автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.04, диссертация на тему:Повышение эффективности эксплуатации снегоуборочной техники с учётом слоистости снежного покрова

На правах рукописи

Соколов Анатолий Михайлович

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ СНЕГОУБОРОЧНОЙ ТЕХНИКИ С УЧЁТОМ СЛОИСТОСТИ СНЕЖНОГО ПОКРОВА

Специальность 05 05 04 - Дорожные, строительные и

подъемно-транспортные машины

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ООЗ1Т641э

Нижний Новгород - 2007

003176415

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

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор Куляшов А П

Официальные оппоненты

доктор технических наук, профессор Беляков В В

кандидат технических наук, доцент Куклина И В

Ведущая организация

ООО «Компания Магистраль»

Защита диссертации состоится 14 ноября 2007г в 14—в ауд 1254 на заседании диссер ционного совета Д 212 165 04 в Нижегородском государственном техническом универ тете по адресу 603600, Нижний Новгород, ГСП-41, ул Минина, д 24

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета

Автореферат разослан « 4 » октября 2007 г

Отзывы на автореферат просим направлять с подписями, заверенными печатью, ш имя секретаря диссертационного совета Ученый секретарь диссертационного

совета Д 212 165 04 доктор технических наук, профессор __-- У ' Л Н Орлов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность проблемы.

За последние годы в России наблюдается рост автомобильных перевозок Постоянно еличиваются скорость движения, грузоподъемность автомобилей, интенсивность до-жного движения Однако, наряду с этим, более отчетливо проявляются и некоторые рицательные тенденции автомобилизации, наиболее важной из которых является зна-тельное число дорожно-транспортных происшествий (ДТП) На ДТП влияет множе-о факторов - состояние дорог, интенсивность движения, освещенность, техническое тояние автомобилей, психологическое состояние водителя, уровень его профессио-ьной подготовки и множество других Среди них, однако, важнейшее место занимает тояние дорожного покрытия Уменьшение сцепления колеса с дорогой вследствие ичия на ней уплотненного снега или льда приводит к увеличению тормозного пути и опасного радиуса поворота в 3-9 раз Снежные заносы вдоль дороги снижают види-сть и могут уменьшать используемую ширину проезжей части дороги Кроме того, ичие колей, выбоин, ямочности и других неровностей на дорогах, покрытых снеж-м или ледяным накатом, может привести к потере водителем контроля над траекто-й движения и управляемостью автомобиля

По данным ГИБДД РФ около 20% аварий происходит по причине неблагоприятных ожных условий и из них более 70% (15% от общего числа ДТП) приходятся на за-женные дорожные покрытия, 5% на дорожные покрытия, частично покрытые снегом льдом и 1% на покрытия, которые по другим причинам были скользкими Степень риска попасть в ДТП на полностью или частично покрытом снегом или ом дорожном покрытии в 1,5 и 4,5 раз выше, чем на чистом сухом покрытии Цель него содержания дорог заключается в том, чтобы снизить количество ДТП зимой за т удаления снега и льда с дорожного покрытия и тем самым улучшить условия сцеп-ия шин колес автомобиля с дорожным покрытием Работы по зимнему содержанию ог чрезвычайно трудоемки Так, на строительство новых дорог в Нижегородской тасти расходуется около 400 млн рублей в год, а на содержание 13000 км дорог -ее 1 млрд рублей (из них собственно на зимнее содержание более 750 млн рублей) Основные трудности зимней уборки связаны с метаморфизмом снега, то есть спо-ностью изменять свои свойства за достаточно короткий промежуток времени под 1ствием как климатических условий, так и в результате движения транспортных дств и пешеходов Под воздействием выше перечисленных факторов снег, находя-йся на очищаемой поверхности, быстро уплотняется, а затем превращается в снежно-яной накат, прочность которого, в сочетании с прочностью образовавшихся прослоек а, выше обычного снега в 20-30 раз Поэтому актуальной является проблема исполь-ания рациональных технологий применения коммунальной техники в зимний период Цель исследований.

Разработать методику расчета эффективности применения плужных снегоочистите-взаимодействующей со слоистым снежным покровом и выработать рекомендации, воляющие повысить эффективность эксплуатации снегоуборочной техники Объекты исследований.

На разных этапах работы исследованию подвергались автомобили с плужным, сне-борочным оборудованием (ДЭ-235, ФРС-200М, КО-835, КПМ -432, К-703МД-СФР, и ) Выбор в качестве объектов исследования такого широкого спектра машин позволил нить влияние на процесс удаления снега с дорожных покрытий таких характеристик

3

снегоуборочной техники, как тип рабочего органа, его геометрические размеры, а такж основные параметры базовой машины

Общая методология исследований. При проведении теоретических исследований использованы методы аналитическо механики, механики сплошных сред, механики сложных пространственных конструк ций, механики разрушений, механики контактного взаимодействия пространственны систем с ограниченными телами, теории упругости и вязкопластичности, численны методы решения систем дифференциальных уравнений и нелинейных алгебраически уравнений, разнообразные методы математического моделирования и оптимизации па раметров

Экспериментальные исследования проводились на серийно выпускаемых машина на дорогах, находящихся в постоянной эксплуатации Научная новизна.

• Разработана модель процесса резания плужным рабочим органом снегоуборочной м шины снега с учетом его слоистости,

• Разработана методика выбора рациональной технологии зимнего содержания дорог, учетом изменения физико-механических свойств снега под действием движителе транспортных средств, обеспечивающая минимальный уровень производственных и держек

Основные положения, выноснмые на защиту.

1 Из научных разработок - математическая модель резания снежного покрова рабоч ми органами коммунальных машин как полислоистой среды

2 Из научно-методических разработок - методика выбора и оптимизации технологи зимнего содержания дорог, учитывающая изменение физико-механических и геоме рических параметров снежного покрова в течении времени, методика расчета пар метров взаимодействия рабочих органов со снежным покровом, лежащим на повер ности дорог, позволяющий производить выбор рациональных параметров зимнег содержания дорог в конкретных условиях эксплуатации

Достоверность результатов Проведенный комплекс экспериментальных исследований на серийных машина принимающих непосредственное участие в содержании дорог в зимний период, по твердил основные теоретические положения, методы и средства повышения уров! зимнего содержания дорог

Практическая ценность. Состоит в реализации теоретических разработок, методик расчетов, практическ рекомендаций при совершенствовании существующих и создании новых технологич ских решений содержания дорог в зимний период при сохранении их расчетной проп скной способности

Реализация работы. Результаты экспериментально - теоретических исследований по теме диссертац внедрены в Дорожном фонде Нижегородской области, ОАО «Асфальт-Бетон», 0< «Компания «Магистраль»

Результаты работы используются в учебном процессе на кафедре "Строительны дорожные машины" Нижегородского государственного технического университета 4

Апробация работы

Отдельные результаты и основные положения докладывались на международ-йконференции АВТО НН 02 «Проблемы транспортных и технологических комплек-», научно-технической конференции «Будущее технической науки нижегородского иона» Н Новгород 2004, всероссийской научно-технической конференции «ТТМ НН Транспортно-технологические машины» - Н Новгород 2004, международной науч--практической конференции «Прогресс транспортных систем - 2005» Волгоград 5г, международной научно-технической конференции «Проектирование, испытания эксплуатация транспортных машин и транспортно-технологических комплексов» овгород 2005г Публикации.

По теме диссертации опубликованы 12 научных статей Объем и структура работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы и че-ех приложений Содержит 160 страниц основного компьютерного текста, 55 рисун-, 12 таблиц, библиографии из 156 наименований и приложений на 41 странице

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулирована ее цель, раскрыты оды исследования, отмечены научная новизна и основные положения выносимые на иту, представлены объекты исследования, указана практическая ценность получае-х результатов

в первой главе проведен анализ научных трудов, посвященных каждой из состав-частей данной работы В области исследования вопросов разрушения механических д рабочими органами фундаментальными работами являются труды В Д Абезгауза, Айзенштока, В И Баловнева, Ю А Ветрова, В П Горячкина, Н Г Домбровского, Зеленина, И А Недорезова, Ю И Новосельского, , В П Станевского, С А Самохи-многих других В Нижегородской научной школе вопросами разработки льда и сне-анимались С Д Алатин, В Ф Кулепов, А А Назаровский, А Ф Николаев, С В Рука-ников Изучением физико-механических свойств снежного и ледяного покрова по-щены работы Р А Амброса, Л В Барахтанова, В В Белякова, И П Бутягина, П С шло, К Ф Войтковского, А Л Горбунова, В И Ершова, В Е Колотилина, И В Кра-ьского, П П Кузьмина, А П Куляшова, В А Малыгина, И С Песчаного, Г Д Рихте-П А Шумского, Н А Цытовича, и других Наиболее полными исследованиями ма-1 для зимнего содержания дорог и аэродромов являются труды В И Баловнева, И А инского, Л И Городецкого, Г Л Карабана

В результате проведенного анализа было установлено, что на сегодняшний день на ове теоретических и экспериментальных исследований, разработана и широко при-яется математическая модель взаимодействия рабочих органов с разрушаемым рным основанием, разработанная отечественными учеными Однако модели, разра-анные вышеназванными авторами, имели ряд недостатков К ним относятся описа-процессов с точки зрения квазистатических зависимостей, а не дифференциальных внения движения, применение значительного количества эмпирических коэффици-ов, связь которых с реальными процессами протекающими при взаимодействии снега [бочего органа очень условна, отсутствие методики выбора технологических и кон-'ктивных параметров обеспечивающих необходимую эффективность уборки и вели-у затрат на их применение Отсутствие теории взаимодействия рабочих органов со истой средой (какой является снег на дорогах) Указанные недостатки ранее приме-мых моделей требуют своего разрешения для определения рациональных параметров пения снега при помощи простого отвала

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

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

2 Получить зависимости изменения энергоемкости разрушения снега в течении времени

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

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

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

В настоящее время для описания процессов деформирования и разрушения снеж ного покрова наибольшее распространение получили два подхода метод последова тельного соединения физических уравнений и метод расчета многослойных конструк ций Первый метод основывается на предположении о независимости напряжений и де формаций в каждом из рассматриваемых слоев Математически данный метод может

N

быть представлен в виде следующей формулы А (с) = ^ А (с ) > гДе А искомый па

раметр системы, например величина деформации, усилие на рабочем органе, удельна? энергоемкость разрушения системы и так далее, с - действующий параметр системь такой как плотность, толщина, связанность, соответственно значок 1 указывает на чис ленное значения данных параметров для каждою из слоя, образующего рассматривав мую систему Второй метод основывается на предположении о возможном осреднени физико-механических свойств рассматриваемой системы Математически данный мето

может быть представлен в виде следующей формулы а (с) = А^ (с ) Анализ Ре

зультатов, получаемый по каждому из методов показал, что в случае, когда физико механические свойства материала каждого из слоев резко отличаются друг от друга (н пример резание льда, на поверхности которого имеется слой свежевыпавшего снег максимальная точность достигается при использовании первого метода, а минимальна - при использовании второго Если слои разрабатываемого материала незначительн отличаются по своим физико-механическим свойствам (а в пределе - совсем не отлич ются между собой), то наиболее точные результаты достигаются при использовани второго метода, а наименее достоверные - при использовании первого Для устранени указанных недостатков методов наиболее целесообразно использовать третий мето который бы обладал всеми достоинствами ранее применяемых моделей, но не имел б их недостатков Достижение поставленных задач может быть достигнуто лишь за сч усложнения математической модели, которая примет вщ

А (с) - ^ А (с ) + в (с с ^ 5 гДе В, - параметр, определяющий влияние близл

жащих слоев друг на друга 6

/

ч

R '/

к\р\

m

Рис 1 Расчетные схемы резания снега рабочим органом применяемые ранее (а)

и разработанная (б)

Исследование процесса взаимодействия рабочих органов и движителей транс-ртно-технологических машин со слоистым снежным покровом показало, что допол-тельное влияние различных слоев снежного покрова друг на друга заключается в дей-ии дополнительной силы трения между, обусловленной разницей в скорости и вели-ны деформации снега различной плотности

В, +д), (1)

¿1х1 Р^^Ъ - масса снега, двигающаяся выше поверхности сдвига, равная произве-

нию разнице длин зон деформации близлежащих слоев снега, среднеинтегральной ощади снега над плоскостью сдвига, глубины расположения поверхности сдвига и ничной ширины рабочего органа, ф - коэффициент трения между слоями снежного крова, q - величина вертикальной удельной нагрузки, приложенной со стороны рабо-о органа к снежному покрову Изменение усилия перемещения между двумя слоями га можно определить из уравнения

Р 0,+ |

В, = х, db,{p,gh, + q)tp,

Pix) ~ р0

In

p(x) P 0, + l

Po, Pix)- Pc

-In

p(x)

величина

E, = <p

__P „

P(x)~

Po,* I

Pix)~ Pс

P«, _

P(x) ~ P o,<

-In

Pix) Po

Pix)

Po

(2)

(3)

1 +

P 0,

P_(X\ P 0

p(x) - P o,+

<азывает степень отличия рассматриваемого слоистого снежного покрова от однород-о массива Решение уравнения 3 показаны на рисунке 2 Из рисунка видно, что макальные отклонения в расчетах имеет место при наличие слоя свежевыпавшего снега уплотненном снежном покрове, на экскавационно - разрушенном снегу, а также при ичие экскавационно - разрушенного снега на уплотненном снегу Следует отметить, полученные значения позволяют лишь оценить влияние слоистости снежного по-ва между собой Для сравнения результатов расчетов по отношению к разрушению юродного массива следует учитывать также плотность снежного покрова, глубину егания слоя и величину деформации (см уравнение 2)

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

и горизонтальном движении рабочего органа со скоростью, большей, чем 1 м/с ско-ть распространения пластических деформаций будет меньше скорости движения palero органа В результате чего в любой момент времени в снежном покрове будут

развиваться микротрещины, по которым и будет происходить разрушение снега. То есть мы будем иметь, в основном хрупкое разрушение. Развитие трещины в твёрдом теле может быть осущест влено тремя путями. Во-первых, под действием нормальных напряжений возникает трещина разрывного типа. Перемещение берегов такой трещины перпендикулярны её плоскости. Во-вторых, под действием касательных напряжений образуются трещины сдвигового типа, когда перемещение берегов происходит в её плоскости и перпендикулярно её фронтальной линии. И третьим типом являются трещины типа «срез», образующиеся при пространственном сдвиге, когда перемещения берегов совпадают с её плоскостью и параллельны её направляющей кромки. Для случая разрушения снежного покрова характерен второй способ развития трещин.

250 300 Плотность слоя

ого покрова, 1

Рис.2. Влияние различия физико-механических параметров близлежащих слоёв снега на разницу сил сопротивления разработки снежного покрова; 1- зависимость для однородного снежного покрова; 2- зависимость для подстилающегс слоя снега, плотностью 100 кг/м3; 3- зависимость для подстилающего слоя снега, плотностью 300 кг/м'; 4- зависимость для подстилающего слоя снега, плотностью 500 кг/м3;

Напряжённое состояние при вершине трещины принято оценивать коэффициентов Кн> называемым коэффициентом интенсивности напряжений, находящимся из выраже-1 ния:

К,

■ (7 V 7Ю

(4

где ст - напряжения от внешних сил, действующее в вершине трещины, а а - длина тре щины. Для того, что бы трещина росла необходимо обеспечить такой подвод энергии материалу, который бы компенсировал затраты энергии на рост трещины. Данное уело вие называют критерием Гриффитса. В математическом виде он представляет собо] уравнение вида:

^ = = (5

да Е

которое говорит о том, ч то трещина будет расти только в случае положительного значения величины в-Я - производной по длине трещины скорости высвобождения упругой энергии, где Я - сила сопротивления разрыва межкристаллических связей, принимаема* для снега равной величине внутреннего трения С0. Полученные зависимости позволили

(ссчитать величину смещения одного слоя снега относительно другого, которое может 1ть найдено из уравнения:

/7

da. = -

(1

2 ¡2 (| + ц()(1-2|х,)НС,

"(О

2 2 (I + )(1 — 2|iH, )НСМ (1-ц,)р,+1 cose

(6)

(1 — j-j., )р>у cos 9

,е h - глубина залегания раздела между i ым и i+1 слоем снега, ve - скорость резания, - геометрический параметр забоя , равный углу при вершине лидирующей трещины ■единяющей между собой крайние точки контакта рабочего органа со снежным забоем, С - жёсткость снега, р - плотность слоя снега, ¡д - коэффициент Пуассона для рассмат-шаемого слоя снега.

Анализ данного уравнения показывает, что с ростом скорости максимально воз-)жная зона деформации будет уменьшаться, что связано с тем, что интенсивность ста напряжений на длинной трещины растёт медленней, чем скорость движения рабо-го органа. Следует отметить, что в зоне деформации обычно развивается несколько ещин. При этом чем меньше скорость движения рабочего органа, тем на развитие :ньшего количества трещин расходуется энергия движения рабочего органа. То есть м меньше скорость движения рабочего органа, тем ниже энергоёмкость разрушения era. Угол резания на зону распространения деформации не влияет. Так как усилие ре-чия является суммой динамического и статического нагружения рабочего органа, а кже учитывая влияние слоистости суммарная сила сопротивления на рабочем органе пишется в виде:

(V)

W ""го =£ Р0

N 1

+ da, р, gh, Et

0.4 0.6 0.8 1 1.2

Угол резания, рад

1С. 3. Зависимость усилия резания снежного покрова от угла наклона рабочего органа; - для плотности снежного покрова 550 кг/м3; 2 - для плотности снежного покрова 150 im3; 3 - для среднеинтегральной плотности снежного покрова 350 кг/м3; 4 - для расчёта Усилий на рабочем органе, взаимодействующем со слоистым снежным покровом, со-оящим на 50% из снега плотностью 150 кг/м ' и на 50% из снега плотностью 550 кг/м1

На рисунке 3 показано отличие в усилие резании при резании снега при примене-и ранее применяемых и вновь разработанной модели. Из них видно, что при примене-'и для расчётных показателей такого параметра как среднеинтегральная плотность жного покрова, для случая разработки двухслойного снежного покрова, один из ко-эых имеет плотность 150 кг/м', а второй - 550 кг/м ' ошибка в расчётах может дости

9

гать 150%, а если брать только самую трудноразрабатываемую фракцию - то 25% Если разница в плотностях близлежащих слоев будет меньше, например 150 и 300 кг/м3 или 300 и 550 кг/м3, то ошибка в расчетах уменьшится до 75%

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

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

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

ииТ + J{Nmr + Nao„ + Nr + Ni

ц =_3_ >

Bv, Г,

где Un - стоимость машино-часа рассматриваемого автомобиля (величина постоянны расходов), Т - суммарное время проведения технологической операции (продолжитель ность снегопада), Tj - время, затрачиваемое машиной на очистку территории, J - часто та применения снегоуборочной техники за расчетный период, Nhep - мощность, затра чиваемая на перемещение снегоуборочной техники, Nfl0n - мощность, затрачиваемая ш дополнительные сопротивления (например, на вращение щетки), NP — мощность, затра чиваемая на резание снега, Ny — мощность, затрачиваемая на удаление снега, q - удель ный расход мощности двигателя, г) - коэффициент полезного действия трансмиссии ав томобиля, UT - удельная стоимость топлива, В - ширина отвала, vP - скорость уборки Величина усилия резания определяется по выражению 7, , удельный расход топлива современных двигателей составляет величину порядка 0,22 - 0,27 л/кВт, коэффициен полезного действия трансмиссий - 0,8 - 0,9, стоимость одного литра топлива составляв 15-17 рублей На 100 километров дороги 1 категории (шириной 20 - 30 метров) должн приходиться не менее 8 постоянных и 8 привлекаемых плужно-щеточных снегоочисти тей, оснащенных устройствами для распределения противогололедных материалов и дв автогрейдера, то есть одновременно дорогу должны чистить 5 снегочистителей, на каж дый из которых будет приходиться по 25 -35 км пути (или 1 час работы) То есть вели чину Т[ можно принять равной 1 часу Итоговое уравнение по определению затрат н уборку единицы очищаемой поверхности снегоуборочной техникой примет вид

В ,=1 ,1

и ь

о,3 У л

о Р

о сз г

сз С1-

Р- . й 3

"""]......'.' ' ! "ТТ

С) !

8 п

: :

.......5 ;Г:

(у Л \ • 1

5- ■ •• "

!..........Ьи*

4- ГП-,

3 „—и 'тт1 - —

2

1 ;

1 2 3 4 5 6 7 8 х„

-1с. 4 Изменение удельных затрат на снегоочистку в зависимости от частоты применяе-лой техники при интенсивности снегопада 15 мм/ч и длительности снегоприноса — 10 1СОв; а - на базе автомобиля КамАЗ 53213,6 - на базе автомобиля ГАЗ 3302; 1 - постойные расходы, 2 - расходы на перемещение технологической машины; 3 - расходы на Ьремещение призмы волочения; 4 - расходы на работу щёточного (или пескоразбрасы-¡ающего) оборудования; 5 - расходы на резание снега, рассчитанные по ранее применяемым зависимостям; 6 - расходы на резание снега, рассчитанные по зависимостям, учитывающим изменение слоистости снежного покрова под действием движителей

транспортных средств.

Анализ уравнения 9 позволил сделать вывод о том, что, в связи с невозможно-ью управлять интенсивностью и временем снегопада, имеется возможность измене-1Я энергоёмкости снегоуборки при помощи четырёх основных параметров: массы ма-ины, скорости уборки, ширины очищаемой полосы и частоты применения снегоубо-!Чной техники. При этом, решение уравнения 9 однозначно показывает, что макси-шьная эффективность очистки дорог от снега достигается при максимальной скорости иного производственного процесса.

Однако, в связи с ростом величины вертикальных колебаний рабочего органа при сличении скорости очистки данная величина в настоящий момент законодательно раничена 7 м/с (25 км/ч). Также решения данного уравнения показывает, что при пре-пиении ширины отвала величины, равной 4 метров, ширина уборки перестаёт влиять величину удельных затрат на снегоуборку.

Зависимость изменения удельных затрат на единицу площади очищаемой по-рхности в зависимости от частоты применения снегоуборочной техники показан на (сунке 4. Полученные данные позволяю! сделать однозначный вывод о том, что имен-нахождения минимума энергоёмкости разрушения слоистого снежного покрова по-олит определить рациональную технологию применения снегоуборочной техники, афические решения данной задачи показаны на рисунке 5.

Усилие на рабочем орга] шириной 4м,

Н

Усилие на рабочем шириной 4м. н

ктенсивность дорожного движения, авт/ч

Время, прошедшее с начала снегопада,ч

Интенсивность дорожного движения, авт/ч

Время, прошедшее с начала снегопадам

Рис.5. Изменение усилия резания на рабочем органе в зависимости от времени с начала | снегопада; а) при интенсивности выпадении снега 2 мм/ час; б) при интенсивности выпадении снега 50 мм/ час;

На основе разработанной на кафедре СДМ, под руководством А.П. Куляшова модели изменения параметров снежного покрова на автомобильных дорогах под действием транспортного потока, с учётом математической модели резания, разработанной во второй главе настоящей работы были получены зависимости изменения усилия на рабочем органе в зависимости от времени начала снегопада и интенсивности движения' транспортных средств. Полученные результаты свидетельствуют об отсутствии посто-! янного и монотонного роста усилия на рабочем органе снегоуборочной машины в зависимости от интенсивности снегопада и времени начала уборки. В действительности существуют три критические точки, при переходе через которые энергоёмкость процесса резко изменяется. Во-первых, это время, за которое снежный покров не ложится на дорогу, а разрушается и выносится за её пределы колёсами транспортных средств, величина данного параметра может быть определена из выражения:

1

0,035-0,00008/,,

-27,5

(10)

220(дсн +0,000025/"(6)

Во-вторых, это временя когда в зоне колеи начинается образовываться слой уплотнён-, ного снега. Данный момент может быть определён исходя из следующей зависимости:

Е__|

01)

З00(й3 - А106) +

(ССН*СН +Л-)

1000,.

И в третьих, когда уплотнённый слой снега в межколейной и межполосных зонах пол ностью восстановит внутренние межкристаллизационные связи и превратится в снежно-ледовый накат. В зависимости от температуры и влажности поверхности дороги этот процесс может занять от 6 часов и до бесконечности.

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

Бремя, прошедшее е начала снегопада, ч

1С. 6. Зависимость изменения затрат на очистку единицы поверхности дорожного покрытия от снега в зависимости от времени начала уборки; - зависимость, применяемая ныне; 2 - предлагаемая зависимость для очистки дорог гкими (до 5 тонн) коммунальными машинами; 3 - предлагаемая зависимость для очи-(си дорог средними (5-12 тонн) коммунальными машинами; 4 - предлагаемая зависнуть для очистки дорог тяжёлыми (свыше 12 тонн) коммунальными машинами

Изменение массы применяемой снегоуборочной техники возможно на стадии рмирования парка снегоуборочной техники. Полученные в результате решения урав-жя 9, на основе многолетних наблюдений за интенсивностью и частотой снегопадов, '.работать методику выбора данного параметра:

N

• исг(.7,0,Т1) = имт (12)

п

; исг - среднегодовой объём затрат на содержание дороги, N - количество снегопадов исследуемый период, п - число лет наблюдения. Решения данного уравнения показа-| на рисунке 7, из которых видно, что применение в качестве лёгких снегоуборочных шин выгодно только в районах со средней высотой накопленного снега не превы-иощей 0,3 метра. Для других районов наиболее эффективно применение автомобилей юлной массой 8-10 тонн

г> 35 Т-

А

0.2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9

Суммарный годовой объём снегоириноса на дорогу, м

ис.7. Изменение стоимости снегоочистки от годового объёма снегоприноса на дорогу; - для коммунальных машин весом Зт; 2 - для коммунальных маши весом 5т; 3 — для коммунальных весом 8т; 4 - для коммунальных машин весом 15т.

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

ВЫБОР РАСЧЕТНЫХ ПАРАМЕТРОВ Рис 8 Структурная схема методики выбора рациональных параметров применения снегоуборочной техники

Отличительной особенностью данной методики является определения рацио нальной частоты применения снегоуборочной техники Методики, применяемые ранее исходили из монотонного непрерывного роста толщины снега на дорогах и монотонног непрерывного роста усилия на рабочем органе В результате чего получалось монотон ное снижение затрат на содержание дороги с уменьшением частоты применения снего уборочной техники Учет изменения параметров снега под воздействием внешних фак торов, показанный на рис 4 позволил определить рациональную частоту применени снегоуборочной техники и ее зависимость от массы машины

Четвертая глава настоящей работы посвящена экспериментальным исследова ниям, целью которых являлось как подтверждение результатов, полученных в результа те теоретических разработок, так и получение недостающих значений физико механических параметров разрабатываемого материала Кроме того, в работе использо вались результаты экспериментальных исследований А Р Пуртова, С Ю Маленкова И Б Коробова, М В Черняевского, выполненных на кафедре СДМ НГТУ в последнее 14

Ьмя. Экспериментальные исследования состояли из трёх этапов - исследование харак-жсгик снежного покрова автомобильных дорог как разрабатываемой среды; проверка 'точнение математической модели формирования нагрузок на плужном рабочем орга-1снегоуборочной машины; определение энергоёмкости удаления снега при различных

Рис.10. Изменение энергоёмкости удаления экскавационно - разрушенного снега, лежащего на уплотнённом снегу от скорости уборки

Для экспериментальной проверки и уточнения математической модели процесса ^имодействия плужного рабочего органа со слоистым снежным покровом, оценок па-метров и определения значимости факторов, входящих в модель, проверки адекватно-j-i теоретической модели экспериментальным данным были использованы методы пла-¡рования многофакторного эксперимента по плану Хартли. В качестве отклика приня-величина усилия, создаваемого на рабочем органе за счёт суммарной силы резания. 1нный параметр удовлетворяет всем требованиям, предъявляемых к функции отклика, есть имеет физический смысл, количественную оценку и является совокупной и ис-рпывающей характеристикой объекта исследования. Эксперименты проводились не-средственно на участках автомобильных дорог г. Н.Новгорода. Специфические усло-я уборки слоев снега также требуют уточнения таких параметров взаимодействия ра-чих органов как отделение участка снежного наката от подстилающей поверхности ты сцепления), усилие внедрения рабочего органа в многослойную среду, формиро-ние призмы волочения и образования снежной стружки и её разрушения. Толщина era определялась при помощи штангенциркуля, опускаемой в измеряемую среду. Пе-д началом испытаний замерялась общая толщина снежного покрова и толщина каждо-

каждого из рассматриваемых слоев Испытания проводились в различных метеорологических условиях на поверхностях замерзших дорог и взлетно-посадочной полосы аэро порта г Н Новгорода Разрабатываемый снежный покров был как естественного залега ния с различной структурой, так и полученный в лабораторных условиях Сравнительная оценка действительных и расчетных значений сил резания, действующих на элементы рабочих органов снегоуборочных машин и на опорное основание, производилось на основе обработки сигнала, получаемого от установленных в гидроприводе рабочего органа тензодатчиков

В результате проведенных исследований были получены регрессионные зави симости, связывающие параметры снежного покрова, технологию уборки и усилие, воз никающее на плужном рабочем органе во время снегоочистки, энергоемкости (изменение расхода топлива), приведенные ниже

\УРО=158,2 +64,5В+43Ы +40^/г, + 12,2у+18,5В I г | +17,1В ]Г Н, +5,2Ву+

+11,5 |г| £ +3,8Ыу+4,7У£ +3,6У£ А( +39,7(£ р_ )2-4,5(£ ^ )2, (13

1=1 /=1 1=1 1=1 1=1

где В — ширина рабочего органа, | \ | - модуль температуры, V - скорость уборки, Ь толщина слоя снега, р - его плотность, п - число слоев снега

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

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

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

2 Установлено, что наличие слоистости разрабатываемого снега оказывает существен ное влияние на величину усилия резания, но не оказывает влияние на процесс уплот нения снега, внедрения рабочего органа и перемещение призмы волочения Однако, наличие призмы волочения, увеличивает усилие резания слоистого снега на величи ну от 5% при скоростной снегоочистки до 20% при работе тракторов, перемещающих большие объемы снега Разработанная математическая модель разрушения снег как среды, обладающей ярко выраженной слоистостью позволила повысить точност расчетов усилия резания более чем на 14%

3 Получены зависимости изменения энергоемкости разрушения снега в течение време ни Установлено, что для каждого типа снегоуборочных машин существует миниму затрат на зимнее содержание дорог, обусловленный массой машины, скоростью вы падения снега и интенсивностью дорожного движения

Разработана методика расчета конструктивных параметров и технологии применения снегоуборочной техники Установлено, что при использовании модели снега как полислоистой полизональной среды минимум затрат на зимнее содержание дорог смещается в сторону большей задержки начала уборки При этом, в связи с необходимостью разработки уплотненного снежного покрова, нагрузки на рабочий орган могут возрастать на 30 - 50%

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

Проведена проверка достоверности экспериментальных данных, полученных при испытаниях натурных образцов плужных рабочих органов на величину изменения силы резания и на производительность, на воспроизводимость по критерию Кохрена и на адекватность математической модели по критерию Фишера В ходе проверки установлена достоверность результатов по обоим критериям, а относительная погрешность, в зависимости от исследуемых параметров составила от 5 до 15% Результаты работы внедрены в Дорожном фонде Нижегородской области, ОАО «Асфальт-Бетон», ООО «Компания «Магистраль» и используются в учебном процессе на кафедре «Строительные и дорожные машины» Нижегородского государственного технического университета

ОСНОВНЫЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ РАБОТЫ

Минимальные затраты на уборку дорог от снега имеют место при начале применения снегоуборочных машин в период образования многослойного снежного покрова на дорогах, состоящего из свежевыпавшего, экскавационно - разрушенного и уплотненного слоев снега на дорогах

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

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

Скорость уборки свежевыпавшего и экскавационно - разрушенного снега должна составлять 5-7 м/с (20 - 25 км/ч), уплотненного снега - 1 -2 м/с (3,5 - 7 км/ч), а льда -0,2 - 0,5 м/с) Скорость удаления слоистого снега должна быть на 5 - 10% ниже скорости удаления наиболее плотного слоя снега

5 При уменьшении температуры после снегопада, со скоростью большей, чем 1 граду в час, необходимо обеспечить начало уборки раньше на 1 час по сравнению с рас четными значениями При повышении температуры после снегопада необходимо на чинать уборку в момент, когда рост температуры остановится

Основное содержание работы отражено в 12 публикациях

Статьи в ведущих рецензируемых научных журналах

1 Куляшов А П , Маликов О Ю , Молев Ю И , Соколов А М Пути повышения степен очистки снежных накатов на поверхности дорог М Журнал «Строительные и до рожные машины» 2007г , № 3 с 44-46

2 Маликов О М , Севастьянов В А , Соколов А М Специальный рабочий орган дл разработки смерзшихся сыпучих материалов М Журнал «Известия вузов Машино строение» 2007г, № 9 с 40-42

Статьи и тезисы докладов, опубликованные в сборниках научных трудов

3 Кузнецов Б В , Маленков С Ю , Молев Ю И , Соколов А М Зимнее содержание до рог М Известия академии инженерных наук им А М Прохорова «Транспортно технологические машины и комплексы» 2004г Т 5 с 116-122

4 Куляшов А П , Молев Ю И , Соколов А М Расчет частоты циклов применения сне гоуборочной техники / Материалы международной научно-практической конферен ции «Прогресс транспортных систем - 2005» Волгоград ВолгГТУ 2005г

5 Куляшов А П , Петровский А М , Молев Ю И , Соколов А М Оценка уровня колеба ний рабочих органов снегоуборочной техники Москва - Нижний Новгород Извес тия академии инженерных наук им А М Прохорова «Транспортно-технологически машины и комплексы» 2006г Т 19 с 45-52

6 Куляшов А П , Соколов А М , Тютьнев А М Уплотнение слоистого снега и заглуб ление рабочего органа Москва - Нижний Новгород Известия академии инженерны наук им А М Прохорова «Транспортно-технологические машины и комплексы 2006г Т 16 с 97-103

7 Молев Ю И Соколов А М Анализ механического способа очистки автомобильны дорог с точки зрения его экономической эффективности / Материалы международ ной научно-технической конференции «Проектирование, испытания и эксплуатаци транспортных машин и транспортно-технологических комплексов» Н Новгород НГТУ 2005г

8 Молев Ю И , Соколов А М , Тютьнев А М Обобщающая математическая модел разрушения слоистой среды Москва - Нижний Новгород Известия академии инже нерных наук им А М Прохорова «Транспортно-технологические машины и ком плексы» 2006г Т 16 с 33-39

9 Молев Ю И , Соколов А М , Шапкин В А Формирование зональности снежного по крова на поверхности автомобильных дорог Москва - Нижний Новгород Извести академии инженерных наук им А М Прохорова «Транспортно-технологически машины и комплексы» 2006г Т 16 с 116-119

10 Соколов АМ, Черняевский МВ Процесс взаимодействия специального рабочег органа ударного действия со снежно-ледяным накатом и льдом / Материалы научно технической конференции «Будущее технической науки нижегородского региона Н Новгород, НГТУ 2004 175-176 с

11 Соколов А М , Орлов А Г , Марков О М , Шапкин В А Формирование снега на дорогах / Материалы всероссийской научно-технической конференции «ТТМ НН 04 Транспортно-технологические машины» - Н Новгород НГТУ, 2004 228-237с

12 Соколов А М , Хабибуллин Р 3 , Марков О М Методы предотвращения снега и льда на дорогах / Материалы всероссийской научно-технической конференции «ТТМ НН 04 Транспортно-технологические машины» - Н Новгород НГТУ, 2004 237-245с

Подписано в печать 28 09 2007 Формат 60х84'/]б Бумага офсетная Печать офсетная уч — изд л 1,25 Тираж! 00 экз Заказ 856

Нижегородский государственный технический университет им Р Е Алексеева Типография НГТУ 603950, Нижний Новгород, ул Минина, 24