автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.04, диссертация на тему:Выбор скоростных режимов уплотнения снега дорожными машинами

Введение.стр

Глава 1. Анализ методов уплотнения снега при возведении зимних дорог.стр

1.1. Сравнение методов возведения зимних дорог.стр

1.2. Классификация зимних дорог.стр

1.3. Конструкции зимних дорог.стр

1.4. Технология строительства зимних дорог.стр

1.5. Уплотняющие машины, используемые при строительстве зимних дорог.стр

1.6. Методы достижения высокой плотности полотна зимних дорог.стр

Выводы к 1 главе.стр

Глава 2. Влияние параметров уплотняющих машин и физико-механических свойств снега на эффективность его уплотнения.стр

2.1. Структура снега и его свойства.стр

2.2. Физические процессы, протекающие при уплотнении снега.стр

2.3. Определение основных факторов, влияющих на эффективность уплотнения снега.стр

2.4. Описание процесса уплотнения снега под действием нагрузки.стр

Выводы ко 2 главе.стр.

Глава 3. Экспериментальное изучение уплотнения снега.стр

3.1. Лабораторное изучение уплотнения сухого снега.стр.

3.1.1. Применение математического планирования многофакторного эксперимента для исследования процесса уплотнения снега.стр

3.1.2. Оборудование для проведения лабораторных исследований.стр

3.1.3. Результаты экспериментальных исследований.стр.

3.1.4. Выявление закономерности изменения плотности уплотняемого снега в зависимости от его физико-механических свойств, а также технологических параметров уплотнения.стр.

3.1.5. Анализ результатов экспериментальных исследований.стр.

3.2. Лабораторное изучение уплотнения увлажненного снега.стр.

Выводы к 3 главе.стр.

Глава 4. Практическое использование результатов исследований.стр.

4.1. Разработка методики выбора скоростных режимов работы снегоуплотняющих машин.стр.

4.2. Внедрение результатов исследований, их техникоэкономическая эффективность.стр.

Выводы к 4 главе.стр.

Общие результаты и выводы.стр.

Развитие Западно-Сибирского региона, являющегося основной топливно-энергетической базой России, предопределяет интенсивное строительство, ремонт и реконструкцию магистральных и межпромысловых трубопроводов. По Тюменской области в год строится 3.5 тыс. км и ремонтируется от 7,5 до 10 тыс. км. магистральных и промысловых трубопроводов. Строительство и ремонт трубопроводов производится в условиях почти полного отсутствия проездов вдоль трасс строящихся линий электоропередач, нефтегазопроводов и других линейно-протяженных коммуникаций. Общий уровень расходов в связи с перемещением центра нефтегазовой добычи в новые, более удаленные необжитые районы с экстремальными природно-климатическими условиями, остается высоким. Суровый климат, заболоченность и высокая обводнённость грунтов (в Западной Сибири 60 % трасс проложено в болотах) делают практически невозможным летнее строительство без применения специальной вездеходной техники, поэтому единственно приемлемым и экономически целесообразным в настоящее время остается зимний период времени года. В такой ситуации для упомянутых почвенно-грунтовых условий наиболее применимым вариантом проездов вдоль трасс строящихся линий электоропередач, нефтегазопроводов и других линейно-протяженных коммуникаций является устройство зимних автомобильных дорог - зимников, позволяющих доставлять грузы и технику в любые районы строительства и эксплуатации месторождений. Создание временных дорог, полотно и дорожная одежда которых выполняются из снега, льда и мерзлого грунта, в зимнее время года также позволяет снизить затраты на сооружение их за счет использования холода как благоприятного фактора для получения дорожного полотна [28, 50, 54, 56, 65].

Временные зимние дороги в условиях Севера обладают такими достоинствами, как возможность быстрого сооружения с полной механизацией работ и минимальная потребность в привозных строительных материалах. 5

Работы по строительству подъездных дорог и дорог вдоль трасс строящихся линий электоропередач, нефтегазопроводов и других линейно-протяженных коммуникаций часто ведутся без предварительных изысканий, технических условий и проектов, а в зимнее время работы по их строительству, в основном сводятся, к расчистке проезжей полосы от снега. Это является основным недостатком зимних дорог традиционной конструкции. По этой причине такие дороги строят при условии, что снегоперенос в месте работ не превышает 200 куб. м на метр дороги. В противном случае расчистка дороги приводит к большим экономическим затратам. К недостаткам расчищаемых автозимников относятся также малая прочность и существенные неровности поверхности покрытия, низкая скорость движения автотранспорта по ним.

Снеголедовые дороги, обладая общими с расчищаемыми автозимниками достоинствами, при качественном строительстве имеют прочное и ровное покрытие. Также они допускают возможность многократного, безопасного проезда транспорта и строительных машин с требуемыми скоростями движения, устойчивы и работоспособны в течение расчетного времени эксплуатации, обеспечивают необходимую пропускную способность и легко поддаются ремонту после разрушения проезжающим транспортом, предохраняют почву от разрушения ее покрова ходовыми системами машин.

Возведение снеголедовых дорог до настоящего времени выполняется с использованием практически примитивной технологии и слабо приспособленных подручных средств, что приводит к низкой производительности и невысокому качеству строительства. Малая эффективность способов строительства снеголедовых дорог для большегрузных автомобилей и автопоездов требует изучения процессов превращения снежного покрова в монолитное тело и создания на основе полученных знаний высокопроизводительных технологий и технологических средств для строительства снеголедовых дорог.

Для поиска рациональных вариантов в решении обозначенной проблемы необходимо рассматривать влияние физико-механических свойств используе6 мого при строительстве снега и технологических параметров уплотнения на плотность и твердость дорожного полотна снеголедовой дороги, от которых зависит способность зимника обеспечивать движение транспорта.

Поэтому целью данной работы является повышение эффективности работы уплотняющих машин при строительстве автомобильной снеголедовой дороги в условиях Российского Севера посредством оптимизации технологических параметров уплотнения снега в зависимости от его физико-механических свойств.

Для достижения этой цели в дисертационной работе решаются следующие задачи:

- установление закономерности изменения плотности дорожного полотна зимника в зависимости от физико-механических свойств используемого при строительстве снега, а также технологических параметров уплотнения;

- экспериментальное обоснование и подтверждение теоретических положений и научно-технических решений по созданию снеголедовых дорог;

- определение эффективных параметров работы снегоуплотняющих машин;

- разработка методики выбора скоростных режимов работы снегоуплотняющих машин, используемых при строительстве снеголедовой дороги;

- определение эффективности экспериментальных исследований.

При решении поставленных задач использовался экспериментально-теоретический метод, основанный на элементах прикладной математики. Экспериментальные исследования проведены на разработанной автором установке с использованием математических методов планирования эксперимента.

Научную новизну проведённых исследований составляют следующие результаты:

- установлены закономерности изменения плотности снега в зависимости от его свойств и технологических параметров уплотнения;

- выявлены факторы, влияющие на получаемую плотность снега при его уплотнении, и разработана математическая модель их влияния; 7

- определены численные значения факторов влияния, при которых достигается наибольшая плотность снега.

Практическая ценность результатов исследований состоит в разработке методики выбора скоростных режимов работы для снегоуплотняющих машин, использование которой при строительстве снеголедовой дороги в насыпи позволит получить высокое значение плотности дорожного покрытия, и, следовательно, увеличить его несущую способность.

Диссертация выполнена на кафедре "Подъёмно-транспортные, строительные, дорожные машины и оборудование" Тюменского государственного нефтегазового университета. Результаты работы используются в проектных разработках ХТТ ОАО "Сибнефтепровод" и СКБ "Газстроймашина", направленных на создание машин для уплотнения снега и возведение прочного и надёжного полотна снеголедовой дороги, обеспечивающего необходимую пропускную способность и возможность многократного, безопасного проезда транспорта и строительных машин с требуемыми скоростями движения. Также результаты используются в учебном процессе для студентов специальности "Строительные и дорожные машины" в Тюменском государственном нефтегазовом университете.

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях:

Эксплуатация технологического транспорта и специальной автомобильной и тракторной техники в отраслях топливно-энергетического комплекса", Тюмень, 1997; "Интерстроймех - 98", Воронеж, 1998; "Новые технологии нефтегазовому региону", Тюмень, 1998; "Проблемы адаптации техники к суровым условиям", Тюмень, 1999; "Научные проблемы Западно-Сибирского нефтегазового региона: гуманитарные, естественные и технические аспекты", Тюмень, 1999., а также на семинарах кафедры "Подьемно-транспортные, строительные, дорожные машины и оборудование" Тюменского государственного нефтегазового университета. 8

ОБЩИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Решена научно-практическая задача повышения эффективности работы уплотняющих машин при возведении автомобильной снеголедовой дороги в условиях Российского Севера за счёт оптимизации технологических параметров уплотнения снега в зависимости от его физико-механических свойств.

2. Установлены закономерности изменения плотности снега в зависимости от его свойств и параметров уплотняющей машины.

3. Выявлены основные факторы, влияющие на получаемую плотность снега при его уплотнении, и разработана математическая модель их влияния. К ним относятся: уплотняющая нагрузка, начальная плотность снега, температура снега, скорость изменения уплотняющей нагрузки.

4. Определены эффективные технологические параметры уплотнения снега и его физико-механические характеристики, при которых достигается наибольшая плотность полотна снеголедовой дороги. Экспериментально подтверждено, что с повышением температуры конечная плотность уплотняемого снега возрастает. Наиболее интенсивный рост плотности наблюдается при температурах выше -10 °С. Установлено, что с уменьшением скорости изменения нагрузки эффективность уплотнения повышается. Причём при скорости изменения нагрузки менее 3 кПа/с влияние ее на конечную плотность снега незначительно. Определено, что в зоне влажности снега от 6% и до 14 % зависимость конечной плотности уплотняемого снега от его влажности носит почти линейный характер. Далее, при значениях влажности свыше 14 % повышение плотности становится прогрессирующим.

5. Разработана методика выбора скоростных режимов работы для снегоуплот-няющих машин. Экономический эффект при использовании методики образуется за счёт снижения времени на восстановление полотна снеголедовой дороги, приводимой в негодность колееобразованием (как результатом не

97 доуплотнения дорожного полотна, т. к. не учитывается влияние скоростных режимов работы уплотняющих машин). Расчётный экономический эффект от строительства 1 км. снеголедовой дороги в год составил 62595,58 руб.

6. Разработанные рекомендации по выбору скоростных режимов уплотнения снега дорожными машинами внедрены в ХТТ ОАО "Сибнефтепровод" при возведении экспериментального участка снеголедовой дороги протяжённостью 5 км в районе компрессорной станции «Приозёрная» г. Надым, годовой экономический эффект от внедрения которого составил 35^51 тыс. руб. Также результаты исследований используются в СКБ "Газстроймашина" при создании машин для уплотнения снега. Кроме того, результаты исследований используются в учебном процессе ТюмГНГУ при подготовке инженеров по специальности "Подьемно-транспортные, строительные, дорожные машины и оборудование".

98

1. Автомобильные дороги Севера. // Под. ред. Золотаря И. А. - М., Транспорт, 1981.247 с.

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

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

4. Батраков О. Т. Распределение контактных давлений по следу пневматического колеса на жёсткой поверхности. Труды Харьковского автомобильно-дорожного ин-та, вып. 18. Изд-во ХГУ, 1956. С. 35-43.

5. Беляев Н. М. Применение теории Герца к подсчётам местных напряжений в точке соприкасания колеса и рельса. "Вестник инженеров", т. III, № 12, 1917. С. 281-288.

6. Беляев Н. М. Местные напряжения при сжатии упругих тел. Инженерные сооружения и строительная механика. Л., "Путь", 1924. С. 27-108.

7. Бережной Ю. И., Деревянко Л. П. Методика построения квази Д - оптимальных планов эксперимента при исследовании горнотранспортных машин // Горные, строит, и дорожные машины, - 1975. - вып. 19. С. 91-100.

8. Бородавкин П. П. Сооружение магистральных трубопроводов. М.: Недра, 1987.- 471 с.

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

10. Вахидов У. Ш. Влияние использования снегоходных машин в весенне-осенний период на изменение урожайности растений: (диссертация). -Нижний Новгород, 1998.- 147 с.99

11. Вощинин Н. П., Смоленцева В. А. К вопросу уплотнения грунтов катками на пневмошинах. Труды СоюздорНИИ, вып. 9, Балашиха, 1966. С. 59-69.

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

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

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

15. Дюнин А.К., Бялабженский Г.В., Л.М. Рудаков, О.В.Уткин, Л.Н.Плакса. Зимнее содержание автомобильных дорог / Под ред.А.К.Дюнина 2-е изд. -М.: Транспорт, 1983.- 200 с.

16. Иванов В. Н. Высокоэффективная изоляция в основаниях. М.: Транспорт, 1988.- 134 с.

17. Инструкция по строительству, содержанию и эксплуатации снежных и ледяных лесовозных дорог. Архангельск, 1982. - 105 с.

18. Инструкция по проектированию, строительству и содержанию автомобильных дорог на снежном и ледяном покрове в условиях Сибири и Северо-Востока СССР / ВСН 137-87. М.: Минтрансстрой, 1987. - 134 с.

19. Инструкция по проектированию, строительству и эксплуатации усовершенствованных ледяных переправ.-Тюмень, Главтюменьнефтегаз, 1988. 134 с.

20. Использование тепловых устройств для разработки мёрзлых грунтов и возведения снеголедовых дорог при строительстве трубопроводов. / Тюменский индустриальный институт. ГР 0186.0053564. Тюмень, ТюмИИ, 1986. 100 с.

21. Калужский Я. А. Теоретические основы укатки дорожных покрытий. Труды Харьковского автомобильно-дорожного ин-та, вып. 8. Изд-во ХГУ, 1949. С. 55-73.

22. Карнаухов Н. Н., Дорошенко И. Г., Вантик В. Н. и др. Устройство для уп-лотн. снега на дорогах. АС №1350234 СССР. Бюл. №41, опубл. 07.11.87.100

23. Карнаухов Н. Н., Иванов А. А., Бантик В. Н. и др. Устройство для уплотнения снега. Описание изобр. к АС №1461815. Бюл. №8, опубл. 28.02.89.

24. Карнаухов Н. Н., Мерданов Ш. М., Иванов А. А. Роторный рабочий орган. Описание изобр. к АС № 1731907. Бюл. №17, опубл. 07.05.92.

25. Карнаухов Н. И., Мерданов Ш. М., Иванов А. А. Устройство для уплотнения дорожных насыпей. А.С.№1810435. Бюл. №15, опубл. 08.06.93.

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

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

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

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

30. Карнаухов Н. Н., Котельников В. В., Мерданов Ш. М. и др. Устройство для очистки раб. органа машины. А.С.№2122616. Бюл. №33, опубл. 27.11.98.

31. Климат СССР. Районирование и статистич. параметры климатич. факторов для технич. целей. /ГОСТ 16350-80.- М.: Изд-во стандартов, 1981. 140 с.

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

33. Кнатько В. М., .Руднева И. Е., Баринов Е. Н., Чижевский Ю. С. Математические методы и планирование эксперимента в грунтоведении и инженерной геологии. Л., Ленинградский университет, 1983.- 113 с.

34. Кнорозов В. И., Петров И. П. О распределении давлений в контакте шины с опорной поверхностью. Труды НАМИ, вып. 79, М., 1965. С. 74-81.101

35. Котельников В. В. Выбор оптимальных условий уплотнения снега при строительстве снеголедовых дорог. в Тезисах докладов XVII научно-технической конференции: Новые технологии - нефтегазовому региону. -Тюмень: ТюмГНГУ, 1998. С. 118-119.

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

37. Лефевр Л. Зим. дороги и переправы. Civil Engineering, № 12, 1979. С. 15-18.

38. Мерданов Ш. М. Совершенствование методов строительства и ремонта трубопроводов в усл. Кр. Севера: (диссертация).- Тюмень, 1996- 145 с.

39. Мишин В. А. и др. Строительные и дорожные машины для Сибири и Крайнего Севера. Изд-во: ЦНИИТЭстроймаш. 1988. 44 с.

40. Налимов В. В. Теория эксперимента. М.: Наука, 1971. - 207 с.102

41. Николаев С. Н. Оценка эффективности совершенствования эксплуатации парка строительных машин для сооружения магистральных трубопроводов. -М.: Недра, 1986. 48 с.

42. Николаев С. Н. Характеристики эксплуатационных качеств строительных машин. М.: Информнефтегазстрой, 1982. 57 с.

43. Новиков И. П. Охрана северных экосистем и новые строительные технологии. // М.: Строительство трубопроводов, 1985, №5. С. 22-23.

44. Островцев Н. А. Самоходные катки на пневматических шинах. М., "Машиностроение", 1969, 103 с.

45. Разработка технологии и проектирования комплекта навесных орудий на машины для строительства снеголедовых дорог в зоне строительства трубопроводов. Отчёт о НИР.ГРО 184.0064751.- Тюмень, ТюмИИ, 1987. 141 с.

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

47. Рекомендации по технологии строительства зимних подъездных вдольтрассовых дорог. М.: Тюм. филиал ВНИИСТа. 1979. 31 с.

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

49. Савенко В. А. Комплексная механизация сооружения магистральных трубопроводов. М.: Недра, 1981. - 295 с.

50. Саттаров Т. X., Вислобицкий П. А. Строительство зимн. дорог для освоения нефтегазодобывающих районов Зап. Сиб. М.: ВНИИОЭНГ, 1987. - 43 с.

51. Саттаров Т. X., Ментюков В. П., Прохоренков В. Д. и др. Строительство временных дорог при сооружении нефтегазопромысловых трубопроводов. -М.: ВНИИОЭНГ, 1981. 62 с.

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

53. Строительство зимних дорог для освоения нефтегазодобывающих районов Западной Сибири. М.: ВНИИОЭНГ, 1987. 52 с.103

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

55. Ульянов Н. А. Эксплуатация катков на пневматических шинах. М., Авто-трансиздат, 1956. 78 с.

56. Фёдоров В.В. Теория оптимального эксперимента.-М.: Наука, 1971- 312 с.

57. ХархутаН. Я. Дорожные машины. Л., "Машиностроение", 1976, 176 с.

58. Хархута Н. Я., Иевлев Н. М. Реологические свойства грунтов. М., Авто-трансиздат, 1961. 62 с.

59. Хархута Н. Я. Машины для уплотнения грунтов. Л., "Машиностроение", 1973, 176 с.

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

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

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

63. Шалман Д. А. Снегоочистители. Л.: Машиностроение, 1985. - 182 с.

64. Abels Н. 1892. Beobachtungen der täglichen periode der temperatur im schnee und bestimmun des warmeleitungsvermogens des schnees als function seiner dichtigkeit. Rep. Meteorol. Bd. XVI. No. 1, pp. 1-53.

65. Devaux J. 1933. Ann. de phys. pp. 228-231.

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

67. Fritzsche W. 1974. New electronic avalanche rescue devices. Rep. Inst. High Frequency and Electronics, Tech, Univ. Graz, Austria.

68. Glen J. W. 1974. The phisics of ice. Mono II C2a., US Army Cold Reg. Res. Eng. Lab., Hanover, N. H.104

69. Iosida Z. And others. 1955. Phisical studies on deposited snow: Thermal properties. Inst, of Low Temp. Sci., Hokkaido Univ., Sapporo, pp. 53-62.

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

71. Jansson M. 1901. Ofrers. K. Svenska. Vet. Akad. Forh. Vol. 58, pp. 207-222.

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

73. Martin H. "Az. Automobiltechnische Zeitschrift", Heft 9. 1965. S 293-296.

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

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

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

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

78. Van Dusen M. S. 1929. Thermal conductivity of non-metallic solids. Int. Crit. Tables. Vol. 5, pp. 216-217.105