CC BY
1
Gubarev Pavel Valentinovich, candidate of technical sciences, docent, [email protected]. Russia, Rostov-on-Don, Rostov State University of Railway Engineering,
Bolshykh Ivan Valeryevich, candidate of technical sciences, docent, ivan. [email protected], Russia, Rostov-on-Don, Rostov State University Ways of Communication,
Shapshal Alexander Sergeevich, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Rostov-on-Don, Rostov-on-Don State University of Railway Engineering
УДК 625.76
DOI: 10.24412/2071-6168-2024-5-518-519
СОСТОЯНИЕ И ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ СНЕГОУБОРОЧНОЙ ТЕХНИКИ
И.Г. Мартюченко, В.С. Щербак, М.И. Зенин
В статье рассмотрены основные виды распространенных конструкций снегоуборочной техники, создаваемых на современных предприятиях. Выявлены достоинства и недостатки рассматриваемых конструкций, с которыми могут столкнуться при эксплуатации снегоуборочной техники. А также проанализированы способы уменьшения влияния негативных факторов на рабочий процесс.
Ключевые слова: Снегоуборочная техника, содержание дорог, метатель, снегоуборщик, уборка снега.
Из-за протяженности России на ее территории присутствуют 4 климатических пояса: арктический, субарктический, умеренный и субтропический. Продолжительность зимнего сезона в разных регионах составляет от 18 до 61 % от продолжительности календарного года (рис. 1) [1, 2].
Нарьян-Мар
Оренбург
Весна (12%)
Ростов- на -Дйну
Зима
(40 %}
Лею (49 '!,)
\ Весна (16%)
В центральной части России высота снежного покрова за зиму достигает 50 см. Для обеспечения дорожного и авиасообщения между городами проводят мероприятия по борьбе со снегом. Они включают в себя скоростную очистку городских дорог, расчистку снежных заносов на трассах и аэродромах.
Для скоростной очистки свежевыпавшего снега используют снегоуборщики с отвалами, где уборка снега осуществляется его сдвигом в сторону. Рабочая скорость движения при уборке снега в данном случае составляет 4050 км/ч. Для уборки слегка уплотненного и плотного снега используют роторные снегоуборочные машины. При уборке снега малой и средней плотности могут быть использованы плужно-роторные снегоочистители, где перемещение снега происходит за счет формы отвала и линейной скорости движения базовой машины, а отбрасывание снега в сторону осуществляется метательным аппаратом. Рабочая скорость шнеко-роторных и фрезерно-роторных снегоуборщиков в разы меньше - 5-7 км/ч. Снижение рабочей скорости уборки уплотненного снега роторными машинами связано с происходящими процессами резания, перемещении и отбрасывании снежной массы и возникающими в ходе этих процессов сопротивлениями.
Существуют различные конструкции роторных снегоуборочных машин, которые предназначаются для уборки снега разной плотности. Среди них выделяют плужно-роторные, шнеко-роторные, фрезерно-роторные и снегоуборщики со совмещенным рабочим органом [3].
Шнеко-роторный снегоуборщик (рис. 2) состоит из 5 основных элементов: корпуса, питателя, камеры ротора с метателем, патрубка и навески. Питателем является шнек - рабочий орган, располагающийся спереди и осуществляющий разработку и перемещение снега от краев оборудования к центру. Применяют шнековое рабочий орган при уборке слегка уплотненного снега и плотного молодого фирна, что составляет плотность от 0.23 г/см3 до 0.35 г/см3 [4].
Рис. 2. Шнеко-роторный снегоуборщик Impulse SR1850
Возможны исполнения оборудования с использованием дополнительного второго и третьего шнеков (Рис. 3), установленных друг над другом. Это позволяет повысить максимальную высоту одновременно разрабатываемого снега. Метатель располагается в отдельной от корпуса шнеков камере, которая имеет выходное отверстие, через которое отбрасывается снег.
Рис. 3. Шнекороторный снегоуборщик с двумя шнеками
Для разработки снега средней и большой плотности используют фрезерно-роторные снегоуборочные машины (рис.4). Вместо шнека устанавливается фреза, которая обладает хорошими режущими свойствами и позволяет разрабатывать снег плотностью от 0,35 г/см3 до 0,57 г/см3 [4].
Кромка ленточной фрезы выполняется с зубьями для лучшей разработки снега. Лента фрезы имеет несколько заходов, как правило, выполняется двух и трех заходной. Лента не является цельнометаллической, а закрепляется на опорах, что уменьшает металлоемкость и облегчает оборудование. Лента выполняет несколько функций -производит резание снега и его одновременное перемещение. Метатель является отдельным рабочим органом, располагающимся за питателем в отдельной камере [5].
Рис. 4. Фрезерно-роторный снегоочиститель на базе трактора «Кировец» к-703ма-ОС
519
Конструкции шнекового и фрезерного снегоуборщика имеют раздельный привод на вращение метателя и питателя. Данное решение имеет как положительные, так и отрицательные последствия. Положительным является возможность осуществлять резание и отбрасывание снега с рекомендованными для этих процессов скоростями.
Производительность метателя должна быть несколько больше производительности питателя для своевременного отбрасывания снега. Производительность питателя ограничивается линейной скоростью передвижения снегоуборщика, которая согласуется с частотой вращения питателя, который осуществляет резание и перемещение снега к центру снегоуборщика и составляет от 0,3 км/ч до 4 км/ч.
Разработка снега питателем осуществляется с рекомендованной для резания снега скоростью и составляет 96-250 об/мин. Для отбрасывания снега рекомендуется устанавливать частоту вращения метателя в диапазоне 250500 об/мин. Разная скорость вращения рабочих органов обеспечивается раздельным приводом метателя и питателя. [5; 6; 7]
Однако решение с раздельным приводом усложняет конструкцию и ведет к повышению стоимости конечной продукции.
В последнее время начинают пользоваться популярностью решения с совмещенными рабочими органами. Это позволяет отказаться от отдельного привода на работу метателя снегоуборщика. Метатель располагается в центре питателя и образуется пересечением поверхности питателя от левой и правой навивки в поперечном направлении.
Исполнения совмещенных рабочих органов имеют отличия.
Вместо ленточной фрезы могут быть использованы лопатки (Рис.5). Питатель представляет собой трубу, к которой устанавливаются под углом режущие лопатки. При вращении лопатки питателя вырезают снег из общего массива, перемещают его по своей поверхности в центральную часть снегоуборочной машины. В центре снегоуборщика наклоненные в правую и левую сторону лопатки пересекаются. Поступающий к центральной части снег попадает на пересеченные лопатки, которые при вращении отбрасывают снег [8].
Рис. 5. Снегоочиститель Arctic Machine ат2500
Известен вариант совмещения рабочих органов фрезерного снегоуборщика с ленточной фрезой, заходящей на барабан-отбрасыватель (рис. 6). Идея исполнения ротора путем пересечения рабочих органов идентична исполнению оборудования с лопатками, но вместо лопаток пересекается лента фрезы с правого и левого направления навивки. Существуют исполнения с одним и двумя фрезами. Их главное отличие - длина винтовой линии.
Рис 6. Фрезерный снегоуборщик СУ 2.1
520
Также выполняют снегоуборочное оборудование плужно-фрезерного типа (рис. 7). Применяется при уборке сдвинутого в сторону от проезжей части снега отвальным типом снегоуборщиков. Из-за отсутствия необходимости разрыхлять снег со стороны проезжей части в конструкции снегоуборщика отсутствует второй фрезерный барабан. Вместо него устанавливается сгребающий отвал, который играет вспомогательную роль, не давая снегу вновь попасть на дорогу. По конструкции фрезерный рабочий орган выполняется таким же, как и в предыдущем примере (рис. 6) [9].
Рис. 7. Снегоуборщик плужно-фрезерный Буран 2
Также происходит совмещение рабочих органов на основе ротора снегоуборочного оборудования (рис.8). В отличие от совмещенных рабочих органов на базе питателя у роторно-плужных снегоуборщиков контакт со снегом происходит отвальным типом оборудования. Конструкция самого ротора сильно меняется. Режущая кромка вытягивается и превращается в захватывающее устройство, которое плавно врезается в снег и транспортирует в свою вторую часть - криволинейную лопатку, которая производит отбрасывание снега. Для облегчения работы роторного снегоуборщика на одну ось с ротором устанавливают ножи либо одновитковый шнек, которые предварительно разрыхляют снег перед контактом с отвалом и роторными захватывающими лопатками.
Рис. 8. Плужно-роторный снегоуборщик ЕМ-800.00.00.000-01
При работе плужно-роторных снегоуборщиков резание снега происходит отвалом. При работе снег оказывает большое сопротивление на отвал плужно-роторного снегоуборщика, так как увеличивается площадь контакта рабочего органа со снегом в сравнении с фрезерными и шнековыми снегоуборщиками. Возникают сопротивления резанию, движению снега вверх по отвалу и перемещению снега по отвалу с краев отвала к центру. Отсутствие питателя позволяет производить быструю уборку снега, но может потребовать использования более мощной базовой машины. Отсутствие питателя упрощает конструкцию, так как не приходится использовать дополнительный привод, а работоспособность устройства поддерживается метательным аппаратом.
Вне зависимости от конструкции снегоуборочных машин большое значение имеет метательный аппарат, осуществляющий отбрасывание снега за дорожное полотно. Проблемы в работе ротора могут привести к снижению производительности либо к полной остановке машины.
Одним из таких недостатков, с которым сталкиваются роторные снегоуборочные машины, является малая дальность отбрасывания. Это связано, как с переполнением камеры ротора, так и с пропускной способностью и формой патрубка. В первом случае при работе метателя разнородные частицы снега располагаются на разном расстоянии от оси вращения. В результате всем частицам сообщается разная центробежная сила, на них действует разное количество сил сопротивления и в результате эти частицы имеют разную скорость вылета.
Снежная масса, находящаяся у края лопаток, быстро покидает камеру ротора, так как ей сообщается большая центробежная сила, а сами частицы снега имеют большую начальную скоростью вылета. Частицы снега, располагающиеся ближе к оси вращения, взаимодействуют с другими частицами вокруг себя. Увеличивается трение, которое снижает скорость вылета снега. Это приводит к снижению дальности отбрасывания снега в сторону и повторном обороте снега в роторе для придания ему необходимой энергии для отбрасывания. При этом к метателю продолжает поступать новая снежная масса, которой также необходимо придать энергию для отбрасывания.
Немаловажным недостатком, связанным с дальностью отбрасывания, является недостаточная производительность метателя, которая приводит к забиванию ротора. Неоднородный снег разной плотности и фракций благодаря поступательному движению машины и работы питателя поступает в камеру ротора, где вращающиеся лопатки с режущей кромкой порционно отделяют снег. Для обеспечения работоспособности метателя коэффициент заполнения ротора должен составлять 0.3-0.45. При избытке поступающего снега в камеру ротора происходит ее переполнение. [4; 5]
Кроме перечисленных недостатков при взаимодействии рабочих органов снегоуборочных машин происходит большой износ питателя и кромок лопаток ротора. Снежно-ледовая масса имеет разные фракции и стачивает металл. При работе не исключены попадания твердых включений в виде камней, веток и других предметов, которые также влияют на истирание рабочих органов. Спустя месяц интенсивной работы оборудования может потребоваться замена режущих частей (Рис.9).
Рис. 9. Шнек снегоуборщика после использования
Для осуществления процессов резания, перемещения снега питателем и отбрасывания его метателем рекомендуется использовать разные скоростные режимы, оптимальные для перечисленных процессов.
Достичь разделения скоростей могут конструкции с раздельными рабочими органами. В конструкциях с совмещенным питателем и метателем разработка и отбрасывание снега осуществляются с одинаковой скоростью. При работе оборудования со скоростью, рекомендованной для питателя, не происходит отбрасывание снега на необходимое расстояние. Увеличение скорости приводит к повышению динамических нагрузок и увеличению энергоемкости процесса. Поэтому задача совмещения рабочих органов, несмотря на разнообразие предложений, до конца не решена.
Сравнить разные по конструкции снегоуборщики можно, опираясь на параметр производительности. Так Производительность шнекороторных и фрезерно-роторных снегоуборщиков достигает 200 - 1500 т/час. Использование плужно-роторного снегоуборщика находится в диапазоне 700 - 3000 т/час. Возможность достижения более высокой производительности за счет использования ротора, как основного рабочего оборудования делает его привлекательнее. А использование нескольких роторов позволит сократить время поступления снега в камеру метателя для дальнейшего отбрасывания.
Повысить производительность метателя и увеличить дальность отбрасывания снега можно несколькими способами. Один из способов заключается в повышении частоты оборотов ротора. Данный способ неэффективен, так как повышаются энергетические затраты, а добиться желаемого результата так и не получается. Следующий вариант повышения производительности и увеличения дальности отбрасывания заключается в изменении геометрической формы лопаток ротора.
Существуют предложения по исполнения лопаток ротора изогнутой формы (рис.10). Благодаря изменению геометрии лопатки увеличивается эффективность резания и перемещение снега по лопатке. Так же предложенная форма лопатки увеличивает максимальную начальную скорость вылета снежной частицы с камеры ротора [10,11].
Некоторые авторы предлагают повысить производительность ротора с помощью использования лопаток с тороидальной поверхностью (рис.11). Данное решение позволяет размещать на лопатке большее количество снега, таким образом повышая коэффициент заполнения ротора. Форма лопаток позволяет предотвратить выпадение снега вперед. С внешней стороны лопатки имеют заборные элементы. [12]
Рис. 11. Ротор с тороидальными лопатками
Повысить производительность ротора и увеличить дальность отбрасывания предлагают авторы патента за счет введения дополнительной силы упругости, которая будет действовать на частицы снега совместно с центробежной силой. Новая составляющая позволит увеличить начальную скорость вылета снега и уменьшить количество повторного оборота снега в камере ротора (рис. 12). Предлагаемый эффект достигается за счет исполнения лопатки в виде упругого элемента. При вращении лопатка ротора отгибается за счет сужения камеры ротора. Перед выбросным отверстием сужение камеры ротора пропадает, лопатка выпрямляется, отбрасывая снег. Таким образом, действие нескольких сил, действующих на частицы снега для отбрасывания, увеличивают начальную скорость вылета и отбрасывают снег, уменьшая количество его повторного оборота [13].
Повысить дальность отбрасывания снега до 20% возможно установкой дополнительного устройства -воздуходувки (рис. 13). Воздух подается по направлению движения отбрасываемой снежной массы. В результате повышается скорость движения снега и увеличивается расстояние отбрасывания снега [14].
Важным элементом любого снегоуборщика является метательная часть, отвечающая за отбрасывание снега. Требование к разной скорости на разрыхление и отбрасывание снега приводят к усложнению конструкции снегоуборщика. Перспективным конструктивным решением является совмещение процессов разрыхления, перемещения и отбрасывания снега рабочим органом, базирующимся на базе метательного аппарата снегоуборочного устройства, потому что появляется возможность увеличить скорость уборки снега и, как следствие, повысить производительность снегоуборочной машины. Различное геометрическое исполнение метательного аппарата, а также использование упругих элементов в конструкции позволяет повысить производительность и дальность отбрасывания.
Список литературы
1.Кобьппева Н.В., Акентьева Б.М., Богданова Э.Г., Карпенко В.Н., Клюева М.В. и др. Климат России: под редакцией д-ра геогр. наук, проф. Н.В. Кобышевой, 2001.
2. Физическая география России: учеб. для студ. пед. высш. учеб. Заведений. М.: Гуманит. Изд. Центр ВЛАДОС, 2001. Ч. 1. 288 с.
3.Шалман Д.А. Снегоочистители. Изд. 2-е, переработ. Л.: Машиностроение, 1973. 216 с.
4.Бялобжевский Г.Б., Дюнин А.К., Денисов В.Н., Рудаков Л.М., Савко Н.Ф., Уткин Б.В. Зимнее содержание автомобильных дорог. М.: Издательство «Транспорт», 1966.
5. Справочник конструктора дорожных машин: под редакцией И.П. Бородачева. М.: Издательство «Машиностроение», 1965.
6.Иванов С.В., Мартюченко И.Г., Зенин М.И. Снегоуборочные машины и оборудование: учеб. пособие. Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т имени Гагарина Ю.А., 2023. 144 с.
7.Баловнев В.И., Данилов Р.Г., Савельев А.Г. Машины для содержания городских и автомобильных дорог: учеб. пособие для студентов вузов по спец. "Подъемно-транспортные, строительные, дорожные машины и оборудование", "Сервис транспортных и технологических машин и оборудования". Кн. 2: Содержание дорог в зимний период / ред. В. И. Баловнев. М.: Техполиграфцентр, 2013. 342 с.
8.Снегоочиститель АМ 2500: 16 кубов в минут [Электронный ресурс] URL: https://www.gor-hoz.ru/index.php/uborka-dorog/navesnoe-oborudovanie/942-snegoochistitel-am-2500-16-kubov-v-minutu (дата обращения: 16.02.2024).
9.Фрезерно-роторный снегоочиститель «Буран-2» [Электронный ресурс] URL: http://sdtech.ru/store/road/frezerno-rotorniji-snegoochistitel-buran-2-.html (дата обращения: 16.02.2024).
10. Патент № RU 2301295 C1, МПК E01H 5/09 (2006.01), Малогабаритный снегоуборочный агрегат. За-явл. 2006.01.11; опубликовано: 2007.06.20 / Бекишев Анатолий Тимофеевич, Довгоброд Георгий Моисеевич, Клячко Лев Михайлович. Владелец патента: Открытое акционерное общество "Центральный научно-исследовательский институт "Курс" (ОАО "ЦНИИ "Курс").
11. Алешков Д.С. «Развитие научных основ проектирования роторных снегоочистителей». Дис. д-ра техн. наук: 2.5.11 / Алешков Денис Сергеевич; ОмГТУ ФГБОУ ВО «СибАДИ», Омск, 2023.
12. Патент SU 112975A, МПК E01H 5/09, Ротор снегоочистителя, заявл. 28.03.83, опубликовано: 15.12.84 Бюл. №46 / Ф.Г. Левин, В.П. Матанов, Ю.В. Степанов и В.А. Манохин. Владелец патент Московский ордена Ленина и ордена Трудового Красного Знамени институт инженеров железнодорожного транспорта и Камбарский машиностроительный завод.
13. Патент № 700590, МПК E01H 5/09. Метательный аппарат роторного снегоочистителя, заявлено 28.06.78, опубликовано 30.11.79 / Ю.Н. Орлов, заявитель Ордена Трудового Красного Знамени академия коммунального хозяйства им. К.Д. Памфилова.
14. Машины для содержания и ремонта городских и автомобильных дорог: учебное пособие для вузов по дисциплине «дорожные машины» для специальностей 170900, 230100, 150600 и 291800 / В.И. Баловнев, М.А. Беляев и др.; под общ. ред. В.И. Баловнева. Москва - Омск: ОАО «Омский дом печати», 2005. 768 с.
Мартюченко Игорь Гаврилович, д-р техн. наук, профессор, [email protected], Россия, Саратов, Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.,
Щербак Владислав Станиславович, аспирант, [email protected], Россия, Саратов, Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.,
Зенин Максим Иванович, канд. техн. наук, доцент, [email protected], Россия, Саратов, Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.
524
THE STATE AND DEVELOPMENT TRENDS OF SNOW REMOVAL EQUIPMENT I.G. Martyuchenko, V.S. Shcherbak, M.I. Zenin
The article discusses the main types of common snow removal equipment designs created at modern enterprises. The advantages and disadvantages of the structures under consideration, which may be encountered during the operation of snow removal equipment, are revealed. And also analyzed ways to reduce the impact of negative factors on the workflow.
Key words: snow removal equipment, road maintenance, thrower, snowplow, snow removal.
Martyuchenko Igor Gavrilovich, doctor of technical sciences, professor, rosdortex_sstu@rambler ru, Russia, Saratov, Yuri Gagarin State Technical University of Saratov,
Shcherbak Vladislav Stanislavovich, postgraduate, [email protected], Russia, Saratov, Yuri Gagarin State Technical University of Saratov,
Zenin Maxim Ivanovich, candidate of technical sciences, docent, zenin-1995@mail. ru, Russia, Saratov, Yuri Gagarin State Technical University of Saratov
