Обоснование параметров вибрационного рабочего органа объемного типа снегобрикетирующей машины
На правах рукописи
Шаруха Александр Викторович
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 Мерданов Шахбуба Магомедкеримович |
| Официальные оппоненты: | доктор технических наук, профессор Шуваев Анатолий Николаевич, Тюменский государственный архитектурно-строительный университет |
| кандидат технических наук, доцент Скворцов Исаак Дмитриевич, НПЦ “Сибнефтегаз-диагностика”, г. Тюмень | |
| Ведущая организация: | ЗАО СКБ “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 по адресу: 625000, г. Тюмень, ул. Володарского 38, зал им. А.Н. Косухина.
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:[email protected].
Автореферат разослан 12 октября 2007 г.
| Ученый секретарь диссертационного совета | П.В. Евтин |
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: Гмотинский В. Г., Грей Д.М., Егоров А.Л., Закирзаков Г.Г., Иванов А.А., Карагельский А.И., Карнаухов Н.Н, Ковалевский В.М., Котельников В.В., Мерданов Ш.М., Плакса Л.Н. Рихтер Г.Д., Ронгонен В.Э., Самойлов Р.С.,
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 – показатель удельных затрат на строительство временной снеголедовой дороги, руб/км;
– удельный показатель потерянного дохода за счет сокращения объема перевозок, руб/км.
Систему ограничений можно представить в следующем виде.
 , | (1.2) |
где – конечная плотность снежного брикета, кг/м3;
– частота колебаний вибрационного органа объемного типа, Гц.
 руб/км, | (1.3) |
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 – удельный показатель потерянного дохода за счет сокращения объема перевозок.
 руб/км, | (1.4) |
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.
 |
Таблица 1. Параметры уравнения (1.5)
| ||||||||||||||
Рис. 5. График зависимости плотности снежного блока от частоты колебаний рабочего органа |
Обработка данных проводилась в стандартной среде Microsoft Excel и с помощью статистических пакетов Statisica 6.0, Sigma Plot. 8.0
Рис. 6. Зависимость конечной плотности от величины внешней
нагрузки при различных частотах
Таблица 2.
Параметры уравнения
| (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:
- Шаруха, А.В. Обоснование параметров рабочего органа объемного типа снегобрикетирующей машины. [Текст] / Шаруха А.В. // Известия высших учебных заведений. Нефть и газ./ Тюмень, ТюмГНГУ, 2007. №5 С. 90 – 92.
В прочих изданиях:
- Закирзаков, Г.Г. Влияние вибрационного воздействия на способность уплотнения снежной массы [Текст] / Г.Г. Закирзаков, Ш.М. Мерданов, В.С. Прусаков, А.Ф. Шакмаков, А.В. Шаруха // Материалы региональной НПК "Проблемы эксплуатации систем транспорта" / Тюмень, ТюмГНГУ, 2006. С. – 181 - 186.
- Закирзаков, Г.Г. Экспериментальные исследования виброуплотнения снега [Текст] / Г.Г. Закирзаков, С.Я. Кушнир, А.В. Шаруха // Материалы международной научно-технической конференции "Проблемы эксплуатации и обслуживания транспортно– технологических машин Часть 1" / Тюмень, ТюмГНГУ, 2007.С. 107 – 109.
- Кушнир, С.Я. Классификация дорожных машин для уборки и уплотнения снега [Текст] / С.Я. Кушнир, А.Ф. Шакмаков, А.В. Шаруха // Материалы международной научно-технической конференции. "Проблемы эксплуатации и обслуживания транспортно технологических машин Часть 2." / Тюмень, ТюмГНГУ, 2007. С. 154 – 160.
- Мерданов, Ш.М. Влияние вибрации на свойства снега [Текст] / Ш.М. Мерданов, Г.Г. Закирзаков, А.В. Шаруха // Материалы Международной научно–технической конференции "Геотехнические и эксплуатационные проблемы нефтегазовой отрасли" / Тюмень, ТюмГНГУ, 2007. С370 – 374.
- Мерданов, Ш.М. Структурная идентификация модели виброуплотнения снежной массы [Текст] / Ш.М. Мерданов, Г.Г. Закирзаков, А.Ф. Шакмаков, А.В. Шаруха // Материалы Международной научно–технической конференции "ИНТЕРСТРОЙМЕХ – 2007 г." / Самара, СГАСУ, 2007. С. 273 – 276.
- Шаруха, А.В. Математическое моделирование в задачах проектирования снегоуплотняющих машин [Текст] / А.В. Шаруха, А.Ф. Шакмаков // 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, г. Тюмень, ул. Володарского, 38
Отдел оперативной полиграфии издательства «Нефтегазовый университет»
625000, г. Тюмень, ул. Володарского, 38
