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
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