автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Автоматизация технологического процесса уплотнения грунтов насыпных строительных сооружений

На правах рукописи

КАЩЕЕВ Алексей Алексеевич

АВТОМАТИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА УПЛОТНЕНИЯ ГРУНТОВ НАСЫПНЫХ СТРОИТЕЛЬНЫХ СООРУЖЕНИЙ

Специальность 05 13 06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (строительство)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ООЗ 1Т°и f^=>

Москва-2007

003176076

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования (ГОУ ВГЮ) Московском государственном строительном университете (МГСУ)

Научный руководитель:

Кандидат технических наук, профессор Тихонов Анатолий Федорович

Официальные оппоненты:

Доктор технических наук, профессор Марсов Вадим Израилевич

Кандидат технических наук, доцент Плотников Николай Михайлович

Ведущая организация:

Научно-Производственный центр «Строительство» Российской инженерной академии

Защита состоится 12 ноября 2007г в 13 00 часов на заседании диссертационного совета Д212 138 01 при ГОУ ВПО Московский государственный строительны^ университет по адресу 115114, Москва, Шлюзовая набережная, д 8, ауд 528

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО МГСУ

Автореферат разослан 12 октября 2007г

Ученый секретарь диссертационного совета

Куликова Е Н

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. С увеличением объемов земляных работ в современном строительстве повышаются требования к качеству уплотнения грунтов при сооружении оснований фундаментов для различных зданий и сооружений, гидротехнических дамб и плотин, насыпей железных и автомобильных дорог, устройств магистральных трубопроводов и др

Важным звеном технологического процесса устройства насыпных строительных сооружений является получение требуемой плотности грунта по всей толщине уплотняемого слоя, так как уплотнение грунта обеспечивает прочность, стабичьность и несущую способность возводимых насыпных строительных сооружений Некачественное производство работ по уплотнению грунтов приводит к разрушению возводимых сооружений, а нередко и к аварийным ситуациям, что связано с большими материальными и трудовыми затратами на ликвидацию этих последствий Известны случаи появления трегцин в дорожном покрытии, осадки поверхности грунта в траншеях для трубопроводов, оснований и фундаментов Особенно опасны разрывы магистральных трубопроводов с газом и горючесмазочными материалами в результате осадки трубопровода из-за некачественного уплотнения, что может привести к экологической катастрофе Установлено, что до 60% повреждений земляных сооружений происходит из-за некачественного уплотнения земляных насыпей и покрытий

Особенно актуальной является эта задача в связи с бурным развитием в последние годы нефтяной и газовой промышленности, так как увеличиваются объемы работ по сооружению траншей для прокладки магистральных трубопроводов

На основании «Руководства по гидротехническому контролю при производстве земляных работ», М Стройиздат, 1994, с 5-6, в настоящее время основными методами контроля качества уплотнения насыпных грунтов инженерных сооружений являются методы, основанные на отборе и анализе проб грунта в лабораторных условиях Недостатком этих методов является большая продолжительность лабораторных анализов, которые требуют значительного технологического перерыва в производстве работ и, в случае неудовлетворительного результата, нет возможности внести коррективы, так как грунт уже уплотнен, а содержание передвижных лабораторий для оценки степени уплотняемых грунтов требуют дополнительных материальных затрат

Решение задачи повышения плотности грунта за счет приблизительного увеличения числа проходов машины при уплотнении по одному следу приводит к снижению производительности грунтоуплотняющей машины, ввиду несанкционированных проходов на одной захватке, перерасходу горюче-смазочных материалов и износу грунтоуплотняющих механизмов машины и, кроме того, в результате возможного переуплотнения грунт снова разрыхляется и уплотняемая поверхность теряет свою прочность

Анализ технологического процесса уплотнения грунта и свойств строительных насыпных материалов позволил установить, что для каждого вида материала и назначения уплотняемой поверхности существует оптимум технологии обработки, сочетающий выбор типа уплотняющей машины, режимов управления регулирующими органами и параметров уплотняющих воздействий с учетом

внешних неконтролируемых возмущений Поэтому назрела острая необходимость создания новых прогрессивных автоматизированных устройств управления режимами работы грунтоуплотняющей машины и оперативного контроля степени уплотнения грунта для обеспечения необходимых технико-экономических показателей, что возможно только в автоматизированном технологическом процессе уплотнения при наличии как систем управления, так и информационных систем, что определяет основное направление и актуальность избранной темы диссертации

Работа выполнялась в соответствии с индивидуальным планом обучения автора в аспирантуре МГСУ и планами НИР кафедры «Автоматизации инженерно-строительных технологий» и «Электротехники и электропривода» в рамках межвузовской научно-технической программы «Строительство» (научное направление 7 2- Совершенствование технологии строительства и строительно-монтажных работ)

Цель работы. Основная цель диссертации - разработка и исследование научно-обоснованной системы автоматизированного управления технологическим процессом уплотнения (САУ-ТУ) грунтов насыпных строительных сооружений на базе информационного обеспечения степени плотности грунтов при регулировании параметров грунтоуплотняющей машины Для достижения поставленной цели:

• выполнен анализ зарубежного и отечественного опыта автоматизации технологических процессов уплотнения насыпных строительных грунтов, приведены недостатки существующих методов и технических решений,

• разработаны технологические обоснования, позволяющие определить возможность автоматизации технологии уплотнения насыпных грунтов,

• исследованы закономерности влияния на степень уплотнения грунта регулируемых параметров и внешних случайных воздействий,

• выполнена математическая модель по системе «виброуплотняющая машина -уплотняемый грунт», как совокупность исследуемого объекта автоматизации,

• разработаны и реализованы устройства контроля параметров управления и внешних случайных воздействий,

• разработан метод непрерывной оценки степени уплотнения грунта с выдачей информационных сигналов от частотного преобразователя,

• разработаны структура построения и современные технические средства системы управления и измерения параметров технологического процесса уплотнения насыпных грунтов,

» выполнена экспериментальная проверка полученных результатов

Методика исследований В перечисленных исследованиях и разработках были использованы методы линейного синтеза управления, методы случайных процессов и оптимального моделирования факторных экспериментов, методы математического моделирования технологических процессов и электроприводов, работающих в условиях при воздействии случайных возмущений, теория автоматического дискретного управления и оптимизации

Теоретической основой исследования стали труды Акишина И П, Баркана Д А , Баумана В А , Быховского И И, Бутенина Н В , Доценко А И, Исраилова

С И , Тарасова В С , Тихонова А Ф , Фролова А К , Шилкова В А , Чаботарева Л М, Урунича В М и других ученых

Научная новизна. Научной новизной обладают следующие основные результаты выполненных исследований

• разработана и исследована методика оценки степени уплотнения грунта по величине амплитуд гармонических колебаний уплотняемой поверхности, преобразованных в электрический сигнал,

• установлены и исследованы аналитические зависимости регулируемых параметров на степень уплотнения насыпного грунта с учетом случайных внешних воздействий,

• проведен теоретический анализ влияния эксплуатационной производительности вибродинамической машины от степени уплотнения насыпного грунта,

• разработана математическая модель технологического процесса уплотнения грунта по системе «вибромашина - уплотняемая поверхность», на основе обработки большого массива данных ласс/вного к активного экспериментов,

« теоретически обоснованы положения по созданию вибродинамического плотномера и устройства непрерывного контроля влажности уплотняемого грунта,

• разработаны модель, структура и алгоритм управления исполнительным механизмом виброуплотняющей машины, что явилось теоретическим обоснованием для разработки и внедрения системы автоматизированного управления технологией уплотнения (САУ-ТУ) насыпного грунта

Основные положения выносимые на защиту.

1 Теоретической обоснование по интенсификации технологических процессов уплотнения грунтов насыпных строительных сооружений с развитием методов вибродинамического непрерывного контроля прочности уплотнения поверхности, позволившие выработать научный подход уплотняемой поверхности, позволившие выбрать научные подход и методические основы разработки системы автоматизированного управления режимами работы гурнтоуплотняющей машины на основе современных методов и средств автоматизации

2 Методы оценки потенциальной возможности системы управления технологией уплотнения грунтов при вариации регулируемых параметров для обеспечения оптимальной степени уплотнения при наличии внешних случайных воздействий

3 Математическая модель системы «вибромашина - уплотняемая поверхность» на основе многоцелевой критериальной функции

4 Методика автоматического определения степени уплотнения грунта в зависимости от изменения амплитуд и частот гармонических колебаний, уплотняемой поверхности грунтовых материалов

5 Экспериментально-аналитическая модель, структура и характеристики автоматизированной системы управления рабочим механизмом грунтоуплотняю-щей машины с оперативным контролем степени уплотнения насыпного материала

Практическая значимость. Значимость вылочненных исследований заключается в совершенствовании технологического процесса уплотнения насыпных строительных грунтов путем создания на результатах исследований автоматизи-

рованной системы управления рабочим органом вибродинамических грунтоуп-лотняющих строительных машин (вибротрамбовок и виброкатков) с непрерывным контролем в процессе работы степени уплотнения грунта Система позволяет повысить на 12% производительность машины при высоком качестве уплотнения, снизить расход горюче-смазочных материалов уменьшить износ рабочих органов и исключить передвижные лаборатории для инспекционного контроля прочности уплотняемой поверхности, что в среднем на 18% сокращает годовые затраты на выполнение технологических операций

Проведенные исследования позволяют научно - обоснованно создавать новые грунтоуплотняюхцие машины и проводить модернизацию существующих, в части оснащения их исполнительными механизмами для регулирования режимов работы

Реализация результатов исследований Опытная эксплуатация системы управления в ООО «Технопромстроймонтаж>> и в ОАО «Волгагипроавтотранс» подтвердила эти технико-экономические показатели

На основе полученных практических результатов для проектных организаций, специализирующихся на разработке средств автоматизации строительных и дорожных машин подготовлены «Исходные технические требования на САУ-ТУ», проектная документация и паспорт опытного образца системы

Результаты исследований используются в учебном процессе для подготовки инженеров по эксплуатации средств автоматизации в МГСУ, МШСХиС, ВЗИИТ и НГАСУ по специальности 29 13 00 «Механизация и автоматизация строительства»

Публикации и апробации работы. Результаты исследований отражены в 7 публикациях автора, докладывались и обсуждались на 8-й и 9-й Нижегородской сессии молодых ученых «Теоретические науки» (г Дзержинск, 2004 г), Международной научно-технической конференции «Интерстроймех-2005» (г Тюмень, 2005 г), Международной научно-технической конференции «Интерстроймех-2006» (гМосква, 2006 г), 11-й Московской Межвузовской научно-технической конференции студентов и молодых ученых по теме «Подъемно-транспортные, строительные и дорожные машины (г Москва, 2007 г)», заседаниях Ученого Совета факультета «Механизация и автоматизация строительства» и научно-технических семинарах «Механизация и автоматизация строительства и строй-индустрии» МГСУ в 2005-2007 г г

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5-и пав основного текста, общего заключения, библиографического списка литературы, насчитывающего 112 наименований и двух приложений Объем работы 198 стр , в том числе основной текст -132 стр , 102 рисунка, перечень литературы -10 стр

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении проанализировано значение проведенных исследований и достигнутых результатов в ряду других работ, направленных на решение задач автоматизированного управления технологическим процессом уплотнения грунтов насыпных строительных сооружений Обоснованы актуальность, научная и практическая значимость диссертации, сформулирована ее цель и задачи исследова-

ний, изложены методы достижения этой цели, сформулированы основные положения, выносимые на защиту

В первой главе диссертации произведен анализ работ, связанных с вопросами совершенствования технологии и автоматизации технологических процессов уплотнения насыпных строительных грунтов, определяя тем самым актуальность основных направлений диссертационных исследований

Проведенный анализ отечественных и зарубежных [21, 25, 28, 43, 81, 98, 110] (фирмы «Кейс-Вибромакс» и «Бомаг» - ФРГ, «Дунапак» и «Геодинамик» -Швеция, «Вест-Ампинг» - Австрия и др ) устройств контроля степени уплотнения грунта показал, что такие устройства контроля плотности основаны на радиоизотопном методе измерений (гамма-плотномер), который не обеспечивает точного показания при уплотнении грунтов с размером самого крупного зерна до 80 мм, чувствительны к изменению рельефа поверхности уплотнения и дают точные показания только при глубине уплотняемого слоя до <25-30 см Для устранения этого необходимо увеличить сигнал за счет увеличения мощности источника излучения до 150 тС(, что требует обязательной биологической защиты путем свинцового экранирования источника радиоактивного излучения и, как следствие этого, приводит к увеличению затрат на монтаж и наладку Кроме того, в обществе нарастают явления «радиофобии» Отсутствие непрерывного контроля влажности уплотняемого грунта, степень которого во многом зависит от влажности исходных материалов не позволяет более полно использовать местные грунтовые материалы с большей степенью увлажнения (глина, суглинки, песок), что исключает создание малоотходных или безотходных технологий при добыче и разработке исходных строительных материалов

Вторая глава посвящена обоснованию методики оценки степени уплотнения грунта в процессе работы грунтоушютняющей машины

Наиболее перспективными с точки зрения автоматизированного управления режимами работы контроля степени уплотнения грунта являются машины ударно-вибрационного действия с кривошипно-шатунным возбудителем колебаний Это обстоятельство и послужило основой для определения метода оценки степени уплотнения грунта, так как скорость нарастания прочности грунта функционально зависит от амплитуды, частоты и времени действия гармонических колебаний поверхности уплотняемого материала Эти параметры являются основополагающими для разработки автоматического вибродинамического плотномера и на его основе системы управления

Отличительная особенность машин с регулируемыми параметрами (рис 1) состоит в возможности оказывать комплексное воздействие ударной части на уплотняемый грунт за счет изменения силы, частоты и длительности ударного импульса, частоты вибрации

Осциллограммы гармонических колебаний (рис 2) показывают, что гармоники А0 и А, практически не изменяются в зависимости от числа проходов машины, но значительно подвержена изменению гармоника, связанная со степенью уплотнения грунта Уровень гармоник Л, и А 2 с большой достоверностью определяет основной показатель, каким является текущее фактическое значение степени уплотнения грунта - р ф

Рис 1 Структурная схема формирования амплитуд гармонических колебаний грунта при работе виброуплотняющего механизма с регулируемым импульсом удара

Ж - пт вибромеханизма чо поверхности слоя (]-а? гармоника) -^з - на рабочем механизме, Л2 - от вибромеханизма по высоте уплотняемого слоя #0 (2-ая гармоника), и Л2 - от поверхности слоя (1-ая гармоника) и от глубины На (2-ая гармоника)

Рис 2 Характеристики синусоидальных входных вибрационных сигналов в зависимости от числа проходов грунтоуплотнжицей машины а - в начальный период, б - на заключительном этапе уплотнения Малоуплотненный грунт имеет наименьший модуль деформации, характеризующий степень упругости грунта и поэтому гармоники вибрационных колебаний имеют очень слабый сигнал По мере увеличения степени уплотнения (грунт становится более «жестким») появляются основные гармоники колебаний поверхности грунта Ах и А2

Выходной координатой колебательного звена является амплитуда механических колебаний Дифференциальное управление всей системы автоматизированного управления может быть записано в виде

¿[х

(1)

где ш- приведенная масса, Ъ и с- коэффициент сопротивления и жесткости, ю- частота изменения вынужденного колебания, 1- текущее время, г - время запаздывания, /?х3- нелинейность колебательной системы, Р - сила удара рабочего органа

Аналитическое выражение амплитудно-частотной характеристики можно записать в виде

\ а] -со2р А; соь(от \ +| 2йю~ДД25т©г | = ^ 2, (2)

42т2 '

где А: - амплитуда вьшужденных колебаний, Ь=Ь/2т - коэффициент деформирования грунта, а>0 = Vс!т - частота собственных незатухающих колебаний системы, 1 - номер соответствующей амплитуды

Выполненное с помощью ЭВМ моделирование колебательной системы подтвердило, что величина запаздывания получения сигнала от РО до системы управления влияет на форму амплитудно-частотной характеристики, что связано со степенью нарастания плотности грунта

Важной задачей является объективно определить величины амплитуд гармоник Л1 и Л2, выделить их из общих амплитуд основную частоту гармонических колебаний с учетом внешних неуправляемых воздействий

Критерий качества уплотнения по вибродинамическому способу контроля является универсальным, так как измеряются не абсолютные значения амплитуд гармонических колебаний, а их усредненные величины в пределах уплотняемого участка заданного размера При этом решена наиболее сложная проблема - создан анализатор, позволяющий обеспечить фильтрацию из спектра частот главные частоты гармонических колебаний А1 и Аг , функционально связанные со степенью уплотнения грунта (рис 3)

В результате определяется зависимость между числом проходов вибромашины и фактической плотностью грунта, с одной стороны, и амплитудными значениями для первой и второй гармоник колебаний грунта - с другой

Рис 3 Структурная блок-схема аппаратуры вибродинамического плотномера- ВДП

1 - задатчик, 2 - элемент сравнения, 3 - усилитель входной, 4 - компаратор, 5 - счетчик импульсов, 6 - преобразователь амплитуд гармоник, 7 - устройство управления, 8 - устройство индикации, 9 - информационный прибор, 10 - система автоматизированного управления, 11 - вибродинамический датчик, 12 - экранированный кабель

Установленный на опоре вальца виброкатка или на раме плиты вибротром-бовки акселерометр воспринимает вертикальную составляющую вибрации В случае неуплотненного грунта воздействие последнего на вибровалец минимально (незначительный отпор неуплотненного грунта на рабочий орган машины) и

входной сигнал датчика имеет синусоидальную амплитуду колебаний, так как, присутствует в основном, первая гармоника Ах частоты вибрации уплотняемой поверхности (рис 2, б)

По мере уплотнения грунта усиливается воздействие на вибровалец, выходной сигнал датчика изменяется, и форма сигнала из синусоидальной превращается в наклонную нелинейную характеристику, так как в спектре сигнала появляются гармоники, кратные основной частоте Л2 (рис 4а, участок А - В) В устройстве выделяются из входного сигнала основная частота- первая и вторая гармоники этой же частоты После детектирования этих сигналов вычисляется отношение второй гармоники к первой, которое и характеризует степень уплотнения грунта в зависимости от числа проходов В основу алгоритма положен метод обработки входного сигнала при помощи преобразования ряда Фурье

При нарастании плотности от прохода к проходу эта неравномерность в значительной мере уменьшается и происходит выглаживание амплитуд 1-ой и 2-ой гармоник (рис 4, б) [М1-Я

■»о 60 50 40 30 20 0

\ " о

1*

1 / л

1

I Г

*я

1%] м

I)

/

/

1

/

12 3 4 5 6 7

Рис 4 Зависимость амплитуд и частоты гармонических котебаний поверхности и степени уплотнения грунта от числа проходов машины 1 - степень уплотнения на поверхности грунта, 2 - на глубине 40 см

Входной синусоидальный сигнал определяется по выражению

А(к) = —^А(п)\со&—тк-1 зт—тк У 1 Х \ N N

(3)

где А- амплитуда входного синусоидального сигнала, к- номер гармоники (к= 1,2), т- номер промежуточного текущего отсчета, 1т - мнимая часть комплексной плоскости, N - количество отсчетов, п - число проходов Из формулы (3) получаем амплитуду 1-ой гармоники

~\1Л)\

(4)

где Яе- вещественная часть комплексной плоскости Амплитуда 2-ой гармоники ко аналогии с (2) будет

На основании формул (4) и (5) получаем степень уплотнения грунта к отношению амплитуды 2-ой гармоники к амплитуде 1-ой

р -Ш>г!сл? ф т

(6)

Влажность уплотняемых грунтов является величиной переменной, зависящей от погодных условий, рельефа местности (выемки, колеи, низины и др) и влажности насыпных грунтов

ч. г

\

V,

/

1

2 4 6 8

10 12 14 16 М [%]

Рис 5 Зависимость степени уплотнения грунтов от их влажности 3 -глинистые, 2 - песчаные С увеличением влажности грунта степень уплотнения рф снижается практически на 35% для глинистых грунтов и на 30% для песчаных (рис 5)

Поэтому важным этапом технологии уплотнения грунтов является непрерывный контроль их влажности и автоматической корректировки в процессе работы машины фактической степени уплотнения грунта с учетом его увлажнения

Для автоматизированного управления режимами работы механизмов уплотнения грунта, которые находятся в непосредственном контакте с уплотняемой поверхностью, необходимо иметь текущую информацию о влажности уплотняемого материала, положении рабочего органа относительно поверхности уплотнения, профиле этой поверхности, скорости движения машины

Тенденцией развития средств измерения является применение радиоволнового СВЧ-метода и разработка на его основе бесконтактных устройств контроля влажности уплотняемого грунта, основан на измерении физических величин, косвенно связанных с влажностью уплотняемого насыпного строительного материала

Основой метода измерений с применением СВЧ является зависимость от влагосодержания материала затухания «В» за счет фазового сдвига прошедшей через него волны При этом, кроме влажности «М» на показатель «В» оказывают влияние ре и Я 0

В = Мр,Н0 (7)

Для почвы, представляющей собой сложную гетерогенную систему, проницаемость волны Я в грунт зависит от диэлектрических свойств материала, его

химической природы, плотности, пористости, формы межпоровых связей воздуха и влаги с твердой фазой и частоты электромагнитного поля

Поэтому важным параметром, обеспечивающим эффективную работу СВЧ-влагометра, является длина волны Л, которая зависит от высоты антенны (источник СВЧ-излучения) к на машине относительно поверхности уплотняемого грунта до устройства приема сигналов (УПС) На рис 6 кривыми 1, 2, 3 и 4 изображены зависимости тока антенны от высоты расположения УПС над почвой при четырех значениях длины волн, увеличивающихся с номером кривой

J £><и

0,3 А Ем] о 0,7 0.6 09 А Дм]

Рис 6 Зависимость тока антенны J0 от высоты к расположения УПС над почвой при значениях длины вочны равных 0,6, 0,7, 0,8, 0 9 и соответствующих им нулевых точках У0 (0,6), ^о (0>7)» 3о (0,8), ^о (0,9) - кривые 1, 2, 3 и 4 зависимость нулевого тока антенны от длины

при фиксированном значении высоты Ьх - кривая 5, зависимость нулевого тока антенны от длины волны - кривая 6

Излучение датчика направляется перпендикулярно поверхности почвы В результате суперпозиции падающих на поверхность почвы и отраженных от нее электромагнитных волн в пространстве между датчиком и почвой устанавливается стоячая волна напряженности электрического поля с характерным для нее чередованием максимумов и минимумов Причем действующее значение напряженности в экстремумах линейно связано с модулем коэффициента отражения радиоволн от поверхности грунта Коэффициент К пт является основным информативным параметром при определении влажности уплотняемого грунта и определяется

^от мака ^мж (8)

Изменение упомянутой напряженности преобразуется датчиком в пропорциональные изменения тока J При перемещении датчика по вертикали /г над поверхностью почвы ток -I, отражая распределение поля в пространстве, проходит через максимумы и минимумы зависимости М), колеблясь относительно некоторого значения 3 ^

Третья глава содержит результаты технологических обоснований возможности автоматизации процесса уплотнения грунтов с использованием вибродинамического метода, методики оценки влияния регулирующих параметров на степень уплотнения насыпных материалов и математической модели, позволяющей проверить проведенные исследования на адекватность их функционирова-

ния Этот этап теоретических исследований является основой для разработки САУ-ТУ насыпных строительных грунтов

Важной технологической задачей является управление рабочим органом машины по сигналам от виброплотномера контроля степени повышения уплотнения трунта, что позволяет оптимизировать работу грунтоуплотняющей машины

Величина фактического показателя уплотнения определяется с помощью экспоненциальной зависимости (рис 4, б)

( —^

Рф=Р0+а-Р0)1~е'' , (9)

V У

где рф - степень уплотнения грунта перед началом производства работ, п - число проходов машины на одной захватке, X - параметр, определяющий скорость нарастания уплотнения грунта по мере увеличения числа проходов, ту - время уплотнения на одном участке

Зависимость у9) может определить показатель рф теоретически по косвенным параметрам с большими допущениями о постоянстве значений X ту и п Показатель рф зависит не только от числа проходов, но и от внешних воздействий и регулируемых параметров Рр

К внешним возмущающим относятся М - влажность уплотняемого грунта (рис 5), Н 0 - высота (толщина) слоя, Ум - гранулометрия и химический состав уплотняемого материала, 2. „ - условия строительного участка, например, рельефность связанная с перепадами высот, выемками, колеями и низинами, Егр- степень упругости грунта, связанная со свойством сыпучей породы и переменной прочности в зависимости от степени его уплотнения

К регулируемым (компенсирующим) воздействиям, которые создаются исполнительным механизмом уплотняющей машины при автоматизированном управлении в процессе непрерывного уплотнения грунта, относятся п - число проходов машины по одной захватке, Ум - скорость движения машины, б) - частота вращения валов кривошипа (частота вибрации), ту - время уплотнения на

локальном участке, Ру - сила нанесения уплотняющего удара, /у - частота удара рабочего органа

В неуправляемой технологии уплотнения отсутствует возможность определения значений, перечисленных выше воздействий включая показатель Я, что не дает возможности получения оптимального значения рф

Технологический процесс уплотнения насыпных грунтов, как объекта автоматизированного управления можно представить в виде взаимосвязной структуры формирования управляемых регулируемых параметров для компенсации внешних случайных воздействий, что обеспечивает заданную степень уплотнения грунта (рис 7)

процессом уплотнения грунтов

Определение значений и времени действия регулирующих параметров, входящих в группу К и оценки влияния на рф нерегулируемых внешних воздействий Рв, позволило получить достоверную информацию о степени повышения фактической плотности грунта рф , так как от величины и времени действия сигналов, связанных с вибродинамическим гармоническим колебанием грунта при воздействии на него рабочего органа машины, во многом зависит качество работы автоматизированной системы управления

Очевидно что решение вопросов по определению влияний регулируемых параметров и неконтролируемых воздействий в такой взаимосвязанной динамической системе позволяющей автоматизировать технологический процесс уплотнения, возможно только с разработкой и внедрением микропроцессорной системы управления с гибким программным обеспечением, для создания которой на базе активного эксперимента получены показатели регулируемых параметров и внешних воздействий, влияющих на основной параметр р ф (рис 8)

Обобщенные характеристики (рис 8) позволяют обеспечить заданное значение рф при одновременном изменении нескольких параметров Например, значение р ф =0,8 можно получить числом проходов п=9 , но это увеличивает гу, что снижает Пэ А если уменьшить п до 2 (рф =0,6) и одновременно включить параметр Ш =100 об/мин. то это дает дополнительно рф =0,35 и суммарное значение составит р ф = 0,95>0,8 А с учетом влажности исходного материала, которая снижает р ф до 0,5, то необходимо для компенсации М увеличить © до 250 об/мин и т д

Рис 8 Обобщенные характеристики зависимости степени уплотнения грунта от различных регулируемых параметров и внешних воздействий Эксплуатационная производительность и высокая степень уплотнения во многом определяют технике - экономические показатели при выполнении строительных работ Критериями оптимальной работы уплотняющей машины являются максимальная производительность при минимальном числе проходов с обеспечением заданной плотности грунта

Эксплуатационная производительность определяется

п юоо(в-ь)Ум я0 г .

Иэ=---- Кв, \м1час\

(10)

где В - ширина полосы уплотнения, |>], ¿=0,1 м - ширина перекрытия смежных полос, Ум- скорость перемещения машины во время уплотнения, [л*/час], П - число проходов машины на одной захватке

В выражении 10 коэффициенты В,Ь ,КВ,Н„ не зависят от режима работы машины, но коэффициенты П и Ум функционально связаны со степенью уплотнения грунта рф (рис 9) Кроме того, время уплотнения гу на одной захватке, которое связано с Пэ, так же зависит от значений П и Ум,яо обратно - пропорционально относительно (10)

ЬН0 Г 1 ту=тпу— [.мин\5 (П)

м

где т - число полос уплотнения, Ь- длина участка уплотнения, [л]

юегV,,

1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0

Рис 1Т м<ч"»

п,

4 8 12 16 [КОЛ]

\

\ \

ч

0-1 о,е о.» Ш/у,

Рис 9 Зависимость степени уплотнения от числа Рис 10 Зависимость производительность проходов и скорости машины машины от прочности грунта

Поэтому 17з должна определяться в зависимости от основного показателя Рф , так как отсутствует технологическая необходимость максимального обеспечения Пэ при некачественном уплотнении грунта рф

Увеличение значения « " » приводит к снижению /7, и повышению рф , г большая скорость Ум повышаетПэ, но резко снижается рф (рис 9) Одновременно изменяется параметр ту по выражению (12) Если не регулировать параметры Рв, то для достижения заданного значения рф необходимо значительно снижать производительность II э (рис 10), за счет снижения скорости движения машины и увеличения числа ее проходов, что приводит к снижению технико-экономических показателей Устранить это противоречие позволяет САУ - ТУ за

счет регулирования параметрами СО и (рис 9), изменения которых позволяет увеличить значения рф , не снижая эксплуатационную производительность машины

Кроме того, САУ-ТУ непрерывно контролируя рф на различных скоростях ¥м определяет такое значение скорости движения машины, которое определяет максимальную степень нарастания Д рф Это позволяет полностью использовать скоростные качества машины с одновременным снижением числа проходов П и оптимизирует ту, что приводит к значительному повышению эксплуатационной производительности П3

Математическая модель системы «машина-уплотняющий грунт» подтвердила адекватность проведенных исследований по определению регулируемых параметров эффективно влияющих на рф в сочетании их применения с учетом

внешних влияющих факторов Рв и позволила обосновать структуру построения САУ-ТУ (рис 10)

МОДЕЛЬ технологии

Рис 10 Структура имитационной модели системы автоматизированного управления технологическим процессом уплотнения грунта

Четвертая глава посвящена разработке методики построения системы САУ-ТУ насыпных грунтов с использованием вибродинамического метода информационного обеспечения степени уплотнения

Основным этапом разработки САУ-ТУ является обоснование алгоритма и технических средств, обеспечивающих преобразование гармонических колебаний поверхности уплотняемого грунта от вибромашины в электрические сигналы с восприятием их в средствах автоматизации (виброплотномеры, фильтры частот, преобразователи сигналов, микропроцессор и др )

Для определения выходного напряжения от преобразователя вибродинамических колебаний необходимо использовать обобщенный показатель частота гармонических колебаний Так как время ее распространения по поверхности значительно больше чем время действия амплитуды виброколебаний А, (рис 2)

5 рл

Напряжение С/ определяется и i—— (12)

М Н0

ивь,фШКС) снимаемое с преобразователя дает команду на максимальное изменение регулируемых воздействий, как по величине их параметров, так и по количеству их включения (зона А) при минимальном значении ршн С увеличением степени уплотнения грунта (зона Б) уменьшаются значения параметров управления Рр и их количество при воздействии на грунт На конечном этапе технологии

уплотнения (зона В) 1}вых принимает минимальное значение, стремящееся к 0 и САУ-ТУ выходит на заданный (установившийся) режим работы, так как рф = рзадм, что приводит к отключению исполнительного механизма рабочего органа трамбующей машины

Для разработки структуры программного обеспечения составлена блок-схема алгоритма автоматизированной системы, на которой представлены основные функции каждой подсистемы, которые выделяются в отдельные алгоритмы и реализованы на уровне программ и подпрограмм (рис 12)

Рис 11 Зависимость выходного напряжения преобразователя вибродинамических колебаний от степени уплотнения грунта

А - зона глинимального изменения параметра ИМ, Б - зона максимального изменения параметра ИМ,

В - зона отключения ИМ, что свидетельствует о достижении заданной степени уплотнения

Рис 12 Алгоритм системы автоматизированного управления процессом уплотнения грунта

Технические средства САУ-ТУ имеет в своем составе бортовой компьютер, аналоговые и дискретные датчики, цифровую систему записи информации (рис 13) Выходные электрические сигналы датчиков преобразовываются в анало-гово-цифровое исчисление и представляются с высокой точностью в цифровом виде в АЦП

Информационный блок служит для сбора информации от датчиков Д, , Ум, п, ту, М, со, / , Ру и передачи ее в вычислительный блок 6, который через устройство вывода информации 4 вырабатывает сигналы управления

Д- вибродинамический акселерометр, -анализатор гармоник, ¥м- датчик скорости, п - датчик контроля числа подходов машины, г - датчик контроля времени уплотнения, М- датчик контроля уплотняемого грунта, со- датчик контроля числа оборотов вала кривошипов, / - датчик контроля частоты ударов РО о грунт, Ру - датчик контроля силы ударов РО о грунт, 1 - интерфейс ввода информации, 2 - устройство запоминания, 3 - аналого-цифровой преобразователь, 4 - устройство сравнения информации «Ввод-Вывод», 5 - дисплей и принтер (показание и запись информации), 6 - центральный бортовой процессор, 7 -

блок программного обеспечения, ИМ1 ИМ4 - исполнительные механизмы РО, соответственно, регулирования параметров со, Ум, /у, Ру

Рис 13 Структурная схема технических средств автоматизированной системы управления технологией уплотнения грунтов

Средняя величина зарегистрированных значений во время движения машины на первом проходе заносится в память микропроцессора и сравнивается со значениями, получаемыми при следующем проходе Если значения, фиксируемые микропроцессором, не изменяются, то уплотнение закончено и система переходит в ждущий режим и на индикаторном табло появляется соответствующая световая информация в цифровом значении

Для определения динамических свойств САУ-ТУ разработана структурная схема передаточных звеньев (рис 14)

Рис 14 Структурная схема передаточных звеньев САУ-ТУ задатчик оптимальной степени уплотнения р0, элемент сравне-

ния заданной степени уплотнения с фактической рф, ¥?ъ (р) - бортовой микропроцессорный ПИ-регулятор, Н^ (р) - тиристорный блок управления, Щ(р)~ регулирующий орган виброуплотняющей машины, Ш6{р)- технологический объект управления (грунт), ТУ7(р)- вибродинамический датчик контроля амплитуд гармонических колебаний грунта, преобразователь вибродинамических колебаний в напряжение для подачи его в элемент сравнения

Пятая глава содержит результаты экспериментальных исследований системы автоматизированного управления исполнительными механизмами вибродинамических машин при уплотнении насыпных строительных грунтов.

Изложены материалы по разработке и испытанию вибродинамического плотномера и преобразователя частоты виброколебаний, которые являются основополагающими устройствами в общей системе автоматизированного управления, включая блок процессорного модуля.

Разработана конструкция и экспериментально проверен принцип действия вибродинамического плотномера и преобразователя частоты гармонических колебаний в напряжение, которые показали надежность работы в процессе эксплуатации САУ-ТУ (рис. 15).

Рис. 15. Макетный образец акселератора и преобразователя

При испытаниях измерения проводились на самых различных грунтах, частично даже на материале, который с трудом поддаётся уплотнению по причине высокого содержания влаги.

Достоинством такой системы управления технологией уплотнения является непрерывный контроль в процессе работы машины достигнутой степени уплотнения грунта (значение плотности). Кроме того, определяется и процентное увеличение уплотнения за каждый проход вибромашины, при этом постоянно указывается рф в пределах уплотняемого отрезка. Эти показания служат для нахождения так называемых «просадок в уплотнении».

Испытания САУ-ТУ на адекватность показаний степени уплотнения грунта проводились в статическом и динамическом режиме работы машины.

В статическом режиме работы рабочий орган машины устанавливался над участком испытываемого грунта, а затем наносился удар с силой Гу. После этого определялся точечный прогиб 1п массива. Если обозначить через д среднее давление на грунт, а через 5 - его площадь, то модуль деформации Ео под площадью уплотнения Ро будет равен:

£„=5-^(1-0, (13)

где К п= 0,25 - коэффициент Пуассона уплотняемого материала.

Изменение плотности определялось по изменению модуля деформации. Для учёта остаточной деформации после первого удара выполнялся второй, таким образом, получали два значения модуля деформации грунта Е^ и Ег2 и рассчитывали их отношение, численно равное ориентировочной степени уплотнения грунта:

%2 П2

Таким образом, осуществлялся контроль плотности грунта основания толщиной Н0 = 20 см Динамический метод испытания основан на работе машины в эксплуатационном режиме, т е при работе уплотняющего устройства с помощью вибрации Для зернистых материалов глубина измерений составляла Я0 = 30 - 40см При этом опредетялось соотношение между модулями динамической и статической сжимаемости плотности сухого грунта

Всего при испытаниях было проведено более 600 замеров плотности грунта для грунтов из песка и глины при различных показателях влажности Ми разтич-ной толщине уплотняемого слоя Я0 При этом автоматизированная система управления испытывалась с регулированием различных параметров из класса Р ¥и, п, со, /у, Ру Получены характеристики рф = /(#„) для песка и глины

при А/= 10-23%, рф— ] (Для песка и глины при 77с —0,2 м и М — В — 23%,

рф = /(со) для песка при Я0 =0,4-1,2 м, рф = /(М) для глины и песка и др

Оператор постоянно информируется о действительной степени уплотнения насыпного грунта и имеет возможность вмешиваться с пульта управления в режим работы машины для получения оптимального результата уплотнения

Предварительный анализ показывает, что управление режимами работы вибромашины и объективная оценка качества уплотнения за счет автоматизации процесса контроля повысит производительность технологического цикла уплотнения грунтов не менее чем на 25% только за счет снижения числа проходов и увеличения скорости движения машины в процессе работы

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

В диссертационной работе содержится новое решение актуальной задачи совершенствования технологии уплотнения строительных грунтов различных типов что имеет существенное значения для создания средств автоматизации технологических процессов уплотнения грунтов

Разработанная и научно-обоснованная в диссертации система автоматизированного управления технологией уплотнения грунтов вибродинамическими машинами дает инженерам и проектировщикам совокупность новых знаний, представлений и навыков, позволяющих создавать современные грунтоуплот-няющие машины, оснащенные экономически эффективными системами автоматизированного управления на базе микропроцессорной техники

Новизна решения заключается в том, что впервые создана система управления параметрами грунтоуплотняющими машинами с непрерывным контролем степени уплотнения насыпных материалов с учетом внешних неконтролируемых воздействий

Полученные основные результаты могут быть сведены к следующему:

1 Теоретически обоснован и экспериментально исследован вибродиначеский метод контроля степени уплотнения грунта, путем измерения амплитуд гармонических колебаний поверхности уплотняемого грунта при его обработке рабочим органом вибромашины

2 Разработан принцип и конструкция вибродинамического плотномера на основе контроля гармонических колебаний грунта в технологическом процессе его уплотнения Особенностью вибродинамического плотномера является оперативное получение в режиме реального времени информационных управляющих сигналов для автоматизированной системы управления

3 Проведены теоретические исследования и разработан автоматический прибор непрерывного контроля влажности уплотняемой поверхности, что позволило системе управления учитывать этот внешний неуправляемый параметр, который в значительной степени влияет на прочность и долговечность уплотняемых грунтовых покрытий

4 Проведены исследования по оценке влияния характеристик управляемых параметров и внешних возмущающих воздействий и получена суммарная зависимость этих воздействий на степень уплотнения грунта в процессе непрерывной работы виброуплотняющей машины

5 Приведены обоснования необходимости регулирования режимом работы машины для обеспечения заданной степени уплотнения грунта при максимальной производительности

6 Разработана и исследована математическая модель «Управляемая виромашина - уплотняемый грунт», позволяющая обосновать оптимальную структуру системы управления степени уплотнения грунта регулируемыми параметрами в зависимости от заданной прочности грунта

7 Синтезирована структурная схема и алгоритм функционирования системы управления и разработана на основе программируемого логического контроля аппаратная реализация устройства автоматизированного управления технологических процессом уплотнения грунтов

8 На базе проведенных теоретических и экспериментальных исследований разработана автоматизированная система управления режимами работы грунто-угоютняющими вибродинамическими машинами, обеспечивающая повышение технико-экономических показателей строительно-монтажных работ

9 Достоверность результатов исследований и эффективности использования на практике разработанной САУ-ТУ доказана на примере эксплуатационных испытаний опытного образца системы управления технологией уплотнения грунтов на вибродинамической грунтоуплотняющей вибротрамбовке

10 Научные и практические результаты диссертации используются в учебном процессе при подготовке в МГСУ инженеров по автоматизации строительных и дорожных машин, в ряде научно-производственных строительных центров и фирм при проектировании новых и совершенствовании действующих систем автоматизации грунтоушютняющих машин различных модификаций, доложены на научных конференциях и семинарах, опубликованы в периодической печати и сборниках научных статей

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах

1 Тихонов А Ф , Кащеев А А Контроль степени уплотнения насыпных строительных грунтов «Интерстроймех-2005» Сборник научных трудов Международной научно-технической конференции - Тюмень, 2005 с 109-111

2 Кащеев А А, Тихонов А Ф Влияние входных параметров на степень уплотнения грунта насыпных строительных сооружений «Интерстроймех-2005» Сборник научных трудов Международной научно-технической конференции - Тюмень, 2005 с 107-109

3 Кащеев А А , Тихонов А Ф Метод получения информации о степени уплотнения грунта на основе вибродинамических измерений Сборник научных трудов «Автоматизация технологических процессов, строительных машин и оборудования» - М, МГСУ, 2005, с 95-101

4 Кащеев А А Математическая модель системы автоматического управления технологическим процессом уплотнения грунта строительных оснований и покрытий Сборник научных трудов «Механизация и автоматизация строительства и строительной индустрии» - М, МГСУ, 2005, с 46-53

5 Тихонов А Ф , Кащеев А А Технологические обоснования автоматизации процесса уплотнения насыпных грунтов вибродинамическим методом Сборник научных трудов «Механизация и автоматизация строительства и строительной индустрии» - М, МГСУ, 2005, с 128-134

6 Тихонов А.Ф., Кащеев A.A. Задачи автоматизированного управления процессом уплотнения насыпных строительных грунтов. Вестник МГСУ, 2007, №9, с. 78-83.

7 Кащеев А А, Тихонов А Ф Автоматизация технологии уплотнения насыпных строительных грунтов М, Механизация строительства, 2006, №12, с 36-41

КОПИ-ЦЕНТРсв 7 07 10429 Тираж 100 зкз Тел 185-79-54 г Москва, ул Рпнсеиская д 16