автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.04, диссертация на тему:Обоснование рабочих параметров снегоуборочной машины с уплотняющим рабочим органом

На правах рукописи

Егоров Андрей Леонидович

ОБОСНОВАНИЕ РАБОЧИХ ПАРАМЕТРОВ СНЕГОУБОРОЧНОЙ МАШИНЫ С УПЛОТНЯЮЩИМ РАБОЧИМ ОРГАНОМ

05.05.04 - Дорожные, строительные и подъёмно-транспортные машины

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Тюмень-2004

Работа выполнена в Тюменском государственном нефтегазовом университете на кафедре "Подъёмно-транспортные, строительные, дорожные машины и оборудование" (г. Тюмень).

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ: Кандидат технических наук, доцент

Мерданов Шахбуба Магомедкеримович

ОФИЦИАЛЬНЫЕ АППОНЕНТЫ: Доктор технических наук, профессор

Шуваев Анатолий Николаевич

Кандидат технических наук, доцент Скворцов Исаак Дмитриевич

ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ: Главное управление строительства

Администрации Тюменской области Управление транспорта и дорожного хозяйства

Защита состоится 23 декабря 2004 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.273.04 при Тюменском государственном нефтегазовом университете по адресу: 625000, г. Тюмень, ул. Володарского 38, зал им. Косухина.

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

Автореферат разослан 20 ноября 2004 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук

П.В. Евтин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В связи с интенсивным ростом городов и резким увеличением числа автомобилей становится все более значима проблема зимнего содержания городских автомобильных дорог.

Стоимость процесса уборки снега возрастает с каждым годом. Это связано с тем, что возрастают требования, предъявляемые к дорожному полотну автомобильных дорог, уменьшается время, отведенное на уборку, большое количество автомобилей затрудняет работу снегоочистительной техники, особенно в центральных и исторических районах городов. Как показали исследования транспортные расходы составляют 83% общей стоимости уборки снега, а расстояния до снегосвалок и снеготаялок постоянно увеличиваются, так как предъявляемые к ним экологические требования все дальше отодвигают их от населенных пунктов.

Одним из наиболее рациональных методов снижения стоимости зимнего содержания дорог является уплотнение снега в процессе его погрузки. Это позволяет резко уменьшить затраты за счет более рационального использования автосамосвалов, а следовательно, уменьшения их количества.

Данное направление малоизученно и представляет большой интерес. Возникает необходимость разработки данных машин, а также расчета и выбора их параметров.

Исследования проводились при поддержке целевого гранта Губернатора Тюменской области.

Цель работы заключается в снижении расходов на зимнее содержание дорог за счет уменьшения затрат на транспортировку убранного с городских дорог снега путем разработки универсальной снегоуборочной машины, с уплотняющим рабочим органом, и обоснованием ее рабочих параметров.

Объект исследования - процесс уплотнения снега во время погрузки в транспортные средства.

Предмет исследования - уплотнение снега в уплотняющем устройстве снегоуборочной машины.

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

Научная новизна работы.

- Выявлена закономерность изменения плотности снега от уплотняющей нагрузки при уплотнении в замкнутом объеме.

- Установлена плотность обвалованного снега на проезжей части и плотность снега во время его транспортировки в кузове автосамосвала при погрузке серийно

! Бммиатцд I

!

- Определены рациональные геометрические параметры снежных блоков для их транспортировки.

- Выявлена зависимость коэффициента заполненения кузова автосамосвала от размеров уплотненных снежных блоков.

- Выявлена закономерность изменения энергозатрат на изготовление блоков различных размеров.

- Определена рациональная плотность снежных блоков для их транспортировки.

Практическая ценность работы состоит в том, что на основе проведенных исследований разработаны оригинальные конструкции снегоуборочных машин, с возможностью уплотнения снега в процессе погрузки, и разработана методика расчета и выбора параметров снегоуборочных машин, позволяющая облегчить их проектирование и эксплуатацию.

На защиту выносятся:

- Математическая модель процесса уплотнения снега в замкнутом объеме.

- Методика расчета и выбора параметров снегоочистительной машины, разработанная на основе данных исследований.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на международном совещании "Энергосберегающие технологии в нефтегазовой промышленности России", Тюмень, 2001г., 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., первой Российско-Германской конференции "Проблемы безопасности дорожного движения", Омск, 2002 г., научно-технической конференции "Нефть и газ: проблемы недропользования, добычи и транспортировки", Тюмень. 2002 г., научно-практическом семинаре "Транспортный комплекс 2002" Тюмень, 2002 г., конференции "Наука и практика. Диалоги нового века", Наб. Челны, 2003г., международной научно-технической конференции "Нефть и газ западной Сибири", Тюмень, 2003 г., региональной научо-практической конференции "Новые технологии -нефтегазовому региону", Тюмень, 2003 г., всероссийской научно-технической конференции с международным участием "Транспортные системы Сибири", Красноярск, 2003 г., региональной научно-практической конференции "Проблемы эксплуатации транспортных систем в суровых условиях" Тюмень, 2003 г., международной научно-технической конференции "Интерстроймех-2004", Воронеж, 2004 г., на расширенном заседании кафедры "Подъёмно-транспортные, строительные, дорожные машины и оборудование" Тюменского государственного нефтегазового университета, Тюмень, 2004 г.

Публикации работы. По результатам исследований опубликовано 19 печатных работ, а.ТОМ числе 2 патента РФ.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, 4 глав, основных выводов и списка литературы из 90 наименований. Общий объем работы содержит 158 страниц, в том числе 41 рисунок, 24 таблицы и 9 приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Первая глава "Анализ состояния вопроса" посвящена изучению состояния вопроса, при этом сделан обзор существующих методов и технологий зимнего содержания дорог, обозначены проблемы данной отрасли науки. Приведен обзор машин для зимнего содержания дорог, способы вывозки снега, убранного с дорожного покрытия. Рассмотрены основные виды снегосвалок и требования, предъявляемые к ним.

Сделан обзор и разработана классификация снегоуборочных машин, уплотняющих снег в процессе погрузки. Проведен патентный обзор и произведен выбор приоритетного направления развития данных машин.

На основе выполненного анализа сформулированы основные задачи исследования.

1. Разработать математическую модель процесса уплотнения (брикетирования) снега в рабочем органе. На основе данной математической модели получить зависимости, позволяющие определять такие параметры, как необходимое давление для создания блоков требуемой плотности, усилия для различных рабочих органов уплотнителя.

2. Разработать конструкции снегоуборочных машин с уплотнением снега в процессе его погрузки.

3. Разработать методику расчета и выбора параметров снегоуборочной машины, для чего необходимо определить оптимальные геометрические параметры снежных блоков при их транспортировке, выявить закономерность изменения энергозатрат на изготовление блоков различных размеров, определить оптимальную плотность снежных блоков для их транспортировки.

Вторая глава "Влияние физико-механических свойств снега на эффективность его уплотнения" посвящена изучению процесса уплотнения снега Описаны структура снега и его основные свойства, процессы протекающие при уплотнении. Рассмотрены и проанализированы работы таких авторов как А. А. Кривицкий, И. П. Аболь, В. П. Горячкин, М. Н. Летошнев, Л. С. Филатов, А. С. Широков, Н. Ф. Савко, В. Г. Гмотинский, Н.Н. Карнаухов, Ш.М. Мерданов, В.В. Котельников, и др. Определены основные факторы, влияющие на эффективность уплотнения снега в замкнутом объеме снегоуплотняющей машины. Таким образом, на основе анализа этих факторов сформирована частная рабочая гипотеза, что основным фактором является уплотняющая нагрузка.

Далее были рассмотрены предложенные назваными выше авторами, математические модели данного процесса:

где с,т- константы, Ь - глубина погружения.

где Р - давление, К|, К; - эмпирические коэффициенты.

q - начальная плотность снега, у - начальная жесткость снега, Н - высота целинного слоя снега, a, Ь, d - численные коэффициенты.

Для устранения всех недостатков (для данных исследований), приведенных выше моделей, и облегчения расчетов, связанных с выбором параметров машин, была разработана математическая модель уплотнения снега в замкнутом объеме с основным параметром, влияющим на эффективность уплотнения, уплотняющей нагрузкой, она имеет вид:

где - функция отклика (конечная плотность снега), X - фактор варьирования (основной параметр, уплотняющая нагрузка), - коэффициенты модели.

Третья глава посвящена аналитическим и экспериментальным исследованиям и анализу их результатов.

На основе поставленных выше целей и задач была предложена методика исследования, включающая проведение аналитических и экспериментальных исследований (рис.1.)

Определены объект исследования (процесс уплотнения снега во время погрузки в транспортные средства) и предмет исследования (уплотнения снега в уплотняющем устройстве снегоуборочной машины).

Рассмотрен вопрос определения плотности снега перед погрузкой и непосредственно в кузове автосамосвалов. Для этого разработана методика определения плотности, изготовлен прибор и проведены серии замеров. Установлено, что средняя плотность обвалованного снега при данных условиях составляет 0,305 т/м3, а средняя плотность вывозимого снега -0,299 т/м3. Сделан вывод, что в процессе погрузки снега стандартным снегопогрузчиком, плотность снега изменяется незначительно.

Определена рациональность использования грузоподъемности автосамосвалов при вывозе снега. После проведения расчетов подтвердилось, что коэффициент использования грузоподъемности при вывозе снега с дорог низок, особенно на серийно выпускаемых автосамосвалах.

Описана методика эксперимента, включающая в себя цель и задачи эксперимента, выбор варьирующих факторов, описание проведения эксперимента, обоснование способов обработки и анализа результатов эксперимента, погрешность измерений при проведении испытаний.

Цель исследования +

Анализ состояния вопроса *

Задачи исследования

V ~г

Аналитические исследования Экспсри мента л ьн ые исследования

1 *

Определение рациональности использования грузоподъемности автомобилей при вывозе снега Определение плотности снега вывозимого на автосамосвалах

*

г Исследование влияния прикладываемой нагрузки на изменение конечной плотности при брикетировании снега в замкнутом объеме

Разработка математической модели влияния прикладываемой нагрузки на изменение конечной плотности при брикетировании снега в замкнутом объеме /

♦

> Определение оптимальной плотности снежных блоков для их транспортировки

Выявчсние закономерности изменения энергозатрат на изготовление блоков различных размеров

+

Обработка результатов исследовании

........ г

Разработка конструкций снегоуборочных машин

_£_

Разработка методики выбора и расчета параметров снегоуборочной машины

Рис. 1. Общая методика исследований

Для проведения экспериментальных исследований разработана и сконструирована установка, состоящая из следующих элементов:

1-станина с направляющими для винта,

2-легкоразборная прозрачная форма,

3- измерительная шкала,

4- уплотняемый материал,

5- штамп,

6- динамометр,

7- винт.

Рис. 2. Экспериментальная установка

Математическая обработка экспериментальных данных позволила установить, что предложенная в качестве рабочей гипотезы, математическая модель влияния прикладываемой нагрузки на изменения конечной плотности при брикетировании снега в замкнутом объеме для различных размеров штампов, имеет высокий уровень адекватности. Численные значения коэффициентов корреляции составляют 0,96...0,97, а коэффициента детерминации 0,92...0,95.

= 530 1_

| 470 о

л 440

ь-

о 410 о 380 С 350 320 290

0 3,3 6,6 9,9 13,2 16,5 19,8

Давление, кПа

Рис. 3. Зависимость конечной плотности блоков от прикладываемого давления при различных размерах штампов:

1)150-150 мм, 2) 200-200 мм, 3) 250-250 мм, 4) 300-300мм.

Таблица 1.

Численные значения математической модели

Размер штампа К, к2 К,

150*150 239,1028 16,3269 0,279

200*200 244,6472 17,5866 0,279

250*250 252,5606 17,8131 0,279

300*300 263,5628 18,0235 0,279

На основе данной математической модели выведена формула для нахождения необходимого усилия в рабочем органе Ж для создания блока требуемой плотности р и размера 5 Она имеет вид:

I № .

где /|(5),/2(5),/з(5)- функции, полученные при анализе численных значений математической модели. Графически данная зависимость представлена на рисунке 4. После подстановки численных значений она принимает вид:

Рис. 4. Зависимость усилия в рабочем органе от размера и конечной плотности снежного блока

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

Для максимального заполнения объема кузова автосамосвалов, используемых для вывоза снега, необходимо определить форму и размеры снежных блоков. Для этого была разработана компьютерная программа, позволяющая определять коэффициент заполнения кузова самосвала по объему, в зависимости от размеров кузова и различных значений длины ребра куба (рис.5), а также определять количество снежных кубов, помещаемых в кузов.

1,10

1,00

§ 0,90 &

к 0,80 х

X

2 0,70

с

! 0,60

^ 0,50

* 0,40

0,30 -,-!-1--1-1-1-,-,

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 размер снежного куба, см

Рис.5. Коэффициент заполнения кузова в зависимости от размера блока

Проанализировав данные различных графиков, замечено, что с увеличением размеров блока, происходит уменьшение коэффициента заполнения кузова по объему и увеличение разброса данных относительно среднего значения. Это говорит о том, что с увеличением размера блока при самом негативном соотношении суммы длин блоков и длины кузова, образуются все большие зазоры, которые, в свою очередь, при совпадении по всем трем сторонам дают резкое падение коэффициента заполнения. Однако на больших размерах блоков заметен подъём кривой, это связано с приближением их размеров к размерам кузова.

Принимая условие, что заполнение кузова менее чем на 80% не рационально, в дальнейших исследованиях учитываются размеры снежных блоков, при которых коэффициент заполнения кузова больше или равен 0,8.

Из этого диапазона выбирается размер снежного куба, который будет удовлетворять условию минимизации энергозатрат на производство всего количества кубов, необходимых для заполнения кузова самосвала. После анализа и обработки данных выведена формула энергозатрат, она имеет вид:

где Р - создаваемое давление, m - масса блока, п - количество блоков, р -плотность снежных блоков после уплотнения, - начальная плотность снега.

Подставляя значения для конкретного автосамосвала, получаем зависимость энергозатрат на изготовление от размера блока:

Р'Ро

О 50

0 -I-,-,--,-,-,

О 20 40 60 80 100 Размер блока, см

Рис. 6. Зависимость энергозатрат на изготовление блоков от их размера

Из графика (рис.6) видно, что с уменьшением размеров снежных кубов возрастают энергозатраты на их изготовление. Следовательно, исходя из условия минимизации энергозатрат, из заданного диапазона размеров снежного блока, принимаем длину ребра снежного куба максимальной, при которой коэффициент заполнения кузова больше или равен 0,8.

При погрузке снега, спрессованные снежные блоки из уплотняющего устройства поступают, непосредственно, в кузов самосвала. При этом они падают с некоторой высоты, ударяясь друг о друга, или о дно кузова. При ударе часть кубов может разрушаться, что является нежелательным, так как уменьшается плотность общего объема снега в кузове.

В процессе выполнения работы проведены исследования по определению оптимальной плотности снежных блоков, исходя из необходимой прочности блоков и усилия, создаваемого на плунжере камеры уплотнения.

После обработки экспериментальных исследований получены следующие зависимости:

первая - зависимость плотности снежных блоков от допустимого количества разрушающихся при погрузке блоков П, в процентах

вторая - зависимость плотности снежных блоков от требуемого количества неразрушающихся при погрузке блоков в процентах

р = 0 303662

12

Р

кгЛлЗ

040302010 20 40 60 80 ^,% 100

Рис. 7. Зависимость плотности снежных блоков от требуемого количества неразрушающихся при погрузке блоков

В четвертой главе приводится практическое использование результатов исследований, в частности, внедрение результатов в производство и учебный процесс, методика расчета и выбора параметров работы снегоуборочной машины. Также в этой главе приведен расчет экономической эффективности применения данных разработок.

После проведенного патентного анализа был разработан ряд конструкций снегоуборочных машин уплотняющих снег в процессе погрузки. Приведенные ниже конструкции защищены патентами Российской Федерации. Эти машины позволяют создавать в процессе погрузки снега, уплотненные блоки.

Рис 8. Снегоуборочная машина 1-базовая машина, 2-заборный орган, 3-транспортер, 4-приемный бункер, 5-предохранительная решетка, 6-торцевая стенка прессовальной камеры, 7-гидроцилиндр открытия торцевой стенки, 8-разгрузочный трапп, 9-прессовальная камера.

Рис.9. Снегопогрузочная машина и устройство для уплотнения снега 1 -базовая машина, 2-транспортер, 3-кожух транспортера, 4- прессовальная камера, 5-тепловое оборудование, 6-лента транспортера.

На основе проведенных исследований была разработана методика расчета и выбора параметров работы снегоуборочной машины.

Основные положения методики расчета и выбора параметров снегоуборочной машины с возможностью уплотнения снега.

- Выбор размеров снежных блоков с точки зрения заполнения кузова по объему.

- Выбор размеров снежных блоков с точки зрения минимизации энергозатрат на изготовление.

- Определение необходимой плотности снежных блоков.

- Расчет геометрических параметров снегоуплотняющего устройства.

- Синхронизация работы уплотняющего органа с механизмами базовой машины.

- Расчет нагрузок в рабочем органе, необходимых для создания снежных блоков.

- Выбор гидроцилиндров рабочего органа, расчет гидросистемы, расчет мощности на уплотнение снега.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. В результате анализа исследований по применению уплотняющих машин в процессе уборки и вывоза снега с городских дорог установлено, что:

- необходимо дополнительно уплотнять снег перед его погрузкой в транспортное средство;

- отсутствует методика расчета и выбора параметров снегоочистительной машины с возможностью уплотнения снега в процессе погрузки, и отсутствуют конструкций подобных машин;

- отсутствуют математические зависимости, процессов уплотнения снега в замкнутом объеме большими нагрузками.

2. Разработана математическая модель процесса брикетирования снега в рабочем органе. На основе данной математической модели были созданы новые зависимости, позволяющие определять такие параметры как

необходимое давление для создания блоков требуемой плотности, усилия для различных рабочих органов уплотнителя. В ходе экспериментального исследования была подтверждена адекватность зависимостей по представленной математической модели.

3. Для разработки методики расчета и выбора параметров снегоуборочной машины проведены следующие исследования:

- установлена плотность обвалованного снега на проезжей части и плотность снега во время его транспортировки в кузове автосамосвала, при погрузке серийно выпускаемыми снегопогрузчиками;

- выявлена зависимость изменения коэффициента заполнения кузова автосамосвала от размеров уплотненных снежных блоков;

- определены рациональные геометрические параметры снежных блоков при их транспортировке;

- выявлена закономерность изменения энергозатрат на изготовление блоков от размера и количества блоков;

- определена рациональная плотность снежных блоков при их транспортировке.

4. Разработаны оригинальные конструкции снегоуборочных машин с уплотнением снега в процессе его погрузки, защищенные патентами Российской Федерации.

5. Разработана методика расчета и выбора параметров снегоуборочной машины.

Основные положения диссертации отражены в следующих работах:

1. Снегоуборочная машина: Патент РФ на изобретение №2207427/ Н.Н. Карнаухов, Ш.М. Мерданов, А.Л. Егоров и др.; Опубл. 14.01.2002 г.

2. Снегопогрузочная машина и устройство для уплотнения снега: Свидетельство на полезную модель №28133/ Н.Н. Карнаухов, Ш.М. Мерданов, А.Л. Егоров, Г.Г. Закирзаков, А.А. Иванов; Опубл. 10.03.2003 г. Бюл.№7. Роспатент.

3. Мерданов Ш.М., Егоров А.Л. Методика расчета и выбора параметров снегоуборочной машины// Нефть и газ.- 2004. №6. с. 97-102.

4. Егоров А.Л., Мерданов Ш.М., Закирзаков Г.Г Пути снижения затрат на зимнее содержание городских дорог// Материалы международной научн -техн. конф. 14-17 сентября 2004г. "Интерстроймех-2004".- Воронеж: ВГАСУ, 2004.

5. Егоров А.Л., Мерданов Ш.М. Утилизация снега в городских условиях// Энергосберегающие технологии в нефтегазовой промышленности России: Материалы международного совещания. Ч.2.- Тюмень: ТюмГНГУ, 2001.

6. Мерданов Ш.М., Закирзаков Г.Г., Егоров А.Л. Проблемы эксплуатации снегоочистительной техники при создании снеголедовых дорог// Сервис, техническая эксплуатация транспортных и технологических машин: Межв. сб. науч. тр. - Тюмень: ТюмГНГУ, 2001.

7. Мерданов Ш.М., Закирзаков Г.Г., Егоров А.Л. Создание многофункциональной снегоуборочной машины// Проблемы эксплуатации транспортных систем в суровых условиях: Матер. Междунар. Научн.-практ. конф. Ч.2.- Тюмень: ТюмГНГУ, 2002.

8. Егоров А.Л. Снегоуплотняющие устройства// Проблемы эксплуатации транспортных систем в суровых условиях: Матер. Междунар. Научн.-практ. конф. Ч.2.- Тюмень: ТюмГНГУ, 2002.

9. Карнаухов Н.Н., Мерданов М.Ш., Егоров А.Л. Навесное снегоуплотняющее устройство// Проблемы эксплуатации транспортных систем в суровых условиях: Матер. Межд. научн.-практ. конф. Ч.2.- Тюмень: ТюмГНГУ, 2002.

10. Егоров А.Л., Мерданов Ш.М. Сбор и утилизация снега с дорог// Проблемы безопасности дорожного движения: Материалы Первой Российско Германской конф. Т.2.- Омск: Изд-во СибАДИ, 2002.

11. Егоров А.Л. Специфика проектирования систем управления снегоуборочной машиной// Материалы научно-техн. конф., посвещенной 90-летию со дня рождения В.И. Муравленко: «Нефть и газ: проблемы недропользования, добычи и транспортировки.- Тюмень: ТюмГНГУ, 2002.

12. Мерданов Ш.М., Закирзаков Г.Г., Егоров А.Л. Определение коэффициента использования грузоподъемности автомобилей при вывозе снега// Транспортный комплекс 2002. Материалы научн.-практ. семинара "АЗС комплекс 2002, Город 2002, Автосалон 2002".- Тюмень: ТюмГНГУ, 2002.-227с.

13. Егоров А.Л. и др. Противогололедные химические материалы// Наука и практика. Диалоги нового века: Материалы конф. Ч.2.- Наб. Челны: Изд-во Камского государственного политехнического института, 2003г

14. Егоров А.Л., Мерданов Ш.М. Закирзаков Г.Г. Оборудование для измерения физико-механических свойств снега// Нефть и газ западной Сибири. Материалы международной научн.-техн. конф., посвещенной 40-летию Тюменского государственного нефтегазового университета. Т.2.- Тюмень: ТюмГНГУ, 2003.

15. Егоров А.Л. Снегопогрузочная машина// Новые технологии -нефтегазовому региону: Материалы второй региональной науч.-практ. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых. - Тюмень: ТюмГНГУ, 2003.

16. Мерданов Ш.М., Закирзаков Г.Г., Егоров А.Л. Определение физико-механических свойств снега// Транспортные системы Сибири: Материалы Всероссийской научн.-техн. конф. с международным участием / Под ред. В.Н. Катаргина. Красноярск: ИПЦ КГТУ. 2003.

17. Мерданов Ш.М., Егоров А.Л. и др. Устройства для удаления снега с городских улиц и дорог// Проблемы эксплуатации транспортных систем в суровых условиях: Материалы региональной научн.-практ. конференции -Тюмень: ТюмГНГУ, 2003.

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

19. Егоров А.Л., Мерданов Ш.М., Школенко А.П. Целеполагание в задачах проектирования снегоуборочных машин// Проблемы эксплуатации транспортных систем в суровых условиях: Материалы региональной научн.-практ. конф. - Тюмень: ТюмГНГУ, 2003.

•25297

Подписано к псчат 19 11 04 Ь\м писч №1

Уч изд л 1 0

Формат 60 90 1/16 Усч печ л 1.0

Огиечаи-шона RISO GR 3750 Тираж 100 эк j

Имлтельство «Нефтегазовый jiiiiRcpuiici»

I «к.» мри ценное оор.иоеатетьное 5чрелление высшего профессионального оОраювання «I юменскии государственный нефтетовын vniiBcpi-и reí» 625000, г Тюмень, ул Володарского 48 С>г ю i (икративкой полиграфии издательства «Нефтегазовый университет 625000 i Тюмень, ул Володарскою 38

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА.

1.1. Зимнее содержание автомобильных дорог.

1.2. Анализ и классификация снегоуплотняющих машин.

1.3. Тенденции развития снегоуплотняющих машин.

1.4. Цели и задачи исследования.

ГЛАВА 2. ВЛИЯНИЕ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ

СНЕГА НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ ЕГО УПЛОТНЕНИЯ.

2.1. Структура снега и его свойства.

2.2. Определение плотности снега вывозимого на автосамосвалах.

2.3. Определение рациональности использования грузоподъемности автомобилей при вывозе снега.

2.4. Физические процессы, протекающие при уплотнении снега.

2.5. Определение основных факторов, влияющих на эффективность уплотнения снега.

2.6. Описание процесса уплотнения снега.

Выводы ко 2 главе.

ГЛАВА 3. АНАЛИТИЧЕСКИЕ, ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И АНАЛИЗ ИХ РЕЗУЛЬТАТОВ.

3.1. Общая методика исследования.

3.2. Проведение экспериментальных исследований уплотнения снега.

3.3. Определение геометрических параметров снежных блоков при их транспортировке.

3.4. Влияние прикладываемой нагрузки на изменения конечной плотности при брикетировании снега в замкнутом объеме.

3.5 Выявление закономерности изменения энергозатрат на изготовление блоков различных размеров.

3.6. Определение рациональной плотности снежных блоков для их транспортировки.

3.14. Проверка адекватности математической модели влияния прикладываемой нагрузки на изменения конечной плотности, при брикетировании снега в замкнутом объеме.

Выводы по 3 главе.

ГЛАВА 4. ПУТИ ПРАКТИЧЕСКОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ.

4.1. Реализация результатов исследования.

4.2. Методика расчета и выбора параметров снегоуборочной машины.

4.3. Расчет экономической эффективности применения снегоуборочной машины с уплотняющим рабочим органом.

ОБЩИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ВЫВОДЫ.

Актуальность проблемы. В связи с интенсивным ростом городов и резким увеличением числа автомобилей, становится все более значима проблема зимнего содержания городских автомобильных дорог.

Стоимость процесса уборки снега возрастает с каждым годом. Это связано с тем, что возрастают требования, предъявляемые к дорожному полотну автомобильных дорог, уменьшается время, отведенное на уборку, большое количество автомобилей затрудняет работу снегоочистительной техники, особенно в центральных и исторических районах городов. Как показали исследования транспортные расходы составляют 83% общей стоимости уборки снега, а расстояния до снегосвалок и снеготаялок постоянно увеличиваются, так как предъявляемые к ним экологические требования все дальше отодвигают их от населенных пунктов.

Одним из наиболее рациональных методов снижения стоимости зимнего содержания дорог является уплотнение снега в процессе его погрузки. Это позволяет резко уменьшить затраты, за счет более рационального использования автосамосвалов, следовательно уменьшения их количества.

Данное направление малоизученно и представляет большой интерес. Возникает необходимость разработки данных машин, а также расчета и выбора их параметров.

Исследования проводились при поддержке целевого гранта Губернатора Тюменской области

Цель работы заключается в снижение расходов на зимнее содержание дорог, за счет уменьшения затрат на транспортировку убранного с городских дорог снега, путем разработки универсальной снегоуборочной машины, с уплотнением снега в процессе его погрузки, и определением ее параметров.

Объект исследования - процесс уплотнения снега во время погрузки в транспортные средства.

Предмет исследования - уплотнение снега в уплотняющем устройстве снегоуборочной машины.

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

Научная новизна работы.

Разработана математическая модель процесса уплотнения (брикетирования) снега в рабочем органе (в замкнутом объеме).

Выявлена закономерность изменения плотности снега от уплотняющей нагрузки, при уплотнении в замкнутом объеме.

Установлена плотность обвалованного снега на проезжей части и плотность снега во время его транспортировки в кузове автосамосвала, при погрузке серийно выпускаемыми снегопогрузчиками.

Определены рациональные геометрические параметры снежных блоков для их транспортировки.

Выявлена зависимость коэффициента заполнения кузова автосамосвала от размеров уплотненных снежных блоков.

Выявлена закономерность изменения энергозатрат на изготовление блоков различных размеров.

Определена рациональная плотность снежных блоков для их транспортировки.

Практическая ценность работы состоит в том, что на основе проведенных исследований разработаны оригинальные конструкции снегоуборочных машин, с возможностью уплотнения снега в процессе погрузки и разработана методика расчета и выбора параметров снегоуборочных машин, позволяющая облегчить их проектирование и эксплуатацию.

На защиту выносятся:

Методика расчета и выбора параметров снегоочистительной машины, разработанная на основе данных исследований.

Математическая модель процесса уплотнения снега в замкнутом объеме.

Публикации работы. По результатам исследования опубликовано 19 печатных работ, в том числе 2 патента РФ.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, 4 глав, основных выводов и списка литературы из 90 наименований. Общий объем работы содержит 158 страниц, в том числе 41 рисунок, 24 таблицы и 9 приложений.

ОБЩИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ВЫВОДЫ

1. В результате анализа исследований по применению уплотняющих машин в процессе уборки и вывоза снега с городских дорог установлено, что:

- необходимо дополнительно уплотнять снег перед его погрузкой в транспортное средство;

- отсутствует методика расчета и выбора параметров снегоочистительной машины с возможностью уплотнения снега в процессе погрузки, и отсутствуют конструкции подобных машин;

- отсутствуют математические зависимости процессов уплотнения снега в замкнутом объеме большими нагрузками.

2. Разработана математическая модель процесса брикетирования снега в рабочем органе. На основе данной математической модели были созданы новые зависимости, позволяющие определять такие параметры как необходимое давление для создания блоков требуемой плотности, усилия для различных рабочих органов уплотнителя. В ходе экспериментального исследования была подтверждена адекватность зависимостей * по представленной математической модели.

3. Для разработки методики расчета и выбора параметров снегоуборочной машины проведены следующие исследования:

- установлена плотность обвалованного снега на проезжей части и плотность снега во время его транспортировки в кузове автосамосвала при погрузке серийно выпускаемыми снегопогрузчиками;

- выявлена зависимость изменения коэффициента заполнения кузова автосамосвала от размеров уплотненных снежных блоков;

- определены рациональные геометрические параметры снежных блоков при их транспортировке;

- выявлена закономерность изменения энергозатрат на изготовление блоков от размера и количества блоков;

- определена рациональная плотность снежных блоков при их транспортировке.

4. Разработаны оригинальные конструкции снегоуборочных машин с уплотнением снега в процессе его погрузки, защищенные патентами Российской Федерации.

5. Разработана методика расчета и выбора параметров снегоуборочной машины.

1. Автомобили самосвалы/ Под ред. А.С. Мелик-Саркитсьянца. М.: Машиностроение, 1987. - 216 с.

2. Адлер Ю.П. и др. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. 2-е изд., перераб. и испр. - М.: Наука, 1976. - 249 с.

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

4. Вайсберг И. С., Вильдерман В. Н. О реологической модели уплотняемого снега1 ВНИИстройдормаш., Деп. в ЦНИИТЭстроймаш. 1982. - 13 с.

5. Вялов С. С. Реологические основы механики грунтов. М.: Высшая школа, 1978. - 447 с.

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

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

8. Грей Д.М. "Снег и техника", М., Транспорт, 1980, 600с.

9. Дроздов Е. А. и др. Климатология. Л.: Гидрометеоиздат, 1989. -568 с.

10. Дьяконов В. Мар1е7: учебный курс. -СПб.: Питер, 2002. 672с.

11. Дьяконов В. Mathcad2000: учебный курс. -СПб.: Питер, 2000. 592с.

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

13. Егоров А.Л. и др. Противогололедные химические материалы// Наука и практика. Диалоги нового века: Материалы конф. Ч.2.- Наб. Челны: Изд-во Камского государственного политехнического института, 2003г

14. Егоров A.JI. Снегопогрузочная машина// Новые технологии нефтегазовому региону: Материалы второй региональной науч.-практ. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых. Тюмень: ТюмГНГУ, 2003.

15. Егоров А.Л. Снегоуплотняющие устройства// Проблемы эксплуатации транспортных систем в суровых условиях: Матер. Междунар. Научн.-практ. конф. Ч.2.- Тюмень: ТюмГНГУ, 2002.

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

17. Егоров А.Л., Мерданов Ш.М. Сбор и утилизация снега с дорог// Проблемы безопасности дорожного движения: Материалы Первой Российско Германской конф. Т.2.- Омск: Изд-во СибАДИ, 2002.

18. Егоров А.Л., Мерданов Ш.М. Утилизация снега в городских условиях// Энергосберегающие технологии в нефтегазовой промышленности России: Материалы международного совещания. Ч.2.- Тюмень: ТюмГНГУ, 2001.

19. Егоров А.Л., Мерданов Ш.М., Закирзаков Г.Г Методика расчета и выбора параметров снегоуборочной машины// Тюмень: ТюмГНГУ, 2004

20. Егоров А.Л., Мерданов Ш.М., Закирзаков Г.Г Пути снижения затрат на зимнее содержание городских дорог// Материалы международной научн.техн. конф. 14-17 сентября 2004г. "Интерстроймех-2004".- Воронеж: ВГАСУ, 2004.

21. Егоров А. Л., Мерданов Ш.М., Школенко А.П. Целеполагание в задачах проектирования снегоуборочных машин// Проблемы эксплуатации транспортных систем в суровых условиях: Материалы региональной научн.-практ. конф. Тюмень: ТюмГНГУ, 2003.

22. Зимнее содержание автомобильных дорог / К.Г. Лефельд, X. Бартц, и др. М.: Транспорт, 1977.- 176 с.

23. Зимнее содержание автомобильных дорог / Под редакцией А.К. Дюнина. М.: Транспорт, 1983.- 197 с.

24. Золотарь И.А. "Автомобильные дороги севера", -М.: Транспорт, 1981. -247с.

25. Карнаухов Н. Н. Приспособление строительных машин к условиям Российского Севера и Сибири.- М.: Недра, 1994. 351 с.

26. Карнаухов Н. Н., Мерданов Ш. М. Механизация строительства дорог из уплотнённого снега. Тюмень, 1989. - 78 с.

27. Карнаухов Н.Н., Мерданов М.Ш., Егоров А.Л. Навесное снегоуплотняющее устройство// Проблемы эксплуатации транспортных систем в суровых условиях: Матер. Межд. научн.-практ. конф. Ч.2.- Тюмень: ТюмГНГУ, 2002.

28. Кирсанов А.А. Основы применения безразмерных величин, физическое подобие, моделирование. Липецк: ЛЭГИ. - 2000. - 132 с.

29. Климат территории нефтегазовых месторождений на полуостровах Тазовский и Ямал. Л.: Гидрометеоиздат, -1991.- 220 с.

30. Коротин Б. Людей и техники все-таки не хватает//"Аргументы и факты" в Западной Сибири.- 2001.- №48.

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

32. Котельников В. В., Мерданов Ш. М. Экспериментальное изучение уплотнения влажного снега// Проблемы адаптации техники к суровым условиям: Тезисы международной научно-практической конференции: -Тюмень: ТюмГНГУ, 1999. С. 113-115.

33. Краткий автомобильный справочник. 10-е изд., перераб. и доп. - М.: Транспорт, 1985.- 220с.

34. Краткий автомобильный справочник. 8-е изд., перераб. и доп. М.: Транспорт, 1979. - 464 с.

35. Кузин Ф.А. Диссертация: Метолика написания. Правила оформления. Порядок защиты. Практическое пособие для докторантов, аспирантов и магистрантов. -М.: "Ось-89", 200.- 320с.

36. Кузнецов В.К. Содержание и текущий ремонт городских дорог. М.: Альфа-Принт. - 1998. - 315 с.

37. Математическте методы и планирование эксперимента в грунтоведении и инженерной геологии/ В.М. Кнатько, И.Е. Руднев, Е.И. Баринов. JL: Ленинградский университет, 1983. - 112 с.

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

39. Мерданов Ш.М. Фатуллаев Э.Ф. Влияние свойств снега на эсплуатационные характеристики строительных машин.//Сервис и техническая эксплуатация транспортах и технологических машин: Материалы научно техн. конф. Тюмень, ТюмГНГУ, 2001.

40. Мерданов Ш.М., Егоров A.JI. и др. Устройства для удаления снега с городских улиц и дорог// Проблемы эксплуатации транспортных систем в суровых условиях: Материалы региональной научн.-практ. конференции -Тюмень: ТюмГНГУ, 2003.

41. Мерданов Ш.М., Закирзаков Г.Г., Егоров А.Л. Определение физико-механических свойств снега// Транспортные системы Сибири: Материалы Всероссийской научн.-техн. конф. с международным участием / Под ред. В.Н. Катаргина. Красноярск: ИПЦ КГТУ, 2003.

42. Мерданов Ш.М., Закирзаков Г.Г., Егоров А.Л. Проблемы эксплуатации снегоочистительной техники при создании снеголедовых дорог// Сервис, техническая эксплуатация транспортных и технологических машин: Межв. сб. науч. тр. Тюмень: ТюмГНГУ, 2001.

43. Мерданов Ш.М., Закирзаков Г.Г., Егоров А.Л. Создание многофункциональной снегоуборочной машины// Проблемы эксплуатации транспортных систем в суровых условиях: Матер. Междунар. Научн.-практ. конф. Ч.2.- Тюмень: ТюмГНГУ, 2002.

44. Миронов Д. CorelDRAW 11. Учебный курс. СПб.: Питер, 2003. - 448с.

45. Налимов В. В. Теория эксперимента. М.: Наука, 1971. - 207с.

46. Обработка результатов наблюдений. Касандрова О.Н., Лебедев В.В., М.: Наука, 1970.

47. Основы научных исследований. Грушко ИМ., Сиденко В.М. 3-е изд., перераб. и доп. - Харьков: Вища школа. Изд-во при Харьк. ун-те, 1983. - 224 с.

48. Основы научных исследований. Грушко И.М., Сиденко В.М. 3-е изд., перераб. -Харьков: Высш. школа. Изд-во Харьковский ун-т, 1983.-224с.

49. Палшайтис Эвалдас JI. Проблемы служб зимнего содержания автомобильных дорог: Аналит. обзор. Вильнюс: ЛитНИИНТИ. - 1990.

50. Подольский В.П. Экологические аспекты зимнего содержания дорог. -Воронеж. 2000. 151 с.

51. Проектирование, строительство, ремонт и содержание автомобильных дорог и мостов в условиях Сибири. В.Н. Ефименко. Томск: Изд-во Томского университета 1984, 138с.

52. Растригин Л. А. Статистические методы поиска. М.: Наука, 1968. -376с.

53. Резник Л.Г. Введение в научное исследование: Учебное пособие. -Тюмень: ТюмГНГУ, 1997. 66 с

54. Ронгонен В. Э. Выбор параметров фрезерно-теплового оборудования машин для стр-ва снеголед. дорог: Красноярск, 1987. - 177 с.

55. Рябов В.К. "Методические рекомендации для борьбы с наледями на автомобильных дорогах". М.: Транспорт, 1974. - 60с.

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

57. Снегопогрузочная машина и устройство для уплотнения снега: Свидетельство на полезную модель №28133/ Н.Н. Карнаухов, Ш.М. Мерданов, А.Л. Егоров, Г.Г. Закирзаков, А.А. Иванов; Опубл. 10.03.2003 г. Бюл.№7. РОСПАТЕНТ

58. Снегопогрузчик К0-206А техническое описание и инструкция по эксплуатации КО-206А.00.00.000ТО.

59. Снегоуборочная машина: SU №1063910/ Р.Д. Онохин. Опубл. 30.12.1983.to

60. Снегоуборочная машина: А.С. №1366578/ В.З. Изофик, А.В. Игонов.I1. Опубл. 15.01.1988.

61. Снегоуборочная машина: А.С. № 1366578/ В.З. Иофик, А.В. Игонов. Бюллетень изобретений № 2, 15.01.1988.

62. Снегоуборочная машина: А.С. № 1260429/ В.И. Молчанов, А.А. Жданова. Бюллетень изобретений № 36, 30.09.1986.

63. Снегоуборочная машина: Патент РФ на изобретение №2207427/ Н.Н. Карнаухов, Ш.М. Мерданов, A.JI. Егоров и др.; Опубл. 14.01.2002 г.

64. Снегоуборочное устройство: А.С. №1523618/ А.Г. Арзамасцев. Опубл. 23.11.1989.

65. Снегоуплотняющее устройство: А.С. № 499372/ А.Ф. Николаев, В.Ф. Белов, В.Ф. Кулепов и др. Бюллетень изобретений № 2, 15.02.1976.у

66. Снегоходные машины. JI.B. Барахтанов и др. Горький: Волговяжское кн. изд-во, 1986.

67. Содержание городских улиц и дорог: Справочник / З.И. Александровская, Б.М. Долганин, Е.Ф. Зайкина, Я.В. Медведев. М.: Стройиздат, 1989.-208с.

68. Становой Л.В., Брыксенов А.Г. Машины для зимнего содержания дорог. Строительные и дорожные машины, 1985, №10, с 13-14

69. Устройство для увлажнения снега в снегоочистителе: А.С. № 1495409/ Н.Н. Карнаухов и др. Опубл. 23.07.1989.

70. Устройство для уплотнения снега: А.С. 687165/ А.А. Киричек, Г.С. Фарков. Опублик. 05.09.1979.

71. Устройство для уплотнения снега: А.С. № 1652424/ В.И. Гончаренко, Г.П. Долинский, Е.И. Легостаев и др. Бюллетень изобретений № 20, 30.05.1991.

72. Устройство для уплотнения снега: А.С. № 1381229/ Усов В.И. Бюллетень изобретений № 10, 15.03.1988.

73. Устройство для уплотнения снега: А.С. № 1784055/ Усов В.И. Бюллетень изобретений № 47, 23.12.1992.

74. Хиксс Ч. Основные принципы планирования эксперимента. М.: Мир, 1967.- 406 с.

75. Ходош М.С. Грузовые автомобильные перевозки. М.: Транспорт, 1986.

76. Цытович Н. А. Механика грунтов (краткий курс): Учебник для строит, вузов. 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Высшая школа, 1983. - 288 с.

77. Черный А.А. Планирование экспериментов и математическое планирование процессов.- Саратов: Изд-во Саратовского универс. 1977.

78. Шалман Д. А. Снегоочистители. JL: Машиностроение, 1985. - 182 с.

79. Эксплуатация специальных автомобилей для содержания и ремонта городских дорог: Практ. пособие/ В.И. Баловнев, Г.Л. Карабан, И.А. Засов 2-е изд. М.: Транспорт, 1992. 263с.

80. Элементарные оценки ошибок измерений. Зайдель А.Н., 3-е изд. перераб. Л.: Изд-во Наука, 1968.

81. Ярмолинский В.А. Зимнее содержание автомобильных дорог: Учеб. пособие. Хабаровск. 1999. 95 с.

82. Dorsey N. Е. 1940. Properties of Ordineiy Water-substance in all its Phases: Water Vapor, Water and all the Ices. Mono. Ser. No.8, Am. Chem. Soc. Rheinhold Publ. Corp. (reprinted Haftier Publ. Co., New York, 1968 ).

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

84. Sulakvelidze G. K. 1959. Thermal conductivity equation for porous media containing saturated vapor, water and ice. Bull. Acad. Sci. USSR Geophis. Ser., January, pp. 180-188.

85. Mellor M. 1997. Ehgineering properties of snow. J. Glasiol., Vol. 19, No. 81, pp. 15-16

86. Блок схема алгоритма программы "Kub"1.НАЧА/D I1. Txz1. Qhh /О

87. V2 ЯП * (b~f2) + f2 * а) * h! + ((a-f1J х (b-F2) * ГЗ) I

88. K(S) (VI - V2J/V1X \wi=(a-rii7s\ I W2= to - F2)/S\w= wlw2*w3\ ISfU2r3VtV2KlS)Wlнотj КОНЕЦ I1. Текст программы "Kub".1. Sub Программа(КиЬ)

89. If а <= b And а <= h Then d = а

90. If b <= h And b <= h Then d = b

91. If h <= a And h <= b Then d = h 46 Range("Bll").Select48 ActiveCell = d49 'Выбираем активную клетку для начала записи данных50 Range("hl").Select51 's размер куба изменяется от 1 до d

92. For s = 1 То d * 53 si = 05459'60