Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ методов уплотнения снега при возведении снеголедовых дорог 8
1. Снег как строительный материал 8
1.1. Свойства снега 8
1.2. Строительство временных снеголедовых дорог 14
1.2.1. Классификация снеголедовых дорог 14
1.2.2. Конструкции автозимников 15
1.2.3. Технология строительства зимних автодорог 16
1.3'. Описание процесса упрочнения снега при строительстве
автозимников 18
1.4. Комплексы машин для создания снеголедовых дорог 25 »
1.5. Применение вибрации при создании автозимников 27
1.6. Уплотнение в замкнутом объеме 28
1.7. Выводы по главе I. Цели и задачи исследования 34 '
2. Влияние вибрационного воздействия на способность снега к уплотнению в замкнутом объеме 36 .
2.1. Рабочая гипотеза исследования 36
2.1.1. Целевая функция 38
2.2. Общая методика исследования 39
2.3. Отбор значимых факторов 41
2.3.1. Экспертная оценка влияния различных факторов на способность уплотнения снежной массы 45
2.4. Математическая модель "Параметры виброуплотнения - плотность снега" 49
2.4.1. Учет частоты вибрации рабочего органа 49
2.4.2. Учет величины внешней нагрузки 53
2.4.3 Определение затрачиваемой мощности при статическом и вибрационном уплотнении снежной массы 55
2.4.4 Определение необходимых геометрических размеров снежных блоков с точки зрения энергозатрат на их создание 58
2.5 Выводы по главе 2 61
3. Экспериментальные исследования 62
3.1. Методика экспериментальных исследований 62
3.2. Экспериментальная установка 62
3.3. Определение минимально-необходимого количества опытов 65
3.4. Закономерность изменения энергозатрат на изготовление снежных блоков при различных частотах 67
3.5. Порядок и основные требования к проведению испытаний 69
3.5.1. Подготовка снега 69
3.5.2. Заполнение снегом формы 70
3.5.3. Процесс создания снежных брикетов 71
3.5.4. Журнал эксперимента 72
3.6. Проверка адекватности теоретических исследований экспериментальным данным 73
3.7. Выводы по третьей главе 77
4. Практическое использование результатов исследования 79
4.1. Реализация результатов исследования 79
4.2. Конструкции снегобрикетирующих машин с вибрационным рабочим органом объемного типа 79
4.3. Методика расчета устройства для виброуплотнения снега в замкнутом объеме 83
4.4 Разработка методики выбора параметров рабочего органа виброуплотняющеи машины 85
4.4.1 Расчет создаваемых усилий в рабочем органе виброуплотняющеи машины 85
4.4.2 Определение рабочей скорости машины 86
4.4.3 Расчет тягового и мощностного баланса движения машины 86
4.4.4 Расчета производительности машины 88
4.4.5 Разработка алгоритмического обеспечения выбора параметров виброуплотнения 89
4.5. Оценка экономической эффективности результатов исследования.. 90
4.5.1 Расчет производственных затрат 92
4.5.2 Расчет капитальных вложений 94
4.5.3 Определение годового фонда времени 94
4.5.4 Годовая эксплуатационная производительность 95
4.5.5 Расчет годовых затрат на эксплуатацию техники 96
4.5.6 Определение оптовой цены потребителя 100
4.5.7 Расчет показателей эффективности 100
4.6. Выводы по четвертой главе 104
Основные результаты и выводы по работе 106
Список литературы
- Строительство временных снеголедовых дорог
- Экспертная оценка влияния различных факторов на способность уплотнения снежной массы
- Определение минимально-необходимого количества опытов
- Конструкции снегобрикетирующих машин с вибрационным рабочим органом объемного типа
Введение к работе
Актуальность работы. Освоение Северных регионов России по добыче и транспортировке углеводородного сырья в последние годы получило новый импульс развития. Увеличивается интенсивность транспортного потока, в том числе и специальной нефтегазопромысловой техники. Как следствие возникла потребность в развитой сети автомобильных дорог.
Болота, сильное обводнение грунтов затрудняют строительство автомагистралей с твердым покрытием. По этим причинам почти весь объем перевозок выполняется в зимнее время путем использования временных (односезонных) снеголедовых дорог.
Высокая стоимость возведения снеголедовых дорог с одной стороны и возрастающая потребность в увеличении интенсивности транспортного потока с другой, ведут к поискам альтернативных методов возведения снеголедовых дорог, которые позволили бы добиться повышения прочностных показателей дорожного полотна, с уменьшением энергозатрат на строительство при сокращении сроков его формирования и продлением срока эксплуатации.
Проанализированы научные работы по проблеме создания временных снеголедовых дорог в суровых условиях Северных регионов России, различными авторами в нашей стране и за рубежом.
В ходе анализа было выяснено, что перспективным является создание снежных брикетов с применением вибрации в замкнутом объеме для строительства автозимников.
Данное направление малоизученно и представляет большой интерес. Возникает необходимость исследования данного процесса, с последующей разработкой методики расчета конструкций виброуплотняющих машин.
Целью работы является повышение эффективности строительства снеголедовых дорог, с учетом установления и использования зависимостей
6 конечной плотности полотна автозимника от параметров виброуплотнения снега в замкнутом объеме.
Объект исследования - процесс создания снежных блоков за счет виброуплотнения в замкнутом объеме при строительстве оснований снеголедовых дорог.
Предмет исследования - установление связи конечной плотности снежных блоков с параметрами виброуплотнения в замкнутом объеме.
Методы исследований. В работе использовались следующие методы исследований: литературный поиск, патентный анализ, математическое моделирование исследуемого процесса, метод априорного ранжирования, экспериментальные исследования, математическая статистика при обработке экспериментальных исследований. Оценка исследований проводились с помощью стандартных программных пакетов Mathcad2000, Excel, Regress, Maple 8.
Научная новизна работы.
Разработана математическая модель "Параметры виброуплотнения - плотность снега"
Установлена зависимость конечной плотности снега от параметров рабочего органа виброуплотняющей машины при уплотнении в замкнутом объеме.
Теоретически установлены и экспериментально подтверждены закономерности изменения конечной плотности снега от параметров виброуплотнения.
Разработана методика выбора и расчета конструктивных параметров, и рабочих режимов вибрационного органа объемного типа снегобрикетирующей машины
Практическая ценность работы состоит в том, что на основе проведенных исследований разработаны оригинальные конструкции снегобрикетирующих машин, с возможностью уплотнения снега в замкнутом объеме с применением вибрации, разработана методика расчета и выбора
7 параметров вибрационного органа объемного типа снегобрикетирующих машин, позволяющая получать необходимую конечную плотность снежного блока, варьируя значения частоты вибрации рабочего органа и величины внешней нагрузки.
На защиту выносятся:
математическая модель "Параметры виброуплотнения -плотность снега"
Методика расчета и выбора параметров снегобрикетирующих машин, разработанная на основе данных исследований.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на международной научно-практической конференции "Проблемы эксплуатации транспортных систем в суровых условиях", Тюмень, 2002 г.; международной научно-технической конференции "Нефть и газ западной Сибири", Тюмень, 2003 г.; региональной научно-практической конференции "Проблемы эксплуатации транспортных систем в суровых условиях" Тюмень, 2006 г.; международной научно-технической конференции "Геотехнические и эксплуатационные проблемы нефтегазовой отрасли" Тюмень, 2007 г.; международной научно-технической конференции, "Проблемы эксплуатации и обслуживания транспортно технологических машин" Тюмень, 2007 г.; международной научно-технической конференции "Интерстроймех-2007", Самара, 2007 г.; на расширенном заседании кафедры "Подъёмно-транспортные, строительные, дорожные машины и оборудование" Тюменского государственного нефтегазового университета, Тюмень, 2007 г.
Публикации работы. По результатам исследований опубликовано 7 печатных работ.
Структура и объем работы. Работа состоит из введения, 4 глав, основных выводов и списка литературы из 76 наименований. Общий объем работы содержит 126 страниц машинописного текста, в том числе 31 рисунок, 16 таблиц и 4 приложения.
Строительство временных снеголедовых дорог
Согласно ведомственным строительным нормам от 04.09.89 года к зимним автомобильньш дорогам - автозимникам - относятся сезонные дороги с полотном и дорожной одеждой из снега, льда и мерзлого грунта. Автозимники подразделяются следующим образом: а) по продолжительности эксплуатации: регулярные, возобновляемые каждую зиму в течение ряда лет по одной и той же трассе; временные, используемые в течение одного или двух зимних сезонов; разового пользования, служащие для разового пропуска колонн автомобилей; б) по расположению на местности: сухопутные, прокладываемые по суше; ледовые, прокладываемые по льду рек, озер, водохранилищ или морей; ледяные переправы через водотоки на сухопутных автозимниках и автомобильных дорогах постоянного действия; в) по продолжительности использования сезона: обычные, предназначенные для эксплуатации только в период с устойчивыми отрицательными температурами воздуха; автозимники с продленными сроками эксплуатации, обеспечивающие проезд в течение зимнего и части (или всего) летнего периодов года.
Регулярные и временные автозимники в зависимости от расчетной годовой грузонапряженности или расчетной интенсивности движения делятся на три категории: г 1-е перспективной (на 3 - 5 лет) грузонапряженностью свыше 100 тыс. т. нетто в год или с расчетной интенсивностью движения, приведенной к автомобилю грузоподъемностью 5 т, свыше 500 авт/сут; II - с перспективной грузонапряженностью от 50 до 100 тыс. т. нетто в год или с расчетной интенсивностью движения от 150 до 500 авт/сут; Ш - с перспективной грузонапряженностью до 50 тыс. т. нетто в год или с расчетной интенсивностью движения до 150 авт/сут.
Автозимники надлежит проектировать с учетом типов транспортных средств и организации перевозок во времени по мере изменения несущей способности полотна автозимника[16].
По конструктивным признакам зимние автодороги делят на четыре вида: расчищаемые грунтовые, снежно-уплотненные, снеголедовые и ледовые поливные [32].
Временные зимние дороги проектируют с учетом рельефа местности, вида подстилающего основания, преобладающих направлений ветра, количества осадков, условий эксплуатации, а также количества и свойств снега, из которого возводится дорога. Подобно дорогам капитального типа, зимняя дорога состоит из основания, полотна и покрытия. Плотность снега в теле полотна и покрытия дороги должна составлять соответственно не менее 450 кг/м3 и 600 кг/м3.
Возведенное дорожное полотно в профиле представляет собой слоистую структуру, которое состоит из подготовленного основания, тела дорожного полотна и усиленного покрытия. При строительстве дороги в зависимости от типа и рельефа местности могут добавляться дополнительные слои, как показано на рис 1.2 [46]
Механизация строительства зимних дорог может развиваться по двум направлениям. Первое из них основано на применении специализированных чашин, выполняющих одновременно (по совмещенной технологии) перемешивание и увлажнение снега, его уплотнение и рифление покрытия дорожного полотна. Второе направление состоит в использовании универсальных машин и простого навесного или прицепного оборудования, выполняющего технологические операции последовательно (по расчлененной технологии).
Существующие машины, работающие по совмещенной технологии, не позволяют строить зимние дороги в насыпи. Дія собирания снега с дорожной полосы при сооружении насыпи требуются отдельные машины -снегоочистители. Недостатком современных машин является также их непригодность для эксплуатационного обслуживания зимних дорог. По этим причинам общепризнанны преимущества расчлененной технологии сооружения зимних дорог.
Расчлененная (пооперационная) технология сооружения зимней дороги включает в себя различный набор операций в зависимости от конструкции полотна дороги и принятого способа его строительства.
Наиболее применимым для условий севера Западной Сибири считают способ послойного наращивания дорожного полотна (рис. 1.3) [36,38]. В него входят следующие последовательно выполняемые операции: - при необходимости расчистка трассы от леса; - проминка сырых участков и неглубоких болот вдоль дорожной и снегосборных полос с помощью вездеходных машин с низким удельным давлением ходовых систем; - промораживание дорожного основания с удалением выпадающего снега в накопительные валы на снегосборных полосах с помощью плужных снегоочистителей и бульдозеров; - увлажнение и профилирование накопленного снега по основанию дорожного полотна; - послойное наращивание полотна дороги (слоями в 0,2 м) снегом со . снегосборных полос до отметки, превышающей отметку окружающего снежного покрова; : - послойное увлажнение полотна дороги с расходом воды 2...4 л/М2, выполняемое водополивными машинами; - послойное уплотнение снега прицепными пневмокатками или гладилками с предварительным рыхлением и перемешиванием уплотняемого слоя с помощью ребристых металлических катков; - формирование ледяного покрытия толщиной 20...30 см путем разбрызгивания воды (с нормой расхода до 25 л/м2); - выполнение термоизоляционных работ путем разбрасывания опилок, лесосечных отходов или мха; - нанесение на покрытие насечки противоскольжения с помощью переоборудованных гладковальцовых катков.
Экспертная оценка влияния различных факторов на способность уплотнения снежной массы
При искусственном уплотнении снега он подвергается статическим и динамическим нагрузкам. Приложение нагрузки вызывает деформацию снега, увеличивающую количество контактов между кристаллами. Однако любая деформация нарушает и разрушает структурные связи, определяющие прочность и твердость снега. Преобладание того или иного процесса зависит от физических свойств данного снега, величины и скорости действия нагрузки.
Максимальная нагрузка на снежную массу не должна превосходить предела прочности уплотняемого материала. Но при уплотнении снега в замкнутом объеме величина внешней нагрузки не ограничивается пределом прочности уплотняемого материала. Это позволит применить большие давления при уплотнении.
Естественно, что для обработки более плотного снега следует назначать более высокие нагрузки. Мелкозернистый снег при плотностях 100-250 кг/м3 имеет предел прочности, не превышающий 20 кПа, а для фирнового этот предел превышает 100 кПа.
Для обработки более плотного снега следует назначать режимы обработки с более высокими давлениями, но не превышающими предела прочности обрабатываемого снега. [2,12]
На величину конечной плотности снега особое влияние оказывает толщина уплотняемого слоя. Уменьшение его толщины усиливает влияние более жёсткого основания и потому повышает предел прочности.
Плотность снега зависит от его пористости. Для снега объёмная плотность и пористость связаны соотношением: р = р0 (і - и). где ро = 917 кг/м - объёмная плотность льда при отсутствии пористости.
Таким образом, на процесс уплотнения снега влияет множество факторов, которые можно разбить на две группы: физико-механические свойства используемого при строительстве снега, и технологические параметры уплотнения. Обилие влияющих факторов создают определенные трудности при изучении процесса уплотнения снега. Поэтому возникла задача выбора факторов, значительно влияющих на процесс. Уменьшение количества параметров значительно сокращает объем экспериментальных исследований.
Необходимо произвести отбор значимых факторов (рис 2.2), которые позволят сократить объемы экспериментов и адекватно оценивать вибрационное воздействие на снег.
Предполагается, что существуют следующие факторы, имеющие значение, при уплотнении снега:
а) зависимость уплотнения от скорости подводимой нагрузки значительно влияет на степень уплотнения снежной массы. Это объясняется тем, что при увеличении скорости происходит увеличение динамического воздействия на исследуемую среду;
б) влажность и температура снежной массы тоже являются не маловажными факторами, влияющими на конечную прочность. Наличие и количество свободной воды в составе снежной массы влияет на его конечную плотность и твердость после уплотнения тем, что происходит процесс перехода свободной воды из жидкой фазы в твердую. Температура снега определяет вместе с плотностью прочностные характеристики снега и естественную влажность. Влажность снега описывает количество содержащейся в нём жидкой фазы и определяет технологию уплотнения снега.
Чем больше влажность снега (выше температура), тем он пластичнее, более склонен к слипанию и уплотнению. Существует зависимость между предельно достижимой при оптимальном режиме сжатия плотностью снега и его относительной влажностью. Эта зависимость выражается в виде степенной функции [34]: p = 0,37xw0,2, (2.5) где: w - влажность, %. в) амплитуда колебаний, воздействующих на снег, должна быть в пределах размеров частиц снега (снежинок) и зерен (кристаллов). Это объясняется тем, что существует необходимость в перемещении частиц снега лишь на расстояния, позволяющие производить перемешивание и разрушение внутренней структуры; г) виброскорость определяет скорость движения частиц снега относительно друг друга; д) величина внешней нагрузки является одним из решающих факторов.
Но бесконечно производить ее увеличение нецелесообразно и не всегда технически возможно, поэтому существует определенный оптимальный диапазон величины внешней сжимающей нагрузки.
На следующем этапе предполагается провести отбор значимых факторов при помощи априорного ранжирования, который позволит определить их вес и вклад в общую картину.
Определение минимально-необходимого количества опытов
В соответствии с целями и задачами исследования общая методика предусматривает проведение экспериментов в два этапа. Целью первого этапа эксперимента является практическое подтверждение установленных на этапе теоретических исследований зависимостей и закономерностей изменения плотности под действием вибрации. Первый этап исследований включаеет в себя: - создание экспериментальной установки. - выбор аппаратных средств, (аппаратура подключалась к установке с целью варьирования значений частоты колебаний виброплощадки) - комплектацию средств измерения обработку и анализ полученных данных, установление экспериментальных закономерностей и сопоставление их с теоретическими.
Второй этап эксперимента, посвящен разработке практических рекомендаций по результатам выполненных исследований и определению их экономической эффективности в условиях реальных процессов эксплуатации.
Для проведения эксперимента необходимо модернизировать стандартное оборудование и дополнить его системой электронного управления. Установка выполнена на основе виброплощадки ИВ 99 и состоит из станины 1, на которую через упругие элементы (пружины) 7 установлена платформа 2. (рис 3.1) Рис. 3.1. Установка На платформе 2 крепится рама 3 и форма 4. Винт 6, у которого с одной стороны имеется рукоять для его вращения, а с другой прикреплен пуансон 5, установлен на раме 3 в сопряжении с гайкой (на рис. 3.1 не показана). Гайка установлена в раме 3. При вращении винта 6 пуансон 5 перемещается в форме 4. Снизу к платформе 2 прикреплена опора верхняя 9, образующая с опорой нижней 8 шарнир. К опоре нижней 8 крепиться вибровозбудитель инерционный. Станина с направляющими для винта. Каркас изготовлен из швеллера, основание из листового металла толщиной 15 мм, направляющими для винта является специальная гайка, вваренная в верхний швеллер. Форма 4 (размеры внутреннего объема: 200x200x250мм) изготовлена из листового металла толщиной 6 мм и металлического уголка 20x3, приваренного к двум (по диагонали) из четырех ребер. Принцип действия установки изображен на рис. 3.2. С помощью трехфазного преобразователя частоты варьировалось значение частоты колебаний виброплощадки. Виброанализатор СК 2300 предназначен для регистрации параметров вибрации, имеющий выход RS 300, позволяющий подключать рабочую станцию - ноутбук. Значения парметров фиксировались и заносились в базу данных.
Определение минимально-необходимою количества ОПЫТОВ Определение минимального количества измерений необходимо для обоснования заданной достоверности реїультатов опыта при проведении их с ограниченной точностью. В связи с этим, одной из первоочередных задач является установление минимального, но достаточного числа измерений. Определим минимальный обьем выборки (число измерений) N,„in при заданных значениях доверительною интервала 2и и доверительной вероятности. При выполнении измерений необходимо знать их точность (14,55,52).
Из графика (рис. 3.5) видно, что минимальные энергозатраты на изготовление снежного брикета находятся в диапазоне около блока с размерами площади сечения 200x200 мм. Следовательно, исходя из условия минимизации энергозатрат принимаем длину ребра основания снежного куба максимальной из диапазона. Подставляя значения в формулу (2.28) получаем зависимость энергозатрат на изготовление снежного брикета от частоты вынуждающих колебаний: Е = 0,0089чо3-0,2843чо2-15,111-+ 1415,1 (3.2) Уравнение (3.2) представлено на рис. 3.6 в виде полинома второй степени, а результаты расчетов сведены в таблицу .3.2.
Из графика (рис. З.б) видно, что оптимальным диапазоном на изготовление снежных брикетов являются частоты в интервале от 30 до 45 Гц. Следовательно, исходя из условия минимизации энергозатрат принимается именно этот диапазон частот.
Снег должен быть однородным, без посторонних включений, заданной плотности (р«0,10 0,15 т/м3). Форму устанавливают на виброплиту и крепят к раме при помощи резьбового соединения. Рис 3.7. Разборная форма для изготовления снежных брикетов 3.5.2. Заполнение ДОГОМ формы
Форма, штамп (пуансон) и другие части, входящие в соприкосновение с уплотняемым материалом, должны иметь одинаковую температуру с окружающим воздухом.
Данное условие необходимо для устранения уплотнения снега путем таяния его на поверхностях с положительной температурой. Заполнение проводят постепенно, путем засыпания лопаткой, стараясь заполнить все образующиеся пустоты, но так чтобы плотность снега не изменялась. Трамбовка или какой либо другой вид уплотнения при заполнении не допускается. После заполнения снегом формы производится опускание штампа (пуансона) до верхнего края формы.
Конструкции снегобрикетирующих машин с вибрационным рабочим органом объемного типа
Расчёт и построение тягового баланса машины на рабочей скорости: Рт=Р/+Рв+Рп+Рі (4.12) где Рт —требуемая тяговая сила, Н; Pf- сила сопротивления качению, H; Рв - сила сопротивления воздуха, Н; Рп - сила сопротивления подъёму, Н; Pj - сила инерции (ускорения или замедления), Н; Составляющие тягового баланса определяются следующими формулами; Pf=Ga-f-cos а (4-13) где Ga - полный вес машины, Н; а - угол подъема, преодолеваемый машиной, град; f = 0,003 - коэффициент сопротивления качению, Рв = 0, т.к. движение машины производиться при низких скоростях и составляющая не учитывается. Pn = Ga-sina (4-Й)
Силой инерции (ускорения или замедления) Pj пренебрегаем, т. к. в технологическом процессе создания полотна машина не осуществляет разгона. Крутящий момент на валу двигателя определяется по формуле: M = 9550-Ne/ne (4.15) р Кчшр-Ч (4Л6) ЗЮЗдичкЧ где rixp - кпд трансмиссии; Рт Рт требуемый (условие тягового баланса выполняется) Баланс мощности передвижения машины рассчитывается по формуле NT = NeTjTp=Nf+NB + Nn + Nj; (4-17) где NT - мощность, приведенная к ведущим колесам автомобиля, кВт; Nf - мощность, затрачиваемая на преодоление сопротивления качению, кВт; NB - мощность, затрачиваемая на преодоление сопротивления воздуха, кВт; Nn - мощность, затрачиваемая на преодоление подъёма, кВт; Nj- мощность, затрачиваемая на разгон автомобиля, кВт. Составляющие мощностного баланса определяются по следующим формулам: Nf=PfV; (4.18) Ne = Pe-V; (4.19) Nn =Pn-V; (4.20) При рабочей скорости в 0,12 км/ч или 0,033м/с необходимая мощность двигателя составит: Формулы (4.18), (4.19), (4.20) подставляются в выражение (4.21): N ViPf+ + P»)/ ; (4.21) где Nj - мощность для разгона имеет очень малую величину и ею пренебрегают. 4.4.4 Расчета производительности машины
Теоретическая производительность машины: Лтеор = FH V = 0,48 0,033 = 0,01584л/3 і с , (4.23) где FH - площадь сечения создаваемого полотна, м2. Техническая производительность машины: = - - =0,01584-0,8-0,8 = 0,0101376 3/с (4.24) где КН - коэффициент, учитывающий неполное использование номинальной вместимости рабочего органа или установленной грузоподъемности; KV коэффициент, учитывающий снижение скорости рабочего органа машины по сравнению с расчетной. Эксплуатационная производительность машины: Л«. =Птщ, fB=0,0101376-0,8 = 0,008lW 1с Где Кв - коэффициент использования рабочего времени машины по времени
Разработано алгоритмическое обеспечение на основе установления и использования закономерностей выбора параметров рабочего органа виброуплотняющей машины. С участием автора создано программное средство расчета конечной плотности снежных блоков.
Исходными данными, которыми задаются при расчете и выборе параметров виброуплотняющей машины с возможностью уплотнения снега в замкнутом объеме, являются: начальная плотность снега р0 , требуемая плотность снега рк.
На стадии разработки были определены основные требования к функциональной части и интерфейсу. При нажатии на кнопку "выбор" активизируется курсор, с помощью которого возможен выбор значений начальных параметров. При нажатии на кнопку "расчет" происходит расчет необходимой частоты и давления, значения которых выводятся на экран монитора.
При нажатии кнопки "выход" корректно закрываются все активные связи с базой данных и окно программы закрывается.
Программа работает следующим образом, задавая реальные режимы работы снегопогрузочной машины, можно выводить на экран различные параметры и визуально наблюдать за работой.
