автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.04, диссертация на тему:Обоснование параметров вибрационного рабочего органа объемного типа снегобрикетирующей машины



На правах рукописи

ШАРУХА АЛЕКСАНДР ВИКТОРОВИЧ

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ВИБРАЦИОННОГО РАБОЧЕГО ОРГАНА ОБЪЕМНОГО ТИПА СНЕГОБРИКЕТИРУЮЩЕЙ МАШИНЫ

05.05.04 — Дорожные, строительные и подъёмно-транспортные машины

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Тюмень —2009

003481276

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Тюменский государственный нефтегазовый университет» на кафедре «Транспортные и технологические системы».

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

Мерданов Шахбуба Магомедкеримович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Шуваев Анатолий Николаевич

кандидат технических наук, доцент Скворцов Исаак Дмитриевич

Ведущая организация: ЗАО СКБ «Газстроймашина», г. Тюмень

Защита состоится 13 ноября 2009 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 212.273.04 при Тюменском государственном нефтегазовом университете по адресу: 625000, г. Тюмень, ул. Володарского 38, зал им. А.Н. Косухина.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотечно-информационном центре Тюменского государственного нефтегазового университета.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах с подписью, заверенной печатью организации, просим направлять в адрес диссертационного совета, а также по e-mail: d_212_273_04@tsogu.ru.

Автореферат разослан 10 октября 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

П.В. Евтин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Освоение Северных регионов России по добыче и транспортировке углеводородного сырья в последние годы получило новый импульс развития. Увеличивается интенсивность транспортного потока, в том числе и специальной нефтегазопромысловой техники. Как следствие возникает потребность в развитой сети автомобильных дорог.

Болота, сильное обводнение грунтов затрудняют строительство автомагистралей с твердым покрытием. По этим причинам почти весь объем перевозок выполняется в зимнее время путем использования временных (односезонных) автомобильных дорог - автозимников.

Высокая стоимость возведения снеголедовых дорог с одной стороны и возрастающая потребность в увеличении интенсивности транспортного потока с другой, ведут к поискам альтернативных методов возведения снеголедовых дорог, которые позволили бы добиться повышения прочностных показателей дорожного полотна, при сокращении сроков его формирования и уменьшении энергозатрат на строительство автозимников.

Проанализированы научные работы по проблеме создания временных снеголедовых дорог в суровых условиях северных регионов, различными авторами в нашей стране и за рубежом.

В ходе анализа было выяснено, что наиболее перспективным является создание снежных брикетов (снежных блоков) для строительства автозимников с применением вибрации в замкнутом объеме.

Данное направление малоизученно и представляет большой интерес. Возникает необходимость исследования данного процесса, с последующей разработкой методики расчета конструкций виброуплотняющих машин.

Целью работы является повышение эффективности строительства снеголедовых дорог, с учетом установления и использования зависимостей конечной плотности полотна автозимника от параметров виброуплотнения снега в замкнутом объеме.

Объект исследования - процесс создания снежных блоков за счет виброуплотнения в замкнутом объеме при строительстве оснований снеголедовых дорог.

Предмет исследования - установление связи конечной плотности снежных блоков с параметрами виброуплотнения в замкнутом объеме.

Методы исследований. В работе использовались следующие методы исследований: литературный поиск, патентный анализ, математическое моделирование исследуемого процесса, экспериментальные исследования, математическая статистика при обработке экспериментальных исследований. Оценка исследований проводилась с помощью стандартных программных пакетов Mathcad 2000, Excel, Regress, Maple 8.

A

Научная новизна работы.

- Разработана математическая модель «Параметры виброуплотнения -плотность снега».

- Установлена зависимость конечной плотности снега от параметров рабочего органа виброуплотняющей машины при уплотнении в замкнутом объеме.

- Теоретически установлены и экспериментально подтверждены закономерности изменения конечной плотности снега от параметров виброуплотнения.

- Разработана методика выбора и расчета конструктивных параметров, и рабочих режимов вибрационного органа объемного типа снегобрикетирующей машины.

Практическая ценность работы состоит в том, что на основе проведенных исследований разработаны оригинальные конструкции снегобрикетирующих машин, с возможностью уплотнения снега в замкнутом объеме с применением вибрации, разработана методика расчета и выбора параметров вибрационного органа объемного типа снегобрикетирующих машин, позволяющая получать необходимую конечную плотность снежного блока, варьируя значения частоты колебаний рабочего органа и величины внешней нагрузки. На защиту выносятся:

- математическая модель «Параметры виброуплотнения - плотность снега»;

- методика расчета и выбора параметров снегобрикетирующих машин, разработанная на основе данных исследований.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на научно-практической конференции «Сервис, техническая эксплуатация транспортных и технологических машин», Тюмень, 2001 г.; международной научно-практической конференции «Проблемы эксплуатации транспортных систем в суровых условиях», Тюмень, 2002 г.; международной научно-технической конференции «Нефть и газ западной Сибири», Тюмень, 2003 г.; региональной научно-практической конференции «Проблемы эксплуатации транспортных систем в суровых условиях» Тюмень, 2006 г.; международной научно-технической конференции «Геотехнические и эксплуатационные проблемы нефтегазовой отрасли» Тюмень, 2007 г.; международной научно-технической конференции «Проблемы эксплуатации и обслуживания транспортно технологических машин» Тюмень, 2007 г.; международной научно-технической конференции «Интерстроймех-2007», Самара, 2007 г.; всероссийской научно-практической конференции «Проблемы эксплуатации систем транспорта» Тюмень, 2008 г; международной научно-технической конференции «Интерстроймех-2009», Бишкек, 2009 г.; на расширенном заседании кафедры «Транспортные и технологические системы» Тюменского государственного нефтегазового университета, Тюмень, 2009 г.

Публикации работы. По результатам исследований опубликовано 10 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, основных выводов и списка литературы из 75 наименований. Общий объем работы 134 страницы, в том числе 32 рисунка, 10 таблиц и 4 приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Первая глава. В ходе анализа литературных источников рассмотрены и проанализированы работы таких авторов как: Гмотинский В. Г., Грей Д.М., Егоров А.Л., Закирзаков Г.Г., Иванов A.A., Карагельский А.И., Карнаухов Н.Н, Ковалевский В.М., Котельников В.В., Мерданов Ш.М., Плакса JI.H., Рихтер Г.Д., Ронгонен В.Э., Самойлов P.C. и др.

Выяснено, что различными авторами рассмотрены процессы создания снеголедовых дорог, выявлены зависимости конечной плотности полотна автозимника от таких факторов как: величина и скорость приложения внешней нагрузки, влажность и температура снега.

Изучены предложенные технология и комплекс машин для создания снеголедовых дорог, в том числе изучен процесс вибрационного воздействия на снег, но в данных работах не рассматривается возможность виброуплотнения в замкнутом объеме при строительстве автозимников.

На основе выполненного анализа сформированы основные задачи исследования:

- сформулировать рабочую гипотезу и на ее основе определить направления теоретических и практических исследований по разработке метода виброуплотнения в замкнутом объеме;

- разработать математическую модель «Параметры виброуплотнения -плотность снега»;

- разработать алгоритмическое и программное обеспечение выбора и расчета параметров рабочего органа виброуплотняющей машины;

- разработать практические рекомендации по использованию параметров виброуплотнения полученных с использованием разработанного метода;

- разработать конструкцию снегобрикетирующей машины с вибрационным органом объемного типа.

Вторая глава посвящена теоретическим исследованиям при разработке математической модели влияния частоты колебаний вибрационного органа объемного типа на конечную плотность снежного брикета. Для реализации целей и решения поставленных задач была разработана общая методика исследования, включающая проведение аналитических и экспериментальных исследований. Общая методика исследования представлена на рис. 1.

Структурная и параметрические идентификации

Реализация результатов исследований

Конструкции машин Технологии Методики

Обработка результатов исследований

Рис. 1 Общая методика исследования

Сущность гипотезы исследования, положенной в основу разрабатываемого метода виброуплотнения снега, вытекает из анализа существующих методов уплотнения снежной массы.

Рабочая гипотеза - под воздействием вибрации на снежную массу в замкнутом объеме при однократном приложении внешней нагрузки можно достичь большей плотности и несущей способности снежного блока по

сравнению со статическим уплотнением. Величина внешней нагрузки одинакова в сравниваемых методах уплотнения снега.

В качестве целевой функции рассматривается эффективность строительства снеголедовых дорог и предлагается использовать интегральный показатель - ф затрат на их строительство.

$¡=# + £->111111 (1.1)

где 0 - показатель удельных затрат на строительство временной снеголедовой дороги, руб/км;

е - удельный показатель потерянного дохода за счет сокращения объема перевозок, руб/км.

После проведения теоретических исследований система ограничений сформирована в следующем виде:'

[0.55 <:р< 0.751

[30 ¿<¡><50 )'

где р - конечная плотность снежного брикета, т/м3;

ш - частота колебаний вибрационного органа объемного типа, Гц.

в = + руб/км> (1.3)

где Б - затраты на строительство снеголедовой дороги, руб.; - капитальные затраты, руб.;

Е — нормативный коэффициент эффективности капитальных вложений;

Ь - длина построенного автозимника, км.

Кроме того, для оценки эффективности строительства снеголедовых дорог можно использовать е - удельный показатель потерянного дохода за счет сокращения объема перевозок.

еЛ^^-Р. Ю0 б/кМ) (1.4)

пигн **

где — объем текущих грузоперевозок, т.; т

"*>» — объем перевозок, увеличившийся в результате продления срока службы автозимника, т.;

Р - стоимость перевозки 1 тонны груза по автозимнику, руб.

Таким образом, процесс создания снеголедовой дороги, можно оптимизировать по энергетическим и материальным затратам путем применения новых технологий строительства и выбора оптимальных параметров виброуплотняющего рабочего органа.

В диссертационной работе рассмотрены процессы, происходящие при виброуплотнении снега в замкнутом объеме.

р,т/м3

0,8 III

0,7

0,6 0,5 II /

0,4

0,3 0,2 I Р = const

0,1

О 10 20 30 40 50 60 70 80

со, Гц

Рис. 2 График зависимости плотности от частоты колебаний рабочего органа

Вид зависимости (рис. 2) можно описать сигмоидом.

Р~ 4 +(1 + ехрНй>-К;)/ К'г)У 1

где К\,К'2,К'3,К\-параметры уравнения.

Рис. 3 График зависимости плотности от величины внешней нагрузки при статическом и вибрационном воздействии

При статическом уплотнении снега в замкнутом объеме (рис.3) плотность изменяется по показательному закону. Предполагалось, что изменение плотности при учете вибрационного воздействия будет изменяться по такому же закону, однако иметь другие значения параметров.

р.б=К1+К2-Рк' (1.6)

»

где рл - конечная плотность при вибрационном уплотнении снега в замкнутом объеме, т/м3;

Р — величина внешней нагрузки, МПа.

На этапе теоретических исследований, оказалось, невозможно провести структурную идентификацию модели из-за отсутствия исследований процесса виброуплотнения снега в замкнутом объеме, поэтому математическая модель представлена в виде функционала:

р = /(т,Р) (1.7)

При использовании вибрации в замкнутом объеме может быть получен эффект в виде экономии затрат на уплотнение (рис. 3).

Величина АР показывает возможность снижения величины внешней прикладываемой нагрузки при виброуплотнении в замкнутом объеме, что в свою очередь ведет к снижению энергоемкости процесса уплотнения снежной массы по сравнению со статическим уплотнением с учетом затрат на вибрацию, а также снижения металлоемкости конструкций машин вследствие уменьшения величины создаваемых усилий в рабочем органе снегобрикетирующей машины.

Выдвинутые в результате теоретических исследований гипотезы были подвергнуты проверке на основе экспериментов.

Третья глава посвящена экспериментальным исследованиям. В рамках этой главы осуществлено планирование эксперимента, описаны порядок и особенности проведения эксперимента.

Цель экспериментальных исследований заключается в проверке гипотез, выдвинутых в результате теоретических исследований, определении численных значений параметров математических моделей и проверке адекватности моделей экспериментальным данным.

В ходе предварительного эксперимента были определены значимые факторы, влияющие на виброуплотнение в замкнутом объеме. Определено минимально необходимое количество опытов при доверительной вероятности 0,9.

Первый этап исследований включал в себя: создание экспериментальной установки, выбор аппаратных средств, обработку и анализ полученных экспериментальных данных, сопоставление их с теоретическими закономерностями.

Для проведения эксперимента необходимо было модернизировать стандартное оборудование и дополнить системой электронного управления. Установка выполнена на основе виброплощадки (рис. 4).

___; 6

1-станина,

2-платформа,

3-рама,

4-форма,

5-пуансон,

6-винт с рукояткой,

7-упругий элемент (пружина),

8-нижняя опора,

9- верхняя опора,

10-вибровозбудитель.

Рис. 4 Установка для виброуплотнения снега

После изготовления снежных брикетов производились регистрация значений их массы и геометрических размеров.

В результате обработки экспериментальных данных получены виды зависимостей (рис. 5,6) и проведена параметрическая идентификация этих связей.

0,64 0,

0,58

§0.54 | 0,52 0.50 0,43

* уг---1

-------------------...........

—...........................- / • 7* .....-.................-.....-

зУ

• • 1

Таблица 1. Параметры уравнения (1.5)

-к' I ,к>

О 20 40 60 ВО

Частота, Гц

Рис. 5 График зависимости плотности снежного блока от частоты колебаний рабочего органа

Параметры Значения

К 117,40

6,68

к; 46,88

к 494,57

я 0,99

0,97

Обработка данных проводилась в стандартной среде Microsoft Excel и с помощью статистических пакетов Statisica 6.0, Sigma Plot. 8.0.

р, кг/м3 600 550 500 450 400 350 300 250

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 р ,¡na

—♦^частота 0 —•—частота 40 —X—частота 75 —ж— частота 60

—•—частота 50 —I—частота 45---частота 35---частота 25

—♦—частота 30 —»—частота 20 —частота 15 к частота 10

Рис. 6 Зависимость конечной плотности от величины внешней нагрузки при различных частотах

Таблица 2.

Параметры уравненияр,е = К, +К2-Рк'

со (Гц) 0 10 15 20 25 30 35 40 45 50 60 75

267,69 267,7 267,79 267,87 267,92 267,85 267,98 267,94 268 268,74 269,1 269,81

К2 11,86 i 1,87 12,25 12,48 12,98 12,6 14,73 16,59 30 44,97 62,6 108,05

к, 0,29 0,29 0,29 0,29 0,28 0,29 0,28 0,27 0,22 0,19 0,17 0,11

Проведенная параметрическая идентификация показала, что зависимость р - /(а,Р) может быть представлена в следующем виде:

р = 267,71 +1,53-Ю"7 V + (9,8 +1,2• Ю-7 • о5)-р!0'29-1'4210"8®4) (1

р. (Ю

Рис. 7 Параметрическая идентификация связей плотности, величины внешней нагрузки и частоты рабочего органа

Значение дисперсионного отношения Фишера полученное на основе экспериментальных данных больше табличных значений Р-критерия для доверительной вероятности 0,9, что свидетельствует об адекватности модели результатам эксперимента.

С использованием поверхности данной зависимости можно определить частоту колебаний и усилие, которое необходимо развить в рабочем органе для создания уплотненных снежных блоков требуемой плотности.

В четвертой главе приводится практическое использование результатов исследований, в частности, внедрение результатов в производство и учебный процесс, методика расчета и выбора параметров рабочего органа объемного типа снегобрикетирующей машины. Приведен расчет экономической эффективности применения данных разработок.

После проведенного патентного анализа разработан ряд конструкций машин уплотняющих снег в замкнутом объеме под действием вибрации. На приведенные ниже конструкции машин оформлены заявки на патент Российской Федерации. Разработанные машины позволяют создавать снежные брикеты, для строительства временных снеголедовых дорог.

Рис. 8 Снегобрикетиругощая машина с вибрационным рабочим органом

объемного типа (вариант 1): 1-базовая машина, 2- виброуплотняющий рабочий орган объемного типа, 3-приемный бункер, 4-шнеко-роторный питатель, 5-транспортер.

Рис. 9 Снегобрикетирующая машина с вибрационным рабочим органом объемного типа (вариант 2): 1- виброуплотняющий рабочий орган объемного типа, 2-гусеничный движитель, 3-рама, 4- приемный бункер, 5-кабина, 6-устройство для укладки снежных брикетов.

На основе проведенных исследований разработана методика расчета и выбора параметров рабочего вибрационного органа объемного типа снегобрикетирующей машины.

Основные положения методики расчета и выбора параметров вибрационного органа объемного типа снегобрикетирующей машины:

- расчет геометрических параметров виброуплотняющего устройства объемного типа;

- синхронизация работы виброуплотняющего органа с механизмами базовой машины;

- расчет параметров вибрации для создания снежных брикетов необходимой конечной плотности;

- расчет нагрузок в рабочем органе, необходимых для создания снежных брикетов установленной конечной плотности;

- выбор и расчет уплотняющего устройства;

- расчет затрат мощности вибровозбудителя;

- расчет потери мощности двигателя внутреннего сгорания базовой машины на привод рабочего органа;

- выбор и расчет демпфирующих устройств.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Проведены теоретические и практические исследования по разработке метода виброуплотнения снега в замкнутом объеме. Подтверждено преимущество вибрационного уплотнения снега в замкнутом объеме по сравнению со статическим методом и доказана эффективность данного способа при строительстве оснований автозимников.

2. Установлено, что математическая модель «Параметры виброуплотнения - плотность снега» однозначно связывает параметры конечной плотности снежного брикета с величиной внешней нагрузки и частотой колебаний рабочего органа объемного типа.

3. Выявлены следующие факторы, оказывающие наибольшее влияние на величину конечной плотности снежного брикета: величина и скорость приложения внешней нагрузки, влажность и температура снега частота колебаний рабочего органа.

4. Выявлен эффект снижения величины внешней нагрузки необходимой для получения снежных брикетов заданной конечной плотности при применении вибрации.

5. Разработано алгоритмическое и программное обеспечение для выбора и расчета параметров рабочего органа снегобрикетирующей машины.

6. Разработанные практические рекомендации по использованию параметров виброуплотнения, полученные с использованием разработанного метода виброуплотнения, позволяют создавать снежные брикеты с заданной конечной плотностью за счет варьирования частоты колебаний рабочего органа объемного типа и величины внешней нагрузки.

7. Разработанные конструкции снегобрикетирующих машин с вибрационным органом объемного типа, позволят добиться повышения прочностных показателей дорожного полотна автозимника, при сокращении сроков его формирования и уменьшении энергозатрат на строительство, а также позволят продлить срок службы снеголедовых дорог.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах: В изданиях, рекомендованных перечнем ВАК:

1. Шаруха, A.B. Обоснование параметров рабочего органа объемного типа снегобрикбтирующей машины. [Текст] / Шаруха A.B. // Известия высших учебных заведений. Нефть и газ./ Тюмень, ТюмГНГУ, 2007. №5 С. 90 - 92.

2. Мерданов, Ш.М. Обоснование параметров рабочего органа виброуплотняющей машины. [Текст] / Ш.М. Мерданов, A.B. Шаруха // Вестник ижевского государственного технического университета./ Ижевск, ИжГТУ, 2009. № 1 - С. 3SM1.

В прочих изданиях:

1. Закирзаков, Г.Г. Влияние вибрационного воздействия на способность уплотнения снежной массы [Текст] / Г.Г. Закирзаков, Ш.М. Мерданов, B.C. Прусаков, А.Ф. Шакмаков, A.B. Шаруха // Материалы региональной НПК «Проблемы эксплуатации систем транспорта» / Тюмень, ТюмГНГУ, 2006. С. - 181 - 186.

2. Закирзаков, Г.Г. Экспериментальные исследования виброуплотнения снега [Текст] / Г.Г. Закирзаков, СЛ. Кушнир, A.B. Шаруха // Материалы международной научно-технической конференции «Проблемы эксплуатации и обслуживания транспортно-технологических машин Часть 1» / Тюмень, ТюмГНГУ, 2007.С. 107 — 109.

3. Кушнир, СЛ. Классификация дорожных машин для уборки и уплотнения снега [Текст] / СЛ. Кушнир, А.Ф. Шакмаков, A.B. Шаруха // Материалы международной научно-технической конференции. «Проблемы эксплуатации и обслуживания транспортно технологических машин Часть 2.» / Тюмень, ТюмГНГУ, 2007. С. 154 -160.

4. Мерданов, Ш.М. Влияние вибрации на свойства снега [Текст] / Ш.М. Мерданов, Г.Г. Закирзаков, A.B. Шаруха // Материалы Международной научно-технической конференции «Геотехнические и эксплуатационные проблемы нефтегазовой отрасли» / Тюмень, ТюмГНГУ, 2007. С. 370 - 374.

5. Закирзаков, Г.Г. Критерии эффективности строительства снеголедовых дорог [Текст] / Ш.М. Мерданов, A.B. Шаруха II: Материалы Всероссийской НТК. «Нефть и газ Западной Сибири» Т. 2. - Тюмень: Изд-во ТюмГНГУ, 2007. - С. 187 - 188.

6. Мерданов, Ш.М. Структурная идентификация модели виброуплотнения снежной массы [Текст] / Ш.М. Мерданов, Г.Г. Закирзаков, А.Ф. Шакмаков, A.B. Шаруха // Материалы международной научно-технической конференции «ИНТЕРСТРОЙМЕХ - 2007 г.» / Самара, СГАСУ, 2007. С. 273 - 276.

7. Шаруха, A.B. Математическое моделирование в задачах проектирования снегоуплотняющих машин [Текст] / A.B. Шаруха, А.Ф. Шакмаков // Материалы международной научно-технической конференции «Проблемы эксплуатации и обслуживания транспортно технологических машин. Часть 2.» / Тюмень, ТюмГНГУ, 2007. С. 160 — 163.

8. Закирзаков, Г.Г. Обоснование параметров поперечного профиля незаносимой снеголедовой дороги для северных регионов [Текст] / A.B. Шаруха, В.П. Шитый, Г.Г. Закирзаков.// Материалы международной научно-технической конференции «ИНТЕРСТРОЙМЕХ - 2009 г.» / Бишкек, КГУСТА, 2009. - С. 139 -143.

Подписано к печати Об. 10.09 Бум. писч. №1

Заказ № зьг Уч. изд. л. 1,0

Формат 60/90 1/16 Усл. печ. л. 1,0

Отпечатано на RISO GR 3750 Тираж 100 экз.

Издательство «Нефтегазовый университет»

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Тюменский государственный нефтегазовый университет» 625000, г. Тюмень, ул. Володарского, 38 Отдел оперативной полиграфии издательства «Нефтегазовый университет» 625000, г. Тюмень, ул. Володарского, 38

ВВЕДЕНИЕ.

1. АНАЛИЗ МЕТОДОВ УПЛОТНЕНИЯ СНЕГА ПРИ ВОЗВЕДЕНИИ СНЕГОЛЕДОВЫХ ДОРОГ.

1. Снег как строительный материал.

1.1. Свойства снега.

1.2. Строительство временных снеголедовых дорог.

1.2.1. Классификация снеголедовых дорог.

1.2.2. Конструкции автозимников.

1.2.3. Технология строительства зимних автодорог.

1.3. Описание процесса упрочнения снега при строительстве автозимников.

1.4. Комплексы машин для создания снеголедовых дорог.

1.5. Применение вибрации при создании автозимников.

1.6. Уплотнение в замкнутом объеме.

1.7. Выводы по главе 1. Цели и задачи исследования.

2. ВЛИЯНИЕ ВИБРАЦИОННОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА СПОСОБНОСТЬ СНЕГА К УПЛОТНЕНИЮ В ЗАМКНУТОМ ОБЪЕМЕ.

2.1. Рабочая гипотеза исследования.

2.1.1. Целевая функция.

2.2. Общая методика исследования.

2.3. Отбор значимых факторов.

2.3.1. Экспертная оценка влияния различных факторов на способность уплотнения снежной массы.

2.4. Математическая модель "Параметры виброуплотнения - плотность снега".

2.4.1. Учет частоты вибрации рабочего органа.

2.4.2. Учет величины внешней нагрузки.

2.4.3 Определение затрачиваемой мощности при статическом и вибрационном уплотнении снежной массы.

2.4.4 Определение необходимых геометрических размеров снежных блоков с точки зрения энергозатрат на их создание.

2.5 Выводы по главе 2.

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ.

3.1. Методика экспериментальных исследований.

3.2. Экспериментальная установка.

3.3. Определение минимально-необходимого количества опытов.

3.4. Закономерность изменения энергозатрат на изготовление снежных блоков при различных частотах.

3.5. Порядок и основные требования к проведению испытаний.

3.5.1. Подготовка снега.

3.5.2. Заполнение снегом формы.

3.5.3. Процесс создания снежных брикетов.

3.5.4. Журнал эксперимента.

3.6. Проверка адекватности теоретических исследований экспериментальным данным.

3.7. Выводы по третьей главе.

4. ПРАКТИЧЕСКОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ.

4.1. Реализация результатов исследования.

4.2. Конструкции снегобрикетирующих машин с вибрационным рабочим органом объемного типа.

4.3. Методика расчета устройства для виброуплотнения снега в замкнутом объеме.

4.4 Разработка методики выбора параметров рабочего органа виброуплотняющей машины.

4.4.1 Расчет создаваемых усилий в рабочем органе виброуплотняющей машины.

4.4.2 Определение рабочей скорости машины.

4.4.3 Расчет тягового и мощностного баланса движения машины.

4.4.4 Расчета производительности машины.

4.4.5 Разработка алгоритмического обеспечения выбора параметров виброуплотнения.

4.5. Оценка экономической эффективности результатов исследования.

4.5.1 Расчет производственных затрат.

4.5.2 Расчет капитальных вложений.

4.5.3 Определение годового фонда времени.

4.5.4 Годовая эксплуатационная производительность.

4.5.5 Расчет годовых затрат на эксплуатацию техники.

4.5.6 Определение оптовой цены потребителя.

4.5.7 Расчет показателей эффективности.

4.6. Выводы по четвертой главе.

Актуальность работы. Освоение Северных регионов России по добыче и транспортировке углеводородного сырья в последние годы получило новый импульс развития. Увеличивается интенсивность транспортного потока, в том числе и специальной нефтегазопромысловой техники. Как следствие возникла потребность в развитой сети автомобильных дорог.

Болота, сильное обводнение грунтов затрудняют строительство автомагистралей с твердым покрытием. По этим причинам почти весь объем перевозок выполняется в зимнее время путем использования временных (односезонных) снеголедовых дорог.

Высокая стоимость возведения снеголедовых дорог с одной стороны и возрастающая потребность в увеличении интенсивности транспортного потока с другой, ведут к поискам альтернативных методов возведения снеголедовых дорог, которые позволили бы добиться повышения прочностных показателей дорожного полотна, с уменьшением энергозатрат на строительство при сокращении сроков его формирования и продлением срока эксплуатации.

Проанализированы научные работы по проблеме создания временных снеголедовых дорог в суровых условиях Северных регионов России, различными авторами в нашей стране и за рубежом.

В ходе анализа было выяснено, что перспективным является создание снежных брикетов с применением вибрации в замкнутом объеме для строительства автозимников.

Данное направление малоизученно и представляет большой интерес. Возникает необходимость исследования данного процесса, с последующей разработкой методики расчета конструкций виброуплотняющих машин.

Целью работы является повышение эффективности строительства снеголедовых дорог, с учетом установления и использования зависимостей конечной плотности полотна автозимника от параметров виброуплотнения снега в замкнутом объеме.

Объект исследования - процесс создания снежных блоков за счет виброуплотнения в замкнутом объеме при строительстве оснований снеголедовых дорог.

Предмет исследования — установление связи конечной плотности снежных блоков с параметрами виброуплотнения в замкнутом объеме.

Методы исследований. В работе использовались следующие методы исследований: литературный поиск, патентный анализ, математическое моделирование исследуемого процесса, метод априорного ранжирования, экспериментальные исследования, математическая статистика при обработке экспериментальных исследований. Оценка исследований проводились с помощью стандартных программных пакетов Mathcad2000, Excel, Regress, Maple 8.

Научная новизна работы.

• Разработана математическая модель "Параметры виброуплотнения - плотность снега"

• Установлена зависимость конечной плотности снега от параметров рабочего органа виброуплотняющей машины при уплотнении в замкнутом объеме.

• Теоретически установлены и экспериментально подтверждены закономерности изменения конечной плотности снега от параметров виброуплотнения.

• Разработана методика выбора и расчета конструктивных параметров, и рабочих режимов вибрационного органа объемного типа снегобрикетирующей машины

Практическая ценность работы состоит в том, что на основе проведенных исследований разработаны оригинальные конструкции снегобрикетирующих машин, с возможностью уплотнения снега в замкнутом объеме с применением вибрации, разработана методика расчета и выбора параметров вибрационного органа объемного типа снегобрикетирующих машин, позволяющая получать необходимую конечную плотность снежного блока, варьируя значения частоты вибрации рабочего органа и величины внешней нагрузки.

На защиту выносятся: математическая модель "Параметры виброуплотнения -плотность снега"

Методика расчета и выбора параметров снегобрикетирующих машин, разработанная на основе данных исследований.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на международной научно-практической конференции "Проблемы эксплуатации транспортных систем в суровых условиях", Тюмень, 2002 г.; международной научно-технической конференции "Нефть и газ западной Сибири", Тюмень, 2003 г.; региональной научно-практической конференции "Проблемы эксплуатации транспортных систем в суровых условиях" Тюмень, 2006 г.; международной научно-технической конференции "Геотехнические и эксплуатационные проблемы нефтегазовой отрасли" Тюмень, 2007 г.; международной научно-технической конференции "Проблемы эксплуатации и обслуживания транспортно технологических машин" Тюмень, 2007 г.; международной научно-технической конференции "Интерстроймех-2007", Самара, 2007 г.; на расширенном заседании кафедры "Подъёмно-транспортные, строительные, дорожные машины и оборудование" Тюменского государственного нефтегазового университета, Тюмень, 2007 г.

Публикации работы. По результатам исследований опубликовано 7 печатных работ.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, 4 глав, основных выводов и списка литературы из 76 наименований. Общий объем работы содержит 126 страниц машинописного текста, в том числе 31 рисунок, 16 таблиц и 4 приложения.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

Сформулирована рабочая гипотеза и на ее основе проведены теоретические и практические исследования по разработке метода виброуплотнения снега в замкнутом объеме. Рабочая гипотеза подтвердила преимущество вибрационного уплотнения снега в замкнутом объеме по сравнению со статическим методом и показала эффективность данного способа при строительстве оснований автозимников.

Установлено, что математическая модель "Параметры виброуплотнения - плотность снега" однозначно связывает параметры конечной плотности снежного брикета с величиной внешней нагрузки и частотой колебаний рабочего органа объемного типа.

Выявлены факторы, оказывающие наибольшее влияние на величину конечной плотности снежного брикета.

Выявлен эффект снижения величины внешней нагрузки необходимой для получения снежных брикетов заданной конечной плотности при применении вибрации.

Разработанное алгоритмическое и программное обеспечение может служить основой методики выбора и расчета параметров рабочего органа снегобрикетирующей машины.

Разработанные практические рекомендации по использованию параметров виброуплотнения полученных с использованием разработанного метода виброуплотнения позволяют получать снежные брикеты с заданной конечной плотностью за счет варьирования частоты колебаний рабочего органа объемного типа и величины внешней нагрузки.

Разработанные конструкции снегобрикетирующих машин с вибрационным органом объемного типа, позволят добиться повышения прочностных показателей дорожного полотна автозимника, при сокращении сроков его формирования и уменьшении энергозатрат на строительство, а также позволит продлить срок службы снеголедовых дорог.

1. Адлер, Ю.П. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий Текст. / Ю.П. Адлер [и др.] / М.: Наука, 1976. С. 249.

2. Барахтанов, Л. В. Обоснование зависимости нагрузка-осадка при вертикальной деформации снега Текст. / Л.В. Барахтанов // Горысовский полит, ин-т, Деп. в ЦНИИТЭстроймаш № 53-сд90 (1), 1990. С. 16.

3. Вайсберг, И. С. О реологической модели уплотняемого снега Текст. / И.С. Вайсберг, В.Н. Вильдерман / ВНИИстройдормаш., Деп. в ЦНИИТЭстроймаш, 1982. С. 13

4. Вялов, С. С. Реологические основы механики грунтов Текст. / С.С. Вялов / М.: Высшая школа, 1978. С. 447.

5. Гмотинский, В. Г. Проходимость зимних дорог автотранспортом Текст. / В.Г. Гмотинский / Труды совещания по проходимости колёсных и гусеничных машин по целине и грунтовым дорогам / М.: изд. АН СССР, 1950. С. 175-194.

6. ГОСТ 8.207-76 Прямые измерения с многократными наблюдениями. Методы обработки результатов наблюдений Текст. / М.: Изд-во стандартов, 1986.

7. Грей, Д.М. Снег и техника Текст. / Д.М. Грей / М.: Транспорт, 1980. С. 600.

8. Грей, Д.М. Снег Текст.: Справочник /Под ред. Д. М. Грея, Д. X. Мэйла; перевод с англ. / под ред. В. М. Котлякова // Л.: Гидрометеоиздат, 1986. С. 751.

9. Дьяконов, В. Мар1е7: учебный курс Текст. / В. Дьяконов / СПб.: Питер, 2002. С. 672.

10. Дьяконов, В. Mathcad2000: учебный курс Текст. / В. Дьяконов / СПб.: Питер, 2000. С. 592.

11. Евгеньев, И.Е. Защита природной среды при строительстве и содержании автомобильных дорог Текст. / И.Е. Евгеньев, В.В.Савин / М.: Транспорт, 1989.- 239с.

12. Егоров, A.JI. Снегоуплотняющие устройства Текст. / A.JI. Егоров // Проблемы эксплуатации транспортных систем в суровых условиях: Матер. Междунар. Научн.-практ. конф. Ч.2.- Тюмень: ТюмГНГУ, 2002.

13. Егоров, A.JI. Лабораторная установка для изготовления и исследования снежных блоков Текст. / А.Л. Егоров, Ш.М. Мерданов // Проблемы эксплуатации транспортных систем в суровых условиях: Материалы региональной научн.-практ. конф. Тюмень: ТюмГНГУ, 2003.

14. Золотарь, И.А. Автомобильные дороги севера Текст. / И.А. Золотарь /, -М.: Транспорт, 1981. С. 247.

15. Иванов, А.А. Подготовка оснований под снеголедовые дороги Текст. / А.А. Иванов, В.Н. Кривохижа // Проблемы эксплуатации систем транспорта: Материалы региональной НПК / Тюмень: ТюмГНГУ, 2006. С. 102-104.

16. Инструкция по строительству, содержанию и эксплуатации снежных и ледяных лесовозных дорог Текст. / Архангельск, 1982. С. 105.

17. Инструкция по проектированию, строительству и содержанию автомобильных дорог на снежном и ледяном покрове в условиях Сибири и

18. Северо-Востока СССР / ВСН 137-87 Текст. / М.: Минтрансстрой, 1987. С. 134.

19. Инструкция по проектированию, строительству и эксплуатации усовершенствованных ледяных переправ Текст. / Тюмень, Главтюменьнефтегаз, 1988. С. 134.

20. Карнаухов, Н. Н. Устройство для уплотн. снега на дорогах Текст. / Н.Н. Карнаухов Н. Н., И.Г. Дорошенко И. Г., В.Н. Вантик В. Н. [и др.] / АС №1350234 СССР. Бюл. №41, опубл. 07.11.87.

21. Карнаухов, Н. Н. Устройство для уплотнения снега Текст. / Н.Н. Карнаухов, А.А. Иванов, В.Н. Вантик [и др.] / Описание изобр. к АС №1461815. Бюл. №8, опубл. 28.02.89.

22. Карнаухов, Н.Н. Устройство для изготовления строительного материала для зимних автодорог Текст. / Н.Н. Карнаухов, Ш.М. Мерданов, А.А. Иванов / Описание изобр. к АС №1723232. Бюл. №12, опубл. 30.03.93.

23. Карнаухов, Н.Н. Каток для уплотнения снега при строительстве снеголедовых дорог. Текст. / Н.Н. Карнаухов, Ш.М. Мерданов // Тез. Докл. регион, научн.-тех. конференции "Эксплуатация машин в суровых условиях".- Тюмень, 1989. С. 100-103.

24. Карнаухов, Н.Н. Механизация строительства дорог из уплотнённого снега Текст. / Н.Н. Карнаухов, Ш.М. Мерданов/ Тюмень, 1989. С. 78.

25. Климат территории нефтегазовых месторождений на полуостровах Тазовский и Ямал Текст. / JL: Гидрометеоиздат, 1991. С. 220.

26. Котельников, В. В. Выбор скоростных режимов уплотнения снега дорожными машинами. Текст. / В.В. Котельников / Дис. . канд. тех. наук: 05.05.04/ ТюмГНГУ / Тюмень, 2000.

27. Котельников В. В. Исследования по увлажнению и уплотнению снега при строительстве снеголедовых дорог Текст. / В.В. Котельников,

28. Ш.М. Мерданов // Межвузовский сборник научных трудов: Эксплуатация технологического транспорта и специальной автомобильной и тракторной техники в отраслях топливно-энергетического комплекса / Тюмень: ТюмГНГУ, 1998. С. 100-101.

29. Лефевр, JI. Зим. дороги и переправы Текст. / JI. Лефевр / Civil Engineering, № 12, 1979. С. 15

30. Мерданов, Ш.М. Машины для уплотнения снега Печатный 2003 Проблемы эксплуатации транспортных систем в суровых условиях Текст. /

31. Отв. Редактор Ш.М. Мерданов., В.Г. Оржаховский, А.П. Школенко // Материалы региональной НПК / Тюмень: ТюмГНГУ, 2003. М.П.С. 139.

32. Мишин, В. А.Строительные и дорожные машины для Сибири и Крайнего Севера Текст. / В.А. Мишин [и др.] / Изд-во: ЦНИИТЭстроймаш. 1988. С. 44.

33. Мерданов, Ш.М. Совершенствование методов строительства и ремонта трубопроводов в условиях Крайнего Севера Текст. / Ш.М. Мерданов //Дис. . канд. тех. наук: 05.15.13/ ТюмГНГУ, Тюмень, 1996.

34. Рекомендации по технологии строительства зимних подъездных вдольтрассовых дорог Текст. / М.: Тюм. филиал ВНИИСТа. 1979. С. 31.

35. Ронгонен, В.Э. Выбор параметров фрезерно-теплового оборудования машин для стр-ва снеголед. Дорог Текст.: (диссертация) / В.Э. Ронгонен / Красноярск, 1987. с. 177.

36. Сатаров, Т.Х. Строительство зимн. дорог для освоения нефтегазодобывающих районов Зап. Сиб Текст. / Т.Х. Саттаров, П.А. Вислобицкий / М.: ВНИИОЭНГ, 1987. 43 с.

37. Сатаров, Т.Х. Строительство временных дорог при сооружении нефтегазопромысловых трубопроводов Текст. / Т.Х. Саттаров, В.П. Ментюков, В.Д. Прохоренков [и др.] /М.: ВНИИОЭНГ, 1981. С. 62.

38. Структурная идентификация модели виброуплотнения снежной массы Текст. / «ИНТЕРСТРОЙМЕХ 2007»: материалы МНТК, 11-14 сентября 2007 г., Самара /Самарск.гос. арх. -строит.ун-т. - Самара. 2007. С. 273 - 276 4 м.п.с.

39. Шаруха, А.В. Установка для вибрационного уплотнения снега Текст. / Г.Г. Закирзаков, Ш.М. Мерданов, А.Ф. Шакмаков / Эксплуатация автотранспорта и специальной нефтегазопромысловой техники:

40. Межвузовский сборник научных трудов / Тюмень: Издательство «Вектор Бук», 2006. С. 161-162.

41. Строительство зимних дорог для освоения нефтегазодобывающих районов Западной Сибири Текст. / М.: ВНИИОЭНГ, 1987. С. 52.

42. Суховский, А. Б. Машины для возведения снеголедяных покрытий Текст. / А.Б. Суховский, В.Э. Ронгонен / Строительные и дорожные машины, № 4, М.: 1978. С. 12-14.

43. Ульянов, Н. А. Эксплуатация катков на пневматических шинах Текст. / Н.А. Ульянов / М.: Автотрансиздат, 1956. С. 78.

44. Фёдоров, В.В. Теория оптимального эксперимента Текст. / В.В. Федоров/М.: Наука, 1971. С. 312.

45. Хархута Н. Я. Дорожные машины Текст. /Н.Я. Хархута / JL: Машиностроение, 1976. С. 176.

46. Хархута, Н.Я. Реологические свойства грунтов Текст. / Н.Я. Хархута Н. Я., Н.М. Иевлев /М.: Автотрансиздат, 1961. С.62.

47. Хархута, Н. Я. Машины для уплотнения грунтов Текст. / Хархута/ JL: Машиностроение, 1973. С. 176.

48. Хиксс, Ч. Основные принципы планирования эксперимента Текст. / Ч. Хиксс / М.: Мир, 1967. С.406.

49. Цытович, Н. А. Механика грунтов (краткий курс) Текст.: Учебник для строит, вузов / Н.А. Цытович/ М.: Высшая школа, 1983. С. 288.

50. Шабанов, П. П. Строительство снеголедовых дорог в Заполярье Текст. / П.П. Шабанов, Н.Н. Карнаухов [и др.] // Строительство трубопроводов, № 10, 1988. С. 35-37.

51. Abels, Н. Beobachtungen der taglichen periode der temperatur im schnee und bestimmun des warmeleitungsvermogens des schnees als function seiner dichtigkeit Текст. / H. Abies / Rep. Meteorol. Bd. XVI. No. 1, 1892P. 153.

52. Devaux, J. Ann. de phys Текст. / 1933/ P.228-231.

53. Dorsey, N. E. Properties of Ordinery Water-substance in all its Phases: Water Vapor, Water and all the Ices. Текст. / N.E. Dorsey / Mono. Ser. No.8, Am. Chem. Soc. Rheinhold Publ. Corp. ( reprinted Hafner Publ. Co., New York, 1968 ). 1940.

54. Fritzsche, W. New electronic avalanche rescue devices Текст. / Fritzsche, W. / Rep. Inst. High Frequency and Electronics, Tech, Univ. Graz, Austria.

55. Glen, J. W. The phisics of юеТекст. / J.W. Glen J. W. / Mono II -C2a., US Army Cold Reg. Res. Eng. Lab., Hanover, N. H. 1974.

56. Iosida, Z. Phisical studies on deposited snow: Thermal properties Текст. / [And others] / Inst, of Low Temp. Sci., Hokkaido Univ., Sapporo, 1955. P. 53-62.

57. Jaafar, H. Thermal conductivity of snow by a transient state probe method. Water Resour Текст. / H. Jaafar and J. J. C. Picot / Res., Vol. 6, No. 1, 1970. P. 333-335.

58. Jansson, M. OfVers. K. Svenska. Vet. Akad. Forh Текст. / M. Jansson / Vol. 58, 1901. P. 207-222.

59. Keenan, J. H. Steam Tables Текст. / J. H Keenan., F. G. Keyes, A. G. Hill and J. G. Moore / John Wiley and Sons, Inc., New York, N.Y, 1969.

60. Martin, H. Az. Automobiltechnische Zeitschrift Текст. / H. Martin / Heft 9. 1965. S 293-296.

61. Mellor, M. Ehgineering properties of snow Текст. / M. Mellor / J. Glasiol., Vol. 19, No. 81, 1997. P. 15-16.

62. Magono, C. Meteorological classification of natural snow crystals Текст. / С. Magono, С. Lee. / J. Fac. Sci., Hokkaido Univ., Ser. VII, Vol. 2, 1966. P. 321—335.

63. Magono, C. Aerodynamic studies of falling snowflakes Текст. / С. Magono and T. Nakamura. / J. Meteorol. Soc. Jpn., Vol. 43, 1965. P. 139—147.

64. National Research Council. Int. Assoc. Hydrol. Sci., classification for snow. Текст. / Tech. Memo No 31. Nat. Res. Couc. Can., Ottawa, Ont. 1954.

65. Pitman D., Effective thermal conductivity of snow at -88 °C, -27 °C and -5 °C. Текст. / D. Pitman and B. Zuckerman / J. Appl. Phis. Vol. 38. 1967 P. 2698-2699.

66. Sulakvelidze, G. K. Thermal conductivity equation for porous media containing saturated vapor, water and ice. Текст. / G. K. Sulakvelidze /Bull. Acad. Sci. USSRGeophis. Ser., January, 1959. P. 180-188.

67. Van Dusen, M. S. Thermal conductivity of non-metallic solids. Int. Crit. Tables. Vol. 5 Текст. / M. S. Van Dusen / 1929. P. 216-217.