Брикетирование снега при уборке малых территорий Республики Тыва Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 662.8(571.52)

doi 10.24411/2077-6896-2020-10027

БРИКЕТИРОВАНИЕ СНЕГА ПРИ УБОРКЕ МАЛЫХ ТЕРРИТОРИЙ

РЕСПУБЛИКИ ТЫВА

Сандан Н.Т.

Тувинский государственный университет, г. Кызыл

SNOW BRIQUETTING WHEN CLEANING SMALL TERRITORIES OF THE REPUBLIC OF TYVA

N.T. Sandan Tuvan state University, Kyzyl

В настоящее время проблема уборки и утилизации снежного покрова является актуальной для всей территории Республики Тыва. В средней полосе (в том числе и в Кызыле) снег лежит около полугода, и на очистку улиц ежегодно городские власти тратят огромное количество средств. Непосредственно на уборку снега идет лишь незначительная часть этих затрат - львиная же их доля расходуется на транспортирование за пределы города и его утилизацию. Решить проблему более полного использования грузоподъемности автомобилей можно путем загрузки в кузова спрессованного снега плотностью близкой к 850-900 кг/м3. Машина должна передвигаться своим ходом, должна предназначаться для уборки дворовых территорий и автомобильных дорог средней и малой загруженности. Ключевые слова: Республика Тыва; автомобильные дороги; трактор МТЗ-82.1; снегоочиститель; уборка снега

The problem of cleaning and disposal of snow cover is relevant for the entire territory of the Republic of Tuva. In the middle lane (including Kyzyl), snow lies for about six months, and a huge amount of money is spent annually on cleaning the streets. Removal of snow itself does not cost so much as its transportation and disposal out of the city. It is possible to solve the problem of fully utilizing the carrying capacity of cars by loading pressed snow bricks with a density 850900 kg / m3 into the truck body. Snow blower machines should be intended for the cleaning of domestic territories and highways of medium and low congestion. Keywords: Republic of Tuva; highways; MTZ-82.1 tractor; snow blower; snow removal

Снежный покров на дорогах и аэродромах Республики Тыва образуются в результате снегопадов и метелей. На его формирование оказывают влияние климатические и природные условия. При спокойном снего-

паде (в безветренную погоду) или при верховой метели (когда выпадение снега происходит при ветре, но нет переноса частиц ранее выпавшего снега) образуется обычно равномерный покров снега небольшой

толщины и незначительной плотности и прочности. При поземках (переносе частиц ранее выпавшего снега с незначительным поднятием снега над уровнем снежного покрова) и особенно при низовой метели, когда снежные частицы переносятся высоко над уровнем снежного покрова, образуются заносы, которые даже при отсутствии снегопада нередко достигают большой толщины и значительной плотности и прочности.

Слой снега на поверхности земли не является простым скоплением снежинок, выпавших из облаков. Из-за разности температур по высоте снежного покрова происходит процесс возгонки: снег, расположенный в нижних, более теплых слоях, переходит из твердого состояния в парообразное и, поднимаясь в верхние слои, охлаждается, образуя ледяные корки. После новых снегопадов эти ледяные слои оказываются в глубине покрова, и под влиянием непрерывного изменения метеорологических условий снежный слой оказывается состоящим из различных видов снега, вследствие чего его структура и физико-механические свойства неодинаковы

по высоте снежного покрова и зависят от многих факторов.

Различают следующие группы и виды снега: свежевыпавший (сухой и влажный); уплотненный лежалый (осевший сухой, осевший влажный и метелевый); старый, слежавшийся (мелкозернистый, среднезер-нистый, крупнозернистый и снег-плывун).

Очистку автомобильных дорог от снега производят специальными снегоочистительными машинами. Основной вид очистки дорог от снега - патрульная снегоочистка, которая производится периодическими проходами плужных или плужно-щеточ-ных снегоочистителей по закрепленному участку в течение всей метели или снегопада.

Комбинированная дорожная машина ДМК-40-02 представляет собой автомобиль-самосвал, предназначенный для использования как самосвальное автотранспортное средство грузоподъемностью до 15 тонн, так и автомобиль с навесным снегоочистительным, пескоразбрасывающим и поливомоечным оборудованием для круглогодичного содержания автомобильных дорог.

Рис.1 Машина комбинированная ДМК-40-02 (шасси КАМАЗ-53229 6х4)

В состав оборудования для зимнего со- используется для планирования сыпучих

держания дорог такой машины входит: материалов при строительстве и ремонте

• передний скоростной отвал для очист- автомобильных дорог;

ки автодорог от снега в скоростном режиме; Снегоуборочные машины СНФ-200 име-

• боковой отвал для расширения зоны ют индивидуальную настройку направ-уборки и удаления снега с обочины дороги; ления выброса снега, выкидная труба с

• средний отвал с дополнительным вы- направляющим желобом может поворачи-движным крылом производит разработку ваться на угол 190°, что позволяет отбрасы-наледи и наката. В летний период отвал вать снег точно в намеченную сторону.

Рис.2 Снегоуборочная машина СНФ-200

Существует возможность произвольного варьирования желоба. И дает возможность использования этой машины для по-

привод движения двух раздельных валов обеспечивают независимое активирование снегоуборочного шнека и привода движе-

грузочных работ. Снегоуборочная машина ния. Зубчатый металлический шнек удобен

СНФ-200 компактная, очень маневренная и легкая в управлении, предназначена для уборки дорог с твердым и грунтовым по-

при уборке тяжелого, затвердевшего снега. Снегоуборочная машина СНФ-200 рассчитана на интенсивную работу в любое время

крытием от снега, а также для погрузки дня и ночи, простота ввода в эксплуатацию

его в транспортные средства; может использоваться для удаления снежных валов, образованных бульдозерами и плужными

за счет устройства электрического запуска (220В).

На тракторе МТЗ-82.1 установлены на-

снегоочистителями. При необходимости дежные и мощные двигатели. 4-тактный

снегоочиститель может обеспечивать перекидку снега или укладку его в валы. Снегоуборочная машина СНФ-200 имеет высо-

двигатель отличается великолепной способностью к пуску при низких температурах. Поэтому уборка снега не представля-

кую маневренность, возможность перехода ет проблем даже при экстремально низких с 4- колесного на 2- колесный; независимый температурах.

Рис. 3 Трактор «Беларусь» МТЗ-82.1 с роторным снегоочистителем Амкадор 9211А1

Снег обладает следующими важными свойствами: плотностью, твердостью, влажностью, температурой, пределом прочности на сжатие.

Плотность снега увеличивается под действием нагрузки. Наиболее интенсивно плотность растет вначале, затем ее рост с увеличением нагрузки постепенно замедляется и, достигнув предельного значения, соответствующего данной температуре, стабилизируется. Для каждого вида снега существует критическая нагрузка, увеличение которой практически не приводит сближение кристаллов, разрушение связей к дальнейшему увеличению плотности. между ними, смешивание крупных и мел-Предельное значение плотности снега тем ких кристаллов с образованием более ком-выше, чем выше его температура, а самое пактной по структурному составу смеси. эффективное уплотнение происходит при Поэтому перед попаданием снежной мас-

как заранее плотность убираемого снега не может быть известна (она колеблется от 80 кг/м3 - для свежевыпавшего тонким слоем снега до 500 - для старого обвалованного слежавшегося снега), то нужно стремиться к тому, чтобы на входе на барабаны плотность его приближалась к усредненной -350-450 кг/м3.

Этому будут способствовать следующие решения:

1. Увеличению плотности снега способствует его перемешивание, вызывающее

температуре близкой к 0°С.

Конечная плотность снежного шара изготовленного при помощи разрабатывае-

сы непосредственно на барабаны, снежная масса из бункера будет подаваться винтовыми питателями, полый вал которого будет

мой установки напрямую зависит от исход- являться также распределителем теплого ной плотности, которой снег обладает на воздуха в снеге.

момент поступления его на барабаны. Так 2. Снегоочиститель (фрезерно-ротор-

ный), установленный на снегоуборочную машину, способен разрабатывать (разрыхлять) снежную массу плотностью до 600 кг/м3 (плотность снежного наката на дорогах), а при разработке мягкого снега -дополнительно уплотнять его, так как фрезерование является эффективным процессом первичного перемешивания убранной снежной массы. Твердость снега зависит от его плотности и очень сильно от температуры, твердость увеличивается с уменьшением зерен снега и с уменьшением пористости, как результат перемешивания.

Предел прочности снега на сжатие величина, возрастающая с увеличением плотности снега и его температуры, характеризующая несущую способность уплотненной снежной массы. Основным условием уплотнения снега, как, впрочем, и любого материала, является то, что удельное давление штампа всегда должно быть меньше предела прочности уплотняемой снежной массы, иначе возможно структурное разрушение брикета и выдавливание снега через зазоры прессовальной камеры.

Кроме компактной укладки зерен снега, сближения и контактирования, необходимо еще образовывать надежную связь между ними, обеспечить достаточную сопротивляемость внешнему разрушению, действующему на готовый шар. Для этой цели нужны связующая среда и отрицательная температура. Для образования прочного снежного монолита необходимо влажность снега довести до 10%. Поэтому в установке необходимо предусмотреть принудительный подогрев снежной массы, который возможно отключить при уборке снега при уличной температуре близкой к 00 С. Агрегат брике-

тирования снега изготовляет снежные блоки в виде шара диаметром 75 мм.

Прессовальный агрегат состоит из следующих частей: приемный бункер; два винтовых питателя; два прессующих барабана; две форсунки, для увлажнения снега.

Винтовые питатели необходимы для подачи снега на прессующие барабаны и предварительного сжатия снежной массы.

Прессующие барабаны являются основным рабочим органом установки и предназначены непосредственно для спрессовывания снежной массы.

Установка работает следующим образом. Разрыхленная снегоочистителем снежная масса подается им через направляющий патрубок и насадок в приемный бункер, откуда попадает в винтовые питатели, где подвергается предварительному уплотнению. Полый вал питателя является каналом для подачи отработавших газов и горячего воздуха, что способствует процессу уплотнения. Поступление отработавших газов и воздуха в питатель регулируется в зависимости от погодных условий, при которых осуществляется уборка. Затем, предварительно уплотненный снег попадает непосредственно на прессующие барабаны, принцип работы которых основан на объемном сжатии. На выходе из барабанов плотность снега достигает 750-800 кг/м3. Из прессующих барабанов снежные брикеты, в виде шаров попадают на конвейер, который выгружает их на прилегающую к дорожному пути территорию. Вращение валов питателя и снегоочистителя осуществляется радиально-поршневыми гидромоторами через соответствующие передачи (цепную - для питателя; предусмотренную

конструкцией - для снегоочистителя).

Предварительно уплотненный снег поступает из винтового питателя сверху, затягивается между барабанами. Привод барабанов осуществляется через шестеренчатую передачу. Приводится во вращение один валок, а другой связан с первым шестернями с удлиненными зубьями.

Определяем распорное усилие:

P = b-vu v-(1 + f )• R

A-1 t0 A

где Ь - длина барабана, м;

- вязкость снега, выбирается по реологическим кривым в зависимости от градиента скорости ^м~ ^, Па с;

у - окружная скорость барабана, м/с; $ - отношение количества оборотов барабанов;

R - радиус барабана, м; А - параметр. Согласно полученному значении градиента скорости принимаем вязкость снега Vm = 40 Па-с.

А = 1 + (2R / i0)(1 - cos а), где to - зазор между барабанами, м; а - угол захвата снега, а =22о. Определим мощность, потребляемую барабаном:

„=ы v •(1+, f ХД-1> Д2 • j |П(Д. и)

45Д-1

где 1 - дуга захвата материала, м; п - КПД механизма. Прочностной расчет вала барабана выполним с использованием сред Autodesk Inventor и Autodesk Mechanical Desktop с использованием метода конечных элементов.

Рис. 4. Геометрические характеристики вала прессующего барабана

При анализе методом конечных элементов сплошная конструкция вала барабана разбивается на трехмерные элементы - тетраэдры.

Допускаемое напряжение для материала Сталь 45 [а]=175 МПа.

Результаты прочностного расчета методом конечных элементов сведены в таблицу

Рис.8. Сеточная модель вала барабана: 1 Р - распорное усилие, Н; Мкр - крутящий момент Нм

Таблица 1. Результаты расчета

Имя Минимальная Максимальная

Объем 2067930 ммЛ3

Масса 16,2332 кг

Напряжение по Мизесу 0,000205735 МПа 171,998 МПа

1-ое основное напряжение -34,9379 МПа 140,849 МПа

3-е основное напряжение -189,063 МПа 12,8519 МПа

Смещение 0 мм 0,0211815 мм

Коэфф. запаса прочности 1,77346 бр 15 бр

Напряжение XX -183,978 МПа 105,79 МПа

Напряжение ХУ -74,5351 МПа 30,4922 МПа

Напряжение XI -48,5668 МПа 23,6914 МПа

Напряжение УУ -161,584 МПа 35,7221 МПа

Напряжение -17,8464 МПа 17,8744 МПа

Напряжение Л -52,0369 МПа 43,077 МПа

Смещение по оси X -0,00311353 мм 0,00316831 мм

Смещение по оси У -0,0211815 мм 0,000140663 мм

Смещение по оси 7. -0,00113758 мм 0,000202237 мм

Эквивалентная деформация 0,000000000854731 бр 0,00074165 бр

1-ая основная деформация -0,0000150925 бр 0,000615858 бр

3-я основная деформация -0,000828488 бр -0,000000000707313 бр

Деформация XX -0,00079701 бр 0,000440252 бр

Деформация ХУ -0,000461408 бр 0,000188761 бр

Деформация -0,000300652 бр 0,000146661 бр

Деформация УУ -0,000645146 бр 0,000321375 бр

Деформация У1 -0,000110477 бр 0,000110651 бр

Деформация Л -0,0000885562 бр 0,000230016 бр

В результате расчета установили, что

максимальное фактическое напряжение,

возникающее при использовании вала бае- ашу = 171,998 рабана по назначению, МАХ '

МПа не превышает допускаемого значения [а] 175 МПа. Недогрузка вала составляет 1,7%. Таким образом, результаты прочностного расчета показывают, что обеспечена оптимальная металлоемкость вала и вал полностью пригоден к эксплуатации [1-10].

В результате проделанной работы нами была рассмотрена установка для изготовления снежных брикетов. Конструкция

представляет собой компактный, маневренный, легкий в управлении, не требующий специальных навыков вождения базовый автомобиль с установленными на его платформу прессовальным агрегатом и вспомогательными устройствами. Трактор «Беларусь» МТЗ-82.1 может эффективно использоваться как мелкими коммунальными хозяйствами для уборки дворов и прилегающих территорий, так и достаточно крупными организациями Республики Тыва, специализирующимися на уборке снежного покрова, очистке дорог, аэродромом, горнолыжных трасс.

Библиографический список ГАУ,2000.-167 с.

1. Евтюков С.А. Строительные машины. 2. Евтюков С.А., Сандан Н.Т. Особенности

Учебное пособие. /С.А. Евтюков, С.А. эксплуатации парков машин в условиях

Рысс-Березарк, Я. Райчык.- СПб.:СПб- низких температур / С.А. Евтюков, Н.Т.

Сандан // Вестник гражданских инженеров. - 2016. - № 2 (55). - С. 186-191.

3. Евтюков С.А., Шиманова А.А. Управление жизненным циклом машины с целью повышения эффективности использования парка машин для зимнего содержания дорог / Вестник гражданских инженеров. № 4. 2017. - С. 205212.

4. Липин А.А., Технология брикетирования снега при уборке малых территорий // Современные проблемы науки и образования. - 2014. - № 6.;

5. Сандан Н.Т. Влияние износа на изменение эксплуатационных свойств наземных транспортно-технологических машин в процессе эксплуатации / Н.Т. Сандан, С.А. Евтюков, С.В. Репин // Вестник гражданских инженеров, Выпуск 1(66). Санкт-Петербург: Изд-во СПбГАСУ, 2018. - 150-153 с.

6. Сандан Н.Т. Влияние на изменение работоспособности гидроцилиндров рабочего оборудования экскаваторов в условиях эксплуатации / Н.Т. Сандан // Вестник Тувинского государственного университета, Выпуск 3(34). Кызыл: Изд-во ТувГУ, 2017. - 58-64 с.

7. Сандан Н.Т. Влияние низких температур на эксплуатацию машин и механизмов в Республике Тыва / Н.Т. Сандан // Вестник гражданских инженеров, Выпуск 3(68). Санкт-Петербург: Изд-во СПбГАСУ, 2018. - 161-165 с.

8. Сандан Н.Т. Проблемы зимнего пуска двигателя в условиях низких температур в Республике Тыва. / Н.Т. Сандан // Вестник Тувинского государственного университета, Выпуск 3(30). - Кызыл:

H3A-BO TyBry, 2016. - C. 139-150.

References

1. Evtyukov S.A. Stroitel'nye mashiny. Uchebnoe posobie [Construction vehicles. Tutorial]. Saint-Petersburg, Saint-Petersburg State Architecture and Construction University, 2000, 167 p. (In Russian)

2. Evtyukov S.A., Sandan N.T. Osobennosti jekspluatacii parkov mashin v uslovijah nizkih temperatur [Features of the operation of fleets at low temperatures]. Vestnik grazhdanskih inzhenerov [Journal of civil engineers]. 2016, no. 2 (55), pp. 186-191. (In Russian)

3. Evtyukov S.A., ShimanovaA.A. Upravlenie zhiznennym ciklom mashiny s cel'ju povyshenija jeffektivnosti ispol'zovanija parka mashin dlja zimnego soderzhanija dorog [Managing the life cycle of a car to increase the efficiency of using a fleet of vehicles for winter road maintenance]. Vestnik grazhdanskih inzhenerov [Journal of civil engineers]. No. 4, 2017, pp. 205212. (In Russian)

4. Lipin A.A. Tehnologija briketirovanija snega pri uborke malyh territory [Snow briquetting technology for cleaning small areas]. Sovremennye problemy nauki i obrazovanija [Modern problems of science and education]. 2014, no. 6. (In Russian)

5. Sandan N.T. Vlijanie iznosa na izmenenie jekspluatacionnyh svojstv nazemnyh transportno-tehnologicheskih mashin v processe jekspluatacii [The effect of wear on the change in the operational properties of ground transport and technological machines during operation]. Vestnik grazhdanskih inzhenerov [Journal of Civil

Engineers], Issue 1 (66). Saint-Petersburg, Saint-Petersburg State Architecture and Construction University Publ., 2018, pp. 150-153. (In Russian)

6. Sandan N.T. Vlijanie na izmenenie rabotosposobnosti gidrocilindrov rabochego oborudovanija jekskavatorov v uslovijah jekspluatacii [Influence on changing the working capacity of hydraulic cylinders of working equipment of excavators in operating conditions]. Vestnik of Tuvan State University, issue 3 (34). Kyzyl, TuvSU Publ., 2017, pp. 58-64. (In Russian)

7. Sandan N.T. Vlijanie nizkih temperatur na jekspluataciju mashin i mehanizmov

v Respublike Tyva [The effect of low temperatures on the operation of machines and mechanisms in the Republic of Tuva]. Vestnik grazhdanskih inzhenerov [Journal of Civil Engineers]. Issue 3 (68). Saint-Petersburg, Saint-Petersburg State Architecture and Construction University Publ., 2018, pp. 161-165. (In Russian) 8. Sandan N.T. Problemy zimnego puska dvigatelja v uslovijah nizkih temperatur v Respublike Tyva [Problems of winter engine starting at low temperatures in the Republic of Tuva]. Vestnik of Tuvan State University, issue 3 (30). Kyzyl, TuvSU Publ., 2016, pp. 139-150. (In Russian)

Сандан Нелли Тимуровна - ассистент кафедры «Транспортно-технологические средства» ФГБОУ ВО Тувинского государственного университета, e-mail: sandan.nelli@ yandex.ru

Nelli T. Sandan - Assistant at the Department of Transport and Technological Means, Tuvan State University, e-mail: sandan.nelli@yandex.ru

Дата поступления статьи в редакцию 17.01.2020