Разрушение снежно-ледяных образований механическим способом
Покупка
Основная коллекция
Тематика:
Промышленный транспорт
Издательство:
Сибирский федеральный университет
Автор:
Ганжа Владимир Александрович
Год издания: 2012
Кол-во страниц: 192
Дополнительно
Вид издания:
Монография
Уровень образования:
ВО - Специалитет
ISBN: 978-5-7638-2572-5
Артикул: 617520.01.99
На основе результатов теоретических и экспериментальных исследований дано обоснование параметров дискового режущего инструмента, применение которого в сменных рабочих органах спецмашин обеспечит минимизацию энергетических затрат при разрушении прочных снежно-ледяных и гололедных образований резанием. Предложена конструкция отвального рабочего органа, оснащенного дисковым режущим инструментом, обоснована возможность разрушения прочных снежно-ледяных образований этим рабочим органом с минимальной энергоемкостью процесса. Предназначена для инженеров-конструкторов, разрабатывающих конструкции исполнительных органов спецмашин, инженерно-технических работников аэродромов гражданской авиации и дорожных эксплуатационных организаций, а также студентов направления подготовки специалистов 190110.65 «Транспортные средства специального назначения» укрупненной группы 190000 «Транспортные средства».
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
- ВО - Специалитет
- 23.05.02: Транспортные средства специального назначения
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ СИБИРСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ В. А. Ганжа РАЗРУШЕНИЕ СНЕЖНО-ЛЕДЯНЫХ ОБРАЗОВАНИЙ МЕХАНИЧЕСКИМ СПОСОБОМ Монография Красноярск СФУ 2012
УДК 628.4.002.51 ББК 39.311.18 Г 190 Рецензенты: Н. И. Селиванов, д-р техн. наук, проф., зав. каф. «Тракторы и ав томобили» ФГОУ ВПО КрасГАУ; Д. Л. Гутман, инженер по организации, эксплуатации и ремонту ОАО «Аэропорт Емельяново», Красноярск Ганжа, В. А. Г 190 Разрушение снежно-ледяных образований механическим способом : монография / В. А. Ганжа. – Красноярск : Сиб. федер. ун-т, 2012. – 192 с. ISBN 978-5-7638-2572-5 На основе результатов теоретических и экспериментальных исследо ваний дано обоснование параметров дискового режущего инструмента, применение которого в сменных рабочих органах спецмашин обеспечит минимизацию энергетических затрат при разрушении прочных снежноледяных и гололедных образований резанием. Предложена конструкция отвального рабочего органа, оснащенного дисковым режущим инструментом, обоснована возможность разрушения прочных снежно-ледяных образований этим рабочим органом с минимальной энергоемкостью процесса. Предназначена для инженеров-конструкторов, разрабатывающих кон струкции исполнительных органов спецмашин, инженерно-технических работников аэродромов гражданской авиации и дорожных эксплуатационных организаций, а также студентов направления подготовки специалистов 190110.65 «Транспортные средства специального назначения» укрупненной группы 190000 «Транспортные средства». УДК 628.4.002.51 ББК 39.311.18 ISBN 978-5-7638-2572-5 © Сибирский федеральный университет, 2012
ОГЛАВЛЕНИЕ Введение ................................................................................................... 6 Глава 1. Виды зимней скользкости и классификация природных льдов .................................................................................. 10 1.1. Формирование снежно-ледяных и гололедных образований на покрытиях аэродромов и автомобильных дорог .................................................................................... 10 1.2. Классификация природных льдов ..................................... 13 1.3. Физико-механические свойства льда ............................... 18 1.3.1. Удельный вес (плотность) и пористость льда ...... 18 1.3.2. Прочностные свойства льда .................................... 19 1.3.3. Вязкость льда ............................................................ 24 1.3.4. Коэффициент внешнего трения льда ..................... 25 1.4. Основные закономерности деформирования и разрушения льда .......................................................................... 26 1.4.1. Деформирование монокристаллов льда ................ 27 1.4.2. Деформирование поликристаллов льда ................. 28 Глава 2. Средства и методы предотвращения и устранения снежно-ледяных образований на покрытиях дорог и аэродромов ............................................................................. 29 2.1. Особенности зимнего содержания аэродромов ............... 29 2.2. Особенности зимнего содержания автодорог ................. 38 2.3. Недостатки распространенных методов очистки аэродромных и дорожных покрытий от снежно-ледяных и гололедных образований ................................................ 43 2.4. Рабочие органы широко применяемых уборочных машин ................................................................................... 46 Глава 3. Результаты оценки конструкций рабочих органов специальных машин и исследований по разрушению различных материалов дисковыми резцами ........................... 55 3.1. Разрушение горных пород дисковым режущим инструментом ................................................................................. 56 3.2. Разрушение мерзлых грунтов дисковым режущим инструментом .......................................................................... 60 3.3. Анализ конструкций устройств для разрушения снежноледяных и гололедных образований дисковым инструментом ................................................................................. 71
Оглавление 4 Глава 4. Современное оборудование специальных машин для механического разрушения снежно-ледяных образований 80 4.1. Вибрационное оборудование для разрушения уплотненного снега с вертикальными, горизонтальными и наклонными колебаниями рабочих инструментов ...... 82 4.2. Щеточное рабочее оборудование ..................................... 88 4.3. Роторное рабочее оборудование ....................................... 91 Глава 5. Экспериментальные исследования процесса механического разрушения льда дисковым режущим инструментом .................................................................................... 98 5.1. Условия проведения эксперимента .................................. 98 5.2. Приборы и оборудование испытательной лаборатории 104 5.3. Методика проведения экспериментальных исследований .................................................................................... 111 5.4. Анализ точности измерений .............................................. 112 5.5. Методика определения необходимого числа опытов 117 5.6. Обработка и анализ результатов экспериментальных исследований ...................................................................... 119 5.6.1. Анализ результатов экспериментальных иссле дований ..................................................................... 122 5.6.2. Расчет удельной энергоемкости процесса резания ледяного массива дисковым режущим инструментом ....................................................................... 132 Глава 6. Разработка математической модели процесса резания ледяного массива дисковым инструментом ...................... 134 6.1. Общность закономерностей разрушения мерзлых грунтов и льда ............................................................................. 134 6.2. Математическая модель процесса взаимодействия дискового резца со льдом ........................................................ 137 6.3. Методика расчета усилий резания льда дисковым режущим инструментом ........................................................ 156 6.3.1. Расчет составляющих усилия резания льда дис ковым резцом типа А по блокированной схеме резания ...................................................................... 156 6.3.2. Пример расчета составляющих усилия резания льда дисковым резцом типа А по блокированной схеме резания ........................................................... 159 6.3.3. Пример расчета составляющих усилия резания льда дисковым резцом типа А по полублокированной схеме резания .............................................. 162
Оглавление 5 Глава 7. Разработка конструкции рабочего органа, оснащенного дисковым режущим инструментом ..................................... 165 7.1. Конструкция сменного рабочего органа отвального типа, оснащенного дисковым режущим инструментом .... 165 7.2. Расчет силы сопротивления снежно-ледяных образований резанию основным стандартным отвалом автогрейдера ............................................................................... 168 7.3. Расчет силы сопротивления снежно-ледяных образований резанию отвальным рабочим органом, оснащенным дисковыми резцами ................................................... 169 Заключение .............................................................................................. 179 Список литературы ................................................................................ 182
ВВЕДЕНИЕ В настоящее время в нашей стране реализуется Федеральная целевая программа «Модернизация транспортной системы России 2010–2015 гг.», в рамках которой заявлены подпрограммы «Гражданская авиация» и «Автомобильные дороги» [1]. Подпрограмма «Гражданская авиация», наряду с прочими важнейшими задачами, предусматривает возрождение и развитие региональной авиации в районах Севера, Сибири и Дальнего Востока. Необходимость этого обусловлена ежегодно возрастающими объемами перевозок грузов и пассажиров, а также стремительным развитием предприятий нефтегазового комплекса в указанных регионах. В связи с этим запланировано восстановление и реконструкция сети старых и строительство новых аэродромов и вертолетных площадок как с искусственным, так и с грунтовым и ледовым покрытиями. При строительстве указанных наземных авиационных объектов будет одновременно расширяться и сеть автомобильных дорог местного значения, в том числе и зимников, обеспечивающих движение автотранспорта и спецмашин при обустройстве нефтяных и газовых месторождений. В рамках подпрограммы «Автомобильные дороги» предусматривается строительство и реконструкция мостов, путепроводов и автомобильных дорог общего пользования федерального значения практически во всех регионах Российской Федерации. В последнее десятилетие наблюдается стремительный рост городского жилищного строительства. Появление и развитие новых микрорайонов сопровождается расширением сети городских автомобильных дорог. Увеличение протяженности дорог различных категорий, а также расширение сети действующих аэропортов повлечет за собой и увеличение объемов работ по содержанию этих объектов. Самым ответственным и сложным этапом сезонной эксплуатации дорог и аэродромов является зимнее содержание покрытий. Нормативными документами [2–10] определены достаточно высокие требования к показателям качества различных дорожных и аэродромных покрытий, так как именно эти показатели оказывают решающее влияние на уровень безопасности полетов воздушных судов и качество обслуживания пассажиров, аварийность на автодорогах и травматизм участников дорожного движения. При зимнем содержании дорог и аэродромов особенно трудоемкими являются мероприятия по предотвращению и устранению снежно-ледяных и гололедных образований, которые в настоящее время выполняются химико-механическим, тепловым и комбинированным методами (на автодорогах также применяется фрикционный метод). Данные методы оперативны
Введение 7 и высокоэффективны, но имеют ряд существенных недостатков, как то: необходимость приобретения и содержания специальных машин для распределения жидких или гранулированных антигололедных реагентов (АГР), большой сезонный расход АГР и их высокая стоимость, строительство и содержание складских помещений, вредное влияние АГР на покрытие и окружающую среду и др. Являющийся более экономичным и экологически чистым механический способ зимнего содержания широко используется при уборке свежевыпавшего и уплотненного снега. Однако при разрушении прочных снежно-ледяных и гололедных образований использование механического способа ограничено в силу конструктивной неприспособленности рабочих органов существующих спецмашин к данному виду работ. Все сказанное выше свидетельствует об актуальности работ, направленных на совершенствование существующих и создание новых рабочих органов спецмашин с целью повышения эффективности и снижения энергоемкости разрушения прочных снежно-ледяных и гололедных образований на покрытиях дорог и аэродромов механическим способом. Главная идея настоящего исследования, направленного на достижение указанных выше целей, заключается в применении дискового режущего инструмента в сменных рабочих органах для разрушения снежноледяных и гололедных образований, а также в размещении режущего инструмента на рабочем органе по схеме, обеспечивающей разрушение с минимальной энергоемкостью. Известно о широком применении такого инструмента в проходческих комбайнах при разработке горных пород [11–14], а также в рабочих органах буровых [15], землеройных машин [16, 17] и на бульдозерных рыхлителях [18–21] при разработке мерзлых грунтов. Однако, несмотря на эффективность разрушения горных пород и мерзлых грунтов дисковым режущим инструментом, последний не может быть использован при разработке устройств для разрушения снежно-ледяных и гололедных образований без дополнительных исследований, так как физико-механические свойства горных пород и мерзлых грунтов отличаются от физикомеханических свойств льда. В известных конструкциях устройств для разрушения снежно-ледяных и гололедных образований дисковым инструментом геометрические параметры этого инструмента выбирались эмпирически, без достаточного научного обоснования, что свидетельствует о неизученности данного вопроса как в теоретическом, так и в экспериментальном плане. При создании оснащаемого дисковым инструментом высокоэффективного оборудования для разрушения прочных снежно-ледяных образований важнейшим вопросом является зависимость усилий на рабочем органе от геометрических параметров режущего инструмента, углов его ус
Введение 8 тановки, параметров среза, физико-механических свойств разрушаемой среды, скорости перемещения оси, несущей дисковый резец, скорости подачи рабочего органа на забой и т. д. Изучение влияния каждого из перечисленных факторов на силовые и энергетические показатели процесса механического разрушения прочных снежно-ледяных образований дисковым режущим инструментом является сложным многоэтапным процессом, требующим последовательного выполнения большого объема теоретических и экспериментальных исследований. С целью обоснования рациональных, с позиции минимизации энергозатрат, параметров дискового режущего инструмента и разработки конструкции сменного рабочего органа для разрушения прочных снежноледяных и гололедных образований, оснащенного дисковыми резцами, автором настоящей монографии на кафедре «Авиационные горючесмазочные материалы» Института нефти и газа Сибирского федерального университета проведены теоретические и экспериментальные исследования, результаты которых и легли в основу книги. Монография включает семь глав. В главе 1 рассмотрены процессы формирования снежно-ледяных и гололедных образований на покрытиях аэродромов и автомобильных дорог, классификация природных льдов, физико-механические свойства льда и основные закономерности его разрушения механическим способом. Глава 2 посвящена анализу существующих методов и средств предотвращения и устранения снежно-ледяных и гололедных образований на покрытиях дорог и аэродромов. Здесь же обозначены основные конструктивные недостатки рабочих органов спецмашин, широко применяемых на практике, а также недостатки распространенных методов очистки аэродромных и дорожных покрытий от снежно-ледяных и гололедных образований. В главе 3 изложены результаты оценки технического уровня конструкций рабочих органов спецмашин, оснащенных дисковым режущим инструментом и предназначенных для разрушения горных пород и мерзлых грунтов, а также результаты анализа исследований по разрушению данных сред такими рабочими органами. Дано описание известных конструкций устройств для разрушения снежно-ледяных и гололедных образований, имеющих в качестве режущего инструмента дисковые резцы. В главе 4 представлены результаты анализа конструкций современного оборудования специальных машин для механического разрушения снежно-ледяных образований. В главе 5 изложены программа, условия и методика проведения экспериментальных исследований процесса резания льда дисковым режущим инструментом. Сформулированы цели и задачи исследований. Представлен подробный анализ полученных результатов.
Введение 9 Глава 6 посвящена разработке математической модели процесса резания ледяного массива дисковым инструментом. На основании результатов математического моделирования предложена методика расчета усилий резания льда дисковым резцом с односторонним непрерывным клиновым ободом по блокированной и полублокированной схемам резания. Приведены примеры расчета горизонтальной, вертикальной и боковой составляющих усилия резания льда таким инструментом по указанным схемам. Дан сравнительный анализ расчетных значений составляющих усилия резания и значений, полученных экспериментально. В главе 7 приведено описание разработанного отвального рабочего органа, оснащенного дисковыми резцами, а также расчет усилий резания прочных снежно-ледяных образований этим рабочим органом и равным с ним по длине стандартным отвалом автогрейдера. В настоящей монографии отражены результаты только одного, начального, этапа многоэтапной задачи изучения влияния множества упомянутых выше факторов на силовые и энергетические показатели процесса механического разрушения прочных снежно-ледяных образований дисковым режущим инструментом с целью создания высокоэффективного рабочего оборудования спецмашин для очистки дорожных и аэродромных покрытий.
Глава 1. ВИДЫ ЗИМНЕЙ СКОЛЬЗКОСТИ И КЛАССИФИКАЦИЯ ПРИРОДНЫХ ЛЬДОВ 1.1. Формирование снежно-ледяных и гололедных образований на покрытиях аэродромов и автомобильных дорог Наиболее сложным и ответственным этапом сезонной эксплуатации дорог и аэродромов является содержание летного поля, подъездных путей, привокзальных площадей, прочих внутриаэропортовых территорий и автомобильных дорог в зимнее время. Основой формирующихся на покрытиях дорог и аэродромов снежноледяных и гололедных образований является снег, попадающий на них двумя путями: в результате снегопадов и ветрового снегопереноса [22, 24, 26]. Наиболее вероятными видами осадков зимой являются спокойный снегопад и слабая верховая метель (со скоростью ветра до 3 м/с). В результате подобных погодных условий образуются равномерные снежные отложения толщиной от 0,01 до 0,3 м. Плотность такого снега составляет 0,08–0,15 г/см3. Значительно более плотные снежные отложения формируются вследствие переноса ветром ранее выпавшего снега. Их плотность зависит от скорости ветра: так, при скорости ветра более 10 м/с плотность снега может достигать 0,25–0,35 г/см3. Снег и снежный покров представляют собой кристаллы льда, кристаллическая решетка которого имеет ярко выраженную шестигранную форму, что связано со строением молекулы воды, состоящей из одного атома кислорода и двух атомов водорода. Строение кристалла льда показано на рис. 1.1: атомы – окружности, связи между ними – прямые линии [22]. Рис. 1.1. Вид кристаллической решетки льда
Виды зимней скользкости и классификация природных льдов 11 Все виды снежно-ледяных отложений, образующихся на дорожном покрытии, по внешним признакам подразделяют на рыхлый снег, снежный накат и стекловидный лед [3, 25]. Рыхлый снег откладывается на дорожном покрытии в виде ровного (по толщине) слоя. Плотность свежевыпавшего снега может изменяться от 0,06 до 0,20 г/см3. При наличии слоя рыхлого снега на дорожном покрытии коэффициент сцепления шин с покрытием составляет около 0,2. Снежный накат представляет собой слой снега, уплотненного колесами проходящего автотранспорта. Толщина наката может быть от нескольких миллиметров до нескольких десятков миллиметров, плотность – от 0,3 до 0,6 г/см3. Коэффициент сцепления шин с поверхностью снежного наката составляет от 0,1 до 0,25. Стекловидный лед появляется на покрытии в виде гладкой стекловидной пленки толщиной от 1 до 3 мм и изредка в виде матовой белой шероховатой корки толщиной до 10 мм и более. Отложения стекловидного льда имеют плотность от 0,7 до 0,9 г/см3, а коэффициент сцепления составляет от 0,08 до 0,15. Этот вид зимней скользкости является наиболее опасным. Отложения льда в виде матово-белой корки имеют плотность от 0,5 до 0,7 г/см3. Отложения рыхлого снега на дорожном покрытии образуются при выпадении твердых осадков в безветренную погоду. Сохранение снега в рыхлом состоянии наиболее вероятно при температуре воздуха ниже минус 10 °С, так как при низких температурах воздуха процесс уплотнения снега автотранспортом замедляется, а при температуре воздуха от минус 6 до минус 10 °С снег не будет уплотняться при относительной влажности воздуха менее 90 %. Образование снежного наката происходит при наличии влажного снега на дорожном покрытии под действием автомобильного транспорта и определенных метеорологических условий. Наибольшая вероятность образования снежного наката существует при следующих погодных условиях: выпадение снега при температуре воздуха от 0 до минус 6 °С; при температуре воздуха от минус 6 до минус 10 °С образование снежного наката происходит при влажности воздуха выше 90 %; при положительных температурах снежный накат образуется при высокой интенсивности снегопада (более 0,6 мм/ч), когда снег не успевает растаять на покрытии и легко уплотняется транспортными средствами. Образование стекловидного льда может иметь различные причины и возможно при различных погодных условиях. Замерзание влаги, имеющейся на дорожном покрытии, при резком понижении температуры воздуха называют гололедицей. Источниками увлажнения покрытия могут быть дождь, тающий снег, снег с дождем, выпадающие при положительной, но близкой к нулю температуре воздуха, а также влага, оставшаяся после
Глава 1 12 обработки дорожного покрытия антигололедными химическими реагентами. Процессу образования скользкости в этом случае предшествуют следующие погодные условия: устойчивое повышение атмосферного давления на фоне выпадающих осадков; установление ясной, безоблачной погоды после прекращения выпадения осадков; пониженная относительная влажность воздуха; понижение температуры воздуха от положительных до отрицательных значений. Образование скользкости наиболее вероятно при температуре воздуха от минус 2 до минус 6 °С, относительной влажности воздуха от 65 до 85 %. При этих погодных условиях температура дорожного покрытия всегда выше температуры воздуха в силу тепловой инерции дорожной конструкции. В результате конденсации и замерзания влаги из воздуха на сухой поверхности дорожного покрытия при его температуре ниже точки росы и, одновременно, ниже точки замерзания влаги образуется трудно различимый визуально вид обледенения, называемый «черным льдом», изморозью или инеем. При этом имеют место следующие погодные условия: ясная морозная погода (полное отсутствие облачности), отсутствие ветра, высокая относительная влажность воздуха, близкая к 100 %. Образование этого вида скользкости возможно также при перемещении в утренние часы более теплой и влажной воздушной массы с моря на сушу, имеющую более низкую температуру воздуха и отрицательную температуру дорожного покрытия. В зимний и переходный периоды такое сочетание погодных условий наиболее вероятно в прибрежных морских районах и в горной местности. Такой вид скользкости чаще возникает на автодорожных мостах, которые обладают меньшей тепловой инерционностью, чем дорожная одежда, и имеют более низкую температуру покрытия в ночное время. Образованию скользкости способствует и более высокая относительная влажность воздуха в поймах рек, около озер и других водоемов, особенно в переходный период до установления ледового покрова, а также около крупных ТЭЦ и других предприятий. Выпадение переохлажденных или непереохлажденных осадков в виде дождя, мороси, тающего снега на дорожное покрытие, имеющее отрицательную температуру, называется гололедом. Основной причиной образования скользкости в этом случае является потепление после длительных морозов и перемещение теплой воздушной массы, которая приносит с собой осадки (переохлажденные или непереохлажденные). Процессу образования скользкости предшествуют: устойчивое падение атмосферного давления в течение суток; устойчивый рост относительной влажности и температуры воздуха; иногда выпадение жидких осадков. Образование скользкости в этом случае наиболее вероятно при температуре воздуха от 2 до минус 5 °С, относительной влажности воздуха выше 90 %.
Виды зимней скользкости и классификация природных льдов 13 Описанные выше виды зимней скользкости существенно снижают эксплуатационные показатели дорожных и аэродромных покрытий, основным из которых является коэффициент сцепления колеса с покрытием. Это приводит к увеличению тормозного пути и безопасного радиуса поворота в 3–9 раз [31] и оказывает решающее влияние на уровень аварийности и травматизма участников дорожного движения, качество зимнего содержания различных элементов летного поля аэродромов и обеспечение безопасности взлетно-посадочных операций воздушных судов. 1.2. Классификация природных льдов Основоположником физики льда (гляциологии) по праву считается Б. П. Вейнберг, в трудах которого [32, 33] обобщены результаты многолетних наблюдений и исследований по физике и географии природных льдов, полученные российскими и зарубежными учеными в XIX и первой трети XX века. На работу [33] ссылаются многие авторы более поздних исследований [22, 23, 34–39] и др. Лед, по Б. П. Вейнбергу, представляет собой всякую воду в твердом состоянии, независимо от того, где она встречается и в какой форме – иней, снег, град, ледники, снежный покров, лед водоемов, вечная мерзлота и т. п. [33]. Существует достаточно большое количество классификаций льдов [22, 34–39], что объясняется различными принципами такого деления. Одной из распространенных является классификация природных льдов, предложенная И. С. Песчанским [36], который, исходя из запросов инженерной льдотехники, подразделил льды на восемь классов: атмосферные льды; поверхностные льды акваторий; внутриводные льды; материковые льды; льды многолетней мерзлоты; погребенные льды; льды особых образований; искусственные льды. К первому классу И. С. Песчанским отнесены снег, иней, град, гололед. Ко второму – льды, покрывающие в зимнее время океаны, моря, реки, озера и небольшие водоемы. Физико-механические свойства льдов именно этих двух классов необходимо изучить более подробно по следующим причинам. Атмосферный лед, образуемый осадками, покрывает значительную часть земной поверхности. К этому классу следует отнести и различные