автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.04, диссертация на тему:Методика определения рациональных параметров и режимов работы вибрационных катков

На правах рукописи

0050551Ю

Попов Юрий Германович

МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАЦИОНАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ И РЕЖИМОВ РАБОТЫ ВИБРАЦИОННЫХ КАТКОВ

05.05.04 - Дорожные, строительные и подъемно-транспортные машины

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 5 НОЯ 2012

Ярославль - 2012

005055110

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательь учреждении высшего профессионального образования «Ярославски государственный технический университет (ЯГТУ)» на кафедре «Строительные дорожные машины».

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

Чабуткин Евгений Константинович, доцент кафедры «СДМ» ФГБОУ ВПО «ЯГТУ».

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Кузьмичев Виктор Алексеевич, профессор кафедры «Транспортные и технологические системы» ФГБОУ ВПО «СПбГПУ».

кандидат технических наук, доцент Старков Сергей Владимирович, декан автотранспортного факультета Института механики, автоматики и передовых технологий, ФГАОУ ВПО «ДВФУ».

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Ивановский архитектурн

строительный университет»

Защита состоится «22» ноября 2012 года в "СО часов на заседаю

диссертационного совета Д.212.126.02 ВАК РФ при Федеральнс

государственном бюджетном образовательном учреждении высше:

профессионального образования «Московский автомобильно-дорожнь

государственный технический университет (МАДИ)» по адресу 12531

г. Москва, Ленинградский пр-кт, 64., ауд. 42.

Телефон для справок (499) 155-93-24

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МАДИ.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах с подписью, заверенной печать

организации, просим направлять в адрес диссертационного совета. Копию отзы

просим прислать на e-mail: uchsovet@madi.ru

Автореферат разослан 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, профессор

/Н.В. Борисю

Общая характеристика работы

Актуальность работы. Современная уплотняющая техника характеризуется непрерывным повышением энергонасыщенности при существенном разбросе технологических параметров. Поэтому для эксплуатирующих организаций существует проблема определения моментов перехода от одного режима работы к другому, характеризующегося изменением рабочей скорости, вынуждающей силы и частоты вибрации рабочего органа, а также сменой вибрационных катков, действующих в составе дорожного отряда. При этом характер процесса уплотнения определяется рядом взаимосвязанных факторов, в числе которых и параметры вибрационного катка, и характеристики уплотняемого материала, как исходные, так и требуемые. Причем количество различных сочетаний этих факторов даже в самых простых моделях уплотняющих машин может достигать нескольких десятков тысяч. Для техники, в конструкции которой предусмотрена возможность регулирования в широких пределах параметров уплотнения, таких как рабочая скорость и параметры вибрации, число сочетаний факторов увеличивается многократно, что делает невозможным решение задачи определения рациональных параметров и режимов работы машины методом прямого перебора или эмпирическим путем.

В работе предложена методика расчета технологических параметров катков при уплотнении грунтов и асфальтобетонов, которая позволяет определить рациональный режим работы катка или отряда катков при конкретных условиях производства работ с учетом моментов перехода между машинами и изменяемыми параметрами уплотнения. Реализация данной методики на практике позволяет снизить сроки выполнения работ, упростить их планирование и подбор уплотняющей техники, а также повысить качество уплотнения дорожно-строительных материалов.

Цель работы. Повышение эффективности применения вибрационных катков путем определения рациональных технологических режимов уплотнения с учетом моментов переключений как между режимами работы одного катка, так и между катками, действующими в составе отряда машин.

Для достижения цели были поставлены и решены следующие задачи:

- провести анализ схем уплотнения с использованием различных режимов работы;

- определить критерии момента перехода от одного режима работы к другому (изменение рабочей скорости и вынуждающей силы) для отдельных катков. Для комплекта катков определить критерии перехода между машинами, в составе дорожного отряда;

- разработать на основе существующих теоретических и экспериментальных исследований процесса уплотнения расчетные модели, описывающие взаимодействие рабочего органа вибрационного катка с уплотняемым материалом;

- провести экспериментальное исследование процесса уплотнения насыпного грунта гладим вибрационным вальцом;

- , разработать методику определения рациональных параметров и режимов

работы вибрационных катков, в том числе в составе комплекта катков;

- провести проверку методики на основе сравнения результатов расчета с опытными данными производителей вибрационных катков.

Объект исследования - процесс уплотнения насыпных грунтов и асфальтобетонных смесей вибрационными катками.

Предмет исследования - критерии моментов перехода между режимами работы вибрационных катков и методика расчета рациональных параметров и режимов работы вибрационных катков.

Научная новизна работы:

- предложены критерии моментов перехода от одного режима работы к другому для отдельных катков и перехода между машинами, действующими в составе дорожного отряда, при уплотнении грунтов и асфальтобетонов;

- разработана концепция выбора параметров и режимов работы вибрационных катков, позволяющая на основе существующих математических моделей взаимодействия рабочих органов с уплотняемым материалом и блочно-иерархического подхода определять технологические параметры вибрационных катков;

- разработана методика расчета рациональных параметров и режимов работы катков при изменяемых параметрах воздействия на уплотняемый материал.

Практическая ценность работы заключается в разработанной в ходе исследования методике, которая может быть рекомендована для назначения рациональных режимов работы как для отдельных катков, так и для катков, действующих в составе дорожного отряда, с учетом конкретных условий производства работ.

Реализация работы. Разработанная методика выбора параметров и режимов работы вибрационных катков, реализованная в составе программного комплекса, была передана в ООО «Каток» и ООО «Завод Дорожных машин» для анализа типоразмерного ряда катков и исключения необоснованного дублирования их характеристик, а также для назначения рекомендаций по выбору режимов работы катков. Материалы исследования также используются в учебном процессе ГОУВПО ЯГТУ при подготовке специалистов по специальности «Подъемно-транспортные, строительные, дорожные машины и оборудование».

На защиту выносятся:

- критерии моментов перехода между режимами работы вибрационных катков;

- методика расчета рациональных режимов работы вибрационных катков при изменяемых параметрах воздействия на уплотняемый материал;

- результаты экспериментального исследования процесса уплотнения насыпного грунта вибрационным вальцом;

- концепция выбора режима работы для катка с возможностью гибкого регулирования вынуждающей силы.

Методы исследований, обоснованность и достоверность научных юложений. В работе применялись теоретические и экспериментальные методы ^следования. Решения задач базируются на экспериментальных данных и известных теоретических положениях процесса деформирования дорожно-строительных материалов под воздействием вибрации, методах математического моделирования и блочно-иерархическом принципе описания объектов проектирования. Достоверность научных положений подтверждается использованием апробированных аналитических и экспериментальных зависимостей, описывающих взаимодействие рабочих органов катков с грунтом и асфальтобетоном; применением апробированного математического аппарата обработки исследования; анализом методики, свидетельствующим об адекватном отражении физики процесса уплотнения при различных условиях; качественным и количественным согласованием результатов, полученных с помощью разработанной методики с экспериментальными данными и теоретическими исследованиями.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на 60-й научно-технической конференции студентов, магистрантов и аспирантов, (Ярославль 2007 г.), 62-й региональной научно-технической конференции «Молодежь. Наука. Инновации-2009» (Ярославль, 2009 г.), 6-й всероссийской научно-практической конференции «Современные высокоэффективные технологические и технические решения для ремонта и содержания региональных, местных и городских дорог» (Ярославль, 2009 г.), Международном семинаре «Проблемы совершенствования конструкции строительных, дорожных, коммунальных и аэродромных машин» (Москва, 2010 г.), Международной конференции «Подьем-но-транспортные, строительные, дорожные, путевые машины и робото-технические комплексы» (Москва, 2010), Всероссийской научно-методической конференции «Математическое образование и наука в технических и экономических вузах» (Ярославль, 2010), на семинарах кафедры «Строительные и дорожные машины» Ярославского государственного технического университета, а также в научно-исследовательских работах по госбюджетной программе «Развитие моделей динамических процессов в сложных средах с нелинейными эффектами» ЕЗН №1.7.08 и по программе «У.М.Н.И.К.» (20102012).

Публикации. Основные результаты работы освещены в 17 научных публикациях, го них 5 в центральных научных журналах, рекомендованных ВА1 РФ, 6 в сборниках трудов международных конференций и семинаров, 2 свидетельства о регистрации программы для ЭВМ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и приложений. Содержит 183 страницы машинописного текста, 77 страниц иллюстраций и таблиц, список литературы из 98 названий на 10 стр.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы ее цели 1 задачи, показана важность и актуальность решаемой проблемы, обоснован; практическая значимость результатов исследования.

Первая глава посвящена постановке цели и задачи исследования, также проведен анализ параметров уплотняемых материалов, используемых в дорожном строительстве, изучение существующих подходов и методов к теоретическом; определению параметров материала в процессе уплотнения и влияния, оказываемого на него характеристиками вибрационных катков.

Диссертационная работа выполнена на основе теоретических ] экспериментальных исследований таких ученых, как: Н.Я.Хархута, Г.Н.Попов В.П.Ложечко, С.В.Носов, Г.В.Кустарев, ЕЛ.Стефанюк, М.П.КостельоЕ

B.Д.Казарновский, М.П.Зубанов, А.Ф.Зубков, Т.Н.Сергеева, А.А.ШестопалоЕ Е.К.Чабуткин, С.Н.Иванченко, А.Ю.Прусов, В.В.Сидорков, Ю.Я.Коваленкс

C.А.Варганов, П.Л.Иванов, В.И.Рувинский, В.М.Безрук, И.А.Золотар! Ю.М.Васильев, М.М.Посадский, С.С.Процуто, В.Н.Кононов, А.М.Холодо1 С.К.Носков и др.

Отмечается, что современные производители дорожных катков выпускаю машины широкого спектра характеристик и конструкций, с возможность» регулирования параметров воздействия на уплотняемый материал. Однако до си пор существует комплексная проблема, заключающаяся в определени рационального режима работы уплотняющей машины или комплекта маши* включающего моменты перехода между значениями технологических параметро воздействия на уплотняемый материал исходя из конкретных условиГ производства работ. Фактически, каждый современный каток способе: реализовать большое количество режимов, характеризующихся определенным] сочетаниями параметров работы. При этом на разных стадиях уплотнени требуется различное по величине и характеру воздействие на материал изменяющееся в строгом соответствии с изменяющимися в процессе уплотнени свойствами материала.

В результате проведенного теоретического исследования работ было установлено, что вопрос определения моментов перехода между режимами работы в настоящее время мало изучен. Существуют только обобщенные рекомендации, никак не учитывающие многообразие свойств уплотняемых материалов, условий производства работ и характеристик вибрационных катков. Таким образом, можно сделать вывод, что данная проблема является актуальной и требует решения, что, в свою очередь, позволит повысить эффективность применения уплотняющих машин и повысить качество выполняемых работ. Для решения данной проблемы требуется создание методики, позволяющей выбирать рациональный режим работы катка или отряда катков, который при условии максимальной производительности обеспечит требуемое качество работ. Такая методика должна учитывать две основные группы факторов. Во-первых, характеристики уплотняющей машины, которые, в свою очередь, можно разделить на управляемые (т.е. изменяемые в процессе эксплуатации) и неуправляемые. При этом также необходимо учитывать взаимозависимость ряда характеристик, определяющихся оптимальными, с точки зрения теории уплотнения или конструктивных особенностей машины, соотношениями, такими как, например, отношение вынуждающей силы к весу вибровальцового модуля. Во-вторых, условия производства работ, характеризующие, прежде всего, параметры уплотняемого материала и его физико-механические свойства, а также условия окружающей среды, определяющие влияние температурно-временного фактора (т.е. скорость остывания асфальтобетонной смеси и происходящие вследствие этого изменения ее характеристик).

Проведенный анализ состояния вопроса уплотнения дорожно-строительных материалов показывает, что в настоящее время накоплен большой объем экспериментальных и теоретических исследований вибрационного уплотнения дорожно-строительных материалов, что позволяет смоделировать процесс уплотнения с высокой степенью точности.

Показано, что для достижения поставленной цели необходимо: на основании теоретических исследований процесса уплотнения грунтов и асфальтобетонов построить расчетную модель, корректно описывающую процесс уплотнения, осуществляемый вибрационными катками, и достигаемые параметры уплотняемого материала; определить критерии моментов перехода между режимами работы как для отдельных катков, так для катков, действующих в составе дорожного отряда; на основе этого разработать методику, позволяющую определять рациональные параметры вибрационных катков при конкретных условиях производства работ на разных стадиях уплотнения, при этом методика должна быть ограничена по числу возможных решений и требуемой вычислительной мощности; проверить адекватность методики и внести необходимые корректировки; разработать на основе данной методики программный комплекс, автоматизирующий все необходимые вычисления.

Во второй главе обосновано применение блочно-иерархического принципа описания объектов проектирования для решения задачи выбора параметров и режимов работы вибрационных катков, разработаны расчетные модели

определения режимов работы катка при уплотнении грунтов и асфальтобетонов, предложены критерии определения моментов перехода от одного режима работы к другому.

Отмечается, что система «рабочий орган - уплотняемый материал» характеризуется большим количеством взаимосвязей, причем изменение каких-либо параметров одного элемента системы вызывает изменения в параметрах второго. Это подразумевает большое количество возможных сочетаний параметров, что затрудняет выбор рационального режима работы катка. При этом критерии моментов переходов между режимами работы должны учитывать как непрерывно изменяющиеся в процессе уплотнения свойства материала, так и характеристики вибрационного катка. Исследования, проведенные C.B.Носовым, показывают целесообразность использования блочно-иерархического принципа описания объектов проектирования применительно к общим моделям взаимодействия колесных, гусеничных и дорожных машин с деформируемым опорным основанием. В главе показано, что поиск решения при определении режима работы или параметров катка может быть представлен в виде двух взаимозависимых иерархических структур (рисунок 1), отражающих процесс выбора следующих шагов S и получаемые при этом результаты R.

Под «шагом» S понимается совокупность действий, в результате которой изменяются характеристики R.

S = {S°)Kj{SLn\n,LeN}.

Здесь N - множество целых положительных чисел, R0 - это исходные характеристики (включая исходные данные, граничные условия и т.д.), & -базовый шаг, единый для всех возможных последовательностей решений. RL„-характеристики, полученные в ходе решения задачи определения параметров и режимов работы вибрационного катка и вычисления соответствующих им параметров уплотняемого материала на уровне L. На одном уровне, в общем случае, такая задача решается п раз.

Выбор последующих шагов S осуществляется на основании полученных на предыдущем уровне результатов R и предложенных критериев перехода. Полученные результаты R, в свою очередь, будут зависеть от шагов, но сделанных на текущем уровне, а также от результатов, полученных на предыдущем уровне (рисунок 2).

идсо,

где Sj'1 - последовательность из выполненных (1-1)-шагов, S(R-функция выбора следующего шага на основании полученного на (£-1)-м шаге результата; Rj~' - результаты, полученные на (¿-1)-м уровне; R(S^) - функция

расчета результатов, в соответствии с шагами S^.

g

о - решения, пригодные для дальнейшей работы О - решения, соответствующие требованиям задачи ф - решения, ие соответствующие требованиям задачи

Рисунок 1 - Взаимные связи описаний процесса поиска решений и достигаемых результатов

Ы I-

Рисунок 2 - Принципиальная схема выбора следующего шага и определения получаемого результата

При этом общее количество возможных решений сокращается за счет отсечения ошибочных и нецелесообразных ветвей решений на основании проверки по функции 7 Л0), определяющей номера шагов,

пригодных для дальнейшей работы.

На основании данной методики и математических моделей взаимодействия рабочего органа катка и уплотняемого материала, определяющих накопление

деформаций, зависящее от характеристик воздействия, была разработана схема расчета режимов работы вибрационных катков. В качестве критерия определения момента перехода с одного уровня расчета на следующий предложено использовать изменение интенсивности накопления остаточной деформации материала, а отсечение нерациональных ветвей решения осуществлять по условию соответствия действующих напряжений пределам прочности уплотняемого материала. Управляемыми параметрами являются рабочая скорость и величина вынуждающей силы. При этом величина вынуждающей силы выбирается максимально допустимой для текущего предела прочности материала, а рабочая скорость выбирается по коэффициенту Кэ, характеризующему приращение плотности в единицу времени.

Ак.+М

где М, = кг (у) - к1 (/') - изменение коэффициента уплотнения на глубине уплотнения при заданной скорости Уф;

Ака = к0 О) - £„(;') - изменение коэффициента уплотнения на поверхности при заданной скорости У(]).

- время прохода, зависящее от скорости V®, размеров участка и ширины вальца катка.

В третьей главе приведены результаты вычислительного эксперимента, определяющего влияние различных факторов на процесс уплотнения насыпных грунтов и асфальтобетонов вибрационными катками и отрядами катков, а также отражающего физические процессы, происходящие в уплотняемом материале.

Отмечается, что определяющим для процесса уплотнения являются контактные напряжения, которые могут варьироваться путем изменения массь машины или изменения параметров вибрации. При этом существуют ситуации, когда возможно включение вибрации уже на первом проходе, что позволяе' сократить общее время уплотнения на 15-20%, в то же время при значительно» превышении предела прочности материала включение вибрации н: неуплотненном участке ведет к интенсивному волнообразованию и эффект «разуплотнения», что отражается в существенном снижении прироста плотносп материала. В ходе эксперимента подтверждена гипотеза о целесообразности применения критерия снижения интенсивности нарастания плотности для перехода на другой режим работы при уплотнении насыпных грунтов как одним катком, так и отрядом катков (рисунок 3). Кроме того, отмечается, что при уплотнении дорожно-строительных материалов отрядом катков всегда существует оптимальный, с точки зрения эффективности и производительности, момент перехода от легкого катка к более тяжелому (рисунок 4). Однако при уплотнении асфальтобетонной смеси критерия перехода между уровнями расчета по интенсивности изменения коэффициента уплотнения недостаточно вследствие большого влияния временного фактора, определяющего изменение температуры смеси. При этом требуется применение более сложной логической схемы переключения, подразумевающей переход на другой режим работы или на другой

каток одновременно с достижением предела прочности, допускающего реализацию такого перехода при текущих параметрах материала.

ДКу, %

75-

50-

25-

0-

-25-

-50- Режин 1 Режим 2 Режим 3

-75- (т,.у„Р,) (••ад.Рз):

каток 1 каток 2 1 -1-1-г-Г"»

1 23456789 10 11 число проходов

Рисунок 3 - изменение интенсивности прирастания плотности от прохода к проходу. Ш1 и т2 - масса первого и второго катка в отряде соответственно, V и Р - рабочие скорости и значения вынуждающей силы при различных режимах

работы

6 7 8 9 количество проходов

Я?

Рисунок 4 - Уплотнение асфальтобетонной смеси катками ДУ-96 и СС 722. Цифрами обозначены возможные моменты выхода более тяжелой машины на

участок

и

Отмечается большое влияние рабочей скорости на процесс уплотне*. асфальтобетонной смеси, обусловленное фактором остывания смеси. При этог неправильный выбор рабочей скорости может привести к невозможност] уплотнения, во-первых, из-за низкой уплотняющей способности машины (пр] высоких значениях скоростей), во-вторых, из-за остывания смеси и изменения е физико-механических свойств (при низких значениях скоростей), при этом като: может не успеть сформировать структуру материала до его остывания. В ход вычислительного эксперимента сделан вывод, что для горячих асфальтобетонньг смесей существует интервал, во время которого уплотнение наиболее эффективн! (рисунок 6). Также отмечена эффективность подхода к определении рационального режима работы с переменными скоростями по условии максимальности рабочей скорости при сохранении величины изменена коэффициента уплотнения от прохода к проходу в пределах 10%.

Купл Купл.тах ь.

} дКртл/10

Купл.пМп

1 1 ! -1-к.

V™ \Zopt \Лпах у

Рисунок 5 - зависимость изменения достигнутого коэффициента уплотнения от рабочей скорости в пределах одного прохода

В главе показано, что уплотнение с бесступенчатым регулирование! вынуждающей силы позволяет существенно снизить общее число проходи вместе с тем определение оптимальной скорости нарастания ее значени затруднено и требует дополнительного исследования.

В четвертой главе представлены результаты экспериментальног исследования процесса уплотнения, проведенного с целью проверки и уточнени основных положений методики.

Опыты проводились на экспериментальном стенде, представляющем собо жесткую раму с закрепленным на ней гладким металлическим вальцом : вибровозбудителем с возможностью регулирования эксцентриситета дебалансо! Для изменения статического линейного давления использовалась систем пригрузов, устанавливаемых на раму. Геометрические размеры вальц выбирались таким образом, чтобы избежать влияния стенок грунтового канала н ход эксперимента, а также с учетом наиболее характерного для реальных маши соотношения ширина/диаметр.

Опыты проходили в два этапа. На первом производился ряд однофакторны экспериментов с целью выявления характера влияния управляемых параметро

на нарастание коэффициента уплотнения, а также определения нулевого уровня, от которого впоследствии производился поиск направления изменения переменных с целью нахождения их оптимальных значений. Одной из основных задач данного этапа также было получение зависимостей, N - f(m-e), N = f(y), N = f(g), где N - число проходов, требующихся для достижения требуемого коэффициента уплотнения, т • е - статический момент дебалансов, V - рабочая скорость, q - статическое линейное давление.

Полученные в результате выполнения однофакторных экспериментов данные позволили подтвердить вывод о высоком влиянии рабочей скорости и подтвердить характер нарастания плотности от прохода к проходу при различных сочетаниях исходных данных, что, в свою очередь, позволило сделать вывод о хорошем согласовании полученных экспериментальных кривых с данными, полученными в результате обработки математической модели. В ходе выполнения однофакторных экспериментов был сделан вывод, что превышение контактных напряжений предела прочности материала на величину не более 30% приводит к разуплотнению поверхностного слоя материала, однако при этом плотность нарастает на глубине уплотнения и при продолжении укатки поверхностный слой достигает требуемых значений плотности.

Также проводилась проверка комплексного влияния на процесс уплотнения выбранного режима работы (рисунок 6). При этом был сделан вывод об эффективности режима уплотнения с переменным значением вынуждающей силы, а также о нецелесообразности включения вибрации на ранних стадиях уплотнения при недостаточной несущей способности уплотняемого материала.

На втором этапе проводился трехфакторный эксперимент для получения обобщенной

Рисунок 6 - влияние выбранного режима зависимости, отражающей влияние работы на процесс уплотнения параметров катка на его

уплотняющую способность, в результате была получена целевая функция следующего вида:

2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 количество проходов

1 - уплотнение без вибрации 2 - включение вибрации после 3-го прохода 3 - включение вибрации на 25% после 3-го прохода и на 100% после 5-го.

N = 20,01-0,01 -q-2,18-(m-e) + 15,86-F-0,067-e)-0,015-9-F -- 2,56 ■ V-(m-e) + 0,017-q-(m-e)-V

Данная функция позволяет сделать вывод о существенном влиянии рабочей скорости на характер протекания процесса уплотнения, а также влиянии вынуждающей силы и, в меньшей степени, статического линейного давления.

В пятой главе представлено описание методики расчета параметров и режимов работы вибрационных катков и отрядов катков, а также программного комплекса, созданного на ее основе.

Методика расчета режимов работы основывается на математических моделях, рассмотренных во второй главе, а также критериях переключения режимов работы с учетом влияния факторов, рассмотренных в третьей и четвертой главах. На первом этапе (рисунок 7) формируются исходные данные, включающие параметры уплотняемого материала и характеристики катка или отряда катков.

Далее производится расчет начального режима работы, при этом определяются контактные напряжения под вальцом, при различных значениях вынуждающей силы, и сравниваются с пределом прочности материала. Рабочая скорость определяется в зависимости от типа материала. При этом по исходным данным и выбранному значению вынуждающей силы определяется изменение коэффициента уплотнения за один проход при различных рабочих скоростях.

В результате для насыпных грунтов принимается скорость, обеспечивающая наибольший прирост коэффициента уплотнения в единицу времени. Для асфальтобетонов принимается наибольшая рабочая скорость, обеспечивающая прирост коэффициента уплотнения на 90% и выше от максимального значения. Далее, при известной рабочей скорости и параметрах вибрации рассчитывается относительная плотность материала на каждом проходе. Для асфальтобетонов также определяется изменение температуры смеси и зависящих от нее характеристик материала. На каждом проходе осуществляется проверка критериев перехода определяющих возможность смены текущего режима работы (или перехода на другой каток). Для асфальтобетонов выполняется проверка на возможность изменения величины вынуждающей силы по соответствию получаемых при этом контактных напряжений текущем; пределу прочности материала. При этом если материал позволяет увеличит интенсивность воздействия, принимается новое значение вынуждающей силы ] осуществляется пересчет рабочей скорости. Для насыпных грунта определяющим является сравнение приращения коэффициента уплотнения н текущем проходе по сравнению с предыдущим. При разнице в прирост коэффициента уплотнения в 10% или более производится пересчет значени вынуждающей силы катка и рабочей скорости. Если значение вынуждающеГ силы максимально, осуществляется проверка возможности выхода более тяжело! машины на участок по соответствию создаваемых ею контактных напряжет« пределу прочности материала.

с і

з

Исходные данные: характеристики материала, параметры катка

иала, А—

характеристики материала і режим работы после первого прохода

1

ь- Определение вынуждающей силы и рабочей скорости

Определение величины интенсивности изменения относительной плотности материала ДКг

Определение контактных напряжений и предела прочности материала на следующем проходе с учетом влияния температуры

характеристики материала і режим работы после очередного прохода

Определение вынуждающей силы и рабочей скорости

/

I цикл по числу I проходов (М)

результаты расчета

С

конец

3

Рисунок 7 - логическая схема методики определения параметров и режимов работы вибрационных катков

Рисунок 7 (продолжение)- логическая схема методики определения параметров и режимов работы вибрационных катков. Р - вынуждающая сила; а - контактные напряжения; ар - предел прочности материала; Кэ - коэффициент;

Б кг - изменение коэффициента уплотнения на глубине; Бко - изменение коэффициента уплотнения на поверхности; Шр - время, требуемое на выполнение одного прохода; БКу - изменение величины относительной плотности; Кз - коэффициент запаса, принимаемый 0,7-0,8.

На основе данной методики были разработаны программы автоматизированного расчета режимов работы катков и отрядов катков при уплотнении насыпных грунтов и асфальтобетонных смесей. Также был разработан программный комплекс, объединяющий и контролирующий работу различных подпрограмм, входящих в его состав. В их числе:

1. Подпрограмма расчета режимов работы, позволяющая при заданных условиях производства работ и параметрах уплотняющей машины (или отряда машин) определить требуемое число проходов по одному следу для каждого катка в отдельности, определить рациональную последовательность и моменты выхода катков на участок, определить режимы их работы, включая моменты включения вибрации и рабочие скорости на разных проходах.

2. Подпрограмма управления базой данных (рисунок 8), предназначенной для хранения технических характеристик и сведений об уплотняющей способности вибрационных катков, а также поиска, редактирования, добавления и удаления этих данных.

3. Подпрограмма определения параметров вибрационных катков (рисунок 9). При определении параметров катков, подпрограммы с помощью базы данных и подпрограмм расчета режимов работы формирует опорный план, который в интерактивном режиме корректируется до достижения требуемых значений параметров машины.

Производитель

BW184AD

DYNAPAC

ІСА150

DYNAPAC

DYNAPAC

DYNAPAC

DYNAPAC

DYNAPAC

■ CA 290D-1I

DYNAPAC

;CA402D

DYNAPAC HAMM

ІСС722 HD 130

РАСКАТ

RV-19DT

Отображаемые пом

Р Производитель V Модель Р; Рабочая масс« & Доступность Г Нагрузка на ося Г" Тювальцое Г~ Рабочая частота Г Вынрсдаощал сипа Г Ширжа вальца Г" Диаметр вальца Г" Рабочая скорость

Рабочая масса: 10600 кг

Передний вами главыЛ,нагр. на ось: 6000 кг

Задний ваяет отсутствует. негр. на ось: 4600 кг

Диаметр мяьаа: 1523 мм

■ мрмна ваяьаа: 2130 м*

Рабочая частота: 33/33 Гц

Вындеммяая сила: 113/246 кН

Рабочие скорости: регулируется бесступенчато

Цдалить запись

Отсортировать...........—:.......-: •

С по производителю и модели по рабочей массе и моаели Г1 по доступности и модели Г по доступности и массе С по массе С по достугиости

Рисунок 8 - Окно управления базой данных

Рисунок 9 - Блок-схема модуля определения параметров катка

4. Подпрограммы сохранения и загрузки проектов, предназначенные да записи промежуточных и окончательных результатов расчета в файл.

Отмечается, что использование базы данных по уплотняющим машина; позволяет более точно привязывать условия расчета к реальным условия; производства работ как при работе одиночных машин, так и дорожных отрядов, созданный программный комплекс в целом позволяет рационализировать процес выбора режимов работы и параметров катков как на стади проектирования/модернизации, так и в эксплуатации.

В шестой главе приводится сравнение результатов расчета режимо работы уплотняющей машины и достигаемого коэффициента уплотненн дорожно-строительных материалов при различных условиях производства рабо-с рекомендациями фирм-производителей вибрационных катков и экспериментальными данными.

Основной целью была оценка соответствия результатов уплотнена получаемых при помощи разработанного программного комплекса эмпирическими данными при одинаковых режимах и условиях производств работ. В качестве источника данных использовалась программа СотрВазе производства Бупарас, представляющая собой набор эмпирических данныз полученных в исследовательском центре Бупарас и сведенных в базу данньп

рекомендации крупнейшего российского производителя вибрационных катков ОАО «Раскат»; рекомендации и результаты лабораторных испытаний вырубок, взятых из покрытия автодорог, уплотненных вибрационными катками при известном режиме работы, опубликованные в работах Носова C.B., Костельова М.П., Прусова А.Ю. и Ложечко В.П.

0,16 0,23 0,28 0,32 0,28 0,36 0,40 0,42

глубина уплотнения, м

I-,----,

коэффициент уплотнения: 1,02 коэффициент уплотнения; 0,98

рабочая скорость: 4 км/ч рабочая скорость: 3 км/ч

Ц Dynapac CompBase

В Vibkat

Рисунок 10 - каток Dynapac СА 150, материал: песок, опт. влажность

Отмечается, что результаты, полученные с помощью разработанной методики определения режимов работы вибрационных катков, хорошо согласуются с отечественными и зарубежными экспериментальными данными, расхождение не превышает 15%. Это позволяет сделать вывод о том, что заложенная в программный комплекс «Vibkat» методика расчета хорошо описывает процесс уплотнения дорожно-строительных материалов в большинстве рабочих ситуаций.

Основные выводы по диссертации

1. Проведен анализ существующих схем уплотнения дорожно-строительных материалов и использующейся при этом техники. Выявлено, что вопрос определения моментов перехода между режимами работы в настоящее время недостаточно изучен.

2. Предложены критерии моментов перехода между режимами работы катка и отряда из двух и более катков. Для асфальтобетонов предлагается проверка на возможность изменения величины вынуждающей силы по соответствию получаемых при этом контактных напряжений сг0 текущему пределу прочности агр материала.

3. Для насыпных грунтов в качестве критерия перехода целесообразно использовать снижение интенсивности прироста относительной плотности

материала на 10% при выполнении текущего прохода по сравнению с предыдущим и при соблюдении функционального ограничения 0,7 ■ ар <, <т0 < \?хтр .

4. Разработана схема выбора рабочей скорости (V) при смене режима уплотнения. При этом для насыпных грунтов скорость выбирается по условию максимальности прироста коэффициента уплотнения (на поверхности ко и в

глубине kz) за проход: Кз(У)=М'+М° -»max. Для асфальтобетонов

"р

целесообразно выбирать наибольшую рабочую скорость, обеспечивающую изменение коэффициента уплотнения на 90% от величины максимального прироста относительной плотности за проход.

5. На основе математических моделей взаимодействия рабочего органа вибрационного катка с насыпным грунтом и асфальтобетоном разработана методика определения переменных режимов работы катка, применимая также для отряда катков. На основе данной методики был разработан программный комплекс «Vibkat», позволяющий автоматизировать расчет по предложенной методике, а также определять параметры катков при их проектировании и модернизации.

6. Рассмотрены возможные варианты назначения рациональных режимов работы катка с возможностью гибкого регулирования вынуждающей силы.

7. В результате проведенных экспериментальных исследований изучено влияние скорости (V), статического линейного давления (<?) и вынуждающей силы (т е) на процесс уплотнения, получены уточненные значения коэффициентов для функциональных ограничений моментов перехода и получена обобщенная зависимость количества проходов катка (N) от данных факторов:

N = 20,01 -0,01-g-2,18(m-e) + 15,86-V-0,067-q-(т-е)~ 0,015-q- V -

- 2,56 • F ■ (га • е) + 0,017 -q-(jn-e)-V

8. Анализ данных, полученных с помощью программы «Vibkat», и сравнение их с отечественными и зарубежными экспериментальными данными позволяет сделать вывод об адекватном отражении процесса уплотнения насыпных грунтов и асфальтобетонов при различных условиях производства работ.

9. Методика расчета режимов работы и параметров вибрационных катков применялась на предприятиях ООО «Каток» и ООО «Завод Дорожных машин» для анализа типоразмерного ряда катков и назначения рекомендаций по выбор; режимов работы катков, что позволило предприятиям более адрес» использовать парк уплотняющих машин.

По материалам диссертации опубликованы работы:

Статьи в журналах, рекомендованных ВАК России:

1. Чабуткин Е.К., Тюремнов И.С., Попов Ю.Г. Уплотняем с умом i Строительные и дорожные машины, №9,2009, с.13-15.

2. Чабуткин Е.К., Тюремнов И.С., Попов Ю.Г. Повышение эффективност: применения вибрационных катков путем оптимизации их режимов работы / Строительные и дорожные машины. №8,2011. с. 19-24.

3. Тюремнов И.С., Игнатьев A.A., Попов Ю.Г. Об оценке уплотняющей способности вибрационных катков // Строительные и дорожные машины. №11, 2011. с.51-56.

4. Тюремнов И.С., Игнатьев A.A., Попов Ю.Г. Анализ рекомендаций по назначению режимов работы вибрационных катков при уплотнении грунтов // Строительные и дорожные машины. №12,2011. с.31-36.

5. Е.К. Чабуткин, И.С. Тюремнов, Ю.Г. Попов. Методика расчета режима работы вибрационного катка при уплотнении горячих асфальтобетонных смесей // Вестник информационных технологий, №5,2012.- с.10-13.

В сборниках трудов международных конференций и семинаров:

6. Чабуткин Е.К., Попов Ю.Г. Некоторые проблемы проектирования и эффективного применения вибрационных катков // «Современные научно-технические проблемы транспорта», сб. науч. труд. IV Международной научно-технической конференции, Ульяновск 2007.- с.27-30/

7. Чабуткин Е.К., Прусов А.Ю., Попов Ю.Г. К вопросу об уплотнении грунтов с регулируемой вынуждающей силой // «Подъемно-транспортные, строительные, дорожные, путевые машины и робототехнические комплексы», сб.труд. 13 Междунар.конф., Москва, 2009г. с.212-214.

8. Чабуткин Е.К., Попов Ю.Г. О некоторых особенностях уплотнения дорожно-строительных материалов отрядом катков // «Проблемы совершенствования конструкции строительных, дорожных, коммунальных и аэродромных машин», сб.труд. международного семинара.- М.: МАДИ, 2010,-С. 33-34.

9. Чабуткин Е.К., Тарасова Н.Е., Попов Ю.Г. Уплотнение горячих асфальтобетонных смесей катками с возможностью регулирования вынуждающей силы // «Проблемы совершенствования конструкции строительных, дорожных, коммунальных и аэродромных машин». Сб.труд. международного семинара».- М.: МАДИ, 2010.- С. 45-46.

10. Чабуткин Е.К., Попов Ю.Г., Шумаков Д.О. Влияние рабочей скорости вибрационных катков на уплотнение горячих асфальтобетонных смесей // Материалы 64 региональной научно-техн. конф. студ., магистр., аспир. высш. учеб. заведений с междунар. участием,- Ярославль: ЯГТУ, 2011.- 377с.

11. Чабуткин Е.К., Тарасова Н.Е., Попов Ю.Г. Регулирование вынуждающей силы вибровальца при уплотнении асфальтобетонных покрытий // «Проблемы совершенствования конструкции строительных, дорожных, коммунальных и аэродромных машин»: материалы междунар.семинара.-М.: МАДИ, 2011, с 80-83.

Публикации в других изданиях:

12. Чабуткин Е.К., Попов Ю.Г. Методика оптимизации процесса проектирования вибрационных катков // «Молодежь. Наука. Инновации - 2009», сб.труд. 62 региональной научно-техн.конф., Ярославль, 2009г., с.376.

13. Чабуткин Е.К., Попов Ю.Г. Программный комплекс по расчету режимов работы вибрационных катков // «Подъемно-транспортные, строительные,

дорожные, путевые машины и робототехнические комплексы». Матер. 14 Междунар. конф,- М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2010.- С.80-82.

14. Чабуткин Е.К., Попов Ю.Г. О повышении эффективности применени вибрационных катков в составе дорожных отрядов // Матер. 63 регионально]" научно-техн. конф. студ., магистр., аспир. высш. учеб. заведений с междунар. участием.- Ярославль: ЯГТУ, 2010.- 336с.

15. Чабуткин Е.К., Тюремнов И.С., Попов Ю.Г. Расчетная модель процесс уплотнения грунтов и асфальтобетонов вибрационными катками / «Математическое образование и наука в технических и экономических вузах>: Сб.труд. всероссийской научно-методической конференции. - Ярославль: ЯГТУ 2010,- с. 311-317.

Свидетельства о регистрации программы для ЭВМ:

16. Свидетельство № 2011615193 РФ Программный комплекс «Vibkat» Попов Ю.Г., Чабуткин Е.К., Тюремнов И.С., Прусов А.Ю. (RU) - 2011613212 заяв. 04.05.2011, опубл. 01.07.2011.

17. Свидетельство № 2011615194 РФ Программный комплекс «Vibkz individual version» / Попов Ю.Г., Чабуткин Е.К., Тюремнов И.С., Прусов А.К (RU)-2011613213; заяв. 04.05.2011, опубл. 01.07.2011.

Подписано в печать 15.10.2012 г. Печ. л. 1. Заказ 1147. Тираж 100. Отпечатано в типографии Ярославского государственного технического университета г. Ярославль, ул. Советская, 14 а, тел. 30-56-63.

Введение

1 Уплотнение дорожно-строительных материалов

1.1 Применение вибрационных катков в строительстве

1.2 Исследования процесса уплотнения грунтов

1.3 Исследования процесса уплотнения асфальтобетонных смесей 30 Выводы 51 2. Построение принципиальной модели выбора параметров и режимов работы вибрационных катков

2.1 Формирование общих подходов

2.2 Разработка методики определения режима работы при уплотнении асфальтобетона

2.3 Разработка методики определения режима работы при уплотнении грунтов

Выводы

3. Влияние различных факторов на процесс уплотнения дорожно-строительных материалов

3.1 Уплотнение насыпных грунтов

3.2 Уплотнение асфальтобетонных смесей 92 Выводы

4. Экспериментальное исследование процесса уплотнения грунтов

4.1 Описание стенда

4.2 Методика проведения эксперимента

4.3 Результаты экспериментального исследования. Определение типа уплотняемого материала

4.4 Анализ экспериментальных данных 112 Выводы

5. Описание программного комплекса 120 5.1 Методика расчета режимов работы

5.2 Модуль базы данных

5.3 Модуль расчета режимов работы вибрационных катков

5.4 Модуль определения параметров катка

5.5 Модули сохранения и загрузки проектов 137 Выводы 139 6. Проверка работоспособности программного комплекса Vibkat

6.1 Уплотнение насыпных грунтов

6.2 Уплотнение асфальтобетонных смесей

6.3 Внедрение результатов исследования 155 Выводы 156 Основные выводы по диссертации 157 Список использованной литературы 159 Приложения

Актуальность работы. Современная уплотняющая техника характеризуется непрерывным повышением энергонасыщенности при существенном разбросе технологических параметров. Поэтому для эксплуатирующих организаций существует проблема определения моментов перехода от одного режима работы к другому, характеризующегося изменением рабочей скорости, вынуждающей силы и частоты вибрации рабочего органа, а также сменой вибрационных катков, действующих в составе дорожного отряда. При этом характер процесса уплотнения определяется рядом взаимосвязанных факторов, в числе которых и параметры вибрационного катка, и характеристики уплотняемого материала, как исходные, так и требуемые. Причем количество различных сочетаний этих факторов даже в самых простых моделях уплотняющих машин может достигать нескольких десятков тысяч. Для техники, в конструкции которой предусмотрена возможность регулирования в широких пределах параметров уплотнения, таких как рабочая скорость и параметры вибрации, число сочетаний факторов увеличивается многократно, что делает невозможным решение задачи определения рациональных параметров и режимов работы машины методом прямого перебора или эмпирическим путем.

В работе предложена методика расчета технологических параметров катков при уплотнении грунтов и асфальтобетонов, которая позволяет определить рациональный режим работы катка или отряда катков при конкретных условиях производства работ с учетом моментов перехода между машинами и изменяемыми параметрами уплотнения. Реализация данной методики на практике позволяет снизить сроки выполнения работ, упростить их планирование и подбор уплотняющей техники, а также повысить качество уплотнения дорожно-строительных материалов.

Цель работы. Повышение эффективности применения вибрационных катков путем определения рациональных технологических режимов У уплотнения с учетом моментов переключений как между режимами работы одного катка, так и между катками, действующими в составе отряда машин.

Для достижения поставленной цели были поставлены и решены следующие задачи:

- провести анализ схем уплотнения с использованием различных режимов работы;

- определить критерии момента перехода от одного режима работы к другому (изменение рабочей скорости и вынуждающей силы) для отдельных катков. Для комплекта катков определить критерии перехода между машинами, в составе дорожного отряда;

- разработать на основе существующих теоретических и экспериментальных исследований процесса уплотнения расчетные модели, описывающие взаимодействие рабочего органа вибрационного катка с уплотняемым материалом;

- провести экспериментальное исследование процесса уплотнения насыпного грунта гладким вибрационным вальцом;

- разработать методику определения рациональных параметров и режимов работы вибрационных катков, в том числе в составе комплекта катков;

- провести проверку методики на основе сравнения результатов расчета с опытными данными производителей вибрационных катков.

Объект исследования - процесс уплотнения насыпных грунтов и асфальтобетонных смесей вибрационными катками.

Предмет исследования - критерии моментов перехода между режимами работы вибрационных катков и методика расчета рациональных параметров и режимов работы вибрационных катков.

Методы исследований, обоснованность и достоверность научных положений. В работе применялись теоретические и экспериментальные методы исследования. Решения задач базируются на экспериментальных данных и известных теоретических положениях процесса деформирования дорожностроительных материалов под воздействием вибрации, методах математического моделирования и блочно-иерархическом принципе описания объектов проектирования. Достоверность научных положений подтверждается использованием апробированных аналитических и экспериментальных зависимостей, описывающих взаимодействие рабочих органов катков с грунтом и асфальтобетоном; применением апробированного математического аппарата обработки исследования; анализом методики, свидетельствующем об адекватном отражении физики процесса уплотнения при различных условиях; качественным и количественным согласованием результатов, полученных с помощью разработанной методики с экспериментальными данными и теоретическими исследованиями.

Научная новизна работы:

- предложены критерии моментов перехода от одного режима работы к другому для отдельных катков и перехода между машинами, действующими в составе дорожного отряда, при уплотнении грунтов и асфальтобетонов;

- разработана концепция выбора параметров и режимов работы вибрационных катков, позволяющая на основе существующих математических моделей взаимодействия рабочих органов с уплотняемым материалом и блочно-иерархического подхода определять технологические параметры вибрационных катков;

- разработана методика расчета рациональных параметров и режимов работы катков при изменяемых параметрах воздействия на уплотняемый материал.

Практическая ценность работы заключается в разработанной в ходе исследования методике, которая может быть рекомендована для назначения рациональных режимов работы как для отдельных катков, так и для катков, действующих в составе дорожного отряда, с учетом конкретных условий производства работ.

Реализация работы. Разработанная методика выбора параметров и режимов работы вибрационных катков, реализованная в составе программного комплекса была передана в ООО «Каток» и ООО «Завод «Дорожных машин» для анализа типоразмерного ряда катков и исключения необоснованного дублирования их характеристик, а также для назначения рекомендаций по выбору режимов работы катков. Материалы исследования также используются в учебном процессе ГОУВПО ЯГТУ при подготовке специалистов по специальности «Подъемно-транспортные, строительные, дорожные машины и оборудование».

На защиту выносятся:

- критерии моментов перехода между режимами работы вибрационных катков;

- методика расчета рациональных режимов работы вибрационных катков при изменяемых параметрах воздействия на уплотняемый материал;

- результаты экспериментального исследования процесса уплотнения насыпного грунта вибрационным вальцом;

- концепция выбора режима работы для катка с возможностью гибкого регулирования вынуждающей силы.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на 60 научно-технической конференции студентов, магистрантов и аспирантов, (Ярославль 2007 г.), 62 региональной научно-технической конференции «Молодежь. Наука. Инновации - 2009» (Ярославль, 2009 г.), 6 всероссийской научно-практической конференции «Современные высокоэффективные технологические и технические решения для ремонта и содержания региональных, местных и городских дорог» (Ярославль 2009 г.), международном семинаре «Проблемы совершенствования конструкции строительных, дорожных, коммунальных и аэродромных машин» (Москва 2010 г.), международной конференции «Подьемно-транспортные, строительные, дорожные, путевые машины и робототехнические комплексы» (Москва 2010), всероссийской научно-методической конференции «Математическое образование и наука в технических и экономических вузах» (Ярославль 2010), на семинарах кафедры «Строительные и дорожные машины» Ярославского государственного технического университета, а также в научно-исследовательских работах по госбюджетной программе «Развитие моделей динамических процессов в сложных средах с нелинейными эффектами» ЕЗН №1.7.08 и по программе «У.М.Н.И.К.» (2010-2012).

Публикации. Основные результаты работы освещены в 17 научных публикациях, из них 5 в центральных научных журналах, рекомендованных ВАК РФ, 6 в сборниках трудов международных конференций и семинаров, 2 свидетельства о регистрации программы для ЭВМ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и приложений. Содержит 183 страницы машинописного текста, 77 страниц иллюстраций и таблиц, список литературы из 98 названий на 10 стр.