Введение к работе
Актуальность работы. Освоение Севера и Сибири определяется интенсификацией использования технологического и автомобильного транспорта. От состояния и развитости дорожной сети в значительной степени зависят: объем грузовых и пассажирских перевозок, их организация, себестоимость и безопасность движения.
Строительство капитальных дорог, как правило, отстает от разведки и обустройства нефтегазовых объектов, а в большинстве случаев нецелесообразно из-за малой интенсивности их использования и сезонности производства работ.
В связи с этим временные зимние дороги являются апробированным вариантом решения проблемы транспортного обеспечения объектов нефтяной, газовой, рыбной и лесной промышленностей.
Создание и содержание расширенной транспортной сети невозможно без использования приспособленных для данных условий строительных и дорожных машин. Строительство транспортных сетей с использованием механизированных комплексов актуально для освоения Севера и Сибири.
Представленная диссертационная работа выполнена в соответствии с Федеральной целевой программой «Дороги России» и научно-технической программой Министерства образования России «Вузовская наука – регионам».
Научная проблема заключается в отсутствии основ создания механизированных комплексов для строительства временных зимних дорог из снега в районах Севера и Сибири.
Основная идея работы заключается в создании эффективных транспортных систем для освоения и обустройства районов с отрицательными температурами окружающего воздуха посредством применения механизированных комплексов.
Гипотеза: разработка научных основ создания механизированных комплексов для направленного формирования свойств уплотненного снега приведет к снижению себестоимости и сроков строительства, улучшению качества дорожного покрытия зимних дорог и снижению затрат на перевозки в районах Севера и Сибири увеличением пропускной способности и продлением срока эксплуатации дорог.
Цель работы состоит в разработке научных основ создания механизированных комплексов для строительства зимних дорог из снега в районах Севера и Сибири, с продленным сроком их эксплуатации, улучшенным качеством и увеличенной пропускной способностью.
В соответствии с намеченной целью решались следующие задачи:
- разработка концепции создания машин для строительства зимних дорог;
- разработка методики формирования механизированных комплексов с целью снижения энергозатрат при возведении зимней дороги;
- выявление закономерностей изменения плотности снега в зависимости от его свойств, характера и времени воздействия нагрузок;
- разработка методик проведения экспериментальных исследований, создание лабораторных и натурных установок для уплотнения и увлажнения снега;
- определение конструктивных параметров рабочих органов увлажняющих и уплотняющих машин;
- установление условий минимизации экономических затрат при строительстве зимних дорог;
- внедрение результатов исследований в практику строительства зимних дорог и оценка их экономической эффективности.
Объектом исследования являются процессы взаимодействия дорожно-строительных машин со снегом как со строительным материалом, а предметом исследования – эти процессы, применительно к рабочим органам уплотняющих и увлажняющих машин.
Методология работы основана на закономерностях процессов взаимодействия рабочих органов уплотняющих машин со строительными материалами, содержит интерпретацию методологических положений теории уплотнения дисперсных сред для разработки теоретических основ уплотнения снега, базируется на элементах системного анализа, математического и имитационного моделирования, на статистических методах обработки экспериментальных данных.
Научные положения и результаты, выносимые на защиту:
- концепция формирования механизированных комплексов для строительства временных зимних дорог;
- математические модели рабочих процессов и параметров рабочих органов уплотняющих машин;
- зависимости конечной плотности снега от влажности, величины и времени воздействия уплотняющей нагрузки;
- оценка параметров уплотняющих и увлажняющих машин и механизмов, входящих в механизированный комплекс;
- пути совершенствования комплексов машин для строительства временных зимних дорог на основе оптимизации процесса уплотнения снега.
Обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается результатами экспериментальных исследований.
Достоверность научных положений подтверждена оцененной по общепринятым статистическим критериям сходимостью результатов теоретических разработок с данными натурных испытаний созданных машин при строительстве и эксплуатации опытно-промышленных участков дорог.
Научная новизна работы заключается в следующем:
- теоретически обоснованы параметры механизированных комплексов для строительства зимних дорог в районах Севера и Сибири;
- обоснована возможность и целесообразность использования снега в качестве строительного материала зимних дорог;
- предложена классификация временных зимних автодорог, обосновывающая условия включения конкретной машины в механизированный комплекс;
- выявлены закономерности изменения плотности снега в зависимости от его влажности, величины внешней нагрузки, времени и скорости ее воздействия;
- определена оптимальная по энергоемкости уплотнения величина влажности снега.
Практическая значимость работы заключается:
- в улучшении социально-экономической ситуации в регионах посредством создания незаносимых временных зимних дорог из снега;
- в создании механизированных комплексов для строительства временных зимних дорог на основе концепции предлагаемых подходов к его формированию к уплотнению снега
- в разработке и апробировании методик формирования механизированных комплексов и внедрении принципиально новых технологических схем для строительства зимних дорог;
- в повышении эффективности строительства зимних дорог с улучшенным качеством за счет использования созданных конструкций машин и механизмов;
- в сокращении срока возведения зимних дорог за счет новых конструкции снегоувлажняющих и снегоуплотняющих машин созданных на основе разработанных и внедренных в практику проектирования методик расчета основных параметров этих машин;
- в продлении срока службы дороги в весенний период и улучшении экологических показателей районов строительства посредством сохранения мохово-растительного покрова.
Личный вклад автора заключается в: определении и формулировке направлений исследований, разработке научных основ создания механизированных комплексов; определении параметров уплотняющих и увлажняющих машин; проектировании и реализации принципиально новых конструкций машин и технологий механизированного возведения зимних дорог; разработке и проведении экспериментальных исследований; внедрении результатов исследований в практику строительства.
Результаты исследования внедрены в ДСУ-22 треста «Севертрубопроводстрой» (г. Надым), УТТ ЗАО «Сургутгазпром» (г. Сургут), СТУ ОАО «Сибнефтепровод» (г. Тюмень), СКБ «Газстроймашина» (г. Тюмень) при проектировании и создании машин для строительства снеголедовых дорог.
Созданный комплекс машин и технология строительства использованы при возведении снеголедовых дорог на компрессорной станции «Приозерное» в районе г. Надым, промышленного участка дороги вблизи пос. Советский в районе г. Воркута и Лянторским УТТ №2 ОАО «Сургутнефтегаз» при создании дорог для перевозки грузов в пос. Винтим и пос. Пеледуй в районе г. Усть-Кут в республике Саха (Якутия).
Результаты исследований используются в учебном процессе при подготовке инженеров по специальности 190205.65 «Подъемно-транспортные, строительные и дорожные машины» и магистров по направлению 190100.68 – «Наземные транспортные системы».
Апробация. Основные результаты работы были представлены, обсуждены и одобрены на научно-практических и научно-технических конференциях и семинарах: МНТК, ВНТК «Нефть и газ Западной Сибири» (г. Тюмень, 1996 г., 2003 г., 2009 г.); МНТК «Развитие строительных машин, механизация и автоматизация строительства и открытых горных работ» (г. Москва, 1996 г.); МНТК «Повышение эффективности работы колесных и гусеничных машин в суровых условиях эксплуатации» (г. Тюмень, 1996 г.); МНТК «Развитие транспортно-технологических систем в современных условиях» (г. Н.Новгород, 1997 г.); МНТК «Интерстроймех» (г. Воронеж, 1998 г., 2004 г.; г. Тюмень, 2005 г.; г. Самара, 2007 г.; г. Владимир, 2008 г.; г. Бишкек, Киргизия, 2009 г.); Отчетной конференции-выставке по подпрограмме 205 «Транспорт» научно-технической программы Минобразования России «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники» (г. Москва-Звенигород, 2002 г.); МНПК «Проблемы эксплуатации транспортных систем в суровых условиях» (г. Тюмень, 2002 г.); МНТК «Транспортные системы Сибири» (г. Красноярск, 2003 г.); Международной конференции «Heavy Machinery – HM 05», (г. Кралево, Сербия, 2005 г.); МНТК «Итоги строительной науки» (г. Владимир, 2005 г.); МНТК «Теория и практика оценки состояния криосферы Земли и прогноз ее изменения» (г. Тюмень, 2006 г.); МНТК «Геотехнические и эксплуатационные проблемы нефтегазовой отрасли» (г. Тюмень, 2007 г.); МНТК «Криогенные ресурсы полярных регионов» (г. Салехард, 2007 г.); МНТК «Проблемы эксплуатации и обслуживания транспортно-технологических машин» (г. Тюмень, 2007 г. , 2009 г.); МНПК «Мехатроника строительных и дорожных машин» (г. Харьков, Украина, ХНАДУ, 2007 г.); ВНПК «Проблемы эксплуатации систем транспорта» (г. Тюмень, 2008 г., 2009 г.); МНТК «Транспортные и транспортно-технологические системы» (Тюмень, 2010 г.).
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 44 работах, в том числе: в 13 изданиях, рекомендованных перечнем ВАК, в 3 монографиях, в 5 учебных пособиях и в 14 изобретениях и патентах РФ.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, пяти глав и заключения, изложенных на 327 страницах основного текста (с приложением на 41 странице), содержит 107 рисунков, 26 таблиц и библиографический список из 218 наименований.
В основе диссертации лежат результаты, полученные автором при проведении комплекса научно-исследовательских работ: в соответствии с планами Тюменского государственного нефтегазового университета (до 1994 года Тюменского индустриального института), которые являются составной частью госбюджетной работы «Совершенствование рабочих органов строительно-дорожных машин» (1989-1996), хоздоговорных работ с трестом «Севертрубопроводстрой» (1986-1988); и результаты работы автора в выполнении исследований по Гранту Минобразования России на проведение НИР (2001-2002). В работу вошли также исследования автора при выполнении НИР по Программам: Минобразования России - «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники», «Экспериментально-теоретические исследования взаимодействий в системе «Транспортный комплекс - окружающая среда» в северных регионах Западной Сибири» (2001-2005), «Технология и комплекс машин инженерного обеспечения населенных пунктов Сибири и крайнего Севера путем строительства ледовых переправ» (2003-2004), «Теоретические основы процессов уплотнения многофазных дисперсных сред» (2005-2007); Тюменской области - «Развитие высшего и среднего профессионального образования и поддержка науки на 2001-2005 г.г.»; целевых научно-технических программ Тюменской области - «Техника и технология строительства и содержания транспортных сетей Тюменского региона» (2007) и «Совершенствование методов и техники для зимнего содержания транспортных сетей Тюменской области» (2008). В работе используются материалы, полученные автором при выполнении 11 фундаментальных и прикладных НИР в период с 1983 по 2010 г.г.
