Scientific journal

Fundamental research

ISSN 1812-7339

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 1,674

Разработка новых конструкций строительно-дорожных машин (СДМ) для возведения временных зимних дорог из снега (ВЗДиС) требует создания специальных рабочих органов СДМ для повышения эффективности производства работ [1, 3, 4, 5, 6, 7, 8]. Создание новых специализированных рабочих органов отстает от современных технологических требований, предъявляемых к машинам, задействованным в пооперационной технологии строительства по причине отсутствия научно обоснованных методик.

Существующая технология строительства ВЗДиС основана на методиках расчета универсальных рабочих органов СДМ, как правило, рекомендует использовать статический метод уплотнения снега, при котором требуемая величина конечной плотности достигается за счет многократного прохождения дорожными катками, при этом слой уплотняемого снега не должен превышать 0,1–0,15 м, либо еще менее производительные волокуши или гладилки [9, 10, 11, 12].

Сложившаяся ситуация показывает как актуальность данных исследований, так и необходимость в получении новых закономерностей, описывающих процесс уплотнения снега в зависимости от различных значимых факторов.

Перспективной считается технология возведения ВЗДиС, при которой различные операции создания полотна снеголедовой дороги: наброска снега [4, 5].

В качестве специализированного уплотняющего устройства в работе рассматривается уплотняющая поверхность с направленными вертикальными колебаниями (виброплита). Проектируемая вибрационная плита и происходящий процесс уплотнения характеризуются тремя группами параметров: конструкционными, технологическими и значимыми параметрами, влияющими на процесс уплотнения снежной массы [6, 12].

Значения параметров, учитываемых при выборе конструкции для строительства ВЗДиС обоснованы ограничением по диапазону и сведены в табл. 1.

К конструкционным (рис. 1) параметрам виброплиты относятся: геометрические размеры опорной (L_о) и наклонной (L_н) поверхности, масса (G) и ширина виброплиты (b).

Технологические параметры (рис. 1) процесса строительства характеризуются следующими величинами: длина контактной части наклонной поверхности виброплиты (L_к), средняя высота снежной массы (H), осадка после вибрационного уплотнения (∆H), угол атаки (α), приращение плотности (∆ρ), высота ВЗДиС от подстилающего грунтового основания (h), технологическая скорость (ϑ). Среди них можно выделить управляющие параметры, такие как H, α, ϑ, которые существенно влияют на состояние и характеристики возводимого полотна.

Плотность снежной массы (ρ₀), влажность снежной массы (θ), температура снежной массы (t) и конечная плотность ВЗДиС (ρ_кон) являются значимыми функциональными параметрами, известными в процессе работы и влияющими на процесс уплотнения снежной массы [2, 13, 14].

Таблица 1

Параметры, влияющие на процесс уплотнения снежной массы

Рис. 1. Параметры, влияющие на процесс уплотнения снежной массы

Группа параметров, определяемых конструктивно, обоснована технологией возведения ВЗДиС и основными характеристиками базовой машины, а косвенные параметры этой же группы рассчитываются по существующим методикам расчета строительно-дорожных машин. При оптимальных значениях параметров достигается наибольший эффект уплотнения при меньших затратах. Значения этих параметров взаимосвязаны и зависят от свойств снега, толщины уплотняемого слоя и требуемой конечной плотности.

По причине отсутствия в настоящее время методик расчета специализированных рабочих органов СДМ и расчетных методик определения основных параметров проектируемых машин предлагается производить расчет виброплит, выполненных из двух контактных поверхностей прямоугольной формы с гладкой поверхностью и изменяемым углом атаки (рис. 1, 2), следующим образом:

Рис. 2. Расчетная схема работы виброплиты: Fc – сила пассивного давления снежной массы; Fпр – сила трения перемещения призмы волочения; Nу – вертикальная реакция на наклонной поверхности; P – тяговое усилие; G – вес виброплиты; – сила трения на наклонной поверхности; Nо – вертикальная реакция на прямолинейной поверхности; Fтр – сила трения на прямолинейной поверхности; t – время воздействия

1. Минимальный размер основания виброплиты должен быть больше толщины уплотняемого слоя, т.е.

b ≥ H.

Для сокращения количества проходов оптимально выбирать b = 2, 5…3 м в зависимости от требуемой категорийности возводимой дороги.

2. Длину опорной поверхности виброплиты целесообразно определять как

L_о = 1…1,5b.

3. Удельное статическое давление определяется

P_ст = m/F,

где F – опорная площадь:

F = (L_к + L_о)∙b.

4. Время приложения нагрузки определяется как

5. Сопротивление передвижению базовой машины:

F_m = m_m∙g(f + i),

где m_m – масса машины, кг; f – коэффициент сопротивления передвижению, f = 0,025…0,03; i – наибольший продольный уклон покрытия; i = 0,07…0,09.

6. Сопротивление, возникающее при движении виброплиты, складывается из сил вертикальных реакций на наклонной и прямолинейной поверхностях, а также сил пассивного давления снежной массы, трения перемещения призмы волочения, трения на наклонной поверхности, трения на прямолинейной поверхности, определяемых следующим образом (по формуле Вайсберга И.С.):

(1)

F_пр = Vgρμ₁μ₂,

где V – объем призмы волочения, м³; g – плотность снега, кг/м³; μ₁ – коэффициент внутреннего трения уплотняемого материала; μ₂ – коэффициент сопротивления перемещению призмы снега по снегу (табл. 2).

Fтр = μN_о,

где μ – коэффициент сопротивления перемещению виброплиты (табл. 2) при работе коэффициент сопротивления перемещению виброплиты, представленный в таблице, приведен для статического движения в случае вибрационного уплотнения он уменьшается на 20 %.

Таблица 2

Коэффициенты трения снега [3, 4]

Сопротивление на преодоление подъема:

F_под = mgα,

где α – подъем в рад.

7. Для предполагаемых типичных условий работы снегоуплотняющей машины с применением вибрационного воздействия величины F_под → 0 и F_пр → 0, что позволяет ими пренебречь.

Тяговое усилие, необходимое для преодоления сопротивления при работе плиты:

Тяговое усилие машины определяется как

где N – мощность тяговой машины на крюке; V – скорость поступательного движения.

При этом развивающееся тяговое усилие необходимо проверить на возможность его реализации по условиям сцепления:

mg∙φ_сц > T_c,

где mg – сцепной вес машины; φ_сц – коэффициент сцепления колес с поверхностью дороги.

Во время работы виброплита оказывает многократное приложение нагрузки, вызывающее тиксотропные изменения в снежной массе, которые уменьшают сопротивление сдвигу и способствуют перестройке структуры для оптимального уплотнения. Функциональные параметры получены в виде поправочных коэффициентов для аналогичных методик уплотнения грунтов, на основе установленных закономерностей.

Уплотнение снежной массы виброплитой с изменяемым углом «атаки», рабочий процесс которой из-за непрерывного изменения напряженного состояния в снежной массе при деформировании структуры снега требует автоматизации настроек рабочих параметров, что в свою очередь позволит исключить недостаточное или неоднородное уплотнение, срыв контактной поверхности.

Параметрическая идентификация процесса уплотнения снега рабочим органом машины с изменяемой скоростью приложения внешней нагрузки требует проведения экспериментальных исследований в реальных условиях эксплуатации, что является значительной проблемой из-за большой трудоемкости, сезонности, стоимости и организации работ по возведению натурного участка ВЗДиС.

Одним из путей решения данной проблемы является использование методов имитационного моделирования на основе современных программных комплексов, создание математической модели, основанное на выборе реологической модели снега, и установление значимых параметров процесса уплотнения снежной массы в лабораторных условиях.

Рецензенты:

Захаров Н.С., д.т.н., профессор, заведующий кафедрой «Сервис автомобилей и технологических машин», ФГБОУ ВПО «Тюменский государственный нефтегазовый университет», г. Тюмень;

Мерданов Ш.М., д.т.н., профессор, заведующий кафедрой «Транспортные и технологические системы», ФГБОУ ВПО «Тюменский государственный нефтегазовый университет», г. Тюмень.

Работа поступила в редакцию 17.04.2015.