Введение к работе
/Мщалынкть. Сегодня недра России'кого Сепера и Сибири - глав
ная кладоная зиергоресурсов страны. В регионе, которой зашкллег
помпі ночикпну территории, сосредоточено 85% запасов нефти, приход
ного га'-а, і ivnopt-.'і'рс:'-н. В Сибири находится полонина мировых зале
жей угли, п^|лг! -іамі> лесных массилоп планеты. 13 связи с быстрым,
разніпіісм добычи псфіп !! газа особое значение имеют северные раііол !
Западной Сибири. Лю огромные территории ох Уральского хребта ,,)
Енисея н or Опорного .Недопитою океана до Алтая, дающие до 70% до
бываемых о России псіпп її газа. При згом надо учитывать, что норма
шгшып C[vif< службы магистральных трубопроводов составляет 12-1а
лег, но ил-аа низкою качества строительства он снижается до З..Л лет
У с/юаня зксилуакщцп строительной техники на объектах трубокропод-
но;о сіроніельсіна сенсра ЗападіюЛ Сибири, насчитывающем около 20
тысяч спини;, несьма специфичны. Прокладка трубопровода сущест-
jk.'iiho цєїіяо-,' пріірезднніі режим территории, особенно в районах тунд
ры. Этим определяется жесткость требований к технологии строитель-
пча, к оіранпченінім полос отчуждения, расположению трубопрожтда,
как источника попышешюн опасности, на удалении от-населенных пун
кт». Изложенное свидетельствует об огромной народнохозяйственной
пажносги освоєння сонорных провинций Западной Спбнрн, повышения
зффокншностн работ).ї строительной, в том числе землеройной техники,
эксплуатируемой п суршшх природно-климатических, грунтовых я тех-
нояоі нчоскпх услониях. Это низкие температуры воздуха н грунта, за-
сисжсиность территорий и отсутствие дорог, сильные ветры и большие
температурные размахн, пысокая прочность и абразнвность вечнонер-
злых и мерзлых груитоп, удаленность мест работы машин от баз
зьептуатании и т.п. Эти условия существенно отличаются от расчетных
для строительных машин общего назначения. Однако только 5% парка
строиіе.тьньїх машин яяляются специальными. Более того, строительная
іехннка, эксплуатируемая н регионе, только на 50% обеспечена специ
альными зимними сортами топлива, на 35...-10% - трансмиссионного мас
ла, па 20...25% рабочей жидкости гидросистем. Из-за этого производи
тельность строительных машин снижается по сравнению с расчетной не
менее чем и 1,5 раза, в 2...3 раза уменьшается наработка на отказ, в
2...5 раз по срашн.чнно с норматпнамл сокращается срок службы. Про
цесс поди)тонки машин к пуску превращается и изнурительную процеду
ру, продолжающуюся и течение 1...3 часоп и более,' при ощутимых
дополнительных затратах гонлшта для чодотргнателя. ...
Машина япляегсч частью сложной системы, в которой на нее д'.й-стнуюг природно климатические, технологические,- экономические, уп-
-.3
рашшющие факторы. Машина, в свою очередь, адекиатно реагирует на них посредством энергетического воздействия. В настоящей работе представлены исследования, направленные на повышение эффеклш-ностн работы строительных мащии посредством усиления их приснособ-лениостн (адаптации) к суровым условиям эксплуатации.
Обобщая накапливаемый десятилетиями опыт адаптации и подчеркивал многогранность понятия, его можно классифицировать н с некоторой условностью представить в виде трех групп.
v Первая из этих групп объединяет разнообразные способы и средства совершенствующие собственно машину вне зависимости от того, где это делается - на заводе-изготовителе или п зкеилуатпрующен организации. Примером подобного совершенствования может служить оснащение машин подогревателями, обеспечивающими их предпусковую тепловую подготовку, применение специальных материалов, топлпв и масел.
Ко второй группе относятся сиосибы и средства, обеспечивающие смятение суровости условий эксплуатации (технологических, природно-климатических), например, па отдельных участках трассы будущего трубопровода грунт предохраняют от замораживания или предварительно оттаивают. Поэтому землеройными машинами разрабатывается раз-унрочнешшіі грунт. Или когда снег н низкие температуры используют' для строительства снеголсдовых дорог.
Третья группа объединяет способы и средства, когда наблюдаются одновременно признаки нерпой и второй групп, то есть тогда/коїда вносят изменения г, конструкцию машины и в нужном направлении корректируют воздействие среды. В качестве решении, относящихся к этой группе, можно отнести реализацию комбинированных способов разрушения мерзлых грунтов (гидромеханические, термомеханппеские н др.) и решения по созданию машин н механизмов для строительства снеголсдовых дорог.
Исследования но тематике настоящей работы выполнялись в соответствии с тематическими планами НИР супернрограммы "Сибирь" СО Л Л СССР в 1980-1990 г.г., отраслевой научно- технической программы Мингазиром.і СССР "Западная Сибирь", утвержденной 23.01.86 г., комплексной научно-технической программы Минвуза 1'СФСР "Нефть и газ Западной Сибири", межвузовской региональной научно-технической программы "Природокомплекс", научно-технической программы Госкомвуза РФ 'Уралвузконверсня", программы наумно-песледовагель-екпх работ адмишктрации Тюменской области и Миннауки Pell "Экологические проблемы топливно-знергетнческого комплекса".
і1(шіаа.ііЧ-іЬ настоящей рабо!ы заключается и повышении аффективное ?н иронгельпых машин в условиях Российскою Севера и Сибири
посредством улучшения приспособленности двигателей внутреннего сгорания и гидравлических трансмиссий к низким температурам, приспособления конструкции рабочих оргаиои сиегоуплажпягощих, снстоуплот-нягащих, землеройных машин к рассматриваемым условиям.строительства снсголедояых дорог и траншей в мерзлых и вечномерзлых грунтах. Для достижения поставленной цели потребовалось решить следующие основные палачи:
1. Обобщить имеющиеся сведения о климате и грунтах на Севере и
в Сибири и на этой основе построить базу данных и разработать прог
раммное обеспечение для определения и прогнозирования условий ра
боты строительных машин, выбора условий и ограничений п расчетных
алгоритмах, решения задачи проектирования и строительства снеголедо-
лых дорог, разупрочнения мерзлых н вечномерзлых грунтов перед их
. іехапнчсскпм разрушением.
-
Обобщить опыт предпусковой тепловой подготовки приводов строительных машин, работающих вдали от баз эксплуатации при низких температурах и на этой основе предложить тип и конструктивные схемы систем утилизации тепла (СУТ) с тепловыми аккумуляторами (ТА).
-
Исследовать процессы, аналитически описать и определить параметры тсплопереноса в типовой СУТ при предпусковом прогреве элементов привода (дизель, підробок), предложить методику расчета и алгоритм конструирования ТА, методику оценки технико-экономической эффективности оснащения строительных машин СУТ теплоаккумуля-' торами.
-
Представить основные элементы СУТ математическими, моделями, провести численные опыты и на этой основе выбрать рашынальную комбинацию параметров теплопереноса от жидкого теплоносителя к дизелю и гидробаку.
-
Провести натурные испытания макета СУТ, обосновав его работоспособность и эффективность, подтвердив корректность допущений, принятых при составлении математических моделей и при проведении численных опытов. <
-
Обобщить и развить опыт строительства с.чеголедовых дорог в условиях Севера и Сибири. Исследовать взаимодействие рабочих органов увлажняющих и уплотняющих машин со снегом и па этой основе предложим, эффективные конструкции строительных машин для визве-' дели я смеголсдоиых дорог в тундре.
-
Изучить и обобщить способы и машины по строительству траншеи п мерзлых и вечномерзлых грунтах. Теоретически и экспериментально последовать пр цессы взаимодействия термомеханлческого ра-
бичего органи с мерзлыми грунтами. Солдаті» эффективные конструктивные решения термо.чехашгче-аспх: рабочих органон траншейных зк-скаваторов.
Методика исследований. Автором и его учениками и процессе выполнения рассматриваемой работы в период с 1980 годи но настоящее время научены и обобщены способи м средства повышения приспособленности строительных машин к условиям сенераых и сибирских территории России. За основу взят опыт о области совершенствования строительных и других мобильных машин северного исполнении и максимального приспособления к условиям низких температур, в части iui-лоїюіі подготовки их приводов накопленный в институтах ВШШггроп-дормаш ч его Красноярском филиале, НАМИ, 11АТИ, ГОСШШПТ, КПИ, УПИ, ТюмИИ, СибЛДП, СИТУ, ЦПИМОМТП; па заводах: Ковровском экскаваторном, Кировском, ЧТЗ, КАМАЗ п многих других. В становлении и разшптш этого опыта большой личный вклад внесли Грудаков R.I 1., Гулин С.Д., Лосаыш Г.С., Каверзшг СВ., Карелов В.А., Квайт СМ., Маслі з В.В., Николаев С.П., Хорош А.П., 1-езшис Л.Г-, Чухлапцев Ю.П. н другие.
При разработке новых технологий и конструкций машин для производства снеголсдовых дорог п переправ были использованы результаты фундаментальных исследований снега, методой и технологий строительства, конструкций машин, выполненных во ВПИИСтондормащ, его Красноярском филиале, ГОСШШПе, Омском филиале ДорШШ, СКВ "Ралснемг" Горько, іокого политехнического института, С6ІТУ, ВГАСАн др. Личный «клад с решение данной проблемы внесли: Сайко И.Ф., Влнсберг II. С, Пеанов A.M., Николаев А. Ф., Никулин П. II., Плакса Л. П., Шалман Д.А., Ронгоиен В.Э, и др.
При разработке конструкций рабочих органон землеройных машин, реализующих термомехашгчепшй способ разрушении мерзлых грунтов были использованы результаты исследований Абезгауза В.Д., Алекс люй Т.В., Артемьева К.А., Зеленина А.II., Вегрова Ю.А., Волкова Д.П., Кутателадзе С.С, Волкова 1-І.П., Колесникова А.Г., Иечо-резова П.А., Растегаева И.А., Хазпна В.Г. н др.
Ссылки iia работы этих и других ученых, инструктивные н нормативные материалы даются в публикациях автора, на совокупности которых достроен настоящий доклад.
Поставленные задачи решались при помощи теоретических и экспериментальных исследований, основанных на современных достижениях п области математического и физического моделирования процессов с применением ЭВМ, устройств и машин, агитированных к условиям северных регионов России, с учетом требований к конструкции и
технолоппі производства її тсхинко-экономичсскнх показателей іфішс-. пенни строительных машин и строительных технологий.
Эксперименты пропалились и лабораторных и в производственных условиях на стандартных и специально созданных опытных установках и макетных образцах лапши, агрегатов и рабочих органов.
Научная новизна работы:
-
Научены сведения о климатических и грунтовых услоонях ряб-:,-, ты строительных маниш на Сепере н в Сибири. Разработан истод ежа тля этих сведений п представления результатов в виде баз данных дл:с автоматизированного расчета требуемых характеристик и показателе, климата п грунта.
-
Осуществлено математическое модслиро аиие процессоа тепло-переноса в потребителях тепла СУТ - дизеле и гидробакс, в её источнике - теплотт .аккумуляторе и работающем дизеле. Разработанные модели обобщены в единую систему, которая используется при расчетах параметров теплопереноса.
3. Сформулированы принципы, предложены методы расчета и
конструирования тепловых аккумуляторов для СУТ строительных ма
шин.
Л. Выполнены теоретические обобщений опытных сведении по теп-
лопереносу а прогреваемом в предпусковом периоде дизеле Д-IGO. По
лученные результаты распространены на автотранспортные дизели дру^
гих типов. .''
5. Изучены услопия строительства снеголсдошх дорог на Севере'
Тюмеискоіі области, включая динамику выпадения спежиых осадков,
температуры, направления и скорости петров, исследованы способі.' ме
ханизированного возведения временных спеголедовых дорог л тундре,
способы растепления и уплотнения снега для придания ему при после
дующем замерзании необходимой плотности и прочности. '
(і. Изложены теоретические подходы к решению задач уплотнения снега, представлены конструктивные решении машин для растепления и уплотнения снега, защищенные авторскими снидстельетпами,
7. Изучены процессы взаимодействия термоме'хаикчеекого рабоче
го органа с мерзлыми грунтами. Изложены теоретические подходы к
расчету и пред ста о лены принципиальные конструктивные решения по
созданию новых рабочих органов траншейных пкекаиаторов, реализую
щих термомеханический способ разработки мерзлых и печпомерзлых
груипж, защищенные ашорскимн енндетельстиамн на изобретения.
8. Исследованы теплофизнчегкие характеристики мерзлых И
печиомерзлых ірунгон Западной Сибири в угдовнях кратковременного
(1...)0 ССКуНл) НГНДҐІН ІІИІЯ М01ШІМХ (СИЛОВЫХ потоков.
.9. Применительно к конструкции землеройных машин (ЗМ) непрерывного действия исследованы различные способы внесения тепла в мерзлый грунт с целью его разрушения.
10. Изучены грунтовые условия работы ЗМ в северных нефтегазоносных провинциях Западной Сибири. Получены данные о параметрах аналитических выражений, описывающих юаимодействпе термомеханических р бочих органон ЗМ непрерывного действия с мерзлым грунтом. Определены направления совершенствования конструкций рабочих органов этих машин.
Практическая значимость работы. Предложены для практического применения системы утилизации тепла (СУТ) 'приводов строительных машин, эксплуатируемых на Севере п и Сибири. Они прошли опытную проверку на макетных образцах, разработанных применительно к экскаватору типа ЭТЦ-208В (СУТ для прогрева дизеля и гидробака), к экскаватору ЭО-4125 (энергосберегающий, бак). Заключен договор па создание опытной партии СУТ для бульдозера ДЗ-І17А. Разработано и прошло опытную проверку программное обеспечение расчетов и прогнозирования параметров климата Севера и Сибири в зимний период, параметров СУТ строительной машины, численных экспериментов, обеспечивающих расчет её параметров.
Предложены технологические схемы механизированного возведения сиеголедрзых. дорог в тундре, а также конструкции машин для растепления и уплотнения снега, прошедшие проверку в лабораторных а натурных условиях. Выпущена опытная партия уплотняющих катков. Определены основные направления их дальнейшего совершенствования. Разработано программное обеспечение для расчета механизированного строительства снеголсдовых дорог в тундре.
Получены сведения по теплофизпческнм и прочностным характеристикам мерзлых грунтов, позволяющие осуществить расчет термоме-ханическнх рабочих органов ЗМ непрерывного действия. Созданы конструкцій термомех.аппческих рабочих органов ЗМ непрерывного действия, прошедшие апробацию н лабораторных н натурных условиях. Определены основные пути их дальнейшего совершенствования.
. . Апробация работы. Материалы работы докладывались и одобрены на следующих научно-технических конференциях:
Всероссийской иаучно-нра.сгвческон конференции "Охрана геологической среды в районах Тюменской Субарктикп", г. II.Уренгой, 1У84 г.; Всесоюзной конференции "Нефть и газ Западной Сибири, проблемы добычи и транспортировки", Тюмень, 1985 г.; кошререиции молодых ученых и специалистов газовой промышленности Тюменской области, Тюмень, і!)85 г.; 5-ой научно-техни-
ческой конференции по применению СВЧ энергии в энергосберегающих технологических процессах, Саратов, 1986 г.; научно-технической конференции по повышению чоплипной экономичности автомобилей и тракторов, Челябинск. 1987 г.; Областной научно-технической конференции "Нефть и газ Западной Сибири", Тюмень, 1987 г.; региональной научно-технической конференции "Повышение эффективности проектирования, испытаний, эксплуатации автомобилей и строительно-дорожных машин, Горький, 1988 г.; 3-eii Всесоюзной конференции по механике и физике. Москва, 1988 г.; Рстональной научно-технической конференції; "Эксплуатация машин л суровых условиях", Тюмень, 1989 г.; 2-о;: Всесоюзной конференции "Нефть' и газ Западной Сибири", Тюмень, 1989 г.; региональной конференцій! "Гидравлика и пневматика па пути к рынку", Санкт-Петербург, 1992 г.; республиканской конференции "Повышение аффективиосш землеройных машин", Воронеж, 1992 г.; республиканской научно-технической конференции "Актуальные проблемы механизации дорожного строительства", Санкт-Лсгербург, 1992 г,; конференции по термическому анализу, Самара, 1993 г.; Межгосударственной научно-технической конференции "Нефть н газ Западной Сибири. Проблемы добычи и транспортировки", Тюмень, 1993г.; республиканской конференции по землеройным машинам, Воронеж, 1994 г.
Новизна разработок подтверждена 15 авторскими свидетельствами на изобретения СССР. Содержание доклада отражено В 58 работах при общем числе публикаций - 90.
