Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ проблем применения ледорезных машин в технологических операциях, выполняемых с ледяного покрова 24
1.1. Природно-географическая среда функционирования ледорезной техники 24
1.2. Основные технологические задачи, решаемые посредством ледорезных машин при наличии ледяного покрова
1.2.1. Прокладка подводных трубопроводов 28
1.2.2. Прокладка донных кабельных линий 28
1.2.3. Околка судов и гидротехнических сооружений 32
1.2.4. Создание ледовых дорог и взлетно-посадочных полос 33
1.2.5. Подледный лов рыбы 34
1.2.6. Организация подводно-технических работ 36
1.2.7. Ликвидация последствий аварий на подводных переходах магистральных нефтепроводов 36
1.2.8. Характеристики видов и форм разрушения льда, необходимые для реализации технологических операций, выполняемых с ледяного покрова 40
1.3. Развитие парка ледорезных машин и особенности их применения 43
1.3.1. История вопроса 43
1.3.2. Ледорезные машины НИЛ «РАЛСНЕМГ» 44
1.4. Направления решения проблемы расширения областей применения и повышения эффективности использования ледорезных машин 57
1.4.1. Современные подходы к созданию технических объектов 58
1.4.2. Приложение теории технических систем к созданию ледорезных машин 58
1.4.3. Закономерности технической эволюции ледорезных машин 61
1.4.4. Роль технической среды в эволюции ледорезных машин 65
1.5. Дополнительные факторы, влияющие на работу ледорезных машин и технологических комплексов 68
1.5.1. Дополнительные факторы технологического характера 68
1.5.2. Вопросы организации безопасной работы технологических комплексов на ледяном покрове 69
1.6. Цели и задачи исследования 73
1.6.1. Цель работы, структурная взаимосвязь проблем и задач 73
1.6.2. Разработка концепции ледорезных машин нового поколения 75
1.6.3. Разработка параметрических рядов ледорезных машин 76
1.6.4. Обеспечение безопасной работы ледорезных машин на ледяном покрове 76
1.6.5. Учет дополнительных факторов 78
1.6.6. Практическое применение результатов исследований 78
1.6.7. Резюме 80
Глава 2. Теоретические и экспериментальные исследования взаимодействия элементов ледорезных машин с разрабатываемой средой 81
2.1. Классификация и основные физико-механические свойства льда как объекта разрушения резанием 81
2.2. Классификация ледорезных машин
2.2.1. Особенности структурных схем ледорезных машин 90
2.2.2. Ледорезные машины с пальцевыми фрезами 95
2.2.3. Ледорезные машины с цепными (баровыми) рабочими органами 96
2.2.4. Ледорезные машины с дискофрезерными рабочими органами 97
2.3. Анализ процесса резания. Основные математические модели и алгоритмы 98
2.3.1. Анализ развития исследований в области резания льда 98
2.3.2. Разработка математических моделей взаимодействия режущих элементов со льдом 100
2.3.3. Результаты экспериментальных исследований нагрузок на режущих элементах ледорезных машин 108
2.3.4. Определение нагрузок на рабочих органах ледорезных машин 121
2.3.5. Разработка алгоритмов и вычислительных схем расчета показателей нагрузок, действующих на рабочие органы ледорезных машин 133
2.4. Основные показатели процесса резания льда, используемые для оценки и выбора параметров рабочих органов 138
2.4.1. Сравнительный анализ нагрузочных характеристик рабочих органов различных типов 138
2.4.2. Обобщенные силовые и энергетические показатели процесса резания льда рабочими органами ледорезных машин 146
2.4.3. Паспортные характеристики рабочих органов 156
2.5. Оценка основных параметров и выбор типа движителя ледорезных машин 164
2.5.1. Обзор и классификация конструкций движителей ледорезных машин 165
2.5.2. Оценка эксплуатационных параметров движителей ледорезных машин 168
2.6. Выводы по главе 176
Глава 3. Обоснование параметрических рядов и разработка концепции нового поколения ледорезных машин ... 179
3.1. Основные принципы и методы построения параметрических рядов... 179
3.1.1. Развитие конструктивной унификации рядов машин и узлов 179
3.1.2. Методологические основы разработки параметрических рядов ледорезной техники 182
3.1.3. Математические модели и основные направления построения параметрических рядов ледорезных машин 187
3.2. Разработка ряда ледорезных машин на основе базовых тракторов 193
3.2.1. Анализ ряда базовых тракторов, пригодных для создания ледорезных машин и работы на ледяном покрове 194
3.2.2. Определение диапазонов толщин прорезаемого льда 199
3.2.3. Выбор основных характеристик параметрического ряда рабочих органов 201
3.2.4. Взаимодействие ряда базовых тракторов с рядом рабочих органов... 209
3.3. Разработка концепции ледорезной машины нового поколения 225
3.3.1. Проблемы создания и использования ледорезных машин на основе серийных базовых тракторов 225
3.3.2. Методологические основы создания технической концепции 228
3.3.3. Основные положения концепции нового поколения ледорезных машин 234
3.4. Выводы по главе 240
Глава 4. Исследование дополнительных факторов, влияющих на выполнение технологических операций с участием ледорезных машин 243
4.1. Прокладка глубоководных кабельных линий 243
4.1.1. Математические модели используемые для описания прокладки
кабеля с ледяного покрова, и основные зависимости 246
4.1.2. Определение параметров кабельной линии при переменной глубине
водоема 250
4.2. Смерзание щели, образованной в ледяном покрове с большим
запасом отрицательных температур 259
4.2.1. Определение скорости нарастания льда на вертикальной стенке прорези 263
4.2.2. Анализ полученных решений и расчетные зависимости 272
4.2.3. Влияние ледяной стружки на процесс смерзания
4.3. Образование щелей и каналов для сбора нефтепродуктов 278
4.4. Выводы по главе 283
Глава 5. Исследование несущей способности ледяного покрова при проведении технологических операций 285
5.1. Физико-механические элементы деформирования ледяного покрова поперечной нагрузкой 285
5.1.1. Механические свойства льда 285
5.1.2. Механика деформирования ледяного покрова поперечной нагрузкой 286
5.1.3. Особенности воздействия на лед элементов технологических комплексов 291
5.2. Теоретические исследования несущей способности ледяного покрова 294
5.2.1. Аналитический обзор известных исходных математическихмоделей 294
5.2.2. Формирование исходной математической модели 297
5.2.3. Тестирование вычислительного алгоритма и анализ предварительных результатов в применяемых расчетных схемах 305
5.2.4. Критерий оценки безопасности нагружения ледяного покрова при действии нескольких нагрузок 314
5.3. Формирование системы данных для разработки схем расстановки элементов технологических комплексов 319
5.3.1. Схема расстановки элементов комплекса 319
5.3.2. Одиночная нагрузка 321
5.3.3. Учет влияния длительности нагружения ледяного покрова на его грузоподъемность 328
5.3.4. Подготовка базы данных для двух нагрузок 333
5.4. Алгоритм и принципы обеспечения безопасности элементов
технологических комплексов, работающих на ледяном покрове 344
5.4.1. Алгоритм безопасной расстановки элементов комплексов 344
5.4.2. Принципы разработки нормативных документов для организации и проведения технологических операций на ледяном покрове 349
5.5. Выводы по главе 352
Глава 6. Разработка опытного образца ледорезнои машины как одного из элементов параметрического ряда 354
6.1. Основные параметры ледорезной машины 354
6.1.1. Назначение машины 354
6.1.2. Требования к параметрам и характеристикам машины 355
6.1.3. Компановка машины и форма корпуса-понтона 357
6.1.4. Основные эксплуатационные варианты взаимодействия корпуса-понтона машины с ледяным покровом 363
6.2. Определение параметров ледорезной машины, как плавучего объекта 369
6.2.1. Условия определения параметров на модели 369
6.2.2. Определение характеристик плавучести и остойчивости корпуса понтона опытным путем 371
6.3. Приложение полученных результатов к проектированию натурной
плавающей ледорезной машины 381
6.3.1. Форма корпуса понтона, расположение колес и опор 381
6.3.2. Рекомендации по компановке и распределению масс механизмов 383
6.3.3. Расположение точки приложения буксирного усилия 383
6.4. Проект ледорезной машины ЛФМП-1 385
6.4.1. Конструкция машины 385
6.4.2. Перевозка, ввод в действие и эксплуатация машины 398
6.5. Варианты конструкций машины как элемента параметрического ряда 415
6.5.1. Вариант с баровым рабочим органом 416
6.5.2. Вариант с пальцевой фрезой 421
6.5.3. Дополнительные возможности использования базовой машины 422
6.6. Выводы по главе 425
Глава 7. Создание и использование кабелеукладочного комплекса для прокладки кабельной связи и установки нейтринного телескопа нт-200 на озере байкал 428
7.1. Использование ледяного покрова для установки нейтринного телескопа НТ-200 428
7.1.1. Нейтринный телескоп НТ-200 428
7.1.2. Структура донных кабельных линий 429
7.1.3. Преимущества использования ледяного покрова для монтажа телескопа и кабельных линий 432
7.2. Ледяной покров оз.Байкал 435
7.2.1. Статистика динамики нарастания и стаивания льда оз.Байкал 435
7.2.2. Распределение температуры в толще ледяного покрова 437
7.3. Структура и характеристики элементов кабелеукладочного комплекса 443
7.3.1. Структура комплекса 443
7.3.2. Характеристики элементов комплекса
Основные технологические операции, проводимые при работе комплекса 459
1. Подготовительные операции на ледяном покрове 459
2. Развертывание комплекса на ледяном покрове 463
3. Укладка кабеля 463
Организационно-техническое обеспечение работ по укладке кабеля... 468
1. Определение монтажно-технологических параметров укладки кабеля на дно оз.Байкал 468
2. Обеспечение безопасной работы элементов комплекса на ледяном покрове 472
Итоги работы комплекса, выводы и рекомендации 482
Основные результаты и выводы 487
Список использованной литературы
- Основные технологические задачи, решаемые посредством ледорезных машин при наличии ледяного покрова
- Классификация ледорезных машин
- Разработка концепции ледорезной машины нового поколения
- Преимущества использования ледяного покрова для монтажа телескопа и кабельных линий
Основные технологические задачи, решаемые посредством ледорезных машин при наличии ледяного покрова
Перспективы экономического развития России неразрывно связаны с освоением районов Севера и Сибири, богатых нефтью и газом. Разработка месторождений требует строительства транспортных магистралей, прокладки трубопроводов, кабельных линий, создания дорог и аэродромов и т.д. Ледяной покров, сковывающий акватории рек и озер значительную часть года, является существенным фактором, влияющим на эту производственную и промышленную деятельность.
С целью оценки возможности использования ледяного покрова водоемов и рек как несущей поверхности при строительстве и эксплуатации зимних дорог, при сооружении мостов и других инженерных объектов, для разработки заданий на проектирование техники при локальном вскрытии льда, целесообразно провести районирование территории России по принципу близких по численному значению толщин ледяного покрова рек и водоемов.
В результате статистической обработки многолетних измерений толщин льда, приведенных в специальной литературе [39, 46], были составлены карты с указанием средних значений этого показателя и нанесены линии (изотолщины), очерчивающие районы близких по значению толщин ледяного покрова. Районы с выявленными изотолщинами представлены на рис. 1.1.
Ледяной покров рек севера Восточной Сибири - Енисея, Пуры, Тазы и других - плавно нарастает в течение всей зимы. В дельтах этих рек в период с декабря месяца располагается большая по площади зона I самого толстого льда. Южнее этой зоны в декабре месяце располагается большая по площади зона II с толщиной 0,5 м. В январе из этой зоны выделяется узкая полоса III с промежуточной по сравнению с зонами I, II толщиной ледяного покрова 0,7 м. В феврале из зоны II в бассейне реки Нижняя Тунгуска выделяется область IV с более толстым льдом, которая сохраняется и в марте месяце. Следует отметить, что в этом месяце зона III сливается с зоной II, и таким образом, ледяной покров III по толщине прекращает свой рост в феврале.
Особенностью ледяного покрова рек, впадающих в Восточно-Сибирское море: Индигирки, Алазеи, Омолона, Колымы - является большой диапазон изменения его толщины в направлении с юга на север. При этом наибольшее значение этого показателя наблюдается в прибрежных районах Индигирской и Колымской низменностей (зоны I, II) и у 64-й параллели в районе Полюса холода (зона IV), т.е. на юге рассматриваемого региона.
Другой характерной чертой является постоянство границ перечисленных зон в течение всего зимнего периода. Наиболее резкий прирост средней толщины льда наблюдается в этих зонах в январе месяце - 0,4 м и снижается в следующий зимний период до 0,2 м. Представляет интерес зона IV в районе Полюса холода, где средняя температура составляет -50С. Уже в декабре месяце здесь на реках формируется значительный ледяной покров со средней толщиной 1 м, за зимний период он возрастает до 1,7 м (март месяц). Однако если взять отдельные результаты измерений для конкретных мест, то в районе поселка Усть-Бахапка (восточная часть зоны IV) толщина может достигать величины 2,8 м. В районах между рассмотренными зонами средняя толщина на реках в 1,6 -г 1,8 раза ниже и имеет меньшую интенсивность прироста по месяцам (зоны III, IV, V).
Большим разнообразием по толщине характеризуется ледяной покров рек бассейна верхнего течения р. Лена и озера Байкал. В декабре месяце на севере этого региона располагается очень большая область с наименьшей толщиной льда 0,4 м (зона I). Наиболее толстый лед наблюдается в районе южнее озера Байкал (зона IV). В течение последующих зимних месяцев наблюдается разделение зоны II на области с различной динамикой роста ледяного покрова: в январе возникают зоны III и IV, прилегающие к оз. Байкал. Причем его восточный берег имеет самую низкую динамику роста ледяного покрова (0,1-5-0,2 м в месяц) в течение всего зимнего периода. Интересно отметить, что если в начале зимы ледяной покров на реках восточного и западного побережья одинаков (0,5 м), то уже в январе лед западного побережья толще восточного на 0,3 м, и эта разница сохраняется на последующие месяцы.
Бассейн рек центральной России отмечен большими по территории зонами с одинаковой средней толщиной речного льда. Градиент нарастания толщины направлен с северо-запада на юго-восток. С декабря по февраль в районе, примыкающем к Финскому заливу, лед на реках имеет минимальную для данного региона толщину (зона I). Здесь сказывается влияние Балтийского моря. Однако в конце зимы эта зона сливается с зоной II, и, в период февраль-март происходит выравнивание толщины ледяного покрова. С декабря по февраль наибольшая толщина отмечается в зоне III на востоке региона. Эта зона в течение зимнего периода расширяется и в марте имеет преобладающее распространение.
Проведенный анализ показал наличие устойчивого ледяного покрова на водных акваториях территории России в течение, как минимум, четырех месяцев. Районирование территории России по толщине ледяного покрова позволит более обоснованно подойти к оценке несущей способности ледяного покрова при проведении технологических операций со льда и к вопросу выбора характеристик техники, проектируемой для локального вскрытия льда.
Большая часть возникающих технических задач и проблем связана с необходимостью создания во льду прорезей и майн. Совокупность технических средств, включая ледорезную машину, составляет технологический комплекс, предназначенный для выполнения конкретных работ. Рассмотрим с этих позиций технологические задачи, в которых возможно эффективное применение ледорезной техники.
При строительстве гидротехнических и транспортных сооружений большие объемы таких сложных и трудоемких работ, как сооружение мостовых опор, прокладка линий электропередач, связи и др., выполняются непосредственно в руслах рек или на дне водоемов. Во многих случаях подобные работы целесообразно проводить в зимний период со льда, так как это позволяет сократить сроки и получить экономию средств при строительстве. 1.2.1. Прокладка подводных трубопроводов.
В некоторых случаях выполнение трубоукладочных работ со льда является единственно возможным способом, например прокладка трубопроводов через болотистые места большой протяженности. Аналогичная ситуация возникает при необходимости ремонта подводных трубопроводов в зимний период.
Прокладка трубопроводов со льда осуществляется двумя способами [109]. Сущность первого проиллюстрирована на рис. 1.2. В этом случае трубопровод протаскивается по дну лебедкой, заякоренной на льду, посредством салазок, скользящих по поверхности ледяного покрова. С целью снижения нагрузок на лед салазки снабжены водоизмещающим понтоном. Для реализации данного способа необходимо прорезание сквозной щели в ледяном покрове.
Разновидностью способа является прокладка трубопровода через водные преграды небольшой протяженности [107]. В этом случае трубопровод протаскивают по дну посредством лебедки или тракторного сцепа, расположенных на противоположном берегу, рис. 1.3. Для входа и выхода трубопровода из воды с помощью ледорезных машин образуют специальные майны [7], [ 107].
При втором способе укладка трубопровода на дно осуществляется непосредственно со льда через прорезанную сквозную щель с помощью опускных рамок, рис. 1.4.
Технологические комплексы по укладке трубопроводов (не только подводных) характеризуются наличием большого количества тяжелой и сложной техники [107], что предполагает наличие ледяного покрова значительной толщины.
Классификация ледорезных машин
Одной из причин небольшой потребности в ледорезных машинах является то, что каждая из возможных областей их применения требует от них определенной совокупности характеристик, основных и второстепенных параметров, которые не всегда представлены в уже существующих машинах. Создание для каждой из областей своей специализированной машины, ориентированной на конкретные внешние условия и условия, выдвигаемые (не всегда корректно) заказчиком машины, приводит к единичности и мелкосерийности производства.
Такой подход требует значительных интеллектуальных и производственных затрат. Хотя он и расширяет конструкторско-технологический опыт, однако требует длительного времени и материальных затрат на доводку все новых и новых узлов и конструкций. В современных экономических условиях требуется иной подход к разработке ледорезной техники, основанный на принципах маркетинга и системности, сутью которых является комплексное решение не только внутренних задач конструирования, но и задач, связанных с дальнейшим функционированием этой техники во взаимодействии с возможными внешними факторами. 1.4.1. Современные подходы к созданию технических объектов.
В качестве исходной базы используются положения современной теории создания сложных технических систем. Эта теория, называемая также "инженерной кибернетикой", начала интенсивно развиваться с появлением сложных технических объектов и систем (космонавтики, авиации, атомных подводных лодок и т.п.), перейдя из науки, связанной с электроникой, к другим областям применения - биологии, технике, социологии, экономике. Развитие этой науки, в силу известных причин, первоначально происходило за рубежом, она представлена трудами таких ученых, как Н. Винер [35], Эшби У. Росс [173] и многих других [50], [71], [162]. В дальнейшем заметный вклад в теорию был сделан и ученым киевской школы В.М. Глушковым [41] и др. [67], [105], [79], [25], [72], [114]. Из общей теории в дальнейшем выделили направление, основанное на анализе различных систем и объектов в производстве [20], космонавтике [40], экономике [76], химии [69] и даже биологии [19]. В дальнейшем термин "кибернетика" стал заменяться понятием "теория механических систем" [128], [131], [141], [101] и т.д., так как математические описания систем стали заменяться более общими философскими и логическими понятиями, как, например, в книге [1].
Теория позволяет унифицировать методологию решения инженерных задач анализа и синтеза с целью получения высококачественных технических объектов. Она основана на общих диалектических принципах, реализованных в механизме, закономерностях и факторах технической эволюции техники.
Схема эволюции самой методологии проектирования показана на рис. 1.24.
Начальный энергетический подход подразумевал создание объектов с наименьшими затратами энергии, материалов. Технический подход характеризуется интенсивным подъемом производительных качеств объектов (мощности, грузоподъемности, скорости и пр.), когда энергетические соображения отходят на второй план. Комплексный подход, пришедший на смену техническому, сочетал в себе предыдущие подходы и учитывал стоимость увеличения производительности, удельные затраты, ориентировался на возможности и условия производства.
Системный подход является наиболее широким и универсальным, учитывающим все многообразие связей проектируемого технического объекта, начиная с его конструкции и завершая утилизацией в конце жизненного цикла. Энергетический подход
Схема развития методологии проектирования объектов современной техники [1]. Под технической системой подразумевается обособленная совокупность (комплекс) в общем случае разнородных средств, увязанных в единое целое внутренними взаимосвязями и внешними отношениями, обусловленными функциональным взаимодействием при выполнении возложенных целевых функций [141]. Функциональная структура технической системы может быть интерпретирована схемой, показанной на рис. 1.25. Техническая система представлена в виде графа, который состоит из элементов технических средств (ТС(), соединенных межэлементными взаимосвязями CBj, осуществляемыми через внутренние входы и выходы и отражающими выполняемые ими функции в составе данной технической системы. На ее границе осуществляется множество внешних отношений с окружением, которое может рассматриваться как техническая среда функционирования выделенной системы.
Такая схема обладает свойством вложенности и может составляться для другого уровня иерархии - рассмотренная техническая система может выступать элементом системы высшего уровня, а с другой стороны, элемент системы - TCj может рассматриваться как система нижнего уровня с аналогичными элементами и внешними связями. В соответствии с изложенными выше принципами и понятиями примем следующие положения: а) ледорезная машина рассматривается как элемент системы высшего уровня - во взаимодействии с другими элементами технико-технологических комплексов, деятельность которых направлена на решение крупномасштабной технической задачи или проблемы; б) ледорезная машина рассматривается как система, элементами которой являются уз лы и агрегаты, составляющие эту машину, со связями между ними. К внешним отношениям относятся связи с остальными элементами комплексов и взаимодействие со средой функцио нирования машины - ледяным покровом. в) совокупность ледорезных машин различного назначения, вида, габаритов и произ водительности рассматривается как система, элементами которой являются проектные ре шения отдельных узлов, агрегатов рабочих органов, движителей и пр., а связь между ними обусловлена преемственностью в использовании конструкторского, технологического и про изводственного обеспечения. Средой функционирования этой системы является конструк торско-производственная база предприятий, конструирующих и изготавливающих эти ма шины.
Разработка концепции ледорезной машины нового поколения
На основании изложенного интересно сравнение работы ледорезных машин с различными рабочими органами. Как видно из рис. 2.4., на котором сплошными тонкими линиями обозначено направление оптических осей кристаллов, усилие резания у дисковой фрезы в начальный момент, когда толщина стружки еще невелика, направлено поперек кристаллов, однако, когда толщина стружки достигает максимальной величины, резание происходит в наиболее благоприятных условиях.
Пальцевая фреза осуществляет резание в поперечных плоскостях, когда усилие резания постоянно в течение всего цикла и направлено соответственно второму случаю нагружения (рис. 2.3). Поэтому сопротивление льда резанию при работе с пальцевой фрезой должно быть значительно больше, чем с дисковой.
Что касается барового рабочего органа, то условия его работы приближены к дисковой фрезе, и траектория резания составляет небольшой угол с оптической осью кристаллов в зависимости от положения рабочего органа. Однако как показали экспериментальные исследования условия работы резцов отличаются от условий взаимодействия штампов с образцами льда.. При этом определяющим фактором является не анизотропия, а схема расстановки резцов на рабочем органе.
Еще одним важным механическим свойствам для функционирования ледорезных машин является твердость льда на поверхности ледяного покрова, которая зависит от температуры и структуры льда. Как показали исследования И.Коха и А.Вегенера [175], твердость льда колеблется от 3 баллов по минералогической шкале МООСА для пресного льда, находящегося в температурном диапазоне от 0 до -15С, и до 5 баллов при температуре ниже -20С. Такие значения характеризуют материал, твердость которого находится между показателями меди и стали. Физико-механическим свойствам льда посвящено большое число исследований, однако публикуемые данные весьма разнородны, а иногда и противоречивы, что объясняется различием методик проведения опытов и многообразием видов льда. В таблице 2.1 приведены некоторые усредненные свойства льда. Перечисленными выше данными не исчерпывается все многообразие свойств льда как физического тела так и ледяного покрова - своеобразной природной несущей конструкции. Иные специфические свойства будут рассмотрены непосредственно в тех разделах, где они представляют наибольшую актуальность. Основные физические свойства пресноводного льда.
За десятилетия конструирования ледорезных машин в ОКБ «РАЛСНЕМГ» был разработан широкий спектр их типов и разновидностей, обусловленный не только техническими требованиями для решения определенной задачи, но и научным поиском прогрессивных решений с точки зрения энергоемкости, производительности, экономичности и технологичности конструкций. Этот поиск велся по трем направлениям: - разработка новых типов рабочих органов; - конструирование и совершенствование движителей ледорезных машин; - адаптация базовых и конструирование оригинальных шасси. Результатом поиска явилось создание семейств ледорезных машин, отличающихся своей структурой, зависящей как от типа применяемого рабочего органа, так и от вида используемого движителя..
Структурные схемы наиболее характерных видов ледорезных машин представлены в табл.2.2, а их технические характеристики приводятся в табл.2.3.
Анализ представленной информации показывает, что структурно ледорезная машина может быть представлена в виде двух частей: базового шасси и смонтированного на нем оборудования (агрегата). Последнее в свою очередь состоит из рабочего органа и его привода, объединенных общей рамой и механизмом заглубления рабочего органа.
Ледорезный агрегат может быть выполнен в виде навесного оборудования (ЛФМ-75, ЛФМ-72 и др., БР-00-00 и др.) или быть прицепным к базовому трактору (ЛФМ-4, Б-3 и др.). При использовании в качестве базового шасси серийных машин обязательными элементами их трансмиссии является вал отбора мощности (ВОМ), а также ходоуменыпитель, обеспечивающий требуемую скорость подачи рабочего органа при резании льда. В случае применения для ледорезной машины специального оригинального шасси, требуемая скорость перемещения и передача мощности к ледорезному агрегату обеспечиваются конструированием специального привода как для рабочего органа, так и для движителя (ЛФМ-75, СЛУ-80, ЛФМ-72 и др.).
Структурно наиболее сложными являются шасси с роторно-винтовыми движителями и ледорезные агрегаты с пальцевой фрезой. Наиболее простыми, а следовательно, и надежными - колесные шасси с дискофрезерными и баровыми рабочими органами.
Следует отметить, что накопленный опыт конструирования, изготовления и эксплуатации ледорезных машин с навесными рабочими органами позволил создать достаточно отработанные по своей структуре ледорезные агрегаты, имеющие высокий технический уровень.
Оригинальные несущие шасси не имеют постоянной структуры и требуют проработки как конструкторского, так и концептуального плана при создании новых машин. Значительное влияние на структуру оказывает выбор типа движителя. Этот вопрос требует более подробного рассмотрения и будет освещен ниже. Однако наибольшее влияние на все параметры и характеристики ледорезной машины оказывает тип применяемого рабочего органа. В соответствии с этим в первую очередь рассмотрим основные типы рабочих органов, применяемых для прорезания ледяного покрова, с позиций их технических и технологических достоинств и недостатков.
Преимущества использования ледяного покрова для монтажа телескопа и кабельных линий
Путем пошаговых приращений текущего аргумента d(p = 1 град и расчета совокупности сил на фрезе для каждого значения данного аргумента в качестве промежуточного результата получается численная зависимость изменения крутящего момента на фрезе М, вертикальной нагрузки на фрезу Рв и усилия подачи Рп при осуществлении фрезой одного полного оборота.
Используя эти зависимости, далее проводится расчет (по методу трапеций) осредненных значений выходных параметров и на их основе показателей динамики процесса.
Алгоритм для бара практически аналогичен алгоритму для дисковой фрезы, но с поправками на конструктивные особенности.
Так, например, во входных данных вместо диаметра фрезы вводится диаметр ведущей звездочки по резцам d2, вместо расстояния от верхней точки фрезы до дневной поверхности льда введен такой параметр, как угол наклона стрелы бара к горизонтали q 6, добавлен специфический параметр - расстояние между центрами ведущей и ведомой звездочек Lz. На этапе получения промежуточных характеристик рассчитываются параметры, обусловленные конструктивными особенностями бара, а именно: расстояние между резцами цепи, находящимися в забое /z; высота, на которую поднимется резец в забое при повороте ведущей звездочки на один градус hz; угол pz, на который должна повернуться ведущая звездочка, чтобы цепь передвинулась на расстояние lz; число оборотов ведущей звездочки nz, за которое баровая цепь совершит один цикл. В формулах, применяемых в ядре программного модуля, учтены схема расстановки резцов на баровой цепи и постоянство величины подачи на единичный резец в продолжение всего времени контакта резца с забоем.
Алгоритм для пальцевой фразы имеет минимум отличий в блоках ввода исходных данных и расчета промежуточных параметров, но существенно отличается в ядре программного модуля. Если в алгоритмах для дисковой фрезы и бара различия в схемах расстановки резцов учитываются путем применения в едином алгоритме различных формул для расчета нагрузок на единичном резце, то в случае пальцевой фрезы различия в схемах расстановки резцов влекут за собой также и необходимость видоизменения самих программных модулей, т.е. применения других логических условий, на основе которых идет суммирование нагрузок на резцах, находящихся в забое.
При необходимости получения серии результатов в блоке варьирования входных данных происходит приращение значений параметров, влияние которых на процесс резания льда исследуется с помощью данной программной модели. Цикл расчетов повторяется до полного перебора вариантов изменения входных данных. Конечным этапом работы программы является обобщение полученных значений выходных данных и формирование зависимостей силовых и динамических характеристик процесса резания льда фрезой от изменения тех или иных входных параметров.
Следует отметить, что ряд параметров, рекомендуемые значения которых даны своими диапазонами в таблице 2.9, в алгоритмах присутствовал постоянньми значениями в блоке задания входных данных и не варьировался, но при необходимости структура программы позволяла их изменять.
Блоки варьирования входных данных и формирования результатов расчетов изменялись в зависимости от требуемого набора выходных данных, представленных далее в п. 2.4.
Программы расчетов составлены с использованием средств математического пакета MATLAB 5.2. Их тексты представлены в Приложении 2. Ввиду того, что отличия программ для получения разных наборов выходных данных не являлись принципиальными, в приложении приведены их варианты, с помощью которых получены результаты, приведенные в п. 2.4.1.
Разработанные выше математические модели и алгоритмы позволяют получить широкий спектр исходных данных для проектирования рабочих органов, выбора силового агрегата, оценки возможностей сочетания различных типов рабочих органов с серийными базовыми шасси.
Большой объем исходной информации указал на рациональность представления ее в компактной, удобной для анализа форме. При этом на первом этапе исследований целесообразно провести сравнительную оценку полученных в 2.35 показателей нагрузок для различных типов рабочих органов реально разработанных конструкций.
Как было отмечено выше, основными показателями силового взаимодействия рабочего органа со льдом можно считать величину крутящего момента на валу рабочего органа М; мощность, затрачиваемую на создание прорези N; требуемое усилие подачи Рп; вертикальное усилие Рв (для пальцевой фрезы - боковая сила); а также коэффициенты динамичности этих параметров дм,5„,дв.
Для сравнительной оценки приведенных показателей у различных рабочих органов в качестве входных данных расчетных алгоритмов были использованы конструктивные параметры трех спроектированных ранее машин, успешно зарекомендовавших себя в процессе длительной эксплуатации: ледорезной машины ЛФМ-73 с дискофрезерным рабочим органом; ЛФМ-107 с пальцевой фрезой; Б-3 с прицепным баровым рабочим органом. При этом основные конструктивные параметры принимались в соответствии с табл.2.3., а остальные по рекомендациям табл.2.9. Для дисковой фрезы и бара принята расстановка резцов по схеме № 2, см. рис. 2.26. У пальцевой фрезы схема расстановки резцов соответствовала двухзаходной винтовой линии.
Для сопоставимости результатов принимались одинаковые скорости подачи Vn = 300м/ч и резания Vp =3.27м/с. При этом толщина льда для каждого типа рабочего органа принималась такой, чтобы объем льда, разрушаемый в единицу времени, был одинаков (одинаковая площадь забоя). Температура воздуха принималась (в = -20 С. Результаты расчета представлены на рис.2.25. Как видно из представленных графиков, наименьшей мощностью отличается бар (N = ЪЪкВт), что во многом объясняется прямолинейной траекторией движения резцов. Расчеты показывают, что без учета затрат на привод шнекового транспортера пальцевая фреза обладает такими же энергозатратами. Вместе с этим следует отметить, что среднее значение усилия подачи у бара в три раза превышает аналогичный показатель у пальцевой фрезы.
Дисковая фреза является наиболее энергоемким рабочим органом (Ncp =48кВт). Это объясняется большим количеством резцов, одновременно контактирующих со льдом на траектории резания в забое. Повышение мощности в 1.6 раза над значением энергопотребления баром соразмерно с увеличением длины круговой траектории над прямолинейной при прорезании льда. Большое количество резцов на траектории резания в забое повышает надежность рабочего органа при затуплении или поломке одного из резцов. Требуемое усилие подачи у дисковой фрезы несколько ниже, чем у бара, что также объясняется эффектом круговой траектории резцов.
