CC BY
60
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
УДК 629.124.791.2.039
Н. О. Баурин, Р. В. Соколов, А. А. Анциферов, С. В. Николаев, В. А. Королев
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ БЕЗОПАСНЫХ РЕЖИМОВ ДВИЖЕНИЯ АВТОТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ ПО ЛЕДЯНОМУ ПОКРОВУ
В работе выполнено экспериментальное исследование минимальной несущей способности ледяного покрова при движении по нему автотранспортных средств различной массы. Проанализировано влияние взаимного расположения двух движущихся нагрузок на деформированное состояние ледяного покрова. С помощью предложенного критерия ледоразрушения выполнена оценка ледоразрушающей способности генерируемых изгибно-гравитационных волн. Выявлены безопасные режимы движения автотранспортных средств.
Ключевые слова: автотранспортное средство, лед, изгибно-гравитационные волны, парная нагрузка.
На сегодняшний день существует большое количество работ, посвященных теоретическим исследованиям движения нагрузки по ледяному покрову [1; 2]. Среди последних экспериментальных работ можно отметить работу [3], в которой исследовано влияние снежного покрова на параметры генерируемых движущейся нагрузкой изгибно-гравитационных волн (ИГВ). Вопросы исследования напряженно-деформированного состояния ледяного покрова от движения погруженного тела в различных ледовых условиях рас-
Баурин Никита Олегович — аспирант, техник лаборатории «Ледотехники» (Приамурский государственный университет имени Шолом-Алейхема, Биробиджан); е-mail: [email protected].
Соколов Роман Владимирович — студент (Приамурский государственный университет имени Шолом-Алейхема, Биробиджан); е-mail: [email protected].
Анциферов Алексей Андреевич — студент (Приамурский государственный университет имени Шолом-Алейхема, Биробиджан); е-mail: [email protected].
Николаев Сергей Валерьевич — студент (Приамурский государственный университет имени Шолом-Алейхема, Биробиджан); е-mail: [email protected].
Королев Владислав Артурович — студент (Приамурский государственный университет имени Шолом-Алейхема, Биробиджан); е-mail: [email protected].
Работа выполнена в рамках проекта № 487 задания на выполнение государственных работ в сфере научной деятельности в рамках базовой части государственного задания вузу № 2014/422.
© Баурин Н. О., Соколов Р. В., Анциферов А. А., Николаев С. В., Королев В. А., 2014
9
смотрены в работах [4; 5]. В исследовании [6] установлено влияние глубины акватории на параметры возбуждаемых во льду ИГВ. Динамическое воздействие на лед ударных нагрузок рассмотрено в работе [7, 8].
В обширных районах Крайнего Севера, Сибири и Дальнего Востока сообщение с населенными пунктами часто затруднено и в летний период осуществляется с помощью авиации и речного флота, а в зимний — с помощью автомобильных перевозок по ледяному покрову рек. Для этого сооружаются зимники и ледовые переправы. Часто зимние автодороги используются в качестве грузонесущих платформ при добыче грунта и полезных ископаемых либо в ходе выполнения строительных работ в тяжелых метеоусловиях. Главный минус использования ледовых переправ — это короткий срок их эксплуатации, не превышающий 3 — 4 месяца, т. к. ледовая переправа вводится в строй после достижения толщины речного льда порядка 1 метра. Зная критическую (резонансную скорость) перемещения нагрузи, зависящей от толщины льда и конкретных ледовых условий, можно существенно продлить срок эксплуатации ледовых переправ, т. к. в этом случае не обязательно ожидать, когда ледяной покров достигнет толщины порядка 1 метра.
Целью работы являлось экспериментальное исследование минимальной несущей способности ледяного покрова при перемещении по нему одиночных автотранспортных средств (АТС), а также при движении АТС в составе автоколонн.
Подготовка к проведению модельных экспериментов
Экспериментальные исследования проводились в опытовом ледовом бассейне лаборатории «Ледотехники» Приамурского государственного университета имени Шолом-Алейхема (г. Биробиджан) [9].
Масштаб моделирования Aj =1-23 выбирался с учетом минимальной толщины льда, намораживаемой в чаше бассейна, которая составляла hm=3 мм или hn=0,35 м после пересчета на натуру. Масса моделей варьировалась в диапазоне mm=1,45-3,17 кг, а скорость перемещения um=1,2-2,2 м/с, что после пересчета на натуру составило от mn=17,5-38,5 т и un=20-38 км/ ч соответственно. Выбранные диапазоны соответствовали массе и скорости перемещения груженого автомобиля КАМАЗ различных марок. Для проведения экспериментов была спроектирована и изготовлена буксировочная система (рис. 1).
В процессе буксировки модели определялась скорость ее движения и записывались профили взволнованной поверхности льда. Для записи колебаний модельного льда использовались бесконтактные лазерные датчики LAS-Z компании WayCon (Германия). Профили ИГВ записывались с помощью программы Test. viewer 2.34. Программа сохраняла полученный массив данных в файл формата Excel. Необходимая информация для определения параметров ИГВ (Хт — длина ИГВ, сот — прогиб ИГВ) бралась из массива данных.
10
'р/ « tS Л 3 Г
п-->" fr ^
■I
Рис. 1. Схема опытовош бассейна: 1 — поле модельного льда; 2 — модели нагрузки; 3 — стойки проводки буксировочного троса; 4 — чаша бассейна; 5 — сервопривод СПШ-20
Для оценки ледоразрушающей способности генерируемых нагрузкой изгибно-гравитационных волн введем критерий ледоразрушения а, который показывает отношение прогиба ИГВ к ее длине, т. е. характеризует кривизну генерируемых волн. Ранее экспериментально установлено, что если а превышает 0,04, то происходит полное разрушение льда [10].
а=2лсо/ X
Моделирование естественного ледяного покрова может осуществляться с использованием различных моделей льда, для каждой из которых имеются соответствующие условия подобия. Обычно моделирование выполняют с частичным выполнением условий подобия [11]:
^Е = X а = =
где Хе — масштаб моделирования по модулю Юнга; Ха — масштаб моделирования по прогибам; Ль — масштаб моделирования по толщине льда; — геометрический масштаб.
Требования условий подобия в отношении коэффициента Пуассона v и плотности р модельного льда также должны выполняться.
Модель нагрузки подобна натурному АТС, а их масса пропорциональна кубу модуля геометрического масштаба
Dn / Dm=?y3,
где Dn — масса натурного АТС; Dm — масса модели АТС.
Скорость движения модели um определяется условием подобия
Un / Urn = Х\У2,
где un — скорость движения натурного ПС.
Параметры модельных ИГВ следует пересчитывать на натуру согласно соотношениям для длины и прогиба льда
11
An / Arn = СО n / fflm= U
где An — длина натурных ИГВ; Am — длина модельных ИГВ; w n — прогиб натурного льда; w m — прогиб модельного льда.
Модель ледяного покрова приготавливалась в ледовом бассейне намораживанием естественного льда заданной толщины (3 мм) естественным холодом при температуре воздуха t=-(9-15)0C. При использовании естественного льда в качестве модельного толщина моделируемого ледяного покрова будет пересчитываться на натуру по следующей зависимости:
hn=hm/,|^([Ou] n/[Ou] m)-V3
где hn — толщина натурного льда; hm — толщина модельного льда Aj — геометрический масштаб; [ou]n — предел прочности натурного льда на изгиб; [Ou]m — предел прочности модельного льда на изгиб.
Результаты модельных экспериментов
Результаты экспериментов после пересчета на натуру показаны на рис. 2 — 4.
Рис. 2. Зависимость коэффициента а от скорости перемещения нагрузки различной массы т^ после пересчета на натуру для льда толщиной 0,35 м:
1 - т =1,76405 кг; 2 - т =2,45-105 кг; 3 - т =2,75-105 кг;
п п п
4 - т =3,1М05 кг; 5 - т =3,55-105 кг; 6 - т =3,86-105 кг
ппп
На рис. 2 показана зависимость коэффициента а от скорости перемещения нагрузки различной массы тт. Из графиков можно сделать вывод, что ледяной покров толщиной не менее 0,35 м способен выдержать движущуюся нагрузку массой до 27,5 тонн. Дальнейшее увеличение массы нагрузки приводит к резкому увеличению ледоразрушающей способности ИГВ, особенно при достижении критической (резонансной) скорости движения, равной 8,15 м/ с (30 км/ч).
12
Далее исследовалась возможность движения АТС в составе автоколонн, для этого моделировалось движение двух нагрузок кильватерным строем на различных расстояниях друг от друга с резонансной скоростью.
Рис. 3. Зависимость коэффициента а от расстояния между автомобилями при движении автоколонны по льду толщиной 0,35 м с резонансной скоростью ит=8,15 м/с
На рис. 3 показана зависимость коэффициента а от расстояния между автомобилями при движении автоколонны по льду толщиной 0,35 м с резонансной скоростью ига=8,15 м/ с. Из графиков видно, что наиболее опасно максимальное сближение автомобилей (движение грузовика с прицепом) и движение на расстоянии не менее 19 м друг от друга. В этих случаях в результате интерференционных процессов происходит наложение ИГВ от двух нагрузок и резкое возрастание их кривизны.
На последнем этапе исследования рассматривался случай движения нагрузок фронтом в зависимости от расстояния между ними (случай обгона одного автомобиля другим).
Рис. 4. Зависимость коэффициента а от расстояния между автомобилями при движении фронтом по льду толщиной 0,35 м с резонансной скоростью и =8,15 м/с после пересчета на натуру
13
На рис. 4 показана зависимость коэффициента а от расстояния между АТС при движении фронтом по льду толщиной 0,35 м с резонансной скоростью un=8,15 м/ с после пересчета на натуру.
Основные выводы
Экспериментально установлено, что ледяной покров толщиной не менее 0,35 м может выдерживать на себе движущуюся нагрузку массой до 27,5 т.
Скорость перемещения АТС по льду толщиной 0,35 м равная 8,15 м/с, чрезвычайно опасна и является критической (резонансной).
Перемещение автомобилей в составе автоколонны может привести к опасным последствиям, если автомашины идут на максимально близком расстоянии друг от друга, либо если расстояние между нагрузками составляет не менее 18,5 м.
Движение автомобилей фронтом является наиболее опасным, поэтому обгон по ледовой переправе следует осуществлять на скоростях выше критических и на максимально большом расстоянии между АТС.
Полученные результаты показывают, что срок эксплуатации ледовых переправ можно существенно продлить за счет более раннего ввода их в строй, т. к. необходимость ожидания, когда ледяной покров намерзнет до достаточной толщины (около 1 метра), не обязательна.
Список литературы
1. Squire V. A. Synergies between VLFS Hydroelasticity and Sea Ice Research / / Int. J. Offshore Polar Eng. 2008. Vol. 18. No. 4. Pp. 241 —253.
2. Погорелова А. В., Козин В. М. Движение нагрузки по плавающей пластине при переменной глубине водоема / / Прикладная механика и техническая физика. 2014. Т. 55. № 2. С. 168—179.
3. Козин В. М., Земляк В. Л., Верещагин В. Ю. Влияние снежного покрова на параметры изгибно-гравитационных волн в ледяном покрове / / Прикладная механика и техническая физика. 2013. Т. 54. № 3. С. 134 — 140.
4. Kozin V. M., Zemlak V. L., Chizhiumov S. D. Mathematical Model of Ice Sheet Deformation Caused by Submarine Motion / / Proceedings of the International Offshore and Polar Engineering Conference ISOPE-2010. Beijing, 2010. Pp. 1171—1176.
5. Погорелова А. В., Козин В. М., Земляк В. Л. Движение тонкого тела в жидкости под плавающей пластиной / / Прикладная механика и техническая физика. 2012. Т. 53. № 1. С. 32—44.
6. Козин В. М., Земляк В. Л. Безопасность всплытия подводного судна в сплошных льдах в условиях мелководья / / Безопасность жизнедеятельности. 2010. № 10. С. 6— 9.
7. Glazyrin V. P., Orlov M. Yu., Orlova Yu. N. Influence of an Arragement of an Additional Layer in Threelayer Barrier on Her Shock Ressistance // 2008 International Conference Modern Technique and Technologies, MTT 2008. Tomsk. 2008. Pp. 83 —86.
8. Glazyrin V. P., Orlov M. Yu., Orlova Yu. N. Investigation of Destruction of Functional Gradient Barriers at Shockwave Loading / / AIP Conference Proceedings ZABABAKHIN SCIENTIFIC TALKS-2005: International Conference on High Energy Density Physics, 2006. Pp. 421—426.
14
9. Земляк В. Л., Курбацкий Д. А., Баурин Н. О. Лаборатория «Ледотехники» // Вестник Приамурского государственного университета им. Шолом-Алейхема. 2013. № 1(12). С. 068-077.
10. Козин В. М., Онищук А. В., Марьин Б. Н. Ледоразрушающая способность изгибно-гравитационных волн от движения объектов. Владивосток: Дальнаука, 2005. 191 с.
11. Козин В.М., Земляк В.Л. Физические основы разрушения ледяного покрова резонансным методом / ИМиМ ДВО РАН, ПГУ им. Шолом-Алейхема, АмГПГу.
Комсомольск-на-Амуре; Биробиджан, 2013. 249 с.
* * *
Baurin Nikita O., Sokolov Roman V., Antsiferov Aleksey A., Nikolaev Sergej V., Korolev Vladislav V.
EXPERIMENTAL DETERMINATION OF THE MOTOR VEHICLES SAFE MOVEMENT ACROSS ICE COVER
(Sholom-Aleichem Priamursky State University, Birobidzhan)
This paper presents the experimental study of the minimal carrying capacity of the ice cover during movement thereon vehicles of different weights. The influence of the mutual arrangement of two moving loads on the strain state of the ice cover was analyzed. Using the proposed criterion of ice destruction, the assessment of ice-breaking ability generated by flexural-gravity waves was made. Safe modes of vehicle motion were identified.
Keywords: vehicle, ice, flexural-gravity waves, double load.
References
1. Squire V. A. Synergies Between VLFS Hydroelasticity and Sea Ice Research, Int. J. Offshore Polar Eng, 2008, vol. 18, no. 4, pp. 241-253.
2. Pogorelova A. V., Kozin V. M. Motion of a Load Over a Floating Sheet in a Variable-depth Pool [Dvizhenie nagruzki po plavayushchey plastine pri peremennoy glubine vodoema], Journal of Applied Mechanics and Technical Physics, 2014, vol. 55, no. 2, pp. 335-344. DOI: 10.1134/S0021894414020163
3. Kozin V. M., Zemlyak V. L., Vereshchagin V. Yu. Influence of Snow Cover on the Parameters of Flexural-Gravity Waves in Ice Cover [Vliyanie snezhnogo pokrova na para-metry izgibno-gravitatsionnykh voln v ledyanom pokrove], Journal of Applied Mechanics and Technical Physics, 2013, vol. 54, no. 3, pp. 458 —464. DOI: 10.1134/S0021894413030152
4. Kozin V. M., Zemlyak V. L., Chizhiumov S. D. Mathematical Model of Ice Sheet Deformation Caused by Submarine Motion, Proceedings of the International Offshore and Polar Engineering Conference ISOPE-2010, Beijing, 2010, pp. 1171—1176.
5. Pogorelova A. V., Kozin V. M., Zemlyak V. L. The Movement of the Subtle Body in the Liquid under a Floating Plate [Dvizhenie tonkogo tela v zhidkosti pod plavayushchey plastinoy], Journal of Applied Mechanics and Technical Physics, 2012, vol. 53, no. 1, pp. 27—37. DOI: 10.1134/S002189441201004X
6. Zemlyak V. L., Kozin V. M. Safety Surfacing of a Submarine Vessel in Solid Ice in Shallow Water [Bezopasnost' vsplytiya podvodnogo sudna v sploshnykh l'dakh v usloviyakh melkovod'ya], Bezopasnost' zhiznedeatel'nosti, 2010, vol. 10, pp. 6 — 9.
7. Glazyrin V. P., Orlov M. Yu., Orlova Yu. N. Influence of the Arrangement of an Additional Layer in Three Layer Barrier on its Shock Resistance, 2008 International Conference Modern Technique and Technologies, MTT 2008, Tomsk, 2008, pp. 83 — 86.
8. Glazyrin V. P., Orlov M. Yu., Orlova Yu. N. Investigation of Destruction of Functional Gradient Barriers at Shockwave Loading, AIP Conference Proceedings
15
ZABABAKHIN SCIENTIFIC TALKS-2005: International Conference on High Energy Density Physics, 2006, pp. 421 -426.
9. Zemlyak V. L., Baurin N. O., Kurbackiy D. A. «Laboratory Ice technology» [Laboratoriya «Ledotekhniki»], Vestnik Priamurskogo gosudarstvennogo universiteta im. Sholom-Aleykhema, 2013, no. 1(12), pp. 068-077.
10. Kozin V. M., Onishchuk A. V. Marin B.N. Ledorazrushayushchaya sposobnost' izgibno-gravitatsionnykh voln ot dvizheniya ob"ektov (Ice-Breaking Capacity of Flexural-Gravity Waves Produced by Motion of Objects), Vladivostok, Dal'nauka, 2005. 191 p.
11. Kozin V. M., Zemlyak V. L. Fizicheskie osnovy razrusheniya ledyanogo pokrova rezonansnym metodom (Physical Fundamentals of Ice Cover Destruction Resonance
Method), Komsomol'sk-na-Amure, Birobidzhan, 2013. 249 p.
* * *
16
