автореферат диссертации по транспорту, 05.22.06, диссертация на тему:Повышение эффективности работы снегозадерживающих устройств в регионах с переменными ветрами

На правах рукописи

ЕГОРОВ АЛЕКСАНДР ОЛЕГОВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ СНЕГОЗАДЕРЖИВАЮЩИХ УСТРОЙСТВ В РЕГИОНАХ С ПЕРЕМЕННЫМИ ВЕТРАМИ

Специальность: 05.22.06 - Железнодорожный путь, изыскание и проектирование

железных дорог

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2008

2 2 2009

003458252

Диссертационная работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный университет путей сообщения» (МИИТ)

Научный руководитель доктор технических наук

Ашпиз Е.С.

Официальные оппоненты: доктор технических наук Василевский Э.Б.

кандидат технических наук Челобитченко С.А.

Ведущая организация: Сибирский Государственный

Университет Путей Сообщения (НИИЖТ)

Защита состоится « 18 » декабря 2008г в 10 час.00 мин. на заседании диссертационного совета Д218.005.11 при Московском Государственном Университете путей сообщения (МИИТ) по адресу: 127994, Москва, ул. Образцова, д. 15, ауд. 1235.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан ноября 2008 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

д.т.н.

Ю.А. Быков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Большая часть территории России расположена в регионах с суровыми климатическими условиями, в которых работа транспорта существенно осложняется из-за снегопадов и метелей. Проблема образования снежных заносов пути возникла сразу после ввода в эксплуатацию первых железных дорог и до настоящего времени остается серьёзной на многих дорогах сети. Особенно остро стоит вопрос защиты от заносов снегом железных дорог, проходящих по тундровой зоне, где не могут быть применены лесонасаждения. Кроме того, особенностью этой зоны являются большие годовые объемы снегоприноса, высокие скорости ветра и, как правило, широкий диапазон их направления.

В этих экстремальных условиях единственным средством для защиты пути от снежных заносов на снегозаносимых участках является устройство постоянных снегозадерживающих заборов, конструкции которых были разработаны в середине прошлого века. Эти конструкции включают не долговечные деревянные элементы, имеют большой вес и не обеспечивают эффективно защиту от снега при переменных направлениях ветра, когда угол атаки потока становится меньше 30°.

Проблема разработки новых эффективных снегозадерживающих устройств сдерживается недостаточной изученностью процессов переноса и отложения снега у снегозадерживающих устройств для указанных экстремальных условий.

В условиях, когда в соответствии со Стратегической программой развития железнодорожного транспорта в нашей стране на период до 2030 года планируется построить до 8,5 тыс. км линий, проходящих по тундровой зоне с большим объемом переносимого ветром снега и переменности его направления, проблема эффективной защиты железнодорожного пути от снежных заносов существенно возрастает.

Таким образом, актуальность данной темы определяется нерешенностью проблемы эффективной работы снегозадерживающих устройств при острых углах атаки в регионах тундровой зоны с интенсивным снегопереносом.

Цель работы повышение эффективности работы снегозадерживающих устройств для регионов с переменными ветрами в тундровой зоне на основе исследо-

вания особенностей переноса и отложения снега и применения современных полимерных материалов.

Методы исследования - теория гидроаэродинамики, математическое моделирование процесса отложения снега на ЭВМ, физическое моделирование работы снегозащитных устройств в аэродинамической трубе, натурный эксперимент на опытных участках.

Научная новизна работы заключается в выявлении основных закономерностей работы снегозадерживающих устройств для регионов с переменными ветрами, позволяющих разработать меры по повышению их эффективности. При этом основные научные результаты работы, полученные лично автором, состоят в следующем:

- на основе чнсленного моделирования, на ЭВМ и физического моделирования в аэродинамической трубе исследованы зависимости изменения скорости снеговетрового потока и формирования снежного вала у препятствий различной конструкции;

- обоснованы и предложены два принципиально новых вида конструкции снегозадерживающих устройств: с обрешеткой в виде восходящих профилей Жуковского и с гибкими флагами;

- предложен схема и параметры силового воздействия тающего снега на снегозадерживающее устройство, позволяющие оценить прочность его отдельных элементов;

- в натурных условиях получены формы снежных валов у экспериментальных конструкций снегозадерживающих устройств с применением полимерных материалов и доказана их эффективность.

Практическая значимость работы состоит в разработке рекомендаций по проектированию и технологии сооружения снегозадерживающих устройств для регионов с переменными ветрами, а также создании опытных конструкций снегозадерживающих заборов с использованием полимерных материалов и проверке их эффективности.

Реализация результатов работы. Результаты исследований, полученные в диссертационной работе, были использованы при разработке проектной документации защиты пути от снега на участке Полярный Урал- 110 км линии Чум - Jla-бытнанги Северной железной дороги, на основе которой с участием автора в 2006 году были возведены 1,5 км опытных конструкций снегозадерживающего забора. Последующая эксплуатация опытной конструкций доказала ее эффективность.

По результатам исследований в 2008 году разработано учебное пособие для студентов.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на второй научно-технической конференции с международным участием «Современные проблемы проектирования, строительства и эксплуатации земляного полотна и искусственных сооружений» (Москва, МИИТ, 2005), на третьей научно-технической конференции с международным участием «Современные проблемы проектирования, строительства и эксплуатации железнодорожного пути» (Москва, МИИТ, 2006), на четвертой научно- технической конференции с международным участием «Современные проблемы проектирования, строительства и эксплуатации железнодорожного пути» (Москва. МИИТ, 2007), на научно практической конференции Неделя науки -2007 «Наука МИИТа - транспорту» (Москва. МИИТ, 2007), V-ой международной научно-технической конференции «TRANS-MECH-ART-CHEM» (Москва, МИИТ, 2008), на 5 международной строительной конференции «5™ INTERNATIONAL

ENGENNER1NG&CONSTRUCTION CONFERENCE» (Irvine, California, USA, 2008).

Публикации. По теме диссертации было опубликовано 11 работ, в том числе получен патент на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, списка использованных источников и приложений. Объем работы составляет 174 страниц, включая страниц машинописного текста, 103 рисунка, 14 таблиц. 5 приложений. Список использованных источников составляет 90 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обосновывается актуальность решаемой в диссертации задачи, излагаются цель, задачи и методы исследования, сформулированы положения, которые выносятся на защиту.

В первой главе проведен аналитический обзор исследований по проблеме снежных заносов и закономерностей переноса снега во время метелей и его отложения при взаимодействии с препятствиями, а также недостатки существующих снегозадерживающих устройств.

Большой вклад в изучение данной проблемы внесли отечественные ученые А.К. Дюнин, A.A. Комаров, Д.М. Мельник, Г.В. Белобжевский, A.A. Беренштейн, Э.П. Исаенко, С.Н, Шарапов и др. Среди современных исследований следует отметить работы, выполненные З.Е. Альтшулером и Л.М. Авдеевым. Среди зарубежных исследователей можно выделить работы Таблера Р.Д., Кайда Р., Кобаяши Д., Сокомото Н., Шмидта Р., занимавшихся изучением законов механики метелей и разработкой эффективных средств снегоборьбы.

Анализ работ по рассматриваемой проблеме показал, что работа снегозадерживающих устройств в большинстве случаев изучалась посредством физического моделирования в аэродинамических каналах и экспериментально в натурных условиях, поэтому многие зависимости процессов переноса и отложения снега имеют эмпирический характер и могут быть использованы в конкретных ограниченных условиях и для тех конструкций, которые исследовались.

В тоже время данная проблема недостаточно исследована с применением современных математических методов, которые могут позволить получить основные зависимости процессов переноса и отложения снега для различных условий и конструкций.

Кроме того, анализ средств снегоборьбы используемых на Российских железных дорогах показал, что применяемые типы снегозадерживающих устройств, созданные в середине прошлого века, имеют недостатки и требуют модернизации. Главными из них является большой вес конструкций и использование дерева, со-

кращающего срок службы из-за гниения и недостаточной прочности планок при силовом воздействии тающего снега.

Последнее время в США приоритетным направлением модернизации снегозадерживающих конструкций является снижение их веса и как следствие переход на новые полимерные материалы. В этой связи весьма актуальным становится разработка новых эффективных конструкций снегозащитных устройств для регионов с переменными ветрами на основе исследования особенностей снегопере-носа и снегоотложения в экстремальных условиях и применения современных полимерных материалов, имеющих меньший вес. Структурная схема исследования приведена на рисунке 1.

Цель Повышение эффективности работы снегозадерживающих уст-

ройств для регионов с переменными ветрами в тундровой зоне

Задачи

Исследование зависимости изменения ско-

Методы

Рисунок 1- структурная схема исследования

Вторая глава посвящена математическому моделированию работы снегозадерживающих устройств различной конструкции и отложения снега вблизи них с разработкой на основе моделирования направлений по повышению эффективности существующих конструкций.

Математическое моделирование снегозадерживающих устройств состояло из двух этапов. На первом этапе моделирования изучались законы отложения снега вблизи существующего типового снегозадерживающего устройства с деревянной обрешеткой, высотой 3,6м, просветностью 50%, которое в дальнейшем было принято за базовое устройство для сравнения полученных результатов с полевыми исследованиями, а также вывода критериев для проектирования более эффективных устройств. На втором этапе моделировались другие новые типы снегозадерживающих устройтсв, и оценивалась их эффективность.

Для проведения моделирования была выбрана зависимость, полученная A.A. Комаровым в условиях Заполярья, согласно которой количество переносимого снега (а), проходящего через единичную площадку перпендикулярную потоку, определяется эмпирической формулой:

_ А.

q = ae'v (1)

где а, b - константы; V - скорость воздушного потока. Если принять, что при переходе от сечения л: к сечению (x+dx) скорость ветра уменьшается от величины V до (V- dV), то между ними в единицу времени выпадает количество снега (dQ% пропорциональное разности потоков массы в этих сечениях, и тогда количество выпавшего снега можно описать формулой

dQ —da = - — — cfe

dV dx (2)

Из формулы (2) следует важный вывод о том, что отложение снега у препятствий может быть оценено по изменению скоростей снеговегрового потока, которое подчиняется закону, описываемому уравнениями Навье-Стокса для несжимаемой жидкости. Для исследуемой задачи может быть применена двухмерная постановка, в которой уравнения Навье - Стокса записываются в виде:

к8и , ди дР , ,, ,82и , о2и.

О? СХ 0> ох ох ду & ду дч дР ,д\ 5"уч

—+ — -о-

дх ду

где и и V составляющие скорости по осям х,у, р - плотность воздуха, р-давление. Для определения коэффициента турбулентной вязкости ц, использовалась к-ю БЭТ модель турбулентности. Данная модель турбулентности наиболее подходит для исследования полей скорости воздушного потока вблизи снегозадерживающего устройства. В ней кроме уравнений Навье - Стокса решаются уравнения для кинематической вязкости (к) и среднеквадратической завихренности

дк . дк дк ,,,, ди,. „,, ч + и—+ V—= Р(к, Н',—- Щ, и>);

о! дх ду дх/

дм> дм дм ди,.

(4)

где И - параметр, включающий генерацию турбулентности в сдвиговых слоях, И- параметр, включающий затухания турбулентных пульсаций, в- параметр, включающий масштаб завихренности.

Для решения данной системы уравнений при сложных формах препятствий потоку применяется численный метод. В настоящем исследовании численное моделирование выполнялось с использованием программных комплексов, разработанных в Великобритании и применяемых для решения задач гидродинамики.

В результате моделирования базового варианта снегозадерживающего устройства с высотой 3.6м, просветностью 50% была определена зависимость горизонтальной скорости потока от расстояния за снегозадерживающим устройством (рисунок 2). Результаты показывают, что главными недостатками существующего снегозадерживающего устройства является сильное торможение потока перед ним и слишком близкое расположение минимума скорости за устройством, что по теории снегоотложения А.К. Дюнина приводит к накапливанию снега и заработке

устройства. Эффективный снегозадерживающий забор должен обеспечивать задержание максимального количества снега и не зарабатываться в течение зимы. В идеальном случае снежный вал должен располагаться на максимально большом расстоянии за забором. На рисунке 2 сплошной линией представлено распределение горизонтальной скорости потока, которое обеспечивает эффективность снего-

Х/Н

Рисунок 2 - зависимость горизонтальной скорости потока вблизи снегозадерживающего устройства от расстояния

Исходя из полученных результатов, на втором этапе в качестве альтернативных решений были промоделированы три новых типа заборов (рисунок 3):

- с переменной просветностью по высоте. Предполагалось, что увеличение просвета в нижней части устройства приведет к увеличению горизонтальной скорости потока, относительно существующего устройства;

- устройство с «козырьком» в верхней части. «Козырек» предотвращает вредное перетекание воздуха через верхний край забора и тем самым увеличивает расстояние до сечения, где значение горизонтальной скорости потока минимально;

- устройство с профилями Жуковского. Предполагалось, что профили Жуковского установленные под отрицательным углом атаки (рисунок Зв), будут увеличивать значение вертикальной (подъемной) компоненты скорости в нижней части тем самым уменьшать отложение снега в непосредственной близости за снегозадерживающим устройством.

■Гч-ЧЧЧЧчЧЧЧЧЧ^чч1 -ч^

•> // / У

'чЧЧЧЧчЧЛЧ'-' ЧчЧ^'ч^ЧЧчЧЧЧЧЧч^'чЧУ;^-!.-

Рисунок 3 - новые виды снегозащитных устройств, а) заборы с переменной просветностью без козырька; б) с козырьком; в) решетка из профилей с восходящим углом атаки По результатам моделирования были получены зависимости горизонтальной скорости потока от расстояния за предложенными снегозадерживающими устройствами (рисунок 4). Из рисунка видно, что первые два типа устройств не имеют значительного преимущества перед базовым вариантом стандартного снегозадерживающего забора.

- базовое устройство, устройство с козырьком; спеременной просветностью решетка профилей;

Рисунок 4 - горизонтальная скорость потока вблизи разных снегозадерживающих устройств Течение за снегозадерживающим устройством, составленным из профилей Жуковского, имеет более сложную структуру по сравнению с остальными. Появ-

ление нескольких зон отрыва, по-видимому, является следствием формирования за преградой вихрей, которые в процессе своей эволюции смещаются вниз по потоку. Для оценки эффективности работы снегозадерживающего устройства с решеткой из профилей можно применить осредненные значения. Значение горизонтальной скорости потока вблизи снегозадерживающего устройства с решеткой профилей имеет большую величину, чем у других сравниваемых устройств, что приводит к ускорению потока перед ним и соответственно выносу снежных частиц за преградой на большее расстояние, чем у базового устройства. Минимум скорости ветрового потока у данного устройства находится на большем расстоянии, от преграды, что обеспечивает длительную эффективную работу.

Анализ полученных результатов позволяет заключить, что устройство представленное решеткой ич профилей Жуковского позволяет уменьшить зарабаты-ваемость, но значительно сокращает расстояние до начальной стадии образования снежного вала, что приводит к снижению снегосборной способности. Однако следует отметить, что полученные результаты требуют дополнительной проверки при физическом моделировании.

Третья глава посвящена результатам физического моделирования с проверкой результатов полученных в ходе проведения математического моделирования, а также выявлению направлений для создания новых устройств.

Исследования проводились в аэродинамической трубе Т-129 (далее АДТ). Диаметр сопла АДТ составляет 1200мм диапазон скоростей воздушного потока 7-80 м/с. Исходя из условия автомодельности и размеров открытой части АДТ, масштаб моделей снегозадерживающих конструкций принят 1:50.

На первом этапе физического моделирования выполнялось изучение полей скорости воздушного потока вблизи базового варианта и сравнение полученных результатов с полевым экспериментом. На втором этапе проводилось физическое моделирование новых снегозадерживающих устройств с целью выявления направлений по повышению эффективности их работы.

В ходе проведения физического моделирования были получены изолинии относительной горизонтальной скорости потока, которые сравнивались с изоли-

ниями, полученными в полевом эксперименте Таблера Р.Д. (рисунок 5), что позволило доказать корректность результатов, получаемых физическим моделированием по предложенной методике.

га-

а)

10-аг-эо-

-4 -> 0 2 4 6 в 10 13 М

Х/Н

ш 0 5 10 15 20 25 30

1 DISTANCE DOWNWIND FROM FENCE, X/H

Рисунок 5- изолинии горизонтальной скорости потока в базовом варианте снегозадерживающего устройства высотой 3.6м, просветностью 50%, а) эксперимент в трубе; б) полевой эксперимент

Для оценки результатов математического моделирования были промоделированы три типа устройств,, описанных в предыдущей главе. При этом решетка из профилей Жуковского (рисунок 6) была промоделирована при разных углах наклона профилей (таблица 1). Оценить зарабатываемое^ устройства можно по профилю относительной горизонтальной скорости вблизи него. Если под устройством скорость возрастает по оси абсцисс (х), то согласно принятой теории снего-переноса, снег будет выдуваться из-под него. Профили горизонтальной скорости в приземном слое для всех испытанных устройств, полученные при физическом моделировании, приведены на рисунке 7. Из рисунка видно, что профиль скорости перед решетками из профилей такой же, что и перед базовым вариантом. В непосредственной близости за решеткой №3 скорость возрастает сильнее, чем у

базового варианта. Следовательно, заработка решеток предлагаемого варианта менее вероятна, чем базового забора.

Таблица 1

№ профиля 1 2 3 4 5 6 7 8 9

Решетка 1,гр 10 15 20 25 30 35 40 45 50

Решетка 2,гр 15 20 25 30 35 40 45 50 55

Решетка 3,гр 15 25 35 45 55 60 60 60 60

Рисунок 6- решетка профилей

-без забора

—•-стандартный забор

—«--профили №21

-«-- профили №2!

_ забор с переменной

просветностью

■SOS 10 х/Н

Рисунок 7- горизонтальные профили скорости предлагаемых устройств

В целом эксперимент подтвердил вывод о перспективности решеток в виде профилей и об отсутствии преимуществ устройств с переменной просветностью и козырьком. Эффективность работы снегозащитных устройств с решеткой из профилей Жуковского требует дальнейшего подтверждения натурным экспериментом.

В качестве еше одного перспективного снегозадерживающего устройства предложено использовать обрешетку с гибкими флагами, которые автоматически подстраиваются под меняющееся направление ветра, что принципиально отличает их от других устройств с жесткими обрешетками. Целью испытания модели устройства с гибкими флагами в аэродинамической трубе являлось определение зависимости его коэффициента сопротивления от длины флагов, направления ветра, плотности флагов и сравнение его с базовым вариантом снегозадерживающего устройства. Модель устанавливалась в рабочей части АДТ на державке, оборудованной тензовесами. Расположение модели в рабочей части трубы показано на рисунке 8. Угол между нормалью к плоскости модели и направлением потока а изменялся путем поворота модели с помощью механизма аэродинамической трубы (поворотного круга).

Рисунок 8- модель с гибкими флагами в рабочей части трубы При моделировании проводились измерения нормальной к плоскости панели силы Гц действующей на флаги при различных углах обдува а и скоростях потока 10, 12, 15, 20, 25 м/с. ,Ддя контроля точности измерения проводились дваж-' ды: при увеличении скорости потока в трубе (прямой ход), затем при ее уменьше-1 нии (обратный ход). Сила Бх, действующая на модель, определялась как разность сил, измеренных при испытаниях модели, установленной на державке, и державки [ без модели. По измеренным значениям продольной и поперечной силы вычислялась сила сопротивления модели Рх :

1\ = к, соБа + Е вига

и ее коэффициент сопротивления Сх

Сг

2Е

• *

ргЛ<?

(5)

(6)

где р - плотность воздуха, и - скорость потока, Б ==0,36м - площадь модели. Полученные результаты в виде зависимостей коэффициента сопротивления флагов от скорости потока для различных значений длины и плотности материала показаны на рисунке 9.

• [.•300 мм

* ММ

* 1"200 мм

* 1.«150 ММ

о 1.зЮ0 мм

ф 1*50 ММ

• 0*3 флагов

—Н-флаги 900г/м2

- - - флнгн 600 */м2

-•-вертикальная обрешетка 50%

- горизонтальная обрешетка 50%

—г-

511

5 \/(м.'с]

Рисунок 9 - зависимости коэффициента сопротивления различных снегозадерживающих устройств от угла обдува Из рисунка видно, что флаги длиной от 250-300мм из материала плотностью 600 и 900 г/м2 имеют близкие коэффициенты сопротивления Сч=0.9±0.1 по всем скоростям. Гибкие флаги, закрепленные на решетке, имеют большее сопротивление, чем базовый вариант при горизонтальном и вертикальном расположении обрешетки при всех углах обдува. Однако эта разница особенно велика при больших углах обдува а>40°, когда сопротивление флагов больше в два и более раз. Это свидетельствует, о том, что флажковый забор должен иметь преимущество перед стационарной обрешеткой при изменении угла атаки ветра.

На основании результатов математического и физического моделирования были определены направления для создания новых снегозадерживающих устройств, работающих более эффективно, чем существующие. Предложены два ти-

16

па принципиально новых вида конструкций снегозадерживающих устройств: обрешетки в виде восходящих профилей Жуковского и с гибкими флагами.

В четвертой главе дана оценка эффективности работы предложенного снегозадерживающего устройства с гибкими флагами на базе проведенного натурного эксперимента и сравнение его результатов с данными по работе других устройств. В этой же главе приводится разработанный автором расчет элементов снегозадерживающих устройств на воздействие снеговой нагрузки в период весеннего таяния снега. Проведенный расчет позволил оценить значение силового воздействия тающего снега на элементы снегозадерживающего устройства.

Для проверки эффективности работы флажкового снегозадерживающего забора в натурных условиях была проведена снегомерная съемка вблизи 3-х типов конструкции:

- флажковый снегозадерживающий забор высотой 4.2м;

- снегозадерживающий забор с горизонтальной деревянной обрешеткой высотой 4.2м, просветнсстью 50%;

- снегозадерживающий забор с вертикальной обрешеткой из композитного материала высотой 4.2м, толщиной планок 4мм, просветностью 50%. Результаты снегомерной съемки профилей снежного вала позволили оцените объем снегоотложения вблизи снегозадерживающих устройств (таблица 2). Их анализ показал, что фгажковая снегозадерживающая обрешетка имеет наименьший вес и эффективно задерживает снег.

Таблица 2

№ п.п Вид обрешетки Вес забора, кг/пог.м Объем снегоотложения после забора, м3/пог.м

1 Деревянная, горизонтальная 139 81

2 Композитная, вертикальная 100 129

3 Флажковая, гибкая 68 101

Многие исследователи отмечают необходимость повышения срока службы для деревянных элементов обрешетки снегозадерживающих конструкций, особенно данная проблема актуальна в регионах с большим количеством переносимого ветром снега и не розным рельефом. Так во второй половине зимнего пе-

риода устройство зарабатывается снегом, а в период весеннего таяния происходит поломка нижних планок горизонтальной обрешетки. В работе предлагается расчетная схема воздействия снега на снегозадерживающие устройства на косогорах, учитывающая давление снега при его подвижке вниз по склону, а также вертикальное давление на планки при таянии и оседении снега вниз.

Предложенная расчетная схема для давления снега вниз по склону изображена на рисунке 10.

Рисунок 10 - расчетная схема давления на заборля горизонтальной составляющей нагрузки: где Q - равнодействующая сила тяжести блока снега, кН; G - средний удельный вес снега, кН/м3; W - площадь поперечного сечения блока снега, м2; N и Т - нормальная и тангенциальная составляющие силы тяжести блока снега, кН; f - коэффициент трения снега по поверхности грунта; С - удельное сцепление снега с грунтом, кПа; ß - угол, образованный наклонной поверхностью и горизонталью; L- максимальная длина активного блока; Е0П - сила действующая на забор.

При расчете принята гипотеза, что в момент начала таяния снега по контакту снега с поверхностью грунта образуется слой воды и тогда можно считать, что параметры трения и сцепления снега с поверхностью грунта отсутствуют.

Тогда, исходя из принятых предпосылок, величина силы Еоп на обрешетку может быть найдена по аналогии расчета оползневой силы при давлении грунта на подпорную стену

L

Eon=lcQtgß

(7)

где к - коэффициент запаса конструкции.

Для определения удельного веса снега у снегозадерживающих устройств в полевых условиях были проведены замеры плотности его на разных уровнях в момент максимальной высоты снежного покрова (конец зимнего периода).

По предложенной схеме были проведены расчеты при различных углах наклона поверхности и высотах снегозадерживающего устройства. В результате проведенных расчетов были сформулированы следующие рекомендации, позволяющие обеспечить необходимую прочность снегозадерживающего устройства:

- снегозадерживающие конструкции следует по возможности располагать на горизонтальных поверхностях;

- на поверхности с уклоном более 30° не рекомендуется устанавливать снегозадерживающее устройство высотой более 5.5м;

- при монтаже снегозадерживающего устройства на наклонной поверхности следует проводить ежегодный осмотр нижних планок.

Значение воздействия вертикальной нагрузки, возникающей при таянии и оседании снега, было получено в ходе полевого эксперимента для рамного элемента снегозадерживающей конструкции. Были взяты значения прогиба рамного элемента, подверженного воздействию тающего и оседающего снега. Для расчета вертикальной составляющей нагрузки использовалась формула, полученная из решения интеграла Мора для балки с равномерно-распределенной нагрузкой:

= (8)

2 384 El

где V- прогиб балки; / - длина балки (пролета забора); q - равномерно-распределенная нагрузка; Е - модуль упругости стали; / - момент инерции рамного элемента.

В результате обработки экспериментальных данных на опытном участке была получена эмпирическая зависимость значения равномерно-распределенной нагрузки тающего снега на нижний рамный элемент (q) от высоты снегозадерживающего устройства и плотности снежного вала

q = 0.35Яойяр (9)

где Н0(-,р - высота панели обрешетки снегозадерживающего устройства;

р - средний удельный вес снежного вала.

Полученные результаты могут быть приняты для обеспечения прочности элементов снегозадерживающих устройств при их проектировании в регионах с интенсивным снегопереносом.

В пятой главе разработаны рекомендации по проектированию снегозадерживающих устройств в регионах с переменными ветрами, описана технологическая схема сооружения флажковой обрешетки и рамной конструкции, а также приведена технико-экономическая оценка эффективности предлагаемых устройств на сильно заносимом участке 98 км ПКО+ОО- 110км ПК0+00 линии Чум -Лабытнанги Северной железной дороги.

По результатам моделирования наиболее перспективной конструкцией для регионов с переменными ветрами оказался флажковый снегозадерживающий забор, для которого была разработана конструкция с облегченной металлической рамой. Такая конструкция имеет небольшой вес и эффективно работает при острых углах атаки обрешеток, поэтому конструкция с гибкими флагами была принята для проведения полевого эксперимента на участке линии Чум - Лабытнанги Северной железной дороги.

Для данной конструкции была разработана методика технологии монтажа флажковой обрешетки на облегченную рамную конструкцию, учитывающая:

- особенности рамной конструкции облегченного типа;

- требования, предъявляемые к материалу;

-требования при производстве работ в условиях тундры и мерзлоты в основании.

Разработанная методика была апробирована в ходе сооружения опытного участка.

В результате технико-экономического обоснования установлено, что применение флажковой снегозадерживающей обрешетки способствует более качественной и эффективной защите пути от образования снежных заносов и позволяет сократить строительную стоимость 1км снегозадерживающего забора на 2,542 миллиона рублей в ценах за 2008г.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Проведенный анализ исследований по проблеме защиты пути от снежных заносов в регионах тундровой зоны с интенсивным снегопереносом и переменными ветрами позволил установить, что существующие снегозащитные устройства не позволяют решить проблему эффективного снегозадержания. Главными их недостатками является не эффективная работа при острых углах атаки ме-телевого потока, большой нес конструкций и использование дерева, сокращающего срок службы из-за гниения и недостаточной прочности планок при силовом воздействии тающего снега.

2. Обзор исследоианий процессов переноса и отложения снега показал, что работа снегозадерживающих устройств в большинстве случаев изучалась посредством физического моделирования в аэродинамических каналах и экспериментально в натурных условиях, поэтому многие зависимости этих процессов имеют эмпирический характер и могут быть использованы в конкретных ограниченных условиях и для тех конструкций, которые исследовались.

В тоже время данная проблема недостаточно исследована с применением современных математических методов, которые могут позволить получить основные зависимости процессов переноса и отложения снега для различных условий и конструкций.

3. Результаты проведенных моделирований на ЭВМ и в аэродинамической трубе показали, что недостатками существующих снегозадерживающих устройств является сильное торможение потока перед ним и слишком близкое расположение минимума скорости за ним, что приводит к накапливанию снега и заработке устройства. Эффективный снегозадерживающий забор должен обеспечивать задержание максимального количества снега и не зарабатываться в течение зимы, при этом снежный вал должен располагаться на максимально большом расстоянии за забором.

4. На основе математического и физического моделирования предложены две более эффективные конструкции снегозадерживающих заборов: с обрешеткой профилей Жуковского и гибких флагов.

Главным преимуществом устройства с обрешеткой в виде профилей является большее значение горизонтальной скорости вблизи снегозадерживающего устройства, что приводит к ускорению потока перед ним и уменьшает его зарабаты-ваемость. Особенностью устройства с гибкими флагами является его автоматическая подстройка под меняющееся направление ветра, что позволяет эффективно задерживать снег под разными углами атаки, в том числе острыми. Кроме того, эти устройства имеют меньший вес.

5. В результате физического моделирования были определены оптимальные параметры флажковой обрешетки. Исходя из изменения сопротивления снеговому потоку, длина флага рекомендована 300 мм, а по результатам ресурсных испытаний прочности ткани её плотность выбрана в 900 г/м2.

6. Для уменьшения веса снегозадерживающего устройства с учетом выявленных силовых нагрузок, действующих на него, разработана универсальная рамная конструкция, не требующая тяжелой техники и больших трудозатрат при монтаже и подходящая под использование различных типов обрешетки.

7. На основании анализа разрушений деревянной обрешетки существующей снегозадерживающей конструкции с горизонтальной обрешеткой были разработаны схемы расчета силового воздействия, позволяющие оценить воздействие нагрузки от тающего снега на элементы конструкции.

8. В полевых условиях были получены формы снежных валов вблизи различных конструкций снегозадерживающих устройств, анализ которых показал, что флажковая снегозадерживающая обрешетка, имеющая наименьший вес, эффективно задерживает снег.

9. Была разработана технологическая схема монтажа флажковой обрешетки и универсальной рамной конструкции. Положения технологической схемы были использованы при разработке проектной документации на снегозадерживающие устройства и в последующем при выполнении работ по строительству снегозадерживающих заборов на линии Чум - Лабытнанги.

10. Технико-экономические расчеты показывают, что применение снегозадерживающих устройств с облегченной рамной конструкцией и флажковой об-

решеткой позволяют сократить строительную стоимость 1км снегозадерживающего забора на 2,5 миллиона рублей за счет стоимости строительных материалов и меньших трудозатрат.

11. По результатам исследований были сформулированы' рекомендации по проектированию снегозащиты в регионах с переменными ветрами и интенсивным снегопереносом, заключающиеся в выборе типа и расположения снегозадерживающих устройств.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Егоров А.О. Проблема повышения эффективности предупреждения снежных заносов в условиях Крайнего Севера. //Труды второй научно- технической конференции с международным участием «Современные проблемы проектирования, строительства и эксплуатации земляного полотна и искусственных сооружений»,- М.:МИИТ, 2005, с.130-131.

2. Егоров А.0. Моделирование работы конструкции снегозадерживающих заборов с гибкими флагами.//Труды третьей научно- технической конференции с международным участием «Современные проблемы проектирования, строительства и эксплуатации железнодорожного пути»,- М.:МИИТ,2006,с. 132184/

3. Егоров А.О. Повышение эффективности предупреждения снежных заносов в условиях Крайнего Севера, с применением современных материалов.//

Труды четвертой научно-технической конференции с международным участием «Современные проблемы проектирования строительства и эксплуатации железнодорожного пути»,- М.:МИИТ, 2007, с.208-211.

4. Ашпиз Е.С., Егоров А.О. Снегозадержание в условиях Крайнего Севера с применением полимерных материалов.// Искусственные сооружения на железнодорожном транспорте. Труды молодых ученых и студентов. Тезисы докладов. Москва 2007г,с.15-16.

5. Егоров А.О., Ашпиз Е.С. Снегозадержание на линии Чум - Лабытнан-ги флажковым способом.// Труды научно-практической конференции Неделя нау-

Vis

ки-2007 «Наука МИИТа - транспорту», часть 1,, МИИ'Г, Москва 2007г, с. 11-55, II

56.

6. Ашпиз Е.С., Егоров А.О. Эффективность предупреждения снежны, заносов // Путь и путевое хозяйство, 2008.-№11 .с.30-31.

7. Ашпиз Е.С., Егоров А.О. Моделирование средств снегозащиты // Ми транспорта 0308, 2008.-№10.с.44-50.

Е. Egorov А.О., Ashpiz E.S. Controlling blowing and drifting snow wit snow fences.// Труды V международной научно- практической конференции. М.:МИИТ,2008,- с.68-69.

9. Ashpiz E.S., Egorov А.О. The benefits of the composite snow-retaimn constructions.// 5th International Engineering and Construction Conference (IECC'5 Irvine, USA.2008, p. 175-183.

10. Патент РФ №2324027 на изобретение «Снегозащитное устройство) Егоров O.K., Ашпиз Е.С., Егоров А.О., опубл. в бюл. № 13,2008.

11. Гринь E.H., Егоров А.О. Организация снегоборьбы на железных доро гах Российской Федерации: Учебное пособие. - Москва 2008.

ЕГОРОВ АЛЕКСАНДР ОЛЕГОВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ СНЕГОЗАДЕРЖИВАЮЩИХ УСТРОЙСТВ В РЕГИОНАХ С ПЕРЕМЕННЫМИ ВЕТРАМИ Подписано к Формат бумаги 60x84/16

Объем 1.5 п.л. Заказ NzfflS Тираж 80 экз. Типография МИИТа. 127994, г.Москва, ул. Образцова, 15

ВВЕДЕНИЕ.

1. Аналитический обзор проблемы снегозадержания на железных дорогах и цель исследования.

1.1 Природа появления снежных заносов на железнодорожном пути и количественные зависимости снегопереноса.

1.2 Аналитический обзор средств защиты пути на перегонах от снежных заносов.

1.2.1 Классификация средств защиты пути.

1.2.2 Конструкции снегозадерживающих заборов применяемые на Российских железных дорогах.

1.2.3 Конструкции снегозадерживающих устройств, применяемые за рубежом.

1.3 Влияние снега на деятельность железнодорожного транспорта.

1.4 Выводы по главе 1.

1.5 Цели и методы исследования.

2. Математическое моделирование работы снегозадерживающих конструкций.

2.1. Общие положения.

2.2. Математическое моделирование поля течения скорости вблизи базовой модели снегозадерживающего устройства.

2.2.1 Описание математической модели базового снегозадерживающего устройства.

2.2.2 Система уравнений и используемые модели турбулентности.

2.2.3 Общий характер течения воздушного потока.

2.2.4 Влияние профиля скорости в приземном слое.

2.2.5 Моделирование формирования сугроба за базовым снегозадерживающим устройством.

Актуальность темы диссертации. На железнодорожном съезде «Развитие 2030» [1] было отмечено: «железнодорожный транспорт всегда является инфраструктурным базисом хозяйственного комплекса России. И даже при самой неблагоприятной конъюнктуре он обеспечивал стабильность Российской экономике. Обеспечив надлежащую поддержку железным дорогам, мы сможем за короткий срок существенно повысить качество железнодорожных перевозок и обеспечить транспортную доступность регионов страны, что приведет к потенциальному росту качества жизни россиян». Качество железнодорожных перевозок зависит от множества факторов, оказывающих прямые и косвенные воздействия на подвижной состав и на конструкции железнодорожного пути, которые в процессе эксплуатации требуют проведения различных ремонтных мероприятий. Особенно работа железнодорожного транспорта осложняется в зимний период эксплуатации. В общей сумме эксплуатационных затрат на железных дорогах страны значительное место занимают расходы на снегоборьбу. По данным формы АГО-3 на железных дорогах общая протяженность снегозаносимых мест составляет 61865,5 км, из которых ограждено лесонасаждениями, заборами и другими постоянными защитами 59505,3 км. Для предотвращения заносов пути снегом в ходе подготовки хозяйства к работе в зимний период 2359.2 км подлежат ограждению переносными снегозадерживающими щитами. Наибольшая протяженность снегозаносимых мест, подлежащих ограждению, имеется на Восточно-Сибирской (452км), Свердловской (416 км), Дальневосточной (352 км) и Северной (310) железных дорогах. ОАО РЖД ежегодно на снегоборьбу на всей сети дорог расходует 800 млн.руб., значительное количество труда и материальных средств.

Из-за снежных заносов пути происходят задержки поездов. Велик ущерб и из-за задержки грузов в пути, нарушение нормального ритма работы других отраслей народного хозяйства. Кроме того, до сих пор существуют линии, на которых происходят задержки поездов на перегонах и станциях по причине отложения снега на верхнем строении пути во время метелевого переноса. В перспективе развития железных дорог [1] планируется построить и ввести в эксплуатацию 1500 километров технологического и более 7000 км стратегического железнодорожного пути находящего в зоне с интенсивным переносом снега. Следует отметить, что в связи с увеличением грузооборота на линиях находящихся на Крайнем Севере, проблема предупреждения образования снежных заносов становится еще более актуальной.

На сегодняшний день для решения проблемы образования снежных заносов на пути применяются два направления. Первое согласно [2], предупреждение образования снежного заноса на пути, т.е. создание живых снегозащитных лесонасаждений, установка временных или постоянных снегозадерживающих конструкций в полосе отвода и.т.д. Второе согласно [3], очистка отложившегося снега на пути (вручную, снегоочистительными машинами, воздушными пушками и т.д.). Оба метода являются взаимно дополняющими, так как одной механизированной очисткой пути иногда не удается очистить путь от всего приносимого ветром снега за требуемый период времени, также невозможно в полосе отвода задержать снег, который выпадает в период снегопада.

Исследованиями отечественных и зарубежных ученых решены многие научные задачи механики метелей для районов, где ветер имеет скорость до 15-20 м/с [4]. Был проведен ряд исследований, посвященных изучению особенностей переноса снега при сильных метелях при скорости ветра 40-50 м/с [5]. Исследовалась работа снеговых защит в этих условиях, закономерности обтекания земляного полотна снеговетровым потоком в условиях малых сне-госборных площадей и при больших скоростях ветра. Разрабатывались также рекомендации по способам защиты и предотвращению заносимости пути при сильных метелях. Были тщательно изучены проблемы снегозаносимости и предупреждения образования снежных заносов на железнодорожных станциях [6]. Проведенные исследования позволили разработать меры по дальнейшему усовершенствованию средстьв для предупреждения образования снежных заносов на железнодорожном пути.

На сегодняшний день не достаточно изучены регионы Крайнего Севера, где направление метелевых ветров изменяется несколько раз в сутки, в связи, с чем интенсивность отложения снега в зоне действия снегозащиты возрастает. Здесь требуется, поэтому еще поиск эффективных способов защиты от снежных заносов. На однопутной линии Чум — Лабытнанги Северной железной дороги протяженностью 199 километров предупреждение снежных заносов осложняется природо- климатическими условиями. Согласно инструкции по снегоборьбе на железных дорогах Российской Федерации [7] для предотвращения образования снежных заносов на пути при направлениях метелевых ветров к оси пути менее 30 , необходимо устанавливать снегозадерживающие устройства уступами (т.е. устанавливать косые ряды) под более прямым углом к направлению господствующих метелевых ветров. На данной линии существуют перегоны длиной десятки километров, где направление ветра может меняться до 3-х раз за сутки, от 10 до 165° по отношению к оси пути.

Данное обстоятельство вызывает большие сложности для проектирования стандартных средств снегозащиты, так как эффективность их работы резко снижается при возникновении острых углов атаки образующихся между направлениями метелевого ветра и осью пути.

Несмотря на значительные число научных исследований, где рассмотрены способы снегозащиты железных дорог от обычных метелей в обычных условиях [8,9], данное исследование является практически первым для района с переменными направлениями метелевых ветров и интенсивным снего-переносом.

Целью работы является повышение эффективности работы снегозадерживающих устройств для регионов с переменными ветрами в тундровой зоне на основе исследования особенностей переноса и отложения снега и применения современных полимерных материалов.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1) разработать теоретическую модель отложения снега вблизи базового снегозадерживающего устройства;

2) исследовать методами математического и физического моделирования процесс отложения снега вблизи снегозадерживающих заборов с разными конструктивными решениями обрешетки;

3) на основе моделирования выявить основные направления создания более эффективных снегозадерживающих устройств для регионов с переменными ветрами;

4) разработать экспериментальные конструктивные решения снегозадерживающих заборов для опытных участков с учетом снижения их веса и повышения долговечности;

5) провести на опытных участках в полевых условиях натурные эксперименты с разработанными экспериментальными конструкциями снегозадерживающих заборов;

6) разработать рекомендации для проектирования снегозадерживающих заборов в регионах с переменными ветрами; выполнить технико-экономическую оценку экспериментальных конструктивных решений снегозадерживающих заборов. Методика исследований. Для решения поставленных задач выполнялись теоретические, лабораторные и полевые исследования. Для повышения эффективности работы снегозадерживающих устройств для регионов с переменными ветрами использовались теория гидроаэродинамики, математическое моделирование процесса отложения снега на ЭВМ, физическое моделирование работы снегозащитных устройств в аэродинамической трубе. Полевые исследования выполнялись на линии Чум- Лабытнанги Северной железной дороги.

Научная новизна работы заключается в выявлении основных закономерностей работы снегозадерживающих устройств для регионов с переменными метелевыми ветрами, позволяющих разработать меры по повышению их эффективности. При этом основные научные результаты работы, полученные лично автором, состоят в следующем:

- на основе численного моделирования, на ЭВМ и физического моделирования в аэродинамической трубе исследованы зависимости изменения скорости снеговетрового потока и формирования снежного вала у препятствий различной конструкции;

- обоснованы и предложены два принципиально новых вида конструкции снегозадерживающих устройств: с обрешеткой в виде восходящих профилей Жуковского и с гибкими флагами;

- предложен схема и параметры силового воздействия тающего снега на снегозадерживающее устройство, позволяющие оценить прочность его отдельных элементов;

- в натурных условиях получены формы снежных валов у экспериментальных конструкций снегозадерживающих устройств с применением полимерных материалов и доказана эффективность их работы. Достоверность результатов. Достоверность выводов, полученных на основе теоретических и экспериментальных исследований, подтверждается результатами натурных наблюдений на опытном полигоне снегозадерживающих конструкций в регионе с переменными ветрами. Теоритические и фактические результаты имеют хорошую сходимость.

Практическая ценность работы состоит в разработке рекомендаций по проектированию и технологии сооружения снегозадерживающих устройств для регионов с переменными ветрами, а также создании опытных конструкций снегозадерживающих заборов с использованием полимерных материалов и проверке их эффективности.

Реализация результатов работы. Результаты исследований, полученные в диссертационной работе, были использованы при разработке проектной документации защиты пути от снега на участке Полярный Урал- 110 км линии Чум — Лабытнанги Северной железной дороги, на основе которой с участием автора в 2006 году были возведены 1,5 км опытных конструкций снегозадерживающего забора. Последующая эксплуатация опытной конструкций доказала ее эффективность.

По результатам исследований в 2008 году разработано учебное пособие для студентов.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на второй научно-технической конференции с международным участием «Современные проблемы проектирования, строительства и эксплуатации земляного полотна и искусственных сооружений» (Москва, МИИТ, 2005), на третьей научно-технической конференции с международным участием «Современные проблемы проектирования, строительства и эксплуатации железнодорожного пути» (Москва, МИИТ, 2006), на четвертой научно- технической конференции с международным участием «Современные проблемы проектирования, строительства и эксплуатации железнодорожного пути» (Москва, МИИТ, 2007), на научно практической конференции Неделя науки -2007 «Наука МИИТа - транспорту» (Москва, МИИТ, 2007), V-ой международной научно-технической конференции «TRANS-MECH-ART-CHEM» (Москва, МИИТ, 2008), на 5 международной строительной конференции «5™ INTERNATIONAL ENGENNERING&CONSTRUCTION CONFERENCE» (Irvine, California, USA, 2008).

Публикации. По теме диссертации было опубликовано 11 работ, в том числе получен патент на изобретение.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, списка использованных источников и приложений. Объем работы составляет 174 страницы, 103 рисунка, 14 таблиц, 5 приложений. Список использованных источников включает 90 наименований работ отечественных и зарубежных авторов.

4.4 Основные выводы по главе 4.

На основе эксперементальных и полевых исследований можно сделать следующие выводы:

1. По поперечным профилям снегомерных сечений сделанных нивелировочной съемкой на опытном полигоне снегозадерживающих конструкций были установлены объемы снегоотложений вблизи снегозадерживающих устройств. По результатам поперечных профилей снегомерных сечений было установлено, что наибольшим объемом отложения снега обладает снегозадерживающее устройство с вертикальной обрешеткой из композитного материала. Большая снегосбо 133 способность данного устройства объясняется меньшей толщиной композитных планок (4 мм).

2. Разработан расчет для оценки воздействия тающего снега на отдельные элементы снегозадерживающего устройства, данный расчет может быть принят для обеспечения прочности элементов снегозадерживающих устройств при их проектировании в регионах с интенсивным снегопереносом и переменными ветрами.

5. Рекомендации по проектированию, технологии и технико-экономическое обоснование флажкового снегозадерживающего устройства 5.1 Рекомендаций по проектированию снегозадерживающих устройств в регионах с переменными направлениями метелевых ветров и интенсивных снепереносах

Для обеспечения бесперебойного движения поездов на линиях расположенных в регионах с интенсивным снегопереносом особое внимание следует уделять вопросу проектирования средств снегозащиты [77,78].

Согласно «Инструкции по снегоборьбе на железных дорогах Российской Федерации» для предотвращения образования снежных заносов при направлениях о метелевых ветров к оси пути менее 30, необходимо устанавливать снегозадерживающие устройства уступами (т.е. устанавливать косые ряды) и таким образом, чтобы они оказались под более прямым углом к направлению метелевых ветров, данное требование распространяется и на дорогах США [79]. Выполнение данного требования в регионе, где проходит линия Чум- Лабытнанги осложняется наличием нескольких переменных господствующих направлений метелевых ветров и интенсивного снегопереноса. Для примера на рисунке 5.1 приведена роза снегоприноса станции Полярный Урал и участок железнодорожного пути.

753.0

Рисунок 5.1-роза снегоприноса на ст. Полярный Урал

Расчет розы снегоприноса 7% обеспеченности произведен по методике Д.М. Мельника [19]. По данным метеостанции Полярный Урал среднее число дней с сильным ветром составляет 75 дней. Наибольшее количество дней с сильным ветром приходится на зимний период: ноябрь 8 дней, декабрь 9 дней, январь и февраль- по 10 дней. Направление метелевого ветра меняется несколько раз в сутки о о от 10 до 165 . Данное обстоятельство вызывает большие сложности для проектирования стандартных средств снегозащиты, так как эффективность их работы резко снижается при возникновении острых углов атаки образующихся между направлениями метелевого ветра и осью пути.

Рассмотрим левую сторону пути. Суммарный снегопринос составляет 1240 м /пог.м. Проектирование стандартных средств снегозащиты осложняется наличием острых углов атаки, устройство уступов делается невозможным наличием нескольких направлений метелевых ветров. Флажковый снегозадерживающий забор по результатам физического моделирования может быть установлен параллельно о пути при более острых углах атаки (—10). На рисунке 5.2 показан пример устройства флажкового снегозадерживающего забора. с

7510 о

Рисунок 5.2- схема проектирования флажкового снегозадерживающего забора

Следует отметить значительное удлинение снегозадерживающей линии при устройстве снегозадерживающих устройств уступами. Для примера можно рассмотреть правую сторону пути, показанную на рисунке 5.3. о

753.«

Рисунок 5.3 - острые углы атаки между направлением метелевого потока и осью пути (с правой стороны ж.д. пути) В данном случае возможно проектирование стандартных снегозадерживающих устройств уступами, для облегчения задачи отразим участок ж.д. пути горизонтально рисунок 5.4.

Из рисунка видно, что для защиты железнодорожного участка длиной 100 м при проектировании стандартного снегозадерживающего устройства уступами линия снегозащиты становится длиннее на 70м чем при установки флажкового снегозадерживающего устройства. Проектирование снегозадерживающих устройств с учетом данных рекомендаций и снегозадерживающих средств привело к сокращению простоев и задержек поездов на участке линии Чум- Лабытнанги Полярный Урал- Собь на 75% (приложение 5).

5.2 Технологическая схема монтажа флажкового снегозадерживающего устройства

5.2.1 Общие сведения

Флажковый снегозадерживающий забор сборной конструкции (ФЗС) состоит из сборной опоры (труба стальная квадратного сечения со стороной 50 мм), подкосы (труба стальная квадратного сечения со стороной 50 мм), распоры (труба стальная квадратного сечения со стороной 50 мм). Основанием стойки и подкоса является скважина (диаметром 150 мм, глубиной 2 м).

Также в конструкцию входит стальной равнополочный уголок, размерами 35x35 x3мм (стальные тросы натянуты между 2-мя металлическими распорами). Данная конструкция применяется на сложном пересеченном рельефе. При строительных работах по сооружению флажкового забора (ФЗ) наносится наименьший урон окружающей среде.

Работы производятся без применения тяжелой техники и подъемных механизмов. Все это позволяет выполнять работы в сложных условиях: горная местность с сильно пересеченным рельефом, лесотундры и тундры в условиях Крайнего Севера согласно [80].

5.2.2 Конструкция флажкового забора

Заборы ФЗ предусматриваются сборной конструкции опор из труб квадратного сечения со стороной 50 мм, распоров, подкосов и заполнением обрешетки стальными равнополочными уголками, 35x3 x3700мм и прикрепленными к ним флагами. Опоры заборов ФЗС изготавливаются одного размера высотой 6.1м (2м закладывается под фундамент). ФЗ имеет высоту 4.2м.

Рисунок 5.5- ФЗ вид с боку

Стоики Стоики

Рисунок 5.6- ФСЗ вид спереди 5.2.3 Порядок сборки конструкции

Разработка данного раздела выполнена на основе обследований, выполненных на участке Чум - Лабытнанги в сентябре 2004 года, а также с учетом [81].

Перед началом работ по устройству ФЗ необходимо произвести разметку линии установки забора согласно проекту [82].

Работы по непосредственному устройству ФЗ осуществляются в следующей последовательности:

1)Очистка основания для работы от лишних элементов (рисунок 5.7).

Рисунок 5.7- очистка основания

2)Доставка и приведение в рабочее положение бурильной установки Bobcat Т250

3) Выведение шнека в вертикальное положение (угол наклона 0°) (рисунок 5.8)

Рисунок 5.8 - выведение шнека в вертикальное положение 4) Бурение скважин глубиной 2м для стойки рамной конструкции(рисунок. 5.9). с —\ 1 ' /

V у/ у/ /у/ у/ у/ / 1 2м /

7Г

Рисунок. 5.9 - бурение скважин глубиной 2м

5) Установка асбестоцементной трубы в скважину (рисунок 5.10).

АсЕестои<?ме>итиая

Рисунок 5.10 - установка асбестоцементной трубы 6) Заполнение пространства, между асбестоцементной трубой и стенками скважины, крупнозернистым песком или отсевом с послойным уплотнением (рисунок 5.11)

Уплотненный АсБестоиементная песок

Рисунок 5.И - заполнение пространства крупнозернистым песком 7) Раскладка деталей рамной конструкции по основным размерам вблизи скважин (рисунок 5.12)

Рисунок 5.12 - раскладка деталей рамной конструкции Сборка рамной конструкции 8) Монтаж верхнего распора к стойкам

Распор соединяется со стойкой с помощью болтового соединения, а именно болтом М13, (рисунок 5.13,5.14)

Узел А-А

Рисунок 5.13 - монтаж верхнего распора к стойкам

Узел A-A соединение . - -i щ Стоика - J

Распор

Рисунок 5.14 - узел А-А 9) Раскладка уголков в проектное положение. Девять нарезанных уголков раскладываются на просверленные заранее отверстия в распоре (рисунок 5,15,5.16)

Б-Б

Рисунок 5.15 - раскладка уголков в проектное положение Стальной уголок крепится к распору с помощью болтового соединения

Распор Уголок

Рисунок 5.16 - узел Б-Б

10) Монтаж раскосов к стойкам осуществляется при помощи накладок размерами 120x150x5, а также болтов М20 (рисунок 5.17).

I Б I

ГР1 ь Ш

Рисунок 5.17- монтаж раскосов

11) Подъем рамной конструкции и установка ее в проектное положение

12) В зависимости от рельефа местности по шаблону выставляется нижнее положение раскоса (рисунок 5.18).

Рисунок 5.18 - монтаж раскоса в проектное положение 13) Отмечается место проведения работ для бурения скважин для нижней стойки, соединение нижней стойки к подкосу (рисунок 5.19),

А ! Б В

Рисунок 5.19 - монтаж нижней стойки

14) Проверка и докручивание основных болтов в узлах А,Б и В

15) Далее выполняются работы с пункта 4. 14 приведенные выше.

16) Оставшееся пространство между 2-мя секциями, заполняется обрешеткой, путем крепления верхнего распора в проектное положение, и монтаж нижнего распора. После этого монтируются уголки с флагами.

17) Следующие 3-й секции, монтируются аналогичным способом, по той же технологии.

5.2.4 Установка рамной конструкции

1) После сборки рамной конструкции, необходимо проверить надежность всех соединений.

2) Согласно [82] для установки рамной конструкции необходима бригада из 6 человек.

3) Рамная конструкция поднимается, после того как концы стоек накладываются на асбестоцементные трубы (рисунок 5.20, 5.21) ч

Рисунок 5.20 - подготовка к установке рамной конструкции в скважины

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Проведенный анализ исследований по проблеме защиты пути от снежных заносов в регионах тундровой зоны с интенсивным снегопереносом и переменными ветрами позволил установить, что существующие снегозащитные устройства не позволяют решить проблему эффективного снегозадержания. Главными их недостатками является не эффективная работа при острых углах атаки метелевого потока, большой вес конструкций и использование дерева, сокращающего срок службы из-за гниения и недостаточной прочности планок при силовом воздействии тающего снега.

2. Обзор исследований процессов переноса и отложения снега показал, что работа снегозадерживающих устройств в большинстве случаев изучалась посредством физического моделирования в аэродинамических каналах и экспериментально в натурных условиях, поэтому многие зависимости этих процессов имеют эмпирический характер и могут быть использованы в конкретных ограниченных условиях и для тех конструкций, которые исследовались.

В тоже время данная проблема недостаточно исследована с применением современных математических методов, которые могут позволить получить основные зависимости процессов переноса и отложения снега для различных условий и конструкций.

3. Результаты проведенных моделирований на ЭВМ и в аэродинамической трубе показали, что недостатками существующих снегозадерживающих устройств является сильное торможение потока перед ним и слишком близкое расположение минимума скорости за ним, что приводит к накапливанию снега и заработке устройства. Эффективный снегозадерживающий забор должен обеспечивать задержание максимального количества снега и не зарабатываться в течение зимы, при этом снежный вал должен располагаться на максимально большом расстоянии за забором.

4. На основе математического и физического моделирования предложены две более эффективные конструкции снегозадерживающих заборов: с обрешеткой профилей Жуковского и гибких флагов.

Главным преимуществом устройства с обрешеткой в виде профилей является большее значение горизонтальной скорости вблизи снегозадерживающего устройства, что приводит к ускорению потока перед ним и уменьшает его зарабатываемость. Особенностью устройства с гибкими флагами является его автоматическая подстройка под меняющееся направление ветра, что позволяет эффективно задерживать снег под разными углами атаки, в том числе острыми. Кроме того, эти устройства имеют меньший вес.

5. В результате физического моделирования были определены оптимальные параметры флажковой обрешетки. Исходя из изменения сопротивления снеговому потоку, длина флага рекомендована 300 мм, а по результатам ресурсных испытаний прочности ткани её плотность выбрана в 900 г/м2.

6. Для уменьшения веса снегозадерживающего устройства с учетом выявленных силовых нагрузок, действующих на него, разработана универсальная рамная конструкция, не требующая тяжелой техники и больших трудозатрат при монтаже и подходящая под использование различных типов обрешетки.

7. На основании анализа разрушений деревянной обрешетки существующей снегозадерживающей конструкции с горизонтальной обрешеткой были разработаны схемы расчета силового воздействия, позволяющие оценить воздействие нагрузки от тающего снега на элементы конструкции.

8. В полевых условиях были получены формы снежных валов вблизи различных конструкций снегозадерживающих устройств, анализ которых показал, что флажковая снегозадерживающая обрешетка, имеющая наименьший вес, эффективно задерживает снег.

9. Была разработана технологическая схема монтажа флажковой обрешетки и универсальной рамной конструкции. Положения технологической схемы были использованы при разработке проектной документации на снегозадерживающие устройства и в последующем при выполнении работ по строительству снегозадерживающих заборов на линии Чум - Лабытнанги.

10. Технико-экономические расчеты показывают, что применение снегозадерживающих устройств с облегченной рамной конструкцией и флажковой обрешеткой позволяют сократить строительную стоимость 1км снегозадерживающего забора на 2,5 миллиона рублей за счет стоимости строительных материалов и меньших трудозатрат.

11. По результатам исследований были сформулированы рекомендации по проектированию снегозащиты в регионах с переменными ветрами и интенсивным снегопереносом, заключающиеся в выборе типа и расположения снегозадерживающих устройств.

1. Железнодорожный съезд «Развитие 2030» //Информационно аналитический сборник //М.- 2007

2. Иванов Б.В. Исследование проектирование плана и профиля, железных дорог в районах Западной Сибири, подверженным снежным заносам.- Дис. . канд. техн. наук. М.,1968.-30 с

3. Тюренков И.И. Снегоборьба на дистанции пути. М. -С. 11-27

4. Комаров A.A. Предупреждение снежных заносов на дорогах Заполярья.-Новосибирск, 1965.

5. Шарапов С.Н. Особенности зашиты железнодорожного пути от снежных заносов в районах с сильными метелями /на примере Сахалинского отделения дальневосточной железной дороги/: Дис. . канд. техн. наук. Алма-Ата., 1988.-30 с

6. Беренштейн A.A. Исследование снегозаносимости железнодорожных станций и меры по предупреждению образования снежных заносов: Дис. . канд. Техн. наук.-Л., 1980

7. Инструкция о порядке подготовки к работе в зимний период и организации снегоборьбы на железных дорогах ОАО «РЖД».- М.,2006.

8. Бялобжевский Г.В., Дюнин А.К. Снегозащитные щиты и заборы.- М, 1961.

9. Авдеев Л.М., Полещук С.Е. Теория обтекания ветровым потоком поперечных профилей автомобильных дорог//Вестник СГУПС.2000.№З.С.65-76

10. Инструкция по снегоборьбе на железных дорогах Российской Федерации.- М., 2000.

11. Гидрометеорологические опасности. Тематический том. / Под ред. Г.С. Голицина, A.B. Васильева. М.: Издательская фирма «КРУК»,2001, С. 236-253

12. Дюнин A.K. Механика метелей. Новосибирск: 1963.- 378 с.

13. Комаров A.A. Повышение эффективности снегозащитных средств на железных дорогах Сибири.- Новосибирск, 1959.-106 с.

14. Страковский И.И. Сопротивление вагонов при скатывании с горки в зимнее время.: Сб. научн.тр./ЦНИИ МПС.-М.: Трансжелдор издат, 1952, вып. 63.-131с.

15. Рынин H.A. Заметка по поводу изучения работы снеговых зашит.- В кн.: Сб. ин-та инж. Пут. Сообщ. Петроград, 1915, вып. 89, с. 97-110

16. Жуковский Н.Е. О снежных заносах.- Собр. Соч. М.-Л., 1949,т.З, с.214-223

17. Дюнин А.К. Твердый расход снеговетрового потока.- Труды ТЭИЗСФ АН СССР, 1954, вып.4,с.71-88

18. Комаров A.A., Алыитулер З.Е. О метелевом переносе снега на разных высотах.- Труды НИИЖТа, 1969, вып. 89, с.56-67.

19. Мельник Д.М. Предупреждение снежных заносов на железнодорожных станциях.- М.,1955,cl 15.

20. Мельник Д.М. Механизированное снегозадержание на железных дорогах.-М., 1963, с. 21.

21. Изюмов H.H. Измерение переноса снега // Работы по снегоборьбе // М.1834., с. 163-225

22. Дюнин А.К. В царстве снега // Серия «Человек и окружающая среда» // Новосибирск, 1983

23. Мельник H.H. О законах переноса снега и их использование в снегоборьбе. М.1952, №11

24. Хргиан А.Х. Физические основания борьбы со снегом на железных дорогах // Труды Московского Гидрометеорологического Института, М.1939

25. Tabler R.D. Controlling blowing and drifting snow fences and road design //FinalReport 2003

26. Дюнин A.K. Структура метелевого снега и закономерности снеговетрового потока.- В.кн.: Вопросы использования снега и борьба со снежными заносами. М.,1959, с.106-119

27. Osiptov A.N., Vasilevskii E.B. Supersonic Dusty-Gas Flow Past a Blunt Body and the Heat Transfer Problem.//In:Proc.Intern.Conf. Multiphase Systems. Ufa. Bashkortostan. Russia. June 15-17, 2000,p. 113-118

28. Жунусов Б.К., Гарифьянов Ф.М. Защита пути от метелевого снега // Путь и путевое хозяйство.- 2004. -№1.-С.9-10

29. Мосендз Н.С. Защитное лесоразведение на Куйбышевской дороге // Путь и путевое хозяйство.- 2004. -№10.-С.37-38

30. Григоровский М.И. Краткое изложение приемов по зимнему ремонту и ограждению пути от заносов на Оренбургской железной дороге. Сб. матер, для тр. 1-го техн. Съезда по вопросам содержания и ремонта пути и сооружений русских железных дорог. М.,1882

31. Воробьев Э.В. Пособие бригадиру пути.: Учебное пособие.- М. 2005.-С. 597-615

32. Мельник Д.М. О законах переноса снега и их использовании в снегоборьбе. «Техника железных дорог», 1952, №11

33. Путевое хозяйство: Учебник для вузов ж.-д. трансп./И.Б. Лехно, С.М. Бельфер, Э.В. Воробьев и др.; Под. И.Б. Лехно.- М.:Транспорт, 1990.-С.355-356

34. Крейнис З.Л. Организация снегоборьбы на железных дорогах Российской Федерации.: Учебное пособие.- М.2001.С.17-18

35. Tabler R.D. Snow fence technology: State of the art // First international conference on snow engineering/ Santa Barbara, 1988. -p. 6-86.

36. Tabler R.D. Design guidelines for the control of blowing and drifting snow// report SHRP-H-381

37. Tabler R.D., Jairell R.L. Studying snow drifting problems with small-scale models outdoors // Western Snow conference/ Laramie, Wyo. 1980 p.1-13

38. Tabler R.D. Snow erosion, transport, and deposition in relation to agriculture //In Proceedings, symposium on snow in Agriculture Symposium/ Saskatchewan, Canada 1985 p. 11-58

39. Антонов Ф.И., Прядко B.C., Мельник Д.М. Борьба со снежными заносами на железнодорожном транспорте. Государственное железнодорожное транспортное издательство.М-1951

40. Гарнфьянов Ф.М. Предварительные и полевые изыскания по защите пути от приноса метелевого снега на участке ст. Чум- Хорота// Отчет/ Челябинск, 2004

41. Western Wood Products Association // Western Lumber Grading Rules / Portland, 1988

42. Wrigley N.E. Durability and long-term performance of Tensar polymer grids for soil reinforcement / Materials Science and Technology.- 1987. p. 161-170

43. Челобитченко C.A. Методика расчета и конструктивно-технологические решения армированного объемными георешетками земляного полотна на вечномерзлых грунтах: Дис.канд. Техн. наук. -М. 2006.- Зс

44. Устинов М.В. Отчет/ Расчетные исследования обтекания воздушного потока плоских препятствий/.-2004.-с.6-11

45. Самойлович Г.С. ГИДРОАЭРОМЕХАНИКА.: Учебное пособие.- М. 1980.-С.139-142

46. Фрик П.Г. Турбулентность: Модели и подходы. Курс лекций./ Перм. гос. техн. ун-т. Часть II. Пермь 1999.-С.35-47

47. Johnson G.D. Nogle Ord от Snedeev. Snefog og Snefonner.// University I THndheim-1852

48. Прандтль JI. ГИДРОАЭРОМЕХАНИКА // Регулярная и хаотическая динамика / Ижевск:2000.- С. 270-280

49. Sacomoto N., Moriya М., Takai К. Development of a new snow fence with airflow snow plates to prevent blowing- snow disasters // Evaluation of performance by blowing-snow simulation in a wind tunnel Part 1/ 2001, p. 1-11

50. Бахвалов H.C. Численные методы,- Анализ, алгебра, обыкновенные дифференциальные уравнения. — М., 1975.- С 218-225

51. Рынин Н.А. Заметка по поводу изучения работы снеговых защит // Тр. аэромеханической лаборатории Института путей сообщения / 1914, вып.2

52. Woodruff N.P., Zing A.W. A comparative analysis wind tunnel and atmospheric airflow about single and successive barriers // American Geophysical Union / 1955

53. Экспериментальное исследование в аэродинамической трубе характера обтекания воздушным потоком модели горного рельефа. Лохин В.К. Матвиенко B.C. В сб.: «Борьба с заносами и лавинами на железных дорогах». Тр.НИИЖТа, вып. 89, Новосибирск, 1969. С. 19-30

54. Механика сильных метелей. Дюнин А.К. В сб.: «Вопросы проектирования железных дорог в условиях Сибири и Дальнего Востока». Тр.НИИЖТа, вып. 159.Новосибирск, 1974

55. Гринь Е.Н., Егоров А.О. Организация снегоборьбы на железныхдорогах Российской Федерации.: Учебное пособие.- М. 2008.-С.

56. Исследование параметров потока в рабочей части аэродинамической трубы Т-129 // Отчет НИО-20 ЦАГИ №3162 / 1956

57. Теория подобия и моделирования. // По материалам научно-технической сессии комиссии пара высоких параметров / -М. 1951

58. Башкин В.А., Егоров И.В. Семинары по теоретической гидродинамике Ч.П.: Учебное пособие. -М.: МФТИ,2003.-С.75-77

59. Енютин Г.В., Лашков Ю.А. Искусственное утолщение турбулентного пограничного слоя // Труды ЦАГИ / Жуковский: 1987,-С. 3-19

60. Руководящий технический материал авиационной техники РТМ-1636-80. Срок введения 1981г. пункт 5.6.5.3.

61. Научно- прикладной справочник по климату СССР. Выпуск 1. Части 2,3,4.- JL, Гидрометеоиздат, 1993.

62. Климат и железнодорожный транспорт. Агентство Росгидромета по специализированному гидрометеобеспечению // Метеоагенство Росгидромета/.,-М., 2000.

63. Котляков В.М. Метелевый перенос снега в Антарктиде и его роль в балансе питания ледника // В кн. «География снежного покрова».М., Изд-во АН СССР, 1960.

64. Мельник Д.М. Предупреждение снежных заносов на железных дорогах.-М.¡Транспорт, 1966. -243

65. СНиП 2.01.07-85 «Нагрузки и воздействия»

66. Дюнин А.К. Защита железных дорог от снежных лавин. — Новосибирск: Траснспорт, 1975.

67. Шахунянц Г.М. Железнодорожный путь. М.: Транспорт, 1987. с 375-377

68. Виноградов В.В. Расчеты и проектирование железнодорожного пути. -М.: Маршрут, 2003. 446-461

69. Войтковский К.Ф. Механические свойства снега. М.: Наука, 1977.126 с.

70. Рихтер Г.Д. Снежный покров, его формирование и свойства. М — JL: Изд-во АН СССР, 1945. - 120 с.

71. Александров A.B., Потапов В.Д., Державин Б.П. Сопротивление материалов // Учебное пособие.- М.:Высш. шк., 1995.-С. 248-253

72. Насыров А.Р., Гарифьянов Ф.М., Отчет // О проверке снежных отложений на участке ст. Полярный Урал- 110КМ в зим 2004-05 и 2006-07гг. и на ст. Воркута в зиму 2006-07гг/ .-2007.-С. 34-38

73. Попов А.Р. Рабочий проект // Средства снегозащиты на участке Чум-Лабытнанги (участок Чум- Хорота с 6 по 75 км) / .- 2004.- С. 12-20

74. Finney Е.А. Snow control on the highways // Michigan Engineering Experiment Station Bulletin.- 57

75. Бялобжеский Г.В., Амброс P.A. Повышение эффективности и экономичности снегозадерживающих устройств,- М.: Транспорт, 1958.-С.47.

76. Фрадкин И.З., Солопов И.И.Активный метод защиты на Томской железной дороге. Новосибирск, 1949

77. Бабков В.Ф. Наблюдения за работой снегозащитных средств из местных материалов. «Строительство дорог», 1943, №8-9

78. Design guidelines for the control of blowing and drifting snow. Strategic Highway Research Program, Report SHRP-H-381

79. BCH 203-89. Нормы и технические условия на проектирование, и строительство железных дорог на полуострове Ямал.- М.:Минтрансстрой, 1990. 60с.

80. Смородин В.А. Рабочий проект опытной конструкции защиты пути от снега на линии Чум- Лабытнанги Северной ж.д. // Общая пояснительная записка .-М.: 2006

81. Исаев К.С. Автоматизация и механизация работ на строительном производстве. — М.: «Советская энциклопедия», 1962-1965. 324 с.

82. Руководство по производству бетонных работ.- М.:Стройиздат,1975. 315 с.

83. Методические рекомендации по оценке инвестиционных проектов на железнодорожном транспорте / МПС РФ. М., 1998. - с. 85-87

84. Методические рекомендации по оценке эффективности инвестиционных проектов и их отбору для финансирования. Официальное издание. — М.: Теринвест, 1994. 75с

85. Методические указания по сравнению вариантов проектных решений железнодорожных линий, узлов и станций / ВНИИ трансп. Стр-ва, Гипротранстэи, ВЗИИТ. -М.: ВПТИтранстрой, 1988. 436 с.

86. Батаев А.А., Батаев В.А. Композиционные материалы // Учебное пособие.- М.:Логос, 2006.-С. 375-388

87. Экономичный метод снегозадержания при защите дорог от заносов. Каменская К.Г., Альтшулер З.Е. В сб.: «Борьба с заносами и лавинами на железных дорогах». Тр. НИИЖТа, вып.89. Новосибирск, 1969

88. О возможности использования сжатого воздуха в снегозащитных целях Маркевич Г.С. В сб.: «Борьба с заносами и лавинами на железных дорогах». Тр. НИИЖТа, вып.89, Новосибирск, 1969.

89. Попов К.И. Влияние лесных полос на скорость ветра. Сб. науч.-иссл. работ по защитному лесоразведению. Камышин, Камышинский опытный пункт ВНИАЛМИ, 1958164