Машины и оборудование для нефтегазовых объектов

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Анализ методов  разрушения грунтов.

 

Дисциплина “Машины и оборудование для нефтегазовых объектов”

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2012

 

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

1. Введение….…………………………………………..…………...…..……..3

 

2. Обзор существующего оборудования………………….........................…9

 

3. Расчет основных параметров технического средства…….…….…….…17

 

4. Заключение…………………………………………………………….…...22

 

5. Список литературы………………. ……………………….……...…….…23

 

 

 

1. Введение.

Грунты представляют собой  горные породы, слагающие поверхностные  слои земной коры; они образовались в результате выветривания и разрушения основной материковой породы. Большая  часть грунтов —минерального происхождения, но имеются грунты частично или полностью органического образования.

В условиях естественного  залегания грунты состоят из твердых  частиц различной крупности, образующих грунтовый скелет воздуха и воды. Последняя в зависимости от температуры грунта может быть в различных фазах своего состояния (твердом, жидком, газообразном).

По характеру связи  между твердыми частицами грунты подразделяются на сыпучие, связные  и скальные.

Сыпучие, несвязные грунты характеризуются отсутствием сцепления  между частицами, значительной водопроницаемостью, малой сжимаемостью, высокой величиной  сил внутреннего трения и быстротой  деформаций под нагрузкой.

Связные грунты отличаются малой водопроницаемостью; присутствие  в них воды обусловливает молекулярные силы сцепления. Поэтому связные  грунты характеризуются значительным оцеплением между частицами, большими деформациями под нагрузкой и длительностью деформаций.

В скальных грунтах их частицы  жестко связаны между собой цементирующим веществом, и эта связь при ее нарушении не восстанавливается.

 Более полная классификация  и характеристика грунтов приведены в справочниках и специальной литературе.

Свойства грунтов оказывают  существенное влияние на характер их разработки и производительность машин. В связи с этим при выборе типа машины для земляных работ надо учитывать характерные свойства и состояние разрабатываемых грунтов. Наиболее важные с этой точки зрения свойства грунтов — сопротивление разработке и устойчивость их как основания, на котором установлена машина, определяются в основном гранулометрическим составом и физико-механическими свойствами грунта.

Гранулометрический состав грунта характеризуется процентным содержанием по весу частиц различной величины. Крупность отдельных частиц нескальных грунтов составляет: гальки 40 мм; гравия 2—40 мм; песка 0,25—5 мм; песчаной пыли 0,05— 0,25 мм; пылеватых частиц 0,005—0,05 мм и глинистых частиц 0,005 мм.

Для оценки наиболее важных физико-механических свойств грунта имеют значение объемная масса, разрыхляемоеть, влажность, угол естественного откоса, связность (сцепление), трещиноватость, слоистость.

Объемная масса — отношение  массы грунта в состоянии естественной влажности к его объему. Различают  объемную массу в плотном теле и в разрыхленном грунте. Объемная масса грунтов, разрабатываемых землеройными машинами, колеблется в пределах 1,5—2,0 г/ж3 в зависимости от их минералогического состава, пористости и влажности.

С течением времени или  под воздействием грунтоуплотняющих  машин разрыхленные грунты уплотняются. Средние значения коэффициента первоначального разрыхления колеблются в пределах 1,08—1,32, а коэффициента остаточного разрыхления— в пределах 1,01—1,09. При разработке мерзлых грунтов коэффициент разрыхления возрастает примерно в 1,5—2,5 раза.

Свойства грунтов в  сильной степени меняются в зависимости  от содержания в них воды. Грунты принято считать сухими с влажностью менее 5%, влажными—с влажностью 5—30% и насыщенными или мокрыми при влажности более 30%.

Связность или взаимное сцепление  частиц грунта характеризует способность грунта противостоять воздействию внешних сил, которые стремятся разъединить его частицы. От величины сил сцепления зависит сопротивление грунта резанию или размыву.

 

Грунты разрабатывают  различными методами с большей или  меньшей производительностью труда и машин. Поэтому каждый грунт может входить в группу легко разрабатываемых грунтов одним методом и в группу трудно разрабатываемых грунтов другим методом.

Грунты, разрабатываемые  строительными машинами, обычно относят  к следующим шести группам:

I группа — растительный  грунт, торф, пески и супеси;

II группа — лессовидный  суглинок, рыхлый влажный лесс, гравий  до 15 мм;

III группа — жирная  глина, тяжелый суглинок, крупный  гравий, лесс естественной влажности;

IV группа — ломовая  глина, суглинок со щебнем, отвердевший  лесс, мягкий мергель, опоки, трепел;

V и VI группа — скалы  и руда, а также мерзлые глинистые  и суглинистые грунты.

В комплексе земляных работ  ведущим процессом является разработка грунта. Поэтому способ разработки грунта определяет тип ведущей машины и все остальное оборудование для механизации данного технологического процесса.

Различают три основных способа  разработки грунта и горных пород: механический, гидравлический и взрывной.

При механическом способе  отделение части грунта или горной породы от основного массива осуществляется ножевым или ковшовым рабочим  органом землеройной машины.

При гидравлическом способе  разработка грунта в карьерах или  полезных выемках производится: в  сухих забоях —мощной компактной водяной струей, а в забоях под водой — путем засасывания грунта из-под воды заборной трубой при помощи мощного центробежного насоса — землесоса; плотные грунты разрыхляются при этом механической фрезой — рыхлителем.

При взрывном способе разрушение грунта или горной породы и перемещение их в нужном направлении осуществляется давлением газов, выделяемых при взрыве и сгорании взрывчатых веществ.

Могут иметь место и  комбинированные способы разработки грунта, например, гидромеханический, при котором гидравлический способ комбинируется с механическим, и т. п.

В стадии исследования и  экспериментов находятся физический и химический способы разрушения грунта и горных пород. При физическом способе полное разрушение или уменьшение прочности грунта и горных пород осуществляется с помощью ультразвука, электрогидродинамического эффекта, тока высокой частоты, прожиганием реактивными горелками и охлаждением.

При химическом способе для  отделения грунта и горных пород  от массива их переводят в жидкое или газообразное состояние.

Механический способ разработки грунтов землеройными машинами получил наибольшее распространение, так как он применим почти для всех грунтов, кроме скальных .пород, которые предварительно должны быть .подорваны. При помощи разнообразных землеройных машин выполняется не-менее 80—85% всего объема земляных работ.

Землеройные машины производят разрушение грунта в основном последовательным отделением части грунта (стружки) от массива. Перемещение срезанной стружки по рабочему органу машины и накапливание в нем грунта вызывают значительные сопротивления. Характер разрушения грунта и величина .возникающих при этом сопротивлений зависят от многих факторов — механических свойств грунта и его физического состояния, формы и расположения режущего органа и т. п.

Проф. Н. Г. Домбровским проведен большой комплекс исследований на одноковшовых экскаваторах и создана теория разрушения первоначальной структуры грунта. В соответствии с этой теорией в начале процесса копания режущий клин, воздействуя на грунт, производит уплотнение грунта. Затем, когда силы давления передней грани клина уравновесят максимальное сопротивление сдвигу (у пород пластичных и слабых) или сколу (у пород твердых), в плоскости скольжения произойдет сдвиг или отрыв части стружки и начнется новое уплотнение.

Чем толще стружка и  меньше угол копания б, тем больше область деформации грунта. Однако сопротивление деформации грунта

 меньше, и сдвиг наступает  быстрее при срезании тонкой  стружки и большом угле копания.

Наиболее характерным  и имеющим практическое значение является полусвободное резание, поскольку блокированное резание и свободное характерны только для начала и конца процесса разработки слоя или забоя. При этом, фактическое поперечное сечение разрушенной ковшом стружки больше, чем площадь, как за счет зубьев, так и за счет сколов грунта снаружи боковых стенок.

Помимо чистого резания, при копании грунта происходит также  перемещение срезанной части грунта по ковшу; часть его поступает в ковш, а часть образует перед режущей кромкой ковша призму волочения (рис. 71), величина которой зависит от рода состояния грунта, траектории и формы рабочего органа и угла копания.

В общем случае при копании  грунта возникают три рода сопротивлений: сопротивление трению ковша о  грунт Рт, сопротивление резанию грунта Рр и сопротивление перемещению призмы волочения и грунта в ковше Рп.

При работе в неоднородных грунтах, при тупой режущей кромке и неудачной ее конструкции значения Рю могут значительно возрасти.

Перспективными являются машины, осуществляющие процесс копания  при движении рабочего органа сверху вниз и работающие по методу скола  с обрушением. Энергоемкость процесса копания машин, работающих по этому принципу, по данным проф. Н. Г. Домбровского, в среднем на 40—50% меньше, чем у обычных, и в зависимости от рода грунта составит от 0,02 до 0,2 квт-ч на 1 м3. По такому принципу работают, например^ землеройно-фрезерные машины.

 Энергоемкость процесса  разработки грунта (на 1 м3) в зависимости  от группы грунта, размеров и  конструкции рабочего органа  примерно составляет: а) при механическом  способе разработки —от 1 до 3 квт-ч, достигая в отдельных случаях 6 квт-ч; б) при гидравлическом способе — от 10 до 12 квт-ч.  

2. Обзор существующего оборудования

Основой для наиболее общей  классификации строительных машин  и оборудования могут служить основные виды строительных работ. Исходя из этого, строительные машины можно разделить на следующие основные классы: транспортные, транспортирующие и погрузо-разгрузочные; грузоподъемные; машины и оборудование для земляных работ; оборудование для свайных работ; для дробления, сортировки и мойки каменных материалов; машины и оборудование для приготовления, транспортирования бетонов и растворов и уплотнения бетонной смеси; для отделочных работ; ручной механизированный инструмент, предназначенный для выполнения различных видов работ в строительстве. Классы машин делятся на отдельные группы, типы, типоразмеры в соответствии с технологическим назначением, характером рабочего процесса, общим конструктивным решением и техническими параметрами. Например, машины для земляных работ делятся на группы по характеру рабочего процесса: землеройные (экскаваторы), отрывающие и перемещающие грунт на небольшие расстояния, определяемые конструктивными элементами машины; землеройно-транспортные (бульдозеры, скреперы, грейдеры, грейдер-элеваторы), разрабатывающие грунт во время движения и перемещающие его на определенное расстояние; для гидравлической разработки грунта (землесосы, гидромониторы); рыхлители твердых и мерзлых грунтов; грунтоуплотняющие; буровые; для подготовки площадки (вспомогательные) — корчеватели, кусторезы, камнеуборочные и др.

Многие группы машин делятся  на типы, например экскаваторы —  одноковшовые канатные и гидравлические. В свою очередь большинство типов машин по главным параметрам подразделяются на типоразмеры. Главным параметром может служить, например, вместимость ковша (экскаваторы), максимальная грузоподъемность (краны) или масса машины, мощность силовой установки и т. п. Например, одноковшовые строительные экскаваторы имеют шесть типоразмеров с ковшами вместимостью <? = 0,25; 0,4; 0,63; 1,0; 1,6; 2,5 м3.

Кроме деления машин по указанным признакам и параметрам в зависимости от режима рабочего процесса строительные машины подразделяются на два больших класса: циклического действия и непрерывного действия. Например, в экскаваторе одноковшовом циклического действия непосредственно  процесс копания грунта занимает не более 25...30 % от времени рабочего цикла, в остальное время производятся операции поворота платформы и выгрузки грунта. В то же время экскаватор непрерывного действия непрерывно разрабатывает грунт и одновременно транспортирует его. Достоинствами   машин  циклического  действия  являются их универсальность и приспособленность к работе в различных условиях. Достоинства машин непрерывного действия — их большая производительность и лучшие технико-экономические показатели при специальных условиях работ.

Около 90 % машин в строительстве  имеют собственное ходовое оборудование. По типу ходового оборудования они подразделяются на гусеничные, пневмоколесные, рельсоколесные и шагающие. Строительные машины делят также на универсальные, способные быстро менять рабочее оборудование и выполнять различного рода работы, и специальные, предназначенные для выполнения одного специального вида работ. Последние в определенных условиях работы обеспечивают более высокие технико-экономические показатели.

По роду используемой энергии  силовой установкой строительные машины делятся на электрические и работающие от двигателей внутреннего сгорания (ДВС). Первые обладают большей готовностью к работе по сравнению со вторыми. Важным преимуществом вторых перед первыми является их автономность от источника энергии. Существует еще классификация на отдельные типы машин по различным конструктивным особенностям.

Все мобильные строительные машины можно представить как  системы, состоящие из следующих основных частей ( 1.1): силового оборудования /, трансмиссии 2, рабочего оборудования 3, ходового оборудования 4 и системы управления 5. В свою очередь, эти части обычно состоят из отдельных агрегатов и сборочных единиц, а последние — из деталей. Кроме структурных схем для машин принято различать также их конструктивные и кинематические схемы, а для машин с гидро- и электроприводами также схемы их гидро- и электроприводов.