авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 8 |
-- [ Страница 1 ] --

В. В. Б огородский

В. П. Г аврало

О. А. Н едош ивин

РАЗРУШЕНИЕ

ПК Л А М ЕТО Д Ы,

J1 ТЕХН И ЧЕСКИ

Е

С РЕД СТВА

Ленинград Гидрометеоиздат 1983

УДК 556.124

Рецензенты: чл.-кор. АН СССР В. М. Котляков,

д-р техн. наук проф. А. Ф. Николаев.

Рассмотрено локальное по масштабам разрушение льда с применением, как

правило, неледокольных технических средств, требующих сравнительно неболь­ шого количества энергии.

Обобщены сведения о современных физических методах и технических сред­ ствах разрушения льда. Приводятся развернутые описания механического, тер­ мического, химического, электрофизического и комбинированного способов раз­ рушения льда. В таблицах даются необходимые для использования в инже­ нерно-технической практике сведения о производительности и эффективности технических средств, основанных на этих способах, а также об, изобретениях, Запатентованных в СССР и за рубежом.

По характеру помещенного материала книга представляет собой логическое продолжение справочника «Ле. Физические свойства. Современные методы гля­ циологии», выпущенного в 1980 г., и предназначается для специалистов в обла­ сти ледотехники, работников научно-исследовательских институтов и проектно­ конструкторских бюро.

In the book “Ice destruction” by V. V. Bogorodsky, V. P. Gavrilo, O. A. Ne doshivin discusses in detail methods of ice destruction on a local scale without ice breaking, but using other highly efficient methods requiring less energy.

The book summarizes the present state-of-art stressin g physical methods and technical m eans of ice destruction. Detailed description is given of mechanical, thermal, chemical, electric and combined methods proposed for ice destruction.

The Tables included in the book present all necessary information on the e ffi­ ciency of discussed technical tools and methods. N ew discoveries made in this country and abroad and patented which are pertinent to the ice destruction are discussed by the authors.

The book does not address those problems which are related to the ice decay in nature due to solar radiative effects and tidal and w ave impact.

The book can be regarded as a kind of handbook in a series together with the earlier published handbook “Ice, physical properties: modern glaciology m et­ hods” (1980). It is meant for engineers and scientists concerned with ice e n g i­ neering.

Б 1 9 0 3 0 3 0 1 0 0 - 1 1 6 1 Q.8 3 © Г и д р о м е т ео и зд а т. 1983 r.

069(2)- О Г Л АВ Л Е Н ИЕ П Р Е Д И С Л О В И Е.........................................Г................................................................... 1. МЕХАНИЧЕСКОЕ РАЗРУШ ЕНИЕ Л Ь Д А................................................... 1.1. Пробивающие и проламывающие с р е д с т в а........................................... 1.2. Режущие, фрезерующие и скалывающие с р е д с т в а.......................... 1.3. Буровые средства.............................................................................................. 1.4. Гидроструйпые с р е д с т в а................................................................................. 1.5. Взрывные средства.......................................................................................... Изобретения для механического разрушения л ь д а....................................... 2. ТЕРМИЧЕСКОЕ РАЗРУШ ЕНИЕ Л Ь Д А........................................................ 2.1. Зачерняющие с р е д с т в а..................................................................................... 2.2. Пневматические и гидродинамические с р е д с т в а.................................. 2.3. Паро-водовоздушные с р е д с т в а.................................................................... 2.4. Газотермические средства............................................................................. 2.5. Электротермические средства..................................................................... Изобретения для термического разрушения льда........................................... 3. ХИМИЧЕСКОЕ РАЗРУШ ЕНИЕ Л Ь Д А........................................................ Изобретения для химического разрушения л ь д а............................................ 4. ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКОЕ РАЗРУШ ЕНИЕ Л Ь Д А....................................... 4.1.Элсктроимпульспые с р е д с т в а......................................................................... 4.2.Электрогидравлические с р е д с т в а................................................................ 4.3.Лучевые средства.............................................................................................. 4.4.Электромагнитное поле, радиационное облучение, ультразвуковые волны........................................................................................................................ Изобретения для электрофизического разрушения л ь д а.............................. 5. КОМБИНИРОВАННОЕ РАЗРУШ ЕНИЕ Л Ь Д А........................................... Изобретения для комбинированного разрушения л ь д а.............................. СПИСОК Л И Т Е Р А Т У Р Ы.............................................................................................. 1* ПРЕДИСЛОВИЕ В инж енерной гляциологии и лед о тех н и к е п роблем а разруш ен и я л ьд а яв л яе тся одной из наиболее актуал ьн ы х: с ней св язан о р е­ ш ение многих з а д а ч в полярны х об л астя х Зем ли.

Р азр у ш ен и е л ь д а (к а к в принципе и р азр у ш ен и е лю бы х д ругих м а т е р и а л о в )— ком плексн ая п роблем а, л е ж а щ а я на сты ке ф изики твердого тел а, м еханики сплош ны х сред и м атери ал оведен и я. Л ед, особенно морской, о б л а д а ет известны м и ан ом али ям и, которы е о б ъ ­ ясняю тся наличием в нем одноврем енно твердой, ж и дкой и г а зо ­ образн ой ф аз. Д а ж е небольш ие кол еб ан и я тем п ературы приводят к изменению соотнош ений этих ф аз и к а к следстви е — к изм ен е­ нию ф изико-м еханических свойств л ьд а. Н овы е гидротехнические зад ач и, связан н ы е с разруш ением так ого слож н ого м атер и ал а, тр е­ буют непреры вного соверш енствования м етодов и технических средств. И х обобщ ение в ф орм е, удобной д л я ш ирокого круга по­ треби телей,— цель настоящ ей книги. В ней рассм отрен о лиш ь л о ­ к а л ь н о е по м асш таб ам разруш ен и е с прим енением, к а к п равило, неледокольны х технических средств, требую щ их сравн и тел ьн о не­ больш их эн ер го затр ат, пропорциональны х об ъем у и м ассе р а зр у ­ ш аем ого л ьд а. Вопросы естественного разруш ен и я л ьд а в природе под влиянием солнечно-радиационны х, приливны х и ветро-волно вых ф акто р о в в книге не р ассм атр и в аю тся. М еханический и тер ­ мический методы ран ее других стал и прим ен яться д л я разруш ен и я л ьд а, их использование позволило оп робовать больш е р а зр а б о т а н ­ ных технических средств, что, естественно, о тр ази л о сь на объем е первы х двух гл ав книги. В конце каж д о й гл ав ы п риводятся т а б ­ лицы с перечнем изобретений д л я разруш ен и я л ьд а, за п а те н то в а н ­ ных в разли чн ы х стр ан ах. Такой подход к освещ ению м а тер и ал а следует считать особенно ценным, откры ваю щ и м новые персп ек­ тивы при реш ении практических зад ач. К р атко и зл ож и в слож н ы е вопросы р азруш ен и я л ьд а с соврем енны х ф изико-технических по­ зиций, авторы — чл.-кор. А Н С С С Р В. В. Б огородски й, канд. физ. мат. н аук В. П. Г аври ло и канд. геогр. н ау к О. А. Н едош ивин — сд ел ал и очень в аж н у ю и полезную работу.

К нига « Р азр у ш ен и е л ьд а. М етоды, технические средства», н е­ сомненно, вы зовет больш ой интерес у ш ирокого кр у га читателей и будет служ и ть дальн ей ш ем у прогрессу в инж енерной гляциологии и ледотехнике.

Д -р ф из.-м ат. наук, проф. Ю. С. С едунов МЕХАНИЧЕСКОЕ РАЗРУШЕНИЕ ЛЬДА С р ед ства м ех ан и ч еско го р а зр у ш е н и я л ь д а : п р о би ваю щ и е и п р о л ам ы ваю щ и е (7 );

р е ж у щ и е, ф р е зе р у ю щ и е и с к а ­ л ы в аю щ и е (29);

б у р о вы е (5 8 );

ги д р о стр у й н ы е (98);

взры вн ы е (102).

Р азр у ш ен и е лю бого твердого тел а в первую очередь связан о с понятием о его прочности — свойством м атер и ал а в определен ­ ных услови ях и пределах, не р азр у ш аяс ь, восприним ать р азл и ч ­ ные механические н агрузки и неравном ерны е воздействия ф изиче­ ских нолей. П рочность л ьд а, в частности, в значительной степени зави си т от м н огообрази я его структурны х особенностей. Н а проч­ ность льд а сильно влияю т внеш ние условия — х ар ак тер нагрузок, тепловой реж им, агрессивность окруж аю щ ей среды, поверхност­ ные эф ф екты и т. д.

П риродны й л ед содерж ит многочисленны е повреж ден ия — от субм икроскопических и м икроскопических д еф ектов д о крупных пор и м аги стральн ы х трещ ин.

О собенность л ьд а по сравнению с другим и м атер и ал ам и за к л ю ­ ч ается в том, что в естественны х услови ях л ед находится при тем ­ пературе, близкой к тем п ературе п лавлени я, не вступает в хим и­ ческое взаи м одей ствие с прим есям и и имеет сравн и тельно крупно­ кристаллическую структуру. И сслед овани я показы ваю т, что л ед о б л а д а ет низким пределом упругости и д а ж е при м алы х н агр у з­ ках о б н ар у ж и вает яр к о вы раж ен н ы е реологические свойства, про­ являю щ иеся в виде сниж ения во времени прочности, релаксац и и н ап ряж ени й и р азви ти я д еф орм аций ползучести.

В следствие м ногообразия ф акторов, определяю щ их физические свойства л ьд а, д ан н ы е по его прочностны м характери сти кам, по­ лученны е исследователям и многих стран по р езу л ьтатам многих ты сяч эксперим ентов за предш ествую щ ие 100 лет, имеют больш ой д и ап азо н значений. Н апри м ер, прочность на сж ати е изм еняется прим ерно от 4 -1 0 5 до 1 3 0 -105 П а (и д а ж е б ольш е), а прочность на изгиб — от 3 -1 0 5 до 3 0 -1 05 П а.

К сож алению, п рактически во всех сл уч аях до недавнего вре­ мени эти р езу л ьтаты приводились без достаточной инф орм ации о структуре л ьд а и услови ях п рилож ени я н агрузки, т а к что они не могут быть использованы д л я установлен и я общ их зак о н о м ер ­ ностей прочностны х свойств л ьд а. О сновной резу л ьтат обобщ ения этих дан ны х м ож ет быть сведен к тому, что, если известны струк I. МЕХАНИЧЕСКОЕ РАЗРУШ Е НИЕ Л ЬД А тура, соленость и тем п ература л ьд а, прочность его к а к м атер и ал а м ож ет бы ть оценена.

В настоящ ее врем я п роблем а прочности р ас см а тр и в ае тся с по­ зиций механической и кинетической концепций.

С огласно механической концепции, р азруш ен и е есть р езу л ь тат потери устойчивости твердого тел а. С чи тается, что д л я каж д о го м атер и ал а имеется определенное пороговое н ап ряж ен и е. П ри н а­ п ряж ении ниж е порога тело устойчиво и м ож ет сохран ять ц ел ост­ ность под н агрузкой сколь угодно долго. Это пороговое н а п р я ж е ­ ние приним ается за меру прочности тел а.

В кинетической концепции основны м я в л я е тся процесс р а зв и ­ тия р азруш ен ия. Р азр у ш ен и е происходит постепенно вследствие разви ти я и н акоп лен и я субм икроскопических трещ ин. Э тот процесс р азв и вается в н ап ряж енн ом теле под действием тепловы х ф л ю к­ туаций. В водится понятие о долговечности под нагрузкой, т. е.

49 времени, необходимом д л я р азви ти я процесса от м ом ента н агр у ­ ж ен и я тел а д о его разруш ен ия. В опрос о том какую н агр у зку спо­ собно вы д ер ж ать тело, т. е. к ако в а его прочность, без у к а зан и я времени, в течение которого оно д о л ж н о сохран и ться н еразорван ным, не имеет однозначного ответа. Э то п о казы в ает, что терм ины «предел прочности», «предельное разры вн ое н ап ряж ен и е» условны.

Они теряю т смысл при суж дении о ф изической природе прочности тверды х тел, но вполне удобны д л я практики.

П од механическим разруш ен ием л ьд а будем поним ать м акро­ скопическое наруш ение его сплош ности в р езу л ь тате тех или иных контактны х воздействий на него. Р азруш ен и ю л ь д а предш ествую т упругие и пластические деф орм ации. Р а зл и ч а ю т н ач альн ое р а з р у ­ шение, св язан н о е с разви тием пор, трещ ин и других наруш ений сплош ности, и полное разруш ен ие, х ар актери зую щ ееся р а зд е л е ­ нием тела на д ве или более частей;

хрупкое (без значительной пластической деф о р м ац и и ) и пластическое (или в я зк о е );

у ста л о ст­ ное;

дли тельн ое и другие виды механических разруш ен ий.

О сновы ф изических теорий текучести и р азруш ен и я тверды х тел стал и успеш но р азв и вать ся лиш ь в п оследние годы, поэтому сейчас не всегда возм ож но д а ж е количественно объясни ть некото­ ры е особенности процесса разруш ен ия тверд ы х тел вообщ е и, в частности, такого слож н ого тела, к а к лед.

Э ф ф ективность (а сл ед овательн о) и экон ом и ч еская целесооб­ разн о сть прим енения) тех или иных технических средств р а з р у ­ ш ения л ьд а о п ред еляется в первую очередь такой их в аж н ой х а ­ рактери сти кой к а к уд ел ьн ая энерги я разруш ен и я, т. е. за т р а т ы энергии на р азруш ен ие единицы о б ъем а или м ассы л ьд а.

П ри р азр а б о т к е и соверш енствовании средств р азр у ш ен и я л ьд а с технической точки зрен и я обоснованны м яв л яется н ап равл ен и е 1.1. Пробивающие и проламывающие средства на уменьш ение удельной энергии при разруш ении, ведущ ее к уменьш ению общ их энергетических з а т р а т и, к а к следствие, к уменьш ению массы, габ ари тов разруш аю щ его устройства.

П р ед став л я ется ц елесообразны м р ассм атр и в ать энергетические хар актер и сти ки процессов разруш ен и я л ьд а, исходя из следую щ их соображ ен ий : во-первых, энергетический подход п озволяет про­ вести ан ал и з методов м еханического р азруш ен и я л ьд а (хрупкого или с развитием в нем прогрессирую щ ей ползучести) д л я вы бора оптим альны х в конкретной ситуации. Р асч еты п оказал и, что эн ер ­ го затр аты при разруш ен ии л ьд а с вы водом его на прогрессирую ­ щую ползучесть сущ ественно выш е (на несколько п орядков) эн ер­ го затр а т при хрупком разруш ении.

Во-вторых, учиты вая, что сравн и тел ьн о л егко м ож но получить энергетику внеш них фоновы х процессов (связан ны х, наприм ер, с дрейф ом, ветровы м и н агрузкам и, течен и ем ), м ож но построить и их «проекцию » на м еханическое поведение лед ян ого покрова, т. е.

оценить поток энергии воздействия л ьд а на сооруж ение и оп реде­ лить з а п а с его прочности.

1.1. П робиваю щ ие и пролам ы ваю щ и е средства В зависим ости от н ап равл ен и я воздействия на ту или другую поверхность л ьд а м ож но рассм атр и в ать д ва асп екта этого про­ цесса: пробивание л ьд а ударом по поверхности и пролом ледяного покрова при всплы тии технических средств.

У дар твердого тел а о л ед и его п робивание с д авн и х пор я в ­ ляю тся проблем ой практики. В ы яснение зак о н о в взаим одействия твердого тела с ледян ы м покровом при у д ар е п ред ставл яет инте­ рес при реш ении вопросов сб расы ван и я груза, разруш ен ия л ьд а ледоколом, посадки сам олетов и т. д. С этой целью ещ е в 1932 г.

были поставлены три опы та, при которы х на л ед сб р асы в ал ся груз 57 кг с высоты 2 и 3 м. О тм ечалось возникновение бы стро з а т у ­ хаю щ их колебаний с периодом около 0,1 с, но полученных р езу л ь ­ тато в бы ло недостаточно д л я р азр а б о тк и м етодики расчета пре­ д е л а прочности лед ян ого покрова при у д ар е и пробивании. А н а­ логичные эксперим енты по изучению у д ар а груза о л ед Л а д о ж ­ ского озер а выполнены в 1967— 1969 гг. [86, 162, 163].

Н а стальн ы х полусф ерических отл и вк ах массой 300 и 156 кг, сб расы ваем ы х на озерны й лед, у стан авл и в ал и сь тензом етрические д атчики перегрузок, с помощ ью которы х зап и сы вали сь осц и лло­ грам м ы у д ар н о го им пульса. Зап и сы в ал и сь т а к ж е упругие коле* бан ия ледян ого покрова, вы зван н ы е ударом. К онтактн ое давл ен и е превы ш ало 15 М П а, что зн ачительн о больш е п редела прочности л ьд а при сж ати и кубических об разц ов [86].

I. МЕХАНИЧЕСКОЕ РА ЗР У Ш Е Н И Е Л ЬД А Н аи б о л ее сущ ественны м изменением структуры л ь д а в зоне кон так та после у д а р а яв л яется о б р азо в ан и е зоны м елкозерн истого л ьд а, отделенного от основной м ассы четко вы раж ен н ой п оверх­ ностью р азруш ен и я, а та к ж е зоны со зн ачительн ы м и сд вигам и по базисны м поверхностям и н еравном ерны м см ещ ением по гр ан и ­ цам м еж д у кр и сталл ам и [163]. Х ар ак тер такого изм енения стр у к ­ туры л ь д а в зоне к о н так та сохран яется н езави си м о от тем п е р ату р ­ ного р еж и м а л ьд а и начальной скорости у д а р а в д и а п а зо н е 1— 5 м /с.

О пределен а у д ел ьн ая энергия м еханического д роблен и я е*, т. е. энергия р азруш ен и я, отнесенная к единице м ассы р а зд р о б л е н ­ ного вещ ества [162]. С реднее зн ачение этого п ар ам етр а, ср авн и ­ тельно стаби льное д л я к а ж д о го ти п а л ьд а, зав и си т от его стр у к­ туры и тем пературы, изм ен яясь от 3 -1 0 -3 Д ж /г д л я весеннего до 14-10-3 Д ж /г д л я зим него л ьд а. Э нергия р азр у ш ен и я, п ри ход я­ щ а я ся на единицу о б ъем а, оп ред ел яется по ф орм ул е t v — Ос/2, Ь где а с — соответствую щ ая прочность льд а при у д ар е;

Е — м одуль норм альной упругости.

С учетом в ы р аж ен и я е„ = е*р д л я пресного л ь д а ev = 3 X X I О3 Д ж /м 3.

Д. Е. Хейсиным с соавторам и рассм отрена т а к ж е м атем ати ч е­ ск ая м одель внедрения твердого тел а в поверхность л ьд а при уд ар е, с помощ ью которой оп ред еляю тся кон тактн ы е д авл ен и я в зоне у д а р а, о казы ваю щ иеся п рям о п ропорц и ональн ы м и у д ел ь ­ ной энергии разд р о б л ен и я л ьд а. Н. Г. Х рап аты м и В. Г. Ц упри ком т а к ж е стави ли сь эксперим енты по изучению п роби ван ия л ьд а и возникновения изгибны х колебан и й в лед ян ом покрове при у д а р ­ ных воздействиях [38, 164— 169]. У дарны е н агр у зки со зд ав ал и сь при сбрасы ван и и сф ерического груза в 300 кг со скоростью 1— 6 м /с (рис. 1.1).

П ри небольш ой н агр у зке л е д д еф орм и руется упруго, и после снятия н агр у зки никаких видимы х следов у д а р а нет (рис. 1.1 а).

Д альн ей ш и й рост н агрузки вы зы вает об р азо в ан и е и разви ти е кон­ центрических трещ ин, обособляю щ ихся в конус (рис. 1.1 б ), р а с ­ калы ваю щ и й ся в глубину.

П осле того, к ак осевы е трещ ины д ости гаю т боковой п оверх­ ности конуса, под п лощ адкой к о н так та происходит о б р азо в ан и е зоны м елк оразд робленн ого л ьд а, вы зы ваю щ его скол боковы х кон­ солей. П о окончании процесса разруш ен и я об р азу ется л у н к а, з а ­ п олненная продуктам и дроблен и я и со х р ан яю щ ая остатки трещ ин конической и осевой системы (рис. 1.1 г). О севы е трещ ины р ас п р о ­ 1.1. Пробивающие и проламывающие средстпа страняю тся па горазд о больш ую глубину, чем зона мелкого д роб ­ ления.

Основную роль в этом процессе играю т растяги ваю щ и е н ап р я ­ ж ения, которы е приводят к о б разован и ю конических и рад и ал ьн ы х трещ ин. Они обусловли ваю т о б р азо в ан и е м елкораздроблепн ой зоны л ьд а. Таким об разом, при внедрении тела в л ед под п лощ ад ­ кой ко н так та перед разруш ением л ьд а в н ап равлении действия а — у п р у го е п о гр у ж ен и е;

б, в — о б р а зо в а н и е ко н и ч ески х и осевы х трещ ин со о тветствен но ;

г — с ко л бо ко вы х консолей.

н агр у зки р азви ваю тся сж им аю щ ие н ап ряж ен и я, а в н ап равл ен и ях, перпендикулярны х действию силы,— растягиваю щ ие.

В неш ние части конуса п ред ставл яю т собой ж есткую оболочку, удерж и ваю щ ую п еренапряж енную внутренню ю об ласть, в которой господствую т растяги ваю щ и е н ап ряж ен и я. Б л аго д ар я р азры ву этой оболочки системой трещ ин внутренняя п ерен ап ряж ен ная об ­ л асть соединяется с областью внеш него низкого д авлен ия. В р е­ зу л ьтате внутренние н ап ряж ен и я р езк о сн и ж аю тся, а вы свободив­ ш аяся часть потенциальной энергии переходит в кинетическую энергию облом ков разруш ен ия.

Н а ч ал о трещ и н ооб разован и я при различны х скоростях внедре­ ния н аб лю д ается при постоянном контактном д авлен ии, равном статическом у пределу прочности об р азц о в л ь д а при одноосном сж ати и в услови ях проведенны х опытов.

П оследней стади и разруш ен и я, т. е. сколу боковых консолей, соответствую т м акси м альн ы е кон тактны е н ап ряж ен и я, которы е зн ачительн о превосходят статический предел прочности при одно­ осном сж ати и.

П ри больш их скоростях падения груза, м алой его опорной п ло­ щ ади, отсутствии снеж ного покрова возм ож н о пробивание л ьд а по периф ерии груза. В этом случае прочность л ьд а лим итируется в основном прочностью л ь д а при скалы ван и и.

1. МЕХАНИЧЕСКОЕ Р А ЗР У Ш Е Н И Е Л ЬД А Е сли пробивания не произойдет, то после у д а р а груз будет со­ верш ать.вертикальн ы е дви ж ени я, н аходясь в кон так те с проги­ баю щ им ся ледяны м покровом д о тех пор, пока не будет д ости г­ нут наибольш ий прогиб л ьд а.

П о к азател и динам ических испытаний ср авн и вал и сь со зн ач е­ ниями х ар актер и сти к статических испытаний.

В ыяснены зависим ости удельной энергии м еханического д р о б ­ ления л ьд а от тем пературы и скорости н агруж ен и я, ном инальны х контактирую щ их н апряж ений, и рассм атр и в ается процесс в н едре­ ния тел а в л ед в коорди натах «усилие—д еф орм ац и я» [1 6 8 ]. И с­ следован прогиб бесконечной плавучей пластины и врем я его н а­ ступления в зависим ости от мощ ности у д а р а, геом етрии и упругих х ар актер и сти к плиты [169]. П р ед л о ж ен а м етоди ка р ас ч е та гл у­ бины внедрения твердого тела в ледян ой покров [1 6 5 ], р а з р а б о ­ тан критерий и оп ределен а у д ел ьн ая энерги я м еханического р а з ­ руш ения л ьд а (У Э М Р Л ) — энергия, н еобходим ая и д о стато ч н ая д л я разд р о б л ен и я единицы м ассы л ьд а. К оличественно У Э М Р Л оп ределяется по м етодике работы [165] к а к отнош ение н ео б р а­ тим о затраченн ой энергии у д а р а к м ассе л ь д а в о б ъем е о б р а зо ­ вавш ей ся лунки.

У дельн ая энергия м еханического разруш ен и я л ьд а яв л яется функцией его тем пературы, не зави си т от н ачальной энерги и у д ар а.и явл яется достаточно стабильной величиной.

З а рубеж ом т ак ж е проводились опыты по изучению п р о б и в а­ ния ледян ого покрова и возникаю щ их при этом колебаний.

В СШ А [255, 256] д л я пробивания л ьд а при тем п ер ату р е от 0 до — 20 °С прим енялись сферические уд арн и ки из р азл и чн ы х м а т е р и а ­ лов (нейлон, с т а л ь ). В резул ьтате опы тов получены эксп ери м ен ­ тальн ы е д ан н ы е о коэф ф ициенте восстановлен и я при соударени и сферического у д арн и ка с поверхностью м ассивного л ед ян о го б лока.

К оэф ф ициент восстановления оп ред еляется отнош ением скоростей сферы до и после соударения. О тмечено ум еньш ение ко эф ф и ц и ­ ента восстановления с ростом скорости соуд арен и я и с увел и че­ нием рад и у са сф еры — уд арн и к а [256]. Я нг оп и сал и сследован и е п арам етров, влияю щ их на пробивную способность п одледного ра диогидроакустического буя [189]. Буй состоит из у д ар н и к а д л я пробивания л ьд а, контейнера с ап п аратурой и антенны (рис. 1.2).

У дарни к д о лж ен пробивать л ед толщ иной 3 м при п ер п ен д и ку л яр ­ ном у д ар е о его поверхность со скоростью 131 м/с. К онтейнер про­ никает в л ед на 25 см, оставл я я антенну на поверхности. Е сли лед имеет толщ ину только 30 см, наконечник д о л ж ен п роби вать его и входить в воду со скоростью 130 м/с. К онтейнер д о л ж ен отд е­ литься от наконечника, п огрузиться на глубину 2 м и всплы ть об ­ ратн о к поверхности р азд ел а м еж ду льдом и водой. А нтенна о с та ­ 1.1. Пробивающие и проламывающие средства ется па поверхности воды в отверстии или воронке, образован ной при пробивании л ьд а. Р езу л ьтаты испы таний п оказал и, что влия Рис. 1.2. Пробивание ледяного покрова ударником подледного радиогидроакустического буя [189].

а — ко н ф и гу р а ц и я в п о лете;

б — о т д е л ен и е к о н тей н ер а и о т ­ с е к а ан тен н ы ;

в, г — п р о б и в ан и е т о н к о го и тол сто го л ь д а с о о тветствен н о.

нием снеж ного п окрова м ож но пренебречь. У становлено так ж е, что, хотя морской и пресноводны й льды разли чн ы по своим ф и ­ зико-м еханическим свойствам, коэф ф ициенты пробивания того и I. МЕХАНИЧЕСКОЕ РА ЗР У Ш Е Н И Е Л ЬЯ Л другого весьма близки. О п ти м ал ьн ая ф орм а у д ар н и к а — конус, д ли н а которого превы ш ает его д и ам етр в 3 р а за.

П олучены у равн ен и я д л я расчета глубины проникновения у д а р ­ ника в л ед и коэф ф ициента п роби ван ия в сл у ч ае п роби ван ия л ьд а насквозь:

Z) = 3, 1 • lO~3S N ( l/t — - 0 0 ) для 200 фут/с;

D = 11,7 - IQ -3S N (Vi — 30,5) ^JW JA д л я Vi ^ 6 1 ф ут/с, TV?

S= —5----------------------------------------------------------------------------------- у-т-- о 1д л я V{ ^ i v i ~ v ) [31 ' 10~ N, (Vi ~ 100)] TV t S = - г - П------------------------------------------------------------------------- 5Г7-о ‘ 7= ----------- г~ Д ( V * - V l ) [ U. 7 - 10~3N ^ W / A ( V j - 3 0, 5 ) ] ' Рис. 1.3. Пробиваемость льда в зависимости от его толщины [189].

1 — см о р о зь в к а н а л а х ;

2, 3 — о д н о л е т ­ ний м о р ско й л е д (2 — П о р т -К л ар е н с, А л я ск а, 3 — Т у л е, Г р е н л а н д и я );

4 —.

п р есн о во дн ы й л е д (оз. Д а м б е л л, К а ­ н а д а );

5 — м н о го л етн и й л е д.

где D — глубина проникновения (без п ер ф о р ац и и ), ф ут (1 ф ут = — 0,305 м );

5 — коэф ф ициент пробивания, б езр азм ер н ы й ;

N = = 0,7... 1,31— коэф ф ициент работоспособности носа у д ар н и к а, безразм ерн ы й ;

W — м асса пробиваю щ его у строй ства, ф унт;

А — площ адь поперечного сечения, дю йм2;

Vi — скорость у д а р а, ф ут/с;

Т — толщ ина, фут;

Ve — скорость пробиваю щ его устрой ства на выходе из слоя л ьд а, фут/с.

И з уравнений, которы е справедли вы д л я W ^ 22,7 кг и W /А ^ ^= 0,35 кг/см 2, видно, что толщ ина л ь д а и коэф ф и ци ен т проби­ вания — взаи м о связан н ы е величины : п ред ел ьн ая тол щ и н а л ьд а 3 м оп ред еляет нижний предел коэф ф и ци ен та проби ван ия, р а в ­ ный 2, то гд а к а к д л я сам ого мягкого л ьд а он равен 8 (рис. 1.3).

П одробно рассм отрены п арам етры у д а р а о лед: скорость у д ар а (91— 183 м /с ), угол н акл он а траектори и, угол у д а р а (м еж д у 1.1. Пробивающие и проламывающие средства траекторией д ви ж ени я устройства и поверхностью л ь д а ), угол атаки. П о к азан о, что при угл ах у д а р а 40° устройство проникает в лед, а при у гл ах 36° — рикош етирует. П ри необходимости со з­ д а т ь более вы сокие скоро­ сти у д ар а, чем это п озволяет ускорение свободного п ад е­ ния, предлож ен о устройство с ракетн ы м д ви гателем, стоимость которого, естест­ венно, выше.

В д о к л ад е [257], прочи­ тан н ом на м еж дународной конференции «И нж енерны е исследования природной среды о кеан а» (O cean 74), сообщ ается о р езу л ь татах трех серий опытов по про­ биван и ю морского л ь д а у ст­ ройствами, сброш енны ми с сам о л ета. У стройства, сн аб ­ ж енны е телем етрической а п ­ п ар ату р о й, п о зво л яли не Рис. 1.4. Ледокольные системы для разрушения льда ударом по его верхней (а) и нижней (б) по­ верхности [80, 84].

/ — д о л б е ж н ы й э л ем ен т;

2 — б а л к а с п и л о о б р а зн ы м и зу б ь я м и ;

3 — за щ и т н а я ш то р а;

4 — п л у н ж е р ;

5 — н о со вая часть судна.

только вести зап и сь ускорений при пробивании л ьд а, но и п олучать инф орм ацию о п ар ам етр ах состояния о к е ан а после пробивания. Н а ф ак у л ьтете инж енерны х и прикладн ы х н аук университета г. Сент Д ж о н с (Н ью ф аундлен д, К а н а д а ) в процессе выполнения темы «М еханика р азруш ен и я льд а» Л егерер и сследовал теоретические аспекты разр у ш ен и я л ьд а и получил, в частности, выводы об э ф ­ ф екте сдвиговы х н ап ряж ени й под воздействием у д а р а [227].

Р я д технических реш ений воплощ ен в устройствах, р азр у ш аю ­ щ их лед м ногократны м и у д ар ам и по его поверхности.

С удостроителям и р а зр а б о т а н а суд овая л ед окол ьн ая система (пат. 3.670.681 С Ш А ), состоящ ая из двух ледокольны х элем ентов.

1. МЕХАНИЧЕСКОЕ РАЗРУШ Е НИЕ ЛЬД А О дин из них располож ен подо льдом и сн аб ж ен вилообразн ы м и зубьям и, приж аты м и к ниж ней поверхности л ьд а. Н а д верхней поверхностью льд а располож ен опускаем ы й верти кал ьн о вниз р е ­ гулируемы й долбеж ны й элем ент, разруш аю щ и й л ед (рис. 1.4).

З ап атен то ван а л ед о ко л ьн ая п риставка д л я судов (п ат. 3.698. С Ш А ). Н а подводной части судна у ста н а вл и в аетс я плун ж ер, при­ водимый в действие сж аты м воздухом. Л е д р азр у ш аетс я у д ар ам и 1 — н ап р а вл ен и е у д а р а ;

2 — зо н а интенсивного крош ения льда;

3 — на­ чал ьн ы й угол с к о л а ;

4 — во р о н ки с к о л а.

плун ж ера по его ниж ней поверхности, что со п ровож д ается ги драв лическим ударом при. бы стром качании п лун ж ера [80, 84].

А нализ сущ ествую щ их схем разруш ен и я л ьд а привел к необ­ ходимости р азв и в а т ь ударн ы й способ к а к весьм а персп ектив­ ный [32].

В недрение разруш аю щ его, о р ган а в л е д со п р о в о ж д ается с о зд а ­ нием и р азви тием м н ож ества трещ ин, зав и ся щ и х к а к от ф и зи че­ ских свойств л ьд а, т а к и от угл а внедрения разр у ш аю щ его о рган а, его геометрических и технических характери сти к. Б ы ло у ста н о в ­ лено, что сущ ествует поверхность разруш ен и я, о п р ед ел яе м ая свой­ ствам и л ьд а, у д ар н о е разви ти е трещ ин по которой об еспечивается миним альны м количеством энергии (рис. 1.5). Ф орм и рован ие волн н ап ряж ени я необходимого н ап равл ен и я и интенсивности н а к л а д ы ­ вает ж естки е условия на геом етрические и ф изические п ар ам етр ы разр у ш аю щ его о р ган а, а т а к ж е на ген ератор волн — ви б рац и он ­ ную или виброударн ую систему.

М аксим альны й гради ен т н ап ряж ени й в верш ине трещ ины воз­ никает при распростран ен ии упругой волны сж а ти я лиш ь по од ­ 1.1. Пробивающие и проламывающие средства ному ее краю. К онцентрация нап ряж ени й п ревы ш ает предел проч­ ности м атер и ал о в, что способствует бы строму распространению трещ ины норм ально к основной.

А така трещ ины импульсом р астяж ен и я под углом 90° созд ает в ее верш ине м аксим альную концентрацию н ап ряж ени я.

А така границы трещ ины из среды с больш им модулем упру­ гости в ы зы вает увеличение интенсивности н а п р я ­ ж ен и я в ее верш ине.

П ри у гл е п аден ия волны 180° не возн и кает такой концентрации н ап ряж ени й, к а к при угле падения волны 0°.

Упругими волнам и н ап ряж ен и я, н ап р ав л ен ­ ными по гран и це р азд ел а л е д — м етал л м ож но осущ ествить их взаи м н ое рассл аи ван и е, однако дальнейш ий процесс дроблен и я л ьд а п р ед став ­ л яе т некоторую слож ность. У дачны м техн и че­ ским реш ением при создании ручного м ехан изи ­ рованного инструм ента яв л яется тр ех р я д н ая Рис. 1.6. Ручной механизированный виброударный инстру­ мент для скола льда [7].

] — в и б р о у д а р н ы й у зе л ;

2 — пневм оотсос;

3 — т р е х р я д н а я и н т е р ф е ­ р е н ц и о н н ая гр еб ен к а.

интерф еренционная гребенка, о х в аты ваем ая пневм оотсосом и по­ л у чаю щ ая ударн ую энергию от виброударного у зл а (рис. 1.6).

П ри мощ ности п ривода 0,8 кВ т о ж и д аем ая производительность ин­ струм ента со став л яет 4 — 6 т/ч.

Больш ую группу изобретений составл яю т судовы е вибрац и он ­ ные устройства. У стройство в виде вращ аю щ и хся н еуравн овеш ен ­ ных м асс зап атен то в ан о в Ф Р Г (пат. 10923336) и в других стран ах.

В иброустановка в виде силового цилиндра со свободно д ви ­ ж ущ ей ся массой р а зр а б о т а н а в С С С Р (а. с. 217222). Т ак и е у с т а ­ новки создаю т инерционны е силы, возбуж даю щ и е колеб ательн ое д ви ж ени е судна, вследствие чего ледян ой покров испы ты вает пе­ риодическое воздействие р азруш аю щ и х изгибаю щ их моментов.

У стройство п р ед лагается у стан авл и в ать на ледокольны х п ристав­ ках, чтобы не подвергать вибрации судно. В С С С Р р азр а б о та н а [84] и зап ате н то в а н а в ведущ их капиталистических стр ан ах л ед о ­ ко л ьн ая п р и ставка с раскачи ваю щ и м устройством (а. с. 287532).

С оединение су д н а-то л кач а с приставкой осущ ествляется ш арн и р­ но скользящ и м зам ком, обеспечиваю щ им линейны е в ерти кальн ы е 1. МЕХАНИЧЕСКОЕ РАЗРУШ ЕНИЕ ЛЬД А и угловы е в ерти кальн ы е и гори зонтальн ы е перем ещ ения приставки относительно су д н а-толкача (рис. 1.7). Это изобретение р еа л и зо ­ вано при строительстве ледокольны х приставок в проектах 1713 и 1749 [84]. П ри опытной эксп л уатац и и п риставки в составе с б у к ­ си ром -толкачом Р Б Т -300 л ед толщ иной 45 см р азр у ш ал ся со ско­ ростью 0,4 км/ч, а при раб оте с разб егам и при толщ ине л ьд а 70 см ср ед н яя скорость со с тав л ял а 0,1 к м /ч. М ан евровы е к ачества сос Рис. 1.7. Толкаемая ледоколь­ ная приставка с раскачиваю­ щим устройством [84].

/ — н о со в ая окон еч н ость с у д н а -т о л ­ к а ч а ;

2 — уп о р ы ;

3 — сво б о д н о в р а ­ щ а ю щ и е с я рол и к и ;

4 — п р и с т ав к а ;

5 — р а с к а ч и в а ю щ е е у с трой ство;

6 — ось м у ф т ы з а м к а ;

7 — м у ф т а ;

8 — р е л ьс а ш а рн и рн о с к о л ь зя щ е го за м к а.

т а в а, проведенны е на циркуляции и окол ке судов, о к а зал и сь у д о в ­ летвори тельн ы м и [84].

О пы т использования вибрационны х устан о в о к в речном суд о­ ходстве п оказы вает, что они явл яю тся эф ф екти вн ы м средством д л я повы ш ения ледопроходим ости судов. П р е д е л ь н ая тол щ и н а л о м а е ­ мого л ьд а зн ачительн о увели чи вается, если период вибрац и и у с­ тан овки р авен периоду собственных колебан и й судна.

Х ар ак тер н ая особенность этого способа зак л ю ч ае тся в том, что л о м ка л ь д а осущ ествляется на м алой скорости. В речном суд о­ ходстве при очистке устьев р ек ото л ьд а и вы воде судов из з а т о ­ нов, э т а особенность не имеет больш ого зн ач ен и я, а вот при п ро­ водке судов в А рктике она н еж ел ател ь н а, поэтом у в морском ледоколостроении вибрационны е установки расп р о стр ан ен и я не по­ лучили.

В ибрационны й способ разруш ен и я ледяной чаш и на подвод­ ной части судна [31] осн ован а на и спользовании вибрац и и к о р ­ пуса, со зд аваем о й воздействием на него колеб ан и й, возникаю щ их от работы сп ециально у стан авл и ваем ой на судно вибрационной маш ины, наприм ер ви б роп огруж ателя ВМ -20. С пособ недостаточно проверен на практи ке, а резон ан сн ы е явл ен и я созд аю т опасность н аруш ения плотности ш вов корпуса, трубны х соединений, о тста­ вания покры тий и могут в ы зв ать п овреж ден ие автом ати ки, р а д и о ­ ап п ар ату р ы и д ругого судового оборудован и я. К ром е того, о тд е­ 1.1. Пробивающие и проламывающие средства ливш иеся от корпуса части ледяной чаш и, о ста в а ясь под днищ ем, могут снова прим ерзнуть к обш ивке днищ а.

М ного патентов относится к способу лом ки л ьд а усилиям и, н а ­ п равленны м и снизу вверх. П ри этом обеспечивается отвод в зл о ­ м анны х льдин с целью получения чистого к а н а л а ее ледоколом.

П реим ущ еством такого способа явл яется зн ачительн ое ум еньш е­ ние сил трения, т а к ;

к а к ф орш тевень л ед окол а, взл ам ы в ая лед снизу, отводит затем облом ки в стороны, и борта судна не сопри­ касаю тся с ними.

Этот способ в нескольких в ар и ан тах р азр а б о та н в К ан ад е и Ф Р Г. К а н ад ск а я ф и рм а «А лексбау» получила три п атен та на р а з ­ личны е конструкции ф орш тевня л ед окол а д л я взл ам ы в ан и я л ьд а снизу вверх. В одном из них (пат. 1267079 К а н а д а ) п ред усм атри ­ вается и сп ользование кап л еоб разн ой ф ормы носовой оконечности.

«К ан адски й бульб» имеет зн ачительн ую ш ирину и носовой «резак»

на высоте, равн ой 3/ 4 осадки. И спы тания п оказал и, что такой бульб д а е т возм ож ность получить выигры ш в скорости 0,4— 0,5 уз, а коэф ф ициент трения льд а по стал и в подводном п олож е­ нии ум еньш ить до 0,01. К ром е того, при этом способе исклю чается прилипание льд а к корпусу.

Т аки е конструкции зап атен тован ы в А нглии (пат. 1215529 и 1215530), СШ А (пат. 3521590), Ф ранции (пат. 1577665), Японии (пат. 33901/71) и С С С Р (пат. 315341).

З а д а ч а повы ш ения ледопроходим ости судна з а счет, н априм ер, ум еньш ения сил, необходимы х д л я в зл ам ы в ан и я л ьд а, и получе­ ния более чистого от л ь д а к а н а л а м ож ет реш аться и путем и зм е­ нения традиционной геометрии ф орш тевня и форм ы корпуса. П ри этом п р ед п о л агается, что толщ ина р азр у ш аем о го льд а будет больш е, а его облом ки не п опадаю т под корпус, что повы ш ает ле допроходим ость судн а [80].

З ап ад н о гер м ан ски й в ар и ан т корпуса ледокольного судна (пат. 2206472 Ф Р Г ) отли чается спец и альн о отработан н ы м и обво­ д ам и корпуса (рис. 1.8).

Н аклоненны й книзу подводны й бульб переходит в зак р у гл е н ­ ную средню ю часть. Д ей ствую щ ая ватерл и н и я р асп ол ож ен а на наклонны х бортовы х скосах. Л ед в зл ам ы в ается снизу давлен ием верхней поверхности б ульб а и отводится в стороны скосам и, кото­ ры е зак ан ч и в аю тся в корм овой части корп уса козы рьком, за щ и ­ щ аю щ им гребной винт и руль. Л едовы й пояс н аруж н ой обш ивки имеет вогнутую форму, п лавн о переходящ ую внизу в скосы, и з а ­ щ и щ ает верхню ю п алубу от н ап ол зан и я на нее битого льд а. В ы ­ п у кл ая часть корпуса ум еньш ает п лощ ад ь действую щ ей в атер л и ­ нии, что сн и ж ает сопротивление л ьд а движ ению судна и повы ш ает его м аневренность [80, 85].

2 З аказ № t. МЕХАНИЧЕСКОЕ РАЗРУШ ЕНИЕ Л ЬД А Д л я в зл ам ы ван и я речного л ь д а р а зр а б о т а н а л ед о к о л ь н ая п ри ­ ста в к а (п ат. 2229621 Ф Р Г ). П ри ставк а (рис. 1.9) вы полнена в виде понтона, счали ваем ого с толкачом. П онтон в п лан е имеет трех Рис. 1.8. Взламывание льда снизу подводным бульбом ледо­ кольного судна с переменным углом наклона бортов [80].

1 — п одво дн ы й б у л ьб ;

2 — к о зы р е к за щ и т ы в и н та и р у л я ;

3 — л ед о вы й п о яс обш и вки ;

4 — н акл о н н ы е бо р то вы е скосы ;

5 — в ы п у к л а я п о д в о д ­ н ая ч а с т ь ко р п у са.

Рис. 1.9. Ледокольная приставка для взламывания льда снизу [84].

1 — т о л к а ч ;

2 — понтон.

гранную форму, а его носовая оконечность п р ед став л яет собой груш евидны й бульб. П ри д виж ении судна бульб со зд ает подпор­ ную волну, ко то р ая в зл ам ы в ает л едян ой п окров снизу и гори зон ­ тал ьн ы е у си ли я д л я разруш ен и я л ь д а ум еньш аю тся.

О дин из механических способов разруш ен и я л ь д а основан на принципе лиш ения его упругого ги дравли ческого осн ован ия — воды (п ат. 3.808.897 С Ш А ). Он за к л ю ч ае тся в том, что л ед о р азр у ш аю щ ее устройство осущ ествляет подачу сж ато го воздуха, о ттес­ н яя воду из-под ниж ней поверхности л ь д а. Л и ш енны й опоры л ед я I I Пробивающие и проламывающие средства iiiii'i покров разлам ы вается под собственной тяжестью. Другой спо i'6 (пат. 3.841.252 США) отличается тем, что гидравлический под­ пор снимают закачиванием газа под ледяной покров и, приложив кпсм силу, раскалы ваю т его. В Ю го-западном иаучпо-исследова гельском институте США (Сан-Антонио, Техас) было разработано принципиально новое устройство (пат. 3572273 США) для разру­ шения льда [141]. Н а носу самоходной барж и устанавливается Рис. 1.10. Схема разрушения льда воздушным пузырем под lодного газового выхлопа [245].

/ — к а м е р а с го р а н и я ;

2 — бы стр о дей ству ю щ и й вы пускн ой кл ап ан ;

3 — л е д я н о й п о кр о в;

4 — н ак л о н н а я п л о щ а д к а д л я о б л егчен и я в х о д а п о д л е д ;

5 — вы х о дн о й к а н а л га за.

прямоугольный металлический понтон, в передней части которого смонтирован огромный цилиндр «двигателя внутреннего сгорания».

«Поршнем» этого цилиндра служит льдина. Б арж а вплотную под­ ходит к ледяному полю и погружает под него понтон. Устройство работает следующим образом (рис. 1.10). Смесь воздуха и про­ пана (соотношение 3 0 :1 ) под давлением 0,4 М П а вводится в к а ­ меру сгорания и воспламеняется с помощью запальной свечи.

После того как давление в камере повысится в 6—8 раз, откры ва­ ется выпускной клапан. С ж атые газы со взрывом выбрасываются через выпускную трубу, создавая воздушную подушку, которая поднимает лед и разруш ает его. Н а рис. 1.10 показаны последо н.тгсльные стадии разрушения ледяного покрова. Аналогичное уст­ ройство, в котором выхлоп через выходные отверстия повторяется каждые 10 с, предназначалось для защиты от льда плавучих со­ оружений и морских буровых вышек в Арктике [245].

В стационарных гидротехнических сооружениях может быть применено навесное устройство, основной элемент которого — соз­ дающий подводный управляемый взрыв газовой смеси — подвеши­ вается на кронштейне с помощью шарнира для того, чтобы устра 2* 1 MF.VAHH4FXKOE P A ^ d v h i f.HHE ЛЬПЛ нить передачу усилия при взрыве на подвесное приспособление (рис. 1.11).

Система, использующая новый принцип взлам ы вания льда, была предложена в США для ледокольной приставки. По внеш­ нему виду эта приставка (рис. 1.12) напоминает «ледовый плуг», Рис. 1.11. Устройство для разрушения льда стоячей волной подводного газо­ вого выхлопа [141].

1 — к о рп у с;

2 — п о д в е ск а;

3 — т р у б к и д л я п о д ач и горю чей см еси ;

4 — а н т и д ет о н а то р ;

5 — э л ек тр о п и т а н и е ;

6 — вы пускн ой п а т р у б о к ;

7 — з а п а л ь н а я свеча.

Рис. 1.12. Ледокольная приставка для разрушения льда повторяющимися под­ водными газовыми выхлопами [249].

I — п луго о б р азн ы й ко рп ус п р и став ки ;

2 — вы хлопн ы е о т ве р с ти я.

не связанный жестко с корпусом судна. В приставке находится кам ера сгорания, работаю щ ая на углеводородном топливе, кото­ рая обеспечивает периодический выброс газа под большим д авл е­ нием в воду под лед. Установка испытана в натурных условиях.

В трех кам ерах сгорания объемом по 0,14 м3 создавалось д авл е­ ние 2,8—4,2 М Па. При каждом выпуске газового пузыря лед тол­ щиной 30 см взлам ы вался на площади 9,3 м2. Береговой охраной США, финансировавшей разработку этой системы, планировалось получить установку, способную прокладывать канал шириной 12,2 м во льду толщиной 61 см со скоростью 9 км/ч. Д л я обеспе­ чения ее работы потребуется дополнительная мощность 300— 400 кВ т [249].

К эф ф ективны м способам повы ш ения ледопроходи м ости судов следует отнести способы, основанны е на ум еньш ении силы трения 1 1. Пробивающие и проламывающие средства между корпусом и льдом. Устройство, имеющее целью уменьшить коэффициент трения между льдом и корпусом судна с помощью иоздушных пузырьков, выпускаемых вдоль борта и создающих эффективную воздушную смазку, разработано финской судострои­ тельной фирмой «Вяртсиля» [61, 221].

Канадские судостроители разработали проект балкера ледо­ кольного типа, дедвейтом 28 000 т, имеющего скорость 15,5 уз. Бар ботаж ная воздушно-пузырьковая кам ера уменьшает трение кор­ пуса о лед, а гребные винты с регулируемым шагом увеличивают упор на малых скоростях.

Разработка месторождений нефти и газа на дне покрытых льдом арктических морей заставила изучать прогибание и разру­ шение ледяного покрова подводным газовым пузырем, возникшим и результате нефтяного или газового выброса.

Топхэм из группы морских ледоисследователей Управления контроля природной среды океана (Виктория, К анада) предложил аналитическое решение выгибания безграничной ледяной пластины н центре и по краям подводного пузыря и проверил его на мо­ дели [250].

Результаты моделирования показали, что разрушение ледяного покрова может произойти в центре пузыря или над его краем, п зависимости от толщины льда и пузыря, а такж е свойств льда.

11 (лом ледяного покрова толщиной 1 м газовым пузырем толщи iioi'i более 100 мм наиболее вероятен по периферии последнего.

Критический радиус пузыря, при котором происходит разрушение льда, зависит от его толщины, а такж е физико-механических гнонств льда.

В основу работы средств разруш ения льда с помощью подлед­ ного газового пузыря положено свойство несжимаемости воды, благодаря чему давление, создаваемое между водой и льдом, пе­ редается на ледяной покров. А так как лед обладает сравнительно небольшим сопротивлением напряжениям изгиба, применение т а ­ ких средств разрушения льда представляется достаточно обосно плп пым.

1 Дании запатентован ледолом (пат. 95983), принцип дейст ьпи которого заклю чается в том, что под лед заводится тело пе­ ременной плавучести с максимальной подъемной силой, достаточ­ ной для приподнимания и разруш ения льда. Ледолом (рис. 1.13) епетоит из верхнего понтона постоянного объема, имеющего про лп.’н оватую форму с несколько опущенным носом, и надувного ип/кпего элемента, закрепленного под верхним понтоном и соеди­ ненного шлангом с компрессорной установкой. Обе емкости соеди­ нены с ведущим судном, содержащ им компресеор или насос для •икачки балласта.

I. МЕХАНИЧЕСКОЕ РА ЗР У Ш Е Н И Е ЛЬД А П еред началом работы устройство обладает плавучестью, не­ обходимой лиш ь д ля поддерж ания его на поверхности. Затем л е­ долом заводится под лед, в нижний элемент подается сжатый воз­ дух, который м аксимально увеличивает плавучесть ледолома, и лед над ним ломается. После этого газ выпускается и операция повторяется. Выпускаемый газ м ож ет быть использован как реак­ тивный движитель, а верхняя часть ледолома может быть выпол Рис. 1.13. Передвижной ледолом [141].

а, 6, в — э т а п ы в з л а м ы в а н и я л ь д а ;

/ — р е б р о ж е ст к о с т и ;

2 — верхн ий б а л л о н ;

3, 4 — вы пускн ой и вп у ск н о й п атр у б к и ;

5 — н и ж н и й бал л о н.

нена жесткой (из стали или армированной резины) и снабж ена гребнями или ножами, облегчающими взламывание льда. Ледолом может работать автоматически, если внутри него встроить управ­ ляющий наполнением клапан и устройство срабаты ваю щ ее от определенного усилия контакта ледолома со льдом, находящимся над ним. Л едолом может быть выполнен с использованием прин­ ципа изменения его плавучести за счет подачи и последующей от­ качки водяного балласта.

Аналогичный погружаемый под лед аппарат, устанавливае­ мый в носовой части судна (рис. 1.14) запатентован и в США (пат. 3130701).

Эффективным оказался и способ взламывания льда воздушными пузырями, заключенными в погруженные гибкие оболочки. При подаче сж атого воздуха оболочки всплывают и воздействуют на лед с силой, равной весу вытесняемой ими воды. О болочка объ­ емом 50 м3 создает подъемную силу 500 кН. Радиус проломан­ ной майны в несколько раз превышает размеры оболочки [14].

Устройство состоит из гибких оболочек с горловинами и гиб­ кими рукавам и (рис. 1.15). Оболочки соединены с источником с ж а ­ того воздуха и между собой гибким трубопроводом. Оболочки могут быть соединены с механизмом перемещения, например, с ле I I Пробивающие и проламывающие средства Редкой посредством каната. После проламы вания льда произво­ ди гея операция по освобождению оболочек от воздуха. Оболочки под действием силы тяжести погружаю тся в водоем. Ускорить Рис. 1.15. Схема устройства и соединения гибких оболо­ чек для взламывания льда сжатым воздухом [14].

1, 5 — ги б ки е т р у б о п р о во д ы ;

2 — горловин ы ;

3 — гибкие р у к а в а ;

4 — к а н а т к л е б е д к е ;

6 — ги б ки е о б олочки;

7, 8 — кан ал ы ;

9 — порш ен ь;

10 — у п р ав л яю щ и й о б р атн ы й к л а п а н ;

11 — корпус судна.

этот процесс можно с помощью вакуум-насоса. Гибкие оболочки с помощью каната можно переместить на новую позицию и по­ вторить цикл.

В некоторых случаях (например, при повышении эффектив­ ности работ земснарядов в зимних условиях) этому устройству по сравнению с вышеописанными, по-видимому, следует отдать предпочтение из-за его простоты и сравнительно низкой стоимости.

1. МЕХАНИЧЕСКОЕ РА ЗР У Ш Е Н И Е ЛЬД А Суда на воздуш ной подуш ке (СВП ) как средства разрушения льда стали применяться сравнительно недавно, с тех пор как зи­ мой 1972 г. при буксировке ледокольной приставки на воздушной подушке ACT-100 со скоростью 6,4 км/ч через Больш ое Н еволь­ ничье озеро в Иеллоуснайф (К анада) было обнаружено, что за приставкой оставался канал в ледяном покрове толщиной 68 см [252].

В 1972 г. в заливе Тандер-Бей (Онтарио, К ан ад а) проводились испытания легкого ледокола «Александр Генри» с той ж е пристав­ кой на воздушной подушке ACT-100 (рис. 1.16). Скорость судна Рис. 1.16. Схема разрушения льда ледокольной приставкой на воздушной подушке.

без приставки при толщине льда 36,5 см составляла 3,7 км/ч, а с приставкой при толщине льда 43, 60 и 78 см — соответственно 16,7;

9,2 и 3,7 км/ч [45, 138, 197]. В 1975 г. на испытаниях в з а ­ ливе Тендер при движении перед ледоколом со скоростью 12 км /ч платформа лом ала лед толщиной 40 см [212]. Испытания транс­ портного средства на воздушной подушке проводились и на льду Антарктиды [211].


М одернизация платформы ACT-100 позволила создать сред­ ство, названное «ледоедом» [179, 220]. Н а корме платформы вы­ резана V -образная выемка, куда входит нос судна. По заклю че­ нию некоторых специалистов причиной ломки ледяного покрова под приставкой явилось то обстоятельство, что по мере того, как вода вытесняется давлением воздуха из-подо льда, последний, ли­ шенный опоры, разруш ается [196, 220, 222, 239].

Весной и летом 1974 г. проводились арктические испытания СВП «Вояжер», в ходе которых было пройдено 1600 миль по ре­ кам Аляски и прибрежным районам Северного Ледовитого оке­ ана [192, 233, 253]. Судно имеет две газовые турбины мощностью 250 кВт, давление подушки 24 кП а. Стоимость такого СВП дости­ гает 1,25 млн. долл. Разруш ая ледяной затор на р. Прэри север­ нее М онреаля, «Вояжер» затрачивал по 12 ч на 1 милю. Толщина 1.1. Пробивающие и проламывающие средства льда была 45 см. Режим работы по разрушению льда был сле­ дующий: сначала СВП создавало на скорости 10 уз серию волн на мелкой воде, затем скорость сниж алась так, чтобы одна из волн предшествовала судну при выходе на паковый лсд. Много­ кратно повторяя этот маневр, СВП разруш ало ледяное поле па куски (рис. 1.17). Более тонкий лед «Вояжер» разруш ал на ско V-w 5 h / m а в В О 0,1 0,2 0,г 0,4 0,5 0.6 0,7 Ь м Рис. 1.17. Разрушение ледяного поля СВП «Вояжёр».

Рис. 1.18. Зависимость толщины разрушаемого льда от давления воздушной по­ душки ПВП и СВП [62] / — П В П ACT-I00;

2 — С ВП « В о я ж ё р ».

рости около 15 уз, зигзагообразно перемещ аясь по его поверхности поперек трещин [192, 233, 239, 254].

Дополнительные испытания, проведенные в том ж е месяце в Торонто, показали, что при наибольшей скорости 15 уз ампли­ туда стоячей волны за кормой составляла 1,6 м и лед непрерывно разруш ался, хотя и был толщиной 38 см. Ш ирина оставляемого за кормой канала была больше, чем при движении на малых ско­ ростях, зато размеры битых льдин были велики. Современная тех­ ника позволяет использовать давление подушки, эквивалентное давлению водного столба равное 135 кП а [252]. Пока отработаны два метода разрушения льда: следуя первому, СВП на малой ско­ рости загоняет сжатый воздух под лед и тот, лишенный упругого гидравлического основания, ломается. Толщина льда, взломанного на скорости до 6,5 уз, составляла 40 см [254]. По другим езеде I. МЕХАНИЧЕСКОЕ РАЗРУШ ЕНИЕ Л ЬД А ниям на скорости 4 уз СВП ломало лед толщиной 80 см. При Ма­ неврировании вторым методом лсд взлам ы вается системой волн за кормой СВП, идущего со скоростью 13,5 уз [204].

Сводные данные о результатах разруш ения ледяного покрова с помощью СВП приводятся на рис. 1.18 и в табл. 1.1.

Таблица 1. Результаты разрушения ледяного покрова с помощью СВП П ар ам етр ы состояния разруш аем ого Т актнко-техннческне данны е П В П /С В П л едяного покрова М ощность Д ав л ен и е Н есущ ая Тип илн н аи ­ М асса ПВП пропуль- в в о з д у ш ­ П роч­ М одуль Толщ ина, способ­ ность, у п р у го сти, ной п о ­ менование (С В П ), сивиой м н ость, душ ке, I05 Н /м » 105 Н /м* 108 кг установки, ПВН (С В П ) 10* Н кВт 10* Н / м 193, 263 941 0,0 7 0,6 8 8,7 9 35 A C T - 0,027 0,2 3 7,0 3 2 4,2 24 13, Н - 0,0 3 0 0,2 H J-15 16,5 262 - — — 0,2 3 4 1, 0,025 7,0 3 24 40, „Вояжер” По данным Уэйда, секретаря К анадской специальной м еж ве­ домственной комиссии по изучению возможности разрушения льда с помощью СВП, предельная толщина льда, который может быть разрушен этим судном на скорости 20 уз, равна 1 м. З а 1 ч можно разрушить ледяной покров на площади 15 км2 [137, 252].

В перспективном плане научных исследований по ледотехнике в К анаде на одном из первых мест стоит тема «Разруш ение льда с помощью СВП» (обобщение результатов многочисленных натур­ ных полевых испытаний, моделирования и теоретического изуче­ ния разруш ения л ьд а). Ожидаемый результат — оценка экономи­ ческих и технических возможностей привлечения СВП к опера­ циям по разрушению льда [253], а такж е рекомендации по опти­ мальному маневрированию судном для достижения наибольшего эффекта разрушения [89, 252].

Исследования возможности применения ледокольных приста­ вок па воздушной подушке и судов на воздушной подушке прово­ дились отделом безопасности мореплавания М инистерства транс­ порта Канады в широком диапазоне скоростей движения, давления в воздушной подушке и толщины льда. В процессе испыта­ ний, как отмечалось выше, выявились два направления возмож ­ 1.1. Пробивающие и проламывающие средства ного использования СВП в качестве разрушающих средств — на низких либо высоких скоростях.

Низкоскоростным ледоразруш ающ им средством служ ила неса­ моходная платформа на воздушной подушке (П В П ), а высоко­ скоростны м— СВП «Вояжер».

Рис. 1.19. Схема взаимодействия со льдом приставки на ноздушной подушке [179].

1 — П В П ;

2 — у р о вен ь во д ы ;

3 — в п а д н н а в вод е;

4 — в о з д у ш ­ н а я п о д у ш к а ;

5 — л ед.

При малых скоростях движения (до 4—5 уз) разрушение льда происходит вследствие статического изгиба ледяного поля д авл е­ нием в воздушной подушке у кромки ледяного поля.

Физика разруш ения ледяного покрова на малых скоростях з а ­ ключается в следующем. В процессе движения давление подушки опускает уровень воды под устройством ниже внутренней поверх­ ности ледяного покрова. Под льдом образуется воздушная полость, выходящ ая за габариты СВП. Ледяной покров консольно зави­ сает над водой. Когда длина ледяной консоли достигнет критиче­ ского значения, происходит излом поля под действием собствен­ ной тяж ести (рис. 1.19).

При больших скоростях движения СВП (до 10— 15 уз) лед р аз­ рушается в результате возникновения изгибных колебаний под воздействием перемещающегося источника давления, вызывающего волновые деформации поверхности льда и воды.

П редельная толщина, которую может разруш ить СВП в стати­ ческом режиме, пропорциональна глубине впадины, образующейся под судном в условиях чистой воды, и обратно пропорциональна 1. МЕХАНИЧЕСКОЕ РАЗРУШ Е НИЕ Л ЬД А прочности льда на изгиб. П редельная толщина льда, разруш ае­ мого СВП, не является исчерпывающей его характеристикой. К ри­ терий оценки эффективности СВП вы раж ается формулой k = N /(h 2V bK K C ), где А — критерий оценки эффективности;

N — мощность судна;

h — толшина разруш аемого льда;

V — скорость судна;

Ьк — ши­ рина канала;

С„ — коэффициент чистоты канала (изменяется от до 0).

Д л я СВП с критической скоростью за ширину канала можно принять ширину зоны, на которую распространяется разрушение льда воздушной подушкой [62].

Л ед, намерзающий на судах и гидротехнических сооружениях, разруш аю т с помощью противообледенительных систем.

Пневматические противообледенительные системы представ­ ляют собой протекторы (чаще всего резиновы е), плотно приле­ гающие к поверхности защ ищ аемого объекта. При включении про­ тивообледенителя протектор вздувается сжатым воздухом и ломает образовавш ийся лед. Пневматические ПОС обычно приме­ няются для защиты крыльев и стабилизатора винтомоторных с а ­ молетов. Противообледенитель фирмы «Палмер» для защ иты пе­ редней кромки крыла весит 30—35 кг, расход сж атого воздуха 0,4 кг/мин.

В пневматических ПОС применяются подвижные оболочки, из­ готовленные из полиэтилена, полиуретана и т. д. (пат. Великобритания), из морозостойкой эластичной резины (пат.

3744690 США, 2091955 Ф ранция, 1331698 Великобритания).

Использование кремнийорганических, фторкаучуковых и арми­ рованных морозостойких резин позволит значительно снизить массу и повысить эффективность и надежность пневматических ПОС [134].

Существуют пневматические противообледенительные устрой­ ства, успешно прошедшие испытания в морских условиях. Так, на английском траулере «Бостон Фантом» в районе И сландии в 1969 г.

испытывалось противообледенительное устройство пневматического типа, приводимое в действие сжаты м воздухом. Оно представляло собой чехлы из неопренового каучука, которые закреплялись на мачтах, вантах, штагах и лобовых стенках рубок и надстроек.

Внутри чехлов находились небольшого диаметра резиновые трубки, соединенные с центральным источником воздуха, подающегося под давлением 0,105 М П а. После поступления воздуха в трубки че­ хол надувался и лед, образовавш ийся на его поверхности, отпа­ дал. Управление всей системой было дистанционным, с мостика.

Не все судовые поверхности могут быть защищены подобным об­ 1.2. Режущие, фрезерующие и скалывающие средства разом Такое оборудование, например, сложно установит!, па тр а­ ловой лебедке. Испытания в лабораторных условиях, показали, что слой льда, образовавш ийся при атмосферном обледенении, тол­ щиной 23 мм разруш ается и удаляется с макета мачты и лобовой стенки рубки при температуре — 15°С.

П ока пневматический метод предпочтителен для удаления льда атмосферного происхождения. По данным В. В. Панова [120] льды морского брызгового обледенения, вследствие их вязкости и рыхлости, при включении пневматической ПОС труднее опадаю т с обледеневшей поверхности. По-видимому, поэтому на морских судах подвижные оболочки не нашли широкого применения, не­ смотря на их широкую пропаганду.

1.2. Р еж ущ ие, ф резерую щ ие-и скал ы ваю щ и е средства Ледорезные машины различных типов применяются для раз­ рушения льда в тех случаях, когда из-за малых глубин невоз­ можно применение ледоколов, или в комплексе с другими мето­ дами. Л едорезные машины бывают трех типов: ледовые пилы (с цепями или барам и), ледорезные машины и ледовые струги.


Установлено, что в режимах работы ледорезных машин с кон­ цевыми фрезами, разруш ение льда носит хрупкий характер [97].

Причинами возникновения и развития хрупкого разрушения яв­ ляю тся скопления дислокаций преимущественно на границах зе­ рен, обусловливающие концентрацию напряжений в этих местах и вызывающие возникновение микросдвигов в кристаллах, которые в свою очередь приводят к образованию микротрещин. Трещины распространяются не прямолинейно, поскольку, встречая препят­ ствия в виде аномалий волнового сопротивления среды, трещина от них отраж ается.

Реальная возможность образования трещин определяется уров­ нем местных перенапряжений и числом возникающих одновре­ менно сдвигов. Поэтому в предельно напряженном льде возни­ кающие пластические деформации приводят к образованию тре­ щин, размеры которых быстро возрастаю т до критических. Если плоскости скольжения перпендикулярны направлению сжатия, сдвиги и образование трещин затруднены. По экспериментальным данным Пейтона [241] при изменении направления сж атия мор­ ского льда предел прочности на сж атие увеличивается в 4 раза (от 2 до 8 М П а). К аналогичным выводам пришел и В. В. Л а в ­ ров (табл. 1.2).

Темная полоса на рисунках в таблице условно обозначает ту металлическую накладку, через которую производилось давление на лед. Видно, что сопротивление льда срезу вдоль направления I. МЕХАНИЧЕСКОЕ Р А З Р и а с и и »

Таблица 1. Сопротивление срезу поликристаллического пресноводного льда при температуре —3 °С в зависимости от направления приложения силы [78] оптических осей, показанных тонкими линиями, существенно меньше, чем при испытаниях на срез поперек этих осей.

В свете изложенного интересно сравнение работы ледорезных машин с концевой и дисковой фрезами [185]. У дисковой фрезы в начальный момент, когда толщина стружки еще не велика, уси­ лие резания направлено поперек кристаллов (рис. 1.20);

далее, когда толщина стружки достигает максимальных размеров, реза­ ние происходит в наиболее благоприятном с точки зрения сопро­ тивления льда направлении (а срез= 0,3 4 М П а). Н адрезы рацио­ нальных размеров и периодичности не только снижают усилие резания, но и облегчают выход резца на свободную поверхность льда, тем самым уменьшается пульсация нагрузок на фрезе и в деталях трансмиссии ледорезных машин (рис. 1.21). Концевая фреза осуществляет резание в поперечных плоскостях, когда уси­ лие резания в течение всего цикла резания направлено соответ­ ственно второму случаю нагружения в табл. 1.2 (стС рез=0,72 М П а).

Поэтому сопротивление льда резанию, при работе концевой ф ре­ зой должно быть значительно больше, чем для дисковой. При про­ ектировании и эксплуатации ледорезных машин, естественно, не­ обходимо учитывать проявление анизотропии механических свойств льда.

Р еж у щ и е средства. Л едовые пилы с цепями имеют про­ 1.2.1.

стую конструкцию и обладаю т высокой производительностью. С оз­ 1.2. Режущие, фрезерующие п скалывающие средства дано несколько типов таких машин на базе бензопилы «Друж ба», машины Д Л Н -1;

ЛМ-3. Однако, как показал опыт, при значитель­ ной отрицательной температуре воздуха узкие щели, пропиливае­ мые этими машинами во льду, очень быстро снова смыкаются, и лед смерзается, восстанавливая свою первоначальную способность сопротивляться прилагаемой нагрузке.

Рис. 1.20. Направление резания относительно ориентации кристаллов льда [185].

а, в — д л я д и ск о во й ф р е зы ;

б, г — д л я кон цевой ф р езы.

Рис. 1.21. Фрезерование льда с искусственными поперечными надрезами дисковой фрезой [185].

Л едорезная машина конструкции Н. Ф. Х арламова была одним из первых механизмов такого рода [147]. Она представляет собой передвижную несамоходную установку на лы ж ах, состоящую из бензомотора «Д руж ба», промежуточной связи и пильного аппа­ рата с цепью, натянутой на звездочки. М асса машины 30 кг. П иль­ ный аппарат может наклоняться вокруг горизонтальной оси и про­ изводить пропил льда без предварительной подготовки. И спыта­ ния такой машины дали обнадеживаю щ ие результаты, вместо круглой во льду выпиливалась четырехугольная прорубь, а лед в виде призмы высотой, равной толщине льда, извлекался на по нсрхность. Основное достоинство машины — ее портативность.

Ш ирокий комплекс исследований процесса резания льда цеп­ ными пилами с целью изучения физической сущности резания льда, обоснования геометрии резца и нахождения оптимальных режимов резания выполнил В. Ф. Овчинников [148]. Мощность I. МЕХАНИЧЕСКОЕ РАЗРУШ ЕНИЕ ЛЬД А при пилении льда цепным пильным аппаратом определялась по формуле N — k lP V p/l02x\, где N — мощность, кВт;

/г,= 1, 5... 2,0 — коэффициент, учитываю­ щий кратковременные перегрузки, возникающие от попадания л е­ дяной стружки в пространство между цепью и зубцами звездочек, от попадания крупинок ледяной стружки меж ду боковыми звень­ ями цепи и стенками пропила и других ф акторов;

Р — окружное усилие тяги на ведущей звездочке пильной цепи, зависящ ее от тех­ нологических параметров и физико-химических свойств льда, кг;

1/р — скорость резания, м/с;

т] — К П Д передачи от двигателя к ве­ дущей звездочке пильной цепи с учетом потерь, возникающих при огибании ведущей звездочки цепью.

С точки зрения физической сущности процесса резания инте­ ресны исследования скорости распространения трещин впереди режущей кромки зубца. М ожно предположить, что если скорость резания больше скорости распространения трещины, то затрата энергии на процесс резания будет выше оптимальной;

если ж е ско­ рость резания ниже скорости распространения трещин, то, хотя затрата энергии на резание будет малой, но и скорость резания и соответственно производительность машины будут ниже оптималь­ ных. Зад ач а состоит в том, чтобы найти оптимальную скорость резания, при которой затрата энергии была бы минимальной, а скорость резания и производительность машины наивысшими.

С помощью оригинальных методик и скоростной киносъемки опре­ делена скорость распространения трещин во льду в зависимости от различных условий приложения нагрузки — от нескольких мет­ ров в секунду до значений скорости сдвиговых волн во льду [16, 147].

Л едорезная машина, разработанная на основе исследований В. Ф. Овчинникова (рис. 1.22), может делать квадратны е проруби в ледяном покрове толщиной до 120 см с последующим удалением призмы льда из проруби. Мощность бензомотора при номиналь­ ной части вращения — 3,2 кВт, его моторесурс 500 ч. Скорость резания 4,5—5,2 м/с. Машину подводят к месту, включают бензо­ мотор, подают пильную шину вниз. П ильная цепь начинает резать лед, постепенно заглубляясь в пропил. Когда нижняя кромка пиль­ ной шины дойдет до воды, шину поднимают по направляю щ им в верхнее исходное положение. Затем разворачиваю т поворотный сектор на ободе на 90° и делаю т следующий пропил. Аналогич­ ным образом делаю тся еще два пропила. Затем машину отводят и крючками вытаскивают призму льда на поверхность. М ашина позволяет сделать прорубь площадью 35X 35 см2 при толщине 1.2. Режущие, фрезерующие и скалывающие средства льда 0,6— 1,0 м за 1— 1,5 мин, при этом расход бензина состав­ ляет 40—50 г. При вместимости бензобака двигателя 1,5 л одной заправки хватает иа 30 прорубей. Д лина машины (по саням) 130 см, ширина 86 см, высота 168 см. М асса машины около 40 кг.

М ашина была принята к се­ рийному выпуску.

Согласно имеющимся данным [14], резание льда баровым исполнительным органом характеризуется от­ носительно небольшими зна­ чениями потребляемой мощ­ ности и тягового усилия, что делает возможным создание малогабаритных ледорезных устройств с использованием непотопляемых саней. И, действительно, по эксплуа Рис. 1.22. Ледорезная машина для квадратных майн [148].

1 — б ен зо м о то р ;

2 — п и л ь н а я цеп ь;

3 — п и л ьн ая ш и на;

4 — н а п р а вл я ю щ и й обод;

5 — сан и ;

€ — о п о р н а я р а м а ;

7, 8, 9 — п ед а л и откл ю чен и я стоек, н а п р а в л я ю ­ щ ей BHJfKH, п о воротного с е к т о р а ;

10 — п оворотны й сек то р, 11 — н а п р а в л я ю щ а я с то и к а ;

12.— р у к о я т к и п о дач и.

тационным данным при резании льда толщиной 0,95— 1,0 м при температуре воздуха от — 12 до —24 °С баровым исполнительным органом минимальное значение расходуемой мощности составляет 12,9 кВт при скорости движения цепи 1,3— 1,5 м/с. При скорости подачи 120 м /с необходимое тяговое усилие не превышало 22 Н.

При проектировании 'цепных ледорезных машин рекомендуется осуществлять встречное резание сверху вниз с целью удаления стружки в воду. Возникаю щ ая возможность быстрого повторного смерзания прорези, заполняемой всплывающей стружкой, ликви­ дируется установкой шнеков на оси нижней звездочки ледорезного устройства (рис. 1.23). Последнее состоит из непотопляемого шасси, приводной лебедки с канатом, червячного редуктора с ко­ лесом управления, рабочего органа с режущей цепью, рамы, шне­ ков и высокомоментного гидродвигателя. Н а шнеках укреплены резцы. Посредством колеса управления через червячный редуктор и соединительную муфту производится поворот и заглубление р а­ 3 З ак аз № 1. МЕХАНИЧЕСКОЕ РАЗРУШ Е НИЕ Л ЬД А бочего органа. Резцы на шнеках облегчают врезание в лсд. После этого включается привод лебедки, и устройство, перемещаясь, об­ разует во льду прорезь.

Д л я подготовки в ледяном покрове широких протяженных майн разработан ряд ледорезных устройств, основанных на одновремен­ ной работе двух дисковых фрез или двух баров. Одно из таких Рис. 1.23. Схема ледорезного устройства [14].

/ — к а н а т ;

2 — п р и в о д н а я л е б е д к а ;

3 — ко л есо у п р а в л е н и я ;

4 — н е п о т о п л я е м о е ш асси ;

5, 11— ш неки;

6 — р а м а ;

7 — р е ж у щ а я ц еп ь;

8 — ч е р вяч н ы й р е д у к т о р ;

9 — рабочи й о р га н, 1 0 — ги д р о д в и га т е л ь, 12 — р е зц ы на ш н ек ах.

устройств разработано в Н И И Ж Т е [13]. С помощью этого уст­ ройства можно вырезать из массива льда трапецеидальную призму, разруш ать ее на отдельные блоки и удалять последние из тран­ шеи в сторону на ледяной покров при помощи клина-скалы вателя.

Устройство может быть использовано как для околки судов и к а ­ раванов, так и для выморозочных работ. Непрерывность процесса резания и удаления льда дает значительное повышение произво­ дительности по сравнению с производительностью других подоб­ ных машин. Устройство состоит из трактора с установленным на нем цилиндрическо-коническим редуктором и шарнирно навеш ен­ ным на редуктор баром (рис. 1.24). Б аровая цепь на передней и задней, кромках оснащена резцами. Бар имеет форму неравнобо­ кой трапеции в сечении, перпендикулярном продольной оси тр а к ­ тора и связан с последним гидродомкратами. К трактору прицеп­ лен клин-вытеснитель, имеющий в концевом сечении форму обра­ зуемого баром канала.

После установки бара в исходное рабочее положение агрегат начинает движение вдоль трассы прорезаемого канала, при этом 1.2. Р еж ущ ие, ф резерую щ ие и скалыпгпощне сродства клин-вытеснитель ломает образующийся консольный брус льда на отдельные глыбы и вытесняет их по скошенной кромке канала па поверхность льда. Согласно расчетам, производительность аг­ регата может быть доведена до 300 м/ч при толщине льда 1,5 м.

Рнс. 1.24. Машина ледорезная баровая на тракторе Д -75 [13].

1 — т р а к то р ;

2 — гн д р о д о м к р ат ы ;

3 — б а р о в а я цеп ь;

4, 8 — кл и н -в ы теен н тел ь;

5, 7 — р е зц ы ц еп и;

6 — ц и л и н д р и ч еско -ко ­ н ический р е д у к то р.

При подледной укладке трубопроводов диаметром 70 см могут быть полезны экспериментальная баровая установка «Мороз» на базе многоковшового экскаватора ЭТУ-353 и баровая машина БЭТН на базе колесного шасси экскаватора ЭТН-124. Эти устрой­ ства позволяют прорезать щели шириной 14 см во льду толщиной 1,0 м и вынимать ледяные блоки размером 1,5X 1.0 м. Производи­ тельность резания до 130 м/ч. Скорость резания 1,5 м /с при мини­ мальной мощности 11— 12,5 кВт [2].

Д ля околки караванов судов предложена конструкция устрой­ ства на основе гибкого режущего органа, который выполнен из стального троса, оснащенного круглыми фрезами (рис. 1.25).

Вместо троса может быть использована круглозвенная цепь.

Движение режущего органа длиной до 100 м и более осуще­ ствляется от вала отбора мощности. Ш ирина прорезаемых двух щелей по 2—5 см. Производительность нарезания майн в 5— 3* 36 1. МЕХАНИЧЕСКОЕ Р А З РУ Ш Е Н И Е Л Ь Д А Рис. 1.25. Резание льда гибким режущим органом из стального троса с круглыми фрезами [98].

ганом [98].

а — к а л и б р о в а н н ая к р у гл о зв е н н а я ц еп ь с ги б ки м и ф р е за м и ;

б — г и б к а я л е н т а, с п л е т ен н а я из с т ал ь н о го т р о с а.

1.2. Р еж ущ и е, ф резерую щ ие и скалывающ ие средства 6 раз выше по сравнению с устройствами, в которых используются баровые цепи от горных машин, так как процесс резания осуще­ ствляется одновременно по всей длине гибкого режущего органа.

Удаление под лед оставшейся призмы после пропила производится наклонной плоскостью перемещающегося клина.

Гибкий режущий орган является основой навесных устройств на тракторах для околки судов (рис. 1.26). Больш ая производи­ тельность резки льда (500—600 м/ч) достигается главным образом Рис. 1.27. Устройство для удале­ ния намерзшей ледяной чаши с днища судна [50].

1 гибкий р е ж у щ и й э л ем ен т;

2 — н а ­ п р ав л яю щ и й ш ки в;

3 — л е б е д к а ;

4 — натяж кой м ех ан и зм ;

5 — н ат я ж н о й тр о с;

6 — гр у з. — — — — — за счет того, что не весь лед разруш ается, а прорезаются две уз­ кие щели;

причем, удаление льда, оставшегося между щелями, осуществляется с помощью гибкой ленты, сплетенной из стального троса или калиброванной круглозвенной цепи с круглыми фре­ зами. Удаление льда из майны, как видно из рисунка, произво­ дится клином, причем призма отколотого льда скользит по на­ клонной плоскости, что требует значительно меньше усилий.

Устранение ледяной чаши с подводной части судна предлага­ ется осуществлять с помощью устройства, смонтированного непо­ средственно в доке (рис. 1.27). В процессе докования судна на­ мерзший лед срезается бесконечным гибким режущим элементом (тросом, цепью), натянутым на шкивах в горизонтальной плос­ кости меж ду башнями дока с помощью блока с грузом. Н аправ­ ляющие шкивы расположены таким образом, что обе ветви гиб­ кого элемента параллельны в горизонтальной плоскости. Один из шкивов является ведущим и соединен с лебедкой, а ветви гибкого элемента движутся навстречу друг другу и осуществляют разру­ шение и удаление ледяной чаши по мере протаскивания судна над гибким режущим элементом.

Большой интерес представляет использование двухбаровой м а­ шины БР-00-00 для резки льда толщиной 2—2,2 м [29]. Эта м а­ 38 1. МЕХАНИЧЕСКОЕ Р А З РУ Ш Е Н И Е Л Ь Д А шина, представляю щ ая собой навесное и встраиваемое оборудова­ ние на тракторе Т-100М (рис. 1.28), предназначена для прореза­ ния щелей в мерзлых и твердых грунтах, для рытья траншей и котлованов.

Рис. 1.28. Схема двухба ровой машины БР-00- 129].

/ — п роти вовес;

2 — ги д р о м е ­ ханический ходоум ен ьш и тель;

3 — гидрооборудова­ ние;

4 — м а с л я н ы й б а к ;

5 — м е х а н и зм у п р а в л е н и я б а р а ­ ми;

6 — за ч и с т н о е устрой­ ство;

7 — б а р ;

8 — р е д у к т о р б а р о в;

9 — соед и н и тел ьн ы й ва л.

Технические характеристики БР-00- База м а ш и н ы.............................................................................................. трактор Т 100М Рабочий орган.......................................................................................... бар Число б а р о в.............................................................................................. Общая длина баров, м м..................................................................... Глубина прорезаемой щели во льду,м м................................... до Ширина прорезаемой щели, м м........................................................ Расстояние между барами (при работе двумя барами), мм Производительность (при прорезании щели во льду толщи­ ной 2,2—2,4 м), м/ч' м ак си м ал ь н ая................................................................................. средняя.......................................................................................... Скорость цепи рабочего органа (скорость резания), м/с.. 2, Размеры, мм длина................................................................................. ширина (по трактору)............................................................. масса, т............................................................................................ 16, Д ля прокладки тягового троса через реку прорезали во льду толщиной 2,2—2,4 м щель шириной 140 мм.

Прорезание щели баровой машиной и укладка троса на дно осущ ествлялись одновременно.

1.2. Р еж ущ ие, ф резерую щ ие и скалывающ ие средства Работа выполнялась следующим образом. Тяговый трос разло­ жили на льду вдоль створа перехода на расстоянии 2 м от него.

Баровую машину установили по линии створа, обозначенного веш­ ками. К поднятому (нерабочему) бару подвесили блок, через ко­ торый пропустили тяговый трос. П ри' движении баровой машины тяговый трос под действием собственной тяж ести опускался в го­ товую прорезь и уклады вался на дно реки.

При одновременной работе двух баров образовывались две п а­ раллельные узкие щели. Д л я образования майны лед между этими щелями разрезался одним баром на отдельные карты, которые из­ влекались трубоукладчиком.

Опыт использования баровой машины позволил дать некото­ рые рекомендации по обеспечению безопасных условий р а ­ боты [29].

Учитывая значительную массу машины, ледорезные работы сле­ дует выполнять после проверки прочности льда в соответствии с «Временными указаниями по технологии и организации строи­ тельства подводных переходов магистральных трубопроводов в зимних условиях» (ВН И И С Т 1968 г.).

При одноразовой проходке баровой машины для устройства прорези шириной 140 мм (работает один бар) или 800 мм (рабо­ таю т два бара) приведенная толщина льда в соответствии с «Вре­ менными указаниями» долж на быть не менее 60 см.

При устройстве широких майн, требующих двух или несколь­ ких последовательных проходов баровой машины по ослабленному ледяному покрову, допустимая приведенная толщина льда должна быть увеличена в зависимости от температуры наружного воз­ духа. При средней температуре воздуха за последние трое суток —5°С минимальную приведенную толщину льда, допускающую работу баровой машины при устройстве широких прорезей, сле­ дует увеличить до 1 м. В северных районах толщина льда, как правило, значительно превышает 1 м, поэтому использование ба­ ровой машины в этих районах наиболее эффективно.

При разработке льда баровая машина не долж на подходить к кромке майны ближе, чем на 0,5 м.

Н е следует оставлять бары в прорезаемых щелях при выклю­ ченной цепи рабочего органа. Цепь можно выключать лишь после подъема баров.

При подъеме льда трубоукладчик надо устанавливать от кромки майны на расстоянии не менее 1 м.

Ф р е зе р у ю щ и е с р е д с т в а. «Конструкторское бюро, органи­ 1.2.2.



Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 8 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.