авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 | 2 || 4 | 5 |

«Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Сибирская государственная ...»

-- [ Страница 3 ] --

Таблица 2.17 – Зависимости модулей деформации супесчаного грунта от коэффициента уплотнения Влажность Зависимость Достоверность аппроксимации R 2 0, E 0,1711е W0 3,4984к у R 2 0, Eп 0,0056е W0 9,4268ку R 2 0, E у 1,0943е W0 2,2543к у Таблица 2.18 – Зависимости модуля деформации суглинистого грунта от коэффициента уплотнения Влажность Зависимость Достоверность аппроксимации R 2 0, E 0,0003е W0 11,522ку R 2 0, Eп 0,0056е W0 9,4268ку R 2 0, E у 0,9894е W0 3,3165к у Таблица 2.19 – Зависимости предела прочности грунтов от влажности Тип Зависимость Достоверность аппроксимации Суглинок пр 1,7044W0 R 2 0, 8, Супесь пр 0,8974W09,8578 R 2 0, Таблица 2.20 – Зависимости предела прочности грунтов от плотности (коэффициента уплотнения ку) Тип Зависимость Достоверность аппроксимации Суглинок пр 1,6616к8,2245 R 2 0, у Супесь пр 0,7405к6,0506 R 2 0, у 2.3. Выводы по главе Многообразие свойств грунтов и факторов, влияющих на интенсивность протекания процесса уплотнения, расширяют возможности совершенствования уплотняющей техники. В то же время именно это многообразие усложняет процесс уплотнения и приводит к необходимости применения комплексного подхода, который должен учитывать все возможности для адаптации уплотняющей техники к изменяющимся в процессе обработки свойствам грунтов.

Теоретические положения взаимодействия уплотнителей с грунтами и эмпирические данные, полученные такими учными, как В. А. Анфимов [5], К. А. Артемьев [4], Д. Д. Баркан [11 – 14], В. Ф. Бабков [6 – 9], О. Т. Батраков [ – 23] В. А. Бидерман [29], А. К. Бируля [30 – 36], В. И. Гребенщиков [45, 46], А. В. Захаренко [56, 57], В. И. Кнороз [64], А. А. Малышев [75], Н Н. Иванов [59, 60], В. Б. Пермяков [84 – 88], В. Н. Сорокин [118], В. Н. Тарасов [120 –122], В. С. Щербаков [137, 138], Р. Хедекель [143] и др., позволяют сделать вывод, что для интенсификации процесса обработки грунтов необходимо в самом широком диапазоне адаптировать параметры РО уплотнителей в зависимости от свойств и состояния уплотняемых грунтов.

Основными факторами, влияющими на интенсивность процесса уплотнения, являются:

1. Контактные напряжения. Интенсивное деформирование грунтов происходит при контактных напряжениях от РО, превышающих предел текучести и не превышающих предел прочности уплотняемой среды. Максимальная интенсивность протекания этого процесса наблюдается при контактных напряжениях, максимально близких к пределу прочности. Контактные напряжения должны постепенно повышаться, т.е. соответствовать изменению прочностных показателей уплотняемого грунта в течение всего процесса его деформирования.

2. Скорость деформирования. Интенсивность уплотнения грунтов не всегда пропорциональна увеличению скорости их деформирования, особенно это характерно для связанных грунтов. Увеличение скорости деформирования вызывает резкое увеличение вязкого сопротивления грунтов уплотнению, но если правильно регулировать время цикла приложения контактных напряжений, за которое материал будет переводить (релаксировать) напряжнное состояние в максимально возможные остаточные деформации, то интенсивность процесса уплотнения возрастет. Такой подход позволит интенсифицировать процесс уплотнения как для несвязанных, так и для связанных грунтов.

3. Влажность грунтов. Уплотнения грунтов необходимо проводить не только при значении оптимальной влажности, но и определнной частоте приложения внешней силы, при которой колебательное движение частиц виброуплотняемого грунта вызывает тиксотропные эффекты, резко снижающие сопротивляемость грунта уплотнению даже при невысоких контактных напряжениях.

4. Количество проходов по одному следу. Необходимо стремиться к достижению требуемой плотности, которая оценивается коэффициентом уплотнения ку, за минимальное количество проходов одним уплотняющим средством. Необходимое количество проходов следует снижать за счт увеличения площади контакта РО с уплотняемой средой. При этом правильно выбранное соотношение контактных напряжений и скорости деформирования среды позволит добиться повышения интенсивности процесса уплотнения.

5. Толщина уплотняемого слоя. Глубина проработки грунтового слоя должна быть максимальной с учтом получения требуемого коэффициента уплотнения и равномерности распределения напряжений по всей толщине слоя. Для интенсификации процесса уплотнения необходимо увеличивать глубину активной зоны. Равномерное распределение плотности при максимальной толщине уплотняемого слоя возможно при виброуплотнении грунтов с оптимальной влажностью и с учтом ранее изложенных факторов (величины контактных напряжений, скорости деформирования) влияющих на интенсивность уплотнения.

Проведнный анализ позволяет сделать следующие выводы и определить основные направления исследований в области уплотнения грунтовых сред:

• наиболее интенсивно грунты уплотняются динамическими вибрационными и трамбующими способами;

• интенсивность развития напряжнно-деформируемого состояния упруговязкопластичных уплотняемых грунтов в первую очередь зависит от величины, времени действия и частоты приложения внешней силы при оптимальной влажности;

• время действия, частоту приложения и величину внешней силы необходимо увеличивать до максимально возможных значений, напряжения от которых при этом должны быть выше предела текучести и в то же время не должны превышать предел прочности уплотняемого грунта;

• современные вибрационные катки адаптируют контактные напряжения, в основном, за счт дискретного изменения величины внешней вынуждающей силы в довольно узком диапазоне. Время приложения внешней силы регулируется изменением поступательной скорости их движения. Для увеличения времени действия внешней силы на уплотняемый грунт приходится снижать поступательную скорость, т.е. снижать производительность катков. Необходимо в широком диапазоне адаптировать контактные напряжения, не снижая производительности вибрационных катков, при уплотнении грунтовых сред.

3. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ДИНАМИЧЕСКОГО ДЕФОРМИРОВАНИЯ УПЛОТНЯЕМОЙ СРЕДЫ ВИБРАЦИОННЫМИ КАТКАМИ С ПНЕВМОШИННЫМИ РАБОЧИМИ ОРГАНАМИ 3.1. Математическая модель элементарного упруговязкопластичного столба грунтовой среды, деформируемой внешней периодической силой Описание деформационных процессов, в том числе и процесса уплотнения грунтовых сред, является достаточно сложной задачей, в которой изменение напряжений и деформаций в грунтах, вследствие приложения к ним внешних сил, приводит к изменению их физико-механических свойств в течение процесса уплотнения. Решение данной задачи возможно с помощью замены реальных физико-механических свойств уплотняемой среды некоторыми реологическими моделями, отражающими е наиболее существенные свойства при деформировании (рисунок 3.1). Уплотняемый грунт в таком случае можно представить в виде элементарного столба упруговязкопластичной среды [10, 81, 124]:

el pl v (Fо sin t Fст ) /S, (3.1) где el – напряжения, обусловленные упругими деформациями, Па (реологическая модель Гука);

pl – напряжения, обусловленные пластическими деформациями, Па (реологическая модель Сен-Венана);

v – напряжения, обусловленные вязким сопротивлением деформированию, Па (реологическая модель Ньютона);

F0 – амплитуда внешней периодической силы, Н;

Fст=Мg – сила тяжести рабочего органа, Н;

– частота колебаний, с-1;

S – площадь пятна контакта, м2..

х el Е у, (3.2) h где Еу – модуль упругости среды, Па;

h0 – начальная толщина среды, м;

х – величина смещения среды относительно недеформированного состояния.

В качестве координат смещения среды можно выбирать текущее положение сосредоточенной массы грунтовой среды, однако в нашем случае, более удобной является величина смещения среды относительно недеформированного состояния х=х–х0, где х0 – координата несмещнной сосредоточенной массы.

х pl ( т ), (3.3) h где – функция Хевисайда, (x) (signx 1)/ 2 ;

– напряжения, возникающие в грунтовой среде от внешних сил, Па;

т – напряжения предела текучести среды, Па.

dx v, (3.4) dx где – вязкость среды, Нс/м2.

Реологическое уравнение движения уплотняемой грунтовой упруговязкопластичной среды (3.1) запишется в виде х х dx ( т ) (Fо sin t Fст ) / S, Еу (3.5) h0 h0 dx Для осуществления процесса виброуплотнения на данную среду должна действовать внешняя сила, которая приводит к созданию НДС среды и накоплению в ней необратимых деформаций. Задача интенсификации процесса уплотнения упруговязкопластичной грунтовой среды требует принятия определнных допущений, которые без существенного изменения точности итоговых результатов позволяют проводить исследования процесса динамического деформирования среды [81].

1. Среда – это элементарный столб сосредоточенной в материальной точке массы, на которую наложены упругие и вязкие связи. Процесс виброуплотнения сводится к одномерным колебаниям данной точки, при этом характер движения рабочего органа, далее РО, известен. Показатели вязкости и жсткости среды постоянны в течение одного цикла движения РО. Параметры движения РО выбираются из условия максимального снижения вязкого сопротивления деформированию среды.

2. Помимо сил вязкого и упругого сопротивления на среду действуют силы пластического сопротивления деформированию. Процесс виброуплотнения должен сводиться к созданию направленного движения рассматриваемой точки.

Параметры движения РО должны обеспечивать максимальную скорость направленного движения точки сосредоточенной массы.

3. Рабочий орган – плоскость, совершающая гармонические колебания, допускающие представление в виде ряда Фурье. Движение среды описывается дифференциальными уравнениями, полученными из второго закона Ньютона.

4. Описание движения колебательной системы «рабочий орган деформируемая среда» строится на основании формализма Лагранжа, диссипативная функция основания на котором расположена уплотняемая среда, не учитывается.

5. Распределение деформаций и напряжений внутри среды учитывается е представлением в виде системы материальных точек с сосредоточенными массами, связанными между собой упруговязкопластичными связями линейного и нелинейного характера. Процесс виброуплотнения состоит в уменьшении вибрационной вязкости системы в целом и создании направленного движения центра масс системы с максимальной скоростью.

Рассмотрим элементарный столб уплотняемой среды, определнного объма и массы, на который действует внешняя периодическая сила F0sin(t) (рисунок 3.1.). Действие периодической вынуждающей силы вибровозбудителя с частотой на деформируемую среду запишем в виде дифференциального уравнения движения массы среды [81, 124]:

rV b2x c2x Fо sin t Fст, (3.6) x где x – деформация среды, м;

m=V – приведенная масса среды, кг;

– плотность деформируемой среды, кг/м ;

V – объм деформируемого столба среды, м ;

Fст=Mg – сила тяжести РО, Н;

с2– жсткость деформируемого столба среды, Н/м;

b2– коэффициент вязкого трения деформируемого объма, Нс/м.

S b2 (3.7) h где – вязкость деформируемой среды, Нс/м2;

h0–толщина уплотняемого слоя среды, м;

S –площадь пятна контакта, м.

ES c2, (3.8) h где Е – модуль деформации среды, Па;

‘ Fд(t)= F0 sin ( t) +Fст m x c2el h0 h b c2pl х Рисунок 3.1 – Схема деформирования элементарного упруговязкопластичного деформируемого столба среды внешней периодической силой Поскольку модуль деформации среды характеризуется пластической и упругой деформациями [135], то жсткость столба грунтовой среды также складывается из упругой и пластичной составляющих.

E уS c 2el, (3.9) h где Еу – модуль упругости грунтовой среды, МПа.

E пS c 2pl, (3.10) h где Еп – модуль пластичности грунтовой среды, МПа.

Преобразуем уравнение (3.6) с целью изучения поведения деформируемой грунтовой среды при динамическом нагружении внешней периодической силой:

b2 c F F x 2 x 0 sin t ст. (3.11) x m m m m Для удобства вычислений запишем коэффициенты влияния kx 0x а 0 sin t а1, (3.12) x где b2 c F F k, 0 2, а 0 0, а1 ст. (3.13) m m m m Найдм решение уравнения 3.12:

kx 0x 0, x r 2 kr 0 0.

k k 2 40 k k k r1,2, (3.14) 2 x 00 C1 C kt.

Далее x r11 ASint BCost Dt | 0 ;

x r11 ACost BSint D | k;

x r11 A2Sint B2Cost.

A2Sint B2Cost kACost kBSint kD A0Sint B0Cost 0 Dt a 0Sint a1.

2 Sint A kB 0 A a 0 ;

Cost B2 kA 0 B 0;

a 0 D a1, D t0.

Отсюда:

A(0 ) Bk a.

Ak B(0 ) 0 k x (0 ) 2 k 22 ;

k k a A a 0 (0 ) 2 ;

0 a B a 0 k.

k A a (2 2 ) A 2 0 20 2. (3.15) (0 ) k B a 0 k B 2. (3.16) (0 2 ) 2 k a 0 (0 2 )Sint a tCost a r11 20 22 1.

(0 2 )2 k 22 (0 ) k 22 2 a 0 (0 2 ) a 0k a kt x C1 C2e 2 Sint 2 Cost 1. (3.17) (0 ) k (0 ) k 22 22 22 22 С учтом начальных условий:

x \ t 0 ;

x\ t 0 a 0 (0 2 )Cost a 0k2Sint kt x C2ke 2, (3.18) (0 2 ) 2 k 22 (0 2 ) 2 k a 0 k a C1 C2 2 1 0;

(0 2 )2 k 22 C k a 0 (0 ) 0.

2 2 (0 2 )2 k a 0 (0 2 ) C2 0;

k (0 2 )2 k a 0k a 0 (0 2 ) a C1 2 2.

0 (0 2 )2 k 22 k (0 2 )2 k a 0k a 0(0 2 ) a 0(0 2 ) 2 a e kt x(t) 2 2 0 (0 ) k k (0 ) k k (0 ) k 22 22 2 22 22 2 22 (3.19) a ( ) a 0k 2 a 2 0 20 2 Sint 2 Cost 1 ;

(0 ) k (0 ) k 22 22 22 a 0 (0 2 ) Sin ;

( ) k 2 22 2 k Cos.

(0 2 )2 k a 0 k a 0(0 2 ) a 0(0 2 ) 2 e kt x(t) 2 (0 ) k k (0 ) k k (0 ) k 22 22 2 22 22 2 22 (3.20) a 0Sin(t ) ;

(0 2 ) 2 k k tg ;

0 k arctg( ). (3.21) Получим решение:

a 0k a 0 sin(t ) x(t). (3.22) ( ) k 2 22 (0 2 )2 k Деформация системы на каждом цикле, в силу соотношения между жесткостью и вязкостью, в значительной степени зависит от величины внешней силы и частоты е приложения, поэтому рассматривается решение только для вынужденных колебаний.

Постоянная сила «статического пригруза» Fст, приводит к возникновению постоянного смещения (изменению точки отсчета), и ее влияние может быть учтено выбором начальных условий.

Решение уравнения (3.3) не представляет сложности в случае неизменных параметров b2, c2 (0, k), но при меняющихся параметрах точное решение затруднительно. Поэтому решение определяется приближением, обеспечивающим достаточную точность расчтов, с учтом принятых допущений [111]. Оценка остаточных деформаций, обусловленных силами пластичного сопротивления, производится следующим образом:

1. При деформации сжатия, когда выполняется условие т (t i ) (t i ) пр (t i ), вынуждающая сила действует как против упругих, так и пластичных сил сопротивления среды, так что c2el c2pl 01 ( (3.23) )/m c2el c2pl и определяется модулем деформации (3.8), соотношение между пластическими и упругими напряжениями можно выразить, используя уравнения (3.9, 3.10), c2el c2pl c2. (3.24) c2el c2pl 2. На всем остальном периоде действует только упругая сила, так что c 02 2el.

(3.25) m 3. Очевидно, что остаточная деформация на одном периоде будет равна доле неупругой деформации в амплитуде колебаний с учетом пластической силы:

a x. (3.26) (0 2 )2 k 4. Циклический процесс приводит к накоплению пластических деформаций:

уплотнению среды, так что суммарная деформация составит n x x i. (3.27) i 5. Учет зависимости параметров среды от деформации происходит на каждом периоде, когда вязкость и жесткость пересчитываются для новых значений высоты деформируемого столба и его эффективной площади (с учетом угла внутреннего трения).

6. Суммарная работа на уплотнение считается законченной при достижении граничных условий (заданного коэффициента уплотнения).

r0 h 0 x ку, (3.28) rконеч h где 0 – начальная плотность деформируемой среды, кг/м3;

конеч – конечная (нормативная) плотность среды, кг/м3.

Исходя из выражения для величины полной деформации (3.27) и учитывая граничные условия процесса уплотнения среды (3.28), определим необходимое количество циклов приложения нагрузки n для достижения граничных условий.

Число циклов n, необходимых для этого, с учтом работ Хархуты Н. Я., Калужского Я. А., Пермякова В. Б. и др., [62, 84, 135, 148] определяет время работы t 2n /. (3.29) Соответствующая скорость уплотнителя, с учтом времени и частоты приложения внешней силы, для достижения необходимой плотности деформируемой среды определится, как d, (3.30) t где d – продольный параметр пятна контакта рабочего органа со средой, м.

В первом приближении d может быть найден, как d=S/L, (3.31) где L – ширина рабочего органа, м.

Напряжения для каждого цикла, возникающие в деформируемой грунтовой среде, определятся:

Fi c 2i x i.

i (3.32) Si Si (x) Площадь контакта можно выразить функцией от состояния обрабатываемой среды и конструктивных особенностей уплотнителя S=f(, c2, b2), тогда данная модель с определнными допущениями может применяться к исследованиям взаимодействия уплотняемой среды с пневмошинными рабочими органами.

В случае, когда наблюдается отрыв рабочего органа от поверхности уплотняемой среды, т. е. наблюдается процесс трамбования (рисунок 3. 2), согласно принятым допущениям необходимо учитывать изменение начальных условий таким образом, что деформация среды в начальный момент времени х0=0, а вертикальная скорость движения трамбовки u0=u [108, 111].

Fст u x S m c2el h0 h с b c2pl х Рисунок 3.2 – Деформируемая упруговязкопластичная среда при трамбовании 3.2. Математическая модель нескольких последовательно соединнных элементарных упруговязкопластичных столбов грунтовой среды, деформируемых внешней периодической силой Поскольку в предложенном подходе рассматривается движение сосредоточенных масс, предыдущая модель позволяет рассматривать лишь среднее значение деформации центра масс рассматриваемого элементарного столба и соответственно средние по толщине слоя значения напряжений.

Изучение изменения напряженного состояния среды на примере использования одного элементарного столба не позволяет получить достаточно полной картины распределения напряжений и деформаций по всей толщине уплотняемого слоя.

Поэтому уплотняемый слой среды необходимо рассматривать в виде нескольких элементарных соединнных столбов [92, 144] (рисунок 3. 3), которые последовательно воспринимают нагрузку от внешней силы. В этом случае, используя предложенный в п. 3.1. модельный подход, необходимо получить аналогичное решение для системы уравнений движения нескольких сосредоточенных масс. Минимальное количество последовательно соединнных столбов должно быть не менее трх, поскольку процесс изменения напряжений и деформаций в уплотняемом слое протекает нелинейно.

m11 b 2' (x1 x 2 ) c2' (x1 x 2 ) b1 (x ро x1 ) c1 (x ро x1 ) F (t);

x m 2 2 b 2'' (x 2 x 3 ) b 2' (x1 x 2 ) c 2'' (x 2 x 3 ) c 2' (x1 x 2 ) m 2g;

(3.33) x m b x b (x x ) c x c (x x ) m g, 3 2 3 x3 2''' 2'' 2''' 3 2'' 2 3 где xi – деформация соответствующего элементарного стержня среды, м;

mi=iVi – соответствующая приведенная масса стержня, кг;

i – плотность соответствующего элементарного стержня, кг/м ;

Vi – объм соответствующего элементарного стержня, м ;

h0-толщина уплотняемого слоя среды, м;

S-площадь контакта, м ;

Е – модуль деформации среды, Па;

b2 – коэффициент вязкого трения деформируемого столба среды, Нс/м;

с2 – жсткость деформируемого столба среды, Н/м;

– вязкость деформируемой среды, Нс/м2;

Fд(t) – внешняя периодическая сила, Н.

, Fд(t) x S m c2'el h c 2'pl b2' x m c2'’el h 0 h b2'’ c 2'’pl x m c 2'’’el h c 2'’’pl b2'’’ х Рисунок 3.3 – Деформирование грунтовой среды внешней периодической силой в виде нескольких элементарных столбов Предложенная модель позволяет в полной мере оценить интенсивность протекания процесса накопления остаточных деформаций (процесса уплотнения), в зависимости от величины и характера прилагаемой силы с учтом времени е приложения при известном значении функции S=f(, c2, b2).

3. 3. Математическая модель взаимодействия нескольких последовательно соединнных элементарных упруговязкопластичных столбов среды с пневмошинным рабочим органом катка посредством внешней периодической силы С учтом того, что параметры внешней силы должны постоянно изменяться [105, 106, 107], а время е действия должно стремиться к максимальному значению, рабочие органы катков необходимо адаптировать в соответствии с этим условием. Решение данной задачи предполагается получить за счт деформирования рабочего органа катка в процессе уплотнения (рисунок 3.4). На начальной стадии, когда среда обладает невысокой прочностью, за счт деформации рабочего органа необходимо увеличивать пятно контакта и время действия на среду. По мере увеличения сопротивления деформированию необходимо усиливать динамическую составляющую силы, а для снижения диссипации энергии должна увеличиваться жсткость рабочего органа [107, 111, 140, 154].

Математическая модель, помимо изменения свойств среды в процессе уплотнения, должна учитывать деформацию РО, поэтому систему уравнений (3.33) необходимо записать с учтом уравнения, учитывающего деформацию рабочего органа.

M ро b1 ( x ро x1 ) c1 ( x ро x1 ) F (t);

x m11 b 2 ' (x1 x 2 ) c 2 ' (x1 x 2 ) b1 ( x ро x1 ) c1 ( x ро x1 ) m1g;

(3.34) x m 2 2 b 2 '' (x 2 x 3 ) b 2 ' (x1 x 2 ) c 2 '' ( x 2 x 3 ) c 2 ' ( x1 x 2 ) m 2g;

x m b x b (x x ) c x c (x x ) m g, 3 2 3 x3 2 ''' 2 '' 2 ''' 3 2 '' 2 3 где xро – деформация рабочего органа, м;

с1 – жсткость РО, Н/м;

b1 коэффициент вязкого трения РО, Нс/м;

М – масса рабочего органа катка, кг;

xi – деформация соответствующего элементарного столба среды, м;

mi=iVi – соответствующая приведенная масса соответствующего элементарного столба среды, кг;

i – плотность соответствующего элементарного столба, кг/м ;

Vi – объм соответствующего элементарного стержня, м ;

h0-толщина уплотняемого слоя среды, м;

S-площадь пятна контакта, м ;

c 2i - жсткость соответствующего элементарного столба среды, b2i - коэффициент вязкого трения соответствующего элементарного столба Нс/м;

Fд(t) – внешняя периодическая сила, Н.

Рисунок 3.4 – Расчтная схема взаимодействия рабочего органа катка с упруговязкопластичной средой Для решения системы уравнений (3.34) составлена расчтная схема (рис. 3.4), которая учитывает деформацию среды и деформацию рабочего органа катка с учтом его линейных размеров. Площадь контакта РО со средой, и соответственно и е деформируемый объем, зависит от величины деформации РО, который принимается однородным упругим цилиндром шириной L и радиусом R, соприкасающимся с уплотняемой средой своей боковой поверхностью. В качестве уплотняемого объема выступает набор последовательных элементарных объмов грунтовой среды определнной массы, верхнее основание которых имеет ширину области контакта с РО. Внешняя сила, носит гармонический характер F (t) F0 sin(t) Fст. С учтом статического силы – Fст, смещение рабочего органа в свободном состоянии – x 0.

В каждый момент времени как жесткость деформированной среды, так и жесткость рабочего органа зависят от деформации последнего. Коэффициент вязкого трения среды также зависит от величины пятна контакта и скорости его эволюции.

Решение задачи о движении деформируемого объема среды в рамках теории линейных колебательных систем не представляется возможным [130, 154].

Параметры системы «рабочий орган - деформируемая среда» сложным образом зависят от деформаций и смещений, и даже численное решение уравнений движения становится весьма затруднительным, а точное, если и возможным, то для очень узкого круга частных случаев, и навряд ли представляющих практический интерес.

В рамках формализма Лагранжа решение задачи может производиться следующим образом. Полная функция Лагранжа системы «деформируемый объем среды – деформируемый рабочий орган», с учетом действия вынуждающей силы, диссипации и зависимости характеристик рабочего органа и среды от деформации [124, 140] может быть записана:

M(x ро ) m1 (x1 ) 2 m 2 (x 2 ) 2 m3 (x 3 ) L(x ро, x1, x 2, x 3, x ро, x1, x 2, x 3, t) 2 2 2 c (x ро )(x ро x1 ) 2 c 2' (x ро, x1 )(x1 x 2 ) 2 c 2'' (x ро, x 2 )( x 2 x 3 ) 1 2 2 c2''' (x ро, x 3 )(x 3 ) (x ро )F (t) m1gx1 m 2gx 2 m3gx 3 ;

b1 (x ро )(x ро x1 ) 2 b 2' (x ро, x1 )(x1 x 2 ) D(x ро, x, x ро, x) 2 2, (3.35) b2'' (x ро, x 2 )(x 2 x 3 ) 2 b 2''' (x ро, x 3 )(x 3 ), 2 где D(xро, x, xро, x) - диссипативная функция;

xро, x - величины деформации грунта и рабочего органа, определяемые как смещения из состояния, соответствующего устойчивому равновесию системы, которое рассматривается как состояние с накопленной пластичной деформацией в результате уплотнения.

Здесь учтены вязкость и жсткость рабочего органа, которые зависят только от его деформации, в то время как эти параметры для деформируемого объема грунта зависят от деформации рабочего органа как функции величины пятна контакта. Уравнения движения Эйлера-Лагранжа в этом случае будут выглядеть следующим образом:

d L(x ро, x1, x 2, x 3, x ро, x1, x 2, x 3, t) x ро dt L(x ро, x1, x 2, x 3, x ро, x1, x 2, x 3, t) D( x ро, x1, x 2, x 3, x ро, x1, x 2, x 3, t) ;

x1 x ро d L(x ро, x1, x 2, x 3, x ро, x1, x 2, x 3, t) (3.36) x dt L(x, x, x, x, t) D(x, x, x, x, x, x, x, x, t) ро 1 2 1 ро 1 2 1 ;

x 2 x....

В частности получаем уравнение движения для уплотняемого объема среды:

m b 2 (x ро, x)x b 2 (x ро, x)(x ро x) c 2 (x ро, x) x x c1 (x ро, x) ( x ро x) c1 (x ро, x)(x ро x) (3.37) x b1 (x1, x) (x ро x) c 2 ( x ро, x) (x) 2 b 2 ( x ро, x) x 2 F (t).

x x x 2 2 Решение этих уравнений, являющихся нелинейными, затруднительно.

Предполагая зависимости вязкости и жесткости от координат слабыми, по сравнению с зависимостями координат от времени, в уравнении (3.37) пренебрегаем членами, содержащими производные вязкости и жесткости по координатам и скоростям, примем:

c1 (x ро, x) (x ро x) 2 b1 (x ро, x) (x ро x) 2 c 2 (x ро, x) (x)2 b 2 ( x ро, x) x 0.

x x x x 2 2 2 Поскольку интерес представляет смещение рабочего органа, с учетом гармонического характера внешней силы, можно построить приближенную модель, описывающую вынужденные колебания системы около положения равновесия, аналогично процессам для недеформируемого рабочего органа с уравнением движения.

m b2 (x ро, x)x c2 (x ро, x)x F (t).

(3.38) x Отличие от линейной системы состоит в сложной зависимости коэффициентов от координат. Рассматривается физически обоснованное приближенное описание процесса в рамках циклической модели для системы с переменными параметрами, примененной в п. 3.1 [111].

Уравнение динамики системы (3.34) может быть записано следующим образом:

F (t) F (t) F2 (t), (3.39) F1 – сила сопротивления деформации рабочего органа.

R x ро F (x ро ) E1L( 2Rx ро (x ро )2 (R x ро )arccos( )).

R (3.40) F2 – суммарная сила сопротивления деформации рабочего органа и сопротивления деформации грунтовой среды.

L E 2L F2 (x ро, x) (2 2Rx ро (x ро ) 2 h 0 tan )x (2 2Rx ро (x ро ) 2 h 0 tan )x, (3.41) h0 h где Е1 и Е2 – модули деформации соответственно рабочего органа и среды, – угол внутреннего трения среды.

С учтом, что в течение всего процесса уплотнения жсткость рабочего органа должна всегда быть выше жсткости уплотняемой среды, условие для деформации среды и РО будет выглядеть так:

F (x ро x) F1 (x ро ) F2 (x ро, x). (3.42) x Данное уравнение не можешь быть решено без наложения дополнительной связи. Эта связь может быть получена из условия равновесия сил сопротивления деформированию среды и РО в момент «остановки» системы. Но и это условие является существенно нелинейным и его непосредственное использование также затруднительно.

x ро F1 (x ро ) E1L( 2 )x ро - сила сопротивления деформации рабочего R органа.

2L F2 (x ро, x) ( 2Rx ро h 0 tan )(E 2x x) сила сопротивления h деформации среды.

Условие равенства сил в момент «установившегося равновесия» системы будет иметь следующий вид:

x ро 2L )x ро ( 2Rx ро h 0 tan )E 2x. (3.43) E1L( R h Наложим связь x f (x ро ), что позволит решить уравнение (3.42), а затем найти деформацию среды на одном цикле вибрации. Уравнение (3.42) при этом выглядит так:

x E1 ( 2 ро ) x ро x x E L F 0.. (3.44) ( 2 ро ) x ро x ро R 2E1L( 2 1 ) x ро x 0 (2 2Rx ро h 0 tan )E R 4E 2 R Ненулевое решение этого уравнения и представляет собой деформацию рабочего органа в момент остановки, которое после подстановки в уравнение связи (3.43) позволяет получить деформацию среды x. Учет изменения жесткости и вязкости среды в зависимости от числа циклов виброуплотнения производится стандартным образом [107, 111].

По аналогии с предыдущими исследованиями для каждого цикла вибрации показатели вязкости и упругости постоянные, тогда xi xi (c2(i1),b2(i1) ), то есть деформация на последующем шаге есть функция от значений вязкости и упругости, принятых для предыдущего цикла, согласно зависимости (3.27).

Необходимая продолжительность процесса уплотнения определится из граничных условий для достижения необходимой плотности материала (3.28), согласно требованиям проектной и нормативной документации.

Таким образом, можем использовать выражения (3.29) и (3.30) для определения необходимого времени и поступательной скорости движения уплотнителя.

Для более детального изучения влияния жсткости рабочего органа уплотнителя на поведение уплотняемой среды необходимо рассмотреть напряжения, возникающие в деформируемом слое. Учитывая форму объема уплотняемой среды и действуя в рамках принятых приближений, можно без труда получить выражение для напряжений по толщине слоя:

F (x ро, x) (x)S.

И далее F (x ро x) x (х), (3.45) S(x) где S(x) – площадь сечения уплотняемой области грунта в зависимости от глубины.

S(x) L(2 2Rx ро 2x tan ). (3.46) Математическое моделирование процесса уплотнения упруговязкопластичной грунтовой среды пневмошинным рабочим органом вибрационного катка проводилось в программной среде Maple 11 (Приложение 1).

Общая структура модели представлена на рисунке 3.5, блок-схема расчта представлена на рисунке 3.6. Расчты позволяют определить интенсивность процесса деформирования среды и рациональные режимы процесса уплотнения с учтом изменяемой жсткости РО. Анализируя влияние жесткости рабочего органа на диапазон адаптации контактных напряжений, определим время, величину и частоту приложения внешней силы в зависимости от изменяющихся свойств деформируемой среды [107, 110, 111, 112].

Модель деформирования Зависимости между жсткостью F0, f элементарного столба грунтовой рабочего органа и параметрами среды внешней периодической силой c пятна контакта S, d Зависимости хро S, d между параметрами пятна контакта, величиной и частотой внешней Модель деформирования нескольких силы, деформациями, x последовательно соединнных напряжениями и виброускорениями элементарных столбов грунтовой среды внешней периодической силой посредством деформируемого РО x Зависимости между деформациями, Модель деформирования нескольких напряжениями, виброускорениями, hi, xi последовательно соединнных глубиной деформируемого слоя и элементарных столбов грунтовой жсткостью РО среды внешней периодической силой Зависимости A,, n между деформациями, напряжениями, виброускорениями и глубиной деформируемого слоя Регулятор Регулятор величины внешней жсткости РО силы и частоты е приложения Рисунок 3.5 – Блок-схема алгоритма расчта в соответствии с моделью Начало Ввод исходных данных:

Е1, Е2, L, R,,, 0, конеч Расчёт деформации рабочего органа: хро x ро 2L ) x ро ( 2Rx ро h 0 tan )E 2 x E1L( R h Расчёт деформации грунтовой среды: х x E1 ( 2 ро )x ро x ро x1 E1L F 0.

R ) x ро ) x ро x ро 2E1L( 2 ( x 0 (2 2Rx ро h 0 tan )E R 4E 2 R Расчёт виброускорений в грунтовой среде:

A(x) х2.

x i 1 x i нет и А j1 A j.

да Расчёт площади пятна контакта:

S(x) L(2 2R x ро 2 x tan ) Расчёт напряжений грунтовой среды:

F (x ро x) x (х) S(x) Вывод:

х, А, Конец Рисунок 3.6 – Блок-схема алгоритма расчта в соответствии с моделью Проф. Д. Д. Барканом было установлено, что критерием энергоэффективности процесса вибрационного уплотнения грунтов могут служить значения виброускорений в грунтах [13], что было подтверждено Н. Я. Хархутой [135], М. П. Костельовым [65, 67]. Установлено, что амплитуда колебаний влияет на эффективность виброуплотнения поскольку она пропорциональна значениям виброускорений. Изучением виброускорений в колебательных системах занимались многие отечественные и зарубежные учные:

Н. А. Азюков, Д. Д. Баркан, В. И. Баловнев, И. И. Блехман, А. А. Борщевский, В. Г. Зедгенизов, П. А. Корчагин, П.Ф. Овчинников, К. П. Севров, С. П.

Тимошенко, В. С. Щербаков, А. А. Яблонский, H. Amick, D. Pietzsch, Yoo, T-S. Selig и др. [3, 10 – 14, 28, 39, 41, 51 – 58, 66, 67, 69, 81, 82, 91, 95, 124, 137, 139, 144, 149 –152]. Было доказано, что виброускорения являются не только критерием энергоэффективности процесса уплотнения [55, 85, 154], но и показателем развития НДС виброуплотняемой среды [12, 13, 157].

А(х)= –x2=f((x)), (3.29) Разработанная математическая модель позволяет провести всесторонние исследования деформирования упруговязкопластичной среды пневмошинными рабочими органами с изменяемой жсткостью, определить рациональный диапазон жсткости РО, величину и частоту приложения внешней силы с учтом деформативных свойств уплотняемой среды.

3.4. Выводы по главе 1. Построена математическая модель грунтовой среды в виде элементарного упруговязкопластичного столба, деформируемого внешней периодической силой, позволяющая исследовать напряжнно-деформируемое состояние и тенденции изменения виброускорений в уплотняемой среде.

2. Разработана расчтная схема взаимодействия пневмошинного рабочего органа катка с упруговязкопластичной средой в виде нескольких последовательно соединнных элементарных упруговязкопластичных столбов, позволяющая провести математическое моделирование процесса уплотнения грунтовой среды вибрационным катком с пневмошинным рабочим органом изменяемой жсткости.

3. Математическая модель взаимодействия нескольких последовательно соединнных элементарных упруговязкопластичных столбов среды с пневмошинным рабочим органом катка дат возможность провести полномасштабные теоретические исследования уплотнения грунтов вибрационным катком с пневмошинными рабочими органами. Анализ результатов математического моделирования позволяет определить рациональный диапазон жсткости РО, величину внешней периодической силы и частоту е приложения, с учтом свойств среды и параметров уплотнителя.

4. Результаты реализации представленной математической модели являются областью допустимого решения (ОДР) для задач по оптимизации параметров вибрационных катков с пневмошинными рабочими органами при уплотнении грунтовых сред.

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ ПНЕВМОШИННЫХ РАБОЧИХ ОРГАНОВ ВИБРАЦИОННЫХ КАТКОВ ДЛЯ УПЛОТНЕНИЯ ГРУНТОВ 4. 1. Общая методика проведения экспериментальных исследований Процесс взаимодействия пневмошинных рабочих органов с упруговязкопластичными грунтовыми средами является сложным процессом, зависящим от большого количества различных факторов, как со стороны грунтового массива, так и со стороны РО катков. Для пневмошинных рабочих органов с изменяемым диапазоном жсткости необходимо провести экспериментальные исследования для установления зависимостей жсткости РО от его конструктивных особенностей и внутреннего давления в шинах.

Следующим шагом должны стать исследования влияния ряда факторов, в том числе и жсткости РО, на эффективность протекания процесса уплотнения.

В качестве показателей эффективности процесса виброуплотнения могут служить значения виброускорений и коэффициент уплотнения грунтов, которые в свою очередь зависят от влажности грунта, его гранулометрического состава, толщины прорабатываемого слоя, режимов работы и конструктивных особенностей уплотнителя.

Предельная толщина уплотняемого слоя, прорабатываемая до требуемой степени уплотнения (предельная глубина активной зоны), определяется следующими факторами (по О. Т. Батракову, Н. Я Хархуте, В. Б. Пермякову, Yoo T-S, Selig E. T. и др. [19 –23, 84 –88, 131 –135, 144, 159, 160]):

характером прикладываемой уплотняющей силы (статическая, вибрационная и ударная);

- размером площади пятна контакта, передающей силовое воздействие на уплотняемую грунтовую среду;

- соотношением т (t i ) (t i ) пр (t i ) (где т, пр - соответственно предел текучести и предел прочности при сжатии грунта i–плотности, Па;

i – контактное давление под рабочим органом, Па);

- количеством циклов силового воздействия (проходов катка).

В соответствии с решаемыми задачами при проведении экспериментальных исследований обычно применяют два метода эксперимента: активный и пассивный а наличие многофакторного пространства требует [79, 80], планирования экспериментальных исследований с учтом вышеназванных факторов.

4.1.1. Планирование эксперимента для определения показателей жсткости и вязкости пневмошинных рабочих органов Жсткость и коэффициент вязкого трения пневматических шин, заполненных жидкостью (гидрошин), в наибольшей степени зависят от внутреннего давления жидкости в шинах, поэтому данный эксперимент может рассматриваться как однофакторный.

Жсткость и коэффициент вязкого трения пневматических шин с металлическими бандажами зависят не только от внутреннего давления воздуха в шинах, но и от количества съмных бандажей, т. е. имеет место двухфакторный эксперимент.

Выбор критерия. Критерий (Y): Значения жсткости пневмошинного рабочего органа.

Определение факторов.

Факторы:

1) X1 внутреннее давление воздуха в шинах, МПа;

2) X2 количество металлических бандажей, шт;

Определение интервалов изменения факторов Область определения факторов устанавливается, согласно схеме полно факторного эксперимента, и предусматривает одновременное варьирование всех исследуемых факторов на двух уровнях: верхнем (Max), имеющем максимальное значение рассматриваемого фактора, и нижнем (Min), соответствующем минимальному значению фактора. Интервалы изменения факторов в эксперименте представлены в таблице 4.1.

Таблица 4.1 – Интервалы варьирования факторов в двухфакторном эксперименте Уровни Факторы Min (-1) Max (+1) 0,2 МПа. 0,6 МПа.

X 2 шт. 12 шт.

X Построение плана проведения эксперимента При известном значении числа факторов, можно найти число опытов, необходимых для реализации всех возможных сочетаний уровней факторов.

N э 2ф, (4.1) где N э количество экспериментов, ф число факторов эксперимента.

Подставив значение числа факторов, вычислим количество экспериментов по формуле (4.1):

N э 22 4.

План эксперимента удобно задавать таблицей, называемой матрицей планирования эксперимента, включающей в себя значения факторов и эффектов их взаимодействий. Матрица планирования полнофакторного эксперимента типа 22 и результаты опытов представлены в таблице 4.2. В таблице и в дальнейшем применяем сокращенное обозначение уровней факторов: вместо +1 и обозначаем + и.

Таблица 4.2 – Матрица планирования двухфакторного эксперимента Номер опыта, Nk Порядок варьирования факторов x1 x2 x1x 1 + + + 2 + 3 + 4 + Построен полный факторный эксперимент 22, который имеет четыре опыта и включает все возможные комбинации уровней двух факторов.

4.1.2. Планирование эксперимента для определения степени влияния жсткости рабочего органа на интенсивность процесса уплотнения Выбор критерия. Критерий (Y): Значения виброускорений в уплотняемом грунтовом слое.

Определение факторов.

1) X1 влажность грунта, %W0;

2) X2 частота колебаний вибровозбудителя, Гц;

3) X3 жсткость рабочего органа, кН/м.

Определение интервалов изменения факторов Многофакторный эксперимент запланирован для исследования процесса уплотнения грунтовых сред вибрационным пневмошинным катком. Область определения факторов, как и в предыдущем эксперименте, предусматривает одновременное варьирование всех исследуемых факторов на двух уровнях:

верхнем (Max), имеющем максимальное значение рассматриваемого фактора, и нижнем (Min), соответствующем минимальному значению фактора. Интервалы изменения факторов в эксперименте представлены в таблице 4.3. В качестве функции отклика на воздействие факторов, определяющих характер протекания исследуемого процесса, выбраны значения виброускорений в грунте.

Таблица 4.3 – Интервалы варьирования факторов в трхфакторном эксперименте Уровни Факторы Min (-1) Max (+1) X1 0,90W0 W 24 Гц 44 Гц X 1000 кН/м 6000 кН/м X Построение плана трхфакторного эксперимента Вычислим количество экспериментов по формуле (4.1):

Nэ 23 8.

Матрица планирования трхфакторного эксперимента типа 23. В таблице применяем сокращенное обозначение уровней факторов: вместо +1 и обозначаем + и.

Таблица 4.4 – Матрица планирования трхфакторного эксперимента Номер опыта, Порядок варьирования факторов Nk x1 x2 x3 x1x2 x1x3 x2x 1 + + + + + + 2 + + + 3 + + + 4 + + 5 + + + 6 + + 7 + + 8 + + + Построен полный факторный эксперимент 2 3, который имеет восемь опытов и включает все возможные комбинации уровней трех факторов.

4.1.3 Методика обработки экспериментальных данных Независимо от метода испытаний важным условием их проведения является обеспечение достоверности экспериментальной информации с требуемой доверительной вероятностью. В прикладных исследованиях считается достаточной доверительная вероятность (1-э)=0.95, э - коэффициент значимости [48, 79].

При проведении экспериментальных исследований возникает целый ряд факторов, приводящих к погрешностям результатов измерений.

Точность результатов исследования обеспечивалась количеством повторных измерений. Полагая, что распределение величин, измеряемых в ходе выполнения экспериментов подчиняются нормальному закону, число повторных измерений определялось по формуле [79, 80] z 2 nи, (4.2) где z квантиль нормального распределения;

коэффициент вариации величины, для которой определяется количество повторных измерений;

допустимая погрешность в определении искомой величины.

На основании предварительных экспериментов значение коэффициентов вариации при определении плотности не превышает 0,15. При допустимой погрешности эксперимента 0,10 и доверительной вероятности 0,95, квантиль нормального распределения равен 1,82. Тогда необходимое число измерений составит 1,822 0, nи 7,4.

0, Таким образом, для достижения точности результатов эксперимента в пределах 10 %, необходимо выполнить 8 повторных наблюдений.

Для исключения из экспериментальных данных грубых ошибок использовался критерий Стьюдента [80].

y1 yc t Т t f, n и 1, T (4.3) кв где у1 - результат опыта, поставленный под сомнение;

ус - среднее арифметическое значение результатов эксперимента;

кв – среднеквадратичное отклонение;

t T f – табличное значение критерия Стьюдента при доверительной вероятности (1 -э) и числе степеней свободы ;

nи – число повторных измерений.

Оценка среднеквадратичного отклонения определяется по формуле [80]:

y yc nи i кв i. (4.4) nи Полученный результат выбраковывался, если вычисленное значение t было меньше табличного при определнном уровне значимости.

В таблице 4. 5 приведены данные обработки результатов экспериментальных исследований и погрешности основных приборов.

Таблица 4.5 – Результаты обработки экспериментальных данных и приборные погрешности № опыта/ Среднее Средняя Доверит. Абсолют. Прибор. Прибор параметр арифм. квадратичная интервал, погреш-ть погрешн.

ошибка 1 (х) 8,6 мм 0,01 мм 0,013 0,95 0,01 Megatron 2 (х) 4,9 мм 0,01 мм 0,011 0,95 0,01 Megatron 2,5 м/с2 0,041 0,05 м/с 3 (А) Экофизика 0,95 0, Обработка экспериментальных данных показала, что погрешность измерений, как правило, не превышает приборную погрешность и обеспечивает требуемую достоверность результатов измерений.

4. 2. Экспериментальные исследования показателей жсткости и вязкости пневмошинных рабочих органов вибрационных катков В соответствии с теоретическими положениями и предложенной гипотезой о необходимости расширения диапазона жсткости пневмошинных рабочих органов, с целью повышения интенсивности процесса уплотнения грунтов вибрационными катками, встат вопрос о количественном определении возможных границ диапазона жсткости пневматических шин.

Проведн ряд экспериментальных исследований для выявления зависимостей и численных значений жсткости и вязкости пневмошинных рабочих органов предложенных конструкций (приложение 2) [107, 108].

Необходимо определить следующие значения величин и зависимости:

- значения жсткости с1 и коэффициента вязкого трения b1 пневмошинных РО от внутреннего давления и конструктивных особенностей;

- площадь пятна контакта S в зависимости от состояния грунта (этапа уплотнения) и жсткости пневмошинного РО.

Методика проведения исследований заключалась в следующем: к опытным образцам РО прикладывался ударный импульс в виде сбрасываемого груза, действие которого приводило к деформации опытного вальца.

Первый этап. Рассматривалась работа, затрачиваемая на деформацию рабочего органа, которая равна работе диссипативных сил (4.5).

Был принят ряд допущений: рассматривается неупругий удар, деформация шины линейна, деформируемый рабочий орган это однородное тело, опорная поверхность - абсолютно тврдое тело.

Адеф = Адиссх. (4.5) Второй этап. Определялась жесткость с1 рабочего органа.

Потенциальная энергия груза U = mгgН0, после его освобождения она переходит в кинетическую энергию Ek mг u1 / 2, которая после взаимодействия с E k mг u 2 / 2.

рабочим органом станет Часть кинетической энергии сбрасываемого груза тратится на деформацию вальца.

mг u1 mг u 2 c2 x ро b2 (u1 - u 2 ) x ро, (4.6) 2 2 u1 2 g H 0, (4.7) u 2 = 2 g H1, (4.8) где с1 – жесткость РО, кН/м;

mг – масса сбрасываемого груза, кг;

u1 и u2 –скорости груза соответственно до и после удара, м/с;

Н0 и Н1-высота груза до и после удара соответственно, м;

хро – деформация рабочего органа, м.

Жсткость будет равна mг (u1 u 2 ) 2 b1 (u1 u 2 ) x ро 2 c1. (4.9) x ро Третий этап. Коэффициент вязкого трения b1, определится с учтом затухания колебаний в вальце [124, 139]. По С. П. Тимошенко, А. А. Яблонскому и др. [48, 97, 123, 139], коэффициент вязкого трения деформируемых шин характеризуется декрементом затухания колебаний:

b1 b ро д 1 д, (4.10) 2 Jц bкр где – логарифмический декремент затухания колебаний, который учитывает скорость демпфирования и вид колебаний;

b1 – коэффициент вязкого трения, Н·с/м;

bкр – критический коэффициент вязкого трения, Н·с/м;

0 - частота свободных колебаний РО, рад/с;

д - период колебаний, с.

x х ро ln miР.О, (4.11) x mi Jц Р.О.

где Jц – число циклов колебаний, хmi Р.О. – амплитуды колебаний рабочего органа за один период колебаний.

2 Jц b1. (4.12) д С другой стороны, коэффициент вязкого трения b1 определяется как F b1, (4.13) изро где Fд1 – сила, создаваемая грузом, Н;

изро – скорость деформации рабочего органа, м/с.

4.2.1 Исследования жсткости и коэффициента вязкого трения шины, заполненной жидкостью Определение жсткости и коэффициента вязкого трения шины 8,25 R (240508) КИ-63, заполненной жидкостью, производилось в соответствии с вышеизложенной методикой. Внешняя нагрузка создавалась приложением ударного импульса от сбрасываемого груза массой 70 кг. Конструктивная схема установки представлена на рисунке 4.1. Деформация гидрошины и амплитуд е свободных колебаний при динамическом воздействии замерялась с помощью потенциометрического датчика, результаты измерений обрабатывались на ЭВМ.

Рисунок 4.1 – Экспериментальная установка для определения жсткости и коэффициента вязкого трения гидрошины Давление внутри шины создавалось при помощи гидравлического стенда КИ 4815М – 03 ТУ 70.0001.075 - 79 (рисунок 4.2), при этом из камеры шины сначала насосом откачивали воздух, а затем камеру заполняли жидкостью (в нашем случае антифризом) под соответствующим давлением.

Средние значения динамических характеристик гидрошины вычислялись в соответствии с вышеизложенной методикой определения жсткости и коэффициента вязкости испытуемого образца по результатам опытов для каждой серии экспериментов [107, 115].

Рисунок 4.2 – Гидростенд КИ 4815М – для заполнения шины жидкостью под давлением Графическая интерпретация данных представлена на рисунках 4.3 и 4.4. и таблицах 4.6, 4.7.

b1, Нс/м пневмошина гидрошина рw, МПа 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0, Рисунок 4.3 – Зависимость изменения коэффициента вязкого трения от внутреннего давления в шинах с1, кН/м 2000 гидрошина пневмошина 0,6 рw, МПа 0,1 0,2 0,3 0,4 0, Рисунок 4.4 – Зависимость изменения жсткости от внутреннего давления жидкости в шинах Таблица 4.6 – Значения коэффициента вязкого трения и жсткости гидрошины и пневмошины при различном внутреннем давлении Пневмошина Гидрошина Давление, МПа 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0, Коэфф-т 2,5 2,45 2,43 1,9 2,05 1,19 3,00 2,8 2,75 2,35 2,05 1, вязкости, кНс/м Жст-ть, 0,6 1,1 1,49 1,9 2,4 2,55 0,25 0,45 0,5 0,6 0,75 0, МН/м Таблица 4.7 – Зависимости жсткости и коэффициента вязкого трения от внутреннего давления в пневмо- и гидрошинах R2, R Пневмошина Гидрошина достоверность аппроксимации c1 968,57pw 119, c1 1818,3ln(pw ) 3173,4 0,985 0, b1 3750pw 675pw 2990 b1 4149p2 1203,2p w 0,992 0, w Проведнные экспериментальные исследования позволили определить коэффициент вязкого трения и жсткость гидрошины при различном внутреннем давлении. Анализ полученных данных позволил установить, что реологические характеристики гидрошины значительно превосходят показатели пневматических шин, с точки зрения эффективности передачи вибрации обрабатываемой среде.


Причем эта тенденция прослеживается во всм рабочем диапазоне внутренних давлений в шинах. Наиболее рациональным является значение 0,6 МПа, при нм жсткость гидрошины более чем в два раза превышает жесткость шин, заполненных воздухом, а коэффициент вязкости, характеризующий диссипацию энергии вибровозбудителя находится, на минимальном уровне, к тому же 0,6 МПа – это максимальное значение давления для общепромышленных шин, при котором выдерживается заявленный производителем ресурс [115].

4.2.2. Исследования жсткости и коэффициента вязкого трения пневматической шины оборудованной сменными металлическими бандажами Целью данных исследований является определение жсткости и коэффициента вязкого трения пневмошины, оборудованной съмными металлическими бандажами, выявление зависимостей этих показателей от количества устанавливаемых бандажей и внутреннего давления в шине.

Конструкция шины с установленными бандажами представлена на рисунке 4.5.

Для выполнения исследований рекомендован [77] следующий состав регистрирующего оборудования:

1. Бортовой измерительный комплекс (БИК) с модульной системой измерения на базе крейт-контроллера и персонального компьютера (изготовитель ФГУП «Научно-исследовательский тракторный институт НАТИ»), включающий следующие компоненты:

1.1 Персональный компьютер-ноутбук Rover Book Navigator В510 Pentium 4M - 2.2 GHz 512MB RAM с программным обеспечением БИК (рисунок 4.7, позиция 1).

1.2 Крейт L-Card (рисунок 4.7, позиция 2): шасси LTC-26;

контроллер LC- (ЕРР);

блоки питания LTC-PW (220 В), OP-PW (12 В);

модуль АЦП LC-111DP (универсальный до ±10В по 16/32 каналам);

модуль АЦП LC-451 (8-канальный частотомер до ±5 В).

2. Коробка коммутационная (рисунок 4.7, позиция 3) с двумя клеммными колодками DB-37F (разводка сигнальных кабелей и питания на датчики и модули АЦП).

3. Блок питания потенциометрического датчика перемещений DC +9 В.

4. Кабель сигнальный (экранированная витая пара, коаксиальный).

5. Датчик перемещения потенциометрический Megatron RC35-750S для измерения смещения рабочего органа, оборудованного съемными бандажами, относительно реперной точки - 1 шт. (рисунок 4.7, позиция 5;

рис. 4.6).

6. Измеритель шума и вибрации ВШВ-003-М2 (рисунок 4.7, позиция 4).

7. Преобразователь пьезоэлектрический виброизмерительный ДН-3-М (рисунок 4.7, позиция 6;

рисунок 4.8).

8. Цифровые видео- и фотокамеры.

Рисунок 4.5 – Пневмошина с установленными съмными бандажами Потенциометрический датчик линейных перемещений Megatron RC35-750S для измерения деформации опытного рабочего органа представлен на рисунке 4.7, позиция 5 и рисунке 4.6.

Рисунок 4.6 – Потенциометрический датчик Megatron RC35-750S для измерения линейных перемещений Измеряемая длина перемещений - от 0 до 750 мм с точностью 0,01 мм. Во время эксперимента использован источник опорного напряжения Uоп = 9 В, на выходе датчика измерено напряжение Uвых=0...U o n, зависящее от перемещения штока датчика относительно корпуса [77]. Перемещение l штока (в метрах) определяется из выражения U вых 0, l (4.14).

U оп С помощью программного обеспечения БИК осуществляются управление модулями АЦП, автоматизированный сбор, хранение и визуализация измеренных данных деформации при динамическом воздействии на шины. Программно задан следующий режим работы модулей: задействованы 2 канала АЦП LC-111DP, общая частота опроса датчиков 1000 Гц [77].

Для определения виброускорений, возникающих в опытном образце при приложении внешней нагрузки, использовался прибор ВШВ-003-М2 (класс точности 1), который использует принцип преобразования механических колебаний исследуемых объектов в пропорциональные им электрические сигналы. В качестве преобразователей механических колебаний в электрические сигналы, пропорциональные ускорению колеблющегося объекта, используется пьезоэлектрический виброизмерительный преобразователь ДН-3-М (погрешность измерений ± 10%) (рисунок 4.10.). Экспериментальная установка представлена на рисунки 4.7, 4.8.

Рисунок 4.7 – Фотографии экспериментальной установки и е элементов Рисунок 4.8 – Фрагмент экспериментальной установки а) б) в) Рисунок 4.9 – Графики вертикальных колебаний пневмошинного рабочего органа с 12 бандажами при давлении в шине рw = 0,4 МПа В процессе исследований изменялось количество устанавливаемых бандажей и внутреннее давление в шине. Результаты представлены в виде графиков (рисунки 4.9, 4.10). Уменьшение колебаний от ударного импульса при установке бандажей подчеркивает факт изменения коэффициентов жесткости и вязкости пневматика.

а) б) в) Рисунок 4.10 – Графики вертикальных колебаний пневмошинного рабочего органа с 12 бандажами при давлении в шине рw = 0,6 МПа В результате эксперимента и обработки данных проведена аппроксимация (таблица 4.8) полученных значений и построены графические зависимости для жсткости и коэффициента вязкого трения пневмошинного рабочего органа при различном количестве бандажей и внутреннем давлении (рисунок 4.11).

с1, кН/м N=12шт N=10шт N= 8 шт N= 6 шт N= 4 шт 1000 N= 2 шт N= 0 шт р w, МПа 0,3 0, 0,2 0, b1, Нс / м N= 0 шт N= 2 шт N= 4 шт N= 6 шт N= 8 шт N=10шт 500 N=12шт р w, МПа 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0, Рисунок 4.11 – Графики зависимостей коэффициентов жесткости c и вязкости b1 от числа установленных бандажей N и давления в шине Таблица 4.8 – Значения жесткости с1 (кН/м) и коэффициента вязкого трения b1 (Нс/м) от давления воздуха в шинах и количества бандажей Количество Давление в шине Давление в шине Давление в шине установленных рw = 0,2 МПа рw = 0,4 МПа рw = 0,6 МПа бандажей с1 с1 с b1 b1 b N, шт 2 338 2950 510 2750 773 4 412 2885 800 2705 1105 6 470 2800 1400 2650 2100 8 523 2715 2100 2580 3540 10 578 2615 2824 2475 4780 12 600 2500 3340 2350 5400 Таблица 4.9 – Зависимости жсткости и коэффициента вязкого трения от давления воздуха в шинах и количества бандажей Количество Величина Регрессионные зависимости реологических свойств бандажей достоверности шин с бандажами от внутреннего давления N, шт аппроксимации с1 193,11ln(pw ) 296, c1, кН/м R = 0, b1 5573,7pw 2135,5pw 2747, b1, Нс/м R = 0, c1 34,556p3 421,43p2 904,3pw 985, c1, кН/м R = 0, w w b1 8667,7p2 4058pw 2267, b1, Нс/м R = 0, w c1 39,861p3 448,57p2 400,14p w 434, c1, кН/м R = 0, w w b1 15286p2 6336,7pw 1833, b1, Нс/м R = 0, w Результаты исследований, представленные на рисунке 4.11, позволяют сделать вывод, что предложенные технические решения значительно расширяют диапазон регулирования упруговязких свойств РО катков по сравнению с классическими пневматическими шинами. Одновременное увеличение количества металлических бандажей и внутреннего давления (рисунок 4.11) значительно увеличивает жсткость до 6000 кН/м (очевидно, что это не предел) и одновременно снижает коэффициент вязкого трения, характеризующий диссипативную составляющую РО до 100 Нм/с и ниже. Это значит, что такой РО способен эффективно передавать вибрацию уплотняемой среде с минимальными потерями на диссипацию энергии вибровозбудителя, что является значительным фактором, влияющим на интенсивность процесса виброуплотнения грунтов.

Анализ зависимостей (рисунок 4.11.) показывает, что значительное улучшение реологических свойств вальца (с точки зрения эффективного использования вибрации) достигается при давлении в шинах не менее 0,4 МПа и количестве бандажей от 6 штук. Тенденция явного улучшения реологических характеристик продолжается до значения количества бандажей 12 штук и максимально возможного давления в шине. Дальнейшее наращивание количества бандажей не является целесообразным. Сравнивая показатели жсткости и вязкости пневмошин, гидрошин и шин, оборудованных бандажами, можно сделать вывод, что пневматические шины, оборудованные съмными металлическими бандажами, обладают наилучшими свойствами, а при давлении 0,6 МПа и 12 бандажах обеспечивают максимальную жсткость при минимальных значениях диссипации энергии вибровозбудителя [107, 103].

Полученные данные (рисунки 4.3, 4.4, 4.11.) позволяют оценить влияние деформационных свойств рабочего органа (жсткости и коэффициента вязкого трения) на эффективность передачи виброколебаний уплотняемой среде.

Количественным критерием здесь является добротность колебательной системы (рисунок 4.12), характеризующая потери энергии в рабочем органе виброкатка.

Q M c1 / b1 (4.15) где М – масса рабочего органа, кг;

с1 – жсткость, Н/м;

b1 – коэффициент вязкого трения, Нс/м.

Q b с 5000000 c1, кH/м 0 1000000 2000000 3000000 b1, Hм/с 0 500 1000 1500 Рисунок 4.12 – Зависимость добротности колебательной системы от жсткости и коэффициента вязкого трения пневмошинных рабочих органов Анализ зависимостей (рисунок 4.12) показывает, что резкое увеличение добротности колебаний наблюдается при значениях жсткости пневмошинных РО от 5000кН/м и снижении коэффициента вязкого трения ниже 500 Нм/с. После достижения этих значений темп нарастания добротности снижается. Сделан вывод, что дальнейшее улучшение демпфирующих показателей в меньшей степени будет влиять на снижение диссипации энергии виброколебаний в процессе уплотнения грунтовых сред. При значениях жсткости пневмошинных РО свыше 6000 кН/м эффективность процесса уплотнения становится сопоставима с уплотнением грунтовых сред машинами с металлическими рабочими органами, у которых практически отсутствует диссипация энергии на деформацию РО.

4.2.3. Исследования параметров пятна контакта пневмошинных рабочих органов с опорной поверхностью Существенным фактором, влияющим на интенсивность протекания процесса уплотнения, являются параметры пятна контакта РО и грунта –это площадь контакта S и продольная ось отпечатка d. От площади контакта в первую очередь зависят контактные напряжения и соответственно развиваемое в грунте НДС.


Исследованиями взаимодействия пневматических колес с деформируемой поверхностью занимался целый ряд таких учных, как Я. С. Агейкин [2], В. А. Анфимов [5], В. Ф. Бабков [6, 7], О. Т. Батраков [15 – 19], А. К. Бируля [30, 33, 34], В. А. Бидерман [29], В. И. Гребенщиков [45, 46], В. И. Кнороз [64], Н. А. Ульянов [125], Р. Хедекель [143] и др. Для исследуемых РО необходимо провести дополнительные экспериментальные исследования параметров пятна контакта, поскольку расширение диапазона жсткости обуславливает отличные от классических пневматических шин их деформативные свойства [107].

Был проведен ряд опытов для определения параметров пятна контакта гидрошины с суглинистым грунтом. В зависимости от времени приложения внешней силы (количества проходов) и давления внутри шины 8,25 R20 (240508) КИ-63 при рw=0,4 МПа, нагрузки на не 250 кг, сделаны замеры малой и большой осей эллипса отпечатка а и d (рисунок 4.15) соответственно, а площадь определилась из выражения a d S, (4.16) где a, d – поперечная и продольная оси эллипса отпечатка соответственно.

Средние значения определнных величин в соответствии с критерием Стьюдента были сведены в таблицы 4.10 – 4.12.

Таблица 4.10 – Параметры отпечатка контакта при давлении в гидрошине 0,2 МПа Количество проходов n 0 1 2 3 Малая ось контакта a, м 0,200 0,195 0,190 0,180 0, Большая ось контакта d, м 0,260 0,230 0,210 0,200 0, Площадь отпечатка S, м2 0,042 0,035 0,031 0,028 0, Таблица 4.11 – Параметры отпечатка контакта при давлении в гидрошине 0,4 МПа Количество проходов n 0 1 2 3 Малая ось контакта a, м 0,180 0,175 0,160 0,155 0, Большая ось контакта d, м 0,230 0,210 0,170 0,160 0, Площадь отпечатка S, м 0,033 0,026 0,021 0,020 0, Таблица 4.12 – Параметры отпечатка контакта при давлении в гидрошине 0,6 МПа Количество проходов n 0 1 2 3 Малая ось контакта a, м 0,180 0,170 0,160 0,150 0, Большая ось контакта d, м 0,220 0,210 0,165 0,160 0, Площадь отпечатка S, м2 0,031 0,028 0,021 0,019 0, Дополнительно определялись следующие параметры: отрезок большой оси эллипса отпечатка d’, обозначающий кривую необратимой деформации грунта под шиной и отрезок, определяющий остаточную деформацию шины при е контакте с грунтом d’’, а также зависящие от этих отрезков углы сегментов продольного сечения шины 0 и 1, представленные на рисунке 4.13.

Был проведн ряд замеров величин d’ и d’’, а углы 0 и 1 определились как 0 arcsin(d / R) ;

(4.17) 1 arcsin(d / R). (4.18) Полученные данные сведены в таблицы 4.13 – 4.15.

O R A B C d'' d' a d Рисунок 4.13 – Схема параметров пятна контакта шины с грунтом Таблица 4.13 – Зависимости параметров отпечатка пятна контакта при давлении в гидрошине 0,2 МПа Количество 0 1 2 3 проходов, n а, м 0,200 0,195 0,190 0,180 0, d, м 0,260 0,230 0,210 0,200 0, d’, м 0,260 0,180 0,150 0,105 0, d’’, м 0,000 0,050 0,060 0,095 0, S, м 0,042 0,035 0,031 0,028 0, Угол 0, 0 30,000 20,500 16,900 11,700 9, Угол 1, 0 0,000 5,580 6,700 8,300 9, Таблица 4.14 – Зависимости параметров отпечатка пятна контакта при давлении в гидрошине 0,4 МПа Количество проходов, n 0 1 2 3 а, м 0,180 0,175 0,160 0,155 0, d, м 0,230 0,210 0,170 0,16 0, d’, м 0,230 0,170 0,125 0,10 0, d’’, м 0,000 0,040 0,045 0,06 0, S, м2 0,033 0,026 0,021 0,020 0, Угол 0, 0 27,600 19,800 14,000 11,800 7, Угол 1, 0 0,000 4,460 5,000 6,700 7, Таблица 4.15 – Зависимости параметров отпечатка пятна контакта при давлении в гидрошине 0,6 МПа Количество проходов, n 0 1 2 3 а, м 0,180 0,170 0,160 0,150 0, d, м 0,220 0,210 0,165 0,160 0, d’, м 0,220 0,170 0,120 0,090 0, d’’, м 0,000 0,040 0,045 0,050 0, S, м2 0,031 0,028 0,021 0,019 0, Угол 0, 0 25,300 18,300 12,500 9,700 7, Угол 1, 0 0,000 4,460 5,000 5,600 7, По экспериментальным данным построен график зависимости углов 0 и от числа проходов по одному следу (рисунок 4.14). По зависимостям на рисунке 4.14 можно определить, что угол 0, характеризующий необратимую деформацию грунта, уменьшается до определнного значения, соответствующего окончанию процесса деформирования грунта. Угол 1, характеризующий остаточную деформацию шины при е взаимодействии с грунтом, растт по обратной от зависимости до момента окончания деформирования грунта и в этот момент сравнивается по своему значению с 1, т.е. d’=d’’, когда уплотняемый грунт достигает своей максимальной плотности [107].

20 15 Параметр контакта 10 (0,2 МПа) (0,4 МПа) МПа) (0, (0,2МПа) 5 (0,4 МПа) (0,6 МПа) 0 0 1 2 3 4 5 n Количество проходов Рисунок 4.14 – График зависимости углов 0 и 1 от количества проходов катка С помощью аппроксимации экспериментальных данных получены регрессионные зависимости, характеризующие изменения значений величин d, a, 0, 1 в зависимости от числа проходов катка по одному следу (таблица 4.16).

Таблица 4.16 – Зависимости изменения параметров контакта от количества проходов катка Давление в Достоверность Регрессионные зависимости изменения параметров гидрошине, аппроксимации, контакта от количества проходов катка, n.

R pw, МПа Параметр контакта d, м d 0,3571n2 3,84n 29, 0,2 0, d 0,2143n2 3,5857n 26, 0,4 0, d n2 2,3n 24, 0,6 0, Параметр контакта, 0, 0 38,481e 0, n 0,2 0, 0 36,8351e 0,3045n 0,4 0, 0 34,001e 0,3148n 0,6 0, Параметр контакта, 1, 1 5,709 ln(n) 0, 0,2 0, 1 4,633 ln(n) 0, 0,4 0, 1 4,0989 ln(n) 0, 0,6 0, d, м 0, 0, pw=0,2 МПа 0, 0, pw=0,4 МПа 0, pw=0,6 МПа 0, 0, 0 1 2 3 n Рисунок 4.15 – Зависимость параметра контакта d от количества проходов гидрошины по грунту 0, 0 38, 481e 0, 2861 n 0,2МПа 0 36,8351e 0,3045n 0,4 МПа Параметр контакта 0,6 МПа 0 34,001e 0,3148n n 1 2 3 4 Количество проходов Рисунок 4.16 – Зависимость параметра контакта от количества проходов гидрошины по грунту 0,4 МПа 1 4,633 ln( n ) 0, 0,6 МПа 1 4,0989 ln( n ) 0,5273 0,2 МПа Параметр контакта 1 5,709 ln( n ) 0, n 1 2 3 4 Количество проходов Рисунок 4.17 – Зависимость параметра контакта от количества проходов гидрошины по грунту Рисунок 4.18 – Измерения параметров отпечатка контакта для экспериментального образца катка на суглинистом грунте Площадь контакта шины с грунтом будет определяться как площадь эллипса с большой и малой осями по формуле (4.16).

В случае специальных шин, имеющих прямоугольную форму площади контакта, равенство будет иметь вид S a d. (4.19) Как показали исследования (рисунки 4.20 – 4.23), бандажи увеличивают жесткость в таких пределах, когда пятно контакта постоянно и не изменяется от прилагаемой силы, исключая прогиб шины в зоне контакта. Было также отмечено, что при воздействии статической нагрузки на рабочий орган, оборудованный двенадцатью бандажами (при рw = 0,5 МПа), геометрическая форма пневматика изменилась незначительно, как иллюстрирует рисунок 4.18.

С целью сравнения диапазона регулирования параметров пятна контакта пневмошинных РО с металлическими вальцами были проведены измерения этих параметров для вибрационного катка ДУ-107.

Рисунок 4.19 – Определение параметров пятна контакта катка ДУ- Таблица 4.17 – Грунт суглинок (число пластичности 7), влажность 0,9W Плотность, г/см № Каток Проходы Дуга, см Пневмошинный РО 1 1 1,870 рw =0,2 МПа 2 1,920 3 1,955 4 1,985 5 2,005 6 2,020 7 2,030 8 2,040 Пневмошинный РО 4 1 1,870 рw =0,5 МПа 2 1,930 3 1,970 4 2,005 5 2,030 6 2,050 7 2,070 8 2,085 9 2,085 ДУ- 3 1 1,870 2 1,905 3 1,940 4 1,970 5 2,000 6 2,020 7 2,040 8 2,050 Таблица 4.18 – Грунт суглинок (число пластичности 7), влажность 0,95W Плотность, г/см № Каток Проходы Дуга, см 1 Пневмошинный РО 1 1,870 рw =0,2 МПа 2 1,960 3 2,040 4 2,080 5 2,120 6 2,130 Пневмошинный РО 2 1 1,870 рw =0,5 МПа 2 1,960 3 2,065 4 2,105 5 2,135 6 2,160 7 2,175 ДУ- 3 1 1,870 2 1,970 3 2,050 4 2,090 5 2,110 6 2,120 7 2,125 Таблица 4.19 – Грунт супесь, влажность 0,9W Плотность, г/см № Каток Проходы Удары ДорНИИ Дуга, см Пневмо 1 1 1,45 1 шинный 2 1,5 3 РО 3 1,56 5 рw =0,2 МПа 4 1,60 6 5 1,62 6 6 1,64 6 7 1,645 5 8 1,65 5 Пневмо 2 1 1,45 1 шинный 2 1,53 3 РО 3 1,60 5 рw =0,5 МПа 4 1,64 6 5 1,65 6 6 1,655 7 ДУ- 3 1 1,45 1 2 1,51 3 3 1,56 5 4 1,59 6 5 1,62 7 6 1,63 7 7 1,64 8 8 1,645 8 Таблица 4.20 – Грунт супесь, влажность W Плотность, г/см № Каток Проходы Удары ДорНИИ Дуга, см Пневмо 1 1 1,45 5 шинный 2 1,60 6 РО 3 1,63 7 рw =0,2 МПа 4 1,66 8 5 1,67 8 6 1,675 9 7 1,68 9 Пневмо 2 1 1,62 5 шинный 2 1,66 6 РО 3 1,68 7 рw =0,5 МПа 4 1,69 8 5 1,695 9 6 1,7 9 ДУ- 3 1 1,45 5 2 1,51 6 3 1,56 6 4 1,59 7 5 1,62 8 6 1,64 9 7 1,647 9 d, м 0, 0, Пневмошинный рw=0,2 МПа 0, Пневмошинный рw=0,5 МПа 0, ДУ- 0, 0, 1 2 3 4 5 6 7 n Рисунок 4.20 – Зависимость параметра d от количества проходов n, суглинок, влажность 0,9W d, м 0, 0, Пневмошинный рw=0,2 МПа 0, Пневмошинный рw=0,5 МПа 0, ДУ- 0, 0, n 1 2 3 4 Рисунок 4.21 – Зависимость параметра d от количества проходов n, суглинок, влажность 0,95W d, м 0, 0, Пневмошинный 0, рw=0,2 МПа 0, Пневмошинный рw=0,5 МПа 0, ДУ- 0, 0, 1 2 3 4 5 6 n Рисунок 4.22 – Зависимость параметра d от количества проходов n, супесь, влажность 0,9W d, м 0, 0,25 Пневмошинный рw=0,2 МПа 0, Пневмошинный рw=0,5 МПа 0, ДУ- 0, 0, n 1 2 3 4 Рисунок 4.23 – Зависимость параметра d от количества проходов n, супесь, влажность W По результатам экспериментальных данных получены регрессионные зависимости изменения параметров контакта от стадии уплотнения (количества проходов) и жсткости РО (таблица 4.21).

Таблица 4.21 – Зависимости параметров отпечатка контакта от количества проходов катка при влажности близкой к оптимальной Жестк-ть, Регрессионные зависимости изменения параметра пятна контакта d c1, кН/м от количества проходов катка n (pw, МПа) R2 R Суглинок Супесь d 0,0013n 2 0,0263n 0, d 0,0015n2 0,029n 0, 600 (0,2) 0,996 0, d 0,0026n 2 0,035n 0, 4500 (0,5) d 0,0032n 2 0,0425n 0,32 0,998 0, 0, d 0,0038n 2 0,0416n 0,1941 d 0,0034n2 0, 407n 0, 6000 (0,6) 0, Результаты исследований, представленные на рисунках 4.20 - 4.23, позволяют, сделать вывод о возможности расширения диапазона адаптации контактных напряжений и времени их приложения для пневмошинных РО.

Жсткость должна регулироваться в пределах от 600 кН/м до 6000 кН/м. Верхний предел жсткости при этом позволяет эффективно использовать вибрационное уплотнение [107].

Появляется возможность интенсифицировать процесс уплотнения грунтов адаптацией параметров вибрационных пневмошинных катков по величине контактных напряжений и максимальному времени их приложения, за счт изменяемой жсткости рабочих органов с учтом массовых характеристик катков.

4.3. Выводы по главе 1. Созданы экспериментальные установки для исследования жсткости и коэффициента вязкого трения пневмошинных рабочих органов катков. Изучены значения деформаций рабочих органов при приложении внешнего динамического импульса. Определены зависимости изменения жсткости и коэффициента вязкого трения от внутреннего давления и количества металлических бандажей (рисунки 4.3, 4.4, 4.11, таблицы 4.6, 4.7, 4.8, 4.9). Проведн их сравнительный анализ, с точки зрения снижения диссипативных потерь энергии при уплотнении грунтов, который показал, что увеличение жсткости с 1000 кН/м до 6000 кН/м позволяет повысить энергоэффективность виброколебаний в 5 – 6 раз.

3. Выявлены зависимости изменения параметров отпечатка контакта от жсткости пневмошинных рабочих органов и состояния грунта на различных этапах уплотнения. Построены графики зависимости (рисунки 4.20 - 4.23) и получены уравнения регрессии, описывающие зависимости параметров пятна контакта РО с грунтом от жсткости рабочего органа катка. Проведн сравнительный анализ, который показал, что увеличение значений жсткости РО в 5 – 6 раз обеспечивает уменьшение площади контакта в 2 – 3 раза.

4. Получены регрессионные зависимости жсткости и коэффициента вязкого трения от внутреннего давления и количества металлических бандажей, параметров отпечатка контакта от жсткости пневмошинных РО и этапа уплотнения грунтов. Результаты экспериментальных исследований позволяют определить рациональные параметры и режимы виброуплотнения грунтовых сред.

5. ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ ПНЕВМОШИННЫХ РАБОЧИХ ОРГАНОВ КАТКОВ НА ИНТЕНСИВНОСТЬ ПРОЦЕССА ВИБРАЦИОННОГО УПЛОТНЕНИЯ ГРУНТОВ 5.1. Анализ результатов теоретических исследований Теоретические исследования процесса уплотнения грунтов подтвердили значительное влияние жсткости РО на НДС и интенсивность деформирования грунтов. Изменение жсткости РО позволяет адаптировать процесс уплотнения под свойства уплотняемой среды не только по контактным напряжениям, но и по времени их приложения. В этом случае интенсивность процесса уплотнения существенно увеличивается [107, 113]. Для достижения максимального эффекта необходимо стремиться в течение всего процесса выдерживать условие (2.3), при этом время ti зависит от параметров контакта, которые изменяются в силу деформации РО и также зависят от жсткости РО катка. Параметры контакта при этом влияют не только на время приложения нагрузки, но и на скорость движения катка, значение которой должно быть увязано с частотой приложения вынуждающей силы вибровозбудителя. Здесь должно соблюдаться условие снижения вибровязкости грунтов (по Д. Д. Баркану [11]), суть которого состоит в том, что к виброуплотняемой среде необходимо прикладывать не менее колебательных импульсов за один цикл. Исследования влияния жесткости пневмошинного рабочего органа на интенсивность процесса уплотнения в упруговязкопластичном слое виброуплотняемой среды, на примере уплотнения легкого суглинистого грунта (рис. 5.1 – 5.8.), показали, что рациональная частота колебаний вибровозбудителя находится в пределах 30 – 40 Гц, где верхний предел соответствует большей жсткости РО.

х х t t Рисунок 5.1 – Динамическое деформирование среды, F0=100 кН;

частота 30 и 40 Гц соответственно, жсткость 10000кН/м х х t t Рисунок 5.2 – Динамическое деформирование среды, F0=50 кН;

частота 30 и 40 Гц соответственно, жсткость 10000кН/м х х t t Рисунок 5.3 – Динамическое деформирование среды, F0=100 кН;

частота 30 и 40 Гц соответственно, жсткость 5000 кН/м х х t t Рисунок 5.4 – Динамическое деформирование среды, F0=50 кН;

частота 30 и 40 Гц соответственно, жсткость 5000 кН/м х х t t Рисунок 5.5 – Динамическое деформирование среды, F0=100 кН;

частота 30 и 40 Гц соответственно, жсткость 3000 кН/м х х t t Рисунок 5.6 – Динамическое деформирование среды, F0=50 кН;

частота 30 и 40 Гц соответственно, жсткость 3000 кН/м х х t t Рисунок 5.7 – Динамическое деформирование среды, F0=100 кН;

частота 30 и 40 Гц соответственно, жсткость РО 1000 кН/м х х t t Рисунок 5.8 – Динамическое деформирование среды, F0=50 кН;

частота 30 и 40 Гц соответственно, жсткость РО 1000 кН/м Представленные исследования подтверждают гипотезу о необходимости расширения жсткости пневмошинных рабочих органов катка и вследствие этого повышать интенсивность процесса уплотнения грунтовых сред. Помимо жсткости рабочего органа, как видно из проведнных исследований, существенное влияние на процесс уплотнения оказывает величина вынуждающей силы и частота е приложения. При выборе параметров уплотнителя необходимо определять рациональные или даже оптимальные значения этих параметров, с учтом заданных свойств уплотняемого грунта.

Исследования выявили существенное отличие рационального диапазона значений жсткости РО для связанных и несвязанных грунтовых сред. На рисунке 5.9 представлены зависимости напряжений от глубины при различной жсткости рабочего органа.

, МПа 1, 1, 0, 0,6 с1 =5000 кН/м 0, с1 =4000 кН/м 0,2 с1 =1000 кН/м h, м 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0, Рисунок 5.9 – Зависимость напряжений в суглинистом грунте от глубины в грунтовом слое при различной жсткости рабочего органа На рисунке 5.10 представлены зависимости изменения средних напряжений от деформации в слое суглинистого грунта толщиной 0,4 м оптимальной влажности и числом пластичности 7. Начальный модуль деформации грунта Е2=30 МПа;

начальный коэффициент вязкого трения =1005 Па·с;

начальная плотность 0=1870 кг/м3;

радиус вальца R=0,6 м;

ширина L=1 м;

вынуждающая сила F0=85 кН;

частота вибровозбудителя f=40 Гц (250 с-1).

На основании исследований, приведнных в главе 2, в процессе уплотнения грунтов контактные напряжения не должны превышать их предел прочности. Для плотного (ку1,0) суглинистого грунта предельные контактные напряжения соответствуют диапазону от 0,7 до 1,2 МПа, а средние, по толщине слоя напряжения, от 0,3 до 0,6 МПа. Жесткость пневмошинного рабочего органа, обеспечивающая данный диапазон напряжений (рисунок 5.9.), соответствует значениям от 4000 до 5000 кН/м.

,МПа 0, с1 = 5000 кН/м 0, с1 = 4800 кН/м 0, 0, с1 = 4600 кН/м 0, 0, 0, с1 = 4300 кН/м 0, 0, 0, 0 0, 07 х, м 0, 01 0, 02 0, 03 0, 04 0, 05 0, Рисунок 5.10 – Зависимость средних напряжений суглинистого грунта от деформации в грунтовом слое при различной жсткости рабочего органа На рисунке 5.11 показано, что изменение жсткости РО в указанном выше диапазоне позволяет добиться контактных напряжений у поверхности слоя 0,8 МПа с постепенным затуханием до глубины 0,4 м, что соответствует рациональной толщине уплотняемого слоя для связанного суглинистого грунта.

, МПа 0, 0, с1 = 5000кН/м 0, 0, с1 = 4800 кН/м 0, 0, 0, с1 =4600 кН/м 0, с1 = 4300кН/м 0, h, м 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0, Рисунок 5.11 – Зависимость напряжений в суглинистом грунте от глубины при различной жсткости рабочего органа Рисунок 5.12 – Зависимость изменения рациональной скорости катка на различных этапах уплотнения за один условный проход (суглинок) Анализ влияния жсткости РО на скорость движения катка представлен на рисунке 5.12. Здесь рассматривалось влияние жсткости на продольный параметр контакта d с учтом времени, необходимого для достижения определнной плотности (коэффициента уплотнения), в соответствии с формулой (3.30).

Очевидно, что с повышением прочности материала его сопротивление деформированию возрастает и контактные напряжения необходимо увеличивать за счт увеличения жсткости РО, но и время приложения силы также необходимо увеличивать, что приводит к необходимости снижения скорости движения катка.

Скорость катка должна изменяться от 2,4 км/ч при уплотнении рыхлого грунта (ку=0,875) до 0,4 км/ч на плотном грунте (ку=1,0) за один условный проход.

Поскольку в реальных условиях уплотнение грунта от рыхлого состояния до нормативной плотности за один проход практически невозможно в силу упругих деформаций и циклической релаксации грунтов [1, 33, 40, 57, 135], то уплотнение должно осуществляться за несколько проходов.

Аналогичные исследования были проведены для супесчаного грунта, на рисунке 5.13 представлены зависимости напряжений от глубины в грунтовом слое при различной жсткости рабочего органа.

, МПа 0, 0, 0, 0, 0, с 1=8000 кН/м 0, 0, с 1=6000 кН/м 0, с 1=1000 кН/м 0, h, м 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0, Рисунок 5.13 – Зависимость напряжений в супесчаном грунте от глубины в грунтовом слое при различной жсткости рабочего органа,МПа 0, с1 = 8100 кН/м 0, с1 = 7600 кН/м с1 = 7200 кН/м 0, с1 = 6700 кН/м 0, 0, 0,09 х, м 0 0,01 0,02 0,03 0, 04 0, 05 0, 06 0, 07 0, Рисунок 5.14 – Зависимость средних напряжений супесчаного грунта от деформации в грунтовом слое при различной жсткости рабочего органа На рисунке 5.14 представлены зависимости изменения средних напряжений от деформации супесчаного грунта оптимальной влажности и толщиной уплотняемого слоя 0,5 м. Начальный модуль деформации Е2=10 МПа;

начальный коэффициент вязкого трения =0,5·105 Па·с;

начальная плотность 0=1445 кг/м3;

радиус вальца R=0,6 м;

ширина L=1 м;

вынуждающая сила F0=50 кН;

частота вибровозбудителя f=40 Гц (250 с-1).

Предел прочности супесчаного плотного (ку1,0) грунта соответствует диапазону контактных напряжений от 0,5 до 0,8 МПа или средним напряжениям в слое от 0,3 до 0,5 МПа. Диапазон рациональных значений жсткости в этом случае от 6000 до 7000 кН/м (рисунки 5.14, 5.15.).



Pages:     | 1 | 2 || 4 | 5 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.