Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса, цель и задачи исследования 6
1.1. Коэффициент сцепления при работе шины воздушного судна 6
1.1.1. Оборудование для измерения коэффициента сцепления 6
1.1.2. Деформационные и тепловые процессы при качении колеса 10
1.1.3. Зависимость коэффициента сцепления от шероховатости покрытия 18
1.1.4. Поведение шины в процессе приземления воздушного судна 19
1.2. Методы борьбы с резиновыми отложениями на поверхности покрытий их классификация 25
1.2.1 Технологические и организационные способы борьбы с резиновыми отложениями 28
1.2.2. Технические способы борьбы с резиновыми отложениями 31
1.3 Ультразвуковая очистка поверхности 44
1.4 Цель и задачи исследования 51
Глава 2. Сопоставление эффективности существующих методов очистки поверхностей взлетно-посадочных полос 53
2.1. Параметры сопоставления 53
2.2. Водоструйная очистка твердого покрытия 54
2.2.1. Оборудование «BOMA» (Германия) 54
2.2.2. Оборудование «Хаммельман» (Германия) 57
2.3. Гранулоструйная очистка сухим льдом твердого покрытия 58
2.4. Очистка твердого покрытия металлической щеткой 62
2.5. Сопоставление результатов проведенных испытаний оборудования 64
2.5.1. Производительность процесса очистки 64
2.5.2. Коэффициент сцепления 67
2.5.3. Недостатки сопоставляемых методов 74
Глава 3. Экспериментальное исследование износа шины ИЛ-76 ТД 78
3.1. Нормативы износа авиашины 78
3.2. Определение параметров адгезионной связи между резиновыми отложениями и твердым покрытием 79
3.3. Методика проведения эксперимента 83
3.4. Результат эксперимента 86
Глава 4. Разработка методики экспериментальных исследований процесса ультразвуковой очистки покрытия от резиновых отложений 94
4.1. Исследуемые технологические параметры 94
4.2. Экспериментальное оборудование для исследования процесса ультразвуковой очистки твердого покрытия 97
4.3. Методика проведения экспериментальных исследований и отбора образцов 106
4.4. Методика обработки экспериментальных данных 108
Глава 5. Экспериментальные исследования процесса ультразвуковой очистки покрытия взлетно-посадочной полосы от резиновых отложений 114
5.1. Общие сведения 114
5.2. Установление рациональных параметров процесса 114
5.3. Обоснование технологических характеристик процесса 118
5.4. Оценка эффективности очистки покрытий ультразвуковым методом 122
5.5. Методика определения рациональных параметров оборудования машины для ультразвуковой очистки покрытия взлетно-посадочной полосы от резиновых отложений 130
Основные научные выводы и результаты 136
Список литературы 139
Приложение
- Методы борьбы с резиновыми отложениями на поверхности покрытий их классификация
- Водоструйная очистка твердого покрытия
- Определение параметров адгезионной связи между резиновыми отложениями и твердым покрытием
- Экспериментальное оборудование для исследования процесса ультразвуковой очистки твердого покрытия
Введение к работе
Воздушный транспорт является важной составной частью транспортных перевозок России. Состояние и перспективы развития воздушного транспорта обусловлены ускорением темпов роста грузо- и пассажиропотока. Соответственно растет и интенсивность взлетов и посадок в аэропортах. Возрастает силовое и разрушающее воздействие шасси самолетов на покрытие взлетно-посадочной полосы.
Содержание и эксплуатация аэродромов определяет виды работ, связанные с использованием уборочного оборудования для: быстрого и эффективного удаления снега и льдообразований в зимний период года; уборки мусора и грязи в летний период года; удаления резинового наката с поверхности покрытия взлетно- посадочной полосы в течение года по мере необходимости.
Для современных аэропортов с высокой интенсивностью взлетов и посадок, где необходимы быстрота и качество очистки летного поля, применяется техника, имеющая высокие технические характеристики, а основным критерием оценки состояния летного поля является коэффициент сцепления поверхности с шасси воздушного судна.
Современный Воеи^-747 приземляется со скоростью 160 км/ч, весит 300 тонн и имеет 16 шасси. Шины самолета изготовлены из каучука, и каждый раз, - - — когда - самолет- приземляется, на ~ покрытии образуется резиновый "накат/ Водяная пленка на поверхности взлетно-посадочной полосы закипает при посадке воздушного судна, что увеличивает толщину образующегося слоя резины на покрытии.
Образование резины на взлетно-посадочной полосе создает опасную посадочную .обстановку. Резиновые отложения (накат) могут полностью закрыть маркировку взлетно-посадочной полосы уже через два дня. Поэтому, с постоянно увеличивающейся интенсивностью взлетов и посадок, значение проблем удаления отложений возрастает, так как время, доступное для очистки и обслуживания взлетно-посадочной полосы между взлетами и посадками самолетов, исчисляется минутами.
Аэродромная служба отечественных аэропортов обязана бороться с таким опасным эффектом как наслоение резины на взлетно-посадочной полосе, уменьшающее коэффициент сцепления взлетно-посадочной полосы из-за уменьшения шероховатости. По сложившейся в России практике о наслоившейся резине «забывают», или пытаются скрыть это явление, что вызывает негативную реакцию со стороны иностранных и отечественных авиакомпаний и может стать причиной аварий. Тогда там, где это возможно, меняют точку касания поверхности покрытия шинами, что не решает проблему, а лишь оттягивает время.
Для удаления резинового наката с поверхности взлетно-посадочной полосы существует несколько методов. В зарубежной практике удаление следов резины осуществляют, в основном, гидравлическим и механическим способами. Однако сегодня проблема удаления резиновых отложений с поверхности взлетно-посадочной полосы является актуальной.
Между тем, анализ научно-технической информации показывает, что технология и способы очистки покрытия взлетно-посадочной полосы от резиновых отложений должным образом не изучены, а режимы работы рабочих органов не обоснованы. Необходимо выполнить анализ существующих методов - очистки покрытия, определить эксплуатационные параметры очистки, провести теоретическое исследование образования резиновых отложений на твердых покрытиях.
Таким образом, создание методики борьбы с резиновыми отложениями на твердых покрытиях является одной из важных научных задач, решение которой обеспечивает разработку и создание нового высокоэффективного оборудования аэродромных машин для предупреждения и удаления резинового наката с поверхности взлетно-посадочной полосы.
Методы борьбы с резиновыми отложениями на поверхности покрытий их классификация
При изучении авиационной энциклопедии [112] было установлено, что проблема организации противоскользящего покрытия, способного выдерживать высокие температурные, динамические нагрузки и сохранять оптимальный коэффициент сцепления при приземлении воздушного судна, была впервые решена при разработке первого отечественного корабля, спроектированного для базирования реактивных самолетов в Невском проектно-конструкторском бюро в соответствии с постановлением ЦК КПСС и СМ СССР №685-251 от 2 сентября 1968 года. Главком ВМФ С.Г. Горшков утвердил ТТЗ на корабль с угловой полетной палубой, длиной 189 м, шириной 20,7 м. Палуба была, прикрыта специальными термостойкими плитами АК-9Ф, способными выдержать горячие газовые струи двигателей самолетов.
Разработкой теоретических основ и новых видов полимерных связующих, теплостойких и специальных материалов для аэродромных покрытий занималась в 1960-80 годах группа ученых Всероссийского научно- исследовательского института авиационных материалов: Н.С. Лезнов, Д.А. Кардашов, В.Т. Минаков, В.В. Чеботаревский, В. А. Кудишина, Н.Б. Барановская, Ю.А. Дубинкер, В.А. Попов, В.А. Фролов, Э.К. Кондрашов, Б.Ф. Алексеев, И.И. Денкер [119].
На _ сегодняшний день вся поверхность полетной палубы отечественных авианосцев имеет противоскользящее термостойкое (до 450С) покрытие «Омега», а взлетно-посадочная полоса выкладывается термостойкими (до 750С) плитами АК-9ФМ.
Взлетно-посадочные палубы американских авианосцев и стартового комплекса Канаверал уже десятки лет покрыты полимерными покрытиями, выполненными на основе синтетических (полиуретановых и эпоксидных) смол и различного рода наполнителей. В качестве наполнителя используется фракционированный кварцевый песок, корунд или гранит. Преимущества таких полимерных покрытий заключаются в более высокой стойкости к ударным нагрузкам и сопротивлении абразивному истиранию. Свойства таких покрытий близки по своим свойствам к минеральным основаниям - введение большого количества наполнителя (до 90%) позволяет резко снизить коэффициент линейного расширения покрытия, приблизив его к соответствующему показателю бетонного основания. Поэтому при изменении температуры всей конструкции в целом, в зоне контакта покрытия с основанием практически не возникают напряжения, которые, как правило, являются причиной трещинообразования и отслоения полимерных покрытий [112, 115].
Значительным недостатком данного метода являются очень большие материальные затраты. К сожалению, не все аэропорты нашей страны могут позволить себе столь дорогостоящее покрытие.
Еще одним параметром, влияющим на сцепление твердого покрытия, является геометрия рисунка протектора. В зоне пятна контакта протекторная лента должна выдерживать значительные усилия. Материал протектора должен обладать устойчивостью к абразивному трению и нагреву.
Первая пневматическая кордовая шина была выпущена компанией Michelin в 1923 году под руководством Андре и Эдуарда Мишлен [1]. Но рисунок протектора был ориентирован на эстетические вкусы владельца, а не на результаты научных исследований. К концу 20-х годов создаются испытательные стенды для экспериментального определения эксплуатационных характеристик шин [1]. В 30-х годах продолжались работы по обеспечению управляемости и устойчивости автомобиля за счет шины, а также над внешней формой и рисунком протектора. Над решением данных вопросов работали специалисты лабораторий компании Michelin: G.Fray, N.Joinston, B.Rewech [1].
Вторая мировая война потребовала использования синтетического каучука вместо натурального. Благодаря специфическим свойствам синтетического каучука и его влиянию на эксплуатационные характеристики шин появились перспективы создания новых типов усовершенствованных шин. Первая партия синтетического каучука была получена в России С. В. Лебедевым [1] в 1927 году. В 1947 г. специалисты Goodyear [1] разрабатывают первую шину из нейлона. Шины с добавлением нейлона обладали большой прочностью и сопротивлением ударным нагрузкам.
В России в 1946 г. на базе Ярославского шинного завода (ЯШЗ) было создано бюро конструирования авиационных шин. С этого времени ЯШЗ стал головным предприятием в СССР (затем в России) по разработке новых конструкций авиашин для всех типов авиатехники, создаваемых авиационными фирмами им. Туполева, Ильюшина, Антонова, Яковлева, Сухого, Микояна [122].
По мнению зам. руководителя подразделения по конструированию авиашин ЯШЗ В. Гроздева [35] протектор авиашины зачастую может не иметь рисунка. Существуют модели с шашками, но более распространены продольные канавки. Они работают точно так же, как на автомобилях, то есть обеспечивают контакт шин с покрытием взлетно-посадочной полосы и снижают эффект аквапланирования, вытесняя воду из пятна контакта на мокрых поверхностях. Протектор должен противостоять разного вида износу и теплообразованию, продлевать срок службы каркаса шины и обеспечивать надежное сцепление с покрытием взлетно-посадочной полосы при любых температурных и погодных режимах.
Водоструйная очистка твердого покрытия
В последнее время, в России при строительстве взлетно-посадочных полос стали применять еще один метод - поперечное рифление, твердых покрытий. Данный способ безусловно позволил избежать образования опасной посадочной : площадки резинового1 наката на покрытии, но появилась другая проблема — участились случаи разрушения материала шин воздушного судна.
Применение фрезерно-ударного способа; подразумевает использование одной из машин, применяемых для механического удаления резиновых, отложений;, например, FR - 1800 фирмы VGELE BOHLE (Германия).
Удаление резины при помощи FR - 1800 осуществляется по ударно- фрезерному методу. Рабочее оборудование машины FR - 1800 представляет собой5 комплект из шести; барабанов длиной по 300 мм, что обеспечивает ширину обработки за один проход 1600 мм [87]. Диски барабанов: выполнены: из высокопрочной стали. Наличие на них твердосплавных вставок определяется : необходимым видом- работ. При вращении барабана рабочие диски; установленные свободно на осях барабана, ударяют рабочей поверхностью дисков по поверхности покрытия и производят выбивание мелких частит
поверхности по заданному-направлению и заданной глубине. , При помощи машиньь FR -1800 было произведено удаление резины в аэропортах Цюриха, Мюнхена, Вены, Базеля. Производительность механических методов удаления резины составила 300-500 м в час [87].
Комбинируя методы очистки водой под высоким давлением с методом обдува песком, развили водо-пескоструйный метод. Для этого сконструировали: специальный прибор, водо-пескоструйный эжектор, который является дополнительной частью к пистолетам Н5Т 3 и Н5Т V, с которыми соединяется вместо рукава (рис 1.19. и 1.20.). Эжектор работает по принципу гидроэлеватора. Из кольцеобразно расположенных отверстий сопла вытекает с высокой скоростью истечения водяная струя в направлении оси кольца. Она способствует получению вакуума, в огражденной конусовидной камере, всасывающий постоянно воздух через кольцевое сопло. Через всасывающий рукав, расположенный между кольцевым соплом и баком песка с дозатором или без него, со струей воздуха засасывается песок. После выхода через кольцевое сопло он перемешивается с рабочей водой и подается на очищаемую площадь. При этом передается высокая кинетическая энергия от водяной струи песку и удерживается им до столкновения, так как транспортировка производится внутри относительно ограниченного пространства. При соударении частицы производят очистную работу, без возникновения пыли. Дробь для струйной обработки выбирается по надобности. Способ малоэффективен, поскольку производительность составляет до 50 м .
Для определенных работ более выгодными вместо песка могут оказаться другие струйные средства, как например, стеклянная крупа (дробь), соль и алюминиевый порошок. Эти средства, из-за высокой цены, сегодня применяются только в индивидуальных случаях [84].
Еще один механический способ основан на воздействии щеточного рабочего органа с диаметром ворсины 0,8-1 мм и частотой вращения 600 об/мин ударно-фрезерного рабочего органа. Щеточное . оборудование с металлическим ворсом заданного диаметра устанавливается на аэродромные уборочные машины. Например, JetBroom фирмы Бошунг (Швейцария). На машину JetBroom помимо щеточного оборудования может устанавливаться всасывающая установка, позволяющая сразу собирать мусор [83]. При данном способе резиновые отложения удаляются с одновременным шерохованием поверхности покрытия взлетно-посадочной полосы. Шерохование поверхности позволяет сохранять высокие сцепные свойства покрытия независимо от от степени загрязнения поверхности покрытия резиной.
Из известных механических способов обработки покрытия (использование алмазных дисков, ударно-фрезерных барабанов, щеточной фрезы (иглофрезерование)) наиболее эффективным по зарубежным данным [110, 111] является ударно-фрезерный метод, который дает следующие преимущества:
- отсутствие вредных влияний на окружающую среду; - минимальное повреждение поверхности покрытия (проведенные ГПИиНИИ ГА «Аэропроект» анализы снятого материала показали незначительную долю самого покрытия); - большая производительность; - удаление резины может осуществляться одновременно с шерохованием или рифлением; - машина позволяет освобождать взлетно-посадочную полосу в течение нескольких минут.
При применении механических методов должны соблюдаться меры предосторожности, не допускающие повреждения швов между плитами покрытия. Дополнительным преимуществом механических методов является исключение использования воды, поэтому удаление наката может производиться в любое время, в том числе и зимнее.
Определение параметров адгезионной связи между резиновыми отложениями и твердым покрытием
На практике процесс очистки, сухим льдом сравним- с пескоструйным" (дробеструйным) методом очистки, в которых вещества ускоряются в струе сжатого воздуха (или другого инертного газа) для воздействия на очищаемую поверхность взлетно-посадочной полосы. При данном способе помимо очисткш осуществляется также и дополнительное шерохование покрытия. Недостатками данного метода является: - низкаяфабочая скорость очистки; - материальные затраты. Очистка поверхности покрытия водоструйным методом не создает необходимости последующей уборки чистящего вещества. При данном методе значительно упрощается процедура сбора и утилизации загрязнения. Возможно дальнейшее использование подметально-уборочных машин или машин ,с вакуумным рабочим оборудованием для удаления продуктов очистки, но это не является обязательным, поскольку остатки загрязнения достаточно легко вымываются за; границу взлетно-посадочной полосы. К основным недостаткам данного метода можно отнести: - повреждение и разрушение твердых покрытий (разрушение бетонных швов на стыках плит, выкрашивание бетона и др.); - износ гидравлического оборудования; - большой расход воды; - низкая скорость очистки. Удаление резиновых отложений с применением металлической щетки, благодаря простоте метода и высокой скорости уборки, устраняет необходимость очистки поверхности в специально отведенные дни, так как взлетно-посадочную полосу можно очищать во время свободного окна между взлетами и посадками. Как результат, увеличивается производительность, снижаются трудозатраты и затраты материалов. Недостатки данного метода: - металлические ворсины, остающиеся на поверхности после прохода машины могут попасть в турбины самолета, вызвав аварийную ситуацию; - недолгий срок службы металлического ворса; - разрушение бетонного шва в покрытии взлетно-посадочной полосы. Сопоставление исследуемых методов по параметрам сопоставления позволяет явно выявить наиболее эффективный метод очистки твердых покрытий от резиновых отложений. Это механический метод с использованием металлической щетки универсальной аэродромной уборочной машины «Джет Брум». Значение производительности данного метода хоть и выше всех сопоставляемых методов, но не удовлетворяет условиям уборки отложений в заданное время между взлетами и посадками. При такой производительности для удаления наката с покрытия необходимо закрывать для эксплуатации взлетно-посадочную полосу, что совершенно недопустимо в аэропортах с высокой интенсивностью полетов. Также этот метод имеет ряд недостатков, которые влияют на безопасность взлета и посадки воздушного судна. Поэтому к направлению дальнейших исследований отнесен поиск новых методов, отвечающих условиям высокой производительности, качества уборки и безопасности. 2.6. Выводы по главе 1. При сопоставлении выбранных методов очистки твердых покрытий по производительности было выявлено, что самое высокое среднее значение производительности при различной толщине резиновых отложений составляет 385 м /ч и соответствует механическому способу очистки твердых поверхностей с использованием металлической щетки аэродромной универсальной уборочной машины «Джет Брум». Среднее значение производительности при этом методе очистки твердых покрытий в 1,3-1,5 раза превышает средние значения производительности других методов. Механический метод очистки является наиболее эффективным на сегодняшний день, но с этим значением производительности процесса невозможно обеспечить полную очистку площадки твердого покрытия с резиновыми „ отложениями в заданное время между взлетами и посадками. 2. При сопоставлении выбранных методов очистки по коэффициенту сцепления было выявлено, что средний уровень коэффициента снижения- сцепных качеств сухого твердого покрытия составляет 24 %, влажного - 65%. Это означает, что при наличии влаги на поверхности твердого покрытия коэффициент сцепления снижается в среднем в два-три раза. На твердом покрытии образуется опасная зона, при посадке на которую может произойти авария. Для того чтобы избежать снижения сцепления необходимо убирать с покрытия лишнюю влагу и поддерживать твердое покрытие сухим. 3. Сопоставление выбранных методов очистки по коэффициенту сцепления выявило, что при очистке влажного покрытия оборудованием ШЗЗ --250 БР, оборудованием «Джет Брум» коэффициент снижения до и после очистки практически не изменяется. Следовательно, после удаления резиновых отложений данными методами коэффициент сцепления покрытия будет соответствовать коэффициенту сцепления влажного покрытия без резиновых отложений, измеренному вначале эксперимента и приведенному в третьем столбце табл. 2.2., 2.4., 2.6., 2.8. При водоструйной очистке оборудованием «Хаммельман» коэффициент снижения сцепных качеств после очистки в полтора раза ниже, чем до очистки; оборудованием «BOMA» коэффициент снижения меньше в одну целую одну десятую. Это означает, что коэффициент сцепления после очистки поверхности меньше значения коэффициента до начала очистки.
Экспериментальное оборудование для исследования процесса ультразвуковой очистки твердого покрытия
К технологическим характеристикам процесса ультразвуковой очистки относим: производительность процесса очистки, продолжительность процесса" очистки, качество очистки, расход рабочей жидкости, энергоемкость процесса. Производительность процесса очистки - это площадь поверхности покрытия аэродрома, очищаемого от наката в единицу времени (час). Производительность процесса ультразвуковой очистки одним излучателем определяется по формуле: продолжительность очистки, с; очищаемая площадь поверхности от наката за время Т, м2; Продолжительность процесса очистки - это время, необходимое для очистки поверхности заданной степени очистки. Качество обуславливает наличие на очищаемой поверхности покрытия допустимого количества загрязнений. При очистке от технологических загрязнений качество очистки оценивают в первоначальный момент визуально, а затем взвешиванием. В лабораторных условиях качество очистки образца определяют путем взвешивания образца до очистки и после нее. Затем, сравнив образец с эталоном, выносят заключение о чистоте поверхности. В реальных условиях такой способ оценки провести невозможно. Для оценки качества очистки поверхности покрытия взлетно-посадочной полосы производят замеры коэффициента сцепления до и после очистки, так как именно коэффициент сцепления является главным параметром, по которому определяют пригодность поверхности взлетно-посадочной полосы к эксплуатации. За количественную оценку качества очистки принимаем степень очистки: где кд0 - коэффициент сцепления, измеренный до очистки поверхности; кп - коэффициент сцепления, измеренный после очистки поверхности; кэт - коэффициент сцепления, принятый за эталон (в данном случае кэт = 1, верхняя- граница коэффициента сцепления, которой соответствует полное отсутствие загрязнений, т.е. поверхность идеально чистая). Степень очистки позволяет оценить метод, который использовался для удаления резиновых отложений с твердых покрытий, и характеризует площадь очищенной поверхности. В соответствии с -поставленной целью экспериментальные исследования включали: - - оценку влияния высоты расположения излучателя на степень очистки; - оценку влияния времени воздействия ультразвука на степень очистки; - установку рациональных режимов и параметров рабочего органа для достижения наилучшего коэффициента сцепления и степени очистки; - экспериментальную проверку теоретической модели процесса ультразвуковой очистки поверхности покрытия в зависимости от параметров и режимов работы рабочего оборудования (вид излучателя, высота расположения излучателя относительно очищаемой поверхности, время воздействия, степень загрязнения, амплитуда смещения излучателя). Для проведения экспериментальных исследований был использован излучатель поршневого вида, поскольку имеет большую торцевую излучающую поверхность (см. рис.4.1.) излучателя: амплитуда смещения излучателя - это абсолютная величина максимального механического смещения точки, выбранной на поверхности излучателя. Для оценки амплитуды смещения излучателя обычно принимают абсолютную величину механического смещения точки, выбранной на поверхности излучателя [65]. Увеличение степени очистки с; по времени определяется высотой расположения излучателя ут относительно очищаемой поверхности. При удалении поверхности излучателя от очищаемой поверхности, процесс очистки замедляется. Определение степени загрязнения необходимо для оценки процесса ультразвуковой очистки поверхности, поскольку в зависимости от степени загрязнения необходим выбор того или иного режима очистки. Степень загрязнения - это отношение разности между коэффициентами сцепления покрытия без загрязнения и измеренного на данном образце до очистки, к коэффициенту сцепления покрытия без загрязнений.
