Научная статья на тему 'ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ФОРМИРОВАНИЯ ГИДРОАБРАЗИВНОЙ СТРУИ И РАЗРУШЕНИЯ СНЕЖНО-ЛЕДЯНЫХ ОТЛОЖЕНИЙ ГИДРОСТРУЙНЫМ ИНСТРУМЕНТОМ'

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ФОРМИРОВАНИЯ ГИДРОАБРАЗИВНОЙ СТРУИ И РАЗРУШЕНИЯ СНЕЖНО-ЛЕДЯНЫХ ОТЛОЖЕНИЙ ГИДРОСТРУЙНЫМ ИНСТРУМЕНТОМ Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

CC BY
2
1
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
снежно-ледяные отложения / гидроструйная очистка / коммунальная машина / гидроабразивный инструмент / энергетическая установка / snow and ice deposits / water jet cleaning / utility machine / waterjet tool / power plant

Аннотация научной статьи по технологиям материалов, автор научной работы — Пушкарев Александр Евгеньевич, Головин Константин Александрович, Абросимова Анжелика Анатольевна, Колесниченко Даниил Станиславович, Жуковская Татьяна Олеговна

Представлены результаты экспериментальных исследований насыщения водяной струи частицами абразива при формировании струи для гидроабразивного разрушения снежно-ледяных отложений на поверхности автомобильных дорог коммунальными машинами. Определены основные факторы, влияющие на эффективность формирования струи и последующего воздействия на разрушаемый массив, установлены эмпирические коэффициенты модели, характеризующей процесс разрушения и позволяющей задавать рациональные режимы работы машины. Статья публикуется по результатам проведения научно-исследовательских работ, проводимых в рамках конкурса грантов на выполнение научно-исследовательских работ научно-педагогическими работниками СПбГАСУ (ФГБОУ ВО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет») в 2024 году.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по технологиям материалов , автор научной работы — Пушкарев Александр Евгеньевич, Головин Константин Александрович, Абросимова Анжелика Анатольевна, Колесниченко Даниил Станиславович, Жуковская Татьяна Олеговна

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

EXPERMENTAL STUDIES OF THE FORMATION OF A WATERJET JET AND THE DESTRUCTION OF SNOW AND ICE DEPOSITS BY A HYDROJET TOOL

The results of experimental studies of the saturation of a water jet with abrasive particles during the formation of a jet for the waterjet destruction of snow and ice deposits on the surface of highways by utility vehicles are presented. The main factors influencing the effectiveness of the formation of the jet and the subsequent impact on the destroyed array are determined, the empirical coefficients of the model characterizing the destruction process and allowing to set rational operating modes of the machine are established. The article is published based on the results of research carried out within the framework of the grant competition for the performance of research works by scientific and pedagogical staff of St. Petersburg State University of Architecture and Civil Engineering (FSBEIHE "St. Petersburg State University of Architecture and Civil Engineering") in 2024.

Текст научной работы на тему «ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ФОРМИРОВАНИЯ ГИДРОАБРАЗИВНОЙ СТРУИ И РАЗРУШЕНИЯ СНЕЖНО-ЛЕДЯНЫХ ОТЛОЖЕНИЙ ГИДРОСТРУЙНЫМ ИНСТРУМЕНТОМ»

УДК 629.3.027.3

DOI: 10.24412/2071-6168-2024-7-499-500

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ФОРМИРОВАНИЯ ГИДРОАБРАЗИВНОЙ СТРУИ И РАЗРУШЕНИЯ СНЕЖНО-ЛЕДЯНЫХ ОТЛОЖЕНИЙ ГИДРОСТРУЙНЫМ ИНСТРУМЕНТОМ

А.Е. Пушкарев, К.А. Головин, А.А. Абросимова, Д.С. Колесниченко, Т.О. Жуковская

Представлены результаты экспериментальных исследований насыщения водяной струи частицами абразива при формировании струи для гидроабразивного разрушения снежно-ледяных отложений на поверхности автомобильных дорог коммунальными машинами. Определены основные факторы, влияющие на эффективность формирования струи и последующего воздействия на разрушаемый массив, установлены эмпирические коэффициенты модели, характеризующей процесс разрушения и позволяющей задавать рациональные режимы работы машины. Статья публикуется по результатам проведения научно-исследовательских работ, проводимых в рамках конкурса грантов на выполнение научно-исследовательских работ научно-педагогическими работниками СПбГАСУ (ФГБОУ ВО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет») в 2024 году.

Ключевые слова: снежно-ледяные отложения, гидроструйная очистка, коммунальная машина, гидроабразивный инструмент, энергетическая установка.

Одним из наиболее активно реализуемых направлений развития техники для обслуживания дорог является применение электрических энергетических установок. Такая компоновка имеет ряд известных достоинств, главным из которых является экологическая безопасность применения. Кроме того, именно с применением электрического привода существенно упростилась задача создания автономных машин, реализующих технологические операции на основе заданных алгоритмов и при максимальной энергоэффективности. Однако именно в такой постановке вопроса видится и новая проблема - обоснование характеристик электрической энергетической установки машины, способной выполнять как транспортную задачу, связанную с движением машины, так и технологическую, направленную на достижение безопасных показателей поверхности дорожного полотна. Эта задача особенно осложняется в зимний период и в межсезонье, когда температура окружающей среды становится ключевым фактором как для процесса энергообеспечения функционирования машины, так и для выбора способа выполнения поставленной технической задачи, технологического инструмента и режимов работы машины в целом. Наиболее перспективным вариантом удаления с поверхности дорог снежно-ледяных отложений, формирование которых становится наиболее острой проблемой именно в межсезонье, является использование гидроструйной очистки, при которой высоконапорные водяные струи разрушают и удаляют отложения значительной толщины и при высоких прочностных характеристиках [1]. Эффективность очистки увеличивается при добавлении в струю частиц абразива, которые будучи разогнанными струёй до высоких скоростей и имея значительную прочность, легко справляются с задачей разрушения снежно-ледяных отложений, тогда как вода выполняет задачу удаления разрушенного материала с очищаемой поверхности дороги [2-8]. Однако закономерности такого процесса не установлены. Таким образом, весьма актуальной является научно-техническая задача определения характеристик процесса формирования струи для гидроабразивного разрушения снежно-ледяных отложений на поверхности автомобильных дорог коммунальными машинами и обоснования характеристик энергетической установки для такой техники.

Целью исследований является научное обоснование параметров электрической энергетической установки и режимов работы коммунальной машины для обслуживания дорог в зимнее время, при которых процесс разрушения снежно-ледяных отложений гидроструйным инструментом и транспортная работа машины осуществляется с максимальной энергоэффективностью.

Для достижения поставленной цели используется комплексный метод исследований, включающий экспериментальные исследования процесса формирования струи для гидроабразивного разрушения снежно-ледяных отложений гидроструйным инструментом, анализ и обработку экспериментальных данных с применением методов теории вероятности и математической статистики, и построение эмпирической модели процесса [9-11].

В качестве экспериментальной установки был использован стенд (рис. 1), представляющий собой металлическую конструкцию в виде каркаса 1 с подвижным столом 2 для размещения обрабатываемого образца разрушаемого материала, приводом подвижного стола 3, устройством подачи абразива к технологическому инструменту 4, механическим регулятором подачи абразива 5 и технологическим инструментом 6.

инструмент

499

Технологический инструмент представляет собой гидроабразивный резак (рис. 2), в конструкции которого была предусмотрена возможность изменения геометрических характеристик проточной части подачи воды и абразива, позволяющая определить влияние конструктивных параметров инструмента на показатели процесса разрушения снежно-ледяных отложений.

Рис. 2. Технологический инструмент: 1 - водяная форсунка; 2 - корпус; 3 - канал подачи воды;

4 - стопорное устройство коллиматора; 5 - коллиматор

В ходе экспериментов использовались водяные форсунки с диаметром проточной части 1, 2 и 3 мм; коллиматоры с внутренним диаметром 4; 5; 6 и 8 мм; образцы льда с пределом прочности на одноосное сжатие от 1,1 до 7,37 МПа.

В качестве исходной эмпирической модели процесса формирования струи в гидроабразивном инструменте и последующего разрушения снежно-ледяных отложений использовалась предложенная Пушкаревым А.Е. в диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук модель [2]:

Ь = 1,232к

Р2

ау„а(£а + швм2 Ро0'У'5 )2

(1)

В модели (1) основными факторами, влияющими на эффективность работы гидроабразивного инструмента являются: количество поступающего в инструмент абразива Qa , кг/с; давление воды Р0, МПа; диаметр проточной части водяной форсунки d0, м; внутренний диаметр коллиматора ¿к, м; скорость перемещения технологического инструмента вдоль поверхности разрушаемого образца Уп, м/с и плотность воды р , кг/м3. При этом непосредственными эмпирическими характеристиками процесса являются: коэффициент, отражающий сопротивляемость материала воздействию гидроабразивной струи к ; коэффициент, характеризующий эффективность передачи энергии высоконапорной струи частицам абразива в технологическом инструменте конкретной конструкции в и коэффициент, учитывающий потери энергии гидроабразивной струи при взаимодействии с разрушаемым материалом а. Гидравлические потери при ускорении струи в струеформирующей водяной форсунке характеризуются коэффициентом / . [2]

В ходе экспериментальных исследований фиксировалась глубина разрушения Ь, м и количество поступающего в инструмент абразива Qa , для различных сочетаний остальных факторов. Эксперименты проводились при постоянном давлении воды 10 МПа; постоянной скорости перемещения технологического инструмента вдоль поверхности разрушаемого образца 20-10-3 м/с; диаметрах проточной части водяной форсунки 0,001, 0,002 и 0,003 м; внутренних диаметрах коллиматора 0,004; 0,005; 0,006 и 0,008 м. Предварительные эксперименты позволили установить величину гидравлических потерь при ускорении струи в струеформирующей водяной форсунке и определить коэффициент / = 0,78 для всех использованных в экспериментах форсунок. Результаты экспериментов представлены в таблице.

Результаты экспериментальных^ исследований

Номер серии опытов Площадь сечения канала подвода абразива S, мм2 Глубина разрушения Ь, м-10-3 Количество поступающего в инструмент абразива Qa, кг10-3/с Длительность опыта г, с

1 40 15 0 12

2 30 14 0,38 8

3 14 16 1,11 9

4 7 21 6,9 13

5 4 20 11 5

6 2 20 12,38 13

7 0 17 0 11

Анализ результатов экспериментальных исследований показал, что в серии опытов № 4 достигнута максимальная глубина разрушения льда А=21-10"3 м, при площади сечения канала подвода абразива 5=7-10"6 м2. Увеличение и уменьшение площади сечения канала подвода абразива приводит к снижению глубины разрушения льда. Это объясняется формированием рационального соотношения количества поступающего в инструмент абразива и расходом воды в высоконапорной струе, обеспечивающего максимальную энергоэффективность разрушения массива инструментом с заданным набором конструктивных параметров.

Для определения эмпирического коэффициента в, характеризующего эффективность передачи энергии высоконапорной струи частицам абразива в технологическом инструменте конкретной конструкции, используем расчетную формулу [2]:

в= , (2) - )

где (20 - расход воды в высоконапорной струе, м3/с; У0 - скорость водяной струи на выходе из проточной части водяной форсунки, м/с; ^ - скорость струи смеси воды и абразива на выходе из коллиматора, м/с.

Для определения эмпирического коэффициента к, отражающего сопротивляемость материала воздействию гидроабразивной струи, воспользуемся расчетной формулой [2]:

к = 3,626 -10-8е-2.448'1(г8^ . (3)

Для серии опытов №4 конструктивные характеристики технологического инструмента составляли: диаметр проточной части водяной форсунки <30 = 0,001 м; давление воды Р0 = 10 МПа; внутренний диаметр коллиматора = 0,004 м; предел прочности на одноосное сжатие <тсж = 2,1 МПа.

Подставив в формулу (1) исходные параметры и характеристики условий проведения экспериментов, учитывая рекомендованное значение эмпирического коэффициента, учитывающего потери энергии гидроабразивной струи при взаимодействии с разрушаемым материалом а = 0,777 [2], получаем следующий вид модели:

А = 2,6.10-7_0,1846^ЧУ02_(4)

dK111 Qa + 0,2^02 W5 )2

Таким образом, получена эмпирическая модель, позволяющая прогнозировать основной параметр процесса гидроабразивной очистки поверхности от снежно-ледяных отложений - глубину разрушения h технологическим инструментом с известными конструктивными параметрами. Важным обстоятельством является то, что эмпирические коэффициенты модели рассчитаны для исполнения инструмента и режимов его работы, при которых обеспечивается максимальная энергоэффективность процесса, а глубина разрушения достигает максимума.

Эмпирический характер модели требует расчета эмпирических коэффициентов в каждом конкретном случае изменения исходных параметров технологического инструмента и режимов его работы.

Полученная модель позволяет определить параметры процесса очистки поверхности дорог от снежно-ледяных отложений и обосновать характеристики энергетической установки машины для обслуживания дорог в зимнее время. Гидравлические параметры процесса являются определяющими при выборе насосного оборудования для комплектации машины гидроструйной очистки дорог [12-15].

Список литературы

1. Разработка новой машины для очистки дорог от снежно-ледяных образований / С.В. Репин, А.Е. Пуш-карев, И.И. Воронцов, Т.В. Виноградова, А.А. Абросимова // Строительные и дорожные машины. 2022. № 4. С.33-37.

2. Гидроабразивное резание горных пород / В.А. Бреннер, А.Б. Жабин, А.Е. Пушкарев, М.М. Щеголев-ский. М.: Издательство Московского государственного горного университета, 2003. 279 с.

3. Технология водоструйной (гидро-) и гидроабразивной резки и раскроя материалов [Электронный ресурс]. URL: http://akron-s.ru/articles/tehnologiva vodostruinoi gidro i gidroabrazivnoi rezki i raskrova materialov (дата обращения: 10.06.2024).

4. Louis T.J. Fluid Jet Technology Fundamentals and Applications // 5th American Waterjet Conference. Toronto. Canada. 1989. August. P.145-168.

5. Hashish M. Data Trends in Abrasive Waterjet Machining, SME Automated Waterjet Cutting Processes, South-field, MI, May. 1989. P.64-68.

6. Averin E. Universal Method for Prediction of Abrasive Waterjet Performance in Mining // Engineering. 2017. Vol. 3. №. 6. P.888-891.

7. Experimental studies on cutting oil shale by high-pressure water jets / A. Zhabin, A. Polyakov, E. Averin, W. Khachaturian // Oil Shale. 2019. Vol. 36. № 1. P.32-42.

8. Анализ и доработка аналитического метода расчета гидроабразивной эрозии горных пород / А.Б. Жа-бин, Е.А. Аверин, А.В. Поляков, М.М. Щеголевский // Горное оборудование и электромеханика. 2018. № 2. С.17-25.

9. Тихомиров Р.А. Исследование и разработка технологии резания полимерных материалов струей жидкости высокого давления: автореф. дис. ... канд. техн. наук. Л., 1971. 19 с.

10. Тихомиров Р.А., Петухов Е.Н. Использование сверхзвуковой струи жидкости в качестве режущего инструмента // Проблемы теории проектирования и производства инструмента: тез. докл. совещания. Тула: ТулГУ, 1995. С.10-12.

11. Скирденко О.И. Исследование процесса гидрорезания высокоэластичных и других синтетических и рулонированных материалов: автореф. дис. ... канд. техн. наук. Киев, 1978. 22 с.

12. Сменное навесное снегоуборочное оборудование для спецтехники [Электронный ресурс]. URL: https://os1.ru/article/4421-smennoe-navesnoe-snegouborochnoe-oborudovanie-dlva-spetstehniki-bortsv-s-organizovannov-sneinoy-prestupnostyu (дата обращения: 23.05.2024).

13. Доценко А.И., Зотов В.А. Машины и оборудование природообустройства и охраны окружающей среды города. М.: Высшая школа, 2007. 519 с.

14. Кухарь И.В., Мартыновская С.Н. Машины и оборудование для очистки дорог и площадок в зимнее время // Эпоха науки. 2019. № 17. С. 66-70.

15. ГОСТ EN 13021-2012. Машины для зимнего содержания дорог. Требования безопасности. М.: Стан-дартинформ, 2014. 33 с.

Пушкарев Александр Евгеньевич, д-р техн. наук, профессор, [email protected], Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет,

Головин Константин Александрович, д-р техн. наук, доцент, заведующий кафедрой, kagolovin@mail. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Абросимова Анжелика Анатольевна, канд. техн. наук, доцент, докторант, anzhel-icka.abrosimova@yandex. ru, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет,

Колесниченко Даниил Станиславович, аспирант, [email protected], Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет,

Жуковская Татьяна Олеговна, аспирант, [email protected], Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет

EXPERMENTAL STUDIES OF THE FORMATION OF A WATERJET JET AND THE DESTRUCTION OF SNOW AND

ICE DEPOSITS BY A HYDROJET TOOL

A.E. Pushkarev, K.A. Golovin, A.A. Abrosimova, D.S. Kolecnichenko, T.O. Zhukovskaya

The results of experimental studies of the saturation of a water jet with abrasive particles during the formation of a jet for the waterjet destruction of snow and ice deposits on the surface of highways by utility vehicles are presented. The main factors influencing the effectiveness of the formation of the jet and the subsequent impact on the destroyed array are determined, the empirical coefficients of the model characterizing the destruction process and allowing to set rational operating modes of the machine are established.

The article is published based on the results of research carried out within the framework of the grant competition for the performance of research works by scientific and pedagogical staff of St. Petersburg State University of Architecture and Civil Engineering (FSBEIHE "St. Petersburg State University of Architecture and Civil Engineering") in 2024.

Key words: snow and ice deposits, water jet cleaning, utility machine, waterjet tool, power plant.

Pushkarev Alexander Evgenievich, doctor of technical sciences, professor, pushkarev-agn@mail. ru, Russia, St. Petersburg, St. Petersburg State University of Architecture and Civil Engineering,

Golovin Konstantin Alexandrovich, doctor of technical sciences, docent, head of department, kagolovin@mail. ru, Russia, Tula, Tula State University,

Abrosimova Anzhelika Anatolyevna, candidate of technical sciences, docent, anzhelicka. abrosimova@yandex. ru, Russia, St. Petersburg, St. Petersburg State University of Architecture and Civil Engineering,

Kolesnichenko Daniil Stanislavovich, postgraduate, [email protected], Russia, St. Petersburg, St. Petersburg State University of Architecture and Civil Engineering,

Zhukovskaya Tatyana Olegovna, postgraduate, zhukovskayato@mail. ru, Russia, St. Petersburg, St. Petersburg State University of Architecture and Civil Engineering

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.