Исследование физико-механических характеристик наледей автомобильных дорог

Трошин Д. И. - аспирант. Научный руководитель: к. т. н., доцент Чабуткин Е.К. Ярославский государственный технический университет Единой классификации обледенений на дорогах не существует, т.к. снежный покров нельзя рассматривать как вещество с определённой структурой. В зависимости от состояния и свойств снежно-ледяной покров можно разделить на пять категорий: свежевыпавший снег, сохранивший первоначальную кристаллическую форму снежинок; лежалый снег, изменивший свою структуру путём осадки; снежная корка, образовавшаяся путём механического воз-действия или переменного температурного режима; снежно-ледяная корка, образовавшаяся при дальнейшем уплотнении и промерзании снежной корки; лёд, когда все кристаллы снега превратились в лёд. В зависимости от категории снежно-ледяной покров имеет свою плотность. В зависимости от процессов образования льда, по классификации А.Д.Заморского, можно различить три группы обледенений: 1 группа -    образование льда в результате сублимации водяного пара, т.е. перехода его непосредственно в лёд, минуя стадию воды (иней и кристаллическая изморозь); 2 группа -    образование льда главным образом за счёт осаждения и замерзания переохлаждённых капель воды (зернистая изморозь и гололёд); 3 группа -    образование льда вследствие осаждения и замерзания не переохлаждённой воды (гололедица) и замерзания мокрого снега. Рассмотрение классификации групп обледенения возможны зимой, когда после оттепели наступает резкое похолодание или при выпадении мелкого дождя или осаждения пара на охлаждённую поверхность дорожного покрытия. Считая, что процесс обледенения характеризуется температурой воздуха, приближённой к 0°C при влажности воздуха 90-95%. Снежно-ледяные накаты в прибордюрной полосе не имеют определённой структуры. Особенностью таких наледей является загрязнённость. Исследования, проведенные на кафедре СДМ ЯГТУ, показали, что процент примеси, в среднем, составляет 7…12% от общего объёма, но встречаются и сильнозагрязнённые обледенения, достигая пятидесяти процентного содержания примесей. Классифицировать снежно-ледяные накаты в прибордюрной полосе можно по видам включений, из которых можно выделить три основных: с песчаными примесями; с включением вводно-масляных эмульсий (места мойки машин и станции технического обслуживания); с включением различных мелкодисперсных материалов (въезды с прилегающих грунтовых дорог). Для городских дорог наиболее характерен вид обледенений с песчаными примесями и их объем составляет 90%, от общего числа обследований. Поэтому, далее рассмотрим только этот тип наледей. При выборе способа борьбы с обледенениями на автодорогах можно выделить следующие основные физико-механические свойства льда: адгезию льда к другим материалам, твёрдость, прочность, теплоёмкость, теплопроводность, скрытую теплоту плавления, плотность, пористость. Однако, в процессе разработки обледенений на дорогах, не все физико-механические свойства льда одинаково влияют на рабочий орган ледорезных машин. Выделим те свойства льда, которые существенно влияют на процесс его разрушения.

04.03.2013
Исследование физико-механических характеристик наледей автомобильных дорог. Страница 2
Плотность чистого льда при 0°C и при давлении 0,1 МПа составляет 916,8 кг/м³, но в зависимости от условий образования льда, температуры, структуры, наличия различных примесей лёд может иметь плотность от 760 до 950 кг/м³. Коэффициент сжимаемости равен 2·10Б-5. Температура плавления чистого льда при давлении 0,1 МПа равна 0°С. В свою очередь увеличение давления на 0,1 МПа приводит к понижению точки плавления на 0,0075°С. Коэффициент линейного расширения равен 5,07·10-5в диапазоне температур от -5 до -10°С. Теплоёмкость льда при постоянном давлении равна: 2,1172647 + 2,7000084·t, (Дж/кг·°С), где t - температура (с учётом знака). Коэффициент теплопроводности: Кл = 2,219004·(1 + 0,62802·t), (Вт/м·°С) Разница коэффициентов теплопроводности для -20 и 0°С составляет всего 3%, поэтому коэффициент теплопроводности принимается постоянным Кл=2,219 (Вт/м·°С) или Кл=0,0053 (кал/см·с·°С). Прочность льда. В различных литературных источниках приводятся данные по прочности льда, большой разброс этих данных объясняется тем, что прочность льда зависит не только от температуры, но и от ряда других факторов: наличие примесей, структуры, скорости приложения нагрузки и др. Кроме того, во льду постоянно происходит процесс рекристаллизации путём перемещения границы между кристаллами, изменении формы и размеров кристаллов. Пористость льда как твёрдость и прочность зависит от плотности льда, чем больше плотность льда, тем меньше пористость. В таблице 1 представлены данные пористости льда. Таблица 1 - Зависимость пористости льда от плотности Плотность, г/см3 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 Пористость, % 89 78 67 56 46 35 24 13 2 На основании наблюдений определено, что плотность и пористость льда связаны зависимостью где q - пористость;  ρ0- плотность монолитного льда; ρ - плотность исследуемого льда. Главной особенностью льда является то, что в обычных условиях он находится при температурах, близких к температуре плавления, поэтому содержит некоторое количество жидкой фазы, которая действует как смазка при скольжении кристаллов друг относительно друга. Кроме того, лёд не вступает в химические реакции с другими веществами, и не образует твёрдых, неразрушимых материалов.

Сопротивление льда раздавливанию. Многочисленные опыты различных учёных показали, что сопротивление льда меняется в широком диапазоне в зависимости от его структуры, пористости, температуры, наличия примесей, направления сжатия относительно расположения кристаллов и др. В процессе сжатия образцы льда начинают разрушаться раньше, чем напряжения в нём достигнут предела прочности. Проведенные исследования показали, что наличие включений в снежно-ледяном массиве значительно влияет на прочностные характеристики льда. Нагрузка, приводящая к разрушению, может быть ниже в 2…3 раза, по сравнению с чистым льдом. Предел прочности льда также сильно зависит от температуры и увеличивается при её понижении. Эта зависимость может быть выражена эмпирической формулой Коржавина σ = А + В·θ, где θ - отрицательная температура льда, °С без знака минус; А и В - эмпирические коэффициенты в интервале температур от 0 до -10°С, А ≈ 15 и В ≈ 3,4. Однако наличие примесей в структуре льдообразований сильно меняет и картину изменения прочностных характеристик в зависимости от температурного фактора. Если отличия в прочностных характеристиках чистого льда и образцов с примесями при температуре -5°С может доходить до 40…50%, то при более высоких температурах  эта разница  может составлять уже 60…70%. Сопротивление льда разрыву при растяжении зависит в основном от тех же факторов, что и сопротивление раздавливанию, только величина предела прочности меньше. На величину предела прочности влияет наличие примесей. Если образцы льда при сжатии после появления трещин могут допускать дальнейшее увеличение нагрузки, то при разрыве разрушение происходит одномоментно. Сопротивление льда излому определяется путём изгиба образцов льда. Величина предела прочности в этом случае зависит от размера образца. По данным И.П. Бутягина предел прочности крупных образцов в среднем в три раза меньше малых образцов. Согласно данным К.П.Коржавина, предел прочности при сопротивлении излому зависит от скорости нагружения. При увеличении скорости изгиба от 0,00033 м/с до 0,003 м/с, уменьшало предел прочности с 0,92 до 0,36 МПа. Сопротивление льда срезу. Предел прочности льда при срезе меньше, чем при растяжении, по Б.П. Вайнбергу, в среднем почти в два раза σ_раст= 1,11 МПа, σ_ср= 0,58 МПа. Предел прочности при срезе увеличивается с понижением температуры и может изменяться в зависимости от структуры льда и направления среза относительно направления осей кристаллов. Таким образом, лёд по своим физико-механическим свойствам может быть отнесён к квазиизотропным твёрдым телам, обладающим упругопластическими свойствами, но при ударных нагрузках он ведёт себя как хрупкое тело, за счёт наличия примесей, трещин и пор. Величины пределов прочности льда при различных деформациях неоднозначны, так как сопротивляемость действующим нагрузкам зависит от условий формирования ледяного покрова.

Во льду всегда имеются полости с рассолом и полости, заполненные воздухом или газами. Отношение объема пузырьков с газом или воздухом к общему объему образца льда, выраженное в процентах, называется пористостью льда. Пористость морских льдов может колебаться от 5 до 13%.

Плотность пресного льда, лишенного пузырьков воздуха, при температуре 0 ⁰С равна 0.918 г·см³, а удельный объем при этом равен 1.090 см³·г^-1. Следовательно, при льдообразовании удельный объем увеличивается (плотность уменьшается) примерно на 9%.

Плотность морского льда зависит от температуры, солености и пористости .Плотность льда определяет осадку (погруженность) плавучих льдов, которая для пресных льдов составляет около 9/10, а для морских - до 5/6 их толщины.

Образование (кристаллизация) морского льда происходит не при какой-то фиксированной температуре, как у пресного льда, а непрерывно от температуры замерзания морской воды до температуры, при которой весь рассол замерзнет. Так же непрерывно при повышении температуры происходит плавление (таяние) льда.

Цвет льда, как и воды, объясняется избирательным поглощением и рассеянием световых лучей и зависит от размеров и количества посторонних примесей в нем. Совершенно чистый, пресный, лишенный пузырьков воздуха лед при рассматривании его в большом куске представляется нежно-голубым.

Лед, встречающийся в море, по цвету или оттенкам, заметным в больших массивах льда, можно грубо подразделить на коричневый, белый, зеленый и голубой или синий.

Начальные виды льдов - ледяное сало, шуга, тонкий смоченный молодой лед - имеют темно-серый со стальным оттенком цвет. По мере увеличения толщины цвет льда переходит в светло-серый, а затем в белый. При таянии смоченные водой тонкие льдинки вновь принимают темно-серую окраску.

Встречается лед зеленого, красного, розового, желтого и даже черного цветов, которые объясняются присутствием во льду в больших количествах различных минеральных и органических взвесей (бактерий, планктона, эоловых частиц и др.).

§ 7. Ледовая прочность

Под ледовой прочностью понимают свойство корпусных конструкций сохранять местную прочность (т. е. не получать повреждений) под действием ледовых нагрузок, возникающих при движении ледокола во льдах и во время ледовых сжатий. Ледовая прочность судна определяется его размерами, формой обводов, материалом и конструкцией корпуса, скоростью хода, а также толщиной и физико-механическими характеристиками ледяного покрова.

Ледовые нагрузки, действующие на корпус ледокола при работе во льдах, значительно выше местных нагрузок у других типов судов. Природа ледовых нагрузок: удары о лед вовремя работы ледокола набегами или при непрерывном ходе во льду, статическое давление при сжатии льдов. Наибольшие динамические нагрузки в носовой оконечности возникают при ударах о лед. Кормовая оконечность подвергается значительным динамическим нагрузкам во время реверсов и при работе задним ходом. Ударные ледовые нагрузки имеют локальный характер и приложены главным образом в районе действующей ватерлинии. При ледовом сжатии давление льда на корпус распределяется на значительном по длине корпуса участке.

Определение величины расчетных ледовых нагрузок, действующих на наружную обшивку и набор, является первым этапом при проектировании и расчете корпусных конструкций ледокола.

Канадские судостроители исходят из предположения, что ледовая нагрузка распределена по поясу высотой 0,9 м, причем она приложена самым неблагоприятным образом — в районе между грузовой ватерлинией и ватерлинией, соответствующей половине осадки. Для судов, толщина наружной обшивки которых меньше 25,4 мм, а шпация — более 508 мм, ледовая нагрузкасчитается приложенной непосредственно у ватерлинии. Я. Э. Янс-сон [41 ] считает это предположение приемлемым для ледоколов, работающих в средних широтах.

Американские специалисты при проектировании и постройке ледоколов типа Уинд ориентировались на ледовую нагрузку интенсивностью 210 кгс/см^, распределенную вдоль ватерлинии по узкому поясу. Ширина этого пояса принималась такой, чтобы суммарное усилие, создаваемое давлением льда, было достаточным для выжимания корпуса ледокола при сжатии. Такая расчетная схема приводит к завышению площади приложения ледовой нагрузки в несколько раз и тем самым — к занижению действующих нагрузок и напряжений. Кроме того, не учитывается, что нагрузки в оконечностях, возникающие при ударах о лед, могут значительно превосходить нагрузки от сжатия корпуса льдом. Недостаточно учитываются основные факторы, от которых зависит величина ледовой нагрузки: форма обводов корпуса, скорость хода судна во льдах, толщина и прочность льда.

Таблица 4

Интенсивность ледовой нагрузки при расчете бортового набора мощного ледокола

Интенсивность нагрузки, кгсісм''

Район корпуса----_._

на шпангоуты на стрингеры

Носовая оконечность 80 47

Средняя часть 40 24

Кормовая око- 60 35 нечность

При постройке в Финляндии ледоколов типа Москва финские судостроители использовали рекомендации советских специалистов. Бортовая обшивка этих ледоколов рассчитывалась на давление льда, равное 100 кгс/см^ — в носовой оконечности, 50 кгс/см^ — в средней части и 75 кгс/см^ — в кормовой оконечности. Интенсивность ледовой нагрузки на шпангоуты и бортовые стрингеры, принятая при расчете корпусных конструкций, указана в табл. 4 [41]. Опыт проектирования корпусных конструкций ледоколов типа Москва оказался удачным: в течение многолетней эксплуатации их корпусные конструкции (за исключением днищевых) не имели существенных ледовых повреждений.

в СССР д. Е. Хейсиным и Ю. Н. Поповым разработан и получил признание метод определения ледовых нагрузок [20], который достаточно полно отражает физическую картину работы ледокола во льдах. При обосновании этого метода ледяной покров рассматривался как изотропная пластина, лежащая на упругом основании (вода). Лед считался вполне упругим материалом, а его упругие постоянные и значения пределов прочности принимались по данным натурных экспериментов. При определении ударных нагрузок условно принималась заданная конфигурация кромок льдины. С целью уточнения полученных решений расчетные ледовые нагрузки сопоставлялись с фактической прочностью плавающих судов. При этом учитывались сведения о ледовых повреждениях и данные опыта эксплуатации ледоколов в Арктике и в замерзающих неарктических морях.

Разработанный на этой основе расчетный метод пригоден для ледоколов всех классов. Он позволяет при определении ледовых нагрузок, которые в оконечностях назначаются исходя из условий удара о лед, а в средней части корпуса — из условий статического сжатия ледяными полями, учесть размерения ледокола, форму его корпуса и скорость хода, а также ледовые условия, в которых он плавает. Ниже приводятся основные зависимости указанного метода.

Нагрузки на бортовой набор. Величина ледовой нагрузки зависит от конфигурации кромки льдины в районе контакта с бортом. Как показывает анализ, кромка, очерченная по дуге окружности (если принимать величину радиуса в пределах от 10 до 40 м), приводит к распределению и величинам ледовых нагрузок, хорошо согласующимся с данными натурных испытаний и опыта эксплуатации судов во льдах. Ледовая нагрузка в тс/м, действующая на носовую оконечность ледокола,

* Для соленого арктического льда при ударе составляет 350— 600 тс/.н^ [20].

Коэффициенты к^, к^, ку и к^ определяют по графикам рис. 44—47. Значения углов а и Р снимают на уровне конструктивной ватерлинии^.

Ледовые нагрузки для бортового набора в средней части корпуса определяются исходя из условий статического сжатия ледокола льдами. В качестве расчетных нагрузок, действующих на корпус судна при сжатии, принимаются предельные нагрузки, разрушающие лед заданной толщины. Наблюдения показывают, что у борта ледокола разрушение ледяного покрова при сжатии происходит в основном от изгиба, что объясняется значительнымнаклоном борта к вертикали. С учетом сказанного случаи сжатия ледоколов, имеющих в средней части «наклонный» ф > 8°) или «вертикальный» (Р<8°) борт, рассматриваются отдельно.

^ Для проверки точности замера углов а' и В необходимо постоите,

1Т.^п^^Т.\'Тс ' ' ''''''' недос?атГноГпГв„"о?;иРк;;!

вых сгладить их и в расчет вводить исправленные углы.

3

к^=у 1о№ ~~ предела прочности льда на изгиб;

/г^, — толщины льда (рис. 50).

Расчетная нагрузка в тс/ж в средней части корпуса ледоколов с «вертикальным» бортом определяется формулойц, = к,КУ\ (13)

где к^ — коэффициент, равный 62 — для соленого льда и 73 — для пресного; к — расчетная толщина льда при сжатии, м. Ледовые нагрузки, действующие на кормовую оконечность, определяются из условия удара ледокола о лед при движении задним ходом или при навале кормы на кромку льда при рыскании. Корма находится в более легких условиях, чем носовая оконечность. Кроме того, форма кормы ледоколов весьма благоприятна для восприятия ледовых усилий ввиду большего наклона борта в корме. В силу этого величина ледовых нагрузок в кормовой оконечности назначается в долях от максимальной нагрузки, действующей на носовую оконечность:

^к = М^н)„,з.- (14)

Величина коэффициента к = 0,7 была назначена исходя из условия удара кормой о лед со скоростью 4—5 уз. Нагрузка при этом должна быть не менее чем на 30% выше нагрузки в средней части ледокола. Протяженность района усиления кормовой «оконечности должна составлять около 20% от длины судна, считая от кормового перпендикуляра.

Нагрузка на наружную (бортовую) обшивку. Анализ взаимодействия корпуса со льдом показывает, что контактные давления, развивающиеся при раздроблении кромки льда, зависят от массы ледокола, формы его обводов, скорости, а также от физико-механических характеристик льда. Ввиду того что некоторые характеристики ледяного покрова недостаточно изучены, строгое определение расчетной величины контактных давлений представляется затруднительным, и при назначении ледовых нагрузок на обшивку используют метод пересчета с прототипа.

При этом исходят из предположения, что ледовая нагрузка распределена по наружной обшивке, причем зона распределения имеет вид пятна, вытянутого вдоль судна на несколько шпаций. Это дает основание полагать, что на рассматриваемом участке борта интенсивность расчетной нагрузки на бортовую обшивку р пропорциональна интенсивности расчетной нагрузки на бортовой набор т. е. р/ро = ЦІЦй, где обозначения без индекса относятся к рассматриваемому ледоколу, а с индексом О — к судну-прототипу.

Для судов, близких к прототипу, можно считать, что условия их эксплуатации во льдах сходны. Следовательно, параметры, характеризующие физико-механические свойства льда, конфигурацию кромки льдины, а также скорость движения во льдах, будут одинаковыми для обоих ледоколов:

Предполагается также, что интенсивность ледовых усилий, действующих на обшивку, зависит от формы корпуса лишь в той мере, в какой она влияет на силу удара, т. е. на приведенную массу судна и его приведенную скорость, и практически не зависит от геометрии смятия кромки льда. Выражение для интенсивности ледовой нагрузки на обшивку при ударе о плавающую льдину запишется в виде

где Рн — интенсивность ледовой нагрузки на обшивку в носовой оконечности; — масса ледокола; Ма — масса льдины.

В случае удара о большое ледяное поле {М^М^ -> 0) формула (15) упрощается:

Р» = (Р«о-' ° ' ■ (16)

Отношение водоизмещении ледокола и близкого ему прототипа примерно равно отношению кубов их длин. Учитывая это обстоятельство и равенство V = Уо, формулу (16) можно записать следующим образом:

где L — длина ледокола между перпендикулярами, м;

ka = (l.6cosß + 0,ll)'^° _ jn^ _ коэффициент, учитываю щий влияние угла наклона ß шпангоутов к вертикали {т — коэффициент, определяемый по графику рис. 44);

t = 2.51.

['•ЇЧ'О.І'"

Значения коэффициента k для ледоколов различных классов

I класс...............30,5

II » ...............24

III » ...............18

Интенсивность ледовой нагрузки в средней части корпуса, определенная из условий сжатия судна во льдах,

^ /--^-ft*

Рс = (Рс)о]/-57-^--|. (18)

где обозначения с нулевым индексом относятся к судну-прототипу. Если взять в качестве прототипа мощный ледокол со строительной прочностью бортовой обшивки (pjo = 520 тс/м^, то предельную толщину льда, давление которого выдерживает этот ледокол, можно принять равной 4 ж, а пределы прочности льда на смятие (ojo = 250 тс/м^ и на изгиб (Ор)о = 125 тс/м^. С учетом сказанного формула (18) преобразуется:

р, = 0,52 о^оЧ.^ тс/м\ (19)

Если прочностные характеристики льда при переходе от прототипа к проектируемому ледоколу не изменяются, т. е. если

Ое/(Ое)о =^ öp/(Op)o = 1, то Ре = 82/1 і/ h.

Интенсивность ледовой нагрузки на обшивку в кормовой оконечности Рк назначается по формулегде к' — численный коэффициент, равный 0,7.

Нагрузка Рк должна быть не менее чем на 30% выше нагрузки в средней части. Протяженность района усиления обшивки в кормовой оконечности следует принимать равной 20% от длины судна.

При движении судов во льдах помимо «прямых» ударов наблюдаются также «отраженные» удары, когда судно, ударившись бортом о лед, резко отклоняется в противоположную сторону и ударяется о лед другим бортом. Проекция скорости на нормаль к борту при втором ударе больше, чем при первом. Соответственновозрастают и контактные усилия, что приводит иногда к серьезным повреждениям, в результате этого в ряде случаев отмечались значительные деформации бортовой обшивки и набора, например на ледоколе Ермак во время его первого арктического плавания, а также на некоторых транспортных судах ледовых категорий.

Ледовые нагрузки в носовой оконечности с учетом отраженного удара будут больше, чем приведенные выше [см. формулы (10), (11), (17)], и определятся следующим образом:

X — отстояние от миделя сечения, по которому пришелся отраженный удар.

Прочие обозначения те же, что и выше. Графики функций !д (Р) и /р (Р) приведены на рис. 51.

По найденным значениям интенсивности ледовых нагрузок строят их эпюры по длине ледокола (рис. 52, 53). Эпюры спрям-

ляют на отдельных участках, исходя из конструктивных соображений (например, учитывая расположение переборок). Теоретические кривые нагрузок на обшивку и набор носовой оконечности спрямляют таким образом, чтобы число участков не превышало двух—трех. Значения интенсивности ледовой нагрузки спрямленных эпюр являются расчетными для бортового набора и обшивки ледового пояса.

Нагрузки на палубы и поперечные переборки. Расчетные нагрузки на палубы и поперечные переборки назначаются исходя из расчетных нагрузок на бортовой набор. Формулы для определения этих нагрузок приведены в § 21 и 22, где рассматриваются прочность и конструкция ледовых палуб (платформ) и поперечных переборок.

Нагрузки на штевни. Подробный теоретический анализ удара судна форштевнем о лед и определение возникающих при этом нагрузок проведены в работе [33].

Ледовая прочность ледокола обеспечивается, однако, не только назначением ледовых нагрузок и выбором соответствующего материала и конструкции его корпуса, нО также выполнением целого ряда эксплуатационных требований. Главнейшим из этих требований является соблюдение некоторой «допустимой» скорости движения во льдах, превышение которой может привести к ледовым повреждениям корпуса. Допустимая скорость движения в конкретных ледовых условиях определяется мощностью энергетической установки и прочностью корпуса ледокола, воспринимающего ледовые нагрузки. Для практического ■ определения безопасной возможной скорости движения надо иметь кривые ледовой и предельной прочности. Кривую ледовой прочности рассчитывают по методике, изложенной выше. Она соответствует скорости движения, при которой напряжения, возникающие в корпусных конструкциях во время взаимодействия корпуса со льдом, равны пределу текучести матер'иала. Кривая предельной прочности определяется на основании расчета конструкций в упруго-пластической зоне и соответствует скорости движения ледокола, при которой несущая способность его конструкций считается исчерпанной. С помощью этих кривых, построенных в координатах V — к я нанесенных на график ледовой ходкости (см. § 11), можно определять безопасную скорость движения ледокола в заданных конкретных и прогнозируемых ледовых условиях при различных режимах работы энергетической установки.