Техника для очистки дорог и подъездных путей незамерзающего порта в зимний период

Санкт-Петербургский порт, равно как и ряд других портов, по своему географическому местоположению попадает в зону избыточного увлажнения.

Санкт-Петербург географически расположен в зоне прохождения циклонов, огромных воздушных вихрей, приводящих к пониженному давлению и образованию осадков в виде дождя или снега. Прохождение воздушных вихрей в течение года весьма неравномерно. Более 67% процентов осадков случается в весенний, летний и осенний периоды. Следовательно, на каждый квартал теплого периода приходится примерно 22% осадков. Остальные 33 % осадков приходится на четвертый квартал, зимние месяцы. Осадки в зимний период выпадают не в виде капель воды, которая без особых проблем стекает в ливневую канализацию или впитывается почвой, а виде твердого агрегатного состояния – снега. Снег требует механической уборки. В среднем за год выпадает 636 мм осадков. Имеется многолетняя статистика по количеству осадков, выпадаемых в Санкт-Петербурге. Для подробного анализа целесообразно представить

EDN EVNVWF

А.В. Стукач, М.А. Иванова, А.А. Соловьев статистические данные среднемноголетнего количества осадков по месяцам, с указанием года в табличной форме, таблица 1.

Таблица 1 – Количество осадков в период с 1909 по 2023 год

Месяц	Норма	Минимум месяц, мм	Максимум месяц, мм	Максимум сутки, мм
Январь	44	4 (1909)	950 (2019)	23 (1955)
Февраль	33	3 (1886)	92 (1990)	13 (1990)
Март	37	0,7 (1923)	83 (1971)	26 (1971)
Апрель	31	6 (1965)	85 (1966)	29 (1991)
Май	46	2 (1978)	127 (2003)	56 (1916)
Июнь	71	8 (1889)	154 (1998)	44 (2004)
Июль	79	5 (1919)	166 (1979)	69 (2002)
Август	83	1 (1955)	191 (1933)	76 (1947)
Сентябрь	64	11 (1901)	178 (1912)	34 (1912)
Октябрь	67	5 (1987)	150 (1984)	37 (2003)
Ноябрь	56	2 (1993)	117 (2010)	31 (2010)
Декабрь	51	7 (1890)	112 (1981)	28 (2009)
За год	662	395 (1882)	842 (2003)	76 (1947)

Наибольшую неприятность вызывают осадки в зимний период, когда они выпадают в виде снега. Свежевыпавший снег имеет малую плотность и занимает большие объемы. Вывоз его в отвалы требует большое количество погрузочной техники и транспортных средств.

Существует определенный технологический процесс уборки снежных масс, регламентированный правительством Российской Федерации.

Уборка проезжей и пешеходной части портовых территорий в периоды снегопадов и гололедицы реализуется при помощи противогололедных средств, обеспечивающих беспрепятственное движение всех видов транспортных средств. Требования к эксплуатационному состоянию проезжей части допустимому по условиям обеспечения безопасности дорожного движения регламентируется стандартом – ГОСТ Р 50597–93. При этом коэффициент сцепления колес автотранспортных средств с дорожным покрытием должен обеспечивать безопасные условия движения с разрешенной скоростью

Механизированная уборка проезжей и пешеходной части должна начинаться сразу после окончания снегопада. Задержка начала уборки не должна превышать 3-х часов. В период продолжительных сильных снегопадов, когда высота снежного покрова превышает 5 см и более, очередная уборка осуществляется незамедлительно и должна производиться после выпадения каждых 5 см свежевыпавшего неуплотненного снега.

Пешеходные дорожки и тротуары могут иметь снежный накат. Подъездные пути и некоторые участки проезжей части могут иметь снежный накат посыпанный, гранитной крошкой. Целесообразно для этих целей использовать отсев гранитной крошки с размером частиц от 2 до 5 мм. Общая площадь с гранитной крошкой не должна превышать 30% от площади проезжей и пешеходной зоны. На полную ликвидацию гололеда и снежного наката, в соответствии действующими нормативами, отводится не более трех часов.

Отдельно необходимо обратить внимание на удаление снежных масс с «внекатегорий-ных» территорий, к которым относятся районы перед железнодорожными путями, портовых складских площадок и другими производственными, промышленными районами. Нормативы по периодичности уборки от снега, вышеназванных районов аналогичны требованиям для проезжей части улиц. Посредством механизированной уборки, проезжая часть очищается от снежных накатов и наледи. Для удаления наледи и твердого уплотненного снежного наката используются фронтальные погрузчики с навесным оборудование в виде цилиндрических вальцев. На поверхности вальцев в строго определенном порядке расположены и жёстко закреплены большие зубья - шипы, схема расположения которых показана на рисунке 1, а внешний вид вальца на рисунке 2.

Шипованные вальцы используют для работы по уплотненному снежному накату или гололеду. Работа на неуплотненном снеге не дает никакого эффекта поскольку снег набивается между зубьями и уплотняется до очень высокой степени, в последствии требует ручной очистки.

Контакт вальца с шипами с поверхностью дороги создает на поверхности льда напряжения значительно выше его прочности. Поэтому шипованные вальцы наиболее эффективны для очистки ледовых образований на проезжей части дорог и пешеходных тротуаров.

При работе шипы врезаются в лед на значительную глубину вызывая хрупкое разрушение льда. Поэтому разрушаются только те объемы, которые расположены выше глубины погружения шипа. Эта верхняя часть разрушенного льда должна быть удалена. Лишь только после удаления разрыхленного слоя обеспечивается интенсивное разрыхление более нижних слоев льда. В целом по мере увеличения количества проходов вальца по одному месту увеличивается глубина разрыхления. Практика показывает, что один проход шипованного вальца обеспечивает разрыхление на глубину 4 – 5 сантиметров.

Рисунок 1 – Чертеж вальца с зубьями

Рисунок 2 – Внешний вид льдоскалывающего вальца

Шипы вальца оказывают давление на лед удельное давление до 350 кг/см2. Интенсивность разрыхления льда зависит от температуры окружающего воздуха и скорости перемещения вальца по дороге. Большая скорость обеспечивает однозначно хрупкое разрушение. В процессе работы частицы льда могут заполнять расстояния между шипами, что приводит к уменьшению глубины рыхления. Повышение скорости до 35 км/час приводит к самоочистке вальца.

Большое значение имеет также размеры опорных поверхностей шипов. В идеальном случае заострение нового шипа напоминает лезвие, образованное срезанием цилиндрического стержня под углом 45о. За однократное действие шипа разрушение происходит на глубину 2,5d, где d – диаметр шипа. В связи с изложенным для выбора минимального диаметра шипа можно рекомендовать следующую формулу (1):

d > 0,4h_p мм. (1) где h р – величина разрыхленного ледового слоя в плотном теле в мм.

В процессе работы происходит притупление режущей кромки, что естественно приводит к увеличению опорной поверхности и якобы к уменьшению глубины рыхления. Однако, нужно помнить о том, что в этом случае под шипом образуется «ядро» больших удельных давлений, которое как бы удлиняет величину шипа. При последующих проходах величина разрыхленного слоя наращивается. Такое наращивание колотого наста может происходить до величины примерно 4d .

Длина шипов определяет собой ту глубину, на которую они могут погрузиться в колотый наст и автоматически ограничивает верхний предел удельного давления. После превышения этого предела валец начинает базироваться на наст не только шипами, но и поверхностью вальца. Следовательно, минимальную длину шипа можно определить из выражения (2):

L = 1,6 h_p (2) где h р – величина разрыхленного ледового слоя в плотном теле в мм.

Удельное давление рассчитывается в предположении передачи веса вальца на один ряд шипов, расположенных по образующей вальца. На самом деле в работе участвуют также и шипы соседних рядов, поэтому фактическое удельное давление, как правило, будет ниже расчетного не менее чем в 1,5—2 раза. Что касается общего веса вальца, то он не оказывает решающего значения на величину давления на поверхность льда. Крепление вальца к стреле погрузчика позволяет осуществлять дозагрузку вальца весом погрузчика при одновременной разгрузке передних колеса машины. Это явление нужно считать серьезным положительным эффектом, при котором не требуется создание массивных шипованных вальцев для повышения эффективности раскалывания ледовых формирований.

Число шипов на вальце льдоскалыва-теля должно быть возможно большим, что снизит необходимое число проходов. Однако наличие большого количества шипов повлечет уменьшение пространства между шипами и увеличит вероятность заполнения этого пространства слоем ледяного наста. Это приведет к снижению интенсивности скалывания и уменьшению глубины. Расположение шипов на поверхности вальца должно быть в шахматном порядке или как показано на рис.2 по траектории винтовых линий, расходящихся от середины вальца.

Диаметр вальца D и длина шипов L должны находиться в пределах наилучших соотношений. Для выбора диаметра вальца может быть рекомендован вариант следующего опти- мального соотношения, выраженного в виде формулы (3):

D/L = (5 - 7)            (3)

где:    D – диаметр вальца;

L – длина шипа.

Шипованные льдоскалыватели работы могут использоваться в виде навесного рабочего органа, состоящего из одного вальца или подвески балансирного типа, состоящей из двух вальцев.

Необходимое для шипованных вальцев тяговое усилие определяется по формуле:

T = Q^n(f + i)          (4)

где Q – вес катка с учетом догрузки от пере- распределения нагрузки от погрузчика;

n – число шипованных вальцев;

f – коэффициент сопротивления перекатыванию, f = ( 0,15 ÷ 0,25); i – уклон местности.

Производительность машины в режиме скалывания льда может быть определена по формуле (5):

L 1 H₀(b - 0.15)^

П =

,

L .   .

+ ^n

V

где   L1 – длина участка снежного и ледяного наста в м;

Но – толщина ледового наста в плотном теле в м;

b – ширина вальца в м ;

η в – коэффициент использования машины по времени;

0,15 – величина перекрытия вальцем следа предыдущего прохода в м ;

v – рабочая скорость м/ч ;

t п – время затрачиваемое на поворот в часах.

Рама и дышло вальца рассчитываются на растяжение от максимального тягового усилия того трактора или тягача на работу с которым рассчитан льдоскалывающий шипованный валец. Коэффициент динамичности при этом принимается равным 1,5.

Дорожная техника для уборки снега выпускается на базе грузовых автомобилей с высокой рабочей скоростью и оборудованием с шириной рабочей зоны, не превышающей габаритную ширину базовой машины. С развитием специализированной техники перед разработчиками вставали различные задачи, главной из которых было решение проблемы габаритных размеров и обеспечение маневренности новых моделей. Это было обусловлено тем, что территория портовых терминалов имеет стесненные условия. Часто складские площади имеют узкие проезды и машины вынуждены работать в весьма ограниченном пространстве.

Очистка проездов от снега осуществляется механизированным способом. В качестве средств механизации для очистки от снега проезжей части наиболее рационально использовать машины, оснащенные плужно-щеточным оборудованием. Результативность машинной снегоочистки в существенной мере определяется правильным выбором машин и средств малой механизации. Самое большое распространение получили специальные рабочие органы, выполненные в виде двух плужных отвалов и распложенном в средней части роторной установки.

Удаление снежной массы с проезжей части дорог осуществляется специальной коммунальной машиной, оснащённой лопастным питателем и скребковым наклонным транспортером.

Широко используются минипогрузчики, выпускаемые отечественными производителями. Основное их преимущество заключается в высокой маневренности и способности работать в стесненных условиях.

В настоящее время подобная техника стала неотъемлемой частью любого города и предприятий, в том числе современных морских портов, так как её применение обеспечивает оперативность и высокую производительность.

Современные тротуароуборочные машины способны качественно выполнить весь спектр необходимых работ для поддержания чистоты в зимний период. Если раньше на уборку территорий выходили целые бригады, то теперь людской труд в основном заменен специализированными уборочными машинами. Одна машина с оператором-профессионалом заменяет работу десятка человек с лопатами и метлами. Бесспорно, в некоторых труднодоступных пунктах и при характерных видах работ используется ручной труд, но объемы ручного и механизированного труда несопоставимы. Таким образом, использование техники позволяет снизить за траты трудовых ресурсов.

Транспортно-хозяйственные службы порта имеют в своем распоряжении тротуароуборочные машины для поддержания чистоты обслуживаемой территории. В настоящее время нетрудно подобрать комплект машин исходя от типа убираемой площади, требуемых функций и финансовых возможностей обслуживающей организации.

В теорию и практику расчетов и проектирования современных малогабаритных машин для уборки и перемещения снега внесли известные ученые Шалман Д.А., Эвентов И.М. [1]. Важнейшие методики физического моделирова- ния структуры отвалов плужных снегоочистителей, а также позиция расчета плужных и роторных снегоочистителей изложены в книге Д.А. Шалмана [1]. Основы тягового расчета снегоуборочного оборудования, имеющие ковши и отвалы, изложены в работах Хархуты Н.Я. [2].

Главные критерии по использованию уплотняющих машин в процессе уборки и вывоза снега с городских дорог были приняты под руководством профессора Мерданова Ш.М. аспирантом Егоровым А.М. при подготовке диссертации [3]. Одновременно была разработана математическая модель процесса уплотнения снега в рабочем органе. Осуществлено изучение основ и разработана методика выбора параметров снегоуборочной машины и её расчета.

Ученые Шестопалова К.К. и Быков В.Ю. в работе [4] обосновали способ вакуумирования снега с целью увеличения степени уплотнения. Результатом исследования был разработан алгоритм и методика расчета параметров оборудования, создающего вакуум, для уплотнения снежной массы. Теоретические результаты были проверены с помощью экспериментального стенда позволяющего, изучать процесс уплотнения снега в широком диапазоне скоростей.

Анализ энергозатрат на перемещение снежного покрова по отвалу и математические модели разрушения снежного покрова шнековым рабочим органом представлены в статье [5] Р.Л. Сахаповым, М.М. Махмутовым и М.М. Махмутовым.

Минимальная энергоемкость процесса резания за счет подбора оптимальных параметров угла резания уплотненного снега рабочим органом отвального типа определены в работе [5].

Новейший подход был предложен в диссертации [6] к выбору режима резания снега плужным рабочим органом за счет использования особенностей механических свойств снега при работе малогабаритного снегоочистителя позволяют значительно уменьшить энергоемкость процесса резания. и основанный на использовании текущей информации о сопротивлении на рабочем органе

Наиболее интересные примеры, с точки зрения использования, как крупногабаритных машин [7], так и малогабаритной техники, представлены в работах [8,9], посвященных исследованиям процессов резания снежных и ледовых образований рабочими органными снегоуборочных машин. Особенностью предлагаемой конструкции снегоуборочной машины является возможность одновременного подбора снега и его уплотнения, что позволяет сократить количество транспорта для его перевозки на сегопла-вильные станции.

Скрупулезно выполненный обзор литературных источников позволил разработать рекомендации к проектированию уборочной машины от снега и ледовых образований, способной работать в стесненных условиях.

Проектирование снегоуборочной машины осуществляется в два этапа. На первом выполняются проектные расчеты, которые предусматривают общие кинематические и силовые расчеты:

• 1.    Расчет тяговых характеристик машины с учетом, всех действующих на неё нагрузок;

• 2.    Расчет ходового оборудования, выполненного на резинометаллическом гусеничном ходу;

• 3.    Обоснование и выбор двигателя внутреннего сгорания; кинематический расчет и выбор редуктора, муфты, тормоза.

• 4.    Расчет и проектирование рабочего оборудования. Расчет и проектирование лопастных питателей;

• 5.    Проектирование шнекового пресса; Расчет элементов конструкций скребкового конвейера. Построение принципиальной гидравлической схемы.

• 6.    Расчет гидравлического оборудования: расчет гидроцилиндров; гидромоторов лопастных питателей; гидромоторов шнекового пресса.

На основании проведенных расчетов была спроектирована 3-D модель снегоуборочной машины. Общий вид машины представлен на рисунке 3 а,б. Расположение основных механизмов на раме машины показаны на рисунке 4 а,б.

Модель перспективной снегоуборочной машины выполнена с гусеничным движителем. В качестве гусеничной ленты используется износостойкая резина, армированная стальным кордом. Подобное исполнение ходового устройства не разрушает тротуарного покрытия, выполненного как из асфальта, так и тротуарной плитки. Привод всех механизмов осуществляется с использованием объемного гидропривода.

Разработанная машина работает следующим образом. Снег, собираемый отвалом, при помощи лопастных питателей загружается в шнековый пресс, где снег подвергается уплотнению. Перемещаясь по нему, снежная масса уменьшается в объеме два раза. Уплотненный снег попадает на скребковый конвейер и подается в кузов грузовой машины.

Рисунок 3 - Внешний вид (а) и принципиальная схема механизмов снегоуборщика-(б): 1 - отвал;

2 – питатель лопастной; 3 – пресс шнековый; 4 – скребковый конвейер.

Рисунок 4 – Местоположение ДВС и гидронасоса - (а), вид гусеничный движитель в транспортном положении - (б).

В результате изучения литературных источников и нормативных документов авторы пришли к выводу, что Северо-западный регион, где находятся морские порты подвержены выпадению значительных снежных осадков. Анализ научной литературы посвященной разработке проблемы уборки территорий в зимний период и опыт эксплуатации коммунальной техники позволил сделать вывод о необходимости разработки новой снегоуборочной техники, способной работать в стесненных условиях. В частности, удаление ледовых образований осуществляется льдоскалывающим вальцем. При чем эффективность повышается с увеличением скорости движения базовой машины.

Удаление снега рекомендовано с применением снегоуборочной машины с одновременным его уплотнением, что в значительной мере сокращает количество грузовых машин для вывоза на снегоплавильные устройства. В целом описанные конструкции снегоуборочной техники могут успешно решать проблемы удаления снега с территории морских портов региона.