Устройство для очистки дорожного покрытия от снежного наката

Zemlyak VL, Kozin VM, Vasilyev AS, Vladimirov LM, Prikhodko SN. The device for cleaning road surfaces from layer snow. Russian Arctic. 2025;7(2):50-61. (In Russ.)

Снежный накат является одной из основных причин роста травматизма и дорожно-транспортных происшествий на дорогах в холодный период времени, особенно в северных регионах России, где продолжительность зимнего периода может составлять большую часть года. Образование наката происходит на дорожном покрытии в результате разового или периодического воздействия уплотняющей нагрузки на выпавшие снежные кристаллы в основном в результате воздействия автотранспортных и пешеходных потоков. Воздействие нагрузки и солнечной радиации приводит к плавлению снежных частиц, в результате чего на поверхности может сформироваться ледяной слой с образованием снежно-ледяного наката. Если в период оттепели накат пропитывается талой водой, то при последующем похолодании, например в ночное время суток формируется монолитный или пористый снежный лед [1-3].

Сжатие выпавшего снега от внешнего воздействия приводит к формированию поверхности, форма которой зависит от состояния снега и вида контактной поверхности оказывающей на него воздействие. В результате слои наката могут трансформироваться, сжиматься, загрязняться, покрываться ледяной кромкой и т.д. Длительность процесса формирования наката определяется временными интервалами между периодами снегопада или низовыми метелями [4-7].

Наличие уплотнённого снега на федеральных, городских и сельских дорогах, на тротуарах и во дворах жилых домов и офисов влечёт за собой как повышение травматизма среди населения, так и огромные материальные расходы и убытки, связанные с содержанием жилых территорий, загрязнением окружающей среды и преждевременным износом транспортных средств и инфраструктуры [8], в том числе дорожных покрытий.

В других северных странах, как и в России, накоплен большой опыт борьбы со снежными образованиями. Опубликован ряд фундаментальных работ по зимнему содержанию инфраструктуры холодных регионов и серия нормативно-технических и методических документов [9-12]. Как правило, используется три основных группы методов борьбы со снежным и ледяным накатом:

• 1)    предупреждающие появления снежного наката на твёрдых основаниях – своевременная борьба с выпавшим снегом и использование химических реагентов для таяния выпавшего снега;

• 2)    изменяющие свойства поверхности уплотнённого снега – россыпь материалов увеличивающих сцепление наката с движущимися предметами, создание шероховатой поверхности наката, применение абразивных и плавящих материалов;

• 3)    удаляющие снежный накат после его формирования - механический, химический, тепловой методы удаления наката [13-16].

Однако описанные методы приводят к ухудшению экологии и загрязнению окружающей среды, а специализированная снегоуборочная техника, как правило, обладает высокой стоимостью и сложной кинематикой. Появляется высокая вероятность повреждаемости дорожного покрытия и сопутствующих инженерных сооружений.

Также интерес вызывает ряд работ Р.Б. Желукевича, А.В. Лысянникова, В.А. Ганжа и др. [17-21], посвящённых способам эффективного резания снежно-ледяных образований и удалению снежно-ледяного наката с дорожных покрытий.

Целью исследования являлась разработка простого в эксплуатации, дешевого и эффективного устройства для борьбы со снежным накатом на твердых покрытиях.

Материалы и методы

Устройство для разрушения наката

Ранее авторами с помощью численного эксперимента было проанализировано напряженно-деформированное состояние (НДС) снежного наката от воздействия на него режущих дисков [22]. Также был предложен ряд технических решений для борьбы со снежным и ледяным накатом на аэродромных и твердых дорожных покрытиях. В основе устройства лежит конструкция в виде режущих дисков - 1, жестко закрепленных на двух осях - 2, в силовых рамах - 3, сопряженных между собой по направлению движения под заданным углом α, значения которого могут меняться в зависимости от физико-механических свойств наката (рис. 1). Оси с дисками способны пассивно вращаться при буксировке устройства транспортным средством с заданной скоростью U за счет возникающих сил трения между кромкой и боковыми поверхностями дисков и слоем наката. В результате воздействия приложенной вертикальной силы на диски, кромка которых имеет угол заточки 45°, что обеспечивает максимальную интенсивность скола наката, происходит отделение фрагментов наката от покрытия. Размер фрагментов будет зависеть от расстояния между дисками. Отрыв наката происходит за счет возникающих при вращении дисков нормальных N и касательных T усилий

Рисунок 1. 3D модель устройства для очистки дорожного покрытия от наката: 1 – дисковый нож; 2 – ось; 3 – силовая рама; 4 – шарнир; 5 – направляющая балка

Для повышения интенсивности скола наката диски могут быть посажены на ось с заданным эксцентриситетом. Наличие эксцентриситета обеспечит периодичность механического воздействия дисков на накат за счет неизбежно возникающих вертикальных колебаний. Интенсивность механического воздействия на накат возрастет, и будет зависеть от поступательной скорости устройства. Максимальный разрушающий эффект возникнет при частоте воздействия, равной собственной частоте вертикальных колебаний системы «устройство-накат». В результате возникнет резонансное увеличение амплитуд колебаний устройства и соответствующее увеличение усилий, скалывающих накат [23]. Колебания могут генерироваться и путем установки на устройство дополнительных вибраторов [24]. С целью повышения эффективности воздействия на накат частоту вертикальных колебаний устройства можно кратно увеличить, т.е. в 2, 4 и т.д. раз путем последовательного поворота дисков с заданным эксцентриситетом относительно друг друга соответственно на 180°, 90° и т.д. [25]. Для предотвращения повреждаемости дорожного покрытия при малой толщине наката величина эксцентриситета может уменьшаться. При буксировке же устройства по накату большей толщины эксцентриситет увеличивают, нагрузка на накат возрастет, что снизит количество проходов транспортного средства для полного разрушения наката [26].

Численная модель

Для определения напряженно-деформированного состояния основных элементов устройства, участвующих в процессе разрушения наката, его модель была смоделирована в программном комплексе Compas 3D. Геометрия модели соответствовала прототипу предложенного устройства. Затем геометрия экспортировалась в решатель, где прикладывались граничные условия жёсткости и нагрузки. Вся модель состояла из 250000 конечных элементов в форме гексаэдра и около 300000 узлов (рис. 2).

Рисунок 2.Часть дискретной модели устройства

В рамках численного исследования подбирались нагрузки, при которых максимальные перемещения режущего диска составляли 3-5 мм. Выполнялось несколько вариантов расчётов, а именно: расчёт оси, расчёт силовой рамы с осью и расчёт дисков (рис. 3).

Рисунок 3. Пример граничных условий для дисков на валу

В качестве материала для оси и силовой рамы устройства выбиралась сталь Ст3пс, со следующими характеристиками: предел текучести ơтд= 245 МПа, временное сопротивление разрыву ơд=380 МПа. _

В качестве режущих элементов использовался диск диаметром 345 мм и толщиной 4,5 мм 1981-13,5 R 44 K7 Беллота, выполненный из борсодержащей стали [27]. Предел текучести диска ơтд= 640 МПа, временное сопротивление разрыву ơд= 800 МПа.

Нагрузки прикладыва_лись к дискам таким образом, чтобы смоделировать действие на них нагружения от снегового и ледяного наката.

На каждый диск действовала вертикальная сила в 500 Н и боковая нагрузка под углом 45° в 2000 Н суммарно.

Описание испытательного полигона

Экспериментальная установка для моделирования процесса разрушения снежного и ледяного наката представляла собой полигон, предназначенный для моделирования слоя наката с заданными физико-механическими свойствами и буксировочную систему для проведения полунатурных испытаний. Буксировочная система была выполнена в виде тележки, закрепленной на рельсовых направляющих и предназначенной для транспортировки режущих элементов разработанного технического решения.

Полигон сконструирован в форме рамно-связевой системы на бетонном основании, в верхней части которой расположены крестообразные связи (ширина полигона – 2,4 м, длина – 12 м), большая часть конструкции выполнена из уголка 50×50×5 мм (раскосы и опорные элементы) (рис. 4).

Рисунок 4. Испытательный полигон

Рельсовые направляющие закреплены на швеллере 100×46×4,5 мм, который жестко соединен с уголком 90×90×10 мм, выступающим в роли планширя, приваренного к вертикальным ребрам жесткости высотой 1,1 м. Ребра жесткости с помощью закладных деталей жестко соединены с фундаментной плитой. Рельсовые направляющие закреплены с помощью болтовых соединений. Также к планширю с левой стороны жестко прикреплена развернутая шестерня, по которой с помощью движителя (сервопривод 130SPSM24-30220EAM с сервоусилителем SPS-302B43-A000) и планетарного редуктора VRB115-L1-10-S2-P2/22-110-145-M8 происходит движение буксировочной тележки. К верхнему силовому поясу полигона прикреплена рельсовая направляющая меньшего поперечного сечения для перемещения кареток с кабелями питания сервопривода.

Буксировочная тележка представляет собой ферменную объемную конструкцию, выполненную по периметру из уголка 50×50×5 мм. Для раскосов использован уголок 25×25×4 мм. Верхняя и нижняя проекция тележки сегментирована на 5 участков, верхняя также имеет крестообразные раскосы, расположенные в первом, третьем и пятом сегменте. Задний торец усилен с помощью пяти вертикальных стоек, передний – двух, остальные торцы не имеют дополнительных конструктивных элементов в связи с особенностями распределения нагрузок. Под тележкой размещена жесткая поддерживающая оснастка, конструкция которой может изменяться в зависимости от особенностей крепления режущих элементов (рис. 5).

Рисунок 5. Буксировочная тележка

Скорость буксировки устройства составляет до 0,3 м/с. В ходе экспериментов моделировался накат толщиной 0,1 и 0,17 м. Плотность наката составляла 0,4-0,5 г/см³, что превышает плотность сухого снега, которая как правило, лежит в диапазоне 0,15-0,3 г/см³. Эксперименты проводились в марте 2025 г. на базе научной лаборатории ледотехники ФГБОУ ВО Приамурский государственный университет имени Шолом-Алейхема (г. Биробиджан) [28].

Основные результаты исследования

Определение напряженно-деформированного состояния устройства при численном моделировании

Выполнены численные расчеты для определения напряженно-деформированного состояния конструкции режущих дисков в сборе с силовой рамой, оси с дисками и отдельно дисков.

На рис. 6а представлены перемещения оси дисков с силовой рамой при воздействии статической нагрузки. Видно, что перемещение дисков не равномерно в составе всей конструкции. Наибольшие перемещения наблюдались на максимальном удалении от центральной части устройства (на рисунке представлена половина устройства, НДС для второй половины полностью симметричен). Максимальные перемещения составили около 1 мм, при максимальных напряжениях по Мизесу (рис. 6б) порядка 164 МПа. Это достаточно большое значение при пределе текучести стали вала ơтд =245 МПа.

а)

б)

Рисунок 6. Результаты НДС при расчёте устройства целиком: а - перемещения устройства (в мм); б – максимальные напряжения по Мизесу (в МПа)

Моделирование напряженно-деформированного состояния оси с закрепленными на ней дисками, представлено на рис. 7. Максимальные перемещения на оси составили 0,454 мм, что вдвое меньше перемещений при предыдущих граничных условиях при учёте устройства целиком (рис.7а). Максимальные напряжения в валу при этом наблюдались в сравнительно небольшой локальной области в окрестностях заделки оси (рис. 7б) и составили около 45 МПа.

а)

б)

Рисунок 7. Результаты НДС при расчёте устройства целиком: а - перемещения на оси с дисками (в мм); б – максимальные напряжения по Мизесу (в МПа)

Напряженно-деформированное состояние режущих дисков определялось для трёх расчётных случаев при разных значения нагрузки равной 525 Н, 700 Н и 875 Н, которые были выбраны на основе результатов полунатурных экспериментов. На рис. 8 показан пример расчета НДС для нагрузки 525 Н (рис. 8). Результаты расчета представлены в таблице 1.

а)                                                б)

Рисунок 8. Результаты НДС при расчёте режущих дисков для нагрузки равной 525 Н: а – перемещения (в мм), б – максимальные напряжения по Мизесу

Таблица 1

Результаты расчета напряжённо-деформированного состояния при различной величине нагрузки, приложенной к дискам

Нагрузка, Н	Максимальные перемещения, мм	Максимальные напряжения по Мизесу, МПа
525 (90⁰)	3,013	272,59
700 (90⁰)	4,017	363,46
875 (90⁰)	5,022	454,32

Максимальные напряжения в дисках по Мизесу при этом составили 454 МПа при максимальном перемещении 5 мм. Очевидно, что даже максимальные напряжения были меньше предела текучести материала дисков, который равен ơтд= 640 МПа. На основе выполненных расчетов для предотвращения перемещения_ вала вдоль оси вращения в конструкции силовой рамы было установлено дополнительно ре-

В.Л. Земляк, В.М. Козин, А.С. Васильев, Л.М. Владимиров, С.Н. Приходько

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОЧИСТКИ ДОРОЖНОГО ПОКРЫТИЯ ОТ СНЕЖНОГО НАКАТА бро жесткости между 3 и 4 диском (рис. 6). Также в качестве силовой рамы вместо швеллера марки 10П был выбран уголок 50×50×5 мм, т.к. жесткость конструкции оказалась избыточной.

Результаты полунатурных экспериментов по разрушению снежного наката

В ходе проведения экспериментов моделировался участок наката длиной 10 м, шириной 1,7 м и толщиной 0,1 и 0,17 м. Угол атаки оси с режущими дисками выставлялся в 30°.

Для фиксации процесса разрушения использовались высокоскоростные камеры машинного зрения VLXT-50M.I, осуществлявшие видеосъемку с разрешением 2464×2056 пикселей со скоростью до 163 кадров/с.

На первом этапе исследования моделировалось движение устройства в накате толщиной 0,1 м, плотностью до 0,5 г/см³ со скоростью U=0,3 м/с. Характер разрушения наката показан на рис. 9а. В процессе разрушения фиксировалось образование значительного числа мелких фрагментов длиной до 12 см, шириной до 7 см (размер фракции удобен для уборки фрагментов наката щеточным оборудованием) (рис. 9б). Накат при отделении от дорожного покрытия переворачивался, фрагменты перемешивались и имели острые сколы у основания (рис. 9в). Наибольший размер фрагментов составлял: длина - до 24 см; ширина - до 14 см.

а)

б)

в)

Рисунок 9. Проведение первой серии испытаний:

а - процесс разрушения наката толщиной 10 см; б – измерение размера фракции;

в – характер разрушения слоя наката

Далее моделировался накат толщиной 17 см плотностью до 0,5 г/см³ со скоростью U=0,3 м/с. Толщина моделируемого слоя наката была ограничена диаметром режущих дисков. Буксировкиустройствапоказали, чтоформированиемелкихфрагментовкакпри накате толщиной 0,1 м практически не происходило (возможность уборки фрагментов наката только плужными устройствами) (рис. 10а). Накат при отделении от покрытия не переворачивался, фрагменты были четко структурированы и оставались на месте (рис. 10б). Наибольший размер фрагментов составлял: длина - до 40 см; ширина до - 18 см.

а) б)

в)

Рисунок 10. Проведение первой серии испытаний:

а - процесс разрушения наката толщиной 17 см; б – характер разрушения слоя наката; в – измерение размера фракции

Проведенные на испытательном полигоне эксперименты показали, что прочностные характеристики основных элементов устройства, а именно оси с режущими дисками и силовой рамы достаточны для эффективного разрушения снежного наката толщиной до 17 см и плотностью до 0,5 г/см³. Тем не менее, при попытке разрушить накат плотностью более 0,6 г/см³ произошло изгибание дисков и разрушение конструкции в узлах крепления дисков к оси в местах, показанных на рис. 7б и 8а. Отсюда можно сделать вывод, что прочностные характеристики конструкции устройства должны зависеть от плотности снежного наката, для разрушения которого потребуются либо диски большей толщины, либо диски, выполненные из более прочных материалов, и в целом - более жесткая конструкция устройства и прочное крепление режущих элементов к оси.

Выводы

Предложено устройство, способное эффективно бороться со снежным накатом толщиной до 17 см и плотностью до 0,5 г/см³. Устройство работает в пассивном режиме при буксировке транспортным средством, просто в изготовлении и эксплуатации. Имеет широкие возможности для повышения эффективности работы.

Предварительно, для определения напряженно-деформированного состояния вы-

В.Л. Земляк, В.М. Козин, А.С. Васильев, Л.М. Владимиров, С.Н. Приходько

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОЧИСТКИ ДОРОЖНОГО ПОКРЫТИЯ ОТ СНЕЖНОГО НАКАТА полнена серия численных расчетов основных элементов и узлов устройства. Расчеты показали, что прочность предложенной конструкции достаточна для разрушения наката с заданными свойствами, однако при повышении плотности снежного образования необходимо использовать либо более толстые режущие диски, либо диски из более прочного материала.

Разработан и изготовлен испытательный полигон для проведения полунатурных испытаний предлагаемого технического решения.

В ходе проведения экспериментов установлено, что характер разрушения наката и размер фракции отделяемых фрагментов зависит от толщины снежного наката. Уборка разрушенного наката щеточным оборудованием возможна при его толщине до 10 см. Уборка наката толщиной до 17 см может осуществляться только устройствами плужного типа.

В дальнейшем планируется проведение экспериментов по влиянию размера режущих дисков, их толщины, расстояния между ними, скорости движения и угла атаки оси дисков на эффективность борьбы со снежными образованиями при плотности наката до 0,6 г/см³.