Арктическая ледорезная машина
ARCTIC ICEBREAKER

Изобретение относится к комбинированным транспортным средствам высокой проходимости и тяговооруженности и может быть использовано для ослабления структуры и прочности льда путем предварительного несквозного прорезания щелей (штроб) в толстом ледовом покрове для непрерывного хода ледоколов, в частности при проходе паковых льдов.
Ограниченная ледопроходимость ледоколов в арктическом поясе, определяемая прочностью (структурой) льда и его толщиной не позволяет круглогодичной проводки караванов судов с коммерческим грузом из стран ЕС в страны юго-восточной Азии. Невозможность непрерывного хода по девственному ледяному щиту, включая маршрут до 85° северной широты и выше, вне зависимости от пропульсивных качеств ледоколов, даже в летнее время, создает проблемы по обеспечению доставки грузов в пункт назначения в заданное время. Это не позволяет России получать прибыль за ледокольный сбор по фрахтовке ледоколов, тем самым обеспечивая окупаемость и высокую рентабельность проводки судов по северному морскому пути (СМП). Эти выгоды очевидны, так как проходка коммерческих судов через Суэцкий канал и, тем более, вокруг Африки не только более длинный, но и опасный. На фиг. 1 дано наглядное пояснение эффекта использования традиционного СМП.
Известно, что критическая толщина льда для проходки дизельных ледоколов составляет два метра, а для атомных ледоколов не превышает трех метров. Этот факт не позволяет проходить ледоколам по более короткому пути напрямую от Новой Земли до Беренгова пролива, сокращая путь почти на 1500 км. На фиг. 2 показана карта маршрутов грузоперевозок по традиционному СМП и по короткому северо-широтному пути.
Также известно, что прочность паковых многолетних льдов по толщине имеет разную прочность. Верхняя часть, более опресненная и взаимодействующая с экстремально низкими температурами, имеет более прочную структуру, а с нижней стороны, насыщенная морской водой, имеет более соленую и пористую структуру и поэтому имеет меньшую прочность. При высокой прочности ледового покрытия, определяемой его структурой, ломка льда производится набегами с подачей заднего хода ледокола, для следующего разгона и набега, что значительно снижает скорость проходки, увеличивает расход горючего и износ наклонного носового форштевня, боковых скул носовой части и усиленного ледового пояса в районе ватерлинии ледокольного судна. Временной интервал проходки караванов судов за ледоколом с учетом ежегодного потепления и более раннего таяния льдов увеличился и производится по северному морскому пути вдоль Российского побережья, в период с конца мая до начала октября. Однако, традиционная проводка сухогрузов и танкеров для транспортировки сырья и товаров, производимых преимущественно из портов и в порты, находящихся в устьях рек (Обь, Енисей, Лена и т.д.) по курсу вдоль прибрежного шельфа с глубиной фарватера 20-25 метров не позволяет проводить крупно тоннажные суда с низкой осадкой. При этом сам северный морской путь по побережью длиннее почти на 1500 км, по сравнению с проходкой девственного ледяного щита по планируемому высокоширотному маршруту от острова Новая земля до Берингова пролива вдоль Северной земли и острова Врангеля. На фиг. 3 показан прогнозируемый маршрут всесезонной проходки ледокола.
Кроме того, нагромождение льдин в прибрежной полосе из-за преимущественно северных и северо-восточных ветров и течений разных направлений создают труднопроходимые торосы, а летом создают проблемы множество плавающих айсбергов, что требует постоянного обхода их зигзагом, увеличивая расстояние, расход горючего и время прохождения. На фиг. 4 изображена схема циркуляции поверхностных вод Северного Ледовитого океана с указанием восьми известных течений.
Известно, что ледоколы имеют короткую длину для свободного маневрирования во льдах, но при этом имеют большую ширину, достаточную для беспрепятственного прохождения каравана и специальную яйцевидную форму дна судна арктического исполнения с приподнятым форштевнем носовой части и прочных боковых скул для ломки льда набегом. По этой причине при прохождении больших открытых водных преград, особенно при штормах, ледоколы неустойчивы и подвержены большой качке, что требует высокого выверенного мастерства штурманов по вождению ледоколов. В то же время при проходке во льдах ледоколы имеют достаточную устойчивость и ходкость при движении.
Для преодоления указанных выше фактов в России и за рубежом созданы и запатентованы ледоколы специальной конструкции днища и ледорезные устройства, устанавливаемые на носовой части ледоколов, а также автономные ледорезные машины различного исполнения, которые приняты в качестве аналогов настоящего изобретения. В книге [1] приведен достаточно полный обзор методов и технических средств, используемых для локального разрушения льда.
2
Известно авторское свидетельство на изобретение [2]: это устройство, представляющее собой судно, у которого носовая оконечность приподнята под некоторым углом над ледяным покровом. На носу судна, на валу перпендикулярном диаметральной плоскости установлены дисковые пилы для резки льда на полосы. К днищу от носа к корме идут два плавно расходящихся ребра, которые направляют обломки льда под ледяной покров. При движении ледокола вперед в результате давления носа судна на концы ледяных полос происходит их ломка и скольжение по днищу судна. Такой конструкции ледокола присущи недостатки. В основе ограничения ледопроходимости стоит недостаточное давление носовой оконечности ледокола с наклонным форштевнем на ледовое поле. При этом ограниченное вертикальное давление носовой оконечности корпуса прикладывается к большей площади, что создает недостаточное удельное давление на 1 м ледового покрытия. В случае установки на носу судна вала с дисковыми пилами, видимо на уровне или чуть выше ватерлинии (в описании А.С. не сказано) при набеге судна на лед нос судна будет приподниматься, а с ним приподниматься и вал привода дисковых пил, вследствие чего, пилы будут работать уже при проламывании носом судна ледового покрытия, что не отвечает выполнению поставленной задачи. Это связано с невозможностью предварительного пиления льда еще до набега форштевня. Кроме того, пиление льда в данном изобретении, даже с выдвинутым вперед (перед носом судна) валом привода пил невозможно по всей ширине ледокола, поскольку протяженный вал будет подвержен изгибу и как результат, создаваться «развал» дисковых пил в стороны, приводящих к выходу их из строя. Следует отметить, что при набегах судна и сопутствующей качке вперед-назад вал всем весом судна будет ударяться о поверхность ледового щита, что повлечет в конечном случае к искривлению вала или к нарушению герметичности в месте сочленения с корпусом ледокола. Поэтому основная нагрузка на ломку льда будет ложиться, все же на корпус ледокола, что будет повышать износ и коробление днища, силового пояса и расход топлива. Кроме того, яйцевидная форма днища современных ледоколов не требуют расходящихся ребер для направления обломков льда под ледяной покров, так как форма днища и вес ледокола будет и так обеспечивать боковое смещение обломков льда под ледовое покрытие. Поэтому ледопроходимость таких ледоколов будет ограничена все же толщиной льда, и они возможны к использованию только в бухтах, проливах и водохранилищах, главным образом в портах для постоянного разрушения льда путем барражирования ледоколом всей их акваторий для свободного маневрирования заходящих в порты судов.
Известен патент на изобретение [3], относящийся к проблеме создания ледоколов, использующих для разрушения ледяного покрова подъемную архимедову и гидродинамическую силу. Ледоколы содержат подводный корпус с ледоразрушающим устройством в воде в виде трех таранов с наклонными разрушающими ребрами, расположенными вдоль всего корпуса, и надводную часть, состоящую из надстройки, закрепленной на прочном плавнике. Разрушающие ребра среднего тарана смещены в нос и корму относительно ребер боковых таранов и находятся под острым углом к горизонтальной плоскости подводного корпуса судна. Подводный корпус ледокола представляет собой широкую плоскую конструкцию, выполненную в виде крыла малого удлинения с гидродинамическим профилем и содержит балластные цистерны, занимающие весь свободный объем корпуса.
Недостатки:
1. Ограниченная ледопроходимость, определяемая прочностью (структурой) льда и его толщиной, невозможность прохождения паковых льдов.
2. Низкая скорость ледопроходимости, невозможность уверенной проводки судов в Арктике на непрерывном ходу, если толщина ледового покрытия превышает 1,2-1,5 м, вследствие чего, время доставки коммерческого груза неопределенно (не может быть точным), особенно при прохождении паковых льдов выше 80-85°С.Ш.
3. Перекачка воды из носовых балластных цистерн в кормовые и обратно требует много времени и дополнительных энергетических расходов.
Известно авторское свидетельство на изобретение [4] на ледорезную машину, согласно которому ледорезная машина с принудительным движением по поверхности льда для прорезаемого в нем канала, имеет рабочий орган в виде вертикально вращающегося шнека с режущими зубьями, при этом удаление колотого льда производится непосредственно рабочим органом через отводную трубу под толщу льда в разные стороны. Машина работает от электродвигателя, установленного к прикрепляемым болтами плите, установленной на санях через зубчатую передачу. Продвижение машины по льду осуществляется лебедкой с помощью троса, прикрепляемого к саням.
Недостатки:
1. Тихоходная ледорезная машина может быть использована для прореза щелей-траншей на поверхности замерзших водоемов для ремонтно-восстановительных работ на подводных объектах и сбора нефтепродуктов с водной поверхности водоемов, покрытого льдом.
2. Шнековые (цепные) ледорезные машины отличаются низкой скоростью резки льда, недостаточной надежностью и требует частой заточки режущего инструмента. Кроме того сами цепи вытягиваются за счет истирания узлов сопряжения элементов цепи, что приводит к соскакиванию цепи с остова.
3. При прорезе сквозной щели в ледовом покрытии вода заполняет прорезанную щель и брызги, образующиеся от вращающегося шнека, фонтанируя, попадают на элементы конструкции ледорезной машины, в том числе и в недоступные ниши. В результате при низких температурах производится обмерзание машины, требующей частичной разборки элементов конструкции и циклического и трудоемкого удаления намерзающего льда с помощью кувалды или иного инструмента.
4. Заполняющая вода в предварительно пропиленную узкую щель за счет экстремально низких температур льда быстро замерзает и набирает прочность, близкую к ледовому покрытию. Это важно, если ледокол движется по проложенному треку, проходимой ледорезной машиной через несколько часов или дней.
Известны и аналогичные ледорезные машины для сквозной резки льда, обладающие изложенными выше недостатками, например, патент на изобретение [5].
Известна гидравлическая установка для пиления льда, производимая ООО «Техно ПНК» (г. Новосибирск), согласно работе которой пиление льда производится циркулярными пилами с приводом от гидравлической установки (фиг. 5) для ослабления структуры и снижения прочности льда в период предшествующий ледоходу на реках и, тем самым обеспечивая разрушение льда в этом месте, штатное половодье без разлива рек и подтопления огромных территорий. Поступательное движение и вертикальное давление для пропила щелей во льду производится мускульной силой рабочего путем направленного давления на рукоятку инструмента. Максимальное давление мускульной силы человека обеспечивает пропил двух щелей во льду для получения штробы глубиной 20-25 см (соответственно, при пилении одной циркулярной пилой одной щели можно добиться глубины пропила до 40 см).
Недостатки:
1. Ограниченная скорость вращения, зависящая от мощности привода гидравлического насоса и скорости движения вперед циркулярной пилы, определяемой возможностью мускульной силы человека.
2. Ограниченная глубина пропила щелей ледопильной установкой.
3. Требуется постоянная ручная, на санях, транспортировка электрического генератора и гидравлической станции вслед за гидравлической установкой для пиления льда.
Известен патент на изобретение [6], который принят в качестве прототипа предлагаемого устройства, согласно которому вездеходное транспортное средство плавающего типа оснащено дополнительной силовой аэродинамической двигательной установкой, смонтированной в центре масс и создающей дополнительную подъемную силу и пропульсивную тягу с приводом водометных устройств, для пересечения водных преград. Кроме того, тундроход имеет широко и полно профильные пневмоколесные движители низкого или среднего давления с разно колейной системой их расположения, дополнительно снижающих удельное давление на несущую поверхность.
Существенным недостатком принятого за прототип устройства является отсутствие возможности его использования для пропила несквозных штроб в прочной поверхностной структуре ледового покрытия.
Технической задачей предлагаемого устройства является создание ледорезной транспортной машины арктического исполнения для пропила несквозных штроб в прочной поверхностной структуре ледового покрытия.
Решение технической задачи осуществляют за счет того, что арктическая ледорезная машина, содержит несущую платформу, герметичную кабину, основной привод пневмоколесных движителей от двигателя внутреннего сгорания и дополнительную двигательную силовую установку вертолетного типа, установленную в центре масс на широкорамном шасси с разноколейной системой расположения широко и полно профильных пневмоколесных движителей на расчетно-разнесенных мостах, установленные на заднем мосту водометы, при этом, согласно изобретению, на корме несущей платформе со стороны кормы установлена дополнительная герметичная кабина управления, пневмоколесные движители выполнены с шинами высокого давления, с агрессивным профилем снего- ледо зацепов с твердосплавными шипами, движители установлены поколейно на средних мостах, расположенных под несущей платформой, передний мост, регулируемый по высоте гидроцилиндром, вынесен в плане за внешнюю границу несущей платформы, несущий винт установки вертолетного типа установлен с возможностью реверсного движения и отрицательного тангажа; с валом отбора мощности двигателя установки вертолетного типа через трансмиссию соединен вал дополнительно установленного электрогенератора, на кормовой части несущей платформы установлен высокооборотный мост с закрепленными на нем циркулярными дисковыми пилами, регулируемыми и фиксируемыми гидроцилиндрами в направляющих гнездах по вертикальному положению; на кормовой и носовой частях несущей платформы установлены соответственно отвал клиновидной формы бульдозерного типа, образующий замкнутую емкость, и фронтальная лопата ковшового типа, причем на фронтальной лопате установлены азиподы, а на бампере и крыше дополнительной кабины установлены инфракрасный контрольно-индикационный ледомер и указатель трека по информации навигационной системы.
Кроме того, арктическая ледорезная машина, для обеспечения автономного определения координат трека, оснащена инерциальной навигационной системой и бортовым компьютером с программным обеспечением; кроме того, для обеспечения корректируемого определения координат трека, машина оснащена инерциально-спутниковой навигационной системой, включающей спутниковую систему GPS-ГЛОНАСС, инерциальную навигационную систему и бортовой компьютер с программным обеспечением; кроме того, ледорезная машина, для движения и работы в беспилотном режиме, оснащена бортовым компьютером с соответствующим программным обеспечением.
Пропил штроб в структуре ледового покрытия осуществляется при сравнительно небольших энергозатратах. Эти энергозатраты пропорциональны локальному объему и массе разрушаемого льда, не соизмеримые (на несколько порядков ниже) с затратами, в сравнении с разрушением льда путем его проламывания усилием набегающего форштевня ледокола. Несквозной пропил осуществляется также в местах, где проход ледового щита, даже атомными ледоколами невозможен. Кроме того, ледорезной машиной производится фрезерование и очистка проходов в ледяных торосах и заснеженных территориях для непрерывного хода ледоколов, в особенности паковых льдов, при обеспечении автономной вездеходной проходимости и плавучести транспортного средства. Тем самым ледоколам создается возможность круглогодичного прохождения паковых льдов по короткому расстоянию при экономии горючего, обеспечении долговечности корпусов ледоколов и осуществлении доставки коммерческих грузов в пункт назначения в заданное время.
Указанная техническая задача достигается также тем, что предлагаемое плавающее вездеходное транспортное средство с гидравлическим подвесом переднего моста для вскарабкивания на уступы льда и заднего специального высокооборотного моста с использованием дополнительного навесного оборудования, устройств и контрольно-измерительных приборов, обладает многоцелевой эксплуатацией, обеспечивающей ледорезной транспортной машине новые качества. Эти качества многоцелевого транспортного средства, в дальнейшем называемого «ледорезная машина», основаны как на физических свойствах снежного и ледяного покрытия, так и его несущей способности. Известно [7], что минимально допустимая толщина льда на ледяном покрове со сквозными магистральными трещинами шириной до 5 см. при Т=-20°С на зимнем льду должна быть не менее 77 см, на майском не меньше 90 см. Для обеспечения уверенной работы ледорезной машины, гарантированная круглогодичная толщина льда должна быть не менее 1 м. Поскольку ширина режущих фланцев в заявляемом изобретении не превышает 5 см и штроба прорезается несквозной, то обеспечивается полная гарантия уверенной проходки ледорезной машины без проваливания в образованную пилением майну.
Кроме того, для достижения заявленных показателей в создаваемой ледорезной машине используется контрольно-измерительное и приборное оснащение:
1. Инфракрасный ледомер (например, контрольно-индикационный прибор Пикор-Лед, производимый фирмой ООО «ФПК «ЭСТРА» для интеллектуально-управляемой работы циркулярных пил по заданному алгоритму встроенного в прибор контролера, обеспечивая заданную глубину пропила, исключающего проваливание наледно движущихся транспортных средств (ТС) и проникновение воды в штробу.
2. Выдвигаемый гидроцилиндром до уровня льда датчик эхолота (например, VEXILA FL-18) с нагревом оголовки датчика, с созданием надежного водяного контакта для замера через лед глубины толщи воды до дна.
3. Установленное на крыше кабины ледорезной машины оборудование GPS-ГЛОНАСС и установленная на ледоколе курсовая указка для прокладки трека.
Ледорезная машина оснащена и дополнительным навесным силовым оборудованием:
1. Со стороны носа ТС - бульдозерным отвалом клиновидной формы с образованием замкнутой емкости, предназначенной для транспортировки резервного топлива и двухстороннего грейдерования для очистки снега;
2. Со стороны кормы - дополнительной кабиной управления и лопатой ковшового типа, оснащенной фрезерными головками азиподного типа для расчистки проходов в снежном покрове и торосах.
Данные существенные признаки в изобретении реализуются следующим образом. Вездеходная ледорезная машина имеет две циркулярные дисковые пилы большого диаметра, установленные на ступицах заднего моста, который, в свою очередь, закреплен на силовых втулках, присоединенных к выдвижным штокам гидроцилиндров. Причем фиксация мостов в вертикальном направлении производится скольжением силовых втулок внутри отрезков толстостенных труб (по принципу труба в трубе), приваренных к раме транспортного средства. Привод полуосей моста производится соединением через редуктор, шлицевой кардан, муфту и коробку передач с валом отбора мощности от силовой двигательной установки вертолетного типа. Поскольку задний мост может подниматься до рамы и опускаться до уровня льда, то глубина прорезки щели (штробы) во льду будет определяться диаметром пневмоколесных движителей, т.е. до одного метра и более в зависимости от класса мощности ледорезной машины и диаметрального размера колес. Широко расставленные циркулярные диски пил (в плане на фиг. 6), чуть шире внешнего края широкой колеи, оставляемой передними пневмоколесными движителями) в нижнем положении будут играть роль килей для устойчивого положения транспортного средства при плавании. Вращающиеся лопасти с приводом от удлиненного вала несущего винта дополнительной силовой двигательной установки при движении по льду, снегу и воде с учетом тангажа будет обеспечивать транспортному средству высокую проходимость аналогичную, как на тундроходе.
Удлиненный вал несущего винта необходим для достаточного забора воздуха из окружающего воздушного пространства для создания необходимого реверсивного вектора тяги (давления) на транспортное средство. Кроме того, при транспортировке до места назначения задний мост может опускаться до касания с твердой опорной поверхностью льда. При открытии гидравлического клапана, соединяющие гидроцилиндры подъема (опускания) и при реверсном вращении оси привода циркулярных пил с обеспечением синхронной окружной скорости пневмодвижителей, будет обеспечиваться дополнительная проходимость и поперечная устойчивость ледорезной вездеходной машины, попутно обеспечивая заточку режущих кромок зубьев циркулярных пил за счет частичного стачивания тыльной их части. При резке льда, реверс вращающихся лопастей с учетом тангажа будет обеспечивать дополнительное вертикальное и поступательное (вперед) усилие на несущую раму, тем самым увеличивая сцепление протекторов и шипов пневмоколесных движителей и соблюдая заданную скорость и глубину резки ледового покрытия.
Поскольку толщина льда постоянно измеряется, установленным на переднем (заднем) бампере бесконтактным инфракрасным измерителем, то глубина реза щелей будет регулироваться с учетом толщины льда. Для исключения протечки воды в образуемую щель и исключению проседания прорезанной ледяной полосы при прохождении по следу ледорезной машины других транспортных средств, глубина прореза щели определяется толщиной льда. Так как циркулярная пила в рабочем, штатном режиме вращается навстречу вращению пневмоколесных движителей, то выброс крошки льда будет производиться вперед, что исключит плотное забивание штробы крошкой льда, препятствуя свободному вращению пилы, наподобие шнековых установок для прокладки в земле кабельных линий. Исключить возможность попадания ледовой крошки полностью не удается, и крошка все равно будет осыпаться в образуемую узкую щель, что обеспечит при протечке воды от ледокола кашеобразной шуги с воздушными пузырями максимально на расстоянии 10-30 м, тем самым, препятствуя дальнейшему течению воды. Это обстоятельство не окажет существенного влияния на увеличение прочности ледового покрытия, проходимого следом ледоколом.
Ледорезная машина может оставлять и не пропиленные межи шириной до 1-2 м путем циклического подъема режущих циркулярных пил с помощью гидроцилиндров. В этих местах при остановке ледорезной машины при отсутствии вибраций, возникающих при пилении, следует измерять выдвижным эхолотом посредством гидроцилиндра глубину фарватера. Циркулярная пила может иметь утолщение в местах крепления к ступицам мостов и режущей части в виде фланцев, изготовленных из особо твердых инструментальных сталей и сплавов арктического исполнения, приваренных к несущей части дисков циркулярных пил и имеющих специальные профильные отверстия для увеличения жесткости, снижения веса и облегчения их монтажа (демонтажа) при зацеплении за них крюками крановой установки. При толщине диска циркулярной пилы 2-3 см, толщина установочных и режущих фланцев будет соответственно составлять 3 и 4 см. Такая форма пилы обеспечит достаточную упругость, жесткость, минимальное трение и хорошее охлаждение режущих кромок как за счет теплопроводности через сварной шов, так и теплоотдачи через прослойку воды, образуемую в процессе резки льда. Тем самым обеспечится долговечность циркулярной пилы. Режущие фланцы циркулярных пил могут иметь съемную конструкцию, фиксируемую на несущем диске циркулярной пилы с помощью специальных выступов и отверстий. Сменные пилы и режущие фланцы могут доставляться вертолетом с ближайшей базы или ледокола.
Также спереди транспортного средства смонтирован гидравлически поднимаемый (опускаемый) отвал треугольной клиновидной рассекаемой формы бульдозерного типа для частичной и полной (до льда) расчистки и отвала снега в разные стороны. Клиновидный отвал имеет замкнутую форму, образуя герметичную закаченную емкость для содержания резервного топлива (до 1,5 т), тем самым обеспечивая равномерно-распределенную нагрузку на элементы отвала при его работе и дополнительное давление на циркулярные пилы, а для обеспечения достаточной горизонтальной плавучести ТС дизельное топливо через специальный клапан сжатым воздухом может перекачиваться в штатные топливные баки или пустые емкости, установленные под несущей платформой.
Установленная на корме транспортного средства кабина имеет возможность синхронного с передней кабиной управления ходом ТС и навесным оборудованием. На фронтальной лопате ковшового типа, смонтированной со стороны носа ледорезной машины в шахматном порядке на стойках, приваренных к нижней части ковша, через подшипниковый узел вращения валов с азиподами (фрезерными головками), вращающихся от электродвигателей, закрепленных на тыльной стороне лопаты, производится направленное разрушение небольших нагромождений ледяных глыб в торосах с прочисткой в них проходов. Лопата имеет гидравлический привод ее поднятия, опускания, наклона и опрокидывания. Принципы работы лопат грейдерного отвального и фронтального ковшового типа хорошо отработаны в России и требуют только небольшой доработки для достижения поставленных задач.
В качестве основы для несущей платформы, рамы, мостов, кабин и прочих элементов, традиционно изготавливаемых из металла, могут быть использованы современные материалы, например, композитные материалы (графитопласты), обладающие высокой прочностью, но при этом легче титана почти в три раза.
Для проходки ледокола может быть использована одна или несколько ледорезных машин, например три, одна из которых идет по центру, а две, следующие за ней, обеспечивают ширину свободного прохода ледокола. Так как после прохода каравана судов полоса водного следа уже через несколько дней смыкается под воздействием северных ветров и течений, а проплешины обмерзают, то при повторном прохождении по проложенному треку ледоколов потребует согласно существующим требованиям, новой проходки ледорезных машин с отклонением от трека 100-200 м. Дополнительная заправка дизельным топливом или смена циркулярных пил производится от следующего за ледорезными машинами ледокола. При снижении толщины льда до минимально допустимой величины, ледорезные машины дожидаются подхода ледокола и краном, установленным на его носу, поднимаются на борт. Ледорезные машины могут возвращаться на базу и своим ходом. Поднятые на борт ледорезные машины закрепляются в передней части судна, обеспечивая дополнительное усилие на нос для ломки льда без повторных набегов. В дальнейшем ледорезные машины могут быть выгружены вблизи одного из островов по пути следования ледокола, например острова Врангеля, где ледорезные машины могут добраться до инфраструктурной базы самостоятельно и после профилактических работ готовы для проводки ледоколов в обратном направлении.
Сущность изобретения поясняется чертежами (фиг. 6 и фиг. 7), на которых приведена функциональная схема предлагаемой ледорезной машины с указанием принципиальных узлов и поясняющих способ исполнения узкой несквозной штробы, обеспечивающих изобретению признаки новизны. Шасси арктической ледорезной машины состоит из широкорамной конструкции, представляющей собой раму 1, собранную для упрочнения и увеличения жесткости продольными и поперечными швеллерами 2. На раме 1 установлена силовая платформа (на фиг. 1 и 2 не показаны) в виде листа титана, углепласта или композиционного материала с технологическими отверстиями и закладными металлическими элементами для соединения с рамой посредством сварки или крепежных элементов, обеспечивающих прочность и жесткость несущей конструкции ТС, на которой закреплены агрегаты трансмиссии, ходовой части, механизмы управления, устройство резки льда и навесное оборудование.
На несущей платформе 1 установлены основной ходовой двигатель внутреннего сгорания 3 и дополнительная двигательная силовая установка вертолетного типа 5, расположенная в центре масс, а также две кабины управления, одна, основная, смонтирована со стороны носа, а другая, дополнительная кабина, смонтирована со стороны кормы (на фиг. 6, 7 не показаны), органы управления которых синхронизированы. На бампере и крыше дополнительной кабины установлен бесконтактный инфракрасный (ИК) контрольно-измерительный прибор, позволяющий измерять толщину снежного покрова и льда с непрерывной текущей передачей данных в кабину водителя-пилота и в рубку управления следующего за ледорезной машиной ледокола. Глубина до дна определяется выдвижным с помощью гидроцилиндра датчиком эхолота при гидравлическом контакте, обеспечивающем надежное зондирование дна акватории с получением донного импульса.
На крыше дополнительной кабины установлено навигационное оборудование, определяющее местоположение ледорезной машины с формированием трека ее прохождения с передачей указки ледоколу. Также на шасси спереди и сзади установлены специальные лопаты ковшового 25 и бульдозерного 31 типа для расчистки снега и проходов в небольших ледяных торосах. На фиг. 6, фиг. 7 показана усиленная рама 1, собранная из продольных и поперечных швеллеров 2 методом сварки, на которую установлена несущая платформа (на фиг. 6 и фиг. 7 не показана) с помощью крепежных элементов. Несущая платформа имеет специальные профильные отверстия для крепления основного ходового двигателя 3, коробки передач 4, дополнительной двигательной установки 5 и связанной с ней через валы отбора мощности коробки передач 6 и электрического генератора 7. Привод несущих ходовых мостов 8, 9 и 10 производится от основного ходового двигателя 3, а привод дополнительного высокооборотного моста 11 производится от силовой двигательной установки вертолетного типа 5. Привод редукторов средних мостов производится посредством карданных соединений 12, а редукторы переднего моста 8 и заднего высокооборотного моста 11 производится через карданные элементы шлицевого соединения соответственно 13 и 14, обеспечивающее мостам вертикальное смещение. Крестовины, серьги гидроцилиндров и прочие несущественные детали и узлы на фигурах не показаны. Передний ходовой мост 8 и высокооборотный мост 11 имеют возможность подниматься и опускаться с помощью штоков гидроцилиндров 15 и 16. Штоки вертикально расположенных гидроцилиндров выдвигают закрепленные на мостах втулки по направляющим цилиндрам, приваренных к раме (по принципу скольжения труба в трубе, на фигурах не показаны), что позволяет транспортному средству взбираться на уступы льда, в том числе с воды на лед, проходить небольшие торосы, а также опускать и поднимать режущий инструмент. Ледорезный инструмент в форме циркулярных пил 17 закреплен на ступицах высокооборотного моста. Скорость и направление вращения пневмоколесных движителей 18 и циркулярных пил 17, положение штоков гидроцилиндров 15 и 16 производится органами управления водителем-пилотом из кабин ледорезной машины. Реверс направления вращения несущего вала винта 34 с приводом от дополнительной силовой двигательной установки вертолетного типа 5 производится с помощью коробки передач 19 совмещенной с управлением автомата перекоса 20 лопастей винта 21 посредством тяг 22. Штатное вращение лопастей 21 позволит ледорезной транспортной машине быстро перемещаться до места назначения с минимальным давлением на снежный покров за счет подъемной силы, с созданием пропульсивной тяги, обеспечивающих качение пневмоколесных движителей аналогичной тундроходу. Возможность реверсивного вращения лопастей винта, установленного на удлиненном несущем валу с возможностью изменения тангажа посредством автомата перекоса (отрицательного угла атаки за счет наклона плоскости вращения назад), позволит увеличить вектор давления на раму. Вектор давления состоит из вертикальной и горизонтальной составляющих, что позволит увеличить сцепление пневмоколесных движителей с несущей поверхностью, увеличит давление на пилы и обеспечит дополнительную тягу по направлению движения. Указанный признак очень важен для преобладания вектора давления, реакции сил, возникающих от циркулярных пил при скоростной резке льда. Этот факт, ранее не используемый в технике, создает новые дополнительные преимущества ледорезной машине. Кроме того, циркулярные пилы в нижнем положении при плавании будут играть роль килей, обеспечивающих устойчивость транспортного средства при плавании. Пневмоколесные движители 18 большого диаметра и высокого давления имеют широко и полно профильное исполнение с агрессивным протектором снего и ледо зацепов, оснащенных твердосплавными шипами. Большой объем пневмоколесных движителей обеспечит не только высокую проходимость с минимальным удельным давлением на несущую поверхность, но и используются как поплавки, при попадании ледорезной машины на воду. Спереди транспортного средства на раме посредством гидроцилиндров 23 и 24 установлена фронтальная лопата 25 ковшового типа с закрепленными на ее тыльной стороне электродвигателями 26 привода азиподов 27, вал привода которых через подшипниковый узел соединен с усилительными стойками 28, приваренных к днищу ковша. Запуск электродвигателей привода азиподов 27 производится от электрогенератора 7 включением переключателя с кабины управления. Режущая форма азиподов, устанавливаемых на корме ледоколов американского производства, хорошо отработана и показала высокую надежность и долговечность в работе. Фронтальная лопата 25, в зависимости от угла ее наклона и положения штоков гидроцилиндров 23 и 24 может работать как скребок, загружать измельченный лед, перевозить и опрокидывать его, тем самым прокладывая проход в небольших торосах. Сзади (кормовой части) транспортного средства на раме шасси установлен на элементах маятникового типа 29 и гидроцилиндрах 30 бульдозерный отвал 31 в виде тарана клиновидной расходящейся формы для грейдерования снежного покрова и мелких ледяных нагромождений в разные стороны перед пропилом во льду вертикальных щелей 32. Клиновидный бульдозерный отвал имеет замкнутую форму, образуя герметичную емкость 35 для закачки и транспортировки резервного запаса топлива (1-1,5 т.) с возможностью перекачивания его в штатные топливные баки под давлением воздуха, подающегося из компрессора (на фигурах не показан). Закаченная воздухом замкнутая емкость бульдозерного отвала обеспечит дополнительную плавучесть транспортного средства при преодолении водных преград. В то же время при резке льда балластное пространство, заполненное топливом, будет оказывать дополнительное давление на мост привода циркулярных пил. Топливные баки 33, закрепленные по бокам несущей платформы под носовой кабиной, подкаченные сжатым воздухом, также будут обеспечивать плавучесть транспортного средства. Кроме того, оснащение ледорезной машины ИК ледомерным оборудованием 36, установленным на переднем (заднем) бампере и прибором GPS-Глонасс, установленном на крыше кабины (на фигурах не показан), обеспечит управляемый по заданному алгоритму пропил щели необходимой глубины с передачей данных по оставшейся глубине льда, увязанной с треком прохождения, который будет передаваться на рубку управления следуемого ледокола.
Следует отметить, что ледорезные машины предназначены для ослабления толстого ледового покрытия всесезонно, обслуживая проходку ледоколов на заданном тяжело проходимом отрезке пути от станции к станции со сменой экипажа и ледорезных машин при подготовке (строительстве) соответствующей инфраструктуры (наподобие смены лошадей и ямщиков на почтовых станциях, бытующих в царское время).
Преимущества устройства:
1. Сокращение маршрута следования Северным морским путем (СМП) по короткому расстоянию с уверенным прохождением паковых льдов с толщиной льда до 3,5 м.
2. Непрерывная и всесезонная проводка коммерческих судов по СМП и прибытие в пункт назначения в заданное время.
3. Экономия горючего, снижение затрат на восстановление днища и силового пояса при нарушении целостности корпуса судна (пробоины, вмятины).
4. Исключение необходимости повторения набегов и реверсивного хода судна для нового разгона, исключение смыкания и промерзания заблаговременно прорезанной штробы.
5. Облегчение взаимного последовательного от носа к скулам ледокола смещения полос льда друг относительно друга под днище судна и далее под ледяной панцирь по боковым сторонам ледокола.
6. Минимизация количества встречающихся торосов по высокоширотному пути следования и обеспечение глубокого фарватера для проходки крупнотоннажных судов с низкой посадкой при проводке караванов с коммерческим грузом.
7. Предварительное (заблаговременное) пиление узких, не сквозных штроб в ледовом покрытии, глубина пропила которых варьируется исходя из толщины льда. Несквозной пропил льда исключает обмораживание ледорезной машины водой и предотвратит смыкание узкой штробы с ее последующим обмерзанием.
8. Привязка толщины непропиленного (донного) льда к треку проходки ледорезной машины позволяет следующему по треку ледоколу автоматизировать мощность энергетических установок, обеспечивающих тягу ходовых винтов при постоянной мощности генерации, стабильности хода ледокола при минимальных затратах.
9. Обеспечение проходки ледоколов и караванов судов с коммерческим грузом по короткому высокоширотному пути с прохождением паковых льдов при экономии топлива, сокращении времени доставки и снизит износ ледоколов.
10. Предупреждение ледоколов о глубине фарватера и о местоположении опасных подводных препятствий снизит аварийность.
Работа ледорезной машины осуществляется следующим образом.
По заданию с командного пункта управления движением при запланированной проходке караванов судов с коммерческим грузом, следуемых за ледоколом по СМП ледорезные машины с ближних баз их базирования своим ходом направляются к заданной точке трека маршрута движения каравана судов (за каждой ледорезной машиной закреплен определенный участок, привязанный к маршруту движения ледокола). Арктическая ледорезная машина (фиг. 6, фиг. 7) или группа арктических ледорезных машин высокой проходимости добирается самостоятельно до пункта назначения (посредством пневмоколесных движителей 18 с приводом от ДВС 3) по навигатору GPS - Глонасс, либо по ИНС, для которых в бортовой компьютер транспортного средства (ТС) загружено программное обеспечение.
В случае глубокого снежного покрова, снижающего проходимость ТС, запускается дополнительная силовая двигательная установка вертолетного типа 5, установленного в центре масс, обеспечивая снижение удельного давления на несущую поверхность снежного наста и дополнительную пропульсивную тягу. От вала отбора мощности дополнительной силовой двигательной установки вертолетного типа через коробку передач 6 включается высокооборотный мост привода дисков циркулярных пил 17, с реверсным направлением вращения высокооборотного моста 11. При синхронизации окружных скоростей пневмоколесных движителей и циркулярных пил будет обеспечиваться дополнительный крутящий момент за счет взаимодействия зубъев циркулярных пил с ледовой поверхностью, создавая дополнительную тягу, а при открытом гидроклапане (на фиг. 6, фиг. 7 не показан), соединяющего полости гидроцилиндров 15 и 16 поднятия-опускания моста 11 с дисками пил будет осуществляться и поперечная устойчивость ТС при движении. При механическом взаимодействии тыльной стороны зубъев циркулярных пил с ледяной поверхностью при движении ТС поверхность инструмента будет частично стачиваться, что аналогично операции правки режущих кромок инструмента и равносильно операции заточки инструмента. Ледорезные транспортные средства прибывают в заданную точку маршрута, где толщина льда составляет более 1,2-1,5 м, что можно контролировать встроенным в ТС бесконтактным ИК-измерителем толщины льда 36 в непрерывном режиме движения.
Прибыв в пункт назначения, ледорезные машины по системе ориентации определяют необходимое направление пропила штроб, ориентируют направление параллельно движущихся транспортных средств, задают алгоритм глубины пропила исходя из толщины ледового покрытия, определяемого в автоматическом режиме, установленном на бампере ТС инфракрасным ледомером. Также, по показаниям ледомера измеряется толщина снежного толщина снежного покрова и устанавливается положение бульдозерного отвала 31 для прочистки снега до льда методом двухстороннего грейдерования снега в разные стороны, обеспечивая надежное сцепление протектора и твердосплавных шипов с ледовым покрытием. Пропил параллельных несквозных штроб 32 должно обеспечить снижение прочности ледового покрытия по всей ширине движения ледокола и следующего за ним каравана судов. При движении шеренгой в условиях плохой видимости расстояние между ледорезными машинами может контролироваться ультразвуковыми датчиками (типа радара, используемых в автомобилях для парковки, унаследованных от летучих мышей для определения расстояния до препятствий). При пропиле штроб 32 ледорезные машины, работающие на заданном маршруте на смежных участках, могут двигаться в попутном направлении и на встречу (при движении из разных точек маршрута), и в разных направлениях (при движении из одной точки маршрута). Но, в любом случае, пропиленные штробы должны соединяться в одну линию для беспрепятственного и непрерывного хода ледоколов. Глубина реза штроб с обеспечением определенной, заданной толщины льда от дна штробы до воды, должна обеспечить минимальные энергетические затраты ледокола при проходке на заданной скорости набега ледокола с уверенным разрушением ледового покрытия и формированием свободного от полос льдин канала.
При большой глубине и скорости резки льда (девственного пакового льда) пневмоколесные движители могут приподниматься и проскальзывать, снижая эффективность и скорость резки льда. Для устранения этого недостатка с кабины водителя - пилота включается привод лопастей винта 21 силовой аэродинамической установки в реверсивном направлении и с отрицательным тангажом (углом атаки) лопастей винта. В этом случае направление вектора усилия на несущую платформу ТС будет складываться из двух составляющих - вертикальной, обеспечивающей необходимое давление на несущую платформу, а значит и на рабочие органы циркулярных пил, пневмодвижители, оснащенные агрессивными протекторами с шипами и горизонтальной составляющей, обеспечивающей поступательное усилие в направлении движения транспортного средства. Бульдозерный отвал 31 для двухстороннего грейдерования снежного покрова в штатном режиме, заполненный дизельным топливом, также будет оказывать дополнительное вертикальное давление на раму шасси в месте крепления циркулярных пил. Пропил штроб может производиться как в непрерывном режиме, так и прерывисто. Прерывистый режим может использоваться для исключения попадания воды в штробу.
Как правило, попадание воды в штробу не означает, что вода устремиться по штробе до ледорезной машины. В случае попадания воды в штробу, например, из сквозной щели, то уже через несколько метров течь прекращается из-за образования кашеобразной шуги с воздушными пузырями в результате осыпания в штробу ледяной стружки и снега, что существенно не повлияет на повышение прочности смороженного шва ледового покрытия. В случае стачивания острых режущих кромок зубъев циркулярных пил 17, последние могут правиться на месте с помощью ручной углошлифовальной машинки с электрическим приводом. Также режущие фланцы и циркулярные пилы могут доставляться на вертолете с базы или ледокола путем зацепления их за профильные отверстия, выполненных в несущих дисках пил.
В случае попадания на пути следования небольших торосов, высотой до 1,0-1,5 метров, проходы в них могут быть расчищены фронтальной лопатой, на которой установлены фрезы со специальным профилем режущей кромки - азиподы 27, для крошения сплошных глыб льда, куски которых после скалывания попадают во фронтальную лопату 25 и откидываются в стороны традиционным способом загрузки, перевозки и опрокидывания. Высокоскоростные азиподы различных конструкций, предназначенные для разрушения монолитов льда, хорошо зарекомендовали себя как надежный, долговечный и скоростной инструмент в морском пароходстве. Привод азиподов производится от электродвигателей, запитанных от генератора с управлением из кабины водителя-пилота.
Систематически, при остановке ледорезной машины с помощью выдвигаемого гидроцилиндром эхолота может измеряться глубина форватера. В этом случае оголовок эхолота нагревается, запрессованный снег в цилиндрической форме оголовка плавится, обеспечивая надежный гидравлический контакт датчика эхолота с твердым льдом, что обеспечивает объективные показания эхолота по глубине дна. Трек прохождения ледорезной машины также фиксируется и записывается в бортовом компьютере. В бортовом компьютере вся информация о треке, глубине фарватера, общей толщине льда, глубине штроб, а также о состоянии важных узлов и агрегатов ледорезной машины обрабатываются и передаются на ботовой компьютер ледокола и центральный сервер командного пункта управления движением по СМП.
В случае непредвиденных внештатных обстоятельств ледорезное транспортное средство может оказаться на воде. Плавучесть транспортного средства обеспечивается применением легких, но прочных материалов: титана, углепластов, композитных и керамических материалов, топливных баков и герметичных пустых балластных резервуаров, закрепленных снизу к несущей платформе, широко- и полнопрофильными колесными движителями, играющих роль поплавков, емкостью, образуемой бульдозерным отвалом, герметично исполненными кабинами. Дополнительную плавучесть обеспечивает и аэродинамическая силовая установка вертолетного типа, обеспечивая достаточную подъемную силу, чтобы вытянуть ледорезную машину на уступ льда или крутой берег острова. Передний и задний (высокооборотный) мост ледорезной машины имеет возможность подниматься и опускаться, что позволяет ТС проходить торосы и вскарабкиваться на уступы льда при выходе с воды на поверхность льда. Водометы (на фиг. 6, фиг. 7 не показаны) также могут обеспечить достаточную тягу не только при движении по воде, но при выталкивании ТС с воды на лед. В нижнем положении пил 17, их диски будут играть роль двухсторонних килей, обеспечивающих ТС высокую устойчивость при волнениях моря. Эффект плавания создается включением с кабины двух водометов, расположенных на последнем мосту 10 ТС, вращением пневмодвижителей 18 и за счет пропульсивной тяги, создаваемой вращением лопастей 21 удлиненного несущего винта 34 силовой аэродинамической установкой вертолетного типа 5, заданном тангаже, устанавливаемом автоматом перекоса 20 посредством тяг 22.
Кроме того, ледорезная машина оснащена системой GPS-Глонасс, установленной на крыше дополнительной кабины, датчиков парктроников удаленного действия, установленных на боковых стенках кабин, обеспечивающих заданное расстояние между ледорезными машинами при работе в шеренге, включая минимальное расстояние между смежными машинами, исключающих аварию при столкновении лопастей винтов и встроенный блок инерциальной навигационной системы (ИНС) для работы ледорезных машин в автономном режиме. Также ледорезная машина оснащена выносным с помощью выдвигаемого штоком гидроцилиндра эхолотом для замера глубины проходимого фарватера (данные устройства на фиг. 6 и 7 не показаны). Все данные с электронных устройств, включая и с бесконтактного ИК ледомера, передаются на бортовой компьютер, установленный в кабине ледорезной машины, обрабатываются и отправляются на борт, следующего за ним ледокола и на командный пункт управления движением по СМП.
При прохождении ледорезной машины по Северному морскому пути не исключена ситуация, когда нецелесообразно использовать спутниковую навигационную систему, а требуется осуществить программное движение ледорезной машины без связи с внешними источниками навигационной информации в течение длительного интервала времени. При такой ситуации следует использовать инерциальную навигационную систему в течение длительного интервала времени для автономной навигации и управления ледорезной машиной, а связь со спутниковой навигационной системой осуществлять лишь в короткие интервалы времени для коррекции инерциальной навигационной системы, у которой с течением времени накапливаются погрешности.
При прохождении ледорезной машины по Северному морскому пути невозможно полностью исключить ситуации, связанные с опасностью для жизни экипажа ледорезной машины. При потенциальной ненулевой вероятности появления таких ситуаций целесообразно осуществить управление ее движением и работой в беспилотном режиме.
В простейшем варианте эффект от «укорочения» пути в относительном выражении можно определить формулой:
1
2
где P, P - соответственно удельные затраты ледокола и ледорезной машины (руб./км) при допущении, что ледокол, проходящий за ледорезной машиной имеет такие же затраты, как и ледокол без ледорезной машины, хотя они реально они должны быть меньше (за счет уменьшения толщины льда после прохода ледорезной машины), что приведет к увеличению эффекта;
1
2
R, R - соответственно величины длинного и короткого пути (км);
Если ввести безразмерный параметр
- отношение удельных затрат ледорезной машины (руб./км) к удельным затратам ледокола (руб./км), реальная величина которого: Р<1;
и ввести безразмерный параметр
- отношение величины короткого пути (км) к величине длинного пути (км), при этом очевидно, что, величина которого должна быть: R<1,
то формулу (1) можно записать, как функцию двух безразмерных параметров, один из которых характеризует относительные затраты, второй - относительное уменьшение пути
Результаты табулирования функции (4) на интервалах изменения параметров 0,1<Р<0,5 и 0,1<Q<0,5 показывают, что эффект уменьшения затрат для этих интервалов изменения параметров будет изменяться в пределах от «полутора до девяти», то есть следует ожидать во столько раз снижение расходов за счет «укорочения» проходимого расстояния по Северному морскому пути с учетом затрат, идущего следом за ней ледокола.
Источники информации, использованные в описании:
1. Богородский В.В., Гаврилов В.П., Недошивин А.О. Разрушение льда. / Л.: Гидрометеоиздат, 1983.
2. Ледокол. Авторское свидетельство СССР на изобретение №147469, опубл. 01.01.1962.
3. Полупогружной ледокол. Патент РФ на изобретение №2612343.
4. Ледорезная машина. Авторское свидетельство СССР на изобретение №85616 с приоритетом 16.04.1948.
5. Щелерезная машина БТ-150. Патент РФ на изобретение №2175700.
6. Всесезонный тундроход. Патент РФ на изобретение №2628414 от 27.07.2016.
7. Как безопасно работать на однолетнем ледовом припае в Арктике / GO ARCTIK, 4 января 2019 г.