На правах рукописи
ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ВИБРАЦИОННОГО рабочего ОРГАНА ОБЪЕМНОГО ТИПА СНЕГОБРИКЕТИРУЮЩЕЙ МАШИНЫ
05.05.04 — Дорожные, строительные
и подъёмно-транспортные машины
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Тюмень — 2007
Работа выполнена в ГОУ ВПО «Тюменский государственный нефтегазовый университет» на кафедре «Подъёмно-транспортные, строительные, дорожные машины и оборудование».
Научный руководитель: | кандидат технических наук, доцент |
Официальные оппоненты: | доктор технических наук, профессор |
кандидат технических наук, доцент | |
Ведущая организация: | “Газстроймашина”, г. Тюмень |
Защита состоится 14 ноября 2007 г. в 12 часов на заседании диссертационного совета Д 212.273.04 при Тюменском государственном нефтегазовом университете г. Тюмень, ул. Володарского 38, зал им. .
С диссертацией можно ознакомиться в библиотечно-информационном центре Тюменского государственного нефтегазового университета.
Отзывы на автореферат в двух экземплярах с подписью, заверенной печатью организации, просим направлять в адрес диссертационного совета, а также по e-mail:*****@***ru.
Автореферат разослан 12 октября 2007 г.
Ученый секретарь диссертационного совета |
общая характеристика работы
Актуальность проблемы. Освоение Северных регионов России по добыче и транспортировке углеводородного сырья в последние годы получило новый импульс развития. Увеличивается интенсивность транспортного потока, в том числе и специальной нефтегазопромысловой техники. Как следствие возникла потребность в развитой сети автомобильных дорог.
Болота, сильное обводнение грунтов затрудняют строительство автомагистралей с твердым покрытием. По этим причинам почти весь объем перевозок выполняется в зимнее время путем использования временных (односезонных) автомобильных дорог - автозимников.
Высокая стоимость возведения снеголедовых дорог с одной стороны и возрастающая потребность в увеличении интенсивности транспортного потока с другой, ведут к поискам альтернативных методов возведения снеголедовых дорог, которые позволили бы добиться повышения прочностных показателей дорожного полотна, при сокращении сроков его формирования и уменьшении энергозатрат на строительство автозимников.
Проанализированы научные работы по проблеме создания временных снеголедовых дорог в суровых условиях северных регионов России, различными авторами в нашей стране и за рубежом.
В ходе анализа было выяснено, что наиболее перспективным является создание снежных брикетов при применении вибрации в замкнутом объеме для строительства автозимников.
Данное направление малоизученно и представляет большой интерес. Возникает необходимость исследования данного процесса, с последующей разработкой методики расчета конструкций виброуплотняющих машин.
Целью работы является повышение эффективности строительства снеголедовых дорог, с учетом установления и использования зависимостей конечной плотности полотна автозимника от параметров виброуплотнения снега в замкнутом объеме.
Объект исследования – процесс создания снежных блоков за счет виброуплотнения в замкнутом объеме при строительстве оснований снеголедовых дорог.
Предмет исследования – установление связи конечной плотности снежных блоков с параметрами виброуплотнения в замкнутом объеме.
Методы исследований. В работе использовались следующие методы исследований: литературный поиск, патентный анализ, математическое моделирование исследуемого процесса, экспериментальные исследования, математическая статистика при обработке экспериментальных исследований. Оценка исследований проводились с помощью стандартных программных пакетов Mathcad2000, Excel, Regress, Maplе 8.
Научная новизна работы.
• Разработана математическая модель “Параметры виброуплотнения – плотность снега”
• Установлена зависимость конечной плотности снега от параметров рабочего органа виброуплотняющей машины при уплотнении в замкнутом объеме.
• Теоретически установлены и экспериментально подтверждены закономерности изменения конечной плотности снега от параметров виброуплотнения.
• Разработана методика выбора и расчета конструктивных параметров, и рабочих режимов вибрационного органа объемного типа снегобрикетирующей машины
Практическая ценность работы состоит в том, что на основе проведенных исследований разработаны оригинальные конструкции снегобрикетирующих машин, с возможностью уплотнения снега в замкнутом объеме с применением вибрации, разработана методика расчета и выбора параметров вибрационного органа объемного типа снегобрикетирующих машин, позволяющая получать необходимую конечную плотность снежного блока, варьируя значения частоты вибрации рабочего органа и величины внешней нагрузки.
На защиту выносятся:
- математическая модель “Параметры виброуплотнения – плотность снега”
- Методика расчета и выбора параметров снегобрикетирующих машин, разработанная на основе данных исследований.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на научно-практической конференции "Сервис, техническая эксплуатация транспортных и технологических машин", Тюмень, 2001 г.; международной научно-практической конференции "Проблемы эксплуатации транспортных систем в суровых условиях", Тюмень, 2002 г.; международной научно-технической конференции "Нефть и газ западной Сибири", Тюмень, 2003 г.; региональной научно-практической конференции "Проблемы эксплуатации транспортных систем в суровых условиях" Тюмень, 2006 г.; международной научно-технической конференции "Геотехнические и эксплуатационные проблемы нефтегазовой отрасли" Тюмень, 2007 г.; международной научно-технической конференции "Проблемы эксплуатации и обслуживания транспортно технологических машин" Тюмень, 2007 г.; международной научно-технической конференции "Интерстроймех-2007", Самара, 2007 г.; на расширенном заседании кафедры "Подъёмно-транспортные, строительные, дорожные машины и оборудование" Тюменского государственного нефтегазового университета, Тюмень, 2007 г.
Публикации работы. По результатам исследований опубликовано 7 печатных работ.
Структура и объем работы. Работа состоит из введения, 4 глав, основных выводов и списка литературы из 76 наименований. Общий объем работы содержит 126 страниц, в том числе 31 рисунок, 16 таблиц и 4 приложения.
содержание работы
Первая глава В ходе анализа литературных источников рассмотрены и проанализированы работы таких авторов как: , , , Плакса Г. Д., ,
Было выяснено, что различными авторами рассмотрены процессы создания снеголедовых дорог, выявлены зависимости конечной плотности полотна автозимника от таких факторов как: величина и скорость приложения внешней нагрузки, механическое разрушение снега, влажность и температура снега. Изучены предложенные технология и комплекс машин для создания снеголедовых дорог, в том числе изучен процесс вибрационного воздействия на снег, но в данных работах не рассматривается возможность виброуплотнения в замкнутом объеме при строительстве автозимников.
На основе выполненного анализа сформированы основные задачи исследования:
- сформулировать рабочую гипотезу и на ее основе определить направления теоретических и практических исследований по разработке метода виброуплотнения в замкнутом объеме;
- разработать математическую модель “Параметры виброуплотнения – плотность снега”;
- разработать алгоритмическое и программное обеспечение выбора и расчета параметров рабочего органа виброуплотняющей машины;
- разработать практические рекомендации по использованию параметров виброуплотнения полученных с использованием разработанного метода виброуплотнения;
- разработать конструкцию снегобрикетирующей машины с вибрационным органом объемного типа;
Вторая глава посвящена теоретическим исследованиям при разработке математической модели влияния частоты колебаний вибрационного органа объемного типа на конечную плотность снежного брикета. Для реализации целей и поставленных задач была разработана общая методика исследования, включающая проведение аналитических и экспериментальных исследований. Общая методика исследования представлена на рис. 1.
Рис. 1 Общая методика исследования
Сущность гипотезы исследования, положенной в основу разрабатываемого метода виброуплотнения снега, вытекает из анализа существующих методов уплотнения снежной массы.
Рабочая гипотеза – под воздействием вибрации на снежную массу в замкнутом объеме при однократном приложении внешней нагрузки можно достичь большей плотности и несущей способности снежного блока по сравнению со статическим уплотнением. Величина внешней нагрузки одинакова в сравниваемых методах уплотнения снега.
В качестве целевой функции рассматривается эффективность строительства снеголедовых дорог и предлагается использовать интегральный показатель – 
затрат на их строительство.
| (1.1) |
,где q – показатель удельных затрат на строительство временной снеголедовой дороги, руб/км;
e – удельный показатель потерянного дохода за счет сокращения объема перевозок, руб/км.
Систему ограничений можно представить в следующем виде.
| (1.2) |
,где r – конечная плотность снежного брикета, кг/м3;
w – частота колебаний вибрационного органа объемного типа, Гц.
| (1.3) |
руб/км,где S – затраты на строительство снеголедовой дороги, руб.;
E – нормативный коэффициент эффективности капитальных вложений;
L – длина построенного автозимника, км.
Кроме того, для оценки эффективности строительства снеголедовых дорог можно использовать e – удельный показатель потерянного дохода за счет сокращения объема перевозок.
| (1.4) |
руб/км,где 
– объем текущих грузоперевозок, т.;
– объем перевозок увеличившийся в результате продления срока службы автозимника, т.;
P – стоимость перевозки 1 тонны груза по автозимнику, руб.
Таким образом, процесс создания снеголедовой дороги можно оптимизировать по энергетическим и материальным затратам путем применения новых технологий строительства и выбора оптимальных параметров виброуплотняющего рабочего органа.
В диссертационной работе рассмотрены процессы, происходящие при виброуплотнении снега в замкнутом объеме.
(а) |
(б) |
Рис.2 Графики зависимостей:
а – плотности от частоты колебаний рабочего органа,
б – плотности от давления при статическом и вибрационном воздействии.
Вид зависимости рис. 2(а) можно описать сигмоидом.
| (1.5) |
,где 
,
,
,
– параметры уравнения.
При статическом уплотнении снега в замкнутом объеме рис.2(б) плотность изменяется по показательному закону. Предполагалось, что изменение плотности при учете вибрационного воздействия будет изменяться по такому же закону, однако иметь другие параметры.
| (1.6) |
,где 
– конечная плотность при вибрационном уплотнении снега в замкнутом объеме;
P – величина внешней нагрузки, мПа.
На этапе теоретических исследований, оказалось, невозможно провести структурную идентификацию модели из-за отсутствия исследований процесса виброуплотнения снега в замкнутом объеме. Поэтому математическая модель представлена в виде функционала.
| (1.7) |
При использовании вибрации в замкнутом объеме может быть получен эффект в виде экономии затрат на уплотнение (рис. 3).
Рис. 3. Преимущество применения виброуплотнения
Величина ∆Р показывает возможность снижения величины внешней прикладываемой нагрузки при виброуплотнении в замкнутом объеме, что в свою очередь ведет к снижению энергоемкости процесса уплотнения снежной массы по сравнению со статическим уплотнением. А также снижения металлоемкости конструкций машин вследствие уменьшения величины создаваемых усилий в рабочем органе снегобрикетирующей машины.
Выдвинутые в результате теоретических исследований гипотезы были подвергнуты проверке на основе экспериментов.
Третья глава посвящена экспериментальным исследованиям. В рамках этой главы осуществлено планирование эксперимента, описан порядок и особенности проведения эксперимента.
Цель экспериментальных исследований заключается в проверке гипотез, выдвинутых в результате теоретических исследований, определении численных значений параметров математических моделей и проверке адекватности моделей экспериментальным данным.
В ходе предварительного эксперимента были определены значимые факторы, влияющие на виброуплотнение в замкнутом объеме. Определено минимально необходимое количество опытов при доверительной вероятности 0,9 и относительной ошибке 0,1.
Первый этап исследований включал в себя: создание экспериментальной установки, выбор аппаратных средств, обработку и анализ полученных данных, установление экспериментальных закономерностей и сопоставление их с теоретическими.
Для проведения эксперимента необходимо было модернизировать стандартное оборудование и дополнить системой электронного управления. Установка выполнена на основе виброплощадки (рис. 4.).
| 1-станина, 2-платформа, 3-рама, 4-форма, 5-пуансон, 6-винт с рукояткой, 7-упругий элемент (пружина), 8-нижняя опора, 9- верхняя опора, 10-вибровозбудитель |
Рис. 4. Установка для виброуплотнения снега |
После изготовления снежных брикетов производились регистрация значений их массы и геометрических размеров.
В результате обработки экспериментальных данных получены виды зависимостей (рис. 5,6.) и проведена параметрическая идентификация этих связей.
|
| |||||||||||
w (Гц) | 0 | 10 | 15 | 20 | 25 | 30 | 35 | 40 | 45 | 50 | 60 | 75 |
| 267,69 | 267,7 | 267,79 | 267,87 | 267,92 | 267,85 | 267,98 | 267,94 | 268 | 268,74 | 269,1 | 269,81 |
| 11,86 | 11,87 | 12,25 | 12,48 | 12,98 | 12,6 | 14,73 | 16,59 | 30 | 44,97 | 62,6 | 108,05 |
| 0,29 | 0,29 | 0,29 | 0,29 | 0,28 | 0,29 | 0,28 | 0,27 | 0,22 | 0,19 | 0,17 | 0,11 |
Проведенная параметрическая идентификация показала, что зависимость 
может быть представлена в следующем виде.
| (1.8) |
Рис. 7. Параметрическая идентификация связей плотности, величины внешней нагрузки и частоты рабочего органа
Значение дисперсионного отношения Фишера полученное на основе экспериментальных данных больше табличных значений F-критерия для доверительной вероятности 0,9, что свидетельствует об адекватности модели результатам эксперимента.
С использованием поверхности данной зависимости можно определить частоту колебаний и усилие, которое необходимо развить в рабочем органе для создания уплотненных снежных блоков требуемой плотности.
В четвертой главе приводится практическое использование результатов исследований, в частности, внедрение результатов в производство и учебный процесс, методика расчета и выбора параметров объемного вибратора снегобрикетирующей машины. Приведен расчет экономической эффективности применения данных разработок.
После проведенного патентного анализа был разработан ряд конструкций машин уплотняющих снег в замкнутом объеме под действием вибрации. На приведенные ниже конструкции оформлены заявки на патент Российской Федерации. Эти машины позволяют создавать снежные брикеты, для строительства временных снеголедовых дорог.
Рис.8. Снегобрикетирующая машина с вибрационным рабочим органом объемного типа (вариант1)
1-базовая машина, 2- виброуплотняющий рабочий орган объемного типа, 3-приемный бункер, 4-шнеко-роторный питатель, 5-транспортер.
Рис.9. Снегобрикетирующая машина с вибрационным рабочим
органом объемного типа (вариант2)
1- виброуплотняющий рабочий орган объемного типа, 2-гусеничный движитель, 3-рама, 4- приемный бункер, 5-кабина, 6-устройство для укладки снежных брикетов.
На основе проведенных исследований была разработана методика расчета и выбора параметров рабочего вибрационного органа объемного типа снегобрикетирующей машины.
Основные положения методики расчета и выбора параметров вибрационного органа объемного типа снегобрикетирующей машины:
• определение необходимой плотности снежных блоков;
• расчет геометрических параметров виброуплотняющего устройства объемного типа;
• синхронизация работы виброуплотняющего органа с механизмами базовой машины;
• расчет параметров вибрации для создания снежных брикетов необходимой конечной плотности;
• расчет нагрузок в рабочем органе, необходимых для создания снежных брикетов необходимой конечной плотности;
• выбор и расчет уплотняющего устройства;
• расчет затрат мощности вибровозбудителя;
• расчет потери мощности двигателя внутреннего сгорания базовой машины на привод рабочего органа;
• выбор и расчет демпфирующих устройств.
основные результаты и выводы по работе
• Сформулирована рабочая гипотеза и на ее основе проведены теоретические и практические исследования по разработке метода виброуплотнения снега в замкнутом объеме. Рабочая гипотеза подтвердила преимущество вибрационного уплотнения снега в замкнутом объеме по сравнению со статическим методом и показала эффективность данного способа при строительстве оснований автозимников.
• Установлено, что математическая модель “Параметры виброуплотнения – плотность снега” однозначно связывает параметры конечной плотности снежного брикета с величиной внешней нагрузки и частотой колебаний рабочего органа объемного типа.
• Выявлены факторы, оказывающие наибольшее влияние на величину конечной плотности снежного брикета.
• Выявлен эффект снижения величины внешней нагрузки необходимой для получения снежных брикетов заданной конечной плотности при применении вибрации.
• Разработанное алгоритмическое и программное обеспечение может служить основой методики выбора и расчета параметров рабочего органа снегобрикетирующей машины.
• Разработанные практические рекомендации по использованию параметров виброуплотнения полученных с использованием разработанного метода виброуплотнения позволяют получать снежные брикеты с заданной конечной плотностью за счет варьирования частоты колебаний рабочего органа объемного типа и величины внешней нагрузки.
• Разработанные конструкции снегобрикетирующих машин с вибрационным органом объемного типа, позволят добиться повышения прочностных показателей дорожного полотна автозимника, при сокращении сроков его формирования и уменьшении энергозатрат на строительство, а также позволит продлить срок службы снеголедовых дорог.
Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:
В журналах, рецензируемых ВАК:
1. Шаруха, параметров рабочего органа объемного типа снегобрикетирующей машины. [Текст] / // Известия высших учебных заведений. Нефть и газ./ Тюмень, ТюмГНГУ, 2007. №5 С. 90 – 92.
В прочих изданиях:
1. Закирзаков, вибрационного воздействия на способность уплотнения снежной массы [Текст] / , , // Материалы региональной НПК "Проблемы эксплуатации систем транспорта" / Тюмень, ТюмГНГУ, 2006. С. – 181 - 186.
2. Закирзаков, исследования виброуплотнения снега [Текст] / , , // Материалы международной научно-технической конференции "Проблемы эксплуатации и обслуживания транспортно– технологических машин Часть 1" / Тюмень, ТюмГНГУ, 2007.С. 107 – 109.
3. Кушнир, дорожных машин для уборки и уплотнения снега [Текст] / , , // Материалы международной научно-технической конференции. "Проблемы эксплуатации и обслуживания транспортно технологических машин Часть 2." / Тюмень, ТюмГНГУ, 2007. С. 154 – 160.
4. Мерданов, вибрации на свойства снега [Текст] / , , // Материалы Международной научно–технической конференции "Геотехнические и эксплуатационные проблемы нефтегазовой отрасли" / Тюмень, ТюмГНГУ, 2007. С370 – 374.
5. Мерданов, идентификация модели виброуплотнения снежной массы [Текст] / , , // Материалы Международной научно–технической конференции "ИНТЕРСТРОЙМЕХ – 2007 г." / Самара, СГАСУ, 2007. С. 273 – 276.
6. Шаруха, моделирование в задачах проектирования снегоуплотняющих машин [Текст] / , // Материалы международной научно-технической конференции "Проблемы эксплуатации и обслуживания транспортно технологических машин. Часть 2." / Тюмень, ТюмГНГУ, 2007. С. 160 – 163.
Подписано к печати 12.10.07 Заказ № Формат 60/90 1/16 Отпечатано на RISO GR 3750 | Бум. писч. №1 Уч. изд. л. 1,0 Усл. печ. л. 1,0 Тираж 100 экз. |
Издательство «Нефтегазовый университет»
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«Тюменский государственный нефтегазовый университет»
625000, 8
Отдел оперативной полиграфии издательства «Нефтегазовый университет»
625000, 8
