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 | 3 || 5 |

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

-- [ Страница 4 ] --

, МПа 0, 0, с1 = 8100 кН/м 0, с1 = 7600 кН/м 0, 0, 0, с1 = 7200 кН/м 0, с1 = 6700 кН/м 0, h, м 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0, Рисунок 5.15 – Зависимость напряжений в супесчаном грунте от глубины при различной жсткости рабочего органа Скоростной режим требует снижения скорости с увеличением плотности и прочности материала. Несвязанные грунты в большей степени подвержены вибрационной обработке [4, 8, 31, 36, 52, 67, 98, 120], поэтому процесс уплотнения, по сравнению со связанными грунтами, для супеси происходит более интенсивно, и скорость движения катка лежит в диапазоне от 4 до 0,5 км/ч за один условный проход (рисунок 5.16).

Результаты полученных исследований позволяют построить зависимости необходимой поступательной скорости катка, с учтом требуемого времени приложения внешней силы, для достижения нормативной плотности за один условный проход от жесткости рабочих органов катков (рисунок 5.17) при толщине слоя 0,4 м и 0,5 м для суглинка и супеси соответственно. Среднее время приложения силы для суглинка составляет около 2 с, для супеси – около 1,3 с.

Рисунок 5.16 – Зависимость изменения рациональной скорости катка на различных этапах уплотнения за один условный проход (супесь) Рисунок 5.17 – Зависимость изменения рациональной скорости катка от жсткости рабочего органа за один условный проход, МПа 0, суглинок 0, 0, 0, супесь 0, 0, с1, кН/м 4000 5000 6000 7000 Рисунок 5.18 – Зависимость средних по толщине слоя напряжений грунта от жсткости рабочего органа, МПа 0, 0, 0, суглинок 0, 0, 0, супесь 0, 0, 4500 5000 5500 6000 6500 7000 7500 с1, кН/м Рисунок 5.19 – Зависимость напряжений в верхней части уплотняемого слоя грунта (0,1 м) от жсткости рабочего органа Теоретические исследования позволили определить зону эффективного уплотнения, по сути, уточнить оптимальную толщину уплотняемого слоя, на основании критических значений виброускорений, при которых ещ протекает процесс деформирования уплотняемого грунта. Критические значения величины виброускорений уплотняемых суглинистых и супесчаных грунтов различной влажности были установлены проф. Д. Д. Барканом и подтверждены исследованиями М. П. Костельова, H. Amick, D. Pietzsch и др. [11 – 13, 65 –67, 95, 141, 142, 154].

Полученные значения величины зоны эффективного уплотнения (рисунки 5.20, 5.21) совпадают со значениями толщины уплотняемого слоя по анализу распределения напряжений в виброуплотняемых грунтах (рисунки 5.9, 5.11, 5.14, 5.15) А, м/с суглинок с 1 = 10000кН/м с 1 = 5000кН/ м Зона эффективного уплотнения с1 =1000 кН/м Зона неэффективного уплотнения h, м 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0, Рисунок 5.20 – Зависимость изменения величины виброускорений по глубине суглинистого слоя с учтом жсткости рабочего органа А, м/с супесь с1 = 10000кН/м с1=5000кН/м Зона эффективного уплотнения с1=1000 кН/м Зона неэффективного уплотнения h, м 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0, Рисунок 5.21 – Зависимость изменения величины виброускорений по глубине супесчаного слоя с учтом жсткости рабочего органа В результате проведнных исследований (таблицы 5.1 – 5.4) были получены регрессионные зависимости, описывающие влияние жесткости пневмошинных рабочих органов катков на интенсивность протекания процесса уплотнения грунтов.

Таблица 5.1 – Зависимость скорости движения от жсткости рабочего органа катка Вид Регрессионная зависимость h0, м Достоверность аппроксимации R грунта Суглинок (c1 ) 26,007e0,001c1 0,4 0, Супесь (c1 ) 43,767e0,0006c1 0,5 0, Таблица 5.2 – Зависимости напряжений в грунтах от жсткости рабочего органа катка Напряжения Регрессионные зависимости, достоверность аппроксимации R2 R Вид грунта Суглинок, h0=0,4 м Супесь, h0=0,5 м (c1) 819,44ln(c1) 6463,5 0,999 (c1 ) 795,15ln(c1 ) 6677, Средние по 0, толщине слоя В верхней части (c1) 1413ln(c1) 12003 0, (c1) 1490,7ln(c1) уплотняемого 0, слоя (0,1 м) Таблица 5.3 – Зависимости изменения напряжений от глубины грунтового слоя с учтом жсткости рабочего органа катка Регрессионные зависимости, достоверность аппроксимации R2 Жст-ть R Жст-ть Суглинок Супесь с1, кН/м с1, кН/м (h) 427034ln(h) 288563 0,993 6700 (h) 278024ln(h) 4300 0, (h) 507937ln(h) 363456 0,994 7200 (h) 372439ln(h) 4600 0, (h) 507937ln(h) 363456 0,996 7600 (h) 372439ln(h) 4800 0, (h) 636775ln(h) 484277 0,997 8100 (h) 533847ln(h) 5000 0, Таблица 5.4 – Зависимости изменения виброускорений от глубины грунтового слоя с учтом жсткости рабочего органа катка Регрессионные зависимости, достоверность аппроксимации R2 Жст-ть R Жст-ть Суглинок Супесь с1, кН/м с1, кН/м A(h) 35,06h 2 46,615h 16,187 A(h) 59,772h 2 79,875h 26, 10000 1,0 10000 0, A(h) 30,911h 41,76h 14,096 A(h) 50,121h 2 69,656h 24, 6000 1,0 6000 1, A(h) 27,586h 2 34,732h 11,02 0,999 900 A(h) 46,465h 2 64,788h 22, 900 0, Анализ зависимостей (рисунки 5.9 - 5.10) позволяет сделать вывод о влиянии величины жсткости РО на интенсивность процесса уплотнения в зависимости от его стадии (текущего значения плотности грунта). Регулирование жсткости РО позволяет адаптировать НДС и время действия внешней силы, что в свою очередь определяет скорость движения и количество проходов катка по одному следу (рисунок 5.17).

Для уплотнения суглинистого грунта оптимальной влажности с числом пластичности 7 рациональный диапазон максимальных значений жсткости РО с1=4000…5000 кН/м, при среднем скоростном режиме 4 км/ч и количестве проходов по одному следу 10. Значения вынуждающей силы вибровозбудителя в этом случае должны быть достаточно высокими: 80 – 100 кН.

Уплотнение грунта при жсткости пневмошинного вальца менее с2= кН/м позволяет увеличить время приложения нагрузки на 30%, но в этом случае наблюдается значительная диссипация вибрации в рабочем органе (рисунок 5.20) – зона неэффективного уплотнения, что выражено в низких значениях виброускорений и, как следствие, недостаточном НДС грунта (рисунки 5.20, 5.21).

При жсткости вальца более 5000 кН/м существенно снижается время приложения внешней уплотняющей силы (рисунок 5.17.), что также негативно сказывается на интенсивности деформирования грунтовой среды. При этом напряжения могут превысить предел прочности, что приведет к разупрочнению грунта (рисунки 5.18, 5.19).

Для уплотнения супесчаного грунта оптимальной влажности процесс интенсивного деформирования соответствует максимальной жсткости вальца не менее с1=6000 кН/м. При жсткости рабочего органа более 8000 кН/м, снижается время приложения уплотняющей внешней силы, к тому же значения напряжений могут превысить значения предела прочности супесчаного грунта (рисунки 5.18, 5.19), что неприемлемо для осуществления процесса уплотнения. Рациональными значениями максимальной жсткости рабочего органа для уплотнения супесчаного грунта являются значения с1=6000…7000 кН/м, при этом значения виброускорений соответствуют зоне эффективного уплотнения (рисунок 5.21.).

В реальных условиях процесс уплотнения должен осуществляться за несколько циклов (проходов катка по одному следу). Для супесчаного грунта, с учтом рекомендуемого диапазона жсткости рабочего органа пневмошинного катка, средняя рекомендуемая скорость составит около 5 км/ч за 6 проходов (рисунок 5.17.). Значения величины вынуждающей силы могут быть несколько ниже, чем при уплотнении связанных грунтов – около 50 кН.

Анализ проведнных исследований доказал значительное влияние жсткости РО на интенсивность протекания процесса деформирования грунтов. В результате исследований были выявлены закономерности изменения напряжнно деформируемого состояния грунтов при их обработке вибрационными пневмошинными катками, зависимости изменения скорости от состояния грунта и этапа уплотнения, определено необходимое количество проходов.

5.2 Оптимизация параметров вибрационных катков с пневмошинными рабочими органами для уплотнения грунтов Результаты математического моделирования уплотнения грунтовой среды вибрационным катком с пневмошинным рабочим органом позволили установить функциональные зависимости параметров рабочего органа катка от свойств грунта на различных этапах процесса уплотнения. Полученные решения позволяют определить рациональный диапазон значений параметров пневмошинного рабочего органа в зависимости от изменяющихся свойств обрабатываемой среды. В силу достаточной сложности рассматриваемого процесса и множества факторов, влияющих на интенсивность его протекания, необходимо синтезировать такие значения данных параметров, при которых процесс уплотнения будет происходить с максимальной интенсивностью при минимальных энергозатратах.

Необходимо решить задачу по оптимизации параметров вибрационного катка с пневмошинным рабочим органом для уплотнения грунтов. Задача оптимизации процесса уплотнения может быть решена методами математического описания данного физического процесса функцией нескольких переменных, при наложении на них определнных ограничений [78]. В качестве целевой функции в нашем случае целесообразно принять коэффициент уплотнения ку, который является качественным критерием эффективности уплотнения грунтовых сред.

Коэффициент уплотнения в нашем случае является функцией от некоторых переменных, которые в свою очередь зависят от физико-механических свойств грунта и технологических факторов.

ку=f (X, ), (5.1) где Х – вектор-столбец переменных задачи, X (c1,F0,f,n) ;

- вектор-столбец Т задаваемых параметров, характеризующих свойства грунта и технологические факторы, (с2,b2,E 2,h 0,L,R, r0 )Т.

Запишем задачу математического программирования в общем виде [78]:

G(X) (0,85 к у ) min. (5.2) Функция G(X) является функцией, у которой необходимо найти экстремум.

Экстремум данной функции будет соответствовать максимальным значениям ку, которые должны достигаться за минимальное количество циклов n (периодов колебаний РО) с учтом остальных переменных, входящих в вектор столбец Х.

Задача линейного программирования записывается в виде:

G(X) (a1c1 a 2F0 a3f a 4n) min.

Экстремум предложенной функции необходимо определить в рациональной области значений переменных при безусловном протекании процесса уплотнения до ку=1, который характеризуется конечным насыщением остаточных деформаций х, за минимальное количество циклов n.

Значения коэффициентов для линейного функционала определились в результате имитационного моделирования.

a1 0,00183333 0, a 0,40000000 0, 2 для суглинка ;

для супеси.

a 3 0,7300000 0, 0, 0, a Система линейных ограничений:

1000000 c1 10000000;

50000 F 100000;

.

30 f 40;

8 n 36. Рассмотрим решение многомерной задачи оптимизации для функции G(X) от четырх переменных с использованием симплекс-метода линейной оптимизации.

В качестве инструмента, реализующего данный метод оптимизации, использован пакет оптимизации программной среды Maple 11 – Optimization Assistant.

Оптимизация параметров проводилась на примере уплотнения связанного грунта оптимальной влажности на трх стадиях процесса уплотнения (1. 0,85 к у 0,9 ;

2. 0,90 к у 0,95 ;

3. 0,95 к у 1,0 ). Методика определения оптимальных параметров приведена на рисунке 5.22.

В результате процедуры оптимизации установлены экстремумы целевой функции для начальной, средней и заключительной стадий процесса уплотнения (рисунки 5.23 – 5.25, таблица 5.5).

В соответствии с практическими рекомендациями по уплотнению грунтов [116], первые проходы необходимо осуществлять в статическом режиме, поэтому при значениях ку менее 0,9 частота вибровозбудителя равна 0.

Исходные данные: физико-механические свойства грунта, начальная плотность, толщина слоя, геометрические размеры рабочего органа Обработка результатов имитационной модели динамического деформирования уплотняемой среды Определение функционала, выражающего зависимости, характеризующие интенсивность процесса уплотнения, от жсткости рабочего органа и параметров вибрации Установление области допустимых решений (ОДР) для нахождения оптимальных параметров пневмошинного рабочего органа Решение задачи оптимизации Выходные данные: оптимальные параметры процесса уплотнения (с1, F0, f, n) Рисунок 5.22 – Методика определения оптимальных параметров вибрационных катков с пневмошинными рабочими органами Таблица 5.5 – Рекомендуемые параметры вибрационного катка с пневмошинным рабочим органом при уплотнении суглинка оптимальной влажности Стадия процесса Жсткость Амплитуда вынуждающей силы Частота f, с1, кН/м F0, кН Гц Начальная, 0,85 к у 0,90 998,5 48,4 Средняя, 0,90 к у 0,95 2999 74,9 Заключительная, 0,95 к у 1,0 5000 100 Рисунок 5.23 – Оптимальные значения параметров катка на начальной стадии процесса уплотнения 0,85 к у 0, Поскольку решение функционала с числом переменных более трх в трхмерном пространстве не может быть представлено в явном виде, то результат оптимизации представляется в виде плоскости среза функционального пространства фиксированием двух из четырх параметров в явном виде и точки глобального оптимума на этом срезе, от взаимно зависимых двух оставшихся параметров неявного вида (рисунки 5.23 – 5.25).

Рисунок 5.24 – Оптимальные значения параметров катка на средней стадии процесса уплотнения 0,9 к у 0, Рисунок 5.25 – Оптимальные значения параметров катка на заключительной стадии процесса уплотнения 0,95 к у 1, Оптимизация параметров вибрационного катка с пневмошинным рабочим органом при уплотнении супесчаного грунта проведена в соответствии с разработанной методикой (рисунок 5.22). Результаты оптимизации представлены в таблице 5.6.

Таблица 5.6 – Оптимальные параметры вибрационного катка с пневмошинным рабочим органом при уплотнении супеси оптимальной влажности Стадия процесса Жсткость с1, Вынуждающая Частота f, кН/м сила F0, кН Гц Начальная, 0,85 к у 0,90 1010 24,8 Средняя, 0,90 к у 0,95 4150 35 Заключительная, 0,95 к у 1,0 6100 49,7 5.3. Сравнительный анализ теоретических и экспериментальных данных процесса уплотнения грунтов вибрационными катками Для экспериментального подтверждения результатов исследований и оценки адекватности математической модели на кафедре ЭСМиК ФГБОУ ВПО «СибАДИ» был создан экспериментальный образец пневмошинного вибрационного дорожного катка с изменяемой жсткостью рабочего органа (рисунок 5.26.). Проведены эмпирические испытания уплотнения суглинистого и супесчаного грунтов экспериментальным образцом катка. С целью сравнения возможностей предлагаемых катков с классическими жстковальцовыми вибрационными катками использовался вибрационный каток ДУ- (ОАО «Раскат», г. Рыбинск) (рисунок 5.27).

Общая методика проведения эксперимента соответствует методике, изложенной в 4-й главе. Для подтверждения теоретических исследований выполнялся многофакторный эксперимент, измерялись виброускорения, плотность грунта после каждого прохода катка и дуга контакта рабочего органа с грунтом. При этом менялись такие факторы, как влажность грунта, жсткость РО, частота колебаний вибровозбудителя и вынуждающая сила. В грунтовом канале кафедры ТНКИ ФГБОУ ВПО «СибАДИ» проводились испытания по уплотнению суглинистого грунта с числом пластичности 7 (рисунки 5.27 – 5.32). Уплотнение супеси проводилось в полевых условиях (рисунки 5.33 – 5.38).

Рисунок 5.26 – Экспериментальный образец адаптивного катка Оценка проведенных исследований проводилась не только сравнительным анализом данных, полученных теоретическим и экспериментальным путм, для опытного образца и классического ДУ-107, но и сравнительным анализом возможностей предлагаемых адаптивных катков с перспективным вибрационным пневмошинным катком Sakai GW-750 (Япония, рисунок 5.39) [93]. Данный каток был представлен в 2007 г., и с тех пор он зарекомендовал себя как высокоэффективная уплотняющая машина для различных видов грунтов и асфальтобетонных покрытий. Эффективность уплотнения Sakai GW-750, по данным производителя, проиллюстрирована на рисунок 5.40.

Рисунок 5.27 – Экспериментальный образец адаптивного катка и вибрационный каток ДУ-107 (ОАО «Раскат») Рисунок 5.28 – Уплотнение суглинистого грунта адаптивным катком Рисунок 5.29 – Уплотнение суглинистого грунта вибрационным катком ДУ-107 (ОАО «Раскат») Рисунок 5.30 – Контроль плотности при уплотнении суглинистого грунта адаптивным пневмошинным катком Рисунок 5.31 – Контроль плотности при уплотнении суглинистого грунта адаптивным пневмошинным катком Рисунок 5.32 – Контроль плотности при уплотнении суглинистого грунта вибрационным катком ДУ-107 (ОАО «Раскат») (по числу ударов ударником ДорНИИ) Рисунок 5.33 – Уплотнение супесчаного грунта адаптивным катком Рисунок 5.34 – Уплотнение супесчаного грунта адаптивным катком Рисунок 5.35 – Контроль плотности при уплотнении супесчаного грунта адаптивным катком Рисунок 5.36 – Уплотнение супесчаного грунта катком ДУ-107 (ОАО «Раскат») Рисунок 5.37 – Уплотнение супесчаного грунта катком ДУ-107 (ОАО «Раскат») Рисунок 5.38 – Контроль плотности при уплотнении супесчаного грунта катком ДУ-107 (ОАО Раскат) Рисунок 5.39 – Вибрационный пневмошинный каток Sakai GW-750 (Япония) Рисунок 5.40 – Эффективность уплотнения асфальтобетона и суглинистого грунта вибрационным пневмошинным катком Sakai GW-750 и пневмошинным статическим катком (28 т) [93] Анализ эффективности применения вышеназванных катков и оценка адекватности математического моделирования могут быть проведены посредством сравнения графических зависимостей на рисунки 5.41, 5.42, 5.44, 5.61. Анализ проводится по результатам обработки экспериментальных и теоретических данных, полученных при уплотнении суглинистого и супесчаного грунтов. Использовались данные при обработке грунтов экспериментальным образцом адаптивного катка, вибрационным катком ДУ-107 (ОАО «Раскат», г.

Рыбинск), а также данные по уплотнению суглинистого грунта вибрационным пневмошинным катком Sakai GW-750 (Япония).

ку ку 1,00 1, 4 3 0, 1 0, 3 0, 0, 8 0, 0, 0, Эксперимент 0, 2 МПа (0,95W0) 0, Sakai GW-750 2 ст. (0,95W0) 0, Sakai GW-750 3 ст. (0,95W0) Эксперимент 0, 6 МПа (0,95W0) 4 0, Эксперимент 0, 5 МПа (0,95W0) Эксперимент ДУ-107 (0,95W0) 0, Эксперимент 0, 5 МПа (0,9W0) Эксперимент 0, 2 МПа (0,9W0) Эксперимент 0, 6 МПа (0,9W0) 7 Моделирование 0, 5 МПа (0,95W0) 0, Эксперимент ДУ-107 (0,9W0) 8 Моделирование 0, 5 МПа (0,9W0) 0, 0, n 0,84 15 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 n 15 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 Рисунок 5.41 – Анализ результатов математического моделирования и экспериментальных данных при уплотнении суглинистого грунта Значения напряжений в виброуплотняемых грунтах экспериментально исследовались как отечественными, так и зарубежными учными, в частности Г. Н. Поповым, M. A. Mooney, R. V. Rinehart, L. Forssblad, S. Cessler и др. [91, 92, 129, 141, 149 – 152, 156, 160]. Значения средних динамических напряжений в грунтовом слое, полученные в результате математического моделирования, сравнивались с экспериментальными данными, полученными в лаборатории фирмы «DINAPAK» (Швеция) доктором Л. Форссбладом [129] (рисунок 5.43, 5.44.).

ку ку 1,00 1, 6 0,97 0, 0, 0, Эксперимент 0, 5 МПа (W0) 0,91 0, Эксперимент 0, 6 МПа (W0) Эксперимент 0, 2 МПа (W0) Эксперимент 0, 5 МПа (0,9W0) Эксперимент ДУ-107 (W0) Моделирование 0, 5 МПа (W0) Эксперимент 0, 2 МПа (0,9W0) 0,88 0, 5 Моделирование 0, 5 МПа (0,9W0) Эксперимент ДУ-107 (0,9W0) 6 Моделирование 0, 6 МПа (0,9W0) 0,85 0, n n 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 2 3 4 5 6 7 8 Рисунок 5.42 – Анализ результатов математического моделирования и экспериментальных данных при уплотнении супесчаного грунта 1 2 Рисунок 5.43 – Экспериментальные значения средних динамических напряжений в уплотняемом грунтовом слое (по Л. Форссбладу), лаборатория «Динапак» (Швеция), МПа 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0, 0, 0, h,м 1 – уплотнение суглинка катком 3,3 т (по Л. Форссбладу);

2 – уплотнение суглинка катком 3,3 т (модель);

3 – уплотнение супеси катком 3,3 т (по Л. Форссбладу);

4 – уплотнение супеси катком 3,3 т (модель);

5 – уплотнение супеси виброкатком 1,4 т (по Л. Форссбладу);

6 – уплотнение супеси виброкатком 1,4 т (модель) Рисунок 5.44 – Результаты теоретических и экспериментальных значений средних динамических напряжений в уплотняемом грунтовом слое Адекватность математического моделирования процесса уплотнения суглинистого и супесчаного грунтов оценивалась сравнением максимального расхождения теоретических и экспериментальных данных. Сравнительные результаты показали, что абсолютная погрешность не превышает 12 %.

5.4. Исследования влияния жсткости рабочих органов катков на значения виброускорений в виброуплотняемых грунтах Необходимость данных исследований обусловлена огромным влиянием, которое оказывают параметры динамического возмущения на интенсивность протекания процесса уплотнения в обрабатываемой среде. Согласно исследованиям П. А. Ребиндера [99], для эффективного уплотнения среды, состоящей из различных по величине частиц, необходимо применять определнные частотные режимы. Профессор Д. Д. Баркан доказал, что виброуплотнение в наибольшей степени зависит от величины ускорения частиц грунта. Увеличение значений виброускорений приводит к снижению диссипации энергии и увеличению эффекта уплотнения. Позже исследования проф.

Н. Я. Хархуты подтвердили эти положения, было установлено, что амплитуда колебаний влияет на эффективность виброуплотнения, поскольку она пропорциональна значениям виброускорений.

В ФГБОУ ВПО «СибАДИ» был проведен ряд экспериментальных исследований. Проводилась укатка слоя грунта толщиной до 0,6 м опытным образцом и катком ДУ-107. Регулировалась частота колебаний вибровозбудителя на различных этапах уплотнения. При помощи четырхканального виброизмерителя «Экофизика» (рисунок 5.45), исследовались значения виброускорений колебаний в уплотняемом грунте, тенденции их затухания в зависимости от удалнности источника виброуплотнения, а также направление распространения вибрации от поверхности по толщине обрабатываемого слоя грунта.

1– ИИБ «ЭКОФИЗИКА»;

2 – кабель Микродот-3хBNC (АК-20 и аналогичные);

3 – трехкомпонентный IEPE-датчик (АР2082М, РСВ 317А41, АР2038 и аналогичные) Рисунок 5.45 – Схема 1 подключения вибродатчиков со встроенной электроникой (ICP, IEPE) Методика экспериментальных исследований соответствует положениям, представленным в 4-й главе. Исследовалась тенденция распространения волн на поверхности и в глубине обрабатываемого слоя в виде зависимостей изменения величин виброускорений от места расположения датчиков по глубине уплотняемого грунтового слоя. В опыте №1 значения канала Z фиксируют значения виброускорений по вертикальной оси х, значения канала Y – значения виброускорений по оси движения катка y, значения канала Х – величину виброускорений по оси перпендикулярной движению катка z. В опыте № одноосевые датчики-акселерометры закладывались по глубине слоя через 15 см:

на глубине 15, 30, 45, 60 см (рисунки 5.46 – 5.48).

Рассматривалась ситуация на различных частотах, при различной влажности.

Данные фиксировались в виде файлов.

Рисунок 5. 46 – Определение виброускорений в супесчаном грунте Рисунок 5.47 – Определение виброускорений в суглинистом грунте Рисунок 5.48 – Определение виброускорений трхосевым датчиком Контроль плотности осуществлялся методом режущих колец и экспресс методом с помощью ударника ДорНИИ. Испытания проводились на суглинистом и супесчаном грунтах.

По результатам экспериментальных исследований (приложение 2) были построены АЧХ значений виброускорений в уплотняемых грунтах (рисунки 5. – 5.54.). Основной задачей исследований является определение степени влияния жсткости рабочего органа на интенсивность процесса виброуплотнения грунтовой среды. По оси абсцисс откладывалась величина относительных виброускорений в грунте Авых/А, здесь Авых - величина виброускорений, измеренная пьезоэлектрическим датчиком-акселерометром на соответствующей глубине грунтового слоя (0, 15 м;

0,3 м;

0, 45 м);

А – величина виброускорений под рабочим органом катка на поверхности грунта.

Анализируя полученные амплитудно-частотные характеристики, можно сделать вывод, что рациональным частотным режимом будет обработка грунта на частотном режиме около 30 – 40 Гц. Именно в этой области датчики фиксировали максимальные значения виброускорений, причем основная волна сжатия проходит в вертикальной плоскости, в горизонтальной плоскости виброволны распространяются с гораздо меньшей интенсивностью. Сравнивались амплитудные значения виброускорений, которые фиксировались на поверхности уплотняемых грунтов, при обработке ДУ-107 с металлическим вальцом и экспериментальным образцом с пневмошинным вальцом. На основании полученных данных становится очевидно, что применение металлических бандажей, для достижения жсткости вальца с15000 кН/м, позволяет избежать диссипации энергии в пневмовальце и величина относительных виброускорений в уплотняемой грунтовой среде будет сопоставима со значениями виброускорений от катка с металлическим вальцом.

Авых/А Авых/А Авых/А 0,9 0,9 0, 0,8 0, 0,15 м 0,15 м 0, 0,15 м 0,7 0, 0, 0,6 0, 0,30 м 0,30 м 0,30 м 0,5 0, 0, 0,4 0,4 0, 0,45 м 0, 0, 0,45 м 0, 0,45 м 0, 0, 0, 0, 0, 0 f, Гц f, Гц f, Гц 24 26 28 30 32 34 36 38 40 24 26 28 30 Рисунок 5.49 – Амплитудно-частотные характеристики значений виброускорений по глубине слоя при ку=0,90;

0,95;

0,99 соответственно (суглинок, влажность 0,9W0, экспериментальный образец катка, с1=1000кН/м) Авых/А Авых/А Авых/А 0,9 0, 0, 0,8 0, 0,15 м 0, 0,15 м 0,7 0, 0,15 м 0, 0,30 м 0,30 м 0, 0, 0, 0,30 м 0, 0,5 0, 0,45 м 0,45 м 0, 0,4 0, 0,45 м 0, 0,3 0, 0, 0,2 0, 0, 0,1 0, 0 f, Гц 24 26 28 30 32 f, Гц f, Гц 34 36 38 40 24 26 28 30 Рисунок 5.50 – Амплитудно-частотные характеристики виброускорений по глубине слоя при ку=0,90;

0,95;

0, соответственно (суглинок, влажность 0,9W0, экспериментальный образец катка, с1=5000кН/м) Авых/А Авых/А Авых/А 1 0,9 0, 0, 0,8 0, 0, 0,15 м 0,15 м 0,15 м 0,7 0, 0, 0,6 0,6 0, 0,30 м 0,30 м 0,30 м 0,5 0,5 0, 0,4 0,4 0, 0,3 0,3 0, 0,45 м 0,45 м 0,45 м 0,2 0,2 0, 0,1 0,1 0, 0 0 f, Гц 24 26 28 30 32 f, Гц 24 26 28 30 32 f, Гц 34 36 38 40 Рисунок 5.51 – Амплитудно-частотные характеристики виброускорений по глубине слоя при ку=0,90;

0,95;

1, соответственно (супесь, влажность W0, экспериментальный образец катка, с1=1000кН/м) Авых/А Авых/А Авых/А 1,2 1, 1, 0,15 м 1,0 1,0 1, 0,15 м 0,15 м 0,30 м 0,8 0,8 0, 0,30 м 0,30 м 0,45 м 0,6 0,6 0, 0,45 м 0,4 0,4 0, 0,45 м 0,2 0,2 0, 0 0 f, Гц f, Гц 24 26 28 30 32 24 26 28 30 32 f, Гц 34 36 38 40 Рисунок 5.52 – Амплитудно-частотные характеристики виброускорений по глубине слоя при ку=0,90;

0,95;

1, соответственно (супесь, влажность W0, экспериментальный образец катка, с1=6000кН/м) Авых/А Авых/А Авых/А 1 1 0,9 0,9 0, 0,8 0,8 0, 0,15 м 0,15 м 0,7 0,7 0, 0, 0,6 0, 0,30 м 0,30 м 0,30 м 0,15 м 0, 0,5 0, 0,4 0, 0, 0,45 м 0,3 0, 0, 0,45 м 0,45 м 0,2 0, 0, 0,1 0, 0, 0 f, Гц f, Гц 30 31 32 33 34 34 36 38 40 f, Гц 30 31 32 33 Рисунок 5.53 – Амплитудно-частотные характеристики виброускорений по глубине слоя при ку=0,90;

0,95;

0, соответственно (суглинок, влажность 0,9W0, каток ДУ-107) Авых/А Авых/А Авых/А 1 1 0,15 м 0,15 м 0,9 0,9 0, 0,15 м 0,8 0, 0, 0,30 м 0,30 м 0,7 0,7 0, 0,30 м 0,6 0,6 0, 0,45 м 0,5 0, 0, 0,45 м 0,45 м 0,4 0, 0, 0,3 0, 0, 0,2 0,2 0, 0,1 0, 0, 0 f, Гц f, Гц f, Гц 30 31 32 33 34 34 36 38 40 30 31 32 33 Рисунок 5.54 – Амплитудно-частотные характеристики виброускорений по глубине при ку=0,90;

0,95;

0, соответственно (супесь, влажность W0, каток ДУ-107) Дальнейшие исследования подтверждают экспоненциальную зависимость угасания виброколебаний по глубине обрабатываемого грунта. В связанном суглинистом грунте виброускорения затухают быстрее, чем в несвязанном супесчаном. Значения минимальной жсткости пневмошинного вальца, при которой ещ эффективно использовать вибрацию, на конечной стадии на процесса уплотнения лежат в диапазоне 4000 – 6000 кН/м, в зависимости от типа грунта.

Полученные экспериментальные значения виброускорений позволяют оценить адекватность математической модели путм сравнения этих данных со значениями виброускорений в грунте, полученных при математическом моделировании. Анализ адекватности математического моделирования процесса взаимодействия «рабочий орган – деформируемая среда» проводится сравнением теоретических и экспериментальных данных для значений виброускорений в уплотняемом супесчаном грунте.

А, м/с 2 h, м 0 0,1 0,2 0,3 0, 1 – экспериментальные значения виброускорений в грунте, с1=6000 кН/м;

2 – теоретические значения виброускорений в грунте, с1=6000 кН/м;

3 – экспериментальные значения виброускорений в грунте, с1=1000 кН/м;

4 – теоретические значения виброускорений в грунте, с1=1000 кН/м Рисунок 5.55 – Результаты сравнения теоретических и экспериментальных значений виброускорений в супесчаном грунтовом слое Сравнение результатов процесса виброуплотнения супесчаного грунта вибрационным катком с пневмошинным рабочим органом представлено на рисунке 5. 55. Поскольку математическая модель подразумевает взаимодействие сосредоточенных масс, то для анализа экспериментальных данных можно использовать усредннные значения виброускорений от трх датчиков акселерометров [69], расположенных на различной глубине в уплотняемом слое грунта.

Общий анализ адекватности математического моделирования экспериментальным исследованиям показал хорошую сходимость результатов.

Расхождение теоретических и экспериментальных данных не превысило 12%.

5.5. Анализ энергоэффективности вибрационных катков с пневмошинными рабочими органами 5.5.1. Анализ энергоэффективности передачи вибрации уплотняемой грунтовой среде На основании проведнных теоретических и экспериментальных исследований о влиянии жсткости рабочего органа катка на интенсивность процесса уплотнения, предложен дополнительный критерий оценки относительной энергоэффективности процесса виброуплотнения грунтов катками с пневмошинными рабочими органами – коэффициент относительной энергоэффективности передачи вибрации кп. Данный коэффициент характеризует изменение величины виброускорений, а значит, и эффективность передачи энергии вибровозбудителя уплотняемой среде через валец катка.

А (мет) кп, (5.3) А (сi) где А(мет) – величина виброускорений в грунте для металлического вальца, м/с (жсткость металлического вальца принимается не менее 10 000 кН/м [141, 154]);

А(сi) – величина виброускорений в грунте при различной жсткости пневмошинного РО, м/с2.

По результатам обработки АЧХ (рисунки 5.49. – 5.54.) можно определить средние значения относительных виброускорений при различной жсткости рабочих органов (таблица 5.7) и построить зависимость коэффициента энергоэффективности передачи вибрации кп от жсткости рабочего органа (таблица 5.8, рисунок 5.56).

Таблица 5.7 – Значения относительных виброускорений в грунте от жсткости рабочего органа Жсткость рабочего 1000, кН/м 5000, кН/м 6000, кН/м 10000, кН/м органа Относительные средние виброускорения Суглинок 0,431 0,577 - 0, Супесь 0,574 - 0,704 0, Таблица 5.8 – Значения коэффициента относительной энергоэффективности передачи вибрации Жсткость рабочего 1000, кН/м 5000, кН/м 6000, кН/м 10000, кН/м органа Коэффициент энергоэффективности передачи вибрации, кп Суглинок 0,654 0,875 - 1, Супесь 0,805 - 0,987 1, Зависимость кп от жсткости РО (рисунок 5.56) показывает, что с увеличением жсткости рабочего органа свыше 6000 кН/м эффективность передачи энергии вибровозбудителя уплотняемому грунту приближается к энергоэффективности вибрационного катка с металлическим вальцом.

кп 1, Супесь 0, 0, 0, Суглинок 0, 0, 0, 0, 9000 с1, кН/м 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 Рисунок 5.56 – Зависимость коэффициента относительной энергоэффективности передачи вибрации от жсткости рабочего органа 5.5.2. Сравнительный анализ эффективности уплотнения грунтов вибрационными катками с пневмошинными рабочими органами Эффективность уплотнения грунтов различными дорожными катками оценивается показателями достигаемой конечной плотности. Здесь наиболее распространнным критерием является полученный коэффициент уплотнения ку.

к у r / rст (5.4) где ст – плотность, полученная стандартным способом;

– плотность полученная в результате уплотнения.

Необходимо отметить, что в чистом виде ку не дат объективной картины об эффективности того или иного уплотняющего средства, поскольку необходимо учитывать время, за которое была получена итоговая плотность, трудомкость производства работ, массогабаритные показатели и другие характеристики уплотняющих средств. Поэтому, с точки зрения оценки эффективности работы катков с пневмошинными РО, предлагается оперировать коэффициентом уплотнения по отношению к количеству проходов по одному следу, скорости движения катков, увязанных со средними удельными контактными напряжениями. Количество проходов и средняя скорость движения позволяют оценить время, затраченное на получение итоговой плотности (и соответственно коэффициента уплотнения), а удельные контактные напряжения могут являться обобщнной характеристикой распределнной массы по отношению к количеству и типу вальцов уплотняющего средства с учтом их размеров.

Энергозатраты на процесс уплотнения напрямую зависят от общего количества проходов катка по одному следу (возможно нескольких типоразмеров катков) и массы уплотнителя, т.к. именно она определяет эффективную мощность двигателя и удельный расход топлива.

На основании вышеизложенного можно сделать вывод, что критерием эффективности процесса уплотнения коэффициент уплотнения может служить только по отношению к перечисленным параметрам.

Данные для анализа эффективности вибрационных катков представлены в таблице 5.9.

Таблица 5.9 – Сравнительный анализ эффективности применения вибрационных катков Модель Удельное Вынуж-я Скор-ть Количество Коэффициент катка давление, сила/ средняя, проходов уплотнения ку МПа частота, км/ч Суглинок Супесь Суглинок Супесь кН/Гц Адаптив-й 0,97 (0,93)* 0,2 МПа 0,0512 47/40 4 8 (9) 7 0, 0,99 (0,96) * 0,5 МПа 0,1000 7 (9) 6 1, 0,99 (0,99) * 0,6 МПа 0,1250 7(11) 6 1, Sakai 0, - (0,96) * 2 стад 24,5/40 4 -(16) 11 0, - (0,99) * 4 стад 42/40 -(16) 9 1, 0,98** 1,0* DYNAPAC 0,1705 246/33 3 16 CA250D 0,95* ДУ-85 0,2333 150/24 3 10 8 0, 0,96(0,93) * ДУ-107 0,06240 6,2/60 3 7 7 (9) 0, (0,97) * Значения влажности для грунтов для супеси – W0, для суглинка – 0,95W0 (0,9W0) Сравнительный анализ, приведнных данных в таблице 5.9, позволяет дать оценку эффективности применения катка с адаптивным рабочим органом при уплотнении несвязанного супесчаного и связанного суглинистого грунта по отношению к вибрационным каткам с металлическими вальцами: DYNAPAC CA250D (10,050 т, вибровальцовый модуль 5,45 т), «Раскат» ДУ – 85 (13 т, вибровальцовый модуль 7 т), «Раскат» ДУ-107 (1,5 т вибровальцовый модуль 0, 5 т), а также к импортному вибрационному пневмошинному катку SAKAI GW-750 (9 т) при толщине уплотняемого слоя 35-40 см, влажности 0,95 W0 [144].

Каток с адаптивным рабочим органом достиг коэффициента уплотнения ку=0,99 на суглинистом грунте влажностью 0,95 W0 и толщине слоя 40 см за проходов по одному следу, необходимые удельные контактные напряжения составили 0,125 МПа, средняя скорость движения – 4 км/ч.

Каток DYNAPAC CA250D достигает коэффициента 1,0 на супесчаном грунте толщиной слоя 40 см и оптимальной влажности за 16 проходов. Удельные контактные напряжения составляют 0,1705 МПа, средняя скорость – 3 км/ч, при этом данный каток должен работать в паре с лгким катком, т.к. должен быть обеспечен предварительный коэффициент уплотнения не ниже к у=0,95. На суглинке при тех же условиях достигается коэффициент уплотнения ку=0,98.

Каток ДУ-85, выпускаемый на заводе «Раскат» в г. Рыбинск, достигает коэффициента 0,95 на супесчаном грунте толщиной 40 см и с оптимальной влажностью за 8 проходов. Удельные контактные напряжения – 0,233 МПа, средняя скорость – 3 км/ч. На суглинке коэффициент уплотнения ку=0, достигается за 10 проходов катка по одному следу [149].

Каток ДУ-107 на суглинке влажностью 0,95 W0 и толщине слоя 40 см достигает коэффициента уплотнения ку=0,93 за 7 проходов при средней скорости 3 км/ч и контактных напряжениях, равных 0,0624 МПа. Для дальнейшего повышения коэффициента уплотнения возникает необходимость использования ещ одного дорожного катка с увеличенной массой.

Каток SAKAI GW-750 достигает на суглинке влажностью 0,95 W0 и толщине слоя 40 см коэффициента уплотнения ку= 0,99, но требуемое количество проходов и удельные контактные напряжения при такой же скорости движения (4 км/ч) значительно превышают характеристики адаптивного пневмошинного катка (16 и 0,188 МПа соответственно).

Таким образом, можно сделать вывод, что применение катка с адаптивным пневмошинным рабочим органом на связанных грунтах, по эффективности уплотнения, показывает лучшие результаты по сравнению с классическими вибрационными катками, и даже по сравнению с высокопроизводительным импортным аналогом Sakai GW-750 (9 т). В свою очередь, Sakai GW- превосходит по уплотняющему эффекту все подобные по массе вибрационные катки, даже 25-тонный статический каток на пневмошинах.

На несвязанных грунтах каток с пневмошинным рабочим органом показывает ещ лучшие результаты.

Рассчитаем ориентировочную производительность вибрационного катка с пневмошинным РО и катка Sakai GW-750 при уплотнения связанного суглинистого грунта.

L уч (L A пер )h 0 k в П экс, (5.5) L уч ( )n где Lуч – длина укатываемого участка, м;

L – ширина укатываемой полосы, м;

Апер – величина перекрытия проходов, м (Апер=0,2 м);

h0 –толщина слоя, м;

кв – коэффициент использования рабочего времени, (кв=0,85);

- рабочая скорость катка, м/ч;

n – необходимое число проходов для достижения нормативной плотности.

200(1,58 0,2) 0,35 0, Падап 130 м3/ч;

экс 200(1,58 0,2) 0,35 0, Пsakai 101 м3/ч.

экс Производительность катка с адаптивными рабочими органами при уплотнении связанного грунта слоем 35 см превышает производительность зарубежного аналога SAKAI GW-750 на 30%. На основании результатов проведнных исследований сделан ориентировочный расчт экономического эффекта от использования только одного адаптивного катка (приложение 3), который составит до 600 000руб/год. При этом необходимо отметить, что данный эффект получен лишь сравнением по производительности с наиболее современным и эффективным импортным аналогом. Здесь не учитывается эффект от высвобождения ресурсов в сравнении с классическими дорожными катками при производстве строительных работ, за счт уменьшения типоразмеров и снижения массогабаритных характеристик специализированных комплектов машин (СКМ).

Экономический эффект, при замещении 2-х отечественных катков разных типоразмеров одним вибрационным катком с пневмошинным рабочим органом, составил до 1 200 000 руб. (приложение 3).

5. 6. Выводы по главе Изготовлен экспериментальный образец вибрационного катка с 1.

пневмошинным рабочим органом диаметром 1м, способный изменять жсткость в диапазоне 500 – 6000 кН/м (за счт изменения давления воздуха в шинах и установки дополнительных металлических бандажей), удельные контактные напряжения – в диапазоне 0,045 – 0,125 МПа, вынуждающую силу – 24, 47 кН частоту колебаний – 30, 40 Гц.

2. Исследования уплотнения грунтов экспериментальным образцом вибрационного катка с пневмошинным рабочим органом выявили зависимости распределения напряжений в уплотняемом грунте, рациональные значения жсткости рабочих органов и время приложения внешней силы с учтом скоростного режима и количества проходов катка по одному следу. Рациональные значения средних по толщине слоя напряжений при уплотнении суглинистого грунта соответствуют жсткости рабочего органа с1=4000…5000 кН/м, при скоростном режиме 4 км/ч, количестве проходов по одному следу, равном 10.

Значения средних по толщине слоя рациональных напряжений при уплотнении супесчаного грунта соответствуют жсткости с1=6000…7000 кН/м, скоростном режиму 5 км/ч, количеству проходов по одному следу, равному 6.

3. Разработана методика оптимизации параметров вибрационного катка с пневмошинным рабочим органом. Установлены оптимальные значения параметров катка при уплотнении суглинистого грунта оптимальной влажности:

на начальной стадии (с1=998 кН/м, F0= 0 кН, f=0 Гц), средней стадии (с1= кН/м, F0= 74,9 кН, f=30 Гц) и заключительной стадии (с1=5000 кН/м, F0= 100 кН, f=40 Гц), а также оптимальные параметры катка при уплотнении супесчаного грунта оптимальной влажности: на начальной стадии (с1=1010 кН/м, F0= 0 кН, f= Гц), средней стадии (с1=4150 кН/м, F0= 35 кН, f=33 Гц) и заключительной стадии (с1=6100 кН/м, F0= 49,7 кН, f=42 Гц).

4. Определены зависимости распространения виброускорений по толщине слоя в уплотняемых грунтах с учтом их состояния и частотного режима обработки пневмошинными РО. Выявлено, что для суглинистого грунта в недоуплотннном состоянии (ку=0,95), глубина активного распространения виброускорений не превышает 0,4 м при жесткости рабочего органа с15000 кН/м и частоте 30 Гц, в плотном состоянии (ку=0, 99) при частоте 40 Гц. Для супесчаного грунта в недоуплотннном состоянии (ку=0, 95) глубина активного распространения виброускорений не превышает 0,6 м при жесткости рабочего органа с16000 кН/м и частоте 30 Гц, в плотном состоянии (ку=1,0) при частоте 40 Гц.

5. Сравнение результатов теоретических и экспериментальных исследований подтверждают адекватность математической модели;

абсолютная погрешность не превышает 12 %;

6. Предложен критерий, оценивающий относительную энергоэффективность передачи вибрации, при уплотнении грунтов вибрационными катками с пневмошинными рабочими органами – коэффициент относительной энергоэффективности передачи вибрации кп. Результаты проведнных исследований подтвердили необходимость расширения жсткости пневмошинных рабочих органов виброкатков до 5000 – 6000 кН/м.

Производительность вибрационного катка с адаптивным пневмошинным рабочим органом превышает производительность SAKAI GW-750 (Япония) на значения до 30 %;

Использование полученных результатов теоретических и 7.

экспериментальных исследований позволит решить проблему создания эффективных виброкатков с пневмошинными рабочими органами, стоящих в одном ряду с современными высокопроизводительными вибрационными машинами.

6. РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ Обобщнные результаты исследований могут быть выражены в виде следующих практических рекомендаций: в комплексном методическом подходе к выбору параметров вибрационных катков (в том числе с пневмошинными рабочими органами);

разработке конструкций адаптивных пневмошинных рабочих органов вибрационных катков;

экономическом анализе и оценке энергоэффективности уплотнения грунтов катками с пневмошинными рабочими органами;

рекомендациях по усовершенствованию технологического процесса уплотнения грунтовых слоев насыпей автомобильных дорог и других инженерных сооружений.

6.1. Методика выбора параметров вибрационных катков с пневмошинными рабочими органами 6.1.1. Методика определения жсткости пневмошинных рабочих органов вибрационных катков Для обоснования параметров процесса уплотнения грунтов адаптивными катками необходимо знать жсткость рабочих органов таких катков. Если эти данные отсутствуют, то в этом случае необходимо воспользоваться универсальной методикой определения жесткости рабочего органа по значению коэффициента восстановления.

Суть методики заключается в следующем: коэффициент восстановления kвосст характеризует степень упругости (жесткости) материалов. Схема установки для определения kвосст любого пневмошинного рабочего органа, способного в широком диапазоне изменять жсткость, проиллюстрирована на рисунке 6.1.

Установка максимально проста в конструкции и может быть изготовлена даже в полевых условиях. Валец закреплен неподвижно, груз на подвесе, длиной lв, отклоняется на угол Q0 = 55°. После соударения груза с вальцом необходимо зафиксировать угол Q1 отклонения груза после отскока.

Рисунок 6.1 – Установка для определения жсткости пневмошинных рабочих органов В соответствии с положениями теории удара (по В. Н. Тарасову [122]), процесс соударения двух тел начинается с момента соприкосновения крайних их точек, имеющих в этот момент скорости 1 и 2. Через некоторое время процесс «сближения» тел прекращается, при этом часть их первоначальной кинетической энергии переходит в потенциальную энергию деформации (т.е. деформированный рабочий орган совершает работу силы Гука). После чего потенциальная энергия упругой деформации переходит в кинетическую энергию тел, при этом они будут разлетаться со скоростями 11 и 22. Отклоненный на угол Q0 от вертикали сбрасываемый груз обладает потенциальной энергией U = mгghх, которая после mг освобождения груза переходит в кинетическую энергию Ek =.

Q 1 2 g h х 2 g lв (1 cosQ0 ) 2 g lв sin, 2 (6.1) соответственно Q 11 2 g h х 2 g lв (1- cosQ1 ) 2 g l в sin. (6.2) При ударе реальных тел механическая энергия также восстанавливается лишь частично вследствие потерь на образование остаточных деформаций, в нашем случае на работу сил упругости, поэтому относительная скорость до удара больше относительной скорости после удара:

|1 - 2 | |11 - 22 |. (6.3) Для учета этих потерь вводится такое понятие, как коэффициент восстановления kвосст, равный отношению относительных нормальных скоростей до и после удара.

11 kвосст =. (6.4) 1 Учитывая, что рабочий орган жестко закреплен и реализуется прямой центральный удар, тогда из формулы (6.4) Q 11 sin. (6.5) k восст 1 sin Q Преимущество такого подхода заключается в простоте качественного определения жсткости рабочего органа. Чем больше значение kвосст, тем большей жесткостью обладает рабочий орган. Сравнивая с эталонным значением этих характеристик (таблица 6.1, рисунок 6.2.), можно количественно определять жсткость любых адаптивных пневмошинных вальцов.

Таблица 6.1 – Сравнительные данные kвосст для опытного образца Коэффициент восстановления kвосст Жсткость РО c1, кН/м 0,61 0,47 0,38 0,19 с1, кН/ м kвосст 0,61 0,47 0,38 0, Рисунок 6.2 – Зависимость жсткости от значения коэффициента восстановления В данном случае жсткость является функцией от угла отскока и величины деформации рабочего органа:

c1=f(Q1, Q0, хро). (6.6) С помощью предложенной методики можно оценить показатели жсткости и вязкости не только предлагаемых рабочих органов дорожных катков, но и реологические характеристики шин специальной строительной и автомобильной техники в производственных условиях.

6.1.2. Обоснование величины контактных напряжений при уплотнении грунтов катками с пневмошинными рабочими органами Обоснование параметров любого уплотняющего средства должно основываться на данных о свойствах и состоянии обрабатываемой среды. В первую очередь необходимо определиться с начальными характеристиками среды и зависимостями их изменения в процессе уплотнения. В нашем случае, для грунтов – это модуль деформации Е, предел прочности пр, жсткость с2 и коэффициент вязкого трения b2, плотность.

Деформативные свойства грунтов широко отражены в теоретических и экспериментальных исследованиях Н. Я. Хархуты, В. Ф. Бабкова, В. М. Безрук, А. К. Бируля, О. Т. Батракова [8, 9, 22, 23, 26, 31, 35, 36, 122, 131, 135, 136] и др., реологические свойства отражены в трудах С. С. Вялова, Д. Д. Баркана, Н. А. Флорина и др. [12, 13, 42, 76, 128].

Для пневмошинных рабочих органов катков отдельным вопросом стоит обоснование параметров адаптации по энергоэффективности передачи вибрации и по площади контакта (контактным напряжениям) в зависимости от этапа процесса уплотнения.

Вследствие того, что на начальном этапе процесса уплотнения сопротивление материала деформированию невысокое, процесс протекает достаточно интенсивно, даже в статическом режиме. В этом случае уплотнение должно осуществляться при значительной площади пятна контакта, т.е контактные напряжения должны быть снижены. На заключительном этапе статического действия от массы катка, как правило, недостаточно, необходимо использовать динамическую составляющую от вибровозбудителя. Контактные напряжения при этом должны быть высокими, как и жсткость рабочего органа. Главная проблема здесь заключается в обосновании правильного соотношения характеристик жсткости РО с массой катка и вибрацией на каждой стадии процесса уплотнения.

Решить эту проблему возможно введением условного понятия эквивалентная статическая масса Мэкв. Как известно [65], вибрационные катки с металлическими вальцами по массе, как минимум в 3 раза, эффективнее статических, т.е.

М=1/3·Мэкв. В случае использования пневмошинных катков, данное соотношение действует только тогда, когда жсткость рабочего органа идентична жсткости металлического вальца. Выше было отмечено, что это должно происходить на финальной стадии процесса уплотнения. На начальных стадиях жсткость вальцов уменьшается для увеличения площади пятна контакта и снижения контактных напряжений.

В соответствии с проведнными исследованиями [1, 113], при уплотнении грунтов необходимо изменять жсткость РО в зависимости от стадии уплотнения (таблица 6.2.).

В первую очередь необходимо определить эквивалентную массу способную проработать уплотняемый материал на последней стадии уплотнения, когда он обладает максимальным пределом прочности. Площадь пятна контакта и массу катка необходимо выбирать в соответствии с требуемыми контактными напряжениями, обеспечивая интенсивное деформирование грунта.


Таблица 6.2 – Значения жесткости рабочего органа на разных стадиях процесса уплотнения Жсткость РО, кН/м Стадия процесса уплотнения Несвязанный грунт Связанный грунт Начальная, ку=(0,85 - 0,90) 600 - 1000 600 - Средняя, ку=(0,90 - 0,95) 4000 - 5000 3000 - Заключительная, ку=(0,95 - 1,0) 6000 - 8000 4000 - С учтом допущения прямоугольной формы пятна контакта и известной ширины вальца, неизвестной величиной является длина контакта d, изменяемая в процессе уплотнения.

Зависимость параметра контакта d от жсткости пневмошинного РО катка можно определить по эмпирической формуле, полученной по результатам экспериментальных исследований [113].

d 17,91c1 0,5962, (6.7) где с1 – жсткость РО, кН/м.

Определим необходимую массу катка для проработки грунта на заключительной стадии уплотнения, с учтом использования вибрации и максимальных контактных напряжений:

пр M Ld (6.8) g где M - необходимая статическая масса катка, кг;

пр – предел прочности грунта (при ку=1,0), Н/м2;

L – ширина рабочего органа, м;

d – продольный параметр пятна контакта, м (продольная длина пятна контакта на жстком основании);

g – ускорение свободного падения, м/с2.

Далее необходимо проверить статическую массу по условию т (t) пр (t) на контактные напряжения в начале процесса уплотнения, когда грунт обладает низким пределом прочности.

M g/ d L. (6.9) Контактные напряжения не должны превышать предела прочности грунта в начале процесса уплотнения. Предложенный подход позволяет рассчитать массу катка и определить контактные напряжения на разных этапах уплотнения грунтов.

6.1.3. Обоснование параметров вибрации катков с пневмошинными рабочими органами Существующие методики выбора вибрационных параметров для классических виброкатков с металлическими вальцами не могут в полной мере удовлетворять обоснованию параметров катков рабочими органами, c изменяющими свою жсткость в процессе уплотнения грунтов.

Зная массу и жсткость РО (п.п. 6.1.1., 6.1.2.), необходимо обосновать вынуждающую силу вибровозбудителя, частоту колебаний, момент дебалансов.

Рациональные значения величин этих параметров также должны быть связаны с состоянием и свойствами уплотняемого грунта. При определении эффективных режимов работы виброкатков, процесс деформации грунта можно рассматривать как деформацию квазиупругой системы, которая характеризуется собственной частотой колебаний (рисунок 6.3) [3, 51 – 55, 118].

c 0, (6.10) m где c2 – жесткость некоторого объма грунта, активно взаимодействующего с рабочим органом;

m – масса грунта, активно взаимодействующая с рабочим органом.

Масса грунта m может определяться как произведение плотности на объм грунта, который активно взаимодействует с РО катка [28]:

m rV, (6.11) где m- масса грунта, кг;

r - плотность грунта, кг/м ;

V - объем грунта, колеблющийся в пределах активной зоны, м3.

с1 b M F(t) SS m h Рисунок 6.3 – Схема для обоснования параметров виброкатков Вынуждающая сила вибровозбудителя при уплотнении грунта должна преодолеть силу инерции движения активной массы грунтовых частиц [54].

F0 rVAк0, (6.12) где – плотность грунта, кг/м3;

V – объм деформируемого грунта, м3;

0 – необходимая частота колебаний вынуждающей силы вибратора, с-1;

Ак – амплитуда колебаний, м.

Вынуждающая сила (6. 12) должна преодолеть сцепление частиц грунта С, Н;

силу инерции уплотняемой массы mg, Н;

силу внутреннего трения грунта Rtg, Н.

Поэтому запишем rVAк2 CS m g tg, (6.13) где С –сцепление грунта, Н/м2;

S – площадь контакта, м2;

m g /S – контактные напряжения, Н/м2;

– угол внутреннего трения грунта;

m –масса уплотняемого грунта, кг;

g – ускорение свободного падения, м/с2.

Таблица 6.3 – Характеристики грунтов в зависимости от их консистенции Консистенция Глина Суглинок Супесь грунта г,, г,, г,, С, С, С, Н/м2 Н/м2 Н/м кН/м3 кН/м3 кН/м град град град Тврдая 21,5 22 100000 21,5 25 60000 20,5 28 Полутврдая 210 20 60000 21,0 23 40000 20,0 26 Тугоплас-я 20,5 18 40000 20,0 21 25000 19,5 24 Мягко- 19,5 14 20000 19,0 17 15000 19,0 20 пластичная Текуче- 19,0 8 10000 18,5 13 10000 18,5 18 пластичная Текучая 18,0 6 5000 18,0 10 5000 18,0 14 В случае обоснования параметров катка с изменяемой жсткостью рабочего органа, рациональная амплитуда колебаний определится в соответствии с отношением по Е. М. Куприянову, С. В. Жирковичу, Н. И. Наумец [54]:

m д rд Aк, (6.14) mд M где М – масса, приходящаяся на рабочий орган, кг;

m –масса дебаланса вибровозбудителя, кг;

– эмпирический коэффициент, характеризующий снижение амплитуды колебаний вальца по сравнению с амплитудой вибровозбудителя за счт инерционных и диссипативных сил, =0,025 [54].

Преобразуем выражение (6.14), разделив обе его части на, и заменим Ак выражением (6.14):

mд rд 2 CS/ Vr m g / Vr Stg / Vr. (6.15) mд 0,025 M Отсюда получим CS m g S tg mд rд2 (mд M). (6.16) Vr Заметим, левая часть выражения (6.16) является вынуждающей силой вибровозбудителя, которая зависит от свойств уплотняемого грунта и известных технических параметров вальца. Величина вынуждающей силы должна превышать значение правой части этого неравенства, но не должна превышать значения предела прочности уплотняемого материала пр. Поэтому запишем:

CS m g S tg прS F0 (mд M). (6.17) Vr При известной величине вынуждающей силы и е частоте колебаний, можем определить необходимый момент дебалансов:

F0 m д rд 2. (6.18) Отсюда m д rд F0 / 2. (6.19) Частота приложения вынуждающей силы должна соотноситься с поступательной скоростью движения катка и параметрами контакта, чтобы обеспечивалось время, необходимое для количества повторностей приложений нагрузки, с учтом заданной плотности.

Время, необходимое для уплотнения грунтов, определяется [135] как t Cп /, (6.21) где Сп – число повторностей приложения силы при вибрировании, необходимое для достижения заданной плотности, Сп=(1,5 - 5)103 (по Н. Я. Хархуте);

– частота колебаний, мин-1.

Используя уравнение (3.30) и преобразуя уравнение (6.21), получим необходимую частоту приложения вынуждающей силы f (6,75 22,41) / d, (6.22) где f – частота колебаний, Гц;

d – параметр контакта, м;

– скорость катка, необходимая для достижения заданной плотности грунта за один условный проход, км/ч.

6.1.4. Обоснование рациональной скорости вибрационных катков с пневмошинными рабочими органами Рациональная скорость катка определяется временем, необходимым для достижения необходимого коэффициента уплотнения при виброобработке грунта, с учтом изменения его свойств в процессе уплотнения. В нашем случае также необходимо учитывать свойства рабочего органа. Подобный подход для определения рациональной скорости движения катка был реализован С. В. Жирковичем, Н. И. Наумец [54].

EL 0,37 d, (6.21) M где d –длина дуги контакта, м;

Е – модуль деформации грунта, Па;

L – ширина рабочего органа катка, м;

M – масса, приходящаяся на рабочий орган, кг.

Данная формула позволяет с достаточной достоверностью рассчитывать рациональную скорость статических катков с металлическими вальцами, поэтому в случае использования вибрационных адаптивных рабочих органов, необходимо учитывать изменения параметров контакта и величины статической нагрузки вследствие изменения жсткости вальца и эффекта от применения вибрации.

Изменение параметра контакта d от жсткости РО можно определить согласно эмпирической формуле (6.7), а статическая масса определится по увеличению уплотняющего эффекта от использования вибрации в соответствии с рекомендациям Н. Я. Хархуты, Я. А. Калужского [63]. С учтом жесткости РО, формула (6.21) запишется в следующем виде:

EL EL 0,37 17,91 c1 0,5962 6,62 c1 0,5962 (6.22) M M Данная зависимость позволяет определить рациональную скорость катка при уплотнении грунтов на каждом этапе укатки с учтом изменяющихся свойств обрабатываемого материала.

Практическое применение методики обоснования параметров вибрационных катков, приведнное в данном пункте, проиллюстрировано в приложении 4.

Использование предложенной методики для обоснования параметров вибрационных катков с пневмошинными рабочими органами позволяет выбрать их рациональные параметры, с учтом свойств и состояния уплотняемых грунтов, повысить производительность работ, снизить энерго- и трудозатраты, улучшить технологию организации работ.

6. 2. Разработка перспективных конструкций пневмошинных рабочих органов вибрационных катков Многообразие факторов, влияющих на интенсивность уплотнения грунта, ограничивает возможности современной уплотняющей техники, как правило, приходится совмещать несколько машин в одной технологической операции для достижения необходимого результата. С учтом факторов, влияющих на интенсивность уплотнения грунтов в различных условиях, встат вопрос о возможности разработки и применения перспективных конструкций уплотняющих рабочих органов дорожных катков, способных адаптироваться к изменению свойств и состояния материала и эффективно работать на различных грунтовых средах, независимо от этапа их обработки.

Сделан вывод, что использование пневмошинных катков как вибрационных ограничивается в основном значительной демпфирующей способностью воздуха в шинах, а вибрационная техника не способна в достаточном диапазоне регулировать контактные давления. Поэтому основной задачей для повышения интенсивности обработки грунтов вибрационными катками является выявление возможности регулировки контактных напряжений в широком диапазоне, за счт расширения диапазона жсткости пневмошинных органов и обеспечения энергоэффективной вибрационной обработки грунтовой среды.

Предложенное решение задачи ставит непосредственный вопрос о выборе конструкции и параметров адаптивных рабочих органов таких катков.


6. 2. 1. Вибрационный гидрошинный рабочий орган катка Конструкция вибрационного гидрошинного рабочего органа предполагает заполнение пневматических шин жидкостью, которая является «несжимаемым»

телом и увеличивает жсткость рабочего органа. Жсткость РО может изменяться за счт изменения внутреннего давления жидкости в шинах [107]. Теоретические и экспериментальные исследования пневмошинных катков показали, что количество шин, расположенных на одной оси, определяют величину напряжения, возникающего в уплотняемом материале, а следовательно, и степень его уплотнения. Очевидно, что и при разработке вибрационного гидрошинного катка можно использовать эти положения.

Исследования Н. А. Островцева, П. Л. Сурье [83, 119] зависимостей изменения максимальных напряжений max, возникающих в уплотняемом слое на глубине h при различном расстоянии между шинами е (рисунок 6.6, а), показывают, что интенсивное приращение напряжений max происходит при увеличении количества шин до трх. Здесь е дано в долях от ширины площади контакта шины a, напряжения – в долях от среднего контактного напряжения шины с уплотняемым материалом.

Это подтверждают изложенные ранее положения, о том, что глубина проработки грунта и значения напряжений в слое зависят не только от величины внешней силы, но и от параметров контакта. Для пневматических шин это ещ более актуально, поскольку при увеличении расстояния между шинами область концентрации напряжений уменьшается.

Количество шин на одной оси оказывает также существенное влияние на величину средних по ширине уплотняемой полосы напряжений. Зависимость напряжений от количества шин имеет экспоненциальный характер (рисунок 6.4, б), аналогичный для различных толщин уплотняемых слов.

5 7 8 6 1 – валец;

2 – шины заполненые жидкостью;

3 – торцевые посадочные диски;

4 – стягивающие брусья;

5 – муфта;

6 – гидромотор привода вибратора;

7 – вибратор;

8 – торцевые диски Рисунок 6. 4 – Схема рабочего органа вибрационного гидрошинного катка с внутренним расположением вибровозбудителя Эти положения указывают на то, что, с точки зрения эффективности уплотнения, количество шин на оси вибрационного катка не должно быть менее трх, а их оптимальное число должно определяться технологическими факторами процесса уплотнения и технико-экономическим анализом.

Из вышесказанного следует вывод: для получения рационального воздействия на уплотняемые слои материала вибрационным гидрошинным катком шины на нм должны располагаться на минимальном расстоянии друг от друга, т. е., по возможности, должны плотно соприкасаться боковыми поверхностями.

Грунт под таким вальцом будет испытывать наиболее равномерное напряжение. Такая схема позволяет избежать деформации торцевых поверхностей шин при динамическом воздействии жидкости на них, тем самым увеличивая интенсивность передачи вибрации частицам материала через площадь контакта [83].

ср max 0,1pw 0,4pw e e e e 0,075pw e Напряжения e e e e Напряжения 0,2pw e e e 0,05pw e e 0,025pw 0 1 2 3 4 Количество проходов n 0 1 2 3 4 Количество проходов n а) б) Рисунок 6.6 – Зависимость величины максимальных (а) и средних (по ширине уплотняемой полосы) (б) напряжений от числа шин при различном расстоянии между ними Отметим, что, при различном конструктивном исполнении рабочего органа, вибратор можно располагать как внутри вальца (рисунок 6.5), так и на его раме (рисунок 6.7). Следует сказать, что первый вариант целесообразнее использовать как отдельный валец, входящий в конструкцию катка, а второй вариант в качестве – прицепного катка.

Помимо конструктивной схемы катка, для наиболее эффективного протекания процесса уплотнения, необходимо правильно подбирать параметры и режимы уплотнения.

При выборе шин для вибрационного гидрошинного катка следует, кроме требований, предъявляемых к пневматическим шинам катков статического действия, руководствоваться дополнительными требованиями, вытекающими из особенностей работы в условиях динамических нагрузок. Необходимо использовать пневматические шины с небольшими гистерезисными потерями (более 5105Н/м). Этим требованиям удовлетворяют, в частности, шины 15,00– [38, 102]. В наибольшей мере отвечают указанным требованиям шины авиационного типа (таблица 6.4.).

1 2 3 5 4 1 – валец;

2 – рама;

3 – шины заполненные жидкостью;

4 – торцевые диски;

5 – ось вальца;

6- привод вибровозбудителя Рисунок 6.7 – Схема рабочего органа вибрационного гидрошинного катка с расположением вибратора на его раме Рекомендации по выбору шин. Поскольку основной частью рабочего органа предложенного катка являются шины, заполненные жидкостью (гидрошины), необходимо выбрать их типоразмер.

Таблица 6.4 – Характеристики шин авиационного типа Посадоч. Статич. Рабочее Тип Модель Масса Изгот-ль Камера диаметр, нагрузка, давление без шины шины шины, кг мм Н нагрузки, МПа БШЗ,ЯШЗ 930х305 10А + 404,8 55820 0,882 37, КШЗ БШЗ,ЯШЗ 660х200 11А + 333,5 20600 0,882 16, КШЗ БШЗ,ЯШЗ 930х305 10А + 404,8 75540 0,932 37, КШЗ БШЗ,ЯШЗ 800х225 12А + 406 51010 0,981 24, КШЗ БШЗ,ЯШЗ, 930х305 14А + 404,8 78480 0,981 37, КШЗ БШЗ,ЯШЗ 800х225 12А + 406 53960 1,03 24, КШЗ 950х300 2А КШЗ,ЯШЗ - 467 78480 1,079 840х290 3А ЯШЗ - 359 55000 0,981 11А ЯШЗ 950-350 + 449,5 0,490 34, (4800) 700х250 6А БШЗ,ЯШЗ + 354,5 15450 0,294 16, Система подачи жидкости и воздуха в шины катка. Для создания внутреннего давления мы используем жидкость, которая будет передавать энергию вибровозбудителя уплотняемому грунту, поэтому каток должен иметь систему подачи жидкости или воздуха в шины [103, 104].

Очевидно, что система централизованной подкачки шин, используемая в современных пневмокатках, не совсем отвечает требованиям, предъявляемым к подобной системе у вибрационного гидрошинного катка. В то же время за основу системы подачи жидкости в колса катка была взята именно эта система, поскольку данный каток может работать и как пневматик, а также для большей унификации агрегатов нового катка с агрегатами уже производимых катков.

Система подачи жидкости или воздуха состоит из следующих элементов:

водяной насос, бак для воды, магистрали, краны.

Принцип действия: при подаче воды в колса необходимо предварительно выкачать из них воздух, для этого служит компрессор. Для облегчения операции заполнения шин водой колеса заполняются посекционно. При помощи блока кранов БК закрываем воздушную магистраль таким образом, чтобы сначала откачать воздух из двух внешних колс, внутренние колеса являются опорными, при этом кран магистрали подачи жидкости К1 закрыт. Заполняя колеса водой, перекрываем воздушную магистраль краном К2, открываем кран К1 и краны блока БК, соответствующие внешним колсам. Жидкость под давлением, создаваемым насосом НВ, из бака Б идт по гидролиниям в шины.

После заполнения двух внешних колс повторяем операцию с внутренними колсами и заполняем их жидкостью.

ВС БВ К НВ К К БК БВ – бак водяной;

БК – блок кранов;

ВС – воздухосборник;

К1, К2 – краны;

К – компрессор;

НВ – насос водяной Рисунок 6.8 – Схема заполнения гидрошин жидкостью и воздухом:

Каток может быть и пневматиком, если посекционно откачать воду из колс и накачать их воздухом с помощью этой же установки (рисунок 6.8).

Следует отметить, что при откачке воздуха из колеса через стандартный штуцер камера внутри покрышки «сплющивается» достаточно легко, поэтому для создания отрицательного давления в шине не требуется мощного компрессора, и основные энергозатраты пойдут на создание необходимого давления жидкости насосом НВ.

Проведнные исследования показали, что данная схема заполнения колс жидкостью или воздухом работоспособна, но основная проблема состоит во временном диапазоне заполнения колеса жидкостью. Поскольку стандартные штуцера имеют довольно малое проходное сечение по сравнению с внутренним объмом шин, поэтому рекомендуется использовать пневмовальцы с бескамерными шинами, и тогда в колеса можно устанавливать нестандартные штуцера большего диаметра.

6.2.2. Пневмошинный рабочий орган катка с металлическими бандажами Рассмотрим вибрационный пневмошинный рабочий орган, в котором необходимая жсткость пневматических шин обеспечивается металлическим каркасом. Применение металлического каркаса позволяет максимально, по жсткости, приблизить пневмовалец к металлическому вальцу. Появляется возможность эффективного использования вибрации [105, 106].

Рабочий режим катка с автоматической системой обеспечения жсткости может осуществляться следующим образом. На первых этапах уплотнения замки 7 каркасных полурам 6 разжаты и не касаются поверхности шин 3, т.е. каток работает в обычном режиме, при котором контактные давления регулируются изменением давления внутри шин. На заключительном этапе, когда уплотняемый материал набрал определнную прочность и для его дальнейшего уплотнения необходимо создавать высокие контактные давления, дополнительная рама «раскрывается» полурамами 6 вокруг оси 4 вальца 1, замки 7 прижимают полурамы 6 вплотную к шинам при максимальном внутреннем давлении в них.

Таким образом, шины и каркасная дополнительная рама объединяются в жсткую конструкцию, которая обеспечивает высокие контактные напряжения и возможность эффективного применения вибрации в конце укатки.

1 – валец;

2 – основная рама;

3 – набор шин;

4 – ось;

5 – дополнительная рама;

6 – каркасная полурама, 7 – замок (электромагнитный, пневматический, гидравлический или др.) Рисунок 6.9 – Рабочий орган катка с изменяющейся жсткостью Рекомендации по выбору шин. Данные рекомендации аналогичны тем, что были приведены при обосновании вибрационного гидрошинного катка, с тем отличием, что у данной конструкции в вибрационном режиме нагрузка на шины будет несколько снижена, т.к. динамическая нагрузка вибровозбудителя будет частично восприниматься металлическим каркасом. Требования к шинам в этом случае можно несколько снизить, и использовать стандартные шины, применяемые для пневматиков, в частности [38, 29], по своим характеристикам подходят шины типа Ф-10А (таблица 6.5).

Обоснование бандажей. Основным элементом, обеспечивающим повышенную жсткость пневматических шин, в данном случае являются бандажи, которые могут быть как элементом автоматической системы обеспечения жсткости (рисунок так и съмными элементами, 6.9), монтирующимися на валец вручную (рисунок 6.11).

Рисунок 6.10 – Съмный бандаж для обеспечения жсткости пневмовальца Таблица 6.5 – Характеристики шины Ф-10А Тип Размер шины 14.00- Исполнение:

TT – камерное ТТ TL – бескамерное Тип рисунка протектора Гладкий Обода рекомендуемые 10. Ширина профиля, мм Обода допускаемые 8. Ширина профиля, мм Максимальная допустимая нагрузка, индекс Максимальная допустимая нагрузка, кг 4300. Внутреннее давление, кПа 400- Максимальная скорость, индекс A Максимальная скорость, км/ч Одинарная (О) спаренная (S) O Основной особенностью этих элементов должна быть их относительно небольшая толщина, т.к. жсткость приведнной конструкции обеспечивается не жсткостью самих бандажей, а способностью металлических элементов сопротивляться усилиям на растяжение. Здесь имеется в виду эффект велосипедного колеса, когда спицы являются тонкими металлическими стержнями и, конечно же, должны сгибаться под действием веса человека, но в велосипедном колесе всегда работают спицы, находящиеся в его «верхней части», и на них действуют растягивающие усилия, которым они хорошо сопротивляются. Подобного эффекта необходимо достичь и в данной конструкции.

Бандажи для этого должны быть расположены симметрично относительно осей вальца (рисунок 6.11.).

Рисунок 6.11 – Жсткий пневмошинный рабочий орган катка Количество бандажей необходимо выбирать из условия получения максимальной жсткости вальца при их минимальном количестве.

С точки зрения совершенствования технологического процесса уплотнения, операции по установке и снятию бандажей должны занимать минимальное время.

Поэтому для пневмошинного рабочего органа катка с металлическими бандажами было разработано устройство автоматического регулирования жсткости (рисунок 6.13). Принцип его действия заключается в том, что бандаж выполняется разрезным (рисунок 6.12). Части бандажа соединяются пружиной 3, внутри пружины протягивается металлический трос 5, один конец которого крепится к торцевым концам 1 части бандажа, а второй конец крепится на натягивающий шкив 6, расположенный на раме или оси вальца. Система привода натяжения состоит из редуктора 8 и двигателя 7 (электро- или гидромотор), и натяжного шкива 6. Таким образом, на начальной стадии процесса уплотнения, когда необходимо большое пятно контакта и невысокая жсткость рабочего органа, трос 5 расслаблен, и бандажи за счт пружин деформируются вместе с шинами. На конечных стадиях процесса, когда необходима высокая жсткость рабочего органа для снижения диссипации энергии вибровозбудителя, давление в шинах увеличивается, а бандажи натягиваются за счт наматывания троса 5 на натяжной шкив 6 при помощи привода. Включение приводного мотора 7 может осуществляться нажатием кнопки из кабины оператора катка и займт минимальное время.

Рисунок 6.12 – Бандаж разрезной для устройства, регулирующего жсткость рабочего органа Рисунок 6.13 – Устройство для регулирования жсткости вальца 6.2.3. Виброимпульсный пневмошинный рабочий орган катка В данной конструкции источником колебаний являются пневматические шины, обладающие упругими свойствами, которые периодически «сжимаются»

специальным устройством, а «разжимаются» за счт собственных упругих сил (рисунок 6.14.).

Рабочим органом данного катка является пневмовалец 1, который содержит основную раму 2 и набор упругих оболочек (шин) 3. На основной оси 4 вальца крепится дополнительная шарнирная рама 5, поверхность соприкосновения которой с шинами 3 состоит из свободно вращающихся роликов 8, закреплнных на осях 9 в каркасе 6, состоящем из двух частей, скреплнных посередине шарниром 7, концы каркаса связаны вибрационным устройством 10. При работе катка охватывающая шарнирная рама 5 с помощью вибрационного устройства периодически «сжимает–разжимает» упругие оболочки (шины) 3, заставляя их испытывать деформацию, под направленным воздействием которой уплотняемый материал испытывает динамические нагрузки. Угол приложения динамических виброимпульсов регулируется углом поворота шарнирной рамы 5 относительно вальца 1.

v 9 5 Рисунок 6.14 – Виброимпульсный пневмошинный рабочий орган с альтернативным возбуждением вибрации Принцип действия. Работа вальца осуществляется следующим образом. При движении катка рабочим ходом дополнительная шарнирная рама 5 под действием вибрационного устройства 10 периодически «сжимает–разжимает» упругие оболочки (шины), которые деформируясь в определнном направлении (направление деформации выбирается поворотом дополнительной шарнирной рамы 5 относительно оси 4 вальца 1), передают вибрационные импульсы уплотняемому материалу, т. е. при любом давлении и типе рабочего тела внутри шины имеется возможность эффективно уплотнять дорожно-строительные материалы не только за счт статического воздействия от массы катка, но и направленного вибрационного воздействия.

Дополнительная шарнирная рама должна плотно прилегать к определнному сегменту поверхности вальца с целью уменьшения лишних потерь виброимпульсов. При сжатии шины специальным устройством (электромагнитное, пневматическое, гидравлическое и т. п.) е деформация, а значит, и дополнительное воздействие на уплотняемую поверхность, происходит в определнном направлении, изменяя амплитуду вибрационного устройства (амплитуду сжатия шины);

имеется возможность изменения интенсивности воздействия и времени контакта на уплотняемый материал без изменения давления внутри шин. В данном вальце пневмошины способны передавать динамические импульсы без ощутимых потерь независимо от типа рабочего тела внутри них, даже при небольших давлениях. Данная конструкция позволяет снизить эффект «волнообразования» в уплотняемом материале при правильно выбранном угле приложения виброимпульсов, за счет поворота дополнительной шарнирной рамы относительно оси вальца на определнный угол.

Рекомендации по выбору шин. В данной конструкции пневматические шины испытывают максимальные нагрузки, поэтому к их характеристикам необходимо предъявлять наиболее высокие требования, которым отвечают именно шины авиационного типа (таблица 6.6) с небольшими гистерезисными потерями при деформации.

Таблица 6.6 – Характеристики шин авиационного типа Посадоч. Статич. Рабочее Модель Масса Тип Изг-ль Камера диаметр, нагрузка, давление без шины шины, кг мм Н нагрузки, МПа БШЗ, 700х250 6А + 354,5 16190 0,392 16, ЯШЗ 720х310 5А ЯШЗ + 246,2 31590 0,490 21, БШЗ,ЯШ 930х305 10А + 404,8 62290 0,882 37, ЗКШЗ БШЗ,ЯШ 930х305 10А + 404,8 31100 0,589 37, ЗКШЗ БШЗ,ЯШ 930х305 14А + 404,8 67220 0,882 37, ЗКШЗ БШЗ,ЯШ 930х305 14А + 404,8 33340 0,589 37, ЗКШЗ 6.2.4. Кулачковый пневмошинный рабочий орган дорожного катка Кулачковые катки эффективны на связанных глинистых грунтах, контактные напряжения у таких катков саморегулируются за счт глубины погружения кулачков. Как показал практический опыт, этого недостаточно для осуществления полного цикла процесса уплотнения. Ещ одним минусом можно назвать недостаточную ровность поверхности после работы классических кулачковых катков. Суть конструкции заключается в том, что валец (рисунок 6.15) выполнен в виде металлической обечайки, которая имеет отверстия с подвижными кулачками и систему регулировки степени выдвижения кулачков, с целью обеспечения широкого диапазона регулировки контактных давлений и ровности поверхности вальца.

1 – валец;

2 – обечайка;

3 – кулачки;

4 – пневматические шины Рисунок 6.15 – Кулачковый адаптивный пневмошинный рабочий орган Принцип работы заключается в следующем: на начальной стадии уплотнения, когда необходимы низкие контактные давления, давление воздуха в шинах 4 снижается, кулачки 3 втянуты «вровень» с обечайкой вальца 2, поэтому площадь контакта максимальна, а контактные давления соответственно минимальны. По мере увеличения прочности материала, для продолжения процесса его уплотнения необходимо повышать контактные давления, что осуществляют повышением давления в пневмошинах 4, которые, увеличиваясь в объме, «выталкивают» кулачки 3 наружу, уменьшая поверхность контакта и увеличивая контактные давления. Если же на финальной стадии уплотнения необходима высокая ровность обрабатываемой поверхности, то снижая давление в пневмошинах 4, кулачки 3 «втягиваются» и последние проходы выполняют в режиме гладковальцового катка.

Проведнные исследования позволили запатентовать (приложение 5) и предложить к внедрению (приложение 6) ряд конструкций рабочих органов дорожных катков, которые способны к широкой адаптации своих параметров как по контактным напряжениям, так и по параметрам вибрации в зависимости от состояния и свойств обрабатываемого грунта. Очевидно, что данные способности позволяют выделить новую категорию адаптивных дорожных катков, что приводит к необходимости усовершенствования существующей классификации уплотняющей техники разработанной, проф. В. Б. Пермяковым, проф.

А. В. Захаренко и др. Усовершенствованная классификация уплотняющей техники представлена на рисунке 6.16.

Уплотняющие машины 1.1 Непрерывный Уплотняющие средства всех типов с 1. Контроль бортовыми, или автономными средствами характеристик контроля (катки, виброплиты, трамбующие материала в процессе машины, асфальтоукладчики) уплотнения 1.2 Эпизодический 2.1 Саморегулирование от прохода Каток с прерывистой рабочей поверхностью, с бочкообразным вальцом к проходу ОАО«Раскат»



Pages:     | 1 |   ...   | 2 | 3 || 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.