Анотація до роботи:

Сукач М.К. Закономірності взаємодії робочих органів землерийних машин з підводними вязкопластичними ґрунтами.- Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.05.04 - машини для земляних та дорожніх робіт.- Київський національний університет будівництва і архітектури, Київ, 2002.

Дисертацію присвячено дослідженню робочих процесів підводних землерийних машин. Розкрито механізм і особливості взаємодії робочих органів машин з підводними вязкопластичними ґрунтами. Встановлено нові закономірності руйнування ґрунту від властивостей текучого середовища, гідростатичного тиску і параметрів робочого процесу. Вперше розроблено модель опору різанню підводного ґрунту на основі реології суцільного деформівного середовища. Створено нові методи, пристрої і обладнання для визначення робочих навантажень машин під водою. Впровадження результатів дослідження у виробництво дозволило скоротити термін створення та підвищити ефективність використання землерийних машин на дні акваторій шляхом забезпечення відповідності їх параметрів реальним умовам експлуатації.

1. Дисертація є закінченою науково-дослідною роботою, в якій теоретично узагальнено і практично вирішено значну науково-прикладну проблему встановлення механізму взаємодії робочих органів землерийних машин із підводними вязкопластичними ґрунтами і прогнозування опору їх руйнуванню, що дозволяє скоротити термін створення і підвищити ефективність використання машин шляхом забезпечення відповідності їх параметрів реальним умовам експлуатації на глибині.

2. Встановлено особливості робочого процесу машин під гідростатичним тиском, обумовлені фазовим станом ґрунту, його фільтраційною здатністю, ступенем ізольованості процесу різання від зовнішнього середовища (можливістю дренування води із зони деформації) і врівноваженістю системи робочий орган-рідина-ґрунт (величиною консолідації ґрунту). У повністю водонасиченому ґрунті гідростатичний тиск передається безпосередньо на порову рідину, є нейтральним по відношенню до скелета ґрунту і не ущільнює його. В умовах не дренованого консолідованого зрізу, що відповідає руйнуванню донного ґрунту у природному стані, рух інструмента в масиві призводить до витоку порової води в контактну зону; тиск рідини зі сторони ножа на внутрішню поверхню стружки врівноважує її стан і обумовлює незалежність опору ґрунту від гідростатичного тиску.

3. Вперше розроблено модель опору різанню підводного ґрунту на основі реології суцільного деформівного середовища. Характеристики руйнування ґрунту визначаються градієнтом зсуву стружки вздовж інструмента, величиною водного прошарку і зміною швидкості потоку ґрунту в перерізі, перпендикулярному площині ножа. Одержано критерії подібності K, k, e, h, k_y , які динамічно і геометрично характеризують процес та обєднують параметри інструмента, властивості робочого середовища, форму стружкоутворення.

4. Встановлено нові закономірності опору слабких донних осадків, які обумовлені зчепленням між елементами зсуву зливної стружки на передній грані ножа; навантаженням в бічних прорізах при відтинанні стружки від масиву; опором ґрунту зчепленню і вязкості по бічним сторонам інструмента; силами вязкості в суміжному шарі ґрунту перед ножем; компенсацією тиску, що витрачається на подолання вязкого опору ґрунту вздовж інструмента; тертям стружки по його лобовій поверхні; опір нижчих, більш міцних, шарів донного масиву в незначному ступені залежить від кутів внутрішнього тертя і зсуву елементів стружки.

5. Для слабких осадочних структур зчепленням С < 9 кПа, вязкістью m < 0,9 кПас, густиною r < 1,410³ кг/м³ і вологістю W > 100 % максимальні відхилення розрахункового опору від експериментального d = 54…60 % при критеріях подібності процесу різання , , , . Для більш міцних донних ґрунтів, при С > 20 кПа, m > 1,2 кПас, r > 1,410³ кг/м³, W < 80…95 % і критеріях подібності , , , , збіжність F_р і F_е знаходиться в межах d = 48…53 % при довірчій вірогідності 0,9. Різання ґрунту широкими ножами зменшує розбіжність теоретичних і експериментальних значень опору руйнуванню. Дано рекомендації з проектування раціональних параметрів ріжучих органів і механізмів землерийних машин, що взаємодіють з підводними вязкопластичними ґрунтами.

6. Створено нові методи і технічні засоби для дослідження донних масивів і процесів взаємодії з ними робочого обладнання машин, в тому числі глибоководні пробовідбірники, гравітаційні зонди, суднові геотехнічні модулі, автоматизовані стенди та вимірювальні засоби, які дозволяють визначати міцнісні властивості морського дна у природному стані з похибкою показників у межах 12 % за зчепленням і 15 % за вязкістю при довірчій вірогідності 0,95; одержано статистичні характеристики розподілення властивостей і опору руйнуванню ґрунтів чорноморського басейну та океанічних осадків.

7. Встановлено особливості взаємодії механізмів машин з мулистим підводним ґрунтом. Ковзання днища на донних осадках забезпечується, якщо тиск на ґрунт P < 1,8…3 кПа, а співвідношення величин навантаження носової і кормової частин R₁/R₂ = 0,5…0,6. При вібраційному впливі машини з частотою f = 20 Гц і амплітудою A = 0,2 мм відбувається максимальне, в K_р = 2,5...3,0 разів, розущільнення ґрунту і занурення конкрецій в мул, яке досягає величини K_о= 40...70 % від їх діаметра d_к; відновлюються властивості ґрунту через 3...4 діб, причому міцність збільшується на 15...20 % від первинного значення без зміни вологості. Для запобігання технологічних втрат глибина захвату робочого органу машини повинна бути . Ефективна мінімальна швидкість гідророзмиву конкрецій = 0,8 м/с; при щільності їх покладів Q > 0,7 кг/м² доцільнішим за енергетичними показниками і ККД є механічний спосіб розробки. В результаті модельних і натурних випробувань експериментальних зразків машин розроблено ерліфтно-землесосний комплекс для видобування сапропелів з дна акваторій та плавучу установку для очистки водоймищ від радіоактивно забруднених відкладень.

8. Комплексне дослідження донних масивів із залученням методів пробовідбору, вивчення зразків на геотехнічних модулях, гравітаційного і геоакустичного зондування середовища, маршрутного опробування і безперервного профілювання морського дна дозволило: обґрунтувати новий підхід до методики проведення досліджень при скороченні числа станцій і загальної трудомісткості рейсових робіт; визначити фізико-механічні властивості підводних ґрунтів, опір їх руйнуванню і несучу здатність в поверхневому шарі; виявити стан рельєфу дна на батиметричних профілях, особливості функціонування та оптимальні траси видобувних систем.

9. Розроблені прогнозні оцінки робочих навантажень на основі характеристик експлуатаційного донного фону мають велике народногосподарче значення для створення і застосування окремих видів і комплексів ґрунторозробних машин. Реалізація вказаних положень і результатів дослідження сприяє паритетному доступу України до мінерально-сировинних і енергетичних ресурсів Світового океану, виходу на міжнародні ринки із сучасною наукомісткою продукцією та технологією.

10. За результатами дисертаційного дослідження розроблено і впроваджено у виробництво з економічним ефектом 3429,2 тис. грн: методику моделювання робочого процесу землерийних машин під гідростатичним тиском; прогнозну оцінку опору руйнуванню донних осадків плоским ножем; методики маршрутного опробування і безперервного профілювання морського дна; оцінку розроблюваності ґрунтових масивів дистанційними методами; технічні засоби для вивчення робочих процесів машин на глибині і в наземних умовах; результати дослідження характеристик взаємодії механізмів машин з мулистим ґрунтом; рекомендації з проектування ріжучих органів підводних машин; комплексну оцінку експлуатаційного донного фону для землерийних систем.

11. Сукупність нових наукових положень, результатів і висновків, сформульованих на основі виконаних теоретичних і експериментальних досліджень робочого процесу машин, можна кваліфікувати як вирішення важливої науково-прикладної проблеми в галузі підводного землерийного машинобудування.

Публікації автора:

Монографії

1. Гравитационное зондирование грунтов.- К.: Наук. думка, 1997.- 172 с (без співавторів).

2. Разработка глубоководных грунтов.- К.: Наук. думка, 1998.- 348 с (без співавторів).

3. Подводные строительные работы: Учеб. пособ. для вузов.- К.: ИСМО, 1999.- 224 с (співавтор: В.Л.Баладінський).

Статті у наукових фахових виданнях

4. Автоматизированный стенд для исследования рабочих процессов землеройных и транспортных машин // Известия вузов. Строительство.- 1994.- № 4. - С. 75-76 (без співавторів).

5. Техника и средства испытания подводных грунторазрабатывающих машин // Известия вузов. Строительство.- 1995.- № 2.- С. 115-118 (без співавторів).

6. Пробоотборник газонасыщенных донных отложений // Известия вузов. Строительство.- 1995.- № 3.- С. 118-119 (співавтори: С.А.Нікіщенко, И.В.Бляшин).

7. Глубоководный добычной комплекс // Известия вузов. Строительство.- 1996.- № 1.- С. 97-100 (без співавторів).

8. Датчик сопротивления резанию грунта для глубоководных машин // Известия вузов. Строительство.- 1996.- № 9.- С. 130-133 (без співавторів).

9. Глубоководный искиметр для землеройных машин // Строительные и дорожные машины.- 1997.- № 1.- С. 14-15 (співавтор: С.М.Сукач).

10. Плавучая установка для очистки водоемов от радиоактивных отложений // Строительное производство: Межвед. науч.-техн. сб.- Вып. 37.- К.: АП НИИСП, 1997.- С. 68-72 (без співавторів).

11. Математическая модель зондирования подводных грунтов цилиндрическим индентором // Известия вузов. Строительство.- 1998.- № 1.- С. 124-130 (без співавторів).

12. Судовой геотехнический модуль // Известия вузов. Строительство.- 1998.- № 2.- С. 131-134 (співавтор: С.М.Сукач).

13. Исследование процесса перемещения днища буксируемой машины по илистому грунту // Известия вузов. Строительство.- 1998.- № 6.- С. 105-110 (співавтор: С.М.Сукач).

14. Самоходная установка для сбора железомарганцевых конкреций // Известия вузов. Строительство.- 1998.- № 9.- С. 99-103 (без співавторів).

15. Система автоматизированной обработки данных исследований рабочих процессов машин // Строительные и дорожные машины.- 1998.- № 11-12.- С. 36-37 (співавтор: М.Г.Діктерук).

16. Эксплуатационные характеристики подводных грунтов в расчетах землеройных машин // Известия вузов. Строительство.- 1999.- № 1.- С. 120-123 (співавтор: В.Л.Баладінський).

17. Влияние вибрации машин на донные тиксотропные грунты с включениями конкреций // Строительные и дорожные машины.- 1999.-№ 2.- С. 32-33. (без співавторів).

18. Гидравлический расчет эрлифтной машины // Известия вузов. Горный журнал.- 1999.- № 3-4.- С. 29-31 (без співавторів).

19. Эксплуатационный грунтовый фон морского дна // Техніка будівництва.- 1999.- № 5.- С. 51-55 (без співавторів).

20. Метод маршрутного опробования морского дна // Гірн., буд., дор. і меліорат. машини: Всеукр. міжвід. наук.-техн. зб.- К.: КНУБА, 2000.- Вип. 55.- С. 90-92 (без співавторів).

21. Взаимодействие ножа землеройной машины с вязкопластичным грунтом // Техніка будівництва.- 2001.- № 9.- С. 53-59 (співавтор: Ю.П.Філонов).

22. Закономерности сопротивления разрушению водонасыщенных донных осадков // Техніка будівництва.- 2001.- № 10.- С. 37-46 (без співавторів).

23. Реологические модели подводного грунта // Будівельне виробництво: Міжвід. наук.-техн. зб.- К.: НДІБВ, 2001.- Вип. 42.- С. 5-10 (без співавторів).

24. Напряженное состояние подводного грунта перед лобовой гранью ножа // Гірн., буд., дор. та меліорат. машини: Всеукр. міжвід. наук.-техн. зб.– К.: КНУБА, 2001.- Вип. 57.- С. 81-87 (співавтор: Ю.П.Філонов).

25. Механизм воздействия на грунт гидростатического давления // Гірн., буд., дор. та меліорат. машини: Всеукр. міжвід. наук.-техн. зб.- К.: КНУБА, 2001.- Вип. 58.- С. 68-74 (без співавторів).

26. Влияние свойств донных осадков на сопротивление разрушению // Гірн., буд., дор. та меліорат. машини: Всеукр. міжвід. наук.-техн. зб.– К.: КНУБА, 2002.- Вип. 59.- С. 68-73 (без співавторів).

Патенти, тези, депоновані рукописи

27. Методы и устройства глубоководного исследования морского дна / КГТУСА.- Киев, 1993.- 111 с.- Рус.- Деп. в ГНТБ Украины 13.07.93, № 1484-Ук 93 (без співавторів).

28. Добыча сапропеля эрлифтно-землесосным комплексом / КГТУСА.- Киев, 1993.- 120 с.- Рус.- Деп. в ГНТБ Украины 03.11.93, № 2184-Ук 93 (без співавторів).

29. Комплекс для очистки водоемов от радиоактивных илов / КГТУСА.- Киев, 1994.- 62 с.- Рус.- Деп. в ГНТБ Украины 13.12.94, № 2387-Ук 94 (без співавторів).

30. Патент № 6714 України. Пристрій гравітаційного зондування підводного ґрунту / (без співавторів).- Опубл. 29.12.94, Бюл. № 8-1.

31. Патент № 2036483 РФ. Устройство для исследования донного грунта / (без співавторів).- Опубл. 27.05.95, Бюл. № 15.

32. Прогрессивные технологии и техника для очистки дна водоемов и рек // Тр. Междунар. науч.-техн. конф. “Ресурсосбережение и экология промышленного региона”.- В 3 т. - Макеевка: ДГАСА.- 1995.- Т. 2.- С. 5-6 (співавтор: В.Л.Баладінський).

33. Патент № 20045 України. Спосіб визначення властивостей ґрунтів і мінералів морського дна / (співавтори: О.М.Сукач, С.М.Сукач).- Опубл. 25.12.97, Бюл. № 6.

34. Патент № 20687 України. Датчик для вимірювання опору ґрунту різанню під водою /(співавтори: О.М.Сукач, С.М.Сукач).- Опубл. 27.02.98, Бюл.№ 1.

35. Патент № 22265 України. Іскіметр для підводних машин / (співавтори: С.М.Сукач, О.М.Сукач).- Опубл. 30.06.98, Бюл. № 3.

36. Патент № 22362 України. Стенд для вимірювання міцнісних властивостей ґрунту / (співавтори: О.М.Сукач, С.М.Сукач).- Опубл. 30.06.98, Бюл. № 3.

37. Патент № 22725 України. Стенд для визначення фізико-механічних характеристик ґрунту / (співавтори: С.М.Сукач, О.М.Сукач).- Опубл. 30.06.98, Бюл. № 3.

38. Способ и устройства для оценки прочности земляного полотна при динамических нагрузках // Тр. 4 Укр. наук.-техн. конф. “Механіка ґрунтів та фундаментобудування”.- Будівельні конструкції: Міжвід. наук.-техн. зб.- Вип. 53.- К.: НДІБК, 2000.- С. 364-369 (без співавторів).

39. Деклараційний патент № 30123 України. Стенд для дослідження робочих процесів будівельно-дорожніх машин / (співавтори С.М.Сукач, О.М.Сукач). - Опубл. 15.11.2000, Бюл. № 6-II.

40. Модельные испытания агрегата сбора глубоководных ископаемых // Тр. Междунар. науч.-техн. конф. “Проблемы механики горно-металлургического комплекса”.- Сб. науч. тр. НГАУ.- № 13.- Т. 3.- Днепропетровск: НГУ.- 2002.- С. 112-116 (без співавторів).