автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.03, диссертация на тему:Влияние различных движителей на экологию заснеженного опорного основания

Р 61

#

Нижегородский государственный технический университет

РГ6 од

На правах рукописи

1 8 ЯИВ йзЗ

Доровских Сергей Владимирович

ВЛИЯНИЕ РАЗЛИЧНЫХ ТИПОВ ДВИЖИТЕЛЕЙ НА ЭКОЛОГИЮ ЗАСНЕЖЕННОГО ОПОРНОГО ОСНОВАНИЯ

Специальность 05.05.03 - Колесные и гусеничные машины

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Нижний Новгород 1999

Работа выполнена в Нижегородском государственном техническом университете (НГТУ)

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор, академик АТР Куляшов А.П.

Официальные оппоненты

Ведущая организация

доктор технических наук, профессор Наумов В.Н.,

кандидат технических наук, доцент Малыгин В.А.

Заволжский завод гусеничных тягачей

Защита состоится « 9 » февраля 1999 года в 11.00 часов на заседании специализированного совета К 063.85.10 при Нижегородском государственном техническом университете по адресу: 603600, г. Н. Новгород, ул. Минина, 24, ауд. 1258.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Нижегородского государственного технического университета.

Автореферат разослан « 29 » декабря 1998 г.

Ученый секретарь

специализированного

совета К 063.85.10

кандидат технических наук, доцент

Л.Н. Орлов

РОССИЙСКАЯ ОСУДАРСТПЕНИАЯ БИБЛИОТЕКА

[ -С /- ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Большая часть территории России значительное время в году находится под снежным покровом. Поскольку развитая транспортная сеть расположена в Южных и Западных районах Европейской части страны, можно сказать, что основная часть внедорожной техники работает в качестве снего-ходной.

Сегодня важнейшим направлением развития транспортных систем стало повышение их экологической безопасности. Однако, при прохождении снегоходных машин, за счет снежного покрова и большой прочности мерзлого грунта, зимующие растения не подвергаются механическим повреждениям, поэтому экологические аспекты использования техники в зимний период оставались до сегодняшнего дня за пределами внимания.

Однако опыт эксплуатации транспортно-технологических машин в зимний период показывает, что растительность в зонах воздействия их движителей на снежный покров находится в угнетенном состоянии, а некоторые виды вообще отсутствуют.

В настоящей работе под экологией заснеженного опорного основания понимаются процессы жизнедеятельности многолетних травянистых растений, зимующих в мерзлом грунте.

При строительстве автозимников снег искусственно уплотняется с тем, чтобы получился прочный плотный слой, который выдерживал бы транспортные средства. В результате увеличивается теплопроводность снега и уменьшается его воздухопроницаемость - взаимосвязь воздушных полостей в снежном покрове прекращается, когда плотность достигает 0,6 г/см3. Уменьшение пористости, воздухопроницаемости, снижение активности газообмена с подстилающими почвами отрицательно влияет на деятельность бактерий, которая важна для круговорота питательных веществ и формирования гумуса. Весной почва под колеей получает тепло позже, что, в частно-

ста, обусловлено более высоким альбедо обледеневшей колеи. Поскольку автозимники часто прокладывают по местам, закрытым от прямой солнечной радиации, с целью уменьшения влияния зимних оттепелей, они стаивают позже, чем окружающий снежный покров, так что вегетационный период под ними укорачивается. Если отсутствие в следах снегоходной техники деревьев и кустарников можно объяснить механическими повреждениями и длительным периодом восстановления, то отсутствие ряда многолетних трав подобным образом не может быть объяснено.

Согласно исследованиям биологов, гибель зимующих растений происходит главным образом вследствие вымерзания, т.е. процессов, происходящих в их тканях при воздействии отрицательных температур ниже некоторого критического предела. На наш взгляд, в результате деформации снежного покрова движителями транспортных средств происходит изменение характеристик тепло- и массопереноса в системе «заснеженное опорное основание - мерзлый грунт». Это изменение является определяющим при рассмотрении температурного режима мерзлого грунта и, следовательно, жизнедеятельности растений.

Следовательно, изучение влияния различных типов движителей на экологию заснеженного опорного основания является актуальной задачей.

Цель работы

Оценка влияния различных типов движителей транспортно-техноло-гических средств на снижение биологической массы зимующих растений.

Методы исследований

В теоретической части работы применены методы теории вероятности, методы нелинейного программирования и математического моделирования на ЭВМ. Экспериментальные исследования проведены в полевых условиях на натурных образцах элементов движителей. Все теоретические исследования и обработка экспериментальных данных выполнены с применением ЭВМ.

Основные положения, выносшше на защиту

Результаты теоретических и экспериментальных исследований по определению параметров снежного покрова в колеях транспортных средств;

Результаты теоретических и экспериментальных исследований по определению параметров теплопереноса в системе «заснеженное опорное основание - мерзлый грунт» после воздействия на снежный покров движителей транспортных средств;

Методика оценки экологических последствий использования техники в зимний период.

Научная новизна

1. Впервые рассмотрены процессы тепломассопереноса в системе «заснеженное опорное основание - мерзлый грунт», происходящие после воздействия движителей транспортных средств на снежный покров и влияющие на изменение биологической массы растеши!.

2. Разработана и обоснована математическая модель теплопереноса в системе «заснеженное опорное основание - мерзлый грунт».

3. Дано обоснование уменьшения биологической массы растений после воздействия движителей транспортных средств на снежный покров, за счет изменения температурного режима на глубине зимовки.

4. Создана методика оценки экологических последствий применения различных типов внедорожных транспортных средств в зимний период.

5. Выработаны рекомендации по определению рациональных конструктивных параметров движителей и оптимальных режимов движения по заснеженному опорному основанию с точки зрения минимизации экологических последствий.

Практическая ценность

Практическая ценность данной работы заключается в выработке рекомендаций для проектирования, модернизации и эксплуатации внедорожных

машин, предназначенных для выполнения транспортно-технологических операций в зимний период.

Реализация работы

Результаты экспериментально-теоретических исследований внедрены для использования в НИЛ «PAJICHEMT», НИЛ ССДМ, комитет по экологии Волго-Вятского региона.

Методики, алгоритмы и комплекс программ для ЭВМ используются в учебном процессе на кафедрах «Строительные и дорожные машины» и «Автомобили и тракторы» Нижегородского государственного технического университета.

Апробация работы

Отдельные этапы и основное содержание работы докладывались на международной конференции «Повышение эффективности работы колесных и гусеничных машин в суровых условиях эксплуатации» г. Тюмень 1996 г.; на международной научно-практической конференции «Развитие транспортно-технологических систем в современных условиях» г. Н. Новгород 1997 г.; на международной научно-технической конференции «ИНТЕРСТРОИМЕХ - 98» г. Воронеж 1998 г.; на международной научно-технической конференции «Состояние и перспективы автомобильного транспорта в России» г. Н. Новгород 1998 г.

Публикации

Основное содержание диссертации опубликовано в 16 печатных работах и 3 научно-исследовательских отчетах.

Объем и структура работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов и рекомендаций, списка литературы и четырех приложений. Содержит 115 стр. основного машинописного текста, 35 рисунков, библиографию из 100 наименований и приложений на 34 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность рассматриваемой проблемы, сформулирована цель работы, отмечена научная новизна и практическая ценность.

В первой главе рассмотрены исследования по взаимодействию движи-тельных систем транспортных средств с опорными основаниями, особое внимание уделено взаимодействию движителей со снежным покровом, процессам его вертикального деформирования и формирования колеи, физико-механическим свойствам снега как материала полотна пути. Взаимодействию движителей с опорными основаниями посвящены работы Я. С. Агейки-на, М.Г. Беккера, Г.Б. Безбородовой, Н.Ф. Бочарова, Дне Вонга, H.A. Забав-никова, Н.Ф. Кошарного, В.Н. Наумова, П.И. Никулина, В.В. Ничке, В.Ф. Платонова, В.А. Скотникова, Ф.Г. Ульянова, Н.Я. Хархуты, А.М. Холодова. Исследованием снежного полотна пути и процессов взаимодействия движителей со снегом занимались А.Ф. Николаев, C.B. Рукавишников, JI.B. Барах-танов, В.В. Беляков, A.A. Крживицкий, А.П. Куляшов, В.А. Шапкин, В.А. Малыгин, Ю.И. Молев и другие авторы. Основные положения механики грунтов и снега рассмотрены в работах В.Ф. Бабкова, Н.М. Герсеванова, М.И. Горбунова-Посадова, Б.Н. Жемочкина, П.И. Клубина, Б.Г. Коренева, В.А. Флорина, H.A. Цытовича.

Произведен обзор и анализ литературных источников, посвященных физическим свойствам снежного покрова и мерзлых грунтов. Основное внимание обращалось, в соответствии с поставленной в работе целью, на тепло-физические характеристики снега и мерзлого грунта, а также на математическое описание процессов тепло- и массопереноса. Этими вопросами занимались в основном специалисты в гидрометеорологической области. Снежный покров исследовался Д.М. Греем, Ц. Иосида, P.JI. Каганом, Г.П. Каролем, И.Д. Копаневым, П.П. Кузьминым, А.И. Мазуром, В.М. Михелем, Г.Д. Рихтером, A.B. Рудневым, А.П. Софияном и другими. Теплофизические пара-

метры снега и мерзлых грунтов описаны в работах Э.Д. Ершова, B.C. Лукьянова, Д.Х. Мэйла, В.Г. Меламеда, Г.В. Порхаева, В.П. Ушкалова, Х.Р. Хаки-мова, Ю.Л. Шурма. Основам и практическим приложениям теории тепло- и массопереноса в мерзлых грунтах и снежном покрове посвящены работы A.B. Лыкова, Ю.А. Михайлова, H.H. Кожевникова, Л.М. Никитиной, Г.А. Морозова.

Проведен анализ научных работ, посвященных условиям зимовки растений, причинам, приводящим к их гибели в этот период. Эти проблемы освещены в работах И.М. Васильева, Н.Г. Грибковой, Э.И. Колбасиной, Д.А. Куртнера, А.Ф. Чудновского, А.И. Слепченко, Е.С. Улановой и других авторов.

Впервые экологические последствия использования техники в зимний период были рассмотрены Ю.И. Молевым, однако предложенная им модель не учитывает большого числа факторов, влияющих на теплопроводность снежного покрова, а именно переноса вещества, который обусловливает до 30% теплопроводности, и может быть использована лишь для узкого круга климатических условий.

Проведенный анализ работ, посвященных каждой из составных частей настоящего исследования: жизнедеятельности растений в зимний период; физико-механических свойств снежного покрова; процессам тепломассопе-реноса в дисперсных средах, позволил выделить круг вопросов, требующих разрешения.

Установлено, что с точки зрения экологических последствий недостаточно изучен вопрос о процессах образования колеи движителей различной формы и с разными конструктивными параметрами на снежный покров. Практически не исследован процесс изменения температурных полей в снежном массиве при местном изменении его параметров. Недостаточно изучены экологические последствия применения снегоходной техники.

В соответствии с поставленной целью в настоящей работе решаются следующие задачи:

1. Рассмотреть процессы взаимодействия различных типов движителей транспортно-технологических машин со снежным покровом для определения физико-механических и теплофизических параметров снега в районе колеи.

2. Разработать математическую модель переноса тепла и вещества в деформированном снежном покрове с учетом климатических условий рассматриваемой местности.

3. Рассчитать изменение температуры на глубине зимовки растений, произошедшее в результате воздействия движителей транспортных средств.

4. Определить зависимость снижения биологической массы растений от температуры на глубине их зимовки. Оценить влияние движителей на изменение биологической массы растений.

Во второй главе рассматриваются механические свойства снега с точки зрения взаимодействия его с различными типами движителей, процессы взаимодействия снежного покрова с движителями транспортных средств, образование колеи. До настоящего времени большинство исследователей снежного полотна пути сосредотачивали свое внимание на повышении тяго-во-сцепных качеств движителя и уменьшении сопротивления движению. Поэтому определение основных параметров взаимодействия движителей машин со снегом, таких как глубина колеи, плотность снежного покрова под деформатором, коэффициент сцепления, коэффициент трения и др. хорошо проработаны для всех основных типов движотелей.

Учеными нижегородской научной школы разработаны математические модели, описывающие процессы взаимодействия различных типов движителей с деформируемыми опорными основаниями, в том числе и со снегом. Для описания взаимодействия гусеничного движителя со снежным покровом

существует математическая модель, предложенная и опробованная C.B. Рукавишниковым, JI.B. Барахтановым, В.А. Малыгиным и др. учеными. Взаимодействие движителей колесных машин с деформируемыми опорными основаниями адекватно описывается математической моделью В.В. Белякова. Процессам, происходящим при движении по снегу роторно-винтовых машин, посвящены исследования А.Ф. Николаева, А.П. Куляшова, В.А. Шап-кина. Опираясь на данный материал можно аналитическим путем получить необходимые для дальнейших расчетов параметры снежного покрова в районе колеи транспортного средства.

При вертикальном уплотнении снега происходит также его выдавливание в стороны от колеи, что оказывает влияние на теплофизические свойства снежного покрова сбоку от колеи и, следовательно, на выживаемость растений. Ю.И. Молев ввел коэффициент бокового выдавливания, опреде-

h

ляющийся по формуле Кв - —, где hy - величина деформации снежного

hy

покрова за счет уплотнения; /гв - за счет выдавливания в стороны. При движении по снегу колесного или гусеничного движителя ширина зоны выдавленного снега определяется согласно рекомендациям Ю.И. Молева по следующей формуле

_ 2bKhy "сдв

где h с да - высота площадок сдвига, Ьк - ширина колеи.

По-другому представляется процесс погружения в снег цилиндрического штампа (роторно-винтового движителя). Действительно, экспериментальные исследования показывают, что при деформации снега цилиндрической поверхностью происходит более интенсивное выдавливание в стороны. На наш взгляд это можно объяснить тем, что при взаимодействии роторно-винтового движителя с опорным основанием возникают нормальные давления, направление которых отлично от вертикали. Учитывая сказанное, мож-

но условно разложить нормальные давления на вертикальную и горизонтальную составляющие. В дальнейшем будем считать, что вертикальные давления обусловливают формирование ядра уплотнения, а горизонтальные - будут способствовать дополнительному выдавливанию снега в стороны от ядра уплотнения.

Отсюда можно сделать вывод о том, что выдавливание происходит, во-первых, за счет формирования и перемещения площадок сдвига, как в случае деформирования снега плоскими штампами, во-вторых, благодаря возникновению горизонтальной составляющей нормальных давлений при взаимодействии цилиндрической поверхности с опорным основанием.

Таким образом, для случая взаимодействия со снегом роторно-винтового движителя можно преобразовать формулу (1) с учетом дополнительного выдавливания снега из-под колеи

здесь У"3" - расстояние от середины колеи до крайней точки зоны выдавленного снега, /з™1Х - максимальная деформация снега в горизонтальном направлении, ашах - максимальный центральный угол на поверхности контакта базового цилиндра ротора со снегом, отсчитываемый от вертикали.

Величина А™"* определяется в предположении, что снег является квазиизотропной средой, т.е. его деформационные свойства не зависят от направления приложения нагрузки. Поэтому, учитывая, что в горизонтальном направлении снежный массив не ограничен недеформируемой подстилающей поверхностью, формула для определения А™"* примет вид

. шах ! „■ шах , г:

У = оВыд Бта + А.

тах

шах

тах

(2)

тах

К

тах

(3)

У

0,1Ъ5КЖ

где q™3* - максимальное горизонтальное давление, Кж - коэффициент жесткости снега. Горизонтальная составляющая нормального давления определяется из выражения

qy -qa sin а cos а (4)

где q0 - нормальное давление в нижней точке базового цилиндра.

Для практических расчетов снижения урожайности зимующих растений удобнее пользоваться приближенной формулой определения ширины зоны с измененными характеристиками, полученной в результате экспериментальных исследований погружения цилиндрического штампа. Для «сухого» снега с начальной плотностью 0,15..0,3 г/см3 ширина этой зоны будет равна 6max = (l,35..1,45)öK (большие значения соответствуют снегу с большей начальной плотностью).

В третьей главе рассмотрены процессы тепло- и массопереноса в снежном покрове и мерзлых грунтах, критерий оценки выживаемости растений в зависимости от температуры на глубине их зимовки. Отмечено, что, несмотря на многочисленные экспериментальные исследования по определению теплопроводности снежного покрова, данные разных авторов существенно отличаются. По-видимому, эти различия можно объяснить разными условиями постановки эксперимента, а также подходом к определению теплопроводности снега как однородного твердого тела без учета процессов массопереноса, которые оказывают значительное влияние на теплопроводность снежного покрова.

Для описания процессов тепломассопереноса в снежном покрове применена обобщенная теория тепло- и массопереноса в дисперсных средах A.B. Лыкова. С точки зрения этой теории снежный покров рассматривается как дисперсное капиллярно-пористое тело, состоящее из скелета (кристаллов льда) и связанного вещества. Связанное вещество принимается состоящим из водяного пара. Математически, с учетом сделанных допущений, система

дифференциальных уравнений переноса тепла и вещества запишется следующим образом

— = aeV!/ + aB8eer^-V!/ + a.srr—V29

о т v г т г

Г С< (5)

- = «Av2'+flBv2e

Л ТП и тп

.ох

где t - температура, т - время, 6 - термодинамический потенциал массопе-реноса, бе - термоградиентный коэффициент, aq, ат - коэффициенты температуропроводности и потенциалопроводности массопереноса, ся, ст - соответственно приведенная удельная теплоемкость и массоемкость капиллярно-пористого тела, sr - коэффициент фазового перехода водяного пара в лед; г -соответствующая удельная теплота фазового перехода.

Для решения системы (5) необходимо задаться начальными и граничными условиями. В качестве начального принимается распределение температуры и потенциала массопереноса по глубине снежного покрова в начальный момент времени после прохода движителя транспортного средства, т.е.

' (*, у, z, т) = t(x, у, z, 0) = F(x, у, z\ ^

Q(x,y,z,x)=e(x,y,z,0) = G(x,y,z,t).

Распределение температуры по толщине ненарушенного снежного массива принимается линейным. Изменение температуры снега по глубине залегания в районе колеи транспортного средства происходит по криволинейной зависимости. На поверхности снежного покрова температура равна температуре окружающего воздуха, а на границе с мерзлым грунтом находится в пределах от - 5 до 0°С в зависимости от толщины снега. Температуру на границе раздела снега и грунта можно определить, опираясь на результаты многолетних наблюдений исследователей температурного режима снежного покрова и мерзлого грунта. Эти данные позволяют с достаточной степенью точности определить температуру 7мг при температуре окружаю-

щего воздуха ниже - 10°С в зависимости от толщины снежного покрова естественного залегания.

Термодинамический потенциал массопереноса зависит от относительной влажности воздуха в порах снега ср и абсолютной температуры Т

(7)

м

Согласно натурным наблюдениям влажность воздуха в порах снега возрастает в зависимости от глубины залегания, при большой мощности снежного покрова она достигает практически 100%. При небольшой глубине снежного покрова влажность воздуха в порах может быть с достаточной степенью точности определена по приближенной формуле

ф(г)=(1-г)ч>0+г, (8)

где фо - относительная влажность атмосферного воздуха, х - вертикальная координата текущей точки снежного покрова, в которой определяется влажность.

Граничным условием для поставленной задачи будет задание температуры поверхности снежного покрова, которая принимается равной температуре окружающего воздуха на протяжении всего времени существования колеи транспортного средства:

/(г = 0,х ) = Тп (9)

Уравнение (5) решается методом конечных разностей с использованием ЭВМ, с этой целью приведем его к удобному для решения виду. Конечный элемент представляет собой прямоугольник со сторонами, равными соответствующим шагам разбиения (т.е. Ду;Лг).

Изменение температуры в некоторой точке снежного массива с координатами (/', у ) по прошествии промежутка времени Ах (соответствующего шагу интегрирования по времени) равно

A t„ =

, „ е ,

i920 i520

929 j (дЧ

i^J/U2

Ax'

(10)

Таким образом, температура в рассматриваемой точке определится как сумма текущего значения и приращения за промежуток времени Ат

/„=/ + ^ = /(t)v+[a/(t)L (11)

Следовательно, решение поставленной задачи сводится к решению дифференциального уравнения с частными производными в функции трех переменных (5) по циклической расчетной схеме по выражению (11) последовательно для каждой из внутренних точек разбиения рассматриваемого расчетного поля. Циклическая схема реализована на ЭВМ типа IBM PC Compatible в программе MatLab® 4.0 for Windows. Точкам, находящимся на поверхности, являющейся границей рассматриваемого расчетного поля, соответствуют граничные условия (9). Начальное значение для расчета соответствует выражению (6).

Расчет производился для точек, находящихся на границе снежного покрова с грунтом в плоскостях, соответствующих середине колеи I, ее боковой границе II, и крайней точке зоны выдавленного снега III.

Наиболее характерные результаты численного решения уравнения (5) приведены на рис. 1. Расчет производился для снежного покрова с начальной толщиной 0,3 м и средней плотностью 0,23 г/см3, средняя плотность в зоне ядра уплотнения принималась равной 0,4 г/см3, при температуре окружающего воздуха - 20°С.

Как видно из рис. 1 температура под колеей понижается практически на 3,5°С за период в 48 часов, а затем стабилизируется. Для случая деформации снега плоским штампом (гусеничный движитель) результаты расчета в точках I и II практически совпадают. В расчетной точке III также наблюдается понижение температуры, хотя и менее интенсивное, это объясняется постепенным выравниванием свойств снежного покрова при удалении от колеи.

При деформации снежного покрова цилиндрическим штампом (ротор-но-винтовым движителем) при прочих равных условиях скорость понижения температуры в плоскости, соответствующей границе колеи, отличается от скорости в ее середине (кривая II рис. 1). Это объясняется особенностями

III

О

10

20

30

40

II 1

т, час

Рис. 1. Расчетные кривые изменения температуры на границе «снежный покров - мерзлый грунт» после деформации снега

образования колеи роторно-винтового движителя, конфигурацией ядра уплотнения.

При рассмотрении процессов переноса в грунтах принимается, что в мерзлой зоне происходит только теплоперенос за счет теплопроводности, а в талой - теплоперенос и миграция влаги. Система уравнений переноса для грунта запишется следующим образом

дТу

дх

м _

7

м &2

(0<г<^, т>0),

дТ-г а2гт

—11 = ат —г- (£<г<оо, т>0), д1 7 дг2

да д2ю ,„

— = —г дх дг

(12)

(13)

здесь % - координата границы талой и мерзлой зон грунта. 16

Граничным условием для данной задачи будет распределение температуры по поверхности мерзлого грунта, полученное при решении уравнения теплопереноса для снежного покрова.

Для определения интересующего нас температурного поля в мерзлой зоне одним из наиболее употребительных методов является метод последовательных приближений. Температурное поле, определенное этим методом и ограниченное первым приближением (сумма нулевого и первого приближений), что обеспечивает достаточную точность, имеет следующий вид:

Используя выражение (15) и принимая 2 = 35 мм (глубина зимовки корневых систем большинства растений), можно определить температуру в мерзлой зоне на глубине зимовки растений. Результаты расчетов для различных типов грунтов приведены на рис. 2.

Для оценки потерь биологической массы растений после влияния на них этой температуры необходимо сравнить ее с критической температурой для конкретного вида растения.

В соответствии с полученными результатами определяется температурный критерий вымерзания растений IV, который равен отношению критической температуры для данного растения к текущей температуре на глубине залегания биологически активной массы. В зависимости от его значения находится коэффициент снижения урожайности в каждой точке рассматриваемой поверхности по формуле

где £ - поверхность на глубине зимовки, где произошло изменение температурного режима.

(15)

и = энфж +0,77).

(16)

Тогда общее снижение урожайности определится

(17)

Г3)°С -20

-15

-10

-5

+5

0$

\х У а-

//

0

-5

-10

-15

-20

?мг, °С

Рис. 2. Зависимость температуры Г3 на глубине зимовки растений (35 мм) от температуры на поверхности мерзлого грунта 7мг-

Если не принимать во внимание влияние прочих факторов, способствующих понижению температуры на глубине зимовки растений, то получим зависимость относительного снижения урожайности от отношения температур на глубине зимовки при ненарушенном снежном покрове и в районе колеи движителя. Указанная зависимость будет выглядеть следующим образом

иг

= |зт

IV

2,37—+0,77 IV0

(¡5,

(18)

здесь IV" - температурный критерий вымерзания растений при ненарушенном снежном покрове; IV - температурный критерий вымерзания в районе колеи транспортного средства.

В четвертой главе определена адекватность разработанной модели теплопереноса в системе «заснеженное опорное основание - мерзлый грунт» после воздействия движителей снегоходной техники на снежный покров. На основе экспериментальных и теоретических исследований выявлено влияние формы, конструктивных особенностей и способа нагружения движителя на формирование термодинамической аномалии в снежном покрове и, следовательно, на вероятностную урожайность растений. Доказано, что рациональный выбор конструктивных параметров движителей для конкретных условий эксплуатации позволяет уменьшить уровень их вредного воздействия на зимующие растения.

Экспериментальные исследования проводились в полевых условиях на измерительно-регистрирующем комплексе с использованием температурных и тензометрических датчиков, а также шлейфового осциллографа. Исследования проводились при помощи натурных элементов движителей снегоход-ных машин и элементов, моделирующих опорные поверхности движителей. В качестве исследуемого на выживаемость растения выбран клевер.

Биологические потери определялись путем полного скашивания трав как на опытных, так и на эталонной делянках. Экологические последствия определялись как разница в массе растений, приведенных к одинаковой плотности по методу, описанному в ГОСТ 23637-79 и методике Б.А. Доспе-хова.

На рис. 3 приведены результаты испытаний снежного покрова на сжатие штампами. На рис. 4 показана зависимость температурного критерия вымерзания клевера от удельной нагрузки в контакте движителя с заснеженным опорным основанием. На рис. 5 показаны экспериментальные данные

э. ' см 0,5

0,4

0,2

0,1 м 1 л- 1 ^^^ 0

/ д/ /

г 0,3 м

о. < см 0,5

0,2 м

0,2

0,1 м _ 1 г^р 0

1. / 0,3 м

// с ¡^0

0,2 м

0,02

0,06

0,08 9, МПа

Р, кН

Рис. 3. Изменение средней плотности снега в зоне ядра уплотнения в зависимости от нагрузки, приложенной к штампу

по определению уменьшения биомассы клевера в зависимости от температуры на глубине зимовки (35 мм).

1У 3,0

2,5

2,0

1,5

1,0

у^рЧу /.„,--¿и о

\ р^

о V А

< л к

< \

С??

ъ

1,00

0,75

0,3 м 0,50

0,2 м 0,1 м , МПа 0,25 0

/

/ /

/ /

0,01 0,03 0,05 0,07

Рис. 4. Зависимость температурного критерия вымерзания клевера от давления в контакте движителя с опорным основанием

-12,5 -10 -7,5 -5 7,, °

Рис. 5. Зависимость снижения биомассы клевера от температуры на глубине зимовки

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Рассмотрены процессы образования колеи транспортных средств в снежном покрове с учетом бокового выдавливания снега, что позволило аналитически определить физико-механические свойства снега в районе колеи и получить исходные данные для теплового расчета.

2. Экспериментальное определение свойств снега в районе колеи транспортного средства подтвердило адекватность применяемых математических моделей взаимодействия движителей с заснеженным опорным основанием.

3. Разработана математическая модель теплопереноса в системе «заснеженное опорное основание - мерзлый грунт» с учетом процессов массо-переноса и фазовых превращений. Создана расчетная схема и реализована на ЭВМ программа для расчета температурных полей в снежном покрове и мерзлом грунте после прохода движителей снегоходных машин.

4. Получены экспериментальные значения температур в мерзлом грунте, которые подтверждают достоверность разработанной модели. Расхождение экспериментальных данных и расчетных значений составило 23..35%.

5. Разработанная модель с учетом некоторых доработок и допущений может бьггь использована для расчета температурных полей в снежном покрове для различных климатических условий.

6. Получены теоретические и экспериментальные данные, которые позволили адекватно оценить потери биологической массы растений при воздействии на снежный покров движителей снегоходной техники и соз-

дать методику оценки экологических последствий применения техники в зимний период.

7. Предложен к применению критерий для оценки снижения биомассы растений в зависимости от температуры на глубине зимовки растений в районе колеи по сравнению с температурой при ненарушенном снежном покрове.

8. Последствия воздействия движителей транспортных средств на снежный покров начинают заметно сказываться, если период существования колеи превышает 48 часов. Следовательно, использование техники наиболее опасно в местности, где ограничено влияние ветрового снегопере-носа, а также в периоды, когда периодичность выпадения снега более двух суток.

9. Для уменьшения вредного влияния движителей на экологию опорного основания рекомендовано не использовать снегоходную технику при толщине снежного покрова менее 0,4 м, по возможности прокладывать трассы движения машин, избегая возвышенностей. В случае необходимости проезда техники при меньшей толщине снежного покрова следует выбирать режимы движения, обеспечивающие минимальное буксование и динамические факторы, которые влияют на увеличение глубины и ширины колеи.

10. Давление на опорное основание не должно превышать 0,04 МПа для колесных и гусеничных машин и 0,05 МПа в нижней точке движителя роторно-винтовых машин.

11. Результаты экспериментально-теоретических исследований внедрены для использования в НИЛ РАЛСНЕМГ, НИЛ ССДМ, комитет по экологии Волго-Вятского региона.

Методики, алгоритмы и комплекс программ для ЭВМ используются в учебном процессе на кафедрах «Строительные и дорожные машины» и «Автомобили и тракторы» НГТУ.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Куляшов А.П., Молев Ю.И., Шапкин В.А., Доровских C.B. Изменение температурного режима снежного покрова в следах движителей транспортных средств. // Повышение эффективности работы колесных и гусеничных машин в суровых условиях эксплуатации. Тез. докл. международной научно-технич. конф. - Тюмень, ТюмГНГУ, 1996 г. - С. 195.

2. Водопьянов Т.В., Куляшов А.П., Молев Ю.И., Шапкин В.А., Доровских C.B. Статистическая модель ледово-снежного опорного основания. // Повышение эффективности работы колесных и гусеничных машин в суровых условиях эксплуатации. Тез. докл. международной научно-технич. конф. - Тюмень, ТюмГНГУ, 1996 г. - С. 194.

3. Колотилин В.Е., Куляшов А.П., Молев Ю.И., Шапкин В.А., Доровских C.B. Исследования экскавационной осадки роторно-винтового движителя. // Повышение эффективности работы колесных и гусеничных машин в суровых условиях эксплуатации. Тез. докл. международной научно-технич. конф. - Тюмень, ТюмГНГУ, 1996 г. - С. 197.

4. Вахидов У.Ш., Водопьянов Т.В., Доровских C.B., Кораблев И.Ю., Шапкин В.А., Варданян P.C. Поверхность замерзших водоемов как трасса движения транспортно-технологических средств с роторно-винтовым движителем. // Проектирование, испытания, эксплуатация и маркетинг автотракторной техники. Сб. науч. трудов к 60-летию кафедры «Автомобили и тракторы». - Н. Новгород, НГТУ, 1997. - С. 277 - 279.

5. Доровских C.B., Куляшов А.П., Шапкин В.А., Молев Ю.И., Водопьянов Т.В., Варданян P.C., Жук В.А. Процессы теплопереноса в снежном покрове. // Проектирование, испытания, эксплуатация и маркетинг автотракторной техники. Сб. науч. трудов к 60-летию кафедры «Автомобили и тракторы». - Н. Новгород, НГТУ, 1997. - С. 115 - 118.

6. Ерасов И. А., Молев Ю.И., Шапкин В. А., Доровских C.B., Вахидов У.Ш. Исследование теплофизических характеристик снежного покрова в колеях движителей транспортных средств. // Проектирование, испытания, эксплуатация и маркетинг автотракторной техники. Сб. науч. трудов к 60-летию кафедры «Автомобили и тракторы». - Н. Новгород, НГТУ, 1997.-С. 198- 199.

7. Доровских C.B., Жук В.А., Кораблев И.Ю. Влияние движителей на теп-лофизические характеристики снежного покрова. // Развитие транспортно-технологических систем в современных условиях. Материалы меж-дунар. науч.-пракг. конф., посвящ. 25-летию кафедры «Строительные и дорожные машины». - Н. Новгород, НГТУ, 1997. - С. 132 - 136.

В. Доровских C.B., Челышев А.И., Щербаков Ю.И. Некоторые вопросы влияния движителей TTC на полотно пути. // Развитие транспортно-технологических систем в современных условиях. Материалы между-нар. науч.-практ. конф., посвящ. 25-летию кафедры «Строительные и дорожные машины». - Н. Новгород, НГТУ, 1997. - С. 92 - 95.

9. Вахидов У.Ш., Доровских C.B., Кузнецов Б.В., Молев Ю.И., Шапкин В.А. Анализ причин изменения урожайности растений в период таяния снежного покрова. // Развитие транспортно-технологических систем в современных условиях. Материалы междунар. науч.-практ. конф., посвящ. 25-летию кафедры «Строительные и дорожные машины». - Н. Новгород, НГТУ, 1997. - С. 220 - 222.

10. Куляшов А.П., Молев Ю.И., Доровских C.B., Шапкин В.А. Теоретические основы создания машин с роторно-винтовым движителем для обес-

печения транспортных операций в условиях бездорожья. // ИНТЕР-СТРОИМЕХ - 98. Материалы междунар. науч.-технич. конф. - Воронеж, ВГАСА, 1998. - С. 49 - 50.

11. Доровских C.B., Чечулина O.A., Шапкин В.А., Жук В.А. Влияние дви-жительных систем на экологию опорных оснований. // ИНТЕРСТРОЙ-МЕХ - 98. Материалы междунар. науч.-технич. конф. - Воронеж, ВГАСА, 1998.-С. 128- 130.

12. Варданян P.C., Варданян Г.С., Доровских C.B., Шапкин В.А. Исследование заснеженных трасс строительства трубопроводов. // ИНТЕРСТРОЙ-МЕХ - 98. Материалы междунар. науч.-технич. конф. - Воронеж, ВГАСА, 1998. - С. 137 - 138.

13. Водопьянов Т.В., Щербаков Ю.А., Ерасов И.А., Доровских C.B. Влияние погрешностей изготовления и монтажа движителя на характер колебаний транспортно-технологических средств с роторно-винтовым движителем. // ИНТЕРСТРОИМЕХ - 98. Материалы междунар. науч.-технич. конф. - Воронеж, ВГАСА, 1998. - С. 140.

14. Доровских C.B., Ерасов И.А. Математическое обоснование процессов теплопереноса в снежном покрове после воздействия движителей транспортных средств. // Лесоэксплуатация. Межвузовский сборник научных трудов. - Красноярск, СибГТУ, 1998. - С. 168 - 171.

15. Доровских C.B., Куляшов А.П. Экологические аспекты взаимодействия движителей с полотном пути. // Лесоэксплуатация. Межвузовский сборник научных трудов. - Красноярск, СибГТУ, 1998. - С. 172 - 175.

16. Доровских C.B., Варданян Г.С., Молев Ю.И., Ерасов И.А. Оценка влияния различных типов движителей на экологию опорного основания.// Состояние и перспективы автомобильного транспорта в России. Материалы междунар. науч.-технич. конф., посвящ. 35-летнему юбилею кафедры «Автомобильный транспорт». - Н. Новгород, Hl ТУ, 1998. - С. 310-316.