Повышение эффективности работы снегозадерживающих устройств в регионах с переменными ветрами

Актуальность темы

диссертации. На железнодорожном съезде «Развитие 2030» [1] было отмечено: «железнодорожный транспорт всегда является инфраструктурным базисом хозяйственного комплекса России. И даже при самой неблагоприятной конъюнктуре он обеспечивал стабильность Российской экономике. Обеспечив надлежащую поддержку железным дорогам, мы сможем за короткий срок существенно повысить качество железнодорожных перевозок и обеспечить транспортную доступность регионов страны, что приведет к потенциальному росту качества жизни россиян». Качество железнодорожных перевозок зависит от множества факторов, оказывающих прямые и косвенные воздействия на подвижной состав и на конструкции железнодорожного пути, которые в процессе эксплуатации требуют проведения различных ремонтных мероприятий. Особенно работа железнодорожного транспорта осложняется в зимний период эксплуатации. В общей сумме эксплуатационных затрат на железных дорогах страны значительное место занимают расходы на снегоборьбу. По данным формы АГО-3 на железных дорогах общая протяженность снегозаносимых мест составляет 61 865,5 км, из которых ограждено лесонасаждениями, заборами и другими постоянными защитами 59 505,3 км. Для предотвращения заносов пути снегом в ходе подготовки хозяйства к работе в зимний период 2359.2 км подлежат ограждению переносными снегозадерживающими щитами. Наибольшая протяженность снегозаносимых мест, подлежащих ограждению, имеется на Восточно-Сибирской (452км), Свердловской (416 км), Дальневосточной (352 км) и Северной (310) железных дорогах. ОАО РЖД ежегодно на снегоборьбу на всей сети дорог расходует 800 млн руб., значительное количество труда и материальных средств.

Из-за снежных заносов пути происходят задержки поездов. Велик ущерб и из-за задержки грузов в пути, нарушение нормального ритма работы других отраслей народного хозяйства. Кроме того, до сих пор существуют линии, на которых происходят задержки поездов на перегонах и станциях по причине отложения снега на верхнем строении пути во время метелевого переноса. В перспективе развития железных дорог [1] планируется построить и ввести в эксплуатацию 1500 километров технологического и более 7000 км стратегического железнодорожного пути находящего в зоне с интенсивным переносом снега. Следует отметить, что в связи с увеличением грузооборота на линиях находящихся на Крайнем Севере, проблема предупреждения образования снежных заносов становится еще более актуальной.

На сегодняшний день для решения проблемы образования снежных заносов на пути применяются два направления. Первое согласно [2], предупреждение образования снежного заноса на пути, т. е. создание живых снегозащитных лесонасаждений, установка временных или постоянных снегозадерживающих конструкций в полосе отвода и.т.д. Второе согласно [3], очистка отложившегося снега на пути (вручную, снегоочистительными машинами, воздушными пушками и т. д.). Оба метода являются взаимно дополняющими, так как одной механизированной очисткой пути иногда не удается очистить путь от всего приносимого ветром снега за требуемый период времени, также невозможно в полосе отвода задержать снег, который выпадает в период снегопада.

Исследованиями отечественных и зарубежных ученых решены многие научные задачи механики метелей для районов, где ветер имеет скорость до 15−20 м/с [4]. Был проведен ряд исследований, посвященных изучению особенностей переноса снега при сильных метелях при скорости ветра 40−50 м/с [5]. Исследовалась работа снеговых защит в этих условиях, закономерности обтекания земляного полотна снеговетровым потоком в условиях малых сне-госборных площадей и при больших скоростях ветра. Разрабатывались также рекомендации по способам защиты и предотвращению заносимости пути при сильных метелях. Были тщательно изучены проблемы снегозаносимости и предупреждения образования снежных заносов на железнодорожных станциях [6]. Проведенные исследования позволили разработать меры по дальнейшему усовершенствованию средстьв для предупреждения образования снежных заносов на железнодорожном пути.

На сегодняшний день не достаточно изучены регионы Крайнего Севера, где направление метелевых ветров изменяется несколько раз в сутки, в связи, с чем интенсивность отложения снега в зоне действия снегозащиты возрастает. Здесь требуется, поэтому еще поиск эффективных способов защиты от снежных заносов. На однопутной линии Чум — Лабытнанги Северной железной дороги протяженностью 199 километров предупреждение снежных заносов осложняется природоклиматическими условиями. Согласно инструкции по снегоборьбе на железных дорогах Российской Федерации [7] для предотвращения образования снежных заносов на пути при направлениях метелевых ветров к оси пути менее 30, необходимо устанавливать снегозадерживающие устройства уступами (т.е. устанавливать косые ряды) под более прямым углом к направлению господствующих метелевых ветров. На данной линии существуют перегоны длиной десятки километров, где направление ветра может меняться до 3-х раз за сутки, от 10 до 165° по отношению к оси пути.

Данное обстоятельство вызывает большие сложности для проектирования стандартных средств снегозащиты, так как эффективность их работы резко снижается при возникновении острых углов атаки образующихся между направлениями метелевого ветра и осью пути.

Несмотря на значительные число научных исследований, где рассмотрены способы снегозащиты железных дорог от обычных метелей в обычных условиях [8,9], данное исследование является практически первым для района с переменными направлениями метелевых ветров и интенсивным снего-переносом.

Целью работы является повышение эффективности работы снегозадерживающих устройств для регионов с переменными ветрами в тундровой зоне на основе исследования особенностей переноса и отложения снега и применения современных полимерных материалов.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1) разработать теоретическую модель отложения снега вблизи базового снегозадерживающего устройства;

2) исследовать методами математического и физического моделирования процесс отложения снега вблизи снегозадерживающих заборов с разными конструктивными решениями обрешетки;

3) на основе моделирования выявить основные направления создания более эффективных снегозадерживающих устройств для регионов с переменными ветрами;

4) разработать экспериментальные конструктивные решения снегозадерживающих заборов для опытных участков с учетом снижения их веса и повышения долговечности;

5) провести на опытных участках в полевых условиях натурные эксперименты с разработанными экспериментальными конструкциями снегозадерживающих заборов;

6) разработать рекомендации для проектирования снегозадерживающих заборов в регионах с переменными ветрамивыполнить технико-экономическую оценку экспериментальных конструктивных решений снегозадерживающих заборов. Методика исследований. Для решения поставленных задач выполнялись теоретические, лабораторные и полевые исследования. Для повышения эффективности работы снегозадерживающих устройств для регионов с переменными ветрами использовались теория гидроаэродинамики, математическое моделирование процесса отложения снега на ЭВМ, физическое моделирование работы снегозащитных устройств в аэродинамической трубе. Полевые исследования выполнялись на линии ЧумЛабытнанги Северной железной дороги.

Научная новизна работы заключается в выявлении основных закономерностей работы снегозадерживающих устройств для регионов с переменными метелевыми ветрами, позволяющих разработать меры по повышению их эффективности. При этом основные научные результаты работы, полученные лично автором, состоят в следующем:

— на основе численного моделирования, на ЭВМ и физического моделирования в аэродинамической трубе исследованы зависимости изменения скорости снеговетрового потока и формирования снежного вала у препятствий различной конструкции;

— обоснованы и предложены два принципиально новых вида конструкции снегозадерживающих устройств: с обрешеткой в виде восходящих профилей Жуковского и с гибкими флагами;

— предложен схема и параметры силового воздействия тающего снега на снегозадерживающее устройство, позволяющие оценить прочность его отдельных элементов;

— в натурных условиях получены формы снежных валов у экспериментальных конструкций снегозадерживающих устройств с применением полимерных материалов и доказана эффективность их работы. Достоверность результатов. Достоверность выводов, полученных на основе теоретических и экспериментальных исследований, подтверждается результатами натурных наблюдений на опытном полигоне снегозадерживающих конструкций в регионе с переменными ветрами. Теоритические и фактические результаты имеют хорошую сходимость.

Практическая ценность работы состоит в разработке рекомендаций по проектированию и технологии сооружения снегозадерживающих устройств для регионов с переменными ветрами, а также создании опытных конструкций снегозадерживающих заборов с использованием полимерных материалов и проверке их эффективности.

Реализация результатов работы. Результаты исследований, полученные в диссертационной работе, были использованы при разработке проектной документации защиты пути от снега на участке Полярный Урал- 110 км линии Чум — Лабытнанги Северной железной дороги, на основе которой с участием автора в 2006 году были возведены 1,5 км опытных конструкций снегозадерживающего забора. Последующая эксплуатация опытной конструкций доказала ее эффективность.

По результатам исследований в 2008 году разработано учебное пособие для студентов.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на второй научно-технической конференции с международным участием «Современные проблемы проектирования, строительства и эксплуатации земляного полотна и искусственных сооружений» (Москва, МИИТ, 2005), на третьей научно-технической конференции с международным участием «Современные проблемы проектирования, строительства и эксплуатации железнодорожного пути» (Москва, МИИТ, 2006), на четвертой научнотехнической конференции с международным участием «Современные проблемы проектирования, строительства и эксплуатации железнодорожного пути» (Москва, МИИТ, 2007), на научно практической конференции Неделя науки -2007 «Наука МИИТа — транспорту» (Москва, МИИТ, 2007), V-ой международной научно-технической конференции «TRANS-MECH-ART-CHEM» (Москва, МИИТ, 2008), на 5 международной строительной конференции «5™ INTERNATIONAL ENGENNERING&CONSTRUCTION CONFERENCE» (Irvine, California, USA, 2008).

Публикации. По теме диссертации было опубликовано 11 работ, в том числе получен патент на изобретение.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, списка использованных источников и приложений. Объем работы составляет 174 страницы, 103 рисунка, 14 таблиц, 5 приложений.

Список использованных источников

включает 90 наименований работ отечественных и зарубежных авторов.

4.4 Основные выводы по главе 4.

На основе эксперементальных и полевых исследований можно сделать следующие выводы:

1. По поперечным профилям снегомерных сечений сделанных нивелировочной съемкой на опытном полигоне снегозадерживающих конструкций были установлены объемы снегоотложений вблизи снегозадерживающих устройств. По результатам поперечных профилей снегомерных сечений было установлено, что наибольшим объемом отложения снега обладает снегозадерживающее устройство с вертикальной обрешеткой из композитного материала. Большая снегосбо 133 способность данного устройства объясняется меньшей толщиной композитных планок (4 мм).

2. Разработан расчет для оценки воздействия тающего снега на отдельные элементы снегозадерживающего устройства, данный расчет может быть принят для обеспечения прочности элементов снегозадерживающих устройств при их проектировании в регионах с интенсивным снегопереносом и переменными ветрами.

5. Рекомендации по проектированию, технологии и технико-экономическое обоснование флажкового снегозадерживающего устройства 5.1 Рекомендаций по проектированию снегозадерживающих устройств в регионах с переменными направлениями метелевых ветров и интенсивных снепереносах.

Для обеспечения бесперебойного движения поездов на линиях расположенных в регионах с интенсивным снегопереносом особое внимание следует уделять вопросу проектирования средств снегозащиты [77,78].

Согласно «Инструкции по снегоборьбе на железных дорогах Российской Федерации» для предотвращения образования снежных заносов при направлениях о метелевых ветров к оси пути менее 30, необходимо устанавливать снегозадерживающие устройства уступами (т.е. устанавливать косые ряды) и таким образом, чтобы они оказались под более прямым углом к направлению метелевых ветров, данное требование распространяется и на дорогах США [79]. Выполнение данного требования в регионе, где проходит линия ЧумЛабытнанги осложняется наличием нескольких переменных господствующих направлений метелевых ветров и интенсивного снегопереноса. Для примера на рисунке 5.1 приведена роза снегоприноса станции Полярный Урал и участок железнодорожного пути.

753.0.

Рисунок 5.1-роза снегоприноса на ст. Полярный Урал.

Расчет розы снегоприноса 7% обеспеченности произведен по методике Д. М. Мельника [19]. По данным метеостанции Полярный Урал среднее число дней с сильным ветром составляет 75 дней. Наибольшее количество дней с сильным ветром приходится на зимний период: ноябрь 8 дней, декабрь 9 дней, январь и февральпо 10 дней. Направление метелевого ветра меняется несколько раз в сутки о о от 10 до 165. Данное обстоятельство вызывает большие сложности для проектирования стандартных средств снегозащиты, так как эффективность их работы резко снижается при возникновении острых углов атаки образующихся между направлениями метелевого ветра и осью пути.

Рассмотрим левую сторону пути. Суммарный снегопринос составляет 1240 м /пог.м. Проектирование стандартных средств снегозащиты осложняется наличием острых углов атаки, устройство уступов делается невозможным наличием нескольких направлений метелевых ветров. Флажковый снегозадерживающий забор по результатам физического моделирования может быть установлен параллельно о пути при более острых углах атаки (—10). На рисунке 5.2 показан пример устройства флажкового снегозадерживающего забора. с.

7510 о.

Рисунок 5.2- схема проектирования флажкового снегозадерживающего забора.

Следует отметить значительное удлинение снегозадерживающей линии при устройстве снегозадерживающих устройств уступами. Для примера можно рассмотреть правую сторону пути, показанную на рисунке 5.3. о.

753.".

Рисунок 5.3 — острые углы атаки между направлением метелевого потока и осью пути (с правой стороны ж.д. пути) В данном случае возможно проектирование стандартных снегозадерживающих устройств уступами, для облегчения задачи отразим участок ж.д. пути горизонтально рисунок 5.4.

Из рисунка видно, что для защиты железнодорожного участка длиной 100 м при проектировании стандартного снегозадерживающего устройства уступами линия снегозащиты становится длиннее на 70 м чем при установки флажкового снегозадерживающего устройства. Проектирование снегозадерживающих устройств с учетом данных рекомендаций и снегозадерживающих средств привело к сокращению простоев и задержек поездов на участке линии ЧумЛабытнанги Полярный УралСобь на 75% (приложение 5).

5.2 Технологическая схема монтажа флажкового снегозадерживающего устройства.

5.2.1 Общие сведения.

Флажковый снегозадерживающий забор сборной конструкции (ФЗС) состоит из сборной опоры (труба стальная квадратного сечения со стороной 50 мм), подкосы (труба стальная квадратного сечения со стороной 50 мм), распоры (труба стальная квадратного сечения со стороной 50 мм). Основанием стойки и подкоса является скважина (диаметром 150 мм, глубиной 2 м).

Также в конструкцию входит стальной равнополочный уголок, размерами 35×35×3мм (стальные тросы натянуты между 2-мя металлическими распорами). Данная конструкция применяется на сложном пересеченном рельефе. При строительных работах по сооружению флажкового забора (ФЗ) наносится наименьший урон окружающей среде.

Работы производятся без применения тяжелой техники и подъемных механизмов. Все это позволяет выполнять работы в сложных условиях: горная местность с сильно пересеченным рельефом, лесотундры и тундры в условиях Крайнего Севера согласно [80].

5.2.2 Конструкция флажкового забора.

Заборы ФЗ предусматриваются сборной конструкции опор из труб квадратного сечения со стороной 50 мм, распоров, подкосов и заполнением обрешетки стальными равнополочными уголками, 35×3×3700мм и прикрепленными к ним флагами. Опоры заборов ФЗС изготавливаются одного размера высотой 6.1м (2м закладывается под фундамент). ФЗ имеет высоту 4.2м.

Рисунок 5.5- ФЗ вид с боку.

Стоики Стоики.

Рисунок 5.6- ФСЗ вид спереди 5.2.3 Порядок сборки конструкции.

Разработка данного раздела выполнена на основе обследований, выполненных на участке Чум — Лабытнанги в сентябре 2004 года, а также с учетом [81].

Перед началом работ по устройству ФЗ необходимо произвести разметку линии установки забора согласно проекту [82].

Работы по непосредственному устройству ФЗ осуществляются в следующей последовательности:

1)Очистка основания для работы от лишних элементов (рисунок 5.7).

Рисунок 5.7- очистка основания.

2)Доставка и приведение в рабочее положение бурильной установки Bobcat Т250.

3) Выведение шнека в вертикальное положение (угол наклона 0°) (рисунок 5.8).

Рисунок 5.8 — выведение шнека в вертикальное положение 4) Бурение скважин глубиной 2 м для стойки рамной конструкции (рисунок. 5.9). с — 1 ' /.

V у/ у/ /у/ у/ у/ / 1 2 м /.

7 Г.

Рисунок. 5.9 — бурение скважин глубиной 2 м.

5) Установка асбестоцементной трубы в скважину (рисунок 5.10).

АсЕестои итиая.

Рисунок 5.10 — установка асбестоцементной трубы 6) Заполнение пространства, между асбестоцементной трубой и стенками скважины, крупнозернистым песком или отсевом с послойным уплотнением (рисунок 5.11).

Уплотненный АсБестоиементная песок.

Рисунок 5. И — заполнение пространства крупнозернистым песком 7) Раскладка деталей рамной конструкции по основным размерам вблизи скважин (рисунок 5.12).

Рисунок 5.12 — раскладка деталей рамной конструкции Сборка рамной конструкции 8) Монтаж верхнего распора к стойкам.

Распор соединяется со стойкой с помощью болтового соединения, а именно болтом М13, (рисунок 5.13,5.14).

Узел А-А.

Рисунок 5.13 — монтаж верхнего распора к стойкам.

Узел A-A соединение. — -i щ Стоика — J.

Распор

Рисунок 5.14 — узел А-А 9) Раскладка уголков в проектное положение. Девять нарезанных уголков раскладываются на просверленные заранее отверстия в распоре (рисунок 5,15,5.16).

Б-Б.

Рисунок 5.15 — раскладка уголков в проектное положение Стальной уголок крепится к распору с помощью болтового соединения.

Распор Уголок.

Рисунок 5.16 — узел Б-Б.

10) Монтаж раскосов к стойкам осуществляется при помощи накладок размерами 120×150×5, а также болтов М20 (рисунок 5.17).

I Б I.

ГР1 ь Ш.

Рисунок 5.17- монтаж раскосов.

11) Подъем рамной конструкции и установка ее в проектное положение.

12) В зависимости от рельефа местности по шаблону выставляется нижнее положение раскоса (рисунок 5.18).

Рисунок 5.18 — монтаж раскоса в проектное положение 13) Отмечается место проведения работ для бурения скважин для нижней стойки, соединение нижней стойки к подкосу (рисунок 5.19),.

А ! Б В.

Рисунок 5.19 — монтаж нижней стойки.

14) Проверка и докручивание основных болтов в узлах А, Б и В.

15) Далее выполняются работы с пункта 4. 14 приведенные выше.

16) Оставшееся пространство между 2-мя секциями, заполняется обрешеткой, путем крепления верхнего распора в проектное положение, и монтаж нижнего распора. После этого монтируются уголки с флагами.

17) Следующие 3-й секции, монтируются аналогичным способом, по той же технологии.

5.2.4 Установка рамной конструкции.

1) После сборки рамной конструкции, необходимо проверить надежность всех соединений.

2) Согласно [82] для установки рамной конструкции необходима бригада из 6 человек.

3) Рамная конструкция поднимается, после того как концы стоек накладываются на асбестоцементные трубы (рисунок 5.20, 5.21) ч.

Рисунок 5.20 — подготовка к установке рамной конструкции в скважины.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Проведенный анализ исследований по проблеме защиты пути от снежных заносов в регионах тундровой зоны с интенсивным снегопереносом и переменными ветрами позволил установить, что существующие снегозащитные устройства не позволяют решить проблему эффективного снегозадержания. Главными их недостатками является не эффективная работа при острых углах атаки метелевого потока, большой вес конструкций и использование дерева, сокращающего срок службы из-за гниения и недостаточной прочности планок при силовом воздействии тающего снега.

2. Обзор исследований процессов переноса и отложения снега показал, что работа снегозадерживающих устройств в большинстве случаев изучалась посредством физического моделирования в аэродинамических каналах и экспериментально в натурных условиях, поэтому многие зависимости этих процессов имеют эмпирический характер и могут быть использованы в конкретных ограниченных условиях и для тех конструкций, которые исследовались.

В тоже время данная проблема недостаточно исследована с применением современных математических методов, которые могут позволить получить основные зависимости процессов переноса и отложения снега для различных условий и конструкций.

3. Результаты проведенных моделирований на ЭВМ и в аэродинамической трубе показали, что недостатками существующих снегозадерживающих устройств является сильное торможение потока перед ним и слишком близкое расположение минимума скорости за ним, что приводит к накапливанию снега и заработке устройства. Эффективный снегозадерживающий забор должен обеспечивать задержание максимального количества снега и не зарабатываться в течение зимы, при этом снежный вал должен располагаться на максимально большом расстоянии за забором.

4. На основе математического и физического моделирования предложены две более эффективные конструкции снегозадерживающих заборов: с обрешеткой профилей Жуковского и гибких флагов.

Главным преимуществом устройства с обрешеткой в виде профилей является большее значение горизонтальной скорости вблизи снегозадерживающего устройства, что приводит к ускорению потока перед ним и уменьшает его зарабатываемость. Особенностью устройства с гибкими флагами является его автоматическая подстройка под меняющееся направление ветра, что позволяет эффективно задерживать снег под разными углами атаки, в том числе острыми. Кроме того, эти устройства имеют меньший вес.

5. В результате физического моделирования были определены оптимальные параметры флажковой обрешетки. Исходя из изменения сопротивления снеговому потоку, длина флага рекомендована 300 мм, а по результатам ресурсных испытаний прочности ткани её плотность выбрана в 900 г/м2.

6. Для уменьшения веса снегозадерживающего устройства с учетом выявленных силовых нагрузок, действующих на него, разработана универсальная рамная конструкция, не требующая тяжелой техники и больших трудозатрат при монтаже и подходящая под использование различных типов обрешетки.

7. На основании анализа разрушений деревянной обрешетки существующей снегозадерживающей конструкции с горизонтальной обрешеткой были разработаны схемы расчета силового воздействия, позволяющие оценить воздействие нагрузки от тающего снега на элементы конструкции.

8. В полевых условиях были получены формы снежных валов вблизи различных конструкций снегозадерживающих устройств, анализ которых показал, что флажковая снегозадерживающая обрешетка, имеющая наименьший вес, эффективно задерживает снег.

9. Была разработана технологическая схема монтажа флажковой обрешетки и универсальной рамной конструкции. Положения технологической схемы были использованы при разработке проектной документации на снегозадерживающие устройства и в последующем при выполнении работ по строительству снегозадерживающих заборов на линии Чум — Лабытнанги.

10. Технико-экономические расчеты показывают, что применение снегозадерживающих устройств с облегченной рамной конструкцией и флажковой обрешеткой позволяют сократить строительную стоимость 1 км снегозадерживающего забора на 2,5 миллиона рублей за счет стоимости строительных материалов и меньших трудозатрат.

11. По результатам исследований были сформулированы рекомендации по проектированию снегозащиты в регионах с переменными ветрами и интенсивным снегопереносом, заключающиеся в выборе типа и расположения снегозадерживающих устройств.