Аспирант Быков В. Ю.
Научный руководитель: проф. Шестопалов К.К.
МАДИ (ГТУ)
«К вопросу о деформативных свойствах снега»
В связи с развитием нового направления в снегоуборочной технике и технологии, связанного с уплотнением снежной массы в процессе ее уборки и последующем вывозе в уплотненном виде, важной задачей становиться исследование физико-механических свойств снега влияющих на процесс уплотнения снега в замкнутом объеме и выбор рабочих параметров снегоуплотнительных агрегатов. К деформативным свойствам снега относят те количественные и качественные физико-механические свойства, которые характеризуют процесс его уплотнения.
Исследования по вдавливанию штампа в снег показывают, что максимальное давление штампа не должно превышать предел прочности на сжатие для конкретного образца снега. Однако, при уплотнении снега в закрытой камере, где исключено выдавливание снега, возможно применение давлений значительно превышающих предел прочности. Исследования по одностороннему уплотнению снега в замкнутом объеме показали, что основным фактором при данном виде уплотнении является величина уплотняющей нагрузки, значение которой зависит от требуемых размеров снежного блока и конечной плотности:
, Н,
где - размер требуемого снежного куба, мм; - требуемая конечная плотность брикета, кг/м3.
Другие исследования показывают, что на величину конечной плотности снега особое влияние оказывает толщина уплотняемого слоя. Уменьшение толщины усиливает влияние более жесткого основания и повышает предел прочности, что создает возможность для развития более высоких давлений сжатия. С уменьшением толщины уплотняемого слоя снега уменьшаются боковые смещения и начинают преобладать вертикальные деформации.
Природный снег – это пористая среда, состоящая из ледяного каркаса, заполненного влажным воздухом, при отрицательной температуре, а также свободной водой, при температуре близкой к нулю. Воздух может свободно проходить сквозь каркас и удаляться из снежной массы при ее сжатии. При уплотнении снежной массы в замкнутом объеме, особенно герметичном, большое значение имеет параметр объемного содержания воздушной фазы и процесс вывода свободного воздуха из уплотняемого материала. Установлено, что для снега значение пористости колеблется в более широких пределах (от 0.3 до 0.9), чем для других материалов, которые наиболее часто подвергаются уплотнению.
При близких к нулю температурах в снежной массе появляется жидкая фаза, вследствие чего быстро меняется структура снега: маленькие зерна исчезают, образуются крупные зерна (диаметром до 2 мм). Подобные метаморфические изменения приводят к росту плотности и снижению прочности снега. Отсюда следует вывод о том, что наиболее эффективный процесс уплотнения снега происходит при температуре близкой к 0⁰С. С ростом влажности снега, свободная вода начинает разрушать связи в скелете снежной массы, образуя поверхности, по которым деформация может протекать почти без энергетических затрат. При объединении таких поверхностей, деформация начинает расти с постоянной скоростью без увеличения нагрузки. Исследования по уплотнению влажного снега показывают, что значение влажности снега, при котором становится возможным описанный процесс, определяется следующим выражением:
,
где - плотность воды.
Зависимость между предельно достижимой плотностью снега и его относительной влажностью может быть описана эмпирическим соотношением:
.
Время воздействия деформационной нагрузки является неотъемлемым параметром описания процесса уплотнения снежной массы. Исследования показывают, что снег разной прочности можно уплотнять с одинаковыми усилиями, но различным временем воздействия деформационной нагрузки: менее плотный снег на повышенных скоростях, более плотный – на пониженных. В целях эффективного уплотнения снега в замкнутых объемах необходимо стремится к созданию таких условий, при которых время процесса занимало бы минимальное количество времени.
Обзор изысканий в области деформативных свойств снега и процессов его уплотнения выявил, что на сегодняшний день отсутствуют исследования по оценке влияния фактора многосторонности уплотнения на качественное распределение плотности снежной массы по объему брикета. При уплотнении среды в замкнутом объеме значение плотности по слоям материала различно и распределено неоднородно. Предполагается, что многостороннее уплотнение снега в замкнутом объеме положительно скажется на характеристиках изготовленного снежного блока – прочности и конечной плотности.
|
