Книжная полка Сохранить
Размер шрифта:
А
А
А
|  Шрифт:
Arial
Times
|  Интервал:
Стандартный
Средний
Большой
|  Цвет сайта:
Ц
Ц
Ц
Ц
Ц

Разрушение снежно-ледяных образований механическим способом

Покупка
Основная коллекция
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».
Ганжа, В. А. Разрушение снежно-ледяных образований механическим способом : монография / В. А. Ганжа. - Красноярск : Сиб. федер. ун-т, 2012. - 192 с. - ISBN 978-5-7638-2572-5. - Текст : электронный. - URL: https://znanium.com/catalog/product/441197 (дата обращения: 06.10.2024). – Режим доступа: по подписке.
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