Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Способы разработки тяжелых грунтов 8
1.1. Способы разработки тяжелых грунтов в строительстве 8
1.2. Магнитострикционный вибровозбудитель 24
1.3. Процессы разрушения грунтов динамическими рабочими органами 30
1.4. Цель и задачи исследований 36
ГЛАВА 2. Особенности согласования магнитострикционного рабочего органа с грунтом 39
2.1. Понятие согласования для системы магнитострикционный 39
вибратор - грунт 39
2.2. Изменение свойств грунта при воздействии на него интенсивных колебаний 40
2.3. Анализ взаимодействия с грунтом резонансного высокочастотного рабочего органа 46
2.4. Определение степени рассогласования резонансного вибратора при нагружении 52
2.5. Выводы к главе 2 61
ГЛАВА 3. Системы экстремального регулирования рассогласования рабочего органа по частоте 63
3.1. Задачи систем экстремального регулирования 63
3.2. Выбор способа поиска экстремума 65
3.3. СЭР с запоминанием экстремума 68
3.4. Структура взаимодействия физических параметров рыхлителя с магнитострикционным рабочим органом 70
3.5. Функциональная схема СЭР 73
3.6. Функциональная схема блока экстремального регулирования 75
3.7. Выбор структуры магнитострикционного рабочего органа как объекта управления 78
3.8. Исследование переходных процессов СЭР 80
3.9. Учет влияния случайных возмущений на работу СЭР магнитострикционного рабочего органа 85
ЗЛО. Работоспособность СЭР при дрейфе характеристики объекта 88
3.11. Улучшение качества САО 93
3.12. Выводы к главе 3 99
ГЛАВА 4. Экспериментальные исследования взаимодействия магнитострикционного рабочего органа с грунтом 101
4.1. Задачи экспериментальных исследований 101
4.2. Обоснование выбора грунта для проведения экспериментальных исследований 102
4.3. Экспериментальное оборудование 104
4.4. Изготовление образцов грунта 110
4.5. Предварительная оценка необходимого числа повторных опытов 112
4.6. Методика экспериментальных исследований 114
4.7. Экспериментальное получение интерполяционной модели 119
4.8. Сравнительная оценка результатов теоретических и экспериментальных исследований 122
4.9. Выводы к главе 4 127
Основные выводы и результаты работы 128
Литература 130
- Процессы разрушения грунтов динамическими рабочими органами
- Анализ взаимодействия с грунтом резонансного высокочастотного рабочего органа
- Структура взаимодействия физических параметров рыхлителя с магнитострикционным рабочим органом
- Изготовление образцов грунта
Введение к работе
Актуальность работы. Большое значение в сбалансированном росте экономики страны имеет развитие районов Севера, Сибири и Дальнего Востока с суровыми климатическими условиями и наличием многолетних мерзлых и сезонно-мерзлых грунтов. Многолетнемерзлые грунты занимают около 49% всей территории страны, а вместе с сезонно-мерзлыми грунтами почти 90%. При этом в северных районах зимний период длится 6-8 месяцев, а глубина мерзлого слоя достигает 2,5 м. Одними из самых трудоёмких являются земляные работы, на выполнение которых требуется до 15 % стоимости и до 20 % трудозатрат от общего объёма строительных работ. По статистике на эти работы задействованы 10 % от общего числа рабочих.
В связи с ростом объемов земляных работ необходимо создать эффективные технические устройства для выполнения операций разработки тяжелых грунтов, которые являются наиболее трудоемкими и дорогостоящими в строительстве операций разработки тяжелых грунтов.
Анализ процесса рыхления показал, что выполнение земляных работ в тяжелых грунтах с помощью традиционных методов и механизмов рыхления не достаточно эффективен. В современной практике строительства все большее внимание уделяется новым методам разработки тяжелых грунтов.
Несмотря на широкий диапазон способов рыхления часть из них до сих пор, по тем или иным причинам, не нашла применения в строительстве. К общим недостаткам нетрадиционных способов рыхления необходимо отнести низкую производительность разработанных на их основе рыхлительных машин и высокую себестоимость разработки 1 м грунта. Эффективность существующих способов и средств разработки тяжелых грунтов не удовлетворяет возрастающему объему строительных работ.
Одним из наиболее рациональных способов интенсификации процессов рыхления являются высокочастотные колебания звукового диапазона с применением резонансных магнитострикционных вибраторов. Применение таких вибраторов позволяет активизировать рабочие органы существующих рыхлительных машин, что расширяет диапазон производимых этими машинами работ на тяжелых грунтах. Механизм разрушения грунта при излучении энергии вибратора в прочный массив, сводится к распространению упругой
волны смещения, подвергая грунт деформациям сжатия - растяжения и сдвига, вызывая разрушения грунта или значительное его разупрочнение. Эффект разрушения зависит от интенсивности упругой акустической волны и степени ее передачи в массив. Однако, нагружение вибратора приводит к изменению резонансного режима его работы, уменьшая передаваемую в грунт энергию, снижая эффективность рабочего процесса разработки тяжелого грунта.
Высокочастотный рыхлитель, колебательную систему которого можно представить в виде системы с распределенными параметрами, эффективно работает в резонансном режиме, что позволяет при незначительной потребляемой мощности получить сравнительно большую амплитуду смещения рыхлящего зуба. Однако при взаимодействии с грунтом исходная резонансная колебательная система будет обладать иной собственной частотой и не будет являться резонансной при исходной частоте вынуждающей силы. Узловые сечения системы, за которые крепится рабочий орган, сместятся, а элементы крепления начнут подвергаться вибрационному воздействию при одновременном уменьшении амплитуды смещения рыхлящего зуба и интенсивности, передаваемой в грунт волны. В то же время сохранение резонансного режима колебаний при нагружении рыхлителя, поддерживает параметры прошедшей в грунт волны достаточно близкими к максимальному значению даже при значительном неравенстве сопротивлений колебательной системы и грунта. Решение такой задачи требует разработки комплекса мероприятий, направленных на установление и поддержание резонансного режима колебательной системы, то есть способов согласования ее с нагрузкой.
Повышение эффективности процесса виброрыхления должно опираться на учет закономерностей влияния параметров тяжелого грунта на параметры, характеризующие работу высокочастотного рабочего органа в резонансном режиме. Влияние нагружения рабочего органа на величину рассогласования высокочастотного рыхлителя обусловливает необходимость на основе установленных зависимостей решить задачу управления согласованием динамических характеристик магнитострикционного рабочего органа с грунтом для получения резонансного режима процесса рыхления. Необходим новый подход к синтезу системы управления процессом рыхления, который охватывает круг вопросов, связанных с разработкой новых принципов и методов автоматизации. Только таким образом удастся существенно повысить
технико-экономические показатели рыхлительных машин, избежать влияния на них значительных колебаний количественных и качественных характеристик грунта.
Поэтому, поставленная в диссертационной работе задача разработки практических методов построения системы автоматизации технологического процесса рыхления тяжелых грунтов с помощью методов и механизмов виброрыхления, обеспечивающих реализацию существенно новых способов повышения производительности и качества выполнения земляных работ, является актуальной.
Цель работы. Разработка системы автоматического управления согласованием динамических характеристик магнитострикционного рабочего органа с грунтом для получения резонансного режима процесса рыхления, обеспечивающего минимизацию энергетических затрат процесса рыхления и повышение производительности рыхлительной машины.
Для достижения поставленной цели:
выполнен анализ зарубежного и отечественного опыта процессов рыхления тяжелых грунтов, методов и средств их автоматизации;
произведен выбор критериальной функции оценки качества процесса рыхления тяжелых грунтов и методов его автоматизации;
разработана математическая модель взаимосвязи между величиной рассогласования рабочего органа и параметрами рабочего процесса рыхления, в виде свойств грунта и характеристик рабочего органа;
разработана структура и функциональное наполнение системы экстремального регулирования процесса рыхления тяжелых грунтов;
определено влияние изменения параметров настройки автоматической системы управления на качественные характеристики процессов виброрыхления тяжелых грунтов;
выполнена экспериментальная проверка полученных результатов.
Достоверность научных положений, рекомендаций и выводов
Достоверность и обоснованность научных положений, рекомендаций и выводов, предложенных в работе, подтверждены всесторонними исследованиями, выполненными с применением современных методов и технических средств.
Достоверность положений и выводов диссертации подтверждена положительными результатами внедрения ряда теоретических положений диссертации при проектировании системы экстремального регулирования магнитострикционным вибратором рыхлительной машины.
Методы исследования. Результаты диссертационной работы получены на основе комплексного использования методов теории автоматического управления, теории подобия, регрессионного анализа и математического моделирования.
Научная новизна. Основным научным результатом является развитие теории и практики автоматического управления и оптимизации процессов рыхления тяжелых грунтов землеройными машинами с использованием высокочастотных рыхлителей.
Научная новизна работы заключается в разработке:
критериальной функции оценки и требований к математической модели качества процесса рыхления и методов его автоматизации;
математической модели взаимосвязи между величиной рассогласования рабочего органа и параметрами рабочего процесса рыхления, в виде свойств тяжелого грунта и характеристик рабочего органа;
структуры, математической модели и функционального наполнения системы экстремального регулирования процесса рыхления тяжелых грунтов.
Основные положения, выносимые на защиту
-
Результаты анализа технологии и технических средств обеспечения интенсификации процессов рыхления тяжелых грунтов за счет высокочастотных колебаний звукового диапазона с применением резонансных магнитострикционных вибраторов, позволяющих выработать научный подход и методические основы разработки модели, критерия и системы автоматизации, ориентированных на снижение энергетических затрат, повышение производительности рыхлительных машин и оптимизацию других технико-экономических показателей процессов рыхления.
-
Способ согласования динамических характеристик магнитострикцион-ного рабочего органа с грунтом для получения резонансного режима процесса рыхления.
-
Математическая модель взаимосвязи между величиной рассогласования рабочего органа и параметрами рабочего процесса рыхления, в виде свойств тяжелого грунта и характеристик рабочего органа.
-
Система автоматического управления согласованием динамических характеристик магнитострикционного рабочего органа с грунтом для получения наиболее эффективного резонансного режима процесса рыхления.
Практическая ценность. Результаты исследований в области автоматизации управления процессом рыхления тяжелых грунтов, заключаются в том, что они являются практической базой для научно обоснованного выбора структуры, методов и средств автоматизации, критериев оценки и параметров настройки системы управления получением минимальных энергозатрат и максимальной производительности рыхлительной машины.
Испытание системы и её опытно-промышленная эксплуатация проводилась в ЗАО «Союз-Лес» (г. Москва).
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались, обсуждались и получили одобрение на 15-ой и 16-ой Московских международных межвузовских научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых, научно-методических конференциях МАДИ (г. Москва, 2010-2012г.), кафедре «Автоматизации производственных процессов», МАДИ.
Публикации. Основные научные результаты диссертации изложены в 9 опубликованных работах.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка использованной литературы, насчитывающего 130 наименований, и содержит 140 страниц текста, 47 иллюстраций, 4 таблицы.
Процессы разрушения грунтов динамическими рабочими органами
Машины динамического действия выполняются с падающим или забиваемым рабочим органом представляющим собой ударную массу, гидромолот или гидропневмомол. Рабочий орган ударного действия в виде клина, конуса или шара, подвешивается к канатам экскаватора или перемещается по направляющим [8, 26, 38, 49, 101 ... 104].
Машины, снабженные свободнопадающим органом, разрушают тяжелый грунт с образованием значительной трещиноватости массива, достаточной для последующей его экскавации. Происходит интенсивное диспергиро вание грунта, разрушение его скелета. Эти машины отличает увеличенная энергия удара (250...500 кДж) [8, 9, 12, 26], большая масса ударной части, небольшая частота ударов и повышенные удельные затраты энергии на разрушение грунта.
Несмотря на большую энергию, развиваемую падающей массой, клин -молот (10... 15 м3/ч) отличает низкая производительность и высокая энергоемкость процесса разработки грунта, большие затраты энергии из-за не направленных неэффективных ударов по массиву грунта. Большая часть энергии при этом тратится не на разрушение, а на колебания масс грунта. Меньшей энергоемкостью отличаются машины ударного действия, которые рыхлят грунт направленными ударами [26]. Рабочие органы этих машин перемещаются в направляющих и, внедряясь в массив грунта, откалывают от него крупные куски. Эффективность внедрения клина в грунт и энергоемкость его разрушения определяются углом заострения и формой клина. Более интенсивно внедряются в грунт клинья с малыми углами заострения. Однако они обладают ограниченной прочностью, при внедрении в грунт образуют мало трещин, являются самотормозящимися, заклинивают и с трудом извлекаются из массива, на что тратится дополнительная энергия. Усилие при этом может превышать силу тяжести рабочего оборудования в 1,5 ... 2,0 раза [38]. Кроме того, падающему рабочему органу при втором и последующих ударах приходится снова преодолевать упругие деформации грунта, приводящие к непроизводительным потерям энергии.
Более производительным является процесс рыхления при использовании забиваемого рабочего органа, имеющего форму клина, который погружается в грунт с помощью дизель-, гидро-, пневмо- и вибромолотов. При внедрении клина в мерзлый грунт перед ним образуется стабильное ядро повышенной прочности и плотности [4, 9,48, 67, 71, 100].
В работах [57, 73, 85] отмечено, что при погружении клина в грунт 80 ... 90% энергии тратится на пластическое его деформирование, т.е. на создание уплотненного ядра, и только 10 ... 20% - на скол от забоя. При забивании рабочего органа грунт, от удара к удару, находится в напряженном состоянии аккумулируя энергию ударов и частично сокращая ее расход на повторное упругое деформирование грунта. Рабочий орган в этом случае является промежуточным элементом со свойственными ему энергетическими потерями двойного соударения груза о клин и клина о грунт. Доля энергии, теряемая при соударении частей виброударного или забиваемого рабочего органа, зависит, от отношения массы падающего груза mi и массы клина ni2 и для большинства рыхлителей должно быть не менее 3 ... 5 [43, 49, 68,70].
В РФ разработано несколько конструкций ударных и ударно - вибрационных рыхлителей. Так, во ВНИИ землеройных машин разработан рыхлитель для послойного рыхления мерзлых грунтов (рис. 1.5). Рыхление возникает при тяговом усилии базового трактора за счет динамических усилий, удара маятникового ударника по хвостовику рабочего органа. Рыхлитель представляет собой навесное оборудование к трактору Т-100 с гидромеханическим ходоуменынителем. На раме закреплена стойка с рабочим органом, опирающимся на лыжу. В задней части рамы шарнирно закреплен ударник. Приведение рабочего оборудования в транспортное положение производится гидроцилиндром. Автоматическая система рыхлителя согласовывает движения рабочего органа и ударника. Удар происходит тогда, когда ударник поднят на заданную высоту, а рабочий орган отжат грунтом в крайнее заднее положение. Работа единичного удара рыхлителя не превышает до 25 кДж, число ударов в минуту 12, производительность 40 м3/ч, при рабочей скорости передвижения машины до 350 м/ч. Однако рыхлитель обладает низкой частотой ударов, что влечет за собой неравномерное движению базового трактора и повышенным динамическим воздействиям на него.
Для получения равномерности хода и повышения производительности рыхлителя необходимо увеличить частоту ударов ударника. Рис. 1.5. Рыхлитель для мерзлых грунтов
Ударный блок крепителя к трактору на параллелограммной навеске, положение которой изменяется гидроцилиндром, меняя тем самым глубину рыхления. Частота ударов ударного блока составляет 570 в минуту. Экспериментальные исследования процесса рыхления мерзлых суглинков, с температурой -3...-8 С, осуществлялись пневмоударным рыхлителем за один проход на глубину 30 см со скоростью 0,5 ... 1,5 км/ч, с производительностью 60 ... 80 м3/ч. Большой недостаток пневмоударного рыхлителя - это наличие компрессорной установки, связанной шлангом с движущимся рыхлителем. Это снижает мобильность, надежность и производительность рыхлителя. Более эффективны рыхлители, система энергоснабжения которых обеспечивается двигателем транспортной установки. Рыхлитель с гидропневмоударным механизмом конструкции ВНИИ Стройдормаш с базовым трактором ДЭТ-250 показан на рис. 1.7.
Анализ взаимодействия с грунтом резонансного высокочастотного рабочего органа
Определение эффективности разрушения грунтов магнитострикцион-ными вибраторами является задачей, решение которой, как было показано в гл. 1, связано с методом согласования их выбор режимов с присоединенной нагрузкой в виде грунта. Раскроем само понятие «согласование», широко используемое в литературе по высокочастотным колебательным системам. Так, в работе Ф. Крауфорда [90] согласование - это передача бегущих волн от одной среды к другой без отражения на их границе. В работах под согласованием понимается метод, способ получения таких связей между отдельными звеньями или последнего звена с нагрузкой, которые могут обеспечить заданный колебательный режим. При этом наиболее эффективным считается резонансный режим работы высокочастотных систем, обеспечивающих их высокую добротность.
В настоящее время в качестве согласующих устройств используются концентраторы, в виде стержней переменного сечения, которые позволяют изменять значения волнового сопротивления исходного звена. Такое решение оправданно, если волновое сопротивление нагрузки постоянная величина. Грунтовой массив является нагрузкой, акустические свойства которого в 20-25 раз отличаются от акустических свойств рабочего органа. Причем, для мерзлого грунта его акустические свойства не постоянны по глубине залегания и зависят от типа грунта и его свойств влажности, плотности и т.п., которые меняются в течение всего цикла разрушения. Поэтому согласование магнитострикционного вибратора с мерзлым грунтом, предполагает комплекс мероприятий, направленных на получение и поддержание резонансного режима колебаний всей системы.
В работах [46, 84, 106, 107] описаны основные типы концентраторов (конические, экспоненциальный, катеноидальный и другие) и приведены соотношения по определению их резонансной длины. Расчет концентратора по разработанным методикам предполагает выбор его типа, определение поперечного размера, длины и положения узла смещения. Однако, эти расчеты концентраторов не учитывают наличие нагрузки и потерь: внутренних, на излучение и в местах крепления. Собственная частота колебаний вибратора изменяется, при нагружении и он выходит из резонанса, а амплитуда колебательной скорости на торце концентратора уменьшается. Входное сопротивление такого ненастроенного вибратора увеличивается из-за увеличения его реактивной составляющей, узловое сечение концентратора смещается, что также влечет за собой увеличение потерь энергии. Методика расчета концентраторов с учетом нагрузки, соосной с концентратором [81, 84] применим только для случаев, когда присоединенная масса невелика и жестко закреплена на концентраторе. Согласование магнитострикционного рабочего органа с грунтом требуется более точный учет влияния нагрузки на колебательные свойства системы.
Длительное силовое воздействие на грунт приводит к развитию напряженного состояния, которое описывается реологическим уравнением, связи напряжения ст, деформации є и их изменения во времени [46, 48]. Процесс изменения деформации грунта во времени при постоянном напряжении определяется кривой ползучести (рис. 2.1).
В кривых ползучести могут быть выделены участки, отражающие различные стадии деформирования грунта.
Условно - мгновенной упругой, полностью восстанавливаемой деформации, возникающей сразу же после приложения нагрузки, соответствует участок ОА. Эта деформация является упругой, полностью восстанавливаемой. Участку АБ называемого неустановившейся стадией ползучести, соот ветствует этап деформации с уменьшающейся скоростью. Деформация тяжелых грунтов в этой стадии компенсируется лишь частично, из-за наличия в себе как структурно обратимой, так и структурно необратимой и пластической деформации. Участок БВ соответствует стадии установившегося или пластично-вязкого течения, а деформация грунта на этой стадии полностью необратима.
Участок ВГ соответствует третьей стадии ползучести, прогрессирующего течения деформации. Возрастающая скорость деформации в этой стадии приводит к хрупкому или вязкому разрушению грунта [46].
Продолжительность стадий деформации зависит главным образом от величины нагружения и вызванного им внутреннего напряжения грунта. Чем оно больше, тем меньше продолжительность стадии установившего течения и тем быстрее наступает третья стадия ползучести. Большие напряжения приводят к тому, что прогрессирующее течение деформации наступает почти сразу за приложением нагрузки. От величины напряжения зависит и время перехода материала из одной стадии деформации в другую. Степень развития различных видов деформации связана не только с физико-механическими свойствами грунта, но и зависит от длительности и скорости приложения нагрузки [9, 12, 36, 48, 57, 121].
Перестроение кривых ползучести позволяет получить зависимости между напряжением и деформацией грунта при изменении скорости приложения нагрузки (рис. 2.2) S2 ... 85
Верхняя кривая соответствует условно - мгновенной деформации, а нижняя - предельно длительной. При малых скоростях приложения нагрузки (с 0,008 с) в грунте развиваются деформации всех стадий. Увеличение скорости приложения нагрузки уменьшает время установившегося течения процесса. При приложении нагрузки, со скоростью большей скорости распространения пластических деформаций, стадия прогрессирующего течения деформаций наступает практически сразу после приложения нагрузки [46]. Зависимость силы сопротивления грунта деформированию при увеличении скорости приложения нагрузки описывается полиномом третьей степени (рис. 2.3.) [121].
Структура взаимодействия физических параметров рыхлителя с магнитострикционным рабочим органом
Вид функции (2.13) зависит от формы колебаний, создаваемых источником, воздействующим на систему, и граничными условиями. В частности, такие условия формируются характером нагрузки ZH, присоединенной к стержневой системе.
Ограничимся рассмотрением установившегося режима и только гармонической формой приложенной силы, так как рассматриваемый тип вибровозбудителя эффективно работает именно в этих условиях.
Координата Y, характеризующая параметры колебательного движения, зависит от смещения, скорости, силы, напряжения, возникающими при распространении волны. Будем оперировать в основном амплитудными значениями колебательной силы (Fm) и скорости (Fin).
В выражении (2.16) не учитываются потери, поскольку исследуются только условия поддержания резонансного режима. С достаточной для практики точностью резонансные частоты систем с потерями могут быть опреде лены при использовании выражении, взятых для идеальной системы, т.е. для рассматриваемой реальной системы, но при пренебрежении потерями. Это связано с тем, что для реальных систем, работающих вблизи резонанса, активное сопротивление мало влияет на резонансные частоты [75, 90].
Полное сопротивление среды излучению является отношением силы реакции среды к колебательному воздействию излучателя и скорости колебаний в зоне контакта (см (2.9)):
В рассматриваемом случае колебательная система связана с источником колебаний и является для него механическим сопротивлением. Это входное сопротивление, в общем случае может быть комплексным, а его величина ZBX зависит от параметров стержневой системы: длины, вида сечения, нагрузки ZH на конце и частоты. Из определения сопротивления (см. (2.9)) следует, что
Определение значения величины ZBX дает возможность нахождения всех колебательных величин (при известной колебательной силе, развиваемой источником колебаний). По мнимой части ZBX, можно определить резонансные частоты системы или условия, обеспечивающие настройку системы в резонанс.
Выражения (2.20), (2.23), (2.24) позволяют заменить систему с распределенными параметрами, эквивалентной колебательной цепью, с активным и реактивным сопротивлениями RBX И ХВХ. Такая замена полностью не отражает все особенности реальной системы. Однако для определения резонансных частот замена системы эквивалентной не только удобна, но и сохраняет полностью исследуемые резонансные свойства.
Резонансные свойства колебательных систем определяются условиями, при которых в ее входном сопротивлении отсутствует реактивная составляющая [90, 125]. Для стержневой системы
K2s-cos2k\L- \ + sm2k\L- (2.24) Хвх = О (2.26) и частоты, обращающие в ноль это уравнение, будут резонансными. Учитывая условие (2.26), воспользуемся уравнением (2.24), выделив в нем мнимую часть и опустив постоянные, не равные нулю, множители: где п = 1, 2, 3,... - число полуволн, укладывающихся в стержневой системе.
Если со задана и определяется величина L, то задача решается непосредственно с помощью (2.28). Для определения резонансной частоты со, из-за трансцендентности уравнение (2.28), решение ищется численным методом.
Промежуточным согласующим устройством является стержень переменного сечения (концентратор), в котором волновое сопротивление меняется по закону: W0=W0e-eb", (2.29) где W0e - волновое сопротивление, соответствующее тому сечению, с которым связана нагрузка; b - постоянная экспоненты, учитывающая отношение площадей узкого и широкого концов концентратора.
Входное сопротивление системы определяется соотношением (2.19).Волновое сопротивление экспоненциальной системы изменяется дос таточно медленно (b/2k « 1). При этих условиях система является устройством, преобразующим на своем конце активное сопротивление W0e, в активное сопротивление, равное Woe е . Тогда, выражение (2.20) для экспоненциальной стержневой системы с учетом (2.29), запишется как:
Сравнение (2.31) с соответствующим выражением для однородной системы показывает, что оно отличается от него дополнительным множителем е (при условии, что волновое сопротивление W0 однородной системы W0 = W0e). По входному сопротивлению, находится собственная частота нагруже-ной экспоненциальной системы, приравнивая ХЬх к нулю. Для этого, учитывая (2.31), можно воспользоваться уравнениями реактивного сопротивления однородной системы (2.24), (2.28), подставив в них вместо W0 - W0e для данной системы и при определении резонансной частоты нужно произвести замену к = со/с на к = ю/с , где с - фазовая скорость распространения волн вдоль экспоненциальной стержневой системы.
Изготовление образцов грунта
Анализ механизма взаимодействия высокочастотного резонансного рабочего органа рыхлителя с грунтом определил зависимость частотных свойств вибровозбудителя от свойств грунта и параметров рабочего органа.
Изменение резонансной частоты рабочего органа от сопротивления грунта, определяет величину его рассогласования. Такая зависимость в каждом случае устанавливается экспериментальным путем.
Необходимо было получить экспериментальным путем интерполяционной математической модели, определяющей влияние свойств грунта и параметров рабочего органа на величину его рассогласования в виде S = f{pc,f0), (4.1) где 8 - параметр, характеризующий рассогласование рабочего органа по частоте рс - акустическая жесткость грунта, МПа du;fo - резонансная частота вынуждающей силы рабочего органа, с"1.
Полученная экспериментальным путем модель (3.1) и математическое выражение этой зависимости в виде (2.41), при подстановке в оба выражения исходных данных, можно оценить адекватность полученных результатов. Степень совпадения значений 8, полученных по каждому из выражений (3.1) и (2.41), будет свидетельствовать о достоверности разработанной модели.
Экспериментальное определение количественных значений зависимостей величины рассогласования от свойств мерзлого грунта дает материал для оценки возможности определения этих значений теоретическим путем. Для практического использования результатов теоретических исследований необходимо было бы проверить математическую модель для всех типов грунтов, что практически не возможно. Поэтому, в рамках экспериментальных исследований целесообразно ограничиться одним наиболее распростра 101 ненным типом грунта.
Полученные результаты являются исходной базой для оценки эффективности применения системы экстремального регулирования, которая связывает мощность N, приложенную к магнитострикционному рабочему органу, и частоту управляющего сигнала / и позволяет обеспечить эффективный режим рыхления на резонансной частоте магнитострикционного рабочего органа при минимуме расхода энергии.
Мерзлые суглинки и глины являются наиболее распространенными прочными грунтами, вероятность их разработки в среднем по стране составляет 0,6 [40, 41, 46, 69]. Температура промерзания грунта изменяет в широких пределах скорость распространения продольной волны и акустическую жесткость. Так при изменении скорости от 1200 до 3300 м/с акустическая жесткость изменяется от 2,2 до 6,0 МПа с/м. Изменению акустической жесткости мерзлых грунтов изменяет динамические модули упругости и прочности. Оценка прочности грунта производится динамическим плотномером Дор-НИИСуд-от50 до 300.
Исследование процессов взаимодействия высокочастотного рабочего органа с мерзлым грунтом производилась на модели нагрузки, воспроизводящей в широком диапазоне изменение реакции среды на силовое воздействие. В лабораторных условиях без специального дорогостоящего оборудования не удается создать особо прочный мерзлый грунт, поддерживая неизменной его температуру в процессе всего эксперимента. Моделирование процессов позволяет расширить границы выполнения исследований, повысить темпы их проведения и сократить материальные затраты [19].
При подборе эквивалентного исследуемого материала необходимо, обеспечить с допустимой погрешностью адекватность его качественных характеристик соответствующим критериям подобия, определяющим напря 102 женное состояние мерзлого грунта. Эквивалентные материалы успешно используются при изучении процессов разрушения различных сред, а целый их ряд по некоторым характеристикам соответствуют моделям мерзлых грунтов [19,40,41].
Исследования свойств эквивалентных материалов [19,40] показали, что наиболее адекватными физико-механическими свойствами мерзлых грунтов, обладают смеси, в состав которых входят вяжущие парафин и канифоль, а минеральная часть состоит из песка и суглинка. Парафин по качественной картине разрушения наиболее точно соответствует льду.
По сравнению с реальными мерзлыми грунтами эквивалентный материал на основе глино-песчано- парафиновой смеси обладает следующими свойствами: удобством приготовления и укладки, стабильностью физико - механических характеристик при продолжительных испытаниях, однородностью модели по всему объему, готовность модели к испытаниям сразу после остывания. Используемые компоненты эквивалентной модели могут служить материалом модели независимо от ее линейных размеров [19].
Исследования влияния состава среды и степени его уплотнения на параметры прочности эквивалентного материала при моделировании мерзлого грунта показали, что контроль подобия материала необходимо осуществлять по показателям с , суд асж и критериям , - -, -&-.
