Направление 1. Транспортное и строительное машиностроение
_______________________________________________________________________________________
УДК 624.196
АНАЛИЗ КОНСТРУКЦИИ РЕЖУЩЕЙ ЧАСТИ ПРОХОДЧЕСКОГО ЩИТА С ПРИМЕНЕНИЕМ ПРОГРАММНОГО ПРОДУКТА T-FLEX CAD
Д.С. Никитенко, студент;
А.Б. Летопольский, кандидат технический наук, доцент
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего образования «Сибирский государственный автомобильно-дорожный университет (СибАДИ)», Омск, Россия
Аннотация.В статье рассмотрена методика прокладывания трубопровода с помощью технологии микротоннелирования. Описана конструкция проходческого щита. Рассчитаны усилия передвижения щита, модуль перемещения, эквивалентные напряжения и коэффициент запаса по эквивалентным напряжениям.
Ключевыеслова:Проходческий щит, режущая часть, микротоннелирования, главные элементы щита, передвижение проходческого щита.
ANALYSIS OF THE CUTTING PART OF THE TUNNELING BOARD DESIGN USING
THE T-FLEX CAD SOFTWARE PRODUCT
D.S. Nikitenko, student; A.B. Letopolskiy, k.t.n., docent
Federal State Budget Educational Institution of Higher Education
«The Siberian State Automobile and Highway University», Omsk, Russia
Abstract.The article discusses the method of laying a pipeline using microtunneling technology. The construction of a tunneling shield is described. Force is calculated movement of the shield, the module displacement, equivalent stress and safety factor for equivalent stresses.
Keywords: Tunneling shield, cutting part, microtunneling, main elements of the shield, movement of the tunneling shield.
Введение
Уже не первое столетие с успехом осваивает подземное пространство. Речь идет не только о метрополитенах, которые присутствуют во всех крупных городах мира, но и о горных выработках, создаваемых для добычи полезных ископаемых. В обоих случаях применяется специальное оборудование – проходческие щиты, гарантирующие безопасность оборудованию и обслуживающему персоналу во время проведение земляных работ.
Впервые проходческий щит был применен в 1825 году при сооружении тоннеля под рекой Темзой. С тех пор этот тип оборудования неоднократно применялся при строительстве метрополитенов во многих крупных городах, например Москве, Санкт-Петербурге, Екатеринбурге и в других мегаполисах.
Основная часть
Проходческий щит – это передвижная металлическая крепь в виде полого цилиндра. Он сооружается на месте горной выработки или при строительстве метрополитена для защиты прокладываемых в горизонтальном направлении шахт от обрушения. Иногда его также называют временной или передвижной крепью – специальной конструкцией, которая сооружается для защиты стенок тоннеля от обрушения. Конструктивно проходческие щиты представляют собой сложный комплекс оборудования, в состав которого входят три основные части[6]:
•Ножевая. В ней происходит сам процесс бурения, разработки горной породы.
•Опорная. Служит для размещения вспомогательного оборудования, а также гидравлических домкратов, заставляющих двигаться щит вперед.
•Хвостовая. Обеспечивают защиты персонала при воздвижении постоянной крепи.
Главными элементами щита являются оболочка и ножевое кольцо, на котором расположены режущие элементы проходческого щита. В некоторых моделях «резцы» выполнены в виде
25
ОБРАЗОВАНИЕ. ТРАНСПОРТ. ИННОВАЦИИ. СТРОИТЕЛЬСТВО
Сборник материалов III Национальной научно-практической конференции
_______________________________________________________________________________________
твердосплавных вставок, расположенных под определенным углом друг к другу на рабочей поверхности ротора, а также опорное кольцо. Вперед, в пространство перед ножами, щит продвигается при помощи гидравлических цилиндров, которые опираются на последнее кольцо обделки. После этого в процесс вовлекаются забойные гидроцилиндры, которые прижимают сборные деревянные панели к горной породе, дабы та не обрушилась. Свободное пространство между опорным и ножевым кольцом разбито на ячейки вертикальными перегородками и на ярусы горизонтальными переборками. Внутри этих «отсеков» располагается необходимое оборудование. Горизонтальные переборки могут выдвигаться гидравлическими домкратами.
Так же с помощь домкратных станций осуществляется бестраншейная прокладка трубопровода, из-за того что труба «продавливается» через грунт от одной станции до другой на расстоянии до 120м. Такой способ называется – микротоннелирование. Благодаря этому методу происходит автоматизированная проходка тоннеля с продавливанием трубной конструкции обделки, выполняемая без присутствия людей в выработке[1].
Такой способ позволяет проложить трубопровод в грунте любой сложности - от неустойчивых суглинков и водоносных песков до скальных пород, а также при смешанном забое, в крупнообломочных грунтах с включением гравия, гальки, щебня в виде прослоя и валунов при помощи коллекторов небольших диаметров. Для того чтобы добиться оптимальной скорости и параметров проходки необходимо подобрать режущий орган в зависимости от класса грунта с которым работает щит.
Во время движения проходческого щита преодолеваются силы, которые возникают при погружении головной части в забой, трения поверхности корпуса по породе, внутренней поверхности оболочки по возводимой обделке и передвигающейся вместе с ним части проходческого комплекса по обделке[2].
Таким образом можно произвести расчет усилия передвижения:
Ррас = Р1 + Р2 + Р3 + Р4, [4]
гдеР1– лобовое сопротивление внедрения головной части щита, кН; Р2 – сопротивление перемещению по наружной поверхности корпуса щита, кН; Р3 – сопротивление перемещению по внутренней поверхности оболочки щита, кН; Р4 – усилие перемещения вместе со щитом части
проходческого технологического комплекса, кН.
Р1 = руд · · , [4]
где руд– удельное усилие врезания, равное в суглинках 1200 ÷ 1600 кН/м2; D- диаметр щита,м; |
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
Р |
Р1т= 1400 ∙ 1,5 ∙ 3,14 = 6,5. |
,[4] |
|
|
||||||
|
f |
|
|
|
2 = |
∙ [2 ∙ (1 + ) ∙ ∙ |
∙ + ] |
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
f |
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
где |
|
т-коэффициент трения грунта по стали, т-0,85-0,95;ξ- коэффициент бокового давления пород (для |
|||||||||||||
нормально уплотненных глинистых грунтов в зависимости от плотности и состава, ξ =0,30 ÷ 0,80); |
|
- |
|||||||||||||
интенсивность вертикального горного давления на щит,н/м ; D- диаметр щита,м; G- масса щита,т. |
|
||||||||||||||
|
|
|
При сравнительно большой глубине залегания тоннеля, когда над щитом образовывается |
||||||||||||
свод обрушения, интенсивность вертикального горного давления |
|
|
|
||||||||||||
= ∙ |
|
|
|
|
|
|
|
|
. |
|
|
|
|||
|
|
|
, [4] |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
где - средняя объемная масса породы над щитом, т/м3; h- высота свода обрушения, м. |
|
|
|||||||||||||
|
|
|
Высоту свода обрушения |
|
q = 1,8 ∙ 1,8 = 32,4кН/м |
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
находят по формуле: |
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
- |
= |
|
, [4] |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
где |
|
|
B-пролет свода давления, |
м; f |
коэффиценит2 |
м |
крепости |
породы по шкале проф. М.М. |
|||||||
Протодьяконова. |
|
|
3,6 |
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
= 2 ∙ 1 = 1.8 . |
|
|
|
|
||||
26
Направление 1. Транспортное и строительное машиностроение
_______________________________________________________________________________________
Пролет свода давления определяется по теории проф. М.М. Протодьяконова:
В = + 2 ∙ ∙ (45 − 2 ), [4]
|
В |
|
|
20 |
|
м |
|
|
где φ- угол внутреннего трения, град. |
|
2 |
= 3,6 |
|
. |
|
||
Р |
|
= 1,5 + 2 ∙ 1,5 ∙ 45 − |
|
Н. |
||||
2 |
= 0,9 ∙ [2 ∙ (1 |
+ , ) ∙ 32,4 ∙ 3 ∙ 1,5 + 6,2] = 0,373 ∙ 106 |
|
|||||
Для прессования бетонной смеси под оболочкой щита в продольном направлении величина этого усилия будет максимальной в начальный момент движения щита и определяется из рассмотрения равновесия элементарного объема смеси, находящегося между опалубкой и оболочкой щита под давлением, создаваемым прессующим кольцом [3].
|
|
Для случая применения переставной секционной опалубки имеем: |
|
|
|
|||||||||||||||||||
|
|
- осевое давление на |
= ∙ ∙ |
∙ ( |
− ) |
1 − ∙ − |
2∙ ∙2 |
∙ |
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
Р |
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
, [4] |
|
|
|
|||
где |
0 |
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
− |
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
бетонную смесь под торцом прессующего кольца, |
Н/м ; R- внутренний |
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||
радиус оболочки щита,м; r- наружный радиус опалубки, м; |
|
-коэффицент боковой передачи давления |
||||||||||||||||||||||
в бетонной смеси; -коэффициент трения металла по |
бетонной смеси; L- длина пространства под |
|||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
оболочкой щита, |
заполняемого бетонной смесью, м. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1,5−1,3 |
|
= 5,8 ∙ 106 |
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
3 = 7,9 ∙ 3,14 ∙ 1,5 ∙ (1,5 − 1,3) 1 − ∙ − |
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
Р |
|
|
|
4 |
|
1 |
2 |
|
|
|
|
2∙0,4∙0,5∙0,74 |
|
|
|
Н. |
|
|
||
где |
|
1 |
|
|
|
|
Р |
|
|
, [4] |
|
|
|
|
|
вместе |
со щитом, т; |
|
- |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
- масса |
части проходческого |
комплекса, |
передвигающейся |
|
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
= |
∙ |
∙ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
коэффициент, учитывающий возможные местные сопротивления передвижению элементов |
||
проходческого комплекса. |
Р4 = 6,2 ∙ ,5 ∙ 2 = 6,2 ∙ 106Н. |
|
Р = (6,55 |
||
+ 0,373 + 5,8 + 6,2) ∙ 106 = 14,4 ∙ 106Н. |
||
Для полученных значений расчетных сопротивлений в процессе работы проходческого щита был произведен расчет режущей части с помощью программного продукта T-FLEX CAD.
Экспресс расчет детали
Таблица 1 – Материалы
03Х17Н14М3 ГОСТ 5632-2014
Модуль упругости |
|
200000 Н/мм² |
||
Коэффициент Пуассона |
|
0.29 |
|
|
Модуль сдвига |
|
81000 Н/мм² |
||
Теплопроводность |
|
0.016 Вт/(мм·К) |
||
Коэффициент теплового |
|
1.6E-05 1/°C |
||
расширения |
|
|
|
|
Плотность масс |
|
8000 кг/м³ |
||
Предел текучести |
|
196 Н/мм² |
||
Предел прочности на растяжение |
490 Н/мм² |
|||
Предел прочности на сжатие |
490 Н/мм² |
|||
Теплоёмкость |
|
0 Дж/(кг·К) |
||
Таблица 2 – Свойства сетки |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Тип элемента |
|
Квадратичный тетраэдр |
||
Количество элементов |
|
|
62101 |
|
Количество узлов |
|
|
107903 |
|
27
ОБРАЗОВАНИЕ. ТРАНСПОРТ. ИННОВАЦИИ. СТРОИТЕЛЬСТВО
Сборник материалов III Национальной научно-практической конференции
_______________________________________________________________________________________
Таблица 3 – Полное закрепление
|
Типнагружения |
Полное закрепление |
|||
|
Таблица 4 – Силы |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Тип нагружения |
|
Силы |
||
|
Нагрузка |
|
100000 Н |
||
|
Таблица 5 – Модуль перемещения |
||||
|
|
|
|
|
|
|
Min |
|
0 м |
|
|
|
Max |
|
3.423E-05 м |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 6 – Эквивалентные напряжения |
||||
|
|
|
|
||
|
Min |
|
6.661E-06 МПа |
|
|
|
Max |
|
26.04 МПа |
|
|
Таблица 7 – К-т запаса по эквивалентным напряжениям
Min |
7.528 |
|
|
Max |
2.942E+07 |
Рисунок 1 – Сетка |
Рисунок 2 – Полное закрепление |
Рисунок 3 – Силы
Рисунок 4 – Модуль перемещения
28
Направление 1. Транспортное и строительное машиностроение
_______________________________________________________________________________________
Рисунок 5 – Эквивалентные напряжения |
Рисунок 6 – К-т запаса по |
|
эквивалентным напряжениям |
В результате проведенных исследований в программе T-FLEX CAD получили максимальные значения: модуля перемещения - 3.423E-05 м, эквивалентные напряжения -26.04 МПа и коэффициент запаса по эквивалентным напряжениям - 2.942E+07. Благодаря этим данным можно сделать вывод, что замена режущей части будет наиболее эффективна.
Библиографический список
1.Алексеева, Т.В.Дорожныемашины: часть 1-я/ Машиныдля земляных работ // Т.В. Алексеева, К.А. Артемьев, А.Л. Бромберг. – М., Машиностроение, 1972. – 450 с.
2.Фугенфиров,А.А.Проектирование тоннелей, сооружаемых горным способом: Учебное пособие для вузов / А.А. Фугенфиров. – Омск: Изд-во. СибАДИ, 2002. – 164с.
3. Филиппов, И.И. Тоннели, сооружаемые щитовым и специальным способами: Учебное пособие / И.И. Филиппов. – М., РГОТУПС, 2004. – 212с.
4.Щитовые проходческие комплексы: Учебное пособие / В.А. Бреннер, А.Б. Жабин, М.М. Щеголевский, А.А. Поляков, А.А. Поляков. – М.: Издательство «Горная книга», Издательство Московского государственного горного университета, 2009. – 447 с.: ил. (ГОРНОЕ МАШИНОСТРОЕНИЕ)
5.FBпромышленность: [сайт]. – URL: https://fb.ru/article/296037/prohodcheskie-schityi-opisanie-naznachenie- gorizontalnoe-burenie
29