С В Зайченко, С П Шевчук - Дискретно-пластична модель середовища процесу роликового формування затрубного простору тунелю - страница 1

Страницы:
1  2 

УДК 622.232.5.05

СВ. Зайченко, канд. техн. наук, С.П. Шевчук, д-р техн. наук,,

(Украина, Киев, Національний технічний університет "КПІ") В.М. Гарнець, канд. техн. наук

(Украина, Киев, Київський національний університет будівництва і архітектури)

ДИСКРЕТНО-ПЛАСТИЧНА МОДЕЛЬ СЕРЕДОВИЩА ПРОЦЕСУ РОЛИКОВОГО ФОРМУВАННЯ ЗАТРУБНОГО ПРОСТОРУ ТУНЕЛЮ

Вступ.

Незважаючи на механізацію практично всіх процесів будівництва тунелів щитовим способом деякі операції, зокрема такі, як первинне і контрольне нагнітання цементно-піщаного розчину в затрубний простір мають низьку продуктивність процесу і високу трудомісткість, внаслідок відсутності засобів ущільнення суміші. Можливим рішенням проблеми ущільнення суміші є застосування безвібраційних методів ущільнення при створенні затрубної оболонки тунелю.

Ефективність застосування при спорудженні тунелів безвібраційних методів підтверджують існуючі машини, в основу яких закладений принцип торкретування піщаної суміші[1, 2]. Отримана поверхня має відмінні якісно-функціональні параметри, але має недосконалу геометрію поверхні, що не дозволяє ви­користовувати її як основу для спорудження тюбінгового кільцевого кріплення. Даного недоліку позбав­лений метод роликового формування, який дозволяє отримувати ідеально плоскі або циліндричні повер­хні. Поєднання двох безвібраційних методів ущільнення (рис. 1) дозволить використати їх в умовах фор­мування затрубного простору тунелю з превагами обох методів формування. Запропонована особливо доцільна технологія для спорудження тунелів під будівлями і спорудами, залізничними і трамвайними коліями і під діючими підземними комунікаціями, де вимагається забезпечити повне збереження буді­вель, споруд і підземних комунікацій і не допускати їх осідань.

A

A-A

1

 

 

 

г \

4________і

 

 

і

 

А

і

 

1 1 І І

 

 

 

 

 

2

 

A

Рис. 1. Схема будівництва тунелю з роликовим формуванням трубного простору

В створенні машин для формування будівельних сумішей вирішальним етапом проектування є визна­чення головних енергосилових параметрів процесу ущільнення. Сили реакції' оброблюваного середовища за­лежать від характеру і інтенсивності розподілу тисків в зоні контакту робочих органів з середовищем.

Огляд останніх джерел досліджень і публікацій.

Середовище під час дії роликових робочих органів проявляє свої пластичні властивості. Це підтвер­джують експериментальні дослідження роликового формування [3] і дослідження, пов'язані з вирішен­ням контактних задач кочення колеса при формуванні будівельних сумішей [4, 5].

В роботах [4, 5]. властивості середовища представлені емпіричними величинами, а простір середо­вища представлено напівплощиною, підсиленою жорсткою плоскою основою, що ускладнює викорис­тання отриманих результатів для опису процесу формування затрубного простору роликовим методом при будівництві тунелю.

Мета статті. Шляхом вивчення напружено-деформованого стану середовища, що оброблюється в про­цесі роликового формування затрубного простору тунелю, знайти тиски, які виникають у середовищі, що до­зволить знайти контактні тиски взаємодії роликових робочих органів з оброблюваним середовищем.

Постановка завдання

Для встановлення розподілу контактних тисків взаємодії роликових робочих органів з оброблюва­ним середовищем необхідно створити модель середовища, яка б розкривала механізм дії сил в будівель­ній суміші з врахуванням розмірів і трибологічних властивостей компонентів.

Виклад основного матеріалу дослідження

Головні технологічні параметри бетонної суміші залежать в першу чергу від крупності, шорсткості, просторової упаковки і величини поверхні заповнювача. Зерна заповнювача при правильно підібраному складі суміші покриті шаром цементного гелю, який розклинює частки між собою.

З вище сказаного слідує, що будівельні суміші не можуть розглядатися тільки як моноліт, деформа­ції якого відбуваються шляхом руху частин по окремим площинам ковзання. Головною ознакою будь-якого дисперсного середовища є дискретність його часток. Взаємне розташування окремих часток запов­нювача будівельної суміші залежить від щільності упаковки, яку можливо охарактеризувати кутом взає­много розташування часток c (рис. 2, а), шляхом ідеалізації часток у вигляді циліндрів діаметром D

(при плоскій постановці задачі) (рис. 2, б).

Рис. 2. Схеми компоновки заповнювача

Розглянемо розподіл сил в елементарному об' ємі суміші представленому чотирма частками при складному навантаженні. Для отримання мо­жливості опису представленої моделі приймемо наступні припущення відносно форми,розмірів і розташування часток, характеру їх руху, виду те­ртя між ними:

1. Будівельна суміш закладається з однако­вих абсолютно твердих циліндрів, які укладені правильними шарами;

2. Сили внутрішнього тертя між частками і сили тертя шарів по робочим органам пропорцій­ні нормальним зусиллям.

При розгляді механізму передачі зусиль в будівельій суміші розглянемо елементарній об' ем суміші при дії на нього двох сил нормальної - N і дотичної - T (рис. 3). Остання виникає у наслі­док тертя частки по робочому органу і прямопро-порційна нормальній складовій:

т = mN,

Рис. 3. Механізм дії сил в будівельних сумішах

де m - коефіцієнт тертя суміші по поверхні робочих органів.

Реакцію середовища на елементарний об'єм суміші можливо також представити парами сил Ni і Ti (рис. 3), які прикладені до i - частки суміші і, які також пов'язані між собою законом Кулона за допомо­гою коефіцієнта взаємного тертя часток суміші ц'. Дію однієї частки i на частку j за умов нормального контакту представляємо силою Nji, яка прикладена до точки контакту і паралельна нормалі поверхней, і силою Tji яка прикладена до точки контакту і паралельна дотичним поверхням:

: -N--     T     = T

При роликовому ущільнені будівельних сумішей відбувається перекомпоновка часток в більшій ча­стині за рахунок вдавлювання верхніх шарів часток в нижні шари суміші. Такий рух часток верхніх ша­рів суміші визначає рух часток нижніх шарів суміші і напрям дотичних сил Tji (рис. 3).

Для визначення розподілу сил Ni і Ti , Nji і Tji від нормальної N і дотичної T сил запишемо рі­вняння рівноваги кожної частки системи окремо:

JZX = 0; Nmcos( jх) + N12(sin(c) - m'cos(c)) + N13 (- sin(c) + m'Nu cos(c)) = 0;

\ZY = 0; - NR cos( jx) + N12 (cos(c) + m'sin(c)) + N13 (cos(c) + m'sin(c)) = 0; 2|2X = 0; N2 - N21 (- sin(c) + m cos(c))+ N24 (- sin(c) + m'N24 cos(c))= 0;

[ZY = 0; -m'N2 -N21 (cos(c) + m'N21 sin(c))+ N24(cos(c) + m'sin(c)) = 0; 3{ZX = 0; - N3 + N31(sin(c) - m'cos(c))+ N34(sin(c) - m'cos(c))= 0;

[ZY = 0; m'N3 - N31(cos(c) + m'sin(c))+ N34(cos(c) + m'sin(c)) = 0; 4{ZY = 0; - N42(cos(c) + m'(c))- N43(cos(c) + mN43 (c))+ N4 = 0.

Знайдемо необхідні корені системи для подальшого дослідження розподілу сил в будівельних сумішах:

N = N sin(c f cos(c + j)-mcos(c +j)-mf sin(c + j) . (1)

2 2 fsin(c) + cos(xi( - f2) '

N = N sin(c f cos(c -j)+m cos(c -j)+mf sin(c - j) . (2)

3 cos(c)f2 +1) '

Для спрощення визначення N4 скористаємось рішенням для випадку коли j = 0 :

N4 = N_^ 2+1)_;

2 sin(c)f- cos(c)f2 + cos(c)

В реальному середовищі частки розташовані хаотично, внаслідок чого реакції стінок розподіляються безперервно по контактуючим поверхням. Виходячи з цього припущення, тиски в елементарному об' ємі розподіляються пропорційно знайденим зусиллям і обернено контактним площинам.

Розглянемо взаємодію середовища з контактуючими поверхнями в умовах формування затрубного простору тунелю (рис. 4). Для визначення контактних тисків розглянемо умови рівноваги елементарного стовпчика суміші шириною dx, який обмежений поверхнями ролика і вироблення.

Внаслідок нерівномірності розподілу контактних тисків в зоні дії ущільнюючих органів, суміш про­ковзує з зони дії максимальних тисків в зони з меншим тисками. Очевидно, що для випадку роликового формування, суміш буде пересуватись в напрямку початку і кінця контакту. Зміну напряму проковзуван­ня суміші по поверхні контакту характеризує нейтральний кут g, яки розбиває зону навантаження на дві зони: І - випередження і ІІ - відставання (рис. 4).

a

dx

Y

N

Q

к

B

ІІІ

Рис. 4. Схема взаємодії суміші з роликовим робочим органом

Приймаємо, що головні осі напружень в розглянутому елементі відповідають вертикальним і гори­зонтальним осям. Використовуючи рішення системи рівнянь (1, 2), для зони І:

, =     ' =    sin(cc +     f cos(x + j)-mcos(c + j)-mf sin(c + <p);

a x = pxkI = Px-—ттг-2І-;

2 fsin( c ) + cos(c)( - f 2)

a x = pxkI = px~

Sin(c f cos(c -j) + m cos((c -j)+mf Sin(c - j)

для зони ІІ:

cos(c)(f2+1

a'    =   p   k'     =   p     Sin(cc + f cos(c +j)+m cos(c + j)+mf Sin(cc + j) .

a x = pxkII = px--TTf-2\-;

2 fsin( c ) + cos(c}( - f 2 ) a = pk  = p sin(X-j)- fcos(X-j)-mcos(c-j)-mfsin(X-j)

a x = pxkII = px

(3)

cos(cj/2 +1)

(4)

де k\ ,ki ц - коефіцієнти пропорційності для зон І і ІІ. Різниця тисків, які діють на елемент:

Aa x = a x -a 'x = px (ki - ki) ,

де i - номер зони дії робочого органу.

Прирощення тиску dsx пропорційне ширині елемента dx : (5)

dax Aax dx AR

(6)

X

ІІ

де AR - відстань між сусідніми шарами:

Страницы:
1  2 


Похожие статьи

С В Зайченко, С П Шевчук - Дискретно-пластична модель середовища процесу роликового формування затрубного простору тунелю