити метод розрахунку процесу статичного проколу гранту та виконати комплексні дослідження впливу форми наконечника ґрунтопроколюючої головки на режимні параметри створення свердловин з урахуванням властивостей поширених типів ґрунтів. 4. Розробити метод розрахунку процесу статичного продавлювання ґрунту та виконати комплексні дослідження впливу форми наконечника ґрунтопродавлюючої головки на режимні параметри продавлювання ґрунтів з урахуванням властивостей їх поширених типів. 5. Розробити метод розрахунку процесу керованого проколу ґрунту та виконати комплексні дослідження впливу форми наконечника ґрунтопроколюючої головки на режимні параметри проколу ґрунтів з урахуванням властивостей їх поширених типів. 6. Розробити методику експериментальних польових досліджень процесів статичного методів формування комунікаційних порожнин в ґрунті та створити експериментальні установки, стенди та натурні зразки наконечників робочих органів для відтворювання процесів, підтвердити їх працездатність і провести порівняння отриманих опитних даних з теоретичними розрахунками. 7. За результатами запропонованих методологічних основ створення високоефективних робочих органів для статичного формування комунікаційних порожнин розробити алгоритм вибору типу робочого обладнання відповідно до обраної технології та запропонувати інженерні методики визначення їх раціональних параметрів з урахуванням фізико-механічних властивостей поширених типів ґрунтів. Головна наукова ідея роботи полягає в підвищенні ефективності роботи спеціальних установок для створення горизонтальних свердловин при безтраншейному прокладанні підземних комунікацій на основі нового наукового підходу, що ґрунтується на законі збереження маси ґрунту до і після його руйнування. Об’єкт дослідження є процеси взаємодії проколюючих, продавлюючих та комбінованих робочих органів з ґрунтом. Предмет досліджень – закономірності процесів взаємодії з ґрунтом та створення наконечників робочих органів, які забезпечують керованість і мінімальні енергетичні витрати процесів утворення порожнин у ґрунті статичними методами, які призначені для безтраншейного прокладання інженерних комунікацій. Мета дослідження. Метою роботи є дослідження закономірностей процесівформування горизонтальних свердловин спеціальним землерийним обладнанням статичної дії та розробка методологічних основ створення мінімально енергоємних робочих органів для формування комунікаційних порожнин в грунті методами проколу і продавлювання ґрунту та їх комбінації. Наукова новизна та положення, які виносяться на захист. 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 землерийних установок для безтраншейного прокладання інженерних комунікацій на базі встановлених закономірностей взаємодії їх робочих органів з ґрунтовим середовищем методами статичного проколу ґрунту, його продавлюванням та їх комбінаціями. Зокрема вперше одержані наступні результати: – 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; – отримані теоретичні залежності процесів формування свердловин в ґрунті та виконані комплексні дослідження впливу на режимні параметри виконання робіт форм наконечників проколюючих голівок у вигляді конусних, конусно-циліндричних, загостреного кільця і асиметричного наконечника з урахуванням властивостей поширених типів ґрунтів; – визначено величину зниження опору ґрунту при його проколі конусним 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; – встановлено теоретичні залежності для визначення зони деформації ґрунту навколо кільцеподібних наконечників з зовнішнім конусом відповідно до їх параметрів, діаметру свердловини та властивостей поширених типів ґрунтів; – визначено конструктивні та режимні параметри роботи асиметричного (зрізаного циліндра) наконечника ґрунтопроколюючої головки для керованого проколу в залежності від конструкції штанг, їх матеріалу і ґрунтового середовища, 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, визначено алгоритми розрахунку раціональних параметрів робочих органів з конусно-циліндричним, кільцеподібним і асиметричним (зрізаним циліндром) 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; – розроблено узагальнені теоретичні положення процесів створення горизонтальних свердловин методами статичного проколу, продавлювання ґрунту та їхніх комбінацій на підставі запропонованого уявлення про зміну закону щільності ґрунту при ущільнені, 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. Практичне значення отриманих результатів роботи полягає в обґрунтуванні вибору високоефективних методів статичного формування свердловин для безтраншейного прокладання інженерних комунікацій в залежності від їх технологічних особливостей прокладання і умов ґрунтового середовища та в створенні алгоритму визначення раціональних параметрів робочих органів і наконечників для їх реалізації. На основі розроблених алгоритмів та отриманих інженерних розрахунків було складено технічне завдання на створення типоряду установок, які були прийняті ТОВ «НВП «Газтехніка ЛТД» та ТОВ СКТБ «Гідромодуль» для впровадження в виробництво: 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 кільцеподібним наконечником – 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. Практичне використання при будівництві переходів установки отримали в цілому ряді спеціалізованих та будівельних компаніях, а саме: ДП «Спеціалізоване управління механізованих робіт», ТОВ «Харьковспецстрой-1» та ТОВ «Перша слобідська будівельна компанія». Результати досліджень використовуються в навчальному процесі при вивченні студентами спеціальних дисциплін «Машини для земляних робіт», «Динаміка БДМ», «Машини для підземного прокладання інженерних комунікацій» для студентів спеціальності 6.05.05.03 «Машинобудування» та 133 «Галузеве машинобудування». Особистий внесок здобувача. Всі основні наукові положення, результати, висновки та рекомендації дисертаційної роботи отримані автором самостійно та опубліковані у роботах [1–56]. Роботи [21–23, 28–29, 32, 36] були опубліковані без співавторів. У друкованих працях, які опубліковані у співавторстві, автору належать: обґрунтування ефективності використання методів статичного формування горизонтальних свердловин шляхом проколу та продавлювання ґрунту, що призначені для безтраншейного прокладання розподільних мереж, які обмежуються діаметром до 400 мм та довжиною прольотів до 100 м, та висунуто ідею раціонального розроблення комунікаційних порожнин шляхом комбінації цих методів [1–5, 8–12, 19, 23]; розроблення аналітичних залежностей по визначенню силових параметрів розробки ґрунту різними наконечниками на основі закону зміни щільності ґрунту при ущільнені, що визначається компресійним модулем деформації ґрунту, який залежить фізико-механічних властивостей ґрунтів та 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) [16, 17, 19–21, 27, 36]; встановлення закономірності утворювання зон деформування ґрунту при просуванні робочих органів та визначенні їх розмірів [6, 7, 13, 15, 24, 26, 28, 33]; формулюванні підходів до визначення параметрів робочого органу у вигляді зрізаного циліндра та оцінки їх вплив на траєкторію руху головки в ґрунті, встановлено мінімальний та максимальний кут його зрізу в залежності від ґрунтового середовища та жорсткості штанг [14, 19, 22, 25, 31]; формулюванні ідеї створення обладнання для реалізації робочих процесів розробки ґрунту з натурними зразками моделей наконечників робочих органів та перевірки теоретичних положень дисертації та обґрунтовані типоряду силових установок для створення горизонтальних порожнин в ґрунті робочим обладнанням для проколу, продавлювання ґрунту та їх комбінації [23, 30, 32, 34, 35, 37]; розробка нових конструкцій наконечників робочих органів для формування свердловин в ґрунті статичними методами [38–46] та удосконалення гідравлічного приводу установок для статичного формування свердловин в ґрунті [3, 51–53, 56]; оцінка фактичного стану інженерних комунікацій, визначення їх надійності та розробка рекомендацій по впровадженню безтраншейних технологій їх реновації [47–50, 54, 55]. Апробація результатів дисертації. Окремі розділи і дисертація в цілому обговорювалися і отримали позитивну оцінку на науково-технічних, науково практичних конференціях і семінарах: на Міжнародній науково-практичній конференції «Нові досягнення в дослідженнях будівельних, дорожніх і підйомно транспортних машин» (м. Харків, ХНАДУ, 2014), Міжнародній науково-технічній конференції «ИНТЕРСТРОЙМЕХ-2015» (Росія, м. Казань, КГАСУ, 2014), VI Всеукраїнському науковому семінарі «Методи підвищення ресурсу міських інженерних інфраструктур» (м. Харків, ХНУБА, 2014), Konferencyjne Forgaz 2014: Techniki I technologie dla gazownictwa – pomiary, badania, eksploatacija (Krakov, Repablic of Polend, Stycznia 14-18, Instytut Nafty i Gazu, 2014), на конференціях: «Ефективне будівництво. Об’єкти будівництва, технології та матеріали» (м. Одеса, ОГАСА, 2015), Міжнародній науково-технічній конференції: «Нові досягнення в дослідженнях будівельних, дорожніх і підйомно-транспортних машин» (м. Харків, ХНАДУ, 2016), Всеукраїнській науково-технічній конференції молодих вчених та студентів: «Створення, експлуатація і ремонт автомобільного транспорту та будівельної техніки» (м. Полтава, ПНТУ ім. Ю.Кондратюка, 2016), Modern methods, Innovations, and experience of practical application in the field of technical sciences: International reseach and practice conference (Radom, Repablic of Polend, December 27– 28, Radom Academy of Economics, 2017), Міжнародній науково-практичній конференції «Підвищення ефективності піднімально-транспортних, будівельних, дорожніх машин і комплексів» (м. Дніпро, Дніпропетровський національний університет залізничного транспорту імені академіка В. Лазаряна, 2018), Міжнародній науково-практичній конференції «Underwater Technologies» (м. Київ, КНУБА, 2019). Публікації. Основні результати досліджень опубліковані в 56 друкованих працях, в тому числі, в монографії, навчальному посібнику, підручнику, 37 статтях фахових видань (3 з яких входять до наукометричної базі даних SCOPUS та 2 – в міжнародних виданнях), 9 – у матеріалах і тезах збірників доповідей на Всеукраїнських та міжнародних науково-технічних конференціях. По темі роботи отримано 9 патентів України на винаходи. Структура і обсяг роботи. Дисертація складається зі вступу, 6 розділів, висновків, списку використаних джерел із 259 найменувань (26 сторінок) та 5 додатків. Повний обсяг роботи складає 419 сторінок, в тому числі 331 сторінок основного тексту, 24 таблиці, 149 ілюстрацій.