Scientific journal
Modern problems of science and education
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,813

SUBSTANTIATION OF EXPEDIENCY FOR CREATING MACHINES COMBINING TECHNOLOGICAL OPERATIONS AT BUILDING OF WINTER TEMPORARY ROADS

Shityy V.P. 1 Sharukha A.V. 1 Spirichev M.Yu. 1 Sibagatullin T.A. 1
1 Tyumen State Oil and Gas University
Строительство временных зимних дорог из снега в районах Крайнего Севера и Сибири при всей затратности в настоящее время является экономически выгодным и экологически безопасным. Короткий период эксплуатации этого типа дорог требует внедрения современных технологий, позволяющих продлить период эксплуатации за счет сокращения сроков возведения. Влажность (содержание жидкой фазы) - один из важнейших параметров снега напрямую влияющий на скорость строительства и получаемую прочностную характеристику дороги. Поэтому становиться, очевидно, необходимость постоянного мониторинга влажности снега в режиме реального времени в процессе строительства временных зимних дорог из снега. Существующие методики определения влажности снега не могут обеспечить непрерывного мониторинга влажности снега. Модернизация процесса измерений влажности снега в процессе строительства временных зимних дорог из снега, основанная на внедрении квантово-оптического влагомера с когерентным, монохроматическим фотодиодом, способным обеспечить непрерывное измерение влажности снега, поможет в автоматизации процесса определения влажности снега при строительстве.
Construction of temporary winter roads of snow in the Far North and Siberia, with all costs on now is cost-effective and environmentally friendly. A short period of operation of this type of roads requires the introduction of modern technologies to extend the period of operation by reducing construction time. Humidity (the content of the liquid phase) - one of the most important parameters of snow directly affects the speed of construction and the resulting strength characteristics of the road. Therefore, it is obviously the need for constant monitoring of snow humidity in real time during the construction of temporary winter roads of snow. Existing methods for determining moisture content of snow cannot provide continuous monitoring of humidity snow. Modernization process humidity measurements of snow in the construction of temporary winter roads of snow, based on the introduction of quantum-optical moisture with a coherent, monochromatic photodiode which can provide continuous measurement of humidity of snow, will help to automate the process of determining the moisture content of snow during construction.
construction technology snowy roads
snow temporary road
compaction of snow
The mechanization of the construction of roads

Возведение временных зимних дорог из снега (ВЗДиС) также,  как и автомобильных дорог капитального типа выполняется по регламентированной технологии [4]. Технологические параметры машин и механизмов, в частности, величина внешней нагрузки, технологическая скорость возведения ВЗДиС, определяются в зависимости от термических и физико-механических свойств снега, из которого возводиться полотно дороги[2, 5, 7]. Среди термических свойств снега значимыми факторами для строительства ВЗДиС являются его температура и влажность – содержание жидкой водной фазы.

Численное значение содержания объемной водяной фазы в снегу можно измерить различными методами, эти методы можно классифицировать на: центрифугирование, диэлектрический метод, растворение, и калориметрические методы [1, 9]. Некоторые исследователи протестировали другие методы, в том числе использование объемного расширения при замерзании и использование разбавления раствора воды в снежном покрове[10]. Методы определения влажности приведены в таблице 1.

В настоящее время не существует регламентирующих документов по выбору метода определения влажности, в разные годы были исследованы и апробированы различные методы.

Таблица 1

 Методы определения жидкой фазы в снеге

МЕТОД

ПРИНЦИП РАБОТЫ

АВТОРЫ

ГОД

Плавильной калориметрии

При внесении горячей воды в снег, измеряется энергия необходимая для плавления массы льда

Radok

Fisk D.J.

Ohmura

Kawashima K.

1961

1982, 1983

1980

1998

Вымораживательной калориметрии

Измеряется энергия, потраченная на замораживание жидкой фазы в снеге

Leaf

Fisk D.J.

Boyne H.S., Fisk D.J.

Jones H. G.

1966

1982, 1983

1987, 1990

1983

Спиртовая калориметрия

Измеряется температура при растворении снега в метаноле при 0°С

Fisk D.J.

1983, 1986

Растворение

Измерение уменьшения электрической проводимости раствора за счет разбавления жидкой фазы снега

Davis

Boyne H.S., Fisk D.J.

1985

1987, 1990

Диэлектрическая постоянная

Измерение емкостное сопротивление варьируемого от разницы диэлектрических постоянных жидкой фазы и льда

Boyne H.S., Fisk D.J.

Denoth A.

Ambach, Denoth A.

Schneebeli M.

1987, 1990

1994

1974

1998

Замораживание до кристаллизации

Замораживание до точки кристаллизации жидкой фазы после добавления солевого раствора

Bader

Morris E.M.

1950

1981

Центрифугирование

Центробежная сила используется для разделения жидкой воды от льда в образце снега

Kuroda, Hurukawa

Jones H. G.

1954

1979

На основе существующих методов создано большое многообразие измерительных приборов для определения влажности, в качестве мобильного устройства определения влажности при строительстве ВЗДиС возможно использование следующих влагомеров: портативный калориметр, оптический влагомер и прибор, работающий на основе диэлектрической проницаемости.

Портативный калориметр «Endo-type, snow-water, contentmeter» разработанный Katsuhisa Kawashima, ToruEndo, YukariTakeuchi (рис. 1), позволяет произвести замеры в течении двух минут, небольшим размером и весом [9].

Ингалятор.png

Рисунок 1 - Портативный калориметр: 1 - Теплоизолирующий материал, 2 - термистор термометр, 3 - металлический контейнер.

Прибор для определения влажности с использованием диэлектрических свойств снега, предложен A. Denoth и I. Wi1he1myn, представляет собой две пластины, погружаемые в снег с известной плотностью, пластины измеряют электрическую проницаемость на фиксированной частоте 20 МГц (рис. 2).

Рисунок 2. Прибор для определения влажности на основе диэлектрических свойств снега

Оптический влагомер, разработанный Оржаховским В.Г.[1] основан на световой проницаемости снега (рисунок 3).

Рисунок 3. Оптический влагомер: 1-емкость, 2-крышка, 3-светочуствительный элемент, 4- снег, 5-стеклянная пластина, 6-источник излучения, 7-реостат, 8-вольтметр

Существующие приборы для определения влажности снега, при высокой точности измерения и простоте использования дают лишь частную картину и носят статический характер. Для технологического процесса строительства ВЗДиС необходимо создание влагомера способного в локальной точке создаваемого дорожного полотна в режиме реального времени давать дифференцированную оценку влажности в единицу времени, для соответствия строительным нормам и правилам [6].

Использование портативного калориметра (рис. 1) в технологическом процессе невозможно из-за необходимости цикличности измерений. Прибор для определения влажности (рис. 2) до сих пор не реализован, так как на показания устройства влияют стратиграфические свойства снежного покрова,а также вариативность значений диэлектрической проницаемости в виду изменяющейся плотности между пластинами.

Поставленной задаче наиболее соответствует метод измерения заложенный в конструкцию оптического влагомера, так как в процессе снятия данных о влажности снега, не происходит изменение физико-механических свойств исследуемой среды, что позволяет снизить инструментальную погрешность измерения. Методика проведения измерений предложенным влагомером предполагает проводить циклические измерения в замкнутом светонепроницаемом объеме, из-за возникающей погрешности от солнечного света, что является существенным недостатком.

Перспективным видится модернизация процесса измерений влажности снега, при использовании принципа рассмотренного в конструкции оптического влагомера. Инновационным решением процесса измерения влажности является применение источника когерентного, монохроматического излучения и фотодиода, работа которого основана на фотовольтаическом эффекте который преобразует попавший на его фоточувствительную область свет, за счёт чего образуется заряд и ЭДС.

Для получения конструктивных параметров такого квантово-оптического влагомера (рис. 4) необходимо определить рабочие характеристики фотодиода и источника квантового излучения, на основе расчетных значений вольтаической и токовой чувствительности по энергетическому, световому потокам соответственно.

                     

                   

где:  – токовая чувствительность;

 – световой поток;

 – освещенность;

 -вольтаическая чувствительность.

При изменении влажности снежной массы будет изменяться её световая проницаемость, как следствие произойдёт изменение интенсивности светового потока попадающего на поверхность фотодиода, значение токовой и вольтовой чувствительности измениться соответственно, по изменению можно будет судить о влажности снега.

После создания опытного образца квантово-оптического влагомера и проведения тарировки разработанного прибора, изменение значений регистрируемых вольт-амперных характеристик будет указывать на изменение величины влажности в реальный момент времени.

Рисунок 4. Квантово-оптический влагомер:

1 - фотодиод;2 - выводы фотодиода; 3 – корпус влагомера;4 - условно обозначен снег;5 - условно обозначено прохождение светового потока через снег; 6 - источник направленного когерентного излучения

Достоинством применения такого прибора является возможность автоматизации процесса определения влажности снега при строительстве ВЗДиС.

Устройство представляет собой две пластины, на одной из пластин размещен источник монохромного когерентного излучения на другой пластине размещен фотодиод. Пластины расположены на рабочем органе термоувлажняющей строительно-дорожной машины и погружены в перемешанный измельченный снег. Влагомер регистрирует значение влажности снега в реальный момент времени, в случае несоответствия значения влажности снега необходимому для технологического процесса возведения дорожного полотнаВЗДиС, необходимо изменить влажность снега специализированной, строительной, термоувлажняющей машиной. Термоагрегат - машина для увлажнения снега представляющая собой устройство для подачи воды или пара, работающий в тандеме с перемешивающим устройством, изменяет параметры увлажняющего рабочего органа в сторону увеличения содержания жидкой водяной фазы в снеге[3]. Выполнения таких технологических операций возможно специализированными устройствами на базе универсальных строительно-дорожных машин, современными комбинированными машинами, совмещающими технологические операции, либо комплексом строительно-дорожных машин для возведения ВЗДиС [8].

В результате технологического прохода комплекса строительно-дорожных машин целинный снег преобразуется в подготовленный строительный материал, представляющий собой измельченную и увлажненную снежную массу с требуемыми физико-механическими свойствами. Благодаря равномерному измельчению, перемешиванию ледяных кристаллов и наличию жидкой водяной фазы на границе зерен, после приложения внешней нагрузки, в снежной массе начнутся процессы конструктивного метаморфизма, позволяющие набрать максимальную прочность полотна снеголедовой дороги.

Рецензенты:

Захаров Н.С., д.т.н., профессор, заведующий кафедрой «Сервис автомобилей и технологических машин», ФГБОУ ВПО «Тюменский Государственный нефтегазовый университет», г. Тюмень.

Тарасенко А.А., д.т.н., профессор, директор Регионального отделения Ассоциации инженерного образования России, ФГБОУ ВПО «Тюменский Государственный нефтегазовый университет», г. Тюмень.