Экология и научно-технический прогресс. Урбанистика

УДК 621.878.23

Р.В. Денисов, М.Ю. Петухов

ОЦЕНКА ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ СИСТЕМЫ КОМПЛЕКСНОЙ ТЕПЛОВОЙ ПОДГОТОВКИ АГРЕГАТОВ СПЕЦТЕХНИКИ

НА ПРИМЕРЕ ТРАКТОРА ДТ-75МЛ

Рассматривается система комплексной тепловой подготовки агрегатов спецтехники на примере трактора ДТ-75МЛ. Производится оценка экологической эффективности данной системы путем сравнения количественных показателей выброса вредных веществ при ее работе с показателями выброса при прогреве техники на холостом ходу

Ключевые слова: предпусковая тепловая подготовка, двигатель внутреннего сгорания, гидравлический привод, экологическая эффективность, выбросы загрязняющих веществ.

R.V. Roman, M.Yu. Mikhail

EVALUATION OF THE ECOLOGICAL EFFECTIVENESS OF SYSTEM OF COMPLEX HEAT SPECIAL MACHINERY’S UNITS’ PREPARATION FOR EXAMPLE TRACTOR DT-75ML

The article considers the system of complex heat special machinery’s units’ preparation for example tractor DT-75ML. The estimation of its ecological efficiency based on quantitative comparison of emission of harmful substances to the emissions during heating machinery idling.

Keywords: pre-start heat preparation, internal combustion engine, hydraulic drive, ecological effectiveness, pollutant emissions

Отрицательные температуры окружающей среды негативно влияют на работоспособность и производительность транспортнотехнологических машин: меняются характеристики эксплуатационных материалов; меняется тепловой режим двигателя и основных узлов; уменьшается КПД приводов ходового и рабочего оборудования; наблюдается более интенсивный износ движущихся сопряжений узлов и деталей машины; ужесточается физиологический режим работы эки-

271

пажа. Необходимо отметить, что все эти факторы неизбежно влияют на экологические характеристики техники. Особо стоит обратить внимание на повышенный выброс вредных веществ в атмосферу.

Ситуация усугубляется тем, что при выполнении ряда работ техника эксплуатируется в полевых условиях, вдали от стационарных источников электроэнергии и тепла, с помощью которых можно было бы обеспечить требуемый тепловой режим двигателя и гидросистемы машины перед пуском, тем самым снизив повышенный выброс вредных веществ свыхлопнымигазамиватмосферунарежимахпускаипрогрева[1].

Для решения сложившейся проблемной ситуации после изучения текущего состояния данного вопроса нами была предложена система комплексной тепловой подготовки агрегатов (СКТПА) спецтехники. Основным теплогенерирующим элементом данной системы является дизельный автономный предпусковой подогреватель «Теплостар 14-ТС10». Компоновочная схема предложенной системы для трактора ДТ-75МЛ представлена на рисунке.

Рис. Компоновочная схема системы комплексной тепловой подготовки агрегатов на тракторе ДТ-75МЛ: 1 – двигатель внутреннего сгорания; 2 – пусковой двигатель; 3 – радиатор отопления кабины оператора; 4 – электрический циркуляционный насос; 5 – автономный предпусковой подогреватель; 6 – треххо-

10 – гидроцилиндр; 11 – штатный циркуляционный насос двигателя

272

Разработанная система позволяет произвести тепловую подготовку двигателя и гидравлической системы строительных машин, что во многом решает проблемы, перечисленные выше. Положительными результатами решения данных проблем являются: повышение экономической эффективности работы техники при отрицательных температурах путем существенного снижения расхода топлива на прогрев двигателя и гидравлической системы, значительное снижение выбросов вредных веществ в атмосферу. Таким образом, данная система позволит значительно повысить экологическую эффективность работы техники.

Говоря об экологической эффективности, особое внимание необходимо обратить на ее количественную оценку. Основным показателем дляколичественнойоценкибудетстепеньснижениявредныхвыбросовна режимах пуска и прогрева двигателя и гидросистемы при помощи СКТПАпосравнениюспрогревомприработенахолостомходу.

Оценку произведем для системы комплексной тепловой подготовки, установленной на бульдозере ДТ-75МЛ, исходя из условий работы техники в Пермском крае. Отрицательные температуры преобладают в Пермском крае в течение пяти месяцев (с ноября по март), при этом средняя температура за эти месяцы составляет минус 15 °С.

Рассмотрим экологические показатели прогрева двигателя и гидравлической системы на холостом ходу. Согласно методическим рекомендациям [3] при температуре окружающего воздуха минус 15 °С время прогрева двигателя для спецтехники составляет 20 минут. По данным теплового расчета гидравлической системы время, необходимое для прогрева гидравлической системы, составляет 40 минут. Таким образом, после прогрева двигатель должен проработать еще 20 минут на холостом ходу для обеспечения прогрева гидравлической системы.

Расчет выбросов вредных веществ трактором за время пуска и прогрева на холостом ходу будем производить по формуле

i-го вещества при работе двигателя на холостом ходу, г/мин; tx.x – время работы двигателя на холостом ходу, мин.

273

Исходные данные по удельным выбросам веществ приняты согласно методике [3] с учетом тягового класса трактора, применяемого топлива и условий хранения техники. Выброс углекислого газа находим исходя из того, что по результатам расчета топливной экономичности при температуре минус 15 °С для прогрева двигателя и гидравлической системы на холостом ходу потребуется 7,7 литров (6,5 кг) дизельного топлива. Количество углекислого газа на килограмм сжигаемого топлива определим по формуле [4]

гдеC – массовыедолиуглеродаводномкилограммедизельноготоплива. Массу углекислого газа при сжигании топлива, необходимого

для прогрева определим по формуле

где m – масса сжигаемого топлива, кг; CO2 – молярная масса углеки-

слого газа, г/моль.

Результаты расчета выброса вредных веществ при прогреве двигателя и гидравлической системы на холостом ходу совместно с исходными данными сведены в таблицу.

Расчет выброса загрязняющих веществ

Перейдем к рассмотрению экологических показателей прогрева двигателя и гидравлической системы трактора при помощи предложенной системы комплексной тепловой подготовки агрегатов (СКТПА). Основным элементом данной системы является автономный

274

предпусковой подогреватель «Теплостар 14-ТС10», работающий на дизельном топливе. Выделяемая при сгорании дизельного топлива тепловая энергия передается циркулирующей через встроенный теплообменник охлаждающей жидкости.

Горение топлива в предпусковом подогревателе происходит при атмосферных условиях, следовательно, в процессе горения выделяется только углекислый газ и вода. Отсутствие в выхлопных газах предпускового подогревателя ряда загрязняющих веществ дают данному способу прогрева огромное преимущество в экологическом плане. Кроме того, предпусковой подогреватель потребляет за время прогрева достаточно небольшое количество топлива. Допустим для прогрева двигателя и гидравлической системы трактора ДТ-75МЛ в течение одного часа подогреватель израсходует 1,4 литра (1,2 кг) дизельного топлива. Произведя расчет по формулам (2) и (3) для подогревателя, получим выброс углекислого газа в атмосферу, который составляет 3828 граммов.

В заключение необходимо отметить, что режим горения топлива в подогревателе кардинально отличается от горения топлива в ДВС, где данный процесс происходит при высоких давлениях и температурах с образованием ряда загрязняющих веществ, представленных в таблице. Почти все эти вещества являются крайне ядовитыми, и при определенных концентрациях могут оказывать негативное влияние на дыхательную, нервную, сердечно-сосудистую системы, а в некоторых случаях даже привести к летальному исходу. Предложенная нами система лишена описанных экологических опасностей. Единственным относительно вредным выбросом является углекислый газ. Однако диоксида углерода при осуществлении прогрева при помощи СКТПА выделяется в 5 раз меньше, нежели при прогреве на холостом ходу. Таким образом, можно с уверенностью говорить о крайне высокой экологической эффективности предложенной системы.

Список литературы

1.Обеспечение работы гидропривода строительной машины

вусловиях низких температур окружающей среды / Ш.М. Мерданов, А.В. Яркин, Ф.Д. Шараев, А.Н. Шуваев // Научно-технический вестник Поволжья. – 2012. – № 4. – С. 143–145.

275

2.Трактор ДТ-75МЛ. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. – Алма-Ата: Кайнар, 1988. – 288 с.

3.Методика проведения инвентаризации выбросов загрязняющих веществ в атмосферу для автотранспортных предприятий (расчетным методом). – М., 1998.

4.Колчин А.И., Демидов В.П. Расчет автомобильных и тракторных двигателей: учеб. пособие для вузов. – 3-е изд. перераб. и доп. –

М.: Высш. шк., 2003.

Сведения об авторах

Денисов Роман Валерьевич – магистрант кафедры «Автомобили и технологические машины», Пермский национальный исследовательскийполитехническийуниверситет, е-mail: roman.stm08@gmail.com.

Петухов Михаил Юрьевич – кандидат технических наук, Пермский национальный исследовательский политехнический универ-

ситет, е-mail: mi.petukhov@gmail.com.

276

УДК 625.75.628.382.629.7

И.А. Зотов, Д.Ю. Колегов, В.И. Кычкин

ВИБРОМОНИТОРИНГ И ОЦЕНКА ТОНКИХ СЛОЕВ ДОРОЖНОГО ПОКРЫТИЯ

Предложен метод определения износа поверхностных тонких слоёв дорожных одежд на основе контроля собственных колебаний конструкций. Показано, что количественная оценка износа материала может быть определена расчётным путём. Приводится оценка точности метода.

Ключевые слова: тонкие слои, контроль, вибромониторинг, собственная частота колебаний.

I.A. Zotov, D.Yu. Kolegov, V.I. Kychkin

VIBROMONITORING AND EVALUATION

OF THIN LAYERS OF PAVEMENT

The method for determination of surface wear thin layers of pavement through the control of the natural oscillations of structures. Shown that the quantification of wear material can be determined by calculation.

Keywords: Ash, thin layers, control, vibromonitoring, natural frequenc.

Проезжая часть дорог и улиц, посадочные площадки, остановочные пункты, обочины и откосы земляного полотна должны быть ровными, без посторонних, не имеющих отношения к их обустройству предметов. Покрытие проезжей части не должно иметь просадок, выбоин, иных повреждений, затрудняющих движение транспортных средств.

Требуемый уровень существующей транспортной сети и вновь строящихся автомобильных дорог предполагает сложную комплексную систему оптимального ресурсопотребления, снижения затрат на проектирование, строительство и эксплуатацию дорожных конструкций, адаптацию к современным условиям с учётом высоко-динамич- ных транспортных средств (АТС) и снижения дорожно-транспортных происшествий (ДТП).

277

На сегодняшний день существует большое количество дорожных покрытий: цементобетонное покрытие; асфальтобетонное покрытие на гравийном основании; трехслойное асфальтобетонное покрытие на бетонном основании; асфальтобетонное покрытие на основании из щебня, укрепленного битумом и цементобетоном; асфальтобетонное покрытие на гравийном основании и т.д. Однако каким бы современным покрытие ни было, оно неизбежно начнёт подвергаться воздействию АТС и приходить в негодность, после чего последует ремонт, за ним другой, и так будет продолжаться вечно. Поэтому важной задачей остаётся контроль тонких слоёв дорожного покрытия. Благодаря своевременному выявлению процесса разрушения можно предотвратить ремонт всей дороги, произведя его там, где процесс разрушения только начался. Когда мы случайно получаем маленькую травму, например царапину, мы сразу обрабатываем рану и лечим её, но если мы не обратим на неё внимание, дело может дойти до воспаления. То же происходит с дорогой; при разрушении тонких слоёв дорожного покрытия начинается процесс разрушения, возникают просадки, выбоины, ямы.

До начала процессов разрушения дороги необходимо произвести процесс асфальтирования, который осуществляется в несколько этапов согласно ГОСТу: 1) расчистить место асфальтирования и покрыть его щебнем; 2) осуществить фиксацию асфальта при помощи эмульсии, на которую затем наложить битум и сухой щебень; 3) выровнять поверхность дорожного полотна при помощи асфальтоукладочной техники. Технологический процесс асфальтирования может различаться в зависимости от того, какой материал используется для укладки асфальта. На сегодняшний день существует два способа укладки асфальта: технология горячего асфальтирования и укладка холодного асфальта.

Воздействия на объект при различных процессах имеют одну общую черту. Это контроль производства – совокупность всех контрольных операций, проводимых на этапах проектирования, изготовления, эксплуатации, ремонта, восстановления дорожных конструкций на основании информации о качестве объекта и состоянии процессов управления. Управление с целью обеспечения требуемых транспортно-эксплуатаци- онных параметров автомобильных дорог на базе количественных методов внастоящеевремяширокоиспользуетсявпрактикепринятиярешений.

278

В [1, 2] приведен обширный материал о принципах проектирования шероховатых поверхностей слоёв на автомобильных дорогах. Вчастности, отмечено, что срок службы поверхностной обработки покрытий не укладывается в определённые нормативные сроки. Это обстоятельство указывает на важность проблемы оценки состояния тонких дорожныхэлементовконструкцийвусловияхдлительнойэксплуатации.

Основным направлением совершенствования управления качеством продукции и повышения её технологичности является разработка и внедрение сертификации и систем менеджмента качества (СМК).

Здесь речь идет о контроле средствами вибромониторинга состояния тонких поверхностных слоёв дорожной конструкции, целью которого является определение их износа в результате действия касательных напряжений от движущихся АТС и проявляющегося в уменьшении толщины верхних слоёв покрытий в процессе эксплуатации дорожного покрытия. Это часть широкого внедрения в практику работы дорожных организаций методов экспресс-контроля автоматизации диагностики.

С точки зрения физических основ деградации и разрушения тонких слоёв дорожных одежд необходимо отметить, что в силу непрерывности процессов взаимодействия материалов конструктивных слоёв и природно-климатических факторов с механическим и термодинамическим поведением системы «дорожное покрытие – колесо автомобиля» недопустимый износ – это отказ рассматриваемой поверхности в результате накопления необратимых изменений в тонких функциональных слоях дорожной одежды. Различная степень проявления этих изменений на внешних характеристиках определяет различие в анализе отказов специалистом, осуществляющим мониторинг работ. Схема изменения во времени физического состояния поверхностных слоёв, обусловленного необратимыми физико-механическими процессами, в общем виде представлена на рис. 1.

Процесс изменения (уменьшения толщины слоёв поверхности дороги – асфальтобетон, цементобетон) проходит в два этапа: 1-й этап – на вновь открытом для движения АТС участке дороги происходит погружение щебня в покрытие; 2-й этап – уменьшение шероховатости в результате истирания иполировки частицщебня. По времени первыйэтап зависит от состава минеральной части асфальтобетонной смеси, температуры покрытия, размера щебня, величины колёсной нагрузки и может измеряться несколькимимесяцами, второйэтаппродолжаетсягодами[1, 8].

279

Рис. 1. Схема формирования отказа (изменения состояния поверхностных слоёв)

Основной период эксплуатации характеризуется прямолинейной зависимостью между величинами износа и суммарной транспортной нагрузки. При этом скорость автотранспортного средства оказывает небольшое влияние на величину износа, а наличие тяжёлых АТС увеличивает износ [9].

Предельный допустимый износ принимается 10–20 мм [10]. Принято, что износ покрытия происходит по всей ширине проезжей части, но в полосах наката, где чаще всего проходят колёса АТС след в след (рис. 2), его величина бывает больше. При расчётах считают износ равномерно распределённым по всей площади покрытия, т.е. толщина слоя износа уменьшается одинаково по всей площади. Износ с более интенсивнойпотерейматериалапроисходитвместах, гдеобразуютсявыбоины.

Рис. 2. Износ дорожного покрытия

280