авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Повышение эффективности эксплуатации снегоуборочной техники с учётом слоистости снежного покрова

На правах рукописи

Соколов Анатолий Михайлович ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ СНЕГОУБОРОЧНОЙ ТЕХНИКИ С УЧЁТОМ СЛОИСТОСТИ СНЕЖНОГО ПОКРОВА Специальность 05.05.04 – Дорожные, строительные и подъёмно-транспортные машины

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

_ Нижний Новгород - 2007

Работа выполнена на кафедре «Строительные и дорожные машины «Нижегородского государственного технического университета (НГТУ)

Научный консультант: доктор технических наук, профессор Куляшов А.П.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Беляков В.В.

кандидат технических наук, доцент Куклина И.В.

Ведущая организация: ООО «Компания Магистраль»

Защита диссертации состоится 6 ноября 2007г. в 1400 в ауд. 1254 на заседании диссертационного совета Д 212.165.04 в Нижегородском государственном техническом университете по адресу: 603600, Нижний Новгород, ГСП-41, ул.

Минина, д.24.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан « 4 » октября 2007 г.

Отзывы на автореферат просим направлять с подписями, заверенными печатью, на имя секретаря диссертационного совета.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.165. доктор технических наук, профессор Л.Н. Орлов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы.

За последние годы в России наблюдается рост автомобильных перевозок.

Постоянно увеличиваются скорость движения, грузоподъемность автомобилей, интенсивность дорожного движения. Однако, наряду с этим, более отчетливо проявляются и некоторые отрицательные тенденции автомобилизации, наиболее важной из которых является значительное число дорожно-транспортных происшествий (ДТП). На ДТП влияет множество факторов – состояние дорог, интенсивность движения, освещенность, техническое состояние автомобилей, психологическое состояние водителя, уровень его профессиональной подготовки и множество других. Среди них, однако, важнейшее место занимает состояние дорожного покрытия.

Уменьшение сцепления колеса с дорогой вследствие наличия на ней уплотнённого снега или льда приводит к увеличению тормозного пути и безопасного радиуса поворота в 3-9 раз. Снежные заносы вдоль дороги снижают видимость и могут уменьшать используемую ширину проезжей части дороги. Кроме того, наличие колей, выбоин, ямочности и других неровностей на дорогах, покрытых снежным или ледяным накатом, может привести к потере водителем контроля над траекторией движения и управляемостью автомобиля.

По данным ГИБДД РФ около 20% аварий происходит по причине неблагоприятных дорожных условий и из них более 70% (15% от общего числа ДТП) приходятся на заснеженные дорожные покрытия, 5% на дорожные покрытия, частично покрытые снегом или льдом и 1% на покрытия, которые по другим причинам были скользкими.

Степень риска попасть в ДТП на полностью или частично покрытом снегом или льдом дорожном покрытии в 1,5 и 4,5 раз выше, чем на чистом сухом покрытии. Цель зимнего содержания дорог заключается в том, чтобы снизить количество ДТП зимой за счет удаления снега и льда с дорожного покрытия и тем самым улучшить условия сцепления шин колес автомобиля с дорожным покрытием. Работы по зимнему содержанию дорог чрезвычайно трудоёмки. Так, на строительство новых дорог в Нижегородской области расходуется около 400 млн. рублей в год, а на содержание 13000 км. дорог – более 1 млрд. рублей (из них собственно на зимнее содержание более млн. рублей).

Основные трудности зимней уборки связаны с метаморфизмом снега, то есть способностью изменять свои свойства за достаточно короткий промежуток времени под действием как климатических условий, так и в результате движения транспортных средств и пешеходов. Под воздействием выше перечисленных факторов снег, находящийся на очищаемой поверхности, быстро уплотняется, а затем превращается в снежно-ледяной накат, прочность которого, в сочетании с прочностью образовавшихся прослоек льда, выше обычного снега в 20-30 раз.. Поэтому актуальной является проблема использования рациональных технологий применения коммунальной техники в зимний период.

Цель исследований.

Разработать методику расчёта эффективности применения плужной снегоуборочной техники взаимодействующей со слоистым снежным покровом.

Объекты исследований.

На разных этапах работы исследованию подвергались автомобили с плужным, снегоуборочным оборудованием (ДЭ-235, ФРС-200М, КО-835, КПМ -432, К-703МД-СФР, и др.). Выбор в качестве объектов исследования такого широкого спектра машин позволил оценить влияние на процесс удаления снега с дорожных покрытий таких характеристик снегоуборочной техники, как тип рабочего органа, его геометрические размеры, а также основные параметры базовой машины.

Общая методология исследований.

При проведении теоретических исследований использованы методы аналитической механики, механики сплошных сред, механики сложных пространственных конструкций, механики разрушений, механики контактного взаимодействия пространственных систем с ограниченными телами, теории упругости и вязкопластичности;

численные методы решения систем дифференциальных уравнений и нелинейных алгебраических уравнений;

разнообразные методы математического моделирования и оптимизации параметров.



Экспериментальные исследования проводились на серийно выпускаемых машинах на дорогах, находящихся в постоянной эксплуатации.

Научная новизна.

• Разработана модель процесса резания плужным рабочим органом снегоуборочной машины снега с учётом его слоистости;

Разработана методика выбора рациональной технологии зимнего • содержания дорог, с учётом изменения физико-механических свойств снега под действием движителей транспортных средств, обеспечивающая минимальный уровень производственных издержек.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Из научных разработок – математическая модель резания снежного покрова рабочими органами коммунальных машин как полислоистой среды.

2. Из научно-методических разработок - методика выбора и оптимизации технологии зимнего содержания дорог, учитывающая изменение физико механических и геометрических параметров снежного покрова в течении времени;

методика расчета параметров взаимодействия рабочих органов со снежным покровом, лежащим на поверхности дорог, позволяющий производить выбор рациональных параметров зимнего содержания дорог в конкретных условиях эксплуатации.

Достоверность результатов.

Проведенный комплекс экспериментальных исследований на серийных машинах, принимающих непосредственное участие в содержании дорог в зимний период, подтвердил основные теоретические положения, методы и средства повышения уровня зимнего содержания дорог.

Практическая ценность.

Состоит в реализации теоретических разработок, методик расчетов, практических рекомендаций при совершенствовании существующих и создании новых технологических решений содержания дорог в зимний период при сохранении их расчётной пропускной способности.

Реализация работы.

Результаты экспериментально - теоретических исследований по теме диссертации внедрены в Дорожном фонде Нижегородской области, ОАО «Асфальт-Бетон», ООО «Компания «Магистраль».

Результаты работы используются в учебном процессе на кафедре “Строительные и дорожные машины” Нижегородского государственного технического университета Апробация работы.

Отдельные результаты и основные положения докладывались на международнойконференции АВТО НН 02 «Проблемы транспортных и технологических комплексов», научно-технической конференции «Будущее технической науки нижегородского региона» Н.Новгород 2004, всероссийской научно-технической конференции «ТТМ НН 04. Транспортно технологические машины». – Н.Новгород. 2004, международной научно практической конференции «Прогресс транспортных систем – 2005» Волгоград 2005г, международной научно-технической конференции «Проектирование, испытания и эксплуатация транспортных машин и транспортно-технологических комплексов» Н.Новгород 2005г.

Публикации.

По теме диссертации опубликованы 11 научных статей.

Объем и структура работы.

Диссертация состоит из введения, четырёх глав, выводов, списка литературы и четырёх приложений. Содержит 160 страниц основного компьютерного текста, 55 рисунков, 12 таблиц, библиографии из наименований и приложений на 41 странице.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулирована её цель, раскрыты методы исследования, отмечены научная новизна и основные положения выносимые на защиту, представлены объекты исследования, указана практическая ценность получаемых результатов.

В первой главе проведён анализ научных трудов, посвящённых каждой из составных частей данной работы. В области исследования вопросов разрушения механических сред рабочими органами фундаментальными работами являются труды В.Д. Абезгауза, И.Я. Айзенштока, В.И. Баловнева, Ю.А. Ветрова, В.П. Горячкина, Н.Г. Домбровского, А.И. Зеленина, И.А.

Недорезова, Ю.И. Новосельского,, В.П. Станевского, С.А. Самохина и многих других. В Нижегородской научной школе вопросами разработки льда и снега занимались С.Д. Алатин, А.А. Назаровский, А.Ф. Николаев, С.В.

Рукавишников, В.Н. Худяков, А.В. Янкович. Изучением физико механических свойств снежного и ледяного покрова посвящены работы Л.В.

Барахтанова, В.В. Белякова, И.П. Бутягина, П.С. Вадило, К.Ф. Войтковского, В.И. Ершова, В.В. Лаврова, В.Е. Колотилина, А.П. Куляшова, В.А.

Малыгина, И.С. Песчаного, П.А. Шумского, Н.А. Цытовича, и других.

Наиболее полными исследованиями машин для зимнего содержания дорог и аэродромов являются труды В.И. Баловнева, И.А. Белинского, Л.И.

Городецкого, Г.Л. Карабана.

В результате проведённого анализа было установлено, что на сегодняшний день на основе теоретических и экспериментальных исследований, разработана и широко применяется математическая модель взаимодействия рабочих органов с разрушаемым опорным основанием, разработанная отечественными учёными. Однако модели, разработанные вышеназванными авторами, имели ряд недостатков. К ним относятся:

описание процессов с точки зрения квазистатических зависимостей, а не дифференциальных уравнения движения;

применение значительного количества эмпирических коэффициентов, связь которых с реальными процессами протекающими при взаимодействии снега и рабочего органа очень условна;





отсутствие методики выбора технологических и конструктивных параметров обеспечивающих необходимую эффективность уборки и величину затрат на их применение. Отсутствие теории взаимодействия рабочих органов со слоистой средой (какой является снег на дорогах). Указанные недостатки ранее применяемых моделей требуют своего разрешения для определения рациональных параметров удаления снега при помощи простого отвала.

В соответствии с поставленной целью и анализа ранее выполненных работ работе решались следующие задачи:

1. Разработать математическую модель резания снега, как слоистой среды, плужным рабочим органом.

2. Получить зависимости изменения энергоёмкости разрушения снега в течении времени.

3. Разработать методику расчёта конструктивных параметров и технологию применения коммунальных машин, оснащённых плужным рабочим оборудованием, предназначенным для удаления снега с дорожных поверхностей, учитывающую изменение физико – механических свойств снега в течении времени.

4. Экспериментально подтвердить обоснованность выбора параметров снегоуборки с учётом изменения параметров снежного покрова на автомобильных дорогах с течением времени.

Во второй главе разработана математическая модель взаимодействия рабочего органа с разрабатываемой полислоистой средой.

В настоящее время для описания процессов деформирования и разрушения снежного покрова наибольшее распространение получили два подхода:

метод последовательного соединения физических уравнений и метод расчёта многослойных конструкций. Первый метод основывается на предположении о независимости напряжений и деформаций в каждом из рассматриваемых слоёв. Математически данный метод может быть представлен в виде N следующей формулы: А(с) = Ai (ci ), где А искомый параметр системы, i= например величина деформации, усилие на рабочем органе, удельная энергоёмкость разрушения системы и так далее, с – действующий параметр системы такой как плотность, толщина, связанность, соответственно значок i указывает на численное значения данных параметров для каждого из слоя, образующего рассматриваемую систему. Второй метод основывается на предположении о возможном осреднении физико-механических свойств рассматриваемой системы. Математически данный метод может быть N представлен в виде следующей формулы: А(с) = A (ci ). Анализ результатов, i= получаемый по каждому из методов показал, что в случае, когда физико механические свойства материала каждого из слоёв резко отличаются друг от друга (например резание льда, на поверхности которого имеется слой свежевыпавшего снега) максимальная точность достигается при использовании первого метода, а минимальная – при использовании второго.

Если слои разрабатываемого материала незначительно отличаются по своим физико-механическим свойствам (а в пределе – совсем не отличаются между собой), то наиболее точные результаты достигаются при использовании второго метода, а наименее достоверные – при использовании первого. Для устранения указанных недостатков методов наиболее целесообразно использовать третий метод, который бы обладал всеми достоинствами ранее применяемых моделей, но не имел бы их недостатков. Достижение поставленных задач может быть достигнуто лишь за счёт усложнения N N математической модели, которая примет вид: А(с) = Ai (ci ) + Bi (ci, ci = 1 ), i= 1 i= где Вi – параметр, определяющий влияние близлежащих слоёв друг на друга а б Рис. 1. Расчётные схемы резания снега рабочим органом;

применяемые ранее (а) и разработанная (б) Исследование процесса взаимодействия рабочих органов и движителей транспортно-технологических машин со слоистым снежным покровом показало, что дополнительное влияние различных слоёв снежного покрова друг на друга заключается в действии дополнительной силы трения между, обусловленной разницей в скорости и величины деформации снега различной плотности:

* Вi = dxi db i ( i ghi + q ), (1) * где dxi i hi db - масса снега, двигающаяся выше поверхности сдвига, равная произведению разнице длин зон деформации близлежащих слоёв снега, среднеинтегральной площади снега над плоскостью сдвига, глубины расположения поверхности сдвига и единичной ширины рабочего органа, коэффициент трения между слоями снежного покрова, q – величина вертикальной удельной нагрузки, приложенной со стороны рабочего органа к снежному покрову. Изменение усилия перемещения между двумя слоями снега можно определить из уравнения:

0i + 1 0i ( x) ( x) ln ln ( x) 0i + 1 ( x) 0i + 1 * Вi = x i dbi ( i ghi + q ) 0i + (2) 0i ( x) i 1+ ln ( x) 0i + 1 где величина:

0i + 1 0i ( x) ( x) ln ln ( x ) 0i + 1 0 i + 1 ( x) 0i + 1 Еi = i (3) 0i ( x) 1+ ln ( x) 0i + 1 показывает степень отличия рассматриваемого слоистого снежного покрова от однородного массива. Решение уравнения 3 показаны на рисунке 2. Из рисунка видно, что максимальные отклонения в расчётах имеет место при наличие слоя свежевыпавшего снега на уплотнённом снежном покрове, на экскавационно - разрушенном снегу, а также при наличие экскавационно – разрушенного снега на уплотнённом снегу. Следует отметить, что полученные значения позволяют лишь оценить влияние слоистости снежного покрова между собой. Для сравнения результатов расчётов по отношению к разрушению однородного массива следует учитывать также плотность снежного покрова, глубину залегания слоя и величину деформации (см.

уравнение 2).

Анализ выражений 2 и 3 позволил сделать вывод о том, что при заглублении рабочего органа величина слоистости практически не оказывает влияние на величину усилия на рабочем органе.

Рис.2. Влияние различия физико-механических параметров близлежащих слоёв снега на разницу сил сопротивления разработки снежного покрова;

1- зависимость для однородного снежного покрова;

2- зависимость для подстилающего слоя снега, плотностью 100 кг/м3;

3- зависимость для подстилающего слоя снега, плотностью 300 кг/м3;

4- зависимость для подстилающего слоя снега, плотностью 500 кг/м3;

При горизонтальном движении рабочего органа со скоростью, большей, чем 1 м/с скорость распространения пластических деформаций будет меньше скорости движения рабочего органа. В результате чего в любой момент времени в снежном покрове будут развиваться микротрещины, по которым и будет происходить разрушение снега. То есть мы будем иметь, в основном хрупкое разрушение. Развитие трещины в твёрдом теле может быть осуществлено тремя путями. Во-первых, под действием нормальных напряжений возникает трещина разрывного типа. Перемещение берегов такой трещины перпендикулярны её плоскости. Во-вторых, под действием касательных напряжений образуются трещины сдвигового типа, когда перемещение берегов происходит в её плоскости и перпендикулярно её фронтальной линии. И третьим типом являются трещины типа «срез», образующиеся при пространственном сдвиге, когда перемещения берегов совпадают с её плоскостью и параллельны её направляющей кромки. Для случая разрушения снежного покрова характерен второй способ развития трещин.

Напряжённое состояние при вершине трещины принято оценивать коэффициентом КН, называемым коэффициентом интенсивности напряжений, находящимся из выражения:

КН = а, (4) где - напряжения от внешних сил, действующее в вершине трещины, а а – длина трещины. Для того, что бы трещина росла необходимо обеспечить такой подвод энергии к материалу, который бы компенсировал затраты энергии на рост трещины. Данное условие называют критерием Гриффитса.

В математическом виде он представляет собой уравнение вида:

U 2a = G, (5) = a E которое говорит о том, что трещина будет расти только в случае положительного значения величины G-R – производной по длине трещины скорости высвобождения упругой энергии, где R – сила сопротивления разрыва межкристаллических связей, принимаемая для снега равной величине внутреннего трения С0. Полученные зависимости позволили рассчитать величину смещения одного слоя снега относительно другого, которое может быть найдено из уравнения:

2 (1 + µ i + 1 )(1 2µ i + 1 ) НСi + 2 (1 + µ i )(1 2µ i ) НСi h 2 dai = (1 µ i ) ((1 µ i + 1 ), е (1 µ i ) i cos (1 µ i ) i + 1 cos (6) где h – глубина залегания раздела между i – ым и i+1 слоем снега, е – скорость резания, - геометрический параметр забоя, равный углу при вершине лидирующей трещины соединяющей между собой крайние точки контакта рабочего органа со снежным забоем, НС – жёсткость снега, плотность слоя снега, µ - коэффициент Пуассона для рассматриваемого слоя снега.

Анализ данного уравнения показывает, что с ростом скорости максимально возможная зона деформации будет уменьшаться, что связано с тем, что интенсивность роста напряжений на длинной трещины растёт медленней, чем скорость движения рабочего органа. Следует отметить, что в зоне деформации обычно развивается несколько трещин. При этом чем меньше скорость движения рабочего органа, тем на развитие меньшего количества трещин расходуется энергия движения рабочего органа. То есть чем меньше скорость движения рабочего органа, тем ниже энергоёмкость разрушения снега. Угол резания на зону распространения деформации не влияет. Так как усилие резания является суммой динамического и статического нагружения рабочего органа, а также учитывая влияние слоистости суммарная сила сопротивления на рабочем органе запишется в виде:

N N da i i ghi E i, W BH РО = P0i + (7) i= 1 i= Рис. 3. Зависимость усилия резания снежного покрова от угла наклона рабочего органа;

1 – для плотности снежного покрова 550 кг/м3;

2 – для плотности снежного покрова 150 кг/м3;

3 – для среднеинтегральной плотности снежного покрова 350 кг/м3;

4 - для расчёта усилий на рабочем органе, взаимодействующем со слоистым снежным покровом, состоящим на 50% из снега плотностью кг/м3 и на 50% из снега плотностью 550 кг/м На рисунке 3 показано отличие в усилие резании при резании снега при применении ранее применяемых и вновь разработанной модели. Из них видно, что при применении для расчётных показателей такого параметра как среднеинтегральная плотность снежного покрова, для случая разработки двухслойного снежного покрова, один из которых имеет плотность кг/м3, а второй – 550 кг/м3, ошибка в расчётах может дости гать 150%, а если брать только самую трудноразрабатываемую фракцию – то 25%. Если разница в плотностях близлежащих слоёв будет меньше, например 150 и кг/м3 или 300 и 550 кг/м3, то ошибка в расчётах уменьшится до 75%.

Третья глава настоящей работы посвящена разработке методики выбора рациональных параметров применения снегоуборочной техники с учётом влияния климатических и технологических факторов обеспечивающих максимальную эффективность зимнего содержания дорог.

На основе статистических данных показано, что не соответствие нормативов существующей технологии зимнего содержания дорог отрицательным образом сказывается на состоянии отрасли. Отсутствие объективных критериев качества содержания дорог зимой приводит к ежегодному уменьшению объёмов финансирования, что не может не сказаться на качестве выполнения работ. Для исправления создавшейся ситуации автором предлагается отказаться от существующих правил содержания дорог, которые включают в себя такие не поддающиеся учёту параметры как затраты на перемещение техники по заснеженным дорогам и ущерб от ДТП и ограничится одним – изменением удельных затрат на удаление снега коммунальными машинами.

Затраты на зимнее содержание дорог делятся на постоянные и переменные. К постоянным затратам относят средства на заработную плату водителя и обслуживающего персонала, на содержание, техническое обслуживание машины, а к переменным – расходы на топливо и другие расходные материалы. Переменные расходы будут делиться на две составляющие. Первое – это энергия на перемещение собственно машины (для скоростей снегоуборки, не превышающих 7 м/с (25 км/ч) сопротивлением воздуха пренебрегаем) и затраты на резание и перемещение снега. Исходя из вышесказанного затраты на уборку единицы очищаемой поверхности снегоуборочной техники могут быть найдены из уравнения:

qТ 1U Т U П T + J ( N ПЕР + N ДОП + N Р + N У ), (8) U= B P Т где UП – стоимость машино-часа рассматриваемого автомобиля (величина постоянных расходов), Т – суммарное время проведения технологической операции (продолжительность снегопада), Т1 – время, затрачиваемое машиной на очистку территории, J – частота применения снегоуборочной техники за расчётный период, NПЕР – мощность, затрачиваемая на перемещение снегоуборочной техники, NДОП – мощность, затрачиваемая на дополнительные сопротивления (например, на вращение щётки), NР – мощность, затрачиваемая на резание снега, NУ – мощность, затрачиваемая на удаление снега, q – удельный расход мощности двигателя, - коэффициент полезного действия трансмиссии автомобиля, UТ – удельная стоимость топлива, В – ширина отвала, Р - скорость уборки. Величина усилия резания определяется по выражению 7,, удельный расход топлива у современных двигателей составляет величину порядка 0,22 – 0,27 л/кВт, коэффициент полезного действия трансмиссий – 0,8 – 0,9, стоимость одного литра топлива составляет 15 – 17 рублей. На 100 километров дороги 1 категории (шириной 20 - 30 метров) должно приходиться не менее 8 постоянных и привлекаемых плужно-щёточных снегоочиститей, оснащённых устройствами для распределения противогололёдных материалов и два автогрейдера, то есть одновременно дорогу должны чистить 5 снегочистителей, на каждый из которых будет приходиться по 25 -35 км пути (или 1 час работы). То есть величину Т1 можно принять равной 1 часу. Итоговое уравнение по определению затрат на уборку единицы очищаемой поверхности снегоуборочной техникой примет вид:

T B cos Q J ) E ) + 1 В cos Q T N N U ПT G + J (0,02 + 1000 + ( hi P0i + U= dai g ( i hi + 0,5 ПР i В PT1 0,3tg tg В 3 J i= 1 i= (9) Анализ уравнения 9 позволил сделать вывод о том, что, в связи с невозможностью управлять интенсивностью и временем снегопада, имеется возможность изменения энергоёмкости снегоуборки при помощи четырёх основных параметров: массы машины, скорости уборки, ширины очищаемой полосы и частоты применения снегоуборочной техники. При этом, решение уравнения 9 однозначно показывает, что максимальная эффективность очистки дорог от снега достигается при максимальной скорости данного производственного процесса.

Однако, в связи с ростом величины вертикальных колебаний рабочего органа при увеличении скорости очистки данная величина в настоящий момент законодательно ограничена 7 м/с (25 км/ч). Также решения данного уравнения показывает, что при превышении ширины отвала величины, равной 4 метров, ширина уборки перестаёт влиять на величину удельных затрат на снегоуборку а б Рис. 4 Изменение удельных затрат на снегоочистку в зависимости от частоты применяемой техники при интенсивности снегопада 15 мм/ч и длительности снегоприноса – 10 часов;

а – на базе автомобиля КамАЗ 53213, б – на базе автомобиля ГАЗ 3302;

1 - постоянные расходы, 2 – расходы на перемещение технологической машины;

3 – расходы на перемещение призмы волочения;

– расходы на работу щёточного (или пескоразбрасывающего) оборудования;

5 – расходы на резание снега, рассчитанные по ранее применяемым зависимостям;

6 - расходы на резание снега, рассчитанные по зависимостям, учитывающим изменение слоистости снежного покрова под действием движителей транспортных средств.

.

Зависимость изменения удельных затрат на единицу площади очищаемой поверхности в зависимости от частоты применения снегоуборочной техники показан на рисунке 4. Полученные данные позволяют сделать однозначный вывод о том, что именно нахождения минимума энергоёмкости разрушения слоистого снежного покрова позволит определить рациональную технологию применения снегоуборочной техники, графические решения данной задачи показаны на рисунке На основе разработанной на кафедре СДМ, под руководством А.П.

Куляшова модели изменения параметров снежного покрова на автомобильных дорогах под действием транспортного потока, с учётом математической модели резания, разработанной во второй главе настоящей работы были получены зависимости изменения усилия на рабочем органе в зависимости от времени начала снегопада и интенсивности движения транспортных средств. Полученные результаты свидетельствуют об отсутствии постоянного и монотонного роста усилия на рабочем органе снегоуборочной машины в зависимости от интенсивности снегопада и времени начала уборки.

а б Рис.5. Изменение усилия резания на рабочем органе в зависимости от времени с начала снегопада;

а) при интенсивности выпадении снега 2 мм/ час;

б) при интенсивности выпадении снега 50 мм/ час;

В действительности существуют три критические точки, при переходе через которые энергоёмкость процесса резко изменяется. Во-первых, это время, за которое снежный покров не ложится на дорогу, а разрушается и выносится за её пределы колёсами транспортных средств, величина данного параметра может быть определена из выражения:

27, 0, 0,035 0,00008 I ТС, (10) T1 = 220(QCH + 0,000025I ТС ) 0. Во-вторых, это временя когда в зоне колеи начинается образовываться слой уплотнённого снега. Данный момент может быть определён исходя из следующей зависимости:

E 300( h3 AI 0.6 ) + ( cCH tCH + ). (11) T2 = 100QCH И в третьих, когда уплотнённый слой снега в межколейной и межполосных зонах полностью восстановит внутренние межкристаллизационные связи и превратится в снежно-ледовый накат. В зависимости от температуры и влажности поверхности дороги этот процесс может занять от 6 часов и до бесконечности.

Зависимость энергоёмкости удаления снега с поверхности дорог и её сравнение с моделью применявшийся до настоящего времени, показана на рисунке 6.

Рис. 6. Зависимость изменения затрат на очистку единицы поверхности дорожного покрытия от снега в зависимости от времени начала уборки;

1 – зависимость, применяемая ныне;

2 – предлагаемая зависимость для очистки дорог лёгкими (до 5 тонн) коммунальными машинами;

3 – предлагаемая зависимость для очистки дорог средними (5-12 тонн) коммунальными машинами;

4 – предлагаемая зависимость для очистки дорог тяжёлыми (свыше 12 тонн) коммунальными машинами Изменение массы применяемой снегоуборочной техники возможно на стадии формирования парка снегоуборочной техники. Полученные в результате решения уравнения 9, на основе многолетних наблюдений за интенсивностью и частотой снегопадов, разработать методику выбора данного параметра:

N U U СГ ( J, G, T1 ) = U MIN i, (12) U СГ = i= n где UСГ – среднегодовой объём затрат на содержание дороги, N – количество снегопадов за исследуемый период, n – число лет наблюдения. Решения данного уравнения показаны на рисунке 7, из которых видно. что применение в качестве лёгких снегоуборочных машин выгодно только в районах со средней высотой накопленного снега не превышающей 0,3 метра.

Для других районов наиболее эффективно применение автомобилей с полной массой 8 – 10 тонн Рис.7. Изменение стоимости снегоочистки от годового объёма снегоприноса на дорогу;

1 – для коммунальных машин весом 3т;

2 – для коммунальных маши весом 5т;

3 – для коммунальных весом 8т;

4 - для коммунальных машин весом 15т.

Общая структурная схема методики выбора рациональных параметров применения снегоуборочной техники приведена на рисунке 8.

Рис.8. Структурная схема методики выбора рациональных параметров применения снегоуборочной техники Отличительной особенностью данной методики является определения рациональной частоты применения снегоуборочной техники. Методики, применяемые ранее, исходили из монотонного непрерывного роста толщины снега на дорогах и монотонного непрерывного роста усилия на рабочем органе. В результате чего получалось монотонное снижение затрат на содержание дороги с уменьшением частоты применения снегоуборочной техники. Учёт изменения параметров снега под воздействием внешних факторов, показанный на рис.4 позволил определить рациональную частоту применения снегоуборочной техники и её зависимость от массы машины.

Четвёртая глава настоящей работы посвящена экспериментальным исследованиям, целью которых являлось как подтверждение результатов, полученных в результате теоретических разработок, так и получение недостающих значений физико-механических параметров разрабатываемого материала. Кроме того, в работе использовались результаты экспериментальных исследований А.Р. Пуртова, С.Ю. Маленкова и И.Б.

Коробова, М.В. Черняевского, выполненных на кафедре СДМ НГТУ в последнее время. Экспериментальные исследования состояли из трёх этапов - исследование характеристик снежного покрова автомобильных дорог как разрабатываемой среды;

проверка и уточнение математической модели формирования нагрузок на плужном рабочем органе снегоуборочной машины;

определение энергоёмкости удаления снега при различных технологических приёмах удаления снега.

Для экспериментальной проверки и уточнения математической модели процесса взаимодействия плужного рабочего органа со слоистым снежным покровом, оценок параметров и определения значимости факторов, входящих в модель, проверки адекватности теоретической модели экспериментальным данным были использованы методы планирования многофакторного эксперимента по плану Хартли. В качестве отклика принята величина усилия, создаваемого на рабочем органе за счёт суммарной силы резания. Данный параметр удовлетворяет всем требованиям, предъявляемых к функции отклика, то есть имеет физический смысл, количественную оценку и является совокупной и исчерпывающей характеристикой объекта исследования. Эксперименты проводились непосредственно на участках автомобильных дорог г. Н.Новгорода.

Специфические условия уборки слоёв снега также требуют уточнения таких параметров взаимодействия рабочих органов как отделение участка снежного наката от подстилающей поверхности (силы сцепления), усилие внедрения рабочего органа в многослойную среду, формирование призмы волочения и образования снежной стружки и её разрушения Рис. 9. Зависимость усилия на рабочем органе от высоты снежного покрова Рис.10. Изменение энергоёмкости удаления экскавационно - разрушенного снега, лежащего на уплотнённом снегу от скорости уборки Толщина снега определялась при помощи штангенциркуля, опускаемой в измеряемую среду. Перед началом испытаний замерялась общая толщина снежного покрова и толщина каждого из рассматриваемых слоёв. Испытания проводились в различных метеорологических условиях на поверхностях замёрзших дорог и взлётно-посадочной полосы аэропорта г.Н.Новгорода.

Разрабатываемый снежный покров был как естественного залегания с различной структурой, так и полученный в лабораторных условиях.

Сравнительная оценка действительных и расчётных значений сил резания, действующих на элементы рабочих органов снегоуборочных машин и на опорное основание, производилось на основе обработки сигнала, получаемого от установленных в гидроприводе рабочего органа тензодатчиков.

В результате проведённых исследований были получены регрессионные зависимости, связывающие параметры снежного покрова, технологию уборки и усилие, возникающее на плужном рабочем органе во время снегоочистки, энергоёмкости (изменение расхода топлива), приведённые ниже:

n n WPO=158,2 +64,5В+43t +40 hi +12,2+18,5Вt+17,1В hi +5,2В+ i= 1 i= n n n n n +11,5t hi +3,8t+4,7 i +3,6 hi +39,7( i )2-4,5( hi )2, i= 1 i= 1 i= 1 i= 1 i= (13) где В – ширина рабочего органа, t- модуль температуры, - скорость уборки, h – толщина слоя снега, - его плотность, n – число слоёв снега.

Результаты серии проведенных опытов приведены в виде графиков на рис. 8 и 9 соответственно для каждой из физических моделей. Проведена проверка достоверности экспериментальных данных, полученных при испытаниях натурных образцов щёточных рабочих органов на воспроизводимость результатов по критерию Кохрена и на адекватность математической модели по критерию Фишера. В ходе проверки установлена достоверность результатов по обоим критериям. Относительная погрешность, в зависимости от исследуемых параметров составила от 10 до 20%.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ Разработана математическая модель взаимодействия плужного рабочего 1.

органа со снежным покровом, образующимся на поверхности автомобильных дорог. Показано, что процесс резания снежного покрова является частным случаем разрушения сколом. При этом зона деформации снега под действием рабочего органа представляет собой объём, который подвержен трещинообразованию различной интенсивности. Длина распространения трещин составляет от 0,2 до 1 метра в зависимости от скорости разработки.

Получены зависимости изменения энергоёмкости разрушения снега в 2.

течение времени. Установлено, что для каждого типа снегоуборочных машин существует минимум затрат на зимнее содержание дорог, обусловленный массой машины, скоростью выпадения снега и интенсивностью дорожного движения.

3. Разработанная математическая модель разрушения снега как среды, обладающей ярко выраженной слоистостью позволила повысить точность расчётов усилия резания более чем на 14%. Установлено, что наличие слоистости разрабатываемого снега оказывает существенное влияние на величину усилия резания, но не оказывает влияние на процесс уплотнения снега, внедрения рабочего органа и перемещение призмы волочения.

Однако, наличие призмы волочения, увеличивает усилие резания слоистого снега на величину от 5% при скоростной снегоочистки до 20% при работе тракторов, перемещающих большие объёмы снега.

Установлено, что при использовании модели снега как полислоистой 4.

полизональной среды минимум затрат на зимнее содержание дорог смещается в сторону большей задержки начала уборки. При этом, чем большее количество транспортных средств взаимодействует со снежным покровом тем ярче проявляется описанный процесс.

Установлено, что удельный расход топлива на зимнее содержание дорог 5.

не зависит от площади очищаемой поверхности, приходящейся на коммунальную машину.

Получены зависимости, связывающие между собой интенсивность 6.

снегопада, скорость очистки дорог от снега и удельный расход топлива коммунальных машин, приходящийся на единицу площади очищаемой поверхности. Установлено, что удельный расход топлива прямо пропорционален интенсивности снегопада в степени 0,2 и обратно пропорционален скорости удаления снега.

Проведена проверка достоверности экспериментальных данных, 7.

полученных при испытаниях натурных образцов плужных рабочих органов на величину изменения силы резания и на производительность, на воспроизводимость по критерию Кохрена и на адекватность математической модели по критерию Фишера. В ходе проверки установлена достоверность результатов по обоим критериям, а относительная погрешность, в зависимости от исследуемых параметров составила от 5 до 15%.

Результаты работы внедрены в Дорожном фонде Нижегородской области, 8.

ОАО «Асфальт-Бетон», ООО «Компания «Магистраль» и используются в учебном процессе на кафедре «Строительные и дорожные машины» Нижегородского государственного технического университета.

ОСНОВНЫЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ РАБОТЫ 1. Минимальные затраты на уборку дорог от снега имеют место при начале применения снегоуборочных машин в период образования многослойного снежного покрова на дорогах, состоящего из свежевыпавшего, экскавационно - разрушенного и уплотнённого слоёв снега на дорогах.

2. Наиболее рациональными машинами для уборки дорог средней полосы россии являются снегоуборочные машины массой 8 -12 тонн. Более лёгкие машины следует применять для очистки небольших участков дорог и территорий, а более тяжёлые – на аэродромах, где время нормативной готовности инженерных сооружений после начала снегопада значительно меньше, чем на любых автомобильных дорогах. Применение лёгких снегоуборочных машин рационально в районах с максимальной высотой снегонакопления за зиму не более 0,2 метра.

3. Количество снегоуборочных машин на единицу площади очищаемой поверхности должно быть минимально – возможным для своевременного выполнения технологических операций. Увеличение количества снегоуборочной техники отрицательно сказывается на величине удельных затрат на снегоочистку.

4. Скорость уборки свежевыпавшего и экскавационно - разрушенного снега должна составлять 5-7 м/с (20 – 25 км/ч), уплотнённого снега – 1 -2 м/с (3,5 – 7 км/ч), а льда – 0,2 – 0,5 м/с). Скорость удаления слоистого снега должна быть на 5 – 10% ниже скорости удаления наиболее плотного слоя снега 5. При уменьшении температуры после снегопада, со скоростью большей, чем 1 градус в час, необходимо обеспечить начало уборки раньше на час по сравнению с расчётными значениями. При повышении температуры после снегопада необходимо начинать уборку в момент, когда рост температуры остановится.

Основное содержание работы

отражено в 11 публикациях:

Статьи в ведущих рецензируемых научных журналах 1. Куляшов А.П., Маликов О.Ю., Молев Ю.И., Соколов А.М. Пути повышения степени очистки снежных накатов на поверхности дорог. М.:

Журнал «Строительные и дорожные машины» 2007г., № 3 с. 44-46.

.Статьи и тезисы докладов, опубликованные в сборниках научных трудов 2. Кузнецов Б.В., Маленков С.Ю., Молев Ю.И., Соколов А.М. Зимнее содержание дорог. М.: Известия академии инженерных наук им. А.М.

Прохорова. «Транспортно-технологические машины и комплексы» 2004г.

Т.5. с.116-122.

3. Куляшов А.П., Молев Ю.И., Соколов А.М. Расчёт частоты циклов применения снегоуборочной техники. / Материалы международной научно-практической конференции «Прогресс транспортных систем – 2005» Волгоград: ВолгГТУ 2005г 4. Куляшов А.П., Петровский А.М., Молев Ю.И., Соколов А.М. Оценка уровня колебаний рабочих органов снегоуборочной техники. Москва – Нижний Новгород: Известия академии инженерных наук им. А.М.

Прохорова. «Транспортно-технологические машины и комплексы» 2006г.

Т.19 с.45-52.

5. Куляшов А.П., Соколов А.М., Тютьнев А.М. Уплотнение слоистого снега и заглубление рабочего органа. Москва – Нижний Новгород: Известия академии инженерных наук им. А.М. Прохорова. «Транспортно технологические машины и комплексы» 2006г. Т.16 с.97-103.

6. Молев Ю.И. Соколов А.М. Анализ механического способа очистки автомобильных дорог с точки зрения его экономической эффективности. / Материалы международной научно-технической конференции «Проектирование, испытания и эксплуатация транспортных машин и транспортно-технологических комплексов» Н.Новгород: НГТУ 2005г.

7. Молев Ю.И., Соколов А.М., Тютьнев А.М. Обобщающая математическая модель разрушения слоистой среды. Москва – Нижний Новгород:

Известия академии инженерных наук им. А.М. Прохорова. «Транспортно технологические машины и комплексы» 2006г. Т.16 с.33-39.

Молев Ю.И., Соколов А.М., Шапкин В.А. Формирование зональности 8.

снежного покрова на поверхности автомобильных дорог. Москва – Нижний Новгород: Известия академии инженерных наук им. А.М.

Прохорова. «Транспортно-технологические машины и комплексы» 2006г.

Т.16 с.116-119.

Соколов А.М., Черняевский М.В. Процесс взаимодействия специального 9.

рабочего органа ударного действия со снежно-ледяным накатом и льдом. / Материалы научно-технической конференции «Будущее технической науки нижегородского региона» Н.Новгород, НГТУ 2004. 175-176 с.

Соколов А.М., Орлов А.Г., Марков О.М., Шапкин В.А. Формирование 10.

снега на дорогах. / Материалы всероссийской научно-технической конференции «ТТМ НН 04. Транспортно-технологические машины». – Н.Новгород.: НГТУ, 2004. 228-237с.

Соколов А.М., Хабибуллин Р.З., Марков О.М. Методы предотвращения 11.

снега и льда на дорогах. / Материалы всероссийской научно-технической конференции «ТТМ НН 04. Транспортно-технологические машины».– Н.Новгород.: НГТУ, 2004. 237-245с

 

Похожие работы:





 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.