Научные основы создания комплексов машин для строительства временных зимних дорог в районах Севера и Сибири

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ СОЗДАНИЯ КОМПЛЕКСОВ МАШИН ДЛЯ СТРОИТЕЛЬСТВА ВРЕМЕННЫХ ЗИМНИХ ДОРОГ В РАЙОНАХ СЕВЕРА И СИБИРИ

Специальность 05.05.04 - «Дорожные, строительные и подъемно-транспортные машины»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Мерданов Шахбуба Магомедкеримович

Тюмень 2010



Работа выполнена в ГOУ ВПО «Тюменский государственный нефтегазовый университет» на кафедре «Транспортные и технологические системы»

Научный консультант: - доктор технических наук, профессор Карнаухов Николай Николаевич

Официальные оппоненты: - доктор технических наук, профессор Веригин Юрий Алексеевич

- доктор технических наук, профессор Пермяков Владислав Борисович

- доктор технических наук, профессор Шуваев Анатолий Николаевич

Ведущее предприятие: ООО «Газпром трансгаз Сургут»

Защита состоится «17» декабря 2010 года в 14 часов на заседании диссертационного Совета Д 212.273.04 при Тюменском государственном нефтегазовом университете по адресу: 625000, г. Тюмень, ул. Володарского 38, зал им. А.Н. Косухина.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотечно-информационном центре ТюмГНГУ.

Автореферат разослан …

Отзывы просим направлять в двух экземплярах с подписью, заверенной печатью.

Телефон для справок: (3452) 20-91-27.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент П.В. Евтин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Освоение Севера и Сибири определяется интенсификацией использования технологического и автомобильного транспорта. От состояния и развитости дорожной сети в значительной степени зависят: объем грузовых и пассажирских перевозок, их организация, себестоимость и безопасность движения.

Строительство капитальных дорог, как правило, отстает от разведки и обустройства нефтегазовых объектов, а в большинстве случаев нецелесообразно из-за малой интенсивности их использования и сезонности производства работ.

В связи с этим временные зимние дороги являются апробированным вариантом решения проблемы транспортного обеспечения объектов нефтяной, газовой, рыбной и лесной промышленностей.

Создание и содержание расширенной транспортной сети невозможно без использования приспособленных для данных условий строительных и дорожных машин. Строительство транспортных сетей с использованием механизированных комплексов актуально для освоения Севера и Сибири.

Представленная диссертационная работа выполнена в соответствии с Федеральной целевой программой «Дороги России» и научно-технической программой Министерства образования России «Вузовская наука - регионам».

Научная проблема заключается в отсутствии основ создания механизированных комплексов для строительства временных зимних дорог из снега в районах Севера и Сибири.

Основная идея работы заключается в создании эффективных транспортных систем для освоения и обустройства районов с отрицательными температурами окружающего воздуха посредством применения механизированных комплексов.

Гипотеза: разработка научных основ создания механизированных комплексов для направленного формирования свойств уплотненного снега приведет к снижению себестоимости и сроков строительства, улучшению качества дорожного покрытия зимних дорог и снижению затрат на перевозки в районах Севера и Сибири увеличением пропускной способности и продлением срока эксплуатации дорог.

Цель работы состоит в разработке научных основ создания механизированных комплексов для строительства зимних дорог из снега в районах Севера и Сибири, с продленным сроком их эксплуатации, улучшенным качеством и увеличенной пропускной способностью.

В соответствии с намеченной целью решались следующие задачи:

- разработка концепции создания машин для строительства зимних дорог;

- разработка методики формирования механизированных комплексов с целью снижения энергозатрат при возведении зимней дороги;

- выявление закономерностей изменения плотности снега в зависимости от его свойств, характера и времени воздействия нагрузок;

- разработка методик проведения экспериментальных исследований, создание лабораторных и натурных установок для уплотнения и увлажнения снега; зимний дорога машина строительство

- определение конструктивных параметров рабочих органов увлажняющих и уплотняющих машин;

- установление условий минимизации экономических затрат при строительстве зимних дорог;

- внедрение результатов исследований в практику строительства зимних дорог и оценка их экономической эффективности.

Объектом исследования являются процессы взаимодействия дорожно-строительных машин со снегом как со строительным материалом, а предметом исследования - эти процессы, применительно к рабочим органам уплотняющих и увлажняющих машин.

Методология работы основана на закономерностях процессов взаимодействия рабочих органов уплотняющих машин со строительными материалами, содержит интерпретацию методологических положений теории уплотнения дисперсных сред для разработки теоретических основ уплотнения снега, базируется на элементах системного анализа, математического и имитационного моделирования, на статистических методах обработки экспериментальных данных.

Научные положения и результаты, выносимые на защиту:

- концепция формирования механизированных комплексов для строительства временных зимних дорог;

- математические модели рабочих процессов и параметров рабочих органов уплотняющих машин;

- зависимости конечной плотности снега от влажности, величины и времени воздействия уплотняющей нагрузки;

- оценка параметров уплотняющих и увлажняющих машин и механизмов, входящих в механизированный комплекс;

- пути совершенствования комплексов машин для строительства временных зимних дорог на основе оптимизации процесса уплотнения снега.

Обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается результатами экспериментальных исследований.

Достоверность научных положений подтверждена оцененной по общепринятым статистическим критериям сходимостью результатов теоретических разработок с данными натурных испытаний созданных машин при строительстве и эксплуатации опытно-промышленных участков дорог.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- теоретически обоснованы параметры механизированных комплексов для строительства зимних дорог в районах Севера и Сибири;

- обоснована возможность и целесообразность использования снега в качестве строительного материала зимних дорог;

- предложена классификация временных зимних автодорог, обосновывающая условия включения конкретной машины в механизированный комплекс;

- выявлены закономерности изменения плотности снега в зависимости от его влажности, величины внешней нагрузки, времени и скорости ее воздействия;

- определена оптимальная по энергоемкости уплотнения величина влажности снега.

Практическая значимость работы заключается:

- в улучшении социально-экономической ситуации в регионах посредством создания незаносимых временных зимних дорог из снега;

- в создании механизированных комплексов для строительства временных зимних дорог на основе концепции предлагаемых подходов к его формированию к уплотнению снега

- в разработке и апробировании методик формирования механизированных комплексов и внедрении принципиально новых технологических схем для строительства зимних дорог;

- в повышении эффективности строительства зимних дорог с улучшенным качеством за счет использования созданных конструкций машин и механизмов;

- в сокращении срока возведения зимних дорог за счет новых конструкции снегоувлажняющих и снегоуплотняющих машин созданных на основе разработанных и внедренных в практику проектирования методик расчета основных параметров этих машин;

- в продлении срока службы дороги в весенний период и улучшении экологических показателей районов строительства посредством сохранения мохово-растительного покрова.

Личный вклад автора заключается в: определении и формулировке направлений исследований, разработке научных основ создания механизированных комплексов; определении параметров уплотняющих и увлажняющих машин; проектировании и реализации принципиально новых конструкций машин и технологий механизированного возведения зимних дорог; разработке и проведении экспериментальных исследований; внедрении результатов исследований в практику строительства.

Результаты исследования внедрены в ДСУ-22 треста «Севертрубопроводстрой» (г. Надым), УТТ ЗАО «Сургутгазпром» (г. Сургут), СТУ ОАО «Сибнефтепровод» (г. Тюмень), СКБ «Газстроймашина» (г. Тюмень) при проектировании и создании машин для строительства снеголедовых дорог.

Созданный комплекс машин и технология строительства использованы при возведении снеголедовых дорог на компрессорной станции «Приозерное» в районе г. Надым, промышленного участка дороги вблизи пос. Советский в районе г. Воркута и Лянторским УТТ №2 ОАО «Сургутнефтегаз» при создании дорог для перевозки грузов в пос. Винтим и пос. Пеледуй в районе г. Усть-Кут в республике Саха (Якутия).

Результаты исследований используются в учебном процессе при подготовке инженеров по специальности 190205.65 «Подъемно-транспортные, строительные и дорожные машины» и магистров по направлению 190100.68 - «Наземные транспортные системы».

Апробация. Основные результаты работы были представлены, обсуждены и одобрены на научно-практических и научно-технических конференциях и семинарах: МНТК, ВНТК «Нефть и газ Западной Сибири» (г. Тюмень, 1996 г., 2003 г., 2009 г.); МНТК «Развитие строительных машин, механизация и автоматизация строительства и открытых горных работ» (г. Москва, 1996 г.); МНТК «Повышение эффективности работы колесных и гусеничных машин в суровых условиях эксплуатации» (г. Тюмень, 1996 г.); МНТК «Развитие транспортно-технологических систем в современных условиях» (г. Н.Новгород, 1997 г.); МНТК «Интерстроймех» (г. Воронеж, 1998 г., 2004 г.; г. Тюмень, 2005 г.; г. Самара, 2007 г.; г. Владимир, 2008 г.; г. Бишкек, Киргизия, 2009 г.); Отчетной конференции-выставке по подпрограмме 205 «Транспорт» научно-технической программы Минобразования России «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники» (г. Москва-Звенигород, 2002 г.); МНПК «Проблемы эксплуатации транспортных систем в суровых условиях» (г. Тюмень, 2002 г.); МНТК «Транспортные системы Сибири» (г. Красноярск, 2003 г.); Международной конференции «Heavy Machinery - HM 05», (г. Кралево, Сербия, 2005 г.); МНТК «Итоги строительной науки» (г. Владимир, 2005 г.); МНТК «Теория и практика оценки состояния криосферы Земли и прогноз ее изменения» (г. Тюмень, 2006 г.); МНТК «Геотехнические и эксплуатационные проблемы нефтегазовой отрасли» (г. Тюмень, 2007 г.); МНТК «Криогенные ресурсы полярных регионов» (г. Салехард, 2007 г.); МНТК «Проблемы эксплуатации и обслуживания транспортно-технологических машин» (г. Тюмень, 2007 г., 2009 г.); МНПК «Мехатроника строительных и дорожных машин» (г. Харьков, Украина, ХНАДУ, 2007 г.); ВНПК «Проблемы эксплуатации систем транспорта» (г. Тюмень, 2008 г., 2009 г.); МНТК «Транспортные и транспортно-технологические системы» (Тюмень, 2010 г.).

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 44 работах, в том числе: в 13 изданиях, рекомендованных перечнем ВАК, в 3 монографиях, в 5 учебных пособиях и в 14 изобретениях и патентах РФ.

Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, пяти глав и заключения, изложенных на 327 страницах основного текста (с приложением на 41 странице), содержит 107 рисунков, 26 таблиц и библиографический список из 218 наименований.

В основе диссертации лежат результаты, полученные автором при проведении комплекса научно-исследовательских работ: в соответствии с планами Тюменского государственного нефтегазового университета (до 1994 года Тюменского индустриального института), которые являются составной частью госбюджетной работы «Совершенствование рабочих органов строительно-дорожных машин» (1989-1996), хоздоговорных работ с трестом «Севертрубопроводстрой» (1986-1988); и результаты работы автора в выполнении исследований по Гранту Минобразования России на проведение НИР (2001-2002). В работу вошли также исследования автора при выполнении НИР по Программам: Минобразования России - «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники», «Экспериментально-теоретические исследования взаимодействий в системе «Транспортный комплекс - окружающая среда» в северных регионах Западной Сибири» (2001-2005), «Технология и комплекс машин инженерного обеспечения населенных пунктов Сибири и крайнего Севера путем строительства ледовых переправ» (2003-2004), «Теоретические основы процессов уплотнения многофазных дисперсных сред» (2005-2007); Тюменской области - «Развитие высшего и среднего профессионального образования и поддержка науки на 2001-2005 г.г.»; целевых научно-технических программ Тюменской области - «Техника и технология строительства и содержания транспортных сетей Тюменского региона» (2007) и «Совершенствование методов и техники для зимнего содержания транспортных сетей Тюменской области» (2008). В работе используются материалы, полученные автором при выполнении 11 фундаментальных и прикладных НИР в период с 1983 по 2010 г.г.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проблемы, указана научная новизна и практическая ценность работы, приведены положения выносимые на защиту.

В первой главе проведен анализ ранее выполненных работ Я.С. Агейкина, Л.В. Барахтанова, И.П. Бородачева, Г.В. Бялобжеского, К.Ф. Войтковского, В.Г. Гмотинского, Д.М. Грея, А.К. Дюнина, Н.Н. Карнаухова, В.М. Ковалевского, В.М. Котлякова, И.В. Крагельского, А.П. Кулешова, Д.Х. Мэйла, Л.Н. Плаксы, Г.Д. Рихтера, В.Э. Ронгонена, Р.С. Самойлова, Г.К. Сулаквелидзе, Т.Х. Саттарова, посвященных исследованию транспортных сетей Севера, природно-климатических условий, свойств снега, машин и механизмов, технологий строительства и конструкций временных зимних дорог, экологических проблем при их возведении.

Исследован процесс возведения снеголедовых дорог, обусловленный взаимодействием рабочих органов строительных машин со средой (снегом). Ключевыми технологическими операциями этого процесса являются: наброска снега на полотно дороги, его увлажнение и уплотнение.

К началу 70-х годов ХХ века были созданы и испытаны несколько экспериментальных образцов снегоуплотняющих и снегоувлажняющих машин усилиями институтов: ЦНИИМЭ (г. Химки), ГПИ (г. Горький), НИАИ ВВС, СевНИИП (г. Архангельск), НИИОСП им. М.Н. Герсеванова (г. Москва), Красноярский филиал ВНИИстройдормаш и др.

Анализ результатов исследований потребовал дальнейших разработок в области создания временных зимних дорог, в частности формирования механизированных комплексов для их строительства. Начиная с 80-х годов прошлого столетия коллектив Тюменского индустриального института (с 1994 г. ТюмГНГУ) ведет разработки эффективных технологий строительства снеголедовых дорог, конструкций машин для их возведения и содержания. Во избежание заносимости верхняя отметка покрытия снеголедовых дорог поднимается выше окружающего снежного покрова, а также полотну придается специальный поперечный профиль.

Предложенные конструкции дорог, обладают общими с традиционными автозимниками достоинствами, имеют прочное и ровное покрытие, допускают возможность многократного безопасного проезда транспорта и технологических машин с требуемыми скоростями движения, обеспечивают необходимую пропускную способность и легко поддаются ремонту после разрушения проезжающим транспортом, предохраняют почву от разрушения ее покрова ходовыми системами машин.

Достоинствами дорог данного типа является возможность быстрого их сооружения с полной механизацией работ, минимальная потребность в привозных строительных материалах и продленный срок эксплуатации в весенний период.

Во второй главе представлена структура исследования (рис. 1), включающая аналитические и экспериментальные исследования. Представленная структура позволяет проследить последовательность выполнения отдельных этапов исследований и выявить связи между ними.

Рис. 1 Структура исследования

С целью определения параметров уплотняющих и увлажняющих машин приведены исследования процесса взаимодействия рабочих органов дорожно-строительных машин со средой, изучены физико-механические свойства и теплофизические характеристики снега как строительного материала, выбраны основные способы его увлажнения и уплотнения.

Установлено, что объёмные свойства снега зависят от процессов смерзания, горизонтов глубинной изморози, наличия ледяных прослоек и размеров частиц. Определяющим размеры частиц снега является процесс метаморфизма, который наиболее интенсивно протекает при большом перепаде температур внутри снежной толщи и высокой влажности снега, а теплофизические свойства снега (теплоёмкость, теплота фазовых переходов) зависят только от плотности снега.

Представлены зависимости влияния на получаемую плотность снеголедового покрытия следующих факторов - структуры снега, его теплофизических свойств (температуры и влажности) и времени воздействия внешней нагрузки. Наиболее полно описывает свойства снега как дорожно-строительного материала реологическая модель упруговязкопластичной релаксирующей среды.

Функциональная модель, учитывающая параметры снега как дорожно-строительного материала и параметры рабочих органов машин, включаемых в механизированный комплекс для строительства временных зимних дорог, представлена в следующем виде:

,

где - начальная плотность снега, кг/м³; [] - предел прочности снега при сжатии в уплотненном слое, кПа; W - влажность снега, %; - температура уплотняемого снега, єС; - скорость изменения внешней нагрузки, кПа/с;

- технологическая скорость уплотняющей машины, м/мин; - величина внешней нагрузки, Н.

Автором предложена расширенная классификация временных зимних дорог, используемая в методике формирования механизированных комплексов.

Разработаны математические модели взаимодействия увлажняющих и уплотняющих рабочих органов со снегом.

Достижение необходимой плотности, следовательно, и прочности, покрытия снеголедовой дороги возможно при следующих условиях:

1. Дорога возводится из увлажненных и уплотненных слоев снега;

2. Высота набрасываемого слоя определяется зависимостью:

,

где Н₀ - высота уплотняемого слоя, м; К - эмпирический коэффициент, зависящий от свойств снега и параметров уплотняющей машины (например для пневмокатка К = 0,42…0,48); - отношение фактической и оптимальной влажности снега.

3. Нагрузка, воздействующая на каждый уплотняемый слой, должна возрастать постепенно до максимума, с учетом времени преодоления упругих и вязких связей. Рост нагрузки ограничивается пределом прочности снега.

Согласно теории подобия и размерностей количество параметров математической модели, описывающей процесс уплотнения снега, без ущерба ее адекватности сокращено до матрицы :

Анализ факторов, влияющих на величину деформации снега при его уплотнении, позволил установить, что основными из них являются: скорость изменения нагрузки (включающая величину уплотняющей нагрузки Р), начальная плотность и температура снега Т, время воздействия внешней нагрузки t.

На основе физической и имитационной моделей (рис. 2 и 3), в главе приводится обоснование скорости изменения уплотняющей нагрузки, кратности ее воздействия. Рассматриваемая модель лежит в основе методики выбора скоростных режимов работы снегоуплотняющих машин, а также в формировании комплектов уплотняющих машин в механизированных комплексах с учетом коэффициента перехода _ tgб.

Рис. 2 Физическая модель к определению скорости изменения уплотняющей нагрузки

Допущения, используемые для создания имитационной модели:

1. Каждый i-ый блок моделирует типоразмер катка (снегоуплотняющей машины), т.е. его конструкцию, массу, технологическую скорость. При этом первая ось соответствует минимальной рабочей скорости катка, а вторая ось - оптимальной. Оптимальная технологическая скорость катка V₀ соответствует скорости изменения уплотняющей нагрузки с учетом изменения пятна контакта при последующем проходе катка, а также предела прочности снега при сжатии в уплотненном слое [].

2. Изменение нагрузки на уплотняемую поверхность дороги при переходе от одного типоразмера катка i к другому i+1 (или при использовании одного катка в несколько проходов) соответствует возрастанию коэффициента перехода tgб.

3. Количество применяемых для уплотнения катков n, обусловливается достижением достаточной заданной конечной плотности покрытия _К, что зависит от значения внешней нагрузки Р.

4. Графическая интерпретация коэффициента перехода tgб соответствует функции отклика , где z - количество проходов катка;

n - количество типоразмеров катков, используемых для уплотнения снега.

Критерием выбора параметров механизированных комплексов является оптимальное соотношение различных факторов, рассмотренных ранее. Взаимодействие скорости изменения внешней нагрузки ?' и времени воздействия на снежную массу t графически можно представить имитационной моделью (рис. 3).

Рис. 3 Имитационная модель уплотнения снега

Возрастание нагрузки от (где - максимальная нагрузка при которой не происходит разрушение слоя снега, что соответствует [] при реальных технологических условиях уплотнения слоя снега), до максимальной величины , при которой достигается необходимое значение конечной плотности осуществимо при выдерживании под нагрузкой в течение заданного времени t.

Скорость изменения внешней нагрузки обуславливается значением коэффициента оптимальности взаимодействия факторов (коэффициента перехода) , где - угол, соответствующий оптимальным условиям уплотнения снега:.

Рост внешней нагрузки носит нелинейный характер, однако, в данном случае он линеаризован для описания взаимодействия факторов через функционал , а угол обусловлен в свою очередь такими факторами как физические свойства снега (температура, влажность, структура) и технологической скоростью: .

Принято упрощение, что реакция уплотняемой среды выражается изменением плотности согласно зависимости: .



Рис. 4 Алгоритм формирования механизированных комплексов

Принципы формирования механизированных комплексов научно обоснованы, базируются на выявленных закономерностях изменения состояния снега и устанавливают значения параметров позволяющих получить техническое решение. Для визуализации процесса формирования механизированных комплексов, обозначения и учета всех возможных связей и переходов создана логико-структурная схема (рис. 4.)

В соответствии с алгоритмом, формирование механизированных комплексов происходит в определенной последовательности, обозначенной нисходящими от технического задания линиями, и обязательно заканчивается техническим решением. Техническое решение может получаться различными путями, при влиянии различных благоприятных или неблагоприятных условий могут добавляться или исчезать различные этапы процесса формирования комплекса. Также пунктирными линиями на алгоритме показаны информационные потоки, образующиеся в процессе формирования технического решения.

Информационные потоки и сформированное техническое решение базируются на выявленных зависимостях конечного состояния снега от значимых факторов и позволяют научно обосновать принципы формирования механизированного комплекса

Эффективность применения механизированных комплексов при строительстве временных зимних дорог предлагается оценивать целевой функцией описываемой интегральным показателем затрат на их строительство : , где - удельный показатель потерянного дохода за счет сокращения объема перевозок, руб./км; - показатель удельных затрат на строительство временной снеголедовой дороги, руб./км, определяется следующим образом: руб./км; S - затраты на строительство снеголедовой дороги, руб.; - капитальные затраты, руб.; E - коэффициент эффективности капитальных вложений; L - длина участка возведенной зимней дороги, км.

Для оценки эффективности строительства снеголедовых дорог используется удельный показатель потерянного дохода за счет сокращения объема перевозок, определяемый как: , руб./км, где - объем текущих грузоперевозок, т.; - объем перевозок увеличившийся в результате продления срока службы временной зимней дороги, т.; P - стоимость перевозки 1 тонны груза по временной дороге, руб.

Процесс создания временной зимней дороги можно оптимизировать по энергетическим и материальным затратам посредством применения механизированных комплексов.

Таким образом, в главе описаны основные факторы, влияющие на технологические параметры уплотнения снега при механизированном способе строительства зимних дорог, а также связывающие их зависимости.

Третья глава посвящена экспериментальному исследованию процесса уплотнения снега, проводимого для установления закономерности, определяющей плотность в зависимости от основных параметров снега и уплотняющего устройства. Для решения задачи строительства снеголедовых дорог были изучены вопросы внесения тепла в снег, наброски снега в дорожное полотно и уплотнение снега. Исследования, проведенные согласно разработанной структуре исследования, включают основные 7 этапов:

1. Планирование многофакторного эксперимента (рис. 5).

2. Лабораторное изучение уплотнения снега.

Проведенные опыты позволили установить, что при уплотнении 6 слоев снега высотой по 50 мм цилиндрическим штампом с силой нагружения P (рис. 6), формирование ядра уплотнения снега подобно формированию ядра при уплотнении грунтов. Эффективная глубина действия нагрузки для снега составляет 2,5 диаметра штампа•d_ШТ (в сравнении с грунтом 3,5d_ШТ), что позволяет сделать расчет высоты слоя наброски снега для последующего его уплотнения.



Рис. 5 Общая последовательность планирования эксперимента



Рис. 6 Поперечный профиль уплотняемого образца: а - до уплотнения; б и в - после уплотнения (I - снег; II - грунт)

3. Создание оборудования для проведения лабораторных исследований.

Лабораторная установка «пневмокаток» (рис. 7) для уплотнения снега состоит из: пневмоколеса диаметром 400мм, рамы с рукоятью, удлиненной оси колеса для установки дополнительных пригрузов, устройств для регистрации скорости и комплекта измерительных приборов.

Рис. 7 Схема лабораторной установки для уплотнения снега пневмокатком

Графическое представление результатов воздействия уплотняющих машин приведено на рис. 8. Тонкие линии показывают равные объёмные веса снега, изогнутые вертикальные столбики - смещение снега в направлении движения, параллельные горизонтальные линии - уплотнение слоев под колесом.

Рис. 8 Деформация снега в зоне контакта с колесом

Экспериментально подтвержден предполагаемый характер изменения деформаций, изменение структуры уплотняемой среды по высоте слоя Н₀. Форма ядра уплотнения и эффективная глубина действия нагрузки при укатке изменяется аналогично зависимостям, полученным для штамповых испытаний.

Рис. 9 Установка для изучения процесса уплотнения снега

Установка для изучения процесса уплотнения снега (рис. 9) позволила определить величины плотности уплотняемого снега в зависимости от его влажности, внешней нагрузки, времени и скорости ее воздействия. Начальная установка штампа выполняется при перемещении подвижного элемента штампа 7 и блокировании штампа фиксатором 12. Прямолинейность и перпендикулярность траектории движения обеспечивается специальной направляющей 9, по которой перемещается штанга штампа 8. Характер нагружения штампа определяется закономерностью истечения жидкости из емкости 4 и контролируется расходомером 15. Выкачиваемая из емкости по трубопроводу 14 насосом 5 жидкость увеличивает нагрузку на штамп, создаваемую грузом 6. Необходимый диапазон изменения вертикальной координаты штампа достигается соединением емкости для жидкости 4 со штангой штампа 8 при помощи каната 3, перекинутого через блок 2, который закреплён на раме 1. В качестве устройства для хранения снега используется толстостенный сосуд из стекла 10. В качестве устройства для фиксации деформации снега выступает шкала 11, по которой перемещается стрелка 13, закрепленная на штанге штампа 8.

Исследования проведенные на установке для изучения особенностей процесса уплотнения снега в замкнутом объеме (рис. 10), позволили выявить повышение предела прочности снега и как следствие возможность увеличения внешней нагрузки и достижения большего значения величины конечной плотности.



Рис. 10 Лабораторная установка для изучения процесса уплотнения снега в замкнутом объеме: 1 - станина с направляющими для винта, 2 - разборная прозрачная форма, 3 - измерительная шкала, 4 - уплотняемый материал, 5 - штамп, 6 - динамометр (динамометрическая скоба с микрометром), 7 - винт

4. Определение зависимости конечной плотности снега от его температуры.

Рис. 11 Зависимость конечной плотности уплотняемого снега с от его температуры Т 1 - у = 2 кПа; 2 - у = 4 кПа; 3 - у = 6 кПа

Зависимость конечной плотности уплотняемого снега с от его температуры Т при постоянной максимальной нагрузке ' представлены на рис. 11. Аппроксимирующие функции при этом имеют вид , где коэффициенты а и b в трех случаях принимают значения: для у = 2 кПа, а = 273, b=1.4; при у = 4 кПа, а = 364, b = 0.94; при у = 6 кПа, а = 424, b = 3.37.

5. Определение зависимости конечной плотности снега от скорости изменения нагрузки .

Зависимость конечной плотности уплотняемого снега с_к от скорости изменения нагрузки у' при постоянной максимальной нагрузке у и начальной плотности снега с представлены на рис. 12. Аппроксимирующие функции при этом имеют вид с = а + bу', где коэффициенты а и b принимают значения: при у = 17,5 кПа, с = 200 кг/м³, а = 353, b = - 6.2; при у = 17,5 кПа, с = 300 кг/м³, а = 404, b = -10.2; при у = 28 кПа, с = 200 кг/м³, а = 405, b = -13.5; при у = 28 кПа, с = 300 кг/м³, а = 407, b = -10.7.

Рис. 12 Зависимость конечной плотности уплотняемого снега с_к от скорости изменения нагрузки у': 1 - у = 17,5 кПа; 2 - у = 17,5 кПа; 3 - у = 28 кПа; 4 - у = 28 кПа

6. Обоснование аналитической зависимости между плотностью снега и его влажностью.

График экспоненциальных функций, аппроксимирующих экспериментальную зависимость конечной плотности снега от его влажности W при максимальной уплотняющей нагрузке представлен на рис. 13. Аппроксимирующие функции имеют вид:

,

где коэффициенты а, b и с в зависимости от уплотняющей нагрузки имеют следующие значения: при 2 кПа, а = 212, b = 0,46, c = -3,55; при у = 4 кПа, a = 230, b = 0,31, с = -3,34; при у = 6 кПа, а = 257, b = 0,48, с = -3,59; при у=8 кПа, a = 280, b = 0,22, с = -3,15.

W, %

Рис. 13 Зависимость конечной плотности снега от его влажности W 1 - у = 2 кПа; 2 - у = 4 кПа; 3 - у = 6 кПа; 4- у = 8 кПа

Аналогичный вид имеют графики степенных функций, аппроксимирующих экспериментальную зависимость конечной плотности снега с_к от его влажности W при максимальной уплотняющей нагрузке у. При этом аппроксимирующая функция имеет вид , где коэффициенты а, b и с зависящие от уплотняющей нагрузки имеют следующие значения: при у = 2 кПа, а = 214,057, b = 0,000043, с = 4,963; при у = 4 кПа, а = 237,917, b = 0,000024, с = 5,153; при у = 6 кПа, а = 259,057, b = 0,000054, с = 4,882; при у = 8 кПа, а = 281,341, b = 0,000011, с = 5,437.

7. Выявление влияния прикладываемой нагрузки на изменение конечной плотности при уплотнении снега в замкнутом объеме (рис. 14).

Обработка экспериментальных данных позволила получить численные значения параметров, входящих в математическую модель влияния прикладываемой нагрузки на изменения конечной плотности при брикетировании снега в замкнутом объеме. Зависимость имеет следующий вид:

,

где Р - усилие на рабочем органе, Н; ,,- функции, полученные при анализе численных значений математической модели. Графически данная зависимость представлена на рис 15.



Рис. 14 Зависимость усилия на рабочем органе от размера и конечной плотности снежного блока

После подстановки численных значений параметров она принимает вид:

,

где - плотность снега после уплотнения, кг/м³; S - линейный размер формы, м. По результатам экспериментальных исследований рассмотрена зависимость влажности снега от его температуры, представленная в виде кусочно-линейной функции (рис. 15).

Для интервала температур от -2^о до -8^оС (в таких условиях происходит выпадение 70-80% годового объема снега по данным многолетних наблюдений в районах Сибири), зависимость достаточно хорошо коррелируется полиномом первой степени с достоверностью 0,92…0,98:

где - влажность снега, %; - температура снега (по модулю), ^оС;

k₁ -коэффициент, зависящий от начальных параметров снега, k₁ = (12…15);

k₂ - коэффициент, зависящий от внешних факторов, 1/^оС, k₂ = (1,5… 2).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 15 Поинтервальная интерпретация зависимости влажности снега от его температуры

При температуре выше анализируемого участка значение функции асимптотически приближается к 100 %. При температуре ниже анализируемого участка значение функции асимптотически стремится к нулю, достигнув 0,5…5 %, выравнивается и с дальнейшим уменьшением температуры практически не изменяется.

При получении требуемых технологических значений плотности снега, как показал анализ регрессионного уравнения, процесс уплотнения необходимо проводить при возможно большем начальном значении плотности с увеличением влажности и температуры снега, и с плавным изменением скорости уплотняющей нагрузки.

Установлено влияние физико-механических и термических свойств снега на процессы взаимодействия рабочих органов строительных машин с уплотняемой снежной массой. Полученные зависимости используются в качестве исходных показателей для определения конструктивных размеров рабочих органов и технологических параметров работы машин.

Анализ имеющейся информации об описании напряженно-деформированного состояния снежного покрова и сопоставлении выявленных данных с задачами исследования позволил выдвинуть гипотезу, что использование математических методов планирования многофакторного эксперимента повышает информативность исследований процесса уплотнения снега.

Результаты экспериментальных исследований процесса уплотнения показали, что конечная плотность снега возрастает:

- с повышением температуры (интенсивный рост плотности наблюдается при температурах выше минус 8°С);

- с уменьшением скорости изменения нагрузки (эффективность уплотнения наиболее низка при скорости изменения нагрузки более 3 кПа/с).

Установлено, что зависимость конечной плотности снега от его влажности носит характер близкий к линейному до влажности W=14%. При значениях влажности более 14% повышение плотности становится прогрессирующим.

В результате проведенных экспериментальных исследований можно сделать вывод, что предлагаемые уравнения с достаточной точностью позволяют установить величину получаемой плотности снега после уплотнения, что подтверждает гипотезу о виде закономерности, описывающей процесс уплотнения снега под действием нагрузки и гипотезу об основных факторах, влияющих на эффективность уплотнения снега.

Четвертая глава посвящена разработке и совершенствованию конструкций машин и механизмов для увлажнения и уплотнения снега.

Проведенный анализ существующих конструкций машин и механизмов, а также результатов проведенных экспериментальных исследований привел к постановке новых задач, направленных на создание уплотняющих, увлажняющих и комбинированных машин.

Предложены конструкции машин:

- для тепловой обработки снега перед уплотнением;

- для тепловой обработки снега при его уплотнении;

- для подготовки оснований зимних дорог;

- прицепное оборудование для уплотнения снега;

- модернизированные машины для уплотнения снега;

- для изготовления снежных брикетов и ледяных блоков.

Для проектирования новых конструкций были использованы результаты исследований, определивших влияние конструктивных размеров рабочего органа и исходных свойств снега на процесс уплотнения. Это позволило определить технологические параметры машины: максимальную нагрузку, время нагружения и скорость изменения нагружения.

Научные основы создания комплексов машин для строительства зимних дорог сформированы по результатам проведенных исследований взаимодействия рабочих органов снегоуплотняющих и снегоувлажняющих машин, задействованных в технологическом процессе.

Пятая глава посвящена использованию и внедрению результатов исследования, в частности механизации строительных процессов наброски, увлажнения и уплотнения снега.

Научные основы создания комплексов машин направлены на повышение эффективности эксплуатации снегоуплотняющей и снегоувлажняющей техники при возведении зимних дорог. Они рекомендуются для создания машин с заданными свойствами, а также используются при обучении специалистов.

Основу практической ценности рассматриваемой работы составляют разработанные автором методика формирования механизированных комплексов возведения снеголедовой дороги в насыпи и конструкции машин для строительства временных зимних дорог (рис. 16).



Рис. 16 Схемы формирования механизированного комплекса для возведения временной зимней снеголедовой дороги

Механизированный комплекс позволяет реализовать следующие операции: I - расчистка трассы от кустарников, леса; II - проминка сырых участков и неглубоких болот вдоль основания дороги и снегосборных полос с помощью вездеходных машин с низким удельным давлением ходовых систем; III - промораживание дорожного основания с удалением выпадающего снега в накопительные валы на снегосборных полосах с помощью плужных снегоочистителей и бульдозеров, или прокалывание грунта с помощью машины для формирования лунок в грунте, с целью ускорения процесса промораживания основания; IV - послойное наращивание полотна дороги снегом со снегосборных полос до отметки, превышающей отметку окружающего снежного покрова; V - увлажнение (с применением поливочных машин или с применением разработанных термоувлажняющих машин и агрегатов) и профилирование накопленного снега по основанию дорожного полотна; VI - послойное уплотнение снега прицепными пневмокатками или гладилками с предварительным рыхлением и перемешиванием уплотняемого слоя с помощью ребристых катков; VII - формирование снеголедяного покрытия, нанесение на покрытие насечки противоскольжения; VIII - наращивание или восстановление дорожного полотна при необходимости, устройство дорожной обстановки.

Операции в технологической схеме могут различаться в зависимости от района строительства.

Результатом внедрения исследований явилось строительство экспериментального и промышленного участка дороги, которое подтвердило снижение себестоимости перевозки грузов, продление срока службы дорог и снижение экологического вреда районам, где применяется предложенная техника и технология строительства временных зимних дорог.

Кроме того, автором предлагаются методики:

- расчета основных параметров рабочих органов снегоуплотняющих машин;

- расчета основных параметров рабочих органов снегобрикетирующих машин;

- выбора скоростных режимов работы снегоуплотняющих машин.

В главе рассмотрены результаты натурного применения авторских технологий и комплекса машин при строительстве опытно-промышленных участков снеголедовых дорог вблизи п. Советский в районе г. Воркута, в п. Винтим и п. Пеледуй в районе г. Усть-Кут Республики Саха (Якутия). Для практического использования результатов разработаны и внедрены снегоуплотняющие и снегоувлажняющие машины, в управлениях технологического транспорта и транспортных организациях.



ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ, ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Созданы научные основы формирования механизированных комплексов для строительства временных зимних дорог, позволяющие решить важную социально-экономическую проблему развития дорожных сетей при освоении и обустройстве районов Севера и Сибири.

2. Разработана концепция формирования механизированных комплексов, обеспечивающая снижение себестоимости и сроков строительства, улучшение качества дорожного покрытия зимних дорог, минимизацию вредного воздействия на окружающую экологическую обстановку в районах строительства, уменьшение затрат на перевозки в районах Севера и Сибири, увеличение пропускной способности и продление срока эксплуатации дорог.

3. Выявлены основные факторы, влияющие на результирующую (конечную) плотность снега при его уплотнении: величина и скорость изменения уплотняющей нагрузки, начальная плотность и температура снега. Разработаны математические модели их влияния на конечную плотность покрытия снеголедовой дороги.

4. Предложены технологические параметры уплотнения снега и его физико-механические характеристики, при которых достигается наибольшая плотность полотна снеголедовой дороги. Установлено, что с уменьшением скорости изменения уплотняющей нагрузки эффективность уплотнения повышается. Определена величина влажности, оптимальная для уплотнения с наименьшими затратами механической энергии.

5. Разработаны методики проведения экспериментальных исследований, лабораторные установки и промышленные образцы рабочих органов машин, позволяющие повысить эффективность исследования процесса взаимодействия рабочих органов со средой.

6. По результатам аналитических и экспериментальных исследований обосновано использование снега и льда в качестве строительного материала зимних дорог. Исследован механизм уплотнения снега, на основе которого определена величина его влажности (14…28 %) оптимальная для уплотнения с наименьшими затратами механической энергии.

7. Предложена классификация временных зимних дорог, используемая в методике формирования механизированных комплексов.

8. Разработаны методики расчета и выбора параметров рабочих органов машин, включенных в механизированный комплекс, используемый при возведении экспериментального и промышленного участков дорог. Экономический эффект от строительства и эксплуатации одного километра временной зимней дороги в год (по сравнению с существующими способами возведения) составляет 6,2 млн. руб.



Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах автора

В изданиях рекомендованных перечнем ВАК:

1. Мерданов, Ш.М. Методика расчета и выбора параметров снегоуборочной машины. [Текст] / Ш.М. Мерданов, А.Л. Егоров // «Известия вузов. Нефть и газ». 2004. № 6. С. 97-101.

2. Мерданов, Ш.М. Растепление снежной массы под действием электрического тока. [Текст] / Ш.М. Мерданов, Д.В. Поляков // «Известия вузов. Нефть и газ». 2005. № 2. C. 78 - 86.

3. Мерданов, Ш.М. Оборудование для утилизации снега с помощью электрической энергии. [Текст] / Ш.М. Мерданов, Д.В. Поляков // «Строительные и дорожные машины». 2005. № 12. С. 24 - 26.

4. Мерданов, Ш.М. Методика расчета основных параметров устройства для уплотнения снега. [Текст] / Ш.М. Мерданов // «Известия вузов. Нефть и газ». 2007. № 3. С. 88-96.

5. Мерданов, Ш.М. Головка для бурения неглубоких скважин в мерзлых грунтах. [Текст] / Ш.М. Мерданов, Н.Н. Карнаухов, А.А. Иванов, // «Строительные и дорожные машины». 2008. № 4. С. 58.

6. Мерданов, Ш.М. Устройство для уплотнения снежных насыпей дорожного полотна. Ш.М. [Текст] / Ш.М. Мерданов, А.А. Иванов, М.Ш. Мерданов. // «Строительные и дорожные машины». 2009. № 2. С. 60 - 61.

7. Мерданов, Ш.М. Повышение эффективности эксплуатации машин с использованием корпоративных информационных систем. [Текст] / Ш.М. Мерданов, Л.Л. Решетников // «Строительные и дорожные машины». 2006. № 6. С. 40 - 41.

8. Мерданов, Ш.М. Устройство для удаления льда с дорожных и аэродромных покрытий. [Текст] / Ш.М. Мерданов, Н.Н. Карнаухов, А.А. Иванов //«Строительные и дорожные машины». 2008. № 1.С. 63.

9. Мерданов, Ш.М. Обоснование технологической схемы и основных параметров пневмокатка для проминки болотных оснований под автозимники. [Текст] / Ш.М. Мерданов, А.Ф. Шакмаков //«Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока» / г. Новосибирск, НГАВТ. 2008. № 1. С. 117 - 119.

10. Мерданов, Ш.М. Параметрическая идентификация модели измерителя влажности снега. [Текст] / Ш.М. Мерданов, В.И. Колесов, В.Г. Оржаховский // «Вестник Ижевского государственного технического университета». / Ижевск. 2009 - № 1. С. 36 - 39.

11. Мерданов, Ш.М. Обоснование параметров рабочего органа виброуплотняющей машины. [Текст] / Ш.М. Мерданов, А.В. Шаруха // «Вестник Ижевского государственного технического университета». / Ижевск. 2009 - №1. С. 39 - 41.

12. Мерданов, Ш.М. Технологическая схема и основные параметры катка для проминки оснований дорог [Текст] / Ш. М. Мерданов, А. А. Иванов // «Вестник Ижевского государственного технического университета». / Ижевск. 2009. № 3 - С. 27-30.

13. Мерданов, Ш.М. Информационная модель измерителя влажности снега. [Текст] / Ш.М. Мерданов, В.И. Колесов, В.Г. Оржаховский // Вестник СамГТУ. Серия «Технические науки» / Самара. 2009. № 2 - С 71-75.

В монографиях:

14. Карнаухов, Н.Н. Механизация строительства дорог из уплотненного снега. [Текст] / Н.Н. Карнаухов, Ш.М. Мерданов // Тюмень. 1989. 78 с.

15. Карнаухов, Н.Н. Технология строительства снеголедовых дорог; Машины и оборудование для строительства снеголедовых дорог. [Текст] / Н.Н. Карнаухов, Ш.М. Мерданов // Приспособление строительных машин к условиям Российского Севера и Сибири: научное издание./М.: Недра. 1994. С. 243 - 272.

16. Мерданов, Ш.М. Пути совершенствования строительных машин. Научное издание. [Текст] / под общ. ред. Ш.М. Мерданова // - Тюмень. 2005. 280 с.

17. Мерданов, Ш.М. Снеголедовые дороги: исследования, конструкции, технологии строительства, механизированные комплексы. [Текст] / Ш.М. Мерданов // Научное издание./Тюмень, ТюмГНГУ. 2006. 160 с.

В материалах зарубежных конференций:

18. Мерданов, Ш.М. General association of snow mass melting s time under action of the electric energy [Текст] / Ш.М. Мерданов, Д.В. Поляков, Г.Г. Закирзаков // Материалы VI Международной конференции (Heavy Machinery - HM 05) / Кралево - Сербия. 2005. 28 июня - 3 июля. С. 11 - 14.

19. Мерданов, Ш.М. Математическое моделирование процесса уплотнения снежного покрова пневматическим катком. [Текст] / Ш.М. Мерданов, В.С. Прусаков, А.Л. Егоров // Материалы МНТК «Интерстроймех - 2009». /Кырг.гос.ун-т строит-ва, трансп. и архит./Бишкек. 2009. С. 143 - 146.

20. Мерданов, Ш.М. Обоснование параметров поперечного профиля незаносимой снеголедовой дороги для северных регионов. [Текст] / Ш.М. Мерданов, Г.Г. Закирзаков, А.В. Шаруха, В.П. Шитый // Материалы МНТК «Интерстроймех - 2009». /Кырг.гос.ун-т строит-ва, трансп. и архит./ Бишкек.- 2009. С. 139 - 143.

...