CC BY
14
III Международный научно-образовательный форум «Хэйлунцзян-Приамурье»: пленарные доклады Международной научной конференции, Россия, Биробиджан, 3 октября 2019 г.
УДК 625.768.5
В. М. Козин, В. Л. Земляк
РАЗРАБОТКА ПЕРСПЕКТИВНЫХ СПОСОБОВ И УСТРОЙСТВ РАЗРУШЕНИЯ ЛЕДЯНОГО ПОКРОВА ДЛЯ РЕШЕНИЯ РЕГИОНАЛЬНЫХ ХОЗЯЙСТВЕННЫХ ПРОБЛЕМ ДАЛЬНЕГО ВОСТОКА
В работе анализируется научная деятельность лаборатории ледотехники Приамурского государственного университета имени Шолом-Алейхема, направленная на экспериментальные и теоретические исследования, разработку и испытания новых перспективных способов и устройств разрушения ледяного покрова для решения региональных народнохозяйственных проблем Дальнего Востока.
Ключевые слова: лёд, разрушение, изгибно-гравитационные волны, резонанс.
Ледотехника — это отрасль технических наук, занимающаяся разработкой методов и оборудования для использования льда и борьбы с его вредным влиянием на жизнедеятельность человека. Круг технических и инженерных вопросов, рассматриваемых ледотехникой, чрезвычайно широк. Он касается эксплуатации ледяного покрова в качестве ледовых переправ и грузонесущих платформ, защиты от воздействия льда на гидротехнические сооружения, совершенствования существующих и разработки новых методов разрушения лёдного покрова, борьбы с ледовыми осложнениями и негативными последствиями возникновения ледяных образований на инженерных сооружениях.
Козин Виктор Михайлович — доктор технических наук, профессор (Институт машиноведения и металлургии ДВО РАН, Комсомольск-на-Амуре, Россия); e-mail: vellkom@list.ru.
Земляк Виталий Леонидович — кандидат физико-математических наук, доцент, (Приамурский государственный университет имени Шолом-Алейхема, Биробиджан); e-mail: vellkom@list.ru.
Работа выполнена в рамках проекта 9.4934.2017/БЧ «Определение влияния ледовых условий на несущую способность ледяного покрова при использовании его в качестве ледовых переправ», задания на выполнение государственных работ в сфере научной деятельности в рамках базовой части государственного задания вузу.
© Козин В. М., Земляк В. Л., 2019
87
Разрушение льда — комплексная проблема, лежащая на стыке многих технических наук: физики твёрдого тела; гидроупругости; механики сплошных сред; материаловедения и пр. Новые ледотехнические задачи, связанные с использованием и разрушением такого сложного материала, требуют непрерывного совершенствования методов, способов и устройств для их решения.
В рамках развития научно-технической, прикладной и инновационной сферы деятельности, направленной на решение различных региональных хозяйственных проблем Дальнего Востока, проведения фундаментальных научных исследований в области теории корабля и механики твёрдого деформируемого тела в ФГБОУ ВО «Приамурский государственный университет имени Шолом-Алейхема» (Россия, г. Биробиджан) в 2012 г. под научным руководством д. т. н., профессора, заслуженного изобретателя РФ В. М. Козина, быпла создана лаборатория ледотехники [1].
К основным направлениям, реализуемым научным коллективом лаборатории, относятся:
- исследование поведения ледяного покрова в условиях изгибно-гравитационного резонанса;
- влияние различных ледовыых условий на параметры генерируемых от движения нагрузки изгибно-гравитационных волн;
- разработка и исследование армированных композиционных материалов повышенной прочности на основе льда;
- разрушение ледяного покрова при ликвидации заторов и зажоров на реках в периоды ледостава и ледохода, продление навигации замерзающих рек и водохранилищ;
- разработка новыых способов и устройств для очистки твёрдых дорожных покрыпий от гололёда и снежного наката.
Научная лаборатория ледотехники создана на базе спроектированного и изготовленного уникального экспериментального стенда — опы-тового ледового бассейна, функциональные возможности которого не имеют аналогов в мире и позволяют решать широкий круг ледотехниче-ских задач. Всего на сегодняшний день насчитывается порядка 20 опы-товых ледовыгх бассейнов, однако экспериментальные исследования, осуществляемые в них, направлены на моделирование перемещения тела в ледяном покрове (ледокольное судно, буровая платформа). Методика проведения подобных экспериментов требует изготовления дорогостоящего модельного поля льда, что приводит к значительным затратам на содержание экспериментальной установки, ограниченности числа проводимых научных экспериментов, повышению стоимости модельных полей, которая может составлять десятки тысяч долларов. Для снижения финансовых и временных затрат размер современных ледовых бассейнов составляет от 40 до 100 метров, что позволяет проводить несколько экспериментов на одном поле льда. Особенность бассейна лаборатории
88
ледотехники заключается в том, что в качестве модельного используется пресноводная модель льда, которая приготавливается путём естественного охлаждения. Несмотря на то, что такой лёд имеет повышенную прочность, эксперименты, проводимые в бассейне, позволяют исследовать параметры генерируемых от движения нагрузки изгибно-гравитационных волн, при этом нагрузка движется или по льду (автомобиль, судно на воздушной подушке), или подо льдом (подводное судно), следовательно, необходимость в использовании сложной дорогостоящей модели ледяного покрова отсутствует. Ледовый бассейн имеет размеры Ь х В х Н = 14 х 3 х 1 м (рис. 1), оснащён подвесным дном, состоящим из отдельных секций и позволяющим моделировать сложный рельеф акватории. Управляемая система терморегуляции и вентиляции помещения обеспечивает приготовление ровного модельного поля заданной толщины. Измерительный модуль, состоящий из бесконтактных лазерных датчиков перемещений осуществляет запись профиля взволнованной поверхности ледяного покрова. Для перемещения моделей используется необитаемая буксировочная тележка.
Рис. 1. Общий вид ледового бассейна лаборатории ледотехники
Разработанная оснастка позволяет моделировать различные ледовые условия: наличие во льду трещин и разводий, заторошенных участков, снежного покрова на поверхности льда; глубину акватории и рельеф в вице прямых и наклонных выступов и уступов. Проводятся эксперименты при одиночном и парном движении нагрузки при установившихся и нестационарных режимах движения (рис. 2). Для визуализации процесса разрушения льда используются высокоскоростные видеокамеры с высоким разрешением, а в борту бассейна вмонтировано три водонепроницаемых иллюминатора. Полученные результаты могут быть использованы при необходимости разрушения ледяного покрова резонансным методом [6, 7].
89
Рис. 2. Моделирование движения парной нагрузки параллельным курсом
Известно, что при движении нагрузки по льду или подо льдом в системе лёд-вода генерируются изгибно-гравитационные волны, при определённой интенсивности которых может начаться разрушение ледяного покрова [5]. Это происходит при критической скорости движения нагрузки, а явление получило название изгибно-гравитационного резонанса [2]. В случае если величина критической скорости известна заранее, а при распространении изгибно-гравитационных волн учтены ледовые условия, в которых движется нагрузка (например, судно на воздушной подушке), можно добиться частичного или полного разрушения льда, что позволяет решать целый комплекс ледотехнических задач, имеющих важное народохозяйственное значение. В частности, разрушение ледяного покрова с целью продления навигации. Сезонность речного и уменьшение грузооборота морского флота в зимнее время приводит к перегрузке других видов транспорта. Особенно остро проблема продления навигации стоит на Севере, Сибири и Дальнем Востоке. Необходимость обеспечения навигации ставит задачу разрушения ледяного покрова в замерзающих портах, заливах и бухтах, при прокладке каналов во льду, разрушения ледяного покрова с целью более раннего вскрытия рек и водохранилищ для использования их в качестве транспортных артерий при доставке грузов и пассажиров. В периоды ледохода и ледостава для предотвращения возникновения наводнений приходится разрушать ледяные заторы и зажоры. Необходимость разрушения льда также возникает при обслуживании гидротехнических сооружений и буровых установок на Арктическом и континентальном шельфе Охотского, Японского морей и Татарского пролива в ледовый период, что связано с подвижками ледовых полей, которые могут привести к необратимым последствиям и экологическим катастрофам.
90
Также резонансный метод разрушения льда может быть использован при осуществлении всплытия подводного судна в различных ледовых условиях. Известно, что традиционное всплытие подводного судна осуществляется путём статического нагружения льда снизу. Метод имеет существенные ограничения по толщинам проламываемого льда, возможной потере остойчивости, повреждению корпуса судна и сложности выполнения маневра. Как показывают эксперименты и расчёты, при использовании резонансного метода подводное судно способно осуществить всплытие в гораздо более толстом льду, чем при статическом на-гружении снизу (рис. 3) [8, 9].
Рис. 3. Разрушение льда резонансным методом от движения модели подводного судна
Кроме разрушения ледяного покрова, может возникнуть необходимость в решении обратной задачи, т. е. сохранения его сплошности, а также дополнительного повышения несущей способности. На большей части территории Российской Федерации ввиду сложных климатических условий отсутствует развитая дорожная и транспортная инфраструктура. В зимний период для доставки грузов, пассажиров и техники в этих районах широко используются автозимники и ледовые переправы. Часто зимние автодороги используются для перевозки грузов и оборудования на нефтегазодобывающие промыслы и месторождения, на которых ведётся разведывательная деятельность, а также для перевозки пассажиров в труднодоступные населённые пункты. По данным Комитета Совета Федерации по делам Севера и малочисленных народов, до 65 % населённых пунктов в Ханты-Мансийском автономном округе, 56 % — в Якутии, 81 % населённых пунктов в Чукотском округе не имеют круглогодичного выхода на дороги с твёрдым покрытием. При этом длина переправ колеблется от сотен метров до сотен километров (оз. Байкал, р. Енисей и т. п.). На территории Еврейской автономной об-
91
ласти и Хабаровского края ежегодно в эксплуатацию вводятся несколько десятков ледовых переправ, в том числе имеющих международное значение. Основная сложность, с которой сталкиваются специалисты при подготовке ледовых переправ, — это трудности прогнозирования состояния зимних автодорог из-за погодных условий, к тому же большая часть перевозимых грузов являются негабаритными или высокотоннажными. В результате влияния этих факторов возникают большие риски для автотранспорта, груза и самих водителей. Объём перевозимых грузов явно недостаточен для полноценного снабжения отдалённых районов. В связи с этим новым актуальным направлением исследований становится разработка и изучение напряжённо-деформированного состояния армированных композиционных материалов повышенной прочности на основе льда.
Как показывают результаты численных и модельных экспериментов, выполненных в лаборатории ледотехники, достаточно перспективным может оказаться способ поверхностного армирования путём внедрения в относительно тонкий ледяной покров толщиной 0,3 — 0,4 м стальных цельносварных каркасов. Технико-экономическое преимущество предложенных решений заключается в существенном увеличении несущей способности ледяного покрова (до 300 %) по сравнению с армированием льда современными методами, например, геосинтетическими рулонными материалами (до 70 %) (рис. 4) [10].
Рис. 4. Эксперименты по разрушению армированного ледяного образца
В зимнее время одной из основных причин роста травматизма и дорожно-транспортных происшествий на дорогах являются ледяной и снежный накаты. С целью очистки от снега и наледи тротуаров, дорог и
92
аэродромов для повышения безопасности движения используется различная снегоуборочная техника (рис. 5).
Рис. 5. Существующие средства и устройства для удаления наката
Однако все они имеют практически одни и те же недостатки: си-тельную дороговизну; сложную кинематику, что снижает их надёжность при эксплуатации; наличие в конструкциях приводов или двигателей; высокую вероятность повреждаемости поверхности дорожных покрытий и сопутствующих инженерных конструкций (поребриков, рельсов, канализационных люков и пр.) вследствие активного вращения исполнительных органов; периодичность их эксплуатации (необходимо обеспечить условия хранения летом); неизбежность дополнительных энергозатрат, связанных с работой механизмов, и т. д. В связи с этим было разработано устройство и предложен ряд решений, которые в значительной степени снижали бы перечисленные выше недостатки.
Принцип работы устройства заключается в механическом воздействии на накат, осуществляемом дисковыми ножами, катящимися по поверхности покрытия и пассивно вращающимися под действием буксирующего их усилия и сил трения, возникающих в местах контакта ножей с поверхностью покрытия и создающих в слоях наката нормальные и касательные напряжения, достаточные для разрушения наката и отрыва его фрагментов от дорожного покрытия. Для создания нормальных напряжений ножи нагружают вертикальной нагрузкой посредством приёма необходимого количества балласта, а для касательных — их поворачивают на определённый угол по отношению к направлению их поступательного движения, при этом величину угла поворота ножей с помощью талрепов устанавливают в зависимости от толщины наката. Режущую кромку ножей предварительно затачивают под таким углом, который бы обеспечивал максимальную интенсивность скола, т. е. отделения фрагментов наката от поверхности покрытия и от не разрушенного массива наката, а расстояние между ножами выбрано такое, чтобы обеспечивалась гарантированная отделяемость от дорожного покрытия фрагментов, т. е. полос наката, расположенных между плоскостями но-
93
жей, при максимальной ширине фрагментов наката. Для обеспечения поступательного движения и вращения дисковых ножей устройство прикрепляют к транспортному средству, движущемуся по дорожному покрытию с накатом [3, 4].
Испытания опытного образца (рис. 6) показали:
1. Повреждения асфальтового покрытия (в виде царапин) после прохода устройства не превышали повреждений от прохода бульдозеров на гусеничном ходу или от работы дворников скалывающим инструментом;
2. Не наблюдались повреждения сопутствующих дорожному покрытию конструкций (люков канализации, поребриков, бордюров, рельсов на железнодорожных переездах и т. п.), т. к. диски устройства просто пассивно перекатывались по ним;
3. В отличие от работы бульдозеров обеспечивалась устойчивость режима очистки поверхности дорожного покрытия при малых толщинах наката;
4. Подтвердилась возможность использования устройства любым транспортным средством, создающим достаточные толкающее или буксирующее усилия;
5. Устройство позволяет отслеживать неровности дорожного покрытия.
Рис. 6. Общий вид разработанного устройства и характера разрушения наката при его работе
Полученные авторами в ходе исследований результаты охватывают важные задачи ледотехники, направленные, прежде всего, на обеспечение безопасности жизнедеятельности человека. Выполненные экспериментально-теоретические исследования и запатентованные решения позволяют определить новые направления в области развития ледотех-ники при решении региональных народнохозяйственных задач Дальнего Востока.
Подтверждённая экспериментами или полученными теоретическими расчётами работоспособность ряда запатентованных способов и устройств позволяет по-новому, т. е. более эффективно решать рассматриваемые задачи, расширять область использования эффектов изгибно-гравитационного резонанса в механике деформирования ледяного по-
94
крова, служить основой для расширения тем диссертационных исследований, разработки перспективных конструкторских решений с последующим запуском их в серийное производство.
Список литературы
1. Земляк В. Л., Курбацкий Д. А., Баурин Н. О. Лаборатория «Ледотехники» // Вестник Приамурского государственного университета им. Шолом-Алейхема. 2013. № 1 (12). С. 75 - 84.
2. Козин В. М. Обоснование исходных данных для выбора основных параметров СВП, предназначенных для разрушения ледяного покрова резонансным способом: дисс. ... к. т. н. Горький: ГПИ им. А. А. Жданова, 1983. 314 с.
3. Устройство для удаления с поверхности аэродромных и твёрдых дорожных покрытий ледяного и снежного накатов: патент РФ 2416690: Кл. E01H 5/12 / Козин В. М.; опубл. 20.04.2011, Бюл. № 11.
4. Устройство для удаления с поверхности аэродромных и твёрдых дорожных покрытий ледяного и снежного накатов: патент РФ 2416688: Кл. E01H 5/00 / Козин В. М.; опубл. 20.04.2011, Бюл. № 11.
5. Хейсин Д. Е. Динамика ледяного покрова. Л.: Гидрометеоиздат, 1967. 216 с.
6. Kozin V. M., Rogozhnikova E. G., Zemlyak V. L. Increasing the efficiency of the resonance method for breaking an ice cover with simultaneous movement of two air cushion vehicles / / Journal of Applied Mechanics and Technical Physics. 2017. Vol. 58. № 2. P. 349-353.
7. Kozin V. M., Zemlyak V. L., Rogozhnikova E. G. Studies of influence of water area depth on the nature of destruction of an ice cover when paired loads are moving over the ice cover / / Proceedings of the Twenty-sixth (2016) International Ocean and Polar Engineering Conference Rhodes, Greece, June 26-July 1, 2016. P. 1153 — 1157.
8. Pogorelova A. V., Zemlyak V. L., Kozin V. M. Body motion in liquid under ice plate with snow cover // Applied Ocean Research. 2019. No. 84. P. 32 — 37.
9. Zemlyak V. L., Baurin N. O., Kozin V. M. The influence of the bottom contour on the deformed state of the ice cover due to the motion of the submarine // Applied Ocean Research. 2019. Vol. 87. P. 204 — 210.
10. Zemlyak V. L., Kozin V. M., Vasilyev A. S., Ipatov K. I. Experimental and numerical research of the influence of reinforcement on the bearing capacity of ice crossings / / Soil Mechanics and Foundation Engineering. 2019. № 1. P. 14 — 19.
* * *
Kozin Victor M., Zemlyak Vitaly L.
DEVELOPMENT OF PERSPECTIVE METHODS AND DEVICES OF DESTRUCTION OF THE ICE COVER FOR THE SOLUTION OF REGIONAL ECONOMIC PROBLEMS OF THE FAR EAST
(Institute of Machining and Metallurgy, FEB RAS, Komsomolsk-on-Amur, Russia; Sholom-Aleichem Priamursky State University, Birobidzhan, Russia)
The article analyzes the scientific activity of the Ice Technology Laboratory of Solom-Aleichem Priamursky State University, aimed at experimental and theoretical research, development and testing of new promising methods and devices for ice cover destruction to solve regional economic problems of the Far East.
Keywords: ice, destruction, flexural-gravity waves, resonance.
95
References
1. Zemlyak V. L., Baurin N. O. and Kurbackiy D. A. Laboratory «Ice technology» [Laboratoriya «Ledotekhniki»], Vestnik Priamurskogo gosudarstvennogo universiteta im Sholom-Aleykhema, 2013, no. 1 (12), pp. 68 — 77.
2. Kozin V. M. Obosnovanie iskhodnykh dannykh dlya vybora osnovnykh parametrov SVP, prednaznachennykh dlya razrusheniya ledyanogo pokrova rezonansnym sposobom (Substantiation of Initial Data for Choosing Basic Parameters for Hovercraft Designed for Breaking Ice Cover by Resonant Method), Thesis for Candidate of Technical Sciences, Gor'kii, GPI im. A.A. Zhdanova Publ., 1983, 314 p.
3. Kozin V. M. Ustroystvo dlya udaleniya s poverkhnosti aerodromnykh i tverdykh dorozhnykh pokrytiy ledyanogo i snezhnogo nakatov (Device to remove ice and snow tracks from hard road covering), The patent of the RU 2416690: Kn. E01H 5/12, 04.20.2011, Bull. no. 11.
4. Kozin V. M. Ustroystvo dlya udaleniya s poverkhnosti aerodromnykh i tverdykh dorozhnykh pokrytiy ledyanogo i snezhnogo nakatov (Device to remove ice and snow tracks from hard road covering), The patent of the RU 2416688: Kn. E01H 5/12, 04.20.2011, Bull. no. 11.
5. Kheisin D. E. Dinamika ledyanogo pokrova (Dynamics of Ice Cover), Leningrad, Gidrometeoizdat Publ., 1967. 216 p.
6. Kozin V. M., Rogozhnikova E. G., Zemlyak V. L. Increasing the efficiency of the resonance method for breaking an ice cover with simultaneous movement of two air cushion vehicles, Journal of Applied Mechanics and Technical Physics, 2017, vol. 58, no. 2, pp. 349 — 353.
7. Kozin V. M., Zemlyak V. L., Rogozhnikova E. G. Studies of influence of water area depth on the nature of destruction of an ice cover when paired loads are moving over the ice cover, Proceedings of the Twenty-sixth (2016) International Ocean and Polar Engineering Conference Rhodes, Greece, June 26-July 1, 2016, pp. 1153—1157.
8. Pogorelova A. V., Zemlyak V. L., Kozin V. M. Body motion in liquid under ice plate with snow cover, Applied Ocean Research, 2019, no. 84, pp. 32—37.
9. Zemlyak V. L., Baurin N. O., Kozin V. M. The influence of the bottom contour on the deformed state of the ice cover due to the motion of the submarine, Applied Ocean Research, 2019, vol. 87, pp. 204—210.
10. Zemlyak V. L., Kozin V. M., Vasilyev A. S., Ipatov K. I. Experimental and numerical research of the influence of reinforcement on the bearing capacity of ice crossings, Soil Mechanics and Foundation Engineering, 2019, no. 1, pp. 14—19.
* * *
96
