Очиститель дорожного покрытия от снежноляденого слоя Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

S.G. Yemelyanov, I. S. Zakharov [etc.]; under a general Edition of P. N. Uchayev. - M.: 2006. - 296 p.

5. Ivanov A. A. Robotics bases: manual / A. A. Ivanov. - M.: FORUM, 2012. - 224 p. - (higher education).

Ремизович Юрий Владимирович - кандидат технических наук, доцент кафедры «Подъемно-

транспортные, тяговые машины и гидропривод» Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии (СибАДИ) г. Омск. Основные направления научной деятельности - Управление скоростями крановых механизмов. Общее количество опубликованных работ: 140. e-mail: Remizovich_uv@sibadi. org

УДК 539-531

ОЧИСТИТЕЛЬ ДОРОЖНОГО ПОКРЫТИЯ ОТ СНЕЖНОЛЯДЕНОГО СЛОЯ

Б. Н. Стихановский

Аннотация. В данной статье рассматривается проблема очистки поверхности тротуаров, дорог, площадок от ледяной корки. Обобщен новый материал по исследуемой теме. Выделяются и описываются характерные особенности устройства, которое достаточно быстро и просто крепится на приводном вале барабана с щетками или снежных ножах снегоочистителей. Высокие темпы роста объемов очистных работ в зимнее время обусловливают актуальность работ по совершенствованию существующих и созданию новых органов для разрушения снежноледяных образований и повышения эффективности разрушения.

Ключевые слова: дорога, лед, снегоочиститель, ударный узел, боек.

Введение

В зимнее время покрытия дорог испытывают воздействие снегопадов, перепадов температур, ветрового переноса, уплотнения снега колесами транспортных средств. Уплотненные снежноледяные образования на дорогах вызывают повышение скользкости, уменьшение коэффициента сцепления, что влияет на безопасность движения, на скорость транспортных средств и, как следствие, на уровень выбросов вредных веществ в атмосферу.

Кроме этого, при наступлении зимы и гололеда травмопункты константируют: поток больных растет с каждым днем - ушибы, переломы, растяжения и удары головой -самые распространенные травмы. Только в одном северном мегаполюсе с продолжительной зимой - это тысячи увечий из-за малого трения о лед. При этом переломы шейки бедра и подобные разрушения костей для стариков практически смертный приговор, т. к. в России такого вида болезни плохо лечатся.

Существующие методы увеличения трения-скольжения путем подсыпки песка или очистка снежноледяного наката солью, химическими реагентами и др. имеют свои области применения и недостатки: загрязнение тротуаров, повышение эксплуатационных затрат на содержание техники, ухудшение экологических показателей и т.п.

Ручной труд дворников с различными простейшими инструментами (ломы, топоры с длинными древками и др.) весьма трудоемок и неэффективен.

Высокие темпы роста объемов очистных работ в зимнее время, при нехватке средств на приобретение новой техники, обусловливают актуальность работ по совершенствованию существующих и созданию новых органов для разрушения снежноледяных образований и повышения эффективности разрушения.

Преимущество конструкции

Механизировать данный вид работы и повысить производительность очистки от льда в сотни и тысячи раз можно на базе снегоочистителей всех видов - от самых малых ручных бензиновых культиваторов до больших щеток и лопастей барабанов на приводе мощных тракторов.

Устройства для механической очистки поверхностей от снежноледяного наката на дорогах, тротуарах, аэродромах - дорожные снегоочистители, содержат рабочий орган роторного типа, который может быть шнекороторным, с ленточной или барабанной фрезой, с рыхлящим валом и др.[1].

Недостатком данных конструкций является то, что они производят работы только с рыхлым снегом, а снежноледяной или только ледяной накат очищать не могут.

К недостаткам газоструйных очистителей относятся повышенный уровень звукового давления (110-120 дБ) и большая энергоемкость рабочего процесса - примерно

в 2 раза выше, чем у механических снегоочистителей, а также возможность обледенения очищаемых покрытий при воздействии газовой струи в определенном диапазоне температур.

Известна конструкция машины для разрушения снежноледяных образований на дорожных покрытиях, которая содержит горизонтальный приводной вал, на котором смонтированы гибкие тяги, несущие на свободных концах ударники с режущей кромкой, а тяги выполнены из металлического каната и жестко смонтированы на валу. [2].

Недостатком данной конструкции является трудоемкость и высокая стоимость закрепления ударника с тросом, конец которого распускается с удалением сердечника, концы проволок загибаются, обезжириваются и заливаются дорогим легкоплавным материалом. Кроме этого, трос быстро изнашивается и разрывается от ударных и изгибающих нагрузок.

Понижение себестоимости закрепления ударника с гибкой связью и приводным валом и увеличение надежности ударного узла решается за счет того, что в известном очистителе снежноледяной поверхности, содержащем приводной вал, на котором смонтированы гибкие тяги, несущие ударники с режущей кромкой, гибкая тяга выполнена из цепи, крайнее звено которой, закрепленное с ударником, впрессовано в проточку ударника или имеет проточку размером t как и пазы ударника, где ^ , а d - диаметр звена цепи; приводной вал имеет сквозные пазы с расположенными в них средними звеньями цепей, которые через другие звенья связаны с ударниками на концах каждой цепи по одной прямой; средние звенья имеют длину I « D + 4d и разделены втулками на приводном валу, имеющем наружный диаметр D; крепление щеток к приводному

валу расположено под 90 ° к осевым

линиям цепей, [3].

Сборка цепи с ударником через сквозной паз шириной t < d очень проста и надежна, т.к. не требует применять дорогостоящие легкоплавкие материалы и трудоемкие затраты на зачистку поверхностей проволок троса и энергоемкую заливку сплавом. Кроме этого, как показали эксперименты, трос из-за многократных перегибов в процессе взаимодействия ударника со снежноледяной поверхностью и больших напряжений в нем от ударных перегрузок быстро выходит из строя в отличие от цепи. В очистителе снежноледяной поверхности (ОСП) сборка и

замена вышедших из строя элементов несложная, т.к. каждая цепь, имеющая на своих концах ударники, собирается в сквозных пазах через свое среднее звено и разделяется друг от друга втулками. Для того чтобы цепь с ударникамизакрепить в радиальном направлении без

дополнительных деталей, необходимо упереть два звена, соединенных со средним, которое пропущено через сквозной паз, в приводной вал. При этом длина среднего звена цепи равна I« D +4 d, где D - наружный диаметр приводного вала, d - диаметр (толщина) провода цепи. Если все звенья цепи имеют одинаковую длину, то I - длина звена цепи.

При таком исполнении ОСП повышается надежность соединения и понижается себестоимость закрепления гибкой связи с ударником и приводным валом.

Исполнительный механизм может быть расположен на базе «Крота», в котором снимаются плуги, и подсоединяется приводной вал ОСП. Для увеличения скорости удара в несколько раз в приводе «Крота» уменьшается число ступеней зацепления в редукторе: зубчатые, ременные или цепные. При этом снижается вес и стоимость устройства.

Если оставить направление вала рабочего органа «Крота» без изменения, то за исполнительнымм механизмом ОСП необходимо поставить экран - щетку под углом а = (30 - 60) °для сборки и отброса в сторону обломков льда и снега. При развороте оси приводного вала на угол а к направлению движения ОСП, нет необходимости в экране - щетке, т.к. разбитый материал со снежноледяной поверхности отбрасывается в сторону от ОСП щетками.

Испытания опытного образца ОСП подтвердили высокую эффективность и производительность процесса очистки поверхности от ледяной корки, а также простоту сборки - разборки и малую стоимость изготовления исполнительного механизма ОСП.

Недостатком данной конструкции является относительно узкое применение ударного узла на приводах, где центробежное ускорение должно быть много больше

2

ускорения свободного падения, т.е.® R

>> д где д = 9,81 м/с2 - ускорение свободного падения, иначе в верхнем положении цепь

будет не вытянута, что повлечет за собой односторонний износ кромки ударника.

Для расширения сферы применения ударного узла и увеличения долговечности ударника в очистителе снежноледяной поверхности , содержащем приводной вал, на котором смонтированы гибкие тяги, выполненные из цепи, несущие ударники с режущей кромкой, цепи крепятся на радиальной жесткой или гибкой спице, 2

если.® R < 5д - 10д, и на вале или спице,

2

если.® R > 5д - 10д , где ® - угловая

скорость приводного вала в рад/с Д -расстояние от оси вала до центра тяжести ударника с валом в метрах [4].

Устройство содержит ударник, который крепится на вале, соединенный через звено цепи и жесткой или гибкой спицы с валом привода или только через цепь. Крепление ударника на вале позволяет ему свободно вращаться от удара к удару, что увеличивает рабочую зону взаимодействия кромки ударника с разрушаемым льдом в несколько раз. Если в предыдущих конструкциях удар происходил практически по одной и той же кромке ударника, то в предлагаемом узле из-за поворота ударника вокруг вала имеем рабочую поверхность режущей кромки ударника по всей окружности, что уменьшает износ режущей кромки в десятки раз, т.к. контактные зоны в процессе поворота ударника меняются поочередно по всей кромке ударника.

Использование в качестве привода механизмов различного назначения (снегоочистители, вращающиеся метлы и др.) в зависимости от центробежной силы, развиваемой в ударнике, позволяют применять два варианта.

Если сила тяжести Р = тд много больше (в

2

5 -10 раз), чем центробежная сила F =т ®

R , то лучше применять вариант, чтобы в верхнем положении ударник не падал вниз и

2

не запутывал цепи, т.е. при ® R << д .

22

При® R >> д, т.е. ® R > (5 - 10) д ,

цепи ударника будут натянуты в верхнем положении и поэтому приемлемы два варианта.

Если очищаемая поверхность относительно ровная, спицы могут быть жесткими. В противном случае, когда имеются ступени,

камни и т.п. препятствия, нужно для исключения поломок использовать спицы в виде гибких стержней.

Ударник имеет режущую кромку на максимальном расстоянии от оси вращения, чтобы не было касания со льдом других поверхностей ударника в процессе работы. Предлагаемые конструкции ОСП позволяют использовать различные механизмы привода, имеющие свои собственные угловые скорости, что не требует переделки их редуктора или изменения кинематической схемы привода. Заметно повышается износостойкость ударника за счет увеличения длины его рабочей кромки, но в данной конструкции каждую пару ударников необходимо крепить отдельно на приводном валу, а таких пар может быть более десяти, что является достаточно трудоемким процессом.

Для уменьшения трудоемкости монтажа очистителя на приводной вал цепь охватывает плотно весь приводной вал в виде спирали из нескольких витков, концы ее закреплены на вале, а на звеньях этой цепи по радиусам расположены ударники на уровне внешних концов щеток, ножей или отдельно от них, [5].

Цепь с ударниками намотана на барабан с ворсом для подметания поверхности; при этом ударники могут располагаться на цепи односторонне или в шахматном порядке, т.е. закреплены на продольной цепи в разные стороны.

Устройство содержит приводной барабан, на который намотана в виде спирали продольная цепь с закрепленными на ней радиально звеньями (или без них) с ударниками, расположенными внутри ворса (или ножей, плугов и т.п.).

При выполнении ОСП внутри ворса при вращении барабана ударники разбивают снежноледяную поверхность, которая затем подметается с помощью ворса.

Для определения сил при ударе необходимо иметь такие параметры взаимодействия, чтобы разрушать только ледяное покрытие, а не асфальт или бетон тротуаров и дорог. Место контакта соударяющихся тел является областью формирования волн, поэтому в зависимости от формы и вида материала контактной зоны получается тот или иной закон образования волн. Величина таких параметров, как скорость отскока, коэффициент

восстановления ускорение поперечных сечений тел, максимальная сила и

напряжение завися от функции F = f(а) где F- сила, действующая в месте контакта двух тел, а а - общая деформация в месте контакта вдоль нормали к поверхностям в точке контакта.

В экспериментах по продольному удару стержней, стержня по плите или пластине ударные концы или один из них необходимо закруглять, т.е. нельзя брать приведенный радиус закругления поверхностей ударных концов соударяющихся тел

R

R R

_1 2 :

R + R

12

чтобы оба конца были плоскими или один вогнутый, а другой выпуклый, с одинаковыми

по абсолютной величине R = К .Если

1 2

взять соударяющиеся тела с плоскими ударными концами, то из-за невозможности идеальной коллинеарности начальное соприкосновение происходит в одной точке, не совпадающей с линией удара и удар получается менее жесткий, чем при закругленных концах. Практически при любых условиях соударения сила не может мгновенно вырасти от нуля до максимальной величины, в противном случае условие бесконечно малой массы, захваченной волной напряжения, было бы бесконечно большим. Это невозможно из-за микронеровностей и перекоса

соударяющихся тел. Опыт подсказывает, что для достижения максимальных ударной силы и ускорения при всех прочих равных условиях необходимо скруглять ударные торцы настолько, чтобы линия удара при возможных в данной системе отклонениях от коллинеарности предельно совпадала с центрами масс соударяющихся тел.

В большинстве случаев при лабораторных и промышленных испытаниях ускорения определяют как среднее значение действующей на тело силы F поделенной на массу ускоряемого тела. При распространении волны деформации -напряжений по ударяемому телу сила F в месте контакта и в различных сечениях тела - переменная во времени, кроме того, изменяется масса, захваченная волной в процессе ударного контакта, поэтому ускорения частиц, захваченных волной, могут, заметно отличаться от ускорения центра масс, вычисляемого для материальной точки. Максимумы ускорений частиц и силы, действующей в этот момент в сечении тела, не совпадают: при максимуме

силы имеем ускорение, равное нулю. Это объясняется тем, что ускорение частиц в волне определяется не односторонней силой или напряжением, действующими на элементарный объем тела из контактной зоны, а разностью сил, действующих с двух противоположных сторон на массу этого объема и ускоряющих ее.

В настоящее время имеется несколько зависимостей, которые устанавливают связь между силой F и общей деформацией приконтактной области а. Классическое соотношение этого типа для статического сжатия двух упругих тел, поверхность контакта которых может быть описана уравнением второй степени, было получено Герцем на основе электростатической аналогии:

3

F = К а2 ,

А

где К - константа, зависящая от

А

геометрии и упругих свойств тел.

Для случая удара тел, имеющих сферические контактные поверхности

радиусов R и R эта константа

1 2

определяется выражением:

4 I-

К =- К Е ,

г 3 v о о

где R и Е - приведенный радиус

о о

сферических контактных поверхностей тел и

модуль упругости, ц коэффициенты Пуассона.

и ц

Е =Е Е / (1- Ц ) Е +

0 12 1 2

1-- ц

Е

Максимальная сила удара:

12 2 — F =1,28 R 5 Е 5 [ т V ]5 ,

т 0 0 0 0

т

где т

т т

1 2

т + т

12

приведенная масса

соударяющихся тел;

Максимальное напряжение в центре контактной площадки:

1

2 4 4 -

а = 0,63 (т V Е / R )5 .

т 0 0 0 0

0

2

2

2

(

)

+

21

0

0

Допускаемая максимальная скорость не должна превышать величины:

а

V < 3,2 R [-0 ] 2

О max О E

R

-а

m

В настоящее время разработаны достаточно простые, дешевые и надежные ударные узлы, которые быстро можно присоединить на барабан с щетками, лопастями-спиралями и т.п. приспособлениями. Бойки этого узла разбивают ледяную корку, не повреждая асфальт, бетон, плитки и другие покрытия тротуаров, дорог и т.п. площадей. Исследованы конструкции бойков, способы их крепления, гибкие тяги, на которых смонтированы ударники, рекомендованные скорости вращения и др.

Благодаря предложенной конструкции ОСП не надо снимать с приводного вала, на котором закреплен барабан с ворсом для подметания или снежные ножи, чтобы закрепить ударный узел на нем, как было в конструкциях известных прототипов. Этот демонтаж, например, на базе трактора «Беларусь» требовал не менее одного полного рабочего дня. В предлагаемом устройстве не надо снимать имеющееся оборудование приводного вала, т.к. цепь с ударниками плотно обматывается спиралью вокруг барабана и концы этой цепи крепятся на нем.

При внедрении данного изобретения в серию необходимо дополнительно исследовать количество витков и бойков, технологию натяжения и крепления ударного узла на конкретный вид и габариты снегоочистителя, в котором щетки выполняют роль подметания ледяного покрытия.

Заключение

Конечно, можно дождаться теплой погоды, когда все растает, но для уменьшения травм при гололеде рано или поздно необходимо механизировать непроизводительный труд многочисленных дворников, рубящих лед вручную. Вначале это будет на центральных магистралях города, а затее по мере повышения механизации работ станут, охвачены все большее число площадей. Такой опыт можно опробовать в одном из крупных городов Сибири (например, в Омске), а затем в других северных мегаполисах России, Европы и Канады.

Библиографический список

1. Баловнев, В. И. Дорожно-строительные машины и комплексы / В. И. Баловнев. - 2-е изд.-М. Омск : СибАДИ, 2001. - С. 329-342.

2. А.с.1799945 А1 Машина для разрушения снежноледяных образований на дорожных

покрытиях / Б. Н. Бирючев, К. А. Афонин, В. В. Сапожников; опубл. 07.03.93, Бюл.№9.

3. Пат.2270289 Российская Федерация, 2 270 289 с2, МПК Е01Н 5/12. Очиститель снежноледяной поверхности / Б. Н. Стихановский - №2004108284/11; заявл. 22.03.2004; опубл. 20.02.2006, Бюл.№5.

4. Заявка 2009111943 / 11 Российская Федерация. Очиститель снежноледяной поверхности; заявл.31.03.2009; опубл. 10.10.2010, Бюл.№28.

5. Пат.2474641 Российская федерация, 2 474 641 С2, МПК Е01Н5/12. Очиститель снежно-ледяной поверхности - ОСП / Б. Н. Стихановский -№2011120175/13; заявл. 19.05.2011; опубл. 10.02.2013, Бюл .№4.

CLEANER OF PAVEMENT FROM SNOW AND

GLACIAL LAYER

B. N. Stikhanovskiy

Abstract. The article is devoted to the problem of cleaning the surfaces of sidewalks, roads, grounds from the ice crust. The new material on the observable subject is generalized. The features of the device, which quite quickly and simply is attached on the driving shaft of the drum with brushes or snow blades. High growth rates of volume of cleaning works in winter determine the relevance of works on improvement of the existing and creating the new devices to destroy snow and glacial formations and increase the efficiency of destruction.

Keywords: road, ice, snow plough, percussive unit, peen.

Bibliographic list

1. Balovnev V. I. Road-building cars and complexes / Century I. Balovnev. - 2nd prod. - M. Omsk: SibADI, 2001. - pp. 329 - 342.

2. А.с.1799945 A1 the Car for destruction the snezhnoledyanykh of educations on road coverings / B. N. Biryuchev, K. A. Afonin, V. V. Sapozhnikov; published 07.03.93, Byul.№9.

3. Patent .2270289 Russian Federation, 2 270 289 с2, MPK E01N 5/12. Cleaner of a snow and ice surface / B. N. Stikhanovskiy - No. 2004108284/11; statement 22.03.2004; published 20.02.2006, Byul.№5.

4. Demand 2009111943/11 Russian Federation. Cleaner of a snezhnoledyany surface; statement 31.03.2009; published 10.10.2010, Byul.№28.

5. Patent 2474641 Russian Federation, 2 474 641 S2, MPK E01N5/12. Cleaner of a snow and ice surface - SMALLPOX / B. N. Stikhanovskiy-№2011120175/13; 19.05.2011; опубл.10.02.2013, Bulle.№4.

Стихановский Борис Николаевич - доктор технических наук, профессор Омского государственного университета путей сообщений (ОмГУПС) г. Омск. Основное направление научной деятельности: ударные процессы. Общее количество опубликованных работ: 264 опубликованных работ. e-mail: bstish@mail.ru

О

О

О