автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.04, диссертация на тему:Исследование рабочего процесса и обоснование технического решения оборудования машины для мойки дорожного покрытия автомобильной дороги

005015740

Звягин Евгений Викторович

ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА И ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНИЧЕСКОГО РЕШЕНИЯ ОБОРУДОВАНИЯ МАШИНЫ ДЛЯ МОЙКИ ДОРОЖНОГО ПОКРЫТИЯ АВТОМОБИЛЬНОЙ ДОРОГИ

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

1 (л'ДР 20*2

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-2011

005015740

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ)» на кафедре дорожно-строительных машин.

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

кандидат технических наук, доцент Бакатин Юрий Павлович

доктор технических наук, профессор Баловнев Владилен Иванович

кандидат технических наук, доцент Белоцерковский Григорий Михайлович

Ведущая организация:

ООО «Доркомтехника»

Защита диссертации состоится «15» марта 2012 г. в_часов на

заседании диссертационного совета Д.212.126.02 ВАК РФ при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ)» по адресу:125319, Москва, Ленинградский проспект, д64 ауд. 42.

Телефон для справок (499) 155-93-24. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МАДИ. Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим направлять в адрес диссертационного совета. Копию отзыва просим прислать на e-mail: uchsovet@madi.ru.

Автореферат разослан «14» февраля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, профессор

.В.Борисюк/

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. Автомобильная дорога по праву называется артерией жизни. Главной её полезной функцией является обеспечение движения автомобильного транспорта. При этом она является в свою очередь, источником загрязнения окружающей среды. Загрязнения образуются как за счет износа поверхности дорожного покрытия, так и элементов материальной части транспортных средств. В 2010 году принято дополнение №8 к ГН 2.1.6.1338-03, устанавливающее предельно допустимые концентрации (ПДК) загрязняющих веществ в атмосферном воздухе населенных мест. Это связано с тем, что обнаружены их канцерогенные свойства влияющие на здоровье человека. Содержание других частиц на поверхности покрытия регламентируется в зависимости от категории дороги. На дорогах с усовершенствованным покрытием в благоустроенных жилых районах - 30 г/м', а на дорогах, примыкающих к дворовым территориям, с неусовершенствованными покрытиями - 50 г/м2. В состав машин для летнего содержания дорожных покрытий входят машины для выполнения регулярной их мойки. Разработчики таких машин традиционного исполнения исчерпали резервы повышения их эффективности за счет увеличения рабочего давления воды, подаваемой на покрытие, и уменьшения за счет этого её расхода от нормативного значения 0,9... 1,1 л/м2 до 0,4 л/м2, т.е. в 2 с лишним раза. Как показали исследования, дальнейшее повышение давления при подаче воды (>50 атм.) приводит к срыву разметки, что неприемлемо. При этом часть загрязнений, захваченных струями воды в виде брызг, вылетает за пределы дорожного покрытия и рассеивается в окружающей среде. Запаса воды в цистерне традиционной машины не хватает на работу её без дозаправок в течение смены, что отрицательно влияет на её эксплуатационную производительность.

Для того, чтобы избежать подобного положения дел, необходимо научно обосновать подход к разработке современной технической системы, которая бы не усложняла и без того непростую экологическую ситуацию как в крупных городах, так и сельской местности, а выполняла бы процессы мойки с высокой производительностью и качеством, исключая нерациональное использование ресурсов.

Анализ патентной информации показал, что в передовых в техническом отношении странах в последние годы выданы патенты на машины для мойки дорожных покрытий с рециклингом воды (в США в 2010 г., в Германии в 2006 г.), что подкрепляет актуальность данной

темы. Однако в технической литературе отсутствуют сведения, позволяющие осуществлять расчеты такого оборудования для его создания.

Предмет и объект исследования. Объект исследования -процесс сбора и повторного использования воды в замкнутой системе машины при мойке дорожных покрытий на автомобильной дороге. Предмет исследования - методика определения рациональных параметров рабочего оборудования машины для мойки дорожного покрытия с повторным использованием воды.

Целью работы является совершенствование рабочего процесса мойки дорожных покрытий, обоснование технического решения рабочего оборудования машины и разработка практических рекомендаций по определению его параметров для мойки дорожных покрытий с системой рециклинга воды, что позволит повысить эффективность процесса мойки за счёт внедрения системы сбора, осветления и повторного использования воды. Для достижения указанной цели поставлены и последовательно решены следующие задачи:

1. Оценить фактическое распределение времени рабочей смены по составляющим цикла работы машины для мойки дорожных покрытий путём проведения мониторинга её рабочего процесса на конкретном примере.

2. Провести экспериментальные исследования по оценке накапливаемых загрязнений на дорожном покрытии с учетом их класса опасности.

3. Провести исследования по оценке доли потерь воды на поверхности дорожного покрытия при мойке.

4. Провести исследования по подъёму загрязнённой воды с поверхности покрытия в рабочую камеру машины.

5. Провести экспериментальное исследование процесса осветления загрязнённого стока, собираемого при мойке с дорожных покрытий.

6. Обосновать функциональную схему машины для мойки дорожного покрытия с системой рециклинга воды и разработать рекомендации по конструкции рабочего оборудования.

7. Разработать методику расчета основных параметров рабочего оборудования машины для мойки дорожных покрытий с системой рециклинга воды.

Методы исследований. Эмпирические зависимости основных технологических параметров процесса сбора и осветления воды для повторного использования от факторов, определяющих эти параметры, получены в результате экспериментов, проведенных в

МАДИ. В экспериментах использованы образцы асфальтобетона и цементобетона, а также новейшие реагенты, разработанные на кафедре химии МАДИ, для увеличения скорости осаждения мелкодисперсных частиц при осветлении воды.

Для обоснования конструкции и принципа работы машины для мойки дорожных покрытий с системой рециклинга воды применён метод поиска рациональных технических решений.

Практическая ценность исследования состоит в том, что результаты выполненной работы и разработанная на их основе методика определения рациональных параметров рабочего оборудования может быть рекомендована для создания рабочего оборудования машины для мойки дорожных покрытий с повторным использованием воды, собираемой непосредственно с покрытия в процессе его мойки, способного в определенных условиях существенно повысить эффективность работы моечных работ транспортных сооружений.

Реализация работы.Разработанная методика расчёта основных параметров оборудования и общий принцип работы машины для мойки дорожных покрытий с рециклингом воды переданы для использования предприятию ГУП «Кольцевые магистрали» и ЗАО «Автобау» для внедрения в процесс производства существующих конструкций машин для мойки дорожного покрытия с целью их совершенствования и использования. Материалы исследования также используются в учебном процессе МАДИ при подготовке специалистов по специальностям «Подъемно-транспортные, строительные, дорожные машины и оборудование» и «Средства аэродромно-технического обеспечения полетов авиации». Научная новизна работы.

1. Экспериментально подтверждены и количественно оценены доли потерь воды при работе машины в процессе мойки асфальтобетонных и цементобетонных покрытий.

2. Определены рациональные параметры рабочего процесса подъема загрязненного стока с дорожного покрытия при его мойке в рабочую камеру машины на основании результатов экспериментальных исследований вакуумного элеватора.

3. Установлено и количественно оценено влияние способов осветления воды с использованием реагентов.

4. Разработана методика расчета параметров оборудования машины для мойки дорожного покрытия с системой рециклинга воды, основанная на результатах исследования.

5. Обоснована возможность применения нового способа осветления собранной с дорожного покрытия воды при его мойке

с использованием пластинчатого сгустителя и реагентов для коагуляции загрязнений.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на втором Всероссийском Дорожном Конгрессе, проходившем в МАДИ в 2010 г., а также в ходе ежегодной научно-исследовательской конференции, проходившей на кафедре«Дорожно-строительные машины» МАДИ в 2010 г.

Публикация работы. По результатам исследования опубликовано 5 печатных работ, в том числе 3 публикации в изданиях, рекомендованных ВАК.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, 4-х глав, основных выводов и результатов, списка литературы из 124 наименований. Общий объем работы содержит 157 страниц, в том числе 79 рисунков, 38 таблиц и 5 приложений.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Результаты экспериментально подтвержденной гипотезы по количественной оценке потерь воды при мойке дорожных покрытий за счёт смачивания асфальтобетонных и цементобетонных поверхностей и влияния этих потерь на параметры рабочего оборудования и процесса мойки автомобильной дороги с представлением результатов в виде корреляционных зависимостей.

2. Экспериментально установленные закономерности процесса подъема в рабочую камеру машины загрязненного стока с поверхности дорожного покрытия в процессе его мойки с помощью вакуумного элеватора.

3. Экспериментальные зависимости по результатам исследований процесса осветления загрязнённой воды, собранной с поверхности покрытия для повторного её использования.

4. Методика расчета параметров нового рабочего оборудования машины для мойки дорожного покрытия, осуществляющего рециклинг воды, основанная на результатах проведенного исследования.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ И РЕЗУЛЬТАТЫ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ

1. Результаты экспериментального подтверждения гипотезы по количественной оценке потерь воды при мойке дорожных покрытий за счёт смачивания их поверхности и влияния этих потерь на параметры рабочего оборудования и

процесса мойки автомобильной дороги с представлением результатов в виде корреляционных зависимостей.

Вода при мойке асфальтобетонных дорожных покрытий позволяет существенно уменьшить температуру их поверхности. Как за счет интенсивного нагрева, так и за счёт испарения части воды, что в конечном итоге положительно отражается на долговечности дорожных покрытий. Таким образом, часть воды при работе существующих моечных машин теряется из-за смачивания поверхности покрытия и в связи с её испарением. Потери воды на смачиваение поверхности определяются шероховатостью дорожного покрытия и его пористостью.

Для оценки потерь воды при мойке асфальтобетонного дорожного покрытия были проведены специальные исследования. Они помогли оценить зависимость потерь воды при мойке дорожных покрытий от продолжительности контакта воды с поверхностью, температур воды и поверхности. Потери воды на смачивание асфальтобетонных поверхностей определялись вычислением разницы веса образца до и после контакта с водой при различных температурах образца и воды, с учетом разных временных промежутков контакта её с поверхностью покрытия. В результате построены графики указанных зависимостей, позволяющие оценить доли потерь воды (табл.1).

Таблица 1

Результаты экспериментальных исследований по оценке потерь воды при _мойке дорожных покрытий.__

Наименование Математическая модель, описывающая процесс Примечание

1. Зависимость доли потерь воды при смачивании поверхности асфальтобетонного образца от изменения времени её контакта. У=0,09421п(Ц+0,0318. К2=0,8345. Условия: при постоянных температурах воды и смачиваемой поверхности. V- объем потерь воды, л/мг, {время контакта воды с поверхностью, сек.

2. Зависимость доли потерь воды при смачивании поверхности образца от изменения температуры воды. \/=0,1711п(1в)+0,0084. ^=0,9035. Условия: при постоянном времени и постоянной температуре смачиваемой поверхности. V- объем потерь воды, л/м2, температура воды, °С.

продолжение табл. 1

3. Зависимость доли потерь воды при смачивании поверхности образца от изменения температуры смачиваемой поверхности У=0,13671п(1п)+0,0183. ^=0,9208. Условия: при постоянном времени контакта и постоянной температуре воды. V- объем потерь воды, л/м2, ^-температура поверхности образца, °С.

4. Зависимость изменения доли потерь от испарения воды при изменении температуры воды. \,=0,0037Рв - 0,007^в +0,0048. Яг=0,9281. Условия: при постоянном времени и постоянной температуре смачиваемой поверхности. V- объем потерь воды, л/м3Дв-температура воды, °С.

5. Зависимость изменения испарения доли потерь воды при изменении температуры смачиваемой поверхности. У=0,0152Й1-0,0602*п +0,0506. К2=0,9621. Условия: при постоянном времени и постоянной температуре воды. V-объем потерь воды, л/м2, ^-температура поверхности образца, °С.

6. Зависимость доли потерь воды при смачивании поверхности образца от одновременного равного изменения температуры смачиваемой поверхности и температуры воды. У=0,14791п(Ц+0,0222. Я2=0,8875. Условия: при постоянном времени контакта. V- объем потерь воды, л/м2, температура поверхности образца и воды, °С.

7. Зависимость изменения испарений доли потерь воды при одновременном одинаковом росте температуры смачиваемой поверхности и температуры воды. У=0,001 ЗР + 0,00471 -0,0106. К2=0,97. Условия: при постоянном времени контакта. V- объем потерь воды, л/м2,Ь-температура поверхности образца и воды, °С.

Исходя из полученных зависимостей, становится ясно, что с ростом любого из показателей, таких как температура воды, поверхности дорожного покрытая и времени контакта, существенно увеличивается доля потерь воды. Для предотвращения потерь воды при формировании конструкции машины и компоновки рабочего оборудования следует, насколько это возможно технически, снижать время контакта воды с поверхностью дорожного покрытия. Эти результаты использованы при принятии решения по организации подачи воды на поверхность покрытия непосредственно в устройстве для подъема загрязненного стока в камеру машины, чтобы сразу после подачи воды на поверхность она вместе с загрязнениями собиралась и транспортировалась вакуумным элеватором.

2. Экспериментально установленные закономерности процесса подъема в рабочую камеру машины загрязнённого стока с поверхности дорожного покрытия в процессе его мойки с помощью вакуумного элеватора.

Для обоснования возможности организации сбора загрязнённого стока с асфальтобетонных и цементобетонных поверхностей в машине для мойки дорожных покрытий с требуемым качеством выполнения работ посредством использования вакуумного элеватора требовалось проведение специальных исследований.

Для этого была сконструирована экспериментальная установка (см. рис.1).

Вакуумный манометр

Рис.1. Схема экспериментальной установки для подъема загрязнённого стока с помощью вакуумирования

В экспериментах для сбора загрязненного стока создавался вакуум в 85 кПа, (0,8668 атм.). В результате чего удалось имитировать процесс сбора загрязненного стока с поверхности. В экспериментах

удалось собрать практически весь загрязненный сток при скорости, аналогичной рабочей скорости движения машины для мойки дорожного покрытия при качестве сбора по всем экспериментальным данным выше, чем требуется по нормативу (см. табл.2).

Таблица 2

Обобщенная информация по долям собранного загрязнения с асфальтобетонного _и цементобетонного покрытий___

Асфальтобетонное покрытие Цементобетонное покрытие

Расход воды Масса загрязнения Доля собранного загрязнения Масса загрязнения Доля собранного загрязнения

1000 мл/м2 50 г/ м2 97% 50 г/ м2 98%

100 г/м2 95% 100 г/м2 95%

200 г/ м2 81% • 200 г/ м2 88%

В результате экспериментальных исследований удалось осуществить процесс сбора с высоким качеством выполнения работ и тем самым доказать возможность его использования, что в свою очередь позволило бы существенно снизить потребность воды, используемой для мойки дороги, за счет её рециклинга.

3, Экспериментальные зависимости по результатам исследований процесса осветления загрязнённой воды, собранной с покрытия для повторного использования

Для осуществления внедрения системы рециклинга воды в машину для мойки дорожных покрытий необходимо было определить эффективный способ осветления воды и его характеристики.

На основе анализа способов осветления воды был выбран способ осветления с помощью пластинчатого сгустителя в комбинации с использованием реагентов для коагуляции мелкодисперсных частиц загрязнений.

Для определения необходимого времени осветления воды от загрязнений проведены экспериментальные исследования процесса осветления собранной с дорожного покрытия воды в процессе его мойки. В результате получены графики зависимостей скорости осветления собранной воды от дозировки наноструктурированных реагентов (см. рис.2) и уравнения, описывающие характер протекания процесса.

13 5 16

(V К ё!10 ¿г в

и:

о « '

г" г

| 1 ( 1

.... ¡г5""*" 1

V = 5ЯЙ Я3|п/т 1 .1581 О . _______ |

—„ ---- И2 = 0,9135 ------ _ |

------— —- ---- ------ -----1------- ------- ........

1

.Л_ 1

31 60 91 121 152 182 213 244 274 305 335 т -дозировка реагента, г/т.

Рис.2. Зависимость между концентрацией реагентов (тд.) и скоростью осаждения

(\/осажд.) загрязнений

4. Методика расчета параметров оборудования машины для мойки дорожного покрытия, основанная на результатах проведенного исследования

При использовании технологии рециклинга воды в машинах для мойки дорожного покрытия новыми являются процесс сбора загрязнения с поверхности дорожного покрытия и осветление воды повторного применения.

Для осуществления сбора загрязненного стока требуется определение рациональных параметров рабочего процесса вакуумного элеватора.

Основная задача исследования рабочего процесса вакуумного элеватора состоит в определении взаимосвязи между следующими параметрами рабочего оборудования: v- скорость подъема, время загрузки загрязнения, Н- высота подъема загрязнённой воды, Др-величина вакуума.

Анализ производился на основе расчетных схем сил действующих на частицу в шахте элеватора. В результате анализа получены следующие зависимости.

. 30

0,01 0.02 0.03 ОМ 0.050.06 0,070,08 0,09 0,1 t - время подъема частицы с

Рис.3. Зависимость между разностью давления, создаваемого в шахте и временем подъёма частицы

25

1 20 2 15

1 Ю ш

та

ч 5 а

О П

Й

А

г

/

/

-»- 1. т = 0,45 кг.

2. т = 0,25 кг.

3. т = 0,05 кг.

20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 V- скорость подъема частицы в шахте, м/с. Рис.4. Зависимость между разностью давления, создаваемого в шахте и скоростью подъёма частицы

Вдно

И ¡го Ш то □ 80 □ со

Е3 20

т, кг. о

V, м/с.

Рис.5. График зависимости - скорости подъёма частицы, разности давления, создаваемого в шахте и массы частицы

й 0,25

О. О

Й 0.2

ю

ф

ч

2 0.15

\ Ч<

\ |Х\

1

Ч 0,05 о

? о

%

'а.

' 1. Др я 45 кПа.. гп = 0,2 кг. -в- 2, Ар = 50 кПа., гп = 0,4 кг. 3. ар = 55 кПа., т = 0,6 кг.

0,05 0,1 0,15 0,2 5 - время подъема частицы, с.

Рис.6. Зависимость между диаметром шахты и временем подъёма частицы

Рис.8. Г рафик зависимости - скорости подъёма частицы, диаметра шахты и массы

частицы

Для описания рабочего процесса машины для мойки дорожного покрытия с системой рециклинга воды была сформирована блок-схема связи параметров. На основе экспериментальных исследований и блок-схемы связи параметров был разработан порядок расчета основных параметров машины для мойки дорожного покрытия с системой рециклинга воды и её рабочий процесс (табл.3).

■в, о - - _____________

« ' ] 1. йр =45кПа., т = 0,2 кг.

0

то 0,2------г1--а- 2. Др = 50 кПа., т = 0,4 кг.

«

5 0,15 ------------------^У) >У\----------- ... 3. йр = 55 кПа., т = 0,6 кг.

£ 0,1 а

1 0,05 <5

5 о

ъ 20 40 60 80 100

V - скорость подъема частицы б шахте, м/с.

Рис.7. Зависимость между диаметром шахты и скоростью подъёма частицы

Таблица 3

Зависимости для получения параметров рабочего оборудования._

Формула Наименование Примечание

Кц.+ -Е7в.в.-0,95п+1,л. Формула расчета общего объема воды VI-общий объем воды, Уц. - объем воды в цистерне, Ув. в.- объем восстановленной воды (собранной, осветленной и готовой для повторного использования). Формула с учетом экспериментальных данных.

ав= , м%. шпУв Формула расчета расхода воздуха в вакуумном подборщике Ов- расход воздуха в вакуумном подборщике, Ом - заданная производительность системы по воздуху, тп-коэффициент, характеризующий массовую концентрацию транспортируемого продукта в потоке воздуха, Ув - плотность воздуха (Ув=1,24 кг/м3)

1 4Qв 1тсУвозд. Формула расчета диаметра шахты вакуумного элеватора Эт- диаметр шахты вакуумного элеватора, Увозд.- скорость воздуха, необходимая для работы вакуумной системы.

т. ^ ^соб.з.с. Кеб =--- в.на пов. пов. Формула расчета коэффициент а сбора загрязнений Кеб- коэффициент сбора загрязнений, Шсобзс-масса собранной смеси загрязнения, ?пподвнапов-масса подоваемой воды на поверхность для мойки, тз.нз пов." масса загрязнений на поверхности до мойки.

Бт + 0,0018 м 0,0028 'с Формула расчета скорости подъема загрязнений в шахте элеватора \/п-скорость подъема загрязнения в шахте элеватора. Формула с учетом экспериментальных данных.

продолжение таблицы 3

2ВШЛ>т(оО м3 ** ~ (Ь + /г0)Уел ' ч ' Формулы расчета производител ьности пластинчатого сгустителя 0 - производительность пластинчатого сгустителя, Ь-расстояние между соседними пластинами, (ъ -толщина осадительной пластины, В- ширина пластины, У-средняя скорость движения загрязненного стока в тонких зазорах между пластинами, а- угол наклона осадительных пластин к горизонтальной плоскости, Усл-выход слива.

Уел Бос -0 ,м. УосКисп.соз(а) Формула расчета суммарной площади осадительных пластин сгустителя Уос- скорость осаждения загрязнения на пластины, Кисп,- коэффициент использования пластины.

Уосажд.= 586,631п(тд.) - 1561,9, мм/с. Формула расчета скорости осаждения загрязнений тд.- дозировка реагентов для осаждения, Уосажд-скорость осаждения загрязнений. Формула получена в результате экспериментальных исследований.

Кэф = 1 — Чн Формула расчета коэффициент а эффективност и очистки дор.покрытия. Кэф.-коэффициент эффективности очистки дор. локр., с^ост- остаточное кол-во загрязнений на ед. площади дор. покр., цн-начальное кол-во загрязнений на ед. площади дор. покр.

.. ^М • 77ТзаГрКс5?смень1 узагр = - Азагр Формула расчета объема бака для сбора загрязнений Ум-рабочая скорость машины, ггьэгр.-количество ЗагрЯЗНеНИЙ КГ/М2, Ьаиены-время раб.смены, рзагр,-плотность загрязнений.

В конечном счёте была сформирована конфигурация машины для мойки дорожных покрытий с системой рецикпинга воды (рис. 9-16), которая включает следующие составляющие устройства А-водяная рампа;

Б - вакуум-насосную систему сбора загрязнения с поверхности дорожного покрытия автомобильной дороги;

В - устройство для очистки загрязнённого стока в виде пластинчатого сгустителя в комбинации с реагентами для флокуляции; Г - ёмкость для сбора загрязнения в виде сменного контейнера.

КШЗЙМ 8

«к ^фЛйГ"' ШтМ

РЩШЖ^^Щт

I \

ш эр/ аи

' - —-"ЧЧЧ -

Рис. 9. Машина для мойки дорожного покрытия с рециклингом воды, вид

сбоку.

#1 ЕЁ ш ... 1 ¡Ф)

И ]..... ...........ц ЧР

Рис. 10.Машина для мойки дорожного покрытия с рециклингом воды, вид сверху. 1. базовое шасси; 2. цистерна с чистой водой; 3. насосная установка; 4. водяная рампа; 5. сопла; 6. всасывающее устройство; 7. раструб; 8. грязеотделитель; 9. грязеприемник; 10. дополнительная ёмкость; 11. ёмкость с реагентом; 12. вакуумные камеры; 13. пластинчатый сгуститель; 14. вакуумные вентиляторы ; 15. выводы; 16. механизм подъёма-опускания; 17. силовой цилиндр; 18. магистраль;

19. фильтр; 20. фильтр; 21. насос; 22. обратный клапан; 23. магистраль; 24. делитель потока; 25. гибкие шланги.

Также в результате исследований была получена имитационная модель процесса работы машины с системой рециклинга воды в сравнении с обычной машиной для мойки дорожного покрытия (рис. 11). Рис. 11а показывает начало работы машины, рис.116 -промежуточную заправку, рис. 11 в - конец мойки обслуживаемого участка. Модель рассчитывает текущее время работы машины на линии (шкала «время») и текущую длину вымытого участка (шкала

«обслужено км.дороги»), затраты времени на каждую повторную заправку ( появляется счетчик времени, см, рис. 11.). а)

ВРЕМЯ 1ч. 2ч. Зч. 4ч. 5ч. 6ч. _______8_ч,

иг ' ' ___________________________________(

Обслужено км. дороги 1-ой машиной:

О 8 16 24 32 40_45_

®

б)

&в® ш

ЙГ « /

ф

\AJJJ V . - - Обслужено км. дороги 2-ой машиной: 0 8 16 24 32 40 45 60 80 100 120

{ ' ' ^ I

® ВРЕМЯ 1ч. 2 ч. 3 ч. 4 ч. 5 ч. 6 ч, 7ч. 8 ч.

жшзя 1

Обслужено км. дороги 1-ой машиной: 0 8. 16 24 32 40 45

®

0 @р

Обслужено км. дороги 2-ой машиной, 0 8 16 24 32 40 45 60 80 100 120

( < - I

®

в)

ВРЕМЯ 1ч. 2ч. Зч. 4ч. 5ч. 6ч. 7ч.

Обслужено км. дороги 1-ой машиной: О 8 16 24 32 40 45

' : ' ' \ ©

ИЗ щ ®И

4---------Н—

Обслужено км. дороги 2-ой машиной: 0 8 16 24 32 40 45 60 ВО 100 120

1 ' " - ________ -..... . - ' -1 '1

®

Рис. 11. Имитационная модель работы машин, традиционной и с системой рециклинга воды, при мойке дорожных покрытий.

Таким образом разработанная имитационная модель визуально иллюстрирует все составляющие процесса мойки дорожного покрытия в динамике и позволяет увидеть на экране дисплея в любой текущий момент рабочей смены затраты времени, протяженность вымытого участка покрытия, затраты времени на дозаправку машины водой. Имитационная модель разработана на фактических данных, полученных в результате проведения мониторинга рабочего цикла машины при мойке указанного участка МКАД.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И ПРЕДЛОЖЕНИЯ

1. На основании проведённых исследований в области внедрения системы рециклинга воды в технику для мойки дорожных покрытий обоснован новый технологический процесс организации мойки дорожных покрытий с применением в машине системы рециклинга воды.

2. Разработаны методики проведения экспериментов, обеспечивающих получение достоверных и непротиворечивых экспериментальных результатов, необходимых для формирования методики расчетов рабочего оборудования.

3. Проведены дополнительные экспериментальные исследования по анализу загрязнений с автомобильной дороги, в результате

которых установлен их состав, и дана оценка относительно их классов опасности.

4. В результате проведения экспериментальных исследований по подъёму загрязненного стока в рабочую камеру машины с дорожного покрытия с помощью вакуумирования доказана возможность сбора загрязнённого стока с качеством, превышающим нормативные требования по нормативу (30 г/м2) при скорости, аналогичной рабочей скорости движения традиционных машин для мойки дорожных покрытий.

5. На основании проведенных экспериментальных исследований получены зависимости, необходимые для определения технических параметров оборудования:

- определение доли потерь воды при смачивании ею поверхности асфальтобетонного покрытия от температуры воды и поверхности покрытия, а также времени контакта воды с поверхностью;

- доли испарений воды от температуры воды и поверхности покрытия, а также времени контакта воды с поверхностью дороги;

- скорости осветления воды от дозировки реагентов.

6. Разработана методика расчёта основных параметров рабочего оборудования машины, позволяющая рассчитать необходимые для проектирования технические характеристики оборудования.

7. Получено решение Федеральной службы по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам о выдаче патента на полезную модель от 26 августа 2011 года по заявке № 2011124295/13(035853) «Машина для мойки дорожных покрытий», подтверждающее возможность её практической реализации. К особенностям её конструктивного исполнения, обеспечивающего минимизацию потерь воды при мойке, является выполнение водяной рампы из нескольких секций с размещением их в раструбах соответствующих вакуумных элеваторов. При этом раструбы обращены открытой поверхностью в сторону покрытия.

8. Внедрение системы сбора, осветления и повторного использования воды в машине для мойки дорожных покрытий направлено на экономию воды, снижение потребности в топливе при соответствующем уменьшении объемов вредных выбросов от сгорания. Позволяет сократить в регионе количество занятых в этом процессе технических средств по сравнению с традиционной техникой за счёт исключения из рабочего цикла машины ряда его составляющих (повторные холостые пробеги на заправку водой и обратно и сами повторные заправки).

9. Применение результатов исследования предпочтительнее в машинах малогабаритных, где рециклинг воды компенсирует её

быстрый расход (при соблюдении нормы расхода воды на мойку дорожных покрытий) из-за малых объёмов цистерн и значительно сократит непроизводительные затраты времени в рабочем цикле.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИОННОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

Статьи в научных изданиях из перечня ВАК:

1. Звягин, Е.В. Что «хранят» стены московских транспортных тоннелей / Е.В. Звягин, Ю.П. Бакатин, С.Н. Ратковский // Вестник Московского автомобильно-дорожного государственного технического университета. Вып. №4(23). - М.: МАДИ, 2010. - С. 90-93.

2. Звягин, Е.В. Мониторинг рабочего цикла машины при мойке дорожных покрытий и его имитационная модель / Е.В. Звягин, Ю.П. Бакатин, А.В. Остроух, А.Г. Федяшев // Вестник Московского автомобильно-дорожного государственного технического университета. Вып. №2(25). - М.:МАДИ, 2011. - С. 23-29.

3. Звягин, Е.В. Анализ рабочего процесса и определение параметров всасывающего устройства машины для мойки дорожного покрытия с рециклингом воды / Е.В. Звягин, Ю.П. и др. // Вестник Московского автомобильно-дорожного государственного технического университета. Вып. №3(26). - М..МАДИ, 2011. - С. 29-33.

Другие публикации:

4. Звягин, Е.В. Возможные направления совершенствования конструкций и расчетов дорожно-уборочной техники / Е.В. Звягин, Ю.П. Бакатин, Буй Хунг // Сб. Проблемы совершенствования конструкций строительных, дорожных, коммунальных и аэродромных машин. МАДИ, 2010. - С. 16-18.

5. Звягин. Е.В. Мойка дорожных покрытий: резервы ресурсосбережения и защиты окружающей среды / Е.В. Звягин, Ю.П. Бакатин I Второй Всероссийский Дорожный Конгресс: сб. науч. тр. // МАДИ, МОО «Дорожный Конгресс». - М.: 2010. -С. 329-333.

Патенты, зарегистрированные по результатам научных исследований:

6. Решение о выдаче патента на полезную модель от 26.08.2011-по заявке 2011124295 МПК Е 01 Н 3/02. Машина для мойки дорожных покрытий / Е.В. Звягин, и др.

Подписано в печать I0.XI.2OHr. Печать офсетная Усл. печ. л. I, X

Тираж 100 экз. 3аказ343

Формат 60x84/16 Уч. -изд. л. 1,0

Ротапринт МАДИ 126319, Москва, Ленинградский просп., С4

61 12-

МОСКОВСКИЙ АВТОМОБИЛЬНО-ДОРОЖНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА И ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНИЧЕСКОГО РЕШЕНИЯ

ОБОРУДОВАНИЯ МАШИНЫ ДЛЯ МОЙКИ ДОРОЖНОГО ПОКРЫТИЯ АВТОМОБИЛЬНОЙ

ДОРОГИ

На правах рукописи

ЗВЯГИН ЕВГЕНИИ ВИКТОРОВИЧ

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

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель кандидат технических наук, доцент, Ю.П.Бакатин

Москва - 2011

Содержание

Введение........................................................................................4

Глава 1. Состояние вопроса, цель и задачи исследования.........................7

1.1 Нормативные требования по обеспечению требуемого качества мойки дорожных покрытий, регламенты выполняемых работ...............................7

1.2 Анализ загрязнений, удаляемых с дорожного покрытия в процессе мойки..........................................................................................9

1.3 Технология мойки дорожного покрытия: преимущества и анализ недостатков.................................................................................17

1.4 Технические средства: преимущества и

недостатки....................................................................................21

Выводы по главе 1..........................................................................31

Постановка цели и задач исследования.................................................32

Глава 2. Экспериментально-аналитические предпосылки для создания машины для мойки дорожных покрытий с рециклингом воды..................34

2.1 Мониторинг и анализ затрат времени по составляющим рабочего цикла машин при мойке дороги на примере обслуживаемого участка МКАД........34

2.2 Разработка технических предложений по совершенствованию процесса мойки дорожного покрытия......................................................................39

2.3 Автоматизированный поиск рациональных технических решений машины для мойки дорожных покрытий с встроенной системой рециклинга воды............................................................................................42

2.4 Разработка концепции машины с рециклингом воды и формирование состава технических параметров, требующих

определения...................................................................................60

Выводы по главе 2..........................................................................69

Глава 3. Экспериментальные исследования процессов, обеспечивающих функционирование рабочего оборудования машины для мойки дорожных покрытий с рециклингом воды..........................................................70

3.1 Дополнительные экспериментальные исследования по оценке состава загрязнений, накапливаемых автомобильной дороге и стенах тоннелей.......70

3.2 Методика постановки исследований и экспериментальная оценка доли потерь воды в рабочем процессе мойки дорожного покрытия...................76

3.3 Методика проведения исследования и результаты экспериментов по подъёму загрязненного стока с поверхности дорожного покрытия в рабочую камеру машины............................................................................84

3.4 Методика проведения экспериментального исследования и анализ, результатов исследования процесса осветления собранной воды с дорожного

покрытия в процессе мойки..............................................................88

Выводы по главе 3..........................................................................91

Глава 4. Обоснование технического решения машины для мойки дорожного покрытия с встроенной системой рециклинга воды................................92

4.1 Связь параметров машины для мойки дорожного покрытия, оснащенной системой рециклинга воды и рабочего процесса очистки дороги от загрязнений..................................................................................................92

4.2 Управление рабочим процессом машины для мойки дорожного покрытия с встроенной системой рециклинга воды................................95

4.3 Методика расчета основных параметров оборудования машины для мойки дорожного покрытия автомобильной дороги с системой рециклинга воды............................................................................................97

4.4 Сравнительный технико-экономический анализ работы традиционной машины для мойки дорожного покрытия с машиной, в которую встроена

система рециклинга воды...............................................................124

Выводы по главе 4.........................................................................128

Общие выводы по работе................................................................129

Список литературы........................................................................131

Приложение 1..............................................................................141

Приложение 2..............................................................................144

Приложение 3..............................................................................150

Приложение 4..............................................................................154

Приложение 5..............................................................................158

Введение

Актуальность работы. Создание благоприятных условий жизни гарантируется Конституцией РФ [1]. Законом об охране окружающей среды регламентированы показатели её качества[2]. Рациональное использование природных ресурсов является одним из направлений совершенствования техники. Тем не менее, в процессе развития любых технических систем они вступают в противоречие с окружающей средой. Это положение установлено на основе законов развития технических систем [3].

Существующие технологии и машины для мойки дорожно-транспортных сооружений: дорожных покрытий, стен тоннелей и других элементов автомобильной дороги, требуют значительных затрат природных ресурсов, в частности воды, что составляет до 1,0 и 1,2 л/м2, что с ростом дорожной сети и стоимости самой воды становится все более затратным. Служба городского дорожного хозяйства Москвы покупает воду у МГУП Мосводоканал и, в процессе мойки дорожного покрытия выливает её на дорожное покрытие или стены тоннелей. Далее поток воды, забрав загрязнения с указанных покрытий, поступает в канализационные сети через водоприемные решётки. Оттуда самотеком или с помощью стационарных насосных станций, при обслуживании тоннелей, он попадается в городскую канализационную сеть и затем в городские очистные сооружения. Затраты на водоотведение значительны. При этом случаются, аварийные засоры сетей, требующие применения специальной промывочной техники [9,10]. Остановить этот загрязненный сток можно в местах его образования и не загружать городские канализационные сети.

Объектом исследования является процесс сбора и повторного использования воды в замкнутой системе машины при мойке дорожных покрытий на автомобильной дороге.

Предметом исследования является методика определения рациональных параметров рабочего оборудования машины для мойки дорожного покрытия с повторным использованием воды.

Методы исследования. Результаты диссертационной работы получены в ходе литературного и патентного поиска, проведения ряда необходимых экспериментальных исследований с помощью экспериментального оборудования, использования при обработке экспериментальных данных методов математической статистики, выполненных с помощью стандартного программного обеспечения.

Научная новизна работы.

1. Экспериментально подтверждены и количественно оценены доли потерь воды при работе машины в процессе мойки асфальтобетонных и цементобетонных покрытий.

2. Определены рациональные параметры рабочего процесса подъема загрязненного стока с дорожного покрытия при его мойке в рабочую камеру машины на основании результатов экспериментальных исследований вакуумного элеватора.

3. Установлено и количественно оценино влияние способов осветления воды с использованием реагентов.

4. Разработана методика расчета параметров оборудования машины для мойки дорожного покрытия с системой рециклинга воды, основанная на результатах исследования.

5. Обоснована возможность применения нового способа осветления собранной с дорожного покрытия воде при его мойке с использованием пластинчатого сгустителя и реагентов для коагуляции загрязнений.

Практическая ценность исследования состоит в том, что результаты выполненной работы и разработанная на их основе методика определения рациональных параметров рабочего оборудования может быть рекомендована для создания рабочего оборудования машины для мойки дорожных покрытий с повторным использованием воды, собираемой непосредственно с покрытия в процессе его мойки, способного в определенных условиях существенно повысить эффективность работы моечных работ транспортных сооружений.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Результаты экспериментальных исследований по количественной оценке потерь воды при мойке дорожных покрытий и влияния этих потерь на параметры рабочего оборудования и процесс мойки автомобильной дороги с представлением результатов в виде корреляционных зависимостей.

2. Экспериментально установленные закономерности процесса подъема в рабочую камеру машины загрязненного стока с поверхности дорожного покрытия в процессе его мойки с помощью вакуумного элеватора.

3. Экспериментальные зависимости по осветлению собранной с покрытия загрязнённой воды, в процессе его мойки для повторного её использования, машиной в течении рабочей смены.

4. Методика расчета параметров оборудования для машины для мойки дорожного покрытия, основанная на результатах проведенного исследования.

Апробация работы. Основные положения и результаты исследования докладывались на втором Всероссийском Дорожном Конгрессе, проходившем в МАДИ в 2010 г., а также в ходе ежегодной научно-исследовательской конференции, проходившей на кафедре «Дорожно-строительные машины» МАДИ в 2010 г.

Публикация работы. По результатам исследования опубликовано 5 печатных работ, в том числе 3 публикации в изданиях рекомендованных ВАК.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, 4 глав, основных выводов и результатов, списка литературы из 124 наименований. Общий объем работы содержит 157 страниц, в том числе 79 рисунков, 38 таблиц и 5 приложений.

Глава 1. Состояние вопроса, цель и задачи исследования 1.1 Нормативные требования по обеспечению требуемого качества мойки дорожных покрытий, регламенты выполняемых работ

Развитие Российской Федерации тесно связано с ростом сети автомобильных дорог. В связи с этим возрастают и объемы работ по санитарному содержанию магистральных, городских автомобильных дорог с использованием новых наукоемких технологий. Механизация работы, с использованием высокоэффективной уборочной техники и оборудования обеспечивает существенную экономию материальных, энергетических, трудовых и временных ресурсов. Современные стандарты требуют более строгой оценки экологических последствий и ожидаемого экономического эффекта такой деятельности. Уклад, подразумевающий беспрерывный расход сырьевых и экологических ресурсов планеты, показал свою полную несостоятельность. Время, когда ресурсы стоили дешево и были всегда доступны - в прошлом. Экологическое благоустройство планеты становится главной проблемой экономически развитых стран Европы, Америки, Азии. Решение этих проблем определяет приоритеты развития современной техники в целом и уборочной в частности [3].

Автомобильная дорога - объект транспортной инфраструктуры, предназначенный для движения транспортных средств и включающий в себя земельные участки в границах полосы отвода автомобильной дороги и

расположенные на них или под ними конструктивные элементы (дорожное полотно, дорожное покрытие и подобные элементы) и дорожные сооружения, являющиеся ее технологической частью, защитные дорожные сооружения, искусственные дорожные сооружения, производственные объекты, элементы обустройства автомобильных дорог [12].

Для безопасного использования автомобильная дорога должна поддерживаться в соответствующем работоспособном состоянии. Её необходимо регулярно не только ремонтировать, но и содержать в чистом состоянии - включая регулярную мойку покрытия.

Чистоту автомобильной дороги обеспечивают дорожные службы, оснащённые специальной техникой [25,26].

На качество производства моечных работ влияют режимы технологических процессов машин.

Мойка дорожных покрытий осуществляется с помощью специальных машин для мойки автомобильной дороги, как правило, только при усовершенствованных покрытиях, а также брусчатых или мозаиковых мостовых при неразмываемых швах. Сбор и удаление смета осуществляется смывом его в лотки улиц и дождеприемные колодцы водосточной сети. Несмытая часть смета удаляется подметально-уборочными машинами [14,]. При этом машины для мойки дорожных покрытий используют для поливки зеленых насаждений вдоль автомобильной дороги. Они же служат и для поливки улиц в жаркое время. Машины оборудуются цистернами для воды емкостью 4—6 тыс. л и более, насосной системой, трубопроводами и насадками для подачи воды. Благодаря шарнирному креплению насадки могут быть установлены в разном положении: для мойки, поливки улиц навесной струей и других целей.

В зимнее время машины для мойки дорожных покрытий используют для зимней уборки путем крепления на них съемного снегоочистительного оборудования (плугов и щеток).

Летняя поливка улиц распространяется на все типы дорожных покрытий. Для поливки необходимы навесной характер направления струй и давление значительно меньшее, чем при мойке покрытий. Поливку производят в часы высокой температуры воздуха и в зависимости от нее устанавливают кратность поливки. Ее можно производить 5—6 раз в день и чаще, в зависимости от температуры воздуха и образования пыли на улицах [14,19,44,107].

Расход воды на увлажнение покрытий проезжей части определяется 0,01—0,015 л/м2 при подметании, а на поливку 0,2—0,5 л/м2 и на мойку 1— 1,2 л/м2 поверхности покрытия.

Одна из основных перспективных тенденций развития машин для мойки дорожного покрытия строится на идее применения рециклинга воды при моечных операциях.

Рециклинг- это современная технология обеспечивающая многократное использование ресурсов с многоразовым применением. Это реализовано, например, в автомобильных стационарных мойках с рециклингом воды. Преимущества заключаются в снижении расхода воды на расчетный период и организации сбора отходов для утилизации [5,17,64].

В отечественных дорожных машинах, на сегодняшний день, использование технологии рециклинга не нашло применения. В результате чего загрязняется сток, загружаются канализационные сети, стационарные очистные сооружения на дорогах, либо загрязняется грунт придорожной полосы. Это отрицательно влияет на окружающую среду и в частности растительность. В результате, придорожная полоса загрязняется, происходит угнетение растительности, а компании занимающиеся содержанием дорог несут убытки в связи с возрастающим расходом ресурсов, которые растут в своей цене.

Разработка соответствующей методики определения рациональных параметров оборудования для создания моечных машин с встроенной системой рециклинга позволит положительно изменить сложившуюся ситуацию.

Проблематичным на сегодня является этап технологического процесса осветления воды при её очистке после сбора загрязненной воды с покрытия сразу после разлива.

Вода - это исчерпаемый природный ресурс, поэтому очень важно рационально его использовать, с минимальными потерями и с максимальной эффективностью [93].

1.2 Анализ загрязнений, удаляемых с дорожного покрытия в процессе мойки

Весной, летом и осенью на дорогах образуются и накапливаются загрязнения, состав, количество и санитарно-гигиеническая характеристика которых зависит, главным образом, от состояния окружающей среды и прилегающих территорий. Среди источников образования загрязнений можно выделить следующие [9,10].

• Фрикционный износ автомобильных шин и дорожных покрытий, который происходит постоянно вследствие естественной пробуксовки при движении деформируемых колес по дорожному покрытию. Темп износа асфальтобетонного дорожного покрытия шириной 8... 10 м составляет 50-60 т на 1 погонный километр в год или 0,03...0,04 кг/м2 в сутки для летнего сезона. Темп износа автомобильных шин при высокой интенсивности движения составляет ориентировочно 0,06...0.1 кг/м2 в сутки. Данный источник загрязнений имеет систематический характер.

•Выпадение пыли и твердых частиц из атмосферы. Для промышленных районов, дорог, городов пустынного и полупустынного регионов этот источник является систематическим и всесезонным; для отдельных местностей может иметь случайный или сезонный характер. Интенсивность атмосферного выпадения загрязнений может достигать до 0,002...0,005 кг/м2 в сутки [9,10].

•Ветровая и водяная эрозия почв и грунтов на обочинах и откосах автодорог, уличных газонах.

•Занос загрязнений автотранспортом с грунтовых дорог, строительных площадок и дворовых территорий.

•Технологические потери грузов и эксплуатационных материалов, перевозимых транспортом.

•Накапливание остаточных загрязнений после стаивания снежно-ледяных накатов и сугробов на обочинах дорог. Основную массу этих загрязнений составляют фрикционные материалы, используемые в зимний период для борьбы со скользкостью дорог, а так