Структура и свойства торосов на ледовом покрове рек и озер Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

46 Norwegian Journal of development of the International Science No 18/2018

STRUCTURE AND PROPERTY HUMMOCK ON THE ICE RIVER AND LAKE

Dunaev I.,

Graduate student, Nizhny Novgorod state technical University n. a. R. E. Alekseev, Nizhny Novgorod,

Russian Federation. Zolotov D.,

Undergraduate, Nizhny Novgorod state technical University n. a. R. E. Alekseev Dzerzhinsky Polytechnic

Institute (branch), Dzerzhinsk, Nizhny Novgorod region, Russian Federation.

Shurashov A.,

Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Associate Professor of the Department of Automation, Transport and Information Systems, Nizhny Novgorod state technical University n. a. R. E. Alekseev Dzerzhinsky Polytechnic Institute (branch), Dzerzhinsk, Nizhny Novgorod region, Russian Federation.

Gorshkov A.,

Candidate of Technical Sciences, Senior Researcher of the Department of Automation, Transport and Information Systems, Nizhny Novgorod state technical University n. a. R. E. Alekseev Dzerzhinsky Polytechnic Institute (branch), Dzerzhinsk, Nizhny Novgorod region, Russian Federation.

Nikandrov I.

Doctor of Technical Sciences, Professor, Professor of the Department of Automation, Transport and Information Systems, Nizhny Novgorod state technical University n. a. R. E. Alekseev Dzerzhinsky Polytechnic Institute (branch), Dzerzhinsk, Nizhny Novgorod region, Russian Federation.

СТРУКТУРА И СВОЙСТВА ТОРОСОВ НА ЛЕДОВОМ ПОКРОВЕ РЕК И ОЗЕР

Дунаев И.И.,

Аспирант, Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева,

г. Нижний Новгород, Российская Федерация.

Золотов Д.А.,

Магистрант, Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева Дзержинский политехнический институт (филиал), г. Дзержинск, Нижегородская обл.,

Российская Федерация. Шурашов А.Д.,

Кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры «Автоматизация, транспортные и информационные системы», Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева Дзержинский политехнический институт (филиал), г. Дзержинск, Нижегородская обл.,

Российская Федерация. Горшков А.С.,

Кандидат технических наук, старший научный сотрудник кафедры «Автоматизация, транспортные и информационные системы», Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева Дзержинский политехнический институт (филиал), г. Дзержинск, Нижегородская обл.,

Российская Федерация. Никандров И.С.

Доктор технических наук, профессор, профессор кафедры «Автоматизация, транспортные и информационные системы», Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева Дзержинский политехнический институт (филиал), г. Дзержинск, Нижегородская обл.,

Российская Федерация.

Abstract

The Contents and property hummock is studding. It's determined distribution quantity and size ice piece, density snow-ice material. Information it is necessary for efforts calculation on worker organ. Weight stuff in hummock for lake on the average equal 913 mm, density 514 kg/m3, snow share 54%. Productivity machine on material equal 7000 t/h. Аннотация

Изучены вопросы ледового покрова озера Байкал и реки Волга. Определены количество и размеры кусков льда, плотность снежно-ледового материала. Дана производительность машины-планировщика.

Keywords: hummock, ice floe, size, density, cleaning, productivity.

Ключевые слова: торос, льдины, размеры, плотность, очистка, производительность.

Введение

На малонаселенных территориях вечной мерзлоты поселения людей располагаются по берегам рек и озер. Проблема транспортного сообщения на них может быть решена за счет использования для

перемещения грузов и пассажиров судов на воздушной подушке. Однако, использование их в зимнее время становится технически невозможным из-за снежных наносов и образования торосов на ледовом покрове рек и озер. Прокладка транспортных

коммуникаций в северных районах Сибири и Дальнего Востока России является стратегической задачей развития и освоения северных территорий, и она имеет большое социальное и экономическое значение. Эта проблемы актуальна и для целого ряда других территорий и стран Земли.

Для разработки конструктивных параметров рабочих органов машин - планировщиков, необходимы данные по структуре и свойствам торосовых заснеженных образований на ледовом покрове водоемов. Получение этих данных и явилось целью данного исследования.

Экспериментальная часть

В январе 2016 года выполнено исследование заснеженных участков торосов на льду южной части озера Байкал и льду Куйбышевского водохранилища реки Волга (поселок Ягодный г. Тольятти).

Толщина снежного покрова на льду составляла на изученных участках соответственно 0,15-0,3 м и 0,1-0,25 м. Высота торосов на озере достигала 1,31,6 м, на реке 0,9-1,1 м.

Для определения состава и свойств торосов и плотности компонентов частей тороса выполнена разборка участков торосов площадью 200*200 см.

Как видно из таблицы, большая часть льдины в торосе имеет размеры: на озере 10*15*15 см, на реке 8*10*15 см.

В процессе планировки взаимодействие элементов рабочего органа планировщика (резцов, шнека, лопаток метателя и др.) со снежно-ледовой массой тороса зависит от множества переменных факторов, влияющих на условия взаимодействия режущего органа с разрабатываемой, в значительной мере блокированной средой. Данные изменения условий должны учитываться при разработке конструктивных параметров шнековой фрезы и выборе режима ей работы.

Лед, как мелкокристаллический материал, характеризуется следующими прочностными свойствами: сопротивление раздавливанию 25 МН/м2, разрыву 1,1 МН/м2, срезу 0,57 МН/м2.

Энергия активации льда деформации (или механической релаксации) равна 47,9-89,2 КДж [1, 2].

Снег, по данным Кулепова В.Ф. [3], в зависимости от механического воздействия на него де-

Куски, вмерзшиеся в ледовый покров, срезали по плоскости дневной поверхности механической пилой. Для определения плотности снежно-ледовых масс на участке тороса с помощью цилиндрического отборника (бура) диаметром 100 мм отбирались керны по всей высоте в 20 точках участка. Керны выкладывались на полотне и взвешивались с точностью ± 5 г. Объем материала кернов определяли обмером с точностью ± 0,5 см. Объем отдельных кусков при разборке тороса оценивали погружением в воду с температурой 0 °С по объему вытекшей воды.

Обсуждение результатов

Обмер кусков льда в торосах показал, что они имеют примерно одинаковую толщину равную для озера в месте обмера 14±1,5 см, а для 8±1 см. Вероятно, это соответствует средней толщине ледового покрова на данных водоемах перед формированием на них покрова при ледоставе. Формирование торосов проходило надвижкой ледовых полей ветровым потоком на прибрежные полосы с выдавливанием образующихся обломков льда по линиям контакта отгонкой от берега волной воды.

Данные по разборке кусков льда в торосах приведены в таблице.

лится на виды: целинный, обвалованный и обработанный реагентами. Целинный лежалый снег имеет насыпную массу ~ 250 кг/м3. Предел прочности снега при минус 3 °С равен 2 МПа. Это на порядок меньше чем у льда.

Исследование послойного изменения высоты торосов показало, что она меняется на Байкале от 61 до 143 см. При этом средняя плотность снежно-ледовой массы тороса меняется от 229 до 793 кг/м3. Средняя плотность массы тороса равна 514 кг/м3. На реке Волга средняя плотность снежно-ледовой массы равна 473 кг/м3.

Как видно из рисунка 1, по высоте тороса на озере средняя плотность материала в нем с удалением от дневной поверхности льда водоема понижается с 910 кг/м3 до 750-800 кг/м3 в нижнем слое и далее уменьшается до минимума 340-400 кг/м3 на высоте 60-90 см от поверхности льда. Для реки минимальное значение плотности имеет место на высоте 40-53 см, и оно равно 280-310 кг/м3.

Наименование водоема Высота торосов, см Количество кусков (шт.) с размером (ширина *длина), см

5*10 10* (до 20) 15* (от 20 до 60) 20* (от 60 до 80) более 20 * более 80

Байкал 80-146 67 240 12 16 2

80-140 85 315 16 13 1

среднее 110 76 273 14 14,5 1,5

Волга 60-90 54 365 11 4 -

70-110 80 341 14 6 -

среднее 82 67 353 12,5 5 -

Водоем: 1 - о. Байкал, 2 - р. Волга. Рисунок 1 - Изменение плотности снежно-ледовой массы (р) по высоте тороса (И).

В более верхних слоях торосов плотность материала вновь возрастает до значений плотности льда, поскольку в них доля снега уменьшается из-за его выдувания ветром.

Для получения сопоставимых результатов размеры льдин можно свести к среднему медианному диаметру кусков равному корню кубическому произведения данных обмера их в трех измерениях.

Основная часть кусков льда в торосах Байкала (54% случаев) приходится на льдины с медианным диметром 30-60 мм (Рисунок 2). Доля кусков льда с таким средним медианным диаметром в торосах р. Волга меньше в 1,2 раза (Рисунок 3). На куски со средним медианным диаметром 60-120 мм приходится соответственно 35% (Байкал) и 46% (Волга).

0 100 200 300 400 500 с], мм

Рисунок 2 - Гистограмма частот распределения (п) кусков льда в торосах о. Байкал по их средним

медианным диаметрам (д.).

На льдины с медианными диаметрами 120-250 мм приходится по 6-6,5% кусков.

Рисунок 3 - Гистограмма частот распределения (п) кусков льда в торосах р. Волга по их средним

медианным диаметрам (д.).

Доля более крупных кусков льда в торосах не превышает 3-4%. По массе воды в льдинках торосов Байкала основная часть её приходится на куски с медианным диаметром 60-120 мм, и она составляет 63% (Рисунок 4). Масса кусков с медианным диаметром 30-60 мм составляет только 12% общей

массы льдин, а масса кусков с медианным диаметром 120-250 мм равна ~ 20% массы льда в торосе Байкала. На эти три фракции льдин приходится 95% массы кусков, находящихся в торосе.

Рисунок 4

Распределение льдин в торосах Байкала по массе кусков со средним медианным диаметром (д).

Распределение массы воды в кусках льда в торосах реки Волга несколько более равномерно (Рисунок 5).

П, %

Рисунок 5 - Распределение льдин в торосах Волги по массе кусков со средним медианным диаметром

Масса воды в кусках льда с медианными диаметрами 60-120 мм, хотя число таких кусков в торосе реки в 1,28 раза больше и составляет 54% от общей массы воды в льдинах тороса. Это в 1,17 раз меньше чем в кусках примерно равной фракции по медианным диаметрам в торосе Байкала. Доля воды в кусках фракции с медианными диаметрами 30-60 мм в торосах на Волге в 1,2 раза больше по сравнению с торосами на Байкале. Доля массы воды в кусках фракций с медианными диаметрами 220-250 мм в торосах реки также выше ~ 1,25 раза.

В соответствии с материальными балансами на снег в торосах в январе приходится 45-49% его массы. Средняя плотность снежной части материала торосов равна 220 кг/м3.

Заключение

1. Высота торосов на озере больше и может достигать 1,8 м.

2. По средней высоте материала в торосах, равной для озера 0,913 м, необходимый диаметр шнековой фрезы должен составлять 1000 мм.

3. Доля кусков льда в торосах, подлежащих измельчению достигает 46% от общего количества.

4. Производительность машины по массе материала, удаляемого с очищаемой трассы должен составлять 700 кг/м3.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

1. Карташов С.Н. Физико-механические свойства и процессы формирования снежно-фирнового покрова Антарктиды // АН СССР, 1962.

2. А.С. Горшков, В.Ф. Кулепов, А.Л. Малыгин, О.Р. Гусев. Физико-механические свойства наледи, разрушаемой резцом при очистке прибор-дюрной зоны дорожного покрытия [Электронный ресурс] / А.С. Горшков, В.Ф. Кулепов, А.Л. Малыгин, О.Р. Гусев // Современные проблемы науки и образования. - 2014. - № 4. - Режим доступа: http ://www. science-education.ru/118-14134.

3. Кулепов, В.Ф. Разработка и создание ледо-резных машин для технологических комплексов: Диссертация на соискание ученой степени д.т.н. Спец.: 05.05.04 - Дорожные путевые и строительные машины / В.Ф.Кулепов; НГТУ. - Защищена 14.11.2002. - Н.Новгород: НГТУ, 2002. - 602 с.

ON THE CHOICE OF CRITERION FOR OPTIMIZING THE TYPE OF INTERAXLE DRIVE

Efimov A.

PhD, associate professor of chair «Machines and the equipment of an oil and gas complex» at the Don

State Technical University, Russia, Rostov-on-Don

Kireev S.

PhD, professor, chief of chair «Machines and the equipment of an oil and gas complex» at the Don State

Technical University, Russia, Rostov-on-Don

Korchagina M.

PhD, associate professor of chair «Machines and the equipment of an oil and gas complex» at the Don

State Technical University, Russia, Rostov-on-Don

Nikishenko S.

PhD, associate professor of chair «Machines and the equipment of an oil and gas complex» at the Don

State Technical University, Russia, Rostov-on-Don